gornik odkrywkowej eksploatacji zloz 711[03] o1 05 u

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI

NARODOWEJ

Agnieszka Ambrożejczyk-Langer

Analizowanie układów elektrycznych i automatyki
przemysłowej 711[03].O1.05

Poradnik dla ucznia

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Recenzenci:
dr inż. Andrzej Figiel
dr inż. Marek Młyńczak

Opracowanie redakcyjne:
mgr Janusz Górny

Konsultacja:
mgr inż. Teresa Myszor

Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 711[03].O1.05
„Analizowanie

układów

elektrycznych

automatyki

przemysłowej”,

zawartego

w modułowym programie nauczania dla zawodu górnik odkrywkowej eksploatacji złóż.

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

2. Wymagania wstępne

3. Cele kształcenia

4. Materiał nauczania

4.1. Energia elektryczna. Pomiary energii elektrycznej

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Obwód elektryczny

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Podstawowe prawa elektrotechniki

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Pomiary wielkości elektrycznych

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

4.5. Transformator

4.5.1. Materiał nauczania

4.5.2. Pytania sprawdzające

4.5.3. Ćwiczenia

4.5.4. Sprawdzian postępów

4.6. Silniki prądu stałego. Silniki indukcyjne

4.6.1. Materiał nauczania

4.6.2. Pytania sprawdzające

4.6.3. Ćwiczenia

4.6.4. Sprawdzian postępów

4.7. Instalacje elektryczne

4.7.1. Materiał nauczania

4.7.2. Pytania sprawdzające

4.7.3. Ćwiczenia

4.7.4. Sprawdzian postępów

4.8. Urządzenia grzewcze. Technika oświetleniowa

4.8.1. Materiał nauczania

4.8.2. Pytania sprawdzające

4.8.3. Ćwiczenia

4.8.4. Sprawdzian postępów

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.9. Podstawy elektroniki

4.9.1. Materiał nauczania

4.9.2. Pytania sprawdzające

4.9.3. Ćwiczenia

4.9.4. Sprawdzian postępów

4.10. Elementy i układy automatyki

4.10.1. Materiał nauczania

4.10.2. Pytania sprawdzające

4.10.3. Ćwiczenia

4.10.4. Sprawdzian postępów

4.11. Mikroprocesory i sterowniki mikroprocesorowe

4.11.1. Materiał nauczania

4.11.2. Pytania sprawdzające

4.11.3. Ćwiczenia

4.11.4. Sprawdzian postępów

5. Sprawdzian osiągnięć

6. Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik ten pomoże Ci w przyswajaniu wiedzy z zakresu układów elektrycznych

i automatyki przemysłowej, umiejętności ich analizy i badania.

W Poradniku zamieszczono:

–

wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć, już ukształtowane abyś bez problemów mógł
korzystać z poradnika,

–

cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z tym
poradnikiem,

–

materiał nauczania – czyli wiadomości dotyczące obwodów elektrycznych prądu stałego,

–

zestawy pytań, które pomogą Ci sprawdzić, czy opanowałeś podane treści,

–

wiczenia, które umożliwia Ci nabycie umiejętności praktycznych,

–

sprawdzian postępów,

–

literaturę.
W materiale nauczania zostały omówione zagadnienia dotyczące układów elektrycznych,

podstawowych technik, metod i przyrządów pomiarowych, instalacji elektrycznych, techniki
oświetleniowej i grzewczej oraz układów automatyki przemysłowej i sterowników
mikroprocesorowych. Nauczyciel pomoże Ci w procesie przyswajania wiedzy wskazując
te treści, które są kluczowe dla Twojego zawodu lub stanowią podstawę dalszego kształcenia.

Z rozdziałem „Pytania sprawdzające” możesz zapoznać się:

–

przed przystąpieniem do rozdziału „Materiał nauczania” – poznając przy tej okazji
wymagania wynikające z potrzeb zawodu, a po przyswojeniu wskazanych treści,
odpowiadając na te pytania sprawdzisz stan swojej gotowości do wykonywania ćwiczeń,

–

po zapoznaniu się z rozdziałem „Materiał nauczania”, aby sprawdzić stan swojej wiedzy,
która będzie Ci potrzebna do wykonywania ćwiczeń.
Kolejnym etapem nauki, będzie wykonywanie ćwiczeń, których celem jest uzupełnienie

i utrwalenie informacji z danego zakresu. Wykonując ćwiczenia przedstawione w poradniku
lub zaproponowane przez nauczyciela, poznasz budowę, właściwości, i zjawiska zachodzące
w układach elektrycznych i automatyki przemysłowej na podstawie:
–

oznaczeń elementów,

–

dokumentacji technicznej urządzeń elektrycznych,

–

przeprowadzonych analiz schematów elektrycznych,

–

obliczeń wielkości elektrycznych,

–

przeprowadzonych pomiarów.
Po wykonaniu ćwiczeń, sprawdź poziom swoich postępów rozwiązując test Sprawdzian

postępów, zamieszczony po ćwiczeniach. W tym celu:
–

przeczytaj pytania i odpowiedz na nie,

–

wybierz odpowiedź TAK lub NIE wstawiając X w odpowiednie miejsce.
Odpowiedzi TAK wskazują twoje mocne strony, natomiast odpowiedzi NIE informują

o brakach, które musisz nadrobić. Oznacza to także powrót do treści, które nie są dostatecznie
opanowane.

Poznanie przez Ciebie wszystkich lub określonej części wiadomości z zakresu układów

elektrycznych i automatyki przemysłowej, będzie stanowiło dla nauczyciela podstawę
przeprowadzenia sprawdzianu poziomu przyswojonych wiadomości i ukształtowanych
umiejętności. Przykład „Sprawdzianu osiągnięć” znajduje się w rozdziale 5.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat układu jednostek modułowych

711[03].O1

Techniczne podstawy zawodu

711[03].O1.01

Przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony

przeciwpożarowej i ochrony

rodowiska

711[03].O1.02

Posługiwanie się dokumentacją

techniczną

711[03].O1.03

Stosowanie materiałów konstrukcyjnych

i eksploatacyjnych

812[02].O1.04

Rozpoznawanie elementów maszyn

i mechaniz

mów

711[03].O1.05

Analizowanie układów elektrycznych

i automatyki przemysłowej

711[03].O1.06

Stosowanie podstawowych technik wytwarzania

części maszyn

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej, powinieneś umieć:

–

opisywać podstawowe zjawiska fizyczne związane z elektrycznością,

–

określać podstawowe wielkości elektryczne w układzie SI,

–

współpracować w grupie,

–

korzystać z różnych źródeł informacji,

–

stosować obowiązującą procedurę postępowania w sytuacji zagrożenia,

–

stosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy oraz przepisy przeciwpożarowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej, powinieneś umieć:

−

rozróżnić podstawowe wielkości określające energię elektryczną oraz określić ich
jednostki,

−

rozpoznać elementy obwodu elektrycznego prądu stałego i przemiennego na podstawie
schematu,

−

scharakteryzować materiały: przewodzące, półprzewodzące, izolacyjne, magnetyczne,
konstrukcyjne,

−

określić materiały izolujące i przewodzące,

−

zmierzyć natężenie prądu i moc w obwodach prądu stałego oraz przemiennego
jednofazowego i trójfazowego,

−

rozróżnić instalacje mieszkaniowe i przemysłowe,

−

rozróżnić połączenia odbiorników szeregowe, równolegle, w gwiazdę i w trójkąt,

−

rozróżnić: uziemienie ochronne, uziom, przewód uziemiający i zerowanie,

−

rozpoznać typowe usterki i uszkodzenia w obwodach instalacji i osprzęcie elektrycznym
maszyn i urządzeń,

−

przewidzieć zagrożenia i ich skutki podczas pracy przy urządzeniach elektrycznych,

−

scharakteryzować przesył energii elektrycznej,

−

rozróżnić napięcie przesyłowe i robocze,

−

wyjaśnić zasadę działania transformatora, prądnicy, silnika elektrycznego, prostownika,

−

wskazać różnice w budowie i pracy prądnicy i silnika,

−

określić parametry maszyn i urządzeń elektrycznych na podstawie tabliczki
znamionowej,

−

rozróżnić podstawowe elementy elektroniczne,

−

rozróżnić podstawowe elementy układu sterowania,

−

rozróżnić elementy układów automatyki przemysłowej,

−

odczytać proste schematy układów automatycznej regulacji,

−

wykazać różnice między automatycznym sterowaniem, a automatyczną regulacją
na podstawie schematów blokowych,

−

wyjaśnić zadanie stycznika i przekaźnika w układach sterowania,

−

wyjaśnić przeznaczenie poszczególnych członów układów automatycznej regulacji,

−

określić funkcje sterownika w układach sterowania,

−

wykorzystać programy komputerowe do sterowania procesami technologicznymi,

−

posłużyć się PN, katalogami oraz poradnikami,

−

zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony od porażeń prądem
elektrycznym, ochrony przeciwpożarowej podczas wykonywania pomiarów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Energia elektryczna. Pomiary energii elektrycznej

4.1.1. Materiał nauczania

Bezpieczeństwo i higiena pracy

Szczegółowe przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy dotyczące pracy z urządzeniami

elektrycznymi zostały szczegółowo omówione w jednostce modułowej 711[03].O1.01
„Przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej. Aby
zachować bezpieczeństwo podczas pracy przy urządzeniach elektrycznych i elektronicznych
należy zachować następujące podstawowe zasady:
1) wyłączyć napięcie we wszystkich częściach urządzenia przy którym będą prowadzone

prace,

2) zabezpieczyć wyłączniki przed ponownym załączeniem (np. taśmą samoprzylepną),

wyjąć bezpieczniki, wywiesić informację o zakazie załączania,

3) sprawdzić stan napięcia (do sprawdzenia użyć dwubiegunowego próbnika napięć),
4) osłonić i oddzielić sąsiadujące elementy znajdujące się pod napięciem (można

zastosować maty i ekrany izolacyjne).
Przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczeń praktycznych polegających na

wykonywaniu pomiarów w układach elektrycznych, poprawność zmontowanego układu
powinien sprawdzić nauczyciel, a następnie powinien udzielić zgody na włączenie zasilania.

W czasie pobytu w pracowni musisz przestrzegać regulaminów, przepisów

bezpieczeństwa i higieny pracy oraz instrukcji przeciwpożarowych, wynikających z rodzaju
wykonywanych prac. Przepisy te poznasz podczas trwania nauki.

Podstawowe wielkości elektryczne

Podstawowe wielkości elektryczne to: prąd elektryczny, napięcie i związany z nim

potencjał elektryczny, moc prądu elektrycznego, rezystancja, pojemność kondensatora,
indukcyjność cewki.

Pojęciem prądu elektrycznego określamy zjawisko uporządkowanego ruchu ładunków

elektrycznych przez przekrój poprzeczny środowiska przewodzącego (przewodnika
lub zjonizowanego gazu czy cieczy) pod działaniem pola elektrycznego. Jednostką prądu
elektrycznego (natężenia prądu elektrycznego) jest amper [A].

Prąd elektryczny może nie zmieniać się w czasie, wtedy mówimy, że jest to prąd stały.

Jeśli natomiast prąd w czasie zmienia swoją wartość, kierunek przepływu (zwany też
zwrotem) lub wartość i kierunek przepływu, mówimy wtedy o prądzie zmiennym.

Rys. 1. Wykresy czasowe: a) prądu stałego; b), c) prądu zmiennego.

W obwodach elektrycznych większości urządzeń powszechnego użytku oraz maszyn

przemysłowych płynie prąd sinusoidalnie zmienny. Rozróżniamy prąd sinusoidalnie zmienny
jednofazowy i trójfazowy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Prąd sinusoidalnie zmienny jednofazowy (przemienny).

Rys. 2. Wykres prądu sinusoidalnie zmiennego [4, s. 82]

Wielkości charakteryzujące prąd sinusoidalnie zmienny:

−

i =

sin

⋅

– wartość chwilowa,

−

– wartość maksymalna, czyli amplituda,

−

– prędkość kątowa, czyli tzw. pulsacja,

−

T – okres czyli czas jednego cyklu T =

2π

= [s],

−

f – częstotliwość określająca ilość cykli na sekundę f =

f = [Hz].

W praktyce posługujemy się wartością skuteczną prądu sinusoidalnie zmiennego,

oznaczoną symbolem I, której wartość mierzą mierniki elektryczne.

Tabela 1. Podstawowe wielkości elektryczne

wielkość elektryczna

symbol

nazwa jednostki

oznaczenie jednostki

prąd elektryczny

amper

napięcie elektryczne

wolt

potencjał elektryczny

wolt

rezystancja

Ω

pojemność

farad

indukcyjność

henr

moc elektryczna

wat

energia elektryczna

dżul

Moc prądu stałego

Na skutek przepływu prądu w obwodzie elektrycznym elementy źródłowe oddają lub

pobierają energię elektryczną, natomiast elementy odbiorcze, zawsze pobierają energię
elektryczną. W obwodzie elektrycznym występuje bilans mocy, w myśl którego suma
algebraiczna mocy oddanych (lub pobranych) przez źródła energii elektrycznej jest równa
sumie mocy pobranych przez rezystory stanowiące odbiorniki.

Moc P pobierana przez elementy odbiorcze jest równa iloczynowi prądu I

przepływającego przez element i spadku napięcia U na nim:

⋅

Jednostką mocy jest wat [W].

Moc prądu sinusoidalnego

W obwodzie prądu sinusoidalnego wydziela się na nim moc czynna P moc bierna Q

i pozorna S.

Moc czynna P określona jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu oraz cosφ

kąta przesunięcia fazowego między przebiegami prądu i napięcia.

P = U ·I ·cosφ

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Jednostką mocy czynnej jest wat [W], a cosφ zwany jest współczynnikiem mocy.
Moc bierna Q określona jest jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu oraz sinφ

kąta przesunięcia fazowego między przebiegami prądu i napięcia. Jednostką mocy biernej jest
war [var]. Moc pozorna (S) stanowi iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu, jej
jednostką mocy pozornej jest woltoamper [V·A]

Q = U ·I · sinφ; S = U ·I

Energia elektryczna

Energia elektryczna to energia, jaką prąd elektryczny przekazuje odbiornikowi, który

zmienia ją na inny rodzaj energii np. żarówka jako odbiornik zamienia energię elektryczną na
ś

wietlną. Odbiornik może również wykonywać określona pracę np. silnik elektryczny porusza

ramię robota przemysłowego. Energię elektryczną pobieraną przez urządzenie oblicza się jako
iloczyn natężenia prądu płynącego przez odbiornik, napięcia na odbiorniku i czasu przepływu
prądu przez odbiornik.

⋅

Jednostką energii elektrycznej jest dżul [J].

[ ] [ ] [ ]

⋅

Zużycie energii elektrycznej w gospodarstwach domowych i zakładach przemysłowych

mierzone jest licznikiem energii elektrycznej, a wyrażane w kilowatogodzinach [kWh]. Im
większa jest moc urządzenia, tym więcej zużywa energii elektrycznej w jednostce czasu.
Informacja o mocy znamionowej, czyli takiej, którą urządzenie pobiera podczas swojej pracy,
jest podawana przez producenta w danych techniczne zamieszczonych w instrukcji obsługi,
na tabliczce znamionowej lub etykiecie energetycznej urządzeń.

Rodzaje źródeł energii elektrycznej

Każde źródło energii elektrycznej jest w istocie przetwornikiem innej postaci energii

w energię elektryczną. Ze względu na sposób tej przemiany źródła możemy podzielić na:
elektromechaniczne, chemiczne oraz cieplne.

ródła elektromechaniczne to przetworniki energii mechanicznej w elektryczną –

przykładem jest prądnica zwana też generatorem. Wykorzystuje ona zjawisko indukowania
się siły elektromotorycznej w przewodzie poruszającym się w polu magnetycznym. Prądnica
składa się z dwóch zasadniczych części: walca z nawiniętym uzwojeniem zwanego
twornikiem (w nim indukuje się napięcie elektryczne) i magneśnicy na biegunach, której
nawinięte są uzwojenia magnesujące (wzbudzające). Zadaniem magneśnicy jest wytworzenie
pola magnetycznego. Jedna z części prądnicy jest nieruchoma – zwana jest stojanem
(lub statorem), natomiast druga zwana wirnikiem (lub rotorem) wiruje. Wartość
indukowanego napięcia zależy od konstrukcji prądnicy, prędkości z jaką porusza się wirnik
oraz od parametrów pola magnetycznego. Prądnice posiadają moc od setek megawatów
(w elektrowniach) do dziesiątek watów (do zasilania spawarek, ładowania akumulatorów).

Rys. 3. Prądnica: a) zasada działania, b) uproszczony model [1, s. 79, 80]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ródła chemiczne wytwarzają energię elektryczną dzięki reakcjom chemicznym.

Rozróżniamy kilka typów tych źródeł: ogniwa galwaniczne, akumulatory i ogniwa paliwowe.

Ogniwo galwaniczne składa się z dwóch elektrod zanurzonych w elektrolicie. Wartość

napięcia wytwarzanego przez ogniwo zależy od rodzaju elektrod i elektrolitu. Parametrem
charakteryzujący ogniwo jest pojemność elektryczna równa iloczynowi prądu znamionowego
oraz gwarantowanego czasu użytkowania ogniwa (przy tym prądzie). Jednostką pojemności
elektrycznej jest amperogodzina [Ah].

Ogniwa dzielimy na pierwotne służące do użytku jednorazowego oraz wtórne, które

mogą być rozładowywane i ponownie ładowane.

Ogniwa pierwotne łączy się w baterie w celu uzyskania, np. większego napięcia.

Akumulator jest ogniwem wtórnym (odwracalnym), ponieważ może być wielokrotnie
wyładowywany i ponownie naładowywany. Służy on do magazynowania energii elektrycznej.
Parametrami akumulatorów są sprawność pojemnościowa i sprawność energetyczna.

ródła cieplne zamieniają energię cieplną na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie

zjawiska termoelektrycznego. Występuje ono na styku dwóch różnych metali lub
półprzewodników, gdy temperatura styku różni się od temperatury pozostałych części
zespolonych materiałów.

