MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ
Agnieszka Ambro\
ejczyk-Langer
Analizowanie układów elektrycznych i elektronicznych
311[15].O2.01
Poradnik dla ucznia
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji  Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
Recenzenci:
mgr in\
. A
ukasz Orzech
dr in\
. Janusz Makówka
Opracowanie redakcyjne:
mgr in\
. Agnieszka Ambro\
ejczyk Langer
Konsultacja:
mgr in\
. Gabriela Poloczek
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[15].O2.01
 Analizowanie układów elektrycznych i elektronicznych , zawartego w modułowym
programie nauczania dla zawodu technik górnictwa podziemnego.
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji  Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
1
SPIS TREÅšCI
1. Wprowadzenie 4
2. Wymagania wstępne 6
3. Cele kształcenia 7
4. Materiał nauczania 8
4.1. Podstawy elektrotechniki 8
4.1.1. Materiał nauczania 8
4.1.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
10
4.1.3. Ćwiczenia 11
4.1.4. Sprawdzian postępów
12
4.2. Obwody elektryczne prądu stałego i przemiennego 13
4.2.1. Materiał nauczania
13
4.2.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
16
4.2.3. Ćwiczenia 17
4.2.4. Sprawdzian postępów
18
4.3. Pomiar podstawowych wielkości elektrycznych 19
4.3.1. Materiał nauczania
19
4.3.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
20
4.3.3. Ćwiczenia 21
4.3.4. Sprawdzian postępów
22
4.4. Energia i moc elektryczna 23
4.4.1. Materiał nauczania
23
4.4.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
26
4.4.3. Ćwiczenia 27
4.4.4. Sprawdzian postępów
28
4.5. Maszyny i urzÄ…dzenia elektryczne 29
4.5.1. Materiał nauczania
29
4.5.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
36
4.5.3. Ćwiczenia 36
4.5.4. Sprawdzian postępów
37
4.6. Instalacje elektryczne 38
4.6.1. Materiał nauczania
38
4.6.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
41
4.6.3. Ćwiczenia
41
4.6.4. Sprawdzian postępów
42
4.7. Podstawy elektroniki. Półprzewodnikowe elementy elektroniczne 43
4.7.1. Materiał nauczania
43
4.7.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
46
4.7.3. Ćwiczenia
46
4.7.4. Sprawdzian postępów
47
4.8. Układy elektroniczne 48
4.8.1. Materiał nauczania
48
4.8.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
52
4.8.3. Ćwiczenia
52
4.8.4. Sprawdzian postępów 53
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
2
4.9. Elementy i układy logiczne 54
4.9.1. Materiał nauczania
54
4.9.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
57
4.9.3. Ćwiczenia
57
4.9.4. Sprawdzian postępów
58
5. Sprawdzian osiągnięć 59
6. Literatura 64
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
3
1. WPROWADZENIE
Poradnik ten pomo\
e Ci w przyswajaniu wiedzy z zakresu układów elektrycznych
i elektronicznych , umiejętności ich analizy i pomiarów.
W poradniku zamieszczono:
- wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć ju\
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
i zmiennego,
- zestawy pytań, które pomogą Ci sprawdzić, czy opanowałeś podane treści,
- ćwiczenia, które umo\
liwia Ci nabycie umiejętności praktycznych,
- sprawdzian postępów,
- literaturÄ™.
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 pomo\
e Ci w procesie przyswajania wiedzy wskazujÄ…c te
treści, które są kluczowe dla Twojego zawodu lub stanowią podstawę dalszego kształcenia.
Z rozdziałem  Pytania sprawdzające mo\
esz 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 elektronicznych na podstawie:
 oznaczeń elementów,
 dokumentacji technicznej urządzeń elektrycznych,
 przeprowadzonych analiz schematów elektrycznych,
 obliczeń wielkości elektrycznych,
 przeprowadzonych pomiarów.
Po wykonaniu ćwiczeń, sprawdz
poziom swoich postępów rozwiązując test Sprawdzian
postępów, zamieszczony po ćwiczeniach. W tym celu:
 przeczytaj pytania i odpowiedz na nie,
 wybierz odpowiedz
TAK lub NIE wstawiajÄ…c X w odpowiednie miejsce.
Odpowiedzi TAK wskazujÄ… twoje mocne strony, natomiast odpowiedzi NIE informujÄ…
o brakach, które musisz nadrobić. Oznacza to tak\
e powrót do treści, które nie są dostatecznie
opanowane.
Poznanie przez Ciebie wszystkich lub określonej części wiadomości o obwodach prądu
stałego 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
4
311[15].O2
Układy sterowania i regulacji
311[15].O2.01
Analizowanie układów
elektrycznych
i elektronicznych
311[15].O2.02
Rozpoznawanie układów
pneumatycznych
i hydraulicznych
Schemat układu jednostek modułowych
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
5
2. WYMAGANIA WST
PNE
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 ró\
nych z
ródeł informacji,
- stosować obowiązującą procedurę postępowania w sytuacji zagro\
enia,
- stosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy oraz przepisy przeciwpo\
arowe.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
6
3. CELE KSZTAA
CENIA
W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
- scharakteryzować podstawowe wielkości elektryczne i ich jednostki,
- obliczyć podstawowe wielkości elektryczne,
- rozró\
nić elementy obwodów prądu stałego i przemiennego,
- rozpoznać symbole graficzne podstawowych elementów elektrycznych i elektronicznych,
- połączyć układy elektryczne i elektroniczne według schematów,
- dobrać przyrządy pomiarowe do pomiarów wielkości elektrycznych,
- zmierzyć podstawowe wielkości elektryczne w obwodach prądu stałego i przemiennego,
- wyjaśnić zasadę działania podstawowych maszyn i urządzeń elektrycznych,
- scharakteryzować podstawowe parametry maszyn i urządzeń elektrycznych,
- rozró\
nić instalacje elektryczne i ich osprzęt,
- scharakteryzować zasady eksploatacji maszyn i urządzeń elektrycznych,
- scharakteryzować diody, tranzystory, tyrystory i układy scalone,
- scharakteryzować podstawowe elementy stosowane w automatyce,
- określić budowę, zasadę działania i zakres stosowania podstawowych układów
w elektronice i automatyce,
- wyjaśnić działanie układów elektronicznych na podstawie schematów,
- zbudować układy prostownicze, stabilizujące i generacyjne,
- posłu\
yć się tablicami, wykresami, normami, katalogami technicznymi podczas
diagnozowania urządzeń elektrycznych i elektronicznych,
- zinterpretować wyniki pomiarów,
- przewidzieć zagro\
enia dla \
ycia i zdrowia w czasie pracy z urzÄ…dzeniami elektrycznymi,
- zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpo\
arowej oraz
przeciwpora\
eniowej podczas pomiarów wielkości elektrycznych.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
7
4. MATERIAA
NAUCZANIA
4.1. Podstawy elektrotechniki
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 311[15].O1.01
 Przestrzeganie przepisów Kodeksu pracy, Prawa geologicznego i górniczego . Aby
zachować bezpieczeństwo podczas pracy przy urządzeniach elektrycznych i elektronicznych
nale\
y 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 u\
yciu dwubiegunowego próbnika napięć),
4. osłonić i oddzielić sąsiadujące elementy znajdujące się pod napięciem (mo\
na
zastosować maty i folie 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 przeciwpo\
arowych, wynikajÄ…cych 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, rezystancja, pojemność kondensatora, indukcyjność cewki.
Pojęciem prądu elektrycznego określamy zjawisko uporządkowanego ruchu ładunków
elektrycznych przez przekrój poprzeczny środowiska pod działaniem pola elektrycznego.
JednostkÄ… prÄ…du elektrycznego (natÄ™\
enia prÄ…du elektrycznego) jest amper [A].
PrÄ…d elektryczny mo\
e nie zmieniać się w czasie, wtedy mówimy, \
e jest to prąd stały.
Jeśli natomiast prąd w czasie zmienia swoją wartość, kierunek przepływu (zwany te\

zwrotem) lub i wartość i kierunek przepływu, mówimy wtedy o prądzie zmiennym.
a) b) c)
Rys. 1. Wykresy czasowe a) prądu stałego; b), c) prądu zmiennego
W obwodach elektrycznych większości urządzeń powszechnego u\
ytku oraz maszyn
przemysłowych płynie prąd sinusoidalnie zmienny. Rozró\
niamy prÄ…d sinusoidalnie zmienny
jednofazowy i trójfazowy.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
8
PrÄ…d przemienny (sinusoidalnie zmienny jednofazowy).
Rys. 2. Wykres prÄ…du sinusoidalnie zmiennego [5, s. 32]
Wielkości charakteryzujące prąd sinusoidalnie zmienny:
- i = Im Å"(sin Ét + Õ)  wartość chwilowa,
- I  wartość maksymalna czyli amplituda,
m
- É  prÄ™dkość kÄ…towa czyli tzw. pulsacja,
2Ä„
- T  okres czyli czas jednego cyklu T = T= [s],
É
- Õ  kÄ…t przesuniÄ™cia fazowego, na powy\
szym wykresie czasowym Õ=0, zatem wartość
chwilowa określona jest zale\
nością
i = Im Å" sin Ét
1
- f  częstotliwość określająca ilość cykli na sekundę f = f = [Hz].
T
W praktyce posługujemy się wartością skuteczną prądu sinusoidalnie zmiennego, oznaczoną
symbolem I, której wartość mierzą mierniki elektryczne.
Wartość skuteczna prądu przemiennego, to taka wartość prądu stałego, który płynąc
przez rezystor spowoduje wydzielanie się takiej samej ilości ciepła (energii) co płynący
w tym samym czasie prÄ…d przemienny (sinusoidalnie zmienny).
1 1
I = Im oraz U = Um
2 2
Tabela 1. Podstawowe wielkości elektryczne
Wielkość elektryczna Symbol Nazwa jednostki Oznaczenie jednostki
prÄ…d elektryczny I amper A
napięcie elektryczne U wolt V
potencjał elektryczny V wolt V
rezystancja R om
&!
pojemność C farad F
indukcyjność L henr H
moc elektryczna P wat W
energia elektryczna W d\
ul J
okres T sekunda s
częstotliwość F herc Hz
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
9
Prawo Ohma
Prawo Ohma wyra\
a zale\
ność pomiędzy prądem I, napięciem U oraz rezystancją R.
W obwodach prądu stałego, kierunek prądu oznaczamy od bieguna dodatniego z
ródła
napięcia do bieguna ujemnego ( od  + do  - ) i opisujemy wielką literą I. Elementy
z
ródłowe posiadają dwa zaciski, którym odpowiadają potencjały: wy\
szy (+) i ni\
szy (-).
Kierunek napięcia na elementach z
ródłowych jest zgodny z kierunkiem prądu.
Napięcie odbiornikowe (spadek napięcia na odbiorniku) oznaczamy strzałką, której grot
skierowany jest w stronę potencjału wy\
szego, zatem kierunek napięcia na odbiorniku jest
przeciwnie skierowany do płynącego przezeń prądu.
Rys. 3. Sposób strzałkowania prądu i napięcia na rezystorze[2, s. 43]
Prawo Ohma mówi, \
e spadek napięcia U na elemencie odbiorczym jest proporcjonalny do
iloczynu rezystancji R tego elementu i prądu I płynącego przezeń.
U = R · I
Prawo Ohma mo\
na przekształcić do dwóch postaci:
U
- I = , skÄ…d mo\
na obliczyć wartość prądu płynącego przez rezystor znając jego
R
rezystancję i wartość spadku napięcia,
U
- R = , skÄ…d mo\
na obliczyć wartość rezystancji rezystora znając jego wartość spadku
I
napięcia i prądu płynącego przez niego.
Prawo Ohma mo\
na stosować w obwodach prądu zmiennego jednofazowego
w odniesieniu do wartości skutecznych (mierzonych miernikami), oraz wartości
maksymalnych.
Prawo Ohma dla wartoÅ›ci skutecznych napięć i prÄ…dów ma postać: U = R · I.
Natomiast dla wartoÅ›ci maksymalnych: Um = R · Im.
4.1.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie znasz podstawowe wielkości elektryczne?
2. Jakie znasz rodzaje prÄ…du elektrycznego?
3. Jakie wielkości charakteryzują prąd przemienny?
4. Jaką wartość napięcia i prądu sinusoidalnie zmiennego mierzą mierniki elektryczne?
5. JakÄ… zale\
ność opisuje prawo Ohma?
6. Do jakich wartości prądu i napięcia mo\
na stosować prawo Ohma w obwodach prądu
przemiennego?
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
10
4.1.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Oblicz wartość skuteczną prądu przemiennego płynącego przez rezystor o rezystancji
R=2,2k &!, je\
eli woltomierz wskazał na nim wartość spadku napięcia = 11 V.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) zapisać prawo Ohma w podstawowej postaci,
2) przekształcić wzór tak, aby mo\
na było na jego podstawie obliczyć wartość skuteczną
prÄ…du przemiennego,
3) podstawić do otrzymanego wzoru dane liczbowe i obliczyć wartość skuteczną prądu I,
4) zaprezentować wyniki.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- kalkulator,
- literatura wskazana przez nauczyciela.
Ćwiczenie 2
Określ, które zdania są prawdziwe, a które fałszywe.
Zdanie: prawda fałsz
JednostkÄ… prÄ…du elektrycznego jest wolt [V].
Mierniki elektryczne mierzą wartość skuteczną prądu przemiennego.
Spadek napięcia na rezystorze przez który płynie prąd przemienny,
jest równy iloczynowi rezystancji i prądu.
Częstotliwość jest wielkością charakteryzującą napięcie stałe.
Kąt przesunięcia fazowego charakteryzuje prąd przemienny.
Moc elektrycznÄ… wyra\
amy w watach [W].
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeczytać treści z poradnika dotyczące podstawowych wielkości elektrycznych,
2) przeanalizować zdania decydując czy jest prawdziwe czy fałszywe,
3) zaprezentować wykonane ćwiczenie.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- poradnik dla ucznia,
- literatura wskazana przez nauczyciela.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
11
Ćwiczenie 3
Uzupełnij tabelę wpisując odpowiednio: nazwę wielkości elektrycznej, jej symbol,
jednostkÄ™ lub jej oznaczenie.
oznaczenie
wielkość elektryczna symbol jednostka
jednostki
moc
amper
R
wartość chwilowa
napięcia przemiennego
Hz
T
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać symbole wielkości elektrycznej,
2) rozró\
nić oznaczenia jednostek,
3) wypełnić wszystkie wiersze tabeli tak, by ka\
dej wielkości elektrycznej
przyporządkowany był symbol, jednostka i jej oznaczenie,
4) zaprezentować wyniki.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- poradnik dla ucznia,
- literatura wskazana przez nauczyciela.
4.1.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) przyporządkować wielkością elektrycznym odpowiednie jednostki?
1
1

