Vzdělávací program

„Inspiruj se a vzdělej se“ Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.3.49/01.0004

Vzdělávací program obor Stavebnictví obor Strojírenství obor Elektrotechnika obor Telekomunikační technika

realizátor projektu: Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Roudnice nad Labem, příspěvková organizace Neklanova 1806 413 01 Roudnice nad Labem

zpracovatel: Sociálně-právní institut, s.r.o. Báňská 287, 434 01 Most © 2013

Úvod Dokument, který se Vám nyní dostává do rukou vzniká v rámci projektu „Inspiruj se a vzdělej se“ reg. č.: CZ.1.07/1.3.49/01.0004, který je podpořen Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Realizátorem projektu je Střední odborná škola a Střední odborné učiliště Roudnice nad Labem. Cílem tohoto dokumentu, nebo chcete-li vzdělávacího programu, je přiblížení novinek a aktuálních trendů spolu se správnými a efektivními metodami výuky cílovým skupinám. Cílové skupiny představují zejména pedagogové středních škol a odborných učilišť. Komplexní vzdělávací program se skládá z celkem 4 částí, a to:    

obor Stavebnictví, obor Strojírenství, obor Elektrotechnika, obor Telekomunikační technika.

Pro přehlednost a dobrou orientaci v poměrně rozsáhlé publikaci, kterou tento vzdělávací program bezpochyby představuje, bude jeho struktura rozčleněna do čtyř oblastí. Tyto oblasti budou jednotlivě pojednávat o výše uvedených oborech. Každá jednotlivá část (obor) bude opatřena vlastním obsahem a předělovým listem, což zajistí vhodnou přehlednost celého dokumentu pro čtenáře a uživatele publikace. Konkrétní úvodní informace k jednotlivým oborům jsou rovněž zakomponovány v úvodních částech jednotlivých oborů. Doufáme, že pro Vás bude tato publikace nejen přínosným zdrojem nových informací, postřehů a metod, ale rovněž pro Vás bude pohodlné a příjemné s ní pracovat a prohloubí tak ještě o to více Vaše znalosti, jež budete moci využít v rámci vlastní výuky či výkonu povolání.

Tým spolupracovníků, Sociálně-právní institut, s.r.o.

2

Obor Stavebnictví

1 Obsah 1

Úvod ................................................................................................................................................ 6

2

Výuka oboru stavebnictví ................................................................................................................ 8 2.1

3

Metody při výuce..................................................................................................................... 8

2.1.1

Výklad .............................................................................................................................. 8

2.1.2

Individuální zapojení studentů ........................................................................................ 8

2.1.3

Praktické ověření, práce v odborných učebnách ............................................................ 9

2.1.4

Zpracování závěrů úloh ................................................................................................. 10

2.1.5

Hodnocení studentů ...................................................................................................... 10

2.1.6

Úlohy na počítačích ....................................................................................................... 10

2.1.7

Odborný výcvik v učebních oborech ............................................................................. 11

2.1.8

Exkurze a spolupráce s podniky, odborný výcvik .......................................................... 11

2.1.9

Literatura, studijní materiály, ostatní zdroje ................................................................. 12

Aktuální trendy a novinky a jejich využití v praxi .......................................................................... 13 3.1

Energeticky efektivní domy ................................................................................................... 13

3.2

Konstrukční řešení pasivních domů....................................................................................... 14

3.2.1

Tvar, půdorys a orientace budovy ................................................................................. 14

3.2.2

Stavební konstrukce ...................................................................................................... 16

3.2.3

Využití obnovitelných zdrojů energií ............................................................................. 25

3.3

Hodnocení energetické náročnosti budov ............................................................................ 29

3.3.1

Průkaz energetické náročnosti budovy ......................................................................... 29

3.3.2

Energetický štítek obálky budovy .................................................................................. 30

3.4

Dřevostavby ........................................................................................................................... 32

3.4.1

Úvodní část .................................................................................................................... 32

3.4.2

Tepelně izolační vlastnosti dřevostavby ........................................................................ 32

3.4.3

Akustické vlastnosti dřevostavby .................................................................................. 32

3.4.4

Bezpečnost dřevostavby................................................................................................ 32

3.4.5

Konstrukční systémy dřevěných staveb ........................................................................ 33

3.5

Srubové stavby ...................................................................................................................... 36

3.5.1

Srubové stavby s novodobými konstrukčními elementy............................................... 37

3.5.2

Charakteristické znaky srubových staveb...................................................................... 38

3.6

Hrázděné stavby .................................................................................................................... 38

3.6.1

Hrázděné stavby v současné době ................................................................................ 39

3.6.2

Charakteristické znaky hrázděných staveb ................................................................... 40 4

3.6.3

Vícepodlažní hrázděné stavby ....................................................................................... 40

3.6.4

Tradiční konstrukce pro vyztužení hrázděné stěny ....................................................... 40

3.6.5

Sloupkové stavby dnes .................................................................................................. 42

3.6.6

Charakteristické znaky sloupkových staveb .................................................................. 43

3.7

Rámové stavby ...................................................................................................................... 43

3.7.1

Dnešní rámové stavby ................................................................................................... 43

3.7.2

Charakteristické znaky dřevěných rámcových staveb ................................................... 45

3.8

Skeletové stavby .................................................................................................................... 45

3.8.1

Novodobé dřevěné skeletové stavby ............................................................................ 46

3.8.2

Charakteristické znaky skeletových staveb ................................................................... 47

3.9

Stavby z masivního dřeva ...................................................................................................... 47

3.9.1 3.10 4

Požadavky na absolventy vycházející ze všeobecných požadavků zaměstnavatelů ............. 53

4.1.1

Tvrdé znalosti (oborové)................................................................................................ 54

4.1.2

Měkké znalosti............................................................................................................... 54

Zkušenosti s praktickým vzděláváním v zahraničí ......................................................................... 55 5.1

6

Informační model budovy (BIM) ........................................................................................... 50

Uplatnění na trhu práce a požadavky na absolventy .................................................................... 53 4.1

5

Charakteristické znaky masivních dřevěných staveb .................................................... 48

Velká Británie ........................................................................................................................ 55

Závěr .............................................................................................................................................. 56

5

1

Úvod

Dokument, který se Vám nyní dostává do rukou vzniká v rámci projektu „Inspiruj se a vzdělej se“ reg. č.: CZ.1.07/1.3.49/01.0004, který je podpořen Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Realizátorem projektu je Střední odborná škola a Střední odborné učiliště Roudnice nad Labem. Cílem tohoto dokumentu, nebo chcete-li vzdělávacího programu, je přiblížení novinek a aktuálních trendů spolu se správnými a efektivními metodami výuky cílovým skupinám. Cílové skupiny představují zejména pedagogové středních škol a odborných učilišť. Komplexní vzdělávací program se skládá z celkem 4 částí, a to:    

obor Stavebnictví, obor Strojírenství, obor Elektrotechnika, obor Telekomunikační technika.

Vzdělávací program vychází zčásti z již vytvořené publikace „Aktuální trendy a přehled novinek v oboru“. Tento dokument tak představuje teoretický základ, který byl v publikacích vzdělávacího programu dále rozpracován do podoby, která bude využitelná a aplikovatelná proškolenými pedagogy v rámci jejich osobní výuky. V samotném závěru pak publikace pojednávají o současném uplatnění žáků těchto technických oborů na trhu práce a o metodických přístupech zahraničních škol, které mohou být pro tuzemské odborné školy a učiliště značně inspirativní a inovativní. Tento vzdělávací program tak velkou měrou přispěje nejen k odbornému rozvoji cílových skupin tedy pedagogů středních škol a odborných učilišť, ale také poměrně významnou měrou přispěje k vyššímu uplatnění žáků těchto škol na trhu práce. A to také díky tomu, že vzdělávací program v sobě odráží a interpretuje novinky a aktuální trendy v oborech, které budou do určité míry ovlivňovat budoucí vývoj jednotlivých oborů. Studenti, kteří tak získají potřebné informace již v průběhu svého studia, budou moci nabídnout tyto znalosti zaměstnavatelům na trhu práce, kteří tuto skutečnost jistě ocení. Stavebnictví je obor, díky němuž je zajišťována výstavba, údržba, modernizace, rekonstrukce a demolice stavebních objektů. Stavebnictví plní pro společnost několik důležitých funkcí:     

sociální (bydlení, kultura, zdravotnictví, vzdělávání, sport), průmyslová výroba, zemědělská výroba, doprava, energetika.

Hlavním a nejdůležitějším cílem musí být vytváření vhodného pracovního a životního prostředí pro existenci lidí, zvířat, rostlin a zároveň maximální zachování všech přírodních a kulturních památek. Stavebnictví tak představuje velmi komplexní obor lidské činnosti, zahrnující nejen složky 6

technické, technologické a ekonomické, ale i estetické a ekologické. Vznik stavebnictví jako takového je spojen s procesem specializace stavební výroby. Takto vznikaly například obory bytových a občanských staveb, průmyslových staveb, dopravních staveb, inženýrských staveb apod. Pojem stavebnictví je obsáhlejší nežli pojem stavební výroba, pod níž se zpravidla rozumí provádění stavebních prací dodavatelským způsobem. Odlišností od průmyslové výroby je stálé stěhování výrobce (stavbařů) ze stavby na stavbu a výrobků (staveb), délkou výrobního procesu, závislostí na klimatických podmínkách, individuálním charakterem staveb a značným množstvím různých hmot, které je třeba dopravovat a zpracovávat. Stavebnictví je závislé na mnoha průmyslových odvětvích, které vyrábějí stavební materiály a strojírenské výrobky (ocelové konstrukce, prefabrikáty, zdravotně technická zařízení, stroje pro stavební a silniční práce). Vysoké nároky jsou kladeny především na dopravu. Do oboru stavebnictví se počítají hlavní dodavatelské stavební podniky, stavební útvary různých nestavebních organizací. Stavebnictví spolu se strojírenstvím se rozhodujícím způsobem podílí na realizaci investiční výstavby.

7

2

Výuka oboru stavebnictví

2.1 Metody při výuce 2.1.1

Výklad

Výklad prozatím zůstane ještě po nějakou dobu standardní, tedy učitel přednáší dané téma. Studenti si zaznamenávají do svých poznámkových sešitů zápisky, buď podle vlastního uvážení, nebo formou diktování pedagoga. Pokrok byl zaznamenán též ve způsobu záznamu poznámek. Většina studentů má tendenci používat notebooky, laptopy, tablety apod. Totéž platí při kreslení schémat a obrázků. V souvislosti s pokrokem musíme řešit základní dilema, které pomůcky dovolit a které ne. Zajisté to záleží i na sociální struktuře obyvatel, ale předpokládejme kompletní vybavení, tedy tablet, fotografování například pomocí mobilu. Dostáváme se přímo k modelu, proč celou látku nezveřejnit na webových stránkách a pak přistoupit k metodě e-learningu. Na první pohled je to z hlediska efektivity a módnosti vynikající nápad. Ale zpátky do reality. Kolik studentů na středních školách je natolik zodpovědných, že se bude učit doma. Tuto metodu je možné aplikovat u škol, kde studují vybraní studenti. V ostatních školách prozatím budeme pokračovat klasickým zápisem poznámek. Pokud student používá klasickou metodu, projde mu látka alespoň při záznamu několika smysly a je pravděpodobné, že zanechá stopu. Dalším pozitivem je to, že zapisování udržuje studenta ve stavu pohotovosti. Lze říci, že stejná ne-li horší situace bude v učebních oborech. Toto by mohlo fungovat, pokud bychom komplexně akceptovali e-learning. Avšak při současném stavu, kdy učitel učí minimálně ve čtyřech až osmi třídách v různých ročnících, při probíhajících změnách, by pedagog nedělal nic jiného, než by připravoval a opravoval e-learningové lekce. Otázkou zůstává fakt, zda vůbec je to možné fyzicky zvládnout. Tak se dostáváme k otázce, proč chodit vůbec do školy. Tyto metody vedou pak opět k individuálním zadáním, protože jakákoli podobnost příkladů a úkolů, vede ke spolupráci, která končí kopírováním a opisováním úloh. Na internetu dnes najdeme téměř vše, můžeme tudíž předpokládat, že si student raději stráví podstatně více času „brouzdáním na internetu“ i hledáním vhodnějších textů, aby nemuseli vynaložit duševní úsilí na formulování vlastních myšlenek. Je pravda, že všichni, kdo se e-learningem zabývají, a je to hlavní náplň jejich pracovní činnosti, budou tuto metodu povyšovat nadevše. Zkušenosti však ukazují, že i sebelepší e-learning nemůže zabránit opisování nebo i vypracování úlohy někým jiným. Dle mého názoru z výše uvedených faktů vyplývá závěr, že dobrý výklad prokládaný dalšími interaktivními formami, jako jsou aktuální ukázky zdrojů z internetu, ukázky z knih snímané pomocí vizualizérů, vhodná prezentace apod. je nenahraditelný. Výklad lze určitě oživit také pomocí interaktivní tabule, kde do předem připravených „map“ studenti v průběhu výuky mohou doplňovat své nápady, navrhovat postupy řešení apod.

2.1.2

Individuální zapojení studentů

Součástí výuky je i příprava referátů na aktuální a probíraná témata. Příprava různorodých prezentací a samostatných vystoupení před publikem, tedy před konkrétní třídou. Tato forma výuky 8

pomůže nejvíce studentům, kteří budou pokračovat v dalším studiu na VŠ. Faktem je, že současné podmínky pro přípravu a propracování těchto témat jsou diametrálně odlišné od klasického pojetí, kdy student nejdříve musel vyhledat materiál, přečíst, případně jej prostudovat. Student by měl používat různé zdroje a snažit se najít relevantní náplň tématu. V této „disciplíně“ dochází ve většině případů k následujícímu. Referáty a samostatné práce sice student připraví a zřejmě je dokáže i dobře „odprezentovat“, ale tím to končí. Zpravidla se jedná o kompilace materiálů, jejichž hlavním zdrojem je internet. Vytrácí se tedy účel a pochopení problematiky. Navíc jsou kladeny obrovské nároky na teoretickou připravenost učitele, protože by měl uvést na správnou míru nepřesnosti, chyby a nesprávná tvrzení. Jelikož studenti s oblibou zabíhají do oblastí, podle jejich názorů nejmodernějších, nebývá to pro učitele jednoduché. A o tom, že nepřesnými a zkreslenými informacemi se internet jen hemží, není asi třeba polemizovat. V současné době však převažuje následující trend, že se studenti s odbornou publikací, odbornou literaturou nebo tištěným mediem nesetkali, pracovat s těmito zdroji neumějí a v některých případech vůbec nemají tušení, kde se takové materiály dají získat. Závěrem však můžeme říci, že jsou ovšem i studenti, kteří mají v určité oblasti znalosti na vysoké úrovni. Pak je určitě dobré i za cenu odbočení od zadaného předmětu výuky právě formou referátu, prezentace umožnit těmto jedincům „vyniknout“.

2.1.3

Praktické ověření, práce v odborných učebnách

Ve většině případů bude zachován model praktických cvičení v dílnách či jiných odborných učebnách. To především závisí na vybavení těchto učeben. I zde se vcelku jednoznačně ukazují fakt, že ani ty z pohledu učitele nejtriviálnější úlohy by neměly být podceněny a vynechány. Již v nenávratnu jsou doby, kdy na školy se zaměřením na stavebnictví a příbuzné stavební obory byli přijímáni studenti, kteří měli vynikající výsledky na základních školách a často museli projít sítem přijímacích zkoušek. Dnes je situace naprosto jiná a školy vítají každého studenta bez ohledu na jeho studijní předpoklady. Pokud se tedy má úroveň absolventů alespoň přiblížit reálným představám zaměstnavatelů, vyžaduje to od učitelů obrovskou práci a úsilí. Studenti dnes jen v mizivém procentu mají potřebnou manuální zručnost a velice obtížně budete hledat studenta, který má alespoň minimální zkušenosti a jakousi průpravu pro zacházení s běžným nářadím. Toto jsou bohužel stejné zkušenosti i z učebních oborů, protože nastupující žáci nejsou vůbec manuálně zruční a je to často mravenčí práce naučit je primitivním praktickým úkonům. Tedy často je to stanovení základních požadovaných manuálních a řemeslných úkonů, které jsou studentům cizí. Při praktických úlohách je na zvážení, jakým způsob práce zvolit. Týmová práce, tedy skupinky dvou až tří studentů, vzájemná kooperace studentů, případně jejich vlastní přístup (dominantní osoba) může být jakýmsi katalyzátorem při řešení problémů. Určitě jsou témata a činnosti, které budou mít ryze individuální zadání a úkol bude zpracovávat jedinec. Nelze asi specifikovat každý problém zvlášť. Samostatnou kapitolou jsou odborné výcviky učebních oborů na konkrétních pracovištích.

9

2.1.4

Zpracování závěrů úloh

Student, který pracuje na úloze, by asi po jejím provedení a uvedení do chodu měl umět koncipovat závěr a získané poznatky, které mu úloha přinesla. Pokud se tato závěrečná hodnocení nevyžadují, lze těžko očekávat, že studentům nějakým hlubším způsobem problematika v hlavě zůstane a že si odnese alespoň část toho, co bylo záměrem úlohy. Pokud studenti zpracovávají skupinově úlohy, je asi optimistické očekávat individuální zpravování. Někde je těžké dokazování, že je úloha zpracována jednou a jen opticky poopravena, zvláště když jsou výsledky správné. Individuální zadávání a hodnocení je sice možné, ale přináší neúměrné nároky na pedagoga, a to pak hlavně při přípravě a samotné odborné praxi. Jsou určitě úlohy, kdy je nutné zkontrolovat jejich správnost a je-li vyučující sám, vznikají dlouhé prodlevy a psychická zátěž na vyučujícího je často enormní. Zvláště pokud jsou skupiny studentů velké. Dalším faktorem velkých skupin studentů je, že vedení škol se brání dělení tříd kvůli úsporám financí.

2.1.5

Hodnocení studentů

Není asi nijak diametrálně odlišný přístup k hodnocení studentů v různých oborech a předmětech. Hodnocení teoretických znalostí je doménou každého pedagoga. Je na samotném učiteli a charakteru předmětu, jakým známkám dává vyšší prioritu, zda preferuje ústní zkoušení, testy či jiné formy zkoušení. Snad nekonečná polemika se vede kolem hodnot známek za odevzdané závěry z úloh, referátů. Existují protichůdné názory nejen na jejich hodnocení, ale i váhu těchto známek. Většina pedagogů v praxi zastává názor, že v termínu neodevzdaná práce musí být náležitě ohodnocena a to v plné hodnotě. Těžko lze jinak očekávat, že studenti budou práci odevzdávat v termínu. Na druhé straně, vzhledem k větším míře kolektivnímu pojetí, je třeba výsledkům přiřadit příslušnou hodnotu. Přímé hodnocení při práci v laboratoři není považováno za rozumné. I když zde lze objevit aktivní přístup, rychlost reakcí, intuici, aplikaci teorie apod. Ale toto by měl být pedagog schopen jaksi na pozadí vnímat a přihlédnout k tomu při závěrečném hodnocení.

2.1.6

Úlohy na počítačích

Je třeba rozlišovat, co je pro praxi studenta ve stavebním oboru důležité. Určitě by nebylo rozumné, aby se v odborných předmětech suplovala výuka běžných kancelářských softwarových produktů. Na druhé straně není ke škodě v rámci mezipředmětových vztahů zahrnout do výuky běžné znalosti z textového editoru, tabulkového procesoru. Důvodem může být i to, že ze základních škol přicházejí studenti diametrálně odlišně vybaveni těmito znalostmi. Někdy je schopnost použít např. SW produkty kancelářského balíku Office doslova tristní. A velice často studentům chybí provázanost těch základních produktů a řešení běžných úloh. Pro některé bývá naprostou novinkou, že úlohy z matematiky, statiky apod. mohou elegantně vyřešit pomocí zmíněných produktů.

10

Samostatnou kategorií je pak celá řada softwarových produktů, které více či méně úspěšně suplují praktické úlohy. Tedy zapojování obvodů různé složitosti. SW produkty, které vysvětlují a pomáhají při sestavování měřících úloh. Jsou zde k dispozici různé simulační úlohy apod. Je k dispozici mnoho produktů z oblasti CAD, CAM, dají se aplikovat úlohy za pomoci programovacích jazyků atd. Nastává tedy dilema, jaký způsob zvolit a jakým směrem se ubírat. Patrně toto dilema je ještě komplikováno tím, kde vzít na dané SW produkty peníze a sehnat odborníky nejlépe s praxí pro jejich výuku. Vždyť i studium nových produktů není vždy snadnou záležitostí. Je na místě argument, že tyto produkty dovedou přiblížit úlohy, které jsou jinak obtížně realizovatelné, pokud vůbec realizovatelné jsou. Většina pedagogů je toho názoru, že nejlepší průpravou je praktická úloha v reálné situaci. Na trhu je dnes dostatek produktů, kterými lze vybavit pracoviště pro výuku stavebnictví, Největší problém je financování těchto produktů. Finanční náklady jsou značně vysoké a softwarové produkty se musejí také opravovat, obnovovat, což představuje další peníze a také to vyžaduje další zátěž pro učitele. Ve většině škol je dnes celá anabáze přípravy úlohy, její odměření, kontrola přístrojů a případné opravy, závislá na vyučujícím.

2.1.7

Odborný výcvik v učebních oborech

Odborný výcvik v učebních oborech je samostatnou kapitolou, která se bude specificky řešit v každém učilišti a v každém oboru jednotlivě. Patrně by bylo ideální, kdyby učeň již od svého zahájení studia alespoň věděl, že obor, který si vybral, mu poskytne obživu a mohl alespoň doufat, že s ním zaměstnavatel uzavře pracovní smlouvu. Ale pokud taková situace nastane, pak jde o výjimečnou situaci. Toto se negativně projevuje i v samotné motivaci žáků.

2.1.8

Exkurze a spolupráce s podniky, odborný výcvik

Exkurze jsou odbornými publikacemi považovány za jednu z forem, která může vhodně výuku a teorii doplnit. Záleží na zvážení a schopnosti pedagogů, kam se studenty vyjít a co jim ukázat. Nebývá to vždy jednoduché, zvláště když v některých regionech ukončuje činnost jeden podnik za druhým. Ne všechny společnosti, zvláště pak ty menší jeví vstřícnost k těmto školním akcím. Toto je obvykle otázka osobních kontaktů jednotlivých pedagogů. Exkurze mimo region jsou většinou zajímavé, avšak finančně náročné. Otázka spolupráce s podniky je vynikající nápad, dokonce se objeví i zářné příklady, jak podniky projevují zájem o studenty již v průběhu studia, také jim umožňují odbornou praxi ve svých provozech. Toto je zajisté kvalitní myšlenka, ale dnes je velmi složité ji realizovat. Povinný odborný výcvik, který je realizován na technických školách, je dokladem toho, že škola většinou nemá šanci studenty doporučit do takových oborů, které souvisejí s jejich zaměřením, protože firmy o to nikterak nestojí. Končí to většinou různorodými brigádami v soukromých firmách a agenturách někdy i pochybného zaměření. Nakonec je tedy výjimkou, že odborný výcvik slouží k prohloubení učiva a ke zlepšení přístupu k odborným předmětům ve škole. 11

2.1.9

Literatura, studijní materiály, ostatní zdroje

Nedílnou součástí vždy bylo a domnívám se, že i nadále bude použití kvalitní literatury, která odpovídá aktuálnímu stavu a oboru. A zde máme obrovský dluh. Učebnice, pokud jsou, už vlastně ani neposkytují kvalitní přehled látky pro daný obor resp. specializaci. Literatura, která vystihovala potřeby jednotlivých rezortů je dávnou minulostí a o tom, že by nastala pozitivní změna, se asi nedá ani snít. Pokud si některá škola vytvoří svoje skripta nebo učební materiály, pak je to díky obětavosti jednotlivých aktivních pedagogů. A tak se dnes setkáváme s několika publikacemi, které jsou vydány před řádkou let, nebo s rozsáhlými publikacemi, především překlady ze zahraničních pramenů. I když vybereme některou z aktuálních publikací, je to zpravidla obsáhla kniha, kterou nelze použít jako učebnici, ať již proto, že je objemná, nebo drahá. Obdobná situace nastává i v oblasti časopisů a odborných periodik. Ty jsou také poměrně drahé a nemůžeme chtít po studentech, aby se časopisy staly povinnou součástí jejich výuky. I tady se pak potkáme s tím, že časopisy řeší zpravidla problémy na hony vzdálené od potřeb v učilištích nebo středních školách. Odborné publikace podle mých zkušeností jsou vzácností i pro učitele. Odborné knihovny, pokud existují, nejsou pro nedostatek financí dostatečně aktualizovány. Je tedy zpravidla na pedagogovi, aby se staral o svůj odborný růst na vlastní náklady, a to není při současné ekonomické situaci a vysokých cenách publikací, nijak snadná záležitost. Opět se tak obloukem vracíme k problematice dostupných materiálů a zřejmě zase skončíme u všemocného internetu, o jehož pozitivech a negativech, o kterých jsme se již zmiňovali, můžeme polemizovat.

12

3

Aktuální trendy a novinky a jejich využití v praxi

Prakticky každá z oblastí, o kterých budeme v této části publikace pojednávat, se může pyšnit novými trendy. Pokud má být splněn požadavek, aby student opouštějící školu, byl pro svého budoucího zaměstnavatele přínosem, měl by se s těmito aspekty seznámit už během studia. Je pochopitelné, že nelze všechno obsáhnout a prakticky vyzkoušet. Ale student by měl školu opouštět s vědomím, že pro něj studium a poznávání nekončí, ale naopak právě začíná.

3.1 Energeticky efektivní domy Energeticky efektivní domy (EED) zaznamenaly v posledních letech bouřlivý vzestup a staly se v oblasti stavebnictví obrovským hitem. Je to v posledních letech zapříčiněno zejména stoupajícími cenami energií, díky nimž se stala koncepce energeticky efektivního domu ekonomicky velmi zajímavou, a tím velmi populární. K rozvoji těchto domů přispívá též intenzivní vývoj v oblasti materiálů a technologií, které jsou potřebné pro stavbu energeticky efektivních domů. Tento „boom“ v oblasti výstavby energeticky efektivních domů klade vysoké požadavky také na profese, které jsou součástí procesu návrhu a výstavby těchto budov. Je zapotřebí, aby všichni zúčastnění měli dobré povědomí o konstrukci a celkové koncepci těchto budov, aby mohli svůj díl práce při výstavbě provést s vysokou kvalitou. Energeticky efektivní domy dokážou ušetřit až 90% nákladů oproti běžným novostavbám. Základním principem, na jehož základě EED fungují, je udržení tepla v obytné části domu, což přispívá ke snížení spotřeby energie potřebné na vytápění objektu. Dalším důležitým faktorem je poté zisk energie z obnovitelných zdrojů. EED se vyvíjejí už od 70. let minulého století a za tu dobu se vyčlenilo několik kategorií: 





Nízkoenergetický dům (NED) - nejrozšířenější zástupce EED. Aby mohl být dům zařazen do kategorie nízkoenergetických domů, musí jeho spotřeba tepla klesnout pod 50kWh/(m2*a). Využívá se především kvalitní tepelná izolace a omezení tepelných mostů. Dále je to snaha maximalizace pasivního zisku solární energie, využívání vnitřních zdrojů tepla a řízené větrání s rekuperací tepla. Energeticky pasivní dům (EPD) - energeticky pasivní dům lze považovat za další vývojový stupeň nízkoenergetického domu. Jeho spotřeba by neměla překročit 15kWh/(m2). Ve skutečnosti se jedná o obdobný dům, u nějž se využívá stejných prostředků jako u nízkoenergetického domu s tím rozdílem, že vše je dotaženo do stavu, kdy již není zapotřebí vytápět dům konvenčním způsobem, čímž se dům stává do značné míry energeticky nezávislý. Energeticky nulový dům (END) – již z názvu je patrné, že spotřeba tepla u nulového domu se blíží nule, konkrétně je to hranice 5kWh/(m2*a). Nutno však poznamenat, že tato hranice je v praxi jen velmi těžko dosažitelná a dosáhnout jí lze jedině v ideálních klimatických podmínkách a jen s využitím nákladných technologií. K zisku energie se nejčastěji používají obnovitelné zdroje energie, jako jsou solární články nebo malá větrná turbína.

13





Energeticky nezávislý dům (EAD) - tento typ EED by se klidně mohl nazývat Dům slunce, jelikož veškerá energie, které se v domě používá, musí být pokryta pouze přímým slunečním zářením. Vzhledem k tomu, že dům není vůbec připojen na veřejnou elektrickou síť, musí disponovat dostatečně velkým energetickým zásobníkem, aby mohl pokrýt spotřebu energie během celého roku. Plusoenergetický dům (PED) – obdobně jako u EAD musí také zde být veškerá spotřeba energie zajištěna slunečním zářením. Na rozdíl od EAD však musí solární panely produkovat přebytek elektrické energie, který je následně dodáván do sítě.

V tuzemsku jsou nejrozšířenější první dva typy energeticky efektivních domů. I když jsou jednotlivé typy energeticky efektivních domů a hranice mezi nimi jasně definovány, v praxi často není jednoduché rozhodnout, o jaký typ se ve skutečnosti jedná. Odlišnost jednotlivých typů spočívá především v řešení energetických soustav, protože jejich koncepční a stavebně konstrukční řešení je prakticky stejné a v principu odpovídá standardu energeticky pasivnímu domu. Důležitější než určení typu energeticky efektivního domu je především to, že tyto domy jsou šetrnější k životnímu prostředí a vzhledem ke sníženým nákladům na vytápění také ekonomicky výhodnější.

3.2 Konstrukční řešení pasivních domů O hodnotě spotřeby energie se rozhoduje již ve fázi návrhu budovy. Při architektonickém návrhu je nutné dbát na vhodný tvar, půdorys a umístění budovy na pozemku. Ukazuje se jako vhodné rozdělit budovu na dvě sekce podle režimu užívání – na obytnou a neobytnou část.

3.2.1

Tvar, půdorys a orientace budovy

Při architektonickému návrhu by se mělo dbát na to, aby budova byla co možná nejvíce kompaktní. Kompaktní tvar je velmi důležitý z energetického hlediska, jelikož platí, že budovy, které mají velkou plochu obvodového pláště (A) v poměru k objemu obestavěnému prostoru (V), vykazují prokazatelně vyšší spotřebu energie než budovy, který mají tento poměr menší. Dále také platí, že domy, které mají při stejné ploše kompaktnější tvar, mají nižší pořizovací náklady. Z toho vyplývá, že konstrukce vyprojektovaná vhodně z hlediska úspory energie přináší také úsporu stavebních nákladů. Na druhou stranu je nutné poznamenat, že kompaktnost a úspornost domu by neměla být prosazována na úkor vizuální složky domu. Energetické efektivní budovy by neměly působit nudně a jednotvárně. Sluneční energie je u pasivních domů hojně využívána a tomuto faktu by měl být uzpůsoben také tvar objektu a jeho orientaci ke světovým stranám. Aby mohl dům co nejlépe přijímat sluneční záření, je nutné, aby jižní, osluněná fasáda měla co největší rozměry a disponovala velkými skleněnými plochami, které umožní průchod slunečního záření hluboko do domu. Naopak severní, odvrácená fasáda by měla mít malé rozměry a prosklené plochy by se zde měly objevovat jen za účelem nejnutnějšího osvětlení vnitřních prostor.

14

Ukázka dispozičního řešení pasivního domu Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.]

Co se týče rozdělení místností uvnitř objektu, je vhodné dodržet zásadu, aby obytné místnosti byly orientovány směrem na jih a vedlejší místnosti směrem k severu. Stejně tak by měly být na severní straně umístěny nevytápěné nárazníkové prostory (s výjimkou zimních zahrad, které by měly mít jižní orientaci) a garáže.

Půdorys pasivního domu [2]

15

Tipy pro návrh a provedení:          

3.2.2 3.2.2.1

zvolit kompaktní tvar, tzn. malý poměr A/V, navrhnout jižní fasádu co největší a severní co nejmenší, vytvořit co největší prosklené plochy v jižní fasádě a co nejmenší v severní fasádě, šikmá ostění oken, obytné místnosti orientovat k jihu, vedlejší a skladovací prostory orientovat na sever, na sever orientovat nevytápěné nárazníkové prostory přisazené z vnější strany obvodového pláště, který kryje vytápěné a izolované prostory, garáž přistavit k severní fasádě budovy, zimní zahradu, je-li v projektu, připojit k jižní fasádě, řadové domy jsou energeticky výhodnější než jednotlivě stojící domy.

Stavební konstrukce Základy

Základové konstrukce pasivního domu by měly být tepelně izolovány, a to až do hloubky 1 m. Nejlepšími tepelně izolačními vlastnostmi přitom disponuje polystyren o minimální tloušťce 150 mm. V případech, kdy je zakládání provedeno na železobetonové desce, se tepelná izolace provádí pod touto deskou. U většiny dřevostaveb, které jsou jako pasivní domy stavěny nejčastěji, se zakládání provádí na patkách, čímž vzniká pod domem tzv. průlezný prostor. Tento prostor zamezuje vzniku tepelných mostů u základů, vniku vlhkosti do domu.

3.2.2.2

Podlahová deska

Pasivní domy by měly být navrhovány pokud možno nepodsklepené. Podlaha, která je umístěna přímo na terénu, musí být dostatečně tepelně izolovaná. Musí se přitom dbát na to, aby tato tepelná izolace splňovala požadavky předepsané pro použití pod podlahovou deskou. V některých případech se mezi podlahovou desku a potěr umisťuje další tepelně izolační vrstva, eventuálně také izolace proti kročejovému hluku. U podlahových desek vytápěných prostorů je také nutné pamatovat na hydroizolaci.

3.2.2.3

Obvodové stěny

Obvodové stěny mohou být konstruovány jako stěny masivní nebo lehké. Masivní stěny jsou nejčastěji tvořeny různými typy plynosilikátů nebo jsou konstruovány betonáží pomocí tzv. ztraceného bednění. Masivní stavební materiály samy o sobě však nemají dostatečně malý součinitel prostupu tepla (u obvodových konstrukcí pasivních domů by se měl pohybovat v rozmezí U = 0,1 – 0,15 W/(m2K)) při zachování rozumné tloušťky stěn, proto se u pasivních domů většinou používají vícevrstvé konstrukce stěn, které jsou tvořeny:

16

  

3.2.2.4

nosnou vrstvou – masivní konstrukce, která přenáší zatížení a akumuluje teplo, tepelně izolační vrstvou – izolační materiál, ochrannou vrstvou – vrstvou, která chrání stěny před vnějšími vlivy.

Střecha

Z důvodu dosažení co možná nejmenší ochlazované plochy se u střech volí tvar pultové nebo ploché střechy. U pasivních domů se volí buď střecha jednoplášťová, anebo dvouplášťová. U obou typů střech se musí dbát na kvalitní zateplení, tloušťka tepelné izolace by měla být minimálně 400 mm. V některých případech lze pasivní dům opatřit také střechou sedlovou. V tom případě se vrstva izolace vkládá mezi krokve. U této konstrukce se na vnitřní stranu vkládá také parozábrana pro zajištění požadované neprůvzdušnosti. U některých architektonických projektů jsou ploché střechy ozeleněny. Jedná se o jakési navrácení zelené plochy přírodě, jelikož velikostně odpovídá velikosti zastavěné plochy. Rozeznáváme tyto typy ozeleněných střech:    

extenzivní – vegetační porost 4 – 10 cm vysoký (traviny), intenzivní – vyšší vegetační porost 30 cm (keře, stromy), polointenzivní – střed mezi extenzivní a intenzivní střechou 15 – 30 cm, biotopní – samovolné ozelenění 6 – 12 cm.

Ukázka ozeleněné střechy u nízkoenergetického domu

3.2.2.5

Tepelná izolace

Obecně lze říci, že celý dům musí být výborně izolován, z pohledu současné běžné výstavby až extrémně. Tloušťka izolace se určuje výpočtem, průměrně se však pohybuje kolem hodnoty 30 cm u obvodových stěn, v případě střechy však můžeme najít až 40 cm tlustou izolaci. Opomenuta nesmí být ani izolace podlahy vůči zemině či suterénu. Aby izolace plnila správně svou funkci, musí být 17

provedena bez přerušení, spár a zbytečných prostupů, které by vytvářeli takzvané tepelné mosty, neboli hůře izolovaná místa se zvýšeným tepelným tokem tepla. Nemá význam na tloušťce izolace jakýmkoli způsobem šetřit, jelikož izolace samotná je levná a na ceně stavby se navýšení tloušťky izolace projeví minimálně. Je to dáno tím, že všechny ostatní položky jako je například omítka, barva, lepidla, stavba lešení a práce s tím spojena zůstávají stejné. Vlastnosti tepelné izolace:  

   

tepelná vodivost – schopnost materiálu přenášet teplo z teplejší strany stavební konstrukce na chladnou stranu, difúze vodní páry – slouží k určení prostupu vodní páry, popsána je faktorem difúzního odporu, zjišťuje se pravděpodobnost kondenzace vodní páry, kde je nebezpečí vzniku plísní, slouží pro zjištění nutnosti instalovat parozábranu, pevnost v tlaku – informuje o chování materiálu při zatížení tlakem, u střešní izolace musí být vyšší než u izolace stěn, požární odolnost – schopnost materiálu odolávat ohni, materiály se dělí do tříd dle stupně hořlavosti, odolnosti proti stárnutí, vliv na životní prostředí – posuzuje se původ materiálu, dostupnost, obnovitelnost, zdravotní nezávadnost.

Jako tepelnou izolaci je možné použít všechny běžně dostupné izolační materiály. Mezi nejpoužívanější patří:  polystyren – nejrozšířenější druh izolace, nelze ho dlouhodobě vystavit vysokým teplotám ,  polyuretan – tvrdá pěna, používají se desky, má dobrý součinitel tepelné vodivosti,  minerální vlna – používají se rohože nebo desky, je vyráběna z křemičitanové nebo čedičové taveniny 19,  minerální násypy – používají se k vyplňování dutin, podlah, atd. ,  pěnové sklo - vyznačuje se vysokou pevností v tlaku, využití jako izolace základů, nevýhodou je vysoká cena,  vakuová izolace – používají se desky s povrchem z metalizované vyztužené fólie, ve které je izolační hmota z pyrogenní kyseliny křemičité,  transparentní izolace – „Trombeho stěna“, akumulační zeď za skutečnou stěnou, slunce proniká přes izolaci, ohřívá hmotnou stěnu, která akumuluje teplo,  recykláty – z celulózových vláken nebo drcený polystyren,  izolace z přírodních materiálů – ekologické izolace, z obnovitelných materiálů (dřevěná vlákna, dřevěná vlna, konopí, bavlna, len, korek, ovčí vlna, sláma).

18

Tepelné izolace z konopí a dřevovláknitých desek [2]

3.2.2.6

Výplně otvorů

Úkolem okenních konstrukcí je zprostředkovat vizuální kontakt s exteriérem a umožnit vnikání světla do vnitřních prostorů. Kromě toho mají zvláště v případě pasivních domů velmi důležitou funkci k zajišťování pasivních solárních zisků. Okna u pasivních domů musí splňovat kromě funkčních a estetických požadavků také požadavky energetické. Okna lze u pasivních domů označit za nejslabší články, jelikož jsou běžně až pětkrát tepelně slabší než obvodové konstrukce. Na druhé straně jsou zdrojem solárních zisků, a proto při vhodném návrhu jsou okna v topné sezóně celkově ziskové. To znamená, že zisky jsou větší než ztráty. Aby tohoto mohlo být docíleno, je potřebné, aby splňovala následující podmínky:  hodnota celého okna včetně rámu musí být menší než 0,80 W/(m2K),  musí se zvolit vhodné zasklení – nejefektivněji se jeví zasklení trojskly vyplněnými vzácným plynem; ty běžně dosahují hodnoty Ug < 0,6 W/(m2K) s vysokou propustností slunečního záření nad 50%,  musí se minimalizovat tepelné mosty v místech osazení okna do stěny – okna se umisťují do vrstvy tepelné izolace, která se přetahuje přes rám okna; rám okna by měl být také kvalitně izolován. Důležitou otázkou je plocha zasklení. Bylo spočítáno, že největší úspory energie je dosaženo při zasklení přibližně 30-40% plochy v jižní fasádě. Další zvětšování oken nevede k významným úsporám a navíc kvůli přebytkům slunečního tepla dochází k výraznému přehřívání interiéru. V letním období je nutné chránit okna vůči přehřívání a instalují se žaluzie nebo stínicí pergoly. Umístění těchto žaluzií je nutné mimo úroveň tepelné izolace, například do samostatných boxů a skříněk. Okna v pasivní budově by měla být fixní, aby se zamezilo nadbytečnému větrání netěsnostmi, ale z praxe se navrhují alespoň malá otevíratelná křídla pro lepší lidský pocit a obytný komfort.

3.2.2.7

Koncepce vzduchotěsnosti

Pro fungování pasivního domu je důležité, aby míra těsnosti obalu byla velmi vysoká. Často se setkáváme s námitkou, že dům nebude tzv. „dýchat“. Tato námitka je však neopodstatněná, jelikož potřebnou výměnu vzduchu zabezpečuje dostatečné větrání. Naopak, objeví-li se netěsnosti v obalu 19

pasivního domu, dochází k úniku tepla a současně také vlhkosti, čímž vzniká nebezpečí, že vlhkost začne kondenzovat na konstrukčních prvcích, čímž může ovlivnit jejich životnost. Další nebezpečí, které s sebou přináší kondenzace vodních par na konstrukcích, je tvorba plísní v exponovaných místech. Současně těsnost obálky ovlivňuje i efektivitu zpětného zisku tepla větracího systému, jelikož se vzduch vyměňuje netěsnostmi místo toho, aby procházel rekuperačním výměníkem. Již ve fázi projektování je proto nutné navrhnout spojitou vzduchotěsnou obálku kolem celého objektu bez zbytečného přerušení. Při realizaci je důležité přesně dodržovat projekt, který by měl obsahovat dostatečně detailní stavební dokumentace. Významnou roli hraje také důkladný stavební dozor. U masivních staveb je zajištěna vzduchotěsnost stěn vrstvou omítky bez prasklin. U dřevostaveb plní funkci vzduchotěsnící vrstvy nejčastěji desky (např. OSB) nebo fólie, u nichž se spoje přelepují speciálními páskami. Velmi důležité je důkladné provedení utěsnění oken a všech míst, kde dochází k napojení a prostupu konstrukcí. Pouhé vyplnění spár PUR pěnou nestačí a místa styků různých konstrukcí, nejen oken, je nutné utěsnit vhodnou páskou, tmelem nebo fólií. V okamžiku provádění stavby, kdy je ještě přístupná neprůvzdušná vrstva a všechna napojení, je doporučeno uskutečnit test Blower-Door. Tímto testem rozumíme detekční metodu na zjišťování vzduchotěsnosti obálky budovy a tím dochází k zjištění energetické náročnosti domu (při vadách vzduchotěsnosti oken, stěn či střechy totiž dochází k významným únikům tepla a tím větší náročnosti na vytápění). Po dokončení stavby je tento test nutností. Touto zkouškou probíhá měření výměny vzduchu pomocí ventilátoru, který v budově vytvoří přetlak a podtlak. Pro vyhledávání netěsných míst se využívá termovizní kamery a další zařízení.

Blower-door test [5] Hlavními zásadami pro koncepci vzduchotěsnosti jsou:   

koncepce vzduchotěsnosti musí být dopředu navržena, množství spojů, překryvů v napojeních a prostupů je třeba omezit na minimum, všechna napojení musí být zkontrolována před osazením obkladu, 20



   

3.2.2.8 3.2.2.8.1

musí být uskutečněn test Blower-Door, a to v okamžiku provádění stavby, kdy je ještě přístupná neprůvzdušná vrstva a všechna napojení. Již musí být osazena rovněž všechna okna a dveře, všechny materiály musí být výrobcem schváleny pro daný způsob použití, všechny materiály musí být navzájem kompatibilní, na vnitřní straně neprůvzdušné vrstvy musí být ponechán instalační prostor, masivní zdivo je vzduchotěsné pouze tehdy, je-li opatřeno omítkou alespoň z jedné strany.

Technická zařízení pasivních domů Větrání

Větrání je u pasivních budov velmi důležitou činností, která je nutná z hlediska odvádění nashromážděné vodní páry v místnostech. Pára musí být odváděna z důvodu vyrovnání relativní vlhkosti mezi interiérem a exteriérem budovy a případné kondenzaci vodní páry. Kromě snížení vlhkosti vzduchu je větrání nutné také z důvodu odvětrání oxidu uhličitého vznikajícího dýcháním, vyvětrání prachu, odvodu škodlivin, které se uvolňují z nábytku, textilií, stavebních hmot a ostatních předmětů a také z důvodu snížení obsahu radonu, jehož množství se může značně lišit podle lokality a druhu stavebních materiálů. Jak již bylo zmíněno, u pasivních budov je nutná výměna vzduchu. Doba, během které se v místnosti vymění vzduch za čerstvý venkovní, trvá v závislosti na různých nastaveních větrání od 2 do 10 hodin. Splněna by měla být podmínka, že za jednu hodinu se do místnosti přivede 30m 3 čerstvého vzduchu za hodinu na jednu osobu. U pasivních domů je zapotřebí, aby bylo na jednu stranu minimalizováno množství tepla, které uniká větráním, na druhou stranu je však nutné zajistit potřebnou výměnu vzduchu. Z těchto důvodů se u pasivních domů instaluje větrací zařízení s vysoce účinným zpětným získáváním tepla (rekuperace). Rekuperační jednotky fungují na následujícím principu. Venkovní vzduch je nasáván a přiváděn k zemnímu výměníku (jedná se o potrubí uložené v nezámrzné hloubce, kde je stálá teplota), kde je předehříván, aby do centrální větrací jednotky nepřicházel ledový vzduch z venku. Ze zemního výměníku pak vzduch putuje přes filtr k centrální větrací jednotce. Současně se odsává použitý vzduch z koupelen, WC, kuchyně a další odvětrávaných prostor a je přiváděn k centrální větrací jednotce. V rekuperátoru centrální větrací jednotky se následně provede odebrání tepelné energie z odváděného vzduchu, která je pak přenesena do přiváděného venkovního vzduchu. Oběma směry proudění vzduchu jsou navzájem dokonale odděleny, takže nemůže dojít k jejich smíchání. Tím pádem nedochází ani k přenosu pachů, ani k přenosu škodlivin. Přefiltrovaný použitý vzduch, který byl použit pro ohřátí venkovního vzduchu, je vypouštěn ven z domu.

21

Schéma principu větracího zařízení e zpětným získáváním tepla [3] Účinnost rekuperačního zařízení by měla být minimálně 85%, což znamená, že odebírá 85% tepelné energie obsažené v odváděném vzduchu a předává ji přiváděnému vzduchu. Spotřeba el. energie by se měla pohybovat okolo hodnoty 0,4 W na m2. Větrací rozvody musí být vedeny pokud možno přímočaře a měly by být co nejkratší, aby nedocházelo ke ztrátě tlaku uvnitř zařízení. Všechny částí větrací soustavy by měly být opatřeny účinnou ochranou proti hluku, aby nebyla překročena hladina hluku 25dB(A), která je udávána jako mezní pro obytné místnosti.