Wytwarzanie energii elektrycznej na skalę przemysłową

Energię elektryczną na skalę przemysłową produkują elektrownie. Przetwarzają one

zazwyczaj energię chemiczną paliw konwencjonalnych: węgla kamiennego i brunatnego,
ropy naftowej i gazu ziemnego oraz paliw rozszczepialnych na energie elektryczną. Jest ona
następnie przesyłana do odbiorców za pomocą sieci elektroenergetycznych. W skład sieci
wchodzą linie napowietrzne i kablowe oraz stacje transformatorowo-rozdzielcze. Stacje
transformatorowe transformują energię elektryczną na inną wartość napięcia, natomiast
rozdzielnie rozdzielają ją (obecnie rozdzielnie spełniają obie te funkcje). Sieci energetyczne
służące do przesyłu i rozdziału energii elektrycznej dzieli się na:

−

sieci przesyłowe, służące do przesyłania energii elektrycznej na większą odległość, są to
sieci o napięciach najczęściej: 220 kV, 400 kV, 750 kV,

−

sieci rozdzielcze, rozdzielają i doprowadzają energię elektryczną do odbiorców
przemysłowych, indywidualnych oraz poszczególnych odbiorników; sieci rozdzielcze
mieszczące się wewnątrz pomieszczeń nazywają się instalacjami.

Podział materiałów ze względu na właściwości elektryczne

Materiały używane w obwodach elektrycznych i elektronicznych mają różne własności

elektryczne tzn. w różny sposób przewodzą lub też nie przewodzą prądu elektrycznego. Ze
względu na to dzielimy je na: przewodniki, półprzewodniki, dielektryki.

Przewodniki bardzo dobrze przewodzą prąd elektryczny. Ze względu na budowę i rodzaj

nośników ładunku elektrycznego dzielimy je na przewodniki pierwszego i drugiego rodzaju.

Przewodniki pierwszego rodzaju to metale, ich stopy oraz węgiel.
Przewodniki drugiego rodzaju to roztwory zasad, kwasów i soli zwane elektrolitami,

stosowane są np. w akumulatorach.

Dielektryki zwane inaczej izolatorami nie wykazują zdolności przewodzenia prądu

elektrycznego. Dielektryki stosuje się w elektrotechnice do wykonywania części izolowanych
elementów, maszyn i urządzeń np. w kondensatorach jako warstwę oddzielającą metalowe
okładziny. Izolatorami są np.: papier, powietrze, drewno, tworzywa sztuczne, itd.

Półprzewodniki pod względem przewodnictwa prądu elektrycznego zajmują pośrednie

miejsce pomiędzy przewodnikami i dielektrykami. Rozróżniamy półprzewodniki samoistne
oraz domieszkowane. Powszechnie stosowane w elektronice są półprzewodniki
domieszkowane.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ze względu na rodzaj domieszki rozróżniamy półprzewodniki typy N i typu P.

Półprzewodniki znalazły zastosowanie w elementach i scalonych układach elektronicznych,
takich jak diody, tranzystory, wzmacniacze operacyjne i wielu innych.

Podział materiałów ze względu na właściwości magnetyczne

Ze względu na właściwości magnetyczne materiały dzielimy na:

−

ferromagnetyczne – które pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego łatwo
i trwale się magnesują (są to: stal elektrotechniczna, ferryty),

−

paramagnetyczne – które pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego również się
magnesują, lecz szybko tracą właściwości magnetyczne (są to: platyna, powietrze,
aluminium),

−

diamagnetyczne – które nie posiadają własności magnetycznych (są to: woda, rtęć,
miedź, wszystkie gazy szlachetne takie jak np. neon, argon, ksenon, krypton).
Materiały ferromagnetyczne dzielimy na:

−

miękkie – stosowane do budowy: silników elektrycznych (blachy twornika),
przekaźników, transformatorów sieciowych, cewek z rdzeniem (ferryty),

−

twarde – stosowane do budowy magnesów trwałych.

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie znasz podstawowe wielkości elektryczne?
2. Jakie znasz rodzaje prądu elektrycznego?
3. Jakie wielkości charakteryzują prąd sinusoidalnie zmienny?
4. Jaka moc wydziela się w obwodzie prądu stałego, a jaka w obwodzie prądu

przemiennego?

5. Jakie znasz rodzaje źródeł energii elektrycznej?
6. Jakim urządzeniem mierzone jest zużycie energii elektrycznej?
7. Jakie znasz źródła elektromechaniczne?
8. Jak znasz chemiczne źródła energii elektrycznej?
9. Czym różni się akumulator od ogniwa galwanicznego?
10. W jaki sposób energia elektryczna jest przesyłana do odbiorców?
11. Jak dzielimy materiały ze względu na właściwości elektryczne?
12. Jak dzielimy materiały ze względu na właściwości magnetyczne?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Połącz symbole wielkości elektrycznych z odpowiadającymi im oznaczeniami jednostek,

jeden z symboli nie będzie miał pary.

Symbol wielkości elektrycznej

Oznaczenie jednostki

Ω

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) rozpoznać symbol wielkości elektrycznej,
2) przyporządkować danemu symbolowi oznaczenie jednostki,
3) zaprezentować wyniki.

Wyposażenie stanowiska pracy:

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Określ, które zdania są prawdziwe, a które fałszywe:

Zdanie:

prawda

fałsz

W obwodzie prądu stałego wydziela się moc pozorna.

Materiały, które nie ulegają magnesowaniu to diamagnetyki.

Jednostka prądu elektrycznego jest wolt [V].

Sieci energetyczne służą do przesyłu i rozdziału energii elektrycznej.

Moc wydzielona na rezystorze w obwodzie prądu stałego jest określona zależnością:

⋅

Izolatory nie przewodzą prądu elektrycznego.

Napięcie wyrażamy w watach [W].

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeczytać treści z poradnika dotyczące energii elektrycznej i podstawowych wielkości

elektrycznych,

2) przeanalizować zdania decydując czy jest prawdziwe czy fałszywe,
3) zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Oblicz moc wydzieloną na rezystorze, przez który płynie prąd stały I = 20 mA,

zmierzony spadek napięcia wynosi U = 5 V.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapisać wzór określający moc prądu stałego,
2) podstawić wartości liczbowe,
3) dokonać niezbędnych obliczeń,
4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) przyporządkować wielkościom elektrycznym odpowiednie jednostki?

2) narysować przebieg czasowy prądu stałego?

3) narysować przebieg czasowy prądu sinusoidalnie zmiennego?

4) określić parametry prądu sinusoidalnie zmiennego?

5) obliczyć moc prądu stałego?

6) scharakteryzować moc w obwodach prądu zmiennego?

7) wymienić rodzaje źródeł energii elektrycznej?

8) opisać budowę i zasadę działanie prądnicy?

9) scharakteryzować przesył energii elektrycznej?

10) podać przykłady przewodników?

11) podać przykłady izolatorów?

12) scharakteryzować materiały ze względu na własności magnetyczne?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Obwód elektryczny

4.2.1. Materiał nauczania

Budowa obwodów elektrycznych prądu stałego i przemiennego

Obwód elektryczny prądu stałego i przemiennego tworzą elementy elektryczne połączone

ze sobą tak, by tworzyły przynajmniej jedną drogę zamkniętą, umożliwiającą przepływ prądu
elektrycznego.

Elementy obwodu elektrycznego można sklasyfikować w czterech grupach, jako:
–

elementy źródłowe, zwane też aktywnymi lub czynnymi,

–

elementy odbiorcze zwane też pasywnymi lub biernymi,

–

elementy pomocnicze, takie jak przewody łączące, wyłączniki, itp.,

–

przyrządy pomiarowe, takie jak woltomierze, amperomierze, itp.
Elementy bierne można podzielić na trzy grupy: rezystory, kondensatory i cewki oraz

przetworniki energii elektrycznej.

Literatura techniczna i dokumentacja wszystkich urządzeń elektrycznych zawierają

schematy obwodów elektrycznych, które są ich graficznym odwzorowaniem. Schemat
informuje, z jakich elementów składa się obwód elektryczny i w jaki sposób są one
połączone.

Wszystkie elementy elektryczne posiadają swoje symbole graficzne, za pomocą których

przedstawiane są na schemacie.

Rys. 4. Symbole podstawowych elementów elektrycznych: a) rezystora, b) kondensatora, c) cewki,

d) potencjometru, e) amperomierza, f) woltomierza, g) watomierza, h) omomierza, i) źródła napięcia
stałego, j) źródła prądu stałego, k) bezpiecznika, l) łącznika [1, s. 39]

Obwody elektryczne dzielą się na obwody nierozgałęzione, czyli takie, w których płynie

tylko jeden prąd i rozgałęzione, w których płynie kilka prądów.

Rys. 5. Schemat obwodu elektrycznego a) nierozgałęzionego prądu zmiennego, b) rozgałęzionego prądu stałego

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

W strukturze obwodu elektrycznego można wyróżnić: gałęzie, węzły i oczka. Gałąź

obwodu elektrycznego może zawierać dowolną ilość elementów, połączonych ze sobą
szeregowo (może mieć też tylko jeden element). Charakterystyczne dla gałęzi jest to, że przez
wszystkie jej elementy przepływa ten sam prąd. Końcówkę gałęzi, zwaną zaciskiem, do której
przyłączone są inne gałęzie nazywamy węzłem. Oczko obwodu elektrycznego stanowi zbiór
połączonych ze sobą gałęzi, które tworzą drogę zamkniętą dla przepływu prądu.
Charakterystyczne dla oczka jest to, że usunięcie dowolnej gałęzi uniemożliwi przepływ
prądu (nie będzie istniała ani jedna droga zamknięta dla przepływu prądu).

Możemy zatem zauważyć, że:

–

obwód elektryczny rozgałęziony to taki, w którym jest kilka połączonych ze sobą gałęzi,

–

obwód nierozgałęziony posiada jedną gałąź,

–

obwód nierozgałęziony stanowi jedno oczko.

Elementy R, L, C w obwodzie prądu sinusoidalnego

W obwodzie prądu sinusoidalnie zmiennego na rezystorze prąd zamienia się zgodnie

ze zmianami napięcia w czasie.

W obwodzie prądu przemiennego kondensator reprezentuje bierny opór pojemnościowy

zwany reaktancją pojemnościową, której jednostką jest om [Ω].

Przebieg prądu płynącego przez kondensator wyprzedza w fazie o kąt π/2 (90º) napięcie

panujące na kondensatorze.

W obwodzie prądu przemiennego cewka reprezentuje bierny opór indukcyjny

zwany

reaktancją indukcyjną, której jednostką jest om [Ω].

= ω·L

Przebieg prądu płynącego przez cewkę opóźnia się w fazie o kąt π/2 (90º) względem

spadku napięcia na cewce.

Typy połączeń elementów w obwodzie elektrycznym prądu stałego i przemiennego

Elementy obwodu elektrycznego prądu stałego i przemiennego mogą być połączone

na trzy sposoby: szeregowo, równolegle lub mieszanie.

W połączeniu szeregowym przez wszystkie elementy płynie ten sam prąd. Obwód

nierozgałęziony jest przykładem połączenia szeregowego.

Elementy połączone równolegle włączone są pomiędzy tę samą parę węzłów, zatem

występuje na nich to samo napięcie.

Rys. 6. Schemat obwodu elektrycznego z elementami połączonymi a) szeregowo, b) równolegle, b) w sposób

mieszany

Połączenie mieszane elementów elektrycznych występuje wówczas, gdy w tym samym

obwodzie część elementów połączona jest szeregowo, część natomiast równolegle.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Obwody trójfazowe

Układem trójfazowym nazywamy zbiór trzech obwodów elektrycznych, w którym

działają trzy napięcia źródłowe sinusoidalnie zmienne o jednakowej częstotliwości,
przesunięte względem siebie o kąt 120° i wytwarzane w jednym źródle energii, którym
najczęściej jest generator lub prądnica trójfazowa.

ródło trójfazowe skojarzone w gwiazdę może stanowić układ trójprzewodowy lub

czteroprzewodowy, jeśli punkt neutralny jest doprowadzony do odbiornika.

Rys. 7. Układ trójfazowy: a) trójprzewodowy, b) czteroprzewodowy [6, s. 100]

Na zaciskach źródła trójfazowego skojarzonego w gwiazdę rozróżniamy napięcia:

−

fazowe – U

, U

; są to napięcia pomiędzy zaciskiem fazowym a punktem

neutralnym,

−

międzyfazowe – U

L12

, U

L23

, U

L31

; są to napięcia występujące pomiędzy przewodami

fazowymi.

Układy odbiorników trójfazowych

W układach 3-fazowych w zależności od przeznaczenia i rodzaju odbiornika stosuje się

połączenie w trójkąt i gwiazdę.

Rys. 8. Połączenie odbiorników trójfazowych: a) w gwiazdę, b) w trójkąt [9, s. 39]

Odbiorniki trójfazowe mogą być:

−

symetryczne – jeśli obciążenie każdej gałęzi jest takie samo,

−

niesymetryczne.

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jak klasyfikujemy obwody elektryczne prądu stałego i zmiennego jednofazowego?
2. Co przedstawia schemat elektryczny?
3. Jak można sklasyfikować elementy elektryczne?
4. W jaki sposób mogą być połączone elementy w obwodach prądu stałego i przemiennego?
5. Jaki opór reprezentuje cewka w obwodzie prądu przemiennego?
6. Jaki opór reprezentuje kondensator w obwodzie prądu przemiennego?
7. Co nazywamy układem trójfazowym?
8. W jaki sposób może być połączone źródło trójfazowe?
9. Jakie rozróżniamy układy odbiorników trójfazowych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ, jakie elementy elektryczne wchodzą w skład obwodu, którego schemat

przedstawia rysunek. Jaki to jest obwód elektryczny?

Rysunek do ćwiczenia 1. Schemat obwodu elektrycznego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować schemat obwodu elektrycznego,
2) rozpoznać symbole graficzne elementów elektrycznych na schemacie,
3) określić typ obwodu przedstawionego na schemacie,
4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Określ sposób połączenia elementów elektrycznych na schemacie.

Rysunek do ćwiczenia 2. Schemat rozgałęzionego obwodu elektrycznego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować schemat obwodu elektrycznego,
2) określić sposób połączenia elementów w obwodzie,
3) zaznaczyć elementy połączone szeregowo i równolegle,
4) zaprezentować wyniki swojej pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

Oblicz reaktancję indukcyjną cewki o indukcyjności L = 33 mH, przez którą płynie prąd

przemienny o częstotliwości 10 kHz?

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapisać wzór na reaktancję indukcyjną cewki,
2) podstawić dane liczbowe,
3) obliczyć wartość reaktancji indukcyjnej,
4) zaprezentować wyniki.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

kalkulator,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) rozróżnić symbole elementów elektrycznych?

2) narysować

schemat

przykładowego

nierozgałęzionego

obwodu

elektrycznego?

3) narysować schemat przykładowego rozgałęzionego obwodu elektrycznego?

4) rozróżnić typ obwodu elektrycznego?

5) rozróżnić elementy połączone szeregowo i szeregowo na schemacie

obwodu prądu stałego i przemiennego?

6) rozróżnić elementy połączone równolegle na schemacie obwodu prądu

stałego i jednofazowego zmiennego?

7) obliczyć reaktancję indukcyjną?

8) scharakteryzować

kondensator

zasilony

prądem

przemiennym

jednofazowym

9) rozróżnić źródło trójfazowe w układzie czteroprzewodowym?

10) rozróżnić źródło trójfazowe w układzie trójprzewodowym?

11) określić układy połączenia odbiornika trójfazowego?

12) narysować schematy połączeń odbiornika trójfazowego w trójkąt?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.

Podstawowe prawa elektrotechniki

4.3.1. Materiał nauczania

Prawo Ohma

Prawo Ohma opisuje zależność pomiędzy prądem I, napięciem U oraz rezystancją R.

W obwodach prądu stałego, kierunek prądu oznaczamy od bieguna dodatniego źródła
napięcia do bieguna ujemnego (od „+” do „-”) i opisujemy wielką literą I. Elementy źródłowe
posiadają dwa zaciski, którym odpowiadają potencjały: wyższy (+) i niższy (-). Kierunek
napięcia na elementach źródłowych jest zgodny z kierunkiem prądu.

Napięcie odbiornikowe (spadek napięcia na odbiorniku) oznaczamy strzałką, której grot

skierowany jest w stronę potencjału wyższego, zatem kierunek napięcia na odbiorniku jest
przeciwnie skierowany do płynącego przezeń prądu.

Rys. 9. Sposób strzałkowania prądu i napięcia na rezystorze [1, s. 43]

Prawo Ohma mówi, że spadek napięcia U na elemencie odbiorczym jest proporcjonalny

do iloczynu rezystancji R tego elementu i prądu I płynącego przezeń.

U = R I

Prawo Ohma można przekształcić do dwóch postaci:

−

, skąd można obliczyć wartość prądu płynącego przez rezystor znając jego

rezystancję i wartość spadku napięcia,

−

, skąd można obliczyć wartość rezystancji rezystora znając jego wartość spadku

napięcia i prądu płynącego przez niego.
Prawo Ohma można stosować w obwodach prądu zmiennego jednofazowego

w odniesieniu do wartości skutecznych (mierzonych miernikami) oraz wartości maksymalnych.

Prawo Ohma dla wartości skutecznych napięć i prądów ma postać: U = R I.

Natomiast dla wartości maksymalnych: U

= R I

Prawo Ohma stosuje się również w obwodach prądu przemiennego jednofazowego dla

reaktancji indukcyjnej X

i pojemnościowej X

−

w odniesieniu do wartości skutecznych:

⋅

−

w odniesieniu wartości maksymalnych:

⋅

I prawo Kirchhoffa

Pierwsze prawo Kirchhoffa mówi, że dla każdego węzła obwodu elektrycznego suma

algebraiczna prądów jest równa zeru.