2) określić oznaczenie jednostki wielkości elektrycznej?
3) narysować przebieg czasowy prądu stałego?
1
1

4) narysować przebieg czasowy prądu sinusoidalnie zmiennego?
1
1

5) określić parametry prądu sinusoidalnie zmiennego?
1
1

6) obliczyć wartość częstotliwości prądu sinusoidalnie zmiennego,
znajÄ…c jego okres? 1
1

7) zastrzałkować prądy i napięcie na odbiornikach w obwodzie prądu
stałego? 1
1

8) zastosować prawo Ohma w obwodach prądu stałego do obliczenia
prądu, napięcia bądz
rezystancji? 1
1

9) obliczyć skuteczne wartości napięcia lub prądu w obwodach prądu
przemiennego na podstawie wskazań mierników i prawa Ohma? 1
1

 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
12
4.2. Obwody elektryczne prądu stałego i przemiennego
4.2.1. Materiał nauczania
Budowa obwodu elektrycznego prądu stałego i zmiennego jednofazowego. Elementy
obwodu elektrycznego.
Obwód elektryczny prądu stałego i zmiennego jednofazowego (przemiennego) tworzą
elementy elektryczne połączone ze sobą tak, by tworzyły przynajmniej jedną drogę
zamkniętą, umo\
liwiającą przepływ prądu elektrycznego.
Elementy obwodu elektrycznego mo\
na sklasyfikować w czterech grupach, jako:
- elementy z
ródłowe, zwane inaczej aktywnymi lub czynnymi,
- elementy odbiorcze zwane inaczej pasywnymi lub biernymi,
- elementy pomocnicze, takie jak przewody łączące, wyłączniki itp.,
- przyrzÄ…dy pomiarowe, takie jak woltomierze, amperomierze itp..
Elementy bierne mo\
na podzielić na trzy grupy: rezystory, kondensatory i cewki oraz
przetworniki energii elektrycznej.
W literaturze technicznej i dokumentacji wszystkich urządzeń elektrycznych
umieszczane są schematy obwodów elektrycznych, które są ich graficznym odwzorowaniem.
Schemat informuje z jakich elementów składa się obwód elektryczny i w jaki sposób są one
połączone ze sobą.
Wszystkie elementy elektryczne posiadają swoje symbole graficzne, za pomocą których
przedstawiane sÄ… 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) z
ródła napięcia stałego, j) z
ródła prądu stałego, k) bezpiecznika, l) łącznika [2, s. 39]
Obwody elektryczne dzielą się na obwody nierozgałęzione, czyli takie, w których płynie
tylko jeden prąd i rozgałęzione, w których płynie kilka prądów.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
13
a) b)
Rys. 5. Schemat obwodu elektrycznego a) nierozgałęzionego , b) rozgałęzionego
W strukturze obwodu elektrycznego mo\
na wyró\
nić: gałęzie, węzły i oczka. Gałąz

obwodu elektrycznego mo\
e zawierać dowolną ilość elementów, połączonych ze sobą
szeregowo (mo\
e mieć te\
tylko jeden element). Charakterystyczne dla gałęzi jest to, \
e 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, \
e usunięcie dowolnej gałęzi uniemo\
liwi przepływ
prądu (nie będzie istniała ani jedna droga zamknięta dla przepływu prądu).
Mo\
emy zatem zauwa\
yć, \
e:
- obwód elektryczny rozgałęziony to taki, w którym jest kilka połączonych ze sobą gałęzi,
- obwód nierozgałęziony posiada jedną gałąz
,
- obwód nierozgałęziony stanowi jedno oczko.
Połączenie z
ródeł napięcia i odbiorników
W obwodach elektrycznych prądu stałego i (przemiennego) zmiennego jednofazowego
z
ródła napięcia i odbiorniki mo\
na łączyć na trzy sposoby: szeregowo, równolegle i w sposób
mieszany.
W połączeniu szeregowym przez wszystkie elementy obwodu przepływa przez ten sam
prąd. Obwód taki stanowi jedno oczko.
a) b) c)
Rys. 6. Schematy obwodów z elementami połączonymi:
a) szeregowo, b) równolegle, c) w sposób mieszany
Dowolną liczbę rezystorów połączonych szeregowo mo\
na zastąpić rezystancją zastępczą
równą sumie rezystancji poszczególnych rezystorów np. w obwodzie z rysunku 6 a)
rezystancja zastępcza R określona jest zale\
nością:
R = R 1 + R 2 + R 3
Rezystory połączone ze sobą równolegle występują w obwodach rozgałęzionych.
Właściwością połączenia równoległego jest to, \
e wszystkie elementy są włączone między tę
samą parę węzłów, zatem na zaciskach elementów występuje to samo napięcie.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
14
W ogólnym przypadku odwrotność rezystancji zastępczej dowolnej ilości rezystorów
połączonych równolegle równa się sumie odwrotności rezystancji poszczególnych
rezystorów. Dla obwodu z rysunku 6 b) odwrotność rezystancji zastępczej określona jest
zale\
nością:
1 1 1 1
= + +
R R 1 R 2 R 3
W rozgałęzionych obwodach elektrycznych występują równie\
połączenia mieszane,
w których część elementów połączonych równolegle, a część szeregowo.
W obwodach prądu przemiennego podstawowymi odbiornikami prócz rezystorów są
równie\
cewki (o indukcyjności L0 gromadzące energię elektryczna w polu magnetycznym
i kondensatory (o pojemności C), gromadzące energię elektryczna w polu elektrycznym.
W obwodach prądu przemiennego rozró\
niamy równie\
połączenia elementów szeregowe,
równoległe i mieszane.
a) b)
Rys. 7. Schematy obwodów prądu przemiennego z elementami R,L,C połączonymi:
a) szeregowo, b) równolegle
Prawa Kirhhoffa dla obwodów prądu stałego i przemiennego.
I prawo Kirchhoffa mówi, \
e dla ka\
dego węzła obwodu elektrycznego suma
algebraiczna prądów jest równa zeru.
Ä…
"I = 0
Ä…
Symbol ą odpowiada indeksom prądów w danym węz
le. Suma algebraiczna oznacza, \
e do
równania podstawia się wartości prądów ze znakami, zale\
nymi od ich kierunku. PrÄ…dy
dopływające do węzła posiadają znak  + , natomiast odpływające znak  - .
Rys. 8. Przykładowy węzeł obwodu elektrycznego
Na rysunku pokazano przykładowy węzeł obwodu elektrycznego z zaznaczonymi kierunkami
prądów: prądy I1 oraz I3 skierowane są do węzła , zatem mają znak  + , natomiast prądy I2, I4
oraz I5 i I6 odpływają z węzła, opatrzymy je zatem znakiem  - . Dla przedstawionego węzła
mo\
na napisać równanie w myśl I prawa Kirchhoffa:
I1 + I 3 - I 2 - I 4 - I 5 - I 6 = 0
Równanie to mo\
emy przekształcić do postaci:
I1 + I 3 = I 2 + I 4 + I 5 + I 6
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
15
Po jednej stronie równania znajduje się suma prądów dopływających do węzła, natomiast po
drugiej suma prądów odpływających z węzła.
Zatem I prawo Kirchhoffa wynikajÄ…ce z powy\
szej postaci mo\
na przedstawić w następujący
sposób: dla ka\
dego węzła obwodu elektrycznego suma prądów dopływających do węzła jest
równa sumie prądów odpływających od węzła.
Prawo I Kirchhoffa nale\
y stosować w obwodach prądu zmiennego jednofazowego
(przemiennego) w odniesieniu do wartości chwilowych prądów.
Ä…
"i = 0
Ä…
II prawo Kirchhoffa mówi, \
e w ka\
dym oczku obwodu elektrycznego prądu stałego
suma algebraiczna napięć z
ródłowych i odbiornikowych jest równa zeru.
Ä… ²
"U + "R I² =ð ð0ð
Ä… ²
U=ðoznacza napiÄ™cia z
ródłowe, natomiast wyra\
enie ð R1
I1
oznacza napięcia odbiornikowe
ð ð ð ð
wystÄ™pujÄ…ce na rezystancjach danego oczka. Symbole Ä…, ² odpowiadajÄ… indeksom z
ródeł
napięcia, rezystorów i prądów. Suma algebraiczna oznacza, \
e zarówno napięcia z
ródłowe jak
i odbiornikowe sumowane są ze znakiem czyli z uwzględnieniem kierunku.
W obwodach prÄ…du zmiennego jednofazowego II prawo Kirchhoffa nale\
y stosować
w odniesieniu do wartości chwilowych napięć z
ródłowych i odbiornikowych.
Ä… ² Å" ²
"u =ð ð"R i
Ä… ²
Powy\
sza postać II prawa Kirchhoffa mówi, \
e w ka\
dym oczku obwodu elektrycznego
prądu zmiennego jednofazowego suma wartości chwilowych napięć z
ródłowych jest równa
sumie wartości chwilowych napięć odbiornikowych.
4.2.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jak klasyfikujemy obwody elektryczne prądu stałego i zmiennego jednofazowego?
2. W jaki sposób odwzorowuje się graficznie obwód elektryczny?
3. Jak dzielimy elementy elektryczne?
4. W jaki sposób mogą być połączone elementy w obwodach elektrycznych?
5. Czym charakteryzuje się połączenie równoległe elementów elektrycznych, a czy
połączenie szeregowe?
6. Jak brzmi I prawo Kirchhoffa?
7. Dla jakich wartości prądu przemiennego mo\
na stosować I prawo Kirchhoffa?
8. Jak brzmi II prawo Kirchhoffa?
9. Dla jakich wartości prądu i napięcia przemiennego mo\
na stosować prawa Kirchhoffa?
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
16
4.2.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Jaki obwód elektryczny przedstawia schemat? Określ, jakie elementy wchodzą w skład
tego obwodu?
Rysunek do ćwiczenia 1 Obwód elektryczny
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować schemat obwodu elektrycznego,
2) sklasyfikować obwód przedstawiony na schemacie,
3) rozpoznać symbole graficzne elementów elektrycznych na schemacie,
4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- literatura wskazana przez nauczyciela.
Ćwiczenie 2
Określ w jaki sposób połączone są elementy na schemacie obwodu elektrycznego.
Rysunek do ćwiczenia 2. Schemat rozgałęzionego obwodu elektrycznego
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować schemat obwodu elektrycznego,
2) określić typ połączenia jakie przedstawia schemat,
3) określić sposób połączenia poszczególnych elementów,
4) zaprezentować wyniki swojej pracy.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- literatura wskazana przez nauczyciela.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
17
4.2.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) rozró\
nić na schemacie symbole elementów elektrycznych?
1
1

2) narysować schemat przykładowego nierozgałęzionego
i rozgałęzionego obwodu elektrycznego? 1
1

3) wskazać węzły, gałęzie i oczka na schemacie rozgałęzionego
obwodu elektrycznego? 1
1

4) rozró\
nić elementy połączone szeregowo na schemacie obwodu
prądu stałego i jednofazowego zmiennego? 1
1

5) rozró\
nić elementy połączone równolegle na schemacie obwodu
prądu stałego i jednofazowego zmiennego? 1
1

6) zapisać równanie I prawa Kirchhoffa dla węzła obwodu
elektrycznego? 1
1

7) wyjaśnić II prawo Kirchhoffa?
1
1

 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
18
4.3. Pomiar podstawowych wielkości elektrycznych
4.3.1. Materiał nauczania
Metody pomiarowe w obwodach elektrycznych
Metoda pomiarowa określa sposób wykonania pomiaru. Pomiary wielkości elektrycznych
mo\
na wykonywać bezpośrednio lub pośrednio.
W pomiarach bezpośrednich wartość wielkości mierzonej odczytuje się bezpośrednio
z przyrządu pomiarowego. Przykładem pomiaru bezpośredniego jest pomiar napięcia za
pomocÄ… woltomierza lub pomiar prÄ…du za pomocÄ… amperomierza.
W pomiarach pośrednich wykonuje się pomiary innych wielkości elektrycznych ni\