Rekuperační zařízení [6]

22

Hlavní zásady pro návrh a provedení větrací soustavy:       

3.2.2.8.2

centrální jednotka by měla mít účinnost alespoň 85%, spotřeba elektrické energie na úpravu vzduchu by neměla překročit hodnotu 0,4 W na metr krychlový upraveného vzduchu za hodinu, větrací rozvody musí být přímočaré a co nejkratší, měl by být proveden výpočet potrubní sítě za účelem zjištění ztráty tlaku v potrubí, měl by být navržen zemní výměník tepla s následujícími parametry – délka vedení: 30 m až 40 m; průměr vedení 150 mm až 200 mm; hloubka uložení 1 m až 2 m, v obytných místnostech nesmí hladina hluku přesáhnout 25 dB(A), pro alergiky musí být osazeny pylové filtry

Vytápění

Koncepce pasivního domu umožňuje úplné vypuštění konvekčního způsobu vytápění díky značným tepelným ziskům. Pro získání dostatečného množství tepelné energie většinou postačí vzduch z rekuperační jednotky. Avšak při obzvláště chladném počasí se ani pasivní dům neobejde bez přitápění, které je důležité zejména v obytných prostorách nebo v koupelně. Mezi nejčastěji používané možnosti vytápění patří:         

řízené větrání s rekuperací – systém využívá teplo odpadního vzduchu; tepelné čerpadlo – většinou ve formě tzv. kompaktních agregátů, kde je tepelné čerpadlo a vodní tepelný zásobník integrován do větracího zařízení; plynové topidlo – ohřev vzduchu lze zajistit plynovým topidlem, plynové topidlo může rovněž sloužit k ohřevu vody; krb (zdroj sálavého tepla); krbová kamna (zdroj sálavého tepla); podlahové vytápění; přímotopné radiátory – elektrické; kotle na biomasu; palivové články – přeměňují palivo elektrochemickým procesem na elektrický proud a teplo;

Ukázka krbu v pasivním domě [7] 23

3.2.2.8.3

Příprava teplé vody

Energie, která je potřebná pro přípravu teplé vody na osobu na rok, je cca 400 kWh. K této hodnotě je nutné připočítat ztrátu tepla v potrubí a v zásobníku teplé vody při centrální přípravě, která představuje hodnotu 1000 až 2000 kWh na rok. Pro čtyřčlennou rodinu to znamená, že roční odhad spotřeby energie pro přípravu teplé vody činí něco mezi 2600 až 3600 kWh. Z toho je jasně patrné, že příprava teplé vody výrazně ovlivňuje spotřebu energie pasivního domu. Kromě toho se pro přípravu teplé vody spotřebovává energie z fosilních zdrojů také v podobě elektřiny na pohon oběhového čerpadla, na provoz hořáků a na regulaci. Z tohoto důvodu je potřeba snižovat provozní náklady na přípravu teplé vody. Měla by být brána v potaz úsporná opatření. Hlavní věc, která by měla být dodržena, je co možná nejkratší délka vodovodního vedení, přičemž by všechna vedení měla být umístěna uvnitř vytápěného pláště budovy. Kromě toho musí být vodovodní potrubí opatřeno tepelnou izolací, která brání tepelným ztrátám a současně i zahřívání budovy v letních měsících. Hlavní zásady pro návrh a provedení otopné soustavy:  

 



3.2.2.8.4

otopná soustava by měla být primárně dimenzována na přípravu teplé vody. Ohřívání vzduchu je zajištěno takřka jako vedlejší produkt, pro přitápění a pro ohřev vody je důležité zvolí pokud možno jednoduchý systém, aby nevyžadoval nákladnou regulaci. Zkušenosti ukazují, že náročné systémy jsou jednak drahé, jednak poruchové, vodovodní vedení musí být co nejkratší a musí mít tepelnou izolaci. Kromě toho by mělo být celé vedení umístěno ve vytápěných prostorech budovy, pokud používáte k přitápění elektrické přímotopy a k ohřevu teplé vody elektrickou energii, měli byste zvolit dodavatele elektřiny, který vyrábí a dodává elektřinu z obnovitelných zdrojů, výtokové baterie teplé vody musí být umístěny co nejblíže k sobě a po patrech nad sebou, např. koupelna nad koupelnou nebo koupelna nad kuchyní.

Hospodaření s vodou

Průměrná spotřeba vody je 130 – 150 litrů na osobu za jeden den. Mezi možnosti, jak s vodou zacházet hospodárněji, je nahrazení pitné vody v některých případech vodou srážkovou nebo vodou ze studny, používání úsporných spotřebičů (pračky, myčky nádobí), instalace úsporných splachovacích zařízení, instalace průtokových redukcí (šetří až 50% spotřeby), používání bezdotykových baterií, úsporných sprchových hlavic, výměníků, čištění odpadních vod atd.    

užitková voda – lze použít např. pro praní, sprchování, splachování, zavlažování zahrad, atd., pitná voda – vaření, pití, atd., dešťová voda - využívá se například jako užitková voda pro splachování WC a pro praní. Pro akumulaci srážkové vody se využívají podzemní či jiné nádrže, studny - pokud se na pozemku vyskytuje spodní voda, je nejlepší variantou pro snížení spotřeby vody vykopání study. Voda ze studny je dle kvality využitelná jako voda užitková nebo pitná,

24





3.2.2.8.5

kompostovací záchody - tyto druhy WC se využívají u objektů, kde není zavedena kanalizace, např. u samostatně stojících chat, u budov v chráněných krajinných oblastí, atd. Odpadní voda z těchto zařízení je dále využitelná jako hnojivo na zahradu, kořenové čistírny vod - v čistírnách dochází k přírodnímu čištění odpadních vod, je využito vodní vegetace a mikroorganismů, které mají samočisticí schopnost. Jako tyto čistírny jsou budovány přírodní jezírka, využívají vlastního mikroklima.

Kanalizace, odpadní vedení

Rozvody sítí kanalizace, odpadního vedení stejně jako např. vodovodu, elektroinstalace a vzduchotechniky se neliší od běžné výstavby, je však nutné dodržovat základní konstrukční a prováděcí principy. Jedná se zejména o utěsnění v místech napojení s obvodovými zdmi, tepelnou izolaci vodovodních a rekuperačních vedení, vedení vzduchotechniky provádět samostatně, nejlépe pod stropem, atd. Všechny odpady, které procházejí obvodovým pláštěm budovy, představují slabá místa. Protože kanalizaci však nelze u obytné budovy opomenout, je nutné minimalizovat počet těchto slabých míst. To znamená, že všechna odpadní vedení by měla být pokud možno uvnitř budovy sloučena a vyvedena ven jedním společným potrubím.

3.2.3

Využití obnovitelných zdrojů energií

U domů šetrných k životnímu prostředí se snažíme o takové řešení, aby potřeba energie domu byla co nejmenší. K tomu přispívá dodržování zásad uvedených v předcházejících kapitolách. Avšak i u sebelepšího návrhu a provedení stavební části zbývá určité množství energie, které musíme domu dodat. Také zde je snaha o to, aby vše bylo provedeno co nejšetrnějším způsobem. Pro vytápění a přípravu teplé vody proto využíváme např. solární kolektory, tepelná čerpadla, kotle na pelety, kotle na zemní plyn. Pro výrobu elektřiny můžeme použít fotovoltaické panely (pro výrobu elektřiny v létě) nebo tzv. kogenerační jednotky (pro výrobu elektřiny v zimě).

3.2.3.1

Sluneční energie a solární kolektory

Pokud využíváme technologie na využití slunečního záření (solární kolektory, trombeho stěny, fotovoltaické panely) měly by být přímo součástí návrhu domu a integrovány do střechy, fasády apod. Solární kolektory se využívají se na ohřev teplé vody v domě nebo zahradním bazénu. Svou účinností obvykle pokryjí 60 – 70% spotřeby energie pro ohřev. V letním období, kdy je aktivita sluneční záření největší, dosahuje účinnost kolektorů 100% a vzniká přebytek tepla. Naopak je tomu v zimním období, kdy slunečných dnů je velmi málo. V tomto období se musí využít i jiný zdroj pro ohřev vody.

25

Solární energie se ukládá do akumulační nádrže a odtud se podle potřeby odebírá. Energie, která chybí při nedostatečném slunečním záření, se dodává zařízením, které zajišťuje přitápění budovy. Pro instalaci kolektorů je nutné dodržet následující podmínky:   

orientace kolektorů by měla být mezi jihovýchodem a jihozápadem, sklon kolektorů by měl být 25° až 45°, plocha pro instalaci nesmí být zastíněná.

Solární kolektor [8] Druhy solárních kolektorů:  



3.2.3.2

ploché deskové kolektory – tepelně izolovaná deska, která je z horní části prosklená, uvnitř této desky je absorbér, trubicové vakuové kolektory – skleněné trubice, které mají uvnitř měděnou trubičku působící jako teplotní médium, prostor uvnitř skleněné trubice je vyplněn vakuem, který působí jako tepelná izolace, teplovzdušné kolektory – stejný princip jako vakuové kolektory, jako topné médium zde figuruje ohřátý teplý vzduch.

Fotovoltaické systémy

V tomto solárním článku probíhá přeměna slunečního záření na elektrickou energii. Pomocí této techniky mohou budovy získávat potřebnou energii s velmi malými emisemi škodlivých plynů v bilanci životního cyklu. Fotovoltaiku lze dodatečně instalovat na starší budovy, ale lze ji projektovat i na novostavby. Druhy fotovoltaických systémů a článků:    

s monokrystalickými články – na bázi křemíku, účinnost 15–17% , s polykrystalickými články – jednodušší a levnější výroba, účinnost 13-16%, pásový křemík – účinnost 14% , amorfní křemík – účinnost – 8-10 %.

26

Fotovoltaický systém [9]

Průměrné hodnoty elektrické energie (Wh/den), kterou lze získat během jednoho dne ze solárního panelu s výkonem 110 Wp (cca 1 m2) dle měsíců [11]

3.2.3.3

Kogenerační jednotky

Kogenerační jednotka je zařízení, které vytápí dům a zároveň vyrábí elektřinu. V podstatě se jedná o kotel na zemní plyn, propan nebo pelety, který navíc kromě tepla vyrábí elektřinu.

27

Kogenerační jednotka [10]

3.2.3.4

Hospodaření s elektrickou energií

K principům pasivního domu patří minimalizace celkové spotřeby energie v domě. Do toho se musí zahrnout samozřejmě také spotřeba elektřiny v domácnosti. Ke snížení spotřeby elektrické energie v domácnosti mohou přispět následující rady:  Při nákupu domácích přístrojů vybírat přístroje s nejnižší spotřebou. Vyšší cena spotřebiče se vrátí během několika let v podobě úspor za elektřinu.  Při koupi přístroje sledovat jeho zařazení do třídy podle spotřeby energie.  Žárovky nahradit úspornými.  Pokud je k dispozici přívod plynu, pak by měl být sporák připojen na plyn.  Mrazničku umístit do chladné místnosti. Čím je místnost chladnější, tím nižší je spotřeba energie.  Chladničku umístit pokud možno na chladnější místo v místnosti. To znamená ne hned vedle sporáku nebo topného tělesa.  Chladničky, které nemají mrazící oddíl, jsou úspornější než ty, které ho mají.  Pračku napojit na přívod teplé vody. To se vyplatí zejména tehdy, když se teplá voda ohřívá pomocí solárního zařízení.  Je-li to možné připojit myčku na nádobí k přívodu teplé vody.

28

3.3 Hodnocení energetické náročnosti budov 3.3.1

Průkaz energetické náročnosti budovy

Energetický průkaz náročnosti budov obsahuje informace o energetické náročnosti budovy vypočtené podle metody stanovené prováděcím právním předpisem (vyhl. 148/2007 Sb. - bude v blízké době novelizována). Energetická náročnost budovy se stanovuje výpočtem celkové roční dodané energie v GJ potřebné na vytápění, větrání, chlazení, klimatizaci, přípravu teplé vody a osvětlení při jejím standardizovaném užívání bilančním hodnocením. Průkaz energetické náročnosti budovy obsahuje protokol prokazující energetickou náročnost budovy a grafické znázornění energetické náročnosti budovy. Klasifikace energetické náročnosti budovy je rozdělena do klasifikačních tříd A až G. Průkaz energetické náročnosti budovy je zpracováván na základě oprávnění k činnosti v oblasti energetické účinnosti vydaného Ministerstvem průmyslu a obchodu České republiky.

Ukázka průkazu energetické náročnosti budovy [12] Průkaz energetické náročnosti budovy je od 1. 1. 2009 povinnou součástí dokumentace ke stavebnímu řízení při výstavbě nových budov.

29

Povinnost se vztahuje na následující budovy:        

rodinný dům, bytový dům, hotel a restaurace, administrativní budova, nemocnice, vzdělávací zařízení, sportovní zařízení, obchodní zařízení.

Povinnost zpracovat průkaz energetické náročnosti budovy není dle zákona o energiích u výrobních budov v průmyslových areálech, u provozoven a neobytných zemědělských budov. Dále pak pro budovy do 50 m2, dočasné stavby nebo například stavby určené k náboženským účelům. Cena za PENB na běžný rodinný dům je 3.500,- Kč a doba vypracování do 5-ti pracovních dnů.

3.3.2

Energetický štítek obálky budovy

Energetický štítek obálky budovy a protokol k němu jsou přehledné technické dokumenty, kterými lze doložit splnění požadavku na prostup tepla obálkou budovy. Pouhý energetický štítek obálky budovy nemá vůbec žádnou vypovídací hodnotu o celkové energetické náročnosti budovy, ale pouze o vlastnostech obálky, tedy o souhrnu všech stavebních konstrukcí, které oddělují budovu od venkovního prostředí. Důležitý je fakt, že jej nelze vyhotovit jako samostatný elaborát, který by bylo možno použít například pro stavební řízení, žádost o dotaci na zateplení a podobně. Přes výše uvedená fakta se nejedná o bezvýznamný dokument. Energetický štítek obálky budovy je povinnou součástí energetického auditu budovy zpracovávaného podle zákona 406/2000 Sb. o hospodaření energií při podávání žádosti o finanční příspěvek podle některého z vypisovaných dotačních titulů. Energetický štítek obálky budovy sice neříká nic o celkové energetické náročnosti, neboť v té hraje podstatnou roli kromě kvality stavby jako takové též úroveň technického zařízení budovy (TZB). Nicméně v kontextu celé zprávy o energetickém auditu lze spolehlivě vyčíst, jak velký potenciál možných energetických úspor lze očekávat například od investice do zateplení budovy. Pokud se k výpočtům používá některý z profesionálních softwarů, je energetický štítek obálky budovy jedním ze zcela objektivních výstupů na rozdíl od hodnocení TZB, kde do hry vstupuje někdy i zcela subjektivní pohled energetického experta.

30

Ukázka energetického štítku obálky budovy [13]

31

3.4 Dřevostavby 3.4.1

Úvodní část

Dřevostavbami označujeme stavební objekty, pro jejichž výstavbu je využíváno dřeva či jiných materiálů na bázi dřeva. Využitelnost těchto staveb je velmi různorodá, dřevostavby mohou sloužit jak k bydlení, tak jako rekreační, administrativní, občanské či jiné stavby. Samotný stavební objekt je obvykle tvořen různými dřevěnými komponenty, a to jednak masivními dřevěnými prvky (používanými pro nosné konstrukce) či jinými dřevěnými průmyslově vyráběnými materiály (desky z orientovaných třísek OSB, dřevovláknité desky apod.). Hlavními výhodami dřevostaveb jsou dobré tepelně-izolační vlastnosti (nízkoenergetický standard), nízká spotřeba energie při výstavbě (suchá technologie) a celková ekologičnost. Dřevo jakožto ekologický obnovitelný materiál vytváří zdravé přírodní prostředí. Dřevěné stavební prvky lze snadno recyklovat, a tudíž případný odpad není zátěží pro životní prostředí. V dnešní době jsou dřevostavby s oblibou využívány v oblastech nízkoenergetického a ekologického bydlení.

3.4.2

Tepelně izolační vlastnosti dřevostavby

Vzhledem k nízké tepelné vodivosti, zaručuje dřevo dobré tepelně-izolační vlastnosti. Nízké tepelné ztráty dřevostaveb zajišťují oproti klasickým zděným stavbám nižší potřebu energie na vytápění. Vnitřní prostory dřevostavby lze díky menší akumulační schopnosti snadno a během krátké doby vytopit. Tato akumulační schopnost dřeva často způsobuje přehřívání objektů v letních měsících.

3.4.3

Akustické vlastnosti dřevostavby

Dřevostavby jsou charakterizovány nižšími hodnotami vzduchové a vyššími hodnotami kročejové neprůzvučnosti. Odpor konstrukce vůči zvuku nesenému vzduchem je nižší a míra hluku přenášeného konstrukcí, který vzniká při otřesech (např. způsobených chůzí), je naopak vyšší. Požadované akustické vlastnosti dřevostaveb lze zajistit použitím kvalitních izolačních řešení stavebních technologií. Jedná se zvláště o akustickou izolaci stropních konstrukcí a dále eliminaci bočních cest vedení zvuku.

3.4.4

Bezpečnost dřevostavby

Při zajištění bezpečnosti provozu dřevostaveb je nutné zajistit patřičné řešení problematiky protipožární ochrany. Navzdory skutečnosti, že dřevo je hořlavý materiál, není riziko požáru u dřevostaveb vyšší než u staveb z jiných stavebních materiálů. V tomto směru bývají dřevostavby často opředeny různými mýty. Chování správně dimenzované dřevěné konstrukce lze při případném požáru dobře odhadnout, a tedy i jemu předcházet.

32

Při požáru se chová dřevo předvídatelným způsobem. Dojde-li k vznícení, vytvoří se na povrchu dřeva zuhelnatělá vrstva, která chrání před dalším procesem hoření. Odolnost vůči požáru se tímto prodlužuje. Dřevostavby mohou být dále chráněny speciálními protipožárními nátěry a obkladovými materiály (např. sádrokartonové desky).

3.4.5

Konstrukční systémy dřevěných staveb

Z hlediska skladby a uspořádání vrstev pláště budovy se v oblasti dřevostaveb objevují novodobá a výhodná řešení. V dnešní době je taktéž zaznamenán inovativní vývoj dřevěných nosných systémů.

Základní typy dřevostaveb jsou: 

srubové stavby,

Srubová stavba [14]



hrázděné stavby,

Hrázděná stavba [15]

33



Balloon-Frame, Platform-Frame,

Baloon–Frame [16]



Platform-Frame [17]

rámové stavby,

Rámová stavba [18]

34



skeletové stavby,

Skeletová stavba [19]



stavby z masivního dřeva.

Stavba z masivního dřeva [20]

Tradiční systémy srubových či hrázděných staveb či systémy Balloon-Frame a Platform-Frame (často konstruované v zámoří a v anglosaských zemích) ztratily již před delší dobou do značné míry na významu nebo se vyskytují pouze v jednotlivých regionech. Moderní stavění se dřevem se neomezuje na napodobeniny tradic. Současný vývoj v dřevěných stavbách čím dál více odpovídá dnešnímu myšlení a jednání. Stavební odborníci se sice musí pokusit porozumět stavebním tradicím, musí však chápat dřevěné stavby především jako novou, moderní úlohu.

35

V současné době se převážně používají následující konstrukční systémy:

  

rámové stavby, skeletové stavby, masivní dřevěné stavby.

Systémy se výrazně odlišují konstrukcí i vzhledem. Podle regionu nebo způsobu konstrukce jsou také rozdílně pojmenovány. Ty systémy, které jsou vyráběny a dodávány pod chráněnou ochrannou značkou, se označují jako systémy týkající se výrobků. Tyto zpravidla sériově vyráběné konstrukční systémy jsou, pokud podíl masivního dřeva překračuje 50 % vlastního nosného systému, přiřazeny k masivním dřevěným stavbám.

3.5 Srubové stavby Srubové stavby se těší konstrukční tradici, která sahá daleko do minulosti. Tento způsob konstrukce výrazně ovlivnil vývoj dřívější evropské architektury dřevěných staveb a je široce rozšířený. V Rusku a Skandinávii se setkáváme se srubovými stavbami, které určují obraz tradičního prostředí. V těchto oblastech nebyly prováděny jako srubové stavby pouze obytné domy, ale také paláce, věže a kostely. Také v středoevropských horách a především v Alpách měly srubové stavby velké využití jako příbytky obyvatel. Ještě dnes se v horských oblastech zřizují srubové stavby. Ve Švýcarsku jsou takovými oblastmi například bernská vysočina, Wallis, Freiburské Alpy a Bündnerland, v Německu bavorské Alpy a v Rakousku také horské oblasti. Mezi známé české srubové stavby patří Libušín a Maměnka v Pustevnách z r. 1898. Jsou to secesní stavby s bohatým dekorem typickým pro Valašsko a slovanskou lidovou architekturu.

36

Pustevny – Libušín a Maměnka (architekt Dušan Jurkovič) [21] Vědomosti generací tesařů, které se předávají mladé generaci především ústně, pomáhají stavět nové srubové stavby, které však musí být přizpůsobeny novému standardu bydlení. Tím je zajištěno, že si tento druh konstrukce zachová svoji svébytnost, konstrukční pravidla budou dodržována a zůstanou zachovány charakteristické regionální znaky.

3.5.1

Srubové stavby s novodobými konstrukčními elementy

Plášť budovy srubových staveb dříve sestával z jediné vrstvy, která měla současně obkladovou, nosnou a prostor vytvářející funkci. Avšak v nynější době nároky uživatelů na izolaci a pohodu prostředí výrazně vzrostly. Tyto zvýšené požadavky vedly k dnes běžným plášťům budovy a dřevěným konstrukčním prvkům s více vrstvami, které plní různé úkoly. Pro srubové stavby jsou dostupné různé systémy, zčásti prefabrikované. Přitom je snahou sloučit tepelnou izolaci, instalační dutiny, obklady nebo vnitřní konstrukce i nosnou konstrukci do jednoho elementu. Jako příklad pro toto stavění slouží tradiční srubová stavba s vodorovnými dřevěnými prvky ukládanými vzájemně na sebe. Tyto elementy smontované do plošných konstrukčních prvků tvoří vlastní jádro stěny, která je vytvořena obdobně zděným nebo betonovým konstrukcím. Tyto konstrukce ovšem sotva mají celostátní význam a málo se používají. Potěšitelný vývoj byl zaznamenán v horských regionech, a to zásluhou architektů, kteří pracují s velkým citem pro regionální zapojení a navrhují s novým porozuměním pro konstrukční princip srubových staveb. Pochopení nosné a obkladové funkce jako architektonického potenciálu posouvá srubové stavby do nové dimenze. Rohy a hrany, výstupky a stupně, trámy a nosníky přitom zůstávají viditelné (Obr. Srub). Architektura a konstrukce jsou v souladu.

37

Srub [22]

3.5.2

Charakteristické znaky srubových staveb

Mezi charakteristické znaky srubových staveb patří:      

vysoká řemeslná dovednost; speciální výběr dřeva; umělecké rohové spoje; pevné uspořádání půdorysu; velká spotřeba dřeva; sednutí.

3.6 Hrázděné stavby U řady hrázděných staveb zůstává nosná kostra stavby viditelná. Hrázděné stavby jsou široce rozšířeny. Četné hrázděné stavby stojí ve východní a střední Evropě, ale také v Anglii, severním Německu, Dánsku a Nizozemsku. U severských staveb je hrázděná soustava vytvořena velmi pravidelně a tvoří většinou poměrně hustou sít' obdélníků a čtverců, včetně oken jako integrované časti konstrukčního systému. Také v severní Francii vykazují hrázděné stavby podobně důsledně vytvořenou konstrukční strukturu, ale forma projevu a proporce jsou změněné. Ve Francii je především zdůrazněna konstrukční logika; dekorační elementy slouží ke zdůraznění celé struktury. V jižním Německu a přilehlých částech Švýcarska s kantony Thurgau, Zurich, Schaffhausen, Appelzell a St. Gallen se vyvinula zvlášť bohatě utvářená architektura hrázděných staveb. Přes tento geograficky úzký prostor vykazují stavby odlišné regionální znaky. Hrázděné stavby se vyvinuly zvláště v regionech, v nichž dřevo nebylo k dispozici v takovém množství, jaké je potřebné například pro srubové stavby. Mimoto lze u hrázděných staveb také používat spíše krátké části listnatého dřeva. 38

Až do poloviny 19. století se vyráběly převážně hrázděné stavby, jejichž hlavní nosná konstrukce (a tedy i vyzdívka) zůstala viditelná. Ve městech se již před r. 1800, především však v druhé polovině 19. století, hrázděné stavby omítaly, aby napodobovaly masivní stavby z kamene a zdiva. Věřilo se, že se tímto způsobem získají domy bezpečnost proti požáru. Vedle toho měl tento jako „venkovský“ pociťovaný druh staveb dostat „městskou“ tvář.

Tradiční hrázděná stavba [23]

3.6.1

Hrázděné stavby v současné době

Nosná konstrukce bývá tvořena dřevěnými svislými a šikmými sloupky, kde prostor mezi nimi vyplňuje vyzdívka, která je obvykle tvořena cihlami. Oproti srubové konstrukci je u tohoto typu menší spotřeba zdiva. Rovněž pravidelné střídání sloupků a vyzdívky působí esteticky velice příjemně a užití tohoto typu zdiva má dlouhou tradici. Pro dosažení lepších tepelně izolačních vlastností je možno přidat dodatečně tepelnou izolaci. Klasické hrázděné stavby s nosnou konstrukcí viditelnou z venkovní strany se dnes u novostaveb téměř nepoužívají. Výztužná vzpěrová konstrukce hrázděných staveb byla nahrazena vývojem nových materiálů na bázi dřeva a deskových materiálů, tak i výrobními metodami s ekonomicky i konstrukčně zajímavými alternativami. Tesařství ovšem stále ještě zná hrázděné stavby se vzpěrami a příčkami. Pro různá použití např. pro zemědělství nebo pro jednoduché jednopodlažní až nejvýše dvoupodlažní účelové stavby jsou dřevěné hrázděné stavby stále ještě hospodárné, ovšem většinou s obloženou nosnou konstrukcí. Moderní přesné tesařské stroje nebo výrobní linky řízené počítačem vedou společně s novými poznatky a metodami pro vysoušení dřeva k hospodárnosti hrázděných staveb pro uvedená použití. Čepy a zapuštění jsou příznivější spojovací prostředky než tvarové 39

součásti z plechu nebo ocelové části. Důvod spočívá ve skutečnosti, že u dřevěných prvků uspořádaných v malých vzdálenostech, jsou spoje namáhány pouze málo. U hrázděných staveb dochází k přenosu svislých zatížení přímo kontaktními styky dřeva.

3.6.2

Charakteristické znaky hrázděných staveb

Mezi charakteristické znaky hrázděných staveb patří:      3.6.3

nosná kostra může být oboustranně obložena, podle tradičního vzoru však zůstává zvenku viditelná; patrová výstavba; především čisté spoje dřeva s čepy, zapuštěními a plátováním; nosné dřevěné prvky vykazují větší a spíše čtvercové průřezy; jednoduchá montáž.

Vícepodlažní hrázděné stavby

Historické konstrukce ukazují spolehlivost hrázděných konstrukcí také u vícepodlažních staveb. Mezi jejich charakteristické prvky patří:  konstrukce se musí vytvořit tak, aby bylo pokud možno zabráněno sedání;  nákladné zajištění dřeva, přesto se má použít vysušené dřevo;  při montáži se konstrukce musí chránit před povětrností;  udržování je při zvenku viditelné hrázděné konstrukci nákladné a pracné;  hrázděné konstrukce vícepodlažních staveb dnes již nejsou účelné z montážně technických a konstrukčních důvodů, ale ani z investičního hlediska. 3.6.4

Tradiční konstrukce pro vyztužení hrázděné stěny

Rozličně zabudované vzpěry jsou také významným ozdobným elementem hrázděného domu.

A+B C D+E F+G

Ondřejův kříž Čtyřkový kříž Pětiprvkový kříž nebo zkřížený kosočtverec Kosočtverec

Tradiční konstrukce pro vyztužení hrázděné stěny [*9] 40

3.6.4.1

Balloon-Frame, Platform-Frame (nosná konstrukce s průběžnými sloupy, plošinová konstrukce)

Již v polovině 19. století byly tradiční rukodělné techniky zatlačeny početnými novými strojními výrobními prostředky. Společně s podstatně příznivějšími možnostmi přepravy, ke kterým došlo koncem 19. století, to vedlo k dostupnosti nových, doposud nepoužívaných materiálů. Účinky na architekturu i stavební techniku se projevily. Nově nahradilo tradici, v Evropě vyšly dřevěné stavby přinejmenším na určitý čas z módy. V ještě mladých Spojených státech amerických s jejich požadavkem na rychlou výstavbu se však okolo r. 1850 zrodil zvláštní druh dřevěných staveb a architektury: konstrukce Balloon-Frame. Možná to bylo mimo jiné vlivem průmyslové a hromadné výroby hřebíků. Balloon-Frame, žebrový stavební systém ze dřeva, sestává ze sloupků postavených v malých vzdálenostech, které jsou vyztuženy prkny nebo deskami na bázi dřeva, přitlučenými hřebíky. V Severní Americe se v zásadě prosadily dva konstrukční systémy: 

Balloon-Frame

U systému Balloon-Frame procházejí stěnové sloupky průběžně přes dvě nebo více podlaží. Spodní a horní uzavření tvoří vodorovná prkna (prahy a vaznice). Stropní nosníky jsou uloženy na stojaté fošně, která je zapuštěna do zářezů stěnových sloupků.

 Konstrukce s průběžnými dřevěnými prvky – Balloon-Frame [*9]

41



Platform-Frame

Charakteristickým znakem Platform-Frame (obr.) je poschoďová skladba. Plošina se během stavby používá jako pracovní plocha a výrobní místo. Systém Platform-Frame je v Severní Americe ještě dnes běžná metoda pro jedno a dvoupodlažní domy. Tento konstrukční systém umožňuje standardizaci a prefabrikaci a používání normalizovaných konstrukčních prvků. Kromě toho je tento způsob stavění velmi flexibilní vzhledem ke konstrukci i architektonickému řešení.

Konstrukce s poschoďovou výstavbou – Platform-Frame [24]

3.6.5

Sloupkové stavby dnes

Sloupkové stavby, prováděné podle amerického vzoru koncem dvacátých let také v Evropě, se v průběhu času vyvinuly do nejrůznějších konstrukčních systémů. Starší hrázděné stavby se tedy ještě mohou vyvíjet. Snad nejvýznamnější rozdíl mezi sloupkovými a hrázděnými stavbami spočívá ve způsobu vyztužení. Nosná kostra hrázděných staveb je sama vyztužena vzpěrami, zatímco u sloupkových staveb nosná konstrukce získává stabilitu venkovním bedněním z masivního dřeva nebo deskami na bázi dřeva a svislé nosné dřevěné prvky probíhají po celé výšce budovy. U sloupkových staveb se spoje provádějí kontaktními spoji dřeva namáhanými tlakem, hřebíky, přeplátováním a zčásti také čepovými spoji. Dnes platí, že sloupkové stavby nebo podle jejich původních názvů označené stavební systémy Balloon-Frame nebo Platform-Frame jsou přinejmenším v Evropě nahrazeny kvalitativně lepšími rámovými stavbami.

42

3.6.6

Charakteristické znaky sloupkových staveb

    

malá možnost předvýroby, vysoká pracnost na staveništi; budova je vyztužena plášti; konstrukce je oboustranně obložena; štíhlé, vysoké průřezy; těsná vzdálenost sloupků.

3.7 Rámové stavby Nosná konstrukce rámových staveb sestává z tyčové nosné kostry, z řeziva a z pláště stabilizujícího nosnou kostru. Tyčová nosná kostra přitom přenáší svislá zatížení ze střechy a mezipatrových stropů zatímco pláště z desek na bází dřeva přenášejí vodorovná zatížení, která vznikají účinkem větru a výztužných sil. S ohledem na výrobu je základním principem dnešních rámových staveb prefabrikace ve výrobním závodě. Přitom se podle využití budovy navrhují různé skladby stěn, stropů a střechy a vyrábějí se jako dílce. Tak jako je běžné u předchůdce rámových staveb, stavebního systému Platform-Frame, také rámové stavby se projektují, konstruují, vyrábějí a montují poschoďově. Dílce se vyrábějí v klimatizovaných výrobních halách, které poskytují optimální výrobní podmínky. Pro precizní výrobu jsou k dispozici dopravní a výrobní stroje řízené počítačem. Pro přepravu a montáž se používají výkonné zdvihací a přepravní prostředky. Díky těmto pomocným zařízením je možné vyrábět dílce větších rozměrů než dříve. Již při navrhování je třeba brát ohled na přepravní podmínky. Předpisy silničního provozu tak omezují největší rozměry konstrukčních prvků. Montáž probíhá v co nejkratším čase, totiž v jednom až dvou dnech pro jeden rodinný dům.

3.7.1

Dnešní rámové stavby

Rámové stavby, které vznikly ze stavebního systému Balloon-Frame a Platform-Frame, se už dávno vyvinuly v USA, tak i v Kanadě a ve skandinávských zemích do používaného a osvědčeného konstrukčního systému. Podle odhadu se v zámoří staví tímto systémem až 90 % všech volně stojících jedno až dvoupodlažních rodinných domů. Také ve střední Evropě trvale vzrůstá podíl dřevěných rámových staveb. Svaz německých tesařů (Bund Deutscher Zimmermeister) vydal již v roce 1985 podpůrnou pracovní pomůcku pro stavbaře, konstrukční katalog „Holzrahmenbau“ (v roce 2006 vyšel v novém a přepracovaném vydání). Ve Švýcarsku byla v r. 1988 zpracována a vydána dokumentace k dřevěným rámovým stavbám jako součást podpůrného programu Dřevo. Vnější vzhled takto konstruovaných domů často neodpovídá typu dřevěných domů, na jaký jsme ve střední Evropě zvyklí. Nosná kostra je u rámových staveb uvnitř i zvenku zcela obložená. Obklady fasády se sestávají často z desek na bázi dřeva nebo z rostlého dřeva. Jsou dobře a trvanlivě chráněny krycí povrchovou úpravou. V některých lokalitách se surová rámová stavba opatřuje kompaktní fasádou sestávající z venkovní izolace a omítky. Jako vnitřní obklad stěn slouží desky na bázi dřeva, sádrovláknité nebo sádrokartonové desky, které se omítají, natírají nebo také tapetují bílým odstínem. Rámové stavby jako převážně standardizovaný druh konstrukce se v posledních dvou 43

desetiletích staly na trhu běžné a lze je označit jako dobře zavedené. Zvyklosti a stávající poměry ve střední Evropě jsou odlišné od zemí původu rámových staveb. Vlastnosti tohoto systému dřevěných staveb byly přizpůsobeny našim potřebám. Proto lze předpokládat, že se tento konstrukční systém bude dále prosazovat, protože je hospodárný a vyznačuje se jednoduchou konstrukcí a architektonickou volností uvnitř systému. Mimoto jsou používané průřezy dřeva a deskové materiály na bázi dřeva nebo sádry trvale ve vysokých jakostech dostupné a v krátké době k dispozici. Ve Švýcarsku a přilehlém zahraničí, ale také ve Skandinávii, Kanadě a USA byly již postaveny vícepodlažní rámové stavby. Zkušenosti jsou zcela pozitivní a ukazují, že rámové stavby jsou s úpravami vhodné také pro vícepodlažní stavby. Technická řešení ve zvukové izolaci a protipožární ochraně, ve statice a stavební fyzice, ale také při výrobě a montáži se osvědčila. I v našich končinách jsou dřevostavby s rámovou konstrukcí stále populárnější, a to i z toho důvodu, že jsou extra bytelné. Tento systém totiž pochází z Kanady, kde jsou klimatické podmínky výrazně extrémnější než u nás. Bytelný rám tvoří nosné prvky připevněné na horní a spodní pas - vodorovné prvky. Nosné prvky se nazývají sloupky neboli stojky. Takto vytvořený základní rám se opláští deskami, které zamezují vychylování stojek do stran. K vychylování stojek by mohlo dojít například při silném větru. Jde o příčné vyztužení, takzvané zavětrování. Kompaktní dřevěný celek tvoří stabilní rám. Odtud je odvozen název "rámová konstrukce." Mezi konstrukcí a vnitřní stěnou jsou ukryty všechny rozvody a instalace. Volný prostor v rámové konstrukci je vyplněn tepelnou izolací. Pokud je při stavbě použita kvalitní a dostatečně silná vrstva izolace, lze eliminovat závislost domu na vnějších zdrojích energie a vytvořit tak třeba i pasivní dům. Úniky tepla lze snížit na minimum také eliminací tepelných mostů a různých netěsností objektu. Obrovskou výhodou rámových konstrukcí dřevostaveb je jejich mimořádná variabilita, která umožňuje vytvořit jakoukoli dispozici interiéru podle přání stavebníka. Výstavba rámové konstrukce je velice rychlá a flexibilní, jednotlivé stavební prvky jsou lehké, snadno se přepravují a není zapotřebí žádné těžké techniky. Fasáda dřevostaveb s pevnou rámovou konstrukcí může mít nejrůznější povrchové úpravy, takže ani nemusí být na první pohled poznat, že jde o dřevostavbu. Dům může být obložen dřevěnými lamelami nebo třeba obezděn lícovými cihlami. Naopak do hor a do přírody se bude hodit klasická stavba srubového typu.

Rámová konstrukce [25]

Oplášťovaná konstrukce [25] 44

Dřevostavba rámové konstrukce vypadá po dokončení jako tradiční zděný dům [25]

3.7.2

Charakteristické znaky dřevěných rámcových staveb           

volnost architektonického řešení; jednoduchý konstrukční systém; opakující se detaily; nosná kostra sestává ze štíhlých, standardizovaných průřezů; celkové vyztužení oplášťováním; jednoduchá dostupnost materiálu; poschoďová výstavba; spoje kontaktními styky a mechanickými spojovacími prostředky; rastrový rozměr 400-700 mm, přednostně 625 mm; konstrukce oboustranně obložena; krátká doba výstavby, jsou možné různé stupně předvýroby.

3.8 Skeletové stavby S rostoucím významem dřevěných konstrukcí ve vícepodlažních a vysoce objemových stavbách získávají moderní dřevěné skeletové stavby novou důležitost. Tento druh konstrukce s jeho větším nebo menším rastrem sloupů ze dřeva nebo také v kombinaci s ocelí nebo železobetonem je ideální také pro jedno a dvoupodlažní komplexy budov. K tomuto rostoucímu významu dřevěných skeletových staveb přispěly také nové prutové materiály na bázi dřeva a technika jejich spojování. Skeletové stavby jsou snad jedním z nejstarších druhů konstrukce. Vedle jednoduchého způsobu kladení dřevěných kmenů vodorovně na sebe u původních srubových staveb dřevěná kulatina již brzy také zahrabávala do země jako svislé sloupy a do vidlice větví se vkládala střešní příčná dřeva. Pro vyplňování skeletu stěny mezi sloupy tehdy sloužilo pletivo z větví s povrchovou úpravou z hlíny. Z těchto původních konstrukcí ze dřeva se postupně vyvinuly hrázděné stavby, které po staletí převládaly v řadě regionů Evropy. Přinášely více možností pro rozdělení prostoru. Dnes se vyžadují podstatně větší plochy oken než ještě před 100 lety, což je technicky také možné. Dnešní skeletové stavby se jeví vhodně modifikované: primární konstrukce vykazuje velké rozměry rastru, do něhož lze vsadit vnitřní a vnější stěny v libovolném uspořádání a provedení. Takovým způsobem se vyvinuly

45

moderní skeletové stavby s jasným oddělením úloh mezi nosnou konstrukcí a stěnami uzavírajícími prostor. Pod pojmem skeletové stavby se rozumí specifické konstrukce ze dřeva s touto charakteristikou: je to druh stavby, která ze sloupů, nosníků a výztužných prvků v pravidelném rastru tvoří nosnou konstrukci. Tato primární nosná konstrukce integruje stropy jako sekundární nosnou konstrukci z nosníků nebo z plošných, prefabrikovaných konstrukčních prvků. Stěny vytvářející prostor mohou být zabudovány nezávisle na tomto nosném skeletu, protože nemusí přenášet žádná zatížení, a je možné použít velkoplošná okna a prosklené plochy. Ve skeletových stavbách se nosná konstrukce z konstrukčních důvodů (ochrana proti povětrnosti, neprůvzdušnost pláště budovy) ponechává, kde je to jen možné, na vnitřní straně vnějších stěn viditelná. Vnější plášť může tak být osazen „beze spár" okolo budovy. Uspořádání nosných prvků uvnitř určuje a podporuje architektonický vzhled. Ve vztahu k nosné konstrukci je třeba považovat skeletové stavby za protipól systémům staveb z masivního dřeva a rámových staveb. Zatímco u staveb z masivního dřeva a rámových staveb je nosná struktura lineární a zatížení přenášejí stěny, u skeletových staveb přenášejí zatížení bodově uspořádané sloupy. Stěny nepřenášejí zatížení a zůstávají tak nezávislé na koncepci nosné konstrukce. Ta je většinou viditelná, bývá však podle řešení vnitřní výstavby často spojena se zavěšenými stropy nebo vestavěnými prvky. V důsledku větších rozpětí a zvýšených požadavků na viditelné dřevěné prvky se ve skeletových stavbách přednostně používá lepené lamelové dřevo. Jako spojovací prostředky slouží často viditelné, přednostně také zapuštěné a tím neviditelné, ocelové prvky nebo ojediněle také čisté spoje dřeva.

3.8.1

Novodobé dřevěné skeletové stavby

Skeletové stavby jsou přesvědčivé svou účinností a především architektonickou mnohostranností a čistotou konstrukce. Dřevěné skeletové stavby umožňují větší rozpětí s malým počtem vnitřních sloupů než jiné stavební systémy, což ponechává značnou volnost pro řešení půdorysu. Stále více stavebníků a investorů si přeje budovy, které jsou individuálně a velkoryse vybaveny flexibilním a variabilním půdorysem. Takové tvořivé možnosti dovolují dřevěné skeletové stavby podle přání. Racionálně zhotovitelné lepené dřevěné prvky a ze skladu dostupné spojovací prostředky umožňují stavební systém, který zcela odpovídá dnešním nárokům na kvalitu a techniku. Dřevěné skeletové stavby jsou vhodné pro správní, průmyslové a provozní budovy právě tak dobře jako pro školní a bytové stavby nebo pro stavby veřejné a soukromé.

46

Skeletová dřevostavba [26] 3.8.2

Charakteristické znaky skeletových staveb       

velká kompoziční volnost; variabilní řešení půdorysu; nosný skelet a stěny ohraničující prostor zůstávají vzájemně nezávislé; škála rozměrů podle rastru a modulu; dřevěný skelet může být uvnitř nebo venku viditelný nebo také oboustranně zakrytý; spojování většinou ocelovými prostředky; u stěnových, stropních a střešních prvků je velká možnost předvýroby.

3.9 Stavby z masivního dřeva Možnost průmyslové výroby velkoplošných dílců vedla v posledních letech k vývoji a zavedení nových systémů. Plošně, současně nosné a prostor vytvářející dílce umožňují mnohostranné využití pro stěny, stropy a střechy. Konstrukční prvky sestávají většinou z masivního dřeva (lepeného, příčně lepeného, spojovaného hmoždíky nebo hřebíky) nebo také, ovšem méně často, z desek na bázi dřeva (třískových desek, desek OSB atd.). Podstatnou část tvoří bud' uzavřený, často masivní deskový průřez, nebo optimalizované skříňové dílce, které se sestavují do plošné konstrukce. Hlavní část nosného systému vždy sestává z nosného jádra, které je vytvořeno z masivního dřeva nebo desek na bázi dřeva. Používá se výlučně jako plošně působící nosný systém. K přenosu zatížení proto dochází výztužnými tabulemi. Dalším společným znakem konstrukcí v rámci dřevěných masivních staveb je, že izolace se osazuje na nosnou konstrukci zvenku, tj. jako vnější izolační systém. Výrobky se většinou vyrábějí a dodávají pod firemním názvem. Na trhu je cela řada výrobků, které jsou výrazně rozdílné. Tradiční srubové stavby používají vodorovně na sebe kladené dřevěné prvky z masivního smrkového nebo jedlového dřeva a patří tak veskrze do skupiny „Masivní dřevěné stavby". Mohou být dokonce označeny jako původ „Masivních dřevěných staveb“. V odborném světě se však dnes pod tímto názvem rozumí nový druh dřevěných staveb, jejichž průmyslově vyráběné konstrukční prvky, inženýrsko-technické posuzování a konstrukční principy, ale i architektonický výraz nemají nic společného s tradičními srubovými stavbami. V této souvislosti vzniká otázka, jak velký musí být masivní podíl systému, aby byl přiřazen k masivním stavbám? Pro plášťové stěnové systémy s tyčovou nosnou kostrou tato otázka nevzniká, protože tyto se přiřazují k stavbám rámovým. 47

Existuje však přesto určitý počet systémů, které sestávají z výrazného podílu masivního dřeva, v jádrové části však vykazují dutiny. Pokud tyto systémy vykazují dostatečný podíl masivního dřeva, staticky v zásadě působí jako deska nebo výztužná tabule ohraničující vnější plochy roviny nosné konstrukce, které jsou spojeny hustě uspořádanými stojinami (skříňové systémy), lze je také přiřadit k masivním stavbám. Předpokladem je, že masivní podíl činí nejméně 50% nosné konstrukce.

Stavba z masivního dřeva [27]

3.9.1

Charakteristické znaky masivních dřevěných staveb           

Nosná vrstva z masivní, plošně působící desky; masivní podíl je nejméně 50 % uzavřené nosné vrstvy; plošně působící nosný systém je tvořen velkorozměrovými plošnými dílci nebo konstrukčními prvky malého formátu; jednovrstvé systémy spojované hřebíky nebo hmoždíky i vícevrstvé systémy slepené příčné nebo křížové nebo spojované hmoždíky; většinou poschoďová výstavba, avšak jsou možné také průběžné stěny a zavěšené stropy; účinný přenos vysokých zatížení; vyztužení budovy se provádí plošnou nosnou konstrukcí; příčné nebo křížové slepené systémy jsou vysoce rozměrově stabilní; redukovaný počet vrstev konstrukčního prvku, protože nosná konstrukce, ohraničení prostoru, těsnící rovina atd. podle systému jsou výhradně vytvořeny masivními dílci nosné konstrukce; masivní dřevěné konstrukční prvky odebírají vlhkost ze vzduchu místnosti, tuto vážou a v suchých obdobích ji opět odevzdávají; rozličné konstrukční systémy jsou většinou vztaženy na výrobek a změřeny podle výrobce.

