Elektrotechnika II. Nem hivatalos vizsga tételsor kidolgozás

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésmérnöki és Járműmérnöki Kar

Elektrotechnika II. Nem hivatalos vizsga tételsor kidolgozás

Elektrotechnika – elektronika II. vizsgatételek A kérdéssor „A” és „B” részekre felbontásra került; a vizsga során minden vizsgázó egy „A” és egy „B” kérdést húz és válaszol meg (természetesen a vizsgáztatónak joga van a kihúzott tételek mellett más tételek ismeretanyagába is belekérdezni...) .................... A.1. A tranzisztor alkalmazása kapcsoló üzemben. Astabil multivibrátor felépítése két, egymásról visszacsatolt kapcsoló üzemű tranzisztorral. Az astabil multivibrátor funkciója, felhasználása. A kéttranzisztoros astabil multivibrátor részletes működése. A.2. A tranzisztor kapcsoló üzemben. Monostabil multivibrátor felépítése két, egymásról visszacsatolt kapcsoló üzemű tranzisztorral. A monostabil multivibrátor funkciója, felhasználása. A kéttranzisztoros monostabil multivibrátor részletes működése. A.3. A tranzisztor kapcsoló üzemben. Bistabil multivibrátor felépítése két, egymásról visszacsatolt kapcsoló üzemű tranzisztorral. A bistabil multivibrátor funkciója, felhasználása. A kéttranzisztoros bistabil multivibrátor részletes működése. A.4. Optoelektronikai eszközök (LED-ek, fotodióda; fototranzisztor; optocsatoló és fotokapu), tulajdonságaik, karakterisztikáik és alkalmazásuk A.5. Analóg és digitális oszcilloszkópok; felépítés, a funkcionális egységek feladatai, működésmód; az oszcilloszkóppal való mérés menete. A.6. A tranzisztor alkalmazása lineáris üzemben. Földelt emitteres erősítőkapcsolás: felépítése, működése, helyettesítő kapcsolása, paraméterei; A.7. A tranzisztor alkalmazása lineáris üzemben. Földelt kollektoros erősítőkapcsolás: felépítése, működése, helyettesítő kapcsolása, paraméterei; A.8. A tranzisztor alkalmazása lineáris üzemben. A differencia erősítő (alkalmazásának célja, a kapcsolás felépítése, funkciója, működése). A.9. Egyenfeszültségű erősítők, a kialakítás problémái és megvalósítása; A.10. A műveleti erősítő (funkciók, felépítés / belső blokkok), paraméterei; A.11. A negatív visszacsatolás (blokkvázlat; az erősítés változása; az erősítés ingadozásának változása; egyéb hatásai; alkalmazása) A.12. A pozitív visszacsatolás (blokkvázlat; az erősítés változása; az erősítés ingadozásának változása; egyéb hatásai; alkalmazása). Az oszcilláció (oszcillátor és gerjedés), az oszcillátorok elvi megvalósítása visszacsatolással, a szükséges feltételek. A.13. Műveleti erősítő alkalmazása erősítő üzemmódban. Invertáló, nem invertáló műveleti erősítős alapkapcsolás (a kapcsolások felépítése, működése, paraméterei). A.14. A műveleti erősítős impedancia transzformátor származtatása, kapcsolása, működése, paraméterei A.15. Differenciáló és integráló kapcsolások műveleti erősítővel A.16. Komparátorok funkciói. Műveleti erősítős komparátorok; működés, karakterisztikák, a komparálási pont változtatása; A.17. Hiszterézises komparátorok funkciói. Műveleti erősítős hiszterézises komparátor; működés, karakterisztikák, a komparálási pont változtatása; a hiszterézis változtatása A.18. Tápegységek felépítése, részfunkciók. Stabilizátor kapcsolások (zeneres, áteresztő tranzisztoros és túláram-védelem). A.19. Vezéreletlen egyenirányítás egy- és háromfázisú rendszerekben. Formatényező, hullámosság. A dióda jellemzői, alkalmazása. A.20. Tirisztor, triak. Működés, karakterisztika, felhasználás vezérelt egyenirányításra: jelalakok és egyenfeszültségű középérték számítás. Tirisztoros vezérelt egyenirányítás mérése. A.21. Négypólus paraméterek; cél, paraméterrendszerek, számítási mód; négypólus paraméterek mérése. A.22. FET, MOSFET: felépítés, jellemzők, karakterisztikák és alkalmazás. CMOS (elv, alkalmazás célja, inverter megvalósítása). **************************** B.1. Olvadóbiztosítók működése, fajtái, karakterisztikái, alkalmazása. B.2. Mágneskapcsolók felépítése, működése. Hőkioldók.

B.3. Mágneskappcsolók használata: Egyszerű motorvédő kapcsolás; motorirányváltó kapcsolás. B.4. Megszakítók működése, feladata, fajtái. Szakaszolók működése, feladata. B.5. Villamos gépek és hálózatok (túlterhelés és túláram elleni) védelme. B.6. Érintésvédelem: A védelem célja, a hozzá tartozó élettani elvek. A védelem módszerei. B.7. Egyenfeszültség előállítása forgógéppel. Az egyenáramú gép felépítése, működési elve. B.8. Az egyenáramú gép nyomatéka, indukált feszültsége, kapocsfeszültsége. Kommutáció, armatúra visszahatás (segédpólus, kompenzálás) B.9. A külső- és sönt gerjesztésű egyenáramú motor. (Felépítés, M-n jelleggörbe, indítás, fékezés, fordulatszám változtatás) B.10. A soros és vegyes gerjesztésű egyenáramú motor. (Felépítés, M-n jelleggörbe, indítás, fékezés, fordulatszám változtatás) B.11. Egyenáramú generátorok. (Gerjesztés-felépítés, jelleggörbék) B.12. Az egyfázisú transzformátor működési elve, felépítése. B.13. A transzformátor helyettesítő kapcsolása, redukálás. B.14. Az üresen járó transzformátor helyettesítő kapcsolása, az elemek meghatározása méréssel. B.15. A rövidrezárt transzformátor helyettesítő kapcsolása, az elemek meghatározása méréssel, a drop fogalma. B.16. A transzformátor hatásfoka, a meghatározásához szükséges mérések. B.17. Különleges transzformátorok. (Takarékkapcsolású, mérőváltók, ívhegesztő, indukciós kemencék) B.18. Transzformátorok párhuzamos üzeme. Háromfázisú transzformátorok. B.19. A váltakozó feszültség gyakorlati előállítása. A háromfázisú szinkron generátor felépítése, működési elve. Egyedül járó és hálózatra dolgozó szinkron generátor. B.20. A szinkron gép egyszerűsített helyettesítő kapcsolása. Feszültség és áram vektorába, nyomatéka és a terhelési szög. B.21. Szinkron gép hálózatra kapcsolása (generátor szinkronozása, motor indítása). "V" görbék, alul és felül gerjesztés. B.22. Az indukciós (aszinkron) gép felépítése, működési elve,. A forgó mágneses tér. B.23. Az indukciós (aszinkron) motor helyettesítő kapcsolása teljesítményviszonyai, áramvektor-diagram (kördiagram) szerkesztése. B.24. Az indukciós (aszinkron) motor mechanikai jelleggörbéjének szerkesztése a kördiagramból. B.25. Csúszógyűrűs motor indítása, kalickás forgórészű motorok felépítése, indítása. B.26. Indukciós (aszinkron) motorok fordulatszámának változtatása, fékezése. B.27. Az egyfázisú indukciós (aszinkron) motor működési elve, indítása.

Budapest, 2014.

A.1. A tranzisztor alkalmazása kapcsoló üzemben A tranzisztort kapcsolóüzemben úgy vezéreljük, hogy tartósan vagy csak a telítési, vagy csak a lezárási tartományban tartózkodjon. Cél az aktív tartományon való minél gyorsabb áthaladás. Kapcsoló üzemben a kollektor szakadásként viselkedik, nem folyik rajta áram, ha az emitterdiódát nem nyitják ki, azaz a rákapcsolt feszültség kisebb a szükséges nyitófeszültségnél; ekkor a bázisáram is zérus értékű. Ha a nyitófeszültséget az emitterdiódára kapcsolják, bázisáram indul meg, a tranzisztor kollektorán ennek B-szerese folyhat (ic = B * ib). Így a bázis-emitter közé kapcsolt feszültség változtatásával a tranzisztor kollektor árama be/kikapcsolható. A bekapcsolt állapotban teljesen nyitott, a kikapcsolt állapotban teljesen zárt a kapcsoló. A karakterisztikán fel van tüntetve a tranziens pillanatnyi munkapontjának mozgása. Ohmos és kapacitív esetben is. A keletkező veszteségi teljesítmény arányos a munkagörbék által bezárt területtel.

Astabil multivibrátor felépítése két, egymásról visszacsatolt kapcsoló üzemű tranzisztorral Két, egymástól visszacsatolt kapcsoló üzemű tranzisztorból áll. T1 kimenő jelét T2 bemenő jelére, míg T2 kimenő jelét T1 bemenő jelére kapcsoljuk.

-1-

A kéttranzisztoros astabil multivibrátor részletes működése Kezdeti állapotként feltételezzük, hogy T1 vezet (ic), T2 zár. Ha ic nő URC1 is nő , UCE csökken. Amikor T2 bázis-emitter diódája kezd nyitni kollektor feszültsége csökken (Uc2). T2 ezen állapot nem stabil, mivel bázisfeszültsége UT értékhez tart (Ub2 csökken). Ez a csökkenés áttevődik T1 bázisára, mely ennek következtében kezd lezárni. Ez T1 kollektor feszültségének növekedését eredményezi, mely pozitív visszacsatolásként visszajut T2 bázisára, így azt telítési állapotba vezérli. T2 kollektor feszültségének csökkenése – áttevődve T1 bázisára – időlegesen lezárja. Ez nem stabil állapot, mert hosszútávon T1 bázisa is UT feszültségre törekszik, ezért egy idő múlva az előző folyamat zajlik le ismét: a pozitív visszacsatolás alatt a rendszer ismét állapotot változtat. Ekkor jutunk vissza a kiindulásként feltételezett értékekhez, vagyis egy teljes periódust követtünk nyomon. Az astabil tehát egy relaxációs oszcillátor, melynek kollektorain közelítőleg négyszögjelek alakulnak ki. Váltott áteresztő és lezárási állapotba kerülnek, de egyikben sem lesz stabil állapot. Az állapotok ideoda változása miatt csak ideiglenes, kvázi stabil állapotok alakulnak ki. A periodikus ismétlődés következtében áll elő a négyszögjel.

Az astabil multivibrátor funkciója, felhasználása Bemenete nincs, négyszögjel generálására használják, kollektorain jelenik meg. Más néven relaxációs oszcillátor. Mérésre alkalmazása: frekvencia segítségével ellenállás és/vagy kapacitás értékek mérhetők. Jelalak:

-2-

A.2. A tranzisztor kapcsoló üzemben A tranzisztort kapcsolóüzemben úgy vezéreljük, hogy tartósan vagy csak a telítési, vagy csak a lezárási tartományban tartózkodjon. Cél az aktív tartományon való minél gyorsabb áthaladás. Kapcsoló üzemben a kollektor szakadásként viselkedik, nem folyik rajta áram, ha az emitterdiódát nem nyitják ki, azaz a rákapcsolt feszültség kisebb a szükséges nyitófeszültségnél; ekkor a bázisáram is zérus értékű. Ha a nyitófeszültséget az emitterdiódára kapcsolják, bázisáram indul meg, a tranzisztor kollektorán ennek B-szerese folyhat (ic = B * ib). Így a bázis-emitter közé kapcsolt feszültség változtatásával a tranzisztor kollektor árama be/kikapcsolható. A bekapcsolt állapotban teljesen nyitott, a kikapcsolt állapotban teljesen zárt a kapcsoló. A karakterisztikán fel van tüntetve a tranziens pillanatnyi munkapontjának mozgása. Ohmos és kapacitív esetben is. A keletkező veszteségi teljesítmény arányos a munkagörbék által bezárt területtel.

Monostabil multivibrátor felépítése két, egymásról visszacsatolt kapcsoló üzemű tranzisztorral Egy bemenete, egy stabil állapota van.

-3-

A kéttranzisztoros monostabil multivibrátor részletes működése Megfelelő indítójel hatására stabil állapotból átbillen kvázi stabil állapotba, meghatározott ideig marad, majd visszabillen stabil állapotba. Tehát instabil állapotát egy bementi jellel válthatjuk ki, és az az alkatrészek/áramköri elemek értékei által meghatározott ideig marad fenn, utána automatikusa billen vissza a stabil állapotba. Kiindulási helyzetként tegyük fel, hogy T1 lezárt állapotban van, a T2 tranzisztor pedig vezet; ekkor RB2-n keresztül folyik bázisáram (ib). Ez az áramkör stabil állapota mindaddig marad fennáll, amíg egy külső indító jel hatására mindkét tranzisztor aktív állapotba nem kerül. Az S-re adott rövid, pozitív bemeneti impulzus (például negatív trigger jel) T1-et kinyitja, ezáltal T1 kollektor feszültsége közel nullára csökken. Ezt a feszültségugrást a C1 kondenzátor átviszi T2 bázisára, ezért T2 lezár, kollektor feszültsége a tápfeszültségig felugrik; UC2 -> UT. Emiatt az R1 visszacsatoló ellenálláson keresztül T1 nyitva marad még akkor is, ha közben S-en megszűnt a jel. Ez azonban nem stabil állapot, mert az RB2 ellenálláson keresztül a C1 kondenzátor elkezd feltöltődni, így T2 bázisfeszültsége növekszik. A kapcsolás egy impulzus hatására ad egy négyszögjelet, melynek szélességét az RC időállandó határozza meg.