poszukiwane. Następnie wyniki pomiarów podstawia się do zale\
ności matematycznych
wynikających z praw obwodów elektrycznych i na podstawie obliczeń uzyskuje się wartość
wielkości poszukiwanej. Pośrednie pomiary to między innymi metody techniczne pomiaru
rezystancji i mocy prądu stałego oraz metody porównawcze napięć i prądów, stosowane
równie\
do pomiaru rezystancji.
Elektroniczne przyrzÄ…dy pomiarowe
Wyró\
niamy dwa rodzaje przyrządów pomiarowych: analogowe i cyfrowe.
W przyrządach analogowych elementem wskazującym jest wskazówka pokazująca na
podziałce wyskalowanej w jednostkach wielkości mierzonej. Mierniki cyfrowe pozwalają na
bezpośredni odczyt wartości wielkości mierzonej ze wskaz
nika cyfrowego lub z rejestratorów
(np. drukarki). Pozwala to uniknąć błędu popełnianego przy odczycie jak w przyrządzie
analogowym. Główne zalety mierników cyfrowych to du\
a dokładność i szybkość pomiarów,
automatyczny wybór polaryzacji, mo\
liwość automatycznego wyboru zakresu, mo\
liwość
 zapamiętywania wyników pomiarów oraz współpracy z komputerowymi systemami
pomiarowo-kontrolnymi i sterujÄ…cymi.
Powszechnie u\
ywane obecnie są mierniki uniwersalne tzw. multimetry, które mogą
pracować jako amperomierze, woltomierze czy omomierze.
Rys. 9. Miernik uniwersalny [18]
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
19
Posiadają one kilka gniazd odpowiednio opisanych oraz pokrętło lub panel przycisków,
umo\
liwiających wybór trybu pracy przyrządu czyli rodzaj mierzonej wielkości elektrycznej
i zakres pomiarowy (maksymalną wartość wielkości mierzonej). Niektóre nowoczesne
mierniki uniwersalne mają równie\
dodatkowe funkcje umo\
liwiające pomiar pojemności,
parametrów tranzystora bipolarnego, stosunku dwóch napięć oraz temperatury.
Pomiary napięcia i prądu w obwodach prądu stałego i przemiennego.
Podstawowe wielkości elektryczne mierzone w układach elektrycznych to napięcie
elektryczne i natÄ™\
enie prÄ…du.
Pomiaru napięcia dokonuje się za pomocą woltomierza, który włączany jest równolegle
do tego fragmentu lub elementu obwodu, w którym chcemy zmierzyć napięcie. Woltomierz
posiada bardzo du\
ą rezystancję wewnętrzną (jej wartość zale\
y od zakresu pomiarowego).
Rezystancja wewnętrzna idealnego woltomierza dą\
y do nieskończoności.
a) b)
Rys. 10. a) Schemat układu do pomiar napięcia na rezystorze R2, b) Schemat układu do pomiaru prądu
Pomiaru natÄ™\
enia 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 zale\
y od zakresu
pomiarowego). Rezystancja wewnętrzna idealnego amperomierza wynosi 0 &!.
W obwodach prądu stałego, jednofazowego zmiennego i trójfazowego pomiarów
napięcia i natę\
enia dokonuje się w ten sam sposób.
Uwaga! Równoległe włączenie amperomierza w układzie spowoduje zwarcie  stan
niebezpieczny ze względu na zasady BHP, oraz mogący prowadzić do uszkodzenia układu.
Pomiar rezystancji
Rys. 11. Schemat układu do pomiaru) rezystancji omomierzem
Pomiaru rezystancji elementów elektrycznych wykonuje się omomierzem w sposób
przedstawiony na powy\
szym rysunku Nale\
y pamiętać, \
e element, którego rezystancję
mierzymy tÄ… metodÄ… nie mo\
e być włączony w obwód elektryczny, ani zasilony.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
20
4.3.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie znasz metody pomiarowe stosowane w obwodach elektrycznych?
2. Jaki miernik słu\
y do pomiaru napięcia?
3. Jaki miernik słu\
y do pomiaru prÄ…du?
4. Jaki miernik słu\
y do pomiaru rezystancji?
5. Czym charakteryzuje siÄ™ miernik uniwersalny?
4.3.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Wykonaj pomiary rezystancji za pomocÄ… cyfrowego miernika uniwersalnego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować treść zadania,
2) narysować schemat pomiarowy,
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) sformułować wnioski.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- rezystory: R = 1 k&!/1W; R = 1,8 k&!/1W; R = 2,2 k&!/1W; R = 820&!/2W;
R = 1,5k&!/1W,
- miernik uniwersalny cyfrowy.
Ćwiczenie 2
Wykonaj pomiar spadku napięcia na rezystorze R3.
Schemat układu pomiarowego do ćwiczenia 2
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować treść zadania,
2) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,
3) zapisać oznaczenia wybranych przyrządów,
4) wybrać tryby pracy mierników,
5) połączyć układ pomiarowy,
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
21
6) wykonać pomiar spadku napięcia,
7) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
 zasilacz stabilizowany napięcia stałego +15 V,
 rezystory: R = 1k&!/1W; R = 1,8 k&!/1W; R = 2,2 k&!/1W,
 uniwersalny miernik cyfrowy,
 literatura wskazana przez nauczyciela.
Ćwiczenie 3
Wykonaj pomiar prądu w układzie nierozgałęzionym prądu przemiennego zło\
onym
z rezystora i z
ródła napięcia.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) narysować schemat obwodu nierozgałęzionego prądu przemiennego zło\
onego
z rezystora i z
ródła napięcia,
2) narysować schemat układu do pomiaru prądu w tym obwodzie,
3) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,
4) zapisać oznaczenia wybranego przyrządu,
5) wybrać tryb pracy miernika,
6) połączyć układ zgodnie ze schematem pomiarowym,
7) wykonać pomiar prądu,
8) zapisać wyniki pomiarów,
9) obliczyć na podstawie prawa Ohma wartość prądu jaki powinien płynąć w obwodzie,
10) porównać zmierzoną wartość z wartością obliczona na podstawie prawa Ohma,
11) sformułować wnioski,
12) zaprezentować wyniki pracy.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- generator napięcia sinusoidalnego o wartości skutecznej +5V i częstotliwości 500 Hz,
- rezystor 1 k&!,
- uniwersalny miernik cyfrowy,
- literatura wskazana przez nauczyciela.
4.3.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) sklasyfikować metody pomiarowe?
1
1

2) scharakteryzować mierniki analogowe?
1
1

3) połączyć układ pomiarowy według schematu?
1
1

4) dobrać miernik do pomiaru określonej wielkości elektrycznej?
1
1

5) ustawić tryb pracy miernika uniwersalnego do pomiaru określonej
wielkości elektrycznej? 1
1

6) wykonać pomiar spadku napięcia na rezystorze?
1
1

7) wykonać pomiar prądu?
1
1

8) wykonać pomiar rezystancji?
1
1

 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
22
4.4. Energia i moc elektryczna
4.4.1. Materiał nauczania
Energia elektryczna
Energia elektryczna to energia jaką prąd elektryczny przekazuje odbiornikowi, który
zmienia jÄ… na inny rodzaj energii np. \
arówka jako odbiornik zamienia energię elektryczna na
świetlną. Odbiornik mo\
e równie\
wykonywać określona prace pracę np. silnik elektryczny
porusza ramię robota przemysłowego. Energię elektryczną pobieraną przez urządzenie
oblicza siÄ™ jako iloczyn natÄ™\
enia prądu płynącego przez odbiornik, napięcia na odbiorniku
i czasu przepływu prądu przez odbiornik.
W = UÅ" IÅ" t = PÅ" t
JednostkÄ… energii elektrycznej jest d\
ul [J].
[J]= [W]Å"[s]
Zu\
ycie energii elektrycznej w gospodarstwach domowych i zakładach przemysłowych
mierzone jest licznikiem energii elektrycznej, a wyra\
ane w kilowatogodzinach [kWh]. Im
większa jest moc urządzenia, tym więcej zu\
ywa energii elektrycznej w jednostce czasu.
Informacja o mocy znamionowej, czyli takiej którą urządzenie pobiera podczas normalnej
pracy, jest podawana przez producenta w danych techniczne zamieszczonych w instrukcji
obsługi, na tabliczce znamionowej lub etykiecie energetycznej urządzeń.
Rodzaje z
ródeł energii elektrycznej
Ka\
de z
ródło energii elektrycznej jest w istocie przetwornikiem innej postaci energii
w energię elektryczną. Ze względu na sposób tej przemiany z
ródła mo\
emy podzielić na:
elektromechaniczne, chemiczne oraz cieplne.
y
ródła elektromechaniczne to przetworniki energii mechanicznej w elektryczną 
przykładem jest prądnica zwana te\
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. PrÄ…dnice posiadajÄ… moc od
setek megawatów (w elektrowniach) do dziesiątek watów (do zasilania spawarek, ładowania
akumulatorów).
Rys. 12. Prądnica a) zasada działania [2, s. 79], b)uproszczony model [2, s. 80]
y
ródła chemiczne wytwarzają energię elektryczna dzięki reakcjom chemicznym.
Rozró\
niamy kilka typów tych z
ródeł: ogniwa galwaniczne, akumulatory i ogniwa paliwowe.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
23
Ogniwo galwaniczne składa się z dwóch elektrod zanurzonych w elektrolicie. Wartość
napięcia wytwarzanego przez ogniwo zale\
y od rodzaju elektrod i elektrolitu. Parametrem
charakteryzujący ogniwo jest pojemność elektryczna równa iloczynowi prądu znamionowego
oraz gwarantowanego czasu u\
ytkowania ogniwa (przy tym prądzie). Jednostką pojemności
elektrycznej jest amperogodzina [Ah].
Ogniwa dzielimy na pierwotne słu\
Ä…ce do u\
ytku 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), poniewa\
mo\
e być wielokrotnie wyładowywany
i ponownie naładowywany. Słu\
y on do magazynowania energii elektrycznej. Parametrami
akumulatorów są sprawność pojemnościowa i sprawność energetyczna.
y
ródła cieplne zamieniają energię cieplną na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie
zjawiska termoelektrycznego. Występuje ono na styku dwóch ró\
nych metali lub
półprzewodników, gdy temperatura styku ró\
ni się od temperatury pozostałych części
zespolonych materiałów.
Rys. 13. Ogniwo termoelektryczne zwane termoelementem [2, s. 84]
y
ródła świetlne, czyli generatory fotoelektryczne (zwane te\
ogniwami
fotoelektrycznymi) wykorzystują zjawisko fotoelektryczne, w wyniku którego energia
promieniowania świetlnego, zostaje zamieniona na energię elektryczną. Pierwszymi
ogniwami fotoelektrycznymi były ogniwa selenowe stosowane w fotograficznych
światłomierzach. Ogniwa krzemowe dostarczają napięcia rzędu 0,6 V. Cechuje je prosta
konstrukcja i bardzo długi czas u\
ytkowania. Urządzenia te znalazły szerokie zastosowanie
w technologii kosmicznej.
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 energiÄ™ elektrycznÄ…. Jest ona
następnie przesyłana do odbiorców za pomocą sieci elektroenergetycznych. W skład sieci
wchodzÄ… linie napowietrzne i kablowe oraz stacje transformatorowo-rozdzielcze. Stacje
transformatorowe przekształcają energię elektryczną na inną wartość napięcia, natomiast
rozdzielnie rozdzielają ją (obecnie rozdzielnie spełniają obie te funkcje). Sieci energetyczne
słu\
ące do przesyłu i rozdziału energii elektrycznej dzieli się na:
- sieci przemysłowe, słu\
ące 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, pracują na
napięciach do 110 kV; sieci rozdzielcze mieszczące się wewnątrz pomieszczeń nazywają
siÄ™ instalacjami.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
24
Moc w układach elektrycznych.
Moc prądu stałego
Na skutek przepływu prądu w obwodzie elektrycznym elementy z
ródłowe oddają lub
pobierajÄ… energiÄ™ elektrycznÄ…, natomiast elementy odbiorcze, zawsze pobierajÄ… energiÄ™
elektrycznÄ….
Moc P pobierana przez elementy odbiorcze jest równa iloczynowi prądu I przepływającego
przez element i spadku napięcia U na nim:
P = UÅ" I
P = [W]
jednostkÄ… mocy jest wat [W].
Je\
eli prąd I lub napięcie U obliczamy z prawa Ohma, zale\
ność opisująca moc przyjmie
jedną z dwóch postaci
U2
P = lub P = I2Å" R .
R
Moc oddawana przez elementy z
ródłowe określana jest z zale\
ności
P = U z Å" I ,
gdzie U z , jest napięciem z
ródłowym, natomiast I oznacza prąd płynący w gałęzi
z rozpatrywanym z
ródłem.
W obwodzie elektrycznym występuje bilans mocy, w myśl którego suma algebraiczna
mocy oddanych (lub pobranych) przez z
ródła energii elektrycznej jest równa sumie mocy
pobranych przez rezystory stanowiÄ…ce odbiorniki.
Moc prÄ…du sinusoidalnego
W obwodzie prÄ…du sinusoidalnego wydziela siÄ™ moc czynna P, moc bierna Q i pozorna S.
Moc czynna P, określona jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu oraz cosĆ kąta
przesunięcia fazowego między przebiegami prądu i napięcia.
P = U ·I ·cosĆ
Jednostką mocy czynnej jest wat [W], a cosĆ zwany jest współczynnikiem mocy i jest
bezwymiarowy.
Moc bierna Q określona jest jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu oraz sinĆ
kąta przesunięcia fazowego między przebiegami prądu i napięcia.
Q = U ·I · sinĆ
JednostkÄ… mocy biernej jest war [var]
Moc pozorna (S) stanowi iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu.
S = U ·I
JednostkÄ… mocy pozornej jest woltoamper [VA]
Określona jest równie\
zale\
nością:
S = P2 + Q2
Pomiar mocy
Pomiaru mocy w układach prądu stałego oraz mocy czynnej w obwodach prądu
zmiennego jednofazowego mo\
na dokonać metodą bezpośrednią za pomocą watomierza lub
w sposób pośredni metodą techniczną poprzez pomiar spadku napięcia i prądu czyli
z wykorzystaniem amperomierza i woltomierza.
Watomierz posiada cztery końcówki: dwie oznaczone symbolem V do pomiaru napięcia,
które włącza się równolegle w obwód elektryczny, oraz dwie oznaczone symbolem A do
pomiaru pradu, które włącza się szeregowo.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
25
a) b)
Rys. 14. Układy do pomiaru mocy metodą: a) bezpośrednią, b) metodą techniczną
W metodzie technicznej wartość mocy oblicza się na podstawie zale\
ności:
- dla prÄ…du staÅ‚ego: P = UÅ" I ,
- dla prÄ…du przemiennego: P = UÅ" IÅ" cosÕ , dla odbiorników rezystancyjnych cosÕ = 1
gdzie: U to wartość napięcia zmierzonego woltomierzem,
I to wartość prądu zmierzonego amperomierzem.
Rys. 15. Układy do pomiaru mocy czynnej metodą techniczną i bezpośrednią
w obwodzie prÄ…du zmiennego jednofazowego.
Gwiazdki w oznaczeniu watomierza oznaczają początki uzwojeń: napięciowego i prądowego.
4.4.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jaka jest jednostka energii elektrycznej?
2. Jakie rodzaje znasz z
ródeł energii elektrycznej?
3. Czym ró\
ni siÄ™ akumulator od ogniwa galwanicznego?
4. W jaki sposób przesyła się energię elektryczną?
5. Od czego zale\
y moc wydzielona na rezystorze w obwodzie prądu stałego?
6. O czym mówi bilans mocy?
7. Jakie rodzaje mocy występują w obwodzie prądu sinusoidalnego?
8. Jakie znasz metody pomiaru mocy?
9. JakÄ… moc mo\
na zmierzyć watomierzem?
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
26
4.4.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Oblicz moc wydzieloną na rezystorze w obwodzie prądu stałego, jeśli prąd płynący przez
niego ma wartość I = 20 mA, a spadek napięcia wynosi U = 5V.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) zapisać zale\
ność określającą moc wydzielona na rezystorze,
2) podstawić do zapisanej zale\
ności dane liczbowe i wykonać obliczenia,
3) zaprezentować wyniki.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- kalkulator,
- literatura wskazana przez nauczyciela.
Ćwiczenie 2
Wykonaj bezpośredni pomiar mocy wydzielonej na rezystorze w obwodzie prądu stałego.
Rysunek do ćwiczenia 2. Schemat układu do pomiaru mocy prądu stałego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy,
2) zapisać oznaczenia wybranych elementów i miernika,
3) połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem,
4) dokonać pomiaru mocy wydzielonej na rezystorze,
5) obliczyć wartość prądu jaka powinna płynąć w obwodzie w oparciu o prawo Ohma:
U
I = ,
R
6) obliczyć moc jaka powinna wydzielić się na rezystorze na podstawie zale\
ności:
P = I2Å" R ,
7) porównać zmierzoną wartość mocy z obliczoną teoretycznie,
8) sformułować wnioski,
9) zaprezentować wyniki pracy.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
27
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
 zasilacz stabilizowany +5 V,
 rezystor 100 &!,
 watomierz,
 literatura wskazana przez nauczyciela.
4.4.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) rozró\
nić rodzaj z
ródła energii elektrycznej?
1
1