∑

Symbol

odpowiada indeksom prądów w danym węźle. Suma algebraiczna oznacza, że

do równania podstawia się wartości prądów ze znakami, zależnymi od ich kierunku. Prądy
dopływające do węzła posiadają znak „+”, natomiast odpływające znak „-”.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 10. Przykładowy węzeł obwodu elektrycznego

Na rysunku 10 pokazano przykładowy węzeł obwodu elektrycznego z zaznaczonymi

kierunkami prądów: prądy I

oraz I

skierowane są do węzła, zatem mają znak „+”, natomiast

prądy I

, I

oraz I

i I

odpływają z węzła, opatrzymy je zatem znakiem „-”. Dla

przedstawionego węzła można napisać równanie w myśl I prawa Kirchhoffa:

−

Równanie to możemy przekształcić do postaci:

= 0

Po jednej stronie równania znajduje się suma prądów dopływających do węzła, natomiast

po drugiej suma prądów odpływających z węzła.

Zatem I prawo Kirchhoffa wynikające z powyższej postaci można przedstawić

w następujący sposób: dla każdego węzła obwodu elektrycznego suma prądów
dopływających do węzła jest równa sumie prądów odpływających od węzła.

Prawo I Kirchhoffa należy stosować w obwodach prądu zmiennego jednofazowego

w odniesieniu do wartości chwilowych prądów.

∑

II prawo Kirchhoffa

II prawo Kirchhoffa mówi, że w każdym oczku obwodu elektrycznego prądu stałego

suma algebraiczna napięć źródłowych i odbiornikowych jest równa zeru.

∑

= 0

oznacza napięcia źródłowe, natomiast wyrażenie

oznacza napięcia

odbiornikowe występujące na rezystancjach danego oczka. Symbole

odpowiadają

indeksom źródeł napięcia, rezystorów i prądów. Suma algebraiczna oznacza, że zarówno
napięcia źródłowe jak i odbiornikowe sumowane są ze znakiem, czyli z uwzględnieniem
kierunku.

W obwodach prądu zmiennego jednofazowego II prawo Kirchhoffa należy stosować

w odniesieniu do wartości chwilowych napięć źródłowych i odbiornikowych.

∑

⋅

Powyższa postać II prawa Kirchhoffa mówi, że w każdym oczku obwodu elektrycznego

prądu zmiennego jednofazowego suma wartości chwilowych napięć źródłowych jest równa
sumie wartości chwilowych napięć odbiornikowych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jak zaznaczamy kierunek prądu w obwodach prądu stałego?
2. Jak zaznaczamy kierunek prądu i napięcia na elementach źródłowych, a jak na

odbiorczych w obwodach prądu stałego?

3. Jaką zależność określa prawo Ohma?
4. Jakie znaki przyjmują prądy odpływające od węzła, a jakie dopływające do niego?
5. Jak brzmi I prawo Kirchhoffa dla obwodów prądu stałego?
6. Jak brzmi I prawo Kirchhoffa dla obwodów prądu przemiennego jednofazowego?
7. Jak brzmi II prawo Kirchhoffa dla obwodów prądu stałego?
8. Jak brzmi II prawo Kirchhoffa dla obwodów prądu przemiennego jednofazowego?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Oblicz wartość spadku napięcia U w obwodzie prądu stałego, który wystąpił na

rezystorze R = 2,2 k

Ω

przy przepływie prądu I o wartości 5 mA.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapisać prawo Ohma w podstawowej postaci,
2) podstawić wartości liczbowe,
3) wykonać obliczenia,
4) zaprezentować wyniki.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

kalkulator,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Oblicz wartość skuteczną I prądu przemiennego o częstotliwości f = 1 kHz, płynącego

przez kondensator o pojemności C = 1

F, jeśli woltomierz wskazał spadek napięcia U

= 5 V.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapisać wzór na reaktancję pojemnościową,
2) zapisać prawo Ohma w podstawowej postaci dla obwodu prądu przemiennego

z reaktancją pojemnościową,

3) przekształcić zapisaną zależność, tak by można było obliczyć wartość skuteczną prądu I,
4) podstawić do przekształconego wzoru zależność opisującą reaktancję pojemnościową,
5) podstawić do otrzymanego wzoru dane liczbowe i obliczyć wartość skuteczną prądu I,
6) zaprezentować wyniki.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

kalkulator,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

W obwodzie z rysunku zaznacz kierunki prądów i zapisz I prawo Kirchhoffa dla

wszystkich węzłów tego obwodu.

Rysunek do ćwiczenia 3. Schemat obwodu rozgałęzionego prądu stałego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować treść zadania,
2) oznaczyć węzły na schemacie,
3) zaznaczyć prądy w każdej gałęzi obwodu,
4) zapisać I prawo Kirchhoffa dla każdego z węzłów danego obwodu,
5) zaprezentować wyniki pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) obliczyć wartość rezystancji w obwodach prądu stałego i zmiennego

jednofazowego na podstawie prawa Ohma?

2) zastosować prawo Ohma do obliczenia wartości spadków napięcia

i prądów w obwodach prądu stałego i przemiennego?

3) analizować obwody prądu przemiennego zawierającego kondensator

lub cewkę?

4) zaznaczyć kierunek prądu w obwodzie prądu stałego?

5) zaznaczyć kierunki spadków napięcia na elementach w obwodzie prądu

stałego?

6) zapisać równanie I prawa Kirchhoffa dla węzła obwodu elektrycznego?

7) wyjaśnić II prawo Kirchhoffa?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4. Pomiary wielkości elektrycznych

4.4.1. Materiał nauczania

Bezpośrednia i pośrednia metoda pomiaru wielkości elektrycznych

Metoda pomiarowa określa sposób wykonania pomiaru. Pomiary wielkości elektrycznych

można wykonywać metodami bezpośrednimi lub pośrednimi.

W metodach bezpośrednich wartość wielkości mierzonej odczytuje się bezpośrednio

z przyrządu pomiarowego. Przykładem pomiaru bezpośredniego jest pomiar napięcia za
pomocą woltomierza lub pomiar prądu za pomocą amperomierza.

W metodach pośrednich wykonuje się pomiary innych wielkości elektrycznych niż

poszukiwana. Następnie wyniki pomiarów podstawia się do zależności matematycznych
wynikających z praw obwodów elektrycznych i na podstawie obliczeń uzyskuje się wartość
wielkości poszukiwanej. Pośrednie metody pomiarowe to między innymi metody techniczne
pomiaru rezystancji i mocy prądu stałego oraz metody porównawcze napięć i prądów,
stosowane również do pomiaru rezystancji.

Elektroniczne przyrządy pomiarowe

Rys. 11. Miernik uniwersalny [11]

Pomiary wielkości elektrycznych wykonujemy elektrycznymi i elektronicznymi

przyrządami pomiarowymi. Wyróżniamy dwa rodzaje przyrządów pomiarowych: analogowe
oraz cyfrowe. W przyrządach analogowych elementem wskazującym jest najczęściej
klasyczny miernik wskazówkowy wyskalowany w jednostkach wielkości mierzonej. Mierniki
cyfrowe pozwalają na bezpośredni odczyt wartości wielkości mierzonej ze wskaźnika
cyfrowego lub z rejestratorów (np. drukarki), można w ten sposób uniknąć błędu
popełnianego przy odczycie wskazań. Główne zalety mierników cyfrowych duża dokładność
i szybkość pomiarów, automatyczny wybór polaryzacji, możliwość automatycznego wyboru
zakresu,

możliwość

„zapamiętywania”

wyników

pomiarów

oraz

współpracy

z komputerowymi systemami pomiarowo-kontrolnymi i sterującymi.

Powszechnie używane obecnie są mierniki uniwersalne – multimetry, które mogą

pracować jako amperomierze, woltomierze czy omomierze.

Posiadają one kilka gniazd odpowiednio opisanych oraz pokrętło lub panel przycisków,

umożliwiające wybór trybu pracy przyrządu, czyli rodzaj mierzonej wielkości elektrycznej
i zakres pomiarowy (maksymalną wartość wielkości mierzonej). Niektóre nowoczesne
mierniki uniwersalne mają również dodatkowe funkcje umożliwiające pomiar pojemności,
parametrów tranzystora bipolarnego, stosunku dwóch napięć oraz temperatury.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Pomiar rezystancji

Pomiaru rezystancji elementów elektrycznych wykonuje się omomierzem w sposób

przedstawiony na rysunku. Należy pamiętać, że element, którego rezystancję mierzymy tą
metodą nie może być włączony w obwód elektryczny, ani zasilony.

Pomiar napięcia

Pomiar napięcia wykonuje się za pomocą woltomierza, który włączany jest równolegle

do tego fragmentu lub elementu obwodu, na którym chcemy zmierzyć napięcie. Woltomierz
posiada bardzo dużą rezystancję wewnętrzną (jej wartość zależny od zakresu pomiarowego).
Rezystancja wewnętrzna idealnego woltomierza dąży do nieskończoności.

Pomiar prądu.

Pomiaru prądu dokonuje się za pomocą amperomierza, który włączany jest szeregowo do

obwodu (lub jego jednej gałęzi), w którym chcemy zmierzyć prąd. Amperomierz posiada
bardzo małą rezystancję wewnętrzną (jej wartość zależy od zakresu pomiarowego).
Rezystancja wewnętrzna idealnego amperomierza wynosi 0

Ω

W obwodach prądu stałego, jednofazowego zmiennego i trójfazowego pomiarów

napięcia i prądu dokonuje się w ten sam sposób.

Rys. 12. Schemat układu do pomiaru: a) rezystancji omomierzem b) napięcia na rezystorze R

, c) prądu

Pomiar mocy

Pomiaru mocy w układach prądu stałego oraz mocy czynnej wydzielonej na rezystancji

w obwodach prądu zmiennego jednofazowego można dokonać metodą bezpośrednią za
pomocą watomierza lub w sposób pośredni metodą techniczną.

Watomierz posiada cztery końcówki: dwie oznaczone symbolem V, które włącza się

równolegle w obwód elektryczny oraz dwie oznaczone symbolem A, które włącza się
szeregowo.

Metoda techniczna polega na pomiarze spadku napięcia woltomierzem i prądu

amperomierzem.

Rys. 13. Układy do pomiaru mocy: a) prądu stałego metodą bezpośrednią, b) prądu stałego metodą techniczną,

c) czynnej prądu przemiennego metodą bezpośrednią i techniczną

W metodzie tej wartość mocy oblicza się na podstawie zależności:

−

dla prądu stałego:

⋅

−

dla prądu przemiennego:

cos

⋅

, dla odbiorników rezystancyjnych

cos

gdzie: U – to wartość napięcia zmierzonego woltomierzem,

I – to wartość prądu zmierzonego amperomierzem.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakimi metodami mierzone są wielkości elektryczne?
2. Jaka jest różnica między miernikiem cyfrowym, a analogowym?
3. Jakim miernikiem wykonujemy pomiar napięcia?
4. Jakim miernikiem wykonujemy pomiar prądu?
5. Jakim miernikiem wykonujemy pomiar rezystancji?
6. Jakim miernikiem wykonujemy bezpośredni pomiar mocy?
7. Czym charakteryzuje się miernik uniwersalny?
8. Na jakie sposoby można mierzyć moc w układach prądu stałego?
9. Jaką moc można mierzyć w obwodzie prądu przemiennego za pomocą watomierza?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj pomiary spadku napięcia na rezystorze R

Rysunek do ćwiczenia 1. Schemat układu do pomiaru prądu stałego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować treść zadania,
2) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne zapisując ich oznaczenia,
3) wybrać odpowiedni tryb pracy miernika,
4) połączyć układ pomiarowy,
5) wykonać pomiar prądu,
6) sformułować wnioski,
7) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

rezystory: R = 1 k

Ω

/ 1 W, R = 1,8 k

Ω

/ 1 W, R = 2,2 k

Ω

/ 1 W,

–

zasilacz +15 V,

–

miernik uniwersalny cyfrowy.

Ćwiczenie 2

Dobierz miernik i wykonaj pomiar rezystancji pięciu rezystorów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować treść zadania,
2) narysować schemat pomiarowy,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,
4) zapisać oznaczenia wybranych przyrządów,
5) wybrać tryb pracy miernika,
6) wykonać pomiary rezystancji wybranych elementów,
7) zapisać wyniki pomiarów,
8) porównać zmierzone wartości z wartościami podanymi przez producenta rezystorów,
9) oszacować dokładność pomiarów i sformułować wnioski,
10) sporządzić sprawozdanie z ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

– rezystory: R = 1 k

Ω

/ 1 W, R = 1,8 k

Ω

/ 1 W, R = 2,2 k

Ω

/ 1 W, R = 820

Ω

/ 2 W,

R = 1,5 k

Ω

/ 1 W,

– uniwersalny miernik cyfrowy,
– uniwersalny miernik analogowy,
– watomierz.

Ćwiczenie 3

Wykonaj pomiary mocy czynnej w obwodzie prądu przemiennego.

Rysunek do ćwiczenia 3. Schemat układu do pomiaru mocy prądu stałego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować treść zadania,
2) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne zapisując ich oznaczenia,
3) połączyć układ pomiarowy,
4) zasilić obwód napięciem przemiennym z autotransformatora o wartości skutecznej 70 V,
5) wykonać pomiary prądów, napięć i mocy,
6) obliczyć wartość mocy czynnej na podstawie wskazań woltomierza i amperomierza,

korzystając ze wzoru:

cos

⋅

, przyjmując

cos

7) porównać obliczoną wartość mocy ze wskazaniem watomierza,
8) oszacować dokładność pomiarów, sformułować wnioski,
9) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

autotransformator,

–

multimetr cyfrowy i analogowy,

–

watomierz,

–

rezystor R = 100

Ω

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) dobrać miernik do pomiaru określonej wielkości elektrycznej?

2) wybrać tryb pracy miernika uniwersalnego do pomiaru określonej

wielkości elektrycznej?

3) wykonać pomiaru napięcia w obwodach prądu stałego i przemiennego?

4) wykonać pomiaru prądu w obwodach prądu stałego i przemiennego?

5) wykonać pomiaru rezystancji?

6) wykonać pomiaru mocy prądu stałego metodą bezpośrednią

i pośrednią?

7) wykonać pomiaru mocy czynnej przemiennego prądu jednofazowego

metodą bezpośrednią i pośrednią?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5. Transformator

4.5.1. Materiał nauczania

Transformator

Rys. 14. Transformator idealny: a) schemat b) symbol transformatora bez rdzenia, c) symbol transformatora

z rdzeniem [13]

Transformator jest urządzeniem elektroenergetycznym, w którym następuje przekazanie

energii elektryczne z jednego obwodu do drugiego, za pośrednictwem pola
elektromagnetycznego. Zbudowany jest zazwyczaj z dwóch uzwojeń. Uzwojenie, do którego,
doprowadzany jest sygnał nosi nazwę pierwotnego, natomiast uzwojenie, do którego
podłączony jest odbiornik nazywa się uzwojeniem pierwotnym. Jeżeli przez uzwojenie
pierwotne przepływa zmienny prąd elektryczny, wokół niego wytwarza się zmienne pole
elektromagnetyczne, które oddziałuje na uzwojenie wtórne, wskutek czego w uzwojeniu tym
indukuje się napięcie elektryczne, a jeśli jego obwód zamkniemy, popłynie w nim prąd.

O takich uzwojeniach mówimy, że są sprzężone magnetycznie.
Ze względu na budowę rozróżniamy transformatory

−

z rdzeniem ferromagnetycznym – w którym uzwojenia nawinięte na rdzeniu (służącym
do przewodzenia strumienia magnetycznego) wykonanym z blach elektrotechnicznych
odizolowanych od siebie lakierem, warstwą tlenków lub specjalną izolacją; poziome
elementy rdzenia nazywamy jarzmem, a pionowe kolumnami,

−

transformatory powietrzne nie posiadają rdzenia lub jest on wykonany z materiału nie
wykazującego właściwości magnetycznych.
Zadaniem transformatora jest zmiana wartości zmiennego napięcia elektrycznego,

o której decyduje najważniejszy parametr przekładnia zwojowa. Przekładnia zwojowa
transformatora to stosunek liczby zwojów uzwojenia pierwotnego N

do liczby zwojów

uzwojenia wtórnego N

Transformatory mogą być również stosowane w celu oddzielenia (czyli separacji

odbiornika) obwodów dla prądu przemiennego lub dopasowania obwodów elektrycznych
prądu zmiennego.

Podstawowe parametry transformatorów podawane w katalogach elementów i urządzeń

elektrycznych i elektronicznych to:

−

napięcie znamionowe strony pierwotnej i wtórnej,

−

prądy znamionowe strony pierwotnej i wtórnej,

−

grupa połączeń (dla transformatorów trójfazowych),

−

przekładnia napięciowa,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

moc pozorna,

−

sprawność,

−

wymiary geometryczne i masa.

Stany pracy transformatora

Transformator może pracować w trzech stanach pracy: obciążenia, jałowym i zwarcia.
Stan obciążenia jest podstawowy stanem pracy transformatora. Uzwojenie pierwotne jest

wówczas zasilane napięciem znamionowym, a w obwód wtórny jest włączony odbiornik.
W stanie obciążenia transformatora w obu uzwojeniach płyną prądy.

Jeśli uzwojenie pierwotne jest zasilane napięciem znamionowym, a uzwojenie wtórne jest

rozwarte to transformator pracuje w stanie jałowym. Prąd płynący w uzwojeniu pierwotnym,
zwany prądem jałowym, jest bardzo mały – w transformatorach mocy stanowi około 1–10%
prądu znamionowego, natomiast po stronie wtórnej prąd nie płynie.

W stanie zwarcia do uzwojenia pierwotnego transformatora jest doprowadzone napięcie

zasilające, a uzwojenie wtórne jest zwarte, zatem napięcie na zaciskach tego uzwojenia jest
równe zero. Prąd płynący w uzwojeniach transformatora jest wówczas od kilku do
kilkudziesięciu razy większy od prądu znamionowego.

Stan zwarcia jest niebezpieczny dla transformatorów, ponieważ całkowita moc pobrana

przez transformator wydziela się w postaci ciepła, co powoduje wzrost temperatury uzwojeń,
a w konsekwencji uszkodzenie transformatora.

Zwarcie występujące przy pełnym napięciu zasilającym nazywamy zwarciem

awaryjnym.