A monostabil multivibrátor funkciója, felhasználása Időzítésre használják. Jól definiált, állandó időtartamú impulzusok előállítására használják. A multivibrátor jelének differenciálásával előállíthatjuk a trigger jel meghatározott idővel késleltetett változatát is. A monostabil multivibrátor így impulzusszerű jelek fix idejű késleltetésére is felhasználható

-4-

A.3. A tranzisztor kapcsoló üzemben A tranzisztort kapcsolóüzemben úgy vezéreljük, hogy tartósan vagy csak a telítési, vagy csak a lezárási tartományban tartózkodjon. Cél az aktív tartományon való minél gyorsabb áthaladás. Kapcsoló üzemben a kollektor szakadásként viselkedik, nem folyik rajta áram, ha az emitterdiódát nem nyitják ki, azaz a rákapcsolt feszültség kisebb a szükséges nyitófeszültségnél; ekkor a bázisáram is zérus értékű. Ha a nyitófeszültséget az emitterdiódára kapcsolják, bázisáram indul meg, a tranzisztor kollektorán ennek B-szerese folyhat (ic = B * ib). Így a bázis-emitter közé kapcsolt feszültség változtatásával a tranzisztor kollektor árama be/kikapcsolható. A bekapcsolt állapotban teljesen nyitott, a kikapcsolt állapotban teljesen zárt a kapcsoló. A karakterisztikán fel van tüntetve a tranziens pillanatnyi munkapontjának mozgása. Ohmos és kapacitív esetben is. A keletkező veszteségi teljesítmény arányos a munkagörbék által bezárt területtel.

Bistabil multivibrátor felépítése két, egymásról visszacsatolt kapcsoló üzemű tranzisztorral Teljesen szimmetrikus áramkör két stabil állapottal. Egyikből másikba külső jel billenti át.

-5-

A kéttranzisztoros bistabil multivibrátor részletes működése A kimeneti jelszint csak akkor változik, ha az átbillenési folyamatot egy bemeneti jel kiváltja. Alapállapotban sem az S, sem az R bemenetekre nem adunk jelet. Ilyenkor az áramkör a két stabil állapot egyikében stagnál, és ott is marad, amíg nem kezdődik meg az átbillenési folyamat. Ha az S bemenetre tápfeszültséget adunk, akkor a T1 emitter-bázis diódán meginduló áram hatására a tranzisztor kinyit, T1 kollektor feszültsége lecsökken. Emiatt T2 bázisárama csökken, T2 kollektor feszültsége nő. Ez a növekedés visszahat az R2 ellenálláson keresztül T1 bázisára és tovább növeli annak bázisáramát. A kapcsolás a stabil állapotot akkor éri el, ha T1 teljesen kinyit. T2 ekkor teljesen lezár, és R2-n keresztül T1-et nyitva tartja. Ezek után az S bemenetről levehetjük a tápfeszültséget, az áramkör megtartja stabil állapotát. Az áramkör másik stabil állapotába történő átbillenését úgy idézhetjük elő, hogy az R bemenetre adunk tápfeszültséget.

A bistabil multivibrátor funkciója, felhasználása Számítógépek alapelemei impulzusok tárolására.

-6-

A.4. Optoelektronikai eszközök, tulajdonságaik, karakterisztikáik és alkalmazásuk LED-ek A LED – Light Emitting Diode – egy speciális félvezetőkből felépített dióda, mely azon átfolyó áram hatására fényt bocsát ki. Ha nyitóirányú áram folyik keresztül a p-n átmeneten, akkor az n rétegből elektronok jutnak a p rétegbe, a p rétegből lyukak diffundálnak az n rétegbe. A diffúziós folyamat során az energia fotonok formájában kisugárzik. Jellemző értékei a fénykibocsátó felület, a sugárzási teljesítmény, és a fényerősség. Határértéke: a maximális megengedett nyitó-, ill. záró irányú áramerősség értéke.

Fotodióda Két különböző rétegből áll, diódákhoz hasonló, különleges felépítésű félvezető diódák. Megvilágítás hatására megfelelő energiájú fotonok hatolnak be a p-n átmenetbe. A fényelektromos hatás következtében töltéshordozó párok keletkeznek, ezek a villamos erőtér által szétválnak, majd kifelé áramot hoznak létre, amely áram mind nyitó, mind záró irányú külső feszültség hatására is záró irányba folyik.

Fototranzisztor Emitter átmenettel kiegészített, tranzisztoros szerkezetű fotodióda. Kollektor-bázis átmenetük fotodiódaként működik. A záró irányban előfeszített p-n átmenet megfelelő megvilágítása esetén a fellépő fényelektromos hatás lévén keletkező töltéshordozók megnövelik a kollektor-bázis átmenet záró irányú áramát, amely áram megjelenik a kollektor körben. Tehát a kollektor-bázis fotodiódán átfolyó áram bázisáramot hoz létre, amelynek következtében felerősített kollektor áram keletkezik.

Optocsatoló Vagy más néven fénycsatolók. Ha két áramkört galvanikusan kell elválasztani egymástól, vagy ha el akarjuk kerülni, hogy a meghajtó áramkörre a meghajtott kör visszahatást fejtsen ki fénycsatolókat alkalmazunk. A fényadó/optikai adó rendszerint egy fénykibocsátó dióda, a fényvevő/optikai vevő pedig egy fotodióda vagy fototranzisztor lehet. Távvezérlésre használható.

Fotokapu Elektromos áramkörök közötti jelátvitel. Fő részei: LED + fototranzisztor, ahol a LED az egyik áramkör kimenő jelét fénnyé alakítja át, a fototranzisztor a fényt pedig elektromos jellé. Használati példa: számítógépes optikai egerek.

-7-

A.5. Analóg és digitális oszcilloszkópok Az oszcilloszkópok feszültség vagy áram jelalakjának vizsgálatára szolgáló, a méréstechnikában leggyakrabban használt készülékek. Közvetlenül feszültség-idő függvényt vagy fázishelyzetet jelenít meg a képernyőjén. Ez a megjelenítő képesség adja előnyét például a multiméterekkel szemben, több információ szerezhető meg így. Meghatározható velük a jel amplitúdójának nagysága, a frekvencia. Az analóg oszcilloszkópok a hagyományos oszcilloszkópok a lejjebb taglalt módon működnek. A digitális oszcilloszkópok a mérendő jeleket mintavételezik, az analóg értékű mintákat digitális értékké alakítják, majd a digitális értékeket dolgozzák fel, és jelenítik meg, például számítógépen.

Felépítés, a funkcionális egységek feladatai, működésmód, az oszcilloszkóppal való mérés menete Katódsugárcső: A jelalak megjelenítéséért felelős megfelelő vezérlés esetén. A katódsugárcső kúpos kialakítású, tölcsérszerű zárt vákuumcső. Vékony, hengeres részében található az elektronágyú. A fűtött katódból az anód és a katód közötti elektromos tér hatására elektronok lépnek ki, mely elektródokból álló rendszeren megy keresztül az anód felé gyorsulva. Az elektronsugarakat egy ernyőre vetíti ki egy pontra. A megjelenítés gyakorlati alapja a katódsugárcső, ahol a képernyőbe becsapódó elektronok a képernyő anyagába fényt bocsátanak ki. Fűrészjel generátor: Az oszcilloszkópokkal leggyakrabban periodikus időfüggvényeket vizsgálunk, vagyis a képernyő vízszintes tengelye az időtengely. Mivel a jelek időben nagyon gyorsan változnak, a bejövő jel egy darabjának egyszerű felrajzolását szemmel nem tudjuk értékelni, és nem lehet kiértékelni, ezért biztosítani kell a folyamatos, azonos pozíciójú ábrázolást. A fűrészjel generátor által előállított jel a vízszintes erősítőn keresztül a vízszintesen eltérítő lemezpárra jut. A felerősített jel akkora, hogy az elektronnyalábot a képernyő szélső pontjáig kitéríti. Beállításokat végezhetünk az oszcilloszkópon, hogy a szükséges jelalakot láthassuk a képernyőn, és ezekkel a beállításokkal a generátort működését állítjuk. Függőleges erősítő: A függőleges erősítőn keresztül jut a jel a függőleges lemezpárra. A függőleges erősítő segítségével olvashatunk le amplitúdót. Leolvashatjuk a négyzetháló függőleges osztása alapján, hogy a leolvasott érték mekkora feszültségnek felel meg. Vízszintes erősítő: A vízszintes erősítőn keresztül jut a jel a vízszintes lemezpárra.

-8-

A.6. A tranzisztor alkalmazása lineáris üzemben Lineáris működés esetén: a tranzisztoron folyó áram egyenesen arányos a vezérlőjel megváltoztatásával. A tranzisztor lineáris működését erősítőkapcsolásokban használhatjuk. Lineáris üzemben a bemeneti karakterisztika egyenes szakaszán és a kimeneti karakterisztika aktív tartományában üzemel. Ez állapotába hozásához munkapont-beállításra van szükség. A tranzisztor karakterisztikája nem lineáris, a munkapont jelentősen befolyásolja a jel torzulását. A helyes működéshez a vezérlőjel amplitúdójához megfelelően illeszkedő karakterisztika kell. A munkapont beállítás lényege a bemeneti karakterisztikán egyenáramú beállítása. Pmax: a megengedhető legnagyobb kollektor veszteség; ic és Uce szorzata = hiperbolák; Uce és ic összetartozó értékpároknak a hiperbola alatt kell lenni.

Földelt emitteres erősítőkapcsolás: felépítése, működése, helyettesítő kapcsolása, paraméterei A földelt emitteres alapkapcsolás általános célú nagy erősítés fokozat, egy erősítő láncban főerősítőként használjuk. Az áramkör bemenetére érkező váltakozó áramú jelet a C1 bemeneti kondenzátor az egyenfeszültségről leválasztva ellenállásokon keresztül a tranzisztor bázisára továbbítja. Az ellenállások a bázisfeszültség beállításával az erősítő munkapontját határozzák meg. Ce szerepe, hogy ie változását felvegye, Re-n egyenáram folyjon. Működése: a bemenetre adott váltakozó feszültség változtatja Ube feszültséget, minek hatására ib változik, illetve ic is változik, így ha ic nő akkor URC is nő, annak hatására Uce feszültség csökken. Tehát a földelt emitteres erősítő felerősített jelet állít elő. Helyettesítő kapcsolása:

-9-

A.7. A tranzisztor alkalmazása lineáris üzemben Lineáris működés esetén: a tranzisztoron folyó áram egyenesen arányos a vezérlőjel megváltoztatásával. A tranzisztor lineáris működését erősítőkapcsolásokban használhatjuk. Lineáris üzemben a bemeneti karakterisztika egyenes szakaszán és a kimeneti karakterisztika aktív tartományában üzemel. Ez állapotába hozásához munkapont-beállításra van szükség. A tranzisztor karakterisztikája nem lineáris, a munkapont jelentősen befolyásolja a jel torzulását. A helyes működéshez a vezérlőjel amplitúdójához megfelelően illeszkedő karakterisztika kell. A munkapont beállítás lényege a bemeneti karakterisztikán egyenáramú beállítása. Pmax: a megengedhető legnagyobb kollektor veszteség; ic és Uce szorzata = hiperbolák; Uce és ic összetartozó értékpároknak a hiperbola alatt kell lenni.

Földelt kollektoros erősítőkapcsolás: felépítése, működése, helyettesítő kapcsolása, paraméterei A kollektor a tápfeszültség forráson keresztül váltakozó áramilag földelve van. A kimeneti ellenállás két részből tevődik össze. A kapcsolás látszó belső ellenállásából melybe a bemeneten lévő alkatrészek is beleszólnak, ezzel a látszó ellenállásértékkel kapcsolódik párhuzamosan az emitter ellenállás, és a tranzisztor kimeneti ellenállása. Amikor a jelgenerátor feszültsége növekszik, az árama hozzáadódik a nyugalmi bázisáramhoz, így a tranzisztor jobban kinyit. A nagyobb kollektoráram nagyobb feszültségesést hoz létre a kollektor-ellenálláson, ezért a kimeneti feszültség csökken nagy áramerősítésért cserébe. A nagy bemeneti ellenállás nem terheli a megelőző fokozatot, a kis kimeneti ellenállás alacsony impedancián teszi lehetővé a teljesítményillesztést, emiatt a kapcsolást elsősorban elválasztó, meghajtó fokozatnak használják, szokás emitter követőnek is nevezni. Működés: A munkaellenállás itt az emitterellenállás. Ha U1 nő, ie is nő, ezáltal URe is nőni fog. ie csak akkor változik ha Ube változik. A feszültségerősítés 1-nél kisebb lesz. A bázisfeszültség változása körülbelül ugyanolyan változást idéz elő az emitterfeszültségbe. Tulajdonságok: nagy bemeneti, kis kimeneti ellenállás; gyakorlatilag változatlan áramerősítés; nagy áramerősítés; teljesítményerősítése közepes.

- 10 -

Helyettesítő kapcsolása:

A.8. A tranzisztor alkalmazása lineáris üzemben Lineáris működés esetén: a tranzisztoron folyó áram egyenesen arányos a vezérlőjel megváltoztatásával. A tranzisztor lineáris működését erősítőkapcsolásokban használhatjuk. Lineáris üzemben a bemeneti karakterisztika egyenes szakaszán és a kimeneti karakterisztika aktív tartományában üzemel. Ez állapotába hozásához munkapont-beállításra van szükség. A tranzisztor karakterisztikája nem lineáris, a munkapont jelentősen befolyásolja a jel torzulását. A helyes működéshez a vezérlőjel amplitúdójához megfelelően illeszkedő karakterisztika kell. A munkapont beállítás lényege a bemeneti karakterisztikán egyenáramú beállítása. Pmax: a megengedhető legnagyobb kollektor veszteség; ic és Uce szorzata = hiperbolák; Uce és ic összetartozó értékpároknak a hiperbola alatt kell lenni.

A differencia erősítő: alkalmazásának célja, a kapcsolás felépítése, funkciója, működése A bipoláris vagy térvezérlésű tranzisztorokkal kialakított differenciál-erősítők az analóg integrált áramkör alapvető kapcsolási egysége. Általános alkalmazását elsősorban szimmetrikus felépítésének és jó egyenáramú erősítő tulajdonságainak köszönheti. Bemenő jel nélkül a kollektor áramai a kollektor ellenállásokon azonos feszültségesést hoznak létre, így nincs feszültségkülönbség. A bemenő jelet szimmetrikusan adjuk a két tranzisztor bázisára, minek hatására a két bázis árama azonos mértékben, de ellentétes értelemben változik, ezért a kollektoráramaik is azonos mértékben, de ellentétes értelemben változik a 2 kivezetés között. A kimeneten a két kollektor ellenálláson eső feszültségesések összege mérhető.

