ELEKTROTECHNIKA 2
UČEBNÍ TEXTY PRO VÝUKU ELEKTROTECHNICKÝCH OBORŮ
1
Obsah 1
ÚVOD ..............................................................................................................................10
1.1
Účinky elektrického proudu na li dský organizmus ...........................................................................................10
2
ZÁKLADNÍ POJMY A FYZIKÁLNÍ PRINCIPY.........................................................11
2.1
Elektrické veličiny ......................................................................................................................................................11
2.2
Díly a násobk y jednotek ............................................................................................................................................11
2.3
Stavba atomu, elektrický stav tělesa, elektronová teorie .................................................................................12
2.4
Elektrický náboj..........................................................................................................................................................13
2.5
Elektrický proud v kovech .......................................................................................................................................13
2.6
Rozdělení látek podle elektrické vodi vosti ...........................................................................................................14
2.7 Elektrický potenci ál, elektrické napětí, elektrický proud ...............................................................................16 2.7.1 Elekt rický potenciál ........................................................................................................................................... 16 2.7.2 Elekt rické napětí a proud .................................................................................................................................. 17 2.8
Měření stejnosměrného proudu a napětí .............................................................................................................17
2.9
Způsoby výroby elektrické energie (elektrické zdroje)....................................................................................18
2.10
Elektrický obvod a elektrický proud ...............................................................................................................20
2.11 Ochrana obvo dů proti nadproudům a zkratům ...........................................................................................21 2.11.1 Základní pojmy ............................................................................................................................................. 21 2.11.2 Tavné pojistky ............................................................................................................................................... 22 2.11.3 Jističe............................................................................................................................................................... 26 2.11.4 Motorové spouštěče...................................................................................................................................... 28 2.11.5 Nadproudová relé.......................................................................................................................................... 29 2.12 Stejnos měrné a stří davé napětí ..........................................................................................................................29 Velikost střídavých veličin ............................................................................................................................................... 30 2.13 Řazení elektrických zdrojů .................................................................................................................................31 2.13.1 Sériové řazen í zdrojů .................................................................................................................................... 31 2.13.2 Paralelní řazení zdrojů ................................................................................................................................. 32 2.13.3 Ko mbinované řazení elektrických zdrojů ................................................................................................. 33
3
STEJNOSMĚRNÝ PROUD .........................................................................................33
3.1 Výkon a práce stejnos měrného proudu................................................................................................................33 3.1.1 Elekt rická práce .................................................................................................................................................. 33 3.1.2 Elekt rické teplo ................................................................................................................................................... 34 3.1.3 Elekt rický výkon ................................................................................................................................................ 35 3.1.4 Účinnost ............................................................................................................................................................... 35 3.2
Elektrický odpor .........................................................................................................................................................36
3.3 Ohmův zákon ...............................................................................................................................................................37 3.3.1 Úbytek napětí na vedení.................................................................................................................................... 37
2
3.3.2
Příklady na Oh mův zákon: ............................................................................................................................... 39
3.4 Rezistory........................................................................................................................................................................40 3.4.1 Parametry rezistorů ............................................................................................................................................ 40 Značení rezistorů ................................................................................................................................................................ 41 3.4.2 Vlastnosti rezistorů ............................................................................................................................................ 42 Potenciometry.........................................................................................................................................................................43 Odporové tri mry....................................................................................................................................................................44 3.4.3 Zvláštní druhy rezistorů: termistor, varistor, fotorezistor, magnetorezistor ............................................ 44 Varistor ................................................................................................................................................................................ 45 Fotorezistor.......................................................................................................................................................................... 45 Magnetorezistor .................................................................................................................................................................. 45 3.5
Řazení rezistorů ..........................................................................................................................................................46
3.6 Kirchhoffovy zákony..................................................................................................................................................48 3.6.1 První Kirchhoffův zákon................................................................................................................................... 48 3.6.2 Druhý Kirchhoffův zákon ................................................................................................................................. 49 3.6.3 Příklady na Kirchoffovy zákony: .................................................................................................................... 50 3.7 Základní obvodové prvk y v silnoproudé elektrotechnice ................................................................................52 Rozdělení obvodových prvků podle způsobu použití .................................................................................................. 52 3.7.1 Spínací přístroje .................................................................................................................................................. 53 3.7.2 Signalizační přístroje ......................................................................................................................................... 53 3.7.3 Regulační p řístroje ............................................................................................................................................. 54 3.7.4 Spojovací přístroje ............................................................................................................................................. 54 3.7.5 Ostatní přístroje používané v elektrických obvodech .................................................................................. 54 3.8 Elektrické spínací přístroje ......................................................................................................................................56 3.8.1 Rozdělení spínacích přístrojů podle funkce ................................................................................................... 57 3.8.2 Hlavní části spínacích přístrojů........................................................................................................................ 57 3.8.3 Kontakty spínacích přístrojů ............................................................................................................................ 59 Rozdělení kontaktů podle funkce v obvodech: ............................................................................................................. 59 Kontakty přístrojů a zařízení pro n ízká napětí .............................................................................................................. 60 Kontakty přístrojů pro vysoká a velmi vysoká napětí.................................................................................................. 61 Stykový odpor..................................................................................................................................................................... 62 Oteplení kontaktů ............................................................................................................................................................... 62 Zásady konstrukčního provedení kontaktů .................................................................................................................... 62 Ryzí kovy používané na výrobu kontaktů...................................................................................................................... 63 Slitiny a spékané kovy pro výrobu kontaktů ................................................................................................................. 64 3.8.4 Zařízení pro zhášení oblouku ........................................................................................................................... 64 a)
Vznik elektrického obl ouku při zapí nání .............................................................................................................64
b)
Vznik elektrického obl ouku při vypínání.............................................................................................................65
Způsoby zhášení elektrického obl ouku ...........................................................................................................................66 Zhášení oblouku stejnosměrného proudu....................................................................................................................... 66 Zhášení oblouku střídavého proudu ................................................................................................................................ 66 3.9 Základní obvodové prvk y v elektronice ...............................................................................................................68 3.9.1 Cívky .................................................................................................................................................................... 69 Provedení cí vek ......................................................................................................................................................................71 Výpočet indukčnosti cívek ............................................................................................................................................... 72 3.9.2 Transformátory ................................................................................................................................................... 73 3.9.3 Polovodičová dioda (přechod PN) .................................................................................................................. 74 Druhy diod........................................................................................................................................................................... 75
3
Hrotové diody...........................................................................................................................................................................75 Germani ové hrotové di ody : ...............................................................................................................................................75 Diody se zlatým hrotem:......................................................................................................................................................76 Diody pro stabilizaci napětí:...............................................................................................................................................76 Zenerova dioda........................................................................................................................................................................76 Kapacitní diody: ......................................................................................................................................................................77 Diody pro vel mi vysoké frekvence ....................................................................................................................................77 Schottkyho dioda : ..................................................................................................................................................................77 Dioda PIN : ..............................................................................................................................................................................78 Tunelová dioda : .....................................................................................................................................................................78 3.9.4 Tranzistory........................................................................................................................................................... 79 Bipolární tranzistory .......................................................................................................................................................... 80 Unipolárn í tran zistory........................................................................................................................................................ 82
TRANZISTOR ŘÍZENÝ ELEKTRICKÝM POLEM S PŘECHODOVÝM HRADLEM - JFET ......................................................................................................................................82 TRANZISTOR MOS S INDUKOVANÝM KANÁLEM....................................................83 3.9.5
Tyristor................................................................................................................................................................. 84
3.9.6 3.10.1 3.10.2
Triak ..................................................................................................................................................................... 85 Diak ................................................................................................................................................................. 86 Integrovaný obvod ........................................................................................................................................ 87
4
ELEKTROCHEMIE .......................................................................................................90
4.1
Iontová vodi vost, elektrol yt......................................................................................................................................90
4.2
Elektrolýza....................................................................................................................................................................91
4.3 Chemické články .........................................................................................................................................................91 4.3.1 Chemické články a životní prostředí............................................................................................................... 93
5
ELEKTROSTATICKÉ POLE .......................................................................................94
5.1
Elektrický náboj..........................................................................................................................................................94
5.2
Elektrické pole a síla ..................................................................................................................................................94
5.3
Intenzita elektrického pole .......................................................................................................................................95
5.4 Tělesa v elektrickém poli ..........................................................................................................................................95 5.4.1 Vod ič v elektrickém poli (elektrostatická indukce) ..................................................................................... 96 5.4.2 Izo lant (dielekt riku m) v elektrickém poli ...................................................................................................... 96 5.4.3 Odstínění elekt rostatického pole ..................................................................................................................... 97
4
5.5
Coulombův zákon .......................................................................................................................................................97
5.6
Elektrická pevnost dielektrika ................................................................................................................................98
5.7 Kapacita, kondenzátor ..............................................................................................................................................98 5.7.1 Spojování kondenzátorů.................................................................................................................................... 99 5.7.2 Nabíjení a vybíjení kondenzátoru.................................................................................................................. 100
6
MAGNETICKÉ POLE, MAGNETICKÉ VLASTNOSTI LÁTEK .......................... 101
6.1
Magnetické vlastnosti látek ................................................................................................................................... 101
6.2
Magnetické pole ....................................................................................................................................................... 102
6.3
Magnetické pole elektrického proudu................................................................................................................ 102
6.4
Magnetický indukční tok ....................................................................................................................................... 103
6.5
Magnetomotorická síla........................................................................................................................................... 103
6.6
Hysterezní smyčka................................................................................................................................................... 104
6.7
Silové účinky magnetického pole ......................................................................................................................... 104
6.8 Elektromagnety a jejich praktické použití ....................................................................................................... 105 6.8.1 Elekt ro magnety na stejnosměrný proud ....................................................................................................... 105 6.8.2 Elekt ro magnety na střídavý proud ................................................................................................................ 106 6.8.3 Příklady použit í elektro magnetů, elektro magnetické p řístroje ................................................................. 107
7
ELEKTROMAGNETICKÁ INDUKCE...................................................................... 107
7.1
Lenzovo pravi dl o ..................................................................................................................................................... 109
7.2
Indukčnost (vlastní i ndukčnost) .......................................................................................................................... 110
7.3
Víři vé proudy ............................................................................................................................................................ 111
7.4
Skin-efekt ................................................................................................................................................................... 111
7.5 Transformátory........................................................................................................................................................ 111 7.5.1 Popis transformátoru........................................................................................................................................ 113 7.5.2 Princip činnosti transformátoru ..................................................................................................................... 114 7.5.3 Indukované napětí a převod transformátoru ................................................................................................ 115 7.5.4 Návrh jednofázového transformátoru ........................................................................................................... 116 7.5.5 Ztráty v transformátoru ................................................................................................................................... 116 7.5.6 Konstrukce transformátorů ............................................................................................................................. 117 7.5.7 Autotransformátor ............................................................................................................................................ 120 7.6 Tlumi vk y .................................................................................................................................................................... 122 7.6.1 Popis a funkce tlu mivky .................................................................................................................................. 122 7.6.2 Reaktor ............................................................................................................................................................... 123 7.6.3 Transduktor ....................................................................................................................................................... 123
8
STŘÍDAVÝ PROUD ................................................................................................... 124
8.1
Veličiny stří davých proudů................................................................................................................................... 124
5
8.2
Vznik střídavého proudu ....................................................................................................................................... 125
8.3
Efekti vní hodnota stří davého proudu ................................................................................................................ 126
8.4
Střední hodnota střídavého proudu.................................................................................................................... 126
8.5
Fázory ......................................................................................................................................................................... 127
8.6
Obvody střídavého proudu ................................................................................................................................... 128
6.3.1 Obvod s rezistorem .................................................................................................................................................. 128 6.3.2 Obvod s cí vkou .......................................................................................................................................................... 128 6.3.3 Obvod s kondenzátorem ......................................................................................................................................... 129 6.3.4 Složený obvod ............................................................................................................................................................ 130 8.7 Výkon stří davého proudu...................................................................................................................................... 130 8.7.1 Činný výkon ...................................................................................................................................................... 130 8.7.2 Zdánlivý výkon................................................................................................................................................. 131 8.7.3 Jalový výkon ..................................................................................................................................................... 131 8.7.4 Trojúhelník výkonů.......................................................................................................................................... 131 8.7.5 Účin ík ................................................................................................................................................................. 132 8.7.6 Ko mpenzace jalového výkonu (účiníku)...................................................................................................... 132 8.7.7 Sérioparaleln í obvody...................................................................................................................................... 133 8.7.8 Rezonanční obvody.......................................................................................................................................... 133
9
TROJFÁZOVÝ PROUD............................................................................................. 139
9.1
Spojení trojfázového vinutí do hvězdy............................................................................................................... 140
9.2
Hl avní části rozvodné soustavy ............................................................................................................................ 140
9.3
Elektrické přístroje vn a vvn ................................................................................................................................ 141
9.4
Ochrana vedení ........................................................................................................................................................ 142
9.5
Elektrické rozvodné soustavy ............................................................................................................................... 143
9.6
Přenos elektrické energie střídavým proudem ................................................................................................ 144
9.7
Výkon a práce trojfázové soustavy ..................................................................................................................... 145
9.8 Trojfázové transformátory ................................................................................................................................... 146 9.8.1 Zapojení trojfázových vinutí .......................................................................................................................... 146 9.8.2 Hodinový úhel transformátoru ....................................................................................................................... 147 9.9 Toči vé elektromagnetické pole ............................................................................................................................. 150 9.9.1 Princip vzn iku točivého pole.......................................................................................................................... 150 9.10 Toči vé stroje ......................................................................................................................................................... 155 9.10.1 Synchronní stroje ........................................................................................................................................ 155 Princip činnosti a provozní v lastnosti........................................................................................................................... 156 Konstrukce. ....................................................................................................................................................................... 158 Vlastnosti ........................................................................................................................................................................... 160 Úvod k asynchronní m strojům ....................................................................................................................................... 161 Hlavní části........................................................................................................................................................................ 162
6
Stator .................................................................................................................................................................................. 162 Rotor motoru s kotvou nakrátko .................................................................................................................................... 163 Rotor motoru s kotvou vinutou ...................................................................................................................................... 163 Porovnání funkce asynchronních a synchronních strojů ................................................................................... 164 Motory s kotvou nakrátko............................................................................................................................................... 165 Spouštění asynchronních motorů s kotvou nakrátko ................................................................................................. 167 Motory s kotvou vinutou (kroužkovou) ....................................................................................................................... 169 Konstrukce motoru........................................................................................................................................................... 169 Princip činnosti a provoz ................................................................................................................................................ 170 Rozběh motoru s vinutou kotvou (rotorové spouštění) ............................................................................................. 170 Použit í motorů s vinutou kotvou ................................................................................................................................... 172 9.10.2 Řízení otáček asynchronních motorů ...................................................................................................... 172 Řízení otáček změnou skluzu ......................................................................................................................................... 172 Řízení otáček změnou počtu pólů ................................................................................................................................. 173 Provoz trojfázového motoru na jednofázové stří davé napětí ................................................................................. 176 9.11 Trojfáz ové deri vační komutátorové motory ............................................................................................... 178 9.11.1 Trojfázový derivační ko mutátorový motor napájený do statoru......................................................... 178 9.11.2 Trojfázový derivační ko mutátorový motor napájený do rotoru.......................................................... 179
10
ELEKTROPNEUMATIKA, ELEKTROHYDRAULIKA...................................... 180
10.1 Prvky elektropneumatických obvodů ........................................................................................................... 180 10.1.1 Tlačít kové spínače ...................................................................................................................................... 180 10.1.2 Koncové spínače ......................................................................................................................................... 181 10.1.3 Bezdotykové (bezkontaktní) snímače ..................................................................................................... 181 10.1.4 Elekt ro magnetické relé .............................................................................................................................. 182 10.1.5 Časová relé ................................................................................................................................................... 184 10.1.6 PE měn ič....................................................................................................................................................... 184 10.2 Zdroje tlak ového vzduchu a kapaliny .......................................................................................................... 185 10.2.1 Ko mpresory ................................................................................................................................................. 186 10.2.2 Objemové ko mpresory – s přímočarý m pohybem ................................................................................ 186 10.2.3 Objemové ko mpresory - s rotačním pohybem....................................................................................... 187 10.2.4 Proudové kompresory ................................................................................................................................ 188 10.2.5 Vzdušníky .................................................................................................................................................... 188
11
ELEKTRONICKÁ ZAŘÍZENÍ ................................................................................ 188
11.1 Obvodové součástky .......................................................................................................................................... 188 11.1.1 Dělen í obvodových součástek .................................................................................................................. 188 11.2 Us měrňovače ........................................................................................................................................................ 190 11.2.1 Jednocestný (jednofázový, jednopulsní) usměrňovač .......................................................................... 190 11.2.2 Dvoucestný (můstkový) usměrňovač s odporovou zátěží.................................................................... 191 11.2.3 Dvoucestný uzlový usměrňovač s odporovou zátěží ............................................................................ 192 11.2.4 Jednocestný usměrňovač se sběracím kondenzátorem (nabíjecím) ................................................... 193 11.2.5 Dvoucestný usměrňovač se sběracím kondenzátorem ......................................................................... 193 11.2.6 Zapojení usměrňovače se souměrným sekundárním vinutím síťového transformátoru se sběracím kondenzátorem.................................................................................................................................................................. 194 11.2.7 Třífázový jednocestný usměrňovač ......................................................................................................... 194 11.3 Zesilovače .............................................................................................................................................................. 194 11.3.1 Zpětná vazba ................................................................................................................................................ 195
7
11.4 Oscilátory.............................................................................................................................................................. 195 11.4.1 Oscilátory LC .............................................................................................................................................. 197 11.4.2 Oscilátory řízené krystalem....................................................................................................................... 199 11.4.3 Oscilátory RC .............................................................................................................................................. 201 11.5 Kl opné a spí nací obvody ................................................................................................................................... 202 11.5.1 Astabilní klopný obvod AKO:.................................................................................................................. 203 11.5.2 Monostabilní klopný obvod MKO........................................................................................................... 204 11.5.3 Bistabilní klopný obvod BKO .................................................................................................................. 205 11.6 Číslicová technika............................................................................................................................................... 205 11.6.1 Logické operace (členy) ............................................................................................................................ 206 11.6.2 OR (Disjunktor) .......................................................................................................................................... 207 11.6.3 NAND (Shefferova funkce) ...................................................................................................................... 208 11.6.4 XOR .............................................................................................................................................................. 209 11.6.5 XNOR ........................................................................................................................................................... 209 11.6.6 Realizace logických obvodů ..................................................................................................................... 209 11.7 Rozhlasová a televizní technika ...................................................................................................................... 210 11.7.1 Přenos televizn ího a ro zhlasového signálu el. magnetický m vlněním .............................................. 210 Elektromagnetické vlny .................................................................................................................................................... 210 11.7.2 Princip rád iového vysílání......................................................................................................................... 211 11.7.3 Amplitudová modulace (AM)................................................................................................................... 212 11.7.4 Kmitočtová (frekvenční) modulace (FM)............................................................................................... 212 11.8
Slaboproudé roz vody a instalace .................................................................................................................... 212
12
OPTOELEKTRONIKA ........................................................................................... 214
12.1
Přenos světla optickým vláknem .................................................................................................................... 214
12.2
Útlum optického vl ákna.................................................................................................................................... 215
A.
Mnohavi dová vl ákna (MM, multi mode) ........................................................................................................... 216
B.
Jednovi dová vlákna (S M, singlmode) ................................................................................................................ 216
12.3
WDM – vl nový multi plex ................................................................................................................................. 217
12.4
Pigtaily................................................................................................................................................................... 218
12.5
Konektory............................................................................................................................................................. 219
12.6
Patch Cordy a další příslušenství ................................................................................................................... 220
12.7
Optické skříně, rozvaděče, vany a kazety .................................................................................................... 221
12.8
Svařování .............................................................................................................................................................. 224
12.9
Instalace optických kabelů............................................................................................................................... 224
12.10
Výhody optických vl áken ................................................................................................................................. 227
POUŽITÉ ZDROJE ............................................................................................................ 228
8
Předmluva Učební texty, které se Vám právě dostaly do rukou, jsou určeny pro výuku elektrotechniky v druhém ročníku střední školy a to především v učebních oborech. Jedná se o ucelený soubor základních znalostí, které jsou nosnou kostrou tohoto předmětu. Texty byly psány tak, aby učivo na sebe postupně navazovalo a vycházelo z již nabytých poznatků z prvního ročníku. Tyto poznatky dále rozvíjí, prohlubuje a upevňuje prostřednictvím mnoha ukázkových úloh a příkladů. V učebních textech jsou prohlubovány základní pojmy a vztahy z oblasti stejnosměrného proudu, elektrostatiky, magnetizmu, elektrochemie a střídavého proudu. Navíc zde najdeme základy zcela nového učiva jako je elektropneumatika, elektrohydraulika a elektronická zařízení
9
1
Úvod 1.1 Účinky elektrického proudu na lidský organizmus
Lidské tělo je řízeno elektrickým proudem (nervové vzruchy, srdeční činnost…) působení stejnosměrného proudu je nebezpečnější než působení proudu střídavého. Při působení stejnosměrného proudu je větší pravděpodobnost tzv. fibrilace srdce a rozklad tělních tekutin vlivem elektrolýzy. Účinek závisí na:
druhu proudu velikosti proudu frekvenci impedanci lidského těla (v průměru 2MΩ) dráze, po které el. proud působí době průchodu na vnitřním stavu organizmu velikosti dotykového napětí
Fyziologické účinky dle velikosti el. proudu:
do 4 mA
brnění a pálení
4 mA – 7 mA
trnutí dlaní a rukou až křeče
10 mA – 25 mA
křeče a nemožnost uvolnění se z obvodu
do 60 mA
bolestivé křeče a nepravidelnost svalstva
nad 100 mA
nepravidelná činnost srdce a zástava
Za relativně bezpečný proud lze považovat střídavý proud do 3,5 mA a stejnosměrný proud do 10 mA. Od 30 mA střídavého a 120 mA stejnosměrného proudu dochází k vážnému poškození organizmu! Záchranný postup při úrazu elektrickým proudem: 1. Vyprostit postiženého z dosahu elektrického proudu – pokud to jde, vypneme přívod elektřiny nebo použijeme izolovaný předmět, kterým postiženého dostaneme z dosahu účinků el. proudu. (Dbáme především na svoji bezpečnost.) 2. Zjistíme, zda postižený dýchá a má hmatný pulz. Pokud ne, zahájíme umělé dýchání, popřípadě srdeční masáž. 3. Přivoláme pomoc a s oživováním nepřestáváme.
10
2 Základní pojmy a fyzikální principy 2.1 Elektrické veličiny veličina
Značka
jednotka
značka
Elektrický náboj
Q
coulomb
C
Elektrický proud
I
ampér
A
Elektrické napětí
U
volt
V
Frekvence
F
hertz
Hz
Perioda
T
sekunda
s
Elektrická práce
W
joule
J
Elektrický výkon
P
watt
W
Elektrický odpor
R
ohm
Elektrická vodivost
G
siemens
S
Elektrická kapacita
C
farad
F
Indukčnost
L
henry
H
Reaktance
X
ohm
Impedance
Z
ohm
Admitance
Y
siemens
S
2.2 Díly a násobky jednotek V elektrotechnice, elektronice, ale i jiných oborech, kde je potřeba vyjadřovat hodnoty mnohokrát větší nebo menší než je základní jednotka, používáme předpony. předpona
značka
Význam
mili
m
0,001
10-3
mikro
µ
0,000 001
10-6
nano
n
0,000 000 001
10-9
piko
p
0,000 000 000 001
10-12
kilo
k
1 000
103
mega
M
1 000 000
106
giga
G
1 000 000 000
109
tera
T
1 000 000 000 000
1012
díly:
násobky:
11
2.3 Stavba atomu, elektrický stav tělesa, elektronová teorie Látky (pevné, kapalné i plynné) jsou složeny z molekul a atomů. Na obrázku je nakreslený zjednodušený model atomu, který se skládá z kladně nabitého jádra a záporně nabitých elektronů, obíhajících kolem jádra po kruhových nebo eliptických dráhách (přesněji řečeno – vrstvách, sférách nebo slupkách). V jádře atomu se nachází kladné protony, neutrální (tj. nenabité) neutrony, případně další částice. Jeden proton i jeden elektron mají stejně veliký náboj, ale opačné polarity. Říkáme mu elementární náboj e = 1,6.10-19 C. Atom má stejný počet kladně nabitých protonů v jádru jako elektronů v obalu. Účinky kladných a záporných nábojů se proto navzájem ruší a navenek se atom jeví jako elektricky neutrální.
Model atomu lithia
Chybí-li atomu jeden nebo více elektronů, stává se z něj kladně nabitý iont, tzv. kationt. Přijme-li neutrální atom elektrony navíc, stane se z něj záporně nabitý iont, tzv. aniont. V poslední – vnější slupce (dráze) atomů prvků může obíhat maximálně 8 elektronů (kromě H a He, které mají pouze 1, resp. 2 elektrony umístěné v první a současně poslední dráze). Osm elektronů v poslední dráze však mají pouze tzv. inertní nebo vzácné plyny, ostatní prvky mají tento počet menší než 8. Elektrony umístěné v poslední (vnější) vrstvě se nazývají valenční elektrony a jejich prostřednictvím se uskutečňuje vazba mezi atomy v molekule látky. Molekuly nebo částice látky, složené ze dvou nebo více atomů se vytváří tak, aby vnější vrstvy elektronů byly plně obsazeny, tedy měly 8 elektronů. Vlivem vnějších sil se mohou valenční elektrony uvolnit a putují kovem jako tzv. volné elektrony . Podle elektronové teorie tyto volné elektrony vedou elektrický proud kovem.
Kationt
12
Hmotnost elektronu je asi 9.10-31 kg. Hmotnost protonu je asi 1840 krát větší než elektronu. Elektrony obíhají kolem jádra v relativně velké vzdálenosti velkou rychlostí. Přitom se elektrony ještě otáčejí kolem své osy. Tomuto pohybu říkáme spin. Tato skutečnost bude využita při posuzování magnetických vlastností látek. Kladné protony jsou v jádře udržovány tzv. jaderními sílami. Síly, které udržují pohromadě atom, jsou elektrické povahy. Velmi zjednodušeně se dá říci, že na pohybující se elektrony (po otáčivých dráhách) působí odstředivá síla, která je kompenzována elektrickou (coulombovskou) přitažlivou sílou mezi kladným jádrem a zápornými elektrony.
2.4 Elektrický náboj Elektrický náboj je fyzikální veličina, která vyjadřuje velikost schopnosti působit elektrickou silou; elektrický náboj vyjadřuje určitou vlastnost částic, která je spojována se vznikem vzájemného působení mezi tělesy (částicemi) podobným způsobem, jako je hmotnost spojována s existencí gravitačního pole. Přítomnost elektrického náboje je tedy nutná pro vznik elektrického nebo magnetického pole.
Tělesa (částice) s nulovým elektrickým nábojem se nazývají elektricky neutrálními tělesy. Tělesa (částice) s elektrickým nábojem (říkáme o nich, že nesou elektrický náboj), se označují jako nabitá tělesa. Elektrický náboj může mít kladnou nebo zápornou hodnotu. O tělesech nesoucích kladný náboj říkáme, že jsou kladně nabitá, a tělesa se záporným elektrickým nábojem označujeme jako záporně nabitá. Síly působící mezi dvěma nabitými (nepohybujícími se) tělesy jsou přitažlivé, jestliže mají tělesa náboje s opačnými znaménky, a odpudivé, pokud mají tělesa náboje se shodnými znaménky. Tyto síly se označují jako elektrostatické. Pohybující se nabitá tělesa na sebe navíc působí magnetickými silami. Pohybující se elektrický náboj je popisován pomocí elektrického proudu. Pokud se v tělese nachází více elektrických nábojů, je výsledný elektrický náboj tělesa roven algebraickému součtu elektrických nábojů jednotlivých částí. Některá tělesa mohou obsahovat nositele kladného i záporného náboje (často ve velkém množství), přičemž celková hodnota elektrického náboje takového tělesa může být nulová, tzn. těleso jako celek je elektricky neutrální. Přestože je celkový elektrický náboj tělesa nulový, bude i takové těleso působit na své okolí určitými elektrickými silami. Elektrické náboje, které se mohou volně pohybovat (např. ve vodičích), se označují jako volné náboje. Při polarizaci dielektrika se objevuje také polarizační náboj. Polarizační náboje se na rozdíl od nábojů ve vodičích nemohou v dielektriku přemisťovat na makroskopické vzdálenosti. Proto bývají označovány jako vázané náboje. Celková hodnota vázaných nábojů vzniklých polarizací v celém objemu tělesa je vždy nulová.
2.5 Elektrický proud v kovech Atomy kovů mají v poslední dráze pouze 1 až 3 elektrony, které jsou k jádru vázány slaběji a mohou se snadno uvolnit a putovat kovem jako tzv. volné elektrony, které mohou
13
vést elektrický proud. Nepůsobí-li na ně vnější napětí, pohybují se uvnitř krystalové mřížky vodiče chaoticky.
Volné elektrony ve vodiči
2.6 Rozdělení látek podle elektrické vodivosti Schopnost látek vést elektrický proud závisí na jejich vnitřní stavbě. Čím méně překážek bude stát v cestě pohybujícím se elektronům, tím menší bude odpor materiálu kladený průchodu elektrického proudu a tedy i lepší (větší) vodivost. Podle hodnot vodivosti (resp. odporu, což je převrácená hodnota vodivosti) rozdělujeme látky na: a) vodiče Jsou to většinou kovy. Elektrický proud vedou volné elektrony. V elektrotechnice mají velmi široké využití. Dobré vodiče se používají např. k výrobě „vodičů“ pro rozvod elektrické energie, cívek transformátorů apod. Z vodičů s menší (horší) vodivostí se zhotovují drátové rezistory, topné spirály vařičů, kamen nebo pecí, vlákna žárovek apod. Nejlepší vodič (při pokojové teplotě ) je stříbro; dále následují měď, zlato, hliník a další. b) Elektrický proud vedou též ionty ionizovaných plynů, např. v elektrických obloukových pecích, při obloukovém svařování, v zářivkách a výbojkách apod. c)elektrolyty Jsou to kapalné vodiče – většinou roztoky kyselin, zásad a solí ve vodě. Elektrický proud vedou ionty prvků a sloučenin disociovaných (rozštěpených) ve vodě. c) izolanty Elektrický proud nevedou vůbec nebo jenom velmi špatně, (často se jim říká také „nevodiče“). Mohou to být pevné látky, kapaliny nebo i plyny. Používají se nejčastěji k oddělení (odizolování) různých částí elektrických zařízení nebo částí elektrických zařízení „pod napětím“ od částí s kterými může přijít do styku člověk. Další jejich použití je jako dielektrikum v kondenzátorech apod. Nejčastěji jako izolanty využíváme plasty (např. PVC), slídu, sklo, keramické látky. K tekutým izolantům řadíme parafín a oleje. Výborným izolantem je vakuum a suchý vzduch. Dokonalý izolant však neexistuje, neboť v látkách jsou vždy nějaké nečistoty. d) polovodiče Jsou to látky, které se za určitých podmínek chovají jako izolanty, ale při změně těchto podmínek se mohou chovat spíše jako vodiče a elektrický proud jimi může procházet. K nejběžnějším polovodičům patří křemík Si a germánium Ge. I když mohou polovodiče více či méně vést elektrický proud, jejich vlastnosti se výrazně liší například od kovových vodičů:
14
Kovové vodiče:
mají malý měrný odpor elektrický proud vedou pouze volné elektrony v krystalové mřížce je velký počet volných elektronů při zahřátí se zvětšuje jejich odpor osvětlení nemá vliv na jejich vodivost příměsi zvětšují jejich měrný odpor
Polovodiče:
mají mnohem větší měrný odpor proud vedou uvolněné elektrony a kladné "díry" počet uvolněných elektronů se může měnit změnou vnějších podmínek při zahřátí se zmenšuje jejich odpor při osvětlení se zmenšuje jejich odpor vhodné příměsi výrazně zmenšují jejich měrný odpor a mění typ vodivosti
Zvláštní elektrické vlastnosti polovodičů jsou způsobeny stavbou jejich krystalové mřížky. Ukážeme si to na příkladu krystalové mřížky čtyřmocného křemíku se čtyřmi valenčními elektrony. Při nízké teplotě a ve tmě jsou valenční elektrony silně poutány k jádru a křemík proud nevede (obrázek vlevo). Při zvýšení teploty nebo osvětlení se mohou některé valenční elektrony z krystalové mřížky uvolnit (obrázek vpravo). Na místě uvolněného elektronu chybí záporný náboj a toto prázdné místo se nazývá "díra". Chybějící záporný náboj se navenek projeví jako náboj kladný. Na místo "díry" může přeskočit jiný uvolněný elektron a chybějící záporný náboj tak nahradit. Dojde k jevu, zvanému rekombinace. Původní kladná "díra" zanikne, ale objeví se na místě, odkud k ní elektron přeskočil. Navenek to vypadá, jakoby se v krystalové mřížce "díry" chaoticky stěhovaly z místa na místo.
Připojíme-li však k tomuto polovodiči vnější napětí, začnou se záporné elektrony přesouvat ke kladnému pólu a kladné díry k pólu zápornému. Dojde k usměrněnému pohybu nábojů, polovodičem začne procházet elektrický proud. Pokud v polovodiči vedou elektrický proud elektrony a "díry" vzniklé výše popsaným způsobem, hovoříme o vlastní vodivosti.
15
Polovodiče typu N a P Mnohem větší využití než čisté polovodiče však mají polovodiče, v jejichž krystalové mřížce je při výrobě umístěno nepatrné množství vhodných příměsi. Výběrem příměsi můžeme dosáhnout toho, aby v polovodiči byl elektrický proud veden buď volnými elektrony (elektronová vodivost, vodivost typu N), nebo "děrami" (děrová vodivost, vodivost typu P).
Vodivost typu N (negativní): V krystalu křemíku jsou některé atomy nahrazeny pětimocnými atomy, např. fosforu nebo arzenu. Jejich čtyři valenční elektrony se účastní vazeb, ale páté se již v chemických vazbách nemohou uplatnit. Jsou velmi slabě vázané a již při nízkých teplotách se z vazeb uvolní. Tyto volné elektrony způsobují po připojení zdroje elektronovou vodivost polovodiče typu N.
Vodivost typu P (pozitivní):
Zabudují-li se do krystalové mřížky křemíku atomy trojmocného prvku se třemi valenčními elektrony, např. india, chybí pro obsazení všech chemických vazeb elektrony. V místě nenasycené vazby vznikne "díra" s kladným nábojem. Tuto "díru" může zaplnit elektron z některé jiné vazby a "díra" se v krystalu přesune na jeho místo. Po připojení zdroje vznikne děrová vodivost polovodiče typu P.
2.7 Elektrický potenciál, elektrické napětí, elektrický proud 2.7.1 Elektrický potenciál Jestliže přemisťujeme elektrický náboj prostřednictvím elektrické síly, konáme práci, a tím se mění potenciální energie náboje. Při přemístění ve směru působení elektrické síly se potenciální energie náboje zmenšuje (podobně jako se zmenšuje potenciální energie tělesa např. při volném pádu). Při pohybu náboje proti elektrické síle se naopak jeho potenciální energie zvětšuje (obdobou je zvedání tělesa v tíhovém poli). V každém bodě elektrického pole má tedy bodový náboj určitou potenciální energii. To umožňuje zavést jednotku elektrický potenciál φ. Elektrický potenciál je určen potenciální energií Ep , tedy prací, kterou musíme vykonat při přenesení náboje q z místa tzv. nulového potenciálu do určitého bodu. Jednotkou potenciálu je volt (J C –1 = V), který je pojmenovaný po ALESSANDRU VOLTOVI. Pro elektrické pole volíme za místo s nulovou potenciální energií (a tedy i s nulovým potenciálem) povrch Země, popř. vodič spojený s povrchem Země (tzv. uzemnění). Má-li těleso vyšší potenciál než země, říkáme, že má potenciál kladný. Má-li naopak těleso nižší potenciál než země, říkáme, že má potenciál záporný. Mezi místy s různým potenciálem vznikáelektrické napětí, které je rozdílem potenciálů. Napětí mezi vzniklými náboji nemusí být zanedbatelné. V následující tabulce jsou hodnoty různých napětí vůči Zemi.
16
Sníh ve vánici
65 V
Jízda automobilu po betonové vozovce Svlékání šatů z umělých vláken Barvení předmětů stříkáním Chůze po bavlněném koberci Běh koženého hnacího hřebene
3000 V 10 000 V 10 000 V 14 000 V 80 000 V
(Uvedené hodnoty se mohou zdát ve srovnání s napětím v naší elektrické síti značné, ohromné a nebezpečné. Záleží však i na hustotě elektrických nábojů a ta je v těchto případech velmi malá. Proto se např. svlékání šatů z umělých vláken při napětí až 10 kV projeví jen jako slabé praskání.)
2.7.2 Elektrické napětí a proud Při oddělení elektrických nábojů (např. elektronu od atomu, resp. jádra atomu) vznikne mezi náboji elektrické napětí, které má snahu spojit zpět oddělené náboje. Elektrické napětí mezi náboji je práce vynaložená na oddělení jednotek těchto nábojů. Elektrické napětí značíme U a jednotkou je jeden volt V. Elektrický proud v uzavřeném obvodu je důsledkem toho, že náboje oddělené ve zdroji vyrovnávají nerovnováhy na pólech zdroje tím, že proudí elektrony z minus pólu (s nedostatkem elektronů) přes spotřebič. Elektrický proud v kovovém vodiči je uspořádaný pohyb volných elektronů. Elektrický proud značíme I a jednotkou je jeden ampér A.
2.8 M ěření stejnosměrného proudu a napětí Většina elektrických veličin lze přímo či i o proudu a napětí. Elektrické napětí, jehož jednotkou je k obvodu zapojujeme paralelně ke spotřebiči. musí být co největší, aby neovlivnil obvod a tím
nepřímo nějakým způsobem změřit. To platí volt, měříme přímo voltmetrem. Voltmetr Z toho vyplývá, že vnitřní odpor voltmetru i měřené hodnoty.
Elektrický proud, jehož jednotkou je ampér, měříme přímo ampérmetrem. Ampérmetr do obvodu zapojujeme sériově. Tzn. přerušíme obvod v místě, kde potřebujeme změřit el. proud a do něj přímo zapojíme ampérmetr. Z toho vyplývá, že vnitřní odpor ampérmetru musí být co možná nejmenší, tak aby neovlivnil měřenou hodnotu.
17
Zapojení voltmetru
Zapojení ampérmetru
2.9 Způsoby výroby elektrické energie (elektrické zdroje) Ve zdrojích elektrického napětí jsou od sebe oddělovány elektrické náboje. Na svorkách zdroje přitom vzniká přebytek, respektive nedostatek elektronů. Svorka s přebytkem elektronů je nabita záporně (minus pól) a svorka s nedostatkem elektronů je nabita kladně (plus pól). Elektrické napětí se udává vždy jako napětí mezi dvěma body. Vznik elektrického napětí Způsob vzniku napětí indukce Při pohybu magnetu v cívce sem a tam se mění magnetické pole v cívce tak, že se indukuje střídavé napětí. Tento princip je základem točivých generátorů. chemické působení Mezi rozdílnými kovy (elektrodami) ve vodivé kapalině – elektrolytu, vzniká stejnosměrné napětí. Takové uspořádání se nazývá galvanický článek.
Příklady použití generátory elektráren, alternátor v autě,dynamo na jízdním kole, indukční snímače, dynamický mikrofon
elektrochemické zdroje napětí: monočlánky, baterie, akumulátory
18
teplo Při ohřívání kontakt dvou různých kovů dochází k tepelnému pohybu volných elektronů od lepšího vodiče k horšímu vodiči. Toto je princip termočlánku. světlo Ve fotočlánku vznikají při osvětlení v tenké křemíkové destičce volné elektrony, které jsou přitahovány k jedné straně vnitřní závěrné vrstvy křemíkové destičky.
termoelektrické články k měření teploty, kontaktní teploměry, čidla pro dálkové měření
stlačování krystalu U mnohých krystalů vyvolává tlak elektrické napětí. Tento jev se nazývá piezoelektrický efekt.
piezoelektrické krystaly gramofonové snímače,krystalové mikrofony, zapalovače, tlakové snímače
tření Vysoká napětí vznikají při tření izolantů pevné fáze nebo při tření proudících izolačních tekutin, např. oleje.
elektrostatická nabíjení většinou nechtěné při utírání prachu, v dopravních prostředcích nebo chtěné jako například v generátoru bleskových napětí
fyziologické zdroje Elektrické napětí je součástí každé nervové soustavy, slabé elektrické výboje vznikají chemickou reakcí v části neuronu.
přenos informací v nervové soustavě, obranné a útočné mechanizmy některých živočichů (elektrický úhoř)
fotočlánky pro napájení satelitů, kalkulátorů, hodinek, radarů, horských chat, fotovoltaické elektrárny
19
2.10 Elektrický obvod a elektrický proud Nejjednodušší elektrický obvod je takový obvod, který obsahuje jen jeden zdroj napětí a spotřebič, které jsou navzájem spojené vodiči. Aby bylo možné proud v obvodu přerušit, je do obvodu zapojen ještě spínač. K znázornění elektrických obvodů využíváme elektrotechnická schémata. Zdroj napětí má kladný pól (anodu) a záporný pól (katodu) a v ostatních částech obvodu vytváří elektrické pole, které uvádí volné elektrony do usměrněného pohybu. Nejstarší zdroje napětí jsou elektrochemické zdroje (suchý článek, plochá baterie, akumulátor). V nichž se chemická energie mění v elektrickou energii.
Schéma jednodchého el. obvodu
Jednoduchý el. obvod
Elektrický spotřebič je zařízení, v němž se elektrická energie účelně mění v jinou energii, např. v energii světelnou v žárovce. Spojovací vodiče spojují zdroj napětí s elektrickým spotřebičem a spínačem. V elektrotechnice se používají převážně vodiče měděné a hliníkové, které jsou chráněny izolačním obalem z gumy nebo PVC. Spínače slouží k uzavření nebo přerušení obvodu. Sepnutím spínače uvádíme spotřebič do činnosti, jeho vypnutím činnost spotřebiče ustane. Otevřený obvod – je to elektrický obvod, kterým neprotéká elektrický proud, jelikož je obvod někde přerušen (nejčastěji spínačem). Uzavřený obvod – je to elektrický obvod, kterým protéká elektrický proud. Stejnosměrný elektrický proud podle „dohody“ teče od kladného pólu zdroje k zápornému, kdežto elektrony se ve skutečnosti pohybují od záporného pólu zdroje ke kladnému. Říkáme tedy, že elektrický proud teče proti směru pohybu elektronů. Ve schématech značíme el. proud uzavřenou šipkou, kdežto el. napětí otevřenou. Do elektrického obvodu zapojujeme často přístroje k měření proudu a napětí. Viz. předchozí kapitola.
20
2.11 Ochrana obvodů proti nadproudům a zkratům 2.11.1 Základní pojmy
2.11.1.1
Nadproud
Nadproud je stav, při kterém v elektrickém obvodu protéká větší proud, než na který je dimenzován. Trvalý nadproud vede k nadměrnému zahřívání vodičů, svorek, přístrojů a spotřebičů, které se mohou poškodit. Nadproud může vzniknout v zásuvkovém obvodu, na který připojíme spotřebiče s větší spotřebou. Například na zásuvkový obvod jištěný 16A jističem nebo pojistkou připojíme spotřebiče, které současně odebírají proud 25A. Ze spotřebičů lze proudově přetížit elektromotor tím, že jej mechanicky zatížíme větším výkonem. Čím je nadproud větší, tím musí být doba vypnutí kratší. Nadproud také vzniká při spouštění motorů, které musíme jistit pojistkami nebo jističi s tzv. pomalejší vypínací charakteristikou. Ve světelných obvodech a u dalších spotřebičů může vzniknout nadproud pouze v případě poruchy.
2.11.1.2
Zkrat
Zkrat vznikne, spojí-li se vodiče s odlišným potenciálem, například vodiče různých fází, fázový a střední vodič, fázový a ochranný vodič, kladný a záporný vodič stejnosměrného obvodu atd. Zkraty v praxi vznikají v případech, kdy vlivem přehřátí vodičů, svorek nebo částí elektrických přístrojů a spotřebičů dojde k poškození izolací a následnému spojení vodivých částí s různým potenciálem. Ke zkratu může dojít také přes zuhelnatělou část izolace. Zkraty rovněž mohou vzniknout při mechanickém poškození elektrického zařízení.
Charakteristika jisticího přístroje Udává závislost času vypnutí jistícího prvku na velikosti proudu. Z charakteristiky určíme, za jak dlouhou dobu jistící prvek vypne při konkrétním nadproudu. Jistící prvky trvale vydrží dílčí proudové přetížení, které např. u jističů činí 13%.
Vypínací proud Jedná se o hodnotu proudu, který způsobí vypnutí předřazeného jistícího prvku v předepsané době. Tato hodnota je dána charakteristikou jistícího prvku (např. u jističů B, C, D).
Vypínací schopnost Vypínací schopnost je parametr, který udává hodnotu předpokládaného zkratového proudu, kterou musí přístroj bez poškození odpojit.
2.11.1.3
Selektivita jištění
Selektivitou jištění rozumíme takové nastavení charakteristik ochran jisticích přístrojů, aby při poruše určitého elektrického obvodu byl jisticím přístrojem odpojen pouze tento obvod, a to bez vypnutí ostatních nadřazených jisticích prvků. Musí být zachována funkčnost ostatních elektrických rozvodů. Zjednodušeně můžeme říci, že hodnoty jistících prvků (v závislosti na vypínacích charakteristikách) musí směrem od přívodu energie ke spotřebiči klesat.
21
Podle rozsahů proudů, pro které platí výše uvedený princip selektivity, se rozlišuje selektivita plná nebo částečná. Při plné selektivitě vypíná jisticí přístroj v obvodu celý rozsah proudů od přetížení až po zkraty, zatímco předřazený jisticí přístroj zůstává zapnutý. Při částečné selektivitě neplatí princip selektivity pro plný rozsah proudů, ale pouze pro nižší hodnoty proudu nazývané mez selektivity.
2.11.2 Tavné pojistky
Princip funkce pojistky Tavné pojistky chrání elektrická vedení, zařízení nebo obvody před poškozením nadměrným elektrickým proudem, tj. nadproudem nebo zkratem. Vypnutím a přerušením přetíženého obvodu pojistkou je chráněn majetek a jsou chráněny osoby a zvířata před nebezpečným dotykovým napětím neživých částí. Tavná pojistka tvoří nejslabší místo elektrického obvodu. Průchodem proudu tavným vodičem pojistky vzniká na odporu tohoto vodiče pojistky úbytek napětí a ztrátový výkon, který se mění v teplo. Ztrátový výkon roste s druhou mocninou proudu, a proto se s rostoucí velikostí proudu výrazně zkracuje doba potřebná k přetavení vodiče pojistky. Jeho přetavením a uhašením vzniklého oblouku dojde k přerušení elektrického obvodu.
Funkce křemičitého písku Významnou roli ve funkci pojistky sehrává křemičitý písek, kterým bývá většina pojistek naplněna – viz obrázek s řezem pojistkovou patronou. Písek zajišťuje:
ochlazení tavného vodiče při krátkodobých proudových impulzech, např. při zapnutí motorů, výkonných žárovek apod.
akumulaci tepla vzniklého procházejícím proudem – teplo vznikající při nadproudu způsobí po určité době přetavení vodiče
uhašení elektrického oblouku vzniklého při přetavení vodiče
Tavný vodič pojistky Nejdůležitější součástí pojistky je tavný vodič, jehož přetavením dojde k rozpojení obvodu. Tavný vodič musí mít následující vlastnosti:
dobrou vodivost
nízkou teplotu tavení
malou náchylnost k oxidaci
snadnou vypařitelnost Nejčastěji jsou používány tavné vodiče ze stříbra nebo mědi. U malých hodnot pojistek se používají dráty s průměry odpovídajícími jmenovitému proudu pojistky. U větších hodnot pojistek se používají pásky, které mohou být doplněny nízkotavnou pájkou, a nebo mají upravený průřez (na obrázku vlevo). Pojistky jsou též vybaveny přídržným drátkem, který drží signalizační terčík v poloze signalizující nepřerušenou pojistku. Při přetavení tavného vodiče se přídržný drátek okamžitě přetaví a terčík vyskočí.
22
Pojistky se vyrábějí v celé řadě provedení podle velikosti a druhu napětí, velikosti proudu, druhu jištěného zařízení a místa použití. Rozlišujeme pojistky závitové (patrony), nožové, válcové, přístrojové (trubičkové), vysokonapěťové nebo pojistky pro motorová vozidla.
Závitové pojistky Pojistka se skládá z pojistkového spodku (tzv. soklu), hlavice a pojistkové vložky – patrony. Pro nezáměnnost jmenovitých hodnot proudu patrony jsou pojistkové spodky vybaveny vymezovacím kroužkem. Pojistková patrona je určena pro jednorázové použití. Po jejím přetavení se musí vyměnit za novou patronu. Pojistkové vložky je zakázáno opravovat. Opravená pojistková patrona může být příčinou poškození elektrického zařízení, vzniku požáru, úrazu elektrickým proudem nebo jiných škod. Na obrázku je zleva vestavný pojistkový spodek (vyrábějí se i kryté), krycí kroužek (našroubuje se vně závitu pojistkového spodku, pojistková hlavice, vložka (patrona) a vymezovací kroužek. Barvy terčíků patron a vymezovacích kroužků jsou shodné. Vymezovací kroužek umožňuje zašroubovat stejnou nebo menší hodnotu vložky (patrony) do pojistkového spodku. Řady a barevné označení patron Řady pojistek se označují písmenem E (oblý Edisonův závit) a číslem dle průměru závitu. Nejčastěji se používají následující řady a barevná značení:
E27 2A – růžová, 4A – hnědá, 6A – zelená, 10A – červená, 16A – šedá, 20A –
modrá, 25A – žlutá
E33
35A – černá, 50A – bílá, 63A – hnědá
Na obrázku jsou vložky do pojistkových spodků – zleva E16, E27, E33, R1¼“, R2“
23
Výkonové nožové pojistky Pro jištění výkonově silnějších obvodů (např.s trojfázovými motory, celé domy) se používají nožové pojistky. Nožové pojistky se vyrábějí se v několika typových řadách, které se proudovými hodnotami překrývají. Standardní velikosti se označují 000, 00, 1, 2, 3, 4a. V rámci jednotlivých typových řad je rozlišení pouze potiskem, tvarové ani barevné rozlišení se nepoužívá. Pojistky těchto typů se vyměňují pomocí izolovaného držáku, tz. žehličky. Také pro nožové pojistky existují odpínače, kde pojistky pro všechny tři fáze jsou umístěny ve společném nosiči a je možné je vypojit najednou ze všech fází. Princip těchto pojistek je shodný jako u pojistkových patron.
Řady a hodnoty nožových pojistek 000 00 1 2 3 4a
6A, 10A, 16A, 20A, 25A, 32A, 35A, 40A, 63A, 80A, 100A, 125A, 160A 100A, 125A, 160A 16A, 20A, 25A, 32A, 35A, 40A, 63A, 80A, 100A, 125A, 160A, 200A, 224A, 250A 35A, 40A, 63A, 80A, 100A, 125A, 160A, 200A, 224A, 250A, 315A, 350A, 400A 200A, 224A, 250A, 315A, 350A, 400A, 500A, 630A 630A, 800A, 1000A, 1250A, 1600A
Válcové pojistky Především pro jištění v rozvaděčích výrobních objektů nebo přímo strojů se prosadily válcové pojistky. Pojistky jsou symetrické. Válcové keramické tělísko má na koncích nalisované kovové čepičky jako kontakty. Oba konce jsou stejné. Proudové rozsahy jsou rozlišeny pouze potiskem, barevné ani tvarové rozlišení není použito. Existují tři rozměrové řady:
10×38 mm
14×51 mm
22×58 mm Pojistky se zasazují do pojistkových odpínačů. Ty jsou určeny výhradně k montáži na nosnou lištu. Samotná pojistka je umístěna ve výklopné schránce. Pro třífázové obvody existují odpínače, u kterých se odpojí všechny tři fáze současně. Tyto pojistky se prosazují především pro úsporu místa. Automobilové pojistky V automobilech a dopravních prostředcích se obvykle používají nožové pojistky s barevným plastovým tělesem a s nožovými kontakty. Barva tělesa pojistky odpovídá jmenovitému proudu. Schéma automobilové nožové pojistky vidíme na obrázku vpravo. Starší vozidla byla osazena porcelánovými válcovými pojistkami s kovovými čepičkami. Automobilových pojistek existuje celá řada druhů a provedení. Princip funkce je stejný jako u ostatních pojistek. Při nadproudech a zkratech se přetaví tavný vodič pojistky.