Podstawowe zastosowanie transformatorów

Transformator jest podstawowym elementem zasilaczy sieciowych i przetwornic

transformatorowych. Produkowanych jest również szereg transformatorów specjalnych,
z których najpopularniejsze to:

−

autotransformatory – posiadają tylko jedno uzwojenie (część uzwojenia jest wspólna
zarówno dla pierwotnego jak i wtórnego napięcia),

−

transformatory trójuzwojeniowe – posiadają po trzy uzwojenia na każdej kolumnie,
są stosowane w energetyce,

−

przekładniki prądowe i napięciowe – stosowane w celu obniżenia wartości napięcia lub
prądu dla dokonania pomiarów lub dla galwanicznego oddzielenia obwodu pomiarowego
od sieci wysokiego napięcia,

−

transformatory spawalnicze,

−

transformatory wielkiej częstotliwości – stosowane w sprzęcie elektronicznym,

−

transformator separujący jest używany do zasilania urządzeń napięciem odizolowanym
od podstawowej sieci zasilającej,

−

transformatory bezpieczeństwa i pośrednie – używane do celów ochronnych, aby
ograniczyć ryzyko porażenia prądem w urządzeniach elektrycznych i przedmiotach
powszechnego użytku,

−

transformatory dzwonkowe – przeznaczone do dzwonków drzwiowych i podobnych
zastosowań,

−

transformatory małej częstotliwości do zastosowań Hi–Fi.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie jest zadanie transformatora?
2. W jaki sposób zbudowany jest transformator?
3. Czym różni się transformator z rdzeniem ferromagnetycznym od transformatora

powietrznego?

4. Jakie znasz stany pracy transformatora?
5. W jakim stanie transformator pracuje najczęściej?
6. Jaki stan pracy transformatora jest niebezpieczny i dlaczego?
7. Jakie znasz typy transformatorów specjalnych?

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Odszukaj na elektrycznym schemacie ideowym symbol transformatora. Określ

na podstawie dokumentacji technicznej parametry wykorzystanego transformatora.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapoznać się z dokumentacja techniczną,
2) odszukać elektryczny schemat ideowy,
3) przeanalizować odszukany schemat,
4) rozpoznać na schemacie ideowym symbol transformatora,
5) określ na podstawie dokumentacji technicznej parametry wykorzystanego transformatora,
6) zaprezentować wyniki.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna urządzenia elektronicznego,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Podaj przykłady zastosowania transformatorów w urządzeniach odkrywkowej

eksploatacji złóż.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać we wskazanej literaturze opis techniczny typowych urządzeń odkrywkowej

eksploatacji złóż,

2) zapoznać się ze schematami ich budowy,
3) określić w których z poznanych urządzeń został zastosowany transformator,
4) określić jaki to typ transformatora,
5) scharakteryzować zadanie jakie pełni w urządzeniu,
6) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) rozróżnić elementy budowy transformatora?

2) scharakteryzować zasadę działania transformatora?

3) rozpoznać symbol transformatora na elektrycznym schemacie

ideowym?

4) określić na podstawie katalogu elementów elektronicznych parametry

danego transformatora?

5) scharakteryzować zastosowania transformatorów specjalnych?

6) scharakteryzować stany pracy transformatora?

7) wyjaśnić dlaczego stan zwarcia jest niebezpieczny?

8) podać przykłady zastosowania transformatorów w urządzeniach

odkrywkowej eksploatacji złóż?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.6. Silniki prądu stałego. Silniki indukcyjne

4.6.1. Materiał nauczania

Silnik

Silnik to maszyna elektryczna zamieniająca energię elektryczną na mechaniczna.
Silnik prądu stałego składają się z następujących podstawowych elementów:

−

nieruchomego stojana wytwarzającego pole magnetyczne,

−

ruchomego wirnika z uzwojeniami twornika,

−

szczotek – doprowadzających prąd do uzwojenia twornika,

−

komutatora czyli pierścienia ze stykami – służącego do zmiany kierunku prądu.
Zazwyczaj w stojanie do wytworzenia pola magnetycznego wykorzystuje się

elektromagnesy.

Wirnik silnika prądu stałego wykonany jest w kształcie walca. Na jego powierzchni

znajdują się żłobki, w których są uzwojenia twornika, zamykane za pomocą specjalnych
klinów. Zapobiegają one wypadnięciu uzwojenia podczas wirowania.

Stojan, wykonany jest w kształcie wydrążonego walca, zwykle, ze względu na stałe pole

magnetyczne, jako żeliwny lub staliwny odlew. Po wewnętrznej stronie stojana umieszczone
są bieguny główne oraz pomocnicze, na których nawinięte są uzwojenia elektromagnesów
(uzwojenia wzbudzenia).

Uzwojenia główne wytwarzają pole magnetyczne, natomiast uzwojenie pomocnicze,

eliminują niekorzystne zjawiska, których efektem jest nadmierne iskrzenie przy ocieraniu
szczotek o komutator. Uzwojenie to jest połączone równolegle z uzwojeniem wirnika.

Rys. 15. Przekrój silnika prądu stałego [12]

Szczotki zazwyczaj węglowe, ślizgają się po komutatorze, co umożliwiają połączenie

obracającego się uzwojenia wirnika z zasilającym je źródłem prądu stałego.

Komutator wykonany jest w postaci wielu miedzianych wycinków, wzajemnie

odizolowanych. Do każdego z wycinków przyłączony jest jeden koniec uzwojenia wirnika.

Obecnie najczęściej produkuje się komutatorowe silniki prądu stałego.
Opisany powyżej silnik prądu stałego nazywany jest obcowzbudnym stosowany jest

głównie w napędach wymagających regulacji prędkości w szerokim zakresie obrotów.

Ze względu na sposób wytwarzania pola magnetycznego wyróżniamy też silniki prądu

stałego: samowzbudne, które dzielimy na szeregowe, równoległe i szeregowo-równoległe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Silniki szeregowe stosowane są głównie w trakcji elektrycznej (napędy lokomotyw,

tramwajów, trolejbusów) i pojazdach mechanicznych (wózki akumulatorowe, rozruszniki
samochodów), w napędach dźwigów, wentylatorów, itp. Mogą być, jako jedyne silniki prądu
stałego, zasilane również prądem przemiennym – zwane są wówczas silnikami
uniwersalnymi. Znalazły one zastosowanie w urządzeniach wymagających dużych prędkości
obrotowych napędu, np. w odkurzaczach, elektronarzędziach, suszarkach, sokowirówkach,
mikserach, itp. Silniki równoległe stosowane są głównie w napędach obrabiarek, pomp,
dmuchaw, kompresorów. Silniki szeregowo-równoległe stosowany są zazwyczaj jako silniki
dużych mocy, tam gdzie występuje ciężki rozruch: w napędach walcarek, pras, dźwigów oraz
w napędach okrętowych mechanizmów pokładowych.
Silnik indukcyjnyNajczęściej stosowanym w przemyśle oraz w sprzęcie domowym silnikiem
elektrycznym jest silnik indukcyjny zwany też asynchronicznym. Charakteryzuje się prostą
konstrukcją, a moc silników asynchronicznych przyjmuje wartości od ułamków kilowatów
(w mikrosilnikach) do kilku megawatów.

Rys. 16. Przekrój silnika indukcyjnego [12]

Silnik indukcyjny składa się z dwóch zasadniczych części: nieruchomego stojana

i ruchomego wirnika. Na wewnętrznej stronie rdzenia stojana i zewnętrznej stronie rdzenia
wirnika wykonuje się specjalne rowki, zwane żłobkami, w których umieszczane są uzwojenia.
Część rdzenia pomiędzy sąsiednimi rowkami, nazywana jest zębem. śłobki i zęby mogą
posiadać różne kształty, zwykle ich liczba w stojanie i wirniku jest różna. Pomiędzy stojanem,
a wirnikiem znajduje się możliwie mała szczelina powietrzna.

Uzwojenie stojana wykonane jest z izolowanego drutu, mocno usztywnione, tak, aby

zmniejszyć prawdopodobieństwo uszkodzenia na skutek drgań mechanicznych. Ze względu
budowę wirnika rozróżnia się silniki indukcyjne: klatkowe i pierścieniowe, które obecnie są
rzadko stosowane.

W silniku indukcyjnym klatkowym konstrukcja wirnika wyglądem przypomina klatkę

o kształcie walca. Jego obwód elektryczny jest wykonany z nieizolowanych prętów,
połączonych po obu stronach pierścieniami zwierającymi. Jest on zawsze zwarty (inna nazwa
tego silnika to silnik indukcyjny zwarty) i nie ma możliwości przyłączania dodatkowych
elementów. Klatka stanowi wielofazowe uzwojenie wirnika, a za liczbę faz przyjmuje się
liczbę prętów, z których jest wykonana.

Obwód magnetyczny wirnika wykonany jest w postaci pakietu blach stalowych

z dodatkiem krzemu, wzajemne odizolowanych, złożonych jedna na drugą.

Uzwojenia silnika klatkowego stojana wytwarza wirujące pole magnetyczne obracające

się wokół nieruchomego wirnika. Pole to przecinania pręty klatki wirnika, co powoduje
indukowanie się w nich napięcie (stąd nazwa „silnik indukcyjny”), a w efekcie przepływ
prądu. To zjawisko wywołuje poruszanie się wirnika. Na początku zwiększa się jego prędkość
obrotowa, a następnie wirnik przestaje przyspieszać i dalej porusza się ze stałą prędkością.

Silnik pierścieniowy na uzwojenie wirnika na stałe połączone zwykle z trzema

pierścieniami ślizgowymi (uzwojenie wirnika najczęściej jest 3-fazow). Jest ono wykonane

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

podobnie do uzwojenia stojana. Uzwojenia wirnika połączone są z dodatkowymi elementami,
zwiększającymi rezystancje każdej fazy za pośrednictwem przylegających do pierścieni
szczotek. Zmianę rezystancji faz stosuje się dla rozruchu, hamowania i zmiany prędkości
silnika. Obecnie ze względu na zbyt skomplikowana budowę konstrukcja ta jest raczej rzadko
stosowana.

Silniki klatkowe (o mocy do 4,5 kW) uruchamiamy przez bezpośrednie włączenie silnika

do sieci lub za pomocą przełącznika gwiazda – trójkąt.

Przełącznik gwiazda– trójkąt stosuje się w celu zmniejszenia prądu rozruchu. Prądy

pobierane z sieci są 3 razy mniejsze niż przy rozruchu bezpośrednim. Wadą tego rozruch jest
trzykrotne zmniejszenie momentu rozruchowego silnika.

Rys. 17. Schemat układu sterowania silnika klatkowego samoczynnym przełącznikiem gwiazda – trójkąt:

a) obwód główny, b) obwód sterowania [8, s. 120]

Uruchomienie silnika pierścieniowego odbywa się za pomocą rozrusznika włączonego

w obwód wirnika.

Silniki indukcyjne jednofazowe są silnikami małej mocy stosowanymi w różnego rodzaju

napędach, w pomocniczych układach elektronicznych i automatyki są to mikrosilniki.

Posiadają one wirnik o uzwojeniu klatkowym i stojan o uzwojeniu jednofazowym.

Mikrosilniki mają inną budowę stojana niż silników trójfazowych dużej mocy. Stosuje się tu
uzwojenia skupione nawinięte na biegunach, a nie ułożone w żłobkach. Jedno z uzwojeń
nazywane jest głównym lub roboczym (zaciski oznaczone U1 – U2). Jest ono zasilane przez
cały czas pracy silnika. Drugie z uzwojeń nazywa się uzwojeniem pomocniczym
rozruchowym (zaciski oznaczone R1 – R2) i jest załączone tylko w chwili rozruchu.

W obwód uzwojenia rozruchowego (pomocniczego) włącza się szeregowo impedancje

dodatkową – kondensator.

Po dokonaniu rozruchu uzwojenie rozruchowe, przystosowane do pracy krótkotrwałej,

zostaje samoczynnie odłączone przez:

−

wyłącznik odśrodkowy po osiągnięciu przez silnik około 80% prędkości znamionowej,

−

wyłącznik elektromagnetyczny, jeśli w wyniku wzrostu prędkości obrotowej zmaleje
prąd przepływający przez uzwojenie główne.
Zmianę kierunku wirowania silnika uzyskuje się przez zmianę kierunku przepływu prądu

w jednym z uzwojeń.

Zaletą tego typu silnika jest niska cena, duża trwałość, cicha praca. Silniki takie nie

generują zakłóceń radioelektrycznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabliczki znamionowe

Maszyn elektrycznych również silniki wyposażone są w tabliczki znamionowe trwale

do nich przymocowane. Zawierają one krótki opis urządzenia podający informacje takie jak
np.: nazwę wytwórcy, typ maszyny wg oznaczenia wytwórcy, numer fabryczny maszyny, rok
produkcji, masa urządzenia, moc znamionową, napięcie i prąd zasilania, prędkość wirowania,
stopień ochrony obudowy oraz inne dane konkretne dla określonego typu maszyn.

4.6.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie jest podstawowe zadanie silnika elektrycznego?
2. Jakie elementy wyróżniamy w budowie silnika prądu stałego?
3. Jakie są zadania stojana, wirnika i komutatora?
4. Jak zbudowany jest silnik indukcyjny?
5. Jak znasz typy silników indukcyjnych?
6. Jakie są różnice w budowie silnika klatkowego i pierścieniowego?
7. W jaki sposób uruchamiane są silniki klatkowe?
8. Gdzie mają zastosowanie silniki indukcyjne jednofazowe?

9. Jakie informacje zawiera tabliczka znamionowa?

4.6.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Rozróżnij elementy budowy silnika i scharakteryzuj ich zadania, na podstawie

otrzymanego modelu. Określ typ silnika, jaki przedstawia model.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dokonać oględzin silnika,
2) rozróżnić podstawowe elementy budowy silnika,
3) scharakteryzować zadania jakie pełnią te elementy,
4) określić, korzystając z tabliczki znamionowej typ silnika i jego parametry,
5) zaprezentować wyniki.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

model silnika elektrycznego,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Określ na podstawie tabliczki znamionowej typ i parametry silnika. Jakie może być jego

zastosowanie?

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dokonać oględzin silnika,
2) zapoznać się z tabliczką znamionową,
3) określić typ i parametry silnika,
4) określić jego możliwe zastosowanie,
5) zaprezentować wyniki swojej pracy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

silnik elektryczny,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.6.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) scharakteryzować różnice w budowie i działaniu silnika prądu stałego

i silnika indukcyjnego?

2) rozróżnić elementy budowy silników elektrycznych różnych typów?

3) wskazać różnice w budowie i działaniu silnika klatkowego oraz

pierścieniowego?

4) opisać zasadę działania silnika indukcyjnego?

5) określić na podstawie tabliczki znamionowej typ i parametry danego

silnika?

6) scharakteryzować zastosowania różnych typów silników?

7) określić sposób sterowania silnika klatkowego?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.7. Instalacje elektryczne

4.6.1. Materiał nauczania

Instalacja elektryczna to zespół urządzeń służących do doprowadzenia energii

elektrycznej o określonych parametrach do miejsc jej wykorzystania.

Instalacje elektryczne dzielimy na instalacje przemysłowe i mieszkaniowe, do których

należą również instalacje w biurach, budynkach użyteczności publicznej, itp.

Ze względu na charakter odbiorników instalacje możemy podzielić na: oświetleniowe

i siłowe – zasilające trójfazowe grzejniki i silnik.

Ze względu na czas użytkowania instalacje możemy podzielić na: stałe oraz prowizoryczne

– o uproszczonych rozwiązaniach (dopuszczonych przez przepisy), montowane doraźnie.

Podstawowymi elementami składowymi instalacji są: przewody, osprzęt instalacyjny,

rozdzielnice, urządzenia automatyki.

W instalacjach, zwłaszcza mieszkaniowych stosuje się ponadto elementy spełniające

określone zadania:

−

przyłącze, czyli linię elektroenergetyczną łączącą złącze z siecią energetyki zawodowej,

−

złącze czyli urządzenie elektryczne służące do połączenia przewodów przyłącza
bezpośrednio z licznikiem rozliczeniowym lub za pośrednictwem wewnętrznej linii
zasilającej, złącze stanowi podstawowe zabezpieczenie zasilanego obiektu,

−

wewnętrzną linię zasilającą (wlz), czyli linię elektroenergetyczną o stałym przekroju
łączącą złącze z tablicami rozdzielczymi,

−

instalację odbiorczą – doprowadzającą energię do poszczególnych odbiorników; znajduje
się ona za licznikiem rozliczeniowym.
Układ instalacji elektrycznej zależy od: przeznaczenia, potrzeb i nałożonych wymagań,

natomiast charakteryzuje się:

−

rodzajem i wartością stosowanego napięcia – stosuje się napięcia prądu przemiennego
o wartościach znormalizowanych,

−

sposobem uziemienia,

−

sposobem ochrony przeciw porażeniowej.

Układy sieciowe

Rys. 18. Układy sieciowe: a) TN-C, b) TN-S, c) TN-C-S, d) TT, e) IT [7, s. 65]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zależnie od sposobu uziemienia instalacje elektryczne dzieli się na różnego rodzaju

układy sieciowe oznaczane w znormalizowany sposób.

Pierwsza litera oznaczenia układu określa związek między siecią a ziemią:

−

T – bezpośrednie połączenie jednego punktu wspólnego (najczęściej przewodu
neutralnego) z ziemią,

−

I – wszystkie części, które mogą znaleźć się pod napięciem są odizolowane od ziemi,
albo jeden punkt jest połączony z ziemią przez impedancję lub bezpiecznik iskiernikowy.
Druga litera określa związek między dostępnymi częściami przewodzącymi a ziemią:

−

N – metaliczne połączenie podlegających ochronie dostępnych części przewodzących
z uziemionym punktem układu sieciowego (neutralnym),

−

T – metaliczne połączenie z ziemią (uziemienie) podlegających ochronie dostępnych
części przewodzących, niezależnie od uziemienia punktu neutralnego.
Kolejne litery określają związek między przewodem neutralnym N, a przewodem

ochronnym PE:

−

C – wspólny przewód neutralno-ochronny PEN,

−

S – osobne przewody: neutralny N oraz ochronny PE,

−

C-S – od strony zasilania, w pierwszej części instalacji wspólny przewód PEN, w drugiej
osobne przewody: neutralny N oraz ochronny PE.