- 11 -

A differencia erősítő akkor ideális, ha a két tranzisztor paraméterei és a megfelelő ellenállások azonosak, tehát teljesen szimmetrikus áramkörről van szó. Működése: Két tranzisztor közös emitterellenállással, két bemenő és két kimenő pont. A két tranzisztort állítjuk olyan munkapontba, hogy a bemenő feszültségük 0 legyen. Ha a tranzisztorok és az ellenállások is egyformák, akkor a kollektorok nyugalmi feszültsége is egyforma. Tehát ez egy olyan erősítő, melynek bemenő vezérlő jele a két bemeneti feszültség különbsége, a kimenő jel pedig a két kimenő feszültség különbsége. Ezért is hívjuk differencia erősítőnek: a közös bemenő jel 0 és a közös kimenő jel is 0. Két féle vezérlési módja van:  

Differenciális vezérlés: bemenetek ellenkező irányúak, a két bázist a földhöz képest eltérő jel vezérli. Közös módusú vezérlés: a vezérlő jel közös, ekkor a két bázist a földhöz képest azonos jel vezérli; tökéletes szimmetria esetén a tranzisztorok áramainak változása azonos nagyságú és fázishelyzetű, a két kollektor potenciálja azonosan változik, így szimmetrikus kimenő jel nincs.

Helyettesítő kapcsolása:

A.9. Egyenfeszültségű erősítők, a kialakítás problémái és megvalósítása Az egyenáramú erősítők alkalmazásának legfőbb problémája a stabil munkapont megvalósítása. A munkapont eltolódásának három oka van:   

a maradékáram hőfok függése, az áramerősítési tényező hőfokfüggése, a bázis-emitter feszültség hőfokfüggése.

A maradékáram szilícium alapú tranzisztoroknál pikoamperes nagyságrendbe esik, az áramerősítési tényező hőfokfüggése kollektor áramváltozást okoz, ezt a jelenséget nevezzük DRIFT-nek. Mindkét esetben célszerű viszonylag kis munkaponti árammal működtetni a tranzisztort, hogy az áramerősítési tényező hőfokváltozása miatti eltolódás értéke minél kisebb legyen a munkapont változás. A harmadik tényező ami munkapont változást okoz az UBE hőfokfüggése, melyet kompenzálással – a munkapont beállításának ugyanolyan mértékű megváltoztatásával – csökkenthetünk.

- 12 -

Megoldásként hőfokfüggés szempontjából legkedvezőbb erősítő típus a differenciáló erősítő. Amennyiben egyforma tranzisztorokat – szoros hőcsatolással – használunk, a hőmérsékletváltozás miatti munkapont eltolódást minimális értéken lehet tartani, ezért a műveleti erősítők alapját is a differenciál erősítők képezik. Megoldások:   

közvetlen csatolású aszimmetrikus erősítő, szimmetrikus egyenfeszültségű erősítő, vivőhullámú egyenfeszültség erősítő

A.10. A műveleti erősítő (funkciók, felépítés / belső blokkok), paraméterei A műveleti erősítők néhány tucat tranzisztorból felépített közvetlen csatolt nagy feszültségerősítéssel rendelkező áramkörök. Szimmetrikus bemenettel és általában aszimmetrikus kimenettel, nagy bemeneti és nagyon kis kimeneti ellenállással rendelkeznek. Jellemző még rájuk a linearitás és az alacsony határfrekvencia. A műveleti erősítő feszültségerősítő, aminek bemeneti jele az Ube, ami az erősítő két bemeneti pontja között mérhető. A kimeneti jel az erősítő kimenete és a tápfeszültség földpontja között mérhető. Az erősítő táplálását a +UT pontra illetve a -UT pontra kötött tápfeszültség biztosítja. Az ideális műveleti erősítő, mint a neve is mutatja ideális, tehát bemeneti ellenállása végtelen kimeneti ellenállása 0, de talán a leglényegesebb sajátossága, hogy az erősítése is végtelen. Felépítés: A bemeneti fokozatban egy differenciálerősítő helyezkedik el. Feladata a szimmetrikus bemenet, valamint, az eredő áram- és feszültségdrift kis szinten tartása a bemeneten. Két szimmetrikus erősítőfokozatból épül fel. A következő fokozatban fázisösszegzőt helyeznek el, ami a differenciálerősítő szimmetrikus kimeneti jelét aszimmetrikussá alakítja át. Ezt az aszimmetrikus jelet szintillesztés után egy újabb feszültségerősítő fokozat erősíti megfelelő szintre. A kimeneten elhelyezkedő végerősítő fokozat egy újabb szinteltoló fokozaton kapja a vezérlőjelet. Az újabb integrált műveleti erősítők kimenetét a túlterhelés ellen áramkorlátozó elektronika védi. Működés szempontjából a műveleti erősítő a vonatkoztatási ponthoz képest szimmetrikus tápfeszültséget igényel. Ha a műveleti erősítő két bemenetére különböző feszültséget kapcsolunk, akkor a kimeneten a két feszültség felerősített különbsége jelenik meg.

- 13 -

Invertáló kapcsolás Az erősítő a kimenetén úgy állítja be a feszültséget, hogy a bemenetén megjelenő U* feszültség éppen 0 értéket vegyen fel. A műveleti erősítőkkel való számolásnál ez azt jelenti, hogy az erősítő invertáló bemenete mindig 0 potenciálon van, és az erősítő felé nem folyik áram.

Összegző kapcsolás

Integráló kapcsolás

Differenciáló kapcsolás

Nem invertáló kapcsolás Ebben a kapcsolásban szintén egy arányos típusú kapcsoláshoz jutunk, csak míg a 12-3. ábra szerinti kapcsolásban a bemeneti és a kimeneti feszültség ellenkező polaritású volt, addig ebben a kapcsolásban a polaritás megegyező.

- 14 -

A.11. A negatív visszacsatolás Negatív visszacsatolás esetén a visszacsatolt jel csökkenti a bemenő jelet, az erősítő kimeneti jelének egy részét a bemenet kapcsaira vezetjük vissza. A földelt emitteres erősítő kapcsolás egy egyszerű negatív visszacsatolás.

Az erősítés változása

Blokkvázlat

A visszavezetett jel ellenfázisban van az erősítendő jellel, a jel csökkenti a bemenő jelet, így a visszacsatolás csökkenti az erősítést.

Az erősítés ingadozásának változása Csökkenti valamelyest az erősítést, de ez csökkenti az erősítés bizonytalanságát. A bizonytalanság azt jelenti, hogy az erősítés bár kis értékkel változik, az eredő erősítésben ez jelentős változást hozhat létre.

Egyéb hatásai Csökkenti a torzításokat, stabilizál, befolyásolható a bemeneti és a kimeneti impedancia.

Alkalmazása Javarészt negatív visszacsatolást alkalmazunk erősítéstechnikában előnyei miatt.

A.12. A pozitív visszacsatolás A kimeneti jelnek a bemenetre visszavezetett része fázisban van a bemeneti jellel, a két jel összeadódik, tehát növeli a bemenő jelet. Jelerősítésre nem alkalmas, mivel kedvezőtlenül befolyásolja az erősítő jellemzőit.

Az erősítés változása

Blokkvázlat

Növeli az erősítést. Elviekben 0 bemenő jelre is ad kimenetet, ha a nevező zérus. Zérusnál kisebb érték esetén: a kimenő jel növekszik, ezáltal a visszacsatol jel is, ami további kimenő jel emelkedéshez vezet, így az erősítő túlvezérelt lesz, nagy lesz a bizonytalansága.

Az erősítés ingadozásának változása Növekedő erősítés mellett növekedő bizonytalanság.

Egyéb hatásai Begerjedés Növeli a zajt, a torzítást. Elegendő erősségű és megfelelő fázisú visszavezetett jel esetén rezgések jönnek létre – ennek kompenzációjára olykor szabályozó szükséges.

Alkalmazása Jelentősége az oszcillátorok működésében van. - 15 -

Az oszcilláció (oszcillátor és gerjedés) Az oszcilláció időben ismétlődő változás valamely stabil állapot körül. Közismert példa az inga és a váltakozó áram. Akkor kell oszcillátor, ha az erősítő olyan frekvenciájú jelet állít elő, amitől az begerjed, ekkor az oszcillátor váltakozó feszültséget állít elő.

Az oszcillátorok elvi megvalósítása visszacsatolással, szükséges feltételek Az oszcillátor (más néven rezgéskeltő) egy olyan villamos áramkör, amely egyenáramú energiát felhasználva stabil, periodikus elektromágneses rezgést hoz létre és tart fenn. Olyan áramkörök, amelyeknek nincs bemenete, csak kimenete. A jelgenerálás alapja a pozitív visszacsatolás. A legegyszerűbb oszcillátor a következő elven működik: egy erősítő eszköz (például tranzisztor) kimenetéről bizonyos mennyiségű jelet visszavezetik (visszacsatolják) a bemenetére (pozitív visszacsatolás). Ha a visszavezetett jel elegendő erősségű és megfelelő fázisú, akkor folyamatos rezgések jönnek létre. Esetenként szükség van a kimeneti jel szintjének (amplitúdójának) szabályozására például abból a célból, hogy a keltett jelek ne tegyék tönkre a következő áramkört. A rezgések megindulása azáltal jön létre, hogy az áramkört bekapcsolva, annak erősítő részén egy zaj-jel indul el, amely elegendő a rezgések beindulásához. RC-oszcillátor: Az RC-oszcillátorban a visszacsatolást ellenállásokból és kondenzátorokból álló hálózat biztosítja. Rendszerint alacsonyabb frekvenciákon (hangfrekvencia) működik. LC-oszcillátor: Az LC oszcillátort főleg rádiófrekvenciás tartományokban alkalmazzák (például jelgenerátor, vevő keverő oszcillátora), mert alacsony frekvencián a szükséges kapacitások és induktivitások fizikai mérete is nagyon nagy.

A.13. Műveleti erősítő alkalmazása erősítő üzemmódban Invertáló kapcsolás: felépítés, működés, paraméterei Az erősítő a kimenetén úgy állítja be a feszültséget, hogy a bemenetén megjelenő U* feszültség éppen 0 értéket vegyen fel. A műveleti erősítőkkel való számolásnál ez azt jelenti, hogy az erősítő invertáló bemenete mindig 0 potenciálon van, és az erősítő felé nem folyik áram. iR1 = iR2 ; Uki = - UR2 = - Ube*R2/R1 A = Uki/Ube = - R2/R1 Fázis fordító hatás; erősítőbe befolyó áram zérusnak vehető a nagy ellenállás és a közel zérus feszültség miatt; az erősítő hatás az ellenállások értékétől függ.

- 16 -

Nem invertáló kapcsolás: felépítés, működés, paraméterei Ube = UR1 Rbe = végtelen ; Rki ~ 0 iR1 = iR2 ; iR1 = Ube/R1 UR2 = iR2 * R2 = Ube * R2/R1 Uki = UR1 + UR2 = Ube + Ube * R2/R1 -> Uki = Ube (1 + R2/R1) A = Uki/Ube = 1 + R2/R1

A.14. A műveleti erősítős impedancia transzformátor származtatása, kapcsolása, működése, paraméterei Az impedancia-transzformátor a nem invertáló erősítő kapcsolásból származik, úgy kaphatjuk meg, hogy R2 -t végtelennek tekintjük, Rv -t es R1 -et pedig zérusnak. Nem igényel vezérlőteljesítményt, végerősítőnek használható. Rbe = végtelen Uki = Ube* ( 1 + 0/végtelen ) = Ube A = Uki/Ube = Ube/Ube = 1

A.15. Differenciáló kapcsolás műveleti erősítővel Ritkán alkalmazzák, mert a bemenetnél a kondenzátoros csatlakozás szakadást jelent, az erősítő elveszti a jelét, így a bemenőjel lassú változása esetén Uki határozatlan. iC = iR Uki = - UR = - iR * R UC = Ube ic = C * dUc/dt = C * dUbe/dt Uki = -RC * dUbe/dt

- 17 -

Integráló kapcsolás műveleti erősítővel iR = Ube/R Uki = UC iC = iR = C * dUbe/dt UC = - 1/C * ∫ iC dt = - 1/RC * ∫ Ube dt Uki = - 1/RC * ∫ Ube dt = - 1/T * ∫ Ube dt ahol T = RC időállandó

A.16. Komparátorok funkciói A komparátorok vagy más néven szintdetektorok két bemeneti jel összehasonlítását végzik: a kimeneti jel abszolút értéke mindig konstans, de előjele a nagyobbik abszolút értékű bemeneti jel előjelével kapcsolatos. Alapáramköre a műveleti erősítő. A komparátorok két analóg feszültséget fogadnak, kimenetük bináris érték, amely megmondja, hogy a pozitív bemenet magasabb potenciálon van-e, mint a negatív. Tulajdonképpen egy bites A/D átalakítók. Egy visszacsatolatlan műveleti erősítő is komparátorként működik – lassabban működik, mint a komparátorok, és nem rendelkezik olyan speciális tulajdonságokkal. Gyakori alkalmazás az, hogy egy feszültség-értéket egy referenciához hasonlítanak, ezért sok komparátorban van beépített feszültségreferencia. Általános jellemzők még: nagyon gyors kapcsolásra tervezik őket, beépített hiszterézis, lekapcsolási lehetőség, kis tápfeszültség, van beépített feszültségreferencia. „Két információ közötti mennyiségi kapcsolat (kisebb, nagyobb, egyenlő) előállítását végző áramkör. Ha a két bemenő (összehasonlítandó) információ digitális formában adott, akkor a komparátor logikai hálózat, amelynek három egybites kimenete van: kisebb, egyenlő, nagyobb reláció egyikének jelzésére. Analóg bemenő jelek esetén a két mennyiség közül az egyik rendszerint rögzített, hiteles (referencia) érték. Ennek speciális esete a - nullkomparátor, mely analóg jel nullátmeneténél egy-egy impulzust állít elő. Egyéb komparátortípusok: amplitúdókomparátor, csúcskomparátor.”