48

Stavba z masivního dřeva [28]

49

3.10 Informační model budovy (BIM) V posledních době se do podvědomí stavební veřejnosti stále více dostává pojem BIM (Building Information Modeling – informační model budovy). Čím dál tím více se s tímto pojmem můžeme setkat v názvech projektových softwarech CAD, jelikož je propagován výrobci projektových softwarů jako nová platforma pro navrhování staveb. Zřejmě z tohoto důvodu si lidé (poněkud nesprávně) myslí, že se jedná o nový softwarový nástroj, případně softwarové řešení pro navrhování staveb ve 3D. Tento pohled na problematiku BIM je však velmi zjednodušený a zavádějící, hlavně z toho důvodu, že BIM není ve skutečnosti konkrétní softwarové řešení, ale globální přístup k přípravě projektové dokumentace a její následné využití při přípravě, realizaci i ve správě budov. Building Information Modeling je moderní, inteligentní proces pro tvorbu a správu projektů založený na modelu. Umožňuje tvořit a spravovat projekty pozemních a inženýrských staveb infrastruktury - rychleji, ekonomičtěji a s nižším dopadem na životní prostředí. BIM software Autodesku nabízí široké portfolio řešení pro návrhy, vizualizace, simulace a spolupráci vycházející z obsahově bohatých informací inteligentního modelu. Základní myšlenkou systému je práce architektů, statiků a profesních specialistů s jednotným modelem s definovanými parametry jednotlivých objektů. Tento model poté přestává být pouhým 3D zobrazením objektů a stává se z něj v podstatě „virtuální stavba“.

Struktura BIM [29]

50

V současné době lze pozorovat tři základní trendy, jimiž jsou koordinace projektové dokumentace pomocí tzv. clash detection (detekce kolizí), řízení stavební výroby pomocí BIM a využití modelů pro facility management. Clash detection vychází z myšlenky trojrozměrné koordinace jednotlivých profesí již ve fázi projekčních prací pomocí sdíleného modelu. Jedná se především o koordinace mezi modelem architektonicko-stavebním, statickým a jednotlivými profesemi TZB s důrazem na vzduchotechniku, vodu a kanalizaci a případně i vytápění (tedy zejména profese se zvýšenou prostorovou náročností). Kontrola kolizí (koordinace) je prováděna po sloučení jednotlivých modelů do jednoho společného modelu za pomocí automatických softwarových nástrojů. Jednotlivé kolize jsou pak řešeny. Je nutné zdůraznit, že tento systém řeší především koordinace prostorové, jako jsou protínání a prostupy jednotlivých konstrukcí, předepsané odstupy, umístění technologií v šachtách, koordinace technologií a statiky a technologií navzájem. Tato možnost využití BIM má v současné době největší podporu z důvodu možností velkých úspor nákladů, které vznikají v důsledku nedostatečné koordinace výkresové dokumentace. Řízení stavební výroby pomocí modelů BIM je široká oblast od přímých výstupů z modelu do CNC strojů přes vizualizace harmonogramů až po výkazy výměr a rozpočtování.

Ukázka výstupů z BIM [30] Facility management je pak poslední fází využití modelu jako podkladu pro řízení provozu budov nejenom jako 3D vizualizace a prostředí, ale i jako databázový podklad systémů FM.

51

Ukázka vizualizace v BIM [31]

52

4

Uplatnění na trhu práce a požadavky na absolventy

Co se týká hodnocení uplatnění absolventů skupiny stavebních oborů z hlediska shody vzdělání a zaměstnání lze je označit za průměrné. Stavebnictví je v České republice velmi významným odvětvím. Útlum stavební výroby však způsobí pokles zaměstnanosti v odvětví v příštích letech. U pracovních míst s vyšším požadavkem na odbornost, na komunikaci s klientem a s vyšší mírou odpovědnosti, jsou vyhlídky na uplatnění i v době ekonomické krize hodnoceny stále jako dobré. Více ceněné budou především nedostatkové a nové profese s kombinovanými znalostmi z více oborů (stavebnictví – elektrotechnika - automatizační technika) a orientací v nových trendech stavebního trhu (inteligentní budovy, úspory energií). Z výše uvedeného textu tedy jednoznačně vyplývá, že znalost nových oblastí a trendů v jednotlivých stavebních oborech je pro uplatnění současných studentů velmi důležité. Oblast stavebnictví je jednou z nejvíce ohrožených oblastí právě díky vleklé hospodářské recesi. Obor stavebnictví v podstatě kopíruje vývoj ekonomiky a s jejím úpadkem dochází rovněž k poklesu vývoje stavebnictví, které se tak potýká s nedostatkem zakázek a silnou konkurencí. Pro zaměstnavatele je tedy v době přetlaku poptávky po práci nad její nabídkou snazší si vybrat zaměstnance, kteří již disponují příslušnou praxí (a ucházejí se o práci) a nejsou s výkonem jejich povolení spojeny žádné další vícenáklady do vzdělání a zaučení. Jedním z východisek v této tíživé situaci je příprava studentů a tedy budoucích absolventů na oblasti, trendy a moderní obory, které s jistou mírou pravděpodobnosti budou v další etapě rozhodujícím prvkem na poli stavebnictví. Znalost těchto oborů pak do značné míry zvýší kredibilitu těchto uchazečů/absolventů na trhu práce a u potenciálních zaměstnavatelů.

4.1 Požadavky na absolventy vycházející ze všeobecných požadavků zaměstnavatelů Co se týče požadavků kladených na absolventy stavebních oborů, můžeme je rozdělit zhruba do dvou základních oblastí, a to na oblasti tzv. tvrdých znalostí a měkkých znalostí. Tvrdými znalostmi budeme rozumět ty znalosti, jež absolventi získají v rámci studia na středních školách a odborných učilištích a které jsou všeobecně požadovány zaměstnavateli. Měkkými znalostmi pak budeme rozumět především těm osobním a osobnostním, tzn. předpoklady pro správné zvládnutí požadované práce, schopnost plnit včas a kvalitně požadované úkoly, schopnost pracovat v týmu apod. Určitým mezičlánkem mezi těmito dvěma oblastmi pak můžou být jazykové znalosti, které mohou být požadovány zejména u středoškolsky vzdělaných absolventů. Ještě než se zaměříme na oblast tvrdých a měkkých znalostí, můžeme požadavky všeobecně shrnout v základní kompetence absolventů.     

kompetence k učení, kompetence k řešení problémů, komunikativní kompetence, personální a sociální kompetence, občanské kompetence a kulturní povědomí, 53

  

kompetence k pracovnímu uplatnění a podnikatelským aktivitám, matematické kompetence, kompetence využívat prostředky informačních a komunikačních technologií a pracovat s informacemi.

Výše uvedený výčet je samozřejmě pouhou shrnovací osnovou ke všem požadavkům, které se budou lišit v závislosti na pracovní pozici a dosaženému vzdělání.

4.1.1

Tvrdé znalosti (oborové)

- znát práva a povinnosti mistra, stavbyvedoucího případně povinnosti a práva samostatných dělnických profesí; - mít přehled o částech staveb, postup prací na stavbách; - znát běžné stavební konstrukce, mít přehled o aktuálních novinkách, dokázat posoudit únosnost a stabilitu jednotlivých prvků; - orientovat se v komplexní dokumentaci staveb včetně technologických částí; - mít přehled o stavebních strojích a strojních zařízeních z hlediska využitelnosti při stavebních pracích včetně zásad bezpečného provozování a základních technických parametrů; - znát vlastnosti stavebních materiálů a jejich zkoušení a mít přehled o hlavních výrobcích běžných stavebních materiálech; - znát technologické postupy běžných stavebních prací; - umět efektivně hospodařit s finančními prostředky; - umět nakládat s materiály, energiemi, odpady, vodou a jinými látkami ekonomicky a s ohledem na životní prostředí.

4.1.2 -

Měkké znalosti charakterové předpoklady pro výkon povolání; zdravotní dispozice; znalost BOZP (bezpečnosti ochrany zdraví při práci); ochota učit se novým věcem; flexibilita; ochota pracovat přesčas v sezóně, případně při velkém počtu zakázek.

54

5

Zkušenosti s praktickým vzděláváním v zahraničí

5.1 Velká Británie V rámci realizace projektu „Inspiruj se a vzdělej se“ navštívila skupina pedagogů odborných praxí a člena realizačního týmu Velkou Británii, konkrétně městečko Weybridge. Hlavním cílem čtyřdenního pobytu, který se uskutečnil v termínu 25. – 28. 2. 2013, bylo seznámení se se systémem fungování anglického školství. Pro stáž zaměřenou na oblast strojírenství, elektro, ICT a stavebnictví, byla záměrně vybrána Velká Británie. Navštívenou školou byla Brooklands college, Weybridge. Tato škola byla založena v roce 1806 a je financována vládnou Velké Británie. Dojezdová vzdálenost do školy je 76 km a mezi nejznámější firmy, které se školou spolupracují jsou především British Airways, Toyota, Fiat potažmo Mc Laren. Tato škola již 100 let rozvíjí systém odborného školství ve Velké Británii, zvláště se pak zaměřuje na technické obory, kde se snoubí teorie s praxí. Mezi hlavní cíle této školy bych zmínila tyto cíle: Nejlepší kvalita učení a péče státu, vedení žáků ze základních škol, a dojednání výhodných výdělků pro studenty. Stát, tedy Velká Británie, vymezuje pedagogickou dokumentaci a vzdělávací programy, zajišťuje přijímání a přípravu zaměstnanců na jejich povolání, stanovuje pravidla činnosti jednotlivých institucí a jejich statut a zajišťuje platy učitelů, vychovatelů, poradců i tutorů. Ministerstvo školství a kvalifikací, pomáhá vytvářet obecnou rámcovou politiku a vzdělávání a též se podílí na odborné přípravě a financuje veřejné orgány, které se na vzdělávání a profesní přípravě podílejí. Místí správa zajišťuje dostatečný počet školních míst pro žáky povinné školní docházky, poskytuje finance dotovaným školám, též působí jako přijímací orgán. Místní správa též zaměstnává pracovníky v některých kategoriích škol, zajišťuje školní stravování, pokud tato funkce nebyla delegována na školu a zajišťuje dopravu pro žáky. Do 75 km od školy je doprava do školy bezplatná. Dalším důležitým faktorem ve vzdělávání ve Velké Británii je zapojení sociálních partnerů a to především Rady pro vzdělávání a kvalifikaci, která podle zákona musí zajišťovat vhodná zařízení pro studium, profesní přípravu a zajišťovat přípravu studentů pro profesní kvalifikace. Dále zde působí Agentura pro rozvoj odvětvových kvalifikací, která je zodpovědná za rozvíjení moderního učňovství a národních profesních standardů a národních profesních kvalifikací. Pokud bychom porovnali tuto problematiku s českým školním systémem vyplyne nám mimo jiné následující závěr, že je nutné obohacení Školního vzdělávacího programu o využití podnětů partnerů ve firmách. Anglický systém je založen na participaci s výrobními podniky a díky tomu má také daleko propracovanější systém učňovského školství. Velkou zajímavostí Britského systému je že je tam povinné celoživotní vzdělávaní. Díky všem těmto faktorům mají studenti vysokou šanci na uplatnění na trhu práce.

55

6

Závěr

Tento materiál je odezvou na publikaci „Aktuální trendy a přehled novinek v oboru“. Tato publikace je součástí projektu „Inspiruj se a vzdělej se“, registrační číslo: CZ.1.07/1.3.49/01.0004, který je financován ze zdrojů Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky. Nositelem projektu je Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Roudnice nad Labem. Projekt je zacílen na rozšíření kvalifikace a zlepšení kompetencí učitelů předmětů odborného výcviku a učitelů odborných předmětů v teoretickém vyučování na středních školách v Ústeckém kraji v oborech stavebnictví, strojírenství, elektrotechnika a telekomunikační technika. Publikace „Aktuální trendy a přehled novinek v oboru“ má informovat pedagogické pracovníky o aktuálních trendech a technologiích, o firmách a školách, o nejvíce zastoupených profesích v oborech. Toto je citace úvodní pasáže zmíněného materiálu. Tento materiál je částečně orientován též na stavebnictví. Jsou zde uvedeny vzdělávací instituty, střední školy, střední odborná učiliště, která se zabývají stavebnickým oborem. Jedná se o neúplný přehled škol, které v severočeském kraji poskytují v tomto oboru vzdělání. Tento materiál není dogmatem, kdo se hodí na konkrétní specializaci, avšak si myslím, že by se měli pedagogičtí pracovníci nadále vzdělávat a předávat studentům aktuální informace.

56

Seznam použité literatury [*1] PREGIZER, D. Zásady pro stavbu pasivního domu. Grada Publishing, a.s. 1. vydání. Praha. 2009. ISBN 978-80-247-2431-7. [*2] SVOBODOVÁ, Z. Studie proveditelnosti rekonstrukce stavebního objektu. Fakulta stavební, Ústav stavební ekonomiky a řízení. Brno. 2012. [*3] NAGY, E. Nízkoenergetický a energeticky pasivní dům. Jaga group, s.r.o. Bratislava 2009. ISBN 978-80-8076-077-9. [*4] Hlavní zásady navrhování nízkoenergetických a pasivních domů. Dostupné z: www.enviprogramy.cz/download.php?fid=888. [*5] TYWONIAK, J. Nízkoenergetické domy - principy a příklady. Grada Publishing. Praha 2008. ISBN 978-80-247-2061-6. [*6] HUMM, O. Nízkoenergetické domy. Grada Publishing. Praha 1999. ISBN 80-7169-657-9. [*7] Průkazy energetické náročnosti budov. Dostupné z: http://www.prukaznemovitosti.cz [*8] Energetický štítek obálky budovy. Dostupné z: http://www.inkapo.cz/sluzby/energeticky-stitekobalky-budovy [*9] KOLB, J. Dřevostavby. Grada publishing. Praha 2011. ISBN 978-80-247-2275-7. [*10] VEVERKA, J., HAVÍŘOVÁ, Z., JINDRÁK, M. a kolektiv. Dřevostavby pro bydlení. Grada Publishing. Praha 2008. ISBN 978-80-247-2205-4. [*11] ZAHRADNÍČEK, V., HORÁK, P. Moderní dřevostavby. Computer press. Praha 2011. ISBN 978-80251-3568-6. [*12] RŮŽIČKA, M. Stavíme dům ze dřeva. Grada Publishing. Praha 2006. ISBN 80-247-1461-2. [*13] ŠTEFKO, J., REINPRECHT, L., KUKLÍK, P. Jaga Media s.r.o. Praha 2009. ISBN: 978-80-8076-080-9. [*14] BIM ve stavební výrobě. Dostupné z: http://www.archinews.cz/6-95-fokus-bim-ve-stavebnivyrobe.aspx#.US33njCQXD4 [*15] Využití virtuálního modelu budovy (BIM) ve stavební praxi. Dostupné z: http://www.casopisstavebnictvi.cz/vyuziti-virtualniho-modelu-budovy-bim-ve-stavebnipraxi_N5008

Zdroje obrázků [1] http://www.nazeleno.cz/Files/FckGallery/ELK_pasivni%20dum_134.jpg [2] www.enviprogramy.cz/download.php?fid=888 [3] PREGIZER, D. Zásady pro stavbu pasivního domu. Grada Publishing, a.s. 1. vydání. Praha. 2009. ISBN 978-80-247-2431-7. [4] http://www.hlc.cz/media/slovnik/5/12.jpg [5] http://www.schaefer-triebenbacher-massivhaus.de/images/blower-door.gif [6] http://www.nazeleno.cz/Files/FckGallery/283_v5_de_DE_img_p57_2.jpg [7] http://bydleni.tiscali.cz/UserFiles/Image/stavba-a-rekonstrukce/energie/patri-krb-do-pasivnihodomu-820/03-schiedel-big-image.jpg [8] http://oze.tzb-info.cz/docu/clanky/0088/008831o1.jpg [9] http://www.klimatizace-pointec.cz/obrazky/small/250x250_fotovoltaika1.jpg

57

[10] http://files.cleanergy.webnode.cz/200000503bf98fc0922/Kogenera%C4%8Dn%C3%AD%20jednotka%20Cleanergy%20C9G%20www.cleanergy.cz.j pg [11] SVOBODOVÁ, Z. Studie proveditelnosti rekonstrukce stavebního objektu. Fakulta stavební, Ústav stavební ekonomiky a řízení. Brno. 2012. [12] http://www.prukaznemovitosti.cz/01.html [13] http://www.inkapo.cz/sluzby/energeticky-stitek-obalky-budovy [14] http://www.asb-portal.cz/stavebnictvi/drevostavby/montovane-domy-na-bazi-dreva-1366.html [15] http://www.cadwork.com/indexL1.jsp?neid=11317 [16] http://deepenergyretrofit.wordpress.com/blog/ [17] http://www.payer.de/tropenarchitektur/troparch046.htm [18] http://www.woodsystem.cz/ramova-nosna-kontrukce [19] http://www.asb.sk/drevo-drevostavba-domy-stavba/galeria/5487/44625 [20] http://bydleni.idnes.cz/druhy-drevostaveb-v-cem-se-lisi-pet-typu-konstrukci-fyk/stavba.aspx?c=A090225_123632_stavba_web [21] http://cs.wikipedia.org/wiki/Pustevny [22] http://www.srubybernat.cz/sruby.html [23] http://www.zemesveta.cz/archiv/rocnik-2005/lazensky-trojuhelnik-7-2005/1000-3/chebskemza-krasou-hrazdenek [24] http://www.payer.de/tropenarchitektur/troparch046.htm [25] http://www.ceskestavby.cz/clanky/jak-vypada-typicka-kanadska-drevostavba-21349.html [26] http://www.drevostavitel.cz/clanek/skeletove-drevostavby-jsou-rajem-architektu [27] http://www.svet-drevostavby.cz/cs/Technologie/Systemy-drevostaveb/Konstrukcni-systemydrevostaveb---masivne-panely/ [28] http://www.vseprovasdum.cz/drevostavby-klh.html [29] http://www.autodeskclub.cz/mep-produkt-bim-informacni-model-budov [30] http://www.konstrukce.cz/PublicFiles/UserFiles/image/K/2012/K612/800x800_abs02.jpg [31] http://www.casopisstavebnictvi.cz/UserFiles/Image/2012/0312/46_skenovani.jpg

58

Obor Strojírenství

Obsah 1

2

Úvod .............................................................................................................................................. 62 1.1

Lehké strojírenství ................................................................................................................. 62

1.2

Těžké strojírenství ................................................................................................................. 63

1.3

Střední strojírenství ............................................................................................................... 63

1.4

Přesné strojírenství................................................................................................................ 63

1.5

Investiční strojírenství ........................................................................................................... 63

1.6

Pro koho je publikace určena a její přínos?........................................................................... 63

1.6.1

Vzdělávací cíle publikace: .............................................................................................. 63

1.6.2

Cílová skupina: ............................................................................................................... 63

1.6.3

Popis současného stavu: ............................................................................................... 64

Výuka oboru strojírenství .............................................................................................................. 65 2.1

Základní pojmové požadavky na studenty ............................................................................ 65

2.2

Metody při výuce................................................................................................................... 65

2.2.1

Výklad ............................................................................................................................ 65

2.2.2

Individuální zapojení studentů ...................................................................................... 66

2.2.3

Praktické ověření, práce v odborných učebnách .......................................................... 66

2.2.4

Hodnocení studentů ...................................................................................................... 66

2.2.5

Úlohy na počítačích ....................................................................................................... 67

2.2.6

Odborný výcvik v učebních oborech ............................................................................. 67

2.2.7

Exkurze a spolupráce s podniky, odborný výcvik .......................................................... 67

2.2.8

Literatura, studijní materiály, ostatní zdroje ................................................................. 68

2.3

Pojetí výuky ........................................................................................................................... 68

2.4

Doporučené metody a postupy výuky................................................................................... 69

2.5

Nesprávný přístup k výuce .................................................................................................... 72

2.6

Odborné kompetence žáka ................................................................................................... 72

2.7

Teoretický základ pro žáky .................................................................................................... 74

2.7.1

Základní prvky CNC obrábění ........................................................................................ 74

2.7.2

Řídicí systém .................................................................................................................. 75

2.7.3

Vztažné body CNC strojů ............................................................................................... 75

2.7.4

Struktura (stavba) CNC programu ................................................................................. 76

2.7.5

Hlavní funkční CNC frézek ............................................................................................. 78

3 Aktuální trendy a novinky a jejich využití v praxi (Uplatnění CAM a programování CNC frézek ve výuce na středních školách) .................................................................................................................. 80 60

3.1

Tvorba CNC programu ........................................................................................................... 80

3.2

Začínáme s programováním .................................................................................................. 80

3.2.1

Programování lineární dráhy absolutně: G00, G01, G90............................................... 80

3.2.2

Programování lineární dráhy inkrementálně: G00, G01, G90 ....................................... 82

3.2.3

Programování kruhové dráhy absolutně: G00, G02, G03, G90 ..................................... 83

3.2.4

Programování kruhové dráhy inkrementálně: G00, G02, G03, G91 ............................. 85

3.2.5

Zpětná vazba výsledků výuky ........................................................................................ 86

3.3

3.3.1

Tvorba CNC programu součásti VODÍTKO (lze použít jako test 2)................................. 89

3.3.2

Tvorba CNC programu součásti PODLOŽKA (lze použít jako test 2) .............................. 91

3.4

4

Programujeme podle výkresu součásti ................................................................................. 89

Programování složitých obrobků pomoci CAM ..................................................................... 93

3.4.1

PowerMILL, zadání A: .................................................................................................... 94

3.4.2

PowerMILL, zadání B: .................................................................................................... 99

3.5

Tvorba NC kódu a jeho transport do výrobního stroje........................................................ 103

3.6

Programování na panelu výrobního stroje .......................................................................... 103

3.7

Výroba ................................................................................................................................. 107

3.7.1

Příprava stroje ............................................................................................................. 107

3.7.2

Výroba obrobku ........................................................................................................... 108

3.7.3

Kontrola rozměrů ........................................................................................................ 108

Uplatnění na trhu práce a požadavky na absolventy .................................................................. 110 4.1

Požadavky na absolventy vycházející ze všeobecných požadavků zaměstnavatelů ........... 110

4.1.1

Tvrdé znalosti (oborové).............................................................................................. 111

4.1.2

Měkké znalosti............................................................................................................. 111

5

Zkušenosti s praktickým vzděláváním v zahraničí ....................................................................... 112

6

Závěr ............................................................................................................................................ 113

61

1

Úvod

Další kapitolou v rámci dokumentu „Inspiruj se a vzdělej se“ reg. č.:CZ.1.07/1.3.49/01.0004, který je podpořen Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky je obor strojírenství- Tento projekt realizuje Střední odborné učiliště Roudnice nad Labem. Hlavním cílem tohoto dokumentu je seznámit pedagogy s aktuálními trendy ve strojírenství. Nejen aktuální trendy ale i efektivní metody výuky zajišťují kvalitní výuku současných i budoucích studentů středních odborných učilišť. V tomto projektu jsou cílovou skupinou pedagogové středních odborných škol z Ústeckého kraje. Tento dokument by měl sloužit jako teoretická příprava pro pedagogy, kteří budou i následně vyškoleni v těchto aktuálních trendech a budou své poznatky dále předávat svým studentům v rámci výuky strojírenství. V rámci tohoto projektů byli pedagogové z vybraných škol na zahraničních stážích, o kterých se dočtete dále v textu. Díky zahraničním stážím můžeme porovnat poznatky o vzdělávacích metodách v České republice a v zahraničí. Tato komparace může být přínosná tím, že pedagogové mohou některé metody ze zahraničí využít i ve zdejších podmínkách. Tuto publikaci lze chápat jako pozitivní externalitu, kdy můžeme zvýšit konkurenceschopnost studentů, kteří své aktuální znalosti mohou uplatnit na trhu práce. Strojírenství je velmi známou technickou oblastí. Zahrnuje strojírenské materiály, konstrukci (navrhování strojů a zařízení) a technologii (výrobu širokého sortimentu různých strojů a zařízení). Vyznačuje se mimořádně velkou pestrostí výrobků. Škála produktů je tak široká, že můžeme začít u nejjemnějších součástek pro rádio, zahradní stroje, automobily a přes obráběcí stroje, bojové lodě, tanky a stíhačky se dostaneme až k supertěžkým obřím jeřábům nebo reaktorům elektráren. Mezi odvětví strojírenství patří: 

lehké strojírenství,



těžké strojírenství,



střední strojírenství,



přesně strojírenství,



investiční strojírenství.

1.1 Lehké strojírenství Do této kapitoly jsou soustředěny veškeré obory vyrábějící spotřební elektrotechniku a elektroniku. Typickým ukazatelem tohoto druhu strojírenství je velkovýroba s malou potřebou kvalifikované pracovní síly a malou spotřebou materiálu, Produkuje domácí spotřebiče, např. TV, rádio, žehličky, mixéry, aj.

62

1.2 Těžké strojírenství Zabývá se výrobky s velkou hmotností a odolností. Zajišťuje stroje pro hospodářské podniky, např. těžební stroje, hutnická zařízení. Můžeme sem zahrnout i výrobu zbraní ve smyslu námořních bojových lodí a tanků.

1.3 Střední strojírenství Soustřeďuje se na výrobu obráběcích strojů, ale i automobilů, motocyklů a dalších. Právě díky masivní automobilové produkci, se jedná o stěžejní obor celého strojírenství. Kromě dopravních prostředků se soustřeďuje i na výrobu těžkých zemědělských a stavebních strojů.

1.4 Přesné strojírenství Obsahuje obory jemné mechaniky, optiky, výrobu měřících přístrojů a speciální zařízení pro zdravotnictví, hlavně v poslední době náročnou elektroniku. Velký boom v posledních letech zaznamenala výrobu osobních počítačů. Jedná se o nejvyspělejší strojírenský obor, vyžadující úzkou spolupráci s výzkumnou základnou.

1.5 Investiční strojírenství Patří k tradičním českým odvětvím s výrazným podílem v rámci zpracovatelského průmyslu i ekonomiky ČR. Odvětví je charakteristické značnou výrobkovou diverzifikací; patří sem pevná, mobilní nebo ruční zařízení, a to bez ohledu na to, zda jsou používána v průmyslu, stavebnictví, stavebním inženýrství nebo zemědělství. Provádí výrobu kompletních celků pro energetiku. Produkuje spalovací motory, turbíny, čerpadla, hřídele, hořáky, zvedací zařízení, traktory, pluhy, lisy nebo polygrafické stroje.

1.6

Pro koho je publikace určena a její přínos?

1.6.1 Vzdělávací cíle publikace: Tato publikace má seznámit učitele odborných předmětů s některými způsoby výuky, jak naučit studenty středních odborných škol a středních odborných učilišť, používat současné CNC a CAM technologie, se kterými se budou setkávat ve strojírenských firmách.

1.6.2

Cílová skupina:

Učitelé odborných předmětů středních odborných škol a středních odborných učilišť se strojírenským zaměřením.

63

1.6.3

Popis současného stavu:

Výuka na středních školách vychází z možností, které potřeby strojírenských podniků mnohdy nesplňují. Skutečnost je taková, že absolventi škol bez znalosti progresivních počítačových technologií, se pak mohou jen obtížně uplatnit v konkurenčním prostředí. Využívání CAM technologií a CNC výrobních strojů zasahuje do všech činností společnosti a studenti středních odborných škol a středních odborných učilišť, by měli vstupovat na trh práce vybaveni dovednostmi, a měli by umět s těmito technologiemi pracovat.

64

2

Výuka oboru strojírenství

2.1 Základní pojmové požadavky na studenty CAD – počítačová podpora konstruování a kreslení strojních výkresů (umožňuje osvojení zásad pro 2D kreslení strojních součástí na počítači pomocí programového vybavení AutoCAD a orientaci v nabídce tohoto softwaru. Rozvíjí tyto znalosti o 3D modelování na počítači pomocí programu Inventor 11). Jde o přípravu technické dokumentace, kreslené v prostoru a potřebné pro další zpracování pomocí CAM technologií. CAM – počítačová podpora technologie, návrh technologie pomocí softwaru. Žáci se učí používat počítačový program PowerMILL (pro řídicí systém Heidenhain), který zpracovává grafické návrhy technologie obrábění – dráhy nástroje. Nově se také bude vyučovat používání softwaru SprutCAM pro stroje s řídicím systémem Siemens. Toto vytvořené grafické zpracování, žáci převedou do číselného kódu a tento kód transportují do počítače stroje pro výrobu obrobku. Výstupem je výroba součásti na CNC frézce. CNC stroj – počítačem číslicově řízený stroj (např. CNC frézka, CNC soustruh, CNC obráběcí centrum,…) Tyto stroje mají řídicí systém, který komunikuje s počítačem stroje, příp. s externím počítačem a převádí pokyny, obsažené ve výrobním programu k pracovnímu orgánu stroje (vřeteno s nástrojem, posuvy stolu). Řídicí systém je vlastně „nervovou soustavou“ celé soustavy stroj – nástroj – obrobek. CNC program je výrobní program v číslicové formě, který obsahuje všechny údaje, potřebné k výrobě konkrétní součásti. Tvorba CNC programu: závisí na druhu řídicího systému a typu používaného stroje. Základem pro výuku programování je programování v ISO DIN, které seznámí účastníky modulu se strukturou CNC programu, tj. co všechno má CNC program obsahovat. Pak lze navázat s programováním jiných stylů, např. Heidenhain.

2.2 Metody při výuce 2.2.1

Výklad

Pedagogové při výuce strojírenství používají standartních metod, tedy přednes konkrétního tématu studentům. Studenti si zapisují daný výklad, buď do poznámkových bloků, počítačů či tabletů. Další formou jak studentům dané téma předat je forma diktátu. Obrázky a schémata si studenti překreslují. Stále ještě jsou preferovány klasické metody zápisu poznámek, protože si myslím, že pokud si student danou látku zapíše do sešitu, při které musí využívat větší kapacity svého mozku, než když si konkrétní učivo najde pouze na internetu bezhlavě stáhne. K e-learningové metodě mohu říct pouze to, že tato metoda je dobrý nápad, avšak ještě není natolik dokonalý, aby se dal aplikovat na studenty středních škol. Studenti jsou ve věku, kdy nejsou natolik zodpovědní, aby se sami doma učili. 65

Závěr je tedy ten, že kvalitní výklad doprovázený ostatními druhy techniky jako jsou například data projektory, interaktivní tabule, prezentace, či články z internetu

2.2.2

Individuální zapojení studentů

Aby se studenti aktivně zapojili do výuky a též se i aktivně připravovali na studium na vysoké škole, mají za úkol vytvářet referáty, seminární práce či prezentace na konkrétní , v dané době probírané téma. Přednes, který je nedílnou součástí od prezentování práce je též velmi důležitým faktorem, se kterým se bude student potkávat po celý život. Ještě před několika desítky lety byla příprava jakékoliv individuální práce mnohem složitější, než je dnes v době internetu. Myslím, že když si student vyhledal na dané téma, knihy, pročetl je, vybral důležité poznatky, které mohl uplatnit ve své práci a poté referát zpracoval a přednesl, evidentně z dané práce měl větší užitek a znalosti, než je tomu dnes, kdy si dané téma může najít a stáhnout z internetu

2.2.3

Praktické ověření, práce v odborných učebnách

V oboru strojírenství probíhají praktická cvičení v dílnách, či pokud škola spolupracuje s některým ze strojírenských podniků v regionu, může být praktická výuka směřována i tam. Velmi důležitým faktorem pro praktická cvičení v dílnách je jejich vybavenost. Z pedagogického hlediska by praktické cvičení mělo začínat triviálními úlohami, a na ty by měl pedagog postupně navazovat a rozšiřovat znalosti na vyšší úroveň. Dalším závažným problémem je nedostatek dětí, hlásících se na strojírenské obory, ty tam jsou doby, kdy se na střední průmyslovou školu přijímali pouze studenti s vynikajícím prospěchem. V současné době je situace jiná, a školy se potýkají s nedostatkem žáků a z toho plynoucím nedostatkem finančních prostředků, tudíž se i snížily požadavky na nově příchozí studenty. V dnešní přetechnizované době, je velmi těžké najít studenta, který bude manuálně zručný, a tak praktická výuka probíhá opravdu od těch nejjednodušších úkonů s běžným nářadím. Při praktické výuce musíme též uvážit, zda budou studenti pracovat v týmu, kde můžeme pozorovat jejich vzájemnou týmovou práci, která je na mnoha pracovištích důležitá, či zvolíme individuální formu.

2.2.4

Hodnocení studentů

Při hodnocení teoretických znalostí, je pouze na konkrétním pedagogovi, jakým způsobem hodnotí svého studenta, kterým známkám dává vyšší preference, a jaký styl zkoušení preferuje, zda ústní či písemné, nebo kombinaci těchto dvou metod, tedy písemnou přípravu a ústní zkoušení, či jestli zvolí formu testu. Je důležité se zamyslet nad hodnocením individuálních úloh a na váze těchto známek. Hodnocení při odborném výcviku, je také velmi složité. Pedagog může u studenta nalézt aktivní přístup k danému problému, pozorovat rychlost jeho reakcí, či jak uplatňuje své teoretické znalosti. Tyto faktory by se pak měly objevit v závěrečném hodnocení studenta. 66

2.2.5

Úlohy na počítačích

Samostatnou kategorii je pak celá řada softwarových produktů, které více či méně úspěšně suplují praktické úlohy. Tedy zapojování obvodů různé složitosti. SW produkty, které vysvětlují a pomáhají při sestavování měřících úloh. Jsou k dispozici různé simulační úlohy apod. Je k dispozici spousta produktů z oblasti CAD, CAM, dají se aplikovat úlohy za pomoci programovacích jazyků atd. Je tedy vždy dilema co zvolit, jakým směrem se ubírat. Patrně toto dilema je ještě komplikováno tím, kde vzít na dané SW produkty peníze a sehnat odborníky nejlépe s praxí pro jejich výuku. Vždyť i studium nových produktů není vždy snadnou záležitostí. Je na místě argument, že tyto produkty dovedou přiblížit úlohy, které jsou jinak obtížně realizovatelné, pokud vůbec ano. Většina pedagogů je toho názoru, že nejlepší průpravou je praktická úloha v reálu. Na trhu je dnes dostatek produktů, kterými lze vybavit pracoviště pro výuku elektrotechniky, stavebnictví, strojírenství a telekomunikace, automatizace, robotiky atd. Problém nastává při financování. Finanční náklady jsou značně vysoké a musí se také opravovat, obnovovat, což jsou další peníze a hlavně to vyžaduje další zátěž na učitele. Ve většině případů na většině škol dnes celá anabáze přípravy úlohy, její odměření, kontrola přístrojů a případné opravy, to vše leží na bedrech vyučujícího.

2.2.6

Odborný výcvik v učebních oborech

Odborný výcvik v učebních oborech je samostatnou kapitolou, která se bude asi specificky řešit v každém učilišti a oboru jednotlivě. Určitě by bylo ideální, kdyby učeň již od svého zahájení studia alespoň tušil, že obor, který si vybral, mu poskytne obživu a mohl alespoň doufat, že jej nějaký zaměstnavatel přijme. Ale pokud taková situace je, pak je asi spíš výjimkou. To se pak určitě negativně projevuje i v samotné motivaci žáků.

2.2.7

Exkurze a spolupráce s podniky, odborný výcvik

Exkurze je velmi kvalitní formou, která doplňuje teoretickou výuku. Záleží na daném pedagogovi, jestli v rámci svého předmětu exkurzi uskuteční, a kam bude se studenty směřovat. V současné době se potýkáme s nedostatkem strojírenských podniků v konkrétních regionech, kde by se studenti mohli seznámit se strojírenským prostředím. Ovšem je možná i varianta, že daný podnik není nakloněn této formě výuky a studenty na exkurzi nepřijme.

67

2.2.8

Literatura, studijní materiály, ostatní zdroje

Použití kvalitní literatury, která je ve strojírenství aktuální, je základem každé kvalitní výuky. Učebnice na některých odborných školách mohou být zastaralé a neaktuální. Novým trendem je, že si škola vytvoří svá vlastní skripta, avšak ty vytvoří jen díky svým kvalitně proškoleným pedagogům. Odborné publikace z oblasti strojírenství jsou i pro pedagogy velkou vzácností, jelikož odborné knihovny nejsou díky nedostatku finančních prostředků aktualizovány, tak záleží na konkrétním pedagogovi a jeho soukromém odborném růstu, kdy ke vzdělávání musí vynaložit ne malé náklady.

2.3 Pojetí výuky Na středních školách či středních odborných učilištích se zaměřením na strojírenství a strojírenské obory je často vyučováno a tedy i doporučeno výuku prakticky řešit pomoci CAD/CAM a CNC systémů v rámci předmětů strojírenské technologie, CAD, konstrukčních cvičení, technologických cvičení a odborného výcviku. Začínáme kreslením v AutoCADu a Inventoru, kde si student nejprve navrhne a nakreslí strojní součást jako 3D model. Následuje grafický návrh technologie obrábění např. pomocí softwaru PowerMILL britské firmy Delcam, který slouží pro návrhy obrábění i velmi složitých obrobků. Podobně se pracuje se softwarem SprutCAM pro CNC frézku Numco H250 s řídicím systémem Sinumerik 802S. Student si zde může pomocí simulace znázornit proces obrábění od návrhu polotovaru, výběru strategie obrábění, stanovení řezných podmínek až po zhotovení obrobku v různých provedeních (kovový model, drátěný model, stínovaný model). Poté student z grafického návrhu vytvoří číselný kód (NC program) drah nástroje. Tento kód transportuje do počítače CNC frézky (používáme typ FV 25 s řídícím systémem TNC 310), odměří nulový bod obrobku a délku nástroje (pomocí 3D sondy), provede test programu a součást vyrobí. Používané technologie a strojní vybavení závisí na potřebách a finančních možnostech subjektu a jsou velmi rozmanité. Dají se snadno vyhledat na internetu a konzultovat na Strojírenském veletrhu v Brně, který se koná každoročně a je možné jej i s žáky navštívit.

68

CNC frézka FV 25 s řídicím systémem TNC 310 Heidenhain Řídicí systém Heidenhain TNC 310 je na frézkách s max. 4 osami obrábění, místo 4. osy lze nastavit úhel sklonu vřetena (3D obrábění = obrábění ve 3 osách, 4D obrábění = obrábění ve 3 osách + rotace kolem 1 osy, 5D obrábění = obrábění ve 3 osách + rotace kolem 2 os). Programování v ISO lze velmi dobře realizovat i v běžné třídě bez počítačového vybavení.

2.4 Doporučené metody a postupy výuky Ve výuce jednotlivých témat bude mít místo výklad, názorná ukázka, práce ve skupinách i samostatná práce žáků. Nejčastější didaktickou metodou je výklad a předvedení činnosti na tabuli, na počítači nebo na stroji, dále skupinové a později i samostatné vypracování CNC programu. Důležitý je individuální přístup, tj. práce se žáky v malých skupinách. Výuka probíhá ve třídách, v počítačové učebně s velmi dobrým softwarovým vybavením - AutoCAD 2012, Inventor 12, PowerMILL 2012, nově SprutCAM 7 a v učebně CNC frézování. Prohlubování a procvičování získaných odborných znalostí z teoretického i praktického vyučování a získávání nových teoretických a praktických poznatků a dovedností v oblasti strojního obrábění, technické dokumentace, obsluhy a programování CNC frézky s použitím současných CAD - CAM technologií bude přispívat k zlepšení postavení pracovníka na trhu práce a zvýší jeho šance získat zaměstnání v současném strojírenském průmyslu, využívajícím moderní obráběcí stroje řízené počítači.

69

CNC frézka Numco H250 s řídícím systémem Sinumerik 820S Uplatnění CAM lze propojit s jinými aktuálními trendy, např. s využíváním HSS nástrojů, tj. nástrojů pro vysokorychlostní obrábění, kdy produktivita výroby roste geometrickou řadou. Tyto nástroje jsou však velmi drahé, pro výuku tedy užíváme nástroje z RO. Máme velmi dobré zkušenosti s frézami HSS se speciálními povlaky TiCN-HARTCUT a TiAlCN-UNICUT firem Fraisa a Pokolm, z materiálů slinutý karbid, cermet, kubický nitrid bóru.

70

Nástroje Fraisa a jejich charakteristiky (4)

Nástrčné a stopkové povlakované frézy Fraisa (4)

71

Stopkové povlakované frézy Fraisa (4)

2.5 Nesprávný přístup k výuce Za nesprávný přístup ve výuce považujeme stresovat žáky při učení tím, že se užívají nákladné nástroje bezúčelně. Tyto nástroje jsou určeny výhradně pro vysokorychlostní a velkoobjemové obrábění a jejich užívání neúměrně zvyšuje náklady na výuku. Pro názornost výuky je třeba nechat žáka, aby pracoval pokud možno sám i za cenu kolize nástroje a obrobku. Je třeba stát u stroje se žákem a důsledně jej kontrolovat, zejména při obrábění oceli.

2.6 Odborné kompetence žáka Žák: programuje v ISO DIN orientuje se v programovacím stylu ISO DIN, při tvorbě programu používá funkce geometrické, technologické, pomocné, definuje dráhu nástroje jako relativní pohyb nástroje vůči obrobku. programuje na panelu výrobního stroje orientuje se v programovacím stylu Heidenhain, při tvorbě programu používá funkce geometrické, technologické, pomocné, definuje dráhu nástroje jako relativní pohyb nástroje vůči obrobku. pracuje se softwarem PowerMill 2012 provádí nastavení prostředí PowerMILL a projektu, volí nástroje, řezné podmínky a polotovar, vybírá strategii hrubování a finišování, vytváří NC kód drah nástroje, 72

transportuje NC kód do stroje, připraví a nastaví stroj, provede test, vyrobí plastový model obrobku, příp. ocelový obrobek. obsluhuje CNC frézku orientuje se v práci s ovládacím panelem stroje a s volbou pracovního režimu stroje, orientuje se v souborech programů, provádí změny v programech, správně volí nástroje a řezné podmínky pro dané operace, ovládá různé způsoby upínání obrobků a nástrojů, připravuje a nastavuje stroj, jeho spouštění a zastavení, čištění a mazání stroje, provádí obráběcí práce pomocí připraveného frézovacího programu, zkontroluje rozměry obrobku a dodržuje kvalitu práce.

73

2.7 Teoretický základ pro žáky Teoretická část výuky v uvedených odborných předmětech obsahuje jednotlivé statě z konvenčního obrábění, technického kreslení, konstrukčního i technologického cvičení, CAD a odborný výcvik ve studijních i učebních oborech podle příslušných vzdělávacích plánů. U studijních oborů převažuje teoretická průprava, u učebních oborů se zaměřujeme na praktickou stránku problematiky. Teoretický základ rozděluji do 5 bloků a postupně se žáci seznamují s významem jednotlivých symbolů a jejich použitím. Za nesprávný přístup k osvojení problematiky se považuje probrat velký objem informací bez rozfázování a postupného procvičení použití jednotlivých symbolů a jejich významu.

2.7.1

Základní prvky CNC obrábění

C… computer = počítačem N… numerical = číslicově C… controlled = řízeno Význam CNC technologií: užití v sériové / velkosériové výrobě Počítač→ Řídící systém → Pracovní orgán Řídící systém: přenáší informace od počítače k pracovnímu orgánu

2.7.1.1

Vztažné body CNC strojů

Aby bylo možno určit polohu OB a polohu N v souřadné soustavě stroje, jsou v konstrukci stroje stanoveny tzv. vztažné body. Nulový bod stroje – určuje výrobce při konstrukci stroje, nelze jej měnit a je počátkem souřadné soustavy stroje Referenční bod stroje – umožňuje najíždění k OB a odměřuje dráhy obrábění Nulový bod obrobku – pomocný bod pro programátora, který jej volí na OB jako nejvýhodnější k programování dráhy nástroje

2.7.1.2

Podklady pro zpracování výrobního postupu:

Výkres součásti - geometrický tvar, rozměry a kvalita povrchu OB Údaje o stroji - konstrukce stroje, velikost pracovního prostoru, velikost pracovních pohybů, druh prováděných operací Údaje o polotovaru - tvar a velikost polotovaru (důležité pro upínání) Upínací prostředky - musí zajistit co nejbezpečnější a nejpřesnější upnutí OB Údaje o nástrojích - volba nástrojů dle požadované operace, druhu materiálu a kvality povrchu OB 74

Řezné podmínky – řezná rychlost, otáčky, posuvy, hloubka řezu (uvádí výrobce nástrojů v tabulkách doporučených řezných rychlostí).

2.7.2

Řídicí systém

Řídící systém je tvořen bloky s různými funkcemi např. vstupy, paměti, operační jednotky, řadiče, výstupy,... Pravoúhlé řízení - pracovní pohyb v pouze 1 souřadnici, pak následuje pohyb v jiné souřadnici Souvislé řízení – umožňuje pracovní pohyb současně ve dvou osách ... 2D ve 3 osách ..................................... 3D ve 3 osách s rotací kolem 1 osy …..… 4D ve 3 osách s rotací kolem 2 os …….... 5D Řídicí systém lze přirovnat k nervové soustavě v těle člověka. Přenáší informace od počítače (mozku) k pracovnímu orgánu (ruce, nohy).

2.7.2.1

Souřadné systémy:

a) Pravoúhlý: bod 1 je dán souřadnicemi x1, y1, z 1 bod 2 je dán souřadnicemi x2, y2, z2 bod 3 je dán souřadnicemi x3, y3, z3 b) Polární: bod je dán průvodičem r a úhlem φ, který svírá průvodič s kladným smyslem osy x, např. bod 1(r1, φ1), bod 2(r2, φ2) atd.

2.7.2.2

Způsoby programování:

1. Absolutní – každý bod dráhy nástroje je vztažen k počátku souřadného systému 2. Inkrementální – jednotlivé body dráhy nástroje jsou vztaženy k předchozímu bodu dráhy nástroje a jsou určeny přírůstky v osách x,y,z (inkrement … přírůstek)

2.7.3

Vztažné body CNC strojů

Nulový bod obrobku – programátorem zvolený bod, který slouží ke stanovení vzájemné polohy nástroje a obrobku, volí se technologicky výhodně – např. na čelní plochu nebo nejvyšší plochu obrobku. Nulový bod stroje - výrobcem stanovený bod v konstrukci stroje, který je počátkem souřadného systému stroje a nelze jej měnit. Referenční bod stroje – nahrazuje nulový bod stroje, na který zpravidla nelze nástrojem najet. Proto je výhodné stanovit referenční bod, na který lze automaticky najíždět.