24
Skleněné trubičkové pojistky Skleněné trubičkové pojistky se užívají k jištění výrobků spotřební elektroniky. Mají proudovou hodnotu od několika desetin do několika ampérů. Jednotlivé proudové hodnoty jsou rozměrově stejné, proto je třeba dbát na to, aby byla vyměněna pojistka stejné hodnoty. Záměnou za pojistku vyšší hodnoty může dojít k poškození přístroje. Trubičkové pojistky jsou vyráběny dvou rozměrových řadách.
Upozornění Žádné typy pojistek nesmí být opravovány. Po opravě dojde ke změně jmenovitého proudu a vypínací charakteristiky. Tím dojde ke znehodnocení funkce pojistky. To může způsobit vážné poškození zařízení nebo rozvodů, úraz elektrickým proudem, požár apod. Všechny typy pojistek jsou označeny proudovou hodnotou v ampérech, jmenovitým napětím a případně i dalšími údaji.
Charakteristiky tavných pojistek V praxi se pojistky v závislosti na tom, jak rychle se přepálí při konstantním nadproudu, rozdělují také na tzv.:
rychlé – značeno F
pomalé – značeno T, popř. symbolem šneka – hlemýždě Pomalejší pojistky se předřazují např. před elektromotory, u kterých při jejich startu dochází ke krátkodobému výraznému nárůstu proudu. Především nožové a válcové pojistky se vyrábějí pro různé oblasti použití. Pojistky jsou rozděleny do kategorií užití podle své funkce.
Vysokonapěťové pojistky Vysokonapěťové pojistkové vložky mají obdobnou funkci jako pojistky pro nízká napětí. Používají se pro jištění obvodů a přístrojů vysokého napětí, např. distribučních transformátorů. Jsou konstruovány tak, aby podle svého vypínacího rozsahu bezpečně přerušily všechny proudy od jejich jmenovité vypínací schopnosti směrem dolů k minimálnímu vypínacímu proudu. Základními částmi vysokonapěťové pojistkové vložky jsou pouzdro, keramický nosič tavného vodiče, hasivo a kontaktní víčka, z nichž jedno je opatřeno ukazatelem stavu. Ten slouží uživateli nejen k vizuální indikaci přetavení pojistky, ale může se též použít k aktivaci dalšího příslušenství. V případě poruchy může tímto způsobem pojistka na jedné fázi iniciovat odpojení zbývajících fází systému.
Řez vysokonapěťovou pojistkovou vložkou firmy OEZ:
25
2.11.3 Jističe Porovnání vlastností jističe a pojistky Jistič i pojistka mají podobnou funkci – chrání elektrické obvody a zařízení proti nadproudům a zkratům.
Výhody jističe: Na rozdíl od pojistky, která se při svém a musí být vyměněna, lze jistič znovu zapnout a dodávku proudu do elektrického obvodu. lepší schopnosti vypínat menší hodnoty
zapůsobení obnovit Výhodou nadproudů.
zničí tak jsou
Výhody pojistek: Hlavní výhodou je jednoduchost, nižší cena, menší rozměry a spolehlivost. Výhodou může být i vyšší rychlost vypínání, protože jistič má z principu své funkce omezenou rychlost působení, dokáže zkratový proud vypnout, ale většinou jej nedokáže omezit.
Hlavní části a funkce jističe Každý jistič musí být schopen chránit přiřazený obvod proti nadproudům a zkratům. Proto je vybaven zkratovou a nadproudovou spouští.
Zkratová spoušť Zkratová spoušť jističe je tvořena elektromagnetem, jehož cívkou prochází proud jištěného obvodu. Elektromagnet působí na vypínací mechanismus jističe. Musí velmi rychle reagovat na zkratové proudy a nemá reagovat na běžné nadproudy. Na obrázku vpravo je detail elektromagnetu zkratové spouště (uprostřed), vypínacího mechanismu (vlevo) a zhášecí komory vpravo).
26
Nadproudová spoušť Nadproudová spoušť (obrázek vpravo) je tvořena bimetalem (dvojkovem), který se ohřívá procházejícím proudem. U jističů větších hodnot se bimetal ohřívá přímo, u jističů malých hodnot je použit nepřímý ohřev pomocí odporového vodiče ovinutého kolem bimetalu, vodič se ohřívá procházejícím proudem a předává teplo bimetalu. Bimetal se při ohřátí prohne a zapůsobí na vypínací mechanismus jističe.
Zkratová odolnost Jedním z důležitých parametrů jističů jsou udávané zkratové schopnosti v kA. Zkratové proudy mohou dosahovat velmi vysokých hodnot především v blízkosti trafostanic. Dnes se běžně používají jističe se zkratovou odolností 6 kA. Pro náročnější aplikace jsou k dispozici jističe se zkratovou odolností 10 kA až 25 kA.
2.11.3.1
Druhy jističů
Jističe se vyrábějí v celé řadě provedení lišících se počtem pólů (jednofázové, třífázové s 1 až 4 póly), hodnotami proudů, druhem proudu (stejnosměrné, střídavé), provedením apod. Mohou být vybaveny pomocnými kontakty nebo podpěťovými spouštěmi umožňujícími dálkové vypínání.
2.11.3.2
Charakteristiky jističů
Charakteristiky běžných jističů se označují písmeny B, C a D. Lze z nich odečíst dobu, za kterou jistič vypne při určitém proudu. Všechny charakteristiky mají stejnou nadproudovou (tepelnou) část, liší se pouze ve zkratové části. Smluvený nevypínací proud je stanoven jako 1,13 násobek jmenovitého proudu a jistič jej nesmí vypnout nikdy, smluvený vypínací proud je stanoven na 1,45 násobek jmenovitého proudu a jistič jej musí vypnout do hodiny.
27
Charakte-ristika jističe
Vypne do 0,1 s při násobku jmenovitého proudu
Použití
A B C
3 až 5 5 až 10
polovodiče běžné spotřebiče žárovky, motory s lehkým rozběhem
D
10 až 20
motory s těžkým rozběhem, transformátory
2.11.4 Motorové spouštěče Motorové spouštěče mají obdobné vlastnosti jako jističe s charakteristikou D. Na rozdíl od jističů lze u nich nastavit nadproudovou spoušť v rozsahu 20 až 30%. Zkratová je nastavena pevně. Motorové spouštěče mají ovládací mechanismy přizpůsobené k častému zapínání a vypínání, ovládají se tlačítky nebo otočnými páčkami. Běžně jsou motorové spouštěče vybaveny:
podpěťovou spouští, která zajistí samočinné vypnutí motorového spouštěče v případě výpadku napětí nebo při podpětí
vypínací spouští, kdy po přivedení napětí na cívku spouště dojde k vypnutí motorového spouštěče
kontakty pro signalizaci reakce nadproudové nebo zkratové spouště
pomocnými kontakty pro signalizaci zapnutého nebo vypnutého stavu hlavních kontaktů.
28
2.11.5 Nadproudová relé Tepelná nadproudová relé Relé jsou podobně jako jističe vybavena bimetalovými spouštěmi v každé fázi, přes které protéká proud motoru a ohřívá je nepřímým způsobem. Bimetaly se při ohřevu ohýbají až nakonec vypnou spoušť ovládající pomocné kontakty, které změní svou spínací polohu. Relé mají zabudované dva pomocné kontakty: jeden rozpínací a jeden spínací. Hodnotu proudu lze u tepelných nadproudových relé nastavit v rozsahu min. 20%.
Elektronická nadproudová relé Elektronická nadproudová relé mají širší rozsah nastavení. Používají se rovněž k nadproudové ochraně motorů.
proudového
Nadproudová relé mohou být provedena jako samostatný přístroj nebo jako modul určený k montáži na stykač. Svými kontakty řídí ovládací obvody stykačů. Při nadproudu v motoru nadproudové relé vypne ovládací obvod stykače a stykač následně vypne proud do motoru.
2.12 Stejnosměrné a střídavé napětí Stejnosměrné napětí je napětí, které nemění v čase svoji polaritu (směr), můžeme u něj tedy rozlišit kladný pól (+) a záporný pól (−). Vznik stejnosměrného napětí
ze zdroje stálého stejnosměrného napětí, tj. zdroje, který má na jednom z pólů stálý kladný potenciál a na druhém pólu stálý záporný potenciál. Takovým zdrojem je např. galvanický článek. Elektrický proud z tohoto zdroje má alespoň po určitou dobu stálý směr i velikost. v termočlánku ve fotoelektrických článcích v dynamu, neboli v generátoru, který obsahuje část zvanou komutátor. Komutátor při otáčení rotoru přepojuje póly zdroje, takže kladný a záporný potenciál zůstávají stále na stejných výstupních svorkách. Elektrický proud z dynama má stálý směr, ale mění svou velikost. usměrněním střídavého proudu pomocí usměrňovače. Usměrňovač v první polovině periody střídavého proudu propustí proud, v druhé polovině buď nepropustí žádný proud, nebo obrátí směr proudu do stejného směru jako v první polovině periody. Elektrický proud má stále stejný směr, mění svou velikost a označuje se jako tepavý proud. Průběh takového proudu lze do jisté míry vyhladit kondenzátorem, nebo přesně stabilizovat specializovanými obvody. Usměrnit lze i vícefázový proud, čímž vzniká jen lehce zvlněný proud výstupní.
29
Různé podoby stejnosměrného napětí
Střídavé napětí je takové elektrické napětí, které v čase mění svou polaritu. Graficky znázorněné na osciloskopu může mít různé tvary. Vznik střídavého napětí Střídavé napětí vzniká elektromagnetickou indukcí v generátoru, nazývaném alternátor. Frekvence otáčení rotoru v generátoru určuje frekvenci střídavého proudu. Jestliže se otáčení rotoru děje se stálou úhlovou rychlostí, pak vzniklý střídavý proud má harmonický průběh. Velikost střídavých veličin Velikost obecných střídavých napětí a proudů není v obecném případě jednoznačně určitelná, protože není možné jedním číslem charakterizovat celý průběh, který obecně nemusí být a nebývá harmonický. V silových obvodech pod pojmem velikost napětí nebo proudu většinou rozumíme jeho efektivní hodnotu, avšak z hlediska účinku napětí či proudu může být v mnoha situacích důležitá také maximální hodnota, střední absolutní hodnota, nebo velikost základní harmonické jeho průběhu.
Umax je špičkové napětí. U harmonického průběhu se vyskytuje v 1/4 periody a ve 3/4 periody. V zásuvce je Umax asi 325 V. Imax je špičkový proud. Ue f je efektivní hodnota napětí, v silových střídavých obvodech jde o nejčastěji udávanou hodnotu. Většinou se značí pouze jako U. Efektivní hodnota je definována jako velikost stejnosměrného napětí, které by na rezistoru vyvolalo stejný tepelný účinek. Z matematického hlediska jde o odmocninu ze střední hodnoty čtverce napětí za jednu nebo více půlperiod. V Evropě je zásuvce napětí Uef rovno 230 Volt. Platí, že: U = 1/√2 . U_max = 0,7072 Umax Umax = √2 . U = 1,4142 U
Obdobně Ie f je efektivní hodnota proudu, v silových střídavých obvodech jde o nejčastěji udávanou hodnotu. Většinou se značí pouze jako I. Efektivní hodnota je definována jako velikost stejnosměrného proudu, který by při průchodu rezistorem vyvolal stejný tepelný účinek. Z matematického hlediska jde o odmocninu ze střední hodnoty čtverce proudu za jednu nebo více půlperiod.
30
Ustř – střední absolutní hodnota napětí – se většinou neudává, protože nemá takové praktické využití. Je to střední hodnota absolutních hodnot napětí: Ustř = 2 Umax / π = 0,6366 Umax Umax = π . U_stř / 2 = 1,5708 Ustř Ustř = √8 U / π = 0,9003 U U = π . U_stř / √8 = 1,1107 Ustř
K výše uvedeným přepočtům je třeba poznamenat, že jsou přesné pouze za předpokladu, že veličina má nezkreslený sinusový průběh, což v praxi nemusí zvláště u odebíraných proudů vůbec platit.
Více viz. kapitola střídavý proud.
Rúzné průběhy střídavého napětí
2.13 Řazení elektrických zdrojů Elektrické zdroje můžeme řadit A) za sebou, tj. do série, B) vedle sebe, tj. paralelně, C) kombinovaně, tj. sérioparalelně
2.13.1
Sériové řazení zdrojů
Při sériovém řazení stejnosměrných zdrojů spojíme vždy kladnou svorku jednoho zdroje se zápornou svorkou následujícího zdroje (obr. 13). Spojením několika zdrojů (například článků) dostaneme baterii. Nejčastěji spojujeme zdroje se stejnými parametry, tj. se stejným svorkovým napětí nezatíženého zdroje u0 a se stejným vnitřním odporem ri. Potom je také stejné svorkové napětí při zatížení u. Je-li počet zdrojů zapojených do série n, je svorkové napětí nezatížené baterie U 0 = nu0 a zatížené baterie U = nu. Vnitřní odpor baterie Ri = nri. Do série můžeme zapojovat také zdroje s různými parametry, ale potom se svorkové napětí baterie a její vnitřní odpor rovnají součtu svorkových napětí a vnitřních odporů jednotlivých zdrojů. V tomto případě můžeme však baterii zatížit pouze proudem, který je schopen dodávat zdroj s nejmenším jmenovitým proudem.
31
Zdroje zařazené do série
Sériovému spojení zdrojů říkáme také spojení na napětí, neboť je určeno pouze ke zvyšování napětí.
2.13.2
Paralelní řazení zdrojů
Pro paralelní spojování stejnosměrných zdroj používáme vždy zdroje se stejnými parametry, aby mezi nimi nevznikaly vyrovnávací proudy, čímž by byl provoz nehospodárný. Při paralelním řazení zdrojů spojíme vzájemně všechny kladné svorky a všechny záporné svorky. Svorkové napětí nezatížené baterie a svorkové napětí při zatížení se rovnají svorkovému napětí při nezatížení a svorkovému napětí při zatížení jednoho zdroje (článku). Je–li počet článků m a jmenovitý proud jednoho článku i, můžeme baterii zatížit proudem I = mi.
Zdroje zařazené paralelně
Paralelnímu spojení článků říkáme také spojení na proud, protože ho používáme, potřebujeme-li proud větší, než může trvale poskytovat jeden zdroj.
32
2.13.3
Kombinované řazení elektrických zdrojů
Potřebujeme-li zvýšit napětí, ale i zvětšit proud, spojujeme zdroje (články) kombinovaně. Vznikne paralelní spojení několika sériově zapojených baterií.
Zdroje zařazené kombinovaně
Je-li počet článků spojených do série v jedné baterii n a počet sériových baterií spojených paralelně m, je svorkové napětí nezatížené baterie U0 = nu0 . Svorkové napětí baterie při zatížení U = nu a vnitřní odpor baterie Ri = nri /m. Jmenovitý proud I = mi. Počet článků potřebných pro sestavení baterie se rovná součinu nm.
3 Stejnosměrný proud Jak jsme se již dozvěděli, stejnosměrný proud je takový proud, který s časem nemění svůj směr. Dohodnutý směr stejnosměrného proudu je od kladného pólu zdroje k zápornému. Také napětí může být buď stejnosměrné, nebo střídavé. Zdroj stejnosměrného napětí má na jedné svorce trvalý přebytek elektronů. Tato svorka se nazývá záporná svorka zdroje napětí. Také již víme, že napětí měříme voltmetrem a jednotkou napětí je volt (V). Proudy měříme ampérmetrem a jednotkou el. proudu je ampér (A). Stejnosměrné napětí získáváme např. z chemických zdrojů napětí (galvanické články, baterie, akumulátory) nebo usměrněním střídavého napětí.
3.1 Výkon a práce stejnosměrného proudu 3.1.1 Elektrická práce Elektrická práce je mírou přeměny elektrické energie na jiné druhy energie. Elektrická práce se vykonává, přesunujeme- li náboj Q mezi dvěma místy, mezi nimiž je napětí U
W = Q.U
33
Protože náboj Q lze vypočítat jako součin el. proudu a času (Q=I.t) je elektrická práce
W = U.I.t Elektrickou práci tedy vyjadřujeme jako součin napětí, proudu a doby, po ktrou se práce koná. Stejně jako pro mechanickou práci používáme pro elektrickou práci jednotku joule (J). V elektrotechnické praxi se však častěji používá jednotka watt sekunda (W.s), popřípadě její násobky watt hodina (W.h) a kilowatt hodina (kW.h). Platí vztah 1J = 1 W.s Příklad: Vypočítejte elektrickou práci, kterou spotřebuje zařízení, jímž při napětí 24 V prochází proud 2,1 A po dobu 25 minut. U = 24 V, I = 2,1 A, t = 25 min = 1500 s, W = ? J Řešení: W = U.I.t = 24 V . 2,1 A . 1500 s = 75 600 J = 75,6 kJ Zařízení spotřebuje práci přibližně 76 kJ. V běžném životě se však často mluví o spotřebě elektrické energie. Jde však o dodanou práci, kterou zařízení získává přeměnou elektrické energie.
3.1.2 Elektrické teplo Elektrické teplo nebo častěji Jouleovo teplo vzniká ve vodiči průchodem elektrického proudu. Joule tento jev zkoumal kolem roku 1840. Zahřívání vodiče lze vysvětlit předáváním části kinetické energie částic způsobujících elektrický proud (nejčastěji elektronů) částicím, které se elektrického proudu neúčastní (nejčastěji kladné ionty v pevných pozicích). Tím se zvyšuje tepelný pohyb těchto částic a vodič se zahřívá. Velikost Jouleova tepla Q vznikajícího ve vodiči, jímž prochází elektrický proud po dobu t a na jehož koncích je napětí U, se vypočte:
Q = U.I.t Je-li znám odpor R vodiče, pak lze Jouleovo teplo vypočítat též takto:
Q = R.I2.t Tento vztah se také nazývá Jouleův zákon. Základní jednotkou Jouleova tepla je joule (J). Jouleovo
teplo
se využívá v tepelných
elektrických spotřebičích,
jinde je spíše
na škodu, protože způsobuje jednak ztrátu elektrické energie, jednak možné tepelné poškození elektrických spotřebičů. Podle vztahů vidíme, že elektrická práce a elektrické teplo jsou ve své podstatě to samé.
34
3.1.3 Elektrický výkon Víme již, že pro výkon platí vztah:
P = W/t Výkon P v obvodu stejnosměrného proudu je přímo úměrný práci W a nepřímo úměrný době t, po kterou se práce koná. Dosazením do tohoto vztahu dostaneme:
P = U.I Elektrický výkon při stálém stejnosměrném proudu v obvodu se rovná součinu proudu procházejícího vodičem a napětí mezi jeho konci. Jednotkou výkonu je watt (W). Jeden Watt je výkon, při němž se rovnoměrně vykoná práce jednoho joulu za jednu sekundu. Elektrický výkon měříme wattmetrem. Je to přístroj, který současně měří napětí a proud. Úpravami podle Ohmova zákona dostaneme pro elektrický výkon další vztahy:
P = U.I = R.I2 = U2/R Příklad: Elektrické topné těleso odebírá při napětí 230 V elektrický proud 8,65 A. Jaký odebírá výkon? U = 230 V, I = 8,65 A, P = ? W Řešení: P =U.I = 230 V . 8,65 A = 1989,5 W ≈ 2 kW Elektrické zařízení odebírá výkon přibližně 2 kW.
3.1.4 Účinnost V elektrotechnice je účinnost fyzikální veličina, která udává poměr mezi užitečným výkonem P2 a příkonem P1 při vykonávání práce. Užitečný výkon (někdy jen výkon) je výkon, který dodává spotřebič. Žárovka s příkonem 100 W dodává světelný výkon asi 10 W, tj. 90 W se v ní mění na neužitečné teplo. Energie dodaná stroji musí být vždy větší než práce strojem vykonaná (v opačném případě bychom mluvili o tzv. Perpetuum mobile), kvůli ztrátám – přeměně energie na neužitečné druhy (např. v důsledku tření se mění mechanická energie v teplo). Proto účinnost je vždy menší než 100 %. (Také říkáme menší než 1) Značka: η (čteme ný) Jedná se o bezrozměrnou veličinu buď bez jednotky, příp. s jednotkou %. Výpočet:
η = P2/P1 Rozdíl mezi výkonem a příkonem tvoří ztráty, tj. neužitečně přeměněný výkon. V žárovce jsou tedy ztráty kolem 90 %. 35
3.2 Elektrický odpor Kovový vodič je tvořen velikým množstvím mikroskopických krystalků. Tyto krystalky obsahují velký počet atomů uspořádaných do krystalových mřížek. Společným znakem všech atomů je jejich kmitání kolem rovnovážné polohy. Volné elektrony při svém kmitání narážejí do jednotlivých atomů a mění tak svůj směr. Dokud vodičem neprochází proud, je pohyb elektronů neuspořádaný. Za určitou dobu projde průřezem vodiče jedním směrem stejný počet elektronů, jaký projde opačným směrem. Elektrony z vodiče nevystupují. Připojí-li se konce vodiče ke zdroji napětí, uvedou se volné elektrony do uspořádaného pohybu, kdy na jedné straně do vodiče elektrony vstupují a na druhé straně z něj vystupují. Avšak srážky s atomy brzdí pohyb elektronů. Projevuje se elektrický odpor vodiče, zkráceně odpor (R). Jednotkou odporu je ohm (Ω). Odpor měříme ohmmetrem. Odpor vodiče závisí na: jeho délce – čím je vodič delší, tím je jeho odpor větší. Čím delší je vodič, tím více srážek musí elektrony překonat při své cestě vodičem. Zvětšuje se tedy odpor vodiče. průřezu vodiče – čím větší je průřez vodiče, tím menší je jeho odpor. materiálu vodiče – tuto závislost vyjadřujeme rezistivitou vodiče (ρ). teplotě vodiče – čím je teplota vodiče vyšší, tím je i jeho odpor vyšší. Odpor vodiče je přímo úměrný měrnému odporu ρ, přímo úměrný délce l a nepřímo úměrný průřezu vodiče A. Vzorec:
ρ∙l R= A
nebo
l R= γ∙A
Měrný odpor a měrná vodivost při 20 °C Materiál hliník (Al) měď (Cu) stříbro (Ag) zlato (Au)
Měrný odpor ρ (Ω.mm2 /m) 0,0278 0,0178 0,0167 0,022
Měrná vodivost γ (Ω.mm2 ) 36,0 56,0 60,0 45,7
Příklad: Vypočítejte odpor měděného vodiče délky l = 50 m a průřezu A = 1,5 mm2 . Řešení: Z tabulky známe měrný odpor ρ=0,0178 Ω.mm 2 /m R=
ρ∙l 0,0178 Ω.mm 2 /m ∙ 50 m = = 0,59 Ω A 1,5mm2
36
3.3 Ohmův zákon Ohmův zákon vyjadřuje vztah mezi napětím a proudem při konstantním odporu vodiče. Znění Ohmova zákona: Elektrický proud I v kovovém vodiči je přímo úměrný elektrickému napětí U mezi jeho konci.
I = U/R
Graf lineární závislosti proudu na napětí
3.3.1 Úbytek napětí na vedení Na každém vodiči dochází průchodem proudu k úbytku napětí. Úbytek napětí na vedení je tím větší, čím větší je proud vedení a čím větší je odpor vedení. Úbytek napětí ve vedení způsobuje ztráty energie, které se mění v teplo. Přípustné úbytky napětí na vedení jsou dány technickou normou Přípustné maximální úbytky napětí na vedení Přípustný úbytek napětí mezi přípojnou skříňkou a elektroměrem: odebíraný výkon: přípustný úbytek napětí: do 100 kVA 0,5 % od 100 kVA do 250 kVA 1% od 250 kVA do 400 kVA 1,25 % přes 400 kVA 1,5 % Maximální úbytky ke spotřebiči podle ČSN: druh obvodů od rozváděče za elektroměrem světelné obvody 2% obvody pro spotřebiče na 3% vaření a topení ostatní obvody 5%
od přípojné skříňky 4% 6% 8%
Základní vzorce pro výpočet úbytku napětí:
∆U = U1 – U2 ∆U = I . Rved
∆U - úbytek napětí U1 - napětí na začátku vedení U2 - napětí na konci vedení
37
∆U.100% ∆u = U
Příklad: Dvouvodičovým vedením délky 10 m s měděnými vodiči 1,5 mm2 protéká proud 13 A. a) Jak velký je úbytek napětí na vedení ∆U veV? b) Jak velký je úbytek ∆u v % síťového napětí 230 V? Řešení: 2∙l 2 ∙ 10 m Rved = = = 0,238 Ω γ∙A 56 m/Ω.mm2 ∙ 1,5 mm2 a) ∆U = I . Rved = 13 A . 0,238 Ω = 3,1 V b) ∆u =
∆U.100% 3,1V.100% = = 1,35% U 230V
! Elektrický proud musí protéct celým vedením od zdroje ke spotřebiči a zpět, proto u stejnosměrného proudu a jednofázového střídavého proudu násobíme délku vedení dvěma!
38
3.3.2 Příklady na Ohmův zákon: Příklad 1 K odporovému vodiči bylo přiloženo napětí 24 V. Jaký proud protéká vodičem, je-li jeho odpor 160 Ω? Řešení: U = 24 V R = 160 Ω určit proud I [A] I=
U 24 V = = 0,15 A R 160 Ω
Vodičem protéká proud 0,15 A, tj. 150 mA. Příklad 2 Rezistorem o odporu 2,2 kΩ protéká proud 30 mA. Vypočtěte napětí na rezistoru. Řešení: R = 2,2 kΩ = 2,2 ·103 Ω I = 30 mA = 30 ·10-3 A určit napětí U [V] U = RI = 2,2 ·103 Ω · 30 ·10-3 A = 66 V Na rezistoru je napětí 66 V. Příklad 3 Vypočítejte odpor vodiče, kterým při napětí 1,4 V prochází proud 250 mA. Řešení: U = 1,4 V I = 250 mA = 250 ·10-3 A určit odpor R [Ω] R=
U 1,4 V = = 5,6 Ω I 250·10-3 A
Odpor vodiče je 5,6 Ω. Cvičení 1. Na žárovce je údaj 4,5 V a 0,26 A. Určete odpor vlákna žárovky při provozní teplotě. 2. Ampérmetr má rozsah 100 mA. Můžeme jím měřit proud procházející rezistorem s odporem 0,8 kΩ při napětí 120 V? 3. Na jaké největší napětí je možné připojit elektromotorek autíčka s odporem vinutí 10 Ω, aby proud jím protékající nepřekročil hodnotu 1,25 A? Výsledky: 1. R = 17,3 Ω; 2. Ne, ampérmetrem by protékal proud 150 mA; 3. U = 12,5 V.
39
3.4 Rezistory Elektrický odpor R vystupující v Ohmově zákoně je v praxi realizován součástkou nazývanou rezistor. Důležitost této součástky vyplývá již ze samotného vzorce pro Ohmův zákon, který říká, že rezistory převádějí proud na napětí a naopak. Jinými slovy, při průtoku daného proudu I vzniká na rezistoru úbytek napětí U, přímo úměrný hodnotě odporu R. Pokud bychom na rezistor přiložili napětí U, protekl by jím proud I tím menší, čím větší by byla jeho hodnota odporu R. Rezistor je tedy v elektrickém obvodu schopen proud omezovat, což je další z jeho velmi častých aplikací Ze vztahu je patrné, že odpor R se zvětšuje s rostoucím měrným odporem a délkou a s klesajícím průřezem S. Rezistory jsou elektronické součástky, jejichž základní požadovanou vlastností je elektrický odpor žádané velikosti. Podle konstrukčního provedení je dělíme na dvě velké skupiny: rezistory se dvěma vývody (většinou pevné) rezistory s více než dvěma vývody (rezistory s odbočkami, odporové trimry a potenciometry) Nezávisle na předchozím dělení můžeme z technologického hlediska rozdělit rezistory na: vrstvové (odporový materiál ve formě vrstvy) drátové (vinuté odporovým drátem)
Obr. 7 Některé z typů používaných rezistorů a) vrstvový rezistor b), c) drátové rezistory d) odporový trimr
3.4.1 Parametry rezistorů Součástky jsou obvykle popisovány mezními a charakteristickými parametry. Mezní parametry jsou ty, jejichž překročení vede ke zničení součástky. Charakteristické jsou ty, které nám charakterizují užitné vlastnosti součástky. Jejich opomenutí vede většinou k nesprávné funkci obvodu, nikoliv však k jeho destrukci. Nejdůležitějšími parametry diskrétního rezistoru je jmenovitá hodnota odporu (charakteristický parametr) a jmenovitá zatížitelnost (mezní parametr). Jmenovitý odpor rezistoru představuje výrobcem předpokládaný odpor v ohmech, s příslušnou tolerancí v procentech. Podle udané tolerance jsou hodnoty rezistorů vyráběny v řadě povolených čísel E6, E12, E24, atd. podle počtu nhodnot v dekádě. Řada volených čísel (tzv. procentní) tvoří geometrickou posloupnost. V tabulce jsou uvedeny hodnoty výše zmíněných řad:
40
1,0 3,3
1,1 3,6
1,2 3,9
1,3 4,3
1,5 4,7
1,0
1,2
1,5
1,8
2,2
Řada E 24 (5%) 1,6 1,8 2,0 5,1 5,6 6,2 Řada E 12 (10%) 2,7
3,3
3.9
2,2 6,8
2,4 7,5
2,7 8,2
3,0 9,1
4,7
5,6
6,8
8,2
Řada E 6 (20%) 1,0
1,5
2,2
3,3
4,7
6,8
Jmenovitá zatížitelnost rezistorů Jmenovitá zatížitelnost vychází z elektrického výkonu způsobeného průchodem proudu I rezistorem R, na kterém je přitom úbytek napětí U. Tento výkon se mění převážně v teplo. Jelikož by mohl nadměrný ohřev způsobit překročení teploty, nad kterou již nastávají nevratné změny parametrů daného rezistoru, stanovuje výrobce maximální povolený (jmenovitý) ztrátový výkon, při kterém ještě tato teplota překročena není. Jeho hodnoty obvykle tvoří řadu 0,125, 0,25, 0,5, 1, 2, 5 …[W] a nalezneme je u většiny výrobců shodné.
P = U ∙ I = R ∙ I2 = U2 / R Značení rezistorů Podle velikosti a tvaru rezistorů využívají výrobci zpravidla jeden ze tří druhů značení odporu rezistorů: číselné značení s příponou barevný kód číselný kód Číselné značení s příponou Základní jednotkou pro značení odporu rezistorů je 1Ω. Ostatní řády se označují obvyklými příponami (násobiteli). Na konci označení může být ještě písmeno značící toleranci hodnoty odporu. Přípony a značky pro toleranci jsou uvedeny v následující tabulce Násobitel R a J může být vynechán. Násobitel Přípona
100 R, J
103 k
106 M
109 G
1012 T
Tab. Kódy pro značení hodnot rezis torů
Tolerance (+/-) Kód tolerance
20 %
10 %
5%
2%
1%
M
K
J
G
F
Kódy pro značení tolerance rezistorů
Barevný kód Označování rezistorů barevným kódem se využívá především u miniaturních rezistorů, kde rozměry součástky neumožňují vyjádřit hodnotu a toleranci písmenovým kódem. Barevné značení má výhodu ve snadném čtení údajů ze všech směrů a poloh umístění rezistorů, protože je provedeno po celém obvodu rezistorů. Pro určení hodnot odporu jednotlivých rezistorů se používá tabulka 1.4. Značení se skládá ze tří až šesti proužků, kde první proužek je blíže k okraji rezistorů. Označení zahrnuje dvě až tři platné číslice, dále násobitel, toleranci a případně teplotní koeficient TKR. Příklad tohoto způsobu značení je na obr. 8.
41
Barevný kód značení rezistorů
Obr. 8 Různé způsoby značení odporu rezistoru o hodnotě 1200 Ω
Číselný kód Tento způsob značení se používá zejména pro popis rezistorů SMD pro povrchovou montáž. Skládá se ze tří nebo čtyř číslic, přičemž první dvě nebo tři číslice představují vlastní hodnotu odporu a poslední číslice jeho násobitel. V podstatě jde o obdobu čárového kódu.
3.4.2 Vlastnosti rezistorů Teplotní součinitel odporu rezistoru Teplotní součinitel odporu rezistoru (TKR) umožňuje určit změnu odporu rezistoru, způsobenou změnou jeho teploty. Udává největší poměrnou změnu odporu součástky, odpovídající nárůstu oteplení o 1°C, v rozsahu teplot, ve kterých je tato změna vratná.
42
Šumové napětí Vlivem nerovnoměrného pohybu elektronů uvnitř materiálu součástky, vznikají mezi vývody rezistoru malé, časově nepravidelné změny potenciálu. Pokud bychom tyto změny zesílili a přivedli je jako nf signál například do reproduktoru, slyšeli bychom charakteristický zvuk, který označujeme jako šum elektronického obvodu. Příčinou šumu je šumové napětí, které má dvě hlavní složky: tepelné šumové napětí a povrchové šumové napětí.
Potenciometry Potenciometry jsou proměnné otočné rezistory. Vyrábějí se jak vrstvové, tak i drátové. Nejběžnější jsou vrstvové potenciometry lakové, u nichž je odporová dráha tvořena lakovou vrstvou na vytvrzené izolační podložce. Kvalitnější jsou potenciometry s odporovou drahou tvořenou sklem nebo tvrditelnou pryskyřicí, obsahující vodivý materiál (grafit, práškové stříbro, apod.) na izolační keramické podložce. Konstrukčně jsou potenciometry provedené jako jednoduché (obsahují pouze jeden systém) nebo dvojité (dva systémy ve spojených pouzdrech, ovládané samostatně uloženými osami) a tandemové (na jedné ovládací ose jsou umístěny dva systémy). Podle závislosti dělícího poměru, na úhlu natočení osy, rozlišujeme potenciometry s různými průběhy. Nejdůležitější je potenciometr lineární (označovaný N) a logaritmický (označovaný G). Všimněme si, že logaritmický potenciometr má závislost dělícího poměru na úhlu natočení exponenciální. Používá se k regulaci veličin, které závisí na napětí logaritmicky (např. hlasitost). Tyto veličiny jsou pak regulovány přímo úměrně úhlu natočení osy. Speciálními typy jsou víceotáčkové potenciometry, které mají odporovou dráhu provedenou ve tvaru šroubovice a umožňují velice přesné nastavení požadované hodnoty odporu. Provedení některých typů potenciometrů a průběh jejich charakteristik je uveden na obr. 10.
Provedení potenciometrů a) lineární
b) tandemový
c) víceotáčkový
Průběhy odporu potenciometrů v závislosti na natočení osy a) lineární potenciometr b) logaritmický potenciometr c) exponenciální potenciometr
43
Odporové trimry Odporové (potenciometrické) trimry se od potenciometrů liší konstrukčním provedením, které není určeno k trvalému posouvání polohy jezdce. Obvykle lze nastavit pomocí malého šroubováku. Můžeme je také využívat místo klasických rezistorů konkrétní hodnoty, které nenalezneme v odporových řadách a tak si jejich hodnotu pevně nastavíme. Odporová dráha je tvořena vrstvou odporového materiálu stejného složení, jako u vrstvových potenciometrů.
Různé podoby trimrů
3.4.3 Zvláštní druhy rezistorů: termistor, varistor, fotorezistor, magnetorezistor
Termistor Termistory se vyrábějí z oxidu kovu (Mn, Fe, Co, Ni, …), který se rozemele na prášek a podle požadovaných vlastností vyráběného termistoru se přidají další příměsi a pojidlo. Poté se směs za vysokého tlaku slisuje. Tvar termistoru (tyčinky, destičky, …) závisí na jeho pozdějším použití. Nakonec se nechá vypálit v peci (při teplotách přes 1000°C). Podle závislosti odporu na teplotě existují dva druhy: 1. NTC (se záporným teplotním součinitelem odporu) - s rostoucí teplotou jeho odpor klesá, neboť roste vodivost a tedy i proud. Užívá se k měření teploty (při můstkovém zapojení je možno měřit až s přesností 10-4 K) k určování velikosti rychlosti proudění tekutin(tekutina proudí, ochlazuje ho a je tedy možné určit velikost rychlosti proudění), převodník teplota - napětí (při měření teploty na počítačích), v obrazovkách (zabraňuje žhavícímu vláknu se přehřát při zapnutí počátečním velkým proudem - je zapojen s vláknem v sérii, čímž částtepla vzniklého průchodem proudu „absorbuje“) 2. PTC (pozistor; s kladným teplotním součinitelem odporu) - s rostoucí teplotou roste odpor, přičemž roste mnohem rychleji než u kovů. Užívá se v elektrických troubách a vařičích ke stabilizaci napětí (v troubách se požaduje konstantní teplota - při náhodném zvýšení napětí vzroste proud, pozistor se zahřeje a zvětší se jeho odpor, následkem čehož se přerozdělí napětí a zmenší se výchylky proudu a napětí na spirále; analogicky funguje při poklesu napětí), zabraňuje spálení motorů, indikuje vzrůst nebo pokles teploty, využívá se v termostatech („hrubé“ rozdíly zpracuje pozistor, zbytek doladí termistor)
44
Varistor Varistor je nelineární polovodičová součástka, jejíž odpor závisí na napětí. Je zhotovena slisováním a spékáním zrníček karbidu křemíku (SiC) při teplotě kolem 1200°C, nebo spékáním oxidů některých kovů - například zinku. První uvedené se označují jako karbidové varistory, druhé jako MOV (Metal Oxid Varistor). Název součástky je odvozen z anglického variable resistor. Varistor je někdy označován i jako VDR (Voltage Dependent Resistor – rezistor závislý na napětí). Při zvětšování napětí mezi vývody varistoru dochází nejprve k pomalému a skoro lineárnímu vzrůstu proudu. Odpor součástky je velký a téměř konstantní. Po dosažení napětí Un prudce poklesne vnitřní odpor. Napětí na varistoru se dále zvětšuje málo, dochází však k velkému nárůstu proudu. Varistory se užívají ke stabilizaci stejnosměrných napětí a jako přepěťová ochrana. Lze je použít k ochraně kontaktů relé před jiskřením. V oblasti zvukových kmitočtů není varistor frekvenčně závislý, a protože elektrický odpor varistorů závisí pouze na přiloženém napětí, nedochází v reakci na napěťové výkyvy k žádnému zpoždění. Varistory poměrně dobře snášejí impulzové zatížení a propouštějí krátkodobě i velké proudy bez poškození.
Fotorezistor Fotorezistor (dříve označován jako fotoodpor) je pasivní elektronická součástka bez PN přechodu, jejíž elektrický odpor se snižuje se zvyšující se intenzitou dopadajícího světla, resp. elektrická vodivost se zvyšuje.
Magnetorezistor Magnetorezistor je dvojpólová elektronická součástka, která mění svou rezistanci (R) v závislosti na velikosti indukce magnetického pole(B). Používá se jako snímač magnetických veličin, bezkontaktní dvoupolohově nebo spojitě řízené rezistor, potenciometr a podobně. Magnetorezistor je rezistor, jehož odpor je závislý na magnetické indukci. Nejčastěji obsahuje antimonid india s jehličkami antimonidu niklu, které se dostanou do látky při výrobě speciálním teplotním programem tuhnutí. Při přiložení elektrického napětí se nosiče náboje pohybují přímočaře tělískem, pokud nepůsobí magnetické pole. Existuje-li kolmo k elektrickému poli magnetické pole, budou podle Halla nosiče náboje v polovodičovém materiálu silně vychylovány. Magnetorezistor se často používá jako snímač u počítacích zařízení (čítačů). Konstrukčně je tvořen vrstvou polovodičového materiálu (nejlepších požadovaných vlastností dosahuje antimonid india (InSb)) s velkou pohyblivostí vodičů náboje tvaru tenkých kotoučků s tloušťkou cca 20mikrometrů napařené na keramické destičce (tzv. Corbinův disk). Jeden kontakt se vyvádí ze středu kotoučku, druhý je tvořen kovovou elektrodou po obvodu kotoučku.
45
3.5 Řazení rezistorů Rezistory lze řadit několika způsoby: sériově, paralelně, do trojúhelníku, do hvězdy a kombinací těchto způsobů např. sérioparalelně (smíšené řazení). 1. Sériové řazení rezistorů (za sebou) – jedná se o nejjednodušší způsob řazení – hodnoty jednotlivých rezistorů se sčítají. Pro výslednou hodnotu odporu všech rezistorů platí:
R = R1 + R2 + … + Rn Tento zápis znamená, že počet sčítaných odporů může být libovolný. Při sériovém řazení prochází celým obvodem stejný proud, ale celkové napětí obvodu se na jednotlivých rezistorech dělí v poměru velikosti odporů. Proto takovémuto zapojení říkáme dělič napětí.
Sériové zapojení rezistorů
2. Paralelní řazení rezistorů (vedle sebe) – převrácená hodnota výsledného odporu všech rezistorů odpovídá součtu převrácených hodnot odporů jednotlivých rezistorů:
V takovémto zapojení je napětí na jednotlivých rezistorech stejné, avšak celkový proud obvodu se na jednotlivých rezistorech větví. Celkový proud je tedy roven součtu jednotlivých proudů protékajících rezistory. Takovémuto zapojení také říkáme dělič proudu. Pro proud platí:
I = I1 + I2 + … + In
46
Paralelní řazení rezistorů
3. Smíšené řazení rezistorů – v takovémto obvodu jsou řazeny rezistory jak sériově, tak paralelně; pro výpočet je třeba obvod zjednodušit a převést na sériové řazení nebo méně často na paralelní řazení.
Příklad smíšeného řazení
4. Transfigurace hvězda – trojúhelník – jedná se o početní náhradu tří rezistorů, kdy nejsou řazeny ani paralelně ani sériově. Mezi svorky 1, 2, 3 jsou zapojeny rezistory o odporech R1, R2, R3 do trojúhelníka. Tyto rezistory je možné nahradit jinými rezistory o velikostech Ra, Rb, Rc, které jsou zapojeny do hvězdy tak, aby výsledné odpory mezi svorkami 1-2, 2-3, 3-1 byly stejné. K takovémuto úkonu přistupujeme ve chvíli, kdy potřebujeme zjednodušit složitější zapojení rezistorů, ve kterém nám však brání právě část zapojená do trojúhelníku. Proto nejprve provedeme transfiguraci a poté můžeme pokračovat v dalším zjednodušování obvodu.
47
Trojúhelník
Hvězda
Trojúhelník, hvězda v běžném schématickém zobrazení
Vzorce pro transfiguraci:
Ra =
3.6
R1∙R2 , R1+R2+R3
Rb =
R2∙R3 , R1+R2+R3
Rc =
R3∙R1 R1+R2+R3
Kirchhoffovy zákony
3.6.1 První Kirchhoffův zákon První Kirchhoffův zákon platí pro uzel, tj. pro spoj v obvodu, ve kterém se proud rozvětvuje. Na obrázku níže je znázorněna část elektrického obvodu se dvěma uzly – A, B, mezi které jsou zapojeny tři rezistory – R1 , R2 , R3 . Do uzlu A přicházejí proudy I1 , I2 , I3 , a I4 , odcházejí z něho proudy I5 , I6 , a I7 . Do uzlu B přicházejí proudy I5 , I6 , I7 a odcházejí z něho proudy I8 a I9 . Podle elektronové teorie musí elektrony, které vstupují při ustáleném proudu do uzlu, z něho zase vystoupit. Můžeme proto pro uzel A napsat rovnici I1 + I2 + I3 + I4 = I5 + I6 + I7 Pro uzel B platí I5 + I6 + I7 = I8 + I9 Tyto dvě rovnice vyjadřují první Kirchhoffův zákon (uzlový), který zní: Součet všech proudů do uzlu vstupujících je roven součtu proudů z uzlu vystupujících. Neboli algebraický součet proudů v uzlu je roven nule. Obě uvedené rovnice lze také psát ve tvaru
48
I1 + I2 + I3 + I4 - I5 - I6 - I7 = 0 A I5 + I6 + I7 - I8 - I9 = 0 A Obecně ∑I = 0 A Při algebraickém součtu musíme přihlížet ke znaménku součtových veličin. Zpravidla přitom proudy přicházející do uzlu uvažujeme s kladným znaménkem a proudy odcházející z uzlu se záporným znaménkem.
3.6.2 Druhý Kirchhoffův zákon Druhý Kirchhoffův zákon platí pro uzavřený elektrický obvod. Na dalším obrázku jsou v obvodu zapojeny čtyři spotřebiče s odpory R1 , R2 , R3 , R4 , na kterých je svorkové napětí U1 , U2 , U3 , U4 . Svorkové napětí na spotřebičích působí vždy ve směru procházejícího proudu. Dále jsou v obvodu tři zdroje se svorkovým napětím U5 , U6 , U7 a jejich směr působení je od kladné svorky zdroje k záporné svorce. Větvemi obvodu procházejí proudy I1 ,I2 ,I3 , a I4 .
Druhý Kirchhoffův zákon
Podle druhého (smyčkového) Kirchhoffova zákona se algebraický součet všech napětí na svorkách spotřebičů a na svorkách zdrojů v uzavřeném obvodu rovná nule. Před psaním druhého Kirchhoffova zákona si vždy zvolíme zcela libovolný směr, kterým budeme postupovat po obvodu a označíme si jej do schématu šipkou. Napětí ve směru šipky považujeme za kladné, proti směru za záporné. Pro náš obvod tedy platí -U1 - U 2 + U 3 + U 4 + U 5 - U 6 - U7 = 0 V
49
-R1 I1 - R2 I2 + R3 I3 + R4 I4 + U 5 - U 6 - U7 = 0 V Obecně
∑U = 0 V
Neznáme-li předem směry proudů v jednotlivých větvích obvodů, zvolíme je libovolně. Vyjde-li při výpočtu proud se záporným znaménkem, prochází proud spotřebičem opačně, než jak jsme předpokládali. Vyjde-li směr proudu ve zdroji proti směru jeho svorkového napětí, potom zdroj pracuje jako spotřebič.
3.6.3 Příklady na Kirchoffovy zákony: Příklad 1 V uzlu A (viz. obr. x) se setkávají proudy I1 , I2 , I3 , I4 , a I5 . Vypočtěte velikost a směr proudu I5 , je-li I1 = 30 mA, I2 = 85 mA, I3 = 140 mA a I4 = 200 mA. I I I2
I
A
3
1
5
I 4
Řešení: Proudy I1 , I2 a I3 vstupují do uzlu A, proud I4 z uzlu A vychází (vystupuje). U proudu I5 zvolíme jeho směr, např. jde o proud, který z uzlu A vystupuje. Podle I. Kirchhoffova zákona platí: I1 + I2 + I3 = I4 + I5 , odtud I5 = I1 + I2 + I3 – I4 = 30 mA + 85 mA + 140 mA – 200 mA = 55 mA. Poznámka: - hodnota proudu I5 je kladná, což znamená, že jeho směr je podle předpokladu (z uzlu A vystupuje); - v případě, že by hodnota proudu I5 byla záporná, pak jeho směr bude opačný, než jsme zvolili. Proud I5 má velikost 55mA a z uzlu A vystupuje. Příklad 2 V elektrickém obvodu na obrázku níže je Ue1 = 24 V, Ue2 = 6 V a R1 = 50 Ω, R2 = 30 Ω, R3 = 10 Ω . Určete velikosti napětí U1 , U2 , U3 na rezistorech a proud I protékající obvodem.
I
U e 2
U e 1
50
Řešení: Při řešení postupně vyznačíme ve schématu obvodu: a) směr proudu v obvodu (volíme libovolně); b) směry elektromotorických napětí Ue zdrojů (od kladného pólu k zápornému); c) směr oběhu podle něhož budeme zapisovat rovnici (volíme libovolně). Zapíšeme rovnici vyjadřující II. Kirchhoffův zákon, tj. algebraický součet napětí na svorkách spotřebičů (rezistorů) a na svorkách zdrojů v uzavřeném obvodu se rovná nule. Napětí zdrojů Ue a proudy I bereme záporně, jestliže jejich směry nesouhlasí se směrem oběhu (smyčky). – Ue1 + U1 + Ue2 + U2 + U3 = 0 , přičemž U1 = R1 I , U2 = R2 I , U3 = R3 I. – Ue1 + R1 I + Ue2 + R2 I + R3 I = 0 , po dosazení číselných hodnot dostaneme rovnici
Tedy
– 24 + 50I + 6 + 30I + 10 I = 0 90I = 18 I = 0,2 A Napětí na rezistorech:
U1 = R1 I = 50 Ω · 0,2 A = 10 V U2 = R2 I = 30 Ω · 0,2 A = 6 V U3 = R3 I = 10 Ω · 0,2 A = 2 V.
Na rezistorech budou postupně napětí 10 V, 6 V, 2 V a obvodem bude protékat proud 0,2 A. Příklad 3 Vypočtěte proudy I1, I2 a I3 ve větvích složeného obvodu dle obr. x, je-li Ue1 = 12 V, Ue2 = 3 V, Ue3 = 9 V a R1 =20 Ω, R2 = 30 Ω, R3 = 10 Ω . I U eA 1 U e
1
I U
2
e
I
2
3
B
3
Řešení: Vzhledem ke třem neznámým (I1, I2 , I3 ), je nutno vytvořit tři rovnice Z I. Kirchhoffova zákona pro uzel B plyne: I1 + I2 + I3 = 0 Z II. Kirchhoffova zákona pro jednotlivé obvody (smyčky) plyne: R1 I1 – Ue2 – R2 I2 – Ue1 = 0 , R2 I2 + Ue2 – R3 I3 – Ue3 = 0 , resp.
R1 I1 – R3 I3 – Ue3 – Ue1 = 0.
K výpočtu proudů použijeme např. první tři rovnice, do nichž dosadíme známé hodnoty: 51
(1) I1 + I2 + I3 = 0 , (2) 20I1 – 3 – 30I2 – 12 = 0 , (3) 30I2 + 3 – 10I3 – 9 = 0 . Z rovnice (1) vyjádříme např. proud I2 = – I1 – I3 a dosadíme do zbývajících rovnic: 20I1 – 3 – 30(– I1 – I3 ) – 12 = 0 30(– I1 – I3 ) + 3 – 10I3 – 9 = 0. Po zjednodušení dostaneme soustavu:
5I1 +3 I3 = 1,5 –3I1 – 4I3 = 0,6 .
Dalším řešením získáme I1 = 7,1 A; I2 = – 18,4 A; I3 = 11,3 A. Proud I2 bude mít opačný směr, než původně bylo vyznačeno ve schématu obvodu. Jednotlivými větvemi obvodu protékají proudy, jejichž hodnoty jsou asi I 1 = 7,1 A; I2 = 18,4 A a I3 = 11,3 A. Cvičení 1. Tři sériově řazené rezistory o odporech R1 =20 Ω, R2 = 40 Ω a R3 = 60 Ω jsou připojeny na napětí U = 90 V. Určete napětí na jednotlivých rezistorech. 2. Proud 120 mA se rozvětvuje do dvou paralelně řazených rezistorů o odporech R1 = 6 Ω a R2 = 2 Ω. Určete proudy v rezistorech. 3. Dva paralelně řazené rezistory o odporech R1 = 30 Ω a R2 = 60 Ω jsou připojeny ke zdroji napětí U = 135 V. Načrtněte schéma, napište Kirchhoffovy zákony pro dané obvody a určete proudy protékající jejich jednotlivými částmi. Úlohu řešte: a) pro ideální zdroj napětí; b) pro reálný zdroj napětí s vnitřním odporem 5 Ω. Výsledky: 1. U1 =15 V, U2 =30 V, U3 =45 V; 2. I1 =90 mA, I2 =30 mA; 3 a) I1 =4,5 A, I2 =2,25 A I=6,75 A , b) I1 =3,6 A , I2 =1,8 A , I=6,75 A.
