Základy elektrotechniky (I)
Úvodní slovo, Ohmův zákon
Elektrotechnika - zjednodušeně řečeno technické využití elektrické energie. Autor tohoto článku a jeho dalších pokračování je i tvůrcem řady publikací, knih, středoškolských učebnic elektrotechniky a aktivním přispěvovatelem časopisů.
ÚVODEM - slovo redakce
Zjednodušeně lze jistě říci, že Elektrotechnika je obor lidské činnosti zabývající se technickým využitím elektrické energie. Jedná se o velmi široký a zajímavý obor, skládající se z mnoha různých odvětví. Nemůžeme říci, že na stránkách portálu TZB-info zavádíme tento obor nově, protože elektrotechnika je nedílnou součástí celého stavebnictví. Napříč celým portálem prochází od samotného začátku. Nově ovšem zavádíme sekci, která se Elektrotechnice bude věnovat pravidelně.
V zásadě lze rozdělit elektrotechniku podle velikosti energie, se kterou se pracuje, na slaboproud a na silnoproud. Do oblasti slaboproudu pak patří výpočetní technika, telekomunikační technika, bezdrátový přenos informací, automatizace a regulace, elektroakustika, televizní technika, apod. Silnoproud to je pak výroba, přenos a využití elektrické energie. Patří sem problematika domovních rozvodů elektrické energie, osvětlovací technika, elektrické stroje (motory, generátory, transformátory). S tímto tématem úzce souvisí otázka bezpečnosti práce, ochrany zdraví, prevence požárů atd. Tyto obory často nelze zcela striktně oddělit, protože se mnohde prolínají a navazují na sebe.
Samostatným podoborem elektrotechniky je elektrotechnologie. Zabývá se materiály pro elektrotechnickou výrobu a výrobními postupy v tomto oboru. Má úzké vazby na chemii a fyziku.
Vzhledem k zaměření portálu TZB-info se budeme více zabývat problematikou silnoproudu, který se stavebnictvím úzce souvisí. Problematikou slaboproudu potom hlavně v souvislosti s regulací a řízením budov. Budeme Vám předkládat zajímavé články zabývající se novinkami z oblasti osvětlovací techniky, inteligentních domovních rozvodů, jističů, rozvaděčů, kabelů, budeme Vás informovat o změnách v oblasti bezpečnostních předpisů. Nebudeme zapomínat ani na nové věci v oblasti slaboproudu (např. řízení inteligentních budov). Budeme uveřejňovat zajímavé články z oblasti slaboproudu a elektrotechnologie pro Vaši všeobecnou informovanost.
INTELIGENTNÍ BUDOVY
Současný vývoj v oblasti technologie budov vede k užšímu propojování slaboproudu a silnoproudu. Typickým příkladem je problematika úsporné regulace teploty v místnostech. V tzv. inteligentních budovách výpočetní technika řídí teplotu, osvětlení a výměnu vzduchu v místnostech. Vypíná topení v prázdných místnostech, automaticky zhasíná zapomenutá světla, odhalí v zimě zbytečně otevřená nebo rozbitá okna, upozorní na závady v otopném systému, hlásí vznik požáru, prasknutí potrubí, vniknutí nepovolaných osob, apod. Inteligentní řídící obvody ovládají prvky silového rozvodu elektrické energie. Spínají čerpadla, ventilátory, ventily v topení, osvětlení, apod. Proto je nutné, aby každý odborník z oblasti silnoproudu znal základy slaboproudu.
ELEKTRO
Pro pochopení tohoto oboru se musíme nejprve seznámit definicemi základních elektrotechnických veličin a s jejich jednotkami: elektrický proud, náboj, napětí, proudová hustota, intenzita elektrického pole. Jejich uvedení zde by přesáhlo rozsah tohoto článku. Ten samozřejmě nemůže sloužit jako kompletní učebnice elektrotechniky. Kladu v něm důraz hlavně na to, co ve většině učebnic nenajdete v takto stručné podobě.