75

Poloha referenčního bodu určuje odměřování dráhy obrábění, protože řídící systém si pamatuje polohu referenčního bodu vzhledem k nulovému bodu stroje a zná tedy po najetí na referenční bod absolutní polohu v souřadném systému stroje. Definování pohybu - při programování CNC strojů se vychází z toho, že nástroj je v relativním pohybu vůči obrobku. Tzn. zdá se, že nástroj se otáčí kolem své osy a zároveň posouvá v osách x,y,z. Ve skutečnosti se nástroj otáčí kolem své osy a obrobek se posouvá v osách x, y. 2.7.4

Struktura (stavba) CNC programu

CNC program… soubor informací, vyjádřených pomocí písmen a číslic (kódů) CNC program se skládá z bloků (řádků), bloky jsou složeny ze slov, slova se skládají z písmen a číslic. Slovo popisuje 1 příkaz. Obsahuje 2 části: adresa (písmeno) + číslice Druhy funkcí: - geometrické - technologické - pomocné Geometrické funkce: G Určují tvar dráhy obrábění a charakter relativního pohybu nástroje a obrobku. Např. G00 … pohyb rychloposuvem do zadaného bodu G01 … lineární pohyb (po přímce) G02 … pohyb po kružnici (ve směru hodin) G03 … pohyb po kružnici (proti směru hodin) G17, G18, G19 … obrábění v rovinách xy, yz, xz G30 … definování polotovaru – min. bod G31 … definování polotovaru – max. bod G40 … zrušení korekce dráhy nástroje G41 … korekce dráhy nástroje vlevo od obrobku G42 … korekce dráhy nástroje vpravo od obrobku G90 … absolutní programování G91 … inkrementální programování Technologické funkce: T Určují technologické podmínky obrábění (druh a číslo nástroje, řezné podmínky – otáčky, posuvy). Např. T01 … nástroj č. 1 (je dán druhem, průměrem, délkou) T02 … nástroj č. 2, atd. Sxxx … otáčky nástroje, např. S1000 Fxxx … posuvy v osách, např. F500, F150 Nxxx … číslo bloku (řádku), např. N052) D…...... funkce korekce nástroje

76

Pomocné funkce: M Určují pomocné funkce, vyplývající z obsluhy stroje. Např. M02 … konec programu M03, M04 … otáčení vřetene vpravo/vlevo M06 … výměna nástroje M08 … zapnutí chlazení M09 … vypnutí chlazení M92 … odjet pryč

Ukázka programu ISO DIN (2)

77

2.7.5

Hlavní funkční CNC frézek

Rám stroje – tvořen základnou a stojanem se svislými vodícími plochami, vana Stůl frézky – upínací plochy, konzola, mechanismy pro podélný a příčný posuv, upínač Vřeteník – v něm uloženo vřeteno, převody, spojka, hlavní pohon Posuvová skříň a elektrické rozvody – obsahují převody a pohony pro posuvný pohyb stolu frézky a elektrické vybavení frézky Počítač a řídící systém – obsahuje elektronické prvky pro tvorbu CNC programu a přenos informací od počítače k pracovním orgánům Základní mechanismy CNC frézek:   

mechanismus pro otáčení vřetena, mechanismus pro podélný posuv stolu, mechanismus pro příčný posuv stolu.

Každý z mechanismů obsahuje: - pohon (elektromotor), - převod, - krokový úhlový mechanismus, - hydraulický/pneumatický okruh, - kuličkový šroub (jen u posuvů). Kuličkový šroub umožňuje plynulý a dobře regulovatelný posuvný pohyb stolu frézky (místo tření smykového se uplatňuje tření valivé). Tekutinové mechanismy slouží pro přenášení a multiplikaci sil. 2.7.5.1

Tekutinové ovládací mechanismy

Hydraulický mechanismus obsahuje tyto hlavní prvky: - hydrogenerátor – zdroj tlakové hydraulické kapaliny. - hydromotor – přeměňuje tlak hydraulické kapaliny na mechanickou práci (např. pohyb upínací čelisti upínače). Rozlišujeme hydromotory pro pohyby posuvné a otáčivé, - hydraulický rozváděč – rozvádí hydraulickou kapalinu před/za píst hydromotoru, - potrubí a armatury – vedou hydraulickou kapalinu, ventily uzavírací, pojistné, zpětné, odporové, měřicí přístroje (manometry), - příslušenství – filtry, čističe, nádrže, hydraulické akumulátory, multiplikátory.

78

Řez funkční části CNC frézky (2)

79

3

Aktuální trendy a novinky a jejich využití v praxi (Uplatnění CAM a programování CNC frézek ve výuce na středních školách)

3.1 Tvorba CNC programu S programování ISO DIN začínáme ve třídě postupným osvojováním hlavních funkcí a zápisem jednoduchého programu do programového listu podle nákresu součásti. Výuka programování vychází ze zadávání lineární dráhy nástroje v absolutním programování a postupně se přidává dráha kruhová a programování inkrementální. Prvním krokem je prostudování vyřešené úlohy dle následujících obrázků. Dalším krokem je zakreslit dráhu nástroje dle zápisu programu. Nakonec už je žák schopen zapsat jednoduchý program podle zadané dráhy nástroje. Za nesprávný postup při výuce programování považuji probírat zároveň mnoho geometrických funkcí bez rozboru jednotlivých kroků.

3.2 Začínáme s programováním 3.2.1

Programování lineární dráhy absolutně: G00, G01, G90

G00 … rychloposuv G01 … pohyb nástroje po přímce

Krok 1: Prostudovat zadanou a vyřešenou úlohu v G90 (1)

80

Krok 2: Podle zápisu v absolutním programování nakreslit tvar dráhy nástroje do rastru (1)

Krok 3: Zapsat NC program podle tvaru dráhy nástroje v absolutním programování (1)

81

3.2.2

Programování lineární dráhy inkrementálně: G00, G01, G90

Krok 1: Prostudovat zadanou a vyřešenou úlohu v G91 (1)

Krok 2: Podle zápisu v inkrement. programování nakreslit tvar dráhy nástroje do rastru (1)

V inkrementálním programování si musí student osvojit, že nástroj postupuje o přírůstek v ose x a v ose y vzhledem k předchozímu bodu dráhy nástroje.

82

Krok 3: Zapsat NC program podle tvaru dráhy nástroje v inkrementálním programování (1)

3.2.3

Programování kruhové dráhy absolutně: G00, G02, G03, G90

G02 … otáčení ve směru hodin G03 … otáčení proti směru hodin Pozor: Středy kružnic se definují inkrementálně i v absolutním programování (souřadnice I,J)

Krok 1: Prostudovat zadanou a vyřešenou úlohu v G90 (1)

83

Krok 2: Podle zápisu v absolutním programování nakreslit tvar dráhy nástroje do rastru (1)

Krok 3: Zapsat NC program podle tvaru dráhy nástroje v absolutním programování G90 (1)

84

3.2.4

Programování kruhové dráhy inkrementálně: G00, G02, G03, G91

Krok 1: Prostudovat zadanou a vyřešenou úlohu v G91 (1)

Krok 2: Podle zápisu v inkrement. programování nakreslit tvar dráhy nástroje do rastru (1)

85

Krok 3: Zapsat NC program podle tvaru dráhy nástroje v inkrement. programování G91 (1)

3.2.5

Zpětná vazba výsledků výuky

TEST 1 (kombinace lineární a kruhové dráhy nástroje v absolutním programování) Zadání řada A Vytvořte NC program z uvedené dráhy nástroje v absolutním programování (1)

86

Správné řešení testu řada A:

Zadání řada B Vytvořte NC program z uvedené dráhy nástroje v absolutním programování (1)

87

Správné řešení testu řada B:

88

3.3 Programujeme podle výkresu součásti Výkres součásti si žáci sami nakreslí pomocí AutoCADu v předmětu konstrukční cvičení nebo technické kreslení.

3.3.1

Tvorba CNC programu součásti VODÍTKO (lze použít jako test 2)

Zadání A: Vytvořte CNC program dle výkresu součásti VODÍTKO a zapište do programového listu. Použijte funkce geometrické, technologické, pomocné. Volte vhodné nástroje, řezné podmínky, chlazení, polotovar.

89

90

3.3.2

Tvorba CNC programu součásti PODLOŽKA (lze použít jako test 2)

Zadání B: Vytvořte CNC program dle výkresu součásti PODLOŽKA a zapište do programového listu. Použijte funkce geometrické, technologické, pomocné. Volte vhodné nástroje, řezné podmínky, chlazení, polotovar.

Za nesprávný postup při výuce programování považuji začínat se složitými tvary. Je vhodné důsledně dodržovat pravidlo „od jednoduchého ke složitějšímu“ a přesvědčit se individuálně, zda si žáci problematiku osvojili.

Vytváříme program společně na tabuli

91

92

3.4 Programování složitých obrobků pomoci CAM Vzhledem k rychlosti rozvoje CAD/CAM technologií je třeba, aby studenti středních odborných škol byli systematicky vzděláváni v dostupných a ve strojírenských firmách používaných softwarech. V naší škole učíme žáky pracovat s těmito systémy:    

AutoCAD 2012 pro 2d kreslení a konstruování, Inventor 2012 pro 3D modelování, PowerMILL 2012 pro návrh technologie obrábění / frézka FV 25-ř.s. Heidenhain pro výrobu, SprutCAM 7 pro návrh technologie obrábění / frézka Numco H250–ř.s. Sinumerik 820C pro výrobu.

Studenti si projdou a umí zpracovat uzavřený technologický cyklus návrh součásti 2D – modelování 3D – návrh technologie obrábění - výroba obrobku Budou tedy připraveni vyhovět i náročným podmínkám trhu práce a nárokům budoucího zaměstnavatele.

Pohled do učebny pro výuku CAD/CAM, žáci pracují s programem PowerMILL

93

3.4.1

PowerMILL, zadání A:

Zpracujte model součásti VODÍTKO pomocí CAM systému PowerMILL a proveďte výrobu. Postupujte v těchto dílčích krocích:

a) proveďte návrh strategie obrábění, zvolte vhodný obráběcí nástroj a řezné podmínky, b)

vygenerujte NC kód,

c)

o správnosti svého návrhu se přesvědčte simulací obrábění na počítači,

d)

vytvořený NC kód transportujte do počítače obráběcího stroje,

e)

připravte stroj pro výrobu – odměřte nulový bod obrobku, délku nástroje, upněte obrobek,

f)

proveďte výrobu obrobku, dodržujte předpisy BOZP pro dané pracoviště.

model VODÍTKO

Studenti importují model součásti do prostředí PowerMILL, který tvoří lišty horní, dolní a boční strom. Zde definují typ a velikost polotovaru, řezné podmínky (řezná rychlost, otáčky, posuvy, rychloposuvy, přejezdy, nájezdy, kolizní ochranu,..). Volí vhodnou strategii hrubování a dokončování, 94

provedou simulaci výroby na kovovém modelu. Z vypočítané a graficky znázorněné dráhy nástroje vytvoří NC kód, který je vlastně digitálním výrobním postupem. Strategie hrubování obrobku VODÍTKO

Zápis části NC programu pro hrubování obrobku VODÍTKO 0 BEGIN PGM hrubování VODÍTKO MM 1 BLK FORM 0.1 Z X+0,000 Y+0,000 Z-20,000 2 BLK FORM 0.2 X+100,000 Y+120,000 Z+0,000 3 TOOL DEF 1 L+0,000 R+0,000 4 TOOL CALL 1 Z S1500,000 5 L Z+10,000 R0 F9000 M 6 L X-3,862 Y-1,774 F9000 M03 7 L Z+5,000 F M08 8 L Z-4,000 F500 M90 9 L X-3,840 Y-1,769 F1000 M90 10 L X-3,719 Y-1,678 F M90 11 L X-3,696 Y-1,528 F M90 12 L X-3,980 Y-0,397 F M90 13 L Z+6,000 F9000 M 14 L X-3,862 Y-1,774 F3000 M90 15 L Z+1,000 F9000 M 16 L Z-8,000 F500 M90 17 L X-3,841 Y-1,768 F1000 M90 18 L X-3,719 Y-1,678 F M90 19 L X-3,697 Y-1,528 F M90 20 L X-3,980 Y-0,397 F M90

95

21 L Z+2,000 F9000 M 22 L X-3,862 Y-1,773 F3000 M90 23 L Z-3,000 F9000 M 24 L Z-12,000 F500 M90 25 L X-3,841 Y-1,768 F1000 M90 26 L X-3,719 Y-1,677 F M90 27 L X-3,697 Y-1,528 F M90 28 L X-3,980 Y-0,398 F M90 29 L Z-2,000 F9000 M 30 L X-3,862 Y-1,773 F3000 M90 31 L Z-7,000 F9000 M 32 L Z-16,000 F500 M90 33 L X-3,841 Y-1,767 F1000 M90 34 L X-3,719 Y-1,677 F M90 atd.

Strategie dokončování obrobku VODÍTKO

Zápis části NC programu pro dokončování obrobku VODÍTKO 0 BEGIN PGM dokončování VODÍTKO MM 1 BLK FORM 0.1 Z X+0,000 Y+0,000 Z-20,000 2 BLK FORM 0.2 X+100,000 Y+120,000 Z+0,000 3 TOOL DEF 1 L+0,000 R+0,000 4 TOOL CALL 1 Z S1500,000 5 L Z+10,000 R0 F9000 M 6 L X+99,950 Y+51,968 F9000 M03 7 L Z+2,000 F M08 8 L Z-3,000 F500 M90

96

9 L X+99,650 Y+52,133 F1000 M90 10 L X+98,750 Y+53,576 F M90 11 L X+97,834 Y+54,450 F M90 12 L X+96,350 Y+55,258 F M90 13 L X+95,150 Y+56,455 F M90 14 L X+95,004 Y+56,850 Z-2,749 F M90 15 L X+94,999 Y+57,450 Z-1,965 F M90 16 L X+95,004 Y+58,050 Z-2,729 F M90 17 L X+95,084 Y+58,350 Z-3,000 F M90 18 L X+96,253 Y+59,250 F M90 19 L X+97,250 Y+59,658 F M90 20 L X+98,314 Y+60,450 F M90 21 L X+99,057 Y+61,350 F M90 22 L X+99,650 Y+62,440 F M90 23 L X+99,950 Y+62,773 F M90 24 L Z+5,000 F9000 M 25 L X+94,804 Y+51,150 F3000 M90 26 L Z+0,000 F500 M90 27 L X+87,950 Y+57,988 F1000 M90 28 L X+87,917 Y+58,350 F M90 29 L X+89,750 Y+59,298 F M90 30 L X+93,350 Y+62,030 F M90 31 L X+94,850 Y+63,410 F M90 32 L X+94,994 Y+63,750 Z-1,221 F M90 atd.

Simulace obrábění na kovovém modelu pomocí počítače

97

Vyrobený plastový model

98

3.4.2

PowerMILL, zadání B:

Zpracujte model součásti PODLOŽKA pomocí CAM systému PowerMILL a proveďte výrobu. Postupujte v těchto dílčích krocích:

a) proveďte návrh strategie obrábění, zvolte vhodný obráběcí nástroj a řezné podmínky, b) vygenerujte NC kód, c)

o správnosti svého návrhu se přesvědčte simulací obrábění na počítači,

d) vytvořený NC kód transportujte do počítače obráběcího stroje, e) připravte stroj pro výrobu – odměřte nulový bod obrobku, délku nástroje, upněte obrobek, f)

proveďte výrobu obrobku, dodržujte předpisy BOZP pro dané pracoviště.

model PODLOŽKA

Studenti postupují stejně jako v předchozím případě. Importují model součásti do prostředí PowerMILL. Definují typ a velikost polotovaru, řezné podmínky (řezná rychlost, otáčky, posuvy, 99

rychloposuvy, přejezdy, nájezdy, kolizní ochranu,..). Volí vhodnou strategii hrubování a dokončování, provedou simulaci výroby na kovovém modelu. Z vypočítané a graficky znázorněné dráhy nástroje vytvoří NC kód, který je vlastně digitálním výrobním postupem. Strategie hrubování obrobku PODLOŽKA

Zápis části NC programu pro hrubování obrobku PODLOŽKA 0 BEGIN PGM hrubování PODLOŽKA MM 1 BLK FORM 0.1 Z X+0,000 Y+0,000 Z-5,000 2 BLK FORM 0.2 X+100,000 Y+120,000 Z+0,000 3 TOOL DEF 1 L+0,000 R+0,000 4 TOOL CALL 1 Z S1500,000 5 L Z+10,000 R0 F9000 M 6 L X+74,995 Y+61,557 F9000 M03 7 L Z+5,000 F M08 8 L Z-4,900 F500 M90 9 CC X+74,995 Y+59,995 10 C X+73,432 Y+59,995 DR+ R0 F1000 M 11 CC X+74,995 Y+59,995 12 C X+76,557 Y+59,995 DR+ R0 F M 13 CC X+74,995 Y+59,995 14 C X+74,995 Y+61,557 DR+ R0 F M 15 CC X+74,995 Y+60,026 16 C X+74,995 Y+58,496 DR+ R0 F M 17 CC X+74,995 Y+62,625 18 C X+74,995 Y+66,755 DR+ R0 F M 19 CC X+74,995 Y+59,995

100

20 C X+68,234 Y+59,995 DR+ R0 F M 21 CC X+74,995 Y+59,995 22 C X+81,755 Y+59,995 DR+ R0 F M 23 CC X+74,995 Y+59,995 24 C X+74,995 Y+66,755 DR+ R0 F M 25 CC X+74,995 Y+69,991 26 C X+71,968 Y+68,846 DR- R0 F M 27 CC X+69,747 Y+68,006 28 C X+68,479 Y+70,013 DR+ R0 F M 29 L X+67,923 Y+69,662 F M90 30 L X+66,837 Y+68,748 F M90 31 L X+65,324 Y+67,061 F M90 32 L X+64,665 Y+66,012 F M90 atd.

Strategie dokončování obrobku PODLOŽKA

Zápis části NC programu pro dokončování obrobku PODLOŽKA 0 BEGIN PGM dokončování PODLOŽKA MM 1 BLK FORM 0.1 Z X+0,000 Y+0,000 Z-5,000 2 BLK FORM 0.2 X+100,000 Y+120,000 Z+0,000 3 TOOL DEF 1 L+0,000 R+0,000 4 TOOL CALL 1 Z S1500,000 5 L Z+10,000 R0 F9000 M 6 L X+75,070 Y+94,050 F9000 M03 7 L Z+0,248 F M08 8 L Z-4,752 F500 M90

101

9 L X+74,750 Y+94,087 Z-4,745 F1000 M90 10 L X+74,317 Y+94,350 Z-4,637 F M90 11 L X+74,115 Y+94,650 Z-4,495 F M90 12 L X+74,056 Y+94,950 Z-4,375 F M90 13 L X+74,077 Y+95,250 Z-4,528 F M90 14 L X+74,225 Y+95,550 Z-4,657 F M90 15 L X+74,583 Y+95,850 Z-4,763 F M90 16 L X+75,050 Y+95,946 Z-4,802 F M90 17 L X+75,350 Y+95,889 Z-4,806 F M90 18 L X+75,784 Y+95,550 Z-4,816 F M90 19 L X+75,950 Y+95,066 Z-4,802 F M90 20 L X+75,879 Y+94,650 Z-4,767 F M90 21 L X+75,650 Y+94,315 Z-4,681 F M90 22 L X+75,070 Y+94,050 Z-4,752 F M90 23 L Z+5,000 F9000 M 24 L X+74,980 Y+92,499 F3000 M90 25 L Z+0,000 F500 M90 26 L X+74,750 Y+92,512 F1000 M90 27 L X+69,350 Y+92,009 F M90 28 L X+66,590 Y+91,350 F M90 29 L X+61,536 Y+89,550 F M90 30 L X+60,950 Y+89,410 F M90 31 L X+57,285 Y+93,450 F M90 32 L X+52,689 Y+97,350 F M90 atd.

Simulace obrábění na kovovém modelu pomocí počítače

102

3.5 Tvorba NC kódu a jeho transport do výrobního stroje Program PowerMILL umožňuje jednoduchým způsobem vytvořit NC kód pomocí postprocesoru, editovat a transportovat jej do počítače výrobního stroje. Za nesprávný postup při výuce programování považuji realizovat výuku programování ve velkých skupinách (což je v rozporu s praxí naplnění a dělení tříd).

3.6 Programování na panelu výrobního stroje Pokud je obrobek jednoduchý, lze program sestavit přímo na panelu stroje. Řídící systémy Heidenhain TNC jsou dílensky programovatelné systémy, na nichž lze programovat běžné frézovací a vrtací operace přímo na stroji pomocí popisného dialogu, dobře pochopitelného pro žáky středních škol. Klávesnice a znázornění na monitoru jsou přehledně uspořádány, lze provádět grafický test programu před započetím výroby. Systém poskytuje pro běžné frézařské práce, jako jsou díry, kapsy (kruhová, obdélníková), drážky různých tvarů řadu cyklů. Jejich používání zjednodušuje tvorbu programu.

103

Ukázka programu v řídícím systému Heidenhain při programování na panelu stroje (3)

104

Ukázka programu s použitím cyklů vrtání v řídícím systému Heidenhain při programování na panelu stroje (3)

105

Programování na panelu stroje

106

3.7 Výroba 3.7.1

Příprava stroje

znamená: - upnout obrobek a nástroj, - odměřit pomocí 3D sondy nulový bod obrobku, - odměřit délku nástroje (pomocí 3D sondy nebo z-přípravku). Správnost načteného NC programu, ustavení obrobku a odměření nástroje lze nyní ověřit grafickou simulací na panelu stroje. Lze přejít k výrobě obrobku.

Odměření obrobku pomocí 3D sondy

107

3.7.2

Výroba obrobku

Při výrobě je nutno důsledně zabezpečit dodržování předpisů BOZP, zavírání krytů stroje, užívání ochranných pomůcek. Student se seznámí nejprve s režimem ruční výroba, který použijí při nastavení nulového bodu obrobku a odměření nástroje. Osvojí si práci s režimem plynulá výroba/výroba po bloku, který slouží pro obrábění. Studenti se orientují v souborech a v ovládacím panelu stroje. Volí optimální řezné podmínky pro daný materiál a použité nástroje. Využívají plynulé regulace otáček a posuvů k ovládání stroje při najetí k obrobku. Pro výuku používáme polotovary z plastu pro úsporu nákladů. Ušetří se jak na spotřebě nástrojů, tak na pořízení ocelových polotovarů.

Výroba plastového a ocelového obrobku 3.7.3

Kontrola rozměrů

Vyrobený kus žáci proměří pomocí běžných měřidel (posuvné měřítko, mikrometr). 108

Používaná měřidla a nástroje

Vyrobené obrobky z plastu a oceli

109

4

Uplatnění na trhu práce a požadavky na absolventy

Skupina strojírenských oborů zahrnuje přípravu na širokou paletu pracovních pozic. Šance na získání uplatnění absolventů v oboru se dlouhodobě mírně zhoršují – roste konkurence na globálních trzích a důsledky hospodářské krize. Pokles zaměstnanosti je hrozbou pro pracovníky s nízkou kvalifikací a ty, kteří byli pro zaměstnání v odvětví jen krátkodobě vyškoleni a mají malý základ pro profesní postup a zvyšování kvalifikace. Na druhé straně jsou pozice, kterým se bude dařit dobře - pracovníci konstrukce, technologie a design, nejlépe s kombinovanými znalostmi v oblasti strojírenství/slaboproudá elektrotechnika/ICT. Zvyšování kvalifikace tímto směrem je v této profesní skupině zárukou dlouhodobé perspektivy. Z tohoto textu vyplývá, že pokud student, vstupující na trh práce, zná nové oblasti a trendy ve strojírenství, může tak potenciálnímu zaměstnavateli víc, než ostatní kandidáti. Oblast strojírenství sice nepředstavuje nejohroženější oblast vlivem vleklé hospodářské recese. Nicméně strojírenství jako takové se potýká s celkovým nedostatkem odborných pracovníků, kteří by se chtěli práci v oblasti strojírenství věnovat v rámci své osobního odborného výcviku. Zaměstnavatelé v oblasti strojírenství v podstatě hledají pracovníky napříč vzdělanostním spektrem, tedy od vyučených přes středoškolsky vzdělané až po vysokoškolsky vzdělané odborníky. Tato skutečnost s sebou tedy nese řadu zlehčujících okolností na rozdíl od jiných oborů. První z nich v podstatě vychází z nedostatku, či neochoty, vzdělaných lidí, kteří by se věnovali profesní praxi ve strojírenských oborech. Na základě této situace můžeme usoudit jednoznačný závěr, že trh práce požaduje zejména odborně vzdělané a šikovné pracovníky, přičemž není vyvíjen přílišný tlak na specifické znalosti absolventů nových oblastí a moderních metod. Jednoduše můžeme říci, že zaměstnavatelé si z nedostatku kvalifikovaných lidí vyberou alespoň ty s potřebnými předpoklady a do jejich vzdělávání a zaučení dále investují. Oblast strojírenství tak tedy představuje velmi dobrou perspektivu pro absolventy těchto oborů, neboť jejich zaměření a následné uplatnění zcela podporuje trh práce.

4.1 Požadavky na absolventy vycházející ze všeobecných požadavků zaměstnavatelů Všeobecně lze rozdělit požadavky zaměstnavatelů na absolventy v oblasti strojírenství na dva okruhy a to na měkké a tvrdé znalosti. Měkké znalosti jsou definované jako osobnostní, kterými je myšleno, jak daný pracovník dokáže zvládnout např. práci v týmu, či jak je schopen si zorganizovat pracovní dobu. Naopak tvrdé znalosti jsou ty, které student získává studiem, ať již na střední odborné škole, či na učilišti. Důležitým faktorem je též studium cizích jazyků, které je dnes považováno za standart.

110

4.1.1

Tvrdé znalosti (oborové)

- mít základní přehled o strojírenských činnost; - orientovat se v komplexní dokumentaci včetně technologických částí; - mít přehled o strojírenských zařízeních z hlediska využitelnosti při strojírenských prací včetně zásad bezpečného provozování a základních technických parametrů, schopnost tyto stroje ovládat; - znát vlastnosti materiálů používaných v běžné strojírenské výrobě a přehled o hlavních výrobcích běžných strojírenských materiálů; - mít znalost technologických postupů běžných strojírenských prací; - umět efektivní hospodaření s finančními prostředky; - umět nakládat s materiály, energiemi, odpady, vodou a jinými látkami ekonomicky a s ohledem na životní prostředí; - mít znalost IT – CAM, CAD apod.;

4.1.2 -

Měkké znalosti charakterové předpoklady pro výkon povolání; zdravotní dispozice; znalost BOZP (bezpečnosti ochrany zdraví při práci); ochota učit se novým věcem; flexibilita; efektivní komunikace; schopnost týmové spolupráce; silná orientace na výsledek a kvalitu práce; pečlivost a důkladnost.

111

5

Zkušenosti s praktickým vzděláváním v zahraničí

V rámci projektu „Inspiruj se a vzdělej se“, se ve dnech 12. – 15. listopadu 2012 uskutečnila zahraniční stáž zástupců cílových skupin – pedagogů odborného výcviku (praktického vyučování) a pedagogů odborných předmětů v teoretickém vyučování SOŠ a SOU Roudnice n. L. a dalších zapojených středních odborných škol v Ústeckém kraji – ve Francii. Cílem stáže bylo seznámení účastníků se systémem výuky na odborných školách a v podnicích ve Francii. Hlavním cílem čtyřdenního pobytu bylo seznámení se systémem fungování francouzského školství. Pro stáž zaměřenou na oblast stavebnictví a strojírenství byla záměrně vybrána Francie. Východiska koncepce vzdělávání ve Francii jsou zákon o vzdělávání, kde se hovoří o vzdělávání jako o národní prioritě. Francouzský systém školství je velmi centralizovaný. Hlavní programy a pedagogické linie definuje ministr školství. Tyto plány určují zvláštní podmínky nutné pro realizaci a dosažení cílů národního kurikula. Úloha státní správy ve vzdělávání na státní úrovni je vymezení pedagogické dokumentace a vzdělávacích programů, stanovuje dále pravidla činnosti jednotlivých institucí a jejich statuty. Zajišťuje platy učitelů, vychovatelů, poradců a tutorů. Na vládní úrovní – ministerstvo národního vzdělávání, zodpovídá v rámci legislativních pravidel za stanovení vzdělávací strategie a její následnou realizaci. Regionální úroveň má statut územního společenství, které jsou řízeny volenou regionální radou a nesou odpovědnost za ekonomický, kulturní sociální a vědecký rozvoj, zopovídají za územní plán, investice a provoz. Mají rozsáhlé pravomoci v oblasti profesní přípravy, ve spolupráci s departmenty a ministerstvem práce, kdy regiony musí mít dokonalý přehled o kvantitativních a kvalitativních potřebách vzdělávání. Zapojení sociálních parterů je považováno za determinující faktor. Úřady práce, řeší problém rekvalifikace a přeškolení lidí, dále jsou zde obchodní a živnostenské komory, které jsou do učňovského školství velmi intenzivně zapojeny. Pokud bychom srovnaly český a francouzský model vzdělávání tak vyplynou následující závěry. Je nutné obohatit Školní vzdělávací program o využití podnětu od tutorů, dále je francouzský systém založen na participaci s výrobními podniky. Francie má mnohem propracovanější systém sociálních výhod. Celoživotní vzdělávání je v tomto systému povinné. Ve Francii je vysoká možnosti uplatnění absolventů na trhu práce. Bylo by dobré uvažovat o zvýšení podílu na vzdělávání využitím zdrojů hospodářské sféry. Systém přípravy žáků v učebních oborech by neměl být v rámci Evropské unie unifikován.

112

6

Závěr

Střední odborné školy a střední odborná učiliště strojírenského zaměření připravují své žáky pro povolání ve strojírenských oborech, kde se stále více prosazují CNC systémy pro řízení nejrůznějších výrobních strojů. Vzhledem k trvalému nedostatku kvalifikovaných pracovníků ve strojírenství nalézají absolventi těchto škol, vybaveni znalostí CNC technologií pracovní uplatnění nejen v ČR, ale i v zemích EU. Využívání CAM technologií a CNC výrobních strojů zasahuje do všech činností společnosti a pracovníci ve strojírenství potřebují ke zvýšení efektivity své práce využívat dostupné softwary a mít možnost seznámení s nimi. Absolventi středních škol by měli vstupovat na trh práce vybaveni dovednostmi s těmito technologiemi pracovat. Pomocí vhodně sestavených vzdělávacích témat bude dosaženo větší adaptability a flexibility pracovníků ve strojírenství.

Seznam použité literatury 1) FRISCHHERZ, Adolf, a kol. Technologie zpracování kovů 2: odborné znalosti. Vyd. 1.Praha: Správa přípravy učňů, Nakladatelství Wahlberg Praha, 1994, 280 s. ISBN 80-901657-2-9. 2) SVOBODA, Evžen. Technologie a programování CNC strojů: učebnice pro odborné školy. Vyd. 1. Praha: Fragment, 1998, 100 s. ISBN 80-7200-297-X.

3) http://www.heidenhain.cz/priruckauzivateleTNC310 4) Propagační materiál firmy FRAISA,CH-4512 Bellach/SO, Schweiz.

113

Obor Elektrotechnika

114

Obsah

1

Úvod ............................................................................................................................................ 118 1.1

2

Elektrotechnika.................................................................................................................... 118

1.1.1

Elektroenergetika: ....................................................................................................... 120

1.1.2

Elektrické stroje: .......................................................................................................... 120

1.1.3

Elektrické přístroje: ..................................................................................................... 121

1.1.4

Elektrické pohony: ....................................................................................................... 121

1.1.5

Elektronika: .................................................................................................................. 121

1.1.6

Výkonová elektronika: ................................................................................................. 122

1.1.7

Telekomunikace........................................................................................................... 123

1.1.8

Robotika....................................................................................................................... 123

1.1.9

Měřicí přístroje ............................................................................................................ 123

1.1.10

Elektromagnetická kompatibilita ................................................................................ 124

1.1.11

Ochrana životního prostředí. ....................................................................................... 124

Výuka oboru elektrotechnika ...................................................................................................... 126 2.1

Klíčové požadavky na studenty ........................................................................................... 126

2.1.1

Základní fyzikální pojmy .............................................................................................. 126

2.1.2

Základní legislativa pro bezpečnost práce v elektrotechnice. ..................................... 128

2.1.3

Bezpečnost v elektrotechnice. .................................................................................... 129

2.1.4

Základní elektrotechnické veličiny a pojmy................................................................. 130

2.1.4.1

Elektrický náboj ....................................................................................................... 130

2.1.4.2

Elektrické napětí ...................................................................................................... 130

2.1.4.3

Intenzita elektrického pole ...................................................................................... 130

2.1.4.4

Elektrický proud ....................................................................................................... 131

2.1.4.5

Ohmův zákon ........................................................................................................... 131

2.1.4.6

Řazení obvodů ......................................................................................................... 132

2.1.4.7

Konstrukční provedení rezistorů ............................................................................. 133

2.1.4.8

Vodiče v elektrotechnice ......................................................................................... 134

2.1.4.9

Vodiče ...................................................................................................................... 134

2.1.4.10

Závislost odporu na teplotě ................................................................................. 135

2.1.4.11

Elektrický výkon a práce. ..................................................................................... 135

2.1.4.12

Kapacita ............................................................................................................... 136

2.1.4.13

Typy kondenzátorů .............................................................................................. 137 115

2.1.4.14

Indukčnost ........................................................................................................... 138

2.1.4.15

Zdroje elektrického napětí .................................................................................. 140

2.1.4.16

Stejnosměrné zdroje elektrického napětí ........................................................... 141

2.1.5

Střídavý proud. ............................................................................................................ 142

2.1.6

Elektrické stroje a přístroje.......................................................................................... 143

2.1.6.1

Střídavé motory ....................................................................................................... 144

2.1.6.2

Motory synchronní a asynchronní........................................................................... 144

2.1.6.3

Motory lineární a krokové ....................................................................................... 144

2.2

Koncepce výuky předmětu elektrotechnika ........................................................................ 145

2.3

Metody při výuce................................................................................................................. 146

2.3.1

3

Nosná témata při výuce Elektrotechniky..................................................................... 146

2.4

Stanovení cílů a základní rozsah při stanovování kompetencí ............................................ 147

2.5

Kompetence na školách se zaměřením na elektrotechniku................................................ 147

2.6

Náměty pro úlohy ................................................................................................................ 148

2.6.1

1. Úloha ....................................................................................................................... 148

2.6.2

2. Úloha ....................................................................................................................... 148

2.6.3

3. Úloha ....................................................................................................................... 149

2.6.4

4. Úloha ....................................................................................................................... 150

2.6.5

5. Úloha ....................................................................................................................... 150

2.6.6

Další náměty na úlohy ................................................................................................. 151

2.6.6.1

Základy elektrotechniky........................................................................................... 151

2.6.6.2

Měření na polovodičích ........................................................................................... 151

2.6.6.3

Měření na strojích ................................................................................................... 151

2.6.6.4

Všeobecné úlohy z elektrotechniky ......................................................................... 151

Aktuální trendy a technologie v oblasti elektrotechniky............................................................. 153 3.1

Elektroenergetika ................................................................................................................ 153

3.1.1

Fosilní - kde palivem je: ............................................................................................... 153

3.1.2

Jaderné elektrárny palivem ......................................................................................... 153

3.1.3

Vodní elektrárny: ......................................................................................................... 153

3.1.4

Teplárny ....................................................................................................................... 153

3.1.5

Alternativní zdroje ....................................................................................................... 153

3.1.6

Materiály na vn vedení ................................................................................................ 154

3.2

Elektrické stroje ................................................................................................................... 156

3.3

Elektrické přístroje............................................................................................................... 159 116

3.4

Elektrické pohony ................................................................................................................ 162

3.4.1

Záložní zdroje............................................................................................................... 162

3.5

Elektronika ........................................................................................................................... 164

3.6

Měřicí přístroje .................................................................................................................... 166

3.7

Univerzální měřicí přístroje ................................................................................................. 166

3.8

Měřicí přístroje pro kontrolu přístrojů a stavu zařízení ...................................................... 167

3.9

Přístroje pro vybavení dílen a větších laboratoří ................................................................ 168

3.10

Osciloskopy .......................................................................................................................... 168

4

Postřehy autora ........................................................................................................................... 170

5

Uplatnění na trhu práce a požadavky na absolventy .................................................................. 171 5.1

Požadavky na absolventy vycházející ze všeobecných požadavků zaměstnavatelů ........... 171

5.1.1

Tvrdé znalosti (oborové).............................................................................................. 171

5.1.2

Měkké znalosti............................................................................................................. 172

6

Zkušenosti s praktickým vzděláváním v zahraničí ....................................................................... 173

7

Závěr ............................................................................................................................................ 175 Seznam použité literatury ............................................................................................................... 176 Teoretické základy elektrotechniky ............................................................................................. 176 Praktická elektrotechnika ............................................................................................................ 176 Zahraniční literatura .................................................................................................................... 177 Periodika ...................................................................................................................................... 177

117

1

Úvod

Další kapitola dokumentu v rámci projektu „Inspiruj se a vzdělej se“ reg. č.: CZ.1.07/1.3.49/01.0004, který je podpořen Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky a realizátorem projektu je Střední odborná škola a Střední odborné učiliště Roudnice nad Labem je elektrotechnika. Hlavní účelem tohoto dokumentu je nabídnout pedagogům novinky a aktuální trendy ve výuce elektrotechniky, společně s efektivními metodami výuky elektrotechniky. Cílovou skupinou jsou pedagogové středních odborných učilišť a středních škol, protože to jsou právě oni, kteří předávají jak teoretické, tak praktické zkušenosti svým studentům, kteří pak mohou nabídnout lepší znalosti a zkušenosti na trhu práce.

1.1 Elektrotechnika Elektrotechnika je nedílnou součástí fyziky. I když z pohledu většiny „elektrikářů“ setkáváme s tím, že si jaksi samovolně elektrotechniku osamostatňují a to není zřejmě Pokud by tento náhled bylo možné akceptovat ještě v letech nedávno minulých, pak akceptovat v současné době. Samozřejmě záleží na tom, ve kterém konkrétním oboru aplikace elektrotechniky tuto otázku podrobíme zkoumání.

se často správné. to nelze a stupni

Zcela určitě stejně tak jako ostatní obory i elektrotechnika prochází překotným vývojem. Objevují se zde nové trendy, speciální obory, které vyžadují poměrně hlubokou znalost nejen samostatných principů, ale s tím související i vzájemná mezioborová konvergence, rozmach součástkové základny a nových technologií. Tento trend je prakticky ve všech podoborech kam elektrotechnika jako fenomén současné doby zasahuje. Není to tak dávno, kdy elektrikář dokázal vstřebat a vcelku zdárně porozumět konkrétnímu podoboru, ale tato situace se dramaticky změnila. Prakticky před očima vznikají a objevují se nové podobory. Stačí jen připomenout alternativní zdroje elektrického proudu. To je dnes široká základna, která využívá několik úzce souvisejících platforem fyziky. Větrné elektrárny v sobě absorbují mechaniku, točivé stroje, měniče. Obdobná situace je u fotovoltaických elektráren, kde se v současném trendu využívá optika, opět měniče, regulátory. A na obzoru je již zcela nový princip využívání elektromagnetické energie dopadající na zemský povrch. Stejná situace je u tepelných čerpadel. Kde vstupují do hry i často složitá regulace. V oblasti elektrických pohonů jsou dnes například běžné asynchronní motory s plynule měnitelnými otáčkami, krokové motory s krokem donedávna nepředstavitelně malým. Lineární motory. A to už vůbec nelze ani encyklopedicky pojmout vzájemnou kooperaci elektrotechniky, elektroniky, regulačních prvků celé škály tzv. embeded prvků, které jsou spolu propleteny složitými vazbami a regulačními smyčkami. Nově se posazují obory jako robotika, elektronika ve zdravotnických aplikacích. Samostatnou oblast dnes tvoří zdroje náhradního napájení tzv. UPS, které se vyskytují ve všech kritických aplikacích, kde často mají téměř strategickou úlohu.

118

Obrovský skok se udál v automobilovém průmyslu, kde ještě před několika desítkami let tvořilo elektrické vybavení maximálně 20% celé výbavy vozu, v současných automobilech se blíží elektrická výzbroj 50% ve srovnání s klasickými mechanickými prvky a tento trend i nadále pokračuje. Revolucí můžeme označit zdroje stejnosměrných napětí, hlavně pak sekundární zdroje. Ale i ve zdánlivě běžných aplikacích se udály obrovské změny. Pokud jde například o elektroinstalaci v běžné domácnosti, dochází k revoluci v osvětlení, vybavení domácími spotřebiči. Kde na jedné straně dochází k tomu, že jednotlivé spotřebiče mají výrazně efektivnější provozní parametry, ale na druhé straně spotřeba domácností paradoxně neklesá nebo i stoupá, neboť množství dnes takzvaně nezbytných spotřebičů stále roste. Zcela nezbytné je pak zajistit, aby se jednotlivé entity vzájemně negativně neovlivňovaly, což by jistě mohlo mít nepříjemné dopady a na vzájemnou koordinaci jednotlivých prvků respektive systémů. Tedy dostáváme se k poměrně mladé disciplíně, kterou je Elektromagnetická kompatibilita. Dokonce i ochrana proti atmosférickému přepětí, která se zdála být zcela jednoduchá, je dnes řešena vysoce sofistikovaným způsobem, a je třeba jí důkladně porozumět ať už pro správný projekt, instalaci tak i pro následnou údržbu. Protože neznalost nebo nedocenění závažnosti tohoto problému může být příčinou nejen špatné funkce systému, ale někdy může mít i fatální následky. A tak bychom jistě mohli pokračovat a nalézt další oblasti a odvětví, která vyrostla, nebo se stále vyvíjí. Pokud se ale máme na obor zaměřit z trochu pragmatičtějšího úhlu pohledu, pak je možné konstatovat že, elektrotechnika je obor lidské činnosti zabývající se praktickým využitím elektrické energie. Jedná se o specializovaný technický vědní obor, který se zabývá výrobou, rozvodem a přeměnou elektrické energie v jiné druhy energie. K zajištění těchto požadavků si pak ke spolupráci bere na pomoc sdělovací, zabezpečovací, výpočetní a další podobory. Základním požadavkem, který je na elektrotechniku, jako celý obor kladen, je dodávka elektrické energie pro koncového uživatele. Je pravděpodobně mimo rámec diskuse, že elektrická energie je v současné době chápana jako nejušlechtilejší druh energie. Ve všech průmyslově rozvinutých zemích je elektrická energie strategickou součástí nejen hospodářství, ale je i nezbytnou součástí pro normální chod běžného života. Energetická soustava by měla být vždy schopna dodat v reálném čase tolik energie kolik je jí potřeba. Přes všechny klady a přínosy má i jednu obrovskou nevýhodu. Bohužel jí jako jednu z mála v současné době užívaných energií neumíme v rozumné míře skladovat. A v tom spočívá právě její nevýhoda, protože v této soustavě musí být u odběratele právě tolik energie, kolik jí spotřebovává a to klade obrovské nároky na řízení této soustavy. Celou elektrotechniku lze rozdělit na řadu podoborů, nicméně je jakési historicky ustálené pojmy chápou elektrotechniku podle hodnot proudu a napětí jako silnoproudou a slaboproudou. Samozřejmě lze elektrotechniku nahlížet i jako na nízkofrekvenční a vysokofrekvenční atd. Z praktického hlediska ji můžeme také popsat jako obor lidské činnosti zabývající se praktickým využitím elektrické energie. Z toho vyplývá, že rozpětí elektrotechniky sahá od nejjednodušších

119

zařízení, jako jsou baterie v automobilu či kapesní svítilně přes bleskosvody až k nejkomplikovanějším lidským výtvorům jako počítače, od digitálních hodinek až po atomové elektrárny. Výše jsme již elektrotechniku rozdělili na silnoproudou a slaboproudou. K oborům slaboproudé elektrotechniky se řadí například elektronika a telekomunikace, k oborům silnoproudé elektrotechniky patří elektroenergetika, elektrické stroje, elektrické přístroje, výkonová elektronika a elektrické pohony. Tyto obory mnohdy nelze zcela striktně oddělit, protože se mnohde prolínají a navazují na sebe. Pokud však bychom se chtěli přidržet ustáleného dělení a aktuální terminologie pak snad lze přijmout dělení elektrotechniky na následující obory. 

1.1.1

Elektroenergetika:

Je nejstarším elektrotechnickým oborem. Zabývá se především výrobou, přenosem a distribucí elektrické energie, také se sem řadí elektrické osvětlení a přeměna elektřiny na teplo (elektrické topení, elektrické vysoké pece, elektrické pece na sklo apod.), patřila sem rovněž problematika ochrany před nežádoucími účinky elektrického proudu. Hlavními pilíři elektroenergetiky jsou elektrárny, které se rozlišují podle způsobu, jakým vyrábějí elektrickou energii. I když z pohledu elektroenergetiky bychom asi spíše měli přijmout rozdělení na základní, pološpičkové, špičkové a pak snad alternativní zdroje. Rovněž do této kategorie bychom zařadili všechna zařízení stroje a přístroje, které zabezpečují přenos a dodávku silové elektřiny od místa výroby do místa spotřeby. 1.1.2

Elektrické stroje:

Elektrické stroje jsou zařízení sloužící k přeměně elektrické energie na mechanickou a naopak. Patří sem však i zařízení, která se používají ke změně parametrů elektrické energie. V zásadě rozlišujeme elektrické stroje točivé (jako motory a generátory) a netočivé (transformátory). Mezi základní elektrické stroje řadíme generátory střídavého a stejnosměrného proudu tedy alternátory respektive dynama, transformátory, elektrické motory. Elektrické motory pak mají další až nepřehledné dělení, ale v principu lze přijmout, že jsou motory na střídavý proud. Základní rozlišení těchto motorů je na synchronní a asynchronní. U těchto elektrických strojů bychom se pak měli přidržet klasického rozdělení na stroje jednofázové a trojfázové. Stejnosměrné motory jsou opět skupinou s obrovskou škálou různých typů a variant. Tyto motory nacházejí uplatnění např. v trakčních pohonech, protože různé konstrukce těchto strojů díky jejich charakteristikám dokážou plnit i velice náročné požadavky. Na druhé straně najdeme nejrůznější mutace těchto motorů a aplikacích robotiky a automatizace, kde se jedná často o miniaturní provedení.

 120

1.1.3

Elektrické přístroje:

Přístroje v elektrotechnice se od sebe odlišují stejně jako ostatní zařízení parametry a účelem pro který byly zkonstruovány. Vedle již několikrát zmíněného rozdělení podle napětí, tedy nízkonapěťové (NN) a vysokonapěťové (VN, VVN) pak je důležitý i faktor výkonových parametrů. Tedy velikostí proudů, které mohou být těmito přístroji ovládány. Tedy můžeme mluvit o robustnosti přístrojů. Velice důležité je i určení prostředí, ve kterém budou přístroje pracovat, neboť to rozhoduje o životnosti zařízení a jeho spolehlivosti. Správná volba přístrojů má přímý vliv i na efektivitu celků, jejichž jsou součástí a zároveň mohou výrazným způsobem ovlivnit hospodárnost provozu a mají přímý vliv na poruchovost. Nesmíme také zapomínat na kritérium bezpečnosti, neboť při chybné volbě může dojít až k fatálním stavům, které mohou být příčinou úrazů případně ohrožení lidských životů. Jistou pomůckou nebo snad i zárukou kvality zařízení je certifikace výrobků. Ta je v současné době díky harmonizaci legislativy v rámci evropské unie vcelku přehledná a jasná. Snad nejrozšířenější přístroje pro NN jsou zásuvky, vypínače, jisticí prvky, chrániče, relé, stykače, osvětlovací tělesa. Ze skupiny přístrojů VN pak lze jmenovat výkonové vypínače, odpojovače, pojistky VN atd.

