Obwody prÄ du staÅego
Obwody prÄ du staÅego
Obwody prÄ du staÅego
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
OBWODY PRĄDU STAŁEGO<br />
Publikacja współfinansowana<br />
ze środków Unii Europejskiej<br />
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Elektrotechnika - dział techniki zajmujący się praktycznym<br />
zastosowaniem wiedzy dotyczącej elektryczności.<br />
Główne zagadnienia, którymi się zajmuje:<br />
• wytwarzanie energii elektrycznej<br />
• przesyłanie energii elektrycznej<br />
• użytkowanie energii elektrycznej<br />
Zalety energii elektrycznej:<br />
• łatwość przemiany na inny rodzaj energii<br />
• łatwość przesyłania na duże odległości<br />
• łatwość rozdziału między odbiorców<br />
• gotowość do wykorzystania w dowolnej chwili<br />
Podstawowe działy elektrotechniki:<br />
• elektroenergetyka<br />
• maszyny i napędy elektryczne<br />
• technika świetlna<br />
• elektrotermia<br />
• elektrochemia<br />
2
Elektronika – rozwinęła się na podłożu elektrotechniki.<br />
Zajmuje się praktycznym wykorzystaniem zjawisk<br />
związanych ze sterowanym ruchem elektronów.<br />
Podstawowe dziedziny elektroniki:<br />
• telekomunikacja<br />
• informatyka<br />
• energoelektronika<br />
• automatyka<br />
3
Prąd elektryczny<br />
Jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych<br />
wywołany różnicą potencjałów.<br />
Warunki powstania prądu elektrycznego:<br />
• nośniki ładunku muszą mieć możliwość poruszania<br />
się w przestrzeni<br />
(tzn. nie mogą być np. unieruchomione w sieci krystalicznej)<br />
• musi istnieć przyczyna ruchu<br />
(np. siła elektryczna F E =qE, dyfuzja, unoszenie)<br />
4
Nośniki prądu elektrycznego<br />
substancja przewodząca<br />
przewodnik<br />
elektrolit<br />
gaz<br />
półprzewodnik<br />
próżnia<br />
nośnik<br />
elektrony walencyjne<br />
jony<br />
jony i elektrony<br />
elektrony i dziury<br />
dowolny rodzaj ładunków<br />
5
Podział ciał pod względem właściwości elektrycznych<br />
a) przewodniki<br />
• I klasy - metale<br />
Podczas przepływu prądu nie podlegają zmianom chemicznym<br />
• II klasy - roztwory<br />
Podczas przepływu prądu podlegają zmianom chemicznym<br />
b) dielektryki<br />
Nie przewodzą prądu (elektrony silnie związane z atomem).<br />
c) półprzewodniki<br />
Ich przewodnictwo zmienia się pod wpływem różnych czynników<br />
(np. domieszki, temperatura, pole elektryczne)<br />
6
Struktura obwodu elektrycznego<br />
Obwód elektryczny tworzą elementy połączone ze sobą w taki sposób,<br />
że istnieje co najmniej jedna droga zamknięta dla przepływu prądu.<br />
Elementy obwodu elektrycznego:<br />
a) aktywne - dostarczają do obwodu energię elektryczną<br />
- źródło napięcia napięcie źródłowe (SEM) nie zależy od natężenia prądu<br />
- źródło prądu natężenie prądu nie zależy od napięcia<br />
b) pasywne – odbiorniki, zamieniają na inny rodzaj energii (np. rezystory) lub<br />
magazynują energię pod postacią energii pola w polu elektrycznym<br />