- 18 -

Műveleti erősítős komparátorok: működés, karakterisztikák, a komparálási pont változtatása Uref : referencia feszültség Összehasonlító erősítő: egy referencia feszültséghez képest kisebb vagy nagyobb lesz a kimeneti feszültség. Ud-t vagyis a két bemenő feszültség különbségét erősíti. Ud = Ube – Uref A = Uki/Ud = 10^6..7

A.17. Hiszterézises komparátorok funkciói A hiszterézis nélküli komparátorok már nagyon kis bemeneti feszültség esetén átkapcsolnak. Ez az átkapcsolási tartomány megnövelhető a hiszterézissel. A komparátor arra van optimalizálva, hogy ha a két bemenete közt a lehető legkisebb különbség van, akkor a kimenete a megfelelő irányban maximálisan térjen ki (logikai érték) és tegye ezt a lehető legnagyobb sebességgel. Ha az egyik bemenet egy fixen rögzített érték és a másik pontosan ekörül ingadozik, akkor a kimenet a két tápsín között ugrál. A hiszterézis hatására a kapcsolási sáv széthúzódik, a kapcsolások száma ritkul. A hiszterézisért felelős visszacsatolás a bemeneti ágban van. A hiszterézisre azért van szükség, hogy ha egymáshoz nagyon közeli bemeneti értékeket vizsgáljunk, ne oszcilláljon be a kimenet. Alkalmazásuk a hűtő és fűtő berendezéseknél, klímaberendezéseknél, továbbá tartály szintszabályozásoknál nagyon gyakori.

Műveleti erősítős hiszterézises komparátor: működés, karakterisztikák, a komparálási pont változtatása, a hiszterézis változtatása iRa = iRb Felváltás – leváltás váltakozása Hiszterézis feszültség: UH = Ube.fel – Ube.le Ube^ = RG/Rb * (Uref – UQL) Ube.le = Ra/Rb * (UQH – UQL) UH = RG/Rb * (UQH – UQL)

- 19 -

A.18. Tápegységek felépítése, részfunkciók

A tápegységek elsődleges feladata megfelelő nagyságú, megfelelően kicsi hullámosságú egyenfeszültség biztosítása a mérések elvégzéséhez. Természetesen léteznek váltakozó feszültségű tápegységek is, de ezek elterjedtsége kisebb, mivel a váltakozóáramú mérések során a legtöbb esetben kielégítő a hálózati 230V letranszformálásával nyert feszültség paraméterei. Ezen ok miatt a továbbiakban csak az egyenáramú tápegységekkel foglalkozunk. Az egyenfeszültségű tápegységek az esetek jelentős részében zárlatvédelemmel kerülnek kialakításra. A zárlatvédelem feladata a tápegység kimeneteit terhelő, a megengedettnél nagyobb mértékű áram leszabályozása általában a kimeneti feszültség leszabályozása által (un. visszahajló áramkarakterisztika). A tápegységek fontosabb paraméterei:     

Névleges bemeneti feszültség, illetve bemeneti feszültségtartomány (pl. névleges: 230V, 50Hz, tartomány: 190V-250V, 50Hz), Kimeneti feszültségtartomány (pl. 15V, vagy 0-25V. Változtatható feszültségű tápegységnél hasznos, ha a feszültség alsó értéke 0V), A kimeneti feszültség hullámossága (megadása az egyenfeszültségre szuperponálódó váltakozókomponensek maximális amplitúdójával történik, pl. 50mV), A kimenetek maximális terhelhetősége, A kimeneti túláramvédelem beállítható védelmi értékének tartománya (pl. 0-2A).

Az átalakítás a bemeneti feszültség letranszformálásával kezdődik. Ennek a lépésnek az a célja, hogy a stabilizátoron ne keletkezzen túl nagy veszteségi teljesítmény. Természetesen ez a lépés csak akkor hatásos, ha a transzformátor magas hatásfokú (de ez általánosságban igaz). A transzformátor – állandó frekvencia mellett amplitúdó változtatás – után az egyenirányító – lüktető egyenfeszültséget állít elő – következik, ez az esetek jelentős részében Graetz híd részben a transzformátorral szembeni követelmény, részben a kimeneti jelalak miatt. Ez az egyenirányítás azért fontos, mert a kimeneti feszültség hullámossága nem 50Hz, hanem 100Hz, ezt hatékonyabban lehet szűrni. A szűrés – az egyenirányító lüktetését simítja ki – sok esetben csak egy párhuzamos kondenzátor – minél nagyobb a kondenzátor kapacitása, annál nagyobb mértékű szűrést valósít meg. Hatékony szűrést tesz lehetővé a kimenettel sorba kapcsolt induktivitás (un. fojtótekercs) is, de ezt az induktivitás nehézkes kialakítása miatt ritkán alkalmazzák. Stabilizátor: a kimenő feszültséget állandó értéken tartja, véd túláram ellen.

- 20 -

Stabilizátor kapcsolások (zeneres, áteresztő tranzisztoros és túláram-védelem) A stabilizáló fokozat állandó kimeneti feszültség esetén megvalósítható egyetlen Zener-dióda és egy előtétellenállás soros kapcsolásával – a stabilizált feszültség a Zener-diódáról vehető le. Ennek a megoldásnak a hátránya, hogy a Zenerzáróirányú karakterisztika nem végtelen meredekségű, ezért a terheléssel változik a kimeneti feszültség értéke. Jobb eredményt kapunk, ha a Zener-diódát feszültségkövető tranzisztoros kapcsolással kombináljuk, lásd ábra. A túláramvédelem ugyanebben a stabilizátor fokozatban megvalósítható oly módon, hogy a kimeneti áramot egy kis értékű soros ellenállással érzékeljük, és ez a soros ellenállás egy áramkorlátozó tranzisztor nyitófeszültségét biztosítja. Napjainkban az integrált áramkör gyártó cégek a stabilizálás és túláramvédelmi feladatokat egyetlen áramkörbe sűrítik, ezekkel a stabilizátor IC-kkel lehet a legkényelmesebben, legegyszerűbben dolgozni. Az energiaellátásban külön kategóriát képviselnek az ún. kapcsolóüzemű tápegységek. Ezeket a berendezéseket azért fejlesztették ki, hogy csökkentsék a hagyományos tápegységek (elsősorban a transzformátor miatti) nagy méretét, valamint növeljék hatásfokát és ezzel csökkentsék a disszipált teljesítményt. A működés elve az, hogy egy induktivitást (lehet transzformátor is) energiatárolásra használunk oly módon, hogy a primer oldalát egyenfeszültség nagyfrekvenciás megszaggatásával nyert impulzusokkal tápláljuk. Az impulzusok szélességével követhető a felvett kimeneti teljesítmény, a vezérlés magas frekvenciája (20kHz-500kHz között) miatt kisméretű, ferritmagos tekercsek és transzformátorok alkalmazhatóak. Áteresztő tranzisztoros stabilizátorok A félvezető soros stabilizátorban a beavatkozó szabályozóelem egy tranzisztor, amelynek „ellenállását” – a tranzisztort jobban vagy kevésbé „kinyitva” – a bázisáramával lehet változtatni. Az ilyen rendszerű soros stabilizátort áteresztő tranzisztoros stabilizátornak nevezik. Soros stabilizátorok:

Párhuzamos stabilizátorok:

jobb, biztosabb stabilitás egyszerű felépítés,

túláram esetén sem megy tönkre

- 21 -

A.19. Vezéreletlen egyenirányítás egy- és háromfázisú rendszerekben Egyenirányítónak nevezzük azokat a készülékeket, amelyek a váltakozó feszültséget egyenfeszültséggé alakítják. Az egyenirányítók általában transzformátort és félvezetőket, valamint simítás céljából kondenzátorokat tartalmaznak. Egyfázisú egyutas együtemű kapcsolás Ez a legegyszerűbb egyenirányító kapcsolás. Röviden visszautalva ebben a kapcsolásban a kapocsfeszültség pozitív félperiódusában a dióda vezet, a feszültség a terhelőellenálláson esik, a negatív félperiódusban pedig a dióda zár, a körben így a terhelő ellenálláson sem folyik áram, a kapocsfeszültség a diódán esik. Hullámossága viszont nagy. Egyfázisú egyutas kétütemű kapcsolás A kapcsolás jelentős hátránya, hogy alkalmazásához szükség van egy középmegcsapolású transzformátorra. Maga a kapcsolás egyébként nem más, mint két egyutas együtemű egyenirányító házassága, ahol minden félperiódusban felcserélődik a diódák szerepe. Az első félperiódusban az egyik dióda vezet, a másik zár, a másik félperiódusban pedig a másik dióda vezet és az első zár. Egyfázisú kétutas kétütemű kapcsolás A gyakorlat szempontjából talán a legjelentősebb egyenirányító kapcsolás, elterjedt nevén Graetz híd. Mint látható, a kapcsolás négy diódát tartalmaz, amelyből minden félperiódusban kettő-kettő vezet.

Háromfázisú egyutas háromütemű kapcsolás Háromfázisú táphálózat megléte esetén mindenképpen célszerű a háromfázisú egyenirányítók alkalmazása. Ennek egyik oka, hogy ilyen egyenirányító használata mellett a hálózat terhelése szimmetrikus lesz, ami mindenképpen elérendő cél. Másik ok, hogy a háromfázisú egyenirányítók által előállított egyenfeszültség lényegesen simább, mint amit egyfázisú egyenirányító kapcsolással el lehet érni. A háromfázisú egyutas háromütemű kapcsolás a legegyszerűbb a háromfázisú kapcsolások között. A kapcsolásban egyszerre mindig egy dióda, mégpedig az vezet, amelyikhez tartozó fázis éppen a legmagasabb potenciált szolgáltatja, azaz itt a diódák nem a fázisok feszültségnullátmeneténél zárnak illetve nyitnak, hanem ott ahol az egyes fázisok potenciálja egymáshoz képest megváltozik. - 22 -

Formatényező, hullámosság A formatényező (k) megegyezik az effektív és abszolút érték hányadosával: 𝑘=

𝑈𝑒𝑓𝑓 𝑈𝑒𝑘

A hullámosság (y) a szélsőértékek különbségének és egyenáramú összetevőjének a hányadosa: 𝑦=

∗ 𝑈𝑒𝑓𝑓 ∗∗ 𝑈𝑒𝑘

Összefüggés: 𝑦 = √𝑘 2 − 1

A dióda jellemzői, alkalmazása Ha egy félvezetőt olyan anyaggal szennyezzük, amely eggyel több atommal rendelkezik, mint a félvezető, akkor a kristályszerkezetben jelentős elektrontöbblet jelenik meg, így a félvezető vezetőképessége megnő. A vezetőképesség megnövekedését az elektronok okozzák. Hasonlóképpen, ha a félvezetőt olyan anyaggal szennyezzük, amelynek vegyértéke eggyel alacsonyabb, mint a félvezetőé, akkor a kristályszerkezetben lyukak keletkeznek, és ezeknek a lyukaknak a vándorlása hozza létre a vezetést. Azokat a szennyezett félvezetőket, amelyeknél a vezetést a negatív töltésű elektronok okozzák ’n’ típusú, azokat pedig, amelyeknél a vezetést pozitív töltésű lyukak végzik ’p’ típusú félvezetőnek hívjuk. Ha a félvezető kristály egyik oldalát p míg a másik oldalát n típusú anyaggal szennyezzük, akkor a rétegek határán kialakul egy olyan réteg, ahol a p réteg szabad pozitív töltései semlegesítik az n réteg szabad negatív töltéseit. Ha a félvezető két rétegére olyan módon kötök villamos feszültséget, hogy a p réteg negatív, az n réteg pedig pozitív potenciálra kerül, akkor a külső hatás a szennyezet félvezetőben levő vezető töltéseket távolítja egymástól, azaz növeli a kiürített réteg szélességét, azaz a kristály továbbra sem vezet. Félvezető diódák kialakításánál az előbb említett p-n átmenet működését használjuk ki. A dióda feszültségáram diagramját a következő ábra mutatja. A jelleggörbe jellegzetes pontja a küszöbfeszültség, ahol a dióda vezetni kezd, illetve az a záróirányú feszültség, ahol az úgynevezett lavinaeffektus bekövetkezik. A félvezető diódákat általában egyenirányításra használjuk, ezeknek az üzemi tartománya nem éri el a záróirányú letörési feszültséget. Léteznek olyan diódák is, amelyek kifejezetten a letörési tartományban üzemelnek, ezeket Zener-diódának hívjuk.

- 23 -

A.20. Tirisztor A tirisztor egy félvezető áramköri elem, amely kapcsolóként működik; bizonyos alkalmazásokban vezérelt egyenirányítóként is használják. A tirisztor felépítése megegyezik a négyrétegű dióda felépítésével, azzal a különbséggel, hogy egy további kivezetéssel, vezérlőelektródával rendelkezik. A tirisztor működés közben egy kapcsolóhoz hasonlítható, amelynek bekapcsolása (gyújtása) és kikapcsolása (oltása) olyan frekvenciával és logika szerint történik, amelyet az általa vezérelt fogyasztó megkövetel. A bekapcsolás a kapuelektródára adott megfelelő polaritású, elegendően nagy és elegendően hosszú ideig tartó áramimpulzussal vagy feszültségimpulzussal biztosítható. Bekapcsolt állapotban a tirisztor vezérlőelektródája hatástalanná válik. Kikapcsolása csak a kritikus áramnál kisebb anódáram esetén lehetséges. A tirisztor egy félvezető áramköri elem, amely kapcsolóként működik; bizonyos alkalmazásokban vezérelt egyenirányítóként is használják. A vezérlőelektróda és a katód lábai közé kapcsolt vezérlőjel hatására a tirisztor „begyújt”, vagyis áramot vezető állapotba kerül. Az átfolyó áram csak akkor szűnik meg, ha a tirisztor anód-katód lábai között az átfolyó áram megszűnik, amely állapot több esetben fordul elő a gyakorlatban; a legjellegzetesebbek:  



szinuszos jel egyenirányításakor a szinuszjel nullátmenetének pillanatában több különböző fázisú szinuszos feszültség egyenirányításakor, hídkapcsolásban, a kommutáció pillanatában (mikor két fázis feszültségkülönbsége nulla), ha a tirisztor 0 gyújtáskésleltetéssel működik egyenirányított szinuszos jel esetén a szűretlen, úgynevezett lüktető egyenáram nullába futásakor

Billenési feszültségek (Ub0, Ub1, Ub2, … Ubn): különböző vezérlő áramok esetén a kis ellenállású állapotba ezeken a feszültségeken kapcsol át a tirisztor. Kritikus feszültség (Uk): a vezetési tartomány kezdő feszültsége. Kritikus áram (Ik): a vezetési tartomány kezdő árama, alatta a tirisztor nagy ellenállású.