1.1.4

Elektrické pohony:

Elektrické pohony jsou obor, který se zabývá pohonem strojů a jiných technických zařízení pomocí elektrické energie. Podle druhu použitých strojů rozlišujeme pohony stejnosměrné a střídavé, dále rozlišujeme pohony regulované a neregulované. U neregulovaných pohonů je třeba zpravidla řešit rozběh a jištění stroje, u regulovaných pohonů dále regulaci rychlosti nebo polohy. V průmyslových aplikacích se také často nejedná o izolované pohony, ale o regulaci vícemotorových soustrojí, jako jsou různé dopravníky, jeřáby, výtahy, válcovací stolice nebo papírenské stroje. Moderní regulované pohony často zahrnují sofistikované řízení založené na frekvenčních měničích, zde často včetně počítačem řízeného provozu stroje.

1.1.5

Elektronika:

Mezi obory elektrotechniky patří také elektronika. Jedná se obor, který svou podstatou patří do slaboproudé elektrotechniky. Elektronika se zabývá zařízeními založenými a pracujícími na bázi elektronických součástek. Přitom za elektronickou součástku se považuje součástka, která je schopná ovládat tok elektrické energie, případně měnit stav bez použití pohyblivých mechanických dílů. Prvními aktivními elektronickými součástkami byly elektronky, které daly tomuto oboru jméno. Jejich vznik se datuje do dvacátých let minulého století. Tyto součástky bychom dnes velice

121

těžko hledali. Snad jen v okrajových aplikacích jako jsou vysílače, špičkové nízkofrekvenční zesilovače a donedávna klasické CRT obrazovky počítačů. Současná elektronika je založená výhradně na polovodičích. Za zrod polovodičů můžeme označit přelom roku 1947 a 1948, kdy byl vyroben jeden z prvních tranzistorů, o který se fyzici již několik desetiletí pokoušeli. Drtivá většina polovodičů se vyrábí na bázi křemíku případně germania. Polovodičová dioda a tranzistor znamenal v elektronice nikoliv evoluční ale spíš revoluční skok. Mezi dominantní vlastnosti, které tyto polovodičové součástky charakterizují je o několik řádu nižší energetická spotřeba a rozměry. Zpočátku ještě nebyly polovodiče schopny konkurovat elektronkám hlavně z důvodů výkonové ztráty a pracovních frekvencí, ale tyto nedostatky byly záhy překonány. A hlavním argumentem, který hnal vývoj vpřed, byla malá spotřeba energie, miniaturizace a mnohonásobně lepší konstrukční předpoklady. Za další vývojovou fázi můžeme pokládat moment, kdy bylo více polovodičových součástek zapouzdřeno do jednoho pouzdra a vznikaly tak postupně integrované obvody (IO, IC-integrated circuit). Podle množství prvků soustředěných v pouzdře pak postupně přichází do praxe obvody označované jako SSI, MSI, LSI, VLSI1 atd. Postupně se tak dostáváme k prvkům, které tvořily základy mikroprocesorů a nakonec i k samotným mikroprocesorům. Tyto mikroprocesory pak už v sobě obsahují 109 i více diskrétních součástek. Tento trend probíhal podle tzv. Mooreova zákona. Toto pravidlo předpokládalo, že hustota prvků v IO se každých 18 měsíců zdvojnásobí. Což donedávna platilo, nicméně současné technologie se již dostávají k hranicím fyzikálních možností, a tyto trendy již narážejí na samotnou fyzikální podstatu a dále touto cestou již nebude možné součástky miniaturizovat.

1.1.6

Výkonová elektronika:

Výkonová elektronika je aktuální ukázkou vzájemné konvergence dvou donedávna poměrně vzdálených oborů. Klasické elektroniky a silnoproudé elektrotechniky. Principy fungování byly prakticky v plné míře přejaty z elektroniky, ale díky vývoji nových polovodičových prvků, které dokážou bez problémů spínat výkony řádově kW a zvládají i napětí řádu kV vznikl meziobor, který masivně nahradil elektromagnetické spínací, regulační a ovládací členy. Protože spotřeba těchto nových elementů je o několik řádů nižších, než tomu bylo u klasických prvků, dochází ke snížení spotřeby a energetické náročnosti řídících a regulačních prvků. Elektronické prvky mají rovněž o několik řádů vyšší spolehlivost, což přináší obrovské úspory při prakticky minimálně poruchových stavech. Přínosem je pak i snížení požadavku na běžnou údržbu a profylaxi. Nemluvě o rozměrech a tedy o miniaturizaci zařízení. Vcelku bezproblémově se mohou řešit tyto obvody na zakázku viz. obvody ASIC. Běžné jsou hybridní obvody výkonové elektroniky, kdy v jednom pouzdře spolu kooperují analogové a digitální obvody. Princip řízení a regulace se často přesouvá do oblasti vyšších frekvencí, což sebou 1

SSI- Small Scale Integration, MSI-Medium …,LSI-Large … VLSI Very

122

sekundárně opět přináší materiálové a energetické úspory. Bohužel, se však současně s tímto trendem se musí pamatovat na oblast vzájemné kompatibility systémů, což je opět záležitostí oboru elektromagnetická kompatibilita. 1.1.7

Telekomunikace

Telekomunikace je oborem zabývajícím se přenosem informací, k čemuž se využívala převážně elektrická energie. Nyní je asi přesnější tvrzení, že k přenosu informací se využívá přenos pomocí elektromagnetického vlnění. Do popředí se v mnoha aplikacích dramaticky prosazují přenosy po optických vláknech, které umožňují řádově větší přenosové rychlosti a dovolují přenášet objemy dat v minulosti nevídané. Nicméně i klasický přenos po vodičích, zvláště pak tzv. poslední míle je stále velice rozšířen. Zvláště pak tam kde se jedná o aplikace, které nejsou náročné na rychlost přenosu respektive objemy dat. Nesmíme opomenout ani přenosy v rámci elektrorozvodných sítí. Zde se jako přenosové medium využívají existující rozvody VN apod. Nástupem mobilních telefonních sítí pak zasahuje zcela výrazně do oblasti elektrotechniky, a energetiky, ale i do dalších oborů a segmentů průmyslových aplikací. To vše je pak vlastně organicky provázáno a propleteno síti sítí jak se občas nazývá Internet. 1.1.8

Robotika

Robotika je obor, který je logickým vyústěním automatizace a technické kybernetiky. To pokud budeme pohlížet na výstupy tohoto odvětví, ale svými principy, pohony a prvky má zcela jednoznačně vztah k elektrotechnice. Roboti jsou právě takovým typickým představitelem, se kterým se můžeme potkat v mnoha aplikačních oborech. Automatizace, pohonů, nepřebernou škálou snímačů a akčních členů, které nemusí být vždy nutně prvky z oboru elektrotechniky. 1.1.9

Měřicí přístroje

Měřicí přístroje jsou často řazeny do skupiny elektrických přístrojů, ale jejich rozvoj a obrovská základna měřicích přístrojů spíše předurčuje tuto skupinu řadit do samostatného oboru. Dnes se jen velice zřídka a sporadicky setkáváme s měřicími přístroji, které pracovaly na různých principech elektromechanické, elektromagnetické, elektrostatické, elektrodynamické či jiné přeměny příslušné měřené veličiny na zobrazovaný údaj. Nelze však říci, že ve všech případech jsou současné přístroje lepší a mají jen výhody. Ano klasické analogové přístroje téměř vždy zatěžovaly měřený obvod a byly tak příčinou systémové chyby, ale na druhé straně se obešly bez vlastního napájení a byly tak vždy okamžitě k dispozici. Zvláště pak v provozních měřeních, kde se nevyžaduje laboratorní přesnost, bohatě svou funkci splnily. Nicméně pokrok se nedá zastavit a tak dnes jsme svědky toho, že prakticky všechny přístroje jsou ve svém principu digitální. Samozřejmostí jsou i naměřené údaje, které jsou na displeji zobrazeny jako číselné hodnoty. To je určitě pohodlné a hlavně to snižuje riziko chyby při odečítání. Odstraňuje ve většině případů nutnost nastavovat správný rozsah a obsluha se může soustředit jen na vlastní 123

měření. Jsou vybaveny pojistkou proti přetížení, akusticky signalizují nesprávný rozsah nebo špatně vybranou funkci apod. Digitální měřicí přístroje pro běžnou praxi jsou většinou konstruovány a prodávány jako univerzální multimetry. Většinou je lze pomocí různých sond a dodatečných převodníků využít pro měření i dalších fyzikálních veličin. To pak platí i pro měřicí přístroje pro specializované profese jako jsou revizní technici, montéři a další. Přístroje jsou často vybaveny pro zachycení některých specifických událostí. Například lze dlouhodobě sledovat a ukládat do paměti předem vybrané události v nastaveném časovém horizontu. Přístroje jsou vybaveny rozhraním pro přenos naměřených údajů pro zpracování na počítači. K dispozici jsou robustní provedení, se kterými lze bez obav pracovat i v drsných provozních podmínkách. Jejich nespornou výhodou je i odolnost proti mechanickým otřesům, které u systémů analogových nepřipadaly v úvahu. Samostatnou kapitolu pak tvoří přístroje, které umožňují sledovat průběhy veličin v reálném čase, tedy osciloskopy. I v této kategorii zvítězily digitální přístroje. Tyto přístroje jsou často vybaveny na vstupu několika kanály a umožňují sledovat celou řadu souběžných událostí. Není problém doplnit osciloskopy pamětí a pak sledovat události, které se udály „v minulosti“. Tedy díky pamětem mohou zachycené údaje sledovat v čase a ukládat pro následné zpracování. Rozvoj v této oblasti je obrovský a dnes za rozumnou cenu mohou technici v praxi využívat doslova kapesní osciloskopy, které kromě vlastních průběhů na displeji zobrazují i naměřené diskrétní veličiny. Pozornost si určitě zaslouží i taková zařízení jako jsou termokamery, které mohou významnou měrou přispět nejen k efektivnímu hospodaření s energií, ale dokážou s předstihem odhalit chyby a přechodové odpory, přehřátá místa v kabelových spojích, rozvaděčích atd.

1.1.10 Elektromagnetická kompatibilita O tomto oboru již byla v předchozím textu krátká zmínka. Tato problematika je dnes velice zásadní a netýká se jen technického provedení výrobků a zařízení, ale úzce souvisí s legislativou, konkrétně pak se zákonem č.22/1997 Sb. o technických požadavcích na výrobky, ale také vyhláškou vlády č.169/1997 Sb. o elektromagnetické kompatibilitě. Je to skutečně zásadní a vážný problém, který si zasluhuje pozornost. Přesto se neustále více ocitáme v prostředí, kde elektromagnetický smog nabývá stále větších rozměrů.

1.1.11 Ochrana životního prostředí. Cílem a hlavním posláním elektrotechniky a všech jejich podoborů je přispívat k lepším životním podmínkám, k vyšší efektivitě a produktivitě. 124

Bohužel stejně jako všechny ostatní lidské aktivity i tato přináší obrovské škody životnímu prostředí. Již na svém počátku využívá energie, které nevratně spotřebovává. Na všech místech kde se objeví elektrický přístroj nebo jeho část, dochází vlastně k ovlivnění životního prostředí. A to jak přímo tak i nepřímo. Zatížení životního prostředí však stále, přes všechna legislativní opatření narůstá a tak určitě i tomuto tématu je třeba věnovat pozornost. Vyhází se přitom z principu tzv. trvale udržitelného rozvoje.

125

2

Výuka oboru elektrotechnika

2.1 Klíčové požadavky na studenty 2.1.1   

Základní fyzikální pojmy jednotky SI soustavy, základní elektrické veličiny, násobky a díly.

Základní požadavky pro zvládnutí oboru elektrotechnika. Elektrotechnika je součástí fyziky a proto nelze jinak než tuto skutečnost respektovat. Proto je nutné znát základní fyzikální pojmy, respektive veličiny. Je stanoveno několik základních veličin, jejichž jednotky byly na sobě nezávisle zvoleny. To jsou základní jednotky, které tvoří mezinárodní soustavu jednotek SI (Systéme International d’Unités).

Fyzikální veličina

Jednotka

Značka

Délka

metr

m

Hmotnost

kilogram

kg

Čas

sekunda

s

Termodynamická teplota

kelvin

K

Látkové množství

mol

mol

Elektrický proud

ampér

A

Svítivost

kandela

cd

Stručné definice jednotlivých veličin lze nalézt http://cs.wikipedia.org/wiki/Soustava_SI#Z.C3.A1kladn.C3.AD_jednotky

např.

na

adrese:

126

Pro vlastní elektrotechniku je třeba zvládnout následující odvozené jednotky

Veličina

Jednotka

Značka

Elektrický proud

Ampér

A

Elektrické napětí

Volt

V

Elektrický odpor

Ohm



Kapacita

Farad

F

Indukčnost

Henry

H

Kmitočet

Hertz

Hz

Dokonalá znalost násobků a dílů je rovněž předpokladem pro výpočty a řešení úloh Předpona

Předpona

2

Činitel

Činitel Název

Značka

Název

Značka

1024

yotta

Y

10-3

mili

M

1021

zetta

Z

10-6

mikro

Μ

1018

Exa

E

10-9

nano

N

1015

peta

P

10-12

piko

p

1012

tera3

T

10-15

fempto

f

109

giga

G

10-18

atto

a

106

mega

M

10-21

zepto

z

103

Kilo

k

10-24

yokto

y

2 3

Činitel je vyjádřen v exponenciálním tvaru Tučně zobrazené lze považovat za nejfrekventovanější

127

Tuto pasáž by měl každý student dokonale zvládnout. Nejednoznačná znalost veličin, ale i práce s čísly vyjádřeným v exponenciálním tvaru, je nutnou podmínkou při orientaci a řešení i zdánlivě jednoduchých úloh. Studenti se často obracejí k různým zdrojům na Internetu, kde se velice často objevují chyby. Běžně se všichni ohání pojmy jako je MB, GB nebo TB, ale často netuší, o čem hovoří. Bohužel se setkáváme s faktem, že studenti tápou i v tak podstatné disciplíně jako je znalost jednotek. Doporučení: Důsledně se studenty tyto tabulky vypracovat (úloha pro Word, případně Excel). Při odvozování vzorců pak důsledně pracovat i s rozměry jednotek. 2.1.2

Základní legislativa pro bezpečnost práce v elektrotechnice.

Za dominantní pro práci v elektrotechnice lze považovat vyhlášku č. 50/1978 Sb., která stanoví, kdo a za jakých okolností může na elektrickém zařízení pracovat. Znalost předpisů v rozsahu této vyhlášky bude studenty provázet prakticky celý život. Dále je rozumné se seznámit se zákonem č. 22/1997 Sb. o technických požadavcích na výrobky. Za důležité legislativní nařízení je možno považovat i nařízení vlády č. 169/1997 Sb. o elektromagnetické kompatibilitě. Pokud není ve vzdělávacím plánu školy předmět, kde se učí právo, není na škodu ve vyšších ročnících seznámit studenty i pasážemi trestního zákona č. 140/1961 Sb., hlavně pasáže týkající se trestní zodpovědnosti za škody hospodářské nebo na zdraví. Problém je v současné době s občanským zákoníkem, jehož budoucnost je nejasná. S touto legislativou by měl být dobře obeznámen především přednášející.

128

2.1.3

Bezpečnost v elektrotechnice.

Bezpečnost je alfou i omegou celého elektrotechnického průmyslu, všeho, co souvisí s elektrotechnikou a stalo se běžnou součástí každodenního života. Zajisté bude na tuto záležitost jinak pohlížet odborník z oboru a diametrálně odlišně se to bude jevit laikovi. Samozřejmě pořád se bude jednat o stejné principy s tím, že ten kdo pracuje v oboru je už z podstaty vystaven většímu riziku než člověk, který elektrotechniku vyžívá ve svém běžném občanském životě. I přes všechna opatření a školení, dochází každý rok ke zbytečným úrazům a ztrátám na životech. Situace je o to aktuálnější, že v mnoha firmách, a hlavně stavebních, dochází k hrubému porušování bezpečnostních předpisů. Důvody jsou zpravidla pragmatické. Snaha o co nejlevněji provedenou práci. Můžeme směle konstatovat, že úroveň bezpečnostních předpisů v elektrotechnice je v hospodářsky vyspělých státech na vysoké úrovni. I naše republika se v tomto ohledu řadí k evropské špičce. V současné době ještě probíhá proces, kdy se normy evropských státu harmonizují. Lze konstatovat, že to v ČR není nijak závažný problém, ani v důsledku toho, nedochází k dramatickým změnám. I když na druhé straně uhlídat všechny normy a změny, které se valí, není ani jednoduché, ani nijak levné. V pojetí výuky elektrotechniky se může jevit jako zásadní otázka, kdy se studenty tuto oblast probírat. Pokud se jedná o pojetí výuky, kde je součástí práce měření elektrických veličin, zapojování apod. je situace předem jasná. Znalost bezpečnostních předpisů by měla být prioritní. V každém případě, každý kdo se studenty v elektrotechnické laboratoři pracuje, musí mít prokazatelně potvrzeno, že studenti byli řádně proškoleni a poučeni. Je pochopitelné, že studentům pokud neznají základní zákony, se mohou některé principy a opatření zdát nejasná. V každém případě by se měl student se základními otázkami bezpečnosti v elektrotechnice seznámit. Toto je jedna nutná povinnost, ale problematika bezpečnosti v rozsahu normy ČSN 2000-4-41 by se měla i opakovat později, protože po zvládnutí základů elektrotechniky lze předpokládat i pochopení požadavků normy ve větších souvislostech. Podobné je to i v tak základních, zkušeným elektrikářům jasných pravidlech, jako je krytí IP, barevné a písmenné značení kabelů. Zde je zásadní rozdělení napětí a také principy ochrany vodičů třídy I., II. a III. Nemělo by se stát, že by studenti nepochopili princip samočinného odpojení od zdroje. Rovněž je nutné vysvětlit ochranu proudovým chráničem. S tím souvisí i princip ochrany dvojitou izolací, který nepřipouští žádný jiný způsob ochrany atd. Další důležitá norma je pak norma barevného značení. Toto je podstatné a až neuvěřitelně často dochází k problémům při připojování spotřebičů. A to jak v průmyslu, stavebnictví apod. Písmenné označení je třeba rovněž zvládnout, jelikož je nutné pro čtení schémat.

129

V této kapitole je také možné se seznámit s krytím elektrických spotřebičů. To je problematika, se kterou se setkává nejen profesionál, ale i laik při každodenní práci. V případě neznalosti pak často dochází k situacím, které mohou být nebezpečné. Nepominutelnou pasáží by měla být přednáška na téma první pomoc při poranění elektrickým proudem. Na příkladech z běžného života lze ukázat jak je elektrický proud záludný. 2.1.4

Základní elektrotechnické veličiny a pojmy

Tato pasáž je určena jako vodítko pro ty pedagogy, kteří nejsou elektrikáři a s výukou začínají. Není zamýšlena jako učebnice a ani se nesnaží ji nahradit. Spíš by měla poskytnout představu o minimu znalostí, pro každého studenta, který chce v elektrotechnice pokračovat dál. V elektrotechnice se nelze obejít bez znalosti základních zákonů nutných nejen pro pochopení podstaty vzájemných vztahů ale i pro výpočty, které jsou nutné pro každodenní práci elektrikáře. Opět lze nastává problém, jak vybrat alespoň ty základní zákony, vztahy, respektive vzorce, aby se problematika stala přehlednou, ale aby se nevytratila kontinuita mezi jednotlivými oblastmi. 2.1.4.1

Elektrický náboj

Elektrický náboj může být kladný (+) nebo záporný (-). Za elementární elektrický náboj považujeme jeden elektron, jehož náboj má velikost -e=1,602 . 10-19C. Při stejném počtu elektronů a protonů v atomu se jeví atom jako elektricky neutrální a pak tedy proton má stejně veliký náboj jako elektron, ale opačný. Analogicky tedy, 1C obsahuje 1/e;  1C obsahuje 6,242. 1018 elektronů. 2.1.4.2

Elektrické napětí

Mezi různými náboji působí přitažlivá síla. Při vzdálení dvou různých nábojů je třeba vykonat práci, která se přemění v energii. Náboj tedy získá energii. Tím dojde k rozdílu potenciálů mezi náboji. Tento rozdíl potenciálů nazýváme napětím. Jednotkou napětí je Volt- V. 2.1.4.3

Intenzita elektrického pole

Pokud bude pole mezi dvěma body o různých potenciálech vyplněno stejnorodým prostředím, předpokládejme vakuem, pak podíl potenciálu a vzdálenosti mezi body nazýváme intenzitou elektrického pole

[V.m-1;V,m]

130

2.1.4.4

Elektrický proud

Vzniká pohybem elektrických nábojů mezi místy s různými potenciály. Zpravidla řešíme situace, kdy proud teče v uzavřeném elektrickém obvodu (může nastat také „jednorázový výboj“blesk). Sestavíme nyní nejjednodušší elektrický obvod. Ten se na obrázku skládá ze zdroje napětí, spotřebiče a propojovacích vodičů. Propojovací vodič

Baterie

Žárovka V elektrotechnice takové uspořádání nakreslíme ve formě elektrického schématu, kde se požívají standardizované schematické značky. Tento obvod vypadá takto:

Vypínač

R

I Baterie

U

Na obrázku vlevo je tedy schéma zapojení, obrázek vpravo je doplněn o veličiny, kdy místo žárovky kreslíme „náhradní odpor“ a rovněž je vyznačen proud tekoucí obvodem. *Za proud považujeme pohyb elektronů, které se pohybují od záporného pólu ke kladnému. Historicky však bylo přijato pravidlo opačné, které zůstalo zachováno dodnes. 2.1.4.5

Ohmův zákon

Velikost proudu spočítáme podle Ohmova zákona. Ohmův zákon považujeme za základní elektrikářskou znalost‼

131

Proud je v jednotkách AmpérA Napětí v jednotkách Volt V Odpor v jednotkách Ohm  Při výpočtu proudu v obvodu jsme však nevzali v úvahu několik dalších aspektů. Neuvažovali jsme odpor vodičů, ani tzv. vnitřní odpor zdroje. Pojednáme o nich později a zjistíme, zda a jak ovlivní parametry v obvodu. K tomu abychom byli schopni řešit i složitější obvody, než je ten na předchozím obrázku se musíme seznámit s dalšími zákonitostmi. Mezi ně určitě patří Kirchhoffovy zákony. Kirchhoffovy zákony. 1.Kirchoffův zákon Platí pro tzv. uzel, což je místo, kde se stýkají nejméně tři vodiče. Zákon pak říká, že proud, který do uzlu vtéká, se rovná proudům, které z uzlu vytékají. Snad nejlépe to dokumentuje obrázek. Bývá pravidlem označovat proudy, které tečou směrem do uzlu I 3 jako kladné a naopak. I2 I1 Potom lze napsat rovnici I1 + I2 + I3 – I4 = 0 Tuto rovnici lze také vyjádřit takto: Určitě není na škodu když student pochopí i 2.Kirchhoffův zákon.

I4 2. Kirchhoffův zákon

UR1 R1

UR2 I

U1

R2

UR3 R3

U2

Součet napětí všech zdrojů a úbytků napětí v uzavřeném obvodu se rovná nule. Nebo-li UR1 + UR2 – U1 + UR3 + U2 = 0 To lze opět zapsat matematicky S použitím obou Kirchhoffových zákonů, lze poté řešit složité elektrické rovnice. Princip je ten, že se sestaví tolik rovnic, kolik je neznámých a poté se řeší jako soustava rovnic. To lze za použití matic vypočítat celkem snadno v Excelu. Toto lze uplatnit až ve vyšších ročnících. Poznatek. :Literatura často vysvětluje uvedené pojmy na minimálním počtu elementů. Ve studentech pak může tento výklad zanechat pocit, že to jediná alternativa a nejsou schopni tato pravidla uplatnit na komplikovanějších obvodech. 2.1.4.6

Řazení obvodů

Do základů elektrotechnických obvodů je třeba také pojmout řazení odporů. V ukázce pro 2. Kirchhoffův zákon je použito sériové řazení odporů nebo též za sebou. Tam kde se jedná jen o sériově řazené odpory, teče v celém obvodu stejný proud. Ten je vlastně určen celkovým odporem

132

v obvodu a ten zjistíme prostým součtem hodnot odporů dílčích. Tedy pokud by například byly hodnoty R1=10; R2=20; R3=30, pak výsledný odpor bude 60. Druhý možný způsob řazení odporů je paralelní řazení, někdy nazývané vedle sebe. V tomto uspořádání se proud ze zdroje rozdělí do jednotlivých větví a to v závislosti na velikosti jednotlivých odporů. Celkový odpor se pak spočte jako převrácená hodnota součtu převrácených hodnot odporů dílčích. U R2 R1 R3 I

I1

I2

I3

Zde často studenti zapomínají na to, že uvedeným vztahem vypočetli převrácenou hodnotu výsledného odporu. Je rozumné upozornit respektive odvodit, že při dvou odporech spojených paralelně získáme odvozením vztah pro výpočet výsledného odporu

Lze odvodit i vztah pro tři paralelní odpory, ale v tom studenti často chybují. Veličina, která je převrácenou hodnotou odporu se nazývá vodivost, značí se G a je dána vztahem G=1/R. Jednotkou je Siemens [S]. Určitě není ztrátou času vysvětlit a na několika příkladech ukázat řešení sérioparalelních spojení pomocí metody postupného zjednodušování. Někdy lze touto metodou vyřešit na první pohled složitá zapojení, na která studenti aplikují Kirchhoffovy zákony a výpočet tak zbytečně komplikují.

2.1.4.7

Konstrukční provedení rezistorů

Budeme používat pojmu rezistor, pokud mluvíme o reálné součástce, jejíž dominantní vlastností je odpor. Rezistory jsou součástky, které mají v elektrotechnice široké uplatnění. Konstrukčně pak jsou:        

rezistory pevné, uhlíkové-porcelánový váleček pokrytý vrstvou uhlíku, drátové na nosném válečku je navinut odporový drát, SMD (Surface Mounted Device), jsou určeny pro přímou montáž do plošných spojů, rezistory proměnné, reostaty - drátové pro velké výkony, potenciometry - uhlíkové, drátové, případně více-otáčkové (pro přesné hodnoty, trimry - můžeme je nazvat jako „miniaturní potenciometry“.

133

Další skupinou rezistorů, hlavně pro využití v regulačních, stabilizačních a automatických aplikacích jsou to pak součástky, které výrazně mění svou hodnotu s ohledem na jejich teplotu. Jsou to:   

2.1.4.8

Termistory NTC Termistory PTC roste, Varistory

(Negative Temperature Coefficient), jejich odpor s teplotou klesá, (Positive Temperature Coefficient) jejich odpor s teplotou výrazně Napěťově závislé odpory (časté použití je v přepěťových ochranách).

Vodiče v elektrotechnice

Z hlediska vodivosti se dají pevné látky dělit na:    

2.1.4.9

izolanty – prakticky vůbec nevedou proud, vodiče – vedou proud za normálních okolností, polovodiče – vedou proud při splnění specifických podmínek, supravodiče látky, které nevykazují žádný odpor (zpravidla k tomu dochází při teplotách hluboko pod nulou). Vodiče

V tomto ohledu jsou pro elektrotechniku významné především kovy, jejichž měrný odpor je relativně malý. Tento měrný odpor se označuje písmenkem řecké abecedy  [ró]. Rozměr této veličiny je .mm2.m-1.Tato veličina je velice důležitá, protože se zásadním způsobem podílí na celkovém odporu příslušného vodiče. Vztah pro odpor vodiče je následující.

Z praktických důvodů se uvažuje délka vodiče v metrech a jeho průřez pak v mm2. Pro tyto rozměry použijeme  viz tabulka.

Měrný odpor a teplotní součinitel vybraných materiálů Materiál  (.mm2.m-1) Stříbro 0,0163 Měd 0,0178 Zlato 0,023 hliník 0,028 Bronz(dle % Cu) 0,022 až 0,13

 (K-1) 0,004 0,0042 0,0037 0,004 0,0015 až2,6

Z této tabulky vyplývá, že nejlepší pro vedení proudu je stříbro (Ag). Dále pak měď (Cu). V nedávné době se ve velké míře používal hliník, hlavně v elektroinstalacích, protože cena hliníkových vodičů je mnohem menší, než u měděných. Bohužel jeho životnost je mnohem kratší. Je i křehčí, což způsobuje lámání vodičů při instalaci a hlavně pak při rekonstrukcích, kdy se na jeho kvalitě projevuje stárnutí. Rovněž se u něj projevuje teplotní roztažnost a deformace. To pak způsobuje přehřívání ve 134

svorkách a spojovacích místech, což klade vyšší nároky na údržbu. Proto se dnes preferují vodiče měděné. Zlato pak najdeme především v zařízeních informačních a telekomunikačních technologiích. Hlavně se užívá jako povrchová vrstva u zásuvných kontaktů, konektorů apod. 2.1.4.10 Závislost odporu na teplotě V tabulce se rovněž vyskytnul parametr označený písmenkem řecké abecedy . To je teplotní součinitel odporu. Tuto veličinu potřebujeme, pokud nás zajímá, jak se změní odpor vodiče v závislosti na teplotě. Odpor většiny kovů s rostoucí teplotou roste. Vzorec pro výpočet odporu je níže.

Tento vzorec můžeme pro relativně malý teplotní rozsah považovat dostatečně přesný a pro malé rozsahy teplot lze zanedbat v tomto vztahu kvadratický člen. Zde je možné dokumentovat, že klasická žárovka má při 20C odpor řádově v jednotkách ohmů, ale při svícení pak je v desítkách ohmů. Proto také žárovka, když ji zapneme, způsobí krátkodobý pokles napětí. A pokud bychom chtěli rozsvítit např. osvětlovací těleso osazené větším počtem klasických žárovek, museli bychom je zapínat po sekcích. 2.1.4.11 Elektrický výkon a práce. Elektrický výkon je úměrný napětí a proudu v obvodu.

P = U.I

[W;V, A]

pro praktické příklady se často hodí odvozené vzorec

P = U2/R

P = I2.R

Jednotka výkonu je Watt [W] Práce je pak součin výkonu a času

A =P.t

[J; W,s]

Ze vztahu plyne, že 1J je 1Ws. Zde stojí určitě za zmínku, že spotřeba elektrické energie v domácnostech, ale i průmyslu je vyjádřena ve Wh respektive kWh. Pro názornost je uvedena tabulka přibližného příkonu některých spotřebičů v domácnosti. Vynásobením tohoto údaje časem nám pak řekne, jak se příslušný spotřebič podílí na celkové spotřebě.

Spotřebič

Příkon [W]

Lednička Pračka Žehlička Televize Stolní počítač Notebook Varná konvice Mikrovlná trouba Zařízení v tzv. pohotovostním stavu*

100 200/2000* 1000 60-150 60-100 30-60 2000 800-1200 3-10

*Je dobré připomenout, že zařízení tohoto druhu je v domácnosti vždy několik.

135

Tato pasáž si zasluhuje dostatečnou pozornost, neboť spotřeba se promítá nejen do rodinného rozpočtu, ale sníženou spotřebou lze přispět ke zlepšení životního prostředí. Možná jako zajímavost lze uvést skutečnost, že člověk, který je v klidu vyzařuje 70W, což se pochopitelně mění na teplo. Další příklad, jaký výkon vyvine při šlapání na kole, a po jakou dobu je dokáže produkovat 2.1.4.12 Kapacita Další důležitou veličinou v elektrotechnice je kapacita. Je to populárně řečeno, schopnost kumulovat elektrický náboj. Tato situace vznikne všude tam, kde jsou dvě vodivé plochy odděleny izolantem, a k těmto plochám je připojeno napětí. Z praktického pohledu pak takovéto zařízení schopné náboj uchovat, nazýváme kondenzátor. Za nejjednodušší případ kondenzátoru můžeme považovat deskový kondenzátor. Kapacita tohoto uspořádání se pak spočte podle vztahu

plocha S

[F;F.m-1,—,m2,m] 0—permitivita vakua, 8,852 10-12 F.m-1  —permitivita prostředí S —plocha v m2 l —vzdálenost mezi deskami

l

Kapacita tedy závisí přímo úměrně na ploše. Ale nepřímo na vzdálenosti desek)polepů. Vodivých ploch. Kapacita rovněž přímo závisí na r.4 Řazení kondenzátorů Stejně jako odpory lze i kapacity řadit paralelně, sériově i sérioparalelně. Paralelní řazení Výsledná kapacita tohoto uspořádání Je dána prostým součtem všech kapacit.

C = C 1 + C2 + C3 C1

C2

C3

Napětí na všech kapacitách je totožné. Výsledný náboj Q je dán součtem dílčích nábojů. Náboj kondenzátoru se spočte ze vztahu

Q=U.C

[C; V,F]

4

Zatímco donedávna se nedařilo realizovat kapacity o velikosti blížící se kapacitě 1F, dnes už to neplatí, protož jsou vyráběny kondenzátory a kapacitách několika Faradů. I když na napětí zatím řádově Voltů.

136

Sériové řazení kondenzátorů Toto uspořádání je z hlediska výpočtu výsledné kapacity a stanovení napětí na jednotlivých kondenzátorech trochu komplikovanější.

C1

C2

C3

Vzorec pro výpočet výsledné kapacity má tvar

Při odvozování tohoto vztahu je třeba vzít v úvahu skutečnost, že náboj bude na kondenzátorech stejný. Q = U.C Potom ale napětí, ke kterému je uspořádání připojeno, se rozdělí v závislosti na kapacitách jednotlivých kondenzátorů. Pro zapojení pouze dvou kondenzátorů pak lze odvodit zjednodušený vztah

Opět doporučuji vykládat řazení na nejméně třech kondenzátorech, aby nevznikl u studentů pocit, že to platí pouze pro dva, jak je ve většině případů vysvětlováno.

2.1.4.13 Typy kondenzátorů Typů a provedení kondenzátorů existuje pestrá paleta. Kondenzátory pevné      

papírové – kovové polepy jsou odděleny papírovým dielektrikem a smotány do svitků, svitkové plastové- dielektrikum je z plastu, elektrolytické dielektrikum je tvořeno oxidem kovu, tantalové, keramické , SMD (Surface Mounted Device).

Kondenzátory proměnné   

otočné, kapacitní trimry, stlačovací kapacitní trimry.

137

Pozn. Je možné se zmínit a o kapacitní diodě, která hlavně ve vf obvodech zastává funkci proměnného kondenzátoru. 2.1.4.14 Indukčnost Jestliže prohlásíme, že je kondenzátor naprosto nezbytnou součástí pro elektrotechniku a z ní odvozené obory, pak totéž platí i pro cívku. Ta je součástkou, u které nás zajímá především veličina nazývaná indukčnost. Populárně řečeno, pokud kondenzátor uchovává elektrickou energii díky silovému působení elektrického pole, pak cívka uchovává energii přeměnou na magnetické pole. Z hlediska teoretického se kolem každého vodiče, kterým prochází proud, se vytváří magnetické pole, ale spíš jsme asi zvyklí na to, že v souvislosti s indukčností si představujeme, že je tento vodič stočen do cívky. Tímto uspořádáním vodiče se pak indukčnost mnohonásobně zvětší. Z logiky věci vyplývá, že magnetické pole kolem cívky existuje jen v době, kdy jí protéká proud. Pokud tento proud přerušíme, magnetické pole zanikne. A dospěli jsme tedy k elektromagnetu, který vykazuje elektromagnetické pole jen v době, kdy cívkou teče proud. Existují však i speciální materiály, které si magnetické pole po zmagnetování ponechají, a potom hovoříme o trvalých magnetech. Pokud cívku vyrobíme, navineme tak, že v ní vytvoříme jakousi dutinu, pak zasunutím určitých konkrétních materiálů, pak magnetické pole můžeme zesílit. Materiály, které toto dokáží, se nazývají feromagnetické. Jsou to železo, kobalt a nikl, a potom speciálně vytvořené látky tzv. ferity. schématické značky cívky a cívky s jádrem.

Cívky jsou v různém provedení, ale principiálně je můžeme rozdělit na solenoidy, což jsou cívky na tyčovém jádru. Druhou skupinou jsou toroidy, které jsou navinuty na kruhovém jádru, prstenci.

Stejně tak jako odpory a kapacity, lze i indukčnosti vzájemně propojovat, můžeme je spojovat sériově, paralelně a tyto způsoby kombinovat. 138

Indukčnost se značí písmenem L a má jednotku Henry [H ]. Pro sériově řazené cívky platí

L = L1+ L2 + L3+ … Tento vzorec však platí za předpokladu, že se cívky vzájemně neovlivňují. Při paralelním řazení pak platí následující vztah:

Magnetické pole vznikající v cívce pak vykazuje silové působení na feromagnetické látky v jeho blízkosti. Tohoto efektu využívá mimo jiné jeden z nejznámějších přístrojů v elektrotechnice a to je elektromagnetické relé. Elektromagnetické relé je vlastně prvek, který dokáže spínat rozepínat případně přepínat jiné nezávislé elektrické obvody pomocí kontaktů, kterými je relé vybaveno.

1. 2. 3. 4. 5.

cívka jádro z magneticky měkké oceli pohyblivá kotva pružné kontakty místo připojení ovládaného zařízení

Kontakty, které jsou pomocí mechanického pohybu kotvy ovládány, mohou tvořit i vícenásobný svazek a mohou se tedy využít k současnému ovládání jiných elektricky nezávislých obvodů. Relé bylo ještě donedávna základním stavebním prvkem logických obvodů a poměrně mnoha sofistikovaných zařízení. Mimo jiné první počítací stroje tzv. nulté generace byly postaveny na těchto prvcích. V 70. letech minulého století byly základními stavebními prvky telefonních ústředen a celé řady zabezpečovacích systémů a zařízení. V dnešní době je nalezneme spíše jen jako jednoúčelové spínací prvky. Z dnešního pohledu jejich nevýhodami jsou dlouhá doba potřebná k přepnutí, řádově desítky milisekund. Velká spotřeba, nespolehlivost kontaktů, náročnost na údržbu a také rušení, ke kterému dochází hlavně při rozpínání obvodů. Pokud hovoříme o relé, pak máme na mysli přístroj, který je určen ke spínání relativně malých proudů a napětí. Pro spínání a ovládání strojů v silnoproudé elektrotechnice se užívá přístroj, který je

139

principiálně shodný s relé, ale má mnohem robustnější konstrukci a dovoluje spínat mnohem vetší proudy a napětí (proudy až desítky ampér, napětí řádově stovky voltů). V technické praxi existuje celá řada typů relé, která dodnes nacházejí široké uplatnění. Namátkou lze připomenout reléovou skříňku v automobilech, impulsní relé používané pro spínání schodišťových osvětlení, relé ve spínacích skříňkách obráběcích strojů, jazýčková relé, různá miniaturní zapouzdřená relé, relé určená pro SMD atd. 2.1.4.15 Zdroje elektrického napětí V této kapitole se zaměříme na vlastnosti zdrojů obecně. Nejdříve je třeba říci, že stejně jako všechny ostatní prvky v elektrotechnice je můžeme řadit jak sériově, paralelně tak můžeme vytvářet i smíšená zapojení. Pro jednoduchost je situace vysvětlena na spojování stejnosměrných zdrojů, i když lze stejně tak spojovat i zdroje napětí střídavého. V předešlých kapitolách je vždy využit zdroj, který byl víceméně ideální a tak se žádný reálný zdroj chovat nebude. To co nás u zdroje zajímá je jeho napětí a také proud, který z něj můžeme odebírat. A zde je zásadní věc, kterou musíme u každého zdroje vzít v úvahu. To, co ovlivňuje napětí na svorkách zdroje, je vnitřní struktura zdroje, a můžeme ji shrnout do pojmu vnitřní odpor zdroje Ri. Pro pochopení tohoto problému je třeba ideální zdroj nahradit zdrojem reálným viz obr. Ten si můžeme nakreslit jako spojení ideálního zdroje a k němu připojeného Ri. Na obrázku měříme voltmetrem (u kterého předpokládáme minimální odběr) napětí naprázdno. Na dalším obrázku je pak stav, kdy ke svorkám zdroje připojíme zátěž R z. průtokem proudu přes Ri na tomto odporu vznikne úbytek napětí, o který se původní napětí na svorkách sníží.

U

Ri U0

V

Ri U0

U [V] U0

I

V

Rz

Průběh napětí ideálního zdroje Průběh napětí reálného zdroje

I [A] Ik Vnitřní odpor tedy způsobuje snížení výstupního napětí ale pochopitelně je také příčinou ztrát a tedy oteplování zdroje. Pokud je nutné, a to je častá skutečnost, aby se napětí na výstupu se zátěží neměnilo, aby zdroj byl takzvaně tvrdý, musí takový zdroj být doplněn o další komponenty jako je například stabilizátor. 140

Důkaz vlivu vnitřního odporu lze předvést na zdroji, ke kterému budeme připojovat postupně paralelně například žárovky a s připojením, každé další pak zaznamenáme pokles intenzity světla žárovek. 2.1.4.16 Stejnosměrné zdroje elektrického napětí Pokud zatím pomineme zdroje stejnosměrného napětí, které vznikne usměrněním napětí střídavého, pak lze konstatovat, že máme k dispozici chemické zdroje proudu. V zásadě u všech je princip vzniku napětí založen na rozdílu elektrochemických potenciálů dvou různých kovů, umístěných v elektrolytu. Zdroje se pak dělí na:   

primární, sekundární, palivové články.

Za primární považujeme takové zdroje, které už svoji podstatou poskytují elektrickou energii díky přeměně chemické energie na elektrickou. Mezi tyto články patří všechny baterie, které jsou k dispozici, a nelze dobíjet. Vysvětlení pojmu primární článek je zřejmě podstatné. Stejně tak princip sekundárního článku by měl být jasný. K tomu jak vlastně primární článek pracuje lze využít ukázku (není rozsahem pro laboratorní práci.) Student drží v každé ruce jiný kovový předmět a druhý student naměří na koncích kovových předmětů napětí. Volbou různých materiálu pak lze dokázat, že platí princip, který vychází z elektrochemického potenciálu různých kovů. Sekundární články:    

určitě by se měl vysvětlit olověný akumulátor a správná manipulace s ním (nabíjení, uchovávání, základní parametry), totéž u NiCd, kde lze navíc vysvětlit paměťový efekt, velkou pozornost pak vyvolávají nové články jako NiMH, za hit současných článků jsou považovány články Li-Ion.a Li-Pol. Rovněž stojí za pozornost věnovat čas pro seznámení s nimi.

Zde se jeví jako vhodné příklady, kde se spočte z kapacity akumulátoru doba jeho činnosti. Určitě i porovnání jednotlivých typů v poměru kapacita hmotnost může být zajímavé. Zmínka o současném trendu též stojí za úvahu. Jedná se o oblast elektrochemického průmyslu, která doznala skutečně dramatický vývoj, který neustále probíhá. Pozornost by se měla věnovat i ekologickému dopadu používání chemických zdrojů. (Kolik jeden člověk z našeho okolí potřebuje za rok baterii a akumulátorů). Dejme je na sebe a vynásobme počtem obyvatel ČR, Evropy)

141

Palivové články Palivové články jsou opomíjenou oblastí. Po prvotním boomu se na tyto články trochu neprávem zapomíná. Zde je na místě přiblížit historii palivových článků. Často totiž vzniká mýtus, že palivový článek je převratný vynález nedávné doby. Přičemž praktické využití palivových článků můžeme datovat již do 60. let 20. století. Další mýtus, živený především populárními články je, že nás tento způsob energie pro různé pohony, nejčastěji automobily spasí. Většina „odborníků“ však ať záměrně nebo z neznalosti neřeší, jakým způsobem a při jakých nákladech se získá vodík, který je palivem pro tyto články. Zajímavá pak je i stať, kterou bychom mohli nazvat závislost efektivity článků v závislosti na teplotě. A to je otázka týkající se všech chemických zdrojů. Další polemickou otázkou je tzv. paměťový efekt. Příklady tohoto problému není třeba hledat dlouho. Startování automobil v mrazu. V Pb aku za mrazu stoupá vnitřní odpor, což způsobuje velký úbytek napětí uvnitř akumulátoru. Funkce mobilních telefonů v mrazu apod. Pozn. Aktuálně lze poukázat na problém letadel Boening 787 Dreamliner, kde zřejmě moderní baterie také přispěly nešťastným způsobem k poruchám těchto letadel.

2.1.5

Střídavý proud.

Jestliže u většiny tematických celků existuje dilema, do jaké hloubky téma zkoumat, pak pro střídavý proud je tento problém ještě výraznější. Situace je o to složitější, že se problém snoubí s matematikou a tady ne vždy studenti svým přístupem projevují nadšení. V základním pojetí se bude problém točit kolem harmonického střídavého proudu, který vzniká rovnoměrným otáčením cívky v homogenním magnetickém poli. Ale už v pochopení samotné definice je základ úspěchu.

Průběh sinusového napětí 1,2 1 0,8 0,6

Efektivní hodnota Uef= Umax*0,707

Střední hodnota

0,4 0,2 0 -0,2

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

360

390

-0,4 -0,6

-0,8 -1

Perioda T [s]

-1,2

142

Obrázek zachycuje základní parametry harmonického proudu U učebních oborů se patrně spokojíme s výrazy, jako je amplituda, frekvence a perioda. Déle pak maximální hodnota, efektivní a střední hodnoty, včetně jejich definic. Pro hlubší znalost pak je třeba operovat s fázovým posuvem, vědět si rady s nakreslením průběhu proudu a napětí v časovém rozvoji (opět vhodná úloha pro Excel). Pro maturitní obory je vynikající, pokud se implikuje počítání s komplexními čísly, respektive vyjádření průběhů v komplexní rovině, čímž se potom razantně zjednoduší operace při výpočtu reaktancí respektive impedancí. Reaktance, impedance, vzájemné posuvy napětí vůči proudu, to jsou základní prvky abecedy všech energetiků. Ať už podnikových, dispečerů na velínech, rozvodnách při osvětlování výrobních hal apod. Vyplývá z toho problematika kompenzací jalových proudů, jakost dodávané energie a celá řada dalších faktorů. Chování prvků R, L, C je rovněž podstatná kapitola pro elektrotechnické obory. I zde by mělo stačit pro učební obory vyjádření reaktancí a impedancí ve standardním pojetí a pro maturitní obory by mělo být samozřejmostí počítání s komplexními čísly. Je to téma, které je třeba zvládnout jak slaboproudou tak silnoproudou elektrotechniku. O aplikacích v silnoproudé elektrotechnice je již zmínka výše, ale stejně tak to platí pro využití ve slaboproudé elektronice. Jedná se o rezonanční obvody, které jsou součástí všech zařízení, která při komunikaci používají bezdrátový přenos. Jsou to tedy všechny mobilní telefony, WiFi přenosy, dálkové ovladače, filtry na vstupech i výstupech zařízení impulsních zdrojů měničů atd. Nabízí se zde možná i rozdělení kmitočtových pásem pro různé druhy přenosů. Připomenout, že využívání kmitočtového spektra je strategickou záležitostí a nad touto situací důslední bdí Český telekomunikační úřad. Licenční pásmo, bez licenční pásmo, povolené vysílací výkony. Vyskytují se zde pojmy, které konvergují s informačními technologiemi a bude zřejmě lépe se o nich jen zmínit a ponechat jejich hlubší rozbor do předmětů s přímou vazbou na telekomunikační technologie. Samostatnou kapitolou by měl být třífázový proud, jeho vznik a využití v praxi. Důležité je pochopení vztahů mezi fázovými a sdruženými veličinami a na základě toho pak odvození výkonu třífázového střídavého výkonu. Výhody třífázového napětí, opodstatnění jeho využití v kontrastu s jednofázovým napájením, vyřešení rovnoměrného zatížení fází v občanské výstavbě. 2.1.6

Elektrické stroje a přístroje

Stejně jako v ostatních oblastech i zde došlo k radikálnímu posunu nejen díky vývoji a používání nových materiálů ale i v samotných principech přístrojů. Transformátor. Je jedním ze strojů, bez kterého si nelze elektrotechniku představit. Pokud princip zůstal zachován, pak vše ostatní se změnilo. Je to dáno kvalitními prvky používanými pro izolaci, ale i magnetickými materiály. Tam, kde je to možné a potřebné tam se zásadně změnila filozofie. Jedná se například o impulsní zdroje v napájecích zařízeních pro elektroniku. Zde transformátor k přenesení výkonu stovek wattů je doslova miniaturní. Ale i v silnoproudé elektrotechnice došlo k razantní úspoře materiálu a ke zvýšení účinnosti zařízení.