Pochopitelně musíme znát Ohmův zákon R = U/I a Kirchhoffovy zákony. Součet proudů do uzlu vstupující se rovná součtu proudů z uzlu vystupující. I = I1 + I2 (bod A v obr. níže). Součet napětí v uzavřené smyčce je rovný 0. U = U1 + U2 (Napětí na zdroji se rovná součtu napětí na spotřebičích, které jsou zapojeny s ním v sérii), viz obrázek níže. V slaboproudé technice je výhodnější často dosazovat napětí ve voltech, proud v miliampérech a odpor v kiloohmech.
Odpor vodiče je přímo úměrný jeho délce, nepřímo úměrný jeho průřezu. Vlastnosti materiálu popisuje veličina měrný odpor ρ (rezistivita), která se číselně rovná odporu vodiče 1 m dlouhého o průřezu 1 mm2. R = ρ.l/S (Ω, Ω . mm2 /m, m, mm2)
Nejlepšími vodiči jsou stříbro, měď a hliník. Nejpoužívanější je měď. Stříbro je příliš drahé. Hliník je sice levnější než měď, snadno se ale láme, vlivem tlaku se deformuje (uvolnění kontaktů na svorkovnicích a velmi těžko se pájí). Zlato se používá k povrchové úpravě kvalitních konektorů.
Příliš malý průměr vodiče ve srovnání s protékajícím proudem není vhodný. Vzniká na něm velký úbytek napětí, vodič se zahřívá a může se přepálit.
Výkon elektrického proudu vypočítáme podle Joule-Lencova zákona P = U.I. Když za U nebo za I dosadíme z Ohmova zákona, získáme vztahy: P = U2/R a P = R.I2
Dále je potřeba znát vzorce pro sériové R = R1 + R2 a paralelní R = R1R2/(R1+R2) řazení odporů. Zvlášť paralelní řazení rezistorů se velmi často používá. Chceme-li změnit hodnotu nějakého rezistoru, je pohodlnější k němu paralelně připojit jiný než obvod rozpojovat a zapojit další rezistor s ním do série. Zvláště u bezvývodových součástek SMD je paralelní řazení rezistorů velmi snadné a estetické. Výše uvedený vztah platí pouze pro 2 odpory zapojené paralelně. Pro jejich větší počet bychom museli použít vztah
1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3...
Obrázek č. 1 Sériové a paralelní řazení rezistorů
VÝPOČET DĚLIČE NAPĚTÍ? JAKO MALÁ NÁSOBILKA !
Za klíčovou znalost k pochopení celého oboru považuji návrh a výpočet děliče napětí. Z vlastní praktické činnosti v tomto oboru dobře vím, že výpočty děličů napětí tvoří většinu elektrotechnických výpočtů. Jejich zvládnutí v elektrotechnice je stejně nezbytné, jako v matematice zvládnutí malé násobilky nebo jako v češtině zvládnutí vyjmenovaných slov. Zvládnutí této problematiky je důležité pro pochopení dalších elektronických obvodů, ve kterých se místo rezistoru objeví kondenzátor, dioda nebo tranzistor (např. dolní a horní propust, stabilizátor se Zenerovou diodou, LED s předřadným odporem, spínací obvod s tranzistorem, apod.
Při řešení (analýze) obvodů bychom si měli uvědomit, že na rozdíl od matematiky nikdy nezískáme přesné řešení. Skutečné rezistory mají výrobní tolerance (v současnosti typicky 1%). V mnoha případech není absolutní přesnost příliš důležitá. Přesné řešení složitých obvodů je navíc poměrně složité, někdy vyžaduje i výpočetní techniku. Pokud je to možné, snažíme se proto obvod zjednodušit.
Nastavit děličem napětí přesnou hodnotu napětí je často obtížné, protože rezistory se vyrábějí v určitých hodnotách - řada E12, E24. Je rovněž třeba si uvědomit, že návrh (syntéza) elektrických obvodů nedává pouze jedno možné řešení. Optimální oblast řešení tvoří vždy určitý interval hodnot. Například při návrhu děliče napětí musíme dodržet vzájemný poměr hodnot rezistorů - dělicí poměr. Jejich velikost nemá být příliš malá, aby dělič neodebíral zbytečně velký proud z napájecího zdroje, ani příliš velká, aby při zatížení děliče dalšími obvody se příliš nezměnila hodnota jeho výstupního napětí. Děličem by měl téct naprázdno proud alespoň 10x větší než proud tekoucí do připojeného obvodu (viz obr. výše- neoznačený rezistor).