Osprzęt instalacyjny

Osprzęt instalacyjny to urządzenia stanowiące wyposażenie instalacji. W jego skład

wchodzą:

−

gniazda czyli łączniki wtykowe,

−

odgałęźniki czyli puszki instalacyjne służące do łączenia przewodów instalacyjnych oraz
wykonywania odgałęzień,

−

bezpieczniki, zabezpieczające instalacje przed przeciążeniami,

−

łączniki instalacyjne służące do włączania prądów roboczych i zwarciowych oraz
stwarzania przerwy w obwodzie elektrycznym,

−

oprawy oświetleniowe,

−

rury instalacyjne służące do prowadzenia przewodów,

−

elementy konstrukcyjne instalacji prefabrykowanych.

Przemysłowe instalacje elektryczne

Instalacje przemysłowe powinny cechować się: możliwością zasilania dużej liczby

różnorodnych odbiorników, przenoszenia dużych mocy, przejrzystością i estetyką układu,
a także maksymalnym stopniem prefabrykacji umożliwiającym prostą rozbudowę
i modernizację.

Tego typu instalacje elektryczne prowadzi się najczęściej w rurach stalowych lub z PCW.

W zakładach przemysłowych stosuje się również instalacje z elementów prefabrykowanych,
które możemy podzielić na:

−

instalacje korytkowe – przewody prowadzone są w blaszanych korytkach, instalacje takie
są niezawodne i estetyczne,

−

instalacje przewodami szynowymi – szyny wykonane są z aluminium, duraluminium lub
miedzi i umieszczone w specjalnych osłonach,

−

instalacje wiązkowe – przewody w izolacji i powłoce poliwinitowej formuje się
w skupione wiązki i układa na uchwytach, drabinkach i linkach nośnych; stosowane
są w tunelach, piwnicach, kanałach, na przestrzeniach otwartych, prowizorycznych
obiektach, halach produkcyjnych,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

instalacje w kanałach podłogowych – stosuje się przewody w izolacji i powłoce
poliwinitowej; ten typ instalacji montowany jest w pomieszczeniach produkcyjnych
przemysłu lekkiego i elektrotechnicznego oraz laboratoriach, pawilonach i sklepach,

−

instalacje kablowe na drabinkach – ich konstrukcja wykorzystuje prefabrykowane
drabinki podobne do korytek instalacyjnych.

Zabezpieczenia odbiorników i urządzeń elektrycznych

W celu zabezpieczenia urządzeń i odbiorników stosuje się szereg środków ochrony

przeciwporażeniowej.

Uziemienie zwane inaczej uziomem to przewód łączący określonego punktu urządzenie

z ziemią w celu zapewnienia bezpiecznej i prawidłowej pracy urządzeń elektrycznych.

Uziemienie ochronne polega na uziemieniu jednego lub wielu punktów sieci, instalacji

lub urządzenia elektrycznego dla bezpieczeństwa. Uziemione zostają te części przewodzące
urządzeń elektrycznych, które nie są normalnie pod napięciem. W chwili pojawienia się
na nich napięcia, zadziała zabezpieczenia elektrycznego.

Uziemienie funkcjonalne lub inaczej uziemienie robocze – to takie uziemienie sieci,

instalacji lub urządzenia elektrycznego, które nie służy bezpieczeństwu, lecz jego
prawidłowemu działaniu.

Zerowanie stosowane w instalacjach elektrycznych, polega na podłączeniu przewodem

ochronno-neutralnym PEN obudów i części przewodzących w układzie TN-C. W przypadku
uszkodzenia izolacji możliwe jest samoczynne odłączenie zasilania, poprzez szybkie
zadziałanie zabezpieczenia elektrycznego.

Zerowanie może być stosowane w instalacjach elektrycznych o napięciu do 500 V,

w układzie sieciowym TN, gdzie punkt neutralny zasilającego transformatora jest
bezpośrednio uziemiony, natomiast chronione części przewodzące odbiorników są połączone
z punktem neutralnym za pomocą:

−

przewodu ochronnego PE w układzie sieciowym TN-S,

−

przewodu ochronno-neutralnego PEN w układzie sieciowym TN-C,

−

w części układu przewodem ochronnym PE, a w drugiej części przewodem neutralnym
PN, w układzie sieciowym TN-C-S.
Przewód neutralny (N) to przewód elektryczny połączony z punktem neutralnym sieci

elektroenergetycznej, mogący służyć do przesyłania energii elektrycznej.

Przewód ochronny (PE) służy ochronie przed porażeniem elektrycznym. Jeśli łączy

główny zacisk uziemiający z uziomem to jest to przewód uziemiający, jeśli natomiast
zapewnia wyrównanie potencjałów elektrycznych różnych części mogących znaleźć się pod
napięciem to jest to przewód wyrównawczy.

Przewód ochronno-neutralny (PEN) łączy funkcje przewodu neutralnego N i przewodu

ochronnego PE.

Pomiary sprawdzające w instalacjach elektrycznych

W celu sprawdzenia stanu instalacji przeprowadza się min. pomiary: rezystancji izolacji

przewodów oraz rezystancji uziemień ochronnych.

Pomiar rezystancji izolacji przewodów wykonuje się induktorowym miernikiem izolacji

typu IMI (induktorem), czyli megaomomierzem. W obwodach trójfazowych wykonuje się
trzy pomiary każdej fazy względem ziemi (L1-N, L2-N, L3-N) oraz trzy pomiary faz między
sobą (L1-L2, L2-L3, L1-L3). Dla obwodu jednofazowego wykonuje się jeden pomiar fazy
względem ziemi. W czasie pomiarów należy:

−

wyłączyć zasilanie i odłączyć od sieci odbiorniki,

−

wykręcić żarówki w obwodach oświetleniowych,

−

zamknąć łączniki instalacyjne,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

wykręcić wkładki topikowe z gniazd bezpieczników w celu łatwiejszego połączenia
przewodów induktora.

Rys. 19. Pomiar rezystancji izolacji: 1 – wyłącznik zasilający, 2 – induktor, 3 – bezpiecznik, 4 – wyłącznik

urządzenia odbiorczego, 5 – żarówka, łącznik instalacyjny [7, s. 94]

Rezystancja izolacji powinna wynosić 1000

Ω

na 1 V napięcia znamionowego sieci.

W instalacjach wykonanych w rurach instalacyjnych i z elementów prefabrykowanych 800

Ω

na każdy 1 V napięcia znamionowego sieci, której napięcie międzyprzewodowe nie
przekracza 250 V oraz 500

Ω

na każdy 1 V napięcia znamionowego przy napięciu

międzyprzewodowym nie przekracza 250–1000 V.

Pomiar rezystancji uziemień ochronnych i pomocniczego przedstawia poniższy schemat.

Rys. 20. Pomiar rezystancji uziemienia: a) uproszczony schemat pomiarowy, b) sposób przyłączenia.

E – induktor, G – galwanometr, Z – przełącznik zakresów, R – rezystor nastawny, Tr – transformator
izolujący od prądów błądzących, P – prostownik wibracyjny, S1, S2 – sondy pomiarowe [7, s. 194]

4.7.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Co to jest instalacja elektryczna?
2. Jak klasyfikujemy instalacje ze względu na charakter odbiorników?
3. Jakie elementy i urządzenia wchodzą w skład instalacji elektrycznej?
4. Czym różnią się układy instalacji?
5. Jakie elementy wchodzą w skład osprzętu instalacyjnego?
6. Jakie rodzaje instalacji elektrycznych stosuje się w przemyśle?
7. Jakie wymagania stawiane są instalacjom przemysłowym?
8. Do czego służy przewód ochronno-neutralny?
9. Jakie pomiary wykonuje się w celu sprawdzenia stanu instalacji elektrycznej?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.7.3.

Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Rozróżnij elementy osprzętu instalacyjnego i określ ich przeznaczenie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dokonać oględzin otrzymanych elementów osprzętu instalacyjnego,
2) rozróżnić poszczególne elementy,
3) określić ich przeznaczenie,
4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

elementy osprzętu instalacyjnego: łącznik instalacyjny, gniazdo natynkowe, puszka,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Rozpoznaj usterkę instalacji oświetleniowej.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dokonać oględzin makiety instalacji oświetleniowej,
2) rozróżnić elementy osprzętu instalacyjnego zastosowane na makiecie,
3) przeanalizować działanie instalacji,
4) określić czynności jakie należy wykonać w celu zdiagnozowania uszkodzenia instalacji,
5) zgromadzić potrzebne przyrządy i narzędzia,
6) wykonać niezbędne pomiary,
7) określić rodzaj usterki i typ uszkodzonych elementów osprzętu instalacyjnego,
8) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

makieta instalacji oświetleniowej,

–

miernik uniwersalny,

–

komplet wkrętaków,

–

komplet szczypców,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.7.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić elementy instalacji elektrycznej?

2) określić typ instalacji na podstawie rodzaju przyłączonych odbiorników?

3) rozróżnić elementy osprzętu instalacyjnego?

4) określić na podstawie oznaczenia układu sieciowego zastosowany sposób

uziemienia?

5) rozróżnić typ przemysłowej instalacje elektryczne?

6) scharakteryzować podstawowe zabezpieczenia odbiorników i urządzeń

elektrycznych?

7) rozróżnić: uziemienie ochronne, uziom, przewód uziemiający i zerowanie?

8) wykonać pomiar rezystancji izolacji?

9) wykonać pomiar rezystancji uziemienia?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.8. Urządzenia grzewcze. Technika oświetleniowa

4.8.1. Materiał nauczania

Elektryczne urządzenia grzewcze

Elektryczne urządzenia grzewcze ze względu na sposób wytwarzania ciepła dzielimy na:

rezystancyjne,

czyli

oporowe,

elektrodowe,

łukowe,

indukcyjne,

pojemnościowe

i promiennikowe.

Piece rezystancyjne

Piece rezystancyjne wykorzystują ciepło powstające podczas przepływu prądu przez

elementy grzejne wykonane z materiałów oporowych stałych, najczęściej z metali lub
specjalnych stopów metali o dużej rezystywności i dużej trwałości. Elementy grzejne
są zasilane najczęściej z sieci energetycznej za pośrednictwem sterowników tyrystorowych.
Piece oporowe zasilane są z układów jednofazowych i trójfazowych.

Ze względu na sposób nagrzewania piece rezystancyjne dzielimy na: pośrednie

i bezpośrednie, gdzie nagrzewania odbywa się po części rezystancyjnie i łukowo. Najczęściej
stosowane są piece pośrednie, które mają zamontowane wewnątrz elementy grzejne.
Dzielimy je na: nieprzelotowe, (mają jeden otwór wsadowy, zatem ponowne załadowanie
może się odbyć po zakończeniu całego procesu nagrzewania) oraz przelotowe (z dwoma
otworami wejściowym i wylotowym, dzięki czemu proces nagrzewania może odbywać się
w sposób ciągły).

Rys. 21. Piece rezystancyjne o nagrzewaniu: a) pośrednim, b) bezpośrednim; 1 – element grzejny, 2 – izolująca

obudowa pieca, 3 – wsad, 4 – końcówka elementu grzejnego, 5 – uchwyt, 6 – wsad pełniący funkcje
elementu grzejnego [7, s. 146]

Piece elektrodowe posiadają elektrody zanurzone w roztopionych mieszaninach soli.

Kąpiel solna rozgrzewana przepływającym przez elektrody prądem przekazuje swoje ciepło
zanurzonemu w niej wsadowi.

Piece łukowe wykorzystują zjawisko łuku elektrycznego powstającego przy przerywaniu

obwodów prądowych. W piecach łukowych pośrednich łuk elektryczny pali się pomiędzy
dwiema elektrodami węglowymi lub grafitowymi, natomiast w piecach bezpośrednich
pomiędzy elektrodą i topionym metalem. Piece te stosowane są do wytopu metali ze względu
na nierównomierny rozkład temperatury.

Piece pojemnościowe działają na zasadzie wytwarzania ciepła wewnątrz dielektryka pod

wpływem szybkozmiennego pola elektrycznego wielkiej częstotliwości.
Nagrzewanie pojemnościowe stosuje się do: sterylizacji żywności i środków opatrunkowych,
w lecznictwie, suszenie zboża, gotowania i pieczenia żywności, zgrzewanie folii
plastikowych, obróbki gumy, a także klejenie i suszenie drewna.

Piece indukcyjne wykorzystują zjawisko powstawania prądów wirowych pod wpływem

zmiennego pola magnetycznego. W piecu wielkiej częstotliwości znajduje się cewka
indukcyjna zwana induktorem lub wzbudnikiem, w niej umieszcza się nagrzewany przedmiot.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Induktor zasilany prądem przemiennym pobieranym z elektronicznych generatorów wielkiej
częstotliwości, jest wykonany z rurki miedzianej, przez którą przepływa chłodząca go woda.

W nagrzewaniu indukcyjnym ciepło jest wytworzone wewnątrz nagrzewanego przedmiotu,

głównie w jego części znajdującej się w zasięgu wytworzonego pola magnetycznego.

Pieców indukcyjnych zasilanych prądem częstotliwości 25–60 Hz używa się

do topienia metali w hutach i odlewniach. Do obróbki cieplnej dużych elementów stosuje się
częstotliwość 300 Hz –3 kHz, natomiast prądy o większej częstotliwości są używane do
lutowania małych elementów, np. do lutowania puszek.

Mikrofalowe urządzenia grzejne

Urządzenia mikrofalowe wykorzystują nagrzewanie elektryczne oparte na przemianie we

wsadzie energii elektrycznej w ciepło za pośrednictwem pola elektromagnetycznego. Zakres
częstotliwości mikrofalowych obejmuje przedział od 300 MHz do 300 GHz. Technika
mikrofalowa znalazła zastosowanie w przemyśle do nagrzewania materiałów o małej
przewodności cieplnej, np.: wulkanizacja profili gumowych, pasteryzacja środków
spożywczych, kruszenie skał. Natomiast kuchnie mikrofalowe służą do podgrzewania
produktów spożywczych.

Typowe grzejne urządzenie mikrofalowe składa się ze źródła energii wielkiej

częstotliwości, czyli magnetronu, falowodu doprowadzającego mikrofale oraz rezonatora
wnękowego, w którym umieszcza się wsad (może on być również umieszczony w falowodzie
lub jego pobliżu).

Plazmotrony, czyli palniki plazmowe znalazły zastosowanie w otrzymywaniu i topieniu

metali o bardzo wysokiej temperaturze topnienia i wymagających bardzo dużej czystości
procesu nagrzewania (pozwalają osiągnąć temperaturę powyżej 50000

C). Palniki takie

wytwarzają plazmę, czyli stan gazu, w którym przynajmniej 0,1% cząsteczek uległo jonizacji.

Promienniki wytwarzają promieniowanie temperaturowe, którego energię pochłania

nagrzewane ciało. Promienniki dzielimy na:

−

lampowe, gdzie źródłem promieniowania jest rozgrzany żarnik; są one produkowane
w postaci żarówek z wewnętrznym odbłyśnikiem lub rur ze szkła kwarcowego,

−

rurkowe, wykonane z przewodu grzejnego zatopionego w masie ceramicznej
lub umieszczonego w metalowej rurce w masie izolacyjnej.

Technika oświetleniowa

wiatło jest promieniowaniem elektromagnetycznym, rozchodzącym się ze źródła falami

koliście w powietrzu i próżni z prędkością około 300000 km/s. Źródło światła może być
naturalne, np. gwiazdy lub sztuczne np. lampy elektryczne.

W celach oświetleniowych stosuje się lampy elektryczne, które można podzielić ze

względu na sposób wytwarzania światła na:

−

arowe (żarówki),

−

wyładowcze (świetlówki, rtęciówki, lampy sodowe ksenonowe, wysokonapięciowe rury
jarzeniowe i inne),

−

arowo-wyładowcze (lampy rtęciowo-żarowe).

śarówki

wiatło w żarówce emituje żarnik, rozgrzany do wysokiej temperatury przepływającym

przez niego prądem. śarnik wykonany jest z trudno topliwych skrętek wolframowych
i umieszczony w bańce wypełnionej gazem obojętnym, który odprowadzając ciepło ogranicza
parowanie wolframu. śarówki o mniejszych mocach w bańce szklanej mają próżnię. śarówka
wyposażona jest też w trzonek umożliwiający jej zamocowanie. Najpopularniejsze
są trzonki gwintowe, prócz nich stosuje się trzonki bagnetowe do żarówek w projektorach
i urządzeniach narażonych na wstrząsy oraz trzonki telefoniczne i specjalne.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 22. Budowa żarówki 1 – trzonek, 2 – podpórki, 3 – żarnik, 4 – podpórki, 5 – perełka, 6 – doprowadzenie

prądu, 7 – odwiewka, 8 – płaszcz, 9 – rurka pompowa [7, s. 125]

Podstawowymi parametrami żarówki są: napięcie, moc i prąd. śarówki stosowane

w instalacjach oświetleniowych mieszkań, biur i pomieszczeń o podobnym przeznaczeniu
produkowane są na napięcie 230 V. Spotyka się również typy żarówek wykonywanych
na różne inne napięcia ze względu na ich przeznaczenie:

−

do latarek kieszonkowych: 2,5 V; 3,5 V,

−

samochodowe: 6 V; 12 V; 24 V,

−

do taboru kolejowego: 24 V; 32 V; 50 V; 54 V,

−

samolotowe: 28 V,

−

do górniczych lamp akumulatorowych: 2,5 V; 3,75 V.
ś

arówki halogenowe mają konstrukcję podobną do tradycyjnej żarówki, lecz stosuje się

w nich halogenki, czyli jod, chrom, brom i fluor, powodujące samoregenerację zużywającego
się żarnika. Małe wymiary żarówek halogenowych zapewniają utrzymanie w bańce żarówki
bardzo wysokiej temperatury, rzędu 250

C, co jest warunkiem procesu samoregeneracji.

Obecnie powszechnie stosuje się żarówki halogenowe w pomieszczeniach: mieszkalnych,
biurowych, sportowych, użyteczności publicznej oraz przemysłowych.

Świetlówki, czyli lampy fluoroscencyjne

wietlówka składa się ze szklanej, prostej lub zagiętej rury zakończonej jednakowymi

trzonkami, wewnątrz powleczonej luminoforem, którego barwa decyduje o kolorze
emitowanego przez świetlówkę światła, rura wypełniona jest argonem z kropelkami rtęci.
Po obu końcach szklanej rury wbudowane są elektrody wykonane z wolframowej skrętki
powleczonej substancją emitująca elektrony.