143

2.1.6.1

Střídavé motory

Motory na třífázový proud. Zásadní je pochopení tzv. rotujícího magnetického pole, které vzniká díky cívkám napájeným z třífázové ho zdroje napětí.

2.1.6.2

Motory synchronní a asynchronní.

Toto je obsáhlá pasáž elektrotechniky, kterou detailněji budou asi obory připravující absolventy pro obory v dopravě, stavebních i dalších strojů. Za důležitý aspekt pak považuji pronikání asynchronních strojů i tam kde je nutné řídit otáčky, to nebylo vždy tak snadné. Tento posun je podpořen i faktem, že spolehlivost těchto motorů je díky jejich relativní jednoduchosti vysoká a potřebují minimální údržbu. Tato situace je dnes jednodušší díky používání měničů pro napájení asynchronních motorů. Tyto měniče jsou elektronické, dokážou měnit kmitočet v dostatečném rozsahu a rovněž je lze považovat za spolehlivé. Pro obory, které budou pracovat v oblasti automatizace, případně robotických systémů bude nutná znalost krokových motorů, které je opět nepřehledná škála. 2.1.6.3

Motory lineární a krokové

To je skupina motorů, které nachází uplatnění i v automatizaci a robotice. Uvedená kapitola je vytvořena jako možná ukázka základních znalostí z teoretické elektroniky.

144

2.2 Koncepce výuky předmětu elektrotechnika Elektrotechnika je obor lidské činnosti zabývající se praktickým využitím elektrické energie. Jedná se o specializovaný technický vědní obor, který se zabývá výrobou, rozvodem a přeměnou elektrické energie v jiné druhy energie. Jedna z možností jak specifikovat nosná témata elektrotechniky je ve druhé kapitole tohoto materiálu. Z hlediska výuky základů a následných rozvíjejících kapitol však musí sledovat jiná kritéria a jinou chronologii. Nebude zřejmě jednoznačný předpis, který by v sobě skrýval tajemství úspěchu. Přesto jsou osvědčená schémata a řazení látky, které je dáno praxí. K tomu pak přistupuje zkušenost a kvalifikace vyučujícího, ale samozřejmě i zaměření a specializace příslušného oboru. Každá z těchto oblastí má samozřejmě svoje specifika a zároveň z ní vychází celá řada dalších oblastí, kam svými účinky zasahuje. Vyvolává to znalost v souvisejících předmětech a disciplínách. Je to především fyzika, matematika. Posléze elektrotechnika prolíná s elektronikou, informační technikou, automatizací, kybernetikou a dalšími technickými disciplínami, které se nutně promítají do oblasti ekonomiky, hospodaření, kvality života společnosti a jednotlivce. Následující materiál se pokouší vytvořit základní osnovu pro přiblížení elektrotechniky v rámci výuky na středních školách. Mělo by se jednat o nosné principy, zákonitosti, jevy, aplikace, využití a trendy. Na tyto základní atributy by pak měly navazovat rozšiřující poznatky, které se budou lišit podle toho, pro jakou specializaci či obor bude elektrotechnika využita. Elektrotechniku při výuce bude zřejmě tedy nutné odlišit podle toho, pro které oblasti průmyslu nebo zaměření budou studenti připravováni. K překotnému rozvoji dochází nejen v oblasti součástkové základny, ale i v přístrojové technice, v elektroinstalačních materiálech, v oblasti spotřební elektroniky, v automobilovém průmyslu atd. V každém případě je však nutné aby všichni, kdo se chtějí profesionálně elektrotechnikou zabývat, byli vybaveni základními teoretickými znalostmi i praktickými návyky. Samozřejmě v současné době i v budoucnosti nelze předpokládat, že si student vystačí s tím, čím ho škola vybaví nebo ho naučí. To se týká všech činností lidského konání a elektrotechniku z toho nelze vyjmout. Student by tak měl současně se získáváním teoretických znalostí a praktických dovedností postupně i vstřebávat filozofii a skutečnost, že žije v době kdy i ten nejnovější poznatek je už vlastně zárodkem nového poznání. Každý nový výrobek, se kterým se setká, je už vlastně předchůdcem jiného modernějšího a lepšího, který někde vzniká a bude si razit cestu vpřed. Pochopitelně tady je asi ten zásadní rozpor mezi teorií a praxí. Zatímco technika, poznání a modernizace zrychlují svoje tempo, školství se vleče někde ve stínu všech ostatních oborů. Občas se sice někde zdá, že se blýská na lepší časy, ale jsou to jen kapky v moři. Jsou to většinou jen náhodné dílčí úspěchy jednotlivců a nikoli celkový posun. Na místě je tvářit se jako optimistický pedagog, jenže to není vždy možné. Vybavení škol je vesměs zastaralé a na nové vybavení školy těžko dosáhnou. Bohužel i v těchto podmínkách je třeba žít a pokusit se udělat maximum. Není na místě argument, že škola se má chovat podnikatelsky a pedagogové se mají starat. Pedagogové by měli svoji energii věnovat především výuce a svému vlastnímu rozvoji.

145

2.3 Metody při výuce Jak postupovat při výuce předmětu elektrotechnika? Základní osnovu, kterou zřejmě nelze obejít, bez toho abychom vychovali člověka, který oboru rozumí, tu asi nelze příliš modifikovat. Je třeba zachovat princip od nejjednoduššího problému ke složitějšímu. Určitě existují obory, lidé nepostupují systematicky, a kloní se k metodám pokus omyl. To je markantní např. při práci s počítačem. Někdy je až alarmující, že student nejen, že nemá zájem pochopit logiku problému, ale často ji pokládá za naprosto zbytečnou. 2.3.1

Nosná témata při výuce Elektrotechniky

Odborná literatura, příručky i metodické plány naštěstí tuto podstatnou skutečnost respektují a metodický plán, pro obor elektrotechnika je víceméně ustálen. Určitě se však nemůže jednat o dogma a autoři se snaží o takové postupy a metody, které buď vycházejí z potřeb oboru, budoucího profesního zaměření, nebo ze zkušeností. Domnívám se, že níže uvedené celky by mohly splňovat požadavky pro přípravu absolventa pro obor elektrotechnika. Určitě bude jiná hloubka teorie ve školách zakončených maturitou, než například v učebních oborech. Ale budou celky a témata, která musí být bezpodmínečně ve všech školách, které se elektrotechnikou zabývají. Základní tematické celky:                     

základní fyzikální pojmy, základní elektrotechnické veličiny a pojmy, legislativa v elektrotechnice, bezpečnost v elektrotechnice, základní elektrotechnické poučky a zákony, elektrické pole, proudové pole, stejnosměrné zdroje elektrického napětí, střídavý proud, prvky v obvodech střídavého proudu, elektrické stroje a přístroje, elektrické součástky, měřící technika, výroba, rozvod a užití elektrické energie, ochrana proti atmosférické elektřině, ochrana proti přepětí v budovách, polovodičová technika, napájecí zdroje, záložní zdroje, měniče, alternativní zdroje elektrické energie, elektromagnetická kompatibilita, elektrotechnika a životní prostředí*.

*toto téma lze určitě připomínat a zařazovat do valné části jednotlivých kapitol. Toto rozdělení nelze chápat dogmaticky. Každou u kapitol lze rozpracovat do mnoha detailů. To však není smyslem tohoto materiálu. 146

2.4 Stanovení cílů a základní rozsah při stanovování kompetencí Ve školách v nedávné době proběhla akce, kdy všechny školy přepracovávaly metodické plány výuky. Výsledkem této mravenčí, často i úmorné práce byly a jsou matriály, které mají často i několik set stran. Jedná se o rámcové vzdělávací plány, které však podle mého názoru byly jen další ukázkou nesmyslné byrokracie. Školám byl údajně věnován prostor k tomu, aby se vyprofilovaly podle svých možností a představ. V tomto ohledu tedy asi není školám radit, co a jak mají dělat. Bohužel však z pohledu racionálního využití, pokrytí skutečných potřeb firem a snad i společenské poptávky po absolventech se tyto záměry často minuly účinkem. Pokud vůbec tento záměr sledovaly. Samozřejmě, že plán musí být stanoven, ale je třeba jej operativně přizpůsobovat a snažit se najít optimální řešení nejen z hlediska škol, ale hlavně pak uplatnění absolventů. A to je v podstatě stejné, zda se bude jednat o učební obory, učební obory s maturitou, u kterých se předpokládá, že by absolventi měli nastoupit do praxe jako lidé vybaveni potřebnými teoretickými poznatky a praktickými návyky. V případě klasických středních škol by pak zřejmě mělo být cílem totéž a navíc by měli studenti být po teoretické stránce připraveni tak, aby po zralé úvaze byli schopni pokračovat na vysokých školách.

2.5 Kompetence na školách se zaměřením na elektrotechniku Protože tento materiál se konkrétně zabývá předmětem elektrotechnika, zdá se být situace snad konsolidovanější než v jiných oborech. I když to může opět být klamavé zdání. O tom že prakticky přes noc vyrostla řada škol, prakticky přes noc, není nutné polemizovat. Bohužel je dnes jasné, že kapacita je taková, že není možné jí naplnit dostatečným počtem studentů, vhodných pro tuto profesi. Zcela jistě většina těchto škol ani nevznikla z reálné potřeby, ale často jen jako předmět podnikání. Zůstává také nezodpovězená otázka, kde se vzaly houfy zkušených pedagogů v našich podmínkách. Dalším stěžejním problémem je pak ten, že zřejmě nikdo nekoordinuje strukturu a odborné zaměření učebních oborů a studentů středních škol. Stačí si jen uvědomit tu neustále rozšiřující se nabídku v materiálech, přístrojích pro nn i vn aplikace, vybavení firem, obrovskou diverzifikaci v materiálové nabídce, technologických celků atd. Dalším problémem, který se promítá do celého resortu, je na jedné straně kvantitativní nárůst škol, které přispívají kontraproduktivně ke snížení kvality jednotlivých oborů a na druhé straně je tu slučování již existujících škol, často spolu ani organicky nesouvisejících, což vlastně přináší totéž. Nicméně závěr je ten, že je na vedení jednotlivých škol jak se s problematikou vyrovná, a ne zřídka se výuka přizpůsobí tomu co je v možnostech školy, ať už materiálních či personálních.

147

2.6 Náměty pro úlohy Kirchhoffovy zákony, Ohmův zákon, výkon. 2.6.1

1. Úloha

V

R2

R1

R3

U A Zadání: Podmínka.: známe velikosti odporů. Postupně se změří všechna napětí. Tedy napětí zdroje a napětí na jednotlivých odporech. Poté se spočte proud v obvodu. Tato úloha potvrdí platnost 2. Kirchhoffova zákona. Rovněž by si student měl odnést poznatek, že při sériovém zapojení je proud v celém obvodu stejný. Napětí zdroje se rozloží na jednotlivé odpory úměrně podle jejich velikosti. Rovněž je možné spočítat výkonovou ztrátu na jednotlivých odporech respektive v celém obvodu.

2.6.2

2. Úloha

R1

I3

I2

I1

R3

R2

U A

A

A

A

I

148

Postupně se změří všechny proudy a proud I by měl být stejný jako součet proudů ve větvích 1 až 3. Napětí na všech odporech bude totožné. Tato úloha dokumentuje platnost 1. Kirchhoffova zákona. 2.6.3

3. Úloha

A

Ž

U P

V

V této úloze si student ověří funkci reostatu, který je zapojen jako dělič napětí. Výpočtem pak zjistí, že odpor žárovky skutečně roste s rostoucím napětím (teplota vlákna stoupá). Výkon žárovky spočte jako součin napětí a žárovky. Vhodné je k této úloze zkonstruovat graf závislosti výkonu a odporu na napětí (vhodná úloha pro Excel).

149

2.6.4

4. Úloha

Ž1 U1

Ž2

A

P

a1

V

U2

V této úloze lze aplikovat několik poznatků Pomocí změny napětí pro cívku relé můžeme zjistit minimální napětí, při kterém relé přitáhne, tedy přepne svoje kontakty. Poté snižováním napětí můžeme poukázat na skutečnost, že relé bude pro svoje přidržení potřebovat napětí menší, než bylo nutné pro přítah – napěťová hystereze. Na druhém obrázku využíváme funkci přepínacího kontaktu k ovládání dvou žárovek. Ty jsou napájeny ze zcela jiného zdroje než cívka relé. Tedy obvody jsou galvanicky odděleny. Moment kdy Ž 2 zhasne a Ž2 se rozsvítí, chápeme jako okamžik přítahu respektive odpadu. 2.6.5

5. Úloha

Tato úloha je zaměřena na rozšíření znalostí. Nicméně pokud se studentům podaří správně zapojit a zrealizovat, velice často je tento počin doprovázen emocionálními pocity radosti.

V1

V2 a1

U1

BA

b1

b2

a2

Ž1

Ž2

A U2

Funkce obvodu. Po sepnutí vypínače V1 přitáhne relé B. To svým kontaktem b1 uvede do činnosti relé A. Relé A však rozpojí obvod napájení pro relé B a to odpadne. Svým odpadnutím způsobí rozpojení obvodu pro relé A. Toto střídavé rozpínání a spínání se bude cyklicky opakovat, dokud nevypneme vypínač V1. Další kontakty ze svazků obou relé jsou využity pro spínání respektive rozpínání signalizačních žárovek Ž1 a Ž2. 150

2.6.6

Další náměty na úlohy

Každý zkušený pedagog má jistě svou metodiku, která se mu osvědčila. Určitě vychází i z materiální základny a možností, které jsou k dispozici. V každém případě si myslím, že čím více úloh se v rámci výuky provede, tím lépe. Jsou studenti, kterým praktické úlohy vyhovují mnohem lépe než standardní teorie. Otázkou opět zůstává zpracování závěrů úloh a výstupy z těchto úloh. Možná jsou i učitelé, kteří písemné protokoly nevyžadují u všech měření a zapojování. To je určitě na místě u úloh, které vyústí v praktický úspěch či neúspěch dané úlohy. („Chodí/nechodí“).

Tyto náměty opět nemají být receptem co a jak dělat. Jedná se spíš jen o možnosti, které lze použít. Autor předkládá primitivní úlohy jen jako náměty pro začínající učitele. 2.6.6.1          2.6.6.2       2.6.6.3

Základy elektrotechniky měření výkonu ohmického spotřebiče, měření odporu vodiče (zjištění délky vodiče na cívce při známém průměru vodiče), závislost odporu vodiče na teplotě ideální na klasické žárovce, měření stejnosměrných výkonů, měření reaktancí, měření na transformátoru, zjišťování rezonančního kmitočtu, měření magnetických vlastností materiálů, měření výkonů, činného, jalového, zdánlivého. Měření na polovodičích měření diod, charakteristiky, měření na jednocestném, dvoucestném usměrňovači, měření charakteristik bipolárních tranzistorů, měření charakteristik unipolárních tranzistorů, měření tyristorů, chování tyristorových regulátorů. Měření na strojích

Pokud přeskočíme základní měření na transformátoru (viz základy), pak úlohy budou asi charakteristické pro daný konkrétní obor a specializaci a nemá smysl vyjmenovávat všechna možná měření 2.6.6.4

Všeobecné úlohy z elektrotechniky

Zajisté bude pro praxi užitečné, když si studenti vyzkouší kontrolu elektrických spotřebičů z pohledu revizního technika.

151

Tedy měření izolačního stavu, měření zařízení třídy II, a měření impedance smyčky u zařízení třídy I. Do úloh měření lze zařadit a i srovnávání svítivosti zdrojů světla a jejich spotřebu (žárovka, zářivka, kompaktní zářivka zdroj LED).

152

3

Aktuální trendy a technologie v oblasti elektrotechniky

Prakticky každá z oblastí, do kterých je v tomto materiálu rozdělena elektrotechnika se může pyšnit novými trendy. Pokud má být splněn požadavek, aby student opouštějící školu byl pro svého budoucího zaměstnavatele přínosem měl by se těmito aspekty seznámit už během studia. Je pochopitelné, že nelze všechno obsáhnout a prakticky vyzkoušet. Ale student by měl školu opouštět s vědomím, že pro něj studium a poznávání nekončí ale právě naopak.

Elektroenergetika

3.1

Do této oblasti jsou zařazeny mimo jiné zdroje elektrické energie. Páteř naší současné energetiky tvoří tepelné elektrárny. Bylo by dobře, aby se studenti seznámili se základními typy a principy elektráren a dokázali na klasickou elektrárnu pohlížet jako na samostatný komplex se všemi jeho doplňkovými a podpůrnými provozy. Rozdělení elektráren podle druhů paliva: 3.1.1     

3.1.2 

Fosilní - kde palivem je: uhlí, ropa a ropné produkty, zemní plyn, biopaliva, spalování odpadů.

Jaderné elektrárny palivem uran 235

3.1.3    

Vodní elektrárny: akumulační, průtočné, přečerpávací, malá vodní díla.

3.1.4  

Teplárny pouze pro výrobu tepla, kombinované pro výrobu tepla i elektrické energie.

3.1.5   

Alternativní zdroje větrné elektrárny, fotovoltaické elektrárny, tepelná čerpadla. 153

Důležité jsou změny v technologiích spalování produktů (fluidní kotle), posun v technologiích, které zajišťují redukci plynných a pevných spalin a přispívají tak k menšímu znečištění prostředí Nové směry v turbínách a generátorech. Působení jednotlivých zdrojů na životní prostředí. Krátkodobý i dlouhodobý horizont. Diskutabilní jsou pak alternativní zdroje, kde zvláště fotovoltaické elektrárny nadělaly a ještě v budoucnu způsobí mnoho zla. Rovněž u větrných elektráren není dosud zcela jasné, zda jsou rentabilní. Bohužel tyto zdroje předběhly technologické možnosti při jejich připojování do rozvodných sítí a působí nemalé problémy distributorům elektrické energie. Samozřejmě pro malé objekty jako jsou rodinné domky, případně využití k ohřevu vody mají nesporný přínos.(black outy). Z hlediska techniky jsou to pak zařízení, která umožňují připojování alternativních zdrojů do sítě. Student by si měl na základě dostupných objektivních faktů a parametrů jednotlivých typů zdrojů udělat vlastní názor, co která entita přináší, protože se nelze spolehnout na informace, které jsou předkládány sdělovacími prostředky- a často neodborně a populisticky překrucovány. V případě všech zmíněných zdrojů se jedná o hotové a vyzkoušené technologické celky. Pozornost si zaslouží jednotlivé typy tepelných čerpadel se zhodnocením jejich efektivity, náročnosti na údržbu a návratnost investic. U solárních panelů je třeba probrat řazení panelů, jejich spojování, mechanickou konstrukci a také zabezpečení proti vlivům atmosférické elektřiny.

3.1.6

Materiály na vn vedení Postupem času se došlo k určitým standardním řešením a ta se přetrvávala dlouhou dobu. A tak v současné době se naráží v oblasti materiálů na rozvody a přenosy elektrické energie na hluboko zakořeněný konzervatizmus, který někde už začíná způsobovat i určité technické zaostávání. V oblasti venkovních vedení se takovým standardem stala AlFe lana, v oblasti kabelových vedení pak na NN kabely s izolací a pláštěm z PVC, na vn kabely s izolací z XLPE a pláštěm z polyetylénu (a v ČR pak ještě s druhým pláštěm z PVC). Kabel je třeba nejen vodivě připojit, ale jeho konec je většinou nutno chránit proti vnikání vlhkosti. To je požadavek platný i pro nn. Na vn k tomu přistupuje řada dalších funkcí, a to řízení pole a ochrana před plazivými proudy (resp. jejich účinky). Od vn koncovek pak požadujeme ještě řadu dalších vlastností, jako odolnost UV záření a znečištěnému prostředí, případně odolnost proti přeskoku. Dříve se koncovky vytvářely vinutím z několika různých typů pásek, což byla práce zdlouhavá a choulostivá. Výsledek závisel nejen na šikovnosti a spolehlivosti montéra, ale třeba i na počasí a dalších, těžko ovlivnitelných skutečnostech. Dnes tato metoda zůstává pro některé výjimečné případy. Později byla vyvinuta metoda zalévání koncovek, s kterou mají naši starší kabeláři také neblahé zkušenosti. Pracnost sice byla menší, ale ostatní vlivy se projevovaly stejně, jako při navíjení.

154

Před několika desítkami let byla zavedena metoda smršťování koncovek za tepla. Ve své době představovala radikální zvýšení produktivity díky zjednodušení montáže a tím i snížení možných chyb při montáži. Koncovky jsou opět kompletně hotové a kusově vyzkoušené ve výrobním závodě, ale před expedicí jsou radiálně roztažené a nastrčené na nosnou trubku. V tomto stavu mají skladovatelnost 5 let. Při montáži se pak jen vytáhne nosná spirála a koncovka se sevře na připravený kabel. Sevření je tak těsné, že zaručuje těsnost na 5 bar (50 m hluboko pod vodou), aniž by bylo zapotřebí nějaké lepidlo. Vylepšený materiál koncovek má přirozenou odolnost UV záření díky energii molekulárních vazeb v silikonu, je mimořádně odolný plazivým proudům a navíc je trvale ohebný. Po počátečním váhání si tato konstrukce získala nejvyšší uznání, jako nejjednodušší a nejspolehlivější technologie montáže vn koncovek. Dnes již je s koncovkami 3M, smršťovanými za studena, přes třicet let provozních zkušeností. V České republice byly první koncovky QTII namontovány v roce 1992 a dnes je u nás již v provozu několik desítek tisíc sad těchto koncovek na různé napětí. Vzhledem k jejich oblibě začali i další výrobci kabelových souborů smršťování za studena různým způsobem napodobovat s tím, že je snaha různými způsoby obejít metodu, vyvinutou v laboratořích 3M, případně použít jiné, levnější materiály. Vývoj však pokračoval dál a přinesl soubory nasouvané, které opět představovaly obrovský pokrok, a to z několika důvodů. Opět tu bylo další zjednodušení montáže, ale také to, co smršťování teplem nikdy nemůže nabídnout – a to, že soubor je již kompletně hotový ve výrobním závodě a může se tam jako takový kusově odzkoušet. Nevýhodou této metody bylo to, že koncovka se hodila jen na velmi úzký rozsah průřezů. Muselo se tedy používat několik různých velikostí. Tento nedostatek řešili někteří výrobci tak, že změkčovali konstrukční materiál až za rozumnou mez. Koncovky pak z kabelu sklouzávaly, nebo podléhaly dalším škodlivým vlivů. Začátkem sedmdesátých let přišla firma 3M s řešením metodou smršťování za studena. Ke změnám došlo v konstrukci stožárů, ale i jejich výzbroje.

155

3.2 Elektrické stroje Je asi obtížné shrnout problematiku elektromotorů v krátkém přehledu. Na trhu je řada výrobců, kteří pokrývají požadavky zákazníků v oblasti elektrických motorů. Jsou to jednofázové motory asynchronní s klasickým kondenzátorem do výkonů cca700W až 1kW. Ale celá škála malých motorků pro domácí spotřebiče, kde rozběhovou fázi supluje závit nakrátko. Třífázové asynchronní i synchronní motory od malých až relativně velké výkony. Vysokorychlostní asynchronní třífázové motory. Komutátorové motory, stejnosměrné motory s permanentními magnety až do výkonů 1500W (např. ATAS elektromotory Náchod a.s) Motory, které jsou doplněny ventilátory, několika stupňovými, případně šnekovými převodovkami apod. Není bez zajímavosti uvést v povědomí nová ustanovení týkající se efektivity provozu elektromotorů. Jedná se o problematiku, která se dotýká všech, kdo zařízení s elektrickými motory projektují

a uvádějí do chodu. Problematika je začleněna do legislativy Evropské unie a v našich podmínkách je zapracována do normy ČSN EN 60034-30, přičemž udává, na které motory se vztahuje a které jsou z ní vyjmuty. (ektro-6/2011, Gustav Holub)

156

Tak např. od 1. 1. 2015 pro motory výkonů 7,5kW až 375 kW musí být dodržena účinnost motorů IE3. Není to zcela jednoduché, ale velcí výrobci (Siemens, ABB) již tuto normu do svých výrobků zapracovali. Je jasné, že se tato situace projeví i na ceně, ale právě proto je třeba zvážit při osazování strojů i dodavatele a všechny certifikační náležitosti. V minulosti byly stejnosměrné pohony výhradně doménou komutátorových elektromotorů, ať už derivačních, sériových nebo s permanentními magnety. Komutátorový elektromotor je velmi spolehlivý elektrický stroj, který byl postupným zdokonalováním přiveden k vysokým užitným hodnotám. Nutnou podmínkou pro bezchybnou činnost komutátorového stroje je precizní proces komutace, změny směru proudu komutující cívky, která probíhá na kluzném kontaktu mezi kartáčem a komutátorem. Problém mechanického namáhání kartáčů a jejich údržba se dnes dá obejít použitím motorů BLDC což asi není neznámý pojem. Je to zkrácené označení. stejnosměrných motorů s elektronickou komutací z anglického termínu BrushLess DC Motor.

Toto je klasická konstrukce komutátorového motoru.

Napájení Elektronika Napájení elektronika

Hallovy sondy

Princip činnosti motoru BLDC Elektronická jednotka je součástí motoru. Neúplný obrázek ! 157

Výrobce tohoto motoru např. firma Atas Náchod udává standardní parametry: Napájecí napětí 24V, výkon 600W.

BLDC motory jsou využitelné téměř všude. Jsou to např. akumulátorové přepravní a zvedací vozíky v průmyslu, zemědělská mobilní technika, akumulátorové nářadí, dopravní prostředky všech druhů, manipulační a pohonné agregáty v trakci, armádní a letecké pohonné systémy a mnoho dalších.( Ing. Josef Šimon, Elektro 10/2011)

158

3.3 Elektrické přístroje. Základna elektrických přístrojů doznala stejně jako ostatní oblasti obrovských změn. Protože tento materiál nemá v úvodu kapitolu elektroinstalační materiály je zmínka na tomto místě. Elektrické přístroje jsou součástí elektroinstalace a zřejmě budou těsně navazovat a tvořit výsledné dílo. Elektroinstalační materiály. Kabely - drtivá většina nově instalovaných elektrických zařízení používá měděné vodiče. Izolací bývá zpravidla plast. Jistá nejasnost vzniká při označování kabelů, kde nová norma pro označování se často chápe jako nepřehledná a setkáváme se zažitou konvencí označování. V koncových přístrojích jako jsou vypínače, zásuvky apod. žádné markantní změny kromě designu a estetického provedení nejsou. Zásadní změna pak je u nových elektroinstalací, kde v soustavě TN-C-S je třívodičový rozvod respektive pětivodičový rozvod. Vedle klasických jističů jsou to v této soustavě instalovány proudové chrániče. Princip funkce proudových chráničů je zřejmě dobře znám. Občas není jasný starším generacím elektrikářů. Nasazení proudových chráničů s sebou přineslo prokazatelné zvýšení bezpečnosti elektrických instalací, což je možné doložit snižováním počtu smrtelných úrazů. Hromadné používání proudových chráničů, zejména těch citlivých, však nebylo dáno uvědoměním uživatelů, elektrotechniků nebo projektantů. Hlavním důvodem bylo zavedení nových elektrotechnických norem pro instalace, kde se předepisují oblasti jejich povinného použití. V těchto normách se setkáme v podstatě jen s definicí citlivostí a někdy i s určením typu přístroje, ale konstrukční provedení se může lišit v závislosti na nabídce příslušného výrobce. V elektrických instalacích po celé Evropě se dnes setkáváme se základními typy proudových chráničů. V domovních instalacích se nejčastěji jedná o typy bez zpoždění a s citlivostí na střídavé reziduální proudy (typ AC), pouze pro chrániče na začátku instalace se používají selektivní typy (vypínací charakteristika S). Jen v náročnějších aplikacích, hlavně v průmyslu, jsou používány i další typy (typ A), které postupně nabývají na významu. Co se týče již zmíněných vypínacích charakteristik, velice důležitým parametrem je právě časové zpoždění (resp. doba nepůsobení). Tato vlastnost významně zlepšuje odolnost proti nežádoucímu vybavení. K prospěchu věci se na začátku instalací stále více používají i selektivní proudové chrániče, které jsou předepisovány již mnoho let, ale přesto se stále setkáváme i s nevhodnými nezpožděnými typy. Při volbě citlivosti 300mA splňují současně i podmínky pro protipožární ochranu a v nových projektech jsou používány stále častěji. Vedle selektivních typů se stále častěji používají i proudové chrániče s krátkodobým zpožděním u nás známé jako typy G, které jsou odolné proti nežádoucím vybavením až do 3kA (měřeno tvarem vlny 8/20μs). Jejich použitím se omezí nežádoucí vybavení, která jsou způsobena hlavně přechodnými jevy při spínání obvodů s kapacitami (dlouhá vedení, odrušovací kondenzátory) a dále činností svodičů přepětí. 159

Do této skupiny elektrických přístrojů bychom mohli také zahrnout elektroměry, které jsou svou koncepcí naprosto odlišné od klasických indukčních měřících přístrojů. Tyto přístroje umí reagovat na pokyny dálkového ovládání, dokážou í přepínat a měřit v různých tarifech a dovolují dálkové odečty apod. Celou skupinu pak tvoří přístroje, které zvyšují komfort pro uživatele. Jsou to např. impulsní relé, relé, relé, která dovolují jednoduché programování základních funkcí, časové spínače, měřiče aktuální spotřeby atd. Tyto přístroje jsou většinou řešeny jako modulové a jejich činnost je řízena elektronicky. Bohaté uplatnění pak nachází v tzv. Inteligentních domech. Inteligentní dům se zdá být hybatelem současné výstavby rodinných domů a je také jednou z disciplín, která nemá dlouhou historii. Problém je však v tom, že to co dnes projektant navrhne je už v okamžiku realizace neaktuální, neboť jsou k dispozici jiné prvky a systémy. Na následující stránce je ideové schéma tzv. Inteligentního domu. Nicméně ovládací prvky, řídící centrála, ale i donedávna prosazovaný sběrnicový systém je dnes jiný, neboť většinou se bude asi řízení realizovat pomocí WiFi, nebo jiné bezdrátové technologie. Každopádně se jedná o vybavení, jehož údržba nebo oprava může být poměrně sofistikovanou záležitostí. Rovněž náhrada porouchaných komponentů nemusí být vždy jednoduchá.

160

161

3.4 Elektrické pohony Toto téma zajisté prolíná s kapitolou Elektrické stroje. Elektrické stroje můžeme chápat jako koncové výkonové elementy. Pokud chceme a potřebujeme výkon těchto strojů přizpůsobit aktuálním podmínkám, pak je doplníme regulačními prvky. Nejznámější regulace u třífázových motorů je přepínání hvězda/trojúhelník. Dnes se preferuje spíše elektronické tyristorové spouštěče, které jsou schopny pracovat až do výkonů stovek kW. Ale pro řízení otáček asynchronních motorů dnes nachází široké uplatnění měniče kmitočtu. Pro řízení komutátorových motorů pak jsou to regulátory diak/triak. Rozšířené jsou měniče s PAM5 nebo PWM6

3.4.1

Záložní zdroje Samostatnou pozornost si zasluhují i záložní zdroje. Jejich funkce je v mnoha provozech nezastupitelná. Tyto zdroje jsou známy pod akronymem UPS7 V povědomí většiny lidí jsou to záložní zdroje, které napájí počítač při výpadku sítě. Ale je celá řada

PC /server/ (důležité prvky sítě, jiná zařízení)

Řídící a dohledový systém

Akumulátory

Řídící a dohledový systém

Generátor

Síťové napájení

Princip zálohování kritických aplikací, které si bez záložních zdrojů nelze představit. Určitě to jsou technologické celky, kde přerušení provozu znamená obrovské finanční ztráty (technologické linky, sklárny apod.)  zdravotnictví (operační sály, jednotky intenzivní péče),  telekomunikace (ústředny, vysílače buňkových sítí),  nouzová osvětlení (divadla, kina, školy, úřady). 5

PAM Pulse Amplitude Modulation (pulsně amplitudová modulace) PWM Pulse Width Modulation (pulsně šířková modulace) 7 UPS Uninterruptible Power Supply (zdroj nepřerušitelného napájení) 6

K dispozici jsou tři typy UPS. ON-LINE, OFF- LINE a tzv. Line- interactive. Princip UPS 230V/50Hz

 230V/50Hz

V principu zajišťují všechny totéž. Tedy při výpadku napájecího napětí přebírají funkci záložního zdroje a umožňují pokračovat v činnosti. Je nutné zdůraznit, že záložní zdroje slouží k překlenutí dočasných, rozumně dlouhých výpadků. Pokud má být náhradní dodávka elektrické energie zajištěna delší dobu, pak přebírají tuto funkci motor-generátory(MTG). Nabídka UPS je dnes opravdu široká. Můžeme vybírat UPS podle potřebného zálohovaného příkonu od stovek VA až po stovky kVA. Rovněž u motor-generátorů je široký výběr. Lze volit mez MTG od desítek kVA až po 100kVA i větší. Navíc firmy mají ve svém portfoliu i MTG dle prostředí, ve kterém budou pracovat. V provozech kde je třeba bezhlučný provoz až po venkovní zařízení. Při návrhu optimálního zálohovací zdroje je třeba vzít v úvahu příkon všech zálohovaných zařízení, je dána v technické dokumentaci UPS, dále pak předpokládanou dobu zálohování. Lze ji spočítat z kapacity akumulátorů ( je však pamatovat na účinnost). ON LINE UPS také plní sekundární úlohu a to filtrace napětí, je eliminováno případné rušení z napájecí sítě, což je vhodné právě u systémů výpočetní nebo telekomunikační techniky.

163

3.5 Elektronika Obrovský skok udělaly všechny obory elektrotechniky, ale snad největší posun zaznamenala elektronika. Součástky na bázi polovodičů se staly v mnoha případech normálním okem neviditelné. Integrace pokročila tak, že v jednom čipu jsou miliardy součástek. Polovodičové součástky jsou často organickou součástí prvků. Najdeme je v platebních kartách, v regulátorech osvětlení, doslova je jimi nabit současný automobil. Jsou jako řídící členy zabudovány ve strojích s výkony řádu MVA. Mobilní telefon dnes zvládne to co donedávna sálový počítač atd. Každé malému dítěti je dostupný tablet atd. Využití polovodičových součástek má zásadní vliv i na miniaturizaci na první pohled i zdánlivě nesouvisejících problémů. Např. Telefonní ústředna pro deset tisíc účastníků byla instalována v místnosti velikosti tělocvičny. Televizní přijímač nebo monitor PC před několika lety mohl přemisťovat pouze fyzicky zdatný jedinec. Transformátor pro zdroj počítače řešený klasickou metodou by byl neúměrně veliký a těžký. Špionážní letadlo velikosti špačka dokáže detailně monitorovat nepřátelské území, čip velikosti špendlíkové hlavičky může řídit chování člověka bez jeho vědomí… A to jsou jen nejmarkantnější příklady vybrané namátkou. Jak si tedy počínat při objasňování funkcí prvků v elektronice. Snad stojí za to alespoň udělat encyklopedický přehled základních skupin

Diody      

Nf diody, diody pracující v kategorii nn s proudy řádu ampér až kA, Vn diody, zvládající závěrná napětí řádu kV, Vf diody pracující do řádu GHz, Zenerovy diody jako stabilizátory, ale jako ochrana proti přepětí, Schotkyho diody,kapacitní diody, zvláštní kategorii pak tvoří LED8, které se používají jako signalizační prvky, vazební členy. osvětlovací zdroje. Do této skupiny lze přiřadit i diody pracující v infračervené oblasti, které jsou ve velké většině dálkových ovladačů. A také laserové diody, fungující jako vazebními prvky ve světlovodné technice.

Vícevrstvé polovodiče  

8

mezi diskrétní prvky, které jsou běžnou součástí řídících a regulačních obvodů najdeme pestrou nabídku diaků, triaků, tyristorů, rodina tranzistorů se z původně klasických bipolárních tranzistorů PNP a NPN rozrostla o tranzistory FET, tedy řízených polem. Tranzistory typu FET doznaly za dobu své existence obrovského množství modifikací. V aplikacích pro řízení velkých výkonů se dnes setkáváme

LED –Light Emitting Diode

164

s tranzistory IGFET. Tranzistory IGBT9., které jsou určeny pro spínání velkých proudů při kmitočtu do 100kHz.

Integrované obvody  

V textu již byla zmínka o obvodech ASIC10. Tento akronym můžeme přeložit jako obvody vyrobené podle požadavků zákazníka. Tím vlastně můžeme přejít k integrovaným obvodům, které původně představovaly uskupení několika hradel v jednom pouzdru a dostaly se během několika dekád až do stavu, kdy integrovaný v pouzdře je vlastně mikropočítač.(SSI, MSI, LSI, VLSI, ELSI)11

Ostatní     

tlumivky, které díky magnetickým jádrům s relativní permeabilitou řádu set, dosahují miniaturní rozměry, kondenzátory jsou vyráběny s kapacitami několika Faradů,( což bylo ještě před několika lety považováno za absurdní) slouží i jako krátkodobé záložní zdroje, odpory se specifickou charakteristikou- termistory (pozistory, negistory,varistory), miniaturní relé, optická, jazýčková, časová, elektromagnetická, nelze ale opomenout ani pokrok v klasických diskrétních součástkách, které jsou nenahraditelné např. ve snímačích, převodnících a celé řadě aplikací spojených se snímáním a sledováním stavů, vyhodnocování odchylek, měřící sondy atd.

Je opravdu těžké v tomto odvětví specifikovat nějaké priority. Navíc se dnes celá oblast elektroniky ubírá směrem jakýchsi modulů, respektive černých skříněk, které nám umí splnit dané požadavky a detailní znalost a vnitřní funkce se zdá být na první pohled zbytečná.

9

tyto tranzistory patří do skupiny bipolárních.

10

Application-Specific Integrated Circuit Vyjadřuje stupeň integrace (Small Scale Integration, Medium S.., Large S...., VeryS...., Extra....)

11

165

3.6 Měřicí přístroje Znalost měřících přístrojů a zacházení s nimi je alfou a omegou každého elektrikáře. Pochopitelně je rozdíl v tom zda se jedná o pracovníka, který provádí elektroinstalační práce a technika který pracuje s vyspělými technologiemi v telekomunikacích. Ale pokud se na problém podíváme z hlediska výuky na školách, pak by bylo ideální, kdyby se studenti seznámili s co nejširším sortimentem měřicích přístrojů. Za ideální stav bych považoval situaci, kdyby studenti měli k dispozici nejmodernější přístroje. Vzhledem k financování našeho školství nelze pokrýt rychle se vyvíjecí pokrok. Nicméně lze konstatovat, že na trhu je dneska prakticky nepřehledný sortiment pro každý segment. Jsou běžná měřidla pro provozní elektrikáře, která jsou většinou univerzální a pokryjí většinu požadavků při běžné rutinní práci. Dostupné jsou kapesní osciloskopy, zařízení pro měření EMC, termokamery pro měření provozních teplot kabelů a rozvaděčů atd. Pro telekomunikace se rovněž nabízí nepřeberné množství přístrojů, které pokrývají požadavky při budování a provozování sítí LAN až po reflektometry pro optické sítě. Bohužel problém asi nebude u toho co vybrat, jak laboratoře vybavit, ale spíše asi za co je vybavit. Proto se asi bude často stávat, že se student s kvalitním i měřicími přístroji setká až ve firmě, místo toho aby byl on ten, kdo přijde s avantgardními nápady.

3.7 Univerzální měřicí přístroje

166

Je to celá rodina univerzálních měřících přístrojů. Většinou se jedná o digitální měřicí přístroje, které jsou vybaveny řadou funkcí. Cena těchto přístrojů se zpravidla odvíjí od jejich počtu. Na cenu má také vliv počet tzv. digitů na stupnici a jejich přesnost. Přístroje nižší přesnosti jsou zpravidla v přijatelné cenové relaci. Problém je v tom, že je rozumné vybavit pracoviště pokud možno jednotně a cena se tak vyšplhá na vysoké částky. Při nákupu je potřeba k přístrojům dokoupit příslušenství, tedy sondy a adaptery, což výslednou cenu ještě navýší.

3.8 Měřicí přístroje pro kontrolu přístrojů a stavu zařízení

Jsou to tzv. zerotestery, měřiče izolačních odporů, měřiče impedance smyčky, měřiče zemních odporů. Tyto přístroje nepatří mezi nejlevnější, ale na druhé straně vystačíme s několika exempláři.

Sem patří také klešťové ampérmetry

167

3.9 Přístroje pro vybavení dílen a větších laboratoří

Třífázový záznamník elektrické energie

termokamera

Jedná se o specializované přístroje. Cena se pohybuje v řádu desetitisíců.

3.10 Osciloskopy

168

Osciloskopy jsou dnes převážně digitální. Cenová nabídka se pohybuje od desítek tisíc až do sto tisíc korun. Pro běžnou laboratorní práci a měření ve školních úlohách určitě vystačí osciloskop do 50MHz tedy se vzorkovací frekvencí do 1GS/s. Tyto přístroje jsou pak již cenově dostupné. Podle mého názoru je osciloskop investice, která se vyplatí, neboť v řadě úloh lze pak ukázat skutečné průběhy a stavy a podpoří to praktický dopad a poznatky z úlohy. K této kapitole jen podotknu, že vybavení laboratoří dílen pro elektrotechniku není malou investicí a zasluhuje také „upgrade“. Je někdy zvláštní, že se na tomto zařízení šetří a na druhé straně se například investuje do modernizace počítačových učeben, které mohou ještě dobře pro plnění požadavků studentů sloužit.

169

4

Postřehy autora

Plán učiva Velice důležitým prvkem každého edukačního procesu bude zřejmě osnova, která by měla být sestavena tak, že bude obsahovat základní tematické celky a každý tento celek bude rozpracován do dílčích segmentů. Čím detailnější osnova je, tím je větší předpoklad, že problematika bude systematicky přiblížena, nebudou vznikat problémy s nepochopením, nevznikne zbytečná diskontinuita a nelogičností. Ne vždy je to zcela možné. Asi bude záležet i na tom, jak dlouho už učitel předmět učí. Jiná je situace, pokud začne učit nový předmět, zmodifikuje náplň apod. Samozřejmě časové úseky a dotace, které jsou zpravidla od kontrolních orgánů striktně požadovány, považuji za diskutabilní. I když jsou vodítkem a je to do jisté míry potřebné. Nicméně přes všechna tyto administrativní a plánovací aktivity dávám přednost důkladnému pochopení a osvojení si základních a stěžejních témat před striktním dodržením plánů. Zkušený pedagog se určitě i bez detailně rozpracovaných plánů obejde.

170

5

Uplatnění na trhu práce a požadavky na absolventy

Z hlediska hodnocení shody získaného vzdělání a vykonávaného zaměstnání lze hodnotit uplatnění absolventů elektrotechnických oborů jako méně příznivé. Část absolventů středního odborného vzdělání s maturitní zkouškou pracuje na pozicích, které jsou zařazeny jako pozice pro absolventy středního vzdělání s výučním listem. Se zvyšující se náročností některých úkonů a obsluhy strojů jsou tato pracovní místa obsazována maturanty, protože právě v oblasti elektroniky je pouhé vyučení naprosto nedostačující kvalifikací. Lze očekávat, že problémy s uplatněním budou mít pracovníci, kteří pracovali v převážně montážních závodech zahraničních investorů. Naopak problém s uplatněním by neměl hrozit zejména u pracovníků s kombinovaným elektrotechnickým a strojírenským vzděláním. Zvyšování kvalifikace tímto směrem je v této profesní skupině zárukou dlouhodobé perspektivy. Z výše uvedeného textu tedy jednoznačně vyplývá, že znalost nových oblastí a trendů v jednotlivých elektrotechnických oborech jsou pro uplatnění současných studentů velmi důležité. Oblast strojírenství sice není jednou z nejvíce ohrožených oblastí vlivem vleklé hospodářské recese. Nicméně celoživotní vzdělávání v nových trendech a oblastech je nezbytností pro budoucí dobré uplatnění na trhu práce v oblasti elektrotechniky či telekomunikace. Pro zaměstnavatele je tedy v době přetlaku poptávky po práci nad její nabídkou snazší si vybrat zaměstnance, kteří již disponují příslušnou praxí (a ucházejí se o práci) a nejsou s výkonem jejich povolení spojeny žádné další vícenáklady do vzdělání a zaučení. Jedním z východisek v této tíživé situaci je příprava studentů a tedy budoucích absolventů na oblasti, trendy a moderní obory, které s jistou mírou pravděpodobnosti budou v další etapě rozhodujícím prvkem na poli elektrotechnických oborů. Znalost těchto oborů pak do značné míry zvýší kredibilitu těchto uchazečů/absolventů na trhu práce a u potenciálních zaměstnavatelů.

