Előadásvázlatelkszabo/Oktatas... · 2018-12-13 · Az elektronika, mint tudományág...

Elektrotechnika - elektronika

Előadásvázlat

Előadó: Szabó Norbert

mesteroktató

2018.

http://www.electro.uni-miskolc.hu/~elkszabo/

Elektrotechnika - elektronika 2

A villamos -és mágneses jelenségek az atomokat alkotó, töltéssel rendelkező részecskék tulajdonságaiból és kölcsönhatásaiból adódnak: a villamos töltésből erednek. A villamos töltés: az atommagot alkotó egyik részecske, a proton, valamint atommag körül héjakon elhelyezkedő másik részecske, az elektron olyan tulajdonsága, amely semmilyen hatással nem változtatható meg, és nem szüntethető meg. Az elektrotechnika: a villamos és mágneses jelenségek különböző technikai eszközökben történő hasznosításával foglalkozó tudományág.

Az elektrotechnika, mint tudományág

2018.12.13. 12:41

Az elektronika, mint tudományág


3

Az elektronika az elektrotechnika egyik ága.

A besorolást, hogy valamely eszköz elektronikus jellegű,

vagy nem, az mutatja - egyik nézőpont szerint, hogy a

félvezetőkben, gázokban és vákuumban történő

töltésáramlás által kiváltott jelenségeket hasznosítja.

(szemben a fémekben és folyadékokban végbemenő

töltésáramlás által kiváltott jelenségek hasznosításával).

2018.12.13. 12:41


Az erőhatás tehát kifejezhető villamos és mechanikai mennyiségekkel

is, és mivel a dimenzióknak meg kell egyezniük:

[Fmech]=[ Fvill] tehát N=(V*s/A*m)*A2*m/m= VAs/m

N=kg *m/s2 tehát N= VAs/m=Ws/m a mértékegység (1) A mechanikai munka kifejezése: Wmech=F

* s, Wvill =U * I * t, [Wmech]=[ Wvill] alapján 1N * m =1J= 1V * A * s=1W * s, vagyis: 1J = 1Ws 1N=1J/m= 1Ws/m , ugyanúgy, mint (1)-nél és ebből következően a villamos feszültség mértékegysége:

[U]=V=N*m/(A*s)= (kg*m/s2 ) *m/(A * s)

[U]= V= kg * m2/(A * s3), ha SI mértékegységekben adjuk meg.

2018.12.13. 12:41

Az SI mértékegységrendszer alap- és kiegészítő mennyiségei


5

neve jele neve jele

Hosszúság l méter m

Tömeg m kilogramm kg

Idő t szekundum s

Áramerősség I amper A

Termodinamikai

hőmérsékletT kelvin K

Anyagmennyiség n mól mol

Fényerősség I v kandela cd

Síkszög a,b,. radián rad

Térszög w szteradián sr

Fizikai mennyiség Mértékegység

ala

pm

enn

yis

égek

2018.12.13. 12:41

A mértékegységek prefixumai


6

A mértékegységek prefixumai a mértékegység előtt álló előtagok, annak 103n szeres mennyiségeit - tört részeit, vagy többszöröseit - kifejező, szabványos helyettesítő betűjelek, (n értéke ± 8 közötti egész szám az alábbi táblázatokban) lehetővé teszik a mennyiségek egyszerűbb, rövidebb megadását, nem kell felesleges 0-kat, hatványkitevőket leírni. A 101 és 102 és 10-1 és 10-2 - szeres mennyiségek jelei is szabványos prefixumok

PREFIXUM

NEVE deka hekto kilo mega giga tera peta exa zetta yotta

JELE da h k M G T P E Z Y

ÉRTÉK E 101

102

103

106

109

1012

1015

1018

1021

1024

PREFIXUM

NEVE deci centi milli m ikro nano piko femto atto zepto yocto

JELE d c m n p f a z y

ÉRTÉK E 10-1

10-2

10-3

10-6

10-9

10-12

10-15

10-18

10-21

10-24

2018.12.13. 12:41

Villamos töltés


7

A villamos mező a belé helyezett töltésre erőhatást gyakorol, villamos erőtérrel jellemezhető.

Coulomb törvénye: rπ4

Q 2Q 1F

2oε

ahol Q1 és Q2 a két töltés, As-ban, F az erőhatás N-ban, e0 =8,86.10-12 As/Vm a vákuum dielektromos állandója, r a két töltés

közötti távolság m-ben

Az F iránya pozitív vagy negatív töltések között taszítás, negatív és pozitív töltések között vonzás!

Elemi töltés: a negatív elektron és a pozitív proton töltése, a természetben előforduló legkisebb töltésmennyiség, csak a többszöröse lehetséges.

Értéke: e_

= 1,602.10-

19As

A töltés villamos mezőt létesít, amely egy pontszerű pozitív töltés esetén a tér minden irányában a pontból induló vektorokkal, negatív töltés esetén a pontba a tér minden irányából érkező vektorokkal ábrázolható.

2018.12.13. 12:41

Pontszerű villamos töltés erővonalai:


8

Pozitív és negatív töltések közös erőterében egy pozitív töltésű testre az erővonal irányával egybeeső -taszító- irányú erő hat, negatív töltésű testre az erővonal irányával ellentétes irányú-vonzó- erő hat.

A fajlagos erőhatás: F/q=Q/(4.p.e0.r2)= ahol

a villamos térerősség, az egységnyi töltésre ható erő.

Mértékegysége: N/As=(J/m)/As=(VAs/m)/As=V/m

-Q

pozitív töltés erővonalai a töltéstől el, kifelé

negatív töltés erővonalai a töltés felé mutatnak, a tér erővonalai a pozitív töltésből indulnak és a negatívon végződnek.

E

E

Q

2018.12.13. 12:41

Töltésmegosztás


9

A villamos térbe vezető anyagot helyezve, abban töltésmegosztás, influencia jön létre. A fémben a megosztott töltések villamos tere ellentétes az eredeti térrel, vagyis csökkenti a térerősséget. A töltésmegosztás energiát vesz fel a térből, mert a töltések elmozdulnak az erővonalakkal ellentétes irányban. A töltés-megosztás jelenségét a villamos tér fémes anyagokkal való leárnyékolására használják. Az árnyékolás lehet rézháló, alumíniumlemez vagy rács is, az ilyen térrészt Faraday-kalitkának nevezik.

+++++++

-------

Fémlemez henger

Térmentes rész

- - - - -

+ +

+ +

+

+++++++

-------

++++++

-----

Fém lemez

2018.12.13. 12:41

Töltésmegosztás


10 Dielektrikum

Dipólus molekulák

A villamos térbe szigetelő anyagot helyezve, mivel abban gyakorlatilag nincsenek töltések, nem lehetséges töltésszétválasztás, az anyag dipólusai fognak a vonzásnak megfelelően beállni, polarizáció jön létre, szintén energia-felvétel révén. A jelenségen alapul a villamos átütés, az elektrosztrició, a piezoelektromos hatás és a ferroelektromosság.

