Stany pracy, pomiary, skutki działania prądu Wykłady z podstaw elektrotechniki i elektroniki Paweł Jabłoński

Co było do tej pory? Pojęcia podstawowe: prąd, napięcie, rezystancja. Elementy obwodu (rezystory, źródła napięcia, źródła prądu), struktura obwodu (gałęzie, węzły, oczka). Prawa Kirchhoffa, prawo Ohma. Redukcja układu połączeń rezystorów. Metody ogólne analizy obwodów (równań Kirchhoffa, oczkowa, potencjałów węzłowych). Twierdzenia pomocnicze (zasada superpozycji, twierdzenie Thevenina, inne twierdzenia).

Na tym wykładzie Cel: Zapoznanie się ze stanami pracy obwodu, z zasadami pomiaru wybranych wielkości elektrycznych, z niektórymi działaniami przepływu prądu. Zakres: Moc i sprawność, Stany pracy obwodu, Mierniki do pomiaru prądu, napięcia, mocy, Skutki działania prądu elektrycznego.

1 Sprawność Sprawność Sprawnością nazywamy iloraz mocy użytecznej Puż do mocy całkowitej Pdost. Sprawność jest liczbą niemianowaną z zakresu od 0 do 1. U Pdost Puż ΔP

Sprawność układu źródło-odbiornik W układzie źródło-odbiornik sprawność równa się ilorazowi mocy wydzielanej na odbiorniku P do mocy dostarczonej przez źródło Pźr. Sprawność rośnie wraz ze wzrostem rezystancji odbiornika. Rw E0 R R η Rw 0,5 1

Sprawność urządzeń elektrycznych Sprawnością urządzenia elektrycznego nazywamy iloraz mocy użytecznej uzyskanej z urządzenia do mocy dostarczonej do urządzenia. Sprawność niektórych urządzeń: Grzejniki, grzałki, piece: 0,6 do 0,99, Żarówki (z włóknem wolframowym): około 0,04, Świetlówki: około 0,16, Diody LED: około 0,2, Silniki i prądnice: od 0,3 (małe) do 0,99 (b. duże), Transformatory: od 0,95 do 0,99.

Sprawność kaskady urządzeń Pdost1 Puż1 Pdost2 ΔP12 U2 Puż2 Pdost3 ΔP23 Puż,n–1 Pdostn ΔPn–1,n Un Pużn ΔP1 ΔP2 ΔPn Sprawność kaskady urządzeń jest nie większa niż iloczyn sprawności poszczególnych urządzeń. Dowód:

Stany pracy 2 Stany pracy W pracy układu elektrycznego rozumianego jako zasilanie-odbiornik można wyróżnić cztery charakterystyczne stany: nominalny, jałowy, zwarcia, dopasowania energetycznego. Występowanie tych stanów uzależnione jest od wartości rezystancji odbiornika oraz od napięcia na jego zaciskach. Zasilanie I R A B Odbiornik U I R A B Rw E0 U

Stany pracy Stan nominalny Stanem nominalnym nazywamy stan, w którym odbiornik pracuje przy napięciu i prądzie, dla którego został zaprojektowany: W stanie nominalnym moc odbiornika równa się mocy nominalnej Pn. Należy starać się, aby odbiornik zawsze pracował w stanie nominalnym, w przeciwnym razie może on nie pracować poprawnie lub ulec zniszczeniu. Np., jeżeli żarówkę 12 V załączymy na napięcie 24 V, to prawdopodobnie „spali się”, jeżeli zaś załączymy ją na napięcie 2 V, to nie będzie w ogóle świecić. In R Un

Praca w stanie nienominalnym Stany pracy Praca w stanie nienominalnym Jeżeli odbiornik o napięciu nominalnym Un podłączymy do napięcia o wartości U, to przy założeniu, że jego rezystancja R = const, otrzymamy Wnioski: niewielki spadek napięcia powoduje znaczny spadek mocy odbiornika, niewielki wzrost napięcia powoduje znaczny wzrost mocy odbiornika, w typowych przypadkach niedopuszczalne jest załączanie odbiornika na napięcie wyższe od nominalnego.