3.7 Základní obvodové prvky v silnoproudé elektrotechnice Rozdělení obvodových prvků podle způsobu použití
spínací přístroje – používají se k ovládání elektrických zařízení, rozdělují se na: o spínací přístroje pro zapínání a vypínání provozních proudů (běžně vypínače, přepínače, stykače, relé apod.) o odpojovací a uzemňovací přístroje (odpojovače, odpojovací pojistky)
pro
zajištění
bezpečnosti
obsluhy
o jisticí a ochranné přístroje (pojistky, jističe, nadproudová relé, chrániče) o omezující přístroje (přepěťové ochrany, bleskojistky)
52
měřicí přístroje – měří hodnoty elektrických i neelektrických veličin, podle způsobu zobrazení nebo záznamu měřené veličiny se rozdělují na analogové, digitální, osciloskopy, registrační přístroje apod.
signalizační přístroje – signalizují stav elektrického zařízení, např. zapnuto, vypnuto, porucha apod., nejčastěji se využívá signalizace optické a akustické (signálky, padáčková relé, houkačky, klaksony)
regulační přístroje – používají se k plynulé regulaci elektrických veličin (tyristorové měniče, regulační transformátory apod.)
spojovací přístroje konektory apod.)
ostatní přístroje používané v elektrických obvodech, jako např. odporníky, tlumivky, elektromagnety, usměrňovače apod.
pro trvalé spojení obvodů (svorkovnice, vidlice, zásuvky,
3.7.1 Spínací přístroje Spínací přístroje tvoří nejširší okruh elektrických přístrojů a proto jim budeme věnovat dále.
3.7.2 Signalizační přístroje Signalizační přístroje podávají informaci o stavu elektrického zařízení. Podle způsobu, jakým je informace poskytována, rozeznáváme signalizaci optickou, akustickou nebo vibrační. Příkladem kombinace těchto tří signalizací je mobilní telefon. Signalizační přístroje představují širokou škálu přístrojů od nejjednodušších žárovkových signálek nebo houkaček až po komplexní poskytování informací o elektrickém zařízení složitými počítačovými systémy. V elektrických zařízeních se především používá signalizace optická a akustická, popřípadě jejich kombinace. Optická signalizace je vhodná v případech, kdy obsluha zařízení má signalizační přístroje stále pod zrakovou kontrolou. Výhodou akustické signalizace je to, že působí v celém prostoru pro obsluhu zařízení a není nutná přítomnost obsluhy na jednom vymezeném místě. Nevýhodou akustické signalizace je omezené použití v místech s velkým hlukem. Proto se v praxi obě signalizace často kombinují a signalizační přístroje se umisťují na větším počtu míst. Ke zdůraznění signalizace v případě nenormálních nebo nebezpečných stavů se používá přerušovaný světelný nebo zvukový signál včetně jejich kombinace.
Význam barev při signalizaci Barva červená žlutá zelená modrá bílá
Význam nebezpečí, havárie mimořádný stav, méně závažná porucha bezpeční, normální provozní stav zvláštní význam všeobecná informace
Příklad použití nutný okamžitý zásah, závažná porucha elektrického zařízení přetížení, výpadek napájení, kritické hodnoty teploty není zapotřebí žádný zásah je nutný zásah obsluhy indikace stavu el. zařízení podle popisu
53
3.7.3 Regulační přístroje Používají se k plynulé regulaci elektrických veličin. Mezi nejpoužívanější patří regulační transformátory (na obrázku zcela vlevo) a v současnosti tyristorové měniče (obr. vpravo) či softstartéry (obr. uprostřed).
3.7.4 Spojovací přístroje Používají se k trvalému nebo přechodnému spojení elektrických obvodů. Patří sem například svorkovnice (obrázek vlevo), svorkovnice pro připojení většího počtu vodičů stejného potenciálu (uprostřed svorkovnice pro připojení střeních vodičů, tzv. nulový můstek). Mezi jednoduché spojovací přístroje pro přechodné spojení patří zdířky, do kterých se zasouvají banánky. Mezi nejběžnější spojovací přístroje patří zásuvky a vidlice. Velké množství vodičů lze spojovat s pomocí konektorů.
3.7.5 Ostatní přístroje používané v elektrických obvodech V elektrických zařízeních se používá celá řada dalších přístrojů. Mohou to být například:
Tlumivky Používají se k omezení zkratových proudů v síti (reaktory) utlumení proudových nebo napěťových nárazů, jako předřadníky k zářivkám nebo výbojkám nebo jako odrušovací členy. (Více viz kapitola Elektromagnetická indukce.)
54
Kondenzátory Rovněž použití kondenzátorů v elektrických zařízeních je rozsáhlé. V napájecích zdrojích filtrují usměrněné střídavé napětí, používají se k rozběhu jednofázových asynchronních motorů, ke kompenzaci induktivního jalového výkonu a celé řadě dalších aplikací.
Odrušovací členy složené z kondenzátorů a tlumivek Odrušovací členy se skládají z kondenzátorů nebo z kombinace kondenzátorů a tlumivek. Zabraňují šíření rušivých vlivů, které vznikají například při jiskření uhlíkových kartáčů v komutátorových motorech, při startování zářivkového svítidla a v celé řadě dalších zařízení.
Rezistory různého výkonu Rezistory se převážně používají k omezení napětí a proudů, mohou být využity také jako topná tělesa.
Usměrňovače Používají se k usměrnění střídavého proudu. Podle zapojení mohou být jednocestné, dvoucestné nebo můstkové. Podle počtu fází jednofázové a třífázové. Na obrázcích zleva vidíme dříve používaný selénový usměrňovač, křemíkové diody na malé proudy, křemíkovou diodu na větší proud, integrovaný usměrňovací můstek a výkonový usměrňovač.
55
Elektrické spínací přístroje
3.8 Spínač
Spínač je obecný název pro spínací přístroj. Patří sem vypínače, přepínače, tlačítka, stykače, relé a všechny přístroje, které ovládají elektrické obvody a zařízení. Podle způsobu, jakým spínání probíhá, rozlišujeme:
kontaktní spínání, při kterém jsou elektrické obvody spínány pomocí mechanicky ovládaných kontaktů
bezkontaktní spínání, při kterém jsou elektrické obvody spínány pomocí tranzistorů, tyristoroů, triaků, integrovaných obvodů apod.; v minulosti se k bezkontaktnímu spínání používaly elektronky nebo plynem plněné výbojky
Spínání Spínáním rozumíme zapínání, vypínání nebo přepínání elektrických obvodů s pomocí běžných spínacích přístrojů, odpojování, připojování nebo přepojování elektrických obvodů s pomocí přístrojů označených jako odpojovače, odpínání elektrických obvodů s pomocí přístroje označeného jako odpínač nebo zátěžový odpojovač.
Vypínač Vypínač je nejjednodušší elektrický přístroj, který se používá k zapínání nebo vypínání elektrických zařízení. Má vždy dvě polohy (vypnuto, zapnuto) a ovládá jeden elektrický obvod nebo jedno elektrické zařízení. Může být jednopólový, dvoupólový, trojpólový, čtyřpólový nebo vícepólový.
Přepínač Přepínač je elektrický přístroj, který ovládá minimálně dva elektrické obvody. Může mít dvě i více poloh. Rovněž může mít i více pólů. Počet poloh spínače Polohou rozumíme počet funkčních stavů, které může spínač mít. Vypínač má polohy dvě – vypnuto a zapnuto. Přepínač, kterým ovládáme směr otáčení motoru má polohy tři – chod nalevo, vypnuto, chod napravo Počet pólů spínače Počet pólů udává, kolik kontaktů spínače současně zapíná nebo vypíná. V jednofázových obvodech obvykle používáme jednopólové přístroje, ve stejnosměrných dvoupólové a v třífázových trojpólové.
Tlačítko, tlačítkový ovladač, otočný ovladač s jednou stabilní polohou Tlačítko nebo tlačítkový ovladač mají jednu pevnou klidovou polohu. Po stisknutí hmatníku dojde k sepnutí tlačítka, po uvolnění se tlačítko vrátí do klidové polohy. Protože tlačítko nebo tlačítkové ovladače mohou mít pouze dvě polohy, pro náročnější aplikace se používají otočné ovladače, které mohou mít tři i více poloh (například pro ovládání směru a rychlosti otáčení motoru). Jejich ovládací mechanismus je konstruován tak, aby se po uvolnění samočinně navrátil do vypnutého stavu. 56
3.8.1
Rozdělení spínacích přístrojů podle funkce
Jak už bylo uvedeno v úvodní kapitole, spínací přístroje podle funkce rozdělujeme do níže uvedených skupin. V praxi se často setkáváme s tím, že jeden přístroj může mít i více funkcí, např. spínací a jisticí, jisticí a ochrannou apod.
Funkce spínacích přístrojů
spínací přístroje pro zapínání a vypínání provozních proudů (běžně spínače, stykače, relé apod.)
odpojovací a uzemňovací přístroje pro zajištění bezpečnosti obsluhy (odpojovače, pojistkové odpojovače)
jisticí a ochranné přístroje (pojistky, jističe, chrániče)
omezující přístroje (přepěťové ochrany – svodiče přepětí, bleskojistky)
3.8.2 Hlavní části spínacích přístrojů Spínací přístroje mají velmi rozdílná konstrukční provedení. Převážná většina z nich má tyto hlavní části: mechanismy, kontakty, zařízení pro zhášení oblouku a vlastní těleso přístroje s kryty.
3.8.2.1 Mechanizmy spínacích přístrojů Mechanizmy pro ruční ovládání Mezi nejběžnější mechanizmy pro ruční ovládání spínacích přístrojů patří páčky, kolébky, hmatníky tlačítek, uzamykací mechanizmy a otočné páčky a páky, jak je zřejmé z následujícího obrázku.
Mechanizmy pro mechanické ovládání Nejrozsáhlejší soubor ovládacích hlavic je možné uvidět u koncových spínačů. Mohou to být ovládací kladky, tyče, tlačítka, kladky s čepem, přítlačné kladky, vytahovací kroužky a další.
57
Aretační mechanizmy - používají se u otočných nebo posuvných spínačů k vymezení polohy pevné i pohyblivé části tak, aby kontakty byly ve správné poloze. Aretace pracuje na principu překonání tlaku pružiny nebo pružin, které tlačí kuličku nebo váleček do mezery mezi zuby. Při přepínání je nutné silou překonat tlak pružiny bránící kuličce nebo válečku v pohybu přes zub, po překonání vrcholu zubu tlak pružiny napomůže dokončit pohyb a nastavit správnou polohu kontaktů.
Volnoběžka Volnoběžka je mechanizmus vložený mezi ovládací páčku a mechanismus ovládající pohyb kontaktu, který umožní samočinné vypnutí přístroje bez ohledu na to, v jaké poloze je ovládací páčka. Volnoběžka plní, tyto funkce:
přenáší pohyb mechanismu na kontakty
drží v napnutém stavu vypínací které zajišťují mžikové vypnutí
pružiny,
uvolní pružiny a vypne kontakty po vybavovacího mechanismu
reakci
ovládacího
umožní samočinné vypnutí i během zapínání, např. při zkratu v obvodu Používá se především u jističů a chráničů. Při zapínání jističe při zkratu nebo chrániče při úniku proudu volnoběžka okamžitě vypne. V případě jističe, který vypne vlivem nadproudu, nejde jistič zapnout do té doby, než nadproudová spoušť zchladne. Příklad volnoběžky vidíme na obrázku jističe. U některých přístrojů má volnoběžka další funkci. Před zapínáním je nutné přístroj tzv. natáhnout, tzn. ovládací mechanizmus přitlačit do vypnutého stavu. Pokud se to neprovede, přístroj nejde zapnout. Toto řešení brání neúmyslnému zapnutí přístroje např. při zachycení oděvem apod.
Vybavovací mechanizmy Vybavením rozumíme samočinné elektrického přístroje, např. jističe při zkratu Vybavovací mechanismus působí na vypínací drženy v zapnutém stavu západkou volnoběžky. rozpojí buď elektromagnetickým, nebo uvolněním západky. K samočinnému vypnutí zkratovou, nadproudovou nebo podpěťovou Na obrázku jističe v dolní části vidíme nadproudovou spoušť, v horní části elektromagnetickou zkratovou spoušť.
vypnutí nebo nadproudu. pružiny, které jsou Kontakty se mechanickým může dojít např. spouští. bimetalovou
58
Blokovací mechanizmy Slouží k vzájemnému blokování přístrojů tam, kde činnost jednoho přístroje je závislá na zcela určité činnosti nebo poloze jiného přístroje. Blokování může být mechanické, elektrické, pneumatické nebo kombinované. Na obrázku vidíme příklad vzájemného blokování dvou tlačítek. Tlačítko 1 při stisknutí zatlačilo blokovací mechanismus do výřezu tlačítka 2, které nejde stisknout. Po uvolnění tlačítka 1 pružina vrátí blokovací mechanismus do klidové polohy, ve které můžeme stisknout kterékoliv tlačítko. Stiskneme-li nyní tlačítko 2, zablokuje nám tlačítko 1.
3.8.2.2 Pohony přístrojů Jsou určeny k vyvolání pohybu kontaktového ústrojí. Elektromagnetické pohony se používají pro stykače, relé, jističe, menší vypínače vysokého napětí, brzdy, spojky, elektromagnetické ventily apod. Pružinové pohony využívají energie napnuté zapínací pružiny, která se napíná ručně, elektromotorem nebo pneumaticky. Dříve se používaly u některých typů časových relé a časových spínačů. Motorové pohony používají stejnosměrné nebo střídavé motory, které pomocí vhodně volených převodů a volnoběžky působí na kontaktní ústrojí. Používají u výkonových olejových vypínačů vysokého napětí, u nízkonapěťových přístrojů v časových relé nebo zapisovačích. Tlakovzdušné pohony se používají výhradně pro tlakovzdušné vypínače vysokého a velmi vysokého napětí, u nichž stlačený vzduch působí současně jako zhášedlo. Hydraulické pohony se používají především u velkých výkonových vypínačů velmi vysokého napětí, u nichž by ostatní pohony byly příliš rozměrné nebo málo účinné.
3.8.3 Kontakty spínacích přístrojů Kontakty jsou nejdůležitější částí elektrického přístroje a jsou určeny k tomu, aby stykem převáděly elektrický proud v místě, kde se obvod přerušuje. Jeden kontakt bývá pohyblivý a jeden pevný. Slouží ke spínání elektrických obvodů, jsou nejvíce mechanicky i elektricky namáhanou částí přístroje.
Rozdělení kontaktů podle funkce v obvodech:
Hlavní kontakty (silové) – zajišťují spínání výkonových (silových) elektrických obvodů
Opalovací kontakty – používají se pouze k hoření elektrického oblouku při zapínání a vypínání, jsou vyrobeny z materiálu odolného proti opalování elektrickým obloukem. Mohou mít funkci mžikových kontaktů. Na obrázku vlevo jsou kontakty s opalovací vrstvou, vpravo hlavní a opalovací kontakt.
Mžikové kontakty – kontaktní přístroje je rozdělen na dvě části –
systém hlavní
59
kontakty pro vedení pracovních proudů a mžikové kontakty pro velmi rychlé spínání a vypínání se zvýšenou odolností proti elektrickému oblouku. Mžikové kontakty spínají dříve než hlavní kontakty a vypínají později než hlavní kontakty. Mezi hlavními kontakty v tomto případě nemůže vzniknout elektrický oblouk.
Pomocné kontakty (ovládací) – používají se ke spínání ovládacích a signalizačních obvodů. Bývají dimenzovány na proudy do 10A.
Rozdělení kontaktů podle způsobu spínání:
spínací (zapínací) – v klidu jsou vypnuté, při zapnutí přístroje sepnou (zapnou) elektrický obvod
rozpínací – v klidu jsou zapnuté, při zapnutí přístroje vypnou (rozpojí) elektrický obvod
přepínací – při zapnutí přístroje nejprve rozpínací část vypne (rozpojí) jeden elektrický obvod a potom spínací část sepne (zapne) druhý elektrický obvod
přepínací bez přerušení elektrického obvodu – při zapnutí přístroje nejprve spínací část sepne zapínaný elektrický obvod a potom rozpínací část rozpojí odpojovaný elektrický obvod – po dobu spínání jsou sepnuty oba obvody
Kontakty přístrojů a zařízení pro nízká napětí
Nožové kontakty Nožový kontakt se zasouvá mezi přítlačné části pevného kontaktu. Výhodou je dobrá vodivost a schopnost odstranit vrstvu nečistot nebo oxidů na povrchu vlivem tření. Nevýhodou je velká síla pro zapínání nebo vypínání. V současnosti se používají u výkonových (nožových) pojistek a pojistkových odpojovačů.
Můstkové kontakty Kontakty jsou tvořeny pohyblivou částí (můstkem), který propojuje pevné části kontaktu. Do sepnutého stavu je můstek tlačen pružinou. Výhodou je přerušení obvodu na dvou místech a tím účinnější zhášení elektrického oblouku. Můstkové kontakty patří k nejpoužívanějším.
Palcové kontakty Pohyblivý palec se spojí s pevným kontaktem a elektrický obvod. Do sepnutého stavu je tlačen spínání může dojít také ke tření kontaktních ploch, očištění povrchů a tím dobrou vodivost. Nevýhodou je vodivého propojení palce s přívodní svorkou ohebným bývá při jeho porušení příčinou poruch o poškození čepů pohyblivých procházejícím proudem.
tím spojí pružinou. Při které zaručí nutnost vodičem, což částí kontaktu
60
Pérové kontakty (reléové) Používají se pro malé hodnoty proudů. Dokonalý styk je zajištěn pružností materiálu kontaktu. Používají se převážně u relé. Dříve se používaly u některých druhů vícepólových sdělovacích spínačů, např. v telefonní technice.
Kluzné kontakty Pohyblivý kontakt klouže po pevném kontaktu, čímž zajišťuje dobrou vodivost sepnutí. Nevýhodou je větší síla potřebná při spínání. Tyto kontakty se používají u posuvných spínačů, dříve byly rozšířeny u válcových spínačů.
Kartáčové kontakty Používají se u pohyblivých spojů, např. jako přívody do rotorů komutátorových nebo kroužkových motorů a generátorů. Používají se také u elektrických lokomotiv nebo tramvají při snímání proudu z trolejí. Jako kontakty se nejčastěji používají uhlíkové kartáče, které mají poměrně dobrou vodivost, nepoškozují povrch komutátoru, kroužků nebo troleje a jsou odolné proti elektrickému oblouku. V jiných aplikacích lze použít také kartáče sestavené z pružných drátů nebo plechů.
Kapalinové kontakty Nejběžnější kapalinou, která se kontaktech používala, byla rtuť. Ke spínání naklápěním skleněné baňky a přeléváním nepříznivý vliv rtuti na životní prostředí se nepoužívají. Spínání kapalinou lze použít také v jiných aplikacích, jako vody s pomocí elektrod umístěných v nádobě.
v těchto docházelo rtuti. S ohledem na rtuťové spínače např. hlídání hladiny
Kontakty přístrojů pro vysoká a velmi vysoká napětí
Kontakty olejových výkonových vypínačů Kontakt na obrázku je určen pro olejové vypínače. Pohyblivý kontakt vykonává přímočarý pohyb a zasouvá se do pevného, tzv. tulipánového kontaktu, který je složen z lamel. Přítlačná síla lamel je zajištěna pružinami. Konce lamel jsou legovány wolframem nebo molybdenem kvůli ochraně proti opálení vlivem elektrického oblouku.
Kontakty tlakovzdušných vypínačů Na obrázku je znázorněn princip kontaktního tlakovzdušného vypínače. Pevný kontakt je opět provedení, pohyblivý kontakt se s pevným tulipánovým stýká, nezasouvá se dovnitř. Přítlačnou sílu na lamely
systému tulipánového kontaktem jen vyvíjí pružina. 61
Styčné plochy kontaktů jsou legovány pro zvýšení odolnosti proti opalování elektrickým obloukem.
Kontakty vakuových spínačů Zvláštní konstrukci mají kontakty vakuového spínače, uvedené na obrázku. Mají velký průřez a drážky pro snadnější zhášení oblouku. Na obrázku vlevo je pohled na kontakt, obrázek napravo znázorňuje rotaci elektrického oblouku kontaktech, která přispívá k rovnoměrnému tepelnému zatížení kontaktů.
Stykový odpor Z provedení různých druhů kontaktů vyplývá, že se proud z jednoho kontaktu na druhý může převádět bodovým, přímkovým nebo plošným stykem. Ve skutečnosti se proud v kontaktech po jejich přitlačení na sebe převádí vlivem nerovností na povrchu jen v menších náhodně rozložených ploškách. Velikost stykové plochy závisí na druhu styku, na přítlačné síle a na vlastnostech materiálu kontaktů. Proud v kontaktu neprochází celou plochou, ale soustřeďuje se do stykových plošek. Vznikají tzv. proudové úžiny a tím dochází ke zvětšení odporu. Odpor těchto úžin je dán součtem odporu kontaktního materiálu a odporu způsobeného nečistotami a oxidy na povrchu kontaktu.
Oteplení kontaktů Prochází-li kontakty proud, dochází vlivem kontaktního odporu k úbytku napětí na styku kontaktů. Vzhledem ke vznikajícím ztrátám se místo styku otepluje. Teplem dochází k měknutí materiálu kontaktů. Tím se stykové plochy zvětší a odpor se zmenší. Při dalším zvětšování proudu se teplota dále zvýší a dojde ke svaření kontaktů.
Zásady konstrukčního provedení kontaktů Konstrukční provedení kontaktů se řídí těmito zásadami:
stanovení místa styku tak, aby elektrický oblouk vznikl na požadovaném místě
zabezpečení potřebné síly přitlačující kontakty během zapnutí (vhodné pružiny, nezatěžování pružin průchodem proudu, oddělení místa sepnutí provozního proudu od místa vzniku a hoření oblouku – hlavní a opalovací kontakty
zajištění kontaktů výkonových přístrojů proti namáhání elektrodynamickými silami
technické řešení k odstraňování nečistot a oxidů z povrchu kontaktů při spínání Jako kontaktní materiály se používají ryzí kovy, slitiny a spékané kovy.
Požadavky na kontaktní materiály Dobrá elektrická vodivost
62
Důležitá je dobrá vodivost dobrá vodivost stykových ploch. zahřívat, což může vést k jeho k roztavení nebo vyhoření izolantů,
nejen materiálu kontaktu a kontaktní vrstvy, ale především Nebude-li tato podmínka splněna, bude se celý kontakt svaření, vyhřátí a ztrátě mechanických vlastností, popř. na kterých jsou kontakty upevněny.
Odolnost proti elektrickému oblouku Elektrický oblouk opaluje stykové plochy kontaktů a vypaluje do nich prohlubně. Na stykových plochách se usazují kuličky vzniklé roztavením kontaktního materiálu. To vše způsobuje zhoršení vodivosti kontaktu a jeho zahřívání procházejícím proudem.
Mechanické vlastnosti Materiál kontaktních vrstev musí být dostatečně pevný, houževnatý a přiměřeně tvrdý. Nesmí být měkký, aby se kontaktní vrstvy neroznýtovaly, ale ani příliš tvrdý, protože by se dotykové plochy nemohly navzájem přizpůsobit. Materiál kontaktů má být pružný, u velkých kontaktů se pružnost zajišťuje s pomocí pružin. Nesmí být křehký, aby nedocházelo k ulomení kontaktů.
Odolnost proti oxidaci, působení vlhkosti a chemických látek Aby byla zaručena dobrá vodivost stykových ploch, musí zůstat čisté a dobře vodivé. Vrstvy oxidů a jiných nečistot zvyšují vodivost a v případě slaboproudých kontaktů při velmi malých napětích se kontakt stává nevodivý.
Ryzí kovy používané na výrobu kontaktů Měď Je-li její povrch čistý, má dobré kontaktní vlastnosti. Snadno se však pokrývá vrstvou oxidu, který může způsobit nadměrné oteplení kontaktu vlivem zvětšení kontaktního odporu. Vhodným konstrukčním řešením lze zabezpečit čištění kontaktních ploch (odvalování, tření). Nevýhodou je rozstřikování kapiček kovu působením elektrického oblouku.
Stříbro Kysličníky stříbra jsou dobře vodivé. Stříbro však má malou tvrdost a špatnou odolnost proti elektrickému oblouku. Další jeho nevýhodou je slučování se sírou ve vlhkém prostředí. Stříbro je vhodné pro kontakty s čelním stykem. Obvykle se pájí nebo plátuje na měděnou podložku.
Wolfram Pro svou velkou tvrdost, vysokou teplotu tání a tím i odolnost proti elektrickému oblouku se používá pro opalovací kontakty.
Uhlík Je odolný proti elektrickému oblouku. Používá se především na kartáče při přenosu proudu do pohyblivých částí – motory, generátory, trolejové sběrače apod.
63
Zlato, platina Tyto drahé kovy se používají jen na drobné kontakty nebo na povlaky větších kontaktů. Jejich výhodou je odolnost proti působení chemických látek. Proto se uplatňují v elektronice, kde spolehlivě spínají i velmi malá napětí.
Slitiny a spékané kovy pro výrobu kontaktů Stříbro – kadmium Používá se jako slitina i jako spékaný kov. Má dobré vlastnosti, je odolná proti svaření a mechanickému opotřebení.
Stříbro – nikl Používá se jako spékaný kov. Je to výborný kontaktní materiál s dobrou odolností proti elektrickému oblouku. Má dobrou tepelnou a elektrickou vodivost.
Stříbro – uhlík Uhlík v tomto spékaném materiálu omezuje možnost svaření kontaktů. Nevýhodou je malá odolnost proti opotřebení.
Stříbro – wolfram Jako spékaný kov má velkou odolnost proti opotřebení, vysokou teplotu tání a dobrou elektrickou vodivost. Má však sklon ke korozi.
3.8.4 Zařízení pro zhášení oblouku U výkonových přístrojů je nutné omezit působení elektrického oblouku na co nejkratší dobu, aby nedocházelo k poškozování kontaktních stykových ploch. Elektrický oblouk je nutné co nejrychleji natáhnout a ochladit. K tomu se používají zhášecí komory, zhášecí cívky nebo zařízení pro tlakovzdušné nebo tlakoplynné zhášení. Tato problematika je popsána v samostatné kapitole. Na obrázcích je vlevo zobrazena zhášecí komora a vpravo výkonový stejnosměrný stykač se zhášecími komorami a cívkami.
3.8.4.1 Vznik a zhášení elektrického oblouku Elektrický oblouk vzniká při zapínání i vypínání elektrických obvodů. Jeho velikost je závislá na velikosti napětí a proudu. Při vypínání rozhoduje také druh proudu – stejnosměrný nebo střídavý.
a) Vznik elektrického oblouku při zapínání Při zapínání dochází ke vzniku elektrického oblouku tehdy, přiblíží-li se kontakty k sobě na vzdálenost, ve které je napětí vyšší než elektrická pevnost prostředí mezi kontakty, tj. vzduchu, plynu, vakua nebo oleje. Napětí, při kterém k tomu dojde, se nazývá průrazné napětí. Elektrická pevnost se pohybuje u suchého vzduchu mezi 2 až 3 kV/mm, u plynu fluoridu sírového kolem 13 kV/mm a u oleje mezi 10 až 30 kV/mm.
64
Protože kontakty se při zapínání velmi rychle přibližují, hoří elektrický oblouk při zapínání jen po velmi krátkou dobu a obvykle nezpůsobuje problémy.
b) Vznik elektrického oblouku při vypínání Elektrický oblouk vzniká při oddálení kontaktů, jimiž prochází proud. Kontakty spínacího přístroje jsou v zapnutém stavu na sebe přitlačovány silou (pružinami nebo vlastní pružností), která tlakem na stykové plochy zajišťuje jejich dobrý styk a tím i vodivost. V okamžiku vypínání dochází k uvolňování tlaku na kontakty, stykové plochy se zmenšují, až dojde k přerušení styku mezi kontakty. V posledních okamžicích spojení kontaktních ploch se zvýší teplota kovu ve stykových bodech natolik, že se kov kontaktu začne odpařovat. Energie nahromaděná v indukčnostech a kapacitách obvodu způsobí mezi kontakty přepětí, které způsobí vznik oblouku mezi nimi. Vznik oblouku závisí na celé řadě činitelů, jako je např. materiál a tvar kontaktů, parametry obvodu, prostředí mezi kontakty apod. Oblouk způsobuje značný přenos materiálu kontaktů, což značně zkracuje dobu života spínacích přístrojů. V jiných případech, jako např. při elektrickém obloukovém svařování, může být přenos materiálů žádoucí. Oblouk představuje samostatný výboj, který je soustředěn do úzkého sloupce. Oblouk se skládá z jádra, tj. plazmatu, anodové a katodové elektrodové oblastí. Plazma je sloupec plynu zahřátého na vysokou teplotu, takže je v něm kromě neutrálních částic velké množství částic s elektrickým nábojem (kladné a záporné ionty, elektrony). Počet částic je elektricky vyrovnán, takže plazma se jeví navenek jako neutrální. Plazma však má značnou energii a dobrou vodivost. Vedení proudu způsobují s ohledem na značnou pohyblivost elektrony. Napětí, které se objeví mezi kontakty (elektrodami), je způsobeno zejména úbytky napětí při přechodu z plazmatu do kontaktů.
Prostředí oblouku je ionizováno, prostor se stává vodivým a oblouk se může trvale udržet. Celý jev je podporován ionizací kovových par kontaktů vlivem vysoké teploty oblouku od 6 000 do 15 000 K. Je zřejmé, že delší a časté působení oblouku vede ke zničení kontaktů a také dalších částí spínacího přístroje.
65
Způsoby zhášení elektrického oblouku V silnoproudých zařízeních jsou vždy ve vypínaných obvodech obsaženy indukčnosti a kapacity, které při vypínání mezi kontakty způsobují přepětí a proto téměř vždy dochází ke vzniku oblouku. Délka oblouku je závislá na velikosti proudu a ovlivňuje hlavní rozměry přístrojů. Aby nedocházelo k nadměrnému poškozování kontaktů, je nutné dobu hoření oblouku zkrátit zhášením. Vypínací čas však nelze zkracovat neomezeně, neboť by docházelo ke vzniku velkých přepětí ohrožujících izolaci přístroje.
Zhášení oblouku stejnosměrného proudu Zhášení elektrického oblouku ve stejnosměrných obvodech je náročnější než v obvodech střídavých, kde proud prochází dvakrát během periody nulovou hodnotou. Hodnota stejnosměrného proudu se však nemění. Zhášením oblouku se sleduje zvětšení jeho odporu prodloužením a ochlazením. Dosahuje se toho následujícími způsoby: Zvětšením délky oblouku jeho rozdělením na několik kratších oblouků hořících v sérii – nadměrné zvětšování délky oblouku značně zvětšuje rozměry celého spínače Zvětšením délky oblouku s použitím tzv. magnetického vyfukování s použitím zhášecí cívky V prostoru, kde hoří oblouk, vytváříme příčné magnetické pole, které zvětšuje rychlost pohybu oblouku a jeho vytlačování mezi přepážky zhášecí komory (viz obrázek). Zhášecí cívka je zapojena do série s kontakty a vytváří v plechových pólových nástavcích magnetické pole, které působí na magnetické pole vytvořené obloukem. Silovým působením obou magnetických polí je oblouk vytlačován směrem vzhůru mezi přepážky zhášecí komory, čímž se urychluje zhasnutí oblouku.
Zhášení oblouku střídavého proudu Oba uvedené způsoby pro zhášení oblouku stejnosměrného proudu lze použít i ke zhášení oblouku střídavého proudu. Jsou však vhodné pro obvody nízkého napětí a pro menší proudy.
66
Při vypínání střídavého proudu v okamžiku, kdy jeho průběh prochází nulovou hodnotou, může při menších proudech dojít ke zhasnutí oblouku i bez použití zhášecích komor (tzv. samozhášení). Při větších proudech zůstává prostor mezi kontakty ionizovaný a vlivem tzv. zotaveného napětí dojde ke znovuzapálení oblouku. Ten je však slabší než oblouk předchozí. Děj se opakuje až do doby, kdy ionizace se sníží natolik, že již ke znovuzapálení oblouku nedojde. Při použití systému samozhášení tvoří izolační zhášecí komory kontaktů pouze oddělení jednotlivých pólů a izolaci proti ostatním částem přístroje. Tento způsob zhášení se používá u všech pomocných spínačů, stykačů a vypínačů s vypínacími proudy do několik set ampérů. Pro větší proudy se používají zhášecí komory s úzkými štěrbinami. Pro obvody vysokého a velmi vysokého napětí se pro zhášení oblouku střídavého proudu používá cizí zhášecí prostředek, který urychluje deionizaci prostředí. Urychlení deionizace lze dosáhnout plynem, kapalinou nebo vakuem.
Zhášení tlakoplynné (tlakovzdušné) Na vznikající oblouk působíme tak, že jej chladíme proudem plynut vstupujícím do prostoru vzniku oblouku. Teplota oblouku se působením proudícího plynu rychle snižuje a oblouk se současně rozrušuje i mechanicky. Plyn se může vhánět způsoby uvedenými na obrázku. Tryska pro vhánění plynu může být umístěna buď přímo v kontaktech, nebo mimo ně.
Pro zhášení se používá buď vzduch, nebo elektronegativní plyn fluorid sírový SF 6 . Výhodou tohoto plynu je, že snadno váže volné elektrony, které jsou hlavní příčinou vzniku elektrického oblouku, a lépe než vzduch odvádí z oblouku teplo. Nevýhodou plynu je vznik chemických látek při styku s obloukem, proto musí spínání probíhat v hermeticky uzavřené komoře.
Zhášení oblouku v kapalině Jako zhášecí kapalina se v současnosti používá olej, jehož zhášecí efekt spočívá v intenzívním chlazení a v deionizaci zbytkového sloupce oblouku vlivem plynů vzniklých rozkladem oleje. Tyto plyny se skládají především z vodíku, který se vyznačuje velkou tepelnou vodivostí a při vyšším tlaku také velkou elektrickou pevností. Princip činnosti je založen na tzv. tlakové zhášecí komoře
67
znázorněné na obrázku vpravo. Oblouk v této izolační komoře vytvoří vysoký tlak, který vede k rychlému proudění, a tím vznikne mohutný zhášecí efekt při vysunutí kontaktu otvorem komory. Tento princip byl zlepšen tím, že se nyní používá podélné nebo příčné proudění oleje. Olejová zhášedla olejových a máloolejových vypínačů jsou funkčně dokonalá, ale nevýhodou zůstává opotřebení oleje (spalování) a jeho hořlavost. V minulosti se používalo z tohoto hlediska vhodnější zhášedlo – voda. Rozkladem vody vzniká vodík, voda má navíc velké výparné teplo a velkou měrnou tepelnou kapacitu, ale nemá dostatečnou elektrickou pevnost. Přesto se však dříve vyráběly tzv. expanzní vypínače, v nichž zhášedlem byla chemicky upravená voda (expanzin).
Zhášení elektrického oblouku ve vakuu Při hoření oblouku ve vakuu se vytvoří páry elektrodového kovu. Při dostatečně nízkém tlaku vzniká tzv. vakuový oblouk, který elektromagnetické síly nestačí soustředit do úzkého sloupce. Zatímco na katodě jsou žhavé katodové skvrny emitující elektrony, které převážně zabezpečují přenos proudu, je anoda poměrně studená. Při průchodu proudu nulovou hodnotou se rozptýlí ionizované částice na stínicí elektrody. Vakuový vypínač má kontakty umístěné v izolační nádobě (keramika, sklo) a pohyblivý kontakt je přes kovový vlnovec spojen s pohonem. Zhášení závisí na čistotě elektrod. Obtíže vznikají při konstrukci těchto spínačů, neboť je nutné zajistit dlouhodobé udržení vakua a vyrobit kontakty z dokonale čistých kovů odolných proti svaření. V současné době se tento způsob uplatňuje u stykačů na vysoké napětí, neboť pro napětí např. 20 kV je vzdálenost mezi kontakty jen 6 mm.
3.9 Základní obvodové prvky v elektronice Mezi základní obvodové prvky v elektronice řadíme především rezistory, kondenzátory, cívky, transformátory, diody, tyristory, diaky, triaky, tranzistory a integrované obvody. S částí z nich jsme se již seznámili v předchozích kapitolách. Připomeňme si však, podle kterých kritérií obvodové součástky dělíme viz. tabulka:
68
3.9.1 Cívky Cívky jsou dvojpólové součástky, konstruované takovým způsobem, aby vytvořily vlastní indukčnost L definované velikosti. Cívku vytvářejí závity vodiče, které jsou uspořádány do jedné nebo několika vrstev. Prostor, který závity obepínají, má obvykle kruhový, čtvercový nebo obdélníkový průřez. Indukčnost cívek závisí na počtu závitů, jejich geometrickém uspořádání a na magnetických vlastnostech prostředí, které závity obepínají, i které cívky obklopuje. Podle konstrukce je možné cívky rozdělit na dvě velké skupiny: cívky bez jádra (vzduchové) cívky s jádrem (většinou z magneticky vodivého materiálu) Prochází-li elektrický proud I uzavřeným obvodem (představme si jej pro jednoduchost jako jednu uzavřenou smyčku), vzniká magnetický tok (ϕ), pro který platí:
69
Φ=L∙I kde ϕ L I
velikost magnetického toku vlastní indukčnost smyčky proud protékající smyčkou
Wb (Weber) H (Henry) A
Vytvoříme-li cívku z N výše zmíněných smyček (závitů), bude při stejném protékajícím proudu výsledný indukční tok N – krát větší a indukčnost L se zvětší:
Podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce časová změna magnetického toku indukuje v uzavřené vodivé smyčce napětí (případně proud) nezávisle na tom, jakým způsobem byla tato změna vyvolána (tj. pohybuje-li se smyčka v časově stálém magnetickém poli, nebo mění-li se toto magnetické pole ve stojící smyčce). Záporné znaménko ve zmíněném zákonu respektuje Lenzovo pravidlo, které říká, že indukovaný proud (a tudíž i napětí) působí proti změně, která jej vyvolala. Jinými slovy, cívka brání změnám proudu. Napětí přiložené na svorky cívky způsobuje časový nárůst proudu cívkou. Čím větší bude indukčnost L, tím pomaleji bude proud narůstat pro dané napětí U. Cívka má tedy indukčnost jednoho Henry, indukuje-li se v ní napětí jednoho voltu při rovnoměrné změně proudu o jeden ampér za jednu sekundu. Připomeňme si, že v případě kondenzátoru tomu bylo z hlediska proudu a napětí naopak. Proud kondenzátorem způsobil časovou změnu napětí na jeho svorkách. Máme tedy k dispozici dvě navzájem analogické součástky vycházející ze dvou analogických veličin. Kapacity vyplývající z popisu elektrického pole a indukčnosti vyplývající z pole magnetického. Po připojení cívky (například v sérii s rezistorem) na stejnosměrné napětí dochází k přechodovému ději, kdy se v cívce indukuje napětí s polaritou působící proti napětí zdroje a proud proto narůstá na svou maximální hodnotu (ustáleného stavu) jen postupně. Výkon dodávaný cívce se nemění v teplo, ale spotřebovává se na vytváření magnetického pole cívky. Po rozpojení obvodu, tj. po přerušení proudu cívkou, se nahromaděná magnetická energie uvolní zpět. V důsledku platnosti Lenzova pravidla je toto spojeno s nárůstem napětí na cívce, které může mít pro spínač nepříjemné následky (vznik elektrického oblouku, proražení a podobně). V případě připojení cívky na zdroj střídavého napětí, klade cívka střídavému proudu střídavý odpor označovaný jako induktivní reaktance: X L
Z uvedeného vzorce je zřejmé, že proudové a napěťové poměry jsou u ideální cívky opačné než u ideálního kondenzátoru. Maximum napětí tedy předbíhá maximum proudu o 90°.
Energie magnetického pole cívky Pro vytvoření magnetického toku musí elektrický proud vykonat práci. V prostoru okolo vodiče i v samotném vodiči se nahromadí určitá energie. Tato energie je potřebná k vytvoření magnetického pole a zůstává v něm nahromaděna. Pro energii magnetického pole cívky pak platí:
70
Provedení cívek Vzduchové cívky Vzduchové cívky jsou konstruovány pro indukčnosti řádově mikrohenry, výjimečně jednotek milihenry. Jsou používány převážně ve vf obvodech s kmitočtem řádově až stovky Hz. Použití v nf obvodech je tam, kde je kladen požadavek značné linearity indukčnosti při proudových změnách (např. kmitočtová výhybka u reproduktorových soustav).
Obr. 16 Různá provedení vzduchových cívek a) samonosná jednovrstvá cívka b) vzduchová vícevrstvá cívka s vinutím na kostře c) plošná cívka
Cívky jsou realizované buď jako samonosné, případně se při větším počtu závitů vinou na kostřičky z izolačního materiálu. Speciální skupinu tvoří tzv. plošné cívky, které jsou vytvořeny vyleptáním měděné fólie, tvořící obrazec plošného spoje do tvaru závitu. Jejich oblast použití spadá především do vf obvodů v přijímací technice. Cívky s jádrem Zvětšení indukčnosti cívky lze dosáhnout při srovnatelných rozměrech zvětšením magnetického toku (snížením magnetického odporu). Toho lze dosáhnout, jestliže se magnetický tok vytvořený v cívce uzavírá přes jádro z magneticky vodivého materiálu. Podle druhu použitého jádra dosahuje maximální indukčnost cívek s jádrem několik desítek až stovek mH (cívky pro použití ve vysokofrekvenčních obvodech), případně až několik desítek henry (nízkofrekvenční tlumivky). Jádra jsou vyráběna z magneticky značně vodivých materiálů s malými hysterezními ztrátami. Elektrická vodivost jader musí být naopak co nejmenší, aby ztráty vznikající v jádře průchodem vířivých proudů byly malé.
71
Cívky s magnetickým jádrem
jednofázová tlumivka
Pro cívky s indukčností do několika set mikrohenry se používají jádra šroubová. Jádro má tvar šroubu s jemným závitem a lze ho šroubováním zasouvat do prostoru cívky a tím zvětšovat indukčnost. Cívky s větší indukčností využívají jader hrníčkových, která jsou složena ze dvou stejných částí miskového tvaru. Jádro po složení zcela obklopuje cívku, takže rozptyl magnetického toku do okolí jádra je velmi malý. Cívka je navinuta na izolační kostře, která je nasunuta na středním sloupku jádra. Nízkofrekvenční tlumivky se používají zejména ve filtračních článcích stejnosměrných napájecích zdrojů. Jsou realizovány pomocí jádra tvořeného transformátorovými plechy, jejichž magnetický obvod je přerušen vzduchovou mezerou. Tato mezera omezuje možnost přesycení magnetického obvodu vlivem procházející stejnosměrné složky proudu.
Výpočet indukčnosti cívek Pro výpočet indukčnosti jednovrstvé vzduchové cívky platí upravený Nagaokův vztah:
kde: L k D B N
indukčnost cívky [μH] konstanta zohledňující poměr D/l průměr cívky [cm] délka cívky [cm] počet závitů
Řez jednovrstvou cívkou bez jádra
72
3.9.2 Transformátory Jak již víme z elektrotechniky transformátor je netočivý stroj, který funguje na principu vzájemné elektromagnetické indukci. V principu se jedná o dvě cívky umístěné blízko sebe, které sdílí své magnetické pole. Většinou se tyto cívky vinou na společné jádro vyrobené z materiálu magneticky vodivějšího než vzduch např. železo (či ferit):
Schématické znázornění transformátoru
Použití jader:
Pro nízké kmitočty (50 Hz), ale také pro akustické frekvence) lze použít jádro železné. Zmenšení ztrát lze docílit rozdělením jádra na plechy. V radiotechnice, vysokofrekvenčních měničích atd. lze používat jádra feritová. Ferit je skoro nevodivý (omezuje vířivé proudy v jádře) a má menší magnetickou paměť čili užší hysterezní smyčku (menší magnetizační ztráty). Pro ještě vyšší frekvence se používají transformátory bez jader. (např. Teslův transformátor)
Princip činnosti transformátoru: 1. Na primární cívku přiložíme střídavé napětí. 2. Začne v ní růst proud takovou měrou, aby vznikající magnetické pole v cívce indukovalo právě takové napětí, jaké je na cívku připojeno. 3. Magnetický tok prochází všemi cívkami a tedy i na nich vzniká napětí. Z toho tedy plyne, že přiložením napětí na primární cívku vytvoříme napětí i na sekundární cívce. 4. Pokud ze sekundární cívky odebíráme proud, vede to ke zmenšení magnetického pole a o to větší proud odebírá primární cívka. Pokud cívky nemají stejný počet závitů, můžeme takto měnit poměr napětí/proud. Platí, že napětí je úměrné počtu závitů podle transformační rovnice:
Transformovat lze pouze střídavý proud, a to tím snáze, čím je vyšší frekvence. Účinnost velkých transformátorů je okolo 98%.
73
V elektronice používáme malé transformátory navinuté na feritovém jádře, prstenci nebo hrníčku (obr. vpravo) z důvodu vysokých frekvencí a tím nutnosti použít materiály s co nejužší hysterezní smyčkou. Tyto malé transformátory používáme jako oddělovací, ladící nebo se s nimi setkáme ve spínaných zdrojích apod.
Vysokofrekvenční transformátory
Hrníčkové jádro
3.9.3 Polovodičová dioda (přechod PN) Základem většiny polovodičových součástek (diod, tranzistorů, svítivých diod, mikroprocesorů, fotočlánků aj.) je tzv přechod PN. Jedná se o oblast styku dvou polovodičů s opačným typem vodivosti. Typickou vlastností přechodu PN je jeho usměrňovací účinek. V jednom směru jím proud může procházet, zatímco v opačném směru nikoli. Mohou nastat tři stavy:
Přechod PN není připojen ke zdroji napětí: - v oblasti přechodu PN přejde část volných elektronů z oblasti N do oblasti P a tam rekombinují s "děrami". V tomto prostoru se vytvoří oblast bez volných nábojů o šířce několika tisícin milimetru.
Přechod PN v závěrném směru: Připojíme-li k polovodiči P záporný pól a k polovodiči N kladný pól zdroje, vzdalují se působením elektrických sil volné náboje od přechodu PN. Oblast bez volných nábojů se rozšíří, její odpor vzroste a elektrický proud přechodem PN nemůže procházet. Nevodivé oblasti bez volných nábojů říkáme hradlová vrstva. Pokud bychom však dále zvyšovali závěrné napětí, dojde k průrazu hradlové vrstvy a tím k trvalému poškození diody.
74
Přechod PN v propustném směru: Připojíme-li k polovodiči P kladný pól a k polovodiči N záporný pól zdroje, přecházejí působením elektrických sil volné elektrony přes přechod PN ke kladnému pólu a "díry" jsou přitahovány k zápornému pólu. Hradlová vrstva prakticky zanikne a její odpor se výrazně zmenší. Takto zapojeným přechodem PN proud prochází.
Voltampérová charakteristika polovodičové diody Je to graf závislosti proudu, který prochází diodou, na připojeném napětí. Rozlišujeme část charakteristiky v propustném směru, kdy potenciál anody je větší než katody, a část v závěrném směru, kdy je tomu naopak. Propustný směr značíme do prvního kvadrantu a část v závěrném směru do III. kvadrantu.
Druhy diod Diody pro síťové usměrňovače Jsou konstruovány pro proudy desítek ampér a napětí desítek a stovek voltů technických frekvencí. Vyráběny jsou z křemíku, převážně difúzní technologií. Vrstva niklu vytváří neusměrňující spojení s vývodem anody, nevlastní vodivost P je vytvořená difúzí boru nebo galia na základní destičku. Následuje základní destička typu N a silně dotovaná vrstva N +, vytvářející neusměrňující přechod s vývodem katody. Diody pro usměrňování malých VF proudů: Plošné diody Vyrábějí se z Si difúzní technologií, základní destička typu N – katoda, anoda je vytvořena technologií difuze, krystal má rozměry 1x1mm.
Hrotové diody Germaniové hrotové diody : 75
Ge krystal s nevlastní vodivostí typu N je čtvercového tvaru asi 1 x 1 (mm) tloušťky 0,1 mm. Na povrch germaniové destičky, tvořící katodu diody, je pružně přitlačován hrot tenkého wolframového drátku tvořící anodu, má pouze mechanický kontakt s povrchem polovodičové destičky. Dobrého usměrňovacího účinku se dosáhne tzv. formováním, impulsem proudu asi 1 A, který projde diodou v přímém směru, tak vznikne miniaturní oblast s vodivostí typu P těsně pod místem dotyku hrotu. Nejlepších výsledků se dosáhne, obsahujeli hrot příměsi způsobující v germaniu vodivost typu P (např. Indium). Kapacita přechodu je asi 1 pF. Mezní frekvence kolem 100 MHz; ve speciálním provedení až 1000 MHz. Závěrná napětí jsou několik desítek voltů a přípustné hodnoty usměrněných proudů jen 10 až 20 mA. Diody se zlatým hrotem: Základem diody je opět destička z germania typu N, která je katodou. Drátek tvořící přívod k anodě je však zlatý s příměsí galia. Při formování dojde k přivaření zlatého drátku k polovodičovému krystalu, galium se rozpustí v roztaveném germaniu a vytvoří silně dotovanou oblast typu P. Vznikne dioda s miniaturním slitinovým přechodem PN. Takto vyrobená dioda sdružuje v sobě výhodné vlastnosti hrotových i plošných diod. Dioda má vysokou mezní frekvenci, asi 100 MHz a u některých typů diod až 1000 MHz. Výhodou je též menší odpor v přímém směru a větší odpor i menší proud ve zpětném směru, než mají diody hrotové. Diody pro stabilizaci napětí: Pro stabilizaci stejnosměrných napětí je možné využít vlastností přechodu PN plošných křemíkových diod vyrobených vhodným způsobem, které jsou polarizovány ve zpětném směru. Zenerova dioda Dioda má velmi tenký přechod PN, při působení napětí ve zpětném směru vzniká velká intenzita elektrostatického pole a dochází k vytrhávání elektronů z vazeb krystalové mřížky.To se projeví prudkým růstem zpětného proudu diody při téměř stálém napětí, dynamický vnitřní odpor diody se zmenší z hodnoty několik MΩ na několik desítek až jednotek Ω. Popsaný děj se nazývá Zenerův jev. Napětí, při kterém Zenerův jev nastává, se nazývá Zenerovo napětí. K vyvolání Zenerova jevu je třeba, aby E~107 V/m. Intenzita elektrostatického pole ve vyprázdněné oblasti je při určitém napětí nepřímo úměrná její tloušťce. U nejtenčích vrstev se dosahuje kritické intenzity pole (Zenerova napětí) asi při 3 V. Při zvětšování tloušťky přechodu Zenerovo napětí postupně stoupá a objevuje se další jev zvětšující proud ve zpětném směru, lavinový jev. Je-li přechod široký, je velká pravděpodobnost, že letící elektron narazí ve vyprázdněné oblasti na jiný elektron a uvolní ho z vazby. Oba elektrony jsou polem dále urychlovány a během své cesty uvolní nárazem další elektrony, ty podobným způsobem opět další. Nastává lavinová ionizace v oblasti přechodu, projevující se podobným způsobem jako Zenerův jev. Zenerův jev se uplatňuje v tenkých přechodech. Začíná působit při napětí asi 3 V při napětích vyšších, než asi 6 V postupně mizí a je plynule vystřídán lavinovým jevem. Oba jevy se z hlediska stabilizace napětí projevují stejným způsobem. Při Zenerově jevu vyvolá zvýšení
76
teploty pokles průrazného napětí, při lavinovém jevu zvýšení průrazného napětí. V okolí 6 V se teplotní závislost obou jevů kompenzuje, dioda stabilizující napětí 6 V je téměř nezávislá na teplotě. Kapacitní diody: Schematická značka: Kapacitní diody jsou součástky využívající závislosti na přiloženém napětí. Polarizují se ve zpětném směru. Jsou to plošné diody vyráběné z Si nebo z GaAs. Je-li přechod strmý (slitinový), závisí kapacita diody na napětí přibližně podle vztahu k , kde k je konstanta závislá na materiálu a provedení diody a UR je napětí mezi Cd UR anodou a katodou ve zpětném směru. k Pro přechod pozvolný, vzniklý difúzí nebo epitaxní technologií dostáváme C d . 3 U R Vhodným rozdělením příměsí v okolí přechodu lze získat též lineární závislost kapacity na přiloženém napětí. Kapacita C d může být při UR = 0 kolem deseti pF až na několik stovek pF. Základními parametry, které charakterizují kapacitní diodu, jsou kromě kapacity C d a její závislosti na napětí také činitel jakosti Q a horní mezní frekvence fh. Kapacitní diody určené k přelaďování rezonančních obvodů místo ladících kondenzátorů se nazývají varikapy. Kapacita se mění pomocným, tzv. ladicím stejnosměrným napětím. Amplituda VF signálu je oproti ladícímu napětí zanedbatelná, není nutné počítat se změnami kapacity vlivem VF signálu. Diody určené pro obvody s velkou amplitudou signálu, kdy signál mění během své periody značně kapacitu diody, se chovají jako nelineární reaktance. Pro ně se užívá název varaktory. Slouží např. ke směšování a násobení velmi vysokých napětí. Diody pro velmi vysoké frekvence Schottkyho dioda : Schottkyho diody využívají ke své činnosti usměrňujícího kontaktu polovodič-kov. Vyrábějí se např. napařením tenké vrstvy Au na povrch epitaxní vrstvy GaAs nebo Pt na povrch Si apod. V místě styku polovodiče a kovu dochází k velmi rychlému odsátí volných nosičů náboje kovem. Proto je doba zotavení těchto diod neobyčejně krátká (jednotky pikosekund) a mezní frekvence je velmi vysoká (řádu desítek gigahertzů). Dovolené napětí ve zpětném směru je malé. Pro diodu GaAs-Au asi –3V , pro Si-Pt asi –5 V. Schottkyho diody se užívají ve směšovačích a demodulátorech v pásmu centimetrových vln. Proti dříve používaným speciálním hrotovým diodám mají menší šum, větší účinnost a větší odolnost proti elektrickému i mechanickému namáhání.