Polarizáció teszi lehetővé egyes anyagokban a fényáteresztő képesség, fénytörés, fénypolarizáló képesség, törésmutató változtatási lehetőségét villamos térrel. Ezen alapul a folyadékkristályos (LCD-Liquid Crystal Display) kijelzők működése, ahol igen vékony rétegű fém maszkkal, szegmensekkel meghatározott formájú jeleket, vagy karaktereket elektródaként kialakítva, passzív fényű minták jeleníthetők meg. Legelterjedtebbek a 7 szegmenses kijelzők, azonban számítógép képernyők is kialakíthatók az elv használatával.

2018.12.13. 12:41

Villamos feszültség és áram


11 Villamos feszültség: A villamos erőtér két pontja között a töltések erőtérrel azonos irányú

elmozdulása során a tér munkát végez, Wvill energiát ad le. A két pont között Q töltés

elmozdulása során a fajlagos munkavégzés: , amit villamos feszültségnek

nevezünk.

A villamos feszültség tehát szétválasztott töltések között jön létre, a töltések szétválasztása

munka-befektetéssel jár: Wvill =Q.U.

Az U feszültség a tér két pontja között képes töltéseket mozgatni egy fogyasztón keresztül,

mértékegysége: Volt, V=W/As. (a létrejövő töltés-kiegyenlítés energia-átalakulással jár)

Villamos áram: a töltések áramlását villamos áramnak nevezzük, mértékegysége az Amper. 1 Amper az áramerősség, ha a vezető keresztmetszetén 1 s alatt 6,24.1018 db elektron áramlik át. Fémes vezetőkben csak elektronáramlás lehetséges, folyadékokban és gázokban ionok a töltéshordozók, vákuumban csak elektronok lehetnek töltéshordozók.

UQ

W vill

2018.12.13. 12:41

Generátorok


12 Generátorok jelképei:

A töltések szétválasztása energia-befektetést igényel: mechanikai (víz, szél, gőz) hő, fény, vegyi energiát alakítanak át különféle berendezésekkel villamos energiává.

általános generátor

forgó generátor

egyenfeszültségű tápegység

galván elem

feszültségforrás

G

~ =

G

+

+ A generátor feszültségét forrásfeszültségnek

nevezzük

2018.12.13. 12:41


Villamos áramkör fogalma

Az egyszerű áramkör generátort, vezetéket és fogyasztót tartalmaz, áram csak zárt áramkörben folyhat. A mennyiségeket Ohm törvénye alapján számíthatjuk Nyitott az áramkör, ha szakadással zárjuk le, ilyenkor áram nem folyik

Az egyszerű villamos áramkör felépítése –generátor –vezeték –ellenállás

Az anyagok azon tulajdonságát, hogy a villamos töltések áramlását akadályozzák, korlátozzák, villamos ellenállásnak nevezzük. Fémes anyagokban a szabad elektronokat a kristályrács pontjain rögzített atomtörzsek akadályozzák rendezetlen hőmozgásukban, vagy a villamos tér hatására létrejövő egyirányú szabad áramlásukban. Gázokban és folyadékokban a töltéshordozók áramlását a rendezetlen hőmozgást végző molekulák akadályozzák

UG

UG

R

t

I

2018.12.13. 12:41


Áramköri törvények

R

1G

R

UI

A konduktív ellenálláson átfolyó egyenáram arányos a rákapcsolt feszültséggel, az arányossági tényező a vezetés.

Két ismert mennyiségből a harmadik mindig kiszámítható.

I=G.U

U= I.R

I

UR

R I

U

Ohm törvény

Az ellenállás megadható a jelleggörbéjével is, annak meredeksége jellemző az ellenállás értékére:

U

R

1

I

Ellenállások jelleggörbéje

[A]

U [V]

2018.12.13. 12:41



Kirchhoff törvények

Általánosan kifejezve az alábbi ábra C csomópontjára: I – (I1+ I2+ I3+…+ In)=0

Kirchhoff I. törvénye: csomóponti törvény a csomópontban töltések nem keletkeznek, de nem is veszhetnek el! A csomópontba befolyó és onnan kifolyó áramok algebrai összege mindig 0 !

Egy csomópontból csak ugyanannyi áram folyhat ki, mint amennyi befolyt.

0In

1k

k

R1

I1

R2

I2

R3

I3

Rn

In

I C

I

2018.12.13. 12:41


U1+ U2+... +Un= UG , átrendezve

UG - U1+ U2+... +Un =0 másként:

Kirchhoff II. törvénye: huroktörvény

Zárt áramköri hurokban a fogyasztói feszültségek összege megegyezik a forrásfeszültségek összegével. Máskép: zárt áramköri hurokban a részfeszültségek algebrai összege mindig 0!

0Un

1k

k


UG forrásfeszültség U1,.. Un fogyasztói feszültségek

R1

I

UG

U1=I* R1

R2

R3

U2=I* R2

U3 =I* R3

Rn

Un =I* Rn

hurok

2018.12.13. 12:41


A villamos áramkör egyéb építőelemeinek jelölése

Keresztezés csomóponttal

C

L

Tr

Konduktív, ohmos ellenállás

Kapacitás

Induktivitás

Transzformátor

R

Árammérő

Feszültségmérő

Elágazás csomóponttal

Vezeték

Nem összekötött keresztező vezeték

Feszülségnyil

Áramnyil

Olvadó biztosíték

U

I

F

A

2018.12.13. 12:41


U1=I . R1 , U2=I . R2 , ...Un=I . Rn

I . R1+ I . R2+... +I . Rn= I . ( R1+ R2+…+ Rn )= I . Re I-vel mindkét oldal osztható: tehát Re= R1+ R2+…+ Rn

Fontos! Re mindig nagyobb a legnagyobb értékű ellenállásnál!

R1

I

UG

U1=I . R1

R2

R3

U2=I . R2

U3 =I . R3

Rn

Un =I . Rn

Sorosan kapcsolt ellenállások eredőjének meghatározása

Soros kapcsolásban minden ellenálláson ugyanazon áram folyik át! Következmény: az ellenállásokon eső részfeszültségek aránya megegyezik az ellenállások értékeinek arányával.

n

1i

ie RR

Általánosan:

2018.12.13. 12:41


Párhuzamos a kapcsolás, ha minden elemre ugyanaz a feszültség van kapcsolva.

R

UI

1

1 R

UI

2

2

R

U

I

n

n

I=I1+ I2+ I3+..+ In R p

UI

Tehát: R

U

R

U...