Stany pracy Stan jałowy Stanem jałowym nazywamy stan, w którym przez odbiornik nie płynie prąd mimo obecności napięcia na jego zaciskach. Zachodzi to wtedy, gdy R = ∞. Napięcie na zaciskach źródła lub odbiornika w stanie jałowym U0 nazywamy napięciem stanu jałowego. W stanie jałowym odbiornik nie pobiera mocy (gdyż I = 0). I = 0 Rw E0 U = U0

Stany pracy Stan zwarcia Stanem zwarcia nazywamy stan, w którym na zaciskach odbiornika nie występuje napięcie mimo że przez niego płynie prąd. Zachodzi to wtedy, gdy R = 0. Prąd płynący w stanie zwarcia nazywamy prądem zwarciowym. Prąd zwarciowy ograniczony jest jedynie rezystancją wewnętrzną, rezystancją przewodów i styków i może osiągać znaczne wartości prowadzące do zniszczenia układu. W stanie zwarcia odbiornik nie pobiera mocy (gdyż R = 0). I = Iz Rw E0 U = 0

Stan dopasowania energetycznego Stany pracy Stan dopasowania energetycznego Stanem dopasowania energetycznego nazywamy stan, w którym na odbiorniku wydziela się maksymalna moc przy stałych parametrach źródła zasilania. Zachodzi to wtedy, gdy Moc wydzielana na odbiorniku wynosi wtedy Taka sama moc wydziela się na rezystancji wewnętrznej. I R=Rw Rw E0 U

Stan dopasowania – wyprowadzenie Stany pracy Stan dopasowania – wyprowadzenie I R Rw E0 R Rw P Pmax

Stan dopasowania – uwagi Stany pracy Stan dopasowania – uwagi Zaleta: do odbiornika trafia maksymalna moc, jaką można uzyskać z danego źródła. Wada: Jest to jedynie połowa mocy źródła – druga połowa jest bezpowrotnie tracona na rezystancji wewnętrznej. Z tego powodu stan ten nie jest zwykle korzystny (sprawność wynosi 0,5, co przy przesyle mocy np. liniami energetycznymi jest niedopuszczalnie mało). Stan ten jest pożądany, jeżeli zależy nam na dostarczeniu do odbiornika maksymalnie dużej mocy (np. w układach telekomunikacji).

Stany pracy Przykład Dobrać rezystancję R0 tak, aby wydzieliła się na niej maksymalna moc. Jaka to będzie moc? 1 Ω 2 Ω R0 2 A 18 V

Stany pracy Przykład – c.d. Korzystamy z tw. Thevenina i oddziaływanie reszty obwodu na R0 przedstawiamy w postaci rzeczywistego źródła (E0, Rw). Wcześniej wyznaczyliśmy: E0 = 20 V, Rw = 1 Ω. Zatem 1 Ω 2 Ω R0 2 A 18 V A B Rw E0 R0

Mierniki i wielkości mierzone 3 Mierniki i pomiary Mierniki i wielkości mierzone Do pomiaru różnych wielkości używa się szeregu mierników. Do najważniejszych należą: Amperomierz – pomiar natężenia prądu, Woltomierz – pomiar napięcia, Omomierz – pomiar rezystancji, Watomierz – pomiar mocy, Licznik energii – pomiar energii elektrycznej, Tester – wykrywanie napięcia, pola elektrycznego.

Rodzaje mierników Mierniki dzieli się na: Mierniki i pomiary Rodzaje mierników Mierniki dzieli się na: Analogowe – pomiar polega na odczycie wychylenia wskazówki na skali, Cyfrowe – pomiar polega na odczycie wartości na wyświetlaczu elektronicznym. Mierniki analogowe mają zwykle ustrój mechaniczny i są obecnie coraz rzadziej stosowane ze względu na podatność na uszkodzenia i zachowanie odpowiednich warunków pomiaru (np. pomiar w pozycji poziomej). Mierniki cyfrowe oparte są na elektronice, są łatwiejsze w użyciu, bardziej odporne na uszkodzenie, zwykle dokładniejsze, mają możliwość współpracy z komputerem.