(kondensatory) lub w polu magnetycznym (indukcyjności)<br />
7
a) ogniwo lub akumulator<br />
b) bateria ogniw<br />
c) i d) oznaczenia źródeł<br />
napięcia<br />
e) oznaczenie strzałki źródła<br />
napięcia<br />
żarówka<br />
opornik stały<br />
A<br />
V<br />
amperomierz<br />
woltomierz<br />
opornik suwakowy<br />
wyłącznik<br />
cewka<br />
źródło napięcia<br />
kondensator<br />
8
Schematy najprostszych obwodów elektrycznych<br />
obwód nierozgałęziony:<br />
obwód rozgałęziony:<br />
odbiornik<br />
odbiornik<br />
E<br />
E<br />
odbiornik<br />
9
Prawo Ohma<br />
Natężenie prądu zależy wprost proporcjonalnie od napięcia<br />
i odwrotnie proporcjonalnie od rezystancji:<br />
I<br />
<br />
U<br />
R<br />
<br />
<br />
A <br />
<br />
V <br />
<br />
<br />
gdzie: R - rezystancja<br />
U - różnica potencjałów (napięcie)<br />
I - natężenie prądu<br />
Prawo Ohma jest spełnione tylko wtedy, gdy rezystancja nie zależy od napięcia ani od<br />
natężenia prądu.<br />
Prawo Ohma dla obwodu zamkniętego:<br />
I<br />
<br />
E<br />
R <br />
r w<br />
gdzie:<br />
R - rezystancja obciążenia<br />
E - siła elektromotoryczna ogniwa<br />
I - natężenie prądu<br />
r W - rezystancja wewnętrzna ogniwa<br />
10
Opór elektryczny (rezystancja)<br />
R 11<br />
S<br />
l<br />
[]<br />
- opór właściwy (rezystywność)<br />
Opór elektryczny ma wartość 1 , gdy natężenie przy napięciu 1 V<br />
ma wartość 1 A.<br />
Jest to zależność empiryczna i obowiązuje w ograniczonym zakresie, gdyż<br />
rezystancja elementów zależy od wielu czynników takich jak temperatura,<br />
wartość napięcia i prądu, częstotliwość itd. Zależność ta jest bardzo<br />
często nieliniowa.
<strong>Obwody</strong> rozgałęzione<br />
schematy<br />
równoważne<br />
a) i b) węzeł obwodu elektrycznego<br />
c) połączenie dwóch gałęzi<br />
d) przykładowy schemat obwodu elektrycznego<br />
12
Prawa Kirchhoffa<br />
I prawo (tzw. prądowe):<br />
suma natężeń prądów dopływających do węzła jest równa<br />
sumie natężeń prądów wypływających z węzła<br />
I 1<br />
I 2<br />
I 4<br />
I 3<br />
węzeł<br />
<br />
k<br />
I<br />
k<br />
= 0<br />
I 2 =I 1 +I 3 +I 4<br />
13
II prawo (tzw. napięciowe) :<br />
suma sił elektromotorycznych w oczku jest równa<br />
sumie spadków napięć na rezystancjach<br />
+<br />
U 1<br />
_<br />
E<br />
+<br />
_<br />
+ U 3<br />
_<br />
+<br />
_ U 2<br />
E<br />
<br />
U<br />
1 U2<br />
U3<br />
∑<br />
i<br />
U i<br />
= 0<br />
14
Łączenie rezystorów<br />
szeregowe<br />
rezystancja zastępcza:<br />
R 1 R 2 R 3<br />
R= R 1<br />
+R 2<br />
+R 3<br />
równoległe<br />
R 1<br />
rezystancja zastępcza:<br />
1<br />
=<br />
R<br />
1 2<br />
R1R2<br />
R <br />
R 2<br />
R1<br />
R<br />
1<br />
R<br />
1<br />
+<br />
R<br />
2<br />
16
przewód trakcyjny<br />
+<br />
podstacja zasilająca<br />
_<br />
sieć szynowa<br />
strefa katodowa<br />
strefa anodowa<br />
17
Najbardziej rozpowszechnione źródła prądu stałego:<br />
ogniwa elektrochemiczne (baterie i akumulatory)<br />
Typy ogniw:<br />