- 24 -

Reteszelési áram ( Ir): a tirisztor anódáramának legkisebb értéke, amelyet a kapuelektródát vezérlő pozitív impulzus időtartamáig biztosítani kell ahhoz, hogy a tirisztor begyújtson. Záró feszültség (Uz): a Zener - jellegű letörés feszültsége. A felhasználásakor a triachoz hasonlóan, ha nem a szinuszjel elején lesz „begyújtva” a tirisztor, így elkerülendő a tirisztor begyújtásakor keletkező túl gyors áram-, illetve feszültség-emelkedés, ezzel a módszerrel teljesítményszabályozó, illetve lágyindító áramkör készíthető, amelyben a tirisztor minimális disszipációval rendelkezik, ezáltal jó a hatásfoka és csak csekély hűtést igényel. Megjegyzés: ha éppen triac áll rendelkezésünkre, az is beépíthető a tirisztor helyére. A triac másik félperiódusbeli viselkedése ebben az esetben nem lesz kihasználva. A tirisztor három p-n átmenetet tartalmaz. Ebből kettő nyitóirányú, egy pedig záróirányú. A tirisztornak három érintkezője van: anód, katód, és vezérlőelektróda. Amennyiben a vezérlést az elektromos áram mindkét periódusára szeretnénk alkalmazni, két tirisztort szemben, egymással párhuzamosan kapcsolva alkalmazunk. Ennek az eszköznek az áramköri neve a triac.

A tirisztor egy vezérlőelektródával (G-gate, kapu) ellátott négyrétegű dióda. Pozitív anódfeszültség esetén a vezérlőelektródára adott pozitív feszültség csökkenti a középső p-n átmenet lezárását, így már kisebb UAK feszültség mellett bekövetkezik a billenés (gyújtás). Nagyobb UG vezérlőfeszültség mellett – mivel tovább csökken a középső p-n átmenet záró hatása – még kisebb UAK feszültség szükséges a billenéshez. Mivel a billenés után a négyrétegű dióda és így a tirisztor is bekapcsolt állapotban marad, a vezérlőfeszültséget nem szükséges tartósan a G elektródán hagyni. A gyújtófeszültség ezért egy pozitív feszültségimpulzus is lehet, de gyakorlatban, inkább impulzussorozatot alkalmaznak. A tirisztor kikapcsolása úgy lehetséges, hogy az IA áramot a tartóáram értéke alá csökkentjük.

Triak A TRIAC (TRIode for Alternating Current) egy ötrétegű félvezető áramköri elem, amely modellezhető két egymással antiparallel kapcsolt tirisztorral. Váltakozó áramon nagy teljesítményű fogyasztó be- és kikapcsolására használják. A szinuszos jel nullátmenetekor (áramfolyástól mentes pillanat) kikapcsol, így minden periódusban eldönthető, hogy bekapcsoljon vagy sem. A szinusz periódusa közben nincs mód a kikapcsolására. Ha erre mégis igény mutatkozna, IGBT-t célszerű alkalmazni. A1: 1. anód, vagy más néven felső anód A2: 2. anód, vagy más néven tokanód G: kapuelektróda, gate

- 25 -

TRIAC → Triode for Alternating Current Semiconductor Switch → kétirányú tirisztortrióda, vezérelhető félvezető kapcsoló eszköz. Ötrétegű félvezető áramköri elem, amely két db tirisztor fordított irányú párhuzamos kapcsolásával, egy kristályban történő egyesítésével modellezhető. Kétirányú tirisztortriódának is nevezik. A gyártásnál közös vezérlőelektródával látják el, melyen keresztül az eszköz a váltakozó áram mindkét félperiódusában vezérelhető. További érdekessége, hogy ha nem a szinuszjel elején lesz „begyújtva”, hanem a szinusz közben valahol, ezzel a módszerrel teljesítményszabályozó vagy lágyindító készíthető vele. Előnye: minimális disszipációval lehet számolni az alkalmazása során, hiszen vagy szakadás állapotában van, vagy teljesen bekapcsolt állapotában, amikor a nagy átfolyó áram mellett is csak 1,5 V körüli feszültség esik rajta a gyakorlatban. Így csak kismértékű hűtést igényel, jó hatásfokú félvezető alapú kapcsolóelem.

Vezetési áram (It): a legnagyobb tartósan megengedett terhelőáram. Kritikus áram (Ik): a vezetési tartomány kezdő árama, alatta a TRIAC kikapcsol. Reteszelési áram (Ir): a TRIAC áramának legkisebb értéke, amelyet a kapuelektródát vezérlő impulzus időtartamáig biztosítani kell ahhoz, hogy a TRIAC begyújtson. Billenési feszültség (Ub0): a blokkolási és az átmeneti tartomány határfeszültsége. A TRIAC pozitív és negatív polaritással is működik, ezért a háromféle tartomány a karakterisztika mindkét oldalán megtalálható. A gyújtás bekövetkezése után a vezérlőelektróda hatástalanná válik. Az eszköz kikapcsolásához az anódáramot kell Ik kritikus érték alá csökkenteni. A TRIAC-ot a műszaki gyakorlatban igen gyakran váltakozó áramú teljesítmények szabályzására, vezérlésére használják. Alkalmas a váltakozó áramú rendszerekben nagy teljesítményű fogyasztó beés kikapcsolására, s előfordul érintkező nélküli kapcsolóként is.

- 26 -

Tirisztoros vezérelt egyenirányítás mérése

A.21. Négypólus paraméterek, cél, paraméterrendszerek, számítási mód Négypólusnak nevezzük az olyan hálózatokat, amelyeknek két-két pár összesen 4 kivezetése van, a fogyasztókat és a termelőket kötik össze általában. A négypólust meghatározottnak tekintjük, ha ismerjük a be és kimeneti feszültségeket. Bármely kettő ismeretében a másik kettő meghatározható. A négypólus paraméterei olyan állandók, amelyek segítségével a ki és bemeneti jellemzők közötti függvénykapcsolat felírhatók. Passzív négypólus: R, L, C, M, aktív négypólus: generátor. Egy négypólus akkor szimmetrikus ha minden csatlakozás felől ugyanúgy viselkedik. Lineáris, ha a bemeneti jelet arányosan alakítja át. Paraméterezés: bármely négyből a többi meghatározható, egyértelmű kapcsolat van köztük.

Impedancia paraméterek (áramok ismeretében a feszültségek): 𝑈 =𝑍∙𝑖 𝑈1 = 𝑍11 ∙ 𝑖1 + 𝑍12 ∙ 𝑖2 𝑈2 = 𝑍21 ∙ 𝑖1 + 𝑍22 ∙ 𝑖2

- 27 -

Láncparaméterek: 𝑈1 = 𝐴11 ∙ 𝑈2 + 𝐴12 ∙ 𝑖2 𝑈2 = 𝐴21 ∙ 𝑈2 + 𝐴22 ∙ 𝑖2

Hibrid paraméterek: 𝑈1 = 𝐻11 ∙ 𝑖1 + 𝐻12 ∙ 𝑈2 𝑈2 = −𝐻21 ∙ 𝑖1 + 𝐻22 ∙ 𝑈2

Admittancia paraméterek (feszültségeket ismerjük az áramokhoz): 𝑖1 | 𝑈1 𝑈2 =0

𝐼 =𝑌∙𝑈

𝑌11 =

𝑖1 = 𝑌11 ∙ 𝑈1 − 𝑌12 ∙ 𝑈2

𝑌21 = 𝑈2 |𝑈2 =0

𝑖

1

𝑌12 =

𝑖1 | 𝑈2 𝑈1 =0 𝑖

𝑌22 = 𝑈2 |𝑈1 =0 2

𝑖2 = 𝑌21 ∙ 𝑈1 + 𝑌22 ∙ 𝑈2

Négypólus paraméterek mérése Úgy vizsgáljuk őket, hogy eltekintünk a belső felépítéstől, csak kívülről „szemléljük” őket: ellenálláshálózat mérése. Impedancia:

- 28 -

Láncparaméterek mérése:

A.22. FET, MOSFET: felépítés, jellemzők, karakterisztikák és alkalmazás A térvezérlésű tranzisztorok (Field Effect Transistor = FET) működési elve alapjaiban eltér a bipoláris tranzisztoroktól. Az áramvezetés mértéke statikus feszültséggel befolyásolható. Tehát nincs vezérlőáram, a vezérléshez teljesítmény sem szükséges, továbbá a bementi ellenállása közel végtelen. Tehát a FET tranzisztor egy feszültségvezérelt áramforrás. A Metal-Oxid-Semiconductor (MOS) típusú tranzisztorok a technológiai fejlesztés újabb eredményei. A MOSFET (Metal Oxide Semiconductor, magyarul: fém-oxid félvezető) a belső rétegek sorrendjére (Field Effect Transistor, magyarul: térvezérlésű tranzisztor), a tranzisztor működési elvére utal. Az unipoláris tranzisztorok működésénél a többségi töltéshordózóknak van szerepe. A modern (mind analóg, mind digitális) integrált áramkörök döntő többsége növekményes MOS tranzisztorokból épül fel. A töltéshordozók forrása a Source, a töltéseket a Drain nyeli el. A Drain és a Source adalékolása azonos típusú, az alapkristályé (Bulk vagy Substrate) ellentétes. A csatornán folyó áramot a kapuelektróda, a Gate vezérli. A Gate elektródát szigetelő réteg (általában szilícium-dioxid) választja el a csatornától. A kapuelektródán keresztül gyakorlatilag nem folyik áram, a tranzisztor árama a csatornában folyik. A negyedik az alapkristály (substrate) kivezetése, amely gyakran össze van kapcsolva a Source-szal. Kétféle FET létezik. A „növekményes” vagy „önzáró” típus csatornáján csak akkor folyik áram, ha a Gate elektróda feszültséget kap. A „kiürítéses” vagy „önvezető” típus esetén a Gate-re kapcsolt feszültség a csatorna áramát csökkenti. A FET tranzisztor a bipoláris tranzisztorokhoz hasonlóan, három kivezetéssel rendelkező félvezető eszköz. Neve az angol Field Effect Transistor elnevezésből származik. A térvezérlésű tranzisztorok másképpen működnek, mint a bipoláris tranzisztorok, ezért megkülönböztetésül másképpen is hívják az elektródákat: az emitternek a source (forrás), a bázisnak a gate (kapu), a kollektornak a drain - 29 -

(nyelő) elektróda felel meg. A működés lényege, hogy a gate elektróda környezetében kialakult kiürített réteg vastagságával befolyásolni lehet a csatorna ellenállását, azaz vezérelni lehet a kimenetet. A bipoláris tranzisztoroknál a kollektoráramot a bázisárammal vezéreljük, miközben a bázis-emitter diódát nyitó irányban használjuk. Ezzel szemben a térvezérlésű tranzisztoroknál a gate elektróda záró irányban van igénybe véve (vagy el van szigetelve), áram így gyakorlatilag nem folyik, tehát a csatorna áramát a gate elektróda környezetében kialakult villamos tér vezérli. A térvezérlésű tranzisztorok működésüket tekintve tehát feszültséggel vezérelt áramgenerátorok. Tipikus alkalmazási területek: lineáris erősítőkben, digitális kapcsolóáramkörökben, feszültségvezérelt ellenállásként, feszültségvezérelt áramforrásként. MOS tranzisztorok a FET tranzisztorokkal azonos elven működnek. A MOS elnevezés az angol Metal Oxid Semiconductor névből ered, a kivezetések elnevezése a FET tranzisztor kivezetéseivel megegyező. A FET tranzisztor felépítéséhez képest az eltérés az, hogy a gate és a csatorna között igen vékony (általában szilíciumdioxid) szigetelőréteg található. Ennek köszönhetően a gate és a másik két elektróda között gigaohm nagyságrendű az ellenállás. Fontos gyakorlati tudnivaló, hogy az ilyen eszközöket beforrasztás előtt (vagy közben) igen könnyen tönkre lehet tenni az elektródák megérintésével. Ennek az a magyarázata, hogy az elektródák nagyon kis kapacitása miatt már nagyon kis töltésmennyiségek is olyan nagy feszültségeket képesek az elektródán létrehozni, hogy az átüti a szigetelőréteget. Az ilyen eszközök szállítása, kezelése különleges figyelmet és óvintézkedéseket igényel, a beforrasztás után azonban általában már nincs szükség ezekre. A MOSFET jellegzetes karakterisztikáit mutatja be:

CMOS: elv, alkalmazás célja, inverter megvalósítása n és p típusú növekményes tranzisztorok, manapság egyeduralkodó a logikai áramkörökben A mai korszerű berendezésekben gyakran találkozunk a CMOSFET rövidítéssel. A betűszó a Complementary-MOSFET elnevezésből származik. Mivel a MOSFET-eket n- és p-csatornás kivitelben