2) opisać budowę i zasadę określonego typu z
ródła energii
elektrycznej? 1
1

3) określić typ i parametry z
ródła energii elektrycznej na podstawie
tabliczki znamionowej? 1
1

4) określić na podstawie tabliczki znamionowej lub instrukcji
obsługi jaka moc pobiera dane urządzenie elektryczne lub
elektroniczne ? 1
1

5) scharakteryzować sposób wytwarzania energii na skalę
przemysłową? 1
1

6) obliczyć moc jaka wydzieliła się na odbiorniku w obwodzie
prądu stałego? 1
1

7) Scharakteryzować moc w obwodach prądu przemiennego?
1
1

8) obliczyć moc czynną jaka wydzieliła się na odbiorniku
w obwodzie prÄ…du przemiennego? 1
1

9) zmierzyć moc wydzieloną w obwodzie prądu stałego metodą
pośrednią? 1
1

10) zmierzyć moc czynną wydzieloną w obwodzie prądu
przemiennego metodą pośrednią? 1
1

11) dobrać miernik do pomiaru mocy w obwodzie prądu stałego lub
mocy czynnej w obwodzie prÄ…du przemiennego? 1
1

12) zmierzyć moc metodą bezpośrednią?
1
1

 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
28
4.5. Maszyny i urzÄ…dzenia elektryczne
4.5.1. Materiał nauczania
Maszyny elektryczne są urządzeniami elektromechanicznymi słu\
Ä…cymi do przetwarzania
energii za pośrednictwem pola magnetycznego i przy udziale ruchu.
Maszyny elektryczne dzielimy ze względu na rodzaj energii przetwarzanej na:
- silniki  przetwarzajÄ…ce energiÄ™ elektrycznÄ… na mechanicznÄ…,
- prÄ…dnice  przetwarzajÄ…ce energiÄ™ mechanicznÄ… na elektrycznÄ…,
- przetwornice  przetwarzajÄ…ce energiÄ™ elektrycznÄ… na energiÄ™ elektrycznÄ… ale o innych
parametrach np. prądzie, napięciu i częstotliwości,
- transformatory  przetwarzające (transformujące) prądy i napięcia przemienne na prądy
i napięcia o ni\
szej lub wy\
szej wartości.
W maszynach elektrycznych przemiany energetyczne zachodzÄ… przy udziale ruchu
najczęściej obrotowego (mówimy wówczas o maszynie wirującej), czasem posuwistego
(mówimy wówczas o maszynie liniowej), jedynie w transformatorach zachodzą one bez
udziału ruchu.
Maszyny elektryczne dzielimy ze względu na sposób działania na: liniowe i wirujące
prądu stałego i zmiennego.
Maszyna elektryczna wirująca składa się z: ruchomego wirnika (rotora) i nieruchomego
stojana (statora).
Stojan posiada:
- jarzmo lub rdzeń  stanowiące element statyczny obwodu magnetycznego maszyny,
kadłub  będący częścią konstrukcyjną,
- tarcze Å‚o\
yskowe i Å‚o\
yska do osadzania wirnika, szczotkotrzymacze i szczotki.
Wirnik składa się z:
- rdzenia, stanowiącego element ruchomy obwodu magnetycznego maszyny, na którym
znajdujÄ… siÄ™ uzwojenia:
- wału, na którym umieszczony jest rdzeń;
- pierścieni ślizgowych lub komutatora, słu\
ących do połączenia uzwojenia wirnika
z obwodem zewnętrznym.
Istotna grupÄ™ maszyn elektrycznych stanowiÄ… maszyny indukcyjne stosowane jako
silniki, hamulce elektryczne, prÄ…dnice. CharakteryzujÄ…ce siÄ™ prostÄ… budowÄ…, du\
ą pewnością
ruchową, łatwością obsługi oraz niską ceną.
Rys. 16. Przekrój silnika indukcyjnego [19]
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
29
Silniki indukcyjne ze względu na sposób zasilania dzielimy na: jednofazowe, dwufazowe
i trójfazowe.
Silniki indukcyjne jednofazowe zasilane są z sieci jednofazowej niskiego napięcia.
Stosowane są do napędzania mechanizmów i urządzeń najczęściej powszechnego u\
ytku,
w których nie zachodzi konieczność regulacji prędkości wirowania.
Maszyny jednofazowe posiadają uzwojenie główne zwane roboczym i rozruchowe, które są
wzajemnie przesunięte w przestrzeni o kąt /2.
Silnik indukcyjny trójfazowy posiada w stojanie trzy uzwojenia fazowe wykonane
z impregnowanego, izolowanego drutu nawojowego umieszczonego w izolowanych
\
łobkach. Ze względu na budowę wirnika silniki indukcyjne trójfazowe dzielimy na klatkowe
i pierścieniowe. Jeśli uzwojenia wirnika są wykonane podobnie jak w stojanie z drutu
nawojowego to silniki takie nazywamy pierścieniowymi.
Uzwojenia wirnika mogą być te\
wykonane z nie\
elaznych prętów wypełniających cały
\
łóbek połączonych po obu stronach pierścieniami tworząc klatkę. Taka konstrukcja zwana
jest silnikiem klatkowym lub zwartym.
Maszyny prądu stałego zbudowane są ze:
- stojana zwanego magneśnicą, który wytwarza strumień magnetyczny,
- wirnika zwanego twornikiem, który wytwarza siłę elektromotoryczną (w prądnicach) lub
moment elektromagnetyczny (w silnikach).
Maszyny prądu stałego wykorzystują zjawisko indukowania siły elektromotorycznej
w przewodach umieszczonych w \
Å‚obkach wirnika i wraz z nim wirujÄ…cych w polu
magnetycznym.
Uzwojenie twornika mieszczące się w wirniku, tworzą połączone przewody, w których
powstaje na skutek ruchu siła elektromotoryczna.
Ze względu na sposób połączenia pomiędzy uzwojeniem twornika i uzwojeniem
wzbudzenia, rozró\
niamy maszyny:
- obcowzbudne, w których nie ma elektrycznego połączenia pomiędzy uzwojeniem stojana
i wzbudzenia,
- samowzbudne: bocznikowÄ…, szeregowÄ… i szeregowo-bocznikowÄ….
Prądnica prądu stałego mo\
e być:
- obcowzbudna, w której obwód wzbudzenia jest zasilany z obcego z
ródła,
- samowzbudna bocznikowa i szeregowo-bocznikowa .
Silnik prądu stałego składa się z następujących podstawowych elementów:
- nieruchomego stojana wytwarzajÄ…cego pole magnetyczne,
- ruchomego wirnika z uzwojeniami twornika,
- szczotek  doprowadzajÄ…cych prÄ…d do uzwojenia twornika,
- komutatora czyli pierścienia ze stykami  słu\
Ä…cego do zmiany kierunku prÄ…du.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
30
Rys. 17. Przekrój silnika prądu stałego [19]
Ze względu na sposób wytwarzania pola magnetycznego wyró\
niamy silniki prÄ…du
stałego: obcowzbudne i samowzbudne, które dzielimy na szeregowe, równoległe i szeregowo-
równoległe.
Obcowzbudny silnik prądu stałego stosowany jest głównie w napędach wymagających
regulacji prędkości w szerokim zakresie obrotów. Zazwyczaj w jego stojanie do wytworzenia
pola magnetycznego wykorzystuje siÄ™ elektromagnesy.
Wirnik silnika prądu stałego wykonany jest w kształcie walca. Na jego powierzchni
znajdujÄ… siÄ™ \
łobki, w których uzwojenia twornika, zamykane są za pomocą specjalnych
klinów, zapobiegających wypadnięciu uzwojenia podczas wirowania.
Stojan, wykonany jest w kształcie wydrą\
onego walca, zwykle jako \
eliwny lub staliwny
odlew, ze względu na stałe pole magnetyczne. 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.
Szczotki, zazwyczaj krzemowe ślizgają się po komutatorze umo\
liwiając połączenie
obracajÄ…cego siÄ™ uzwojenia wirnika z zasilajÄ…cym je z
ródłem prądu stałego.
Komutator wykonany jest w postaci wielu miedzianych wycinków, wzajemnie
odizolowanych. Do ka\
dego z wycinków przyłączony jest jeden koniec uzwojenia wirnika.
Obecnie najczęściej produkuje się komutatorowe silniki prądu stałego.
Silniki szeregowe stosowane są głównie w trakcji elektrycznej (napędy lokomotyw,
tramwajów, trolejbusów) i pojazdach mechanicznych (wózki akumulatorowe, rozruszniki
samochodów), w napędach dz
wigów, wentylatorów itp. Silniki takie mogą być (jako jedyne
silniki prądu stałego) zasilane równie\
prądem przemiennym  zwane są wówczas silnikami
uniwersalnymi. Znalazły one zastosowanie w urządzeniach wymagających du\
ych 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
du\
ych mocy, tam gdzie występuje cię\
ki rozruch: w napędach walcarek, pras, dz
wigów oraz
w napędach okrętowych mechanizmów pokładowych.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
31
UrzÄ…dzenia elektryczne
Podstawowe urządzenia elektryczne to urządzenia napędowe i grzewcze.
Elektryczne urządzenie napędowe to silnik elektryczny wraz z układami słu\
Ä…cymi do
jego zasilania, regulacji, sygnalizacji, zabezpieczeń i pomiarów.
Podstawowymi parametrami znamionowymi określającymi typ silnika elektrycznego są:
- znamionowy moment obrotowy,
- moc znamionowa (lub prÄ…d znamionowy),
- napięcie znamionowe,
- znamionowa prędkość obrotowa.
Sterowanie silnika elektrycznego czyli takie oddziaływanie, które pozwala uzyskać
zamierzone działania całego układu napędowego, polega na doprowadzeniu do silnika
sygnałów sterujących pochodzących z układu sterującego.
Układ sterowania silnika mo\
e być otwarty lub zamknięty. W układzie otwartym na
sygnały sterujące nie wpływają warunki pracy silnika. W układzie zamkniętym informacje
o aktualnych warunkach pracy silnika decydują o zmianie sygnałów sterujących.
Układ napędowy z zamkniętym układem sterowania zwanym układem regulacji jest
wyposa\
ony w elementy pomiarowe, przekaz
niki, nastawniki, styczniki i wyłączniki,
rozruszniki, rezystory regulacyjne itp. elementy niezbędne do sterowania silników
elektrycznych.
Większość urządzeń przemysłowych mo\
e być napędzana indukcyjnymi silnikami
trójfazowymi.
Elektryczne urządzenia grzewcze przekształcają energię elektryczną na energię cieplną.
Ze względu na sposób wytwarzania ciepła dzielimy je na: rezystancyjne czyli oporowe,
elektrodowe, Å‚ukowe, indukcyjne, ultradz
więkowe pojemnościowe i promiennikowe.
Piece rezystancyjne wykorzystują ciepło powstające podczas przepływu prądu przez
elementy grzejne wykonane z materiałów oporowych stałych, najczęściej z metali lub
specjalnych stopów metali o du\
ej rezystywności i du\
ej trwałości. Elementy grzejne są
zasilane najczęściej z sieci energetycznej za pośrednictwem sterowników tyrystorowych.
Stosuje się układy zasilania jednofazowe i trójfazowe.
Piece elektrodowe posiadajÄ… elektrody zanurzone w roztopionych mieszaninach soli.
Kąpiel solna rozgrzewana przepływającym przez elektrody prądem przekazuje swoje ciepło
zanurzonemu w niej wsadowi.
Piece Å‚ukowe wykorzystujÄ… zjawisko Å‚uku elektrycznego powstajÄ…cego 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 indukcyjne wykorzystują zjawisko powstawania prądów wirowych pod wpływem
zmiennego pola magnetycznego. Stosuje siÄ™ przy: lutowaniu, wy\
arzaniu, topieniu metali,
hartowaniu stali.
CharakterystycznÄ… cechÄ… nagrzewania indukcyjnego jest to, \
e ciepło jest wytworzone
wewnątrz nagrzewanego przedmiotu, głównie w jego części znajdującej się w zasięgu
wytworzonego pola magnetycznego
Piece pojemnościowe działają na zasadzie wytwarzania ciepła wewnątrz dielektryka pod
wpływem szybkozmiennego pola elektrycznego wielkiej częstotliwości.
Nagrzewanie pojemnościowe stosuje się do: sterylizacji \