5.1 Požadavky na absolventy vycházející ze všeobecných požadavků zaměstnavatelů Co se týče požadavků kladených na absolventy elektrotechnických oborů, jak již jsme zmínili u výše uvedených oborů můžeme je rozdělit do dvou základních oblastí, a to na oblasti tzv. tvrdých znalostí a měkkých znalostí. Tvrdými znalostmi budeme rozumět ty znalosti, jež absolventi získají v rámci studia na středních školách a odborných učilištích a které jsou všeobecně požadovány zaměstnavateli. Měkkými znalostmi pak budeme rozumět především těm osobním a osobnostním, tzn. předpoklady pro správné zvládnutí požadované práce, schopnost plnit včas a kvalitně požadované úkoly, schopnost pracovat v týmu apod. 5.1.1

Tvrdé znalosti (oborové)

- znalost jednotlivých postupů a schopnost jejich aplikace v praxi; - přehled o využívaných materiálech; - orientace v komplexní dokumentaci včetně technologických částí;

171

- mít přehled o jednotlivých zařízeních z hlediska využitelnosti při elektrotechnických pracích včetně zásad bezpečného provozování a základních technických parametrů; - znát technologických postupů běžných elektrotechnických prací; - efektivně hospodařit s finančními prostředky; - mít povědomí o nakládání s materiály, energiemi, odpady, vodou a jinými látkami ekonomicky a s ohledem na životní prostředí.

5.1.2 -

Měkké znalosti charakterové předpoklady pro výkon povolání; zdravotní dispozice; znalost BOZP (bezpečnosti ochrany zdraví při práci); ochota učit se novým věcem; flexibilita; ochota pracovat přesčas v sezóně, případně při velkém počtu zakázek.

172

6

Zkušenosti s praktickým vzděláváním v zahraničí

V rámci projektu byla navštívena i Slovenská republika, konkrétně SOŠ Juraja Riaya, která byla založena v roce 1951, jako středisko pracujícího dorostu. Její hlavní úlohou bylo vychovávat odporníky pro potřeby závodu Tatra. V současné době tato škola nabízí 4 leté studiu v oboru: mechanik počítačových sítí grafik digitálních médií, pracovník marketingu, mechanik - mechatronik mechanik - elektrotechnik, mechanik - seřizovač, programátor obrávacich strojů, komerční pracovník v dopravě, obchodní pracovník, obchodní a informační služby, dále pak 3 leté studium v oboru : autoopravár - mechanik, autoopravár - elektrikář, autoopravár - karosář, autoopravár - lakýrník, hostinský, truhlář, obráběč kovů, instalatér, malíř. Pedagogové školy vidí následující výčet negativních faktorů, ovlivňující učňovské vzdělávání: - chátrající socialistická stavba, - chybí sponzoři, - nezaznamenali jsme pozitivní snahu o inovaci a oživení výuky, - prostředí školy působí socialisticky, zastarale, - není vidět snaha žáků o změnu výuky, - nejsou používány netradiční metody výuky. Koncepce středního vzdělávaní na Slovensku je následující: Ministerstvo školství stanovuje rámcové vzdělávací plány a podle nich si jednotlivé školy tvoří školní vzdělávací plán, v odborném vzdělávání koncepce navazuje na předchozí stav a to ten, že žáci odborný výcvik absolvují do druhého ročníku v rámci školních dílen a žáci třetího a čtvrtého ročníku absolvují praxi u soukromých firem spolupracujících se školou. Někde se též objevují dřívější formy výuky u tříletých učebních oborů a to například tři roky výuky a půl roku ve firmě. Úlohou státní správy na Slovensku je na státní úrovni vymezit pedagogickou dokumentaci, a učitelé jsou státní zaměstnanci, na vládní úrovni zodpovídat za dodržování legislativních pravidel za stanovené vzdělávací strategie a realizaci teoretické výuky, na školní úrovni zajišťovat teoretickou výuku ve všech ročnících a odborný výcvik v prvních dvou letech studia. Firmy spolupracující se školou zajišťují praktickou výuku pro studenty, dle svých vlastních možností. Dále je tu místní správa, která poskytuje budov y a zajišťuje provoz školských zařízení. Ve Slovenské republice máme následující odborné vzdělávací stupně – učební obor, který je zakončený závěrečnou zkouškou a výučním listem, dále je zde čtyřletý maturitní obor zakončený maturitní zkouškou, a nebo je zde možnost nástavbového dvouletého studia. Pokusme se o komparaci Českého a Slovenského odborného učení. Na Slovensku je vidět horší vybavenost učeben, dílen i odborných pracovišť, školy fungují v zastaralých velkých budovách a komplexech. Chybějící finanční prostředky na učební pomůcky, knihy, spotřební materiál. Zvláštností bylo, že se na školách vyučují velmi rozdílné a spolu nesouvisející obory jako je například strojírenství a výroba bot. Ve školách je viditelný malý počet žáků. Školy za nezapojují do projektů, jedinou výjimkou byla škola v Partizánském, kde díky spolupráci na projektu se školou ze Zlína, získali učebnu výpočetní techniky. Dalším závažným problémem je že chybí sponzoři ze strany podniků, studenti 173

mají zájem o praxi v podnicích ch, avšak školy nikterak tuto formu odborného výcviku nepodporují. V době probíhající stáže pedagogové jeden den stávkovali z důvodu nízkých platů. Závěrem lze říci, že by se mělo zaměřit víc pozornosti od všech výše jmenovaných subjektů (stát, vláda…), a nepodceňovat odborné učiliště, ba naopak, by se měly stále více podporovat, jelikož toto zaměstnání je perspektivní na současném trhu práce.

174

7

Závěr

Tento materiál je odezvou na publikaci „Aktuální trendy a přehled novinek v oboru“. Tato publikace je součástí projektu „Inspiruj se a vzdělej se“, registrační číslo: CZ.1.07/1.3.49/01.0004, který je financován ze zdrojů Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky. Nositelem projektu je Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Roudnice nad Labem. Projekt je zaměřen na rozšíření kvalifikace a zlepšení kompetencí učitelů předmětů odborného výcviku a učitelů odborných předmětů v teoretickém vyučování na středních školách v Ústeckém kraji v oborech stavebnictví, strojírenství, elektrotechnika a telekomunikační technika. Publikace „Aktuální trendy a přehled novinek v oboru“ má za úkol informovat pedagogické pracovníky o aktuálních trendech a technologiích, o firmách a školách, o nejvíce zastoupených profesích v oborech. Toto je citace úvodní pasáže zmíněného materiálu. Mimo jiných oborů se materiál také týká oboru elektrotechnika. V publikaci jsou mimo jiné uvedeny vzdělávací instituce, střední školy a učiliště, které vychovávají odborníky v profesní skupině elektrotechnika. Je to částečný přehled škol, které v severočeském kraji poskytují vzdělání v oboru elektrotechnika. Z rejstříku škol, který je dostupný na portálu MŠMT lze pak dohledat, že vzdělávacích institucí je daleko víc. Z těchto informací ale nelze odvodit ani počet ani profesní strukturu. Je jasné, že žádná instituce nebude vědomě vychovávat nedostatečně připravené studenty, potažmo absolventy, ale je třeba přiznat, že rozdílnost v kvalitě studentů existuje. Bohužel vymyslet nějaká srovnávací kritéria je nesmysl. Nabízí se odpověď, že kvalita absolventů se ukáže v praxi, jenže to je trochu dlouhá setrvačnost. A je tu další problém, co je platný kvalitní absolvent, třeba mechatronik, když široko daleko není pro něj uplatnění. A na tuto otázku se snaží nalézt odpověď další stať zmíněného materiálu, ve které jsou uvedeny firmy, které elektrotechnické profese zaměstnávají.

175

Seznam použité literatury Nenajdeme dnes pedagoga, který by při hledání zdrojů informací nesáhl po Internetu. Chápu, že často nejrychlejší zdroj informací bude třeba Wikipedie, Twitter a obecné hledání víceméně náhodných zdrojů. Tento zdroj nechci zatracovat, ale domnívám se, že žádný pedagog by jej v současné době neměl upřednostňovat před klasickými a standardními zdroji, tedy odbornou literaturou, učebnicemi, odbornými časopisy, skripty. Již v začátku této práce je zmínka o tom že často i studenti přicházející na VŠ jsou překvapení existencí knihoven a odborných publikací o odborných periodikách ani nemluvě. Totéž shledávám u svých studentů. Stav učebnic pro elektrotechniku v současné době považuji za alarmující. Nicméně níže uvádím seznam literatury, která se mi osvědčila a kterou intenzívně využívám nebo jsem využil. Teoretické základy elektrotechniky Blahovec Antonín Elektrotechnika I -- Pro SOŠ a SOU [Kniha]. - Praha : INFORMATORIUM. ISBN: 978-80-7333-043-9 . Blahovec Antonín Elektrotechnika II -- Pro SOŠ, SOU [Kniha]. - Praha : NFORMATORIUM. ISBN: 978-80-7333-044-6. Blahovec Antonín Elektrotechnika III -- Pro SOŠ a SOU [Kniha]. - Praha : INFORMATORIUM. ISBN-978-80-7333-045-3. Tyto publikace považuji za vynikajícího průvodce základy teoretické elektrotechniky pro střední školy a učiliště. Autora osobně znám a jedná se opravdu o zkušeného pedagoga s obrovskou praxí a vynikajícího autora publikací tohoto typu. První dva díly jsou zaměřené na teoretický výklad a třetí svazek je sbírka příkladů. Tyto publikace lze použít jako učebnice. Jejich cena je přijatelná. Praktická elektrotechnika Berka Štěpán Elektrotechnická schémata a zapojení 1 -- základní prvky a obvody, elektrotechnické značky [Kniha]. - Praha : BEN-Technická literatura. - ISBN: 978-80-7300-2 . Dvořáček Ing. Karel Elektrické instalace v koupelnách a prostorech s vanou nebo sprchou, v saunách, bazénech a fontánách [Kniha]. - Praha : IN-EL. - ISBN pdf pro čtečky 978-80-86230-73-3. - ISBN pdf 978-80-86230-72-6. Kříž Ing. Michal 91. Příručka pro zkoušky elektrotechniků - požadavky na základní odbornou způsobilost [Kniha]. - Praha : IN-El Praha. - ISBN 978-80-86230-50-4. Jedná se o publikace z knižnice Elektro. Tato edice obsahuje několik desítek titulů. Především jsou to publikace, které řeší praktické otázky elektrotechniky. Vynikající jsou jako průvodce a rádce pro při instalacích, ve stavebnictví, průmyslu ale i při domovních instalacích. Autoři jsou většinou lidé s dlouholetou praxí v oboru. Knihy jsou dobrou pomůckou pro studium, ale i jako pomocník pro praxi. Cenově dostupné. Marek Ing. Jiří Hermetické akumulátory v praxi [Kniha]. - Praha : IN-EL. - ISBN-80-86230-34-1.

Kniha je ze stejné dílny jako předchozí svazky. Poskytuje rychlou orientaci v chemických zdrojích proudů. Autor v ní předkládá principy jednotlivých zdrojů. Uvedeny jsou i zajímavosti a 176

hlavně vlastnosti jednotlivý akumulátorů. Cenově dostupná. Dobrý pomocník pro výklad této tématiky. Zahraniční literatura Häberle Heinz Průmyslová elktronika a inromační technologie [Kniha]. - Europa - Sobotáles, 2003. překlad z německého originálu. - ISBN-80-86706-04-01. Tuto knihu považuji za vynikajícího průvodce elektrotechnikou.       

poskytuje přehled o základních pojmech a vztazích v elektrotechnice, na základních fyzikálních modelech názorně vysvětluje principy polovodičové techniky, vysvětluje podstatné pojmy a teorii číslicových obvodů. Stručně prochází oblast zpracování dat, přes mikroprocesory a základní programové vybavení počítačů, řeší a vysvětluje principy elektrických měření, nastiňuje základní problematiku spojenou s výkonovou elektrotechnikou, závěrečné stati jsou věnovány environmentální problematice, poslední kapitola přibližuje fungování firmy z hlediska ekonomického a správního.

Kniha je vynikajícím způsobem přeložena a aktualizována na podmínky v ČR. Překlad RNDr. Jiří Handlíř, CSc. Vzhledem k objemu, který publikace pojímá, jsou některé pasáže poněkud zploštělé, a pochopitelně pro hlubší studium je třeba použít jiné prameny. Rozhodně však lze tuto publikaci doporučit každému, kdo se elektrotechnikou zabývá. Bohužel vzhledem k její ceně ji nelze ji tedy doporučit jako učebnici pro studenty. Totéž co o předchozí knize platí o dalších dvou následujících překladech z německého originálu. S tím dodatkem, že už se jedná o specificky zaměřené publikace, což lze odvodit z jejich názvu. Gscheidle Rolf Příručka pro automechanika [Kniha]. - Praha : Europa - Sobotáles. - 3., přeprac. vyd. . Tkotz Příručka pro elektrotechnika [Kniha]. - Praha : Europa - Sobotáles, 2006. - překlad u němckého roiginálu. - ISBN: 80-86706-13-3 . Periodika Za ohromného pomocníka pro elektro-obory považuji časopis ELEKTRO, vydavatel FCC public s.r.o. časopis je k dispozici i v elektronické podobě. Časopis poskytuje aktuální přehled v materiálech, součástkách, přístrojích. Aktuální příspěvky pak řeší i ožehavá témata a nové principy uplatňované v elektrotechnice. Samozřejmě tento časopis chápu jako podporu pro pedagogy a mistr odborného výcviku. 

svým způsobem za autonomní kapitolu dnešní elektrotechniky můžeme považovat ochranu proti atmosférické elektřině, respektive přepětí. Velice přehledně a názorně je zpracováno toto téma v elektronické publikaci autorů Jana Hájka a Dalibora Šajanského „První elektronická knížka o ochraně před bleskem.“ www.kniska.eu Autoři nejen vysvětlují základní principy nutné pro správně zvolenou ochranu, ale uvádějí i konkrétní prvky a přístroje, které je třeba instalovat.

177

Obor Telekomunikační technika

Obsah 1

2

Úvod ............................................................................................................................................ 181 1.1

Školská zařízení .................................................................................................................... 181

1.2

Firmy a společnosti .............................................................................................................. 181

1.3

Telekomunikace .................................................................................................................. 181

1.3.1

Elektrotechnika............................................................................................................ 182

1.3.2

Informační technologie ............................................................................................... 182

Výuka oboru Telekomunikace ..................................................................................................... 183 2.1

2.1.1

Základy přenosu zpráv: ................................................................................................ 183

2.1.2

Základy přenosu telekomunikačních signálů ............................................................... 183

2.1.3

Přenosové cesty........................................................................................................... 183

2.1.4

Druhy telekomunikačních sítí ...................................................................................... 186

2.1.5

Přenos dat v telefonní síti............................................................................................ 186

2.1.6

Přenosové cesty........................................................................................................... 188

2.1.7

Impedanční přizpůsobení ............................................................................................ 188

2.1.8

Symetrická vedení ....................................................................................................... 189

2.1.9

Koaxiální kabel ............................................................................................................. 190

2.1.10

Optická vlákna ............................................................................................................. 191

2.1.11

Kódy ............................................................................................................................. 194

2.1.12

Druhy modulací ........................................................................................................... 196

2.2

3

Klíčové požadavky na studenta ........................................................................................... 183

Metody při výuce................................................................................................................. 198

2.2.1

Výklad .......................................................................................................................... 198

2.2.2

Individuální zapojení studentů. ................................................................................... 199

2.2.3

Praktické ověření, práce v laboratoři .......................................................................... 199

2.2.4

Zpracování závěrů úloh ............................................................................................... 199

2.2.5

Hodnocení studentů .................................................................................................... 199

2.2.6

Exkurze a spolupráce s podniky, odborný výcvik. ....................................................... 200

2.2.7

Literatura, studijní materiály ostatní zdroje. ............................................................... 200

Aktuální trendy ............................................................................................................................ 201 3.1

Telefony DECT (Digital European Cordless Telephone) ....................................................... 201

3.2

RFID ..................................................................................................................................... 201

3.3

NFC ...................................................................................................................................... 202 179

3.4

GPRS .................................................................................................................................... 203

3.5

EDGE .................................................................................................................................... 203

3.6

Digitální televize .................................................................................................................. 203

3.7

Digitální rozhlas ................................................................................................................... 203

3.8

WiFi-Bluetooth .................................................................................................................... 204

3.9

Technologie využívající Internet .......................................................................................... 204

3.9.1

IP Telefon ..................................................................................................................... 204

3.9.2

Videokonference ......................................................................................................... 205

3.9.3

Streamové videa .......................................................................................................... 205

3.10

Satelitní přenosy .................................................................................................................. 205

3.11

Polohovací systémy a navigační systémy ............................................................................ 205

3.12

Smart ................................................................................................................................... 206

3.13

Smart Grids- Inteligentní energetické sítě........................................................................... 207

3.14

Co je to Smart Grids............................................................................................................. 207

3.15

Koncepce vytváření sítí Smart Grids .................................................................................... 207

3.16

Některá úskalí sití Smart Grids. ........................................................................................... 209

3.16.1

První skupina podle řídících požadavků ...................................................................... 209

3.16.2

Druhá skupina.............................................................................................................. 209

3.16.3

Třetí skupina ................................................................................................................ 209

3.17

Smart Grids a bezpečnost .................................................................................................... 209

3.17.1 3.18

Některé z možností kybernetických nebezpečí ........................................................... 209

Dílčí postupy při budování SG ............................................................................................. 210

4

Uplatnění na trhu práce a požadavky na absolventy .................................................................. 212

5

Zkušenosti s praktickým vzděláváním v zahraničí ....................................................................... 214 5.1

6

Něměcko.............................................................................................................................. 215

Závěr ............................................................................................................................................ 217

180

1

Úvod

Poslední částí dokumentu v rámci projektu „Inspiruj se a vzdělej se“ reg. č.: CZ.1.07/1.3.49/01.0004, který je podpořen Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky a realizátorem projektu je Střední odborná škola a Střední odborné učiliště Roudnice nad Labem, je obor telekomunikace. Tento dokument Vám přiblíží aktuální trendy a novinky v oblasti telekomunikace a nastínit správné a efektivní metody, kterými by pedagogové, kteří vyučují tento předmět postupovat. Cílovou skupinou tohoto projektu jsou pedagogové vybraných středních škol a odborných učilišť. Vzdělávací program vychází zčásti z již vytvořené publikace „Aktuální trendy a přehled novinek v oboru“. Tento program může velkou mírou přispět k odbornému růstu cílových skupit, tedy pedagogů středních odborných škol a učilišť a též k vyššímu uplatnění studentů na trhu práce, jelikož publikace též poukazuje na aktuální trendy v zahraničním vyučování, které mohou být pro tuzemské odborné školy a učiliště velmi inspirativní a některé z metod mohou též převzít.

1.1 Školská zařízení Zmíněná publikace mimo jiné prezentuje několik škol v regionu severočeského kraje. Není to vyčerpávající seznam, ale je to vzorek, který přibližuje současný stav v tomto oboru. Jsou zde uvedeny nejen školy střední, ale i učiliště. U uvedených škol je pak i přehled studijních oborů, které se na škole vyučují.

1.2 Firmy a společnosti Současně jsou uvedeny i podniky a společnosti, jejichž dominantní náplní je práce a činnost právě v oblasti telekomunikací a s nimi spojenými obory, aktivitami. V portfoliu prezentovaných firem je většinou široká nabídka služeb. Prakticky žádná z uvedených firem nemá ve své náplni prvotní výrobu respektive produkci zařízení. Jedná se vesměs o firmy, nabízejí instalace telekomunikačních zařízení, budování datových sítí, instalaci kabelové televize, služby v oblasti zabezpečování, servis telekomunikační techniky atd. Za trochu specifickou činnost těchto firem lze považovat služby poskytované v oblasti softwaru. Tedy tvorbu programů podle přání zákazníků.

1.3 Telekomunikace Obor telekomunikace je možno chápat jako ryze specifickou, do jisté míry snad i exkluzivní disciplínu. Popsat rozpětí a oblastí, do kterých zasahuje, není jednoduché, pokud je to vůbec možné. Ale přes všechny složité vztahy a závislosti a vzájemné prolínání je nutné nějak specifikovat alespoň nosné disciplíny. O to horší bude poskytnout odpovídající vzdělání, teoretickou výbavu a odpovídající manuální zručnost. Pro pochopení principů a jevů, na kterých telekomunikace staví, je základem fyzika, respektive její obor elektrotechnika a v současné době už i optika. Těsně spjaté s telekomunikacemi jsou i informační technologie.

181

1.3.1

Elektrotechnika

Ve své praxi se bude pracovník setkávat s požadavkem znalosti základních teoretických znalostí jak z elektrotechniky a tak i elektrikářské praxe. Nelze tedy podcenit výuku základů elektrotechniky. Je spíše otázkou stanovení přijatelné kvantity. Rozsah potřebných znalostí a hloubku teoretických témat, nastavují jednotlivé instituce na základě poznatků ze zpětných vazeb od svých absolventů. Bohužel ani přesto, že se celý obor posouvá rychle vpřed, nelze tato podstatná témata podcenit. Protože v praxi se pracovníci telekomunikací běžně setkávají s elektrickým zařízením a přístroji nelze vynechat ani otázky bezpečnosti v elektrotechnice. 1.3.2

Informační technologie

Informační technologie souvisí s telekomunikacemi tak těsně, že nelze ani vymezit hranici jednotlivých oborů. Existují témata, kde můžeme hranice najít. Je to například kódování z pohledu přizpůsobení signálu přenosovému médiu, na rozdíl od kódování v informačních technologiích, ale často jsou rozdíly malé, a je na pedagogovi aby se sám rozhodl, co je podstatné a naopak co lze „opomenout“.

182

2

Výuka oboru Telekomunikace

2.1 Klíčové požadavky na studenta Pro schopnost orientace v oboru je třeba zvládnout základní stavební kameny tohoto oboru, za které lze mimo jiné označit. 2.1.1    2.1.2 







2.1.3 

Základy přenosu zpráv: terminologie používaná při přenosu zpráv, definice základních pojmů, definice obecného spoje (viz obr. 1 Sestava obecného spoje pro jednosměrný přenos zpráv), telekomunikační signály a telekomunikační kanály, definice kanálu a jejich šířky. Základy přenosu telekomunikačních signálů přehled modulačních metod o spojité modulace AM, FM, PM, o impulsní modulace, kvantová, nekvantová PCM, DPCM, DM apod., digitální signál o definice, abecedy, kódy, o přenosová a modulační rychlost, o chybovost, zkreslení. zabezpečení přenosu digitálních signálů, proti chybám Obr. 2. Je třeba zdůraznit a důsledně odlišovat zabezpečení technické a zabezpečení bezpečnostní z hlediska kryptologie. o parita jednoduchá, křížová, cyklické a opravné kódy. veličiny pro hodnocení signálů o logaritmické veličiny, o útlum výkonu a napětí, o zkreslení signálu, o hluky, šumy přeslechy. Přenosové cesty metalická vedení o symetrická vedení (jejich charakteristické parametry a vlastnosti), o koaxiální kabely, o optická vlákna, o bezdrátový přenos.  infračervené záření,  radiový přenos,  družicový přenos.

183

Rušení spojité i impulsní

Zdroj zprávy

Měnič zprávy

Měnič signálu

Zkreslení zprávy

Lin. a nelin.zkreslení zprávy

Přenosová cesta

Lin. a nelin zkreslení

Zp.měnič signálu lin. a nelin. zkreslení

Vysílací část

Zp.měnič zprávy Lin. a nelin.zkreslení zprávy Přijímací část

Přenosový kanál

Spoj Obrázek 1 Sestava obecného spoje pro jednosměrný přenos zpráv; Obrázek je z knihy: Jaroslav Svoboda, Telekomunikační technika 1. Díl.

Příjem zprávy 184

Způsob zabezpečení

Bezpečnostní kódování

Korekční kódy

Zpětnovazeb ní metody

Detekční kódy

nesystematické kódy mzn

jednoduchá parita

informační zpětná vazba

rozhodovací zpětná vazba

systematické kódy

křížová parita

cyklické kódy

Obrázek 2 Informační zv. pracuje tak ,že zpráva se odešle příjemci. Ten ji vrátí. Je-li shoda, jede se dál. V opačném případě se cyklus opakuje. Rozhodovací zv..odeslaná zpráva je vybavena zabezpečením (CRC), je-li zpráva vyhodnocena jako správná, rozhodne přijímač a pokračování, jinak si vyžádá opakování.

185

2.1.4  



 





Druhy telekomunikačních sítí telefonní síť. - základní služba - přenos hovorových signálů prostřednictvím telefonních kanálů. (mnohokanálová telefonie, TDM, FDM), rozhlasová síť. - zajišťuje přenos rozhlasových signálů mezi zdrojovými (rozhlasová studia, reportážní body) a distribučními místy (rádiové vysílače) nebo mezi zdrojovými místy navzájem, televizní síť. - Zajišťuje přenos TV obrazu (videosignál) a příslušných zvukových doprovodů (rozhlasový signál) mezi zdrojovými (TV studia, reportážní místa) a distribučními místy (TV vysílače, distribuční zesilovače kabelové TV) nebo mezi zdrojovými místy navzájem, datová síť. - Přenos digitálních signálů nesoucích data. Místní (lokální) datové sítě nebo dálkové datové sítě, Internet - celosvětová síť, dispečerská řídící síť. - Vytvořena pro řízení technologických nebo dopravních procesů. Přenos služebních informací (hovor, text), signálů od čidel a měřidel, dálkového ovládání a signalizace, ISDN (Digitální síť s integrací služeb). - Umožňuje realizovat v jediné účastnické síti různé služby (telefonní, datové, dokumentové telegrafie, slouží jako přístupová síť k jiným telekomunikačním sítím (telefonním, datovým), inteligentní telekomunikační síť. - Kromě integrace služeb další centrální služby umožňující zvyšování účinnosti spojovacích procesů na základě centralizovaných informací o účastnících, tarifech, okamžitém provozním stavu sítě.

Každá z těchto sítí má svoje zákonitosti a je poměrně teoreticky náročná. Nelze předpokládat dokonalou znalost všech. Zřejmě se bude klást důraz na ty druhy sítí, které jsou pro daný obor nosné. Nicméně z hlediska všeobecného přehledu by i v ostatních typech sítí měl student mít alespoň rámcový přehled. V praxi se bude setkávat jak s různými druhy sítí, tak i kombinacemi přenosových medií.

2.1.5

Přenos dat v telefonní síti

Telefonní síť je jednou z nejstarších cest, využívanou původně pro přenos analogového signálu a pro tyto účely byla také konstruována. S nástupem digitální techniky se ukázala potřeba využít tyto spoje efektivně, také pro přenos digitálního signálu. Důležitou ne-li dominantní úlohu zde sehrály datové měniče. Úkolem datových měničů je přizpůsobit digitální signál tak, aby mohl být přenesen co nejdále s nejmenším zkreslením. I přesto, že v současné době nastoupily jiné principy a modernější technika nelze tyto datové měniče, potažmo modemy zcela zatratit a lze říci, že mají svoje opodstatnění stále. Že problematika modemů je široká lze odvodit i z obrázku č. 3, na kterém je rozdělení modemů – datových měničů, podle principů činnosti uvedeno.

Datové měniče

v základním pásmu

GDN

DMZP

V přeloženém pásmu(modemy)

s akustickou vazbou

s elektrickou vazbou

pro širokopásmové kanály

HDSL

ADSL

SDSL

VDSL

širokopásmové modemy

pro telefonní kanály

sériové modemy

paralelní modemy

Obrázek 3

Pokud bychom připomněli nejčastěji používané modemy v účastnické síti, pak se jednalo o zařízení, jejichž vlastnosti a parametry byly předepsány doporučením, které vzešlo z ITU-T. Pro telefonní provoz jsou to pak doporučení řady V. Příslušné doporučení udává přenosové rychlosti dopředného i zpětného kanálu, typ modulace signálu, frekvenci nosného kmitočtu atd.

187

2.1.6

Přenosové cesty

Tato zdánlivě jednoduchá pasáž znalostí telekomunikační techniky si zasluhuje pozornost. V předchozím textu je zmínka o rozdělení přenosových medií. Často jsou alfou a omegou dobrého, správného a hlavně bezporuchového přenosu informací. Signály jsou přenášeny pomocí elektromagnetických vln. Elektromagnetická vlna se ve vakuu šíří rychlostí světla tedy asi 3.108 m.s-1. Tato rychlost je tedy konečná a je nutno zdůraznit, že je tedy závislá na prostředí. Z toho nutně vyplývá, že při přenosu kovovými vodiči klesá na zhruba 2.108 m.s-1. Jako nejstarší přenosová (pokud nebereme v úvahu první pokusy s koheherem) můžeme chápat metalická vedení. U všech metalických vedení je nutné, brát v úvahu jejich elektrické parametry. Jsou to:     

primární parametry měrný odpor R [/km] měrná indukčnost L [mH/km) měrná kapacita C [nF/km] měrný svod G [S/km]

Toto jsou parametry, které způsobují při přenosu signálu jeho postupné slábnutí. Hovoříme tedy o parametrech, které mají vliv na útlum. Vedle toho jsou důležité i tzv. sekundární parametry. Je to především charakteristická impedance. Dále jsou to měrný fázový posun a fázová rychlost šíření. To jsou parametry, které ovlivňují šíření signálu po vedení. Tedy zde budeme hledat vysvětlení proč obdélníkový signál, který na vstupu do vedení bude mít tvar přesného obdélníku, bude po své cestě degradován, což má vliv nejen na jeho velikost, ale působí také omezení přenosové rychlosti (ale to už patří do oblasti nikoli klasické telefonie, ale do přenosu digitálních signálů). Pozornost zaslouží i vlastnosti a chování prostředí při přenosu signálu bezdrátově. 2.1.7

Impedanční přizpůsobení

Při přenosu signálu je jedním z nejdůležitějších faktorů impedanční přizpůsobení. V ideálním případě se jedná o stav, kdy výstupní impedance vysílače, impedance přenosového media i vstupní impedance přijímače jsou shodné. To je důležité proto, že při nesouladu tohoto parametru, dochází k situaci, kdy postupně se šířící vlna narazí na nekorektně ukončené vedení, odrazí se a vrací se zpět. Postupná i odražená vlna se pak podél vedení sčítají a vznikají místa, kde jsou obě místa ve fázi nebo v protifázi a výsledkem jsou místa lokálních maxim respektive minim. Tento jev se nazývá stojaté vlnění. Jeho negativní vliv je třeba spatřovat v tom, že část signálu je vyzařována do prostoru, tedy dochází ke ztrátě užitečného signálu. Navíc se vedení chová jako anténa a vyzařuje energii, která může způsobovat rušení v jiných médiích a vlastní vedení se stává rovněž náchylné k příjmu rušivých signálů z okolí.

188

2.1.8

Symetrická vedení

Jedná se o dvouvodičové vedení, dva vodiče-pár. Dva tyto páry jsou stáčeny do tzv. čtyřek a ty pak jsou základem telefonních kabelů. Zpravidla se jedná o Cu vodiče s plastovou izolací. Jejich přípustné napětí mezi žílami nepřekračuje 360V. Průměr vodičů je 0,8; 1,0 nebo 1,2 mm. Čím je průměr větší, tím je útlum kabelu menší. Pro přenosy datových informací jsou asi nejrozšířenější kabely známé pod pojmy UTP- Unshielded Twisted Pair STP – Shielded Twisted Pair V běžné praxi se setkáváme s pojmem kroucená dvoulinka. U tohoto typu kabelu jsou samotné páry skutečně stáčené a posléze i jsou stáčeny i páry vůči sobě. Toto je prováděno proto, aby se vyvážily parametry kapacity a indukčnosti a zlepšily se elektrické parametry.

Obrázek 4

Jak vypadá kabel který je nejrozšířenější při použití v datových sítích je vidět na obr. 4. Poznámka. Stínění má především bránit pronikání rušení z vnějšího prostředí, ale je třeba při použití těchto kabelů dbát na správný postup při uzemňování stínění, aby se nevytvořily smyčky proudů, které by paradoxně mohly přispět k vyššímu rušení. Symetrické kabely pro přenosy dat potom jsou rozčleněny do kategorií. Viz tabulka 1. Šířka pásma je limitujícím faktorem pro přenosovou rychlost příslušného kabelu. Pochopitelně kvalita kabelu je také doprovázena cenou, a tak při volbě media v navrhované síti bude třeba zvážit potřeby a případně výhled do budoucna.

189

Označení Typ

Šírka pásma

Uplatnění

Cat1

0,4 MHz

Telefonní a modemové linky

Cat2

4 MHz

Starší terminály (např. IBM 3270)

Cat3

UTP

16 MHz

10BASE-T a 100BASE-T4 Ethernet

Cat4

UTP

20 MHz

16 Mbit/s Token Ring

Cat5

UTP

100 MHz

100BASE-TX & 1000BASE-T Ethernet

Cat5e

UTP

100 MHz

100BASE-TX a 1000BASE-T Ethernet

Cat6

UTP

250 MHz

10GBASE-T Ethernet

500 MHz

10GBASE-T Ethernet

Cat6a

Class F

S/FTP 600 MHz

Class Fa

2.1.9

1000 MHz

Telefon, CCTV a 1000BASE-TX na stejném kabelu, samostatně 10GBASE-T Ethernet. Telefon, CATV, 1000BASE-TX samostatně 10GBASE-T Ethernet.

na

stejném

kabelu.

Koaxiální kabel

Skládá se z vnitřního měděného vodiče (drátu nebo lanka) a stínící vrstvy (opletení z měděných vodičů) mezi stínící vrstvou a vnitřním vodičem je izolační vrstva zajišťující jejich oddělení. Na materiálu této vrstvy záleží pak i parametry příslušného koaxiálního vodiče. Koaxiální kabel, protože používá stíněný obal je velice dobře odolný proti rušení elektrickou složkou. Tento kabel poskytuje dobré vlastnosti z hlediska útlumu na vysokých frekvencích. Je nepostradatelný například při použití v anténních svodech a při napájení vf přístrojů. Je však nutné také respektovat zásady jeho správné instalace.

190

2.1.10 Optická vlákna Optická vlákna podobně jako metalické vodiče slouží k přenosu elektromagnetických vln. El. mag. vlny o velmi vysoké kmitočtu (THz) jsou zároveň vlnami světelnými. Fyzikální struktura, která je schopna tyto vlny efektivně přenášet se nazývá Optický vlnovod, optické vlákno, optical fibre. Optické vlákno je možné ohýbat bez toho, aby to mělo zásadní význam na přenos světlanemusí být zajištěna přímá viditelnost. Princip přenosové cesty s optickým vláknem. Převod O/E

Převod E/O El.signál

Vysílač

Optické vlákno

Přijímač

El. signál

Jako převodníky na straně vysílače jsou elektroluminiscenční diody (LED) nebo laserové diody. Jako převodníky na straně přijímače jsou použity fotodetektory, diody PIN nebo lavinové diody. Výhody přenosových cest s optickým vláknem:       

značná šířka přenosového pásma, což umožňuje vysoké přenosové rychlosti, malé rozměry a váha, nepřenáší se přímý elektrický signál, nevnikají rušivé proudy, zařízení jsou galvanicky oddělena, vlákna jsou imunní vůči přeslechům a vnějšímu rušení, přenos je bezpečný, prakticky nemožné je přenos odposlouchat, bez porušení kabelu, nízké ztráty energie při přenosudlouhé úseky bez opakovačů (zesilovačů), poměrně levné a nepoužívají strategické suroviny (Si).

Typy optických vláken o o o

mnohovidové vlákno mezi pláštěm a jádrem, jednovidové vlákno gradientní jádra 50 nebo 60,5m.

průměr jádra 100 až 400m, skoková změna indexu lomu průměr jádra 5 až 10m. průměr pláště 125m., mnohovidové vlákno s gradientním indexem lomu průměr

U vlákna je strategický parametr tzv. útlum (zeslabení signálu). Ten závisí na kvalitě vlákna. Příčiny útlumu jsou absorpce, mikroohyby paprsku (jsou dány kvalitou a homogenností vlákna), makroohyby (vznikají při pokládání a instalaci kabelu). K zajištění kvalitního signálu je potřeba zařazovat tzv. opakovače signálu, které signál zregenerují. Dosah přenosu je v řádu desítek km.

191

Nevýhody o o o o o

kabel při radiaci ztrácí kvalitu, degraduje, tmavne a zvyšuje útlum, pro napájení opakovačů je třeba přivádět energii dodatečnými kovovými vodiči, vlákno je křehké a proto je do kabelu potřeba zakomponovat odlehčovací prvky, Nastavování a oprava kabelu, připojování jsou technicky velice náročné operace Každá spojka, oprava nebo jiný zásah vnáší další útlum

Za důležitou vědomost pro práci s optickými vlákny lze považovat i základní fyzikální principy, díky kterým je parsek do vlákna navázán a jak se chová v průběhu přenosu vláknem. Navázání světelného paprsku do optického vlákna. Numerická apertura Princip přenosu světelného paprsku vlákna vychází ze Snellova zákona.

 Totální odraz ; Index lomu n1

Index lomu n2

Situace pro stav n1>n2 Mezní úhel

1

2=90° 2

Mezní úhel navázání NA

Paprsek nakonec zanikne

Jádro n1 Plášť n2

Materiál je volen tak, že n1>n2 192

U běžných optických vláken se neužívá celé spektrum k přenosu signálu, ale jen tzv. okna. To jsou kmitočtová pásma, kde má kabel nejmenší útlum. Tato okna jsou na vlnových délkách 850; 1300; 1500nm. Existují však i vlákna, která umožňují přenos v pásmu 1300 až 1600nm. Dosah a hlavně přenosová rychlost optického vlákna je dána tzv. disperzí. Impuls má sice na počátku přísně obdélníkový tvar, ale ten se postupně vlivem různých rychlostí přenosu jednotlivých spektrálních složek deformuje a ztěžuje tak rozlišení na přijímací straně a navíc se při větší rychlosti impulsy „slévají“, což pochopitelně ztěžuje rozhodovací proces na přijímací straně. Viz obr. 5. Z tohoto důvodu se také pro přenos na velké vzdálenosti využívá jednovidový optický kabel

Přijímač

Vysílač Optické vlákno Obrázek 5

Že optika, optické přenosy a rozvoj digitálních technologií jsou hybatelem v přenosových sítích, není třeba asi vést diskusi. Jen na území ČR operuje několik společností, které v rámci páteřních sítí využívají řádově tisíce kilometrů optických kabelů. Díky dalším technologickým posunům, jako jsou například rozbočovače (spiltter), je možné mnohem efektivněji využít přenosovou kapacitu optických kabelů. Je tak docilováno přenosových rychlostí až 10Gb/s. Dá se konstatovat, že donedávna slabé místo pro přenosy dat, tzv. Poslední míle, je dnes díky moderním pasivním rozbočovačům vyřešena a i běžný uživatel dostává data rychlostí, kterou v současné době ani efektivně nevyužije. Dalším faktorem hovořícím ve prospěch této technologie jsou nižší náklady na údržbu a režii. Pasivní rozbočovače nepotřebují napájení. Tudíž odpadá problém „vypadlý jistič“ pro klasický přepínač respektive router. Rozvíjí se přípojky FTTH (Fibre To The Home – optické vlákno do domu). Spíše pro ilustraci současných možností, které z toho plynou pro uživatele, uvádím několik údajů firmy RIO Media, a.s. RIO Media nyní na svých plně optických FTTH sítích nabízí standardně symetrickou rychlost 50/50 Mb/s za 238 Kč (s DPH) a 100/100 Mb/s za 338 Kč s DPH. Tyto rychlosti nesnižuje agregace, jako je tomu v případě ADSL nebo bezdrátových technologií. Pro srovnání technologie ADSL dosahuje průměrně rychlosti stahování dat 4,6 Mb/s, což je díky agregaci zhruba pouze 56% rychlosti, kterou si zákazníci objednali. Při odesílání dat navíc dosahuje technologie ADSL zhruba desetinové rychlosti oproti stahování. V porovnání s rychlostí dosahovanou ADSL tak RIO Media poskytuje 10krát vyšší rychlost stahování dat a 100krát vyšší rychlost odesílání. Zdroj: Firemní materiály RIO Media, a.s. 193

2.1.11 Kódy Za poněkud specifickou pasáž lze označit problematiku kódování. 2.1.11.1 Kódy jako binární vyjádření informace—abecedy Alespoň některé zástupné kódy jak se historicky vyvíjely. Morseova abeceda, CCITT č.2, DKOI, EBCDIC, ASCII (sedmi respektive osmibitový), Unicode, UTF 8, UTF 16, UTF 32.

2.1.11.2 Specifické kódy-grafické kódy

Čárové kódy

QR kódy 2.1.11.3 Fyzikální interpretace kódů Binární data při přenosu informací mohou mít různý formát, tedy tvarovou podobu. Je to proto, že digitální signál se při přenosu potýká s celou řadou „nástrah“, které tento signál degradují, někdy dokonce znemožní jeho přenos. Neprojde přes transformátory, nemá vyhovující kmitočtové spektrum apod. Formáty, které by měly optimalizovat přenos z hlediska vlastností přenosových medií pak lze rozdělit následujícím způsobem. 

signály NRZ-Non Return Zero(bez návratu k nule) o unipolární , o bipolární, o polární.

194







  

signály NRZ jsou charakteristické tím, že veličina vyjadřující příslušný stav zůstává v příslušné hodnotě po celou dobu trvání datového symbolu. U signálů RZ (return zero), pak zaujímá jen část doby trvání impulsu a vrací se k nulové hodnotě, Manchester – je to kód který vyjadřuje bitovou informaci změnou polarity. Jeho výhodou je

schopnost autosynchronizace, al e na druhé straně vyžaduje dvojnásobnou šířku pásma, HDB3-(High Density Polar), nahrazuje souvislé sekvence změnou Ten je zajímavý tím, že lze odvodit synchronizační signál přímo z přenášeného datového signálu. Neobsahuje stejnosměrnou složku. Bohužel však vyžaduje téměř dvojnásobnou šířku pásmav porovnání s NRZ signály, AMI- nuly zůstávají na nulové hodnotě a jedničky jsou střídavě reprezentovány stavy +1 a 1.PCM 1. Řádu, 2B1Q-kóduje vlastně dibity, čímž se sníží modulační rychlost. Použití v ISDN, CMI;MCMI (Code Mark Inversion/MCMI). V optických traktech, kde nelze vyjádřit více než dva stavy.

L

195

2.1.12 Druhy modulací 2.1.12.1 Analogová modulace

V této modulaci můžeme měnit parametry A,  a . Podle toho, který parametr je měněn pak modulaci nazýváme

Amplitudovou, kmitočtovou respektive fázovou.

Spojité modulace

Amplitudová

Úhlová

AM

Kmitočtová

Fázová

FM

PM

196

2.1.12.2 Impulzní modulace

Amplitudová PAM Nekvantovaná

Polohová PPM Šířková

Impulsní modulace

PŠM(PWM) Pulsně kódovová PCM Kvantovaná Delta M

Kombinací metod vzniká nepřeberné množství kódovacích schémat, které přináší různé výhody a optimalizují přenosový proces.

197

2.2 Metody při výuce Možné metody a způsoby výuky jsou nastíněny v části věnované výuce předmětu Elektrotechnika. Tyto metody se zřejmě nebudou nijak diametrálně odlišovat v tak příbuzném oboru jako jsou telekomunikace Jako v ostatních odbornostech i zde mají školy rámcové vzdělávací plány a programy, ze kterých vyplývá, co je náplní jednotlivých předmětů v příslušných specializacích. Pokud se domníváme, že v některých oborech jde poznání a praxe rychle dopředu a inovační cykly a technologické postupy se dynamicky rozvíjí, pak to v oboru Telekomunikace platí dvojnásob. Výrobky, přístroje, počítače, telefony, zabezpečovací prvky, přenosové a spojovací prostředky jsou často nahrazovány dřív, než bylo původně plánováno. Jejich morální zastarání předbíhá jejich fyzické opotřebení. A tento trend se zdá být čím dál rychlejší. V tomto prostředí není jednoduché připravit odborníky tak, aby při nástupu do zaměstnání byli v obraze. Ideální by bylo, kdyby byli připraveni tak, aby byli vychováni s jakýmsi předstihem. Určitě nebudou všichni pracovat ve vývoji a na super moderních zařízeních. Běžný provoz potřebuje i lidi pro běžnou každodenní rutinní práci. Ale tak či tak není asi jednoduché sladit požadavky na profese s požadovanou specializací. Například požadavky na zaměstnance, které jsou u jednotlivých podniků (plyne to jednoznačně i z citovaného materiálu) jsou skutečně širokého spektra. Jsou to profese, které vyžadují manuální zručnost, pochopitelně fyzickou zdatnost, přes řekněme standardní znalost elektrotechniky a principů telekomunikací až po profese, které by se měly vyrovnat se špičkovými technologiemi, a měřicími přístroji. Také by měli být zdatní odborníci v oblasti softwaru, protože právě řízení a nastavování vlastností, funkcí a chování zařízení je často závislé na úpravě či modifikaci softwaru. V dnešních inzerátech často nacházíme požadavky na zaměstnance, které zřejmě prošly přes personální útvary, jejichž úkolem je zpracovávat inzeráty a připravovat výběrová řízení. Tyto požadavky jsou často takové, že by je neobsáhl ani absolvent několika vysokých škol a jsou často vzdáleny realitě. 2.2.1

Výklad

Přístup k této metodě bude prakticky totožný s tím, co je řečeno o výkladu v materiálu Elektrotechnika. Do výkladu lze pro oživení zainteresovat i studenty. Tato interakce je však odvislá od tématu a také od úrovně studentů. Diskuse a polemika na různá témata se ukazuje jako rozumná a přínosná ve vyšších ročnících. To však nelze brát jako dogma a situace bude určitě ovlivňována nejen odbornou zdatností, ale i mentální vyspělostí třídy nebo skupiny studentů. Určitě na úroveň takovýchto oživených výkladů má i počet studentů ve třídě.

198

2.2.2

Individuální zapojení studentů.

Opět lze konstatovat, že přístup bude totožný s tím, co je v kapitole Elektrotechnika. Určitě se této metodě nelze vyhnout, i když přináší různá pedagogická úskalí. Vedle vlastního přínosu technického a vědomostního je i důraz na schopnost prezentace daného tématu. Studenti si ověří svoje schopnosti předávat informaci publiku, zjistí, jak jsou na tom se slovní zásobou a schopnostmi improvizace, případně jak umí reagovat na dotazy ze strany studentů i lektora. Vyjadřovací schopnosti studentů obecně mají klesající tendenci, což je v některých případech alarmující. Není asi náplní odborných učitelů učit studenty mluvenému projevu, ale pokud je prostor a šance, není na závadu tyto kompetenci podporovat. 2.2.3

Praktické ověření, práce v laboratoři

Stejně jako v jiných technických oborech má i práce v laboratořích nezastupitelnou úlohu. Je oproti jiným oborům o to složitější, že vyžaduje poměrně drahé a často jednoúčelové vybavení. Zvláště pak pro specializované obory. To co bude platit o možných praktických úlohách, které mají být aktuální a odpovídat moderním trendům, bude ve stejné míře platit pro měřící techniku. Mají-li zvláště složitější úlohy být správně pochopeny, vyžaduje to často úzkou mezipředmětovou vazbu. Nebudou asi vzácné případy, kdy studenta práce v laboratoři a na úlohách baví, ale jaksi podvědomě se brání hlubšímu proniknutí do fyzikální podstaty a matematického aparátu. 2.2.4

Zpracování závěrů úloh

Student, který pracuje na úloze, by po jejím provedení, uvedení do chodu případně změření měl nějakým způsobem koncipovat závěr a získané poznatky, které mu úloha přinesla. Pokud se tato závěrečná hodnocení nevyžadují, lze těžko očekávat, že studentům nějakým hlubším způsobem problematika v hlavě zůstane a že si odnese alespoň část toho, co bylo záměrem. Pokud studenti zpracovávají skupinově úlohy, je asi optimistické očekávat individuální zpravování. Někde je těžké dokazování, že je úloha zpracována jednou a jen opticky poopravena, zvláště když jsou výsledky správné. Individuální zadávání a hodnocení je sice možné, ale přináší neúměrné nároky na pedagoga, a to pak hlavně při přípravě a samotné praxi. Jsou určitě úlohy, kdy je nutné zkontrolovat jejich správnost a je-li vyučující sám, vznikají dlouhé prodlevy a psychická zátěž na vyučujícího je často enormní. Zvláště pokud jsou skupiny studentů velké. Často tomu tak je, protože vedení škol se brání dělení tříd kvůli úsporám financí.