R

U

R

U

pn21

R

1

R

1

..

R

1

R

1

pn21

n

1i

ip RR

1 1

Az eredő ellenállás reciproka az egyes ellenállások reciprok értékeinek

összege

Két ellenállás esetén:

RR

RR

R

1

R

1

R

1

21

21

21e

RR

RR

RRR 21

21

21

ex

replusz

Általánosan:

Párhuzamosan kapcsolt ellenállások eredője

R1

I1

R2

I2

R3

I3

Rn

In U

I

2018.12.13. 12:41


D -Y, háromszög-csillag átalakítás

Meghatározandó az A-D pontok között a passzív lineáris vezető elemekből, ohmos ellenállásokból álló hálózat RAD eredő ellenállása. A kapcsolásban sem soros, sem párhuzamos kapcsolást nem találunk. Jelöljük ki az A, B, C pontok közötti ellenállásokat: csúcsára állított háromszöget, amely D (delta) kapcsolást alkot. Ezt alakítsuk át egyenértékű csillag, Y kapcsolássá! R3 R1

R2 A

B

C

Az átalakítás után a kapcsolás már soros és párhuzamos elemekből épül fel, így az áramköri törvényekkel számítható. A számítási módszer neve D -Y, vagy háromszög- csillag átalakítás.

R4 R5 R6

R1 R3

R2

A B C

D

RAD=?

C

D

A R23 R12

R13

B

2018.12.13. 12:41


D -Y átalakítás: bebizonyítható, hogy A, B, C pontok között a következő átszámítások érvényesek:

SR=R1+R2+R3

R

RR 3223R

R

RR 3113R

(Az A-C-D pontok között a Y- D átalakítással ugyanarra a végeredményre jutunk, azonban a G vezetésekkel kell számolni, kissé hosszadalmasabb a számítás.)

C

D

A R23 R12

R13

B

R3 R1

R2 A

B

C

D -Y, háromszög-csillag átalakítás

R4 R5 R6

R1 R3

R2

A B

C

D

RAD=?

R

RR 2112R

2018.12.13. 12:41


G

GGG

BA

AB

G

GGG

CA

AC

G

GGG

CB

BC

SG=GA+ GB+ GC

Csillag-háromszög, máskép Y- D átalakításnál a vezetésekkel kell számolni. Először számítsuk át az ellenállásokat vezetésekké, majd meg kell határozni a SG összes vezetést! Bebizonyítható, hogy A, B, C pontok között a következő átszámítások érvényesek:

A

B C

RA

RB RC

A

B C

GA

GB GC

RG

A

A

1

RG

B

B

1

RG

C

C

1

GAB

A

B

GAC

C GBC

Y-D, csillag-háromszög átalakítás

RA = RB = RC = R esetén

GA = GB = GC =1/R

SG=3/R, GAB = GBC = GAC =1/(3R),

tehát RAB = RBC = RAC = 3R

a delta- kapcsolás elemeinek értékei

háromszorosa a csillag elemeinek. ., stbG

RAB

AB

1

2018.12.13. 12:41

Mennyi lesz a három elem eredője?

8,4

80302

3002

80302

3002

)(

1

32

32

1

32

32

321

RRR

RR

RRR

RR

RRRRAB

Elektrotechnika - elektronika 23 2018.12.13. 12:41


Feszültségosztó számítása

1211

12111

2111

1121

1221

2

1

2

1

)(

0

0)(

)(

RURRU

RURURU

RURUU

RUURU

RURU

R

R

U

U

21

1

1RR

RUU

21

2

2RR

RUU

Zárt áramkörben a részfeszültségek úgy aránylanak egymáshoz, mint az ellenállások értékei, amelyeken a részfeszültségek esnek.

2018.12.13. 12:41


Áramosztó számítása

21

2

1RR

RII

21

1

2RR

RII

2211RIRIU

21III

2

12

1

2

1

1

2

1

1121)1(

R

RRI

R

RI

R

RIIIII

21

2

2

12

1

1

RR

RI

R

RRII

Párhuzamosan kapcsolt

ellenállások áramai fordítottan aránylanak egymáshoz, mint ellenállásaik értékei.

2018.12.13. 12:41


Thévenin generátor Norton generátor

b

Th

Z

b

g

gR

UI

R

UI

2018.12.13. 12:41


Thévenin tétel:

Thévenin - tétel: A tetszőleges bonyolultságú hálózatot helyettesíthetjük egy ideális feszgenerátorral, melynek forrásfeszültsége az eredeti kétpólus üresjárási feszültségével egyenlő, és egy soros belső ellenállással, melynek értéke a kétpólus kapcsai közt mérhető ellenállással egyezik meg, ha a feszültséggenerátorokat rövidzárnak, az áramgenerátorokat szakadásnak vesszük.

2018.12.13. 12:41


Norton tétel:

Norton - tétel: A tetszőleges bonyolultságú hálózatot helyettesíthetjük egy ideális áramgenerátorral, mely forrásárama egyenlő a kétpólus rövidzárási áramával, és egy párhuzamosan kapcsolódó vezetéssel, mely értéke megegyezik a kétpólus kapcsai közt mérhető vezetéssel, ha a feszültséggenerátorokat rövidzárnak, az áramgenerátorokat szakadásnak vesszük.

2018.12.13. 12:41


Szuperpozíció tétele:

Szuperpozíció tétele: Ha egy hálózat több generátort tartalmaz, akkor mindegyik generátor a hálózat bármely ágában a többitől függetlenül hozza létre a maga részáramát. Minden generátor hatását külön-külön vizsgáljuk, majd ezeket előjelesen összegezzük. A részáramok számításánál a többi generátort belső ellenállásával helyettesítjük (áramgenerátorokat megszakítjuk, feszültség generátorokat rövidrezárjuk).