Amperomierz Do pomiaru natężenia prądu służy amperomierz. Mierniki i pomiary Amperomierz Do pomiaru natężenia prądu służy amperomierz. Amperomierz ma dwa zaciski oraz zwykle przełącznik wyboru zakresu pomiarowego. Do pomiaru małych prądów służy miliamperomierz oraz mikroamperomierz. Amperomierz laboratoryjny stołowy A μA Mikroamperomierz Amperomierz przemysłowy tablicowy

Amperomierz – pomiar prądu Mierniki i pomiary Amperomierz – pomiar prądu Amperomierz włącza się w gałąź, w której chcemy zmierzyć prąd (tzn. szeregowo z elementem, którego prąd mierzymy). Amperomierz prądu stałego ma zaciski oznaczone „+” i „−” i należy pamiętać, aby podłączyć go tak, aby prąd wpływał do zacisku „+”. Wniosek: pomiar prądu za pomocą amperomierza wymaga przerwania gałęzi i włączenia w przerwę amperomierza. Reszta obwodu I Reszta obwodu A I

Amperomierz – rezystancja wewnętrzna Mierniki i pomiary Amperomierz – rezystancja wewnętrzna Idealny amperomierz ma rezystancję równą zeru – jego włączenie nie zakłóca przepływu prądu. Rzeczywisty amperomierz charakteryzuje się pewną rezystancją wewnętrzną, która powinna być jak najmniejsza. Reszta obwodu I Reszta obwodu A I

Pomiar amperomierzem wskazówkowym Mierniki i pomiary Pomiar amperomierzem wskazówkowym Obowiązuje wzór: gdzie: W – wychylenie Wmax – maksymalne wychylenie na skali, Zakres – zakres pomiarowy. 1 2 3 4 5 6 12 A

Woltomierz Do pomiaru napięcia służy woltomierz. Mierniki i pomiary Woltomierz Do pomiaru napięcia służy woltomierz. Woltomierz ma dwa zaciski oraz zwykle przełącznik wyboru zakresu pomiarowego. Do pomiaru małych prądów służy miliawoltomierz oraz mikrowoltomierz. Do bardzo dokładnych pomiarów napięcia służy galwanometr. V Woltomierz laboratoryjny stołowy Woltomierz przemysłowy tablicowy

Woltomierz – pomiar napięcia Mierniki i pomiary Woltomierz – pomiar napięcia Woltomierz włącza się równolegle do elementu, na zaciskach którego chcemy zmierzyć napięcie. Woltomierz napięcia stałego ma zaciski oznaczone „+” i „−” i należy pamiętać, aby podłączyć go tak, aby potencjał zacisku „+” był wyższy od potencjału zacisku „−”. Wniosek: pomiar napięcia nie wymaga przerywania obwodu. Reszta obwodu U V U Reszta obwodu

Woltomierz – rezystancja wewnętrzna Mierniki i pomiary Woltomierz – rezystancja wewnętrzna Idealny woltomierz ma rezystancję równą nieskończoności – jego włączenie nie zakłóca przepływu prądu. Rzeczywisty woltomierz charakteryzuje się pewną rezystancją wewnętrzną, która powinna być jak największa. Odczyt wskazań woltomierza dokonuje się wg takiej samej zasady, jak w przypadku amperomierza. Reszta obwodu U V U Reszta obwodu

Mierniki i pomiary Woltomierz cyfrowy Wadą zwykłych woltomierzy analogowych jest ich niezbyt duża rezystancja (rzędu kilku do kilkunastu kΩ), co sprawia, że w dokładniejszych pomiarach nie można ich traktować jak idealnych. Woltomierze elektroniczne (zwane cyfrowymi) mają bardzo dużą rezystancję wewnętrzną (rzędu MΩ) i w większości przypadków mogą być traktowane jak woltomierze idealne.