W celu zapłonu świetlówki stosuje się: statecznik i zapłonnik.
Statecznik, czyli dławik służy do wytworzenia fali przepięciowej w czasie zapłonu oraz

ograniczenia prądu wyładowania w świetlówce podczas jej świecenia. Natomiast zapłonnik
służy do zaświecenia rury o podgrzanej w czasie zapłonu katodzie.

Obecnie produkuje się świetlówki kompaktowe, które mają nowoczesną konstrukcję

z wbudowanym zapłonnikiem, a czasem też statecznikiem.

wietlówki charakteryzują się: dużą skutecznością świetlną i trwałością, pięciokrotnie

mniejszym zużyciem energii od żarówek, a także małą jaskrawością wytworzonego światła.

Rys. 23. Budowa świetlówki: 1 – rura szklana, 2 – trzonek, 3 – styk, 4 – elektroda, 5 – luminofor [7, s. 125]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Lampy rtęciowe

Rys. 24. Budowa i schemat podłączenia lampy rtęciowej: 1 – bańka zewnętrzna, 2 – elektrody główne,

3 – rezystor, 4 – elektroda pomocnicza, 5 – jarznik zargonem, 6 – kropla rtęci [7, s. 131]

Lampy wyładowcze o wyładowaniu łukowym to lampy rtęciowe. Podstawowy

elementem ich budowy jest bańka wypełniona azotem, wykonana matowego lub
przezroczystego szkła. Umieszczony w niej jarznik wykonany jest ze szkła kwarcowego
w formie rurki z wtopionymi na końcach elektrodami wolframowymi. Jarznik wypełniony
jest argonem i kropelkami rtęci. Do zaświecenia lampy służy elektroda zapłonowa
(pomocnicza), umieszczona w pobliżu jednej z elektrod głównych, połączona z drugą
elektrodą główną poprzez rezystor. Wyładowanie łukowe następuje po włączeniu lampy do
sieci, gdy między elektrodą pomocniczą, a sąsiednią elektroda główną wytwarza się pole
elektryczne oddziaływujące na argon. Zjawisko to podnosi temperaturę wewnątrz jarznika
i powoduje parowanie rtęci, które prowadzi do wyładowania pomiędzy elektrodami głównymi
(natomiast wyładowanie zapłonowe gaśnie). W lampach rtęciowych podobnie jak
w świetlówkach podczas świecenia istnieje konieczność ograniczenia prądu wyładowania,
dlatego przy ich podłączeniu do sieci stosuje się statecznik.

Lampy rtęciowe mogą być stosowane do oświetlenia zewnętrznego, jak i wewnętrznego

w bardzo wysokich pomieszczeniach typu hale dworcowe czy sportowe. W halach
przemysłowych takie oświetlenie może być stosowane dopiero na wysokości powyżej 4 m.

Lampy rtęciowo-żarowe mają podobną konstrukcję do lamp rtęciowych, nie wymagają

jednak zastosowania statecznika, ponieważ jego funkcję spełnia rezystor wykonany ze skrętki
wolframowej, umieszczony w bańce zewnętrznej i połączony z jedną z elektrod głównych.

Ten typ lamp wytwarza przyjemne dla oka ludzkiego światło, ale ich wadą jest

skuteczność świetlna dwukrotnie mniejsza niż lamp rtęciowych.

Lampy rtęciowe-halogenowe w jarzniku prócz rtęci mają halogen. Do ich zaświecenia

jest konieczny elektroniczny zapłonnik. Lampy emitują mają światło o przyjemnej dla oka
barwie, niestety ich trwałość w porównaniu z rtęciówkami jest znacznie mniejsza.

Wysokoprężne lampy sodowe działają na podobnej zasadzie do rtęciówek. Zasadniczą

ich częścią jest ceramiczny jarznik w kształcie rurki wypełniony parą sodu i rtęci
z dodatkiem gazu obojętnego. Lampy tego typu emitują światło o przewadze barwy żółtej,
cechują się dużą skutecznością i trwałością. Stosowane są w miejscach, gdzie ważne jest duże
natężenie oświetlenia, natomiast jego barwa nie odgrywa roli – w zakładach przemysłowych,
również obróbki plastycznej.

Oprawy oświetleniowe

ródła światła umieszczane są w specjalnych oprawach oświetleniowych, które służą do:

umocowania źródła światła, przyłączenia go do instalacji elektrycznej, odpowiedniego
skierowania strumienia światła, ochrony oczu przed olśnieniem, ochrony źródła światła przed
szkodliwymi czynnikami zewnętrznymi, uzyskania efektu dekoracyjnego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Oprawy oświetleniowe można podzielić ze względu na zastosowanie na: przemysłowe,
zewnętrzne, do pomieszczeń użyteczności publicznej, projektory oświetleniowe i oprawy
specjalne, natomiast ze względu na sposób mocowania na: stałe, przenośne i nastawne.

Ze względu na rozsyłanie strumienia świetlnego oprawy dzielimy na pięć klas.
Oprawy I klasy kierują cały strumień w dół i są stosowane do oświetlenia miejscowego

w dużych halach. Oprawy klasy II i III stosowane są w pomieszczeniach niższych o średnio
jasnych sufitach i ścianach np. sklepach, biurach. W pomieszczeniach niskich o jasnych
sufitach i ścianach i ścianach np. mieszkaniach i hotelach stosuje się oprawy klasy IV i V
dające światło w przeważającej części odbite od sufitu.

Oprawy oświetleniowe do wnętrz publicznych prócz funkcji oświetleniowych spełniają

również dekoracyjne. Wykonane są w I i II klasie, najczęściej są to: plafonierki i oprawy
zawieszkowe do żarówek, oprawy świetlówkowe do sufitu.

Oprawy oświetleniowe zewnętrzne dla oświetlenia żarowego są wykonane ze stopu

aluminium formowanego podciśnieniem i posiadają ochronną siatkę z ocynkowanego drutu.

Oprawy przemysłowe dzielimy na trzy grupy: zwykłe, odporne na wodę lub pył

i przeciwwybuchowe. Oprawy zwykłe to stosowane do:

−

arówek: warsztatowe (oświetlające miejscowo stanowisko pracy), zawieszkowe, ścienne

i sufitowe (oświetlające pomieszczenia zamknięte o przeciętnej wilgotności i zapyleniu)

−

wietlówek – w pomieszczeniach przemysłowych o średniej wilgotności i zapyleniu,

−

lamp wyładowczych wysokoprężnych – w miejscach narażonych na opady deszczu.
Oprawy odporne na wodę lub pył stosowane są w pomieszczeniach:

−

zamkniętych – kroploodporne,

−

o zwiększonej wilgotności – bryzgoodporne,

−

przemysłowych, w których istnieje możliwość działania strumienia wody –
strugoodporne,

−

w których możliwe jest duże zapylenie – pyłoszczelne.
W pomieszczeniach zagrożonych wybuchem pary, pyłu węglowego lub gazów stosuje się

przeciwwybuchowe oprawy oświetleniowe, wykonane ze stopów aluminium z kloszami ze
szkła hartowanego osłoniętymi siatka z drutu stalowego.

4.8.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie znasz elektryczne urządzenia grzejne?
2. Na jakiej zasadzie działają piece rezystancyjne, a na jakiej piece indukcyjne?
3. W jaki sposób działają piece indukcyjne?
4. Jaka jest zasada działania żarówki?
5. W jakim celu stosuje się w żarówkach halogenki?
6. Czym charakteryzują się świetlówki?
7. Jak działają lampy rtęciowe, a jak sodowe?
8. Jak dzielimy oprawy oświetleniowe ze względu na rozsyłanie strumienia świetlnego?
9. Jakie znasz typy przemysłowych opraw oświetleniowych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.8.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ typ otrzymanych źródeł światła. Scharakteryzuj ich zastosowanie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dokonać oględzin otrzymanych źródeł światła,
2) określić ich typ,
3) określić ich zastosowanie,
4) zaprezentować wyniki pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

arówka, świetlówka, lampa sodowa,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.8.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) scharakteryzować zasadę działania powszechnie stosowanych źródeł

wiatła?

2) określić zastosowanie typowych źródeł oświetlenia?

3) dobrać rodzaj źródeł światła do określonego przeznaczenia?

4) scharakteryzować oprawy oświetleniowych różnych klas?

5) sklasyfikować przemysłowe oprawy oświetleniowe?

6) dobrać oprawę oświetleniową do określonego przeznaczenia?

7) scharakteryzować zasadę działania różnego rodzaju elektrycznych

urządzeń grzejnych?

8) określić zastosowanie danego typu urządzenia grzejnego?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.9. Podstawy elektroniki

4.9.1. Materiał nauczania

Nowoczesne maszyny i urządzenia stosowane we wszystkich gałęziach przemysłu,

posiadają blok elektroniki sterującej, w skład którego wchodzą typowe układy elektroniczne
takie jak: wzmacniacze, prostowniki, generatory i inne, które są zbudowane z elektronicznych
elementów i układów półprzewodnikowych.

Diody półprzewodnikowe

Dioda półprzewodnika posiada dwie elektrody anodę i katodę. Ze względu na zasadę

działania i przeznaczenia rozróżnia się wiele rodzajów diod: prostownicze, stabilizacyjne,
impulsowe, pojemnościowe, uniwersalne, fotodiody, diody LED i inne.

Dioda prostownicza

Rys. 25. Symbol diody prostowniczej: a) polaryzacja diody prostowniczej, b) w kierunku przewodzenia,

c) w kierunku zaporowym [3, s. 54]

W układach elektronicznych dioda prostownicza wykorzystywana jest przede wszystkim

do przekształcania prądu zmiennego w jednokierunkowy prąd pulsujący. Przewodzi ona prąd
w jednym kierunku. Jeżeli do anody podłączony jest potencjał dodatni, a do katody potencjał
ujemny to jest to polaryzacja w kierunku przewodzenia. Jeśli na diodzie pojawi się spadek
napięcia zwany napięciem progowym, (którego wartość zależy od materiału, z jakiego została
wykonana dioda i tak dla diod krzemowych jest to wartość około 0,7 V, dla germanowych
około 0,3 V) to przez diodę popłynie prąd (od anody do katody). Spadek napięcia na diodzie
niewiele zmienia się pomimo dużych zmian wartości przepływającego przez nią prądu,
w katalogach podawane są typowe wartości tego spadku napięcia. Przy polaryzacji odwrotnej
zwanej polaryzacją w kierunku zaporowym (wówczas do anody podłączony jest potencjał
ujemny, a do katody dodatni), przez diodę płynie bardzo mały prąd w kierunku zaporowym
(od katody do anody), w wielu przypadkach analizy działania układów elektronicznych
możemy go pominąć. W kierunku zaporowym do diody można przyłożyć tylko określone
napięcie zwane maksymalnym napięciem wstecznym, podane w danych katalogowych.
Przekroczenie tej wartości spowoduje krótkotrwały przepływ prądu przez diodę w kierunku
zaporowym, powodujący zniszczenie jej struktury wewnętrznej.

Diody prostownicze stosuje się najczęściej w układach prostowniczych urządzeń

zasilających.

Dioda stabilizacyjna (dioda Zenera)

Wykorzystuje się jej właściwości przy polaryzacji w kierunku zaporowym. Przy

polaryzacji w kierunku przewodzenia, dioda Zenera działa jak dioda prostownicza. Natomiast
przy polaryzacji w kierunku zaporowym, póki przyłożone napięcie nie osiągnie wartości
zwanej napięciem Zenera, przez diodę stabilizacyjną płynie bardzo mały prąd w kierunku
zaporowym (od katody do anody). Jeśli spadek napięcia w kierunku zaporowym osiągnie
wspomnianą wartość napięcia Zenera następuje zjawisko przebicia Zenera lub lawinowe,
polegające na szybkim wzroście wartości prądu przy prawie niezmienionej wartości spadku

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

napięcia. Diody stabilizacyjne stosuje się w układach stabilizacji napięć, w ogranicznikach
amplitudy, w układach źródeł napięć odniesienia, itp.

Rys. 26. Symbol diody: a) stabilizacyjna, b) LED [3, s. 59, 450]

Dioda LED

Diody LED emitują światło pod wpływem przepływu przez nie prądu w kierunku

przewodzenia. Diodę LED zasila się napięciem w kierunku przewodzenia, łącząc szeregowo
z nią rezystor ograniczający prąd.

Diody LED wykorzystuje się zasadniczo jako samodzielne elementy sygnalizujące,

buduje się z nich również wyświetlacze.

Tranzystory

Obecnie produkowanych jest wiele typów tranzystorów przeznaczonych do różnych

zastosowań. Mogą one występować jako elementy dyskretne, najczęściej jednak stanowią
podstawowy element układów scalonych.

Tranzystor bipolarny

Tranzystor bipolarny przeznaczony jest do pracy jako wzmacniacz sterowany prądowo.

Zbudowany jest z trzech warstw półprzewodnika stanowiących kombinację dwóch złącz PN.
Ze wzglądu na budowę rozróżniamy tranzystory bipolarne typu PNP i NPN. Tranzystor
bipolarny można przedstawić jako dwie diody przewodzące prąd w kierunku bazy (PNP),
albo w kierunku od bazy (NPN).

Rys. 27. Symbol tranzystora: a) PNP, b) NPN [3, s. 62]

Struktura półprzewodnikowa tranzystora umieszczona jest w hermetycznie zamkniętej

obudowie, chroniącej przed uszkodzeniami mechanicznymi, ale również spełniającej inne
funkcje np. w tranzystorach średniej i dużej mocy umożliwia odprowadzanie ciepła.

Tranzystor bipolarny posiada trzy elektrody E – emiter, B – bazę, C – kolektor. Baza jest

elektrodą sterująca. Zazwyczaj tranzystor pracuje jako wzmacniacz prądowy. Mały prąd
wpływający do bazy umożliwia przepływ większego prądu pomiędzy kolektorem a emiterem.
Jest to tak zwany stan aktywny pracy tranzystora.

Tranzystor bipolarny może również pracować w stanie nieprzewodzenia zwanego też

odcięciem. Wówczas prąd płynący między kolektorem a emiterem jest bardzo mały,
a napięcie pomiędzy kolektorem a emiterem jest maksymalne.

Stan nasycenia tranzystora bipolarnego charakteryzuje się przepływem dużego prądu

kolektora, przy minimalnym napięciu pomiędzy kolektorem a emiterem.

Tranzystor unipolarny (polowy)

Rys. 28. Symbol graficzny tranzystora unipolarnego JFET: a) z kanałem typu N, b) z kanałem typu P [3, s. 82]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tranzystor unipolarny posiada trzy elektrody bramkę (oznaczoną symbolem G), dren

(oznaczony symbolem D) i źródło (oznaczony symbolem S).

Tyrystor

Tyrystor posiada trzy elektrody: anodę –A, katodę – K i elektrodę sterującą, czyli bramkę

– G. Zwany jest diodą sterowana, ponieważ może przewodzić prąd tylko w jedną stronę,
podobnie jak dioda, pod warunkiem wysterowania bramki. Tyrystor jest powszechnie
stosowany w układach energoelektronicznych, między innymi w prostownikach sterowanych.

Rys. 29. Symbole: a) tyrystora, b) diaka c) triaka [3, s. 79]

Triak

Triak zwany jest też tyrystorem symetrycznym. Posiada trzy elektrody: anodę oznaczoną

symbolem A, katodą oznaczoną symbolem K i bramkę oznaczoną symbolem G. Różni się od
tyrystora tym, że może przewodzić prąd w obu kierunkach.

Diak

Diak zwany jest też diodą spustową, przewodzi prąd w dwóch kierunkach. Jest to triak

bez wyprowadzonej bramki. Diaki stosowane są do sterowania triakami.

Elementy optoelektroniczne

Działanie elementów optoelektronicznych związane jest ze światłem. Do tej grupy należą

diody LED emitujące światło oraz elementy, których właściwości elektryczne zmieniają się
pod wpływem oświetlenia, takie jak: fotoelementy: fotorezystory, fotodiody i fototranzystory.
Ttransoptory będące połączeniem nadajnika światła (diody LED) i fotoelementu również
zaliczamy do grupy elementów optoelektronicznych. Wspólnym parametrem fotoelementów
jest kąt detekcji, czyli kąt, pod jakim padające promienie światłą oddziałują na nie.

Fotorezystor zmienia swoją rezystancję w zależności od natężenia światła. Ze względu na

obciążalność dochodzącą nawet do kilku watów umożliwiają one nawet bez dodatkowego
wzmocnienia np. bezpośrednie sterowanie przekaźników.

Rys. 30. Symbole elementów optoelektronicznych: a) fotorezystor [12], b) fotodioda [3, s. 450],

c) fototranzystor [13]

Fotodioda jest w zasadzie zwykłą diodą spolaryzowaną w kierunku zaporowym, w której

przy oświetleniu wzrasta prąd przepływu. W porównaniu z fototranzystorem ma znacznie
krótszy czas reakcji.

Fototranzystor jest tranzystorem, którego działanie spowodowane jest oświetleniem

złącza kolektor – baza. Wówczas następuje przepływ prądu bazy, a tym samym wzmocnienie
prądu kolektora. Fototranzystory są wolniejsze niż fotodiody.

Transoptor składa się z nadajnika światła, np. diody LED i detektora światła,

np. fotodiody lub fototranzystora. Wysterowana prądem wejściowym dioda świecąca
transoptora emituje światło, które oddziałuje na fotoelement przetwarzając je na prąd

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

wyjściowy transoptora. Przy pomocy transoptora można przekazywać sygnały pomiędzy
obwodami odizolowanymi galwanicznie. Stosowane są zazwyczaj w zasilaczach
z przetwarzaniem częstotliwości, do przesyłania sygnałów analogowych, w pętlach
prądowych do przesyłania sygnałów cyfrowych.

Rys. 31. Układy transoptora [3, s. 456]

Podstawowe układy elektroniczne

Prostownik przetwarza napięcie zmienne w napięcie jednokierunkowe tętniące. Do jego

budowy wykorzystuje się elementy przewodzące prąd w jednym kierunku: diody
lub tyrystory.