2.2.5

Hodnocení studentů

Není asi nijak diametrálně jiný přístup k hodnocení studentů v různých oborech a předmětech. Hodnocení teoretických znalostí je asi doménou každého pedagoga. Je i na něm a charakteru předmětu jakým známkám dává vyšší prioritu. Zda preferuje ústní zkoušení, testy apod. Snad nekonečná polemika se vede kolem hodnot známek za odevzdané závěry z úloh, referáty nebo jak tyto výstupy nazveme. Jsou protichůdné názory nejen na jejich hodnocení, ale i váhu těchto známek. Většina kantorův praxi zastává názor, že v termínu neodevzdaná práce musí být náležitě ohodnocena a to v plné hodnotě. Těžko lze jinak očekávat, že studenti budou práci odevzdávat

199

v termínu. Na druhé straně, vzhledem k většinou kolektivnímu pojetí pak je třeba výsledkům přiřadit příslušnou hodnotu. Přímé hodnocení při práci v laboratoři většinou není považováno za rozumné. I když určitě lze objevit aktivní přístup, rychlost reakce, intuici, aplikaci teorie apod. Ale tohle by měl být pedagog schopen jaksi na pozadí vnímat a přihlédnout k tomu při závěrečném hodnocení.

2.2.6

Exkurze a spolupráce s podniky, odborný výcvik.

Forma exkurze je velmi praktickou ukázkou, jak přeměnit teorii v praxi. Pedagog rozhoduje o tom, kam se studenti v rámci exkurze podívají. Záleží na mnoha faktorech, ať již jde o to, zda v daném regionu působí firma, která by byla ochotna studentům poskytnout informace o své výrobě. Pokud ne, je třeba udělat exkurzi mimo regionu, avšak tyto exkurze jsou často velmi zajímavé a inspirativní, avšak jsou také finančně náročné. 2.2.7

Literatura, studijní materiály ostatní zdroje.

Vybrat dobrou literaturu pro studenty, kde je tak široký záběr témat, teorie a obrovský rozptyl nebude asi jednoduché. Jsou publikace, které lze považovat za podařené, ale přesto je často dilema zvolit takovou literaturu, která by byla dobrou pomůckou pro pochopení jednotlivých témat. Někdy jsou témata zpracována příliš přehledově, což může vyvolat neoprávněný dojem, že se jedná o jednoduché téma. Na druhé straně jsou učebnice, které při výkladu zabíhají příliš do hloubky, berou si na pomoc matematický aparát a téma se pak stává pro studenty nevstřebatelné. I zde, jako ostatně všude, se budeme (a studenti také) uchylovat ke zdrojům na Internetu. Ale stejně tak jako vždy při práci s Internetem, je důležité, aby si pedagog tyto zdroje ověřil. V případě zkušených pedagogů asi nehrozí nebezpečí převzetí nevhodných, neúplných nebo dokonce nesprávných informací. Ovšem v případě studentů je to na denním pořádku. Navíc jsou informace z internetových zdrojů často kusé, bez dalších návazností a souvislostí. Nijak příznivá situace je v současné době s odbornými časopisy. Řada dobrých časopisů zabývajících se telekomunikacemi a souvisejícími problémy bez náhrady zanikla. Pokud časopisy zůstaly, je v nich často příliš mnoho prezentací a firemních propagačních materiálů, které spíše prosazují výrobky firem a lze je často chápat jako reklamu než články, které by vysvětlovaly podstatu problému.

200

3

Aktuální trendy

Předchozí kapitoly se snažily poskytnout jakýsi přehled o základních znalostech, které by měly umožnit vstup do světa telekomunikací a světa, který se přetransformoval do ICT (informační a telekomunikační technologie) a přechází do světa, kde valná část pojmů je předcházena magickým písmenkem „e-xxxx“. Než se však přesuneme k těmto technologiím, alespoň v encyklopedickém záběru. Je dobré se zmínit o některých technologiích, které už se zabydlely v životě nás všech.

3.1 Telefony DECT (Digital European Cordless Telephone) Jedná se o bezdrátové telefony. I když jsou již z dnešního pohledu překonané, mají stále svá opodstatnění v privátních sítích. Umožňují jakousi obdobu roamingu, tedy umožňují poměrně rozsáhlé pokrytí signálem v omezeném teritoriu. Jeho využití může být v  privátním sektoru,  v malých podnicích. Jedna buňka,  ve větších aglomeracích – více buněk. Tento standard pracuje v oblasti 1880 až 1920 MHz. V tomto pásmu je deset nosných vln a stanice si vybírá tu nosnou, která zaručuje nejkvalitnější přenos. Radiová komunikace využívá paketovou podobu. Přestup do globálních sítí zajišťuje zpravidla PABX(private automatic branch

exchange) Oproti systému GSM poskytují kvalitnější přenos. A jedná se svým způsobem o privátní síť. To může být výhodné pro zajištění důvěrnosti komunikace na interní úrovni. Navíc tento systém je finančně mnohem efektivnější než využívání klasických sítí. Standard DECT pracuje na kmitočtu 1880 až 1920MHz.

3.2 RFID Radio Frequency Identification, identifikace na rádiové frekvenci. Princip identifikátorů navržených k identifikaci zboží, navazující na systém čárových kódů. Stejně jako čárové kódy slouží k bezkontaktní komunikaci na krátkou vzdálenost. Toto byl původní záměr. Současné použití této technologie však daleko překročilo původní předpoklad a proniká téměř do všech oblastí ve výrobní sféře i spotřebním průmyslu. Čipy jsou k dispozici v provedení pro čtení nebo pro čtení a zápis. Pro komunikaci využívají převážně nosnou frekvenci 125 kHz, 134 kHz a 13,56 MHz. Přidělené pásmo se odvíjí od frekvence přidělené pro příslušný světadíl. Stojí za poznámku, že čipy mohou být aktivní nebo pasivní. To podle toho jaký druh napájení pro svou funkci využívá. Aktivní jsou ty, které mají svůj zdroj a zpravidla tedy pracují na větší vzdálenost. Pasivní jsou takové, které pro svou funkci přijímají energii z blízkého vysílače a tu pak použijí ke své napájení.

201

Tato technologie se dnes běžně využívá ve skladovém hospodářství v řízení a organizaci dopravy, ale proniká i oblastí jako těžký průmysl, hornictví, zdravotnictví. Jejím přínosem je pak nejen větší efektivita ale a to hlavně spolehlivost, protože dokážeme vyloučit selhání lidského faktoru. Které zvláště ve vypjatých a stresových situacích může být příčinou fatální chyb. Jen jeden příklad za všechny. Sledování transfúze krve a jednotlivých derivátů od odběru až po aplikaci. Zajímavá aplikace. CarSharing. Zájemce o půjčování automobilu se přihlásí do programu, získá členskou kartu(RFID). Když potřebuje vůz, přes Internet si jej zamluví a pak jde na určené místo, kde je vůz zaparkován. Pomocí karty je odemkne a nastartuje. Tabulka používaných kmitočtů při realizaci RFID

Kmitočet 100 Hz 125-134 kHz

13,56 MHz

868.917 MHz

2,45 GHz/5,6 GHz

Použití Ochrana zboží Řízení přístupu Imobilizéry Značení majetku Přístup osob Logistika Dopisy Zavazadla Knihovny Doprava Sledování kontejnerů Palety Železnice, lokalizace vagónů Lokalizace automobilů Vozový park Lokalizace osob

poznámka Převážně pasivní

Zpravidla pasivní

Aktivní i pasivní

Aktivní Proti ostatním cenově náročná

3.3 NFC Near Field Communication, známé spíše pod zkratkou NFC, je technologie určena pro bezdrátový přenos dat na krátké vzdálenosti. Ta by neměla dle standardu ISO 13157 přesáhnout vzdálenost 20 cm. Přenos dat probíhá na frekvenci 13,56 MHz pomocí elektromagnetické indukce a jedná se o přenos typu half-duplex (v jednu chvíli může vysílat pouze jediné zařízení). Pro srovnání – Wi-Fi či Bluetooth pracují na frekvenčních pásmech okolo 2,4 a 5 GHz. Jelikož je NFC odvozena od standardu určeného například pro platební karty, předpokládá se její využití především v mobilních zařízeních všeho druhu. Přenosová rychlost NFC činí 424 kbit/s, což je pro její potřeby naprosto dostačující. 202

Použití NFC technologie může být alternativou, či kompletní náhrad pro platební systémy využívající debetní či kreditní karty a čipové karty (tzv. Smartcards).

3.4 GPRS Technologie GPRS (General Packet Radio Service) je realizována přenosem signálu v síti GSM (Global System for Mobile communications) určenou pro mobilní telefony v Evropě na frekvencích 900/1800 MHz. Na rozdíl od přenosu v rámci GSM, který byl založen na technice přepínání okruhů je systém GPRS založen na přepínání paketů Pro využívání tohoto typu připojení je třeba koncové zařízení pro příjem dat přes GPRS ať už je jím samotný mobilní telefon či modemy v podobě zařízení pro USB či PCMCIA se slotem pro SIM kartu. Tato zařízení se dělí na třídy A, B, C – třída A umožňuje simultánní využívání GPRS přenosu i hlasový přenos a patří do ní některé špičkové mobilní telefony, třída B umožňuje v jednom okamžiku buďto datový či hlasový přenos a patří do ní většina běžných mobilních telefonů podporující GPRS, třída C potom umožňuje jen datový přenos a patří do ní datová zařízení pro GPRS.

3.5 EDGE Skutečnost, že tento způsob připojení k Internetu je také označovaný jako EGPRS dává tušit, že jde o technologii vzešlou z GPRS (Enhanced) a má s ní tedy mnoho společného, samozřejmě funguje taktéž na síti GSM. Podporu EDGE lze v současnosti sice nalézt u většiny novějších modelů mobilních telefonů, avšak podpora ze strany operátorů nebývá zdaleka zaručena všude tam, kde je pokrytí signálem GSM, neboť tato služba je implementována v menší části BTS než u GPRS. Stejně jako předchozí typ připojení, i tento s sebou nese nešvar v podobě značné vysoké latence (pohybuje se kolem 500 ms). Velkým přínosem EDGE je podstatně vyšší dosahovaná přenosová rychlost.

3.6 Digitální televize I tato oblast spadá do služeb v rámci ICT. Během relativně krátké doby byl klasický analogový přenos nahrazen digitální službou, analogové vysílání bylo skončeno. Tento trend přináší spoustu výhod. Je to především koncentrace několika kanálů včetně rozhlasových do jednoho frekvenčního stvolu. Tím dojde k úspoře kmitočtového spektra, které se v současné době stává strategickou doménou.

3.7 Digitální rozhlas Stejná situace jako je v současné době v televizním vysílání nás v nejbližší době čeká i ve vysílání rozhlasových stanic, tedy přechod na digitální vysílání. Opět se čeká velký přínos od této technologie. Určitě je to úspora kmitočtových pásem. Všechny vysílače příslušného programu mohou vysílat na stejném kmitočtu. Přijímač ve svém časovém slotu vyhodnotí ten, který je pro něj momentálně nejkvalitnější. Rozhlasové vysílání bude možno doplnit o celou řadu dalších doplňkových informací.

203

3.8 WiFi-Bluetooth Tato pasáž by asi patřila spíše do kapitoly rozhraní informačních technologií, alespoň krátkou zmínku učiním zde. Technologie WLAN (Wireless Local Area Network) (Pozor na častou záměnu pojmů s WAN), která splňuje normu IEEE 802.11x je vlastně známa pod obchodním názvem Wi-Fi. Jedná se o bezdrátovou komunikaci, pracuje v pásmu ISM (Industrial Scientific and Medical). Jedná se o kmitočet 2,4GHz, který je vyhrazen právě bezdrátovým sítím. Bezdrátové sítě pracující v této oblasti, pak pracují ve standardu 802.11 a to rychlostí 2Mb/s. Tato specifikace doznala změn a vznikl standard 802.11b s rychlostí 11Mb/s a 802.11g s rychlostí 54Mb/s. Tabulka jednotlivých specifikací definuje teoretické rychlosti přenosu.

Standard

Pásmo [GHz]

Maximální rychlost [Mbit/s]

IEEE 802.11

2,4

2

IEEE 802.11a 5

54

IEEE 802.11b 2,4

11

IEEE 802.11g 2,4

54

IEEE 802.11n 2,4 nebo 5 600* V Evropě se pak jedná o pásmo 2,412 GHz – 2,472GHz. Toto pásmo je v Evropě rozděleno na 13 kanálů. Odstup mezi kanály je 5MHz. Jedná se tedy o klasický bezdrátový přenos, navíc při velmi vysokých kmitočtech. Při přenosu signálu tímto způsobem se uplatňuje spousta faktorů, které mají vliv na kvalitu přenosu (negativní účinky). Především je třeba dodržovat pravidlo přímé viditelnosti. Při překážkách pak dochází k útlumu, který je závislý od druhu překážky. Při větších vzdálenostech pak může být přenos a jeho kvalita ovlivněna odrazy signálu, ohybem signálu a také rušením z okolí. Bluetooth je v principu stejná jako Wi-Fi. Je primárně určena pro bezdrátovou komunikaci mezi zařízeními na krátké vzdálenosti. S Wi- Fi není kompatibilní. Pracuje ve frekvenčním rozsahu 2,402 až 2,480GHz.Dosah komunikace je 20 až 40m ve zvláště vhodných podmínkách až 100m. Maximální povolený vysílací výkon v tomto nelicencovaném pásmu je 100mW

3.9 Technologie využívající Internet 3.9.1

IP Telefon

IP telefon je v užším smyslu hardwarově řešený klient pro telefonii typu VoIP (Voice Internet protokol). Je to telefonní přístroj, který komunikuje prostřednictvím svého rozhraní protokolem IP. V

204

širším smyslu je IP telefonem každé koncové zařízení pro IP telefonii, bez ohledu na to jde-li o samostatný přístroj nebo o software, který umožňuje telefonování pomocí vhodného počítače. 3.9.2

Videokonference

Videokonference představuje moderní způsob multimediální komunikace, umožňuje současný přenos zvuku, obrazu a dat mezi dvěma i více účastníky. Je to také komunikace na libovolnou vzdálenost probíhající v reálném čase. Její způsob závisí na programovém vybavení. Videokonference jsou používány zpravidla v podnikatelském prostředí, kde šetří náklady na cestování. Díky schopnosti propojit více lokalit jsou schopny do značné míry nahradit například osobní setkání zaměstnanců různých poboček jedné společnosti. Poprvé byla videokonference provozována komerčně v 70. letech společností AT&T. Videokonferenční řešení mohou k zobrazení druhé strany (případně dalších stran - v případě propojení více lokalit) využívat jak běžné počítačové monitory, tak velké obrazovky, které navozují realističtější dojem setkání. Revoluci v oblasti videokonferencí by mohla znamenat technologie 3D videokonferencí, která umožňuje zobrazit člověka, se kterým probíhá komunikace na dálku, formou barevného hologramu v životní velikosti.

3.9.3

Streamové videa

Streaming (z anglického stream – proud) je technologie kontinuálního přenosu audiovizuálního materiálu mezi zdrojem a koncovým uživatelem. V současné době se streamingu využívá především pro přenášení audiovizuálního materiálu po internetu (webcasting). Webcasting může probíhat v reálném čase (internetová televize nebo rádio), nebo systémem Video on demand (např. YouTube). Pro streamování videa více uživatelům zároveň musí mít provozovatel k dispozici kromě obsahu také ještě streamovací server, který zajišťuje komunikaci s cílovými počítači a plynulé vysílání dat.

3.10 Satelitní přenosy Pro přenos signálů se vedle klasických telefonních kabelů, koaxiálních a optických kabelů, radioreléových přenosů využívá v širokém měřítku i služeb telekomunikačních družic. V daném případě mám na mysli geostacionární družice. Tyto družice jsou umístěny na drahách ve výšce cca 36 000km nad oblastí rovníků a bez jejich činnosti si dnes nelze komunikace ani představit.

3.11 Polohovací systémy a navigační systémy Global Positioning System, je vojenský globální družicový polohový systém provozovaný Ministerstvem obrany Spojených států amerických, s jehož pomocí je možno určit polohu a přesný čas kdekoliv na Zemi nebo nad Zemí s přesností do deseti metrů. Přesnost GPS ze s použitím dalších metod ještě zvýšit až na jednotky centimetrů. Část služeb tohoto systému s omezenou přesností je volně k dispozici i civilním uživatelům. Kosmický segment byl projektován na 24 družic, ale nyní je využíván až na mezní počet 32, pro další navyšování počtu bude třeba změna vysílaného signálu. Družice obíhají ve výšce 20 200 km nad povrchem Země na 6 kruhových drahách se sklonem 55°. Dráhy jsou vzájemně posunuty o 60° a na každé dráze jsou původně 4 pravidelně nyní 5-6 nepravidelně rozmístěné pozice pro družice. 205

V České republice je nejčetnější viditelnost 8 družic (medián), minimum pak 6, maximum 12 družic, při elevační masce 10°. GLONASS je globální družicový polohový systém (GNSS) vyvinutý v SSSR a nyní provozovaný ruskou armádou. S jeho pomocí je možno určit polohu a přesný čas kdekoliv na Zemi nebo nad Zemí. Část služeb tohoto systému s omezenou přesností je volně k dispozici i civilním uživatelům. Je obdobou amerického vojenského GNSS GPS. Galileo - Navigační systém je plánovaný evropský autonomní globální družicový polohový systém (GNSS), který by měl být nezávislou obdobou amerického systému Navstar GPS a ruského systému GLONASS. Jeho výstavbu zajišťují státy Evropské unie prostřednictvím Evropské kosmické agentury (ESA) a dalších institucí. Všechny tyto systémy používají k pokrytí planety několika desítek telekomunikačních družic, které obíhají zeměkouli v eliptických drahách. Díky tomu, že uživatel má v každém okamžiku spojení nejméně se třemi, lze přesně určit jeho polohu.

3.12 Smart Aplikace metod Smart Metring, Smart Grid, Smartt City atd. a napomáhají k promísení informačních a telekomunikačních technologií do mraku tzv. e-služeb. Snad by se dalo říci, že pojmem Smart označujeme pronikání chytrých technologií i do dosud konzervativních oborů. Například Smart Grids by měla zajistit efektivní výrobu a distribuci elektrické energie. Znamenalo by to efektivně vyrábět elektrickou energii, vhodně začleňovat a využívat energii získávanou nejen z jaderných a uhelných elektráren ale i z alternativních zdrojů. Součástí takovéto koncepce je Smart Metering, což je zavedení a využití chytrých elektroměrů. To by mělo odběratelům umožnit sledování odběru energie v reálném čase a lépe tak regulovat své požadavky. Díky tomuto přístupu, ale i dalším modernizacím se předpokládají velké úspory v energetice. Telemetrický systém Schneider Electric, Scada Systém

Donedávna ještě zdánlivě nesouvisející oblasti jako je Elektroenergetika a Telekomunikace dnes zažívají prudký růst. Tento proces je vyvolán progresivní změnou v energetice, jejích zdrojích a vyplývá z nutnosti vzájemné a hlavně okamžité reakce na aktuální potřeby zákazníků, výrobců a dodavatelů elektrické energie. Tento trend posunul hranice vzájemné konvergence obou oborů a je zatím na počátku nové epochy. S tím je spojena celá řada dosud neřešených problémů. Vzhledem k náročnosti a hlavně investičním objemům, je třeba už nyní zavádět takové technologie, které mají perspektivu přežít minimálně jedno až dvě desetiletí.

206

Zdánlivě jednoduché problémy se však dostávají do poloh, které je nutno řešit nejen klasickým přístupem, ale i v kooperaci nejen zavedením špičkových technologií telekomunikační techniky, ale i oborů informačních technologií a bezpečnostních opatření. Protože tato problematika zasahuje i přes hranice států a stává se mezinárodním problémem, je nutno ji řešit na nadnárodní úrovni. Touto problematikou se zabývá následující pasáž.

3.13 Smart Grids12- Inteligentní energetické sítě. Slovo SMART se dnes využívá velmi hojně. Pokud zůstaneme v oblasti energetiky, elektrotechniky a informačních technologií, pak lze pojmou problematiku tak jak se ustálila a vychází z pojmu „Smart Things“. Sem patří Smart Cities, Smart Homes a také Smart Grids.

3.14 Co je to Smart Grids Smart Grids představuje integrální spojení energetických a telekomunikačních sítí, které směřuje k efektivnímu řízení výroby a spotřeby elektrické energie v reálném čase, jak v lokální, tak i globální oblasti. Princip je založen na obousměrné interaktivní komunikaci mezi dílčími provozními body sítě na straně výroby, rozvodu i spotřeby energie. Teleinformatické prostředky v síti umožňují v reálném čase sběr informací, diagnostiku a operativní řízení na straně výroby a rozvodu, ale i rozšíření možnosti v oblasti prodeje, volbu tarifní možností podle programovaných, či okamžitých požadavků spotřebitelů. Pod pojmem energetická síť se však skrývá vedle elektroenergetické sítě i síť pro výrobu a rozvod plynu, tepla ale i vodárenská síť. V současných sdělovacích prostředcích a osvětě směrem k veřejnosti se zdá, že je vše téměř hotovo a udělali jsme obrovský skok kupředu v organizování energetické politiky. Celá záležitost a situace je však mnohem závažnější.

3.15 Koncepce vytváření sítí Smart Grids Vytváření sítí Smart Grids především vyžaduje změnu koncepce v energetické síti. Charakteristický model současné sítě je reprezentován relativně malým počtem klasických energetických zdrojů s velkými výkony odkud se energie přenáší k velkému množství spotřebitelů. Tedy elektrárna přenosová soustava 400, 220 a 110 kV. Distribuční síť 35, 22, 10 respektive 0,4kV.

12

Grid- rozvodná síť

207

Elektrárna

Elektrárna

Elektrárna

Přenosová soustava

Distribuční Soustava

Distribuční Soustava

Spotřebitelé

Jak je ze schématu patrné jedná se především o jednosměrný tok elektrické energie. Se vzrůstajícím počtem menších a malých zdrojů, které jsou a budou připojovány do energetické sítě, ať jako vysokonapěťové nebo nn bude třeba vyřešit řadu problémů, které budou vyžadovat mnohem složitější řídící systémy.

FV

Větrná el.

Elektrárna Elektrárna

Jedná se tedy o zcela jiné topologické uspořádání, které navíc vyžaduje dostatečně dimenzovanou teleinfromatickou infrastrukturu. Musí tedy být vzájemně spolehlivě propojena jak energetická centra, spotřebitelé, datová centra distribuční dispečinky atd. 208

3.16 Některá úskalí sití Smart Grids. 3.16.1 První skupina podle řídících požadavků Zajištění řídících požadavků. Jedná se především o řízení silových akčních členů. Vyžaduje se rychlá reakce s pohotovostí 99,999% (výpadek smí být 5minut za rok a mezní hodnota zpoždění menší než 4ms). Těmto požadavkům by měly vyhovět systémy přenosu dat zajištěné pomocí Ethernetu nebo SDH. 3.16.2 Druhá skupina Příkazy k ovládání silových akčních členů. Jde o změny konfigurace, uvádění do provozu a jejich odpojování. 3.16.3 Třetí skupina Řízení toku v rozpínacích stanicích. Ty většinou neovlivňují bezpečnost provozu energetické sítě.

3.17 Smart Grids a bezpečnost Změna infrastruktury, ve které je charakteristická obousměrná komunikace přináší mnoho problémů. Potkávají se různé technologie a služby. Informační struktura energetické sítě musí být ale také podpořena technologiemi, které zajistí odolnost systému proti lidským chybám, přírodním katastrofám a v neposlední řadě také kybernetickým útokům. O tom, že útoky na stabilitu a provoz sítě budou prováděny, není třeba pochybovat. Existují však také další potřeby, je to například kontrola nad neoprávněným odběrem vědomou manipulací odběru apod. 3.17.1 Některé z možností kybernetických nebezpečí Útok opakováním zašifrovaného příkazu (například opětovné vypnutí). Útok na šifrovaný protokol-nedetekovanou změnou dat může dojít k provedení chybného příkazu. (v případě, že není zajištěno sledování integrity dat). Proto, aby byla zajištěna spolehlivost a funkčnost SG budou muset být implementovány kryptografické nástroje známé i z jiných oblastí. Jsou to: o o o o

symetrické šifrovací algoritmy, hašovací algoritmy, digitální podpisy, asymetrické šifrování.

Problém je v tom, že energetická síť je rozsáhlá, její budování je investičně náročné a návratnost investic je relativně dlouhá. Situace v přístrojovém vybavení, ale i systémech zabezpečení se poměrně rychle mění a je tedy nutné stavět sítě, na základě nejnovějších poznatků, což sebou nese vysoké investiční náklady. Například v zabezpečení se již algoritmy RSA a DSA považují za zastaralé a normy pro bezpečnost jsou na principu ECC (Elliptic curve cryptography), což je větev kryptografie pracující s veřejným klíčem. Je otázkou, jakou mají tyto kryptografické mechanismy životnost. 209

Zřejmě jako v ostatních odvětvích bude i SG nutné dodržet zásady a doporučení, která by měla eliminovat případné útoky v rámci sítě SG. Je to: o o o o o

zabezpečení důvěrnosti dat- šifrováním, zabezpečení autentizace –zajistit originalitu dat a jejich původce, ochrana míst kde jsou klíče, např. centrála ale i elektroměr, zajištění nepopiratelnosti odesílaných hodnot (proto aby třetí osoba mohla rozhodnout o správnosti dat- fakturace apod.), organizace distribuce klíčů.

3.18 Dílčí postupy při budování SG Zřejmě prvním krokem automatizované dálkové měření spotřeby, její vyhodnocování a řízení. To je uváděno v literatuře jako AMR-Automatic Meter Reading. Tento princip je už znám (HDO apod.) Ale zde se vyžaduje mnohem inteligentnější elektroměr. (obdobná platforma by pak měla fungovat i dalším energetických systémech - měření plynu, tepla, vody). Takové elektroměry by měly být schopné zajistit spínání a spouštění energeticky náročných spotřebičů v optimálních časech. Dalším segmentem této architektury je AMM (Autonatic Meter Management). Ten by mě například byl schopen odpojit neplatiče, sledovat tok energie z lokálních zdrojů (alternativní lokální zdroje). Další nadřazenou vrstvou by měla být AMI (Advanced Metering Infarstructure). Principiálně by měla zajistit otevřenost systému pro využití nadřazených vrstev. To je důležité pro součinnost meziresortních a mezinárodních systémů. S těmito otázkami pak nutně souvisí i budování teleinformační sítě. K tomu jsou a budou využívány i současné PLC/BPL systémy, které využívají k přenosu informace silnoproudá vedení, což zefektivňuje budování celé infrastruktury. PLC Power Line Communication BPL Broad Power Line Pozn. Za předchůdce SG lze směle označit systémy HDO (Hromadné dálkové ovládání), Aplikace HDO zajišťují širokou škálu služeb

210

úzkopásmové

Telekomunikační služby provozované po silnoproudých vedeních a sítích

širokopásmové

Transportní Hovorové

(Zemní lano +optický

Přístupové

kabel)

vvn a nn

vn a nn

Nehovorové vvn, vn a nn

Služební telf.

Přenos datových souborů

Standardní tlf.

Intranet

Dálkové měření Dálková regulace Dálkové ovládané Dálková signalizace Dálková synchronizace HDO Dálkové odečty

Internet LAN budovy LAN byty

211

4

Uplatnění na trhu práce a požadavky na absolventy

Pokud se zaměříme na požadavky firem a shrneme konkrétní nároky zaměstnavatelů, pak se jedná především o: o o o o o o o o o o o o o o

dokončenou střední školu, či střední odborné učiliště, znalosti z přenosové techniky, tedy práce s klasickými i moderními přenosovými prostředky, práci s měřící technikou, která často nebývá specifikována, osvědčení vyhláška č. 50/1978 Sb . (v mnoha případech je problematické toto osvědčení získat, jelikož jeho nedílnou součástí je praxe), řidičský průkaz skupiny B, znalost minimálně jednoho cizího jazyka, obecně bývá upřednostňován anglický jazyk, požadavek komunikace v německém jazyce, znalost operačních systémů, především WINDOWS, případně LINUX. přehled v síťových operačních systémech, znalost běžného uživatelského softwaru, například programy skupiny MS OFFICE, znalost programovacích jazyků je mnohdy výhodou. C#, C++, Visual Basic, HTML. apod. ochotu se vzdělávat, řemeslnou zručnost (sice nebývá uváděna v oficiálních požadavcích, ale při pohovorech je zkoumána), firmy s obchodním zaměřením požadují i dobré komunikační schopnosti.

Požadavky a volná pracovní místa. Hledání pracovních příležitostí v regionu přes agentury. V Ústeckém kraji je všeobecně nedostatek pracovních míst, které by agentury pro specializaci telekomunikací a příbuzných oborů nabízely. O něco lepší je situace v Libereckém kraji. Pokud je zaměstnanec ochoten pracovat v Praze, nebo přilehlém okolí má šance relativně větší. Pracovních příležitostí jak pro obory telekomunikací a to v profesi mechanik, dispečer, technik se dá najít relativně dost. V obou zmíněných krajích působí celá řada firem, které mají tyto profese ve svém portfoliu. V Ústí nad Labem je to například firma TETA s.r.o. S touto firmou spolupracuje SPŠ v Ústí, s touto firmou je uzavřena dlouhodobá spolupráce. V Mostě sídlí tyto firmy: SCHLIKE s.r.o., která svým záběrem pokrývá celou paletu služeb v oblasti spojovacích a přenosových systémů. Firma SOFTEX NCP s.r.o. poskytuje služby především v oblasti informačních technologiích. Společnost BRUSTECH s.r.o., má široký záběr aktivit, včetně softwarových aplikací. GTS Czech, je celonárodní operátor se širokou paletou služeb, a jedna z jeho poboček sídlí v Liberci. Dalšími společnostmi zabývající se telekomunikacemi jsou UPC Czech, pobočka Liberec, či COM PLUS CZ a.s., se sídlem v Ústí n. L. 212

Absolventi se mohou uplatnit i u telefonních operátorů s celorepublikovou působností. Telefonica O2, T- Mobile, či Vodafone. Zde je preferována především znalost anglického jazyka.

Specifické nabídky lze hledat i u jiných firem, než speciálně zaměřených na telekomunikace, protože ne všechny společností si pro běžné interní činnosti, kam počítačové, telefonní a komunikační sítě a prostředky patří, řeší pomocí outsourcingu. Jsou to například Elektrárna Počerady, AGC Teplice, AGC Kryry, teplárna Komořany, Elektrárna Chotějovice atd, Unipetrol a.s. Protože většina středních škol má ve svých vzdělávacích programech i studium programovacích postupů, principů či dokonce programovacích jazyků, mohou absolventi nalézt uplatnění i v příbuzných oborech. Jsou to například podniky převážně strojírenského charakteru vybavené NC a CNC stroji a vyspělou automatizační technikou, případně robotikou. Např. v průmyslové zóně Joseph u Havraně, kde sídlí několik firem zabývajících se strojírenstvím. Větší a pestřejší výběr je pak u firem ve větších aglomeracích jsou např. Teplice, Ústí n. L. Děčín. Dále pak Koito Czech s.r.o., se sídlem v Žatci apod. Při hledání uplatnění pro zmíněnou profesi, je možné hledat uplatnění i ve státních organizacích jako jsou magistráty, případně vysoké školy a střední školy, ve kterých se jedná o funkce správců IT. Pro hledání uplatnění v profesi telekomunikační technika a příbuzných oborech se vyplatí kontaktovat přímo firmy nebo společnosti, neboť při současném nedostatku pracovních míst nic firmy nenutí případná volná nabízet, neboť je o ně dostatek zájemců. Zcela specifické je pak vlastní podnikání v oboru telekomunikací respektive informačních technologií. Zřejmě by bylo odvážné v současné době založit svou živnost a bylo by dost náročné obstát v konkurenci větších firem s finančním zázemím.

213

5

Zkušenosti s praktickým vzděláváním v zahraničí

Co se týče rozdílů mezi vzdělávacím systémem a subjekty vzdělávání v tuzemsku a zahraničí, mohli bychom tomuto tématu věnovat zcela jistě ještě další celou publikaci. Na tomto místě je samozřejmě vhodné zmínit, že velmi záleží na tom, s jakou světovou zemí porovnáváme naše tuzemské vzdělávání. Jednoznačně by poté vyšlo, že v porovnání se vzděláváním v rámci třetích zemí světa je vzdělávací systém v České republice na velmi vysoké úrovni. V porovnání se západem však tato situace již nemusí být takto jednoznačná a samozřejmě vyspělejší západní země pro nás musí být jedinou možnou inspirací a hybatelem zlepšení. Pojďme se nyní v krátkosti zaměřit na vzdělávání u nás v historických reáliích, neboť vzdělávání u nás patřilo vždy k těm nejlepším a do jisté míry můžeme říci, že patří i dnes. To, co se právě stává oním kamenem úrazu je spíše celková úroveň žáků/studentů a jejich ochota se vzdělávat. S touto skutečností se potkávají téměř všichni pedagogové ať už v primárním, sekundárním či terciárním vzdělávání a je jasné, že tento trend do značné míry musí ovlivňovat i přístup těchto pedagogů. Tito pedagogové tedy musejí neustále ubírat na svých požadavcích, což se samozřejmě negativně odráží v celkové kvalitě absolventů. Tento trend je však víceméně celospolečenským problémem, troufám si říci zasahující i za hranice našeho státu. Po tomto krátkém odbočení se však již pojďme zaměřit na metody zahraničního odborného výcviku, které by mohly do jisté míry pozitivně ovlivnit vývoj vzdělávání v technických oborech po vzoru západních států. Na úvod všeho budeme však abstrahovat od celkového systému vzdělávání, který se samozřejmě stát od státu značně liší a jednotlivé pravomoci jsou tak delegovány na různé úrovně řízení v rámci státu. V podstatě jediným, avšak zcela zásadním rozdílem mezi tuzemským a západním systémem vzdělávání v technických oborech je spolupráce přímo s jednotlivými podniky a firmami, kteří tak berou tuto spolupráci jako nutnou investici do lidských zdrojů, jež se jim později bohatě vrátí v podobě věrných, zodpovědných a odborně i prakticky připravených zaměstnanců. Tento odborný výcvik pak přináší velkou řadu výhod, které uvádíme níže:      

praktické zkušenosti studentů nabyté vlastním zapojením do skutečné výroby, motivující mzda pro studenty (v řadě případů dostávají studenti již během studia částečnou mzdu za vykonanou práci při studiu), jistota uplatnění v příslušeném podniku (podniky ve většině případů tyto studenty přijímají po ukončení studia do pracovního poměru), zapojení spolupracujících podniků do vzdělávání a příprava studentů na skutečně v praxi využitelné a požadované metody a praktiky, lepší vyjednávací schopnost a postavení studentů na trhu práce, vyřazené strojní zařízení podniků je dáváno k dispozici školám pro vlastní výuku + je možná další finanční spolupráce mezi podnikem a školou.

Z výše uvedeného textu tedy jednoznačně vyplývá, že nastavení spolupráce mezi podniky a školami by mohla poměrně ve velké míře přispět ke zlepšení celkové situaci v tuzemsku v oblasti 214

technických oborů, které se každoročně potýkají s nezájmem uchazečů a potažmo počtem studentů. Tento trend se samozřejmě odráží i v nedostatku potřebných zaměstnanců na trhu práce. Otázkou však zůstává, jaká bude ochota tuzemských podniků a firem přistoupit k této spolupráci. Dosavadní praxe zatím bohužel ukazuje pravý opak.

5.1 Něměcko V rámci realizace projektu Inspiruj se a vzdělej se, klíčové aktivity „Přenos zkušeností ze zahraničí“, navštívila skupina pedagogů odborných předmětů, vedoucích praxí a člena realizačního týmu Spolkovou republiku Německo a sice s Českou republikou sousedící Svobodný stát Sasko, města Freiberg, Lipsko a Chemnitz. Cílem stáže bylo seznámení účastníků se systémem výuky na odborných školách a v podnicích v Sasku, kde je v převážné míře praktikován „duální systém“, tedy spolupráce dvou partnerů – odborné školy pro oblast teoretické výuky a firmy pro oblast praktické výuky. Hlavním cílem čtyřdenního pobytu, bylo seznámení se systémem fungování německého školství. Pro stáž zaměřenou na oblasti IT, telekomunikace a strojírenství bylo záměrně vybráno Sasko, neboť je to jedna z nejdynamičtěji se rozvíjejících spolkových zemí s vysokým zastoupením úspěšných firem ve strojírenských oborech, v automobilovém průmyslu a v oblasti rozvoje technologií vůbec. Produkty saského strojírenství - stroje, zařízení a nástroje pro nejrůznější využití jsou exportovány do celého světa. Důležitou úlohu v tomto směru zastává navštívené město Chemnitz, které je 3. největším městem v Sasku s velkou koncentrací významných podniků. Základem vzdělávacího systému v Německu je Spolkový vzdělávací zákon (BBIG), přičemž si jednotlivé spolkové země stanovují vlastní rámcově vzdělávací programy. V tomto případě je příslušnou institucí STÁTNÍ MINISTERSTVO PRO KULTURU (Staatsministerium fϋr Kultus), do jehož kompetence patří také vzdělávání. Konkrétně v Sasku zásadní změny nastaly pádem komunistického režimu v roce 1990, poté nastaly úpravy, kdy byl systém převzat od „starých spolkových zemí“. V odborném vzdělávání dominuje duální systém, který je charakteristický spoluprací „dvou“ partnerů – školy pro teoretickou část a firmy pro praktickou část výuky. Zapojeni jsou ale i další partneři. Úloha státní správy na státní úrovni vymezuje pedagogickou dokumentaci a učitelé jsou zaměstnanci státu, vládna zodpovídá v rámci legislativních pravidel za stanovení vzdělávací strategie a realizaci teoretické výuky. V rámci komor průmyslová a obchodní zajišťuje studijní obory, jejich náplň a zkoušky, řemeslnická komora zajišťuje řemeslné učební obory, jejich náplň a zkoušky. Firmy zajišťují praktickou výuku podle svých možností. Školy zajišťují odborný výcvik v prvních ročnících, a soukromé školní organizace zajišťují některé specifické odborné kurzy jako je například svářečský kurz či autoškola. Místní správa, resp. okresní úřady poskytují budovy a provoz školských zařízení. Poznatky vedoucích učitelů praxí Učitelé odborného výcviku ve školách vyučují skupiny žáků (12) jen základní práce v prvních ročnících (dle oboru), ke konci školního roku žáci mohou vykonávat praxi v dané firmě. Učitelé praxí mají srovnatelný počet žáků, ale rozprostřených po celé firmě, žáci vykonávají produktivní práci a podílejí se na finálních výrobcích. Za svou práci pobírají již od prvního ročníku od firmy plat. Jeho výše je uvedena v „učňovské smlouvě“, kterou před započetím vzdělávání uzavřou s podnikem. Výše platu 215

se odvíjí od ročníku vzdělávání a bývá různá i v jednotlivých firmách. Atraktivita firem je dána možnostmi v kariérovém postupu a také podle výše platu. Firmy si učňů s dobrým prospěchem a přístupem k práci váží, motivují je i různými bonusy a mimopracovními aktivitami a ve většině případů absolventi zůstávají ve firmách, kde se vyučili, a firma jim nabídne stálý pracovní poměr. V současné době mají firmy v Sasku velký zájem o dobré žáky a počítají s nimi pro generační obměnu svých pracovníků.

216

6

Závěr

Výčet technologií, služeb, aplikací by asi mohl být nekonečný. Nicméně v závěru také připomenu jednou nevýhodu, kterou všechny převážně bezdrátové technologie mají a která je mnohem choulostivější, než je u klasických způsobů přenosu. Jde samozřejmě o bezpečnost informací. Touto problematikou se ve všech polohách zabývá Kryptologie. Kryptologie je doména, která by si zasloužila mnohem větší pozornost. Už proto, že bezpečnost v informačních technologiích bývá často podceňována. A podceňují ji jak běžní uživatelé, tak i profesionálové. Několik variant jak může útočník neoprávněně získat přístup k informacím a které se přímo váží svou podstatou k probíranému tématu: 







Odposlech - Pomocí antén můžeme odposlechnout radiofrekvenční signál vysílaný zařízeními. Vzdálenost, z níž je schopen útočník odposlechnout signál, závisí na několika parametrech, a to především na použitém komunikačním režimu, kde u pasivních zařízení, které negenerují své elektromagnetické pole, je odposlech výrazně náročnější. Naopak je tomu u aktivních zařízení, kde odposlech můžeme realizovat i ze vzdálenosti i desítek metrů Modifikace dat - Je relativně jednoduché narušovat přenášená data pomocí RFID rušičky. Neexistuje zatím žádná možnost, jak zabránit takovému typu útoku. Detekce takového útoku je ale možná, jelikož NFC zařízení během přenosu kontrolují své okolní elektromagnetické pole. Výrazně obtížnější úlohou je modifikace dat takovým způsobem, aby se zdála veškerá komunikace uživatelům jako nenarušená, validní. K modifikaci přenášených dat musí útočník modifikovat jednotlivé bity signálu. Proveditelnost takového útoku (t.j., jestliže je možné změnit hodnotu bitu signálu z 0 na 1 nebo naopak) se vztahuje k hloubce amplitudové modulace. Jestliže jsou data přenesena modifikovaným Millerovým kódováním a hloubka modulace byla 100%, pak pouze některé bity mohou být modifikovány. 100% hloubka modulace nám umožňuje eliminovat pauzy v radiofrekvenčním signálu, ale neumožňuje generovat pauzy, kde pauzy nebyly. Proto pouze bity 1 následované bitem 1 mohou být změněny. Přenosem dat zakódovaných pomocí kódování Manchester s hloubkou modulace 10 %, umožňujeme útočníkovi modifikovat data ve všech bitech signálu. Přepojovaný útok - Přepojované útoky jsou možné i na NFC zařízeních, jelikož tato technologie zahrnuje protokoly ISO/IEC 14443, které jsou na tyto útoky náchylné. V tomto typu útoku musí útočník přeposílat požadavky čtečky k oběti a poté vracet tyto odpovědi v reálném čase zpět, aby mohl úspěšně předstírat, že je čipová Smart karta oběti. Tyto útoky jsou podobné útokům Man-in-the-Middle. Ukázkové zdrojové kódy knihovny libnfc demonstrují přepojovaný útok s použitím dvou běžně dostupných NFC zařízení. Tento způsob útoku byl také předveden na dvou běžných telefonech podporujících NFC. Ztráta majetku - Ztráta NFC RFID karty umožní nálezci pracovat s telefonem obvykle jako s jednofaktorovou autentizační entitou. Mobilní telefony chráněné PIN kódem jsou zařízení s jednofaktorovou autentizací. Možnost jak zabránit zneužití dat při ztrátě zařízení je možnost rozšířit tento typ zabezpečení o další nezávislý bezdrátový autentizační faktor, tj. další typ autentizace.

217





Přerušení spojení - Otevřené spojení k zabezpečeným funkcím NFC, nebo jejich datům, je chráněno intervalem, jehož kanál se uzavírá tehdy, jestliže na něm není aktivita. Útoky však mohou nastat v případech, kdy zařízení, opouštějící kanál, jej neuzavře a tak potenciální útočník může navázat z původního umístění zařízení. Další autentizační faktor by takovým případům mohl zabránit. Neoprávněná manipulace-Při řízení respektive ovládání a manipulaci vzdálených entit může být záměrně vyvolána chybná funkce.

218

Seznam použité literatury Protože z materiálu „Aktuální trendy a přehled novinek v oboru“ vyplývá, že v rámci potřeb firem, které se zabývají telekomunikacemi je nutné, aby absolventi měli i dobrý přehled v současných trendech sdělovací techniky.

To určitě není jednoduché a je to poměrně rozsáhlá tématika. Týká se nejen elektromagnetických vlastností vodičů prostředí, tedy obecně přenosových cest tvořených metalickými vodiči, koaxiálními kabely, optickými vlákny ale i bezdrátových přenosů. Důležitou pasáží je kódování signálů, zabezpečení proti technickým poruchám. Topologie, konkrétní typy rozhraní. Modemy ale i principy mobilních telefonů atd. Myslím, že dobrým pomocníkem pro telekomunikace mohou být následující publikace Svoboda Jaroslav Využívání silnoproudých vedení pro přenos zpráv [Časopis]. - Praha : ČVUT Praha, 2012. - ISBN 978-80-01-05168-9. Trojdílný svazek Telekomunikační technika je psán především pro potřeby učebních oborů a středních škol. V pořadí čtvrtá kniha je aktuální publikací, která vyšla letos. Autorem je dlouholetým pedagogem na ČVUT na katedře telekomunikační techniky. Známé jsou rovněž jeho práce v oblasti EMC. Další vynikající monografií, která se zabývá telekomunikační technikou je kniha Svoboda Jaroslav Využívání silnoproudých vedení pro přenos zpráv - Praha : ČVUT Praha, 2012. ISBN 978-80-01-05168-9. Jet o vynikající publikace, spíše se ale jedná o vysokoškolskou učebnici, ale jistě je v ní spousta informací využitelných i pro střední školy se zaměřením na telekomunikační techniku. Periodika Pro Elektrotechniku, lze doporučit měsíčník Elektro, který se věnuje silnoproudé elektrotechnice, ale jeho záběr je pestrý. Zabývá se legislativou, popisuje a přináší nové trendy, otiskuje inovace v oblasti elektrotechniky a nezapomíná ani na praktické a často neocenitelné rady odborníků z praxe. Za periodikum s vysokou odbornou úrovní považuji Sdělovací techniku, kde kromě novinek v oblasti telekomunikací jsou i praktické rady a články předkládající firemní výrobky, moduly, nové součástky apod. Za časopisem, který je na rozhraní elektrotechniky a příbuzných oborů pak považuji Automatizaci. Tento přehled rozhodně nechápu jako návod, ale jako odkazy na publikace, které jsem využil, nebo využívám.

219