2018.12.13. 12:41


Hurokáramok módszere:

2018.12.13. 12:41


Csomóponti potenciálok módszere:

04321

4321

b

b

IIII

IIII

0543

453

III

III

b

b

2018.12.13. 12:41


V3101

U

V2002

U

V803

U

701R

302R

303R

Határozzuk meg az ábrán látható áramkörben folyó áramokat, ha ismertek:

0URIRIU

222111

0RIRIUU332223

0III321

V110I30I7021

V120I30I3032

0III321

11I7I1032

2332I4I4II

2018.12.13. 12:41


0

4

1137

321

32

21

III

II

IIDeterminánsok módszerével megoldva:

17)10(0)10(3)11(7

111

110

037

D

340)4(3)11(11

110

114

0311

D1

170)10(11)4(7

101

140

0117

D2

51111228)10(11)40(3)40(7

011

410

1137

D3

A217

34

D

DI 1

1

A117

17

D

DI 2

2

A317

51

D

DI 3

3

2018.12.13. 12:41


Szuperpozíció tételével megoldva:

'

3

23

3''

2

'

1'

823,13030

30647,3

647,385

310

703030

310

1

1

IARR

RII

AR

UI

e

AIII

ARR

RII

AR

UI

e

743,2

176,13070

3092,3

92,351

200

303070

200

''

1

''

2

''

3

23

3''

2

''

1

''

2''

2

AIII

ARR

RII

AR

UI

e

47,0098,1568,1

098,17030

70568,1

568,151

80

307030

80

'''

2

'''

3

'''

1

21

1'''

3

'''

2

'''

3'''

3

AI

AI

AI

3568,1743,2823,1

1098,192,3823,1

247,0176,1647,3

3

2

1

2018.12.13. 12:41


Hurokáramok módszerével megoldva:

0)(

0)(

2332221

1222211

UURRJRJ

UURJRRJ

802006030

31020030100

21

21

JJ

JJ

603015

11030100

21

21

JJ

JJ

AJJI

AIJ

AIJ

132

3

2

212

32

11

2018.12.13. 12:41


Csomóponti potenciálok módszerével megoldva:

3

3

2

2

1

1

321

R

UU

R

UU

R

UU

III

AAA

VU

U

UUU

UUU

A

A

AAA

AAA

170

172890

5607140073930

30

80

30

200

70

310

AR

UUI

AR

UUI

AR

UUI

A

A

A

330

80170

130

200170

270

170310

3

3

3

2

2

2

1

1

1

2018.12.13. 12:41


Generátorok vizsgálata, ideális generátor jelleggörbéje

UG

It

Uk

Az ideális generátor kapocsfeszültsége tetszőleges nagyságú terhelő áram esetén is állandó marad, UG értékű, független a terhelő áramtól. Ez csak úgy lehetséges, ha nincs belső ellenállása: Rb=0 Ez azonban idealizálás, mert bármely valóságos generátornak van belső ellenállása, pl. a forgó tekercs vezeték-ellenállása.

Rt Uk = UG

UG

It

Uk

2018.12.13. 12:41


Generátorok terhelése, valóságos generátorok

A generátor áramkörére írjuk, fel a huroktörvényt: UG= Ub + Uk , vagyis Uk = UG - Ub , Ohm törvényét alkalmazva Ub = Rb

. It, , tehát Uk = UG - Rb. It

Rt

UG It

Uk

Rb

Ub

Szélső terhelési esetek: 1.) Rt =, It =0, Uk = UG üresjárás 2.) Rt =0, It = Iz = UG / Rb , rövidzárás

2018.12.13. 12:41


Valóságos feszültséggenerátor jelleggörbéje

A kapocsfeszültség változása: 1.) Uk = UG = Uü üresjárás 2.) Uk = 0, It = Iz rövidzárás a jelleggörbe meredeksége: -(UG / Iz) megegyezik az Rb

ellenállás értékével

Uk = UG - Rb. It

UG

It

Ideális generátor

Uk

It2

Rb. It2

Iz = UG / Rb 0

UG

It1

DIt

DUk

DIt =It1-It2 DUk =Uk1-Uk2

DUk / DIt = -(UG / Iz)= Rb vagyis két terhelési áram-feszültségméréssel meghatározható a belső ellenállás, rövidrezárás nélkül.

Generátorok terhelése, valóságos generátorok

Az Rb belső ellenállás az üresjárási feszültség és a rövidzárási áram hányadosaként számítható, azonban nagyobb teljesítményű generátorokat nem lehet rövidrezárni..

Rb = Uü / Iz

2018.12.13. 12:41


Szinuszos jelalak jellemzői

U a feszültség csúcsértéke u a feszültség pillanatértéke T a periódusidő, f =1/T a frekvencia w = 2.p . f a körfrekvencia

Az ábrán 10 V csúcsértékű, 50 Hz frekvenciájú szinuszos feszültség időfüggvényét ábrázoltuk. A pillanatérték t=7 ms hoz tartozik, tehát u=10.sin(2.p.50.

0,007)azaz u=10. sin2,199 rad=8,09 V

tu wsinU

A pillanatérték tetszőleges t időpontban számítható, értéke:

tu wsinU

2018.12.13. 12:41


A forgóvektoros ábrázolás bevezetése

A szinuszos jel pillanatértéke tetszőleges t időpontban: u =U0 . sinwt, ezt az értéket helyettesíthetjük egy U0 amplitúdóval megegyező nagyságú vektor jelölt forgásirányú forgatásakor a függőleges tengelyre eső vetületével: U0

. sinaval. A

szinuszos jelet egyszerűen felrajzolhatjuk az időtengelyt wt tengelyként tekintve, szög-osztásokat elhelyezve rajta, a forgó vektor vetületeinek és a szög-osztások vonalainak metszéspontjaira. A szinuszos jeleket tehát óramutató járásával ellentétesen forgó vektorokkal helyettesíthetjük, amennyiben azonos frekvenciával változnak. p/2

3p/2

wt

wt

p/2

3p/2

w

Forgásirány

U0

a =wt

2018.12.13. 12:41


p/2

3p/2

wt p/2

3p/2

w

Forgásirány

U0

a =wt

2018.12.13. 12:41

Ohmos ellenállás váltakozó áramú körben


43

U

UR I

~ R UR

I

Kapcsoljunk szinuszos váltakozású feszültséget ohmos ellenállásra. UR és I között nincs fáziseltérés, az áram fázisban van a feszültséggel.

Az ellenálláson átfolyó áram, irányától függetlenül az azonos fázisú feszültség miatt hatásos teljesítményt vesz fel a generátorból és hőteljesítménnyé alakítja át. A P= U . I összefüggés alapján határozható meg a szinuszos mennyiségek effektív értéke.

2018.12.13. 12:41


A kapacitív reaktancia

Az R és C elemekből álló hálózatra U=U0.sinwt szinuszos

feszültséget kapcsolunk és csak a tranziens, átmeneti állapot után végzünk vizsgálatot. Az u pillanatértéket az uR pillanatértéke és az uC pillanatértékének összege adja meg a t1 időpontban.

U I

R

UC

UR

C ~

Mindegyik elemen azonos az áram jele, ezért ehhez viszonyítjuk a többi jelet. j az U feszültség fáziskésése az áramhoz képest: j (360.t/T) j (360.0,075/1) j 27° azaz -0,471 rad

t [s] 2.0m 2.1m 2.2m 2.3m 2.4m 2.5m 2.6m 2.7m 2.8m 2.9m 3.0m

U,U

c,

UR

[V

], I

[mA

] -5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

Uc

UR U

uR

uC

u

I

U0

t, j

f= 1 kHz

t

2018.12.13. 12:41


A kapacitív reaktancia

45

Vektorábrán ábrázolva a két feszültséget, a parallelogramma szabállyal szerkesztve adódik eredőként U értéke, vagy a derékszögű háromszögből Pithagoras tétellel: U2= UR

2 + UC2

A j fáziszög kiszámítása: tg j UC/UR, j arctg(UC/UR ) fáziszöggel késik az U feszültség az áramhoz képest, a kondenzátor feszültsége pedig 90°-al késik az áramához képest, az adott frekvencián.