77
Dioda PIN : Diody PIN se vyrábějí z křemíku.Vrstva s typem P, která tvoří anodu, je oddělena od vrstvy typu N, tvořící katodu, tenkou vrstvou velmi čistého křemíku. Tato mezivrstva, tlustá několik mikrometrů není dotována žádnou příměsí, má pouze vlastní (intrizitní) vodivost. Vrstva I se neuplatňuje při průchodu ss proudu nebo proudů tak nízkých frekvencí, že odpovídající doba periody 1/f je mnohokrát delší než doba potřebná k průchodu nosičů náboje přes vrstvu I. V těchto případech se dioda chová stejně jako obyčejná křemíková dioda s malou plochou přechodu. Rovněž má stejnou voltampérovou charakteristiku. Při vysokých frekvencích, kdy doba potřebná k průchodu nosičů náboje přes vrstvu I je srovnatelná s periodou procházejícího signálu, ztrácí dioda PIN svůj nelineární charakter a chová se jako lineární rezistor. Velikost jejího odporu pro vysoké frekvence Rvf je možně měnit velikost ss proudu IF, kterým diodu v přímém směru polarizujeme. VA charakteristika, platná pro vysoké frekvence, ukazuje, že se zmenšuje odpor Rvf při zvětšování ss proudu IF. Tloušťkou vrstvy I je určena nejnižší frekvence, při které se dioda začne chovat jako řízený rezistor. Diody PIN se používá při frekvencích stovek až tisíců MHz. Diodami PIN ve vhodném provedení je možné spínat VF výkony od 1 mW až do 100 kW. Přitom je výkon spotřebovaný k ovládání diody řádu miliwattů.
Tunelová dioda : Dioda se vyrábí z velmi dotovaného Ge nebo GaAs. Při polarizaci ve zpětném směru se tunelová dioda chová jako lineární rezistor s malým odporem. V přímém směru její IA vzrůstá do bodu P - dosahuje maxima Ip v bodě P při napětí Up asi 0,1 V. Při dalším růstu anodového napětí anodový proud klesá až do bodu V. Při napětí asi 0,3 až 0,4 V se voltampérová charakteristika tunelové diody připojuje k charakteristice běžné germaniové diody nebo diody z GaAs. Je zřejmé, že pro pracovní doby ležící mezi body P a V vykazuje dioda záporný diferenciální odpor. Této vlastnosti se dá využít k sestrojení oscilátorů nebo rychlých spínačů. Generované kmity mohou mít velmi vysokou frekvenci – až desítky GHz. Aplikace tunelových diod přináší řadu nevýhod, a proto se tyto diody v současné době používají jen zřídka.
78
Svítivá dioda (LED) Svítivá dioda neboli LED (z anglického light emitting diode) je polovodičová dioda, která při průchodu proudu v propustném směru svítí.
Když diodou prochází proud, dochází na PN přechodu k rekombinaci elektronů a děr. Přitom se uvolňuje energie, která je přibližně rovna šířce zakázaného pásu. Tato energie se může vyzářit ve formě fotonu nebo být absorbována v krystalové mříži, což se projeví zvýšenou teplotou polovodiče. Pravděpodobnost zářivé rekombinace (s fotonem) roste se zvětšující se šířkou zakázaného pásu. U křemíku se šířkou zakázaného pásu 1.1 eV je uvolňovaná energie převážně absorbována v krystalu, ze kterého je tepelnou výměnou odváděna do okolí. U diody z galium-arsenidu (GaAs) se šířkou zakázaného pásu 1.34 eV bude již nezanedbatelná část energie uvolněné při rekombinaci vyzařována ve formě fotonů o příslušné vlnové délce, která však ještě spadá do oblasti neviditelného infračerveného záření. Kombinace tohoto materiálu s fosforem, tzv. galium arsenid fosfid (GaAsP), již při rekombinaci vyzařuje červené viditelné záření. Použijeme-li materiál o vhodné šířce zakázaného pásu, můžeme vytvořit diody svítící světlem zeleným, žlutým nebo oranžovým. Existuje mnoho dalších specializovaných druhů diod jako je například laserová dioda (mechaniky CD), infradioda (dálkové ovladače) a další.
3.9.4 Tranzistory Jsou to nelineární polovodičové součástky, patří mezi nejdůležitější polovodičové součástky. Jsou tvořeny krystalem se dvěma přechody PN. Střední část krystalu je báze B a přechody PN ji oddělují od oblasti s opačným typem vodivosti, které označujeme jako kolektor C a emitor E. Oblast kolektoru je zpravidla větší než oblast emitoru a přechody jsou v malé vzájemné vzdálenosti, takže objem báze mezi oběma přechody je velmi malý. Tranzistor má dva obvody - vstupní a výstupní. Proto by měl mít čtyři vývody. Tranzistor má však ve skutečnosti pouze tři vývody (elektrody); jedna elektroda je společná oběma obvodům. Proto se rozlišují zapojení se společnou bází, zapojení se společným kolektorem nebo zapojení se společným emitorem. Tranzistor má dva přechody PN emitorový (přechod E - B) a kolektorový (přechod B - C).
79
Schématické značky tranzistorů
Bipolární tranzistory Bipolární tranzistory jsou aktivní elektronické součástky se třemi elektrodami: emitor E, báze B a kolektor C. Bipolární tranzistory si lze představit jako dvě diody zapojené proti sobě. Bipolární tranzistory jsou typu NPN nebo PNP. Podle toho, která z elektrod bude použita společně pro vstup a výstup se jedná o zapojení se společným emitorem, kolektorem či bází. Základní zapojení bipolárních tranzistorů včetně vlastností: se společným emitorem - SE se společným kolektorem - SC se společnou bází – SB
Používaná zapojení bipolárních tranzistorů
Princip činnosti bipolárního tranzistoru Tranzistor má tři vrstvy se třemi vývody. Vnější jsou emitor E a kolektor C. Emitor je bohatěji dotován příměsemi a má tedy větší vodivost. Mezi nimi je tenká vrstva báze B. Přechod báze – kolektor je polarizován ve zpětném směru. Přes tento přechod může procházet pouze velmi malý proud minoritních nosičů náboje, kterými jsou elektrony. Tento proud se označuje ICB0 a u tranzistorů vyrobených z křemíku dosahuje hodnoty pouze jednotky µA. Mezi bázi a emitor zapojíme zdroj napětí v přímém směru (s naznačenou polaritou) s napětím mezi 0,6 ÷ 0,9V. Tím se přechod mezi emitorem a bází plně otevře a z emitoru do báze začne procházet proud IE většinových nosičů náboje, kterými jsou elektrony. Pouze malá část jich rekombinuje v bázi a tvoří proud báze IB. Zbytek elektronů prochází přes bázi do kolektoru 80
a tvoří proud kolektoru IC (v bázi jsou vůči kolektoru menšinovými nosiči). Vždy musí platit vztah: IE = IB + IC
. Struktura tranzistoru PNP a NPN
Bipolární tranzistor představuje nelineární dvoubran a jako takový je popsán soustavou charakteristik. V katalozích výrobců se nejvíce udávají charakteristiky pro nejpoužívanější zapojení, kterým je zapojení se společným emitorem - SE.
Vstupní charakteristiky tranzistoru: o na vstupu se tranzistor chová jako dioda o ze sklonu vstupní charakteristiky lze zjistit vnitřní odpor tranzistoru o vstupní charakteristiky jsou málo závislé na změnách ve výstupním obvodu Výstupní charakteristiky tranzistoru: o proud procházející tranzistorem je funkcí vstupního proudu (napětí) a výstupního napětí o jednu proměnnou volíme konstantní a to vstupní veličinu o jednotlivé výstupní charakteristiky jsou téměř rovnoběžné s osou výstupního napětí o z toho plyne, že pro velikost výstupního proudu IC je rozhodující vstupní veličina, u zapojení SE je to proud IB nebo napětí UBE a výstupní proud na změně výstupního napětí téměř nezávisí o tranzistor se chová na výstupu jako zdroj konstantního proudu s velmi velkým vnitřním odporem o velikost dynamické vnitřní vodivosti určuje sklon charakteristiky Převodní charakteristiky tranzistoru: o Proudová převodní charakteristika tranzistoru - vyjadřuje závislost výstupního proudu na vstupním, při konstantním napětí UCE. o Napěťová převodní charakteristika tranzistoru je sestrojena ze vstupní a převodní proudové chrakteristiky tranzistoru.
81
Soustava charakteristik bipolárního tranzistoru
Unipolární tranzistory Unipolární tranzistor je polovodičová součástka řízená elektrickým polem, která využívá vlivu elektrického pole na průchod proudu polovodičem. Vedení proudu je uskutečněno v polovodiči s jedním druhem nevlastní vodivosti – P nebo N. Elektrické pole, které vzniká připojením řídícího napětí na řídící elektrodu zvanou hradlo G (gate-brána), rozšiřuje nebo zužuje vodivou dráhu v polovodiči, tzv. kanál mezi hlavními elektrodami, tj. emitorem E a kolektorem C .Podle způsobu připojení hradla k polovodiči dělíme tranzistory FE do dvou skupin: s přechodovým hradlem - JFET s izolovaným hradlem a vodivým kanálem MOSFET s izolovaným hradlem a indukovaným kanálem MOSFET Tranzistor řízený elektrickým polem s přechodovým hradlem - JFET Základ tvoří polovodičová destička typu P nebo N. Na obou koncích je opatřena neusměrňujícími kontakty, které slouží k přivádění proudu a mají význam emitoru E a kolektoru C. Na horní i spodní straně je vytvořena difuzí silně dotovaná vrstva obráceného typu vodivosti P+ ( N - ) nazvaná hradlo G. Obě části hradla jsou spojeny a tvoří řídící elektrodu. Prostor mezi částmi hradla se nazývá kanál. V okolí hradla se vytvoří vyprázdněná oblast. Hradlo se spojuje vždy s editorem. Po připojení napětí UCE mezi E a C kladnou svorkou na C prochází kanálem proud I C. Proud IC prudce roste, po dosažení určité hodnoty se zvyšuje jen velmi pozvolna Mezi hradlo G a emitor E připojíme zdroj předpětí UGE , přechod PN musí být vždy polarizován ve zpětném směru – v opačném případě je tranzistor zničen! Přivedením předpětí dojde k zúžení vodivého kanálu a tím k poklesu proudu IC. Pro jednotlivá předpětí se růst proudu ukončí při menších hodnotách.
82
Zúžení kanálu není po celé jeho délce kolem hradla stejné, protože ze strany kolektoru C, který je připojen na kladnou svorku zdroje UCE, je závěrné napětí na přechodech větší než ze strany emitoru E. Vodivý kanál se úplně nikdy neuzavře. Hradlem G prochází proud IG ~ 0A (jde o hodnoty řádově v pA).
Tranzistor MOS FET s izolovaným hradlem a vodivým kanálem V polovodičové destičce s vodivostí typu P jsou vytvořeny dvě oblasti s vyšší koncentrací příměsí N +, nazývají se emitor E (S) a kolektor C (D). Řídicí elektroda (G) je od substrátu oddělena tenkou vrstvou oxidu křemičitého SiO 2 . V prostoru mezi nimi je vytvořen vodivý kanál se stejným typem vodivosti - N. Při záporném předpětí na řídicí elektrodě dochází k vytvoření záporně vázaného povrchového náboje na rozhraní SiO 2 -N-kanál, který odpuzuje elektrony z kanálu, jeho vodivost klesá a snižuje se i proud IC. Popsaný typ tranzistoru MOSFET se nazývá tranzistor (MOS FET) s izolovaným hradlem a vodivým kanálem pracujícím v režimu ochuzení. Při kladném předpětí na řídicí elektrodě G vůči emitoru E, dochází k dalšímu přitahování minoritních nosičů ze základní destičky s vodivostí P (elektronů) k řídicí elektrodě, čímž se zvyšuje vodivost kanálu. Při zvyšování napětí mezi emitorem a kolektorem UCE se rovněž zvětšuje proud IC. Při určité hodnotě UCE = UCESAT dochází k zaškrcení kanálu u kolektoru, kolektorový proud se mění málo, i při zvyšování napětí.
Tranzistor MOS FET s izolovaným hradlem a vodivým kanálem
Tranzistor MOS s indukovaným kanálem Je tvořen základní polovodičovou destičkou slabě dotovanou příměsí, tj. o velkém odporu. Na destičce např. typu N jsou zhotoveny dvě oblasti s opačným druhem vodivosti P, ze kterých jsou vyvedeny C a E. Hradlo G je od základní destičky odděleno vrstvou SiO 2 , která představuje izolant Izolační vrstvička tvoří dielektrikum kondenzátoru, jehož elektrodami jsou hradlo a polovodičová destička, která je obvykle svorkou S připojena na E Po připojení zdroje UCE mezi emitorem E a kolektorem proud nemůže procházet, není vytvořen vodivý kanál Po připojení předpětí UGE zápornou svorkou na hradlo G a kladnou na emitor E, indukuje se pod vrstvou oxidu na základní destičce kladný náboj, který mění její vodivost z typu N na P. Od tzv. prahového napětí UGE = UT vzniká mezi C a E indukovaný kanál, který vodivě spojuje obě elektrody. Po připojení napětí UCE mezi C a E uzavírá se kanálem proud IC, jehož velikost závisí na napětí UCE i UGE.
83
3.9.5 Tyristor Tyristor je polovodičová součástka sloužící ke spínání elektrického proudu (nejčastěji výkonových obvodů), fungující jako řízený elektronický ventil.
Schématické znázornění a značka tyristoru
Tyristor je čtyřvrstvá spínací součástka (obvykle PNPN), která nevykazuje usměrňující účinky jako dioda, avšak je možné ji ovládat (spínat) pomocí impulsu do řídicí elektrody G (gate). Anoda (A) a katoda (K) se v obvodu nesmí zaměnit, zátěž je vždy připojena k anodě. Jedná se o velice účinný nástroj pro řízení velmi výkonných elektrických strojů. V moderních elektrických lokomotivách se používá nejčastěji pro pulzní regulaci výkonu trakčních motorů pro stejnosměrný proud. K regulaci výkonu asynchronních motorů se používají vyspělejší zařízení IGBT. Způsoby zapnutí a vypnutí tyristoru Zapnutí Krátkodobým proudovým pulsem do řídicí elektrody G (gate). Překročením kritické hodnoty anodového napětí dojde k průrazu druhého PN přechodu. (Tento způsob je obvykle nežádoucí.) Rychlým nárůstem anodového napětí, tj. nadkritickou strmostí UAK (S = ΔU/Δt = i/C). Při velké strmosti se vyvolá velký proud I přes přechod, který dále vyvolá lavinovou ionizaci krystalové mřížky a tím uvede tyristor do sepnutého stavu. Tento způsob sepnutí bývá většinou nežádoucí a je nutno mu předejít například tlumivkou nebo jiným zpomalovacím členem. Teplotou při určitém napětí UAK. (Také většinou nežádoucí.) Osvětlením druhého (PN) přechodu, takto pracuje fototyristor. (Radioaktivním zářením, při kterém sepne každý polovodič.) Vypnutí Přerušením anodového proudu. Komutací anodového napětí (přepólování). U střídavých proudů se tak děje automaticky v každé záporné půlvlně, ve stejnosměrných obvodech je nutno použít komutační zařízení. Zkratem mezi anodou (A) a katodou (K).
84
Obecná VA charakteristika tyristoru
3.9.6 Triak Triak (z anglického TRIode Alternating Current switch = triodový spínač střídavého proudu) je polovodičový spínací prvek schopný vést elektrický proud oběma směry.
Schématické znázornění a značka triaku
Vlastnosti triaku přibližně odpovídají vlastnostem dvou antiparalelně zapojených tyristorů (obr. 27), u kterých jsou řídicí elektrody propojeny v jednu. Triaky jsou konstruovány pro běžná napětí v rozvodných sítích a pro proudy do několika ampérů. Typické použití je v regulaci domácího osvětlení, otáček praček, vrtaček a podobných nízkovýkonových elektrických spotřebičů. Hlavní výhodou je jednoduché zapojení do elektrických obvodů.
Antiparalelní zapojení tyristorů
3.10 Popis funkce Pro sepnutí triaku musí být na hlavních elektrodách dostatečně velké napětí a do řídicí elektrody musí být přiveden proudový impuls o hodnotě vyšší, než je proud spínací. Triak je sepnutý a vede tak dlouho, dokud se velikost protékajícího proudu nesníží pod hodnotu vratného proudu (tj. do okolí nuly).
85
Uzavírání triaku nastane při poklesu proudu pod hodnotu vratného proudu, a to při jakémkoliv proudu řídicí elektrody. Pokud triakem neprotéká žádný proud a hodnota proudu na řídicí elektrodě je nižší než hodnota spínacího proudu, triak se ihned uzavře (rozepne).
Obecná VA charakteristika triaku
3.10.1
Diak
Diak (z anglického diode for alternating current (DIAC) = dioda pro střídavý proud) je polovodičový spínací prvek schopný vést elektrický proud oběma směry, ale jen pro určitou hodnotu. Diak se od triaku liší tím, že nemá řídící elektrodu a je tedy ovládán jen vstupním napětím. Dá se používat v propustném i závěrném směru, ale na rozdíl od triaku se nedá řídit.
Schématické znázornění a značka diaku
Vlastnosti Diak má stejně jako tranzistor 3 polovodičové vrstvy uspořádané do dvou PN přechodů. Má však jen dva vývody, vyvedené ze stejného typu polovodiče. Může být typu NPN i PNP. Protože nezáleží na polaritě napětí, není potřebné označovat vývody. Funkce Nejdůležitějším parametrem je tedy spínací napětí (značené většinou UB0 ), které se často pohybuje v řádech desítek voltů. Po překročení tohoto napětí dojde k tranzistorovému jevu a diak začne vést proud. Použití Nejčastěji se používá jako přepěťová ochrana. Využití může nalézt také jako pomocná součástka při spínání triaku.
86
Obecná VA charakteristika diaku
3.10.2
Integrovaný obvod
Integrovaný obvod (zkratka IO) je moderní elektronická součástka. Jedná se o spojení (integraci) mnoha jednoduchých elektrických součástek, které společně tvoří elektrický obvod vykonávající nějakou složitější funkci. Integrované obvody dělíme na monolitické a hybridní. V Československu se mezi profesionály i amatéry vžil zajímavý termín pro integrovaný obvod a to slovo je „šváb“. Monolitické IO dnes jasně převažují. Jejich jednotlivé součástky jsou vytvořeny a vzájemně spojeny na jediné polovodičové, nejčastěji křemíkové, destičce. Na obrázku je křemíková destička paměti EPROM o kapacitě 256 x 8 bitů ze 70. let, kterou bylo možno mazat ultrafialovým zářením (proto měla paměť průhledné okénko). Matice paměťových buněk jsou dvě obdélníkové pravidelně mřížované části v horní polovině destičky. Celkově byl tento obvod složen z necelých 5000 součástek (tranzistorů).
Paměť eprom
Detail čipu
Pro srovnání procesor Intel Pentium 4 se skládá z cca 42 milionů tranzistorů a nejtenčí spoje na destičce jsou široké 0,18 μm (lidský vlas má průměr cca 100 μm). Hybridní IO se skládají z několika součástek (zpravidla některé z nich bývají monolitické IO), které jsou přilepeny a pospojovány na malé destičce (zpravidla keramické).
87
Výroba Monolitické obvody
Vyleptaný křemíkový wafer
Základem pro výrobu moderních monolitických IO je monokrystal z velmi čistého polovodiče. Monokrystal musí být velmi dokonalý, pokud možno prostý, bez jakýchkoliv poruch v krystalové mřížce. Materiál pro jeho výrobu musí být předem velmi dokonale vyčištěn. Čištění materiálu a tažení takového monokrystalu se provádí za vysokých teplot v ochranné atmosféře, a je proto energeticky, ale i časově velmi náročné. Náročnost procesu je tím větší, čím větší průměr má výsledný monokrystal mít. Hotový monokrystal, který má válcový či doutníkovitý tvar, se nařeže na velmi tenké plátky (anglicky chips, z toho české čipy) jménem wafer. Jejich tloušťka je v řádu desetin milimetru. Plátky se dále dokonale vyleští. Na připravených plátcích se pak vytvářejí důmyslnými postupy miniaturní masky a na nezamaskovaná místa se difuzí přidávají různé příměsi, které v daných místech přetvářejí základní polovodičový materiál na materiál typu P nebo N, takže vznikají tzv. PN přechody. Další často používanou metodou je iontová epitaxe, která spočívá v přímém „nastřelování“ iontů patřičných příměsí do určených míst polovodiče. Po vytvoření struktury obvodu se na povrch vakuově napaří tenká vrstvička kovu (nejčastěji hliníku). Ta se poté opět za pomoci masky odleptá, takže na určených místech destičky vzniknou hliníkové kontakty.
Na jednom plátku je takto vytvořeno zpravidla několik řad a sloupců stejných obvodů. Ty se nejprve elektricky otestují pomocí jemných hrotů dotýkajících se vytvořených hliníkových
88
kontaktů. Vadné součástky jsou označeny a celá destička je pak rozřezána na jednotlivé integrované obvody. U těch, které v předchozím kroku prošly testem, jsou ke kontaktům přivařeny miniaturní zlaté nebo měděné drátky, které jsou vyvedeny na vývody (nožičky) IO. Na výstřižek z plechu je přilepena křemíková destička s obvodem, je provedeno nakontaktování a celý obvod je poté zalit do plastového pouzdra.
Integrovaný obvod pouze zakápnutý pryskyřicí v digitálních hodinkách
V některých masově vyráběných produktech spotřební elektroniky se z důvodů snížení ceny a miniaturizace lepí křemíkové destičky obvodů bez pouzdra přímo na desku s plošnými spoji. Po připojení kontaktů jsou pouze zakápnuty vytvrditelnou pryskyřicí.
Hybridní integrované obvody Hybridní integrované obvody se zpravidla skládají z tenké keramické destičky, na kterou jsou metodou sítotisku naneseny vodivé spoje, rezistory a přilepeny křemíkové destičky s diskrétními polovodičovými součástkami nebo jednoduššími monolitickými integrovanými obvody. Případně mohou být na tutéž destičku přilepeny i další součástky jako například kondenzátory nebo cívky. Hodnoty odporu rezistorů lze na destičkách hybridních obvodů případně pomocí laseru velmi přesně doladit. Poté se provede kontaktování polovodičových součástek běžným způsobem a obvod je uzavřen do kovového nebo plastového pouzdra. Další dělení IO dle různých kritérií:
analogové nebo číslicové obvody stupeň integrace o SSI – malá integrace (Small Scale Integration) o MSI – střední integrace (Middle Scale Integration) o LSI – vysoká integrace (Large Scale Integration) o VLSI – velmi vysoká integrace (Very Large Scale Integration), někdy také XLSI (eXtra Large Scale Integration) unipolární a bipolární obvody programovatelné a neprogramovatelné obvody sériově a zakázkově vyráběné obvody
89
4 Elektrochemie 4.1 Iontová vodivost, elektrolyt Pokud do čisté kádinky nalijeme destilovanou vodu a do ní ponoříme odizolovaný konec vodiče, který je dále připojen přes zdroj na žárovku a druhý konec vodiče od žárovky vložíme zpět do kádinky, pozorujeme, že žárovka nebude svítit. Jakmile však do vody přidáme kuchyňskou sůl (NaCl), žárovka se rozsvítí. Z našeho pozorování plyne, že destilovaná voda je izolant, kdežto roztok kuchyňské soli je vodič. Ve vodě dochází k tzv. disociaci (rozštěpení) NaCl na ionty chlóru (Cl) a sodíku (Na). Tím vznikne kapalný elektrolyt. Ionty mají elektrický náboj. Kationům chybí v elektronovém obalu jeden či více elektronů, takže jejich výsledný náboj je kladný. Anion má naopak více elektronů, proto je záporný. Jakmile v elektrolytu vznikne elektrické pole, podléhají jednotlivé ionty jeho silovým účinkům. Kladně nabité kationy sodíku se dají do usměrněného pohybu k záporně nabité elektrodě, tedy ke katodě. Záporně nabité aniony chlóru se začnou přesouvat k anodě. Při dotyku kationů sodíku a katody se z katody doplní sodíku chybějící elektrony. Tím vzniknou neutrální atomy sodíku. Při neutralizaci se však odčerpaly elektrony, které se vodičem musí doplnit ze zdroje napětí.
Disociace NaCl
Co znamená již dříve použitý pojem elektrolyt? Je to roztok nebo tavenina, která vede elektrický proud. V elektrolytech nepřenášejí proud elektrony jako u kovů (vodičů I. řádu), ale ionty. Ionty jsou proti elektronům větší, jejich pohyblivost je však menší, takže vodivost je u elektrolytů nižší než u kovů. Proto jsou elektrolyty označovány jako vodiče II. řádu. Mezi kapalné elektrolyty patří vodné roztoky solí, kyselin i zásad. Pramenitá dešťová voda jsou poměrně dobrými vodiči, protože obsahují rozpuštěné minerální látky nebo látky z ovzduší. Kovy a vodík vytvářejí kationy, proto se při průchodu proudu vylučují na katodě. Plyny s výjimkou vodíku se vylučují na anodě.
90
4.2 Elektrolýza Elektrolýza je rozklad chemických látek elektrickým proudem. Elektrolyticky se z vody získává kyslík a vodík, elektrolýzou se vyrábějí nebo čistí (rafinují) některé kovy např. chemicky čistá měď, velmi čisté železo nebo hliník. Elektrolytické pokovování neboli galvanostegie se používá k ochraně některých kovů před oxidací a ke zlepšení vzhledu výrobků nebo k vytvoření vodivých vrstev na nevodivých površích. Do vhodného elektrolytu se ponoří předmět, který má být pokoven a spojí se se záporným pólem zdroje stejnosměrného napětí. Anoda z vhodného kovu se spojí s kladným pólem zdroje. Kationy z roztoku přecházejí z roztoku na předmět a ulpívají na něm tak, že je nelze setřít (např. elektrolytické pochromování). Nevodivé předměty se musí před pokovováním pokrýt vodivým práškem. Galvanoplastika je výroba velmi přesných otisků. Voskový otisk se nejprve potáhne tenkou vrstvou vodivého grafitu a poté se elektrolyticky pokoví. Vrstva kovu, která se usadí na voskovém otisku, vytvoří postupně formu. ELOX je zkratka pro elektrolytické oxidování hliníku. Hliníkový předmět se při eloxování upevní k anodě a oxidace probíhá tím, že se na něm vytvoří vrstva Al2 O3 . Eloxované povrchy jsou tvrdé, lze je barvit a vytvářejí izolační vrstvu. Elektrolytická koroze vzniká nečistotám a cizím prvkům, které ulpívají na kovu nebo jsou v něm přímo obsaženy a při zvýšené lehkosti vytvářejí velký počet nepatrných galvanických článků. Elektrolýzou se pak kov mění na látky s mnohem menší soudržností. Příkladem je koroze oceli (rezavění). Stejně tak nežádoucí vliv má elektrolýza při spojení dvou vodičů různých materiálů (hliník a měď). Ve vlhku se z nich vytvoří galvanický článek, který časem zvětšuje přechodový odpor a poté se vlivem procházejícího proudu místo spoje nepřiměřeně zahřívá a může dojít k požáru části instalace. Proto se takové spoje musí upravit svařováním, pájením nebo cupalovými svorkami! Další místo, kde působí elektrolýza značné škody, jsou kovová potrubí uložená v zemi nejčastěji v blízkosti dráhy kolejových vozidel, kde je kolejnice využívána jako vodič. Vlhká zemina působící jako elektrolyt a bludné proudy způsobují naleptávání potrubí. (Například proud 1A působící na potrubí jeden rok zničí asi 10 kg oceli, 11 kg mědi a 37 kg olova.)
4.3 Chemické články Mezi chemické zdroje napětí patří galvanické články, palivové články a akumulátory. Jednoduchý chemický článek si můžeme sami vyrobit. Potřebujeme plíšky různých kovů např. měď a zinek, které jako elektrody zabodneme do jablka nebo jiného ovoce. K těmto elektrodám připojíme citlivý voltmetr a pozorujeme naměřenou hodnotu mezi jedním až jedním a půl voltem. Vytvořili jsme galvanický článek. Funkce galvanického článku spočívá v přeměně chemické energie na elektrickou energii. Galvanické články se dělí na primární a sekundární (akumulátory). Primární články fungují ihned po sestavení, ale jsou pouze na jedno použití - nelze je dobíjet. Výhodnější jsou proto sekundární články - akumulátory, které se mohou mnohokrát opakovaně vybíjet a nabíjet. Olověné akumulátory - jejich elektrody jsou ze slitiny antimonu a olova a mají tvar mříží. Do mříže kladné elektrody se natlačí minium (Pb 3 O 4 ) a do záporné oxid olovnatý (PbO). Mezi elektrodami je děrovaná izolační vložka, která brání dotyku elektrod při otřesech. 91
Elektrody jsou ponořeny do vodného roztoku kyseliny sírové (H2 SO4 ). Při nabíjení se zvětšuje hustota roztoku, protože přibývá kyselina sírová. Při vybíjení se uvolňuje voda, proto se hustota elektrolytu snižuje. Úplným vybitím se akumulátor poškodí, protože proběhne sulfitace desek, tj. desky akumulátoru se pokryjí nerozpustným povlakem, který znemožní vybití akumulátoru. Vybitý akumulátor může zamrznout již při teplotě -10°C, kdežto nabitý až kolem -70°C. Při nabíjení by nabíjecí proud neměl překročit jednu desetinu kapacity akumulátoru a postupně se proud snižuje. Při vybíjení by odebíraný proud také neměl překročit jednu desetinu kapacity. Při kapacitě 60 Ah můžeme odebírat proud 2A po dobu třiceti hodin nebo 6A po dobu deseti hodin, což vyplývá ze vztahu pro náboj
Q = It (C = It)
Další druhy akumulátorů zkratka celý název NiklNi-Cd kadmium NiklNi-MH metalhydrid
U max 1,2– 1,8V 1,2– 1,8V
U min
Charakteristika Běžné, mechanicky i elektricky odolné 0,9–0,7V články. Větší kapacita, neobsahuje těžké kovy. 0,9–0,7V Netrpí „paměťovým“ efektem.
Li-Ion
Lithiumiontové
4,1V
3,0V
Citlivé na řízení nabíjecího proudu, životnost 500–2000 nabíjecích cyklů.
Li-pol
Lithiumpolymerové
4,2V
3,0V
Nejvyšší hustota uchovávané energie, průměrná životnost 1000 nabíjecích cyklů,
Li-Fe
Lithiumželezité
3,6V
2,5 (2,0)
Vysoká hustota uchovávané energie, možnost odebírat až třicetinásobný proud kapacity.
Kapacita článku - součin vybíjecího proudu a celkové doby vybíjení, udává se v ampérhodinách (Ah). Elektromotorické napětí - napětí nezatíženého článku, tj. článku, ke kterému není připojený žádný spotřebič Vnitřní odpor - odpor vnitřních vodivých částí galvanického článku (elektrody, elektrolyt), vnitřní odpor článku se při odběru proudu postupně zvětšuje, článek se vybíjí Svorkové napětí - napětí zatíženého článku, je vždy menší než elektromotorické napětí. Rozdíl mezi svorkovým a elektromotorickým napětím je tím větší, čím větší je odebíraný proud a čím větší je vnitřní odpor (tj. čím vyčerpanější je článek) Zapojení článků - při sériovém zapojení je celkové napětí součtem napětí jednotlivých článků, ale vnitřní odpor baterie je větší. Paralelní zapojení se používá v případě, že je třeba větší odběr proudu ze zdroje - při paralelním zapojení je menší vnitřní odpor zdroje. (viz. kapitola 2.12 řazení zdrojů)
92
Sériové řazení článků
Paralelní řazení
Palivový článek je elektrochemické zařízení přeměňující přímo chemickou energii paliva a okysličovadla na energii elektrickou. Skládá se ze dvou elektrod, které jsou odděleny membránou nebo elektrolytem. K elektrodám je přiváděno palivo (k anodě) a okysličovadlo (ke katodě). Na katodě se oxidační činidlo (většinou kyslík) redukuje na anionty (O 2-), a ty pak reagují s H+ ionty na vodu. Elektrody palivového článku jsou katalyticky i reaktivně stabilní. Palivové články mohou pracovat nepřetržitě, dokud není přerušen přívod paliva nebo okysličovadla k elektrodám.
Schéma palivového článku
Existuje mnoho kombinací paliva a okysličovadla. Např. kyslíko-vodíkový článek používá vodík jako palivo a kyslík jako okysličovadlo. Jiné články užívají jako paliva uhlovodíky a alkoholy. Místo čistého kyslíku se jako okysličovadla může použít například vzduch, chlór a oxid chloričitý.
4.3.1 Chemické články a životní prostředí Všechny chemické články, jak již název napovídá, jsou tvořeny různými chemickými látkami. Mnohé z nich jsou jedy nebo těžké kovy, které se nesmí dostat do styku s půdou či vodou. Z toho důvodu jsou všichni prodejci povinni zpětně vybírat vybité a použité články. Nikdy je nevyhazujeme do komunálního odpadu. Mimo zpětného odběru u prodejců existuje mnoho specializovaných firem, které se zabývají ekologickou likviadací či recyklací. Pozor na automobilové olověné akumulátory, které jako elektrolyt obsahují roztok kyseliny sírové. Tyto skladujeme ve svislé poloze, aby elektrolyt nevytekl, a nikdy roztok kyseliny nevyléváme.
93
5 Elektrostatické pole 5.1 Elektrický náboj Elektricky nabité částice a tělesa jsou nositeli elektrického náboje, který označujeme písmenem Q. Jednotkou elektrického náboje je jeden Coulomb (čte se kulón nebo kulomb) a má značku C. Nejmenší částice, tj. proton a elektron mají nejmenší možný, tzv. elementární náboj o velikosti asi 1,6.10-9 C. Elementární náboj nelze od částic, které jej nesou oddělit. Elementární náboj se nedá vytvořit ani zničit. Celkový náboj elektricky nabitého tělesa je určen počtem elektronů, které v atomech tělesa chybí nebo nadbývají proti neutrálnímu (normálnímu) stavu, může tedy nabývat pouze celistvých násobků hodnoty elementárního náboje. Elektrický náboj lze z jednoho tělesa na jiné přenášet. Elektricky nabité částice (tělesa) působí na sebe elektrickými silami, mnohonásobně většími než jsou síly gravitační. Silového působení nabitých těles na sebe se využívá i při měření velikosti náboje přístroji, nazývanými elektrometry. Zákon zachování elektrického náboje: Elektrický náboj se nedá vytvořit ani zničit.
5.2 Elektrické pole a síla Elektricky nabitá tělesa na sebe vzájemně působí silami, tedy přitahují se nebo se odpuzují. Toto silové působení probíhá v elektrickém poli. Předmětem našeho zájmu bude elektrostatické pole, tedy pole, které se nepohybuje. Elektrické pole je kolem každého elektricky nabitého tělesa, to i ve vakuu. Je neviditelné a nedovedeme je žádným smyslem přímo pozorovat.
Znázornění el. pole a) mezi souhlasnými náboji;
b) mezi opačně nabitými náboji
Průběh elektrických polí se znázorňuje siločárami. Siločáry vystupují kolmo z těles, nikde se neprotínají. Dohodou se stanovilo, že siločáry vycházejí z kladně nabitého tělesa a končí na záporně nabitém tělese. Z osamoceného kladně nabitého tělesa jdou siločáry do nekonečna, na osamoceně záporně nabité těleso přicházejí z nekonečna. V místě, kde se projevují větší silové účinky elektrického pole na nabité těleso, jsou siločáry blíže u sebe. Mezi dvěma deskami spojenými s opačnými póly zdroje vysokého napětí se vytvářejí rovnoběžné siločáry. O takovém poli říkáme, že je homogenní, tj. stejnorodé. Kolem osamocené nabité koule vzniká radiální pole.
94
Homogenní elektrické pole;
Radiální elektrické pole
5.3 Intenzita elektrického pole Elektrické pole je formou hmoty stejně jako gravitační pole, na rozdíl od něj lze elektrické pole odstínit. V jednom místě mže současně působit několik elektrických polí Při měření elektrického pole používáme veličinu nazvanou intenzita elektrického pole. Tam kde jsou siločáry blíže u sebe, je intenzita elektrického pole větší. Znamená to, že v takovém místě budou také větší silové účinky na náboj. Intenzitu homogenního pole tedy vyjadřujeme podílem síly a náboje.
E = F / Q0 kde
E je intenzita elektrického pole, F síla, která působí v určitém místě pole na tzv. bodový náboj Q0.
Můžeme tedy říci, že intenzita elektrického pole je měřítkem síly působící na náboj v elektrickém poli. Elektrická síla působící mezi dvěma bodovými náboji je určena Coulombovým zákonem, její velikost závisí na velikosti nábojů, vzdálenosti těles a prostředí mezi nimi.
5.4 Tělesa v elektrickém poli Dvě zelektrovaná tělesa se mohou vzájemně přitahovat (mají-li nesouhlasný el. náboj) nebo odpuzovat (mají-li souhlasný el. náboj). K zelektrované tyči se ale přitahují také tělesa, která zelektrovaná nejsou. Vodiče = látky, které mají takovou strukturu, že obsahují volně pohyblivé částice s elektrickým nábojem Izolanty (nevodiče) = látky, které neobsahují volně pohyblivé částice s elektrickým nábojem
95
5.4.1 Vodič v elektrickém poli (elektrostatická indukce) Po přiblížení kladně nabité tyče jsou volně pohyblivé elektrony v plechovce přitahovány elektrickým polem tyče. Přesunou se tedy k jednomu konci plechovky. Na tomto konci je pak přebytek záporných částic, na druhém konci je přebytek kladných částic. Záporný konec plechovky se přitahuje ke kladně nabité tyči.
Působení přitažlivé síly
Pokud ke stejné plechovce přiblížíme záporně nabitou tyč, budou naopak elektrony odpuzovány.
Působení odpudivé síly
Tento jev se nazývá elektrostatická indukce. Díky tomuto jevu se přitahují vodivá (kovová) tělesa, která nemají el. náboj k nabitým tělesům.
5.4.2 Izolant (dielektrikum) v elektrickém poli Izolant neobsahuje žádné volné částice s el. nábojem, elektrické pole tyče způsobí jen vzájemné posunutí elektronů a protonů uvnitř atomů nebo molekul . Uvnitř tělesa z izolantu jsou náboje částic vzájemně vyrovnané, pouze na protilehlých koncích povrchu tělesa nejsou náboje vyrovnány. Na straně přivrácené ke kladné tyči je záporný náboj, na opačném konci je náboj kladný. Na koncích tělesa z izolantu v elektrickém poli se tedy objeví nesouhlasné náboje - póly (atom má dva póly, říkáme mu dipól). Tento jev se nazývá polarizace izolantu. Díky tomuto jevu se přitahují nevodivá tělesa, která nemají el. náboj k nabitým tělesům.
Polarizace izolantu
96
5.4.3 Odstínění elektrostatického pole Pokud do prostoru s elektrostatickým polem vložíme vodivý materiál, dojde zde k tzv. influenci. Influence je přesun elektrických nábojů elektrickým polem ve vodiči na jeho povrch. Tím pádem vzniká uvnitř vodiče prostor bez pole. Influence v kovech je využíváno k odstínění prostoru od vlivu elektrického pole. Může být použito měděného plechu, mříže nebo pletiva.
Odstínění elektrostatického pole
Prostor odstíněný ze všech stran od vlivu elektrických polí se nazývá Faradayva klec. Stínění je většinou uzemněné.
5.5 Coulombův zákon Coulombův zákon vyjadřuje vztah mezi elektrickým nábojem a elektrickou silou: Velikost elektrické síly, kterou na sebe působí dvě tělesa s elektrickým nábojem, je přímo úměrná velikosti nábojů Q1 , Q2 a nepřímo úměrná druhé mocnině jejich vzdálenosti r.
Konstanta k v Coulombově zákonu vyjadřuje vliv prostředí, ve kterém na sebe působí bodové náboje. Tuto konstantu lze vyjádřit vztahem
kde
π je Ludolfovo číslo, 97
ε je tzv. permitivita prostředí. Jednotkou permitivity je farad na metr (F/m).
5.6 Elektrická pevnost dielektrika Míra polarizace dielektrika je závislá na velikosti intenzity elektrického pole, do kterého je dielektrikum vloženo. Při překročení určité velikosti intenzity vnějšího elektrostatického pole budou elektrostatické síly působící na nabité částice atomu větší než síly, které udržují atomy dielektrika pohromadě. Dielektrikum se tak vnějším polem (tj. přiloženým napětím) poruší a dojde a nastane tzv. průraz dielektrika. Dielektrikum se stane vodivým a začíná jím procházet proud. Elektrony jsou totiž vytrženy z atomů a mohou se volně pohybovat - mohou tedy přenášet elektrický náboj. U pevných dielektrik může dojít i k mechanickému poškození (u kapalin a plynů k poškození nedochází). Průraz dielektrika známe všichni: blesk ve vzduchu, piezokrystal na zapalování plynového sporáku, plynový zapalovač, elektrická svářečka, … Elektrická intenzita je natolik velká, že uvolní vodivostní částice z původně neutrálních molekul (v kapalinách a plynech to jsou jak elektrony, tak i ionty) a dielektrikem prochází elektrický proud. Při elektrickém průrazu je překročena elektrická pevnost dielektrika, která ale není konstantní. Je závislá na teplotě, tloušťce dielektrika, vlhkosti, tvaru elektrod, … Elektrická pevnost dielektrika je velikost elektrické intenzita, při níž dojde k elektrickému průrazu.
5.7 Kapacita, kondenzátor Jak je zřejmé z předcházejícího, je každé těleso schopnost pojmout určitý volný náboj. Velikost tohoto náboje není však neomezená. Říkáme, že má určitou kapacitu C. Jednotkou kapacity je farad (F). Pro praxi je to příliš veliká jednotka, převážně se používá pikofarad pF, nanofarad nF a mikrofarad µF. Pro elektrotechniku se vyrábějí součástky, které mají obzvlášť velkou kapacitu, tzv. kondenzátory. Můžeme si je představit jako soustavu dvou vodivých desek oddělených dielektrikem (obr. 21). Pokusy zjistíme, že kapacita deskového kondenzátoru závisí na plošném obsahu účinné plochy, tj. částí, kterou se desky kondenzátoru překrývají. Vložením slídové destičky mezi desky potvrdíme, že kapacita kondenzátoru závisí také na druhu dielektrika mezi deskami. Tento jev vysvětlujeme polarizací dielektrika, která zmenšuje intenzitu elektrického pole
Základní uspořádání kondenzátoru
98
Kapacita deskového kondenzátoru je kondenzátoru a nepřímo úměrná vzdálenosti deskami kondenzátoru vyjadřuje permitivita ε. mezi deskami. Místo potenciálu můžeme kondenzátoru lze vypočítat dle vzorce
přímo úměrná obsahu S účinné plochy d desek kondenzátoru. Vliv dielektrika mezi Při nabíjení kondenzátoru se zvětšuje potenciál uvažovat napětí mezi deskami. Kapacitu
Druhy kondenzátorů: a) podle tvaru – deskové, kulové, válcové, svitkové b) podle použitého dielektrika -vzduchový, papírový, elektrolytický, keramický, slídový, plastový, tantalový
Různá provedení kondenzátorů
5.7.1 Spojování kondenzátorů Spojení kondenzátorů: paralelní (vedle sebe), sériové (za sebou), příp. kombinované
Paralelní spojení kondenzátorů
Sériové spojení kondenzátorů
Paralelní zapojení → při stejném provozním napětí se zvyšuje kapacita Desky kondenzátoru A1 a A2 , resp. B1 a B2 (viz obrázek) mají stejné napětí, platí tedy Q1 = C1 · U a Q2 = C2 · U a spojením se vytváří kondenzátor s větší účinnou plochou:
99
Výsledná kapacita při spojení n kondenzátorů:
Sériové zapojení → větší provozní napětí, výsledná kapacita je menší než kapacita kteréhokoli z použitých kondenzátorů. Při nabití prvého kondenzátoru nábojem +Q se na vodiči B1 , spojeném s A2 , indukuje nesouhlasný náboj –Q a na A2 stejně velký souhlasný náboj +Q (viz obrázek). Na deskách obou kondenzátorů je tedy stejně velký náboj: Q = C1 U1 a Q = C2 U2 . Na svorkách desek A1 a B2 je následující napětí:
Pro výslednou kapacitu baterie s počtem n kondenzátorů platí:
5.7.2 Nabíjení a vybíjení kondenzátoru Měřítkem pro nabíjecí a vybíjecí čas je časová konstanta nabit zhruba na 63%.
τ.
Za dobu t =
τ
je kondenzátor
Časová konstatnta obvodu s kapacitou C a odporem R je součin odporu a kapacity.
100
τ=R.C
Kondenzátor se při určitém napětí nabíjí na maximum teoreticky nekonečně dlouhou dobu, prakticky dobu tc ~ 5. τ = 5 . R . C, pak je již nabíjecí proud zanedbatelný.
Nabíjecí proud (ypočátku vybitého kondenzátoru) nejprve rychle vzroste a pak pomalu klesá.
Nabíjení kondenzátoru trvá při určitém napětí tím déle, čím větší je jeho kapacita a čím větší je odpor vodičů a zdroje v nabíjecím obvodu.
V okamžiku zapnutí obvodu působí kondenzátor jako zkrat. Nabitý kondenzátor působí ve stejnosměrném obvodu jako přerušení.
Nabitý kondenzátor zabraňuje ve stejnosměrném obvodu průchodu proudu.
6 Magnetické pole, magnetické vlastnosti látek 6.1 M agnetické vlastnosti látek Magnetické vlastnosti látek jsou určeny vlastnostmi atomů, z nichž je látka složena. K tomuto poznatku dospěl již Ampere, který tvrdil, že magnetické vlastnosti látek určují elektrické proudy uvnitř těchto látek. Velmi zjednodušeně si můžeme představit, že elektrony v atomech se pohybují po malých uzavřených smyčkách a vytvářejí elementární magnetická pole, která se skládají a vytvářejí výsledné magnetické pole atomu. Jednou z vlastností elektronů je, že se otáčejí kolem vlastní osy. Tomuto otáčení říkáme spin. Souhlasný spin elektronů vyvolává magnetizmus elementárních magnetů. Podle toho jak jsou látky vtahovány či vypuzovány z magnetického pole, můžeme je dělit do tří skupin: 1. Diamagnetické látky – z magnetického pole slabě vypuzovány 2. Paramagnetické látky – do magnetického pole slabě vtahovány 3. Feromagnetické látky – do magnetického pole silně vtahovány Již slabým magnetickým polem lze u feromagnetických látek vyvolat takové uspořádání atomů, že se magnetické pole zesílí. Dochází k magnetování látky a magnetické pole v ní zůstává, i když vnější působení zanikne. Paramagnetické a feromagnetické látky považujeme za nemagnetické. Pro každou feromagnetickou látku existuje určitá teplota, při jejímž překročení látka ztrácí feromagnetické vlastnosti a stává se látkou paramagnetickou. Tato teplota se nazývá Curieova teplota. Existují další způsoby jak zbavit magnetickou látku magnetizmu například prudké pohyby, nárazy nebo poloha v rychle se měnícím magnetickém poli. Z prvků patří mezi feromagnetické pouze čtyři: železo (Fe), kobalt (Co), nikl (Ni) a gadolinium (Gd).
101
Mezi feromagnetické látky patří také látky ferimagnetické neboli ferity. Jsou to často sloučeniny oxidu železa s oxidy jiných kovů (Mn, Ba). Mají mnohem větší elektrický odpor než kovové feromagnetické látky a nalezly široké využití v praxi jako permanentní magnety.
6.2 M agnetické pole Magnetické pole je druh silového pole, které vytváří vodič s proudem, pohybující se částice nebo těleso s elektrickým nábojem, zmagnetované těleso (např. magnet) a proměnné elektrické pole. Magnetické pole je zvláštní případ pole elektromagnetického. Magnetické pole, jehož charakteristické veličiny (např. magnetická indukce) se s časem nemění, je stacionární magnetické pole. Vytváří ho nepohybující se vodič s konstantním proudem, proud částic s nábojem při pohybu rovnoměrném přímočarém a nepohybující se magnet. Magnetické pole se projevuje silovými účinky a můžeme ho prokázat různými způsoby. V nejjednodušším případě zjišťujeme magnetické pole magnetkou. Magnetické pole můžeme znázorňovat indukčními čarami. Indukční čáry jsou čáry znázorňující rozložení magnetického pole v prostoru. Indukční čáry jsou vždy uzavřené, tj. procházejí magnetem. Dohodnutá orientace indukčních čar mimo magnet je od severního pólu k jižnímu.
Indukční čáry
6.3 M agnetické pole elektrického proudu V roce 1820 zjistil s proudem je magnetické elektrickým. Tento pokus Silové působení je však s proudem.
dánský fyzik H. Ch. Oersted pomocí magnetky, že v okolí vodiče pole. Tím byla prokázána souvislost magnetického pole s polem je také důkazem, že magnetické pole proudu působí na magnet. vzájemné a magnet působí svým magnetickým polem na vodič
Magnetka u vodiče, kterým prochází proud
Při průchodu proudu vodičem vzniká kolem vodiče magnetické pole. Při určování směru indukčních čar používáme pravidlo pravotočivého šroubu. Směr indukčních čar je
102
stejný jako směr otáčení pravotočivého šroubu, který zašroubováváme po směru, kterým prochází proud. Objev magnetického pole v okolí vodiče, kterým prochází proud, je základním objevem pro vývoj elektrických strojů, např. elektromotorů.
Pravidlo pravotočivého šroubu
Vodič v magnetickém poli
6.4 M agnetický indukční tok Celkové magnetické pole (magnetu nebo cívky) označujeme jako magnetický (indukční) tok a lze jej znázornit jako souhrn všech indukčních čar. Magnetický indukční tok se označuje ɸ (jako světelný tok) nebo ɸB pro odlišení toku intenzity elektrického pole ɸE. Celkový magnetický tok cívky prochází vnitřním průřezem cívky. Magnetický tok může být měřen podle silových účinků. Jednotkou magnetického (indukčního) toku je voltsekunda (V. s = m2 . kg .s-2 . A-1 ). Speciální jednotkou je weber (Wb). Větší elektrický proud vytváří větší magnetický (indukční) tok. Magnetický tok cívky protékané proudem je přímo úměrný počtu závitů cívky.