ywności i środków opatrunkowych,
w lecznictwie, do suszenia zbo\
a, do gotowania i pieczenia \
ywności, do zgrzewania folii
plastikowych, do obróbki gumy, a tak\
e do klejenia i suszenia drewna.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
32
Promienniki wytwarzają promieniowanie temperaturowe, którego energię pochłania
nagrzewane ciało.
Nagrzewanie ultradz
więkowe wykorzystuje zamieniane w ciepło drgania mechaniczne
powstajÄ…ce w wyniku absorpcji energii ultradz
więkowej.
Eksploatacja maszyn i urządzeń elektrycznych
Maszyny elektryczne, mogą być u\
ytkowane tylko wówczas, gdy są w tzw. stanie
zdatności, czyli gdy jest sprawne.
Eksploatacja maszyny obejmuje:
- u\
ytkowanie czyli wykonywanie przez urządzenia wyznaczonych mu zadań;
- obsługiwanie czyli jest to wykonywanie na nie u\
ytkowanym urządzeniu czynności
mających na celu utrzymanie go w stanie zdatności.
W celu zapewnienia stanu zdatności maszyny nale\
y przeprowadzać: okresowe pomiary jego
parametrów, okresową kontrolę zabezpieczeń, niezbędne naprawy oraz stałą obserwację.
U\
ytkowanie maszyn elektrycznych w zakładach przemysłowych, musi być zgodne ze
szczegółowymi instrukcjami o eksploatacji.
Maszyna mo\
e być eksploatowana przez określony czas eksploatacji liczony od chwili
rozpoczęcia eksploatacji do chwili wycofania maszyny z eksploatacji, czyli do chwili jej
likwidacji (złomowania). Na czas eksploatacji maszyny składa się czas u\
ytkowania czyli
pracy, ale tak\
e czas transportowania, przechowywania, obsługiwania, oczekiwania na
naprawy oraz naprawy.
Je\
eli maszyna osiągnie stan graniczny czyli taki stan techniczny, przy którym dalsza jej
eksploatacja nie jest mo\
liwa lub wskazana, maszynÄ™ nale\
y wycofać z eksploatacji czyli
złomować.
Niezawodność maszyny elektrycznej zale\
y od: jej konstrukcji, technologii wykonania,
oraz warunków eksploatowania, czyli warunków u\
ytkowania i obsługiwania.
Brak czynności konserwacyjnych oraz nieodpowiednie warunki pracy mogą skrócić
trwałość maszyn i urządzeń elektrycznych.
Maszyny prądu przemiennego powinny być u\
ytkowane przy napięciu sinusoidalnym
o częstotliwości wynoszącej w Europie 50 Hz.
Maszyny i urzÄ…dzenia elektryczne wyposa\
one sÄ… w trwale przymocowane tabliczki
znamionowe. 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.
Urządzenia elektryczne mogą podlegać eksploatacji jeśli:
- odpowiadają wymaganiom określonym w normach i przepisach dotyczących urządzeń
grzejnych,
- sÄ… zainstalowane zgodnie z dokumentacjÄ… technicznÄ…,
- odpowiadajÄ… warunkom ochrony przeciwpora\
eniowej i przeciwpo\
arowej,
- posiadają pozytywne wyniki badań technicznych,
- ich parametry techniczne sÄ… zgodne z dokumentacjÄ….
Urządzenia elektryczne powinny być opatrzone informacjami takimi jak: symbole
elementów urządzenia, symbole zacisków ochronnych, dane na tabliczkach znamionowych,
napisy określające funkcje elementów sterowania i sygnalizacji, oznaczenia stosowanych
zabezpieczeń i wartości ich nastawiania.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
33
Układy automatyki
Powszechnie stosowane jest dziś sterowanie automatyczne, urządzeń i maszyn
elektrycznych. W układach takich czynności sterownicze wykonuje za człowieka specjalne
urządzenie sterujące. Człowiek formułuje i wprowadza do urządzenia sterującego zadania do
wykonania oraz kontroluje i ewentualnie wprowadza korektÄ™ nastaw w urzÄ…dzeniu
sterujÄ…cym. Automatyka zajmuje siÄ™ zagadnieniami sterowania automatycznego.
Układy automatycznego sterowania.
Sterowanie to proces celowego oddziaływania sygnałów sterujących na przyrządy,
urządzenia lub maszyny. Sterowanie odbywa się w układzie otwartym. Sygnały sterujące
działają na obiekt bez bie\
ących pomiarów i korekcji procesu.
Układ sterowania składa się z obiektu sterowania i urządzenia sterującego. Obiekt
sterowania to część układu, na którą oddziałują sygnały sterownicze.
Rys. 18. Schemat blokowy układu sterowania
Urządzenie sterujące to część układu, która przez człon wykonawczy oddziałuje na obiekt
sterowania.
W układach automatycznego sterowania elektrycznego stosuje się często styczniki
i przekaz
niki. Styczniki są uruchamiane elektromagnetycznie, posiadają cewkę, która po
wzbudzeniu prądem przyciąga zworkę i przełącza zestyki. Przełączana przez styczniki moc
wynosi od 1kW do 500kW, zatem u\
ywa się je przede wszystkim do załączania urządzeń
du\
ej mocy np.: silników hamulców, sprzęgieł i elektrycznych urządzeń grzewczych.
Przekaz
nik w układzie elektronicznym pełni rolę zdalnie uruchamianego łącznika.
Podobnie jak stycznik przekaz
nik posiada cewkę, która wzbudzana prądem elektrycznym
wytwarza pole magnetyczne powodujące zamykanie zestyków. Moc przełączania przekaz
nika
zale\
y od jego wielkości i wynosi od kilku mW do 1 kW , dlatego słu\
ą one do załączania
urządzeń mniejszej mocy.
W otwartym układzie sterowania urządzenie sterujące nie otrzymuje zwrotnej informacji
o aktualnej wartości sygnału sterowanego.
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 równie\
pojawić się zakłócenia czyli wszelkie inne oddziaływania, na obiekt
utrudniajÄ…ce realizacjÄ™ procesu regulacji.
Charakterystyczne dla wszystkich układów regulacji jest tzw. ujemne sprzę\
enie zwrotne
polegające na przekazaniu informacji z wyjścia układu na jego wejście, zatem urządzenie
sterujące  regulator, otrzymuje informację o aktualnej wartości sygnału sterowanego, która
następnie wpływa na przebieg sterowania.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
34
Podstawowym pojęciem z zakresu układów regulacji jest odchyłka (uchyb) regulacji,
oznaczająca ró\
nicę między po\
ądaną (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. Sprzę\
enie zwrotne (czyli przekazanie sygnału z wyjścia na wejście układu)
jest ujemne, co zaznaczono za pomocą znaku minus na wejściu układu porównującego.
Rys. 19. Schemat układu regulacji automatycznej jednej zmiennej [12, s. 16]
Elementy i układy automatyki
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 zło\
one 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,
nadzorujÄ…ce przebieg procesu technologicznego.
Elementy i urzÄ…dzenia mo\
emy podzielić ze względu na sposób zasilania na:
pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne i elektroniczne.
Natomiast ze względu na funkcje spełniane w układach automatyki 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, urzÄ…dzenia cyfrowe, np. sterowniki mikroprocesorowe).
Ze względu na sposób działania elementy i urządzenia automatyki dzielimy na
analogowe i cyfrowe.
W skład układu automatyki wchodzą:
- urządzenie pomiarowe informuje układ regulacji o aktualnej wartości wielkości
regulowanej; zawiera element pomiarowy  mierzący bezpośrednio wielkość regulowaną
oraz przetwornik pomiarowy  przekształcający zmierzoną wielkość na postać,
odpowiedniÄ… dla regulatora;
- urządzenie wykonawcze, w odpowiedzi na sygnał wyjściowy z regulatora, zmienia
wartość wielkości nastawiającej, tak aby realizowany był zamierzony przebieg procesu;
- regulator porównuje wartość zadaną z rzeczywistą regulowaną, następnie wytwarza
sygnał sterujący, który działa na obiekt, tak aby ró\
nicę pomiędzy tymi wartościami
sprowadzić do zera, regulator często posiada zadajnik.
Urządzenie wykonawcze składa się z :
- elementu nastawczego np. zaworu, przepustnicy, dozownika, pompy o zmiennym
wydatku, dławika, dzielnika napięcia, transformatora;
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
35
- elementu napędowego np. siłownika, silnika, pompy, zespołu napędowego, itp.,
dostarczającego energii mechanicznej, niezbędnej do przestawienia elementu
nastawczego według sygnału podanego z regulatora;
- wzmacniacz mocy.
Rys. 20. Schemat blokowy zamkniętego układu sterowania  układu regulacji [7, s. 12]
4.5.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jak dzielimy maszyny elektryczne ze względu na rodzaj przetwarzanej energii?
2. W jaki sposób zachodzą w maszynach elektrycznych przemiany energetyczne?
3. Z jakich elementów jest zbudowana wirująca maszyna elektryczna?
4. Jakie zastosowanie majÄ… maszyny indukcyjne?
5. Jak zbudowany jest silnik indukcyjny?
6. Z jakich elementów zbudowana maszyna elektryczna prądu stałego?
7. Jak dzielimy silniki prądu stałego ze względu na sposób wytwarzania pola
magnetycznego?
8. Jakie elementy wyró\
niamy w budowie silnika prądu stałego?
9. Jak zbudowane jest elektryczne urządzenie napędowe?
10. Jakie znasz typy elektrycznych urządzeń grzejnych?
11. Jakie elementy stosowane są w układach automatycznego sterowania elektrycznego?
12. Czym ró\
nią się zamknięty i otwarty układ sterowania?
13. Na czym polega sprzÄ™\
enie zwrotne?
14. Jakie elementy stosowane są w układach automatyki?
15. O czym informuje tabliczka znamionowa?
4.5.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Określ na podstawie tabliczki znamionowej typ, zastosowanie i podstawowe parametry
otrzymanego urzÄ…dzenia elektrycznego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) dokonać oględzin urządzenia elektrycznego,
2) zapoznać się z informacjami zawartymi na tabliczce znamionowej,
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
36
3) określić typ urządzenia,
4) scharakteryzować zastosowanie i zasadę działania otrzymanego urządzenia,
5) określić podstawowe parametry,
6) zaprezentować wyniki swojej pracy.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- urzÄ…dzenie elektryczne np. grzejne,
- literatura wskazana przez nauczyciela.
Ćwiczenie 2
Określ na podstawie dokumentacji technicznej warunki eksploatacji silnika indukcyjnego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) zapoznać się z dokumentacja techniczną silnika indukcyjnego,
2) określić jego podstawowe parametry,
3) scharakteryzować zastosowanie silnika,
4) określić warunki eksploatacji: sposób zasilania, podłączenia, przeznaczenie itp.,
5) zaprezentować wyniki.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- dokumentacja techniczna silnika indukcyjnego,
- literatura wskazana przez nauczyciela.
4.5.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) wskazać ró\
nice w budowie i zasadzie działania podstawowych
maszyn elektrycznych? 1
1