A kondenzátor áramkorlátozó hatását kapacitív reaktanciának nevezzük: jele Xc, kapacitív meddő ellenállás, értéke Xc=1/(w .C)=1/(2.p.f.C), ahol f a frekvencia

CfCX

c

pw 2

11

2018.12.13. 12:41


Fizikai szempontból ez azt jelenti, hogy a kondenzátorra váltakozó feszültséget kapcsolva a kondenzátor az egyik félperiódusban energiát vesz fel a generátortól, a másik félperiódusban visszaadja, töltések formájában. A töltésváltozás sebessége, amely megegyezik az i árammal: i=DQ/Dt A Q=C.U összefüggés alapján i =C.DU/Dt, vagyis az áram a feszültségváltozás sebességével arányos. A kondenzátor villamos tere akadályozza a töltések áramlását.

2018.12.13. 12:41

Az induktív reaktancia


47

U

I

R

UL

UR

L ~

Az R és L elemekből álló hálózatra U=U0.sinwt

szinuszos feszültséget kapcsolunk. Az u pillanatértéket az uR pillanatértékének és az uL

pillanatértékének összege adja meg a t1 időpontban.

Mindegyik elemen a közös jel az áram, ezért ehhez viszonyítjuk a többi jelet. A fázisszög U és I között j 360. t /T, U ennyivel siet I-hez képest.

t [s]

100m 110m 120m 130m 140m 150m 160m 170m 180m 190m 200m

U, U

L, U

R [

V], I [A

]

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

U

UR

UL

I t

t1

U0

uL uR

u f=100 Hz

T

t (j)

2018.12.13. 12:41



48

Vektorábrán ábrázolva a két feszültséget, a parallelogramma szabállyal szerkesztve adódik eredőként U értéke, vagy a derék-szögű háromszögből Pithagoras tétellel: U2= UR

2 + UL2

A j fáziszög kiszámítása: tg j UL/UR, j arctg(UL/UR ) Az adott frekvencián j fázisszöggel siet az az I áramhoz képest U feszültség, az induktivitás UL feszültsége pedig 90°-al siet az áramához képest.

Az előzőekben rögzítettük, hogy a vektorok w szögsebességgel forognak a jelölt irányban, és ez leképezi a szinuszos váltakozást, lényegesen leegyszerűsíti az ábrázolást és a számításokat is.

.

2018.12.13. 12:41



49

Az induktivitáson létrejövő indukált feszültség Ui= -L.DI/Dt, mivel szinuszos az áram, DI/Dt=D(I0

.sinwt )/Dt, Dt0 esetén D(sinwt )/Dt – w.coswt, tehát Ui= L.I0.w.coswt

Azonban coswt= (sinwt+p/2 ), végeredményül Ui= L.I0

. w(sinwt+p/2 ).

LfLXL

pw 2

Az induktivitás árama is szinuszos, de 90°-al késik a feszültségéhez képest. Az induktivitás a Lenz törvény alapján korlátozza a váltakozó feszültség által keltett áramot, a benne keletkezett indukált feszültség iránya ellentétes a rákapcsolt feszültséggel, az áramváltozás ellen hat. Az áramkorlátozó hatás mértékét az XL

induktív reaktancia adja meg: XL = Ui/ I0 = w.L, az induktív meddő ellenállás.

2018.12.13. 12:41


Az induktív reaktancia alkalmazása

Felüláteresztő szűrő tg j UL/ UR

jarctg1=p/4=+45°

XL=w .L=2.p.f.L), ha f, Xc , vagyis az induktivitás feszültsége közelíti a bemeneti feszültség értékét magas frekvencián, alatta UL értéke egyre csökken. Ha UR = UL , I.R=I. XL tehát R= XL = 2.p.f.L f=fh = R/ 2.p.L=1/(2.p.L/R) fh a határfrekvencia UR = UL miatt tg j = 1, j =+45° a fázistolás I és U között. A felüláteresztő szűrő a határfrekvencia alatt csillapítja a bemeneti jelet, a magasabb frekvenciájú jeleket átengedi.

UR = UL = U/ 2

R

L U UL

UR

UR

UL U

j

UL

R

Lπ2

1f

h

2018.12.13. 12:41


51

A kapacitív reaktancia alkalmazása

Aluláteresztő szűrő

Xc=1/w.C=1/(2.p.f. C). Ha f0, Xc , vagyis a kondenzátor feszültsége közelíti a bemeneti feszültség értékét alacsony frekvencián, felette Uc értéke egyre csökken. Ha UR = UC , I.R=I.Xc tehát R= Xc =1/(2.p.f. C), f = fh = 1/ 2.p.f. C fh a határfrekvencia UR = UC miatt tg j=–1, j= –45° a fázistolás I és U között. Az aluláteresztő szűrő a határfrekvencia alatt átengedi a bemeneti jelet, a magasabb frekvenciájú jeleket csillapítja.

UC

R

C U

UR

UR

UC U

j U

C

UR = UC = .U/ 2

tg j UC/ UR

jarctg-1=-p/4=-45°

2018.12.13. 12:41


A komplex impedancia

Im = imaginárius, képzetes rész, Re = reális, valós rész: Z = R - j. XC A továbbiakban mint vektorokkal számolhatunk az így megfogalmazott komplex számokkal. Az egy irányba eső összetevőket algebrai összeadással kell összegezni, a merőlegeseket pedig vektorszerűen, Pithagoras tételét alkalmazva. Az impedancia abszolút értéke: vagy XRZ

22

c XRZ2

L

2

A meddő ellenállások nem fogyasztanak energiát, csak áramkorlátozó szerepük van. Meghatározhatunk egy komplex ellenállást, impedanciát, amely a következőkép írható le: Z = R+jX, ahol X az induktív, vagy kapacitív reaktancia, (mindezek a feszültség- háromszög elemeinek I-vel való osztásából adódnak), a j pedig a képzetes egység: 1j

XC

Érvényes az Ohm törvény: I =U/Z, U =Z.I és Z =U/I

R

Z

j

-j -Im

Re

Például:

2018.12.13. 12:41

Az áram hőhatásának figyelembevétele


53

Ha I erősségű áram R ellenálláson folyik át, akkor Pvill =I2 . R teljesítmény alakul át hővé és így c . m . DT = h . I2 . R . t energiát vesz fel az anyag. Az áram hőhatása tehát az áramerősség négyzetével arányos.