6.5 M agnetomotorická síla Magnetické pole vodiče a magnetické pole magnetu na sebe navzájem působí. Síla (Fm ), kterou působí magnetické pole na vodič, závisí na magnetické indukci B, na proudu I, který prochází vodičem, a na tzv. aktivní délce l vodiče, tj. délce té jeho části, na kterou magnetické pole působí. Pro sílu v homogenním magnetickém poli platí vztah
Fm BIl sin
kde α je úhel, který svírá vodič s indukčními čarami. Jsou-li indukční čáry kolmé, používáme jednodušší vztah
Fm BIl Veličina B se nazývá magnetická indukce. Je to vektorová veličina a úplně charakterizuje magnetické pole. Někdy se k určení magnetického pole užívá další vektor H, který se nazývá intenzita magnetického pole.
103
6.6 Hysterezní smyčka Při magnetizaci nezmagnetizované magnetické látky se mění magnetická indukce B v látce v závislosti na intenzitě magnetického pole H nejprve podle magnetizační křivky z bodu 0 do bodu nasycení. Přestože intenzita magnetického pole klesne na nulu, zůstává ve zmagnetizovaném železe remanentní magnetická indukce Br (zbytkový magnetizmus), odpovídající bodu 2 na grafu. Opačně orientovaná intenzita magnetického pole odstraní remanentní magnetickou indukci. Cívka je v této situaci zdrojem intenzity magnetického pole, v železe však není žádná magnetická indukce. Tato intenzita nutná k odstranění zbytkového magnetizmu se nazývá koercitivní intenzita magnetického pole a označuje se Hc (bod 3 na grafu). Bude-li pokračovat zvyšování proudu, dojde ke zmagnetizování železného jádra a jeho nasycení při opačné orientaci H i B. Po odpojení proudu zůstane v jádře cívky opět zbytkový magnetizmus (bod 5 na grafu).
Hysterezní smyčka
Tato křivka přemagnetizace feromagnetické látky se nazývá hysterezní smyčka. Je-li cívka s železným jádrem napájena střídavým proudem, mění se stále orientace Weissových domén, energie potřebná na tyto změny se mění v teplo a železné jádro se zahřívá. Tyto tepelné ztráty se nazývají hysterezní ztráty. Tyto ztráty také nazýváme ztráty v železe. Hysterezní smyčka magneticky měkkých materiálů (např. transformátorové plechy) je úzká a přemagnetizace je spojena s malými ztrátami. Z magneticky tvrdých materiálů se vyrábějí permanentní magnety.
6.7 Silové účinky magnetického pole Při dvou rovnoběžných vodičích vznikají kolem každého vodiče magnetická pole, ale ta nejsou homogenní. Oba vodiče na sebe navzájem působí silami, které označíme F a – F. Jedná se o dvě opačné síly, které vznikají při vzájemném působení těles. Pokud dáme vedle sebe dva vodiče, kterými bude procházet proud stejným směrem, potom se budou vodiče navzájem přitahovat. Pokud však jedním vodičem poteče proud opačným směrem, potom se budou vodiče vzájemně odpuzovat.
104
Měřením se zjistilo, že pro sílu F, kterou na sebe působí dva navzájem rovnoběžné vodiče délky l, jimiž procházejí proudy I1 a I2, platí vztah
μ je tzv. permeabilita prostředí kolem vodičů, d vzdálenost vodičů. Vztah platí pro vodiče se zanedbatelným průřezem. kde
Přitahování vodičů
Odpuzování vodičů
(Tečka – hrot šípu – znamená, že proud směřuje k nám. Křížek – stabilizační plochy – označuje směr proudu od nás)
6.8 Elektromagnety a jejich praktické použití Elektromagnety při své funkci využívají silové účinky elektromagnetického pole. Hlavními částmi elektromagnetu jsou cívka napájená elektrickým proudem, pevné jádro, na kterém je cívka upevněna a pohyblivá kotva, kterou jádro přitáhne při zavedení proudu do cívky. Podle druhu napájecího napětí je dělíme na stejnosměrné a střídavé, ty pak mohou být jednofázové nebo třífázové. Pro svoje vlastnosti se elektromagnety používají v celé řadě elektrických přístrojů a mohou mít různá provedení.
6.8.1
Elektromagnety na stejnosměrný proud
Jak je zřejmé z obrázku napravo, má stejnosměrný elektromagnet cívku, jádro a kotvu. Jádro musí být vyrobeno z magneticky měkkého materiálu. Nejčastěji se používá plný materiál, jádro může být také složeno z plechů, tak jak tomu je u střídavých elektromagnetů. Cívka a část jádra, na kterém je umístěna, má obvykle válcový tvar. Podmínkou je, že kotva se nesmí přímo dotýkat jádra, protože i při použití magneticky měkkého materiálu může dojít k tzv. lepení vlivem zbytkového magnetismu, což se projevuje tím, že kotva neodpadne 105
okamžitě po vypnutí proudu cívky. Řeší se to oddělením kotvy od jádra podložkou z nemagnetického materiálu (měď, mosaz, plasty) nebo vzduchovou mezerou (např. u třísloupkových jader je nižší střední sloupek jádra). U větších elektromagnetů se po sepnutí napájí cívka přes omezovací rezistor, protože k udržení elektromagnetu v sepnutém stavu stačí menší výkon, než je zapotřebí k jeho sepnutí.
6.8.2
Elektromagnety na střídavý proud
Střídavý elektromagnet musí mít vždy jádro složeno z plechů z magneticky měkkého materiálu, aby se zamezilo vzniku ztrát vířivými proudy a tím k nadměrnému zahřívání jádra a ztrátě výkonu. Protože střídavý proud při změně polarity prochází nulovou hodnotou, není kotva trvale přitažena k jádru, chvěje se a při kmitočtu 50 Hz je 100x za sekundu přitažena a v zápětí uvolněna. To se projevuje nepříjemným vrčením o kmitočtu 100 Hz a v případě spínacích přístrojů chvěním celých mechanismů a nedokonalým sepnutím kontaktů. Tento nežádoucí jev se naopak využívá u střídavých bzučáků a houkaček. Aby se nežádoucímu chvění a následnému vrčení zabránilo, vkládá se do jádra střídavého elektromagnetu závit nakrátko, u třísloupkových jader dva závity nakrátko umístěné v krajních sloupcích. V závitu nakrátko indukuje elektromagnetický tok procházející jádrem a vybuzený proudem cívky napětí, které má časově stejný průběh jako proud cívky. Indukované napětí způsobí, že závitem nakrátko prochází proud, který je vlivem induktivního charakteru závitu nakrátko opožděn o 900 oproti indukovanému napětí a tím i elektromagnetickému toku v jádru. Elektromagnetický tok vytvořený závitem nakrátko je tedy maximální v době, kdy proud cívky a elektromagnetický tok jádra prochází nulovou hodnotou. Tím drží kotvu přitaženou k jádru. Do jader střídavých elektromagnetů je možné použít také cívky na stejnosměrný proud. Elektromagnet bude bezchybně fungovat. Na následujícím obrázku je ukázka elektromagnetu, který je při vhodné cívce možné použít na střídavý i stejnosměrný proud.
106
6.8.3
Příklady použití elektromagnetů, elektromagnetické přístroje
pohon mechanismů (obrázek vlevo)
pohon elektromagnetických přístrojů (relé – obrázek uprostřed a stykače obrázek vpravo)
spouště jističe spínače; snížený výpadek
ovládání pneumatických a hydraulických ventilů (obrázek vpravo)
tahové elektromagnety stejnosměrné, střídavé jednofázové nebo třífázové – pro ovládání mechanismů brzd, spojek, převodovek apod. (obrázek vlevo)
elektromagnetické brzdy a spojky, často využívají kombinaci působení permanentního magnetu a elektromagnetu (obrázek vpravo)
břemenové elektromagnety (obrázek vlevo) – pro přepravu magnetických materiálů jeřáby (např. šrotiště)
upínací elektromagnety (obrázek vpravo) – pro upínání obrobků z magnetických materiálů na stoly obráběcích strojů; tyto elektromagnety nemají kotvu, tu vytváří upínaný materiál
v ochranných přístrojích – (obrázek vlevo), chrániče, elektromagnety reagují na zvýšený nebo proud, na zvýšené napětí nebo na dodávky proudu
7 Elektromagnetická indukce
107
Elektrickou energii ve většině případů získáváme v elektrárnách v generátorech využitím elektromagnetické indukce. Pokud na cívku s větším počtem závitů připojíme citlivý voltmetr a rychle vsuneme do dutiny cívky trvalý magnet, potom pozorujeme vychýlení ukazovatele voltmetru. Vidíme, že se ukazovatel vychýlí, ale brzy se vrátí do nulové polohy. Můžeme tedy říci, že při vsunutí magnetu vzniká, tj. indukuje se v cívce napětí. Stejně se napětí indukuje, vysunujeme-li magnet z cívky, ale proud v obvodu cívky má opačný směr. Mezi svorkami je tedy při vysunutí magnetu opačně pólované napětí. Tento pokus můžeme zkusit i obráceně a to tak, že na pevně uchycený magnet budeme nasouvat cívku. Naše pozorování voltmetru bude stejné jako v prvním případě.
Elektromagnetická indukce v pevné cívce
Nyní se zdá, že příčinou indukce je pohyb, avšak následující pokus toto tvrzení vyvrátí. Pokud vedle sebe postavíme jednu cívku (primární) připojenou přes tlačítko na zdroj napětí a spojíme ji přes společné ocelové jádro s druhou cívkou (sekundární) připojenou na citlivý voltmetr a stiskneme tlačítko, pozorujeme na voltmetru vychýlení ukazovatele. Při každém dalším stisku tlačítka se ukazovatel vychýlí. Je tedy zřejmé, že příčinou vzniku indukovaného napětí není pohyb. Změnou magnetického pole v okolí cívky se v cívce indukuje napětí a v uzavřeném obvodu prochází indukovaný proud. Směr proudu je závislý na směru změny magnetického pole a na orientaci pólů magnetu vůči cívce. Indukované napětí vzniká při změně magnetického indukčního toku v okolí vodiče.
108
Vzájemná elektromagnetická indukce
Uvedené situace mají za následek vytvoření (indukci) elektrického proudu v elektrickém obvodu, ačkoliv k tomuto obvodu nebyl připojen žádný zdroj. Ve všech případech vzniká v elektrickém obvodu proud tím, že na nabité částice elektrického obvodu začnou působit síly, které je uvedou do pohybu. Indukční zákon nám tedy říká: Napětí indukované v cívce je tím větší, čím větší je počet závitů cívky, čím větší je změna magnetického toku a čím kratší je trvání změny toku.
7.1 Lenzovo pravidlo Při pohybu vodiče napříč magnetickým polem se ve vodiči indukuje napětí, které vyvolá proud. Tento proud vyvolá kolem vodiče magnetické pole, které pak spolupůsobí společně s polem magnetu. Pole vodiče je orientované tak, že se výsledné pole před pohybujícím se vodičem zhustí, a tím vyvine na vodič sílu působící proti směru jeho pohybu. Ze směru indukčních čar výsledného pole před pohybujícím se vodičem lze určit směr proudu ve vodiči.
Pole magnetu a pole vodiče
Výsledné pole
Vodič je indukovaným polem brzděn ve svém pohybu
109
Lenzovo pravidlo zní: Proud vyvolaný indukovaným napětím je orientován tak, že svými magnetickými účinky působí proti změně původního toku.
7.2 Indukčnost (vlastní indukčnost) Představme si cívku s N závity, kterou protéká elektrický proud I proti směru hodinových ručiček. Pokud se nemění proud, je magnetický tok smyčkou konstantní. Předpokládejme ale, že se proud I mění s časem, potom podle Faradayova zákona vznikne napětí působící proti změně, která ho vyvolala. Vlastnost smyčky, při které její vlastní pole působí proti změnám proudu, nazýváme vlastní indukčnost a generované elektromotorické napětí nazýváme vlastní (zpětné) elektromotorické napětí. Všechny smyčky protékané proudem mají tuto vlastnost. Prvek obvodu, který má velkou vlastní indukčnost nazýváme induktor neboli cívka. Fyzikálně je vlastní indukčnost L mírou „odporu“ induktoru proti změně elektrického proudu. Čím větší je hodnota L, tím menší bude skutečná změna proudu. Tak jako rezistor je charakterizován svým odporem R, je cívka charakterizována svojí indukčností L. Jednotkou indukčnosti je jeden henry (H).
Válcová cívka (solenoid)
Změní- li se za dobu Δt proud o ΔI, změní se magnetický indukční tok cívkou o ΔΦ a v cívce se indukuje napětí
Indukčnost je vlastnost celého elektrického obvodu - všech prvků, které jsou v něm zapojeny. Projevuje se ale nejvíce u cívek a především u těch, které mají uzavřené feromagnetické jádro. Ty mají široké uplatnění v praxi a nazývají se tlumivky. Indukčnost cívek bez jádra je řádově 10-6 – 10-2 H, tlumivky s jádrem mají indukčnost. 10-1 – 102 H. Pro indukčnost dlouhé válcové cívky o délce l, s obsahem plochy jednoho závitu S a s počtem závitů N platí
110
7.3 Vířivé proudy Pokud se v magnetickém poli pohybuje destička (těleso) z vodivého materiálu (např. hliník), potom se v této destičce indukuje elektrické napětí, které vyvolává silný proud neboť destička vytváří uzavřenou vodivou smyčku. Proud zde nemá pevně vymezenou cestu, proto zde mluvíme o vířivých proudech. Pohybujke-li se kovový předmět v magnetickém poli, vznikají v něm vířivé proudy a brzdí pohyb. Prochází-li magnetické střídavé pole kovem, indukuje v něm vířivé proudy, které kov silně zahřívají. Vířivé proudy mohou způsobovat energetické ztráty, mohou však být i účelně využívány: -
indukční ohřev
-
odstínění vysokofrekvenčních magnetických polí
-
brždění (kotouček elektroměru)
-
měření výkonu motorů
7.4 Skin-efekt Skin-efekt nebo též povrchový efekt je vytlačování vf proudu na povrch vodiče vlivem magnetického pole uvnitř vodiče. Tím se například zvětšuje odpor vinutí cívky. Proto se ve sdělovací technice používají postříbřené měděné vodiče a cívky mají feritová jádra, aby se ušetřilo na počtu závitů vinutí, zvětšením indukčnosti pomocí jádra s malými ztrátami.
7.5 Transformátory Transformátor definujeme jako netočivý elektrický stroj pracující na principu elektromagnetické indukce, který mění přivedené střídavé napětí na jinou hodnotu při nezměněném kmitočtu. Nejvýznamnější uplatnění transformátorů je především v energetice, kde se využívají pro hospodárný přenos elektrické energie z místa výroby ke spotřebiteli pomocí vysokých a velmi vysokých napětí. Používají se pro přeměnu střídavého napětí a proudu v nejrůznějších průmyslových zařízeních, automatizační technice, elektronice apod. Proto se v praxi setkáváme s celou řadou různých druhů transformátorů. Jmenovité výkony transformátorů se pohybují v hodnotách od zlomků voltampéru až po stovky megavoltampérů. Podobně je tomu i s napětím. Na těchto parametrech a také na tom, pro jaké účely je transformátor určen, závisí konstrukce transformátoru. Podle použití rozdělujeme transformátory na:
energetické výkonové transformátory – určené pro přenos elektrické energie v rozvodných sítích, je u nich požadavek na velký výkon, vysokou účinnost (až 99%) a stabilitu výstupního napětí při změnách zatížení
energetické distribuční transformátory – zajišťují přenos elektrické energie ke spotřebitelům, podobně jako u výkonových transformátorů je u nich požadavek na velký výkon, vysokou účinnost a stabilita výstupního napětí při změnách zatížení
pecové transformátory – pro napájení elektrických pecí, dělíme je na 111
o odporové – topné odporové články jsou připojeny na řízené napětí sekundárního vinutí, o obloukové – transformují vysoké napětí na nízké o velikosti desítek voltů, které je potřebné k zapálení a k hoření elektrického oblouku; na straně nízkého napětí jsou proudy až statisíců ampér, proto se řízení napětí provádí na primární straně, tyto transformátory musí být odolné proti zkratům, odolnost se zvyšuje s pomocí tlumivek o indukční – sekundárním vinutím je tekutý prstenec zahřívané látky – kovu, primární vinutí je podobné jako u běžného transformátoru; pro menší ohřívané předměty se používají kmitočty 2 až 10 kHz
svařovací transformátory – pro obloukové a odporové svařování o transformátory pro svařování elektrickým obloukem – používá se tzv. rozptylový transformátor s uměle zvětšeným rozptylem pomocí jader vložených do rozptylových drah nebo vzduchových mezer v magnetickém obvodu; k zapálení oblouku je třeba sekundární napětí 80 až 100 V a pro hoření jen 20 až 30 V, transformátor se tomu musí rychle přizpůsobit, přičemž se nesmí příliš měnit svařovací proud o transformátory pro odporové svařování – na svařované místo působíme krátkodobě zkratovým proudem 1 kA až 100 kA; k dosažení těchto vysokých proudů na sekundární straně bývá zpravidla pouze jeden závit, velikost svařovacího proudu se mění přepínáním odboček na primární straně
měničové transformátory – pro napájení polovodičových měničů (především u řízených usměrňovačů má odebíraný proud tvar impulzů a dochází ke vzniku širokého spektra vyšších harmonických)
autotransformátory – mají pouze jedno vinutí, jehož část je společná pro primární i sekundární obvod
spouštěcí – transformátory a autotransformátory používané pro spouštění synchronních a asynchronních motorů velkých výkonů (motory se rozbíhají na menší napětí, které se postupně zvyšuje)
regulační – transformátory a autotransformátory s regulací výstupního napětí, využití pro zkušební a laboratorní účely
měřicí transformátory napětí a proudu – pro měření vysokých napětí a velkých proudů
napájecí (síťové) transformátory – pro napájení elektrických zařízení nízkého a malého napětí, podle zajištění ochrany před úrazem elektrickým proudem je rozdělujeme na: o převodové – mění napětí, nemají bezpečnostní funkci o oddělovací – vytvářejí elektrický obvod odizolovaný od sítě i země, musí splňovat požadavky na zvýšenou izolaci vinutí o bezpečnostní – vytvářejí obvod napájený bezpečným napětím, musí splňovat požadavky na zvýšenou izolaci vinutí
vysokofrekvenční transformátory – pro vysokofrekvenční obvody a spínané zdroje
další transformátory, jako např. lokomotivní, natáčecí atd.
112
Dále se transformátory rozdělují podle konstrukce magnetického obvodu (jádrové, plášťové, speciální), podle počtu fází (jednofázové, trojfázové a mnohofázové), podle chlazení (vzduchové, olejové, s nehořlavou kapalinou) a podle uspořádání vinutí (souosé, soustředné). Na následujících obrázcích vidíme zleva: výkonový energetický transformátor, oddělovací transformátor, bezpečnostní transformátor s oddělenými vinutími a regulační autotransformátor.
Na následujících obrázcích vidíme zleva toroidní transformátor do spínaných zdrojů, vysokonapěťový transformátor pro napájení obrazovky monitoru a čtyři vysokofrekvenční transformátory s feritovými jádry.
7.5.1 Popis transformátoru Z konstrukčního hlediska je transformátor ze všech střídavých strojů nejjednodušší. Proti točivým elektrickým strojům nemá mechanické ztráty a má mnohem jednodušší magnetický obvod (bez drážek pro vinutí), složený z plechů s menšími měrnými ztrátami. Energetická účinnost transformátoru je proto podstatně větší než u všech ostatních elektrických strojů.
Hlavní části výkonového transformátoru jsou:
magnetický obvod, tzv. jádro
vinutí – primární a sekundární
zařízení zajišťující chlazení – nejčastěji vzduchové nebo olejové
mechanické, konstrukční a izolační součásti
Magnetický obvod vysokonapěťových transformátorů jádrového typu je složen z transformátorových křemíkových plechů a je tvořen sloupky a spojkami. Na sloupcích je izolovaně umístěno nejdříve vinutí nižšího napětí a na něm vinutí vyššího napětí.
113
Takto vyrobený transformátor je vložen do nádoby, která se naplní olejem. Olej dobře odvádí teplo vznikající ve vlastním transformátoru a zvětšuje elektrickou pevnost. Pro lepší chlazení je nádoba opatřena chladicími trubkami, popř. žebry nebo radiátory. Na víku nádoby, která zakrývá vlastní transformátor, jsou porcelánová průchodky pro vyvedení konců vinuti, přepínač odboček a dilatační nádoba spojená trubkou s olejovou náplní. Olej při ohřívání transformátoru zvětšuje svůj objem a přechází do dilatační nádoby. Olej se v této nádobě stýká se vzduchem jen na své malé hladině, a tak je omezeno jeho znehodnocování okysličováním a vlhkostí. Mezi nádobu transformátoru a dilatační nádobu se vkládá plynové relé signalizující poruchu (přehřívání) transformátoru. Celý transformátor je připevněn k podvozku, který u velkých transformátorů umožňuje plynulý pohyb (obvykle po kolejích). Energetický transformátor vidíme na obrázku vpravo. U napájecích a síťových transformátorů je pořadí vinutí opačné – nejprve se na cívku navine vinutí primární a po něm teprve vinutí sekundární. Je nutné odlišovat pojmy vinutí a cívka. Pojem cívka vyjadřuje konstrukční provedení vinutí. Na cívce může být jedno nebo více vinutí, popř. pouze část vinutí. Transformátor může mít vinutí uloženo na jedné, dvou nebo více cívkách.
7.5.2 Princip činnosti transformátoru Při vysvětlení principu činnosti transformátoru se budeme zabývat jednoduchým bezeztrátovým transformátorem s uzavřeným magnetickým obvodem, na němž je umístěno primární (vstupní) a sekundární (výstupní) vinutí. Připojíme- li na primární vinutí střídavé sinusové napětí, začne jím procházet střídavý proud, který vybudí v magnetickém obvodu střídavý magnetický tok. Tento magnetický tok indukuje v sekundárním vinutí napětí, jehož velikost je dána indukčním zákonem a je úměrná počtu závitů: V ;Wb , s u0 N . t
u0
Δ změna magnetického toku
Δt
indukované napětí čas trvání změny
Připojíme- li k sekundárnímu vinutí zátěž (spotřebič), bude procházet sekundárním obvodem proud, jehož směr bude takový, aby svými účinky (magnetickým tokem) působil proti magnetickému toku, který ho vyvolal. Velikost proudu závisí na impedanci zátěže.
Principiální schéma jednofázového transformátoru
114
U1
I1 N1 U2 I2 N2 Z
napětí na primárním vinutí proud v primárním vinutí počet závitů na primárním vinutí magnetický tok napětí na sekundárním vinutí proud v sekundárním vinutí počet závitů na sekundárním vinutí zátěž (impedance zátěže)
7.5.3 Indukované napětí a převod transformátoru Jak již bylo uvedeno, v sekundárním vinutí se podle principu Faradayova indukčního zákona indukuje elektrické napětí. V ;Wb , s u2 N . t Proto transformátor pracuje jen na střídavý nebo pulsující proud, protože u stejnosměrného proudu se nemění magnetický tok a na sekundárním vinutí se proto nemůže indukovat žádné napětí. Dosadíme-li do indukčního zákona veličiny pro primární a sekundární vinutí s předpokladem, že oběma vinutími prochází stejný magnetický tok a ztráty transformátoru jsou zanedbatelné, bude platit: u2 N 2 . u1 N 1 . t t Dělením obou rovnic získáme výraz pro převod: U N p 1 1 U2 N2 Z rovnosti výkonů v primárním i sekundárním vinutí (při zanedbání ztrát) vyplývá, že: a po dosazení za výkony U 1 I 1 U 2 I 2 získáme výraz pro převod: P1 P2 indexem 1 jsou označeny veličiny primárního vinutí a indexem 2 U I veličiny sekundárního vinutí p 1 2 U 2 I1 Převod transformátoru můžeme vyjádřit: U 1 N1 I 2 p U 2 N 2 I1 Z předchozího vztahu pro bezeztrátový transformátor vyplývá, že velikosti indukovaných napětí jsou přímo úměrné počtům závitů jednotlivých vinutí a odpovídají poměru napětí na primárním a sekundárním vinutí. Pro proudy platí poměr opačný – je-li stejný výkon, musí být při vyšším napětí proud menší a naopak.
115
7.5.4 Návrh jednofázového transformátoru Běžné jednofázové transformátory pro menší výkony do 1 kVA lze navrhnout způsobem uvedeným v následujícím článku. Při výpočtu neuvažujeme se ztrátami a předpokládá se magnetická indukce 1 T. Z požadovaných parametrů transformátoru se nejprve vypočítám zdánlivý výkon S: S1 S 2 S ; S U 1 I 1 U 2 I 2 VA;V , A;V , A Dalším krokem je výpočet průřezu jádra transformátoru S Fe: S Fe S cm 2 ;VA Protože jádra transformátorů se vyrábějí v typových řadách, zvolíme jádro s nejbližším vyšším průřezem. Je-li tento průřez výrazně vyšší než vypočítaný průřez, můžeme si přepočítat zdánlivý výkon transformátoru pro tento větší průřez. Nyní si vypočítáme počet závitů na 1 V: 45 N 1V ;,cm 2 S Fe Abychom při výpočtu zohlednili úbytek napětí, obvykle volíme: U i1 0 ,95U 1 V ;V U i 2 1,05U 2 V ;V Lze také provést pouze úpravu u sekundárního vinutí o 10%: U i1 U 1 V ;V U i 2 1,1U 2 V ;V Dále si vypočítáme počty závitů primárního a sekundárního vinutí: N 1 U i1 N 1V ;V , N 2 U i 2 N 1V ;V , Proudová hustota potřebná pro stanovení průřezů vinutí se udává v rozmezí J = 2,5 až 3,5 A.mm-2 . Z údajů o proudu lze vypočítat průřez a průměr vodiče. Při návrhu primárního vinutí je vhodné počítat také se ztrátami transformátoru (např. 20%), o které bude příkon vyšší, tzn., že dojde k nárůstu primárního proudu: S1 1,2S 2 VA;VA I 11 1,2 I 1 A; A Průřezy vodičů vypočítáme: I I S v1 11 mm 2 ; A, Amm 2 S v 2 2 mm 2 ; A, Amm 2 J J
7.5.5 Ztráty v transformátoru V provozu skutečných transformátorů dochází ztrátám. Připojením napětí na primární vinutí jím začne protékat proud, který vytvoří střídavý hlavní magnetický tok, který se uzavírá jádrem, a dále v blízkosti vinutí vzniknou rozptylové magnetické toky, které se uzavírají vzduchem. Připojením zátěže na svorky sekundárního vinutí začne sekundárním obvodem protékat proud a do zátěže je dodáván výkon. Protože vodiče vinutí transformátoru mají činný odpor, vzniká na nich úbytek napětí, jehož velikost je úměrná proudu ve vinutí. Další ztráty, tzv. ztráty v železe, vznikají vlivem střídavého magnetického toku v transformátoru. Tyto ztráty dělíme na hysterezní ztráty a na ztráty vířivými proudy. v magnetickém obvodu pokrývá transformátor zvýšeným odběrem proudu ze sítě.
ke
přímo jádru Ztráty
116
Na obrázku jsou znázorněny ztráty vířivými proudy. Vložíme-li vodič do střídavého magnetického pole, bude se v něm indukovat napětí. Bude-li magnetický obvod vyroben z plného materiálu, chová se jako vodič v magnetickém poli vytvořeném magnetickým tokem. Plný materiál si můžeme představit jako by byl složen se závitů nakrátko, ve kterých se indukují napětí a protékají proudy nakrátko (obrázek vlevo). Ty způsobují nadměrné zahřívání materiálu jádra. Složíme-li však jádro z plechů (obrázek vpravo), vzniku vířivých proudů prakticky zamezíme, protože odpor mezi plechy je výrazně vyšší než vnitřní odpor materiálu plechů a jejich průřez je mnohonásobně menší než průřez jádra z plného materiálu. Magnetický obvod by měl být s ohledem na vznik vířivých proudů vyroben z magnetického elektricky nevodivého materiálu. Všechny magnetické materiály jsou však vodivé. Jádro složené z plechů však vodivost značně snižuje.
7.5.6 Konstrukce transformátorů
7.5.6.1 Magnetický obvod Magnetický obvod je nejčastěji složen z elektrotechnických (tzv. transformátorových) plechů, které mají větší obsah křemíku než plechy určené pro točivé stroje. Výsledkem jsou menší měrné ztráty, které se udávají pro určitou magnetickou indukci a kmitočet. Rozlišujeme plechy válcované za tepla (označované Et) a plechy s orientovanou strukturou (označované Eo), které mají menší měrné ztráty ve směru válcování. Orientované plechy se používají k výrobě vinutých jader, např. toroidních. Plechy výkonových transformátorů se nejčastěji z obou stran izolují keramickou izolací, lakem nebo vodním sklem. Transformátory pro velmi malé výkony (desítky až stovky voltampérů) mají magnetické obvody navrženy tak, aby při sériové výrobě byla zajištěna jednoduchá montáž a při jejich ražení co nejmenší odpad. Typické ukázky různých druhů těchto magnetických obvodů jsou na následujícím obrázku. V horní řadě vidíme plechy pro jednofázové transformátory následujících tvaru: zleva EI, EB, M, UI a plechy skládaného dvousloupkového jádra. Ve spodní řadě jsou zleva plechy pro třífázové transformátory EI, plechy pro skládané jádro, dále vinutá jádra toroidní, dělené obdélníkové a obdélníkové.
117
Z tvarů plechů je patrný rozdíl u třísloupkových jader jednofázových a třífázových transformátorů. Jednofázové (tvary EI, EB a M) mají prostřední sloupek dvojnásobně široký než krajní sloupky, protože je na něm umístěna cívka s primárním a sekundárním vinutím. U třífázových transformátorů jsou všechny sloupky stejně široké – na každém z nich je umístěna cívka s primárním a sekundárním vinutím. Transformátory pro velké výkony se stavějí nejčastěji s magnetickým obvodem jádrovým nebo plášťovým, které se skládají z jader (sloupů), na nichž je umístěno vinutí, a ze spojek.
Podle způsobů spojení jader a spojek rozlišujeme magnetické obvody s tupým stykem (jádra a spojky jsou k sobě pouze přiloženy) a magnetické obvody přeplátované (plechy jsou skládané tak, že jednotlivé vrstvy překrývají mezery mezi plechy). Výhodou tupého styku je jednoduchá montáž i demontáž. Nevýhodou je možnost vzniku značných vířivých proudů v místě styku a nadměrné ohřátí železa. Přeplátované obvody (viz obrázek napravo) jsou výrobně poněkud složitější, ale dodatečné ztráty v železe jsou v nich podstatně menší než v obvodech s tupým stykem. Čtvercový nebo obdélníkový průřez jader magnetických obvodů se používá pouze u malých transformátorů. Z důvodu dosažení vysoké účinnosti je snaha docílit kruhového průřezu jader. Proto se u velkých transformátorů průřez jader dělá odstupňovaný. Mezi jednotlivými stupni se vytvářejí olejové kanály, které zlepšují chlazení magnetického obvodu. Průřez spojky se obvykle navrhuje čtvercový, obdélníkový nebo s malým počtem stupňů. Každý stupeň a každý kanál spojky se spojuje s příslušným stupněm a kanálem jádra (sloupu).
118
Na následujících obrázcích je znázorněno, jakým způsobem je možné vytvářet jádra kruhového průřezu z transformátorových plechů jejich skládáním (obrázek vlevo a uprostřed) nebo navíjením (obrázek vpravo).
Jádra magnetického obvodu se dříve stahovala ocelovými svorníky a spojky dřevěnými nebo ocelovými rámy. Zmenšoval se tak průřez jádra a zvětšovaly se ztráty vířivými proudy. Dnes se většinou celý magnetický obvod stahuje bandážemi z pevných plastů nebo skelné pásky, popř. bandážemi z ocelových pásů. Ocelové pásy jsou izolovány od jádra a upevněny tak, aby nevytvářely závit nakrátko. Pro menší výkony transformátorů a vyšší kmitočty lze použít železová a feritová jádra. Železové jádro je tvořeno železným prachem spojeným pojivem. Základ feritového jádra tvoří prach z kysličníku železitého rovněž spojený pojivem. Takto lze vyrobit jádra různých tvarů, což v případě použití plechů není možné. Železová a feritová jádra splňují požadavek na magnetický a elektricky nevodivý materiál. Používají se především pro vysokofrekvenční transformátory a pro transformátory ve spínaných zdrojích, kde rovně pracují na vysokých kmitočtech. . sloupku a sekundárním vinutí na druhém sloupku by měl malou účinnost.
119
7.5.6.2 Zapojení vinutí Transformátory nemívají pouze jednoduchá primární a sekundární vinutí (levý obrázek). Mohou mít primární i sekundární vinutí s odbočkami (prostřední obrázek). Transformátory mohou mít také dvě sekundární vinutí (pravý obrázek), sekundárních vinutí může být i více. Upozornění: Když transformátor na prostředním obrázku připojíme na napětí 230V mezi svorky 0 a 230V, musíme počítat s tím, že vlivem transformace bude proti svorce 0 na svorce pro 400V napětí 400V a na svorce 500V bude napětí 500V. Mezi vývody 230Va 400V bude napětí 170V a mezi vývody 400V a 500V bude napětí 100V.
7.5.6.3 Chlazení Transformátory se chladí vzduchem, olejem a ve zvláštních případech speciální nehořlavou izolační kapalinou. Druh chladiva a způsob chlazení musí být vyznačeny na štítku transformátoru. Transformátory pro malé výkony nemusejí mít zvláštní chladicí zařízení. Teplo se zde odvádí přirozeným stykem oteplených částí nebo stěn nádoby s okolním vzduchem. Olejové transformátory pro větší výkony mají nádoby opatřeny vlnami nebo svislými trubkami, které u transformátorů velkých výkonů vytvářejí tzv. radiátorové chladiče. Pro intenzívní chlazení se používají ventilátory, které ofukují jednotlivé radiátory. U transformátorů velmi velkých výkonů se používá nucené chlazení oleje vzduchem, kdy ohřátý olej se čerpadlem prohání chladičem (umístěným mimo transformátor), který je ofukován vzduchem z ventilátoru. Druh chladiva se označuje písmeny: Způsob oběhu se označuje písmeny: O olej N přirozený L nehořlavá izolační kapalina F nucený neřízený G plyn D nucený řízený W voda S tuhý izolant A vzduch
7.5.7 Autotransformátor Autotransformátor má jediné vinutí, které zahrnuje primární i sekundární vinutí. Část vinutí je společná. Transformace probíhá za stejných podmínek jako u běžného transformátoru s oddělenými vinutími. S pomocí autotransformátorů lze napětí zvyšovat
120
i snižovat. Vyrábějí se jako jednofázové a trojfázové. Mohou být opatřeny pevnými odbočkami, nebo mohou mít plynulou regulaci výstupního napětí. Na obrázcích zleva je trojfázový autotransformátor, regulační jednofázový autotransformátor, laboratorní zdroj s autotransformátorem a trojfázový regulační autotransformátor.
7.5.7.1 Schéma autotransformátoru Na schématech vidíme zleva autotransformátor pro snížení napětí, autotransformátor pro zvýšení napětí a vpravo regulační autotransformátor.
uprostřed
Z tohoto vztahu vyplývá, že typový výkon autotransformátoru může být menší než výkon transformátoru s oddělenými vinutími.
7.5.7.2 Regulační autotransformátor Má obvykle toroidní jádro, na kterém je navinuto vinutí. Vodiče vinutí jsou uloženy vedle sebe a na vnější straně odizolovány. Po nich se pohybuje obvykle uhlíkový kartáč, který přejíždí po vinutí, snímá napětí ze závitů a umožňuje regulaci výstupního napětí.
Nevýhody autotransformátoru :
sekundární vinutí je galvanicky spojeno se sítí!
při přerušení společné části vinutí se primární vinutí dostává v plné výši na sekundární stranu
121
Proto se z bezpečnostních důvodů nesmí autotransformátor použít jako oddělovací nebo bezpečnostní transformátor.
7.6 Tlumivky 7.6.1 Popis a funkce tlumivky Tlumivka nepatří mezi elektrické stroje. Do učebního textu je zařazena proto, že má podobnou konstrukci jako transformátor, má však pouze jedno vinutí. V elektrických obvodech se používá k bezeztrátovému snižování napětí a k utlumení proudových nárazů v elektrických obvodech, např. v zářivkových nebo výbojkových svítidlech, ve svářečkách, elektrických obloukových pecích, při spouštění velkých elektromotorů apod. Tlumivku lze použít v odrušovacích filtrech i při filtraci usměrněného napětí. Tlumivka je ve své podstatě cívka většinou s jádrem z feromagnetického materiálu, jádro bývá složené z plechů nebo lisované z feritových prášků. Existují však i tlumivky se vzduchovým jádrem. Druhu použitého jádra odpovídá voltampérová charakteristika tlumivky, která udává změnu indukovaného napětí v závislosti na procházejícím proudu. Pokud je jádro z feromagnetického materiálu, má charakteristiku odpovídající magnetizační křivce, pokud má vzduchové jádro je její charakteristika lineární (přímková) – viz horní obrázek. Na dolním obrázku je schematicky znázorněn řez tlumivkou pro velké výkony, která má feromagnetické jádro na svislých sloupcích přerušováno nemagnetickými podložkami (vzduchovými mezerami). Tlumivka stejně jako ostatní cívky má tvar válce (solenoid) nebo prstence (toroid). Do elektrického obvodu se zapojuje za účelem zvýšení jeho indukčnosti. Na následujících obrázcích dole jsou zleva tlumivka ze zářivkového svítidla, tlumivka z výbojkového svítidla, trojfázová tlumivka a vysokonapěťová trojfázová tlumivka.
122
Na následujících snímcích vidíme různé druhy odrušovacích tlumivek na toroidních feritových jádrech.
7.6.2 Reaktor Reaktor je tlumivka bez železného jádra, má přímkovou charakteristiku reaktance. Má větší rozměry, malou reaktanci a proto reaguje až na velké proudy. Používá se k omezení zkratových proudů v distribučních sítích.
7.6.3 Transduktor Je tlumivka, která má kromě pracovního vinutí ještě jedno vinutí napájené stejnosměrným proudem a toto vinutí se používá ke změně sycení tlumivky a tím k regulaci velikosti procházejícího střídavého proudu. Transduktory se používají k řízení nebo měření střídavých proudů. Pomocí malého, stejnosměrného proudu v řídícím obvodu se reguluje velký střídavý proud v zátěžovém obvodu. Základem transduktoru je přesytka, což je tlumivka, jejíž indukčnost je měněna změnou předmagnetizace železného jádra stejnosměrným proudem. Proto má transduktor dvě vinutí – pracovní a regulační. Jelikož má regulační vinutí mnoho závitů, aby bylo možné regulaci provádět malým proudem, indukuje se v něm poměrně velké napětí, které by mohlo regulační obvod zničit. Proto je transduktor tvořen dvěma tlumivkami (přesytkami) spojenými v jeden celek. Pracovní vinutí na obou tlumivkách může být propojeno do série (sériový transduktor na levém obrázku) nebo paralelně (paralení transduktor na pravém obrázku).
Dříve byly transduktory široce používány pro regulaci otáček elektromotorů nebo regulaci osvětlení velkých sálů. Zde byly nahrazeny tyristorovými nebo triakovými regulátory. Dnes se transduktory používají jako proudová čidla měřících obvodů ve výkonové elektronice.
123
8 Střídavý proud Dodávky elektrické energie jsou uskutečňovány střídavým elektrickým proudem (AC), protože jeho napětí lze téměř bez ztrát měnit pomocí transformátorů, např. z hodnoty 10kV na 400V. Nazýváme jej střídavý, jelikož se jeho hodnota pravidelně mění od nuly ke kladnému maximu a zpět přes nulu k zápornému maximu.
8.1 Veličiny střídavých proudů Bude-li se úsečka A = 0P na obrázku otáčet kolem svého bodu 0 proti pohybu hodinových ručiček, bude bod P opisovat kružnici a úhel α se bude měnit od 0° do 360°. Svírá-li úsečka A s vodorovnou osou úhel α, rovná se souřadnice PP x = a = A sin α okamžité hodnotě veličiny sinusového průběhu. Bude-li se úhel α zvětšovat od 0°do 90°, bude se úsečka a také zvětšovat, a to z nulové hodnoty až na maximální hodnotu A, tzv. amplitudu. Při zvětšení úhlu od 90°do 180°se bude úsečka a zmenšovat až na nulu, ale bude stále nad vodorovnou osou, tj. bude mít ladnou hodnotu. Při dalším zvětšování úhlu od 180°do 360°se bude úsečka a opět zvětšovat od nuly do A a pak se bude zase zmenšovat na nulu. Úsečka a leží v tomto intervalu pod vodorovnou osou, a proto okamžité hodnoty veličiny sinusového průběhu jsou záporné. V pravé části obr. 37 je v rozvinutí vynesena závislost úsečky a na úhlu α. Je to grafické znázornění veličiny sinusového průběhu daného rovnicí a = A sin α. Na vodorovnou osu je nanesen úhel α ve stupních a na kolmice jsou vyneseny příslušné okamžité hodnoty úsečky a. Spojením jednotlivých bodů dostaneme plynulou křivku zvanou sinusoida.
Grafické znázornění veličiny sinusového průběhu
Na obr. 37 vidíme, že se každý sinusový průběh pro úhel od 0°do 360°skládá ze dvou stejných půlvln, z nichž jedna je nad vodorovnou osou (kladná půlvlna) a druhá pod vodorovnou osou (záporná půlvlna). Obě půlvlny znázorňují jeden kmit. Čas potřebný k proběhnutí jednoho kmitu se nazývá perioda a, označuje se T. Počet kmitů za sekundu se nazývá kmitočet, neboli frekvence, a označuje se f.
f = 1/T 124
Kmitočet je fyzikální veličina a její jednotkou je hertz (Hz). Jeden hertz je kmitočet periodického (opakujícího se) děje, jehož jedna perioda trvá jednu sekundu
8.2 Vznik střídavého proudu Generátor střídavého proudu (neboli alternátor) přeměňuje mechanickou energii na energii střídavého elektrického proudu. Nejjednodušším generátorem by mohl být obdélníkový závit, otáčející se mezi póly permanentního magnetu. Indukované napětí by však bylo nepatrné a proto se ve skutečných generátorech otáčí mezi póly cívka s mnoha závity. Podstata však zůstává stejná - elektromagnetická indukce.
Závit v magnetickém poli
Indukované napětí v otáčejícím se závitu
Otáčí-li se závit v magnetickém poli, indukuje se na jeho koncích napětí, jehož velikost závisí na úhlu, pod kterým protíná indukční čáry. V obvodu začne procházet proud, jehož velikost a směr závisí na velikosti a polaritě indukovaného napětí. Na obrázku je průběh jedné otočky závitu rozdělen na devět fází, v dolní části je graficky znázorněna velikost indukovaného napětí v jednotlivých polohách závitu:
rovina závitu je vodorovná, levá část se pohybuje proti směru indukčních čar, pravá ve směru indukčních čar. Vodiče tedy indukční čáry neprotínají, a proto se indukuje nulové napětí vodiče protínají indukční čáry pod úhlem 45° a na koncích závitu se indukuje určité napětí horní i dolní část závitu protínají indukční čáry pod úhlem 90° a na koncích závitu se indukuje maximální napětí - této fázi odpovídá poloha závitu nakreslená na levém obrázku obě části protínají indukční čáry opět pod úhlem 45°a indukuje se menší napětí obě části se pohybují ve směru indukčních čar a indukované napětí je nulové závit vykonal právě polovinu otočky v další polovině otáčky se popsané situace opakují. Protože je však poloha závitu vzhledem k indukčním čarám obrácená, indukuje se napětí opačné polarity
Otáčením závitu v magnetickém poli vzniká v obvodu STŘÍDAVÝ PROUD. Během jedné periody projde vodičem elektrický proud jedním a opačným směrem, například v naší elektrické síti má střídavý proud frekvenci 50 Hz.
125
8.3 Efektivní hodnota střídavého proudu Uvažujme obvod s odporem, kterým jednou protéká proud stejnosměrný a podruhé proud střídavý tak, aby jeho tepelný účinek – vyvolané teplo, byl stejný. Pro naši úvahu si vybereme dobu jedné periody T. U stejnosměrného proudu je tato práce dána rovnicí: A = RI2 T – plocha, která udává práci má tvar obdélníku. U střídavého proudu je průběh okamžitých výkonů Ri2 sinusovka, posunutá nad osou a s dvojnásobným kmitočtem, plocha mezi čarou Ri2 a osou udává práci, vykonanou střídavým proudem. Porovnáním ploch, které představují práci, vykonanou stejnosměrným proudem (pravá strana rovnice) a střídavým proudem (matematicky vyjádřená na levé straně rovnice lze odvodit efektivní hodnotu střídavého proudu.
Efektivní hodnota střídavého proudu je taková hodnota proudu stejnosměrného, která má stejné tepelné účinky jako daný proud střídavý.
8.4 Střední hodnota střídavého proudu Střední hodnoty střídavého proudu mají většinou význam pro usměrněný proud a napětí. Při určení jeho velikosti vycházíme z usměrněného průběhu střídavého proudu: Střední hodnota střídavého proudu se rovná myšlené hodnotě stejnosměrného proudu, která má stejné chemické účinky jako uvažovaný střídavý usměrněný proud.
126
Převedeme-li tuto plochu na obdélník se stejnou plochou, bude jeho šířka I d odpovídat střední hodnotě usměrněného střídavého proudu. Lze dokázat, že: Id = 2 Imax / p = 0,637 Imax
8.5 Fázory Fázor je vektor, umístěný do počátku souřadnic, který má velikost, směr, orientaci a fázi. Velikost fázoru je rovna amplitudě vlny a fáze je odchylka od rovnovážné polohy v „čase 0“ tj. počáteční fáze.
127
Délka fázoru je rovna příslušné hodnotě veličiny (maximální, efektivní nebo střední hodnotě nejčastěji efektivní). Označení U, I, ... Úhlová rychlost otáčení fázoru je rovna úhlové frekvenci signálu w, směr otáčení fázoru je proti směru pohybu hodinových ručiček. Fázorový diagram je zobrazení fázorů různých veličin stejné frekvence ve společném obrázku zachycujícím jejich vzájemné fázové vztahy. Při sestrojování fázorového diagramu vycházíme ze schématu daného elektrického obvodu.
8.6 Obvody střídavého proudu Střídavý proud a jeho vztah ke střídavému napětí je značně ovlivněn nejen frekvencí, ale také vlastnostmi elektrického obvodu. Střídavý obvod tvoří různé prvky, které jsou charakterizované svými parametry - rezistor s odporem R, cívka s indukčností L a kondenzátor s kapacitou C. Zařazením jediného prvku do obvodu vzniká jednoduchý obvod střídavého proudu, je-li zařazeno prvků více, vzniká složený obvod střídavého proudu. 6.3.1 Obvod s rezistorem Nejjednodušší střídavý obvod je tvořen rezistorem, u něhož uvažujeme jen jeho odpor R. Připojíme-li obvod ke zdroji střídavého napětí s okamžitou hodnotou u, prochází obvodem střídavý proud s okamžitou hodnotou , kde je amplituda střídavého proudu. Pro střídavý proud v obvodu platí Ohmův zákon stejně jako pro proud stejnosměrný. Odpor R rezistoru v obvodu střídavého proudu je stejný jako v obvodu stejnosměrného proudu a nazývá se také rezistance. Na ideálním rezistoru v obvodu střídavého proudu nedochází k žádnému fázovému posunu. tzn. Proud i napětí jsou ve fázi. 6.3.2 Obvod s cívkou Druhým nejjednodušším střídavým obvodem je obvod s cívkou, která je charakterizována jen svou indukčností L - tj. jedná se o ideální cívku: Ideální cívka, je cívka charakterizovaná pouze svojí indukčností. Její ohmický odpor je zanedbatelný. (Pokud bychom chtěli uvažovat i ohmický odpor vinutí cívky, je nutné na cívku nahlížet jako na sériové spojení ideální cívky a rezistoru.) Střídavý proud procházející vinutím cívky vytváří proměnné magnetické pole. Tím se v cívce indukuje napětí, které má podle Lenzova zákona opačnou polaritu než zdroj napětí. Následkem toho proud v obvodu nabývá největší hodnoty později než napětí (tzv. vlastní indukce cívky). Proud se za napětím zpožďuje a vzniká fázový rozdíl.
128
Cívka ve střídavém obvodu
Fázový posuv napětí a proudu
Je možné se přesvědčit, že křivka napětí je posunuta vzhledem ke křivce proudu na časové ose o
, což odpovídá fázovému rozdílu
tedy platí
. Pro okamžitou hodnotu proudu
.
Fázorový diagram posunu napětí vůči proudu
Připojíme-li cívku s uzavřeným feromagnetickým jádrem ke zdroji střídavého napětí měnitelné frekvence, a měříme při různých frekvencích veličinu ; , kterou nazýváme induktance. Je možné ukázat, že induktance cívky je přímo úměrná frekvenci a indukčnosti cívky. Cívka se chová ve střídavém obvodu jako odpor. Nedochází zde ale k přeměně energie střídavého proudu v teplo jako u rezistoru; v cívce jen vzniká a zaniká magnetické pole. Z pokusů vyplývá vztah . Induktance představuje jakýsi odpor cívky. Tato veličina se zavádí, aby bylo možné srovnat ohmický odpor vinutí cívky s „magnetickou částí cívky“. Veličina XL udává odpor „magnetické části cívky“. V praxi se k dosažení velkých induktancí používají cívky zvané tlumivky. Tlumivky pro střídavé proudy nízké frekvence mají mnoho závitů izolovaného drátu navinutého na ocelovém uzavřeném jádře. Tlumivky pro vysokofrekvenční střídavé proudy mají feritové jádro a v obvodech pro velmi vysoké frekvence postačuje několik volně navinutých závitů drátu. Skutečné cívky mají kromě indukčnosti také odpor. Je-li odpor R cívky malý, tj. , je možné ho zanedbat a cívka má přibližně vlastnosti ideální cívky. Není-li možné odpor cívky ve srovnání s její indukčností zanedbat, má obvod s cívkou vlastnosti složeného obvodu s parametry RL v sérii. 6.3.3 Obvod s kondenzátorem Opačné účinky než cívka má v obvodu střídavého proudu kondenzátor charakterizovaný kapacitou C. Po připojení ke zdroji střídavého napětí dochází k jeho periodickému nabíjení a vybíjení. Dielektrikem mezi deskami kondenzátoru vodivostní proud neprochází - mění se jen intenzita elektrického pole a dielektrikum se střídavě polarizuje.
129
Nabíjecí proud kondenzátoru je největší v okamžiku, kdy je kondenzátor nenabitý, tj. napětí mezi jeho deskami je nulové. Naopak v okamžiku, kdy je kondenzátor nabit na napětí je proud v obvodu nulový.
Kondenzátor ve střídavém obvodu
Fázový posuv proudu vůči napětí
Opět je možné se přesvědčit, že křivka napětí je v tomto případě časově posunuta o
za křivkou proudu. Napětí je opožděno za proudem a jejich fázový rozdíl je
okamžitou hodnotu proudu v obvodu s kondenzátorem platí
. Pro .
Fázorový diagram posunu proudu vůči napětí
Provedeme-li pokus se zdrojem měnitelné frekvence, k němuž připojíme kondenzátor, můžeme měřit veličinu ; , která se nazývá kapacitance. Její hodnota se s rostoucí frekvencí střídavého proudu zmenšuje. Také na kapacitě C kondenzátoru závisí nepřímo úměrně, tedy . Kapacitance představuje „odpor“ kondenzátoru. Tato veličina se zavádí, aby bylo možné porovnat chování kondenzátoru v obvodu střídavého proudu s cívkou a rezistorem. 6.3.4 Složený obvod Obvody střídavého proudu nejsou v praxi jednoduché, navíc u jejich prvků je nutno uvažovat více parametrů - odpor, indukčnost i kapacitu. Vlastnosti složeného obvodu se určují graficky nebo výpočtem. Vzhledem k tomu, že uvažovaný obvod obsahuje obecně odpor, indukčnost i kapacitu označuje se jako obvod RLC.