• ogniwa nieodwracalne (tzw. pierwotne)<br />
w wyniku przemian chemicznych zachodzących podczas przepływu<br />
prądu elektrycznego powstają w nich nieodwracalne zmiany<br />
(a więc: jednorazowe wykorzystanie)<br />
• ogniwa odwracalne (tzw. wtórne)<br />
można je wielokrotnie ładować i rozładowywać<br />
18
Ogniwo Leclanche’go<br />
bateria cynkowo – węglowa<br />
napięcie nominalne: 1.5 V<br />
A – szczelne, nieprzewodzące zamknięcie<br />
B – katoda (biegun dodatni)<br />
pręt grafitowy z metalową końcówką<br />
C – anoda (biegun ujemny)<br />
cylinder cynkowy<br />
D – elektrolit, najczęściej mieszanina:<br />
MnO 2<br />
, NH 4<br />
Cl (salmiak) i ZnCl 2<br />
Bezpośrednim źródłem SEM są reakcje utlenienia cynku (elektroda cynkowa):<br />
i redukcji jonów amonowych (elektroda węglowa):<br />
Powstający amoniak jest wiązany przez kationy cynkowe:<br />
powstający wodór jest wiązany przez tlenek manganu,<br />
który pełni rolę depolaryzatora:<br />
2NH<br />
NH H<br />
<br />
4<br />
2e<br />
2<br />
Zn<br />
2<br />
2MnO2<br />
H2<br />
Mn2O3<br />
H2O<br />
3<br />
4NH<br />
[<br />
Zn(<br />
NH<br />
3<br />
Zn Zn<br />
2<br />
2e<br />
2<br />
3<br />
)<br />
4<br />
]<br />
2<br />
19
Bateria alkaliczna<br />
Nazwa tego typu baterii bierze się od alkalicznych (zasadowych)<br />
roztworów, stosowanych w charakterze elektrolitu.<br />
Anoda – sproszkowany Zn (zwiększa to powierzchnię anody,<br />
zmniejsza wewnętrzny opór baterii, zwiększa gęstość energii).<br />
Katoda – sproszkowany dwutlenek manganu MnO 2<br />
Elektrolit – wodorotlenek potasu KOH<br />
bateria cynkowowęglowa<br />
bateria alkaliczna<br />
Baterie alkaliczne charakteryzują się lepszymi od baterii cynkowo-węglowych parametrami:<br />
większą gęstością energii, dłuższym czasem przydatności do użycia, odpornością na wycieki,<br />
lepszą wydajnością zarówno w pracy ciągłej jak i z przerwami, niższym oporem wewnętrznym<br />
pozwalającym na pobór większych mocy oraz funkcjonowanie w szerszym zakresie temperatur.<br />
20
Akumulator ołowiowy<br />
kwasowy<br />
Pojemność akumulatora –<br />
ilość energii pobranej z<br />
naładowanego akumulatora<br />
przy wyładowaniu go w<br />
określonym czasie do<br />
dozwolonej granicy napięcia.<br />
Pojemność znamionowa –<br />
wyładowanie w ciągu 10<br />
godzin.<br />
21
Rozładowywanie akumulatora<br />
reakcja na anodzie:<br />
reakcja na katodzie:<br />
23
Ładowanie akumulatora<br />
24
Akumulator NiCd<br />
napięcie nominalne: 1.2 V<br />
Może dostarczyć w krótkim czasie<br />
duży prąd (prąd rozładowania<br />
może 20x przekraczać jego<br />
pojemność znamionową).<br />
Charakteryzuje się dużą trwałością<br />
przy niskich kosztach<br />
wytwarzania, bo podstawowe<br />
materiały - nikiel i kadm - są<br />
stosunkowo niedrogie.<br />
Kadm stanowi problem z punktu<br />
widzenia ochrony środowiska.<br />
To silnie toksyczny metal ciężki,<br />
wymagający stosowania<br />
gazoszczelnej obudowy i<br />
specjalnych procedur utylizacji.<br />