Fontos ezt az összefüggést tudnunk a vezetékek méretezésénél, hiszen a vezetékek ellenállásán a rajtuk átfolyó áram négyzetével arányos hőfejlődés lép fel, amely káros túlmelegedést is okozhat, a hosszú vezetékek keresztmetszetét emiatt meg kell növelni, így R értéke csökkenni fog. A jelenséget felhasználják a vezetékvédő olvadó biztosítékok készítésénél: megadott áramérték felett a jó vezető anyagból készült vékony biztosítóbetét-szál túlmelegszik, megolvad, és így bontja a védendő áramkört. A betét kialakításától függően lomha, normál és gyors működésű biztosítékok vannak.

RIPvill

2

2018.12.13. 12:41


Váltakozó áramú teljesítmények.

Szinuszos jelalakú váltakozó feszültséget kapcsolva ohmos ellenállásra, az áram és a feszültség egymással fázisban van. Ennek következményeként az ellenálláson hatásos teljesítmény lép fel, a villamos teljesítmény teljes egészében hőteljesítménnyé alakul: Pv= U.I= c.m.DT/t , mértékegysége [(kWs/K).K/s]=[kW]

U

I w

P

A villamos teljesítmény számításánál az U feszültség mindig a feszültség effektív értékét jelöli, ugyanígy az I áram is a váltakozó áram effektív értéke. Vektor,- illetve fazorábrán történő ábrázolásnál a szinuszos időbeli változást azonos irányba mutató, óramutató járásával ellentétesen forgó vektor, a fazor mutatja. A P teljesítményt is vektorként ábrázolhatjuk

2018.12.13. 12:41



L induktivitásnak szinuszos váltakozó áramú körben XL induktív reaktanciája, meddő ellenállása van: XL= w.L, ahol w=2.p.f a körfrekvencia, f a frekvencia, [f]= 1/s= Hz

R

L

U ~

I

U effektív értékű feszültség hatására az áramkörben I=U/Z áram fog folyni, amely j fázisszöggel késik a feszültséghez képest. A Z látszólagos ellenállás, az impedancia értéke:

XL

R

j

Z

22)( LRZ w

2018.12.13. 12:41


tg j XL/R=w.L/R, tehát j arctg( w.L/R) P=Ph=U.I.cos j hatásos teljesítmény Q=Pm=U.I.sin j meddő teljesítmény S=Pl =U.I a látszólagos teljesítmény

A mértékegységek: [P]=W [Q]=VAr (reaktív) [S]=VA


XL

R

j

Z

S2=Q2+P2

P, Ph

S, Pl

j Q, Pm

Induktív meddő ellenállás fazorábrái

cos j P / S a teljesítménytényező, azt mutatja meg, hogy a látszólagos teljesítmény hányad része alakult át hatásos teljesítménnyé.

S

Pjcos

2018.12.13. 12:41



I

R C

U ~

C kapacitásnak szinuszos váltakozó áramú körben XC kapacitív reaktanciája, meddő ellenállása van: XC= 1/w.C, ahol w=2.p.f a körfrekvencia, f a frekvencia, [f ]= 1/s= Hz

U effektív értékű feszültség hatására az áramkörben I=U/Z áram fog folyni, amely j fázisszöggel siet a feszültséghez képest. A Z látszólagos ellenállás, az impedancia értéke:

C22

2 1

RZ

w

XC

R

j

Z

2018.12.13. 12:41


tg j XC/R=1/w.C.R, tehát j arctg (1/w.C.R) P=Ph=U.I.cos j hatásos teljesítmény Q=Pm=U.I.sin j meddő teljesítmény S=Pl =U.I a látszólagos teljesítmény


XC

R

j

Z

S2=Q2+P2

A mértékegységek: [P]=W [Q]=VAr (reaktív) [S]=VA

Q, Pm S, Pl

P, Ph

j

Kapacitív meddő ellenállás fazorábrái

cos j P / S a teljesítménytényező, azt mutatja meg, hogy a látszólagos teljesítmény hányad része alakult át hatásos teljesítménnyé.

S

Pjcos

2018.12.13. 12:41


Effektív érték.

Ohmos ellenállásra szinuszos feszültséget kapcsolva, azonos fázisú áram folyik át rajta, így: a teljesítmény maximális értéke, és látható, hogy a teljesítmény a feszültség frekvenciájának kétszeresével lüktet. Időfüggvénye , amelynek szimmetriája folytán a sraffozott területek a jelölt módon beforgathatók, és éppen kitöltik az alsó téglalapot, amelynek területe így , az 1 periódusra eső We villamos energia értéke. Pátlag = We /T az időegységre eső energia, vagyis az átlagteljesítmény:

t [s] 0.00 5.00m 10.00m 15.00m 20.00m

Telje

sítm

ény [

W]

0

1m

2m

3m

4m

5m

6m

7m

8m

9m

10m IU

Idô [s]

0.00 5.00m 10.00m 15.00m 20.00m

Feszültség V

-10m

-8m

-6m

-4m

-2m

0

2m

4m

6m

8m

10m U

Pátlag

T

IU P

tw2

sinIU

2IU T

2

IU

P átlag

2018.12.13. 12:41


Effektív érték.

Pl. a hálózati feszültség értéke U=230 V, emiatt a szinuszos váltakozó feszültség csúcsértéke 1,414.U= 325 V A váltakozó feszültségnek és áramnak mindig az effektív értékét adjuk meg, ha más érték szükséges, azt külön kell jelölni. Az elektrodinamikus műszerek effektív értéket mérnek és mutatnak, a Deprez műszer a jel abszolút középértékét méri tehát a skáláját k=1,11 alaktényezővel korrigálják, így az effektív értéket mutatja.

Az és mennyiségek olyan egyenfeszültség és egyenáram

értékeknek felelnek meg, amelyekkel azonos mértékű teljesítményt (hőfejlődést) hoznak létre, emiatt a szinuszos mennyiség effektív értékének nevezzük őket (angolul RMS Root Mean Square: Négyzet- gyökös átlagérték). Jelölésük U és I. Mivel =1,414 U= 0,707 és I =0,707

Pátlag = We /T az időegységre eső energia, vagyis az átlagteljesítmény:

2

I

2

U

2

IU

P átlag

az egy periódus alatt hővé váló teljesítmény

2

U

2 U I

2

I

2018.12.13. 12:41

Párhuzamos sík felületeken szétválasztott villamos töltések


61

A sík lemezek között azonos térerősségű, homogén villamos tér alakul ki.