8.7 Výkon střídavého proudu 8.7.1 Činný výkon Při zapojení zařízení s pouze činným odporem (např. elektrické topné těleso) do obvodu střídavého proudu, jsou napětí s s proudem ve fázi – nedojde k fázovému posuvu. Vynásobením okamžitých hodnot napětí a proudu v každém časovém okamžiku, dostaneme okamžité hodnoty výkonu střídavého proudu. Pro výpočet výkonu střídavého proudu se uvažují vždy efektivní hodnoty napětí i proudu.
130
P … činný výkon [ W ] (watt)
P = U . I . cos (kde cos je tzv. účiník viz. dále) Můžeme říci, že činný výkon je výkon spotřebičem skutečně spotřebovaný na vykonání dané činnosti (práce) - je to ta část energie dodané ze zdroje spotřebiči, která se přemění v jinou energii (podle druhu spotřebiče - tepelnou, světelnou, mechanickou, … , či jejich chtěné i nechtěné kombinace).
8.7.2 Zdánlivý výkon -
je výkon pouze fiktivní (početní) - důležitý pro výpočty konstrukcí strojů a spotřebičů: S … zdánlivý výkon [ VA] (volt ampér)
S= U.I 8.7.3 Jalový výkon -
je výkon, který se vrací zpět ke zdroji - ve spotřebiči tady žádnou práci nevykonává (vytváří elektromagnetické a elektrické pole): Q … jalový výkon [ VAr] (volt ampér reaktivní)
Q = S . sin Na ideální indukčnosti nebo ideální kapacitě se vyskytuje pouze jalový výkon. Naší snahou však musí být, aby jalový výkon byl co možná nejmenší, protože nekoná žádnou užitečnou práci a zatěžuje distribuční síť, kterou protéká větší proud a tím pádem se více zahřívá, čímž dochází ke ztrátám. Z tohoto důvodu musíme jalový výkon kompenzovat (viz. dále).
8.7.4 Trojúhelník výkonů Všechny výše uvedené výkony lze graficky znázornit ve fázorovém diagramu, kdy nám vznikne pravoúhlý trojúhelník, který vidíme na obrázku. Z něho jsou patrné vztahy mezi jednotlivými výkony. Úhel, který svírá zdánlivý a činný výkon nazýváme (fí). Pokud nám tedy známý některý z výkonů, můžeme jej vypočítat pomocí Pythagorovy věty nebo goniometrických funkcí.
Trojúhelník výkonů
131
P … činný výkon [ W ]
P = S * cos φ [ W ]
Q … jalový výkon [ VAr]
Q = S * sin φ [ Var ]
S … zdánlivý výkon [ VA]
S = U * I [ VA , V , A ]
8.7.5 Účiník Je bezrozměrná veličina, označovaná cos φ. Užívá se jen pro harmonické průběhy střídavých proudů a napětí nebo pro jednotlivé harmonické složky obecných průběhů. Účiník je poměrem činného a zdánlivého elektrického výkonu v obvodu střídavého proudu a napětí. Vyjadřuje, jak velkou část zdánlivého výkonu přeměňuje obvod na činný výkon, tj. na součet užitečného výkonu a ztrát. Účiník je kosinus vzájemného fázového posuvu mezi proudem a napětím elektrického obvodu. Hodnota účiníku spotřebiče se pohybuje od nuly do jedné. (Platí pro obvykle používanou spotřebičovou soustavu. To znamená, že výkon spotřebiče je kladný a výkon zdroje je záporný.) Při účiníku rovném jedné je celý výkon činný (fázový posuv je nulový). Při nulovém účiníku je celý výkon jalový, zátěž je buď čistě kapacitní (fázový posuv -90° = zpožďuje se napětí za proudem) nebo čistě indukční (fázový posuv +90° = zpožďuje se proud za napětím). Hodnota účiníku menší než 1, tj. nenulový vzájemný fázový posun proudu a napětí, způsobuje nežádoucí zvýšené ztráty energie na přenosovém vedení obvodu, ve zdroji i spotřebiči. Účiník vyjadřuje pro daný elektrický obvod také poměr činné a zdánlivé energie i poměr ohmického odporu (rezistance) a impedance
8.7.6 Kompenzace jalového výkonu (účiníku) (Zkr. PFC z angl. power factor correction) je proces, který posouvá fázi vstupního proudu vzhledem k napětí. Upravuje se účiník cosφ, který je u zařízení bez PFC obvodu obvykle 0,75. PFC ho upravuje na 0,95 - 0,98 tak, aby nedošlo k překompenzování. PFC může být aktivní, nebo pasívní Spotřebiče v obvodu se střídavým proudem mají většinou tzv. odporově induktivní charakter. Z tohoto důvodu je třeba, aby kromě činného proudu Ič byla dodána také složka jalová Ij. Spotřebič pak odebírá celkový proud I, který je oproti napětí U opožděn o úhel φ. Z toho plyne, že kromě činného výkonu P je vytvářen ještě jalový výkon Q, jež se skládají do zdánlivého výkonu S, viz elektrický výkon. Vysoký podíl složky Q pak zbytečně přetěžuje elektrické zdroje. Z tohoto důvodu je ho třeba snižovat. Jelikož se v obvodech vyskytuje převážně nežádoucí indukčnost (např. všechny motory jsou vlastně indukčnosti), kompenzuje se dodatečně připojenými kondenzátory, protože jalový výkon indukčnosti je přesně opačný kapacitnímu jalovému výkonu a tyto výkony se od sebe odčítají. Činný výkon spotřebiče je daný čistě jenom činným proudem, ale celkový výkon je jalovým proudem navyšován, což vede k nadbytečnému zatěžování zdrojů a vyšším ztrátám ve vedení. Velcí spotřebitelé elektřiny jsou povinni účiník sledovat a kompenzovat ho na požadovanou hodnotu nebo platit pokuty. Problém kompenzace účiníku se netýká malých spotřebitelů, kteří platí pouze za činný výkon. Pasivní PFC je nejpoužívanější typ kompenzace účiníku. Je levnější. Bývá realizován připojováním bloků kondenzátorů stykači k síti. Je to jednoduchý kapacitní filtr. Stupňovitě
132
kompenzuje fázový posun vyvolaný zátěží, tj. kompenzuje účiník na požadovanou hodnotu, obvykle na 0,95. Aktivní PFC (dražší typ) Je realizovaný spínanými elektronickými silovými obvody. Kompenzuje účiník (cos φ) na nastavenou hodnotu, která se může blížit 1. Ideální účiník, který je roven jedné (tedy cosinu úhlu 0, nulový fázový posun mezi napětím a proudem), představuje odporovou zátěž, která neodebírá žádnou složku kapacitního nebo indukčního proudu (například na vytvoření elektromagnetického nebo elektrostatického pole). Tedy obvod neodebírá žádný jalový proud.
Příklady průmyslových kompenzačních rozváděčů
8.7.7 Sérioparalelní obvody 8.7.8 Rezonanční obvody Říkáme, že střídavý elektrický obvod je v rezonanci, jestliže napětí U přiložené na obvod a proud I protékající obvodem jsou ve fázi. Tedy při rezonanci je celková komplexní impedance obvodu reálná a účiník je roven jedné.
133
8.7.8.1 Sériová rezonance RLC obvod na obrázku níže má komplexní impedanci Z=R+j(L-1/C)=R+jX. Obvod je v rezonanci, jestliže X=0, tj. L=1/C a tedy rezonanční frekvence dána vztahem
. Jelikož je =2f, je .
Na dalším obrázku je znázorněna absolutní hodnota Z a jejích tří složek rezistance R, induktance XL a reaktance XC jako funkce . Při =0 se rovnají induktance a reaktance a Z=R. Při rezonanci má funkce Z=Z() minimum. Jelikož I=U/Z, je pak proud obvodem maximální.
Na následujícím obrázku je ještě zachycena admitance Y=1/Z jako funkce Y=Y(). Opět je vidět, že proud obvodem je větší při menší rezistanci.
134
8.7.8.2 Paralelní rezonance Mějme paralelní obvod s ideálními prvky R, L, C v jednotlivých větvích celková admitance Y=G+j( C-1/ L)=G+jB, kde B=BC-BL, BC= C, BL=1/ L. Obvod je v rezonanci právě tehdy, když B=0, tedy C=1/ L a
. Stejně jako u sériového RLC obvodu je
rezonanční frekvence dána vztahem
.
Dále je znázorněna absolutní hodnota Y a její tři složky G, BL a BC jako funkce . Jelikož v rezonanci je admitance minimální a I=UY, má proud v rezonanci minimální hodnotu.
135
8.7.8.3 Paralelní rezonance v obvodu se dvěma větvemi
V obvodu výše je celková admitance Y rovna součtu admitancí v jednotlivých větvích.
Obvod je v rezonanci, když
a tedy
. Řešením této rovnice získáme výsledný vztah
. Rezonanční frekvence tohoto obvodu se od rezonanční frekvence paralelního spojení čistých
prvků R, L, C liší faktorem
.
Jelikož frekvence je kladné reálné číslo, má obvod rezonanční frekvenci jen v případě, že výrazy RL2 -L/C a RC2 -L/C jsou oba kladné nebo oba záporné. Jsou-li oba rovny nule, je obvod v rezonanci při všech frekvencích.
136
8.7.8.4 Činitel jakosti Q Činitel jakosti cívky, kondenzátoru a obvodu se definuje jako Q=2 E/ET, kde E je maximální akumulovaná energie na prvku a ET je energie přeměněná na prvku za jednu periodu. V RL obvodu (obr. 8) a v RC obvodu je energie disipovaná za periodu dána součinem průměrného výkonu na rezistoru a periody T=1/f, tedy
V RL obvodu je maximální akumulovaná energie
.
, tedy
.
V RC obvodu je
, tedy
.
V sériovém RLC obvodu v rezonanci se akumuluje konstantní množství energie. Když je napětí na kondenzátoru maximální, je proud cívkou nulový a obecně
. Z toho
je . Na dalším obrázku je proud v sériovém RLC obvodu jako funkce frekvence f. Při f 0 = 0 /2 prochází obvodem maximální proud I0 .
137
Jelikož průměrný výkon dodávaný do obvodu je P=I2 R, při proudu je výkon roven polovině maximálního výkonu při frekvenci f 0 . Body odpovídající frekvencím f 1 a f 2 nazveme body polovičního výkonu. Rozdíl mezi těmito dvěma body, měřený v hertzích, se nazývá šířka pásma BW. Nyní můžeme činitel jakosti napsat jako podíl rezonanční frekvence a šířky pásma, . Rezonanční frekvence 0 je geometrickým průměrem 1 a 2 ,
a
. V paralelním obvodu se třemi větvemi se v rezonanci akumuluje konstantní množství energie. Je-li proud cívkou maximální, je napětí na kondenzátoru nulové a obecně Tedy
.
.
Obvod se třemi větvemi
138
9 Trojfázový proud Trojfázová soustava má tři stejně velká napětí sinusového průběhu, jejichž časové průběhy jsou vzájemně posunuty o 120°, tj. o 1/3 periody. Taková trojfázová napětí vznikají v trojfázových generátorech. Generátor se skládá z nehybné části zvané stator a otočné části zvané rotor. Uvnitř statoru jsou v drážkách umístěny cívky vinutí tří fází. Začátky vinutí fází se označují U1 , V1 ,W1 , konce vinutí U2 ,V2 ,W2 . Cívky fází jsou na statoru vzájemně posunuty o 120°. V dutině statoru se otáčí rotor, který je dvojpólový. Cívka na rotoru je napájena stejnosměrným proudem, takže se polarita pólů nemění (chová se téměř jako permanentní magnet). Otáčí-lise rotor, otáčí se také jeho magnetické pole. Přitom protíná vodiče vinutí na statoru a indukuje v nich střídavé sinusové napětí. V trojfázovém vinutí se indukují tři samostatná napětí UU, UV, UW , vzájemně posunutá o 120°. Z časového průběhu trojfázového vinutí na obrázku níže vidíme, že algebraický součet okamžitých hodnot se v kterémkoliv okamžiku rovná nule. Tato vlastnost trojfázové soustavy umožňuje spojovat trojfázové vinutí generátorů do trojúhelníku nebo do hvězdy, což je výhodné z hlediska přenosu elektrické energie. Místo šesti vodičů stačí jen tři nebo čtyři vodiče. Přenos pomocí tří vodičů se uskutečňuje především při vysokém a velmi vysokém napětí.
Časový průběh trojfázového napětí
Uspořádání trojfázového generátoru
139
9.1 Spojení trojfázového vinutí do hvězdy Trojfázový generátor schématicky zobrazujeme jako tři cívky vzájemně pootočené o 120°. Spojení fází do hvězdy se označuje Y. Vznikne tak sdružená trojfázová soustava. Při spojení vinutí do hvězdy spojujeme fáze (cívky) do jednoho bodu, tzv. uzlu, a to buď začátky, nebo konce všech tří fází. Uzel se také nazývá nulový bod a vodič z něho vyvedený je střední vodič N. Na obrázku 47 jsou do jednoho bodu zapojeny všechny tři konce fází. Začátky fází U 1 , V1 ,W1 jsou vyvedeny na svorky generátoru, které jsou připojeny na tři vodiče L1 , L2 , L3, jimž říkáme fázové vodiče. Tak dostaneme trojfázovou sdruženou čtyřvodičovou soustavu. Každá fáze generátoru má své fázové napětí, které naměříme mezi začátkem fáze a uzlem nebo mezi fázovým a středním vodičem. Mimo to jsou zde sdružená napětí, která naměříme mezi začátky jednotlivých fází nebo mezi fázovými vodiči. Fázové napětí se označuje Uf a sdružené napětí Us nebo U. Platí:
Uf = UU = UV = UW US = U = UUV = UVW = UWU
Spojení fází generátoru do hvězdy
Při spojení vinutí do hvězdy je sdružené napětí 3krát větší než napětí fázové. Při tomto spojení fází zdroje napětí s vyvedeným středním vodičem je tedy v síti dvojí napětí. V České republice je normalizované napětí 3x230/400 V. Na fázové napětí 230 V připojujeme drobné spotřebiče, jako jsou žárovky, počítače, rychlovarné konvice, televizory apod. Na sdružené napětí 400 V připojujeme trojfázové spotřebiče, tj. elektromotory, indukční vařiče, akumulační kamna s větším příkonem apod. Trojfázové spotřebiče ve většině případů zatěžují rozvodnou síť souměrně, tzn. že všemi fázovými vodiči protéká stejný proud.
9.2 Hlavní části rozvodné soustavy Elektřinu vyrobenou v elektrárnách je třeba nějakým způsobem dopravit k odběrateli. K tomuto slouží tzv. rozvodná soustava, která ovšem není uzavřena, ale je propojena s rozvodnými soustavami okolních zemí.
140
Elektrický rozvod tvoří elektrické sítě různého napětí, jejichž součástí jsou vedle vedení, tedy vodičů a stožárů, i stanice. Ty se dělí na transformovny, ve kterých se napětí mění na jiné a rozvádí se elektrická energie při různém napětí, dále na spínací stanice, z nichž se rozvádí elektrická energie při tomtéž napětí, a konečně měnírny pro usměrňování střídavého proudu na stejnosměrný, nejčastěji pro potřeby napájení stejnosměrných trakčních vozidel, tedy lokomotiv a tramvají. Podle velikosti a způsobu provozu mohou být stanice velké, střední a malé, s obsluhou nebo bezobslužné. Podstatnou částí velkých transformačních, spínacích a usměrňovacích stanic jsou rozvodny, u menších stanic jsou to rozváděče, zatímco malé rozvodnice jsou pro rozvod elektrického proudu obvykle u odběratelů. Rozvodny jsou, jak název napovídá, rozvodná zařízení pro přivádění a odvádění elektrické energie téhož napětí a jsou technickými celky se samostatnou budovou nebo prostorem. Jejich elektrickou část tvoří hlavně vodiče, izolátory, přístroje spínací, ochranné, řídicí a návěštní. Kryté rozvodny v budovách se používají zpravidla pro napětí do 35 kV, venkovní jsou obvyklé pro velmi vysoké napětí. Velikost rozvodných stanic je určena především napětím rozvodných zařízení, počtem odboček v rozvodných zařízeních, rozváděným výkonem, počtem a výkonem transformátorů apod. Transformovny pro velké závody i ty, které slouží veřejnému rozvodu elektrické energie, se od sebe příliš neliší. Jejich součástí je ale vždy zařízení pro měření odebrané energie, ve velkých transformovnách na straně vysokého napětí, v malých a středních transformovnách z vysokého na nízké napětí do 1000 kVA se může odebraná energie měřit na straně nízkého napětí.
9.3 Elektrické přístroje vn a vvn Slouží k bezpečné odpojení silnoproudých zařízení od sítě. Na ochranu před účinky přetížení, na ochranu před zkratovými proudy, na ochranu před atmosférickým a provozním napětím. VN přístroje: patří sem úsekové vypínače, odpojovače, propojovací, vypínače, stykače, pojistky a bleskojistky apod.. Úsekový síťový vypínač: slouží k vypínání a zapínání úseků venkovních vedení. Ovládání může být ruční nebo dálkové. Odpojovače: mohou spínat elektrické obvody bez zatížení. Propojovací: jsou spínače s více než jednou polohou sepnutí. Mohou spínat nejméně dva různé nezatížené elektrické obvody. Spínače: jsou vypínače, kterými můžeme zapínat a vypínat obvody při jmenovitém zatížení. Podle prostředí, ve kterém pracují, se rozdělují na vnitřní a vnější a podle hasiva elektrického oblouku na olejové, máloolejové, tlakovzdušné, rýchlovypínače a jiné ... Odpínače: vypínají jmenovitý proud, a to v určitém cyklu; nelze s nimi vypínat velké zkratové proudy, ale musí být schopny zapnout do zkratu dost velké proudy, např.. 25 až 40 kA. Bleskojistky VN: slouží k omezování přepětí na přístupnou velikost.
141
VVN přístroje: zde se používají odpojovače, vypínače, bleskojistky, zkratovací a jiné ... Odpojovače VVN: mají různou konstrukci a jsou ovládány ručními, motorovými nebo tlakovzdušného motory. Bleskojistky VVN: omezují přepětí přicházející do rozvoden po vedeních. Montují se před rozvodnami nebo před transformátory. Zkratovače VVN: jsou samočinné spínače, které se používají ke spínání nakrátko v mimořádných provozních případech, čímž jistí ohrožené zařízení. Montují se místo vypínačů při předsunutých transformátorech apod.
Odpojovač 220kV
Vypínač 800kVA
Výsuvný máloolejový vypínač
Vypínač 400kV Rozvaděč VN
9.4 Ochrana vedení Venkovní vedení zvn, vvn a vn se chrání: 1) před úderem blesku do vodičů 2) před zpětným přeskokem a před postupujícími vlnami přepětí 3) před účinky a následky přepětí Ochrana vodičů před přímým úderem blesku: Vodiče venkovního vedení vn, vvn a zvn se chrání před přímými údery blesku jedním nebo několika zemnícími lany. Hromosvody na stožárech vedení nebo na samostatných stožárech v blízkosti vedení se pro ochranu venkovních vedení nepoužívají. Vedení bez zemnicích lan se před přímým zásahem blesku zvlášť nechrání. K ohraně rozvoden se však vedení na dřevěných stožárech bez zemnícího lana opatří výběhovým lanem Ochrana před zpětným přeskokem a před postupujícími vlnami přepětí: Ochrana před zpětným přeskokem u vedení se zemnícím lanem, je dobrým uzemněním zemnících lan (stožárů) nebo zvýšenou izolací. Vyšší odpory uzemnění lze připustit jen při zvláště nepříznivých půdních podmínkách. Zvýšení izolace na vedení se zemnícím lanem lze dosáhnout využitím izolace dřeva sloupu (konzol) nebo zvýšením izolace podpěrných bodů (izolátorů). Vedení bez zemnícího lana se před přepětím nemusí chránit. Úsečníky na vedeních bez zemního lana je možno chránit uzemněním sousedních stožárů. Kabelový úsek ve venkovním vedení se musí chránit bleskojistkami, nebo omezovači přepětí na obou koncích kabelu. Úseky kratší než 40 m se chrání jen na jednom konci. Uzemňovací svody přepětí se přitom musí vodivě spojit s kovovým pláštěm kabelu přímo nebo přes bleskojistku nn.
142
9.5 Elektrické rozvodné soustavy V nízkonapěťové trojfázové soustavě se rozlišují rozvodné sítě a zařízení odběratelů. Označení různých rozvodných soustav podle typu ochranného pospojování je mezinárodně sjednoceno. Rozlišujeme dnes soustavy TN-C, TNS, TN-C-S, TT a IT. Dále se budeme zabývat prvními třemi zmiňovanými. Jaký je rozdíl mezi soustavami TN-C, TNS a TN-C-S? Tento rozdíl je dán typem použité soustavy. Tuto můžeme definovat následujícími písmennýmki kódy. T - terre (franc.) – znamená zem a tedy bezprostřední uzemnění určitého bodu obvodu pracovního proudu,zpravidla uzlu (nulového bodu) I - insultation (angl.) – jedná se o izolaci a izolace všech pracovních vodičů vůči zemi nebo spojení bodu sítě se zemí pres velkou impedanci N - nutre (franc.), neutral (angl.) – neutrální, slouží pro spojení s uzemňovacím bodem sítě C - kombiné (franc.), combined (angl.) – označuje kombinaci středního vodiče s ochranným vodičem S - separé (franc.), separated (angl.) – označuje oddělení středního vodiče od ochranného vodiče 1. 2. 3.
Soustava TN-C je čtyřvodičová a vodič PEN je zároveň střední i ochranný. Soustava TN-S je pětivodičová s odděleným středním a ochranným (zemnícím) vodičem. Soustava TN-C-S znamená, že dodavatelská soustava TN-C je u odběratele převedena na TN-S.
Soustava TN-C
Soustava TN-S
Soustava TN-C-S
143
9.6 Přenos elektrické energie střídavým proudem Přenos elektrické energie se uskutečňuje prostřednictvím tzv. přenosové soustavy. Elektrická přenosová soustava je systém zařízení, která zajišťují přenos elektrické energie od výrobců k odběratelům, od elektráren až k jednotlivým uživatelům, domácnostem. Rozvod do domácností se nazývá distribuce elektrické energie. Přenosová soustava tvoří páteř přenosu elektrické energie a zajišťuje přenosy na velké vzdálenosti a ve velkých objemech. Alternátory v elektrárnách obvykle pracují s napětím několika tisíců voltů. Při výkonech stovek MW pak z alternátoru teče proud v řádu desítek tisíc ampérů. Vedení pro takové proudy musí však mít extrémně velké průřezy vodičů a musí být schopno mechanicky odolávat působení značných magnetických sil. Pro přenos na velké vzdálenosti je výhodnější použít vyšší napětí, kdy pro přenesení stejného výkonu postačí úměrně menší proud. Kromě omezení ztrát je dálkové vedení nesrovnatelně jednodušší i levnější. Napětí alternátorů se zvyšuje pomocí transformátorů, umístěných zpravidla přímo v areálu elektrárny, na vyšší přenosové napětí. Za přenosová napětí se obvykle považují hodnoty nad 110 kV a ve světě jsou provozována i vedení s napětím nad 1 MV. Na výstupu z přenosové soustavy jsou zařazeny snižující transformátory, dodávající elektřinu do distribuční sítě, na napětích např. 22 kV. Přenosovou soustavu tvoří především soustava dlouhých nadzemních vedení velmi vysokého napětí. Cílem řízení sítě je udržení konstantních standardních parametrů dodávané energie (především dodržení frekvence, což je v Evropě 50 Hz, a napětí) a samozřejmě nepřerušená dodávka energie ke spotřebiteli. Elektrická energie je výjimečná tím, že je v celé síti nutné zajistit rovnováhu mezi její okamžitou výrobou a spotřebou. Obvykle dálková napájecí vedení používají třífázový proud. Vysokonapěťové systémy stejnosměrného proudu jsou užité pro přenos na dlouhé vzdálenosti nebo některé podmořské kabely. Síť v České republice tvoří vedení vvn 400 kV, 220 kV, vybraná vedení 110 kV a třicet transformačních stanic. Mezinárodně je síť šestnácti vedeními propojena se sítěmi dalších členů UCTE (evropského sdružení provozovatelů přenosových soustav). Typy
napětí: Malé napětí Nízké napětí Vysoké napětí Velmi vysoké napětí Zvláště vysoké napětí Ultra vysoké napětí
mn nn vn vvn zvn uvn
do 50 V 50 V až 1000 V 1000 V až 52 kV 52 kV až 300 kV 300 kV až 800 kV více než 800 kV
144
Páteřní přenosová síť 220 kV a 400 kV
9.7 Výkon a práce trojfázové soustavy Výkon spotřebiče připojeného na trojfázový proud lze vypočítat z výkonů jednotlivých fází. Každá ze tří fází spotřebiče má v zapojení do hvězdy i do trojúhelníku fázové napětí UF a fázový proud IF. Zdánlivý výkon jedné fáze je SF = U F ∙ IF. Při symetrickém zatížení je tedy celkový zdánlivý výkon S = 3∙ UF ∙ IF. Pomocí vztahu P = U ∙ I ∙ cos φ činný výkon trojfázové soustavy:
P =3∙ U ∙ I ∙ cos φ
a při Q = S ∙ sin φ jalový výkon pro trojfázový proud
Q = 3 ∙ U ∙ I ∙ sin φ.
Výkony v trojfázové soustavě se počítají podle stejných vzorců jak při zapojení do hvězdy i při zapojení do trojúhelníku. Zjednodušeně lze říci, že výkon v trojfázové soustavě je dán součtem výkonů v jednotlivých fázích.
P = PU + PV + PW
145
9.8 Trojfázové transformátory Trojfázové napětí lze transformovat třemi jednofázovými transformátory nebo jedním trojfázovým transformátorem. Na následujícím obrázku je znázorněn vznik trojfázového transformátoru. Na levém obrázku jsou tři jednofázové transformátory. Primární i sekundární vinutí je umístěno na jedné cívce. Přiložíme-li všechny transformátory k sobě částí magnetického obvodu bez cívky, můžeme tyto části magnetických obvodů sloučit v jeden celek, což je znázorněno na obrázku uprostřed. Protože jsou jednotlivá vinutí napájena z třífázové sítě, jsou i magnetické toky posunuty navzájem o 120 0 a jejich součet je roven nule. Vzhledem k tomu, že touto částí magnetického obvodu vlastně neprochází žádný magnetický tok, je zbytečná.
Protože takto vytvořený transformátor má složitý tvar magnetického obvodu a jeho výroba by byla příliš komplikovaná, používá se jednoduché a funkčně shodné provedení trojfázového transformátoru zobrazené na obrázku vpravo od textu. Trojfázový transformátor přináší proti třen jednofázovým transformátorům značnou úsporu materiálu magnetického obvodu.
9.8.1
Zapojení trojfázových vinutí
Primární vinutí může být zapojeno do hvězdy nebo do trojúhelníku. Sekundární vinutí se zapojuje do hvězdy, trojúhelníku a do lomené hvězdy. Při zapojení do lomené hvězdy je sekundární vinutí rozděleno do dvou částí – každá část je z důvodu rovnoměrnějšího zatížení navinuta na jiné fázi primárního vinutí.
146
Schéma zapojení
Název zapojení
Označení v textu
Vinutí transformátoru
Y
primární
y
sekundární
hvězda
D
primární
trojúhelník
lomená hvězda
9.8.2
d
sekundární
z
sekundární
Hodinový úhel transformátoru
Základní zapojení vinutí trojfázových transformátorů jsou zapojení do hvězdy (Y, y), do trojúhelníku (D, d) a do lomené hvězdy (z). Velká písmena (D, Y) znamenají stranu vyššího napětí a malá písmena (d, y, z) stranu nižšího napětí. Zapojení do lomené hvězdy se používá jen na sekundární straně nízkého napětí. Hodinový úhel udává fázový posuv mezi vektory stejné fáze primárního a sekundárního napětí. Udává se v hodinách, přičemž jedna hodina znamená posuv 300 . Hodinový úhel vyjadřuje číslice uvedená za označením zapojení primárního a sekundárního vinutí. Pro správné určení hodinového úhlu daného zapojení vinutí trojfázového transformátoru musíme při kreslení schématu dodržovat tato pravidla:
obě vinutí kreslíme tak, jako by byla v rovině
poloha svorek odpovídá jejich skutečnému umístění na transformátoru
předpokládáme, že na jádře jsou obě vinutí vinuta stejným směrem – kladný smysl napětí je od vinutí ke svorkám – viz šipky
dole kreslíme vinutí na vyšší napětí, nahoře kreslíme vinutí na nižší napětí
147
Příklady zapojení vinutí: Yy0: hvězda – hvězda, 0 hod.
Yy6: hvězda – hvězda nesouhlasně, 6 hod.
Yd1: hvězda – trojúhelník, 1 hod. Hodinový úhel zapojení určíme tak, že nejdříve nakreslíme vektorový diagram pro vinutí zapojené do hvězdy. Pro vinutí zapojené do trojúhelníku nakreslíme vektorový diagram, u kterého vektory napětí tvoří uzavřený trojúhelník, přičemž šipky představují začátky vinutí jednotlivých fází. Potom přeneseme oba diagramy na sebe tak, aby se střed hvězdy nacházel v těžišti trojúhelníku. Hodinový úhel získáme spojením uzlu hvězdy s vrcholem příslušné fáze v trojúhelníku – viz obrázek.
Yd5: hvězda – trojúhelník nesouhlasně, 5 hod.
Yz1: hvězda – lomená hvězda, 1 hod. U tohoto zapojení je vinutí každé sekundární fáze rozděleno na dvě stejné cívky a každá cívka je umístěna na různých sloupcích magnetického obvodu (na různé primární fázi). Obě cívky jsou zapojeny proti sobě. Z vektorového diagramu můžeme pro dané zapojení určit hodinový
148
úhel a velikost výsledného napětí. Výsledné napětí je dáno vektorovým součtem napětí indukovaných v obou cívkách. Jeho absolutní hodnotu vypočítáme podle následujícího postupu, kde:
Uuz je celkové napětí příslušné fáze zapojené do lomené hvězdy
Uu jsou napětí indukovaná v jedné polovině vinutí této fáze 2 U U 3 U U uz 2 u cos300 U uz 2 u 3 u 2 2 2 2 U U uz 1,732 u 2 Výsledné napětí není tedy dvojnásobné. Chceme-li dosáhnout stejně velkého napětí jako při zapojení do obyčejné hvězdy, musíme napětí na polovině vinutí zvýšit v poměru: Uu 2 1,155 2 3 V praxi to znamená, že vinutí jednotlivých fází musí mít o 15,5% více závitů než při zapojení do obyčejné hvězdy. Toto zapojení se používá jen u vinutí nízkého napětí distribučních transformátorů.
9.8.2.1 Porovnání používaných zapojení Zapojení Yy Je konstrukčně i technologicky jednoduché. Pro dané napětí je zapotřebí nejmenší počet závitů, cívky vycházejí menší a vinutí je příznivě elektricky namáháno. Na straně nízkého napětí se vždy vyvede z uzlu další vodič, takže transformátor dává sdružené i fázové napětí. Na straně vysokého napětí je uzel izolován. Jeho nevýhodou je požadavek na souměrné zatížení všech fází na straně nízkého napětí. Není-li tato podmínka splněna, dochází ke značnému zvýšení napětí nezatížených fází a snížení napětí zatížené fáze.
Zapojení Dy V tomto případě primární vinutí zapojené do trojúhelníku omezuje vliv nesouměrného zatížení sekundárního vinutí. Používá se jen pro větší výkony (od 0,5 MVA), neboť při zapojení do trojúhelníku potřebujeme více závitů vodiče s menším průřezem, což představuje více izolace a tím horší využití okna magnetického obvodu.
149
Zapojení Yz Používá se tam, kde se předpokládá značné nesouměrné zatížení, neboť napětí v síti se nemění ani při značné nesouměrnosti zátěže. Nevýhodou je větší spotřeba vodičů ve vinutí nízkého napětí. V porovnání se zapojeními Yy a Dy je při nesouměrné zátěži na sekundární straně výhodnější a hospodárnější.
9.9 Točivé elektromagnetické pole 9.9.1 Princip vzniku točivého pole Zapojíme-li tři cívky do hvězdy a uspořádáme je tak, že jsou vzájemně natočené o úhel 120°. Do středu soustavy umístíme magnetickou střelku. Soustava je znázorněna v horní části následujícího obrázku. Přivedeme-li napětí na cívku L1 (obrázek vlevo), otočí se střelka k cívce L1 . Přivedeme-li napětí na cívku L2 (obrázek uprostřed), otočí se střelka k cívce L2 . Obdobně tomu bude i v případě cívky L3 a následně i cívky L1 .
Budeme-li soustavu cívek napájet trojfázovým napětím (průběh je uveden ve spodní části obrázku), bude se magnetická střelka otáčet mezi cívkami. Poloha střelky na obrázku vždy odpovídá maximální kladné hodnotě napětí příslušné fáze. Trojice cívek vytváří proměnlivé elektromagnetické pole. Toto pole se chová stejně jako dvoupólové magnetické pole, které se během jedné periody otočí o jednu otáčku, tj. o 360°, což je patrné z obrázku.
150
Toto otáčející se magnetické pole se nazývá točivé elektromagnetické pole. Magnetická střelka se bude otáčet konstantními otáčkami, rychlost otáčení bude závislá na kmitočtu napájecího napětí. Na následujícím obrázku tvoří soustavu dvojnásobný počet cívek, celkem 6. V každé fázi jsou zapojeny dvě cívky. Na obrázku jsou zapojeny sériově, mohou být zapojeny také paralelně. Důležité je, aby byly zapojeny tak, aby v nich vznikalo magnetické pole stejné polarity. Použijeme-li magnetickou střelku upravenou podle obrázku, bude mít soustava následující funkci:
Bude-li maximální napětí ve fázi L1, otočí se střelka svými póly k cívkám L1.1 a L1.2 . Tato poloha je znázorněna na obrázku.
Bude-li maximální napětí ve fázi L2, otočí se střelka svými póly o 600 k cívkám L2.1 a L2.2 .
Bude-li maximální napětí ve fázi L3, otočí se střelka svými póly o dalších 600 k cívkám L3.1 a L3.2 .
Bude-li maximální napětí ve fázi L1, otočí se střelka o dalších 600 , což od začátku otáčení představuje úhel 1800 .
Z uvedeného popisu vyplývá, že během jedné periody se střelka otočila o polovinu otáčky. Na jednu otáčku je zapotřebí dvou period. Tato soustava cívek vytvořila rovněž proměnlivé elektromagnetické pole, které se chová stejně jako čtyřpólové magnetické pole, které se během jedné periody otočí o polovinu otáčky, tj. o 180°. Statory trojfázových strojů se obvykle vyrábějí ze statorových plechů. V jejich drážkách je umístěno vinutí. Na následujících obrázcích je zakresleno uspořádání cívek nejjednoduššího dvoupólového vinutí (obrázek nalevo) a čtyřpólového vinutí (obrázek napravo). V praxi lze tento způsob vinutí použít pouze u malých motorů.
151
Na následujícím obrázku je naznačen vznik dvoupólového točivého magnetického pole ve statoru trojfázového motoru, výsledný magnetický tok je označen šipkami a osa magnetického pole střelkou, která nahrazuje rotor motoru.
Vinutí je rovnoměrně umístěno v drážkách na vnitřním obvodu statoru. Obrázek ukazuje motor se třemi cívkami, které jsou vzájemně pootočeny o 120°. Směry proudů v cívkách odpovídají průběhům napětí v horní části obrázku. Fáze L1 má černou barvu, L2 červenou a L3 modrou. Cívky fáze L1 jsou označeny U1 a U2, fáze L2 V1 a V2, fáze L3 W1 a W2. V cívkách je označen směr proudu.
152
Ze zakreslených poloh magnetického pole je zřejmé, že časový průběh napětí v jednotlivých fázích ovlivňuje polohu elektromagnetického pole. Během jedné periody se elektromagnetické pole otočí jedenkrát. Jedná se tedy o dvoupólové vinutí. Počet otáček točivého pole je nepřímo úměrný počtu pólů – pólových dvojic (pólových párů).
n
60 f p
n počet otáček za 1 minutu
f
p počet pólových dvojic (někdy se používá označení 2p, které má stejný význam)
frekvence napájecího napětí
V tabulce je přehled otáček vinutí s různým počtem pólů pro frekvenci 50 Hz: počet pólů
otáčky za minutu
otáčky za sekundu
2
3 000
50
4
1 500
25
6
1 000
16 2 /3
8
750
12 1 /2
10
600
10
12
500
8 2 /3
Prohodíme-li připojení dvou fázových vodičů, magnetické pole rotuje v opačném směru. Záměnou dvou libovolných fází se změní směr otáčení. Záměnou všech tří fází se směr točení nemění. Pro směr otáčení je důležité pořadí fází na cívkách (jeden směr L1 – L2 – L3, L3 – L1 – L2, L2 – L3 – L1, opačný směr L1 – L3 – L2, L3 – L2 – L1, L2 – L1 – L3) a ne připojení určité fáze na konkrétní cívku.
153
Z předcházejícího textu je zřejmé, že točivé elektromagnetické pole vzniká, připojímeli trojfázové kruhově uspořádané vinutí na trojfázové napětí. Na tomto principu pracují trojfázové motory. Točivé pole může také vzniknout opačným způsobem. Vytvoříme-li rotor z permanentního magnetu a nebo z elektromagnetu napájeného stejnosměrným proudem, a budeme-li rotorem otáčet, bude se ve vinutí indukovat napětí. V případě popisovaných vinutí se bude jednat o trojfázové napětí. Vinutí též může být jednofázové, popř. vícefázové. Na tomto principu pracují synchronní generátory – alternátory. Elektrické stroje, které pracují s točivým magnetickým nebo elektromagnetickým polem, se nazývají elektrické točivé stroje. Elektromotory k otáčení rotoru využívají točivého pole vytvářeného statorem. Otáčí-li se rotor stejnou rychlostí jako točivé pole statoru, mluvíme o synchronních strojích (motorech). Jsou-li rychlosti otáčení pole a rotoru různé, mluvíme o asynchronních strojích (motorech). Otáčky točivého pole jsou určeny síťovým kmitočtem a počtem pólů trojfázového vinutí. S rostoucím kmitočtem rostou a s počtem pólových dvojic klesají. Vypočteme je ze vztahu: 60 f n p
154
9.10 Točivé stroje Synchronní stroje
9.10.1
Úvod k synchronním strojům Synchronní stroj je točivý střídavý stroj, u kterého se rotor otáčí stejnými otáčkami jako elektromagnetické pole. U synchronního generátoru, který se nazývá alternátor, je indukované napětí přímo úměrné otáčkám. Rovněž kmitočet se úměrně mění s otáčkami. Synchronní motor má otáčky rotoru, bez ohledu na zatížení, stejné jako elektromagnetické pole. Se synchronními generátory (alternátory) se v praxi setkáme nejčastěji např. u jízdního kola, kde slouží jako zdroj pro napájení osvětlení (obrázek vlevo), v automobilech, kde alternátory vybavené usměrňovači slouží ke krytí spotřeby elektrické výzbroje a dobíjení akumulátoru (obrázek uprostřed). Synchronní motory (obrázek napravo) se běžně používají v automatizační technice pro přesné pohony (zapisovače, časové spínače apod.).
V průmyslu se synchronní stroje používají jako generátory při výrobě elektrické energie v elektrárnách. Jedná se o nejvýkonnější elektrické točivé stroje. Synchronní motory od malých až po vysoké výkony se používají v pohonech vyžadujících přesné otáčky.
Podle účelu dělíme synchronní stroje na:
synchronní generátory – alternátory: používají se k výrobě elektrické energie o turboalternátory – vysokootáčkové generátory poháněné parní nebo plynovou turbínou o hydroalternátory – nízkootáčkové generátory poháněné vodní turbínou
synchronní motory – vysokootáčkové motory se nazývají turbomotory
synchronní kompenzátory – jedná se o synchronní motory pracující bez zatížení, při vhodně nastaveném budicím proudu dodávají do sítě jalový výkon kapacitního charakteru, tím zlepšují účiník sítě, protože většina spotřebičů má obvykle induktivní charakter Každý synchronní stroj může pracovat jako motor nebo alternátor.
9.10.1.1
Synchronní generátor – alternátor
Elektrická energie se většinou vyrábí pomocí synchronních generátorů. V elektrárnách se většinou používají stroje s vnitřními póly, protože stejnosměrný budicí proud přiváděný přes sběrné kroužky na rotor je podstatně menší, než vyráběné pracovní proudy odváděné ze statoru.
155
9.10.1.2
Konstrukce alternátoru
Na rotoru je budicí vinutí napájené přes sběrací kroužky stejnosměrným proudem. Protože se magnetické pole rotoru nemění, není nutné řešit ztráty v železe (hysterezí a vířivými proudy) a rotor tak může být vyroben z plného materiálu a je většinou ocelový. Rotory pro menší otáčky mají zvýrazněné póly a nazývají se rotory s vyniklými (vyjádřenými) póly nebo též magnetická kola (viz obrázek vodní elektrárny napravo nahoře). Představu o rozměrech rotoru nízkootáčkového mnohapólového alternátoru si můžeme udělat z obrázku nalevo. Rotory pro velké otáčky jsou většinou jen dvojpólové a jsou konstruovány jako rotory s hladkým povrchem (viz obrázek napravo dole, na kterém je rotor vyjmut ze statoru). Generátor budicího proudu rotorového vinutí může být umístěn přímo na hřídeli rotoru. K tomuto účelu se používá trojfázový budicí alternátor, jehož proud je usměrňován a přiváděn k vinutím rotoru vedením v jeho hřídeli. Jako zdroj budicího proudu lze také použít stejnosměrný generátor – dynamo. Stejnosměrný budicí proud pro rotorové vinutí lze rovněž získat usměrněním síťového střídavého proudu. Stator generátoru je sestaven ze statorových plechů, trojfázové vinutí je uloženo v drážkách. Stator a rotor mají vždy stejný počet pólů. Popis vinutí je uveden v předcházející kapitole.
Princip činnosti a provozní vlastnosti Rotor je poháněn hnacím strojem, v elektrárnách většinou parní nebo vodní turbínou. V budicím vinutí rotoru napájeném stejnosměrným proudem indukuje elektromagnetické pole nehybné vzhledem k rotoru a rotující vzhledem ke statoru. Toto točivé elektromagnetické pole indukuje v trojfázovém statorovém vinutí tři střídavá napětí, která spolu vytvářejí trojfázové napětí. Ze statoru je odváděn trojfázový proud vyráběný alternátorem. Průběh indukovaného napětí v závislosti na poloze rotoru vidíme na následujícím obrázku.
156
Kmitočet alternátoru je dán počtem pólů a otáčkami (graf vlevo). Velikost napětí závisí na budicím proudu a na otáčkách rotoru. Protože kmitočet sítě je pevně dán, jsou tím určeny otáčky rotoru. Napětí se pak nastavuje velikostí budicího proudu. V oblasti nasycení jádra rotoru se charakteristika závislosti výstupního napětí na budicím proudu zplošťuje (graf napravo). I bez budicího proudu však produkuje alternátor napětí vlivem zbytkového (remanentnímu) magnetismu rotoru.
Napětí vyráběné alternátorem stoupá s otáčkami a s budicím proudem. Kmitočet vyráběného napětí je dán otáčkami rotoru. Otáčky alternátoru vypočteme ze známého vztahu: n
60 f p
n počet otáček za 1 minutu
f
frekvence napájecího napětí
157
p počet pólových dvojic
Je-li alternátor zatížen, protéká jeho statorovým vinutím proud. Tento proud způsobuje vlastní indukcí úbytek napětí. Pomineme-li malý činný odpor vinutí, můžeme si zatížený alternátor představit jako generátor nezávislý na zatížení, ke kterému je sériově připojená indukčnost.
9.10.1.3
Zatěžovací úhel alternátoru
Na obrázku vpravo je zobrazena poloha rotoru alternátoru při chodu naprázdno a při zatížení. Mezi oběma polohami je tzv. zatěžovací úhel. Aby si generátor přifázovaný k síti s pevným kmitočtem udržel i při zatížení synchronní otáčky, musí točivé pole předbíhat synchronní otáčky o zatěžovací úhel, který se zvětšuje úměrně se zatížením.
9.10.1.4 Při fázování se používají dva způsoby:
přesné fázování (přesná synchronizace)
asynchronní fázování (samosynchronizace) Při přesném fázování se používá již popsaný způsob. Alternátor musí dávat stejně velké napětí, jako je napětí v síti, nesmí být mezi oběma fázový posun a naopak kmitočet a sled fází napětí alternátoru musí odpovídat napětí sítě. Při samosynchronizaci se nenabuzený alternátor roztočí na otáčky blízké synchronním, zapne se na síť a okamžitě se přibudí. Altemátor se tím sám vtáhne do synchronismu. V elektrárnách jsou generátory řízeny automatickým zařízením, které zaručuje synchronizaci se sítí. Alternátor odvádí do sítě tím více energie, čím výkonnější má pohon. Aby si alternátor přifázovaný k síti s pevným kmitočtem udržel i při zatížení synchronní otáčky, musí točivé pole předbíhat synchronní otáčky o zatěžovací úhel, který se zvětšuje úměrně se zatížením. Odběr činného výkonu z alternátoru roste při zvyšování mechanického hnacího výkonu.
9.10.1.5
Synchronní motor
Konstrukce. Stator se skládá z nosného tělesa (krytu) motoru, svazku statorových plechů a statorového trojfázového vinutí potřebného k vytváření točivého pole. Konce statorového vinutí jsou vyvedeny na svorkovnici. Stator synchronního motoru má stejnou konstrukci jako stator asynchronního motoru. Kotva se skládá z železného jádra, buď masivního, nebo složeného ze svazku plechů a budicího vinutí, napájeného přes sběrné kroužky stejnosměrným proudem. Kotva působí jako elektromagnet, který má stejný počet pólů jako stator. U malých motorků se používají kotvy z permanentních magnetů. Toto řešení se často používá také u motorů větších výkonů.
158
Na obrázcích vidíme různé synchronní motory od malého (vlevo) až po motory velkých výkonů.
Na obrázku vpravo vidíme nábojový synchronní motor pro jízdní kola. Aby měl malé pracovní otáčky, má velký počet pólů. Protože je napájen z akumulátoru, probíhá přepínání proudu do cívek jednotlivých fází elektronicky s pomocí magnetorezistorů reagujících na otáčení rotoru s permanentními magnety.
Princip činnosti Při zapnutí má točivé pole okamžitě otáčky odpovídající počtu pólů a kmitočtu napájecího napětí. Póly rotoru jsou přitahovány protipóly statoru a odpuzovány statorovými póly stejného druhu. Rotor se vzhledem ke své setrvačné hmotě neroztočí okamžitě synchronně s točivým polem statoru. Musí se do pracovních otáček roztočit jiným motorem a nebo musí být vybaven rozběhovým systémem, např. rozběhovou klecí uloženou v rotoru. Teprve tehdy se motor roztočí do otáček blízkých otáčkám točivého pole, rotor je vtažen do synchronních otáček a běží dál synchronně. Příklad rozběhové klece čtyřpólového rotoru s permanentními magnety je na obrázku vpravo. Má-li rotor motoru doplňkové vinutí nakrátko, může se synchronní motor rozbíhat jako asynchronní. Po rozběhu a zapnutí buzení kotvy pak běží motor synchronně. Během asynchronního rozběhu musí být budicí vinutí 159
rotoru zkratováno přes odpor, aby se nenaindukovalo velké napětí, které by prorazilo izolaci vinutí. Při provozu zabrání vinutí nakrátko při nárazovém kolísání zatížení prudkému kolísání otáček rotoru. Toto vinutí se proto nazývá tlumicí vinutí.
Vlastnosti Po rozběhu běží motor synchronně s točivým polem statoru. Při rostoucím zatížení motoru narůstá úhel mezi póly rotoru a protipóly statoru. Póly rotoru tak zůstávají zpět o úhel zátěže za póly točivého pole, nebo také za polohou při chodu motoru bez zatížení. Synchronní motory mají i při zatížení stejné otáčky jako točivé magnetické pole statoru. Točivý moment je tím větší, čím větší je úhel zátěže. Uprostřed mezi dvěma sousedními póly (kladným a záporným) statoru působí na póly rotoru největší síla, kdy předbíhající pól statoru táhne a následující tlačí. U dvoupólového motoru je tedy optimální úhel zátěže 90°. Při dalším nárůstu úhlu zátěže točivý moment opět klesá. Moment zvratu nastane v polovině úhlu mezi sousedními póly, tj. při úhlu zátěže 90° u dvoupólového motoru. Synchronní motory většinou mají moment zvratu M max (maximální moment – viz momentová charakteristika) dvojnásobný než jmenovitý moment Mn . Při překročení momentu zvratu se přeruší spojení mezi točivým polem a kotvou. Kotva vypadne ze synchronizmu a zastaví se. Synchronní motory jsou však méně citlivé na pokles napětí než motory asynchronní. Magnetická indukce točivého pole a točivý moment se zmenšují proporcionálně s poklesem napětí. Na obrázku vlevo je grafické znázornění momentové charakteristiky, na obrázku vpravo závislost momentu motoru na úhlu zatížení pro jmenovité a poloviční napětí.
Výhody a nevýhody synchronních motorů Pro konstantní otáčky jsou synchronní motory používány také jako malé střídavé motory. Tyto motory mají kotvu tvořenou permanentním magnetem, např. na principu stíněných pólů. Jsou používány do elektrických hodin, programovaných časových spínačů, časových relé a jako pohon zapisovacích jednotek k měřicím přístrojům. Motory s permanentními magnety jsou používány pro pohony řízené měniči kmitočtu.
Výhody synchronních motorů:
konstantní otáčky nezávislé na zatížení a změny napětí
nezatěžují síť induktivním jalovým výkonem, ale naopak mohou do sítě dodávat jalový výkon kapacitního charakteru 160
mají větší účinnost než asynchronní motor – až 95%
Nevýhody synchronních motorů:
obtížné spouštění – je nutný rozběhový systém nebo roztočení jiným motorem
otáčky lze regulovat pouze změnou kmitočtu nebo změnou počtu pólů
pokud nemají na rotoru permanentní magnety, musí mít budič
jejich záběrný moment je malý
Spouštění synchronních motorů
motory s malým výkonem lze spouštět přímým připojením k síti
motory s velkým výkonem lze spouštět o spouštěcí tlumivkou (zapojena do série s konci statorového vinutí, po ukončení rozběhu se spínačem vyřadí) nebo spouštěcím autotransformátorem o spojováním větví statorového vinutí o měniči kmitočtu – synchronní motory s permanentními magnety
9.10.1.6
Asynchronní stroje
Úvod k asynchronním strojům Asynchronní stroje jsou nejjednodušší, nejlevnější, nejspolehlivější a také nejpoužívanější elektrické stroje. Mohou se používat jako:
motory – nejběžnější využití pracovních strojů a zařízení
pro
pohon
generátory – méně časté, využití v malých vodních elektrárnách Každý motor může pracovat jako generátor a naopak. Asynchronní generátor dodává proud jen tehdy, je-li připojen k síti a je roztočen zdrojem mechanické energie do nadsynchronních otáček. Bez připojení k síti není schopen dodávat elektrickou energii, protože nemá žádné budicí vinutí nebo permanentní magnet, které by v generátoru vytvořily magnetické pole. Asynchronní stroje dělíme podle konstrukce a uspořádání rotorového vinutí na:
stroje s kotvou nakrátko o s klecí běžné konstrukce s vodiči z dobře vodivého materiálu o hlubokodrážkové motory, s tzv. vírovou klecí složenou z vodičů uložených v hlubokých a úzkých rotorových drážkách o s dvojitou klecí – odporová klec pro rozběh a pracovní pro chod motoru
stroje s kotvou vinutou, tzv. kroužkové
161
9.10.1.6.1
Konstrukce asynchronního motoru
Hlavní části Hlavní funkční části tvoří stator a rotor. Mezi další konstrukční části patří vnější plášť motoru s chladicími žebry, ložiskové štíty, víčka ložisek, ložiska, ventilátor, kryt ventilátoru, svorkovnici, kryt svorkovnice, upevňovací patky. Řez asynchronním motorem je na obrázku vpravo.