Prostownik w układzie mostka Graetza

Najpopularniejszym prostownikiem produkowanym w postaci układu scalonego

prostownik dwupołówkowy w układzie mostka Graetza.

Rys. 32. Prostownik dwupołówkowy w układzie mostka Graetza a) schemat, b) wykresy czasowe napięcia

wjściowego U

oraz prądu wyjściowego U

[3, s. 105]

W czasie dodatniej połówki napięcia wejściowego prąd płynie uzwojenie wtórne

transformatora, przez diodę D

, obciążenie R

i diodę D

, natomiast przy ujemnej połówce

napięcia wejściowego prąd płynie uzwojenie wtórne transformatora, przez diodę D

obciążenie R

i diodę D

. W obu przypadkach prąd przez obciążenie płynie w tym samym

kierunku i ma charakter pulsujący. Jeżeli w układzie prostownika dwupołówkowego
zastosujemy filtr w postaci kondensatora C uzyskamy znacznie lepszy stosunek czasu
rozładowania kondensatora do czasu ładowania niż w układzie jednopołówkowym. Zatem
przy tym samym obciążeniu czas rozładowania kondensatora w układzie mostkowym jest
znacznie krótszy niż w układzie jednopołówkowym. Efektem tego są mniejsze tętnienia
napięcia wyjściowego.

Stabilizatory napięcia stosuje się w celu uzyskania stałej wartości napięcia elektrycznego.

Zasadniczym elementem stabilizatora jest dioda Zenera.

Rys. 33. Układ stabilizatora parametrycznego [3, s.296]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zasilacz

Rys. 34. Schemat blokowy zasilacza [12]

Zadaniem zasilacza jest dostarczenie napięcia stałego, które jest wytwarzane przez

transformowanie i prostowanie napięcia sieciowego. Uzyskane w ten sposób napięcie stałe
charakteryzuje się znacznymi tętnieniami, a ponadto jego wartość zmienia się na skutek
zmian napięcia sieci, a także zmian obciążenia. Z tego względu zasilacz zawiera z reguły
stabilizator napięcia, którego zadaniem jest utrzymanie stałej wartości napięcia. Ponadto
każdy zasilacz sieciowy napięcia stałego musi składać się z bloku obniżającego napięcie sieci
230 V – transformatora i układu zamieniającego obniżone napięcie przemienne na stałe, czyli
układu prostownika z filtrem.

Wzmacniacze

Rys. 35. Schemat blokowy wzmacniacza [3, s. 144]

Zadaniem wzmacniacza jest wzmocnienie sygnału przy zachowaniu jego nie

zmienionego kształtu. Wzmacniacze mogą wzmacniać sygnały stałe (wolnozmienne), albo
zmienne.

Najważniejszym parametrem wzmacniacza jest współczynnik wzmocnienia (zwany

w skrócie wzmocnieniem), będący stosunkiem amplitudy sygnału na wyjściu wzmacniacza
do amplitudy sygnału na jego wejściu.

Ze względu na przeznaczenie rozróżniamy wzmacniacze napięciowe, prądowe i mocy.
Wzmacniacze budowane są najczęściej jako układy kaskadowe, czyli połączenie szeregu

stopni wzmacniających (wyjście danego stopnia, czyli pojedynczego wzmacniacza połączone
jest z wejściem stopnia następnego).

Rys. 36. Schemat blokowy wzmacniacza trzystopniowego [3, s. 148]

Obecnie powszechnie stosuje się wzmacniacze w postaci układów scalonych.
Wzmacniacz

operacyjny

najbardziej

rozpowszechniony

analogowy

układ

elektroniczny, realizowany jako monolityczny układ scalony. Jego sposób działania jest
określone przez dołączone elementy zewnętrzne.

Wzmacniacz operacyjny posiada jedno wyjście i dwa wejścia: odwracające (oznaczone

„–”) i nieodwracające (oznaczone „+”). Wzmacniana jest różnica sygnałów z tych wejść,
a wartość tego wzmocnienia jest bardzo duża.
Wzmacniacz operacyjny służy do budowy wielu układów wzmacniających, generatorów
i innych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 37. Symbol wzmacniacza operacyjnego [3, s.197]

Generator to układ wytwarzający przebiegi elektryczne o określonym kształcie

np. sinusoidalnym (generatory przebiegów sinusoidalnych), prostokątnym czy trójkątnym
(generatory przebiegów niesinusoidalnych). Generator przetwarza energię elektryczną
pozyskiwaną ze źródła napięcia zasilania, zamieniając ją (z pewnymi stratami) w energię
generowanego napięcia zmiennego.

4.9.2 Spytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Do czego służy dioda prostownicza?
2. Czym charakteryzuje się działanie diody Zenera?
3. Jaka jest różnica w działaniu tyrystora i triaka?
4. Jakie znasz typy tranzystorów?
5. Jakie wyprowadzenia posiada tranzystor bipolarny, a jakie uniolarny?
6. Jaka jest wspólna cecha elementów optoelektronicznych?
7. W jakim celu stosuje się transoptory?
8. Do czego służy prostownik?
9. Jakie jest zadanie stabilizatora?
10. Jaki jest podstawowy parametr wzmacniacza?
11. Jaki scalony układ elektroniczny jest podstawą budowy generatorów i różnych typów

wzmacniaczy?

4.9.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Rozpoznaj typ otrzymanych elementów elektronicznych. Określ na podstawie katalogu

elementów i układów elektronicznych, ich wyprowadzenia i zastosowanie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) dokonać oględzin otrzymanych elementów elektronicznych,
2) rozpoznać ich typ,
3) wybrać odpowiedni katalog elementów i układów elektronicznych,
4) wyszukać w katalogu odpowiednie karty rozpoznanych elementów,
5) określić wyprowadzenia elementów,
6) określić zastosowanie rozpoznanych elementów,
7) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

tyrystor, triak, tranzystor bipolarny i unipolarny,

–

katalogi elementów i układów elektronicznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

Wyszukaj na otrzymanym schemacie elektrycznym symbole: diody prostowniczej,

stabilizacyjnej oraz tranzystora bipolarnego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować treść zadania,
2) zapoznać się z otrzymanym schematem elektrycznym,
3) odszukać na schemacie symbole: diody prostowniczej, stabilizacyjnej oraz tranzystora

bipolarnego,

4) zaprezentować wyniki.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

schemat układu elektronicznego,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.9.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wyjaśnić zasadę działania podstawowych elementów elektronicznych?

2) rozróżnić na schemacie układu elektronicznego, symbole graficzne

podstawowych elementów elektronicznych?

3) określić zastosowanie podstawowych elementów elektronicznych?

4) określić na podstawie katalogu elementów i układów elektronicznych,

wyprowadzenia podstawowych elementów elektronicznych?

5) scharakteryzować elementy optoelektroniczne?

6) wyjaśnić zasadę działania prostownika?

7) scharakteryzować budowę zasilacza?

8) określić zasadę działania poszczególnych bloków zasilacza?

9) scharakteryzować funkcję wzmacniacza w urządzeniu elektronicznym?

10) wyjaśnić zasadę działania wzmacniacza operacyjnego?

11) scharakteryzować zadania generatora w urządzeniu elektronicznym?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.10. Elementy i układy automatyki

4.10.1. Materiał nauczania

Automatyka zajmuje się zagadnieniami sterowania automatycznego. Obecnie

powszechnie stosowane jest sterowanie automatyczne, gdzie czynności sterownicze wykonuje
za człowieka specjalne urządzenie sterujące. Człowiek formułuje i wprowadza do urządzenia
sterującego zadania do wykonania oraz kontroluje i ewentualnie wprowadza korektę nastaw
w urządzeniu sterującym.

Układy automatycznego sterowania

Sterowaniem nazywamy proces celowego oddziaływania sygnałów sterujących na

przyrządy, urządzenia technologiczne lub maszyny robocze. Sterowanie odbywa się
w układzie otwartym. Sygnały sterujące działają na obiekt bez bieżących pomiarów i korekcji
procesu.

Ze względu na rodzaj sygnałów rozróżnia się sterowanie: mechaniczne, elektryczne,

pneumatyczne, hydrauliczne.

Układ sterowania składa się z obiektu sterowania i urządzenia sterującego. Obiekt

sterowania to część układu, na którą oddziałują sygnały sterownicze.

Rys. 38. Schemat blokowy układu sterowania

Urządzenie sterujące to część układu, która przez człon wykonawczy oddziałuje na

obiekt sterowania. Urządzenie sterujące składa się z:
–

urządzenia wejścia, są to różnego rodzaju czujniki, łączniki przyciski elektryczne,

–

członu realizującego funkcje logiczne przetwarzającego sygnały wejściowe według
zadanego programu, wypracowując sygnały sterujące,

–

urządzenia wyjścia, są to człony wykonawcze oddziałujące bezpośrednio na obiekt
sterowania, np.: przekaźniki, styczniki, tyrystory, zawory hydrauliczne i pneumatyczne.
W układach sterowania elektrycznego stosuje się często styczniki i przekaźniki. Styczniki

są uruchamiane elektromagnetycznie, posiadają cewkę, która po wzbudzeniu prądem
przyciąga zworkę i przełącza zestyki. Przełączana przez styczniki moc wynosi od 1 kW
do 500 kW, zatem używa się je przede wszystkim do załączania urządzeń dużej mocy
np.: silników hamulców, sprzęgieł i elektrycznych urządzeń grzewczych.

Przekaźnik w układzie elektronicznym pełni rolę zdalnie uruchamianego łącznika.

Podobnie jak stycznik przekaźnik posiada cewkę, która wzbudzana prądem elektrycznym
wytwarza pole magnetyczne powodujące zamykanie zestyków. Moc przełączania przekaźnika
zależy od jego wielkości i wynosi od kilu mW do 1 kW, dlatego służą one do załączania
urządzeń mniejszej mocy.

Urządzenie sterujące wytwarza sygnały sterujące. Sygnałem wejściowym urządzenia

sterującego jest informacja o zadaniu sterowania. Urządzenie sterujące i obiekt stanowią
układ sterowania, który może być otwarty lub zamknięty.

W otwartym układzie sterowania urządzenie sterujące nie otrzymuje zwrotnej informacji

o aktualnej wartości sygnału sterowanego. W układzie zamkniętym, występuje sprzężenie
zwrotne, czyli przekazanie informacji z wyjścia układu na jego wejście, zatem urządzenie

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

sterujące otrzymuje informację o aktualnej wartości sygnału sterowanego, która następnie
wpływa na przebieg sterowania.

Układy sterowania otwartego występują we wszelkich rodzajach automatów

o działaniu cyklicznym np.: automaty handlowe, oświetleniowe, itp.

Układy automatycznej regulacji

Sterowanie w układzie zamkniętym to regulacja. Wówczas nazywamy: układ sterowania

– układem regulacji, obiekt sterowania – obiektem regulacji, urządzenie sterujące –
urządzeniem regulującym (regulatorem), sygnał sterowany – sygnałem regulowanym. Sygnał
oddziaływania regulatora na obiekt jest dalej nazywany sygnałem sterującym. W układzie
regulacji mogą również pojawić się zakłócenia, czyli wszelkie inne oddziaływania, na obiekt
utrudniające realizację procesu regulacji.

Charakterystyczne dla wszystkich układów regulacji jest tzw. ujemne sprzężenie zwrotne,

polegające na wprowadzeniu do regulatora sygnału regulowanego. Podstawowym pojęciem
z zakresu układów regulacji jest odchyłka (uchyb) regulacji, oznaczająca różnicę między
pożądaną (zadaną) a rzeczywistą aktualną wartością sygnału regulowanego. Zadaniem
regulatora jest takie oddziaływanie na obiekt regulacji, aby odchyłka regulacji była jak
najmniejsza. Regulator podzielono na układ porównujący, który wytwarza sygnał odchyłki
oraz układ formujący, który przekształca sygnał odchyłki na sygnał sterujący. Sprzężenie
zwrotne jest ujemne, co zaznaczono za pomocą znaku minus na wejściu układu
porównującego.

Rys. 39. Schemat prostego układu regulacji automatycznej [5, s. 16]

Elementy układów regulacji

Elementy w automatyce spełniają w układzie lub urządzeniu proste funkcje, takie jak:

wzmocnienie sygnału, porównanie sygnałów, zmiana postaci sygnału. Elementami są zatem:
czujniki pomiarowe, zawory, silniki, wzmacniacze itp. Funkcje bardziej złożone spełniają
w automatyce urządzenia np. urządzenia pomiarowe, składające się z czujników
i przetworników pomiarowych, urządzenia wykonawcze, składające się z elementów
nastawczych i napędowych, urządzenia kształtujące sygnał sterujący oraz urządzenia,
nadzorujące przebieg procesu technologicznego.

Elementy i urządzenia możemy podzielić ze względu na sposób zasilania na:

pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne i elektroniczne.

Ze względu na funkcje, jakie spełniają w układach automatyki elementy i urządzenia

dzielimy na:

−

pomiarowe (czujniki, przetworniki, zespoły pomiarowe),

−

wykonawcze (np. zawory, zasuwy, silniki, siłowniki, elektromagnesy, pompy, regulatory
bezpośredniego działania),

−

i tzw. części centralnej (regulatory, stacyjki manipulacyjne, rejestratory, bloki
matematyczne, urządzenia cyfrowe, np. sterowniki mikroprocesorowe).
Ze względu na sposobu działania elementy i urządzenia automatyki dzielimy

na analogowe i cyfrowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 40. Schemat blokowy układu regulacji [6, s. 12]

W skład układu regulacji wchodzą: urządzenia pomiarowe i wykonawcze oraz regulator.
Urządzenie pomiarowe informuje układ regulacji o aktualnej wartości wielkości

regulowanej Zawiera element pomiarowy mierzący bezpośrednio wielkość regulowaną oraz
przetwornik pomiarowy, który przekształca zmierzoną wielkość na postać, odpowiednią dla
regulatora.

Urządzenie wykonawcze, w odpowiedzi na sygnał wyjściowy z regulatora, zmienia

wartość wielkości nastawiającej, tak aby realizowany był zamierzony przebieg procesu.

Urządzenie wykonawcze składa się z:

−

elementu nastawczego np. zaworu, przepustnicy, dozownika, pompy o zmiennym
wydatku, dławika, dzielnika napięcia, transformatora,

−

elementu napędowego np. siłownika, silnika, pompy, zespołu napędowego, itp.,
dostarczającego energii mechanicznej, niezbędnej do przestawienia elementu
nastawczego według sygnału podanego z regulatora,

−

wzmacniacza mocy.
Regulator porównuje wartość zadaną z rzeczywistą regulowaną, następnie wytwarza

sygnał sterujący, który działa na obiekt, tak aby różnicę pomiędzy tymi wartościami
sprowadzić do zera, regulatora często posiada zadajnik.

Automatyczne układy sygnalizacji mają za zadanie zwrócenie uwagi operatora procesu

przemysłowego na zaistnienie zdarzenia, które są ważne dla bezpieczeństwa ludzi, trwałości
instalacji, jakości produkcji itp. Układy sygnalizacji możemy podzielić na sygnalizację:

−

kontrolno-wskaźnikową,

−

ostrzegawczą,

−

awaryjną.

Informacja o zaistniałym zdarzeniu powinna niezwłocznie być przekazana do operatora

w postaci sygnału świetlnego lub dźwiękowego albo obu jednocześnie. Dla ułatwienia
odbioru sygnałów świetlnych jest przyjęta następująca zasada: gdy sygnał świetny jest
wyłączony – sytuacja prawidłowa, gdy sygnał świetlny migocze – należy interweniować.

Powszechnie stosowane automatyczne systemy ochrony zewnętrznej – alarmy

elektroniczne. Rolą systemu alarmowego jest przekazanie informacji o zagrożeniu tam, gdzie
mogą być podjęte działania interwencyjne.
Podstawowe elementy systemu alarmowego to: centrala, szyfrator i czujki oraz urządzenia
alarmowe. Centrala pełni rolę mózgu systemu, szyfrator umożliwia sterowanie centralą
alarmową oraz jej programowanie (może być on zintegrowany z centralą stanowiąc jedno
urządzenie), a czujki mają za zadanie wykrywać i przekazywać do centrali sygnały

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

o zagrożeniu. Urządzenia alarmowe sygnalizują zagrożenie, są to wszelkiego rodzaju syreny
alarmowe, migające lampy itp.

Automatyczne blokady mają na celu uniemożliwienie środkami technicznymi użycie

urządzenia w warunkach niezgodnych z jego przeznaczeniem, a zagrażającym samemu
urządzeniu, otoczeniu jak i bezpieczeństwu użytkownika.

Zabezpieczenia automatyczne mają za zadanie chronić instalację lub otoczenie przed

szkodliwymi warunkami eksploatacji zabezpieczanego urządzenia. Najczęściej polega to na
wymuszeniu stanu uznanego za bezpieczny bez możliwości samoczynnego wyjścia z tego
stanu po zaniknięciu zagrożenia (zabezpieczenia przeciwzwarciowe i termiczne).

W celu ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym stosowane są przekaźniki

przeciwporażeniowe różnicowoprądowe.

W celu niedopuszczenia do powstania urazów mechanicznych stosuje się układy

uniemożliwiające dostęp do ruchomych bądź niebezpiecznych elementów (blokady) oraz
układy wyłączające urządzenia z chwilą otwarcia osłon lub pokryw.

W celu ograniczenia możliwości powstania oparzeń stosuje się układy sygnalizujące

występowanie na powierzchni urządzeń wysokiej temperatury.

Układy ograniczające możliwość powstania pożaru mogą wyłączać urządzenia

elektryczne pozostawione bez dozoru. Dla zapewnienia bezpieczeństwa przeciwpożarowego
stosuje się układy sygnalizujące występowanie wysokiej temperatury lub obecność dymu
w pomieszczeniach. Układy te mogą być sprzężone funkcjonalnie z instalacją gaszącą.
Stosuje się również kłady zabezpieczające przed wypływem z instalacji nie spalonego gazu.

Automatyczne urządzenia zasilające stosuje się w zakładach przemysłowych,

pomieszczeniach użyteczności publicznej, itp. Ich celem jest dostarczenie energii
w sytuacjach awarii sieci elektroenergetycznych, wówczas następuje ich automatyczne
załączenie. Powszechnie stosowane są również automatyczne urządzenia zasilające
w komputerach tzw. zasilacze UPS.