Omomierz – pomiar rezystancji Mierniki i pomiary Omomierz – pomiar rezystancji Do pomiaru rezystancji służy omomierz. Omomierz ma dwa zaciski oraz zwykle przełącznik wyboru zakresu pomiarowego. Omomierz wymaga zasilania (zwykle bateryjne). Dokładniejsze pomiary rezystancji wykonuje się m.in. mostkiem Wheatstone’a lub Kelvina. Ω

Zasada działania mostka Wheatstone’a R1 UAB R4 R3 R2 A B U Jeżeli spełniony jest warunek to napięcie UAB równa się zero. Wykorzystuje to mostek Wheatstone’a, w którym w miejsce rezystora R1 włącza się rezystor o nieznanej rezystancji Rx. Regulując wartość rezystancji R2 dąży się do wyzerowania wskazań galwanometru. Wtedy Rezystory R2, R3 i R4 wykonane są w sposób bardzo dokładny (minimalizują np. wpływ temperatury na zmiany ich rezystancji). Rx R2 A G R3 R4 B U

Mierniki i pomiary Multimetr Przedstawione wyżej mierniki analogowe należą już do rzadkości. Wszystkie ich funkcje łączą w sobie mierniki zwane multimetrami. Starsze multimetry są analogowe, nowsze – cyfrowe. Cyfrowe multimetry oferują dodatkowe funkcje, np. sprawdzanie diody, tranzystora, kolejności faz w układach trójfazowych itp. Multimetr analogowy Multimetr cyfrowy

Mierniki i pomiary Multimetry cyfrowe

Watomierz Do pomiaru mocy służy watomierz. Mierniki i pomiary Watomierz Do pomiaru mocy służy watomierz. Watomierz ma cztery zaciski (dwa prądowe, dwa napięciowe) oraz zwykle dwa przełączniki wyboru zakresu pomiarowego (dla prądu i napięcia). Początek uzwojeń cewki prądowej i napięciowej zaznaczone są symbolem  W * Watomierz laboratoryjny stołowy

Watomierz – pomiar mocy Mierniki i pomiary Watomierz – pomiar mocy Cewkę prądową watomierza włącza się tak jak amperomierz (w szereg). Cewkę napięciową watomierza włącza się tak jak woltomierz (równolegle). Początki uzwojeń obydwu cewek należy zewrzeć (w typowych przypadkach). Zakres watomierza ustala się jako iloczyn zakresu prądu i napięcia. Reszta obwodu Reszta obwodu W *

Licznik energii Do pomiaru zużycia energii służy licznik energii. Mierniki i pomiary Licznik energii Do pomiaru zużycia energii służy licznik energii. Dawniejsze konstrukcje są mechaniczne i wykorzystują zjawisko indukowania się pola elektrycznego wskutek czasowych zmian pola magnetycznego (w przypadku prądu zmiennego). Nowsze konstrukcje są cyfrowe i działają dzięki programowi mnożącemu prąd przez napięcie. Licznik energii (prąd zmienny)

Elektroniczny watomierz i licznik energii Mierniki i pomiary Elektroniczny watomierz i licznik energii

Tester Tester to urządzenie wskazujące obecność lub brak danej cechy. Mierniki i pomiary Tester Tester to urządzenie wskazujące obecność lub brak danej cechy. Tester napięcia fazowego 220 V (zwany próbnikiem) składa się z lampki neonowej i działa na zasadzie przewodzenia minimalnego prądu, który powoduje świecenie lampki. Obecnie dostępne są także testery cyfrowe i oferują dodatkowo wykrywanie napięcia stałego, sprawdzanie ciągłości przewodów, wykrywanie przewodów pod tynkiem itp. Tester analogowy (próbnik) Tester cyfrowy

Skutki działania prądu 4 Skutki działania prądu Skutki działania prądu Skutki działania prądu można podzielić na: Termiczne (cieplne), Chemiczne, Magnetyczne, Dynamiczne, Indukcyjne, Fizjologiczne.