Traci energię, kiedy nie pracuje,<br />
ok. 20 % na miesiąc.<br />
Nieużywany – może ulec<br />
uszkodzeniu, bo nie powinno się<br />
go całkowicie rozładowywać.<br />
Elektrolit: substancje półpłynne lub stałe,<br />
najczęściej wodorotlenek potasu<br />
25
Powód: kadm ma tendencję do krystalizacji.<br />
tzw. efekt pamięciowy<br />
Zjawisko to występuje wówczas, gdy akumulator jest ponownie ładowany przed<br />
całkowitym rozładowaniem. W wyniku krystalizacji kadmu zmniejsza się pojemność<br />
akumulatora, a od punktu wystąpienia efektu pamięciowego na linii rozładowania spada<br />
dostarczane napięcie.<br />
Efekt pamięciowy można usunąć poprzez wielokrotne rozładowanie/ładowanie<br />
(funkcja ładowarek: DISCHARGE lub REFRESH)<br />
26
Akumulator NiMH<br />
napięcie nominalne: 1.2 V<br />
Może dostarczyć w krótkim<br />
czasie duży prąd.<br />
System elektrochemiczny jest<br />
zdolny do absorpcji<br />
wydzielających się podczas<br />
ładowania gazów, szczególnie<br />
wodoru, dzięki czemu<br />
akumulator może być całkowicie<br />
szczelny i charakteryzować się<br />
długą żywotnością.<br />
Gąbczasta struktura nasączona<br />
substancjami alkalicznymi (jako<br />
elektrolit) oraz złożonym<br />
chemicznie katalizatorem.<br />
Anoda: stop metalu, który może<br />
wiązać wodór.<br />
Duże samorozładowanie, nawet<br />
do 30 % na miesiąc.<br />
27
tzw. efekt leniwego akumulatora<br />
(lazy battery effect)<br />
Powód: na dodatniej elektrodzie wykonanej z wodorotlenku niklu tworzą się kryształy .<br />
Efekt powstaje w wyniku niecałkowitego rozładowania akumulatora w trakcie pracy lub<br />
długotrwałego ładowania prądem o zbyt małym natężeniu.<br />
Efekt pamięciowy można usunąć poprzez 2-, 3-krotne całkowite rozładowanie.<br />
28
Akumulator Li-Ion<br />
napięcie nominalne: 3.6 V<br />
Zaleta: niewielkie<br />
samorozładowanie,<br />
a więc długi czas<br />
przechowywania bez<br />
ponownego ładowania.<br />
Elektrolit (ciekły):<br />
złożone chemicznie<br />
sole litowe<br />
rozpuszczone w<br />
mieszaninie<br />
organicznych<br />
rozpuszczalników.<br />
Separator między<br />
membranami stanowi<br />
mikroprzepuszczalna<br />
membrana z tworzywa<br />
sztucznego.<br />
Lit to silnie reagujący<br />
metal lekki, a więc<br />
mocno nagrzany<br />
mógłby eksplodować.<br />
Z tego powodu<br />
akumulatory zawierają<br />
organiczny elektrolit.<br />
Mimo to każdy<br />
akumulator litowy jest<br />
wyposażony w zawór<br />
bezpieczeństwa i ma<br />
szczególnie solidną<br />
obudowę.<br />
Dodatkowo, zawiera<br />
układy elektroniczne<br />
nadzorujące prądy<br />
ładowania i<br />
rozładowania<br />
(zabezpieczenie przed<br />
przegrzaniem). 29
Napięcie w trakcie niemal całego okresu rozładowania akumulatora Li-Io<br />
przekracza napięcie znamionowe 3,6 V.<br />
Brak efektu pamięciowego, brak efektu leniwego akumulatora.<br />
30
Akumulator litowo-polimerowy<br />
napięcie nominalne: 3.6 – 3.7 V<br />
stały lub żelowy elektrolit polimerowy<br />