- 30 -

egyaránt elő lehet állítani, ezeket sorba kapcsolva egyszerű digitális áramköri elemeket lehet létrehozni. Előnyei: logikai szintek „tiszták”, statikus áramfelvétel zérus, azonos fel- és lekapcsolási idők, gyors működés, tápfeszültség érzéketlen A megvalósított logikai áramköri rendszerek másik, nagyobb csoportját a térvezérlésű tranzisztorokkal megvalósított áramkörök alkotják. Ennek oka, hogy ezekkel sokkal kisebb disszipációval rendelkező kapuáramköröket lehet létrehozni, valamint a tápfeszültség nincs rögzítve, mint a TTL rendszernél, hanem bizonyos határok között szabadon megválasztható. További fontos ok, hogy a térvezérlésű tranzisztorstruktúrát könnyebben lehet miniatürizálni, és könnyebb felépíteni a komplementer tranzisztort, mint bipoláris esetben. Maga a CMOS elnevezés a Complementary Metal Oxid Semiconductor elnevezésből származik, a CMOS alapkapu is komplementer tranzisztorokat tartalmaz. Az egész modern számítástechnikában CMOS áramköröket használunk. A CMOS rendszer kifejlesztése az RCA cég nevéhez fűződik (1968). A rendszer előnye a sokkal kisebb áramfelvétel, a 3…15 V tartományban szabadon választható tápfeszültség és a nagyobb zajtartalék. A CMOS rendszernél a logikai 0-hoz a 0 és a tápfeszültség 1/3-a közötti tartomány, míg a logikai igenhez a tápfeszültség maximuma és 2/3-a közötti tartomány tartozik. A CMOS rendszerek hátránya a kisebb működési frekvencia. Míg a TTL rendszerre jellemző működési frekvencia 10 MHz körül van, a CMOS áramkörökre az 1 MHz körüli működési frekvencia a jellemző. A jel terjedéséhez, azaz a jelnek a bemenettől a kimeneten való megjelenéséhez időre van szükség, amely nyilvánvalóan az egész rendszer működési sebességét is befolyásolni fogja. A TTL rendszer átlagos késleltetési idejéhez képest a CMOS rendszer késleltetési ideje kb. egy nagyságrenddel nagyobb, következésképpen a működési frekvencia kb. egy nagyságrenddel kisebb lesz. A térvezérlésű tranzisztorok elméletéből ismert, hogy bemeneti ellenállásuk igen nagy, emiatt érzékenyek a sztatikus elektromosság által keltett nagy feszültségekre. Az áramkörök védelmére emiatt védődiódákat integrálnak a bemenetre, amelyek megakadályozzák, hogy a bemenet potenciálja ne kerüljön jelentősen a pozitív tápfeszültség fölé, de sokkal a nulla alá se kerülhessen (legfeljebb egy nyitott diódányival, ami még nem okoz problémát). A CMOS inverter egy közös kapuelektródáról vezérelt n-MOS és p-MOS eszköz kettőse. Aktív terhelésű inventer, a két tranzisztort egyszerre vezéreljük. Állandósult állapotban a két tranzisztor közül mindig csak az egyik vezet, a másik lezárt. A gyártás a MOS technológián alapul, de a PMOS és az NMOS tipusú áramköri elemek egyidejű felhasználásával olyan kapcsolástechnika valósítható meg, amely a korábbi (például TTL) alkatrészeknél lényegesen nagyobb működési sebesség elérését teszik lehetővé kisebb energiafelvétel mellett. A CMOS áramkörök érzékenyek az elektrosztatikus feltöltődésre, ezért nem szabad közönséges műanyag csomagolásban tárolni, és szerelés közben is szükséges a munkahelyet földelni. A nagyon vékony fém-oxid szigetelőelemek esetén már viszonylag kis feszültségkülönbség (néhányszor 10 V) is átütéshez vezethet.

- 31 -

B.1. Olvadóbiztosítók működése, fajtái, karakterisztikái, alkalmazása Az olvadóbiztosítók, olyan áramkörbe épített, könnyen cserélhető vezetőrészek, amelyek az áramkört az által szakítják meg, hogy a túl áram hatására elolvadnak. Az olvadó biztosítékot a névleges árama, határ árama, kiolvadási jelleggörbéje és megszakító képessége jellemzi. Az olvadóbiztosító (elterjedt téves elnevezéssel biztosíték) olyan készülék, melynek elsődleges feladata az áramköri elemek (vezetékek, villamos motorok, elektronikai berendezések) védelme a túláramok és zárlati áramok káros hatása ellen, vagyis az áramkör megszakítása az erre a célra méretezett, vékony huzal kiolvadásával. Másodlagos feladatuk a névleges elektromos áramerősségüknél nem nagyobb áramok üzembiztos vezetése. Az áramkörbe sorosan kötve egy meghatározott áramerősségnél túlmelegedik, megolvad és megszakítja az áramkört. Csoportosításuk: - névleges feszültség szerint: nagy- és kisfeszültség - szerkezeti kialakítás szerint: becsavarható, késes, csöves - kiolvadási jelleggörbe szerint: ultragyors, gyors, lomha, kombinált Erőművekben, elektromotorokban, vagy félvezetők védelmére használják. Olvadóbiztosítók: a hálózat tudatosan legyengített, leggyengébb elemei, a hálózati vezetéknek jóval vékonyabb keresztmetszete, könnyen elérhető helyen legyen Feladata: túláram, túlterhelés elleni védelem, ideálistól eltérő esetben olvadjon el és szakítsa meg a hálózatot Általános felépítését tekintve: rézszál, fém csatlakozó(k), üvegcső. Elvi felépítés: beavatkozó + mérőelem. Cél: gazdaságos, hatásos, és gyors legyen. Fajtái: lomha, gyors, szupergyors, nagyfeszültségű. Némelyik típus lehet töltve: levegővel, kvarc homokkal. Különböző töltőanyagok, kialakítások azért szükségesek, mert a vezeték olvadásakor ív alakulhat ki, így nem szűnne meg az áram, de például a kvarchomok a vezetékkel együtt elolvad, „ellepi” a kapcsolódható részeket. Nagyfeszültségű biztosíték sajátossága: lemezes szerkezetű, több legyengítéssel rendelkezik az ívhúzás elkerülésére. A közép-és kisfeszültségű olvadóbiztosító olyan kapcsolókészülék, amely az áramkörbe beiktatott olvadóelemének (egy vagy több párhuzamosan kapcsolt olvadószálának) megolvadásával és az azt követő ív oltásával automatikusan megszakítja az áramkört, ha az áramerősség egy meghatározott értéket meghatározott ideig meghalad. A biztosító kis keresztmetszetű olvadó-eleme a hálózati vezető egy szándékosan meggyengített szakaszaként is felfogható. Működési ideje (az áram fellépésétől az ív kialvásáig eltelt idő) zárlatkor a félperiódusidő tört része, túlterhelések esetén ennél sokkal nagyobb, akár óra nagyságrendű is lehet. Feladata kettős: elsősorban a zárlatok elleni védelem (a túlterhelések elleni védelem korlátozott), de a névleges, vagy annál kisebb áramokat korlátlan ideig vezetnie kell. Az olvadóbiztosító tehát a megszakítóhoz hasonló kapcsolókészülék, de csak a zárlati áram egyszeri automatikus megszakítására szolgál. A hálózat soros elemeként védelmi szerepet lát el, normál üzemi állapotban is működik és ilyenkor is van feladata: a névleges, vagy annál kisebb áramok vezetése.

- 32 -

B.2. Mágneskapcsolók felépítése, működése A mágneskapcsoló speciálisan háromfázisú motorok működtetéséhez kialakított, nagyteljesítményű relé. A motort kapcsoló három főérintkező mellett néhány segédérintkezőt is tartalmaz, amelyeket a vezérlőkör használ. A mágneskapcsoló egy elektronikus kontaktor. A tekercselt elektromágnes húzza össze a feleket záráshoz. A működtető érzékelő lehet: munkaérintkező (feszültségre zár), nyugalmi (feszültségre nyit). A behúzó tekercs a mágneskapcsoló működtető eleme. tekercs + vastest + érintkezők (fő és segéd) = fő alkatrészei Az egészben a legfontosabb a tekercs, ha úgy tetszik, ez a szíve az egésznek. Ez a tekercs egy vastestre van felcsévélve. Ha erre a tekercse feszültséget kapcsolunk, akkor a mozgó töltések hatására a tekercs körül mágneses mező keletkezik, ami behúzatja az érintkezőket. Elsősorban erős áramú helyeken alkalmazzuk. Alkalmasabb induktív terhelések kapcsolására, pl.: egy villanymotor. A mágneskapcsolók működési elve a relékéhez hasonló. Mágnes-kapcsolók, olyan nagyélettartamú vezérléstechnikai végrehajtó szervek, melyek egy tekercs segítségével érintkezőket működtetnek. A kialakításuk olyan, hogy rendelkeznek a nagy áramok megszakításakor keletkező elektromos ívek kioltására szolgáló mechanizmussal. A lényeg az ív kialakulásának korlátozása. A korszerű mágneskapcsolók moduláris kialakításúak. A kontaktor a mágneskapcsoló főkészüléke. A kontaktorokban vannak a főérintkezők, amelyek csak záró jellegűek (NO) lehetnek, és egy számmal jelzettek. A főáramkörű érintkezők nagy teljesítmények kapcsolására alkalmasak. A kontaktor önállóan vagy védelemmel (pl.: hőrelé) kiegészítve villamosmotorok vagy más kisfeszültségű villamos berendezés távvezérelt működtetésére, kapcsolására alkalmas. A villamosmotorokat a tápellátás, és a megfelelő fázis sorrend kapcsolásával működtetik. A kontaktor típusa egyen, vagy váltakozó áramú aszerint, hogy a tekercse egyen-, vagy váltakozó feszültséggel működtethető. Rendszerint motorok ki-be kapcsolásához alkalmaznak mágneskapcsolót. A legfontosabb funkciója a reléknek és mágneskapcsolóknak: Galvanikusan leválasztják a kapcsoló elektronikát a kapcsolt áramkörtől.

Hőkioldók A hő kioldó vagy hőrelé feladata az indukciós motorok védelme túlterhelés vagy túlmelegedés ellen. A hőrelé működése a benne lévő bimetall lemez meghajlásán alapul, amely az áram áthaladása következtében melegszik. Amikor üzemzavar következtében a fogyasztó irányába haladó áram megnő a termikus áram erőssége is emelkedik, ami a bimetall lemez további elhajlásához vezet. Ha az áramerősség meghaladja a meghatározott határértéket a bimetall lemez, működésbe hozza a kikapcsolási mechanizmust és megszakítja a működtető áramkört. - 33 -

B.3. Mágneskapcsolók használata A mágneskapcsoló lehet egyen- vagy váltakozófeszültségű. Működtető eleme a behúzó mágnes. Két fő fajtája van: - motorkapcsoló: csak ki- és bekapcsolja a motort, nem véd se túláram, se túlhevülés ellen, gyorskioldó tekercs híján pedig zárlat ellen sem. - motorvédő kapcsoló: hőkioldóval rendelkezik, így tartós túláram esetén megszakítja az áramkört. Gyakori igény a motorok kétirányú működtetése. A motor irányváltása két fázis megcserélésével történik. Mindkét irányú mozgatáshoz öntartásra van szükség, amit a gombot megkerülő segédérzékelő is zár, így a gomb elengedése után is fennmarad a működés.

Egyszerű motorvédő kapcsolás Célparaméterek alapján számítással, katalógusból való kiválasztással megadott motorvédő kapcsolási példa: 1. 2. 3. 4.

olvadó biztosító vezeték típusa hőkioldó és mágneskapcsoló együtt motor

Motorirányváltó kapcsolás

- 34 -

B.4. Megszakítók működése, feladata, fajtái A megszakítók feladata a hálózat túláram és zárlat elleni védelme. Működése a következő: A két csatlakozó között átfolyó áram mágneses teret hoz létre az elektromágnesben. Ha az áram egy bizonyos (a megszakítón feltüntetettnél nagyobb) értéket ér el, akkor az elektromágnesben megnövekvő mágneses tér kioldja a reteszt és a mozgó érintkező eltávolodik az álló érintkezőtől. Vagyis az áramkör megszakad. Léteznek mesterséges oltású megszakítók is, nagyfeszültségekhez (pl.: olajmegszakító, légnyomásos, gáznyomásos). A nagy- közép- és kisfeszültségű megszakító olyan mechanikus (érintkezők zárásával és nyitásával működő) kapcsolókészülék, amely üzemszerű és üzemszerűtől eltérő áramköri viszonyoknál (például zárlatok esetén is) az áram bekapcsolására, vezetésére (üzemszerű viszonyoknál tartósan, egyébként csak megszabott ideig) és megszakítására alkalmas. Jelenleg kihaló félben lévő két másik megszakítófajtát az olajjal oltó és a légnyomásos megszakítókat nem tárgyaljuk, csak röviden utalunk ezekre: 



Az olajjal oltó megszakítókban ívoltó közegeként a villamosipari szigetelőolajat használják. A villamos ív hőhatása megszakító oltókamrájában lévő olajat elgőzölögteti, illetve az ív határfelületén gázok keletkeznek. Az íven átfolyó árammal arányosan nő a nyomás és egyre fokozódik az áramló olaj hűtő hatása és a gázfejlődés hőelvonó hatása. Az oltóképesség tehát a megszakítandó áram nagyságától függ, csakúgy mint az ívcsatorna ionozottsága, ezért az olajjal oltó megszakítók önoltó típusúak és nem hajlamosak áramlevágásra. A légnyomásos megszakítókban az ív oltását 10...30 bar nyomásra komprimált levegő végzi. Az ívoltó szerkezet legfontosabb része a Laval-fúvóka ahol a légáramlás felgyorsul. A nagy sebességű levegő a fúvóka által körülvett ívet tengelyirányban áramolva hűti és a töltéshordozók nagy részét is magával ragadja. A befújt légmennyiség független az áramtól, ezért a légnyomásos megszakítók független ívoltásúak. A légmennyiséget a névleges zárlati megszakítási áram értékéhez választják, ezért kis áramoknál áramlevágás jelentkezik.