Termiczne działania prądu Skutki działania prądu Termiczne działania prądu Ilość ciepła wydzielonego w przewodniku podczas przepływu prądu elektrycznego wynosi (prawo Joule’a-Lenza) Przykłady zastosowania: Elektryczne urządzenia grzejne (piecyki, grzałki, żelazka, suszarki), Bezpieczniki topikowe, Lutowanie i spawanie. Zjawiska niepożądane: nagrzewanie: przewodów zasilających, urządzeń elektrycznych, układów elektronicznych, żarówek, styków.

Chemiczne działania prądu Skutki działania prądu Chemiczne działania prądu Przepływ prądu przez roztwory wodne kwasów, zasad i soli (elektrolity) wywołuje w nich zmiany chemiczne. Przykłady zastosowania to głównie elektroliza, którą wykorzystuje się do: uzyskiwania niektórych pierwiastków (prawo Faradaya), galwanizacji. Działania niepożądane: korodowanie metali.

Magnetyczne działania prądu Skutki działania prądu Magnetyczne działania prądu Prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne. Natężenie pola magnetycznego wokół długiego prostoliniowego przewodu z prądem I w odległości r od niego wynosi Przykłady zastosowania: Cewki (magazynowanie energii w polu magnetycznym), Elektromagnesy, Akceleratory cząstek naładowanych (np. LHC), Zapis informacji na nośnikach magnetycznych. Przykłady działań niepożądanych: Zakłócenia w pracy niektórych urządzeń, Przypadkowe kasowanie zawartości magnetycznych nośników informacji. H I r

Dynamiczne działania prądu Skutki działania prądu Dynamiczne działania prądu Na przewód z prądem elektrycznym działa siła magnetyczna. Na odcinek przewodu o długości l z prądem I znajdujący się z polu magnetycznym o indukcji B działa siła Zastosowania: Definicja ampera (jednostki natężenia prądu), Silniki elektryczne. Działania niepożądane: Siły rozrywające uzwojenia urządzeń (transformatorów, silników), Siły rozrywające szyny w rozdzielniach podczas zwarcia, Brzęczenie luźno spakietowanych rdzeni transformatorów. B F I α l

Indukcyjne działania prądu Skutki działania prądu Indukcyjne działania prądu Zmienny w czasie prąd wytwarza zmienne w czasie pole magnetyczne, które zgodnie z prawem Faradaya (magnetycznym) wytwarza (indukuje) wirowe pole elektryczne. To zaindukowane pole elektryczne powoduje przypływ tzw. prądów wirowych w przewodnikach. Przykłady zastosowania: Transformatory, Piece indukcyjne (topienie metali), Zaciskanie metalowych tulei na kablach, linach, Liczniki energii elektrycznej (dawne). Przykłady działań niepożądanych: Nagrzewanie rdzeni transformatorów, obudów metalowych, Przepływ niechcianych prądów.

Fizjologiczne działania prądu Skutki działania prądu Fizjologiczne działania prądu Działania fizjologiczne prądu polegają na oddziaływaniu energii elektrycznej na organizmy żywe, w tym człowieka. Przykłady zastosowania: Fizjoterapia, Stymulowanie wzrostu roślin, Działania niepożądane: Wszelkie szkodliwe oddziaływania, łącznie porażeniem elektrycznym, utratą zdrowia lub życia.

Porażenie elektryczne Skutki działania prądu Porażenie elektryczne Porażeniem elektrycznym nazywamy szkodliwe działania prądu elektrycznego występujące wskutek jego przepływu przez organizm. Porażenie może nastąpić wskutek: dotknięcia urządzenia znajdującego się pod napięciem, uderzenia pioruna. Efekty porażenia mogą być: cieplne (poparzenia skóry, uszkodzenie mięśni, kości, wrzenie płynów ustrojowych), chemiczne (zmiany płynów elektrolitycznych), biologiczne (zaburzenia czynności serca, mięśni).