+Q –Q

U

d

A

E

Erőtér, térerősség, kapacitás

A lemezek között a Q nagyságú töltések szétválasztása folytán U feszültség lép fel. Másképpen, ha U feszültséget kapcsolunk a lemezpárra, akkor Q töltés válik szét, és a lemezek közötti térben térerősség lép fel, amely E=U/d formában számítható. „A” felületű lemezeket feltételezve az elrendezés töltéstároló képessége, kapacitása az alábbi képlettel számítható: [F] Farad Ahol e0=8,86.10-12 As/Vm, a vákuum dielektromos állandója.

d

AC ε 0

2018.12.13. 12:41


Síkkondenzátor, kondenzátorok kapcsolása


62 ahol: A a szembenálló síklemezek felülete, [m2], d a távolságuk [m], er a szigetelő anyag relatív dielektromos állandója, e0 a vákuum dielektromos állandója., C a kondenzátor kapacitása Faradban

A kondenzátor, mint áramköri elem jele:

d

AC εε 0 r

d

A

Fém fegyverzet

Dielektrikum, szigetelő anyag

Fém kivezetés

C

Kondenzátorok soros kapcsolása Mindkét kondenzátor fegyverzetein a töltésszétválasztás során csak ugyanannyi Q töltés halmozódhat fel, emiatt: Q= C1

. U1= C2

. U2,

A huroktörvény alapján: U= U1 + U2

C1

C2

U

U1

U2

Ce U

A kapcsolás helyettesíthető egyetlen Ce eredő kapacitással tehát Q=U.

Ce

azaz U=Q/ Ce

C

Q

C

Q

C

Q

21e

Mindkét oldalt Q-val elosztva: máskép: Ce = C1 X C2, azaz Ce = C1 replusz C2 , általánosan:

C

1

C

1

C

1

21e

U= U1 + U2

C

1

C

1

i

n

1ie

2018.12.13. 12:41


Kondenzátorok párhuzamos kapcsolása

Ce U

Q1= C1 . U,….. Qn= Cn

. U Qe= Ce. U

Párhuzamosan kapcsolt kondenzátorokon azonos az U feszültség, töltésüket a C kapacitás határozza meg, az összes szétválasztott töltés pedig az egyes töltések összege: Qe= Q1 + Q2+..+ Qn

C1 . U+..+ Cn

. U= Ce

. U, U-val osztva mindkét oldalt: C1+ C2+..+ Cn= Ce

vagyis a párhuzamosan kapcsolt kondenzátorok eredője az egyes kapacitások értékének összege. Általánosan felírható: CC i

n

1i

e

A kapcsolás helyettesíthető egyetlen Ce eredő kapacitással

C1 C2 Cn

U

2018.12.13. 12:41


Kondenzátor feltöltési folyamata egyenfeszültségről

A kondenzátor kezdeti töltése 0, R ellenálláson a kezdeti pillanatban I= Ube/R áram folyik. A kondenzátor feszültsége U= Q/C szerint növekszik, tehát az I áram értéke fokozatosan csökken, amint a kondenzátor töltődik.

A feltöltődés időfüggvénye

e1U beU ki τ

t-

t= R.C az időállandó,ennyi idő alatt töltődik fel a kondenzátor a feszültség-különbség (1-1/e)-ed részéig, vagyis 6.t idő alatt Ube 99,99%-áig

Ube

Uki

t

0,632.

Ube

2018.12.13. 12:41


Áram által átjárt vezetők mágneses tere

A rajz síkjára merőlegesen befolyó áram mágneses erővonalai a jobbcsavar szabály szerint haladnak

Gerjesztési törvény szerint S (H . Dl) =I, mivel H értéke állandó a

körvonal mentén:

H.S(Dl)=I, és S(Dl)= l=2.p.r, a körvonal hossza. A mágneses térerősség értéke r távolságban: H=I /(2.p.r)

I

H

l r

F=(0.I2 .

l)/2.p.d az erőhatás nagysága l hosszúságú vezetőszakaszok között

Egyirányú áramok és ellentétes irányú áramok eredő tere és erőhatása

Egymással párhuzamosan futó, a megjelölt irányú áramtól átjárt vezetők mágneses tere

I I I I

I I

I

I

l l

d d

vonzás taszítás

2018.12.13. 12:41


Mágneses terek

A gerjesztési törvény : =N.I=H. l, a szolenoid esetében, mert a tekercsen kívüli térerősség elhanyagolható a tekercsen belüli térerősséghez képest. Légmagos tekercsben a mágneses indukció értéke B=0

.H, a mágneses fluxus értéke F B.A [Vs], ahol A a tekercs által körülzárt felület m2-ben. N a menetszám B= 0

.N.I / l [T]

I

Légmagos tekercs, szolenoid

B

É D

l

Vasmagos tekercsben r -szorosára nő az indukció értéke: B= r

.0 .

N.I / l

mert az elemi mágnesek beállnak a külső tér irányába az anyag belsejében. r a relatív permeabilitás

Állandó mágnes

Semleges vonal

Mágneses pólus

Vasmagos tekercs

É

vasmag

D

l

Vasmagos tekercs áramköri jelölése:

2018.12.13. 12:41


Induktivitás

Ha a tekercs árama megváltozik, akkor meneteiben önindukciós feszültség keletkezik :

L I

Ui

Δt

ΔΦNU i

F=B.A = .N.I/l

Δt

ΔIAμN

Δt

ΔIANμNU

2i

ll

Δt

ΔILU i

[L]=Vs/A= H, henry

Az indukált feszültség arányos az elrendezéstől függő önindukciós tényezővel, az L induktivitással, és az áramváltozás sebességével. Az L induktivitás értéke: l

AμL N 2

Az induktivitás csak akkor marad lineáris áramköri elem, ha nem engedjük meg vasmagos tekercsekben a telítődését az átfolyó áram hatására.

L1 > L2 > L3

2018.12.13. 12:41


Áram és mágneses tér kölcsönhatása

Állandó mágnes erőterében az áram által átjárt vezetőre jobbkézszabály szerinti irányú erő hat: I a mutatóujj, B a rá merőleges középsőujj , F a kifeszített hüvelykujj iránya. (máskép: I irányába nézve B-t 90°- al jobbra elforgatva kapjuk F irányát)

É É

É D D

D

F F F

mágneses tere

Az áram a felületre merőlegesen, befelé mutat.

Vezetőben folyó áram

Az áram a felületre merőlegesen, felénk mutat.

Az erőhatás nagyságát a vezető szakasz mágneses térben lévő, erővonalakra merőleges l hossza, a B indukció értéke, és az I áramerősség határozza meg:

F

I

B

F =B . I . l

2018.12.13. 12:41


B indukciójú térben l hosszúságú vezetőt v sebességgel mozgatva, a benne lévő szabad töltéshordozókra (elektron) Lorentz erő hat, amely azokat a vezető egyik vége felé elmozgatja, így a vezető végein elektronhiány- és többlet alakul ki, vagyis feszültségkülönbség lép fel. A töltésmozgás iránya az elektron negatív töltése miatt ellentétes a jobbkézszabály szerinti erő-iránnyal!