wykonany np. z gąbek na bazie<br />
poliakrylonitrylu<br />
Niskie samorozładowanie, poniżej 10 % na miesiąc.<br />
Brak efektu pamięciowego, brak efektu leniwego akumulatora.<br />
Daje się niemal dowolnie formować, co zwiększa możliwości zastosowania. 31
Akumulator cynkowo-powietrzny<br />
napięcie nominalne: 1.4 – 1.65 V<br />
Zachodzące reakcje<br />
anoda:<br />
katoda:<br />
Zn <br />
OH Zn( OH)<br />
2<br />
2e<br />
O 2<br />
2H 2<br />
O 4e<br />
4( OH)<br />
W trakcie ładowania: reakcje w drugą stronę.<br />
<br />
Katodą w procesie rozładowania jest tlen<br />
atmosferyczny absorbowany na membranie z<br />
węgla aktywnego i ulegający reakcji w kontakcie<br />
ze środowiskiem elektrolitu. Stan całkowitego<br />
rozładowania akumulatora polega na całkowitym<br />
przekształceniu elektrody cynkowej w<br />
wodorotlenek cynku.<br />
W procesie ładowania, z akumulatora jest<br />
uwalniany tlen do atmosfery.<br />
Wada: tworzy otwarty system chemiczny.<br />
Podczas rozładowania powierzchnia, na której<br />
zachodzi reakcja, musi mieć zapewniony dopływ<br />
powietrza z otoczenia, a podczas ładowania<br />
trzeba odprowadzać uwolniony tlen.<br />
Obecne modele z reguły nie są stosowane<br />
w pomieszczeniach zamkniętych.<br />
32
Ogniwo paliwowe<br />
Generuje energię elektryczną z reakcji utleniania stale dostarczanego do niego<br />
z zewnątrz paliwa.<br />
W odróżnieniu od baterii i akumulatorów, ogniwa paliwowe nie gromadzą<br />
wewnątrz energii (nie muszą być ładowane). Bez dostarczania paliwa proces<br />
wytwarzania prądu zatrzymuje się.<br />
Większość ogniw paliwowych do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje<br />
wodór na anodzie oraz tlen na katodzie (ogniwo wodorowo-tlenowe).<br />
Proces produkcji energii nie zmienia chemicznej natury elektrod oraz<br />
wykorzystywanych elektrolitów.<br />
Jedynym ograniczeniem ilości energii, którą może wytworzyć ogniwo paliwowe,<br />
jest pojemność zbiornika na paliwo.<br />
Zaleta: brak zanieczyszczenia powietrza. Powstające w ogniwie spaliny<br />
składają się wyłącznie z pary wodnej.<br />
33
Membrana – polimer rozdzielający anodę<br />
i katodę, przewodzący protony lecz<br />
uniemożliwiający przepływ elektronów.<br />
Elektrody – najczęściej nawęglony papier<br />
pokryty platyną, która jest katalizatorem<br />
reakcji.<br />
Katoda<br />
Anoda<br />
Wodór dopływa do anody, gdzie rozpada się na jony protonowe H + oraz elektrony:<br />
Półprzepuszczalna membrana jest przewodnikiem tylko dla protonów. Elektrony płyną do katody przez<br />
zewnętrzny obwód elektryczny wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie urządzeń, zaś protony dyfundują<br />
przez elektrolit.<br />
Na katodzie tlen reaguje z elektronami :<br />
Następnie jony H + reagują ze zjonizowanym tlenem:<br />
2<br />
O2 4e<br />
2O<br />
2<br />
<br />
2 4H<br />
2H O<br />
O<br />
2<br />
Końcowym produktem jest więc woda (w postaci ciekłej lub para).<br />
Membrana<br />
elektrolityczna<br />
2H 2<br />
4H<br />
4e<br />
34