Natężenie prądu a stopień rażenia Skutki działania prądu Natężenie prądu a stopień rażenia Najbardziej niebezpieczny jest prąd zmienny o częstotliwości od 20 do 100 Hz: częstotliwość ta wywołuje skurcze mięśni, może zaburzyć czynność serca, bezpieczna granica prądu wynosi około 10 mA – powyżej tej granicy człowiek nie jest w stanie uwolnić się spod napięcia wskutek skurczu mięśni. Prądy przemienne o innych częstotliwościach oraz prądy stałe są mniej szkodliwe – granica wynosi około 25 mA.

Napięcie a stopień rażenia Skutki działania prądu Napięcie a stopień rażenia Za napięcie bezpieczne uznaje się do 30 V dla napięcia przemiennego oraz do 60 V dla napięcia stałego. Napięcie jest niebezpieczne, jeżeli wynosi ponad 50 V dla napięcia stałego i ponad 100 V dla napięcia przemiennego.

Oporność a stopień rażenia Skutki działania prądu Oporność a stopień rażenia Im większy opór, tym mniejszy prąd i mniejszy stopień rażenia. Opór ciała człowieka jest zmienny, zależny od wielu czynników. Jeżeli skóra jest sucha i nieuszkodzona, to opór wynosi od 10 do 100 kΩ a nawet 1 MΩ. Jeżeli skóra jest wilgotna lub uszkodzona, to opór może spaść do 1,5 kΩ. Kobiety i dzieci mają cieńszą skórę i są bardziej wrażliwe na rażenia niż mężczyźni. Zwierzęta są bardziej wrażliwe na rażenia niż ludzie.

Inne czynniki Czas rażenia: im dłuższy, tym gorzej. Skutki działania prądu Inne czynniki Czas rażenia: im dłuższy, tym gorzej. Stan fizyczny człowieka: pocenie się, choroby serca, obecność alkoholu we krwi, osłabienie stanowią czynnik pogarszający stopień rażenia. Warunki zewnętrzne: wilgotność, temperatura, rodzaj odzieży, podłoża mają istotny wpływ na stopień rażenia. Szybka pomoc: im szybciej tym lepiej.

Wskazówki ratowania porażonego Skutki działania prądu Wskazówki ratowania porażonego Jak najszybciej przystąpić do ratowania. Jak najszybciej odłączyć porażonego spod działania prądu, np. wyłącznikiem, bezpiecznikiem (NIE WOLNO dotykać rażonego gołymi rękami!), Trzeba się odizolować od podłoża (np. stanąć na suchej desce, gumie, oponie). Używać rękawic gumowych lub grubych suchych ręczników, odzieży itp.

Wskazówki niesienia pierwszej pomocy Skutki działania prądu Wskazówki niesienia pierwszej pomocy W razie utraty przytomności przez rażonego przystąpić do sztucznego oddychania. W razie zatrzymania czynności serca zastosować dodatkowo masaż serca. Czynności te należy utrzymać aż do przybycia pogotowia lub odzyskania przytomności przez rażonego. Po odzyskaniu przytomności przez rażonego należy go okryć, podać coś ciepłego do picia, ewentualnie środki przeciwbólowe, ułożyć go wygodnie na boku. W razie oparzenia opatrzyć rany. Porażony musi być poddany badaniu lekarskiemu BEZWZGLĘDNIE na stopień rażenia.

Podsumowanie Czego się nauczyliśmy? Poznaliśmy typowe stany pracy obwodu elektrycznego i odbiornika. Poznaliśmy różne mierniki do pomiaru prądu, napięcia, rezystancji, mocy. Zapoznaliśmy się ze skutkami działania prądu elektrycznego, a w szczególności ze skutkami porażenia elektrycznego. Przypomnieliśmy sobie wskazówki niesienia pierwszej pomocy w razie porażenia.