Při návrhu elektronických obvodů často děláme tzv. toleranční analýzu. To znamená, že zjišťujeme vliv změn jednotlivých veličin (napětí) a tolerance součástek. Musíme najít a vypočítat ten nejnepříznivější případ velikosti jednotlivých součástek a zjistit, zda obvod vyhovuje danému zadání. V určitých případech musí kromě hodnot rezistorů zajímat i jejich maximální výkonové zatížení, které nesmíme překročit. Další důležitou dovedností je náhrada odporového děliče pomocí Theveninovy věty. Libovolně složitý lineární obvod lze vzhledem k jeho libovolným dvěma svorkám nahradit obvodem ideálního zdroje napětí Un v sérii s rezistorem Rn. Napětí Un bude napětí na těchto svorkách naprázdno. Vnitřní odpor tohoto zdroje vypočítáme jako odpor mezi výstupními svorkami, pokud je zátěž odpojena, zdroje napětí zkratovány a zdroje proudu odpojeny.
Pro níže uvedený dělič napětí platí:
| Un = U R1 / (R1+R2) | napětí naprázdno na děliči |
| Rn = R1R2 / (R1+R2) | paralelní spojení R1 a R2. |
Obrázek č.2: Náhrada děliče napětí pomocí Theveninovy věty
Rezistory, kondenzátory a indukčnosti nazýváme lineárními součástkami, proud jimi tekoucí je přímo úměrný napětí, které je k nim přiložené např. R = U/I. Součástky, u kterých toto neplatí, nazýváme nelineární. Patří sem např. žárovka, termistor, varistor, dioda, tranzistor.
STŘÍDAVÝ PROUD
Střídavý proud je elektrický proud, jehož velikost i směr se s časem mění. Pokud má tato změna periodický charakter, označujeme tento průběh periodický, periodu značíme T.
Dále určujeme frekvenci, která udává počet kmitů za jednu sekundu. Jednotkou frekvence je herz (Hz = s-1). Platí vztah f = 1/T.
Příklad: Kmitočet sítě má frekvenci 50 Hz. Určete jeho periodu T = 1/50 s = 20 ms.
Periodické průběhy graficky znázorníme tak, že na osu x nanášíme čas t a na osu y okamžité hodnoty proudu nebo napětí.
Nejdůležitějším údajem u střídavého proudu a napětí je jeho EFEKTIVNÍ HODNOTA. Jedná se o velikost ekvivalentního stejnosměrného proudu (napětí), který dodává do stejné odporové zátěže stejný tepelný výkon. Mezi efektivní a maximální hodnotou střídavého napětí a proudu platí vztahy:
Efektivní hodnota střídavého proudu a napětí je hodnotou nejdůležitější a základní. Ukazují ji téměř všechny měřící přístroje. Označujeme ji obvykle velkým písmenem bez indexu (U, I). Hovoříme-li o střídavém napětí a proudu, máme automaticky na mysli jeho efektivní hodnotu. (Napětí U = 230 V v síti udává efektivní hodnotu tohoto napětí).
Krátce o autorovi:
Ing. Jiří Vlček (1960), vystudoval ČVUT - FEL, praxe v oblasti elektroakustiky, měřící techniky, zdravotnické techniky a mikrovlnné techniky. Působil také jako učitel odborných předmětů na SPŠE. Je pravidelným spolupracovníkem časopisu Amatérské rádio. Samostatně zpracoval tato čísla: 2B/2000, 4B/2002, 4B/2003, 4B/2004, 5B/2005, 3B/2006. Vydává vlastním nákladem ve spolupráci s Nakladatelstvím technické literatury BEN publikace určené žákům středních škol.