2) rozró\
nić elementy budowy silników elektrycznych ró\
nych typów?
1
1

3) scharakteryzować zasadę działania silnika prądu stałego ?
1
1

4) scharakteryzować zasadę działania silnika indukcyjnego?
1
1

5) określić na podstawie dokumentacji technicznej i/lub tabliczki
znamionowej podstawowe parametry maszyn i urządzeń
elektrycznych? 1
1

6) scharakteryzować zasadę działania ró\
nych typów elektrycznych
urządzeń grzewczych? 1
1

7) scharakteryzować budowę elektrycznych urządzeń napędowych?
1
1

8) określić na podstawie dokumentacji technicznej zasady eksploatacji
maszyn i urządzeń elektrycznych? 1
1

9) scharakteryzować podstawowe elementy stosowane w automatyce?
1
1

10) scharakteryzować działanie stycznika i przekaz
nika w układach
automatycznego sterowania? 1
1

11) scharakteryzować budowę i zasadę działania układów automatyki?
1
1

 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
37
4.6. Instalacje elektryczne
4.6.1. Materiał nauczania
Instalacja elektryczna słu\
y do doprowadzenia energii elektrycznej o określonych
parametrach do miejsc jej wykorzystania.
Instalacje elektryczne dzielimy na instalacje przemysłowe i mieszkaniowe, do których nale\
Ä…
równie\
instalacje w biurach, budynkach u\
yteczności publicznej itp.
Ze względu na charakter odbiorników instalacje mo\
emy podzielić na: oświetleniowe i siłowe
 zasilające trójfazowe grzejniki i silnik.
Ze względu na czas u\
ytkowania instalacje mo\
emy podzielić na: stałe oraz prowizoryczne -
o uproszczonych rozwiÄ…zaniach (dopuszczonych przez przepisy), montowane doraz
nie.
Podstawowymi elementami składowymi instalacji są:
- przewody,
- osprzęt instalacyjny,
- rozdzielnice,
- urzÄ…dzenia automatyki.
W instalacjach, zwłaszcza mieszkaniowych stosuje się ponadto elementy spełniające
określone zadania:
- przyłącze, będące linią elektroenergetyczną łączącą złącze z siecią energetyki
zawodowej,
- złącze czyli urządzenie elektryczne słu\
ące do połączenia przewodów przyłącza
bezpośrednio z licznikiem rozliczeniowym lub za pośrednictwem wewnętrznej linii
zasilającej, złącze stanowi podstawowe zabezpieczenie zasilanego obiektu,
- wewnętrzna linia zasilająca (wlz) czyli linia elektroenergetyczna o stałym przekroju
łącząca złącze z tablicami rozdzielczymi,
- instalacja odbiorcza  doprowadza energię do poszczególnych odbiorników, znajduje się
za licznikiem rozliczeniowym.
Układ instalacji elektrycznej zale\
y od: przeznaczenia, potrzeb i nało\
onych wymagań,
natomiast charakteryzuje siÄ™:
- rodzajem i wartością stosowanego napięcia  stosuje się napięcia prądu przemiennego
o wartościach znormalizowanych,
- sposobem uziemienia,
- sposobem ochrony przeciw pora\
eniowej.
Oznaczenia układów sieciowych
Instalacje elektryczne dzieli się na ró\
nego rodzaju układy sieciowe zale\
nie od sposobu
uziemienia.
Pierwsza litera oznaczenia układu określa związek między siecią a ziemią:
- T  bezpośrednie połączenie jednego punktu wspólnego (najczęściej przewodu
neutralnego) z ziemiÄ…,
- I  wszystkie części, które mogą znalez
ć 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, niezale\
nie od uziemienia punktu neutralnego.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
38
Kolejne litery określają związek między przewodem neutralnym N, a przewodem ochronnym
PE:
- S  wspólny przewód neutralno-ochronny PEN,
- C  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.
Rys. 21. Układy sieciowe: a) TN-C, b) TN-S, c) TN-C-S, d) TT, e) IT [8, s. 17]
Osprzęt instalacyjny
UrzÄ…dzenia stanowiÄ…ce wyposa\
enie instalacji nazywa się osprzętem instalacyjnym.
W jego skład wchodzą:
- rury instalacyjne słu\
ące do prowadzenia przewodów,
- elementy konstrukcyjne instalacji prefabrykowanych,
- łączniki instalacyjne słu\
ące do włączania prądów roboczych i zwarciowych oraz
stwarzania przerwy w obwodzie elektrycznym,
- gniazda czyli Å‚Ä…czniki wtykowe,
- odgałęz
niki czyli puszki instalacyjne słu\
ące do łączenia przewodów instalacyjnych oraz
wykonywania odgałęzień,
- bezpieczniki, zabezpieczajÄ…ce instalacje przed przeciÄ…\
eniami,
- oprawy oświetleniowe.
Przemysłowe instalacje elektryczne
W przemyśle stosuje się instalacje elektryczne w rurach z PCW i stalowych oraz instalacje
z elementów prefabrykowanych, które mo\
emy podzielić na:
- instalacje przewodami szynowymi  szyny wykonane sÄ… z aluminium, duraluminium lub
miedzi i umieszczone w specjalnych osłonach,
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
39
- 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,
- instalacje korytkowe  przewody prowadzone sÄ… w blaszanych korytkach, instalacje takie
sÄ… niezawodne i estetyczne,
- 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; ten typ instalacji często stosowany jest
w zakładach przemysłowych.
Instalacje przemysłowe powinny cechować się: mo\
liwością przenoszenia du\
ych mocy
i zasilania du\
ej liczby ró\
norodnych odbiorników oraz przejrzystością i estetyką układu,
a tak\
e maksymalnym stopniem prefabrykacji umo\
liwiajÄ…cym prostÄ… rozbudowÄ™
i modernizacjÄ™.
W zakładach przemysłowych, ze względu na konieczność zasilania wielu maszyn
i urządzeń du\
ej mocy, stosuje się najczęściej instalacje z elementów prefabrykowanych
w postaci drabinek kablowych oraz instalacji korytkowych i wiÄ…zkowych.
Zabezpieczenia odbiorników i urządzeń elektrycznych
W celu zapewnienia bezpiecznej pracy urządzeń i odbiorników stosuje się szereg
środków ochrony przeciwpora\
eniowej.
Uziemienie zwane inaczej uziomem to przewód łączący określony punkt urządzenia
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 zabezpieczenie elektryczne.
Uziemienie funkcjonalne lub inaczej uziemienie robocze - to takie uziemienie sieci,
instalacji lub urządzenia elektrycznego, które nie słu\
y bezpieczeństwu lecz jego
prawidłowemu działaniu.
Zerowanie stosowane w instalacjach elektrycznych, polega na podłączeniu części
przewodzących dostępnych np. metalowej obudowy urządzenia z przewodem ochronnym PE
lub przewodem ochronno-neutralnym PEN. W przypadku uszkodzenia izolacji mo\
liwe jest
samoczynne odłączenie zasilania, poprzez szybkie zadziałanie zabezpieczenia elektrycznego .
Zerowanie mo\
e być stosowane w instalacjach elektrycznych o napięciu do 500V, w układzie
sieciowym TN, gdzie punkt neutralny zasilającego transformatora jest bezpośrednio
uziemiony, natomiast chronione części przewodzące odbiorników są połączone z punktem
neutralnym za pomocÄ…:
- 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 słu\
yć do przesyłania energii elektrycznej.
Przewód ochronny (PE) słu\
y ochronie przed pora\
eniem elektrycznym. Jeśli łączy
główny zacisk uziemiający z uziomem to jest to przewód uziemiający, jeśli natomiast
zapewnia wyrównanie potencjałów elektrycznych ró\
nych części mogących znalez
ć się pod
napięciem to jest to przewód wyrównawczy.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
40
Przewód ochronno-neutralny (PEN) łączy funkcje przewodu neutralnego N i przewodu
ochronnego PE.
W celu sprawdzenia stanu instalacji przeprowadza siÄ™ m.in. pomiary: rezystancji izolacji
przewodów oraz rezystancji uziemień ochronnych.
4.6.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Do czego słu\
y instalacja elektryczna?
2. Jakie typy instalacji rozró\
niamy ze względu na charakter odbiorników?
3. Jakie elementy i urządzenia wchodzą w skład instalacji elektrycznej?
4. Od czego zale\
y rodzaj układu sieciowego instalacji?
5. Jakie elementy zaliczamy do osprzętu instalacyjnego?
6. Czym charakteryzuje się budowa instalacji elektrycznych stosowanych w przemyśle?
7. Jakie właściwości powinny cechować instalacje przemysłowe?
8. Jakie stosuje się zabezpieczenia urządzeń elektrycznych?
9. Jakie znasz rodzaje uziemień?
10. Co to jest zerowanie?
11. Do czego słu\
y przewód ochronno-neutralny?
4.6.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Określ, na podstawie dokumentacji technicznej, jaki typ instalacji elektrycznej
zamontowano w hali produkcyjnej. Określ układ sieciowy tej instalacji.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować treść zadania,
2) zapoznać się z otrzymaną dokumentacją techniczną,
3) określić typ instalacji,
4) określić układ sieciowy instalacji,
5) zaprezentować wyniki.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- dokumentacja techniczna instalacji elektrycznej hali produkcyjnej,
- literatura wskazana przez nauczyciela.
Ćwiczenie 2
Rozró\
nij elementy osprzętu instalacyjnego i określ ich przeznaczenie.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) dokonać oględzin otrzymanych elementów osprzętu instalacyjnego,
2) rozró\
nić poszczególne elementy,
3) określić ich przeznaczenie,
4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
41
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- elementy osprzętu instalacyjnego: łącznik instalacyjny, gniazdo natynkowe, puszka,
- literatura wskazana przez nauczyciela.
4.6.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) określić typ instalacji na podstawie rodzaju przyłączonych odbiorników?
1
1

2) rozró\
nić podstawowe elementy instalacji elektrycznej?
1
1

3) określić na podstawie oznaczenia układu sieciowego zastosowany
sposób uziemienia? 1
1

4) rozró\
nić elementy osprzętu instalacyjnego?
1
1

5) scharakteryzować przemysłowe instalacje elektryczne ze względu na ich
konstrukcje? 1
1

6) rozró\
nić zabezpieczenia urządzeń elektrycznych?
1
1

7) scharakteryzować: uziemienie ochronne, uziom, przewód uziemiający i
zerowanie? 1
1

 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
42
4.7. Podstawy elektroniki. Półprzewodnikowe elementy
elektroniczne
4.7.1. Materiał nauczania
Podstawy elektroniki
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 półprzewodnikowych elementów i układów elektronicznych.
Rozró\
niamy półprzewodniki samoistne oraz domieszkowane. Powszechnie stosowane
w elektronice są półprzewodniki domieszkowane.
Ze względu na rodzaj domieszki rozró\
niamy półprzewodniki typy N i typu P. Je\
eli do
pierwiastka IV grupy zostanie wprowadzony pierwiastek grupy V (tzw. domieszka donorowa)
powstanie półprzewodnik typu N, gdzie nośnikami większościowymi ładunku elektrycznego
sÄ… elektrony. Natomiast wprowadzajÄ…c do pierwiastka IV grupy pierwiastek grupy III (tzw.
domieszkę akceptorową), otrzymamy półprzewodnik typu P, gdzie nośnikami
większościowymi ładunku elektrycznego są jak gdyby puste miejsca (powstałe na skutek
domieszkowania), zwane dziurami, które mają ładunek elektryczny dodatni. Półprzewodniki
znalazły zastosowanie w elementach elektronicznych i scalonych układach elektronicznych,
takich jak diody, tranzystory, wzmacniacze operacyjne i w wielu innych.
Prąd elektryczny w półprzewodnikach jest uporządkowanym ruchem elektronów lub
dziur pod wpływem oddziaływania zewnętrznego pola elektrycznego. Przepływ prądu
w półprzewodniku zale\
y od jego polaryzacji.
Większość elementów półprzewodnikowych zawiera ró\
nego rodzaju złącza, czyli
atomowo ścisłe związki kryształów ciała stałego. Najczęściej są to z łącza półprzewodnik
 półprzewodnik (PN), lub metal półprzewodnik.
Złącze półprzewodnik półprzewodnik (PN) stanowi warstwę przejściową pomiędzy
obszarem półprzewodnika typu P a obszarem półprzewodnika typu N.
Polaryzacja złącza PN, czyli doprowadzenia do niego z zewnątrz napięcia elektrycznego
powoduje zakłócenia jego równowagi elektrycznej. Rozró\
niamy dwa sposoby polaryzacji
złącza PN:
- polaryzacjÄ™ w kierunku zaporowym, zwanÄ… te\
wsteczną, kiedy przez złącze nie płynie prąd,
- polaryzację w kierunku przewodzenia, kiedy w złączu występuje zjawisko przepływu prądu.
Podstawowe półprzewodnikowe elementy elektroniczne
Diody półprzewodnikowe
Dioda półprzewodnika posiada dwie elektrody anodę i katodę. Ze względu na zasadę
działania i przeznaczenia rozró\
nia się wiele rodzajów diod: prostownicze, stabilizacyjne,
impulsowe, pojemnościowe, uniwersalne, fotodiody, diody LED i inne.
Dioda prostownicza
a) b) c)
Rys. 22. a) Symbol diody prostowniczej b) polaryzacja diody prostowniczej w kierunku przewodzenia,
c) polaryzacja diody prostowniczej w kierunku zaporowym [3, s.54]
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
43
W układach elektronicznych dioda prostownicza wykorzystywana jest przede wszystkim
do przekształcania prądu zmiennego w jednokierunkowy prąd pulsujący. Przewodzi ona prąd
w jednym kierunku. Je\
eli 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 zale\
y 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 siÄ™ pomimo du\
ych 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
mo\
emy go pominąć. W kierunku zaporowym do diody mo\
na przyło\
yć tylko określone
napięcia 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 przyło\
one 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 tunelowe,
polegające na szybkim wzroście wartości prądu przy prawie niezmienionej wartości spadku
napięcia. Diody stabilizacyjne stosuje się w układach stabilizacji napięć, w ogranicznikach
amplitudy, w układach z
ródeł napięć odniesienia itp.
a) b)
Rys. 23. Symbole graficzne diod a) stabilizacyjna [3, s. 59], b) LED [3, s. 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 niÄ… rezystor ograniczajÄ…cy prÄ…d.
Diody LED wykorzystuje siÄ™ zasadniczo jako samodzielne elementy sygnalizujÄ…ce,
buduje się z nich równie\
wyświetlacze.
Tranzystory
Obecnie produkowane jest wiele typów tranzystorów przeznaczonych do ró\
nych
zastosowań. Mogą one występować jako elementy dyskretne (elementy odrębne) , najczęściej
jednak stanowią podstawowy element układów scalonych.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
44
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny przeznaczony jest do pracy jako wzmacniacz sterowany prÄ…dowo.
Zbudowany jest z trzech warstw półprzewodnika stanowiących kombinację dwóch złącz PN.
Ze wzglądu na budowę rozró\
niamy tranzystory bipolarne typu PNP i NPN. Tranzystor
bipolarny mo\
na przedstawić jako dwie diody przewodzące prąd w kierunku bazy (PNP),
albo w kierunku od bazy (NPN).
a) b)
Rys. 24. Symbol tranzystora a) PNP, b) NPN [3, s. 62]
Struktura półprzewodnikowa tranzystora umieszczona jest w hermetycznie zamkniętej
obudowie chroniącej przed uszkodzeniami mechanicznymi, ale równie\
spełniającej inne
funkcje np. w tranzystorach średniej i du\
ej mocy stosuje siÄ™ specjalne elementy
odprowadzające ciepło zwane radiatorami.
Tranzystor bipolarny posiada trzy elektrody E  emiter, B  bazÄ™, C  kolektor. Baza jest
elektrodą sterująca. Zazwyczaj tranzystor pracuje jako wzmacniacz prądowy. Mały prąd
wpływający do bazy umo\
liwia przepływ większego prądu pomiędzy kolektorem a emiterem.
Jest to tak zwany stan aktywny pracy tranzystora.
Tranzystor bipolarny mo\
e równie\
pracować w stanie nieprzewodzenia zwanego te\

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 du\
ego prÄ…du
kolektora, przy minimalnym napięciu pomiędzy kolektorem a emiterem.
Tranzystor unipolarny (polowy)
a) b)
Rys. 25. Symbol graficzny tranzystora unipolarnego JFET
a) z kanałem typu N, b) z kanałem typu P[3, s. 82]
Tranzystor unipolarny posiada trzy elektrody bramkÄ™ (oznaczonÄ… symbolem G), dren
(oznaczony symbolem D) i z
ródło (oznaczony symbolem S).
Tyrystor, diak i triak to elektroniczne elementy przełączające stosowane do sterowania
urządzeń energoelektronicznych.
Tyrystor
Tyrystor posiada trzy elektrody: anodÄ™  A, katodÄ™  K i elektrodÄ™ sterujÄ…cÄ… czyli bramkÄ™
 G. Zwany jest diodÄ… sterowanÄ…, poniewa\
mo\
e 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.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
45
a) b) c)
Rys. 26. Symbole: a) tyrystora, b) diaka c) triaka [3, s. 79]
Triak
Triak zwany jest te\
tyrystorem symetrycznym. Posiada trzy elektrody: anodÄ™ oznaczonÄ…
symbolem A, katodą oznaczoną symbolem K i bramkę oznaczoną symbolem G. Ró\
ni siÄ™ od
tyrystora tym, \
e mo\
e przewodzić prąd w obu kierunkach.
Diak
Diak zwany jest te\
diodą spustową, przewodzi prąd w dwóch kierunkach. Jest to triak
bez wyprowadzonej bramki. Diaki stosowane sÄ… do sterowania triakami.
4.7.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakimi własnościami elektrycznymi charakteryzują się półprzewodniki?
2. Na czym polega polaryzacja złącza PN?
3. Jakie zastosowanie ma dioda prostownicza?
4. Jaka jest ró\
nica w działaniu diody prostowniczej i Zenera?
5. W jakim celu stosuje siÄ™ diody LED?
6. Jaka jest zasada działania tyrystora?
7. Jakie elementy nazywamy przełączającymi i gdzie są stosowane?
8. Jaka jest ró\
nica w działaniu tyrystora i triaka?
9. Jakie znasz typy tranzystorów?
10. Jakie wyprowadzenia posiada tranzystor bipolarny, a jakie unipolarny?
4.7.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Określ parametry tranzystora bipolarnego na podstawie katalogu elementów
elektronicznych. Rozró\
nij jego wyprowadzenia.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) dokonać oględzin otrzymanego tranzystora,
2) określić typ tranzystora,
3) wybrać odpowiedni katalog elementów elektronicznych,
4) wyszukać w katalogu kartę danego typu tranzystora,
5) określić parametry elementu,
6) rozró\
nić wyprowadzenia tranzystora,
7) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
46
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- tranzystor bipolarny,
- katalogi elementów elektronicznych.
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 pracy.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- schemat układu elektronicznego,
- literatura wskazana przez nauczyciela.
4.7.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) scharakteryzować właściwości półprzewodników?
1
1