BvqF

–

l

F (Lorentz erő)

v +

B

BvqF

Pozitív q töltést mozgassunk mágneses térben az erővonalakra merőlegesen v sebességgel, a mozgó töltés és a mágneses tér közötti kölcsönhatás következtében u.n. Lorentz erő lép fel, amely mindkét vektorra a jobbkézszabály szerint merőleges irányú és az alábbi képlettel számítható:

Mozgási indukció

2018.12.13. 12:41


Mozgási indukció

Vezető keretet w szögsebességgel forgatva homogén mágneses térben az elektronok az E villamos térerősségvektorral ellentétes irányban elmozdulva negatív töltéstöbbletet hoznak létre a vezetőkeret (vagy N menetű tekercs) 1. pontján, és a 2. pontján elektronhiány, tehát pozitív töltéstöbblet keletkezik

Töltésszétválasztás jön létre, tehát a mágneses térben forgatott tekercs feszültség előállítására alkalmas, forgó generátorként. A keletkező feszültség amplitúdója: U= B.

l . v .N, időbeli lefolyása pedig a fluxusváltozás F= B .A=B . ( l .2 .

r) .coswt időfüggvénye alapján

= - (N . B .

l .2 . r) .D(coswt) /Dt, Dt0 esetén, (v= r .

w)

Ui= – (-w . (N .

B . l .2 .

r) .sin wt)= N . B .

l .2 . r .

w sin wt= N . B .

l .2 . v . sin wt

tU i

D

DF

w

1

2

r

2018.12.13. 12:41


Nyugalmi indukció

Nyugalmi indukcióról beszélünk, ha nem a

feszültséget létrehozó elemek mozognak, hanem a

fluxust létrehozó áram változik.

Indukciómentes bifiláris tekercs, a párhuzamos vezetékek áramainak mágneses terei kioltják egymást

L~0

l a közepes erővonalhossz, A pedig a ferromágneses anyag keresztmetszete

U1

I1

l

A

F

2018.12.13. 12:41


Villamos munka és teljesítmény számítása egyenáramú hálózatban A villamos munka a fogyasztóban alakul át a megfelelő formájú energiává,

pl.: mechanikai munka, hőenergia, vegyi energia. A munkavégzés mindig töltéskiegyenlítődéssel jár, a kiegyenlítő hatás mértéke a feszültségtől és az átáramlott töltés mennyiségétől függ. Ha U feszültségen Q töltés áramlik át, a munkavégzés W=Q.U. A gyakorlatban nem a Q értéke ismert, hanem a feszültség és az áramerősség, tehát a Q=I.t összefüggést felhasználva: W=U.I.t Mértékegysége: [W]=W.s

A villamos teljesítmény az időegység alatt végzett munka: P= W/t =(U.I.t)/t, azaz

P= U.I egyenáramú mennyiségekre. Más formában felírva is szokásos a teljesítményt kifejezni: P=U.I=U.U/R P = U2/R , vagy az U=I.R összefüggés felhasználásával: P=I.R.I P = I2.R, tehát az egyenáramú teljesítmény a feszültség, vagy az áram négyzetével arányos és függ az ellenállás értékétől. Mértékegysége: [P]= V.A=W, a fogyasztó által felvett egyenáramú teljesítményt wattmérővel lehet közvetlenül megmérni, vagy a feszültség és az áram megmérése után a szorzatukat képezni.

2018.12.13. 12:41


Az áram hőhatásának számítása.

Az áram hőhatását Joule törvénye alapján lehet meghatározni: a W villamos energia teljes egészében átalakítható Q hőmennyiséggé az energia-megmaradás elve alapján.

Q= c.m.DT ahol c az anyag fajhője , m az anyag tömege:[kg], DT a hőmérsékletkülönbség. A villamos energia, W=Pvill

.t nem csak az anyagot, hanem annak környezetét is melegíti, emiatt az m tömegű anyagot csak az elrendezéstől függő mértékben, h hatásfokkal fogja felmelegíteni.

c.m.DT = h . Pvill .t

ahol Pvill -t kW-ban, t -t s -ban kell megadni, hogy helyes eredményt kapjunk. .

Ckg.

kWs][c

2018.12.13. 12:41


Egyfázisú hálózat.

U i

Szinuszos váltakozó feszültség létrehozása mágnes pólusok között forgatott kerettel és csúszógyűrűkkel. Ez a módszer csak kis teljesítmény esetén alkalmazható a csúszógyűrűk kopása és szikrázása miatt.

Szinuszos váltakozó feszültség létrehozása lágyvas pólusokra helyezett tekercsek között forgatott állandó mágnessel. Az álló tekercsek miatt nincs szükség csúszógyűrűkre, nagyobb teljesítményre alkalmas.

2018.12.13. 12:42


Egyfázisú hálózat.

~

L1

N

Egyfázisú hálózatot elvileg egyfázisú generátor révén hozhatunk létre ( 0,5-3kW teljesítményig robbanómotoros generátorokat használnak, főleg szükségáramforrásként) a gyakorlatban azonban a háromfázisú hálózat valamelyik fázisfeszültségét használjuk fel. Ehhez általában csillagpontos háromfázisú hálózatot használnak, ugyanis ekkor rendelkezünk mind vonali, mind fázisfeszültséggel. Biztonsági okokból a generátor, vagy a transzformátor fém burkolata földpotenciálra van kötve- földelve van -a fogyasztói oldalon is ki kell alakítani védőföldelést a fogyasztó esetleges testzárlata miatti áramütés elkerülése céljából. Az Európában szabványosított 230 V/50 Hz frekvenciájú egyfázisú hálózat a 3x400/230 V/50Hz háromfázisú hálózat egyik fázisfeszültsége.

Ug

Uk

L1 Line / Línie (vonal) a fázisvezeték jele N Nulla a nullvezeték jele vagy PE a földelés jele Uk a kapocsfeszültség a fogyasztói ponton

2018.12.13. 12:42


Teljesítmények egyfázisú hálózatban Amennyiben a terhelés ohmos jellegű, tehát pl. hősugárzó, villanybojler fűtőbetétje, vagy kemence, akkor az áram és a feszültség fázisban van, a hálózatból felvett teljesítmény P=U.I . Elegendő az áram és feszültség megmérése, a teljesítmény a kettő szorzataként számítható.

U

I w

P

Induktív jellegű terhelés

P=U.I.cosj

P=S. cosj

U, S UL

I, P

j w

U, S UC

I, P

j

Kapacitív jellegű terhelés

w

Ha