Stator Stator asynchronních strojů (obrázek napravo) má stejnou konstrukci jako stator synchronních strojů. V drážkách statorových plechů je uloženo pracovní vinutí. Synchronní a asynchronní stroje se odlišují v konstrukci rotoru a rotorových vinutí. Na následujících obrázcích je znázorněn postup při vkládání vinutí do statoru. V horní řadě zleva vidíme prázdný stator, stator s izolací drážek, vkládání cívek do statoru a vložené vinutí. Ve spodní řadě zleva je vidět vyvázané vinutí, spoje cívek na druhé straně vinutí, vyvázaná strana vinutí se spoji cívek a lakování vinutí. Tento způsob se používá při opravách motorů.
162
Rotor motoru nakrátko
s
kotvou
Je složený z plechů nalisovaných na hřídeli motoru, v drážkách rotoru je umístěno klecové vinutí spojené na čelech rotoru nakrátko – tyče, drážky vyplněné vodivým materiálem (hliníkem, mědí). Rotor s hliníkovou klecí vidíme na obrázku napravo.
Rotor motoru s kotvou vinutou Je složený z plechů nalisovaných na hřídeli motoru, v drážkách rotoru je umístěno třífázové vinutí spojené do hvězdy, druhý konec vinutí je připojen na kroužky, ze kterých je proud pomocí uhlíkových kartáčů odváděn do rozběhových odporníků. Tato konstrukce se používá pro motory vyšších výkonů. Rotor i stator jsou složeny z jednostranně izolovaných elektrotechnických plechů. Touto konstrukcí je prakticky zabráněno ztrátám vířivými proudy (jako u transformátorů).
Vznik točivého magnetického pole a princip funkce Po připojení třífázového proudu do statorového vinutí se ve statoru vytvoří točivé magnetické pole otáčející se synchronními otáčkami. Toto magnetické pole začne působit na vodiče rotorového vinutí, ve kterých se začne indukovat napětí. Aby vinutím procházel proud, který vytvoří v rotoru magnetické pole, musí být rotorové vinutí spojeno přímo nebo přes rezistory nakrátko. Tím vznikne uzavřený rotorový obvod. V okamžiku připojení k síti, kdy se rotor ještě neotáčí, pracuje asynchronní motor jako transformátor nakrátko, indukované napětí a proud mají hodnoty odpovídající poměru počtu závitů statorového a rotorového vinutí, kmitočet je roven hodnotě kmitočtu sítě. Motor v tomto okamžiku odebírá ze sítě velký proud, který je 5 až 7 krát vyšší než jmenovitý proud motoru. Magnetické pole rotoru působí proti magnetickému poli statoru a rotor se začne otáčet ve směru točení magnetického pole statoru. Jakmile se rotor začne otáčet, indukované napětí i proud začnou klesat, klesá i jejich kmitočet, jehož hodnota je přímo úměrná rozdílu otáček magnetického pole statoru a otáček rotoru (při kmitočtu 50 Hz a jedné otáčce rotoru dvoupólového motoru je kmitočet indukovaného napětí 50 - 1 = 49 Hz, při 10 otáčkách 50 10 = 40 Hz atd.). Motor se postupně rozbíhá, klesá proud odebíraný ze sítě. Motor se může
163
rozběhnout až do tzv. asynchronních otáček, které jsou nižší než otáčky synchronní, tj. otáčky elektromagnetického pole. Rozdíl se nazývá skluzové otáčky a z něho se vypočítá skluz:
s
ns n ns
s skluz, pokud se udává v %, vynásobí se 100 ns synchronní otáčky (otáčky elektromagnetického pole) n otáčky motoru 60 f Pro výpočet otáček motoru platí vztah: n (1 s ) p Asynchronní motor nemůže běžet v synchronních otáčkách, protože jsou-li shodné otáčky magnetického pole statoru s otáčkami rotoru, nemůže se v rotorovém vinutí indukovat napětí a proud, tím zanikne elektromagnetické pole rotoru a síla otáčející rotorem. Točivý moment je úměrný rozdílu otáček rotoru a pole statoru. Asynchronní motor potřebuje skluz otáček k indukci proudu v rotoru. Skluz otáček asynchronních motorů bývá běžně 3% až 8% jmenovitých otáček. Tento stav, kdy teoreticky je kmitočet roven nule, nastává u synchronních motorů. Ty však mají na rotoru stejnosměrné budicí vinutí nebo permanentní magnety, které umožňují jejich chod právě a pouze v synchronních otáčkách.
Porovnání funkce asynchronních a synchronních strojů Vlastnost, funkce pracovní vinutí rotorové vinutí
Asynchronní shodné – na statoru kotva nakrátko nebo vinutá
napájení
stator střídavé, rotor bez napájení
přídavná zařízení
spouštění
motory s kotvou nakrátko nevyžadují další zařízení, u motorů s kotvou vinutou jsou nutné spouštěcí rezistory jednoduché
obsluha
jednoduchá
stabilita otáček
poměrně stabilní (dle odporu rotorového obvodu) změnou počtu pólů, změnou kmitočtu, změnou skluzu není
regulace otáček regulace výkonu
Synchronní shodné – na statoru stejnosměrné budicí, permanentní magnety stator střídavé, rotor s budicím vinutím stejnosměrné, rotor s permanentním magnetem bez napájení není-li rotor osazen permanentními magnety, je nutný budič nebo zdroj budícího napětí, zařízení pro rozběh dle konstrukce motoru od jednoduchého (permanentní magnety) až po složité (stroje s budicím vinutím) dle konstrukce motoru od jednoduché (permanentní magnety) až po náročnější (stroje s budicím vinutím) stabilní, přesné dle kmitočtu sítě změnou počtu pólů, změnou kmitočtu změnou buzení
164
při přetížení pracovní otáčky záběrový moment záběrový proud zatěžování sítě jalovým výkonem citlivost na změnu napájecího napětí výroba elektrické energie připojení generátoru k síti
9.10.1.7
klesnou otáčky, motor se ale nezastaví asynchronní motor nemůže pracovat v synchronních otáčkách, v rotoru se neindukuje napětí malý velký značné
motor vypadne ze synchronních otáček a zastaví se synchronní, motor nemůže pracovat v jiných otáčkách než synchronních
malá
malá
nemůže vyrábět bez připojení k síti, nevytvoří se magnetické pole jednoduché, spustí se jako motor a zdrojem mechanické energie se roztočí do nadsynchronních otáček
po nabuzení může vyrábět nezávisle elektrickou energii
malý velký nezatěžuje
je nutné přifázování k síti
Trojfázové asynchronní motory
Asynchronní motory jsou nejdůležitější trojfázové motory. Magnetické pole statoru indukuje v rotoru napětí a vzniklý proud pak vyvolá sílu otáčející rotorem. Tyto motory jsou také označovány jako indukční motory. Podle konstrukce rotoru se pak rozlišují různé typy asynchronních motorů.
Motory s kotvou nakrátko
Stator a rotor
Jak již bylo uvedeno v předcházející kapitole, stator se skládá z nosného tělesa motoru, svazku statorových plechů (obrázek nahoře vlevo) a statorového vinutí. Konce statorového vinutí jsou vyvedeny na svorkovnici. Rotor (kotva) je sestaven z rotorových plechů (horní obrázek vpravo) nasazených ve svazku na hřídeli a z vodičů v drážkách rotoru. Vodiče jsou tvořeny hliníkovými nebo měděnými tyčemi a jsou na čelních stranách svazku rotorových plechů spojeny nakrátko
165
zkratovacími kroužky. Vodivé tyče spolu se zkratovacími kroužky mají podobu klece. Pro tento druh vinutí se používá název klecový rotor (obrázek napravo).
Princip funkce asynchronního motoru s kotvou nakrátko Klecový rotor lze považovat za nejjednodušší trojfázové vinutí. Při zapnutí motoru se chová jako zkratované sekundární vinutí transformátoru. Točivé pole statoru způsobuje změny magnetického toku ve vodivých tyčích rotoru. Rychlost změn magnetického toku procházejícího tyčemi stojícího rotoru odpovídá kmitočtu točivého elektromagnetického pole. Napětí, které se v rotorových tyčích indukuje, vyvolá průtok elektrického proudu uzavřeným obvodem klecového rotoru. Asynchronní motory jsou indukční motory. Proud v rotoru je vyvolán elektromagnetickou indukcí. Podle Lenzova pravidla způsobí magnetické pole indukované proudem v rotoru točivý moment, který otáčí rotorem ve směru otáčení točivého pole statoru. Pokud by dosáhly otáčky rotoru otáček točivého pole statoru, nebude se napětí v rotorových tyčích indukovat a točivý moment zanikne. Obnoví se tehdy, pokud budou otáčky rotoru a točivého pole zase rozdílné.
Kroutící moment a provozní vlastnosti motoru s kotvou nakrátko Klecový rotor (kotva nakrátko) je tvořen vodiči kruhového průřezu nebo vodiči jiných průřezů odpovídajících tvaru drážek dvojité klece nebo hlubokých drážek svazku rotorových plechů. Chování klecového rotoru lze vysvětlit na rotoru s vodiči kruhového průřezu. V okamžiku zapnutí motoru se nehybný rotor chová převážně jako indukčnost. Činný odpor vodivé klece je velmi malý. Rozběhový proud proto může dosáhnout pěti až sedminásobku jmenovité hodnoty, podobně jako zkratový proud transformátoru. Pro jeho velký fázový posun za magnetickým tokem je však točivý moment M A malý. Můžeme říci, že vzdálenost mezi točivým polem a magnetickým polem indukované v rotoru je velká a přes silná magnetická pole je síla pohybující rotorem malá. Rotory s kruhovými vodiči mají přes velké rozběhové proudy jen malý rozběhový (záběrný) moment. S rostoucími otáčkami klesá indukované napětí i proud v rotoru. Protože také klesá jalový indukční odpor rotoru, zmenšuje se současně fázový posun mezi napětím a proudem v rotoru. Vzdálenost mezi točivým polem a magnetickým polem rotoru se zmenšuje. I když jsou magnetická pole slabší, síla pohybující rotorem je větší. Kroutící moment v závislosti na otáčkách roste až do hodnoty momentu zvratu MK, kdy další růst otáček způsobuje pokles kmitočtu indukovaného napětí a tím indukčního toku v tyčích rotoru, což způsobí pokles momentu motoru. Protože maximální moment MK je 2x až 2,5x vyšší než moment jmenovitý, lze asynchronní motor krátkodobě přetížit. Uvedené údaje jsou zřejmé z momentové charakteristiky.
166
Při jmenovitých otáčkách působí jmenovitý moment M N, který vyjadřuje jmenovité zatížení. V nezatíženém stavu dosahuje motor téměř synchronních otáček ns. V oblasti jmenovitého momentu MN jsou změny skluzu úměrné změnám zatížení, neboť charakteristika je zde téměř lineární. Při změnách zatížení jsou otáčky motoru poměrně stabilní. V sedle momentové charakteristiky je ještě důležitý sedlový moment M S, který má nejmenší hodnotu momentu mezi rozběhem a maximální hodnotou momentu M K. Rozdílným počtem drážek v rotoru a statoru, šikmým nebo stupňovitým uspořádáním tyčových vodičů (obrázek dole) lze docílit stoupající charakteristiky bez sedla, jak je uvedeno v momentové charakteristice na obrázku napravo.
Zvětšení rozběhového momentu při současném zmenšení rozběhového proudu lze dosáhnout použitím materiálů s větším elektrickým odporem na tyčky klece rotoru, např. hliníkových slitin. Momentové charakteristiky a průběhy proudů jsou na obrázku vpravo. Při náběhu se tak zvětší činná část impedance rotoru a zmenší se tak fázový posun mezi magnetickým polem statoru a proudem rotoru, takže i přes pokles rozběhového proudu stoupne jeho činná složka.
Spouštění asynchronních motorů s kotvou nakrátko Při spouštění odebírá asynchronní motor s kotvou nakrátko velký záběrový proud, který je 5x až 7x větší než jmenovitý proud. Záběrový moment je malý, v rozmezí 0,5 až 1 násobku momentu jmenovitého.
Přímé připojení motoru k síti Vzhledem ke značnému záběrovému proudu lze použít jen u motorů menších výkonů, ve spotřebitelských sítích do výkonu 3 kW. U větší výkonů by docházelo při rozběhu k poklesům napětí vlivem přetížení sítě.
Spouštění pomocí spouštěcího autotransformátoru Přepínáním odboček na vinutí se postupně zvyšuje napětí motoru. Toto řešení je vhodné pro motory do výkonu 15 kW. Je však nutné si uvědomit, že záběrový proud i moment motoru klesají s druhou mocninou převodu transformátoru. Je-li převod transformátoru 2 : 1, zmenší se záběrový proud i moment 4x.
167
Rozběh motoru hvězda – trojúhelník Podmínkou použití tohoto rozběhu je vinutí motoru konstruované na napětí 400V, u starších motorů na 380V. Hodnotu zjistíme z údajů na štítku motoru, kde je uvedeno 400V nebo 380 V. Při rozběhu do hvězdy motor odebírá 3x menší proud než při chodu do trojúhelníku. Jeho moment je však také 3x menší. Tento způsob spouštění lze použít jen u motorů, které se nerozbíhají pod plným zatížením. Poměr proudů si určíme podle následujících vztahů: Proud při zapojení do hvězdy IY: Uf U Us Dosadíme-li za Uf, získáme vztah: IY IY Uf s Z 3Z 3
IY proud při zapojení do hvězdy
Uf fázové napětí
Us sdružené napětí
Z impedance vinutí jedné fáze
Proud při zapojení do trojúhelníku ID vypočítáme z proudu jedné fáze If: Us ID 3 If 3 Z
ID proud při zapojení do trojúhelníku
If proud jedné fáze při zapojení do trojúhelníku Us IY 1 ID 3Z Poměr proudů je: z toho vyplývá, že: IY ID 3 3Us 3
Z
Rozběhová spojka Motor se rozbíhá naprázdno, po dosažení stanovených otáček začíná zabírat odstředivá rozběhová spojka, která začne přenášet pohyb na poháněné zařízení.
168
M otory s kotvou vinutou (kroužkovou) Konstrukce motoru Stator motoru s vinutou kotvou má stejnou konstrukci jako stator motoru s kotvou nakrátko. Na hřídeli rotoru je svazek rotorových plechů a sběrné kroužky. V drážkách rotorového svazku plechu je uloženo vinutí rotoru. Je to patrné ze snímku historického motoru. Vinutí rotoru má téměř vždy tři cívky (trojfázové vinutí), které je zapojeno většinou do hvězdy, zřídka do trojúhelníku. Vývody vinutí jsou připojeny na tři sběrací kroužky. Připojení na sběrací kroužky je realizováno třemi přítlačnými uhlíkovými kontakty (kartáči). Přes tyto uhlíkové kartáče se do rotorového obvodu zapojují rezistory (činné odpory), které slouží k rozběhu motoru, popřípadě k regulaci otáček. Přívody rotoru se třemi cívkami jsou označeny K, L, M. U motorů velkých výkonů může být rotor navinut jako dvoucívkový. Označení přívodů je pak K, L, Q.
169
Princip činnosti a provoz Motor s vinutou kotvou s rotorovým vinutím propojeným ve svorkovnici nakrátko pracuje na stejném principu jako motor s kotvou nakrátko. Při nakrátko zapojeném rotoru vyvolá napětí indukované v rotoru proud. Magnetické pole statoru a proud rotoru vyvolají otáčivý moment a roztočí rotor. Klidové napětí rotoru a klidový proud rotoru jsou udávány na štítku motoru kvůli dimenzování rozběhových rezistorů. Vlastnosti motorů s vinutou kotvou jsou při zapojení kotvy nakrátko stejné jako vlastnosti asynchronních motorů s kotvou nakrátko. Při provozu se zátěží a s rezistory zapojenými v obvodu kotvy stoupne skluz, protože ztráta na rezistorech musí být kryta větším indukčním výkonem. Je-li možno odpory stupňovitě nastavovat, je tak možno stupňovitě řídit rozběh a otáčky motoru. Řízení otáček motoru s vinutou kotvou je možné při konstantním zatížení. U motorů velkých výkonů je snižování otáček pomocí rezistorů v trvalém provozu nehospodárné pro velké tepelné ztráty.
Rozběh motoru s vinutou kotvou (rotorové spouštění) Zařazením spouštěcích rezistorů do rotorového obvodu je možno výrazně omezit rozběhový proud a zvýšit záběrný moment až na maximální hodnotu odpovídající momentu zvratu. Na následujícím schématu je čtyřstupňové řízení rozběhu motoru s vinutou kotvou:
170
1. stupeň Sepnutím stykače KM1 se do statoru motoru přivede napětí. Motor se začne rozebíhat. V rotorovém obvodu je zařazen maximální odpor sériovým spojením rezistoru R1, R2 a R3. 2. stupeň Sepnutím stykače KM2 je vyřazen rezistor R1, v obvodu rotoru zůstávají rezistory R2 a R3. 3. stupeň Sepnutím stykače KM3 jsou vyřazeny rezistory R2 a R1, v obvodu rotoru zůstává rezistor R3. 4. stupeň Sepnutím stykače KM4 jsou vyřazeny všechny rezistory R1, R2 a R3, rotorový obvod je stykačem KM4 spojen nakrátko a motor běží jako asynchronní motor s kotvou nakrátko. Momentová charakteristika pro čtyřstupňový rozběh je uvedena na obrázku vpravo. Kvůli velkému podílu činné složky proudu kotvy stoupá nejprve znatelně rozběhový moment. Momentová charakteristika je plošší, moment zvratu je posunut do oblasti rozběhu. V okamžiku spuštění jsou do rotorového obvodu zapojeny rezistory R1, R2 a R3. Motor se rozbíhá. Vyřazení rezistoru R1 je zapotřebí nastavit tak, aby proběhlo v okamžiku, kdy má momentová charakteristika při zařazených rezistorech R2 a R3 maximální hodnotu. Obdobně musí být nastaveno
171
i vyřazování rezistorů R2 a R3. Po vyřazení všech rezistorů má motor charakteristiku asynchronního motoru s kotvou nakrátko. Z momentové charakteristiky je zřejmé, že zvyšováním odporu rotorového obvodu se vrchol momentové charakteristiky posouvá nalevo směrem k oblasti rozběhu. To má za následek větší kolísání otáček při změně zatížení. Zvyšováním odporu zvětšujeme kroutící moment motoru, ale přitom snižujeme stabilitu otáček. Při nadměrném zvětšení odporu se vrchol momentové charakteristiky posune nalevo od svislé osy a moment při rozběhu bude malý. Při takto nastavených odporech rotorového obvodu motor nemůže pracovat. Motory s vinutou kotvou mají velký rozběhový moment při malém rozběhovém proudu. Mohou být spouštěny plně zatížené. Je-li během rozběhu stupňovitě zmenšován rozběhový odpor, může se motor při správném nastavení vyřazování rezistorů měkce rozbíhat i s velkým zatížením. Jsou tak odstraněny špičky rozběhového proudu. Některé motory velkých výkonů mohou být vybaveny zařízením pro nadzvednutí kartáčů, které po ukončení rozběhu zkratuje kroužky a nadzvedne kartáče.
Použití motorů s vinutou kotvou Motory s vinutou kotvou se vyrábějí ve výkonech od 5 kW do 500 kW. Používají se pro pohon zařízení s těžkým rozběhem, jako jsou velké obráběcí stroje, drtiče kamene a další výkonné stroje, nebo se používají v zařízeních s rozběhem při plném zatížení, jako jsou jeřáby, velké výtahy, kolejové elektrické vozy apod.
9.10.2
Řízení otáček asynchronních motorů
Pro otáčky asynchronního motoru platí vztah: 60 f n (1 s ) p n otáčky motoru f kmitočet napájecího napětí s skluz motoru Otáčky rotoru asynchronního motoru je proto možné řídit kmitočtem, změnou počtu pólů a skluzem.
Řízení otáček změnou skluzu Řízení skluzu změnou odporu rotorového obvodu Pro tento způsob je vhodný asynchronní motor s vinutou kotvou, u něhož místo spouštěče použijeme reostat, který je navržen na trvalé zatížení. Při zařazeném reostatu v rotoru se momentová (otáčková) charakteristika stává měkkou a otáčky lze v určitém rozsahu řídit. Tímto způsobem lze otáčky pouze zmenšovat. K nevýhodám patří i to, že při malém zatížení motoru (blízkém chodu naprázdno) nelze otáčky tímto způsobem měnit. Zařazením reostatu se řízení stává nehospodárným a výrazně se zhoršuje účinnost motoru. Otáčky při tomto řízení nejsou stabilní, protože skluz se mění se změnou zatížení motoru. Změna je tím větší, čím je větší odpor rotorového obvodu.
172
Řízení skluzu změnou napájecího napětí Obecně je možné řídit skluz i snižováním napájecího napětí (transformátorem). Moment motoru závisí na druhé mocnině napětí, a proto se momentová charakteristika sníží a stane se měkčí. Při daném zatížení se skluz ustálí na vyšší hodnotě a otáčky klesnou. Řízení je nehospodárné, neboť klesá účinnost a je nutný transformátor. U motorů malých výkonů ve ventilátorech se místo snižování napětí transformátorem používá přepínatelné vinutí. Místo snížení napětí se k základnímu vinutí připojí do série další vinutí, čímž se zvýší počet závitů a tím klesne napětí připadající na jeden závit. Motor běží stejně, jako by byl připojen na menší napětí, čímž se zvýší jeho skluz a otáčky klesnou. Podmínkou je, že motor musí běžet zatížený, což je u ventilátorů zajištěno.
Řízení otáček změnou počtu pólů Tento způsob změny otáček se používá pouze u motorů s kotvou nakrátko. Přepínáním jednotlivých skupin cívek statorového vinutí lze měnit otáčky pouze po skocích. Nejčastěji se používá přepínání otáček v poměru 1 : 2. V tomto případě je ve statoru motoru uloženo přepínatelné vinutí. V případech, kdy je požadován jiný poměr otáček, se používají motory se dvěma samostatnými vinutími. Kombinací samostatných a přepínatelných vinutí lze zkonstruovat tříotáčkový nebo čtyřotáčkový motor. Výhodou víceotáčkových motorů je snadná změna otáček přepnutím vinutí, nevýhodou nižší účinnost a větší velikost a vyšší cena. Motor s oddělenými statorovými vinutími Dvě oddělená statorová vinutí s rozdílnými počty pólů umožňují dvoje otáčky, které mohou být v libovolném celočíselném poměru, např. 3 : 4. Vinutí pro nižší otáčky je vyvedeno na svorky 1U, 1V a 1W, vinutí pro vyšší otáčky na svorky 2U, 2V a 2W. Točivý moment je při obojích otáčkách téměř stejný, výkony motoru jsou přibližně v poměru otáček. Motory s oddělenými vinutími mají zvýšené náklady na vinutí i na statorové plechy. Jsou proto používány pouze tehdy, je-li požadován jiný poměr otáček než 1 : 2. Na svorkovnici jsou zpravidla vyvedeny jen začátky vinutí, uzly vinutí jsou spojeny v motoru.
Motor s dělenými vinutími statoru – dvouotáčkový motor s poměrem otáček 1 : 2 Při děleném vinutí (Dahlanderovo zapojení) je každé vinutí statoru rozděleno odbočkou na dvě části. Přepínáním skupin (cívek) ze sériového zapojení na paralelní zapojení je totiž původní počet pólů zmenšen na polovinu a tím se zdvojnásobí otáčky točivého pole statoru.
173
Nejpoužívanější zapojení přepínatelného vinutí je trojúhelník pro nízké a dvojitá hvězda pro vysoké otáčky (D/YY). Pro nižší otáčky jsou obě části vinutí zapojeny sériově (na jedné části vinutí je napětí 200V), pro vyšší otáčky paralelně (napětí na jedné části vinutí je 230V).
Tím je dosažen dvojnásobný počet otáček při přibližně 1,5 násobném zvýšení výkonu. Točivý moment zůstává v nízkých i vysokých otáčkách stejný. Proto se motory s přepínatelným vinutím hodí pro pohony s konstantním točivým momentem, např. pro obráběcí stroje. Zapojení vinutí pro nízké otáčky do hvězdy a vysoké do dvojité hvězdy se používá zřídka, protože pro nízké otáčky při zapojení do hvězdy je na části vinutí napětí pouze 115V. Proto je značný rozdíl ve výkonu a točivém momentu pro nízké a vysoké otáčky. Zaměníme-li začátek a konec jedné části vinutí (viz obrázek dole), změní se funkce motoru tak, že při zapojení do hvězdy nebo trojúhelníku poběží na vysoké otáčky a při zapojení do dvojité hvězdy na nízké otáčky. Protože by měl motor při vysokých otáčkám menší výkon a tím i nízký točivý moment, tato zapojení se nepoužívají.
Motory s přepínatelným vinutím umožňují zdvojnásobení otáček zmenšením počtu pólů na polovinu. Svorkovnice motoru s přepínatelným vinutím má pro každý počet pólů 3 svorky, protože uzel vinutí bývá nejčastěji spojen ve statoru. Motor proto může být používán jen na jediné síťové napětí. Svorky pro nízké otáčky jsou označeny 1U, 1V, 1W a pro vysoké otáčky 2U, 2V, 2W.
174
Svorkovnice dvouotáčkových motorů:
9.10.2.1
Řízení otáček změnou kmitočtu
V tomto případě napájíme motor z měniče kmitočtu, který může být realizován jako rotační měnič napětí se stabilním kmitočtem (dříve nejpoužívanější řešení), nebo jako moderní elektronický měnič určení k řízení otáček (viz obrázek). Při řízení otáček změnou kmitočtu je nutné řídit také napětí, neboť magnetický tok motoru musí být konstantní. Důvodem je přímá závislost reaktance vinutí motoru na kmitočtu a s tím související změny proudu. Platí proto: U i konst f
magnetický tok Ui napětí f kmitočet Tato podmínka musí platit pro každý měnič kmitočtu, neboť jen tak je motor dobře magneticky využit. Na následujících obrázcích je závislost momentu na skluzu pro různé kmitočty a závislost momentu na otáčkách pro různé kmitočty.
V současné době se pro řízení otáček nejčastěji používá kmitočet v rozsahu 10 až 100 Hz. Indukční motor řízený polovodičovým měničem kmitočtu je dnes moderním a perspektivním druhem pohonu. Blokové schéma je na následujícím obrázku. Přivedené třífázové napětí se nejprve usměrní a vyfiltruje. Řídící blok pak vysílá impulzy do měniče tvořeného rychlými výkonovými tranzistory, které do jednotlivých fází motoru vysílají kladné a záporné impulzy nastaveného kmitočtu, jejichž šířka odpovídá úrovni napětí.
175
9.10.2.2
Rotační měnič kmitočtu
Používá se pro napájení obvodů, které pro svoji funkci vyžadují jiný kmitočet než síťový (středofrekvenční indukční pece, napájení selsynů, elektrická trakce s kmitočtem 16 2/3 Hz apod.). Rotační měnič se skládá z asynchronního motoru a synchronního generátoru (alternátoru), popř. z derivačního dynama jako budiče alternátoru. Výsledná kmitočet je dán poměrem počtu pólů asynchronního motoru a alternátoru. Např. pro kmitočet 200 Hz je zapotřebí dvoupólový motor a osmipólový alternátor. Pro kmitočet 16 2/3 Hz se použije šestipólový motor a dvoupólový alternátor. Motor i generátor mohou v případě menších výkonů tvořit jeden celek (obrázek vlevo), nebo mohou být použity jako dva samostatné stroje, jejichž hřídele jsou spojeny spojkou (obrázek vpravo). V případě potřeby je soustrojí motoru a generátoru doplněno budičem.
Provoz trojfázového motoru na jednofázové střídavé napětí Trojfázové motory vytvářejí točivé pole při připojení na trojfázovou síť pomocí tří střídavých fázových napětí posunutých vzájemně o 120°. Ve vinutích statoru tak vznikají magnetické toky stejných indukcí, výsledné pole je tedy kruhové.
176
Při provozu na jednofázové střídavé napětí je proud přivedený přes kondenzátor oproti síťovému proudu fázově posunut. Při tomto posunutí opět vznikne točivé magnetické pole. Vlivem kondenzátoru jsou proudy v jednotlivých vinutích různě velké. Tím se mění indukční tok periodicky s každou periodou střídavého napětí. Točivé pole vytvořené pomocí kondenzátoru má eliptický tvar. Při trojfázovém provozu lze směr otáčení motoru změnit přehozením dvou fází, při jednofázovém provozu lze směr otáčení změnit změnou připojení kondenzátoru. Trojfázové motory mohou být provozovány na jednofázové střídavé napětí, jsou-li pomocí zapojení do trojúhelníku nebo do hvězdy přizpůsobena napětí ve vinutích na napětí sítě.
Při eliptickém točivém poli je oproti kruhovému poli při trojfázovém provozu menší výkon motoru, a to maximálně 70% jmenovitého výkonu. Rozběhový moment se zmenší při tomto jednofázovém provozu většinou na polovinu. Požadovaná kapacita kondenzátoru je závislá na síťovém napětí. Při napětí 230V a síťovém kmitočtu 50 Hz je potřebná kapacita 70μF na 1kW výkonu motoru.
177
9.11 Trojfázové derivační komutátorové motory 9.11.1 Trojfázový derivační komutátorový motor napájený do statoru Pro tento motor se též používá název Winterův – Eichbergův Motor má na statoru střídavé třífázové vinutí podobně jako asynchronní motor. Na komutátoru má pro každou pólovou dvojici 3 nebo 6 řad kartáčů. Kartáče jsou připojeny na jezdce sekundárního vinutí řiditelného třífázového transformátoru. Středy vinutí jednotlivých fází jsou spojeny do hvězdy. Pohybem jezdců se mění velikost i směr napětí přiváděného na kotvu. Trojfázový proud vytvoří ve statoru točivé magnetické pole se synchronními otáčkami. Jsou-li jezdce umístěny ve středu vinutí, je napětí přiváděné z transformátoru nulové a motor pracuje jako asynchronní s kotvou nakrátko. Posunutím jezdců nahoru působí napětí transformátoru proti napětí kotvy, zvětšuje se skluz a otáčky klesají. Posunutím jezdců dolů působí napětí transformátoru ve stejném směru jako napětí kotvy, skluz se zmenší, dostává se do záporných hodnot a otáčky motoru se zvyšují. Regulace je hospodárná, její rozsah je až 1 : 10. Motor má tvrdou derivační charakteristiku. Nevýhodou je vysoká cena motoru. V současnosti jsou tyto složité motory nahrazeny jinými druhy pohonů, např. asynchronními pohony s měniči kmitočtu.
178
9.11.2 Trojfázový derivační komutátorový motor napájený do rotoru Tento motor se rovněž nazývá Schrageho. Motor má na rotoru třífázové vinutí vyvedené ke kroužkům, toto vinutí je napájeno ze sítě. V drážkách rotoru je dále umístěno stejnosměrné vinutí, které je připojené na komutátor. Statorové vinutí je trojfázové a je připojeno ke kartáčům na komutátoru. Pro každou dvojici pólů jsou na komutátoru tři dvojice kartáčů označené na obrázku A a B. Kartáče A i B se pomocí převodu navzájem proti sobě natáčejí o stejný úhel. Jsou-li kartáče A i B na jedné lamele, je vinutí statoru spojeno nakrátko a motor pracuje jako asynchronní. Proti běžným asynchronním motorům je rozdíl pouze v opačném uložení vinutí – na rotoru je pracovní a na statoru rotorové.
Vzájemným posouváním kartáčů dochází k tomu, že napětí statoru působí na napětí kotvy. Působí-li proti sobě, zvyšuje se skluz a otáčky klesají, působí-li ve stejném smyslu, skluz klesá až do záporných hodnot a otáčky se zvyšují.
179
Nevýhodou motoru je jeho složitost vyplývající z uložení rotorových vinutí a složitý mechanismus natáčení kartáčů. Jeho výhodou je skutečnost, že nepotřebuje řiditelný transformátor a má velký rozsah regulace otáček. Trojfázové derivační komutátorové motory jsou v současné době nahrazovány stejnosměrnými motory napájenými z řízených stejnosměrných usměrňovačů nebo asynchronními pohony s měniči kmitočtu.
10 Elektropneumatika, elektrohydraulika V elektropneumatice tvoří výkonovou část obvod s pneupohony a jejich rozvaděči. Jedná se vždy o nepřímé ovládání. Řídící signály jsou elektrické. Stejné je to s elektrohydraulikou, kde výkonovou část tvoří hydraulický obvod, který je opět řízen elektrickými signály.
10.1 Prvky elektropneumatických obvodů 10.1.1
Tlačítkové spínače
Tlačítka jsou v činné poloze po určitou, obvykle velmi krátkou dobu trvání impulsu“ stisk tlačítka nebo průchod proudu“, návrat do výchozí polohy je zpravidla samočinný realizovaný pružinou. K transformaci stavu (spínací, rozpínací, přepínací) dochází změnou nastavení kontaktu.
180
10.1.2
Koncové spínače
Tyto prvky jsou řízené prostřednictvím systému narážek, vaček apod. A poskytují nám informaci o dosažení mezní polohy nastavení zařízení. Rozdíl dráhy mezi „sepnutím“ a „rozepnutím“ koncového spínače se označuje jako přepínací diference. Koncové spínače se ve schématech symbolicky označují podobně jako u pneumatických mechanismů, přiřazením spínače k dosažené mezní poloze. Jazýčkové kontakty jsou zataveny ve skleněném válci, ve kterém je přítomné vakuum, vybuzením cívky kontakty zmagnetizují a dojde tak k vlastnímu sepnutí. Tyto kontakty se používají pro svoji vysokou životnost.
10.1.3
Bezdotykové (bezkontaktní) snímače
Poměrně častost z technologických důvodů namísto koncových spínačů zařazují bezdotykové snímače. Rozeznáváme tyto základní typy: indukční kapacitní optické ultrazvukové Indukční snímače – reagují na blízkost kovových předmětů.
Kapacitní snímače – reagují na látky s jinou dielektrickou konstantou, než má vzduch, mají velký význam zejména při použití pro kapaliny.
181
BN BK
BU
Optické snímače – reagují pouze na odražené světlo vyvolané světelným zdrojem (laser)
Ultrazvukové snímače – reagují na zpoždění ozvěny ultrazvukové vlny od překážky (echo) a tím určují jejich vzdálenost.
Výše uvedené snímače mají dva inverzní logické výstupy, které slouží k přímému „spojení“ nebo eventuálně „rozpojení“ daného elektropneumatického zapojení nebo relé.
10.1.4
Elektromagnetické relé
Kontakty relé bývají uspořádány stejně jako u tlačítkových spínačů, vlastní řízení se však děje prostřednictvím elektromagnetu. Sepnutí kontaktů je realizováno vybuzením cívky, které způsobí přitažení kotvy. Relé se ve schématech značí písmenem K a číslem, podobně se označují i jeho příslušné kontakty. Vlastnosti elektromagnetického relé:
mohou posloužit jako dálkové ovládané tlačítkové spínače
malé spínané výkony, tím je dána jeho velikost a konstrukce (výkon v rozsahu mW do W)
doba přítahu relé, tj. doba mezi vybuzením cívky a přepnutím kontaktů leží mezi 1 ms a 10 ms
teplotní nezávislost-prvek je schopen pracovat ve značně velkém rozsahu teplot a to v rozmezí -40 až +80°C
opotřebení styčných ploch
citlivost na znečištění
182
Pro sepnutí relé postačuje malá energie k udržení v činném stavu, vyžaduje zanedbatelný výkon, jeho kontakty však umožní spínání mnohem větších (až 100x) výkonů. Nejčastější aplikace relé v elektropneumatických mechanismech je tam, kde budící signál nevyhovuje požadavkům (výkonem nebo napětím) cívky rozvaděče Y. V mezním případě pak lze očekávat výrazné zatížení a následné opotřebení funkčních kontaktů, např. tlačítka. Prostřednictvím relé je realizována změna stavu příslušných kontaktů. Konkrétně se jedná o činnosti: spínání, přenášení, zesílení a rozvádění – aplikace příslušných kontaktů relé v proudových větvích.
Elektromagnetické relé je příkladem využití elektromagnetu v zařízení, které je důležitým funkčním prvkem v soustavách automatizace. Hlavní parametry:
napětí druh proudu doby přítahu (odpadu) počet zdvihů odpor vinutí. Relé lze použít hlavně tam, kde zdroj signálu (tlačítko) neodpovídá spínavým výkonem nárokům cívky Y rozvaděče (proudové zatížení kontaktů tlačítka by bylo příliš velké) nebo pracuje s jiným napětím. Pak i tam, kde je důležité blokování a současné spínaní více kontaktů.
183
Popis činnosti: V blízkosti elektromagnetu tvořeného cívkou a jádrem z magneticky měkké oceli je pohyblivá kotva, rovněž z magneticky měkké oceli. Kotva se dotýká pružných kontaktů, knimž je připojen obvod ovládaného zařízení. Jakmile elektromagnetem začne procházet ovládací proud, jádro cívky se zmagnetuje a přitáhne kotvu relé, čímž se sepnou pružné kontakty. Tím je ovládané zařízení uvedeno do chodu. Přitom k přitažení kotvy postačuje mnohem menší ovládací proud, než je proud, který prochází obvodem ovládaného zařízení.
1 – cívka, 2 – jádro z magneticky měkké oceli, 3 – pohyblivá kotva, 4 – pružné kontakty, 5 – místo připojení ovládaného zařízení
10.1.5
Časová relé
Vyšší formy automatizace výroby si vynucují, pro řízení procesu, potřebu zpoždění mezi zapnutím a přepnutím kontaktů. Tato tzv. časová relé pak můžeme rozdělit na relé se zpožděním zapnutím a vypnutím. V dnešní době je možné toto zpoždění řídit v širokém rozsahu.
10.1.6
PE měnič
Slouží k přeměně pneumatických signálů na elektrické. Jeho nedílnou součástí je elektrický přepínač s pohyblivým kontaktem, který je řízený pístem s vratnou pružinou. V případě, že můžeme měnit hodnotu spínacího tlaku, označujeme tento prvek jako tlakový spínač.
184
10.2 Zdroje tlakového vzduchu a kapaliny Stroj pro výrobu stlačeného vzduchu se nazývá kompresor. Kompresor přeměňuje mechanickou energii dodávanou elektromotorem nebo spalovacím motorem na energii tlakovou. Kompresor vyrábí tlakovou energii nasávání a stlačováním atmosférického vzduchu. Stlačený vzduch je možné skladovat v zásobnících. Aby bylo možné atmosférický vzduch použít pro zařízení průmyslové pneumatiky, je nutné jej řádně upravit. 90% všech poruch pneumatických prvků připadá na nedostatečnou a nevhodnou úpravu stlačeného vzduchu. Většinou se používá centrální výroba a úprava stlačeného vzduchu, který je pak na jednotlivé pracoviště rozváděn pomocí spádovaného potrubí. Spádování je nutné kvůli kondenzované vodě, která musí být ze systému rozvodu stlačeného vzduchu odváděna. Mobilní zdroje stlačeného vzduchu se používají většinou jen ve stavebnictví nebo u strojů, které často mění svá pracoviště.
Manometr
Vzdušník
Jemný filtr
Hrubý filtr
Sušička
Maznice
Regulátor Jednotka úpravy vzduchu
Kompresor
Výroba a distribuce stlačeného vzduchu
185
10.2.1
Kompresory
Pro výběr kompresoru je rozhodující požadované množství dopravovaného vzduchu a dosažitelný tlak. Kapacita kompresoru, nebo výběr kompresoru se vyjadřuje proudem vzduchu v m3 /s, m3 /h, dm3 /s nebo v l/min. Objemová účinnost kompresoru vyjadřuje v procentech poměr objem dodávaného a nasátého vzduchu.
kompresory
objemové
s přímočarým pohybem
proudové
s rotačním pohybem
pístové
lamelové
axiální turbínové
membránové
šroubové
radiální turbínové
Rozdělení kompresorů
10.2.2
Objemové kompresory – s přímočarým pohybem
Zmenšují objem daného množství vzduchu a tím zvyšují jeho tlak. - Pístové kompresory – vzduch je stlačován v pracovní komoře pístového kompresoru. Pohyb pístu je poháněn klikovou hřídelí. Při pohybu pístu dolu ke spodní úvrati dochází pod tlakem k otevření sacího ventilu a nasávání vzduchu do pracovní komory, při pohybu pístu nahoru se pak nasátý vzduch stlačuje a po otevření výfukového ventilu vzduch proudí do vzdušníku. jednostupňový pístový kompresor
186
chladič
dvoustupňový pístový kompresor
- Pro výrobu stlačeného vzduchu s tlakem mezi 7 – 10 barů se používají dvoustupňové pístové kompresory, které pracují s vyšší účinností a proto potřebují menší příkon. Vzduch stlačený prvním válcem se ochlazuje a tím se zmenšuje jeho objem před stlačením v druhém válci. Teplota vzduchu vycházející z druhého válce je přesto kolem 120o C.
membránový kompresor
- Membránový kompresor - Membrána je spojena ojnicí s klikovou hřídelí pohybem nahoru a dolů stlačují nasátý vzduch v pracovním prostoru kompresoru. Výhodou je oddělení pracovního prostoru od pohybové části kompresoru, kompresor tedy dodává stlačený vzduch bez stop oleje a je nenáročný na údržbu. Dosahují tlaku do 10 bar.
10.2.3
Objemové kompresory s rotačním pohybem
- Lamelový kompresor - Ve válcové skříni kompresoru je excentricky uložen rotor, který má řadu drážek ve kterých se pohybují lopatky. Při otáčení rotoru se lopatky odstředivou silou vysouvají a přitlačují se ke skříni kompresoru. Mezi lopatkami se otáčením zmenšuje a tím je nasátý vzduch stlačován. Do sacího kanálu musí být vstřikován olej, který slouží k mazání kompresoru a současně působí jako těsnění a chlazení. Mezi další objemové kompresory s rotačním pohybem patří šroubové kompresory, zubové rotační kompresory a rootsův kompresor.
187
10.2.4
Proudové kompresory
Proudové nebo turbínové kompresory nasávají pomocí lopatkového kola nebo vrtule atmosférický vzduch, který uvádějí do rychlého pohybu. Pohybová energie se proudícího vzduchu je pak ve vzdušníku přeměňována na tlakovou energii. Obdobou turbinového kompresoru jsou například letecké proudové motory. Tyto kompresory mají velký výkon.
10.2.5
Vzdušníky
Vzdušníky (zásobníky stlačeného vzduchu) vyrovnávají kolísání tlaku a zajišťují plynulé zásobování rozvodů stlačeným vzduchem. Jsou většinou vybavené zařízením na sledování aktuálního tlaku ve vzdušníku. Toto zařízení pak při poklesu tlaku pod stanovenou mez spouští připojený kompresor. Vzdušník musí být vybaven armaturou, tj. manometrem, přetlakovým ventilem, možností odpouštění kondenzátu a u velkých vzdušníků i průlezem pro vnitřní kontrolu.
Velikost zásobníku závisí na: výkonu kompresoru maximálním povolením rozdílu tlaků velikosti rozvodného potrubí spotřebě stlačeného vzduchu
Velikost zásobníku by však měl být v každém případě větší než 10% minutové dodávky kompresoru. Vzduch se ve vzdušníku ochlazuje a dochází k uvolňování kondenzátu, proto jsou vzdušníky vybavené ventilem pro odpouštění kondenzátu.
11 Elektronická zařízení 11.1 Obvodové součástky Obvodové součástky se nazývají součástky, ze kterých se skládá elektronický obvod. Jedná se o základní, dále nedělitelné části elektronického obvodu, které mají přesně dané elektrické vlastnosti neboli parametry.
11.1.1
Dělení obvodových součástek
Obvodové součástky lze dělit podle mnoha kritérií (viz graf v kapitole 3.9 Základní obvodové prvky v elektronice). Základní členění je podle toho, zda jsou pasivní či aktivní, zda jsou či nejsou kmitočtově závislé nebo podle toho jak jsou závislé na napětí a proudu. Dále je můžeme rozdělit podle počtu vstupů a výstupů na elektrický dvojpól a čtyřpól. a) Elektrický dvojpól (jednobran) – je jakákoliv elektrická součástka, která je do obvodu připojena dvěma svorkami. Je jako neznámá černá skříňka, u které zkoumáme její elektrické vlastnosti, hodnoty zapisujeme do tabulek a grafů. Podle orientace napětí a proudu se dvojpól může chovat jako zdroj (baterie, fotočlánek), nebo jako zátěž (odpor, impedance). 188
U některých dvojpólů VA charakteristiky záleží na další veličině (tlak, teplota, osvětlení) pak hovoříme o řízeném dvojpólu. Lineární dvojpól: Funkční závislost mezi obvodovými veličinami je lineární. Nelineární dvojpól: k nelinearitě dvojpólu stačí nelinearita jedné ze součástek - funkční závislost.
b) Elektrický čtyřpól – (dvojbran) - má 4 svorky. Vzájemný vztah mezi čtyřmi obvodovými veličinami čtyřpólu je vyjádřena dvěma charakteristickými rovnicemi (v impedančním, admitančním nebo hybridním tvaru).
c) Trojpól – jedná se vlastně o čtyřpól, jelikož jedna ze svorek je společná jak pro vstup, tak pro výstup (např. tranzistor, trioda, triak).
zjednodušené schéma trojpólu
Dále lze elektronické součástky dělit na aktivní a pasivní Aktivní součástky Chovají se jako zdroj el. energie, např. baterie, nebo součástky které se v obvodu chovají jako zdroj i spotřebič:fotodioda, tranzistor jako zesilovací součástka. Pasivní součástky Jsou spotřebiči a v obvodu se nikdy jako zdroje el. energie nechovají. Např.: rezistor, kondenzátor, cívka, ale taky polovodičová dioda, termistor atd.
189
11.2 Usměrňovače Usměrňovače jsou polovodičová zařízení, která slouží k přeměně (usměrnění) střídavého proudu na stejnosměrný. Nejčastěji se s nimi setkáme ve zdrojích stejnosměrného proudu.
11.2.1
Jednocestný (jednofázový, jednopulsní) usměrňovač
Jednocestný usměrňovač je tvořen jednou polovodičovou diodou zapojenou do série na výstupní svorky transformátoru. Dioda tak způsobí, že propouští pouze kladnou nebo pouze zápornou půlvlnu střídavého proudu.
IF MAX = Maximální proud IFAV = Střední hodnota proudu procházejícího diodou I0 = Střední hodnota usměrňovaného sinusového proudu: U0max = Střední hodnota napětí na prázdno:
U0max
U2max
2 U2EF
IFmax
0,45U2EF
U2max RZ RF
Při průchodu proudu I0 do zátěže RZ má střední hodnota usměrněného napětí velikost:
U0 0,45 U2 EF - UD - UTR UD 0,5 V(Ge) a 1 V (Si) UTR 15 - 7 % pro trafo (10 - 100 W)
Při činnosti je dioda namáhána v propustném směru pulsujícím proudem Is s maximální hodnotou IF MAX a střední hodnou:
IF AV I0
U0 RF
Napětí namáhané diody je malé. V závěrném směru je dioda namáhána napětím UR, které dosahuje své maximální hodnoty UR MAX v okamžiku, kdy je na katodě nulové napětí a na anodě dosáhne záporné napětí maxima:
UR MAX U2 MAX
Výhody: Jednoduché zapojení, lze připojit přímo na síť (jednoduché nabíječky, žhavení elektronek).
190
Nevýhody: Velké zkreslení výstupního napětí (činitel zvlnění = 121%). Vinutím transformátoru prochází stejnosměrná složka proudu, která může být příčinou jeho zahřívání. Zátěžová charakteristika jednocestného usměrňovače s odporovou zátěží:
Dvoucestný (můstkový) usměrňovač s odporovou zátěží
11.2.2
Jde o nejvýhodnější zapojení čtyř diod do můstku (tzv. Gretzův můstek). Díky tomuto zapojení se záporná půlvlna převrací a stává se tak kladnou.
Maximální proud:
IF MAX
U2 MAX Rz RF
RF 2 RD Rs
RP p2
Vzhledem k dvojnásobnému kmitočtu impulsu proti jednocestnému usměrňovači je:
I0
2 IF MAX
(platí pro sinusový průběh)
Celkový proud I0 odebíraný zátěží se dělí rovnoměrně na obě usměrňovací cesty:
IF AV
I0 2
191
Střední hodnota usměrněného pulsujícího napětí na prázdno je rovna maximálnímu napětí na sekundárním vinutí transformátoru:
U0 MAX
2 U2 MAX
0,9 U2 EF
Při zatížení I0 se bude U0 MAX snižovat dle přímky:
U0 U0 MAX - RF I0 U0 U0 MAX - 2UD - UTR
Napěťově jsou diody namáhány v závěrném směru maximálním napětím transformátoru U2 MAX. Výhody: Jednoduchý transformátor lze připojit přímo na síť, menší napěťové zatížení diod proti uzlovému zapojení. Nevýhody: Je potřeba čtyři diody, možno však použít integrovaný můstek, menší účinnost než u uzlového zapojení (činitel zvlnění = 48,5%).Zatěžovací charakteristika dvoucestného usměrňovače s odporovou zátěží Zatěžovací charakteristika dvoucestného usměrňovače s odporovou zátěží:
11.2.3
Dvoucestný uzlový usměrňovač s odporovou zátěží
Síťový transformátor vytváří dvě stejně velká sekundární napětí posunutá fázově o 180°. Diody se střídají v činnosti, proud pulsuje dvojnásobným kmitočtem. Usměrněné napětí a proud jsou stejné jako u můstkového usměrňovače.
IF MAX
U2 MAX Rz RF
RF 2 RD Rs
RP
Celkový proud I0 odebíraný zátěží se dělí usměrněně na obě usměrňovací diody. Střední hodnota usměrněného napětí je stejná jako u můstkového zapojení:
p2 192
U0 MAX
2 U2 MAX
0,9 U2 EF
U0 U0 MAX - RF I0 U0 U0 MAX - 2UD - UTR V závěrném směru jsou diody namáhány napětím dvojnásobným:
URM 2 U2 MAX 2,8 U2 EF URRM
Výhody: Potřebujeme pouze dvě diody, velká účinnost usměrňovače. Nevýhody: Může pracovat jen s transformátorem s dvěma sekundárními vinutími, diody jsou namáhány vysokým napětím.
11.2.4
Jednocestný usměrňovač se sběracím kondenzátorem (nabíjecím)
Proud protéká pouze v části periody, které se říká úhel otevření (20) a to v době, kdy je napětí na transformátoru vyšší než na kondenzátoru C. Vlivem nabíjení a vybíjení kolísá napětí na kondenzátoru kolem střední hodnoty U0 v rytmu kmitočtu sítě. Průběh této proměnné složky je přibližně pilovitý. Jak je patrné z grafu průběhu napětí, kondenzátor vyrovnává průběh napětí tak, že napětí neklesá k nule. Můžeme říci, že nám kondenzátor snižuje tzv. zvlnění.
11.2.5
Dvoucestný usměrňovač se sběracím kondenzátorem
První harmonické napětí zvlnění Uzv má dvojnásobný kmitočet, než je kmitočet sítě a proti jednocestnému zapojení usměrňovače má i menší amplitudu, to je výhodné pro další vyhlazování, filtry pro vyšší kmitočet jsou účinnější.
193
11.2.6
Zapojení usměrňovače se souměrným sekundárním vinutím síťového transformátoru se sběracím kondenzátorem
Zatěžovací charakteristika, velikost zvlnění i proudové namáhání diod je stejné jako u můstkového zapojení. Napěťové namáhání diod v závěrném směru je dvojnásobné.
11.2.7
Třífázový jednocestný usměrňovač
Napětí všech tří fází jsou vůči sobě fázově posunuty o 180°. Každá dioda vede jen kladnou část půlvlny. Vzniká pulsující napětí o 3x větší frekvenci než u jednocestného usměrnění. Pokud se zapojí i filtrační kondenzátor znatelně se zmenší i zvlnění.