2) scharakteryzować przewodzenie prądu elektrycznego przez
półprzewodniki? 1
1

3) scharakteryzować złącze PN?
1
1

4) wyjaśnić zasadę działania podstawowych elementów elektronicznych?
1
1

5) rozró\
nić symbole graficzne podstawowych elementów elektronicznych?
1
1

6) określić na podstawie katalogu parametry elementów elektronicznych?
1
1

7) rozró\
nić wyprowadzenia elementów elektronicznych?
1
1

8) scharakteryzować zastosowanie podstawowych elementów elektronicznych?
1
1

9) wyjaśnić ró\
nice w działaniu triaka i tyrystora?
1
1

 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
47
4.8. Układy elektroniczne
4.8.1. Materiał nauczania
Prostownik to układ przetwarzający 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 jest prostownik dwupołówkowy w układzie mostka
(Graetza).
a) b)
Rys. 27. Prostownik dwupołówkowy w układzie mostka Graetza
a) schemat, b) wykresy czasowe napięcia wjściowego Uwy oraz prądu wyjściowego Uwy [3, s. 105]
W czasie dodatniej połówki napięcia wejściowego prąd płynie uzwojenie wtórne
transformatora, przez diodÄ™ D1, obciÄ…\
enie RL i diodę D3, natomiast przy ujemnej połówce
napięcia wejściowego prąd płynie uzwojenie wtórne transformatora, przez diodę D2,
obciÄ…\
enie RL i diodÄ™ D4. W obu przypadkach prÄ…d przez obciÄ…\
enie płynie w tym samym
kierunku i ma charakter pulsujÄ…cy. Je\
eli w układzie prostownika dwupołówkowego
zastosujemy filtr w postaci kondensatora C uzyskamy znacznie lepszy stosunek czasu
rozładowania kondensatora do czasu ładowania ni\
w układzie jednopołówkowym. Zatem
przy tym samym obciÄ…\
eniu czas rozładowania kondensatora w układzie mostkowym jest
znacznie krótszy ni\
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. 28. Układ stabilizatora parametrycznego [3, s. 296]
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
48
Najprostszy stabilizator to tzw. stabilizator parametryczny. Układ ten jest zbudowany
z rezystora i połączonej z nim szeregowo diody stabilizacyjnej. Jeśli napięcie wejściowe,
będzie miało mniejszą wartość ni\
napięcie Zenera, dioda nie przewodzi prądu, a wartość
napięcia wyjściowego jest równa wartości napięcia wejściowego. Je\
eli natomiast napięcie
wejściowe uzyska wartość napięcia Zenera lub wzrośnie ponad tą wartość, dioda zacznie
przewodzić, a napięcie wyjściowe będzie równe napięciu Zenera.
Układy stabilizatorów produkowane obecnie w postaci układów scalonych mają znacznie
bardziej skomplikowanÄ… i rozbudowanÄ… konstrukcjÄ™.
Zasilacze dostarczają do urządzenia zasilanego napięcia stałe, które są 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 tak\
e zmian obciÄ…\
enia. Z tego względu zasilacz zawiera zazwyczaj
stabilizator napięcia, którego zadaniem jest utrzymanie stałej wartości napięcia. Ponadto
ka\
dy zasilacz sieciowy napięcia stałego musi składać się z bloku obni\
ającego napięcie sieci
230 V  transformatora i układu zamieniającego obni\
one napięcie przemienne na stałe, czyli
układu prostownika z filtrem.
Rys. 29. Schemat blokowy zasilacza [18]
Wzmacniacze
Rys. 30. 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.
Najwa\
niejszym 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 rozró\
niamy wzmacniacze napięciowe, prądowe i mocy.
Układy scalone
Powszechnie stosowane są obecnie układy scalone spełniające określoną funkcję
układową, w której wszystkie lub część elementów są wykonane nierozłącznie w podło\
u lub
umieszczone na podło\
u. W układzie takim nie jest mo\
liwe rozłączenie elementów, zmiana
ich połączenia czy naprawa. Układ scalony mo\
e spełniać tylko jedną funkcję. W postaci
układów scalonych produkuje się prostowniki, stabilizatory, wzmacniacze, generatory
i szereg specjalistycznych układów o ściśle określonych parametrach.
W technice cyfrowej stosowane są układy scalone zawierające podstawowe elementy
logiczne czyli bramki, ale te\
układy cyfrowe takie jak liczniki czy rejestry.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
49
Wzmacniacz operacyjny to 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 ró\
nica sygnałów z tych wejść, a wartość tego wzmocnienia jest bardzo
du\
a.
Wzmacniacz operacyjny słu\
y do budowy wielu układów wzmacniających, generatorów,
komparatorów i innych.
a)
Rys. 31. a) Symbol wzmacniacza operacyjnego [3, s.197]
b) Wzmacniacz nieodwracajÄ…cy [3, s.206], c) Wzmacniacz odwracajÄ…cy [3, s.204]
Generator to układ wytwarzający przebiegi elektryczne o określonym kształcie np.
sinusoidalnym (generatory przebiegów sinusoidalnych), prostokątnym czy trójkątnym
(generatory przebiegów niesinusoidalnych). Generator przetwarza energię elektryczną
pozyskiwanÄ… ze z
ródła napięcia zasilania, zamieniając ją (z pewnymi stratami) w energię
generowanego napięcia zmiennego. W zale\
ności od układu określającego częstotliwość
drgań rozró\
niamy generatory:
- LC  gdzie częstotliwość zale\
y od obwodu rezonansowego LC,
- RC  gdzie układ ten zło\
ony jest z elementów rezystancyjnych R i pojemnościowych C,
- elektromechaniczne  posiadajÄ…ce elementy wytwarzajÄ…ce drgania mechaniczne np.
płytkę piezoelektryczną (szczególnie rozpowszechnione są tego typu generatory
kwarcowe).
W celu wzbudzenia drgań stosuje się najczęściej sprzę\
enie zwrotne, rzadziej elementy
o ujemnej rezystancji (ze względu na gorsze parametry układu), połączone z szeregowym lub
równoległym obwodem rezonansowym LC.
Generator ze sprzÄ™\
eniem zwrotnym składa się z wzmacniacza o wzmocnieniu napięciowym
Ku oraz bloku sprzÄ™\
enia zwrotnego .
Rys. 32. Schemat blokowy generatora [3, s. 252]
Podstawowe układy generatorów LC ze sprzę\
eniem zwrotnym to generatory Meissnera,
Colpittsa i Hartleya.
W generatorze Meissnera sprzÄ™\
enie zwrotne realizowane jest za pomocÄ… transformatora,
którego uzwojenie wtórne o indukcyjności L2 i kondensator C2 tworzą obwód rezonansowy.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
50
Generator Colpittsa zawiera dzielnik pojemnościowy C1 , C2 , określający wartość napięcia
dodatniego sprzÄ™\
enia zwrotnego. Częstotliwość generowanych drgań określona jest przez
obwód rezonansowy zło\
ony z połączonych szeregowo kondensatorów C1 i C2 i cewki
o indukcyjności L12.
W generatorze Hartleya dodatnie sprzÄ™\
enie zwrotne realizuje cewka z dzielonym
uzwojeniem (L1 , L2).Częstotliwość generowanego sygnału określa równoległy obwód
rezonansowy zło\
ony z indukcyjności L = L1 + L2 i pojemności C12.
Rys. 33. Układy generatorów LC drgań sinusoidalnych [3, s. 255]
Generatory impulsów prostokątnych zwane są te\
przerzutnikami znalazły szerokie
zastosowanie w układach cyfrowych sterujących pracą skomplikowanych urządzeń
elektrycznych i elektronicznych
Przerzutniki astabilne czyli multiwibratory to układy samowzbudne generujące przebiegi
okresowe o kształcie prostokątnym.
Przerzutniki monostabilne czyli uniwibratory wytwarzajÄ… jednorazowy impuls
prostokątny. Mają jeden stan trwałej równowagi, który utrzymuje się tak długo, a\
pojawi siÄ™
impuls wyzwalający. Wówczas następuje przejście ze stanu stabilnego do niestabilnego.
Przerzutniki mają dwa stany równowagi trwałej, między którymi przejścia następują po
zadziałaniu zewnętrznych sygnałów wyzwalających lub synchronizujących. Układy te noszą
równie\
nazwę układów flip flop.
Układy wszelkich generatorów mo\
na realizować z wykorzystaniem wzmacniacza
operacyjnego.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
51
 d)
Rys. 34. a), b), c) przerzutniki astabilne ze wzmacniaczami operacyjnymi
d) uniwibrator ze wzmacniaczem scalonym [3, s. 274]
4.8.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jaka jest zasada działania prostownika?
2. W jakim celu stosuje siÄ™ stabilizator?
3. Z jakich układów zbudowany jest zasilacz?
4. Do czego słu\
y wzmacniacz?
5. Co to jest układ scalony?
6. Czym charakteryzuje siÄ™ wzmacniacz operacyjny?
7. Jakie układy mo\
na budować w oparciu o wzmacniacz operacyjny?
8. Jakie jest zadanie generatora?
9. W jaki sposób określa się częstotliwość drgań generatorów?
10. Jakie przebiegi generujÄ… przerzutniki?
4.8.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Określ na podstawie dokumentacji technicznej z jakich układów składa się zasilacz
stabilizowany. Scharakteryzuj działanie tych układów.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) zapoznać się z dokumentacją techniczną zasilacza stabilizowanego,
2) scharakteryzować zasadę działania zasilacza,
3) rozró\
nić na schemacie poszczególne układy urządzenia,
4) scharakteryzować działanie rozró\
nionych układów,
5) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- dokumentacja techniczna zasilacza stabilizowanego,
- literatura wskazana przez nauczyciela.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
52
Ćwiczenie 2
Określ typ i zastosowanie układu scalonego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) dokonać oględzin otrzymanego układu scalonego,
2) odczytać oznaczenia układu,
3) określić typ układu posługując się katalogiem elementów i układów elektronicznych,
4) scharakteryzować zastosowanie układu scalonego,
5) zaprezentować wyniki swojej pracy.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- katalog elementów i układów elektronicznych,
- literatura wskazana przez nauczyciela.
4.8.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) scharakteryzować budowę i zasadę działania prostownika?
1
1

2) wyjaśnić zasadę działania stabilizatora?
1
1

3) scharakteryzować budowę i działanie zasilacza?
1
1

4) określić zasadę działania układów wzmacniających i generacyjnych?
1
1

5) scharakteryzować układy scalone?
1
1

6) określić na podstawie katalogu elementów i układów elektronicznych
typ i zastosowanie scalonego układu elektronicznego? 1
1