W górnictwie układy automatycznej regulacji i sterowania są powszechnie stosowane,

np.: w sterowaniu taśmami przenośnikowymi, stacjach napędowych, wyłącznikach
kopalnianych, itp.

4.10.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Czym charakteryzuje się proces sterowania?
7. Z jakich elementów składa się układ sterowania?
8. Jaka jest różnica między otwartym a zamkniętym układem sterowania?
9. Jaka jest różnica między sterowaniem a regulacją?
10. Co nazywamy elementami, a co urządzeniami w układach automatyki?
11. Jak klasyfikujemy elementy i urządzenia automatyki?
12. Jakie zadanie pełni w układzie regulacji urządzenie pomiarowe?
13. Jakie zadania pełni w układzie regulacji regulator?
14. Jakie zadania pełni w układzie regulacji urządzenie wykonawcze?
15. Jaką funkcję pełnią układy sygnalizacji?
16. W jaki sposób informacja o zaistniałym zdarzeniu jest sygnalizowana operatorowi

procesu?

17. Jaki jest cel stosowania zabezpieczeń automatycznych?
18. Do czego służą automatyczne urządzenia zasilające?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.10.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Scharakteryzuj proces regulacji zachodzący w nowoczesnym żelazku.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapoznać się z materiałem nauczania dotyczącym elementów i układów automatyki,
2) zanalizować schemat blokowy i opis działania żelazka,
3) określić wielkość regulowaną,
4) rozróżnić urządzenie pomiarowe, urządzenie wykonawcze i regulator na schemacie

blokowym żelazka,

5) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

schemat blokowy i opis działania żelazka,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Scharakteryzuj proces sterowania silnikiem elektrycznym za pomocą wyłącznika

kopalnianego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować dokumentację techniczną wyłącznika kopalnianego,
2) zapoznać się ze schematem połączenia silnika z wyłącznikiem kopalnianym,
3) zapoznać się z opisem działania układu,
4) określić elementy układu sterowania,
5) określić sygnał sterujący i wielkość sterowaną,
6) zaprezentować wyniki swojej pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna wyłącznika kopalnianego,

–

dokumentacja techniczna silnika indukcyjnego,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Określ, jakie automatyczne zabezpieczenia zostały zastosowane w zasilaczu ze

stabilizacją napięcia.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapoznać się z instrukcją zasilacza,
2) określić rodzaje zabezpieczeń,
3) zaprezentować wyniki swojej pracy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

regulowany zasilacz laboratoryjny,

−

instrukcja zasilacza, karta katalogowa,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.10.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) narysować schemat blokowy układu sterowania?

2) określić rodzaj sterowania ze względu na rodzaj sygnałów?

3) rozróżnić podstawowe elementy układu sterowania?

4) wyjaśnić zadania stycznika i przekaźnika w układach sterowania?

5) wyjaśnić proces sterowania silnika elektrycznego wyłącznikiem

kopalnianym?

6) narysować schemat blokowy układu regulacji?

7) podać przykłady zastosowania regulacji automatycznej?

8) rozróżnić w danym układzie regulacji urządzenia wykonawcze

i pomiarowe oraz regulator?

9) wyjaśnić

przeznaczenie

poszczególnych

członów

układów

automatycznej regulacji?

10) wykazać różnice między automatycznym sterowaniem, a automatyczną

regulacją na podstawie schematów blokowych?

11) scharakteryzować działanie automatycznych układów zabezpieczeń

i sygnalizacji?

12) określić zastosowanie układów automatycznego zasilania?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.11. Mikroprocesory i sterowniki mikroprocesorowe

4.11.1. Materiał nauczania

Systemy mikroprocesorowe przetwarzają dostarczone do systemu dane, poddając je

określonym działaniom i wytwarzają wyniki, którymi mogą być sygnały sterujące pracą
maszyn, obrazy, teksty itp. Najważniejszą ważniejszych częścią systemu jest procesor, który
przetwarza informację, wykonując na niej elementarne operacje zwane instrukcjami bądź
rozkazami. Ciąg takich instrukcji realizujący konkretne zadanie przetwarzania informacji
nazywamy programem. Do systemu mikroprocesorowego należy zatem dostarczyć dane
wejściowe, program lub zestaw programów, aby po przetworzeniu uzyskać wynik.

Typowy system mikroprocesorowy składa się z następujących części:

−

mikroprocesora, który pełni funkcję jednostki centralnej (CPU, umożliwia wykonywanie
operacji przetwarzania danych poprzez realizację programu zapisanego w pamięci
programu,

−

pamięci danych RAM, jest to pamięć nieulotna, przechowująca program w języku
maszynowym,

−

pamięci programu ROM, służącej do przechowywania danych podczas realizacji
programu,

−

układów wejścia/wyjścia czyli interfejsów, umożliwiających prawidłową komunikację
między mikroprocesorem a otoczeniem – urządzeniami zewnętrznymi,

−

układów sterujących przepływem informacji między tymi elementami: magistrali danych,
magistrali adresowej i sygnałów sterujących.
Mikroprocesor składa się z układu sterowania oraz jednostki arytmetyczno-logicznej

wraz z rejestrami roboczymi. Układu sterowania pobiera rozkazy z pamięci programu,
dekoduje je oraz wystawia odpowiednie sygnały sterujących w celu wykonania rozkazów.

Jednostka arytmetyczno-logiczna służy do wykonywania operacji arytmetycznych lub

logicznych na liczbach binarnych czasem dziesiętnych.

Pamięć programu najczęściej jest wykonywana jako pamięć typu:

−

ROM – programowana przez producenta,

−

PROM – programowana jednorazowo przez użytkownika,

−

EPROM, EEPROM – do wielokrotnego programowania przez użytkownika.
Zadaniem układów wejścia/wyjścia (interfejsów) jest zapewnienie odpowiedniej postaci

danej oraz dopasowanie czasowe wymiany danej np. zapamiętanie do czasu, kiedy odbierze
ją urządzenie zewnętrzne. Układy wejścia/ wyjścia są dołączane do jednostki centralnej
za pośrednictwem magistral (podobnie jak pamięć danych).

Magistrala danych to zespół linii, którymi przesyłane są dane, kody rozkazów, słowa

sterujące i statusowe w postaci liczb binarnych.

Magistrala adresowa to zespół linii, którymi procesor adresuje poszczególne komórki

pamięci programu, danych lub rejestry układów wejścia/wyjścia.

Magistrala sterująca to zespół linii, którymi wymieniane są sygnały sterujące.

Sterowniki mikroprocesorowe w zastosowaniach przemysłowych

W układach automatyki przemysłowej mają szerokie zastosowanie systemy

mikroprocesorowe, które w postaci sterowników mikroprocesorowych sterują pracą
skomplikowanych maszyny. Sterownik mikroprocesorowy jest wyspecjalizowanym
komputerem. Parametry procesu przemysłowego określające warunki i sposób wykonania
wyrobu, a w efekcie jego jakość i właściwości są wprowadzane do sterownika, które również
„zbierają” informacje z wszelkiego rodzaju czujników pomiarowych, aparatury pomiarowej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na podstawie tych wszystkich informacji sterownik wypracowuje sygnały sterujące dla
maszyn i urządzeń wykonawczych.

Sterownik mikroprocesorowy jest wyspecjalizowanym komputerem przystosowanym

przez producenta w sposób techniczny, a następnie programowy do sterowania procesami
technologicznymi.

Powszechnie w systemach automatyki przemysłowej stosowane są uniwersalne

sterowniki programowalne PLC (ang. Programmable Logic Controller), które mogą być
wykonane w postaci kompaktowej lub modułowej, pozwalającej na modernizację
z rozszerzeniem możliwości urządzenia.

Częstym rozwiązaniem jest połączenie kilu sterowników w sieć, która steruje całą linią

produkcyjną. Poszczególne jednostki produkcyjne są wówczas sterowane poprzez sterowniki
lokalne, podrzędne (Slave), połączone przy pomocy sieci, np. PROFIBUS–DP
ze sterownikiem nadrzędnym (Master), który zarządza całym systemem. Do magistrali może
być podłączonych wiele innych urządzeń jak np. stacje i panele operatorskie, inne sieci
np. pozwalające na współpracę z urządzeniami pomiarowymi i wykonawczymi.

Rys. 41. Schemat blokowy sieci sterowników [10, s. 166]

Sterownik PLC zbudowany jest podobnie jak komputer z: układu zasilania napięciowego

(zasilacza), modułu sygnałów wejściowych, jednostki centralnej z mikroprocesorem (CPU),
bloku pamięci, modułu sygnałów wyjściowych. Układ zasilania napięciowego to zazwyczaj
zasilacz napięcia stałego +24 V.

W poszczególnych obszarach pamięci sterownika przechowywane są: dane wynikające

z procesu technologicznego (parametry ustawione przez użytkownika, wyniki pomiarów,
sygnały z czujników) oraz instrukcje programu użytkownika.

Moduł sygnałów wejściowych zawiera układy elektroniczne zamieniające sygnały

pochodzące z urządzeń zewnętrznych na sygnały logiczne akceptowane przez sterownik.
Natomiast moduł sygnałów wyjściowych zawiera układy, których zadaniem jest
dostosowanie wartości sygnałów ze sterownika do poziomów wymaganych przez urządzenia,
którymi steruje.

Sterowniki PLC powszechnie stosowane są do sterowania silników elektrycznych,

np.: w wyłącznikach kopalnianych, napędów hydraulicznych i pneumatycznych, a także
w sterowaniu urządzeń transportowych, maszyn i urządzeń do obróbki kamienia, itp.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.11.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie są zadania systemu mikroprocesorowego?
2. Z jakich elementów składa się system mikroprocesorowy?
3. Jakie jest zastosowanie sterowników PLC?
4. Jak można podzielić pamięć sterownika PLC ze względu na rodzaj przechowywanych

informacji?

5. Jakie układy elektroniczne stosuje się w module sygnałów wejściowych?
6. Jakie układy elektryczne i elektroniczne stosuje się w module sygnałów wyjściowych?
7. Jakie są zasady sterowania procesu produkcyjnego za pomocą sieci sterowników?

4.11.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ, które zdania są prawdziwe, a które fałszywe:

Zdanie:

prawda

fałsz

Układy wejścia /wyjścia służą do przechowywania danych.

Magistrala sterująca służy do przesyłania kodów rozkazów.

Moduł sygnałów wejściowych zawiera układy elektroniczne zamieniające sygnały
pochodzące z urządzeń zewnętrznych na sygnały logiczne akceptowane przez
sterownik.

Sterownik Slave, jest sterownikiem nadrzędnym w sieci sterowników.

Sterownik PLC zbudowany jest z: zasilacza, modułu sygnałów wejściowych, jednostki
centralnej z mikroprocesorem (CPU), bloku pamięci, modułu sygnałów wyjściowych.

System mikroprocesorowy zawiera magistralę: adresową, danych i sterującą.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeczytać określone treści z poradnika dotyczące systemów mikroprocesorowych,
2) przeanalizować zdania decydując czy jest prawdziwe czy fałszywe,
3) zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Scharakteryzuj zadania sterownika w układzie sterowania bramą garażową.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować treść zadania,
2) zapoznać się z dokumentacją techniczną układu sterowania bramą garażową,
3) określić typ elementów układu i ich role,
4) określić sposób połączenia elementów
5) scharakteryzować zadania sterownika,
6) zaprezentować wyniki pracy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

dokumentacja techniczna sterownika,

−

dokumentacja techniczna układu sterowania bramą garażową,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.11.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić elementy składowe systemu mikroprocesorowego?

2) scharakteryzować

funkcje

poszczególnych

elementów

systemu

mikroprocesorowego?

3) scharakteryzować budowę sterownika PLC?

4) określić elementy składowe układu sterowania ze sterownikiem PLC?

5) określić

sposób

połączenia

elementów

systemu

sterowania

ze sterownikiem PLC?

6) narysować schemat blokowy sieci sterowników?

7) podać przykłady zastosowania sterowników w przemyśle?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1. Przeczytaj uważnie instrukcję zanim zaczniesz rozwiązywać zadania.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3. Test składa się z 20 zadań dotyczących obwodów prądu stałego. Zadania od nr 1

do nr 15 są z poziomu podstawowego. Zadania od nr 16 do nr 20 są z poziomu
ponadpodstawowego

4. Zadania zawierają cztery odpowiedzi, z których tylko jedna jest poprawna. Wybraną

odpowiedź zakreśl znakiem X

5. Jeśli uznasz, że pomyliłeś się i wybrałeś nieprawidłową odpowiedź, to otocz ją kółkiem,

a prawidłową odpowiedź zaznacz znakiem X.

6. Dodatkowe obliczenia wykonaj na drugiej stronie karty odpowiedzi.
7. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz mógł sprawdzić poziom swojej wiedzy.
8. Jeśli jakieś zadanie sprawi Ci trudność, rozwiąż inne i ponownie spróbuj rozwiązać

trudniejsze.

9. Przed wykonaniem każdego zadania przeczytaj bardzo uważnie polecenie.
10. Odpowiedzi udzielaj tylko na załączonej karcie odpowiedzi.
11. Na rozwiązanie wszystkich zadań masz 30 minut.

Powodzenia!

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Urządzeniem automatyki jest

a) tranzystor.
b) rezystor.
c) zasilacz.
d) urządzenie pomiarowe.

2. Elementem odbiorczym w obwodzie elektrycznym jest

a) zasilacz.
b) potencjometr.
c) ogniwo chemiczne.
d) akumulator.

3. Elementem automatyki nie jest

a) przekaźnik.
b) silnik.
c) żarówka.
d) zawór.

4. Prądu elektrycznego nie przewodzą

a) elektrolity.
b) metale.
c) dielektryki.
d) roztwory kwasów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. Przekaźnik w układzie sterowania pełni rolę

a) zdalnie uruchamianego łącznika.
b) wzmacniacza.
c) regulatora.
d) prostownika.

6. Rysunek przedstawia symbol

a) tranzystora bipolarnego.
b) tranzystora unipolarnego.
c) diody LED.
d) diody stabilizacyjnej.

7. Do źródeł światła nie należy

a) żarówka.
b) rtęciówka.
c) świetlówka.
d) dioda LED.

8. Elementami budowy silnika są

a) wirnik i stojan.
b) prostownik i dioda.
c) regulator i przekaźnik.
d) kondensatory i cewki.

9. Jednostką mocy prądu stałego jest

a) wolt [V].
b) om [

Ω

c) wat [W].
d) amper [A].

10. Przewód (N), to przewód

a) ochronny.
b) neutralny.
c) ochronno-neutralny.
d) sterowania.

11. Rezystory nie są łączone

a) szeregowo.
b) równolegle.
c) mieszanie.
d) łańcuchowo.

12. Transformator

a) zamienia napięcie zmienne o jednej wartości na napięcie zmienne o innej wartości.
b) zamienia napięcie stałe jednej wartości na napięcie stałe o innej wartości.
c) zamienia prąd stały o jednej wartości na prąd stały o innej wartości.
d) wzmacnia napięcie stałe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

13. Do osprzętu instalacyjnego nie należą

a) gniazda czyli łączniki wtykowe
b) odgałęźniki,
c) zasilacze.
d) bezpieczniki.

14. Nagrzewnictwo oporowe stosuje się w piecach

a) rezystancyjnych.
b) promiennikowych.
c) pojemnościowych.
d) indukcyjnych.

15. Rysunek przedstawia symbol

a) diody LED.

b) generatora.

c) transformatora.

d) wzmacniacza operacyjnego.

16. W obwodzie ze schematu szeregowo połączone są rezystory

a) R

b) R

, R

c) R

, R

d) R

, R

17. Układ do pomiaru metodą techniczną mocy czynnej wydzielonej na rezystorze zasilonym

napięciem przemiennym jednofazowym, musi zawierać
a) omomierz i watomierz.
b) woltomierz i watomierz.
c) omomierz i amperomierz.
d) woltomierz i amperomierz.

18. Rysunek przedstawia schemat

a) transformatora.
b) układu regulacji.
c) prostownika w układzie mostka Graetza.
d) układu sterowania.

19. Jeżeli w obwodzie prądu stałego na rezystorze R = 1 k

Ω

, odłożył się spadek napięcia

U = 15 V, a prąd przez niego płynący wynosi I = 6 mA, to moc wydzielona na tym
rezystorze jest równa:
a) 9 W.
b) 90 mW.
c) 6 mW.
d) 15 mW.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

20. Amperomierz wskaże wartość prądu przemiennego płynącego przez rezystor R = 2,2 k

Ω

na którym spadek napięcia ma wartość skuteczną U = 11 V, równą
a) 5 A.

b) 5 mA.
c) 22 mA.

d) 2,2A.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko ....................................................

Analizowanie układów elektrycznych i automatyki przemysłowej

Zakreśl poprawną odpowiedź.

zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6. LITERATURA

1. Bolkowski S.: Elektrotechnika. WSiP, Warszawa 2004
2. Chochowski A.: Elektrotechnika z automatyką. Ćwiczenia. WSiP, Warszawa 2004
3. Chwaleba A., Moeschkeb B., Płoszański G.: Elektronika. WSiP, Warszawa 2004
4. Jabłoński W., Płoszajski G.: Elektrotechnika z automatyką. WSiP, Warszawa1996
5. Kordowicz–Sot A.: Automatyka i robotyka. Układy regulacji automatycznej. WSiP,

Warszawa 1999

6. Kostro J.: Elementy, urządzenia i układy automatyki. WSiP, Warszawa 2004
7. Kotlarski W., Grad J.: Aparaty i urządzenia elektryczne. WSiP, Warszawa 2004
8. Nowicki J.: Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla zasadniczych szkół

nieelektrycznych. WSiP, Warszawa 2004

9. Orlik W.: Egzamin kwalifikacyjny elektryka. KaBe, Krosno 1999
10. Schmidt D., Baumann A., Kaufmann H., Paetzold H., Zippel B.: Mechatronika REA,

Warszawa 2002

11. www.elfa.se
12. www.silnikielektryczne.prv.pl
13. www.wikipedia.pl