11.3 Zesilovače Zesilovač je elektronické zařízení, které je schopno transformací elektrické energie z vnějšího napájecího zdroje měnit parametry vstupního signálu. Z hlediska elektroniky bývá považován za aktivní dvojbran (nelineární), který je tvořen zesilovacím prvkem a pomocnými obvody zajišťující nastavení a stabilizaci pracovního bodu. Obvykle zesilovač slouží především k zesílení amplitudy signálu, nebo jeho úrovně (u stejnosměrných zesilovačů), na požadovanou hodnotu. Používá se ale i v zapojeních, kde je potřeba změnit tvar signálu a jiných. Rozdělení zesilovačů: Zesilovače můžeme dělit podle konstrukce, zesilovacího média, podle velikosti budícího signálu, podle typu budícího signálu nebo například podle třídy zapojení. Obvykle udávanými parametry jsou u nich zisk, šířka zesilovaného pásma a zkreslení. Podle použitých součástek: elektronkové zesilovače tranzistorové zesilovače zesilovače s integrovanými obvody zesilovače s jinými součástkami (výbojky, relé, optoelektrické prvky … )
194
Podle druhu a kmitočtu vstupního signálu: nízkofrekvenční (20 Hz - 20 kHz. Použití v elektroakustických zařízeních) vysokofrekvenční (20 kHz a výše. K bezdrátovému přenosu zpráv) impulzové (Používá se tam, kde se pracuje s impulzy …. Televizní technika, PC, radiolokace) stejnosměrné (podstatná součást měřicích a regulačních zařízení, analogových počítačů atp.) mikrovlnné (řádově GHz) operační zesilovač Podle velikosti vstupního (budícího) signálu: předzesilovače - zesilují signály malé úrovně výkonové zesilovače – zesilují signály z předzesilovačů na požadovaný výkon Podle počtu stupňů: jednostupňové vícestupňové Podle šířky přenášeného (zesilovaného) kmitočtového pásma: úzkopásmové širokopásmové Podle vazby mezi zesilovacími stupni: s vazbou RC (kapacitní vazba) – patří mezi nejpoužívanější vazby. s transformátorovou vazbou s přímou vazbou
11.3.1
Zpětná vazba
Je snadné vytvořit zesilovač, který bude zesilovat mnohem vícekrát, než po něm chceme. Naopak je těžké jej zapojit tak, aby nezkresloval signál a aby šlo zesílení nastavit na předem určenou hodnotu. Abychom toho dosáhli, přičteme část výstupního signálu ke vstupnímu a tím vytvoříme tzv. zpětnou vazbu. Zpětná vazba může být různých typů, rozlišujeme hlavně kladnou a zápornou. U zesilovačů použijeme zápornou, což vyžaduje, aby zesilovač invertoval signál. To, že napětí na výstupu zesilovače má opačnou polaritu než na vstupu, obvykle není na závadu. Signál invertuje řada zesilovačů sama od sebe (třeba tranzistor se společným emitorem). Když k zesilovači se zápornou zpětnou vazbou připojíme malé napětí, začne klesat napětí na výstupu, dokud se jeho vliv na vstupu, nevyrovná se vstupním signálem. Čím je zpětná vazba silnější, tím menší zesílení získáme.
11.4 Oscilátory Obecně jsou oscilátory všechna zařízení, která vytvářejí periodicky proměnné průběhy fyzikálních veličin. Oscilátory LC jsou určeny hlavně pro výrobu vf. signálů. Po zavedení elektrické energie do obvodu LC se tento obvod rozkmitá na svém rezonančním kmitočtu. Pokud by byly součástky ideální, pak by tyto kmity byly netlumené a kondenzátor s cívkou by si do neustále předávaly svou energii. Protože se však jedná o reálné součástky L a C, které vykazují určité ztráty, kmitají kmity tlumenými.
195
Paralelní rezonanční obvod, tlumené kmity, netlumené kmity
K udržení oscilací je proto zapotřebí zajistit stálou dodávku energie, která bude kmity udržovat. K tomu slouží aktivní součástka připojená k obvodu LC. Podle typu aktivní součástky a způsobu zapojení rozlišujeme dvoupólové oscilátory využívající prvku se záporným diferenciálním odporem a zpětnovazební oscilátory.
U dvoupólových oscilátorů využíváme součástek se záporným diferenciálním odporem – tunelová dioda, tetroda, apod. Každý obvod LC můžeme charakterizovat rezonančním kmitočtem f0 a činitelem jakosti Q=w0 L/Rs=Rp /w0 L. Tento činitel udává, jak rychle doznívají vlastní kmity obvodu po vybuzení vhodným impulsem. Připojíme-li k takovému obvodu aktivní součástku se záporným diferenciálním odporem, bude se jím kompenzovat ztrátový odpor obvodu LC a tím se bude zvětšovat jeho činitel jakosti. Výsledný reálný odpor může být dokonce záporný, pak bude činitel Q rovněž záporný a amplituda kmitů bude stoupat. Nebude se tak však dít do nekonečna, neboť součástky vykazující záporný diferenciální odpor ho vykazují pouze v určité pracovní oblasti.
Oscilátor s tunelovou diodou
V případě zpětnovazebních oscilátorů jsou ztráty obvodu LC hrazeny prostřednictvím zesilovače s kladnou zpětnou vazbou.
196
Zesilovač se zpětnou vazbou
Podle typu se rozeznávají generátory a oscilátory typu LC,RC a oscilátory řízené krystalem. U sinusových oscilátorů může někdy nelinearita obvodu způsobit nežádoucí jevy (kmity na více frekvencích, změny oscilační frekvence). Z tohoto důvodu a pro větší stabilitu se zapojují se dvěma zpětnými vazbami. Frekvenčně závislá zpětná vazba je podpořena frekvenčně nezávislou nelineární zpětnou vazbou, která závisí na amplitudě Uvýst . Toto zapojení se používá u oscilátorů, které mají pracovat jako frekvenční a v laboratorních generátorech. Oscilátor obsahuje tyto základní prvky: a) Aktivní prvek (obvykle tranzistor nebo operační zesilovač) b) Pasivní prvek (rezonanční obvod LC, krystalový výbrus, RC článek) c) Pomocné prvky (zprostředkovávají vazbu mezi aktivním a pasivním prvkem, nastavují a stabilizují prac. bod.)
11.4.1
Oscilátory LC
Jako řídící dvojbran se používá obvod LC, tyto oscilátory se používají jako laditelné VF oscilátory v přijímačích, vysílačích a různých měřících přístrojích. Z pravidla mají jednu zpětnovazební smyčku, ve které je zapojen zesilovač a pasivní dvojbran ve tvaru rezonančního LC obvodu doplněný příslušnými členy. Jednotlivé typy LC oscilátoru se vzájemně liší zapojením řídícího dvojbranu a jeho zapojením s aktivním dvojbranem. Dle způsobu zapojení se dělí na: a) Oscilátory s vazbou indukční b) Tříbodové oscilátory
197
Oscilátory s indukční vazbou
f0
1 LC2
Meissnerovo zapojení
Činnost: Po připojení obvodu k napájecímu zdroji se nastaví pracovní bod a součastně prochází kolektorový proud cívkou L. Ve vazební cívce Lv se indukuje střídavé napětí, které se usměrní přechodem báze – emitor tranzistoru T. Napětí na C1 se bude snižovat, bude se měnit pracovní bod a tranzistor se bude přivírat (třída B). Automaticky se tak zabezpečí, že kolektorový proud nepřekročí dovolenou hranici. Zkreslení signálu zůstává v přijatelných mezích, protože rezonanční obvod LC má selektivní charakter a vybírá první harmonickou (automatickou regulaci amplitudy zajišťuje nelinearita zesilovače). Tříbodové oscilátory Aktivní součástka je na řídící obvod připojena ve třech směrech. Hartleyův oscilátor: Indukční dělič napětí. napětí.
Colpittsův oscilátor: Kapacitní dělič
198
Pro dosažení lepší účinnosti a při požadovaných lepších výkonech se používá dvojčinné zapojení oscilátoru. Toto zapojení se používá u napěťových měničů vyrábějících z malého stejnosměrného napětí střídavé napětí. V součastné době je elektrická část oscilátoru realizována integrovaným obvodem, který se připojí k příslušnému impulsnímu transformátoru .
11.4.2
Oscilátory řízené krystalem
Základem tohoto oscilátoru je destička z křemene opatřená vývody na protilehlých stranách (piezoelektrický jev). Rozměry se zvolí tak, aby se mechanická rezonanční frekvence skládala z frekvencí elektrických kmitů, které má oscilátor generovat. Správně provedený výbrus se projevuje jako úplný rezonanční obvod s nepatrným tlumením, tedy vysokým Q (řádově 104 ).
Z náhradního zapojení je patrné, že výbrus krystalu vykazuje 2 rezonanční kmitočty, paralelní a sériový, fp > fs. Použití krystalových oscilátorů:
Radiokomunikace (stabilita frekvence nosných vln)
Hodinové generátory (C10CK) - taktovací generátory v obvodech digitální techniky.
Čadové etalony.
Zařízení s mikroprocesory. - Měřící přístroje - Kompletní oscilátory v uzavřených pouzdrech jako modulové jednotky pracující na různých frekvencích a vyznačující se pohotovým použitím.
Piercův oscilátor řízený krystalem, zapojení SE Odpory R1 , R2 , R3 slouží pro nastavení a stabilizaci pracovního bodu, je nutný tranzistor s velkým zesílením. Krystal kmitá na paralelní rezonanci. Jemně ho lze doladit kapacitním trimrem. Vysoká stabilita frekvence. Amplituda oscilací je silně závislá na stabilitě pracovního bodu. Nevýhoda:
199
Nelze uzemnit jeden vývod krystalu.
Cloppitsův oscilátor, zapojení SC Zpětná vazba se realizuje kapacitním děličem C 1 , C2 z emitoru do báze. Oscilátor kmitá mezi sériovou a paralelní rezonancí krystalu. Jeden vývod krystalu může být uzemněn. Teplotní součinitel frekvenční stability dosahuje hodnoty přibližně 1 až 3 10-6 / °C , při frekvenci 1 MHz změní oscilátor svůj kmitočet o 1 až 3 Hz na °C , frekvence oscilátoru přeladit nejde.
11.4.2.1
Harmonické oscilátory:
Přes velkou frekvenční stabilitu krystalových výbrusů dochází při vyšších frekvencích k větší odchylce, než je únosná. Odchylka 1 až 3 10-6 při základní frekvenci 100 Mhz je stokrát větší než při frekvenci 1 MHz. Krystaly se základními vysokými frekvencemi vyžadují náročnější obvody a kladou vyšší požadavky na parametry VF tranzistoru. Tyto problémy se výrazně zmenší zapojením tzv. harmonických oscilátorů, které využívají vlastnosti krystalu kmitat i na vyšších harmonických, obvykle lichých. Oscilace na příslušném lichém násobku základní frekvence se zajistí LC obvodem kolektoru naladěném na příslušnou frekvenci. Dvoupólové oscilátory: Tyto oscilátory pracují s aktivními součástkami se záporným diferenciálním odporem (tunelová dioda, tetroda – elektronka). Harmonické kmitání sinusového průběhu vzniká pouze se zapojením s LC obvodem, obvodem ve tvaru rezonančního vedení nebo dutinového rezonátoru. Součástky se záporným diferenciálním odporem kompenzují ztrátový odpor obvodu LC.
200
11.4.3
Oscilátory RC
Řídící obvod je sestaven ze součástek RC tak, aby vytvořený dvojbran spolu s přenosovými vlastnostmi aktivního dvojbranu umožnil splnit amplitudovou a fázovou podmínku. Oscilátor RC s posouvačem fáze (derivační a integrační článek) Derivační článek (horní propusť)
Integrační článek (dolní propusť)
11.4.3.1 Oscilátor s derivačním příčkovým článkem Au
R1 1 29 R2
Princip činnosti: Fázovací obvod pro f0 zabezpečuje fázový posuv = 90° a je to proto zařazen do obvodu kladné zpětné vazby. Odpory R1 a R2 nastavují potřebné zesílení větší než 29.
201
11.4.3.2
Oscilátor s integračním příčkovým článkem R2 Au Au 29 R1 Vzhledem k fázovému posuvu = 90° musí být zařazen do zpětné vazby. Odpory R1 a R2 nastavují potřebné zesílení, příčkový článek určuje frekvenci.
Zesílení zesilovače musí být přibližně 29 na kvazirezonanční frekvenci (protože útlum kaskády článků je 1/29). Pokud budou jednotlivé stupně příslušných článků odděleny impedančními převodníky, stačí zesílení zesilovače 8 (může být i emitorový sledovač – klasický s tranzistorem). Tyto obvody se vyznačují spolehlivou funkcí, ale nesnadnou přeladitelností. Závěr oscilátorů: 1) Rezonanční nebo kvazirezonanční frekvence je dána vlastnostmi zpětnovazebního dvojbranu (fázovacího obvodu). 2) Přeladitelnost oscilátoru:
K
f max -, praxe 2 - 20 f min
Platí pro změnu provedenou jedním prvkem
LC oscilátory – ladícím prvkem bývá nejčastěji kondenzátor, v moderních zařízeních se používá kapacitní dioda (varikap), méně často cívka, ale pro větší změny frekvence se přepíná cívka. RC oscilátory – proměnným prvkem je tandemový (dvojnásobný, případně více násobný) potenciometr a to v rámci jedné frekvenční dekády. Změna frekvence větší se provádí přepínacím kondenzátorem. 3) Stabilita frekvence oscilátoru: Frekvence se v průběhu času mění a závisí na oteplení součástek (teplotní změna parametrů), stárnutí součástek (časová změna parametrů), jiné vnější vlivy (teplota okolí, kolísání napětí, vlastní mechanické provedení). Stabilita oscilátoru závisí na parametrech zpětnovazebního dvojbranu. Oscilátor je tím stabilnější, čím větší změnu fáze by způsobila náhodná odchylka od kvazirezonanční frekvence (tím větší je vliv fázové podmínky k vzniku oscilací). To znamená, že oscilátor je tím stabilnější, čím větší činitel jakosti má zpětnovazební obvod.
11.5 Klopné a spínací obvody Klopné obvody:Vznik napětí obdélníkového průběhu se u těchto obvodů dosahuje velmi silnou kladnou zpětnou vazbou (součin Au je mnohem větší než jedna) ve velmi širokém frekvenčním rozsahu. Obdélníkový průběh lze rozložit na řadu sinusových průběhů.
202
11.5.1
Astabilní klopný obvod AKO:
Je to regenerační obvod realizovaný většinou obvodem s kladnou zpětnou vazbou (zesilovač s kapacitní kladnou zpětnou vazbou). Klasické zapojení AKO: Princip činnosti obvodu: a) Výchozí stav: T1 uzavřen, T2 otevřen (stav nasycení – zajišťuje odpor Rb2). Tento stav se nastaví přechodovým jevem po připojení obvodu ke zdroji. b) Vlastní činnost: C2 se nabíjí přes rezistor Rb1. Závěrné napětí na bázi tranzistoru T1 se zmenšuje, až se T1 otevře a napětí na jeho kolektoru poklesne. Tento pokles (tato změna) se přenese přes C1 na bázi tranzistoru T2, který se uzavírá. Napětí na uzavírajícím se tranzistoru T2 roste a tento růst dále podporuje vazbou přes C2 otevírání T1. Přechod proběhne lavinovitým pochodem. T1 je otevřen, T2 uzavřen. C1 se nabíjí přes rezistor Rb2, aby v okamžiku otevírání T2 obvod přešel zpět do předchozího stavu. Astabilní klopný obvod s nasycenými tranzistory může při zapínání přejít do stavu, kdy jsou oba tranzistory otevřené. Smyčka kladné zpětné vazby je přebuzena a není splněna podmínka regenerativního obvodu. Astabilní obvody v symetrickém uspořádání s tranzistory jedné polarity pracují při správné funkci tak, že vždy jeden tranzistor je uzavřen a druhý je otevřen. Astabilní obvody s komplementárními tranzistory jsou jednodušší, protože jedna z kapacitních vazeb může být nahrazena stejnosměrnou vazbou. Oba tranzistory jsou současně buď ve vodivém, nebo nevodivém stavu. U tohoto typu AKO je téměř vyloučeno nenastavení kmitů při zapnutí. Předpokladem ovšem je, že AKO je správně navržen (po rozpojení zpětné vazby se pracovní body tranzistorů musí ustálit v aktivní oblasti). Zapojení astabilního obvodu s operačním zesilovačem: Kondenzátor C je vybitý, proběhne přechodoví děj, na odporu R1 (U+) se objeví nějaké napětí, větší než napětí na kondenzátoru, orientace napětí bude od neinvertujícího vstupu k invertujícímu vstupu – kladná saturace.
U R1 I R1
U0 R1 R2
Kondenzátor C se začne nabíjet přes odpor R, až napětí na něm dosáhne větší hodnoty než na odporu R1. přeje operační zesilovač do záporné saturace, napětí na odporu R1 bude záporné a kondenzátor se začne vybíjet.
203
11.5.2
Monostabilní klopný obvod MKO
Je schopen setrvávat v jednom stabilním stavu neomezenou dobu a ve druhém stavu přechodně. Tato přechodná doba se označuje jako doba kmitu. Zapojení MKO: Princip činnosti obvodu: a) Výchozí stav: pomocí rezistoru Rb2.
T1
otevřen
b) Vlastní činnost: Po příchodu kladného spouštěcího impulsu se T1 otevře, na jeho kolektoru poklesne napětí, tento pokles se přenese přes C1 na bázi T2, který se začne uzavírat. Napětí na jeho kolektoru bude stoupat. Tento růst se pomocí R1 přenese na bázi T1 a tak podpoří jeho otevření až do nasyceného stavu. V tomto okamžiku je na bázi T2 napětí Ube – Ucc. Vzápětí se bude C1 nabíjet přes rezistor Rb2 směrem k napětí +Ucc. Nabíjení trvá až do okamžiku, kdy narůstající napětí na bázi T2 překročí prahovou hodnotu a T2 se začne otevírat. Tehdy dojde ke zpětnému překlopení, T1 se uzavře a na C1 se ustálí přibližně napětí zdroje. Doba, za kterou byl obvod překlopen, je doba kmitu. Doba, po kterou dochází k ustálení napětí na C1 po zpětném překlopení, je doba zotavení. V případě, že spouštěcí impuls přijde dříve, než uplyne doba tz, bude kmit kratší, než vypočítaná hodnota. Monostabilní klopný obvod se realizuje také pomocí operačního zesilovače nebo logických členů NAND. Používá se například při konstrukci otáčkoměru. Zapojení s operačním zesilovačem: Kondenzátor c1 s rezistory R1 a R2 tvoří tzv. derivační článek.
204
11.5.3
Bistabilní klopný obvod BKO
Tento klopný obvod setrvává ve stavech libovolně dlouho a překlopí se do druhého stavu po přivedení spouštěcího impulsu. Zapojení BKO: Princip činnosti obvodu: Po připojení obvodu na zdroj napětí se napěťové poměry ustálí tak, že T1 je otevřen a T2 uzavřen. Nebo naopak. Přechod mezi stavy se děje regenerativním pochodem. Pokud je T1 uzavřen (na jeho kolektoru bude napájecí napětí), tranzistor T2 je v nasyceném stavu. Když se na rezistor Rb1 přivede kladný impuls, T1 se otevře, napětí na jeho kolektoru poklesne, tento proces se přenese přes Rb1 na T2, který se začne uzavírat. Napětí na jeho kolektoru bude narůstat a tento růst se bude přenášet přes Rb2 na bázi tranzistoru T1 a dále tak podporovat otvírání T1. Celý pochod je takto sám sebou urychlován, je to tedy regenerativní proces. Pro uvedení obvodu zpět do původního stavu je nutné přivést kladný impuls na bázi tranzistoru T2 přes rezistor Rb2. Vzhledem k tomu, že k překlápění lze použít vhodné spouštěcí impulsy, nazývají se tyto obvody také jako spouštěcí obvody. Pro urychlení přechodového děje jsou ve zpětnovazebních větvích zařazeny urychlovací kondenzátory (paralelně k oporům Rb1 a Rb2). Překlápění lze realizovat různými způsoby: a) Přivedením impulsu do báze: Kladný impuls na bázi uzavřeného tranzistoru nebo záporný impuls ne bázi otevřeného tranzistoru. Střídajícími impulsy lze obvod překlápět jejich přívodem na jednu bázi. b) Přívodem impulsu na kolektor uzavřeného tranzistoru Použití: Dělič kmitočtu dvěmi, tento obvod lze realizovat pomocí členů NAND.
11.6 Číslicová technika V řídící technice se rozlišují analogové, binární a číslicové (digitální) signály. Analogové signály mění svoji hodnotu úměrně příčině, která je vyvolává. Výstupní napětí děliče tvořeného potenciometrem se mění analogově s nastavením jezdce potenciometru. Analogové signály mohou nabývat jakékoli hodnoty uvnitř intervalu tvořeného krajními hodnotami signálu. Jsou plynule proměnné.
205
Binární signály mají dva možné stavy. Například žárovka buď svítí, nebo nesvítí. Binární signály mohou nabývat jen dvou stavů např. 0 nebo 1.
Číslicové signály mění svoji hodnotu skokově a vždy o stejnou hodnotu. Číslicový signál vícestupňového děliče napětí je možné například měnit po dílčích krocích z hodnoty 0 až do hodnoty napájecího napětí. Číslicové signály mají větší počet stavů. Jsou měnitelné stupňovitě.
11.6.1
Logické operace (členy)
Všechny řídící úlohy lze řešit pomocí tří základních operací (funkcí): AND (logický součin), OR (logický součet), a N (negace). Někdy rozlišujeme pojmy logický člen a hradlo. Pojem hradlo pak označuje fyzickou součástku (např. integrovaný obvod). Zatímco pod pojmem logický člen je myšlen prvek realizující logickou funkci. Existují dva způsoby značení logických členů. Prvním jsou obdélníkové (čtvercové) značky (IEC, DIN). Druhým způsobem jsou značky složené z křivek (ANSI), které jsou rozšířeny v profesionálních systémech pro návrh logických obvodů. U obou způsobů značení existují v praxi drobné varianty. Negovaný výstup je často označen kolečkem.
11.6.1.1
NOT (Invertor)
Jedním z nejjednodušších logických členů je invertor. Realizuje funkci tzv. logické negace. Někdy se místo něj používá negovaného logického součtu s přivedením hodnoty pouze na jediný vstup (v tomto případě "A"). Vzhledem k tomu, že na zbylém vstupu bude logická 0, nebude mít tento vstup již na provedení operace vliv. Taktéž je možno použít negovaného logického součinu, kdy se všechny vstupy propojí paralelně (mezi sebou).
206
Funkce Značení norma symbol
Pravdivostní tabulka
ANSI/MIL IEC DIN
11.6.1.2
AND (Konjunktor)
Tento člen provádí funkci tzv. logického součinu (konjunkce). Funkce Značení norma symbol
Pravdivostní tabulka
ANSI/MIL IEC DIN
11.6.2
OR (Disjunktor)
Tento člen provádí funkci tzv. logického součtu (disjunkce). Funkce Značení norma symbol
Pravdivostní tabulka
ANSI/MIL IEC DIN
207
11.6.3
NAND (Shefferova funkce)
Tento člen provádí funkci tzv. negovaného logického součinu (Shefferovu funkci) neboli součet negací. Je to nejběžněji používané hradlo. Propojením vstupů, je schopno pracovat jako invertor. Lze pomocí něho realizovat většinu klopných obvodů.
Funkce Značení norma symbol
Pravdivostní tabulka
ANSI/MIL IEC DIN
11.6.3.1
NOR (Peirceova funkce)
Tento člen provádí funkci tzv. negovaného logického součtu (Peirceovu funkci) neboli součin negací. Propojením vstupů je schopen pracovat jako invertor. Funkce Značení norma symbol
Pravdivostní tabulka
ANSI/MIL IEC DIN
208
11.6.4
XOR
Tento logický člen vyčísluje exkluzivní logický součet. Funkce Značení norma symbol
Pravdivostní tabulka
ANSI/MIL IEC DIN
11.6.5
XNOR
Jedná se o negaci exkluzivního logického součtu. Funkce Značení norma symbol
Pravdivostní tabulka
ANSI/MIL IEC DIN
11.6.6
Realizace logických obvodů
11.6.6.1
HW realizace
Logický člen je možno realizovat vhodným zapojením aktivních součástek, tranzistorů, dále pak diod, rezistorů či dalších pasivních součástek. Často se lze setkat s logickými členy ve formě integrovaných obvodů (například řady 74xx), v nichž jsou hradla sestavena z několika tranzistorů. Logické integrované obvody se dělí na TTL, SCHOTTKY STTL, SCHOTTKY ALS, HTL, DTL, LS, CMOS, NMOS a další podle technologie výroby.
209
Integrovaný obvod 7400 se 4 hradly NAND vyrobený pomocí tranzistorů
11.6.6.2
SW realizace
V oblasti řízení se logické členy používají pro návrh logických sítí, které se potom aplikují do programovatelných logických automatů. Logické členy jsou potom pouze virtuální a realizaci zvolené logické funkce zajišťuje programový algoritmus.
11.7 Rozhlasová a televizní technika 11.7.1
Přenos televizního a rozhlasového signálu el. magnetickým vlněním
Elektromagnetické vlny Elektromagnetickou vlnou (Elektromagnetickým zářením) nazýváme děj, při němž se prostorem šíří příčné vlnění elektrického a magnetického pole. Existenci těchto vln předpověděl v roce 1832 anglický fyzik Michael Faraday a skotský fyzik James Clerk Maxwell je v roce 1865 teoreticky dokázal pomocí matematických rovnic. Elektromagnetické vlny se šíří rychlostí světla. Zdrojem elektromagnetických vln je každá elektrická jiskra - tedy i blesk. Umělé elektromagnetické vlny přesné vlnové délky vytváříme tzv. otevřeným oscilačním obvodem viz. dále. V paralelním kmitavém obvodu dochází střídavě k téměř bezztrátové výměně energie mezi kondenzátorem a cívkou. V uzavřeném kmitavém obvodě je elektrické pole soustředěno převážně mezi deskami kondenzátoru a magnetické pole je soustředěno převážně v cívce a kolem ní. Jsou-li desky kondenzátoru vzdalovány od sebe, přesouvá se elektrické pole do volného prostoru. Z uzavřeného kmitavého obvodu se stává otevřený kmitavý (oscilační) obvod, elektrický dipól.
210
obr. a) uzavřený kmitavý obvod
11.7.2
b) otevřený kmitavý obvod
Princip rádiového vysílání
Pro dobrou kvalitu rádiového vysílání je nutné vyrobit co nejlepší modulační signál. Ten vzniká v rozhlasovém studiu a jeho zdrojem může být řeč nebo nf signál ze záznamového zařízení. Zvukové vlny o frekvenci 16Hz až 16 kHz jsou zachyceny mikrofonem a převedeny na nf (tónový) signál o stejné frekvenci. Signál je zesílen nf zesilovačem a podle potřeby upraven a smíchán se signály z ostatních vstupů. Poté je opět zesílen na napětí (výkon), které je nutné k dálkovému přenosu na vysílač pomocí radioreléových tras. Na vysílač dorazí nf signál, který má stejný kmitočet a průběh jako nf signál ve studiu. Pro vznik elektromagnetického vlnění je nutné na vysílací anténu přivést vf signál. Nf signál se tedy zesílí a je „zapsán“ do vf signálu. Tomuto zápisu se říká modulace. Nf kmitočet je modulačním kmitočtem (obsahuje přenášené informace) a vf kmitočet je nosným (slouží pro distribuci nf kmitočtu). Nosný (vf) kmitočet vzniká v oscilátoru budiče vysílače a spolu s modulačním (nf) signálem přechází do modulátoru, kde dochází k modulaci. Tento signál je zesílen v koncovém stupni a odtud přechází na půlvlnný dipól, ze kterého je vyzařován do okolí formou elektromagnetického záření.
obr. 33 a) Blokové schéma vysílače
b) Blokové schéma přijímače
211
11.7.3
Amplitudová modulace (AM)
U amplitudové modulace se mění rozkmit (amplituda) nosného kmitočtu v závislosti na nf modulačním kmitočtu. Amplituda nosných (vysokofrekvenčních) kmitů se mění v rytmu modulujícího kmitu (nízkofrekvenčního, tónového). Amplitudově modulovaný signál vytvoříme vynásobením signálu představujícího amplitudu proměnou podle přenášené informace a signálu nosné vlny. Toto vynásobení se provádí v analogových obvodech – násobičkách. Takovou násobičkou může být tranzistorový zesilovač. Kmity lze rozložit na tři sinusové kmity: · kmitočet nosných kmitů · součet kmitočtů nosných a modulujících kmitů · rozdíl kmitočtů nosných a modulujících kmitů
11.7.4
Kmitočtová (frekvenční) modulace (FM)
Při tomto systému modulace se informace, kterou chceme přenášet, kóduje nikoliv do amplitudy, ale do okamžitého kmitočtu nosné vlny. Kmitočet se mění v rytmu modulujících kmitů. To je zajištěno ovlivňováním kmitočtu tranzistoru v oscilačním obvodu v závislosti na modulačním signálu. Rozdíl mezi maximálním a minimálním kmitočtem nosné vlny, nazýváme frekvenčním zdvihem (frequency swing), polovinu této hodnoty frekvenční odchylkou (frequency deviation). Pro rozhlasové vysílání na FM je předepsaná maximální frekvenční odchylka 75kHz, tedy frekvenční zdvih 150 kHz, pro vysílání zvukového doprovodu k televiznímu vysílání je předepsaná maximální frekvenční odchylka 25kHz. U občanských radiostanic, které pracují rovněž s frekvenční modulací, je tak velká frekvenční odchylka zbytečná (pracujeme pouze se signálem řeči, který lze bez újmy na srozumitelnosti frekvenčně omezit shora kmitočtem 3kHz) a je tedy stanovena na 5kHz (tzv. úzkopásmová FM). Výhody oproti modulaci AM: amplituda se nemění vyšší odolnost proti atmosférickým poruchám, vyšší odstup signálu od šumu, lepší využití výkonu vysílače, možnost namodulovat signál do 15 kHz věrné zachycení slyšitelného zvuku (AM pouze do 4,5 kHz)
11.8 Slaboproudé rozvody a instalace O ČSN 34 23 00 - Předpisy pro vnitřní rozvody sdělovacích vedení. Slaboproudé rozvody = rozvody, které mají napájení 230 V, ale na výstupu je malé napětí do 100 V. Mezi slaboproud patří rozvod telefonu, zařízení pro společný příjem, rozvod televizních a rozhlasových signálů, EPS, EZS, zvonek, domácí telefon s elektrickým vrátným, počítačové sítě. Sdělovací rozvody tvoří souhrn všech částí, které slouží k vysílání, přenosu a příjmu Rozdělení: Venkovní slaboproudé rozvody kabelové vedení přenos vzduchem (příjem). Vnitřní slaboproudé rozvody základní doplňkové.
212
Vnitřní rozvody: Základní – telefonní zařízení, televizní rozvod, zvonková signalizace, dorozumívací signalizace, požární signalizace Doplňkové – místní rozhlas, jednotný čas, EZS, informační zařízení, průmyslová televize, inteligentní řízení domu Základní domovní slaboproudé rozvody 1. Zvonková signalizace V rodinných domech napájení v rozvaděči, zvonek + zvonkové tlačítko + vedení, transformátor v rozvaděči 230 V/ 12 V, vedení CYKY 2A x 1,5. Bezdrátové zvonky – nemá vedení, zvonek a napájení osazeno do zásuvky 230 V + zvonkové tlačítko, záleží na dosahu. Zvonky na 230 V – nemá transformátor, vedení CYKY 3C x 1,5. 2. Dorozumívací signalizace Pro více jak čtyřpodlažní domy, napájení + tlačítko + přístroj domácího telefonu + vedení v trubce + elektrický vrátný + elektrický zámek. 3. Požární signalizace Dle vyhlášky z roku 2008 musí být požární hlásiči v rodinném domě, ČSN 73 0833 Požární bezpečnost staveb. pro RD do 150 m2 1 ks 2 pro RD nad 150 m 2 ks více podlaží (mezonet) 2 ks a více 2 pro byt do 150 m 1 ks pro byt nad 150 m2 + více podlaží 2 ks ubytovací zařízení - každý pokoj + úniková cesta stavby sociální péče - každý pokoj + úniková cesta Pro domovní a bytové účely plně vyhovuje požární snímač – hlásič kouře. Přístroj není závislý na síťovém napájení a je vybaven výrazně slyšitelnou akustickou signalizací. Požární signalizací není nutné vybavovat všechny bytové části, postačí ji umístit do místností s vyšším nebezpečím požáru (kuchyně, domácí dílny) Ve velkých objektech se používají celé samostatné signalizační systémy, propojené s prostředky pro samočinné hašení vodou. Požární signalizace - detektor reaguje na výskyt kouře požárním poplachem, jeho využití je vhodné zejména v obytných částech domů a v prostorách se zvýšeným nebezpečím požáru. Poplachová informace je předávána bezdrátově. Pro lokální varování má snímač zabudovanou sirénu.
Autonomní hlásič kouře
213
4. Elektronická zabezpečovací signalizace – EZS Elektrická zabezpečovací signalizace - EZS je soubor přístrojů a detekčních prvků, kterými se akusticky a opticky signalizuje nebezpečná situace z hlediska neoprávněného vniknutí pachatele. U zabezpečovacích systémů se pro zajištění používají detektory pohybu, detektory tříště ní skla a otřesové detektory. Jejich úkolem je signalizovat pohyb člověka nebo důsledky jeho činnosti směřující proti chráněnému zájmu, tedy zabezpečení objektů. Tyto EZS detektory jsou napojeny na ústřednu, která se ovládá mikroprocesorem a signalizuje stav buď místně na sirénu, nebo mobilní telefon.
Sestava bezdrátového EZS
5. Rozvody kabelové televize, satelitní televize, počítačové sítě , regulace vytápění, rozvody pro hifi techniku a další Řídí se vždy příslušnými normami a předpisy a přizpůsobuje se místním podmínkám a specifickým požadavkům zákazníka.
12 Optoelektronika V současné době jsou metalické (tj. zejména měděné) UTP a STP kabely nejrozšířenějším médiem přenosu v počítačových sítích. Tyto kabely se však již příchodem 10 Gbps rychlostí blíží maximu svých možností. Mezi jejich další nevýhody také patří relativně krátký dosah bez zapojeného aktivního prvku na trase a fakt, že pokud se u těchto kabelů má dosáhnout kvalitního přenosu, pak na množství v nich obsažené mědí se nesmí šetřit a měď dnes rozhodně nepatří mezi levné suroviny. Větších přenosových rychlostí lze teoreticky dosáhnout na koaxiální kabelech avšak tyto rychlosti se ani zdaleka nepřibližují rychlostem, které lze dosáhnout pomocí optických kabelů. Dodnes si nikdo netroufá odhadnout, jakých teoretických rychlostí lze na optických vláknech dosáhnout, jelikož tato technologie jde stále kupředu a možnosti se neustále zvyšují. Základním rozdílem mezi metalickými a optickými kabely je, že u metalických kabelů jsou data přenášena za využití elektrických signálů, zatímco v optických kabelech je signál přenášen světelnými impulzy.
12.1 Přenos světla optickým vláknem Přenos dat v optickém vlákně se děje šířením světla v optickém vlnovodu. Princip vedení světla je jednoduchý - světelný paprsek dopadá na rozhraní dvou prostředí s rozdílnou
214
optickou hustotou a tedy s rozdílným indexem lomu, kde se zčásti láme a prostupuje z jednoho prostředí do druhého, a z části se odráží a vrací se zpět do prostředí, ze kterého přichází. Nakolik se paprsek odrazí zpět do prostředí, ze kterého pochází, záleží na úhlu, ve kterém paprsek do vlnovodu přichází. Pro každé optické rozhraní však existuje mezní úhel odrazu. Pokud světlo dopadá pod tímto (nebo menším úhlem), dochází k tzv. totálnímu odrazu, kdy se 100% světla odráží a neopouští prostředí, ze kterého přichází. Právě tento princip "vnitřních odrazů" využívají optická vlákna.
Běžné optické vlákno se skládá ze tří základních částí: Jádro (core)Jedná se o nejdůležitější prvek vlákna určený pro vlastní přenos dat. Průměr jádra závisí na typu kabelu. Standardními rozměry jsou 9, 50 a 62,5µm. Obal jádra (cladding)tato část má za úkol ochranu a zpevnění jádra.Spolu s jádrem má průměr 125µm. Primární ochrana (buffer)jedná se o vrstvu, která slouží k prvotní ochraně optického vlákna od nepříznivých účinků okolního prostředí. Vrstva je nejčastěji tvořena tvrzeným akrylátovým lakem a spolu s jádrem a obalem jádra má průměr 250µm Vlákno může být dále chráněno sekundární ochranou tvořenou z plastických hmot zvyšující průměr na 900µm. Na tuto vrstvu pak dále navazují další vrstvy, které vlákno chrání zejména proti mechanickému namáhání, případně chemickému působení okolí.
12.2 Útlum optického vlákna Přestože optická vlákna jsou velmi vhodná pro dálkový přenos dat, tak i u nich dochází k určitému útlumu, který je způsoben následujícími vlivy a udává se dB/km: a) Vlastní absorbce Jedná se o útlum na molekulách materiálu optického vlákna. Tento útlum závisí na vlnové délce přenášeného světla. U optických vláken jsou definována tzv. okna, což jsou vlnové délky, které při šíření v optickém kabelu vykazují nejmenší útlum. Z tohoto důvodu se pro přenos prakticky používají v současné době následující vlnové délky: 850nm, která se používá u tzv. multimode vláken (více o single- a multimode v další části), 1310nm používá se u singlemode vláken a multimode vláken, 1550nm používá se u singlemode vláken. b) Nevlastní absorpce - útlum je způsoben nečistotami v optickém vlákně c) Lineární rozptyl - tento útlum je způsoben ne zcela přesným a rovnoměrným oddělením jádra a obalu. d) Nelineární rozptyl - k útlumu dochází při změně vlnové délky záření
215
e) Ztráty ohybu - každý ohyb optických vláken působí nepříznivě na šíření světla, zejména milimetrové mikroohyby u singlemode vláken. g) Ztráty při spojování na konektorech - v případě špatného napojení vlákna na konektor dochází ke značným ztrátám. Proto je nutné konektory s vláknem spojovat co nejprecizněji. Poznámka: Útlum kvalitních křemíkových vláken jsou pouhé desetiny dB/km. Plastová vlákna mají útlum dva řády vyšší, až 50-100 dB/km.
A. Mnohavidová vlákna (MM, multimode) Pro mnohavidová vlákna se používají optické kabely s průměrem jádra 50 a 62,5µm V současné době je typickou vlnovou délkou těchto vláken 850nm pro gigabitové aktivní prvky a 1310nm pro 100Mbitové aktivní prvky. Technologie používající mnohavidová vlákna je relativně levná, na čemž se podílí jak samotná vlákna, tak i generátory a detektory světla. U mnohavidových vláken lze jako generátor použít např. LED. Generátor světla vytváří světelné impulsy, které tvoří několik paprsků - tzv. vidů. Z toho plyne název mnohavidových vláken. Tyto paprsky (vidy) se odráží od obalu jádra v různých úhlech – v různých dráhách. K detektoru však doráží jednotlivé vidy s určitým zpožděním mezi sebou, což se nazývá vidovou disperzí. Tato disperze má za následek zkreslení signálu a týká se zejména mnohavidových vláken se skokovou změnou indexu lomu. Jelikož toto zkreslení s délkou vlákna narůstá, používají se mnohavidová vlákna zhruba na vzdálenost do 2 km.
Mnohavidová vlákna s plynulou změnou indexu lomu jsou tvořena z tenkých vrstev, které se liší indexem lomu. Čím je paprsek dál od osy jádra, tím je index lomu menší a postupně se paprsek "vrací zpět" do středu jádra.
Tyto vlákna tedy netrpí vidovou disperzí a vyslané paprsky dorazí ke konci vlákna zhruba ve stejné časové okamžiky. Typický útlum těchto vláken je 2 až 10 db/km při vlnové délce 850nm. Mnohavidová vlákna se nejčastěji používají u LAN sítí. Vzhledem k tlustšímu jádru optického kabelu se lépe na vlákno připevňují konektory.
B. Jednovidová vlákna (SM, singlmode) Pro jednovidová vlákna se používají optické kabely s průměrem jádra pouhých 9µm (průměr vlasu 70µm). Typickými vlnovými délkami jsou v současné době 1310nm a 1550nm. Signál je tvořen jedním videm (paprskem), který se šíří podél osy jádra a odráží se při ohybu.
216
Pro generování a detekci světla u jednovidových vláken je zapotřebí kvalitnějších a tedy i dražších zařízení. Jako generátory jsou zde používány zejména polovodičové lasery. Jednovidová vlákna využívají skokový index lomu a jejich útlum je při vlnové délce typicky 0,35 dB/km při vlnové délce 1310nm a 0,2 dB/km při vlnové délce 1550nm. P oužití jednovidových vláken je vhodné na dlouhé trasy cca 10 km a vysoké přenosové rychlosti (nebo kde je předpoklad, že je bude třeba v budoucnosti navyšovat.
12.3 WDM – vlnový multiplex Obecně jsou optická vlákna určena pro jednosměrný přenos. Pro obousměrnou trasu je tedy nutné mít alespoň 2 vlákna. Jedno pro příjem a druhé pro vysílání. Toto omezení však padlo s nástupem technologie vlnového multiplexu WDM (Wavelength-division multiplexing). Tato technologie by se dala přirovnat k frekvenčnímu multiplexu, kdy pro jednotlivé přenosy jsou využívané různé frekvence. V případě technologie WDM, jsou jednotlivé přenosy realizovány světlem o různých vlnových délkách, tedy různých "barvách". Technologie WDM se využívá právě u jednovidových vláken, kdy pro příjem/vysílání je použita vlnová délka 1550nm a vysílání/příjem vlnová délka 1310nm. Technologie WDM je neustále ve vývoji a jako technologie, které z ní vzešly, lze označit: WWDM, CWDM a DWDM - kdy je pro přenos využito více vlnových délek, což umožňuje zvýšit propustnost vlákna. Vlákna jsou umísťována do optických kabelů. V optickém kabelu může být i 144 vláken, častěji se však u multimode spojů používají kabely s menším počtem vláken.
Kabel pro složité optické rozvody může obsahovat desítky až stovky vláken.
Samonosný kabel pro vedení optiky "vzduchem" (np. mezi objekty).
217
Vyztužený (armored) kabel se používá tam, kde hrozí mechanické poškození.
Hybridní kabel s metalickým vedením (np. Případně obsahující jak jedno- tak mnohovidová vlákna.
pro
napájení
komponent).
12.4 Pigtaily
Optický "pigtail" je část optického vlákna s připojeným konektorem. Pigtail se spojuje přímo s optickým vláknem a konektor se upevní do optické vany. Výhodou připravených pigtailů je snazší spojování s optickým vláknem v terénu než "konektorování" přímo na vyvedený optický kabel. 218
12.5 Konektory
Typů konektorů je velké množství avšak, v současné době se používají pro sítě LAN a WAN nejčastěji konektory typů SC a LC (běžně se lze také setkat z "bajonetovými" ST konektory). SC konektory se často používají v media konvertorech viz další část článku.
219
SC konektor v provedení simplex LC konektory jsou rozměrově menší a jsou časté v MiniGBIC modulech viz dále. Konektory mohou být samostatně jako simplexní nebo v páru duplexní.
LC konektor v provedení duplex (dvě vlákna)
12.6 Patch Cordy a další příslušenství Patch cordy (vyslovuje se "pečkord") jsou optické kabely o různých délkách v provedení simplex (jedno vlákno) nebo duplex (dvě vlákna) s připevněnými konektory (pro obousměrnou komunikaci bez využití WDM). Dále se liší v požitých konektorech. Buď jsou na obou stranách stejné typy nebo rozdílné. Patch Cordy slouží (podobně jako hotové UTP kabely) zejména pro propojení optických prvků na krátké vzdálenosti, typicky do 5 m, například pro propojení aktivních prvků nebo konektoru pigtailu s media konvertorem.
220
Patch cord s duplexními konektory SC/LC
12.7 Optické skříně, rozvaděče, vany a kazety Používají se na zakončování optických tras. Optické vany a skříně slouží k bezpečnému uchování zbytku optického vlákna a obsahují i napojený pigtail pro spojení s Patch cordem.
Optická vana do racku 1U Spojování vláken se provádí nejčastěji svářečkou nebo spojkami. Propojovat se mohou buď přímo vlákna nebo vlákno a pigtail (což je vlákno s konektorem). Svářečka je 221
nákladnější na pořízení, ale v případě častého používání spoj vyjde levněni než za použití gelových spojek.
Mezi spojkami v současné době velkého boomu dosahuje systém FibrLok II od firmy 3M.
FibrLok II Systém Fibrlok II umožňuje spojovat optická vlákna bez potřeby sváření. Pro spojení vlákna je potřeba: vlastní spojka Fibrlok 2529 v provedení pro 250µm i 900µm vlákna, tzv. Lamačka optických vláken, Montážní sada
222
Kompletní souprava 3M Fibrlok II Instruktážní video FibrLoku je zde:
223
12.8 Svařování
Firmy specializující se na optiku využívají procesorem řízené svářečky (zde FITEL fy Furukawa)... Pokud jsou vlákna svařována je nutné sváry optických vláken chránit pomocí smrštitelných bužírek. Spojená vlákna se pak umísťují do optických kazet, které mou být dále umístěné např. v zemních optických spojkách nebo rackových rozvaděčích (optických vanách) a nástěnných skříních. Spojování vláken a konektorů musí být velmi precizní, aby na každém spoji došlo k co nejmenšímu útlumu. Vlastní spojování se může také provádět speciálním lepením. Veškerá manipulace s optickými vlákny musí být za suchého počasí, jelikož optická vlákna jsou náchylná na vlhkost. Pokud jsou vlákna již s konektory, mohou se spojovat konektorovými spojkami, které jsou nejčastěji v provedení duplex.
12.9 Instalace optických kabelů Optické kabely se nejčastěji vedou v zemi v ochranných trubkách. Vlastní kabel lze do trubky pak umístit: zafukování pomocí kompresoru - max. 1 km, zatahování - vnitřní strana trubky musí klouzat. Zde je však nebezpečí mechanického poškození.
224
Optická vlákna lze bezpečně (mají nevodivé jádro) vést i vzduchem, a to v ochranných trubičkách s lankem nebo lze použít samonosné kabely. Media konvertory - nejjednodušší způsob Media konvertory patří mezi aktivní prvky, které mění typ signálu - tzv. „převodníky médií“, kde je signál převeden na jiný typ signálu, aniž by se datově změnil. Ve většině případů se tedy jedná o převodníky kde vstupem/výstupem je optické vlákno ať již singlemode, multimode a výstupem/vstupem je 1000/100/10 Mbps ethernet se standardním konektorem RJ45 připojitelným na UTP/STP metalickou kabeláž. Media konvertory jsou typu PnP a ihned po zapojení bez dalších konfigurace mění typ signálu. Jako gigabitové převodníky lze použít TP-LINK MC200CM pro multimode vlákna nebo MC210CS pro singlemode vlákna. 100Mbitové varianty TP-LINK media konvertorů jsou typy MC100CM pro multimode vlákna a TR-962D pro singlemode vlákna.
Pokud nevyužíváte WDM budete muset vést optiku v párech (příjem + vysílání). WDM převodníky jsou proti sobě v páru, kde jeden vysílá na vlnové délce 1310nm a přijímá na 1550nm a druhý vysílá na 1550nm a přijímá na 1310nm. Příkladem jsou gigabitové převodníky: TP-LINK MC-212CS a MC211CS.
225
Zajímavým řešením je také WDM bridge media konvertor, například TR-966D, který je možné zařadit na trasu optického vlákna a vytvořit odbočku na UTP kabel.
MiniGBIC moduly Tyto zásuvné moduly se používají jako upgrade např. do některých průmyslových ethernetových switchů. Lze tak přímo propojit switch pomocí patch cord kabelu s optickou vanou bez použití media konvertoru. Pozor: rozměry a komunikace MiniGBIC modulů jsou sice standardizované, ale pro zajištění bezproblémové kompatibility je nutné používat MiniGBIC moduly stejné značky jako switche.
226
Tak jako media konvertory i Mini GBIC jsou rozdělené dle používaných vláken na singlemode (jednovidové) a multimode (vícevidové). Vedle těchto aktivních prvků lze ještě hovořit o tzv. čistě optických prvcích, kde je celý přenos a zpracování signálu prováděno optickou cestou. Vzhledem k faktu, že pro potřeby 10 Gb ethernetu je nutné již vyměnit stávající UTP kabely Cat5e za kvalitnější Cat6, je vhodné při výměně kabelů položit rovnou optické. Pro optická vlákna samozřejmě není problém přenést 10 gigabitů a z tohoto důvodu pro potřeby 10 Gb ethernetu přes optická vlákna definovala Skupina 802.3ae Task Force 4 tyto typy optických transceiverů pro různé vlnové délky: Označení
pro vlákna
s jádra[µm]
průměrem na délku[m]
850nm Serial 10GBASE-S
multimode
50,0
65
1310nm CWDM 10GBASEmultimode LX4
62,5
300
1310nm CWDM 10GBASEsinglemode 9,0 LX4
10 000
1310nm Serial 10GBASE-L
singlemode 9,0
10 000
1550nm Serial 10GBASE-E
singlemode 9,0
40 000
12.10
Výhody optických vláken
Oproti metalickým kabelům mají optické sítě následující výhody: Velká šířka pásma - optické nosné vlny odpovídají frekvencím 1013-1016 Hz z čehož plyne obrovský potenciál přenášených rychlostí - přenosové pásmo je možné v některých případech zvětšovat na již položeném kabelu dodatečně (nasazením nových technologii), Nízký útlum - přenos na velké vzdálenosti bez nutnosti aktivních "opakovačů", Odolnost proti elektromagnetické interferenci - u optických vláken neexistují přeslechy a díky použité technologii lze použít v silně zarušeném elektromagnetickém prostředí, 227
Bezpečnost přenosu - přenášené světlo nevyzařuje do okolí, těžko se dá vyvázat a v případě vyvázání dojde k poklesu signálu na koncovém zařízení a to tak může vyvázání detekovat, Dostupnost výroby vláken - vlákna se vyrábějí z křemíku, který není strategickou surovinou, jelikož je ho všude dostatek, Přenos na velké vzdálenosti - vzhledem k nízkému útlumu je možný dosah desítky km bez zapojení aktivních prvků, tak jako je tomu u metalických sítí. S rozvojem nových optických technologií se dále vzdálenosti mohou zvyšovat, Menší průměr a nižší hmotnost kabelů.
Použité zdroje Literatura: KLAUS, Tkotz a kol., 2006. Příručka pro elektrotechnika. Praha: Europa-Sobotáles cz. ISBN 80-86706-13-3 VOŽENÍLEK, Ladislav, ŘEŠÁTKO, Miloš, 1986. Základy elektrotechniky 1. Praha: SNTL Přenosová soustava, dostupné z: http://www.gvp.cz/~vondrackova/Fyzika/3.E%20refer%C3%A1ty%20-elektromagnetismus/03P%C5%99enosov%C3%A1%20soustava%20energetiky-Bed%C5%99ich09.pdf ŘÍHA, Josef, 1990. Elektrické stroje a přístroje, 3. vydání, SNTL BESTIAN, Peter, 2006. Praktická elektrotechnika. 2. upr. vyd. Praha: Europa-Sobotáles, 303 s. ISBN 80-867-0615-X. Obrázky: Přenosová soustava, dostupné z: http://www.geocaching.com/seek/cache_details.aspx?guid=8ecf8f22-8da7-4811-9d1224dbe7b85043 Trojfázový generátor, dostupné z: http://www.ddp.fmph.uniba.sk/~koubek/UT_html/G3/kap4/gym3_4.htm Trojfázový proud, dostupné z: http://www.techmania.cz/edutorium/art_exponaty.php?xkat=fyzika&xser=456c656b74f8696e 612061206d61676e657469736d7573h&key=496 Transformátor, dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Transformer3d_col3_cs.svg Závit v magnetickém poli, dostupné z: http://www.cez.cz/edee/content/microsites/elektrina/32.htm Schéma palivového článku, dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Fuell_cell.jpg Logické obvody, dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Logick%C3%BD_%C4%8Dlen
228