7) scharakteryzować wzmacniacz operacyjny?
1
1

8) scharakteryzować generatory ze względu na budowę?
1
1

9) określić zastosowanie podstawowych układów elektronicznych?
1
1

10) wyjaśnić działanie układów elektronicznych na podstawie schematów?
1
1

 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
53
4.9. Elementy i układy logiczne
4.9.1. Materiał nauczania
Układy logiczne zbudowane są z elementów logicznych zwanych bramkami logicznymi.
Bramki logiczne.
Bramki to podstawowe elementy logiczne zwane te\
funktorami, które realizują funkcje
logicznÄ… jednej lub wielu zmiennych.
Zmienna logiczna to sygnał elektryczny (napięcie) dwustanowy o wartościach logicznych
1 i 0. Podstawowe funkcje logiczne to: suma logiczna, iloczyn logiczny i negacja.
Suma logiczna oznacza a + b jest równa 1, gdy którykolwiek ze składników jest równy 1.
Iloczyn logiczny oznaczony aÅ" b , jest równy 1, gdy wszystkie czynniki sÄ… równe 1.
Suma logiczna i iloczyn logiczny mogą mieć dowolną ilość argumentów.
Negacja jest działaniem jednoargumentowym i równa się 1 gdy argument ma wartość 0.
Działanie bramek logicznych opisuje się za pomocą
- tablic prawdy, które ujmują wszystkie kombinacje sygnałów wejściowych
- i odpowiadające im wyniki sygnałów wyjściowych.
- funkcji logicznych.
Bramka OR (LUB) mo\
e mieć dwa lub więcej wejść, realizuje funkcję sumy logicznej
a + b
a b a + b
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
a) b)
Rys. 35. Dwuwejściowa bramka OR: a) symbol graficzny, b) tablica prawdy [4, s. 34]
Bramka AND ( I ) mo\
e mieć dwa lub więcej wejść, realizuje funkcję iloczynu
logicznego ab
a b ab
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
a) b)
Rys. 36. Dwuwejściowa bramka AND: a) symbol graficzny; b) tablica prawdy [4, s. 34]
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
54
Bramka NOT ( NIE ) posiada jedno wejście i realizuje funkcję negacji a
a
a
0 1
1 0
a) b)
Rys. 37. Bramka NOT: a) symbole graficzne; b) tablica prawdy [4, s. 34]
Bramka NAND ( NIE I ) mo\
e mieć dwa lub więcej wejść, realizuje funkcję
zanegowanego iloczynu logicznego ab
a b
ab
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
a) b)
Rys. 38. Dwuwejściowa bramka NAND: a) symbole graficzne; b) tablica prawdy [4, s. 35]
Bramka NOR ( NIE LUB ) mo\
e mieć dwa lub więcej wejść, realizuje funkcję sumy
logicznej a+ b .
a b
a+ b
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
a) b)
Rys. 39. Dwuwejściowa bramka NOR: a) symbole graficzne; b) tablica prawdy [4, s. 36]
Bramka NOR jest funkcjonalnie pełna.
Branka Ex-OR (XOR, ALBO) realizuje funkcjÄ™ sumy modulo dwa opisana zale\
nością:
a •" b = a b + a b
a b
a •" b
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
a) b)
Rys. 40. Dwuwejściowa bramka Ex-OR: a) symbol graficzny; b) tablica prawdy [4, s. 36]
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
55
Branka Ex-NOR (NIE ALBO) realizuje funkcję równowa\
ności a " b = a a" b = ab + a b
a b
a " b
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 1
a) b)
Rys. 41. Dwuwejściowa bramka Ex-NOR a) symbol graficzny; b) tablica prawdy. [4, s. 36]
Podstawowe układy logiczne to układy kombinacyjne słu\
Ä…ce do sterowania
skomplikowanymi układami czy urządzeniami elektronicznymi. Wśród układów
kombinacyjnych wyró\
niamy układy komutacyjne umo\
liwiające przełączanie sygnałów
cyfrowych. Nale\
Ä… do nich: multipleksery, demultipleksery.
Multiplekser słu\
y do wyboru jednego z sygnałów wejściowych i przekazania go na
wyjście układu.
Demultiplekser umo\
liwia przekazanie sygnału z wejścia informacyjnego do jednego
z jego wyjść.
a) b) c)
Rys. 42. Symbole graficzne a) multipleksera. [4, s. 201], b) demultipleksera. [4, s. 203], c) ALU [4, s. 233]
Układem realizującym funkcje logiczne jest te\
jednostka arytmetyczno-logiczna ALU,
stanowiąca podstawowy blok mikroprocesora. Prócz operacji logicznych wykonuje równie\

operacje arytmetyczne.
Układy sekwencyjne są układami kombinacyjnymi wyposa\
onymi w pamięć. Stan
wyjść w układzie sekwencyjnym zale\
y od stanu wejść oraz od poprzednich stanów
wyjściowych. Elementem pamiętającym w układzie sekwencyjnym jest przerzutnik.
Jednocześnie przerzutnik jest najprostszym układem sekwencyjnym.
Przerzutniki dzielimy na :
- asynchroniczne, które nie posiadają wejścia zegarowego,
- synchroniczne, które reagują na informacje podaną na wejścia informacyjne tylko
w obecności aktywnego sygnału zegarowego (stan wejść informacyjnych powinien być
wówczas ustalony).
Przerzutnik synchroniczny typu D posiada jedno wejście informacyjne D oraz wejście
zegarowe. Przy aktywnym sygnale zegarowym informacja z wejścia D zostaje przepisana na
wyjście Q.
Przerzutnik synchroniczny typu T posiada jedno wejście informacyjne T oraz wejście
zegarowe C. Zmiana stanu wyjścia przerzutnika na przeciwny następuje przy aktywnym
sygnale zegarowym i jedynce logicznej na wejściu T.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
56
Przerzutnik synchroniczny typu RS posiada dwa wejścia informacyjne S ustawiające
oraz R  zerujące i wejście zegarowe C. Stan 11 na wejściach informacyjnych jest stanem
zabronionym.
Przerzutnik synchroniczny typu RS posiada dwa wejścia informacyjne J oraz K
i wejście zegarowe C. Wejście J = 1 ustawia przerzutnik w stan 1, natomiast wejście K = 1
ustawia przerzutnik w stan 0. Stan 11 na wejściach informacyjnych powoduje zmianę stanu
wyjścia przerzutnika na przeciwny.
a) b) c) d)
Rys. 43. Symbole przerzutników synchronicznych:
a) D [4, s. 122], b) T [4, s. 123], c) RS [4, s. 123], d) JK [4, s. 123],
4.9.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Na jakich wartościach operują funkcje logiczne?
2. Jakie znasz funkcje logiczne?
3. Z jakich elementów budowane są układy logiczne?
4. Jakie znasz bramki logiczne?
5. Jakie jest zadanie układów komutacyjnych?
6. Czym charakteryzują się układy sekwencyjne?
7. Jakie znasz przerzutniki?
4.9.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Rozró\
nij układ scalony zawierający dwuwejściowe bramki NAND. Określ jego
wyprowadzenia.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w katalogu elementów i układów elektronicznych rozdział dotyczący
cyfrowych układów scalonych,
2) określić, który układ scalony zawiera dwuwejściowe bramki NAND,
3) określić ile zawiera elementów i jak są jego wyprowadzenia,
4) wybrać spośród otrzymanych elementów układ UCY7400,
5) rozró\
nić wyprowadzenia układu,
6) scharakteryzować działanie bramki NAND,
7) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
57
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- ró\
ne układy scalone, wśród nich układ UCY7400,
- katalog elementów i układów elektronicznych,
- literatura wskazana przez nauczyciela.
Ćwiczenie 2
Rozró\
nij na schemacie układu elektronicznego symbole elementów logicznych.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować otrzymany schemat,
2) rozró\
nić na schemacie symbole elementów logicznych,
3) określić funkcje logiczne jakie realizują rozró\
nione elementy,
4) zaprezentować wyniki ćwiczenia
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- schemat funkcjonalny układu elektronicznego z bramkami logicznymi,
- literatura wskazana przez nauczyciela.
4.9.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) realizować funkcje logiczne?
1
1

2) wyjaśnić działanie podstawowych bramek logicznych?
1
1

3) rozró\
nić na schemacie ideowym symbole elementów i układów
logicznych? 1
1

4) określić zadania układów komutacyjnych?
1
1

5) dobrać z katalogu elementów i układów elektronicznych, układ scalony
zawierający określone elementy logiczne? 1
1

6) rozró\
nić na podstawie katalogu elementów i układów elektronicznych,
wyprowadzenia układu scalonego zawierającego elementy logiczne? 1
1

7) rozró\
nić przerzutniki?
1
1

 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
58
5. SPRAWDZIAN OSI
GNI
Ć
INSTRUKCJA DLA UCZNIA
1. Przeczytaj uwa\
nie instrukcję zanim zaczniesz rozwiązywać zadania.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartÄ™ odpowiedzi.
3. Test składa się z 20 zadań dotyczących obwodów prądu stałego i zmiennego
jednofazowego. Zadania od nr 1 do nr 15 sÄ… z poziomu podstawowego. Zadania od nr 16
do nr 20 sÄ… z poziomu ponadpodstawowego.
4. Zadania zawierają cztery odpowiedzi, z których tylko jedna jest poprawna. Wybraną
odpowiedz
zakreśl znakiem X.
5. Jeśli uznasz, \
e pomyliłeś się i wybrałeś nieprawidłową odpowiedz
, to otocz ją kółkiem,
a prawidłową odpowiedz
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, rozwią\
inne i ponownie spróbuj rozwiązać
trudniejsze.
9. Przed wykonaniem ka\
dego zadania przeczytaj bardzo uwa\
nie polecenie.
10. Odpowiedzi udzielaj tylko na załączonej karcie odpowiedzi.
11. Na rozwiązanie wszystkich zadań masz 60 minut.
Powodzenia!
ZESTAW ZADAC
TESTOWYCH
1. Zale\
ność: i = Im Å"(sin Ét + Õ), okreÅ›la wartość
a) skutecznÄ… prÄ…du przemiennego.
b) średnią prądu przemiennego.
c) chwilową prądu stałego.
d) chwilowÄ… prÄ…du przemiennego.
2. Rezystory, kondensatory i cewki to elementy elektryczne
a) z
ródłowe.
a) odbiorcze.
b) regulacyjne.
c) wzmacniajÄ…ce.
3. Watomierz słu\
y do pomiaru:
a) pośredniego mocy.
b) napięcia.
c) bezpośredniego mocy.
d) prÄ…du.
4. Woltomierze mierzą wartość:
a) średnią napięcia przemiennego.
b) chwilową napięcia przemiennego.
c) skuteczną napięcia przemiennego.
d) międzyszczytową napięcia przemiennego.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
59
5. W obwodzie elektrycznym nierozgałęzionym elementy połączone są
a) szeregowo.
b) równoległe.
c) mieszanie.
d) w gwiazdÄ™.
6. Rysunek przedstawia symbol
a) diody stabilizacyjnej.
b) diody prostowniczej.
c) diody LED.
d) tyrystora.
7. Rezystory nie sÄ… Å‚Ä…czone
a) szeregowo.
b) równolegle.
c) mieszanie.
d) łańcuchowo.
8. Bramki OR realizujÄ… funkcjÄ™
a) sumy logicznej.
b) iloczynu logicznego.
c) zanegowanego iloczynu logicznego.
d) zanegowanej sumy logicznej.
9. Do osprzętu instalacyjnego nie nale\
Ä…
a) gniazda czyli Å‚Ä…czniki wtykowe
b) odgałęz
niki,
c) zasilacze.
d) bezpieczniki.
10. MaszynÄ… elektrycznÄ… indukcyjnÄ… jest
a) piec indukcyjny.
b) silnik trójfazowy.
c) silnik prądu stałego.
d) prądnica prądu stałego.
11. Znamionowy moment obrotowy jest parametrem
a) elektrycznych urządzeń grzewczych.
b) urządzeń sterowania automatycznego.
c) urządzeń zasilających.
d) napędowych urządzeń elektrycznych.
12. W układach automatycznego sterowania elektrycznego załączania silników stosuje się
a) styczniki.
b) wzmacniacze operacyjne.
c) zasilacze.
d) generatory.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
60
13. JednostkÄ… mocy czynnej prÄ…du przemiennego jest
a) wolt [V].
b) om [&!].
c) wat [W].
d) herc [Hz].
14. Wśród elektrycznych urządzeń grzewcze, nie wyró\
niamy urządzeń
a) potencjometrycznych.
b) pojemnościowych.
c) rezystancyjnych.
d) indukcyjnych.
15. Elektronicznym elementem przełączającym nie jest
a) tyrystor.
b) triak.
c) dioda spustowa.
d) dioda stabilizacyjna.
16. Rysunek przedstawia schemat przebiegu napięcia wejściowego i wyjściowego układu
a) prostownika dwupołówkowego z filtrem pojemnościowym.
b) generatora napięcia sinusoidalnie zmiennego.
c) prostownika jednopołówkowego.
d) prostownika jednopołówkowego z filtrem pojemnościowym.
17. Wartość okresu napięcia przemiennego o częstotliwości f = 500Hz wynosi
a) 2 s.
b) 0,002 ms.
c) 500 s.
d) 2 ms.
18. Rysunek przedstawia schemat układu do pomiaru mocy
a) prądu stałego metodą bezpośrednią.
b) biernej prądu stałego metodą techniczną.
c) czynnej w obwodzie prądu przemiennego, metodą bezpośrednią i techniczną.
d) biernej prądu stałego metodą techniczną.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
61
19. Moc wydzielona na rezystorze o rezystancji 1 k&!, na którym woltomierz wskazał spadek
napięcia 5V wynosi
a) 25W.
b) 25mW.
c) 20W.
d) 20mW.
20. Wartość skuteczna prądu przemiennego płynącego przez rezystor R = 10 k&!, na który
woltomierz wskazał spadek napięcia U = 15 V wynosi:
a) 15 mA.
b) 1,5 mA .
c) 1,5 A.
d) 150 mA.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
62
KARTA ODPOWIEDZI
ImiÄ™ i nazwisko................................................................................................
Analizowanie układów elektrycznych i elektronicznych
Zakreśl poprawną odpowiedz

Nr
Odpowiedz
Punkty
zadania
1. a b c d
2. a b c d
3. a b c d
4. a b c d
5. a b c d
6. a b c d
7. a b c d
8. a b c d
9. a b c d
10. a b c d
11. a b c d
12. a b c d
13. a b c d
14. a b c d
15. a b c d
16. a b c d
17. a b c d
18. a b c d
19. a b c d
20. a b c d
Razem:
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
63
6. LITERATURA
1. Bastion P., Wicher W., Schubert G., Spielvogel O.: Praktyczna elektrotechnika ogólna.
REA, Warszawa 2005
2. Bolkowski S.: Elektrotechnika. WSiP, Warszawa 2000
3. Chwalebna A., Moeschke B., PÅ‚oszajski G.: Elektronika WSiP, Warszawa 1996
4. Głocki W.: Układy cyfrowe. WSiP, Warszawa 2000
5. Jabłoński W., Płoszajski G.: Elektronika z automatyką. WSiP, Warszawa 2003
6. Karty katalogowe i dokumentacja typowych urządzeń stosowanych w górnictwie
7. Kostro J.: Elementy, urządzenia i układy automatyki. WSiP, Warszawa 1997
8. Kotlarski W., Grad J.: Aparaty i urzÄ…dzenia elektryczne. WSiP, Warszawa 2004
9. Krasicki F.: Zagro\
enia elektryczne w górnictwie. Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1984
10. Krasucki F.: Elektryfikacja podziemnych zakładów górniczych. Wydawnictwo PŚl,
Gliwice 1998
11. Kurdziel R.: Elektrotechnika. WSiP, Warszawa 1992
12. Marusak A.: Urządzenia elektroniczne. Cz. III. Budowa i działanie urządzeń. WSiP,
Warszawa 2000
13. Mastaliński M., Siwek W.: Maszyny, urządzenia elektryczne i automatyka w górnictwie.
Wydawnictwo ÅšlÄ…sk, Katowice 1998
14. Maszynoznawstwo. WSiP, Warszawa 1993
15. Pióro B. i M.: Podstawy elektroniki. WSiP, Warszawa 1996
16. Utikal J.: Elektronika i automatyka w górnictwie. Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1981
17. Normy dotyczące układów regulacji i sterowania
18. www.elfa.se
19. www.silnikielektryczne.prv.pl
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
64