Kénhexafluorid-gázos megszakítók: ezekben a megszakítókban az ívet zárt oltókamráben lévő kénhexafluorid (SF 6 ) gázban szakítjuk meg, miközben az az ív és a gáz egymáshoz képest mozog. E mozgások egymáshoz viszonyított iránya alapján a megszakítóknak, illetve az oltókamráknak két alaptípusa különböztethető meg: a fúvással oltó, és a forgóíves szerkezetek. A fúvással oltó megszakítók ívoltó szerkezete hasonló a légnyomásos megszakítókéhoz. A Lavalfúvóka által körülvett ívet itt is nagynyomású gáz tengelyirányú áramban hűtik és deionizálják (hosszoltású technika). A gáz áramlási sebessége a nyomáseséstől, átütési szilárdsága pedig a sűrűségétől és hőmérsékletétől függ elsősorban. Az oltáshoz szükséges nyomás előállítási módozataitól függően a fúvással oltó megszakítók egy- és kétnyomókörösek (vagy egy- és kétnyomásosak) lehetnek. Az eddigiekből a fúvással oltó megszakító kivitelére kiható rendkívül fontos előnyök adódnak. A kisebb átmérőjű ívből és a nagyobb átütési szilárdságból kisebb átmérőjű fúvóka, valamint kisebb nyomás, kisebb gázáramlási sebesség adódik mint a légnyomásos megszakítóknál. A nagy átütési szilárdság, a kis termikus időállandó és az elektronegatív tulajdonság a maradék ívcsatorna villamos szilárdságának igen gyors növekedését eredményezi, amelyből a megszakítók kis érintkezőtávolsága és a csekély mértékű érintkezőfogyás következik.

- 35 -

Szakaszolók működése, feladata Olyan mechanikus kapcsolókészülék, amelynek nyitott érintkezői között - az előírt követelményeknek megfelelő - szigetelési távolság, az ú.n. szakaszolási távolság van. Fő feladata, hogy nyitott érintkezői között az előírt villamos követelményeknek tartósan és üzembiztosan eleget tegyen, ezáltal a hálózati részeket üzembiztosan és láthatóan szétválassza. Az áramkörök nyitása-zárása csak akkor követelhető meg, ha a szakaszolón elhanyagolhatóan kis áram folyik át, vagy ha a szakaszoló kapcsai között a feszültségkülönbség jelentéktelen (a szakaszoló valamilyen zárt kapcsolókészülékkel van párhuzamosan kapcsolva). Zárt helyzetben a szakaszoló a névleges áramot korlátlan ideig vezesse, és álljon ellen a zárlati áram termikus és dinamikus hatásának. Kiegészítő feladata az áram útjának előkészítése. A nagy-, közép- és kisfeszültségű szakaszoló olyan mechanikus kapcsolókészülék, amelynek nyitott érintkezői között - az előírt követelményeknek megfelelő - szigetelési távolság, az ú.n. szakaszolási távolság van. Fő feladata , hogy nyitott érintkezői között az előírt villamos követelményeknek tartósan és üzembiztosan eleget tegyen, ezáltal a hálózati részeket üzembiztosan és láthatóan szétválassza. Az áramkörök nyitása-zárása csak akkor követelhető meg, ha a szakaszolón elhanyagolhatóan kis áram folyik át, vagy ha a szakaszoló kapcsai között a feszültségkülönbség jelentéktelen (a szakaszoló valamilyen zárt kapcsolókészülékkel van párhuzamosan kapcsolva). Zárt helyzetben a szakaszoló a névleges áramot korlátlan ideig vezesse, és álljon ellen a zárlati áram termikus és dinamikus hatásának. Kiegészítő feladata az áram útjának előkészítése (pl. kettős gyűjtősínek esetén, ahol a szakaszolóval kijelöljük az energia útját az egyik gyűjtősín felé). A szakaszolót gyakran földelőkapcsolóval vagy földelőkéssel is kiegészítik. A szakaszolók főbb szerkezeti elemei a következők. Csatlakozók (sínekhez vagy sodronyokhoz), szigetelők (porcelánból, de belsőtérben műgyantából is), érintkezők, áramvezetők, tartószerkezet (állvány, csapágyak, rudazat), földelőkés és tartószerkezete, hajtás és segédérintkezők. Ezek közül a csatlakozók és szigetelők szabványosítva vannak. A szakaszolók szabadtéri és belsőtéri kivitelűek lehetnek. A szigetelő közeg szerint pedig a levegő kénhexafluorid-gáz, és vákuum-szigetelésű szakaszolókat különböztethetünk meg.

B.5. Villamos gépek és hálózatok túlterhelés és túláram elleni védelme Túlterhelés: A névleges áramnál kb. 10-20 %-kal nagyobb áram, csak hosszú távon okoz problémát, ezt jelenti a lassú melegedés. Túláram: A névleges áram sokszorosa, valamilyen rövidzár hatására jön létre. Ilyenkor nagy hőmennyiség, mint hőveszteség jelenik meg és a hálózati eszközökbe, alkatrészekbe távozik, így akár leéghet a hálózat. Ez már rövidtávon is kifejezetten nagy probléma. Elvi felépítése az ezek ellen gyártandó védőelemeknek: mérőelem, illetve beavatkozó elem. Egy ideális védőelem tulajdonságai:    

szelektivitás: csak a hibával érintett áramköri részt kapcsolja le a hálózatról ideális gyorsaság: ha túl későn reagál nem jó, de ha túl hamar az se, mert jó pár elektrotechnikai eszköz indulásakor túláramot vesz fel üzemszerűen gazdaságosság koordináció: a védőelem és a védendő rész elektrotechnikai összhangba legyen - 36 -

Védőelem fajtái: alap-, fedő-, illetve tartalákvédelem Elektrotechnikai védőelemek:     

olvadóbiztosítók megszakítók szakaszolók kioldók/hőrelék

B.6. Érintésvédelem Az érintésvédelem üzemszerűen feszültség alatt nem álló, de meghibásodás esetén feszültség alá kerülő vezető részek érintéséből származó balesetek elkerülésére szolgáló műszaki intézkedések összessége. Minden olyan épületet, ahol védővezetős érintésvédelmi módot használnak, egyenpotenciálra hozó hálózattal (EPH) kell kiépíteni, mely szorosan összefügg a belső villámvédelmi rendszerrel. A létesítményekbe beépített nagy kiterjedésű fém alkotó elemeket, csőhálózatokat földeléseket be kell kötni az EPH rendszerbe. Célja, hogy megakadályozza a veszélyes potencálkülönbségek kialakulását. A villámok áramának fele az épületen belül halad le, az EPH rendszer megakadályozza az esetleges másodlagos kisüléseket.

A védelem célja Megakadályozni az elektromos áram élettani testen való áthaladását fázis és föld között, vagy két potenciálkülönbségű pont között. Leggyakoribb áram utak: kéz – kéz, kéz – láb, láb – láb.

A hozzá tartozó élettani elvek Az ember testén átfolyó áram súlyos biológiai károsodást okozhat, vagy halálhoz vezethet. Az áramütés veszélyessége több tényezőtől függ: - áram erőssége és behatási ideje (szorzatuk az átáramlott töltés mennyisége) - az áram útja (szív (akár 1-2mA), agy, gerincvelő) - a frekvencia (50 Hz körül veszélyes, minél nagyobb annál jobban érvényesül a skinhatás) Elbontja a testnedveket, elsősorban az egyenáram a veszélyes e szempontból.

A védelem módszerei Védővezetés: olyan érintésvédelmi mód, melynek működéséhez a villamos vezető szerkezet testét összekötjük a hálózat érintésvédelmével, ilyen a nullázás, vagy a védőföldelés. Védelem módszerei védővezetés nélkül: - személyi védelmi ruházat (gumi vagy egyéb szigetelő tulajdonságú anyagok használata öltözékként) - elkerítés (elektromos áram alatt lévő gépek elkerítése fizikailag) - burkolás, szigetelés (vezető felületek, pontok elhatárolása szigetelő anyagokkal a ,,külvilágtól”) - törpefeszültség (DC: 0-120V, AC: 0-50V) - nullázás - védő elválasztás - védőföldelés - védőtranszformátor (föld ponttól való elzárás) - 37 -

B.7. Az egyenáramú gép felépítése, működési elve

- 38 -

- 39 -

Egyenfeszültség előállítása forgógéppel Indukció útján egyenfeszültséget úgy állítunk elő, hogy előbb váltakozó feszültséget állítunk elő, majd azt egyenirányítjuk. 

indukált feszültség: 𝑈𝑖 = 𝐵 ∙ 𝑙 ∙ 𝑣

; 𝑈𝑖 =

𝑑𝛷 𝑑𝑡

;

𝐵𝑘 =

2∙𝑝∙𝛷 2𝜋 ∙ 𝑙

l: vezető hossza v: armatúrasebesség PHI: pólusfluxus Egyenirányítás: kommutátor végzi (mechanikus egyenirányítás), mely a forgórészen helyezkedik el -> csúszógyűrű -

-

egyenárammal gerjesztett pólusok az álló részen az armatúratekercs végeit a kommutátorhoz kötjük, az önműködően azt a tekercset kapcsolja a kefére, melyek feszültsége azonos irányú a vezetékek végein csúszógyűrű -> szigetelés a tengelytől a kefékről levehető feszültség arányos az indukció kerület menti eloszlásával egyenfeszültség előállításához legalább 7 kommutátor kell

- 40 -

B.8. Az egyenáramú gép nyomatéka, indukált feszültsége, kapocsfeszültsége

𝐼𝑛𝑑𝑢𝑘á𝑙𝑡 𝑓𝑒𝑠𝑧ü𝑙𝑡𝑠é𝑔: 𝑈𝑢 = 𝐵𝐾 ∙ 𝑙 ∙ 𝑣 [𝑉] 𝑃ó𝑙𝑢𝑠𝑜𝑠𝑧𝑡á𝑠: 𝜏 =

𝐷𝜋 2𝑝

𝑃ó𝑙𝑢𝑠𝑓𝑙𝑢𝑥𝑢𝑠 𝑘𝑒𝑟𝑒𝑠𝑧𝑡𝑚𝑒𝑡𝑠𝑧𝑒𝑡𝑒: 𝐴 = 𝜏 ∙ 𝑙 𝑃ó𝑙𝑢𝑠𝑓𝑙𝑢𝑥𝑢𝑠: Φ = 𝐵𝐾 ∙ 𝐴 = 𝐵𝐾 ∙ 𝐾𝑒𝑟ü𝑙𝑒𝑡𝑖 𝑠𝑒𝑏𝑒𝑠𝑠é𝑔: 𝑣 = 𝐼𝑛𝑑𝑢𝑘á𝑙𝑡 𝑓𝑒𝑠𝑧ü𝑙𝑡𝑠é𝑔: 𝑈𝑢 = 𝐵𝐾 ∙ 𝑙 ∙ 𝑣 =

𝐷𝜔 2

2𝑝 ∙ Φ 𝐷𝜔 1 ∙𝑙 ∙ = ∙𝑝∙Φ∙𝜔 𝐷𝜋 ∙ 𝑙 2 𝜋

𝑻𝒆𝒍𝒋𝒆𝒔 𝒊𝒏𝒅𝒖𝒌á𝒍𝒕 𝒇𝒆𝒔𝒛ü𝒍𝒕𝒔é𝒈: 𝑈𝑖 = 𝑈𝑢 ∙ 𝑮é𝒑 𝒏𝒚𝒐𝒎𝒂𝒕é𝒌𝒂: 𝑀 =

𝐷𝜋 ∙𝑙 2𝑝

𝑧 1 𝑝 = ∙ ∙𝑧∙Φ∙𝜔 2𝑎 2𝜋 𝑎

𝑈𝑖 ∙ 𝐼𝑎 1 𝑝 = ∙ ∙ 𝑧 ∙ Φ ∙ 𝐼𝑎 = 𝑘 ∙ Φ ∙ 𝐼𝑎 𝜔 2𝜋 𝑎

𝑲𝒂𝒑𝒐𝒄𝒔𝒇𝒆𝒔𝒛ü𝒍𝒕𝒔é𝒈: 𝑈𝐾 = 𝑐 ∙ Φ ∙ 𝑛 ± 𝐼𝑎 ∙ 𝑅𝑎

- 41 -

Kommutáció, armatúra visszahatás, segédpólus, kompenzálás

A forgórész mágneses mezeje az állórész mágneses mezejével kölcsönhatásba lépve annak alakját a forgórész áramától (terheléstől) függő mértékben eltorzítja, amely a gép fluxusának csökkenéséhez, ezért motor üzemben a fordulatszám nem kívánt emelkedéséhez, generátor üzemben a kapocsfeszültség csökkenéséhez vezet, illetve a kommutációs viszonyokat rontja. Ennek kiküszöbölése történhet a gép kivitelétől függően: • a légrés növelésével • a gerjesztőáram emelésével • az állórészen kialakított segédpólusokkal, amelyek a forgórész mágneses terének hatását kompenzálják • a főpólusok sarujában hornyokban kialakított kompenzáló tekercselésekkel a kommutátor elfordításával (emiatt a kommutáció a módosult mágneses térben is a semleges vonalba esik)

- 42 -

B.9. A külső- és sönt gerjesztésű egyenáramú motor Felépítés

Motorüzemben nincs különbség, mert mindkét gép gerjesztőtekercsét állandó feszültség táplálja, így a gerjesztőáram független a terheléstől. Különbség, hogy a külső gerjesztésű gép gerjesztőfeszültsége általában nem egyezik meg a motort tápláló feszültséggel, míg a söntmotor gerjesztését a motort tápláló feszültség adja.

M-n jelleggörbe

- 43 -

Fordulatszám változtatás

- 44 -

Indítás

- 45 -

Fékezés

B.10. A soros és vegyes gerjesztésű egyenáramú motor Felépítés

- 46 -

M-n jelleggörbe

Fordulatszám változtatás

- 47 -

- 48 -

Indítás

Fékezés

- 49 -

B.11. Egyenáramú generátorok: gerjesztés-felépítés, jelleggörbék

- 50 -

B.12. Az egyfázisú transzformátor működési elve, felépítése

- 51 -

B.13. A transzformátor helyettesítő kapcsolása, redukálás

Ahhoz hogy a két oldal összeköthető legyen, redukálni kell a szekunder oldalt, átalakítani a primerre: 𝑎=

𝑁1 𝑁2

𝑈2′ = 𝑎 ∙ 𝑈2

𝐼2′ =

𝐼2 𝑎

- 52 -

𝑅2′ = 𝑎2 ∙ 𝑅2

𝑋2′ = 𝑎2 ∙ 𝑋2

- 53 -

B.14. Az üresen járó transzformátor helyettesítő kapcsolása, az elemek meghatározása méréssel A mérést névleges feszültségre kapcsolt trafón végezzük. Üresjárásban a transzformátor szekunder kapcsai nyitva vannak (a terhelő impedancia végtelen nagy), ezért a szekunder áram nulla, így az üresjárásban felvett áram a kis primer feszültség esés miatt kitűnő közelítéssel a trafó gerjesztőáramával egyenlő: 𝐼𝑔 = 𝐼10 A jól tervezett trafó üresjárási árama kisebb a névleges 10%-nál: 𝐼𝑔 ≤

𝐼10 10

Az üresjárásban felvett teljesítmény a transzformátor névleges veszteségét adja: 2 Ü𝑟𝑒𝑠𝑗á𝑟á𝑠𝑖 𝑡𝑒𝑙𝑗𝑒𝑠í𝑡𝑚é𝑛𝑦: 𝑃Ü = 𝐼10 ∙ 𝑅1 + 𝐼𝑣2 ∙ 𝑅0

𝑅0 ≈ 10000𝑅1

𝑅0 𝐼10 = 10 → 𝐼𝑉 = 𝑋0 10

𝐼10 2 2 2 (𝑅 𝑃Ü = 𝐼10 ∙ 𝑅1 [𝑃𝑅𝐼𝑀𝐸𝑅] + ( ) ∙ 10000𝑅1 [𝑉𝐴𝑆𝑉𝐸𝑆𝑍𝑇𝐸𝑆É𝐺] = 𝐼10 ∙ 1 + 100𝑅1 ) 10 A primer veszteséget 1% miatt elhanyagolhatjuk, így: [Ü𝑅𝐸𝑆𝐽Á𝑅Á𝑆𝐼] 𝑃Ü ≅ 𝑃𝑉𝐴𝑆 [𝑉𝐴𝑆𝑉𝐸𝑆𝑍𝑇𝐸𝑆É𝐺]

- 54 -

B.15. A rövidrezárt transzformátor helyettesítő kapcsolása, az elemek meghatározása méréssel, a drop fogalma A mérést állítható áramerősségű áramgenerátorra végezzük, amit 1,1 In-ig növelünk és a különböző értékeket diagramon ábrázolva megkapjuk a rövidzárlati jelleggörbét. Az In-hez tartozó értékek a rövidzárlati áram jellemzői.

- 55 -

B.16. A transzformátor hatásfoka

A meghatározásához szükséges mérések Vasveszteség mérése: az üresjárásnál megállapított vasveszteséggel lehet számolni Tekercs mérése: névleges áram mellett a hálózatról felvett teljesítmény a kis vasveszteségtől eltekintve a névleges áramhoz tartozó P 𝑁é𝑣𝑙𝑒𝑔𝑒𝑠 ℎ𝑎𝑡á𝑠𝑓𝑜𝑘: 𝜂𝑛é𝑣𝑙

𝑥 ∙ 𝑃2𝑛 𝑥 ∙ 𝑃1 − 𝑥 2 ∙ 𝑃𝑡 − 𝑃𝑣 = = 𝑥 ∙ 𝑃2 + 𝑥 2 ∙ 𝑃𝑡 + 𝑃𝑣 𝑥 ∙ 𝑃1

Ahol: x – a terhelés %-ban, Pt – tekercs mérési teljesítmény, Pt = x^2 * Ptnévl A hatásfok ott maximális, ahol a következő teljesül: 𝑃𝑉 𝑃𝑉 = 𝑥 2 ∙ 𝑃𝑡 → 𝑥 = √ 𝑃𝑡

- 56 -

B.17. Különleges transzformátorok Takarékkapcsolású trafó, mérőváltók, ívhegesztő, indukciós kemencék Takarékkapcsolású trafó: Az egy menetre jutó feszültség mind a primer, mind a szekunder oldalon megegyezik, így ezeket összevonhatjuk. A jelentősége, hogy az összevont részen kisebb az áramerősség, így kisebb keresztmetszetű vezeték is elég. Természetesen, mint minden transzformátor így ennek is felcserélhet a primer és szekunder oldala, az áttétel megfelelően működik. Hátrány: nincsenek galvanikusan elválasztva a tekercsek. Mérőváltók: Kettős szerepe van: a mérendő értéket a mérőműszer mérőtartományába csökkenteni, valamint az érintésvédelem szempontjából, hogy a veszélyes áram és feszültségektől elszigetelje a műszert.

Ívhegesztő: Mivel ívhegesztés során egy nagy zárlati áram után, fenn kell tartanunk egy ívet. Mivel az ívhossz nem tartható állandó értéken a munkafolyamat alatt, ezért azt stabilizálni kell. Ezt úgy érhetjük el, ha a primer és szekunder oldali impedanciát nagy értékre vesszük. Ez azért nehéz, mert a nagy ellenállás érték nagy veszteséget is jelent. Ezáltal a szórási reaktanciát kell növelnem, méghozzá úgy, hogy a vasmagot állítható légréssel alakítom ki, így nem záródik teljesen a fluxus a másik tekercsen.

Indukciós kemence: Vasötvözetek, színesfémek vagy könnyűfémek olvasztására használatos indukciós fűtésű kemence. A kemencét körülvevő indukciós tekercsben ipari frekvenciás (50-60 Hz) vagy középfrekvenciás (néhány kHz) áram folyik, ami a fémben feszültséget indukál. Az indukált feszültség miatt keletkező örvényáramok az anyagban hővé alakulnak és a behelyezett fémet gyorsan megolvasztják.

- 57 -

B.18. Transzformátorok párhuzamos üzeme Ha adott teljesítmény átvitelére egy transzformátor nem elég, akkor többet kapcsolunk párhuzamosan. Ez azt jelenti, hogy a teljesítményt közös primer hálózatról veszik fel és közös szekunder fogyasztórendszerre adják le. Ezt csak akkor tehetjük meg ha, nincs áramkiegyenlítő vezeték a két transzformátor között, ha az áttételük azonos, és ha a drop-juk azonos.

Háromfázisú transzformátorok Háromfázisú transzformátort legegyszerűbben úgy nyerünk, ha 3 darab egyfázisú transzformátor primer és szekunder tekercseit láncoljuk pl. csillagba vagy háromszögbe kapcsoljuk.

- 58 -

B.19. A váltakozó feszültség gyakorlati előállítása A váltakozó feszültség olyan feszültség, aminek nagysága és iránya periodikusan változik.

A háromfázisú szinkron generátor felépítése, működési elve A szinkrongép a forgó villamos gépek egyik alaptípusa. Forgórészét egyenárammal táplált tekercseléssel, vagy állandó mágnesekkel gerjesztik, állórészén többfázisú váltakozó áramú tekercselés található. A szinkrongépek motoros üzemben a felvett villamos energiát mechanikai energiává alakítják, generátoros üzemben pedig a felvett mechanikai energiát alakítják villamos energiává. Fő alkalmazási területük villamos energia termelése erőművi generátorként, de egyre gyakrabban találkozhatunk szinkronmotorokkal szervoés járműhajtásokban is. A szinkrongépek lemezelt, háromfázisú tekercseléssel ellátott állórésszel és egy egyenáramú forgórésszel rendelkeznek. A forgórész lehet lemezelt és tömör. Nagy fordulatszámoknál hengeres, kis fordulatszámoknál kiálló pólusú gépet használnak. Villamos forgógépek működésének alapfeltétele, hogy az állórész mező és a forgórész együtt (azonos fordulatszámmal) forogjon. Szinkrongépek esetében az állórész többfázisú, szimmetrikus, kiegyenlített táplálásával forgó állórész mező jön létre, aminek fordulatszámát (a nyugvó állórészhez viszonyítva) szinkronfordulatszámnak nevezzük. A gép forgórészét egyenárammal táplálva a forgórészhez viszonyítva nyugvó forgórész mező alakul ki, aminek a fordulatszáma a nyugvó állórészhez viszonyítva megegyezik a szinkrongép forgórészének fordulatszámával. Az állórész mező és a forgórész mező együttforgása csak akkor teljesíthető, ha a gép forgórésze a szinkronfordulatszámmal forog. Ebből következik a szinkrongépek egyik legalapvetőbb tulajdonsága: A szinkrongép csak egy fordulatszámon, a szinkronfordulatszámon tud üzemelni. A szinkron generátor egyenáramú forgórészére gerjesztést kapcsolva álló mágneses mező alakul ki. Ha a forgórészt megforgatjuk, az állórész vezetőiben mozgási indukció következtében feszültség indukálódik.

- 59 -

Egyedül járó és hálózatra dolgozó szinkron generátor

- 60 -

B.20. A szinkron gép egyszerűsített helyettesítő kapcsolása

- 61 -

Feszültség és áram vektorábra, nyomatéka és a terhelési szög

A terhelési szög a forgó és az állórész forgó mágneses mezői közötti szögeltérés.

- 62 -

B.21. Szinkron gép hálózatra kapcsolása (generátor szinkronozása, motor indítása)

- 63 -

"V" görbék, alul és felül gerjesztés

- 64 -

B.22. Az indukciós (aszinkron) gép felépítése, működési elve

A forgó mágneses tér

- 65 -

B.23. Az indukciós (aszinkron) motor helyettesítő kapcsolása teljesítményviszonyai, áramvektor-diagram (kördiagram) szerkesztése

- 66 -

- 67 -

- 68 -

B.24. Az indukciós (aszinkron) motor mechanikai jelleggörbéjének szerkesztése a kördiagramból

- 69 -

B.25. Csúszógyűrűs motor indítása, kalickás forgórészű motorok felépítése, indítása

- 70 -

B.26. Indukciós (aszinkron) motorok fordulatszámának változtatása

- 71 -

Indukciós (aszinkron) motorok fékezése

- 72 -

- 73 -

B.27. Az egyfázisú indukciós (aszinkron) motor működési elve, indítása Ahol nem áll rendelkezésre háromfázisú hálózat egyfázisú aszinkron gépeket használnak. Az állórész tekercselésében folyó egyfázisú váltakozóáram a légrésben lüktető mágnesmezőt létesít. Ez a mágnesmező az időben változni fog, de a helybeli eloszlása változatlan marad. Az ilyen mezőt, amelynél az indukció nagysága az időben szinuszosan változik, térbeli eloszlása azonban változatlan marad, lüktető vagy pulzáló mezőnek nevezik. Bármely pulzáló mező azonban felbontható két, ellentétes irányban n0 fordulatszámú, fél amplitúdójú forgó mezőre. Ha a forgórész áll, mindkét forgómező egyenlő nagy, a hálózatnak megfelelő periódusszámú, háromfázisú szekunder áramot létesít a forgórész tekercselésében. A szekunder áramok által létrehozott szekunder forgómezők és a megfelelő primer mezők eredőjeként két, egymással ellentétes irányban forgó főmező jön létre. Mivel a primer és szekunder mezők mindkét irányban egyenlőek, az eredő mezők is egyforma nagyok, így összegük pulzáló teret eredményez. A két körbeforgó hullám a szekunder áramokkal forgató nyomatékot létesít. A két nyomaték ellentétes irányú. Eredőjük nulla, mert a két nyomaték egyenlő nagy. A gép tehát nem tud indítónyomatékot kifejteni. Ha valamelyik irányban megindítják a forgórészt, a két irányban forgó mágnesmezők szimmetriája megszűnik, mert a forgórész relatív sebessége a két mezőhöz képest különböző lesz. A forgórésszel azonos irányban forgó mező nevezhető veleforgónak, a másik pedig elleneforgónak. Ha a forgórész a veleforgó mezőhöz képest s szlipnek megfelelő n fordulattal jár, akkor az elleneforgó mezőhöz képest n+n0=(1-s)×n0+n0=2×n0-s×n0 relatív fordulatszáma van, tehát a szlipje se=(2×n0)/n0=2-s A primer áram állómezeje most is két egyenlő nagy forgó összetevőre bontható, ezek azonban különböző nagyságú és frekvenciájú szekunder áramokat hoznak létre. Mivel a veleforgó komponens s, az elleneforgó pedig 2-s frekvenciájú áramot indukál, a két áram eredője folyik a szekunder tekercselésben. A nagyobb relatív sebesség miatt az elleneforgó mező árama nagyobb, ezért jobban csökkenti a primer mezőt, mint a másik, és így a megfelelő primer és szekunder gerjesztések által létrehozott eredő mágnesmezők közül a veleforgó nagyobb lesz mint az elleneforgó. A két forgómező különböző nagyságú feszültségeket indukál az állórészben. Jó közelítéssel ezek összege a kapocsfeszültségekkel egyenlő. Növekvő fordulatszámnál lefojtódik az elleneforgó mező, de ugyanannyival nő a veleforgó, mivel együttesen változatlan feszültséget kell, hogy indukáljanak az állórészben. A mezők különbözősége folytán a forgatónyomatékaik sem lesznek egyenlőek, az eredő nyomaték nem lesz nulla, tehát a gép hajtó nyomatékot tud kifejteni. Az egyfázisú tekercselést olyan háromfázisú tekercselésként lehet felfogni, ahol két fázist sorbakapcsolnak, a harmadik pedig elmarad. Ennek alapján az egyfázisú motor úgy állítható elő háromfázisúból, hogy a csillagbakapcsolt állórész tekercsek közül az egyiknek megszakítják az áramkörét. Ekkor ugyanis a másik kettő soros kapcsolásban csatlakozik a hálózati vonalfeszültségre. Ennek a motornak az üresjárati árama nagyobb, mint az eredeti motoré. A rövidrezárási áramnál figyelembe kell venni, hogy az egyfázisú kapcsolásban a feszültség √3szor nagyobb, a szórási és ohmos ellenállások pedig kétszeresek mivel két tekercs van sorbakapcsolva. A felvett látszólagos teljesítmény P1=√3×U1×I1 Ahol U1 az egyfázisú hálózati feszültség, I1 a motor által felvett áram. Ha a motor háromfázisú kapcsolásban járna ugyanennél az áramnál P3=3×U1×I1 teljesítményt venne fel. A két teljesítmény viszonya: P1/P3=1/√3=0,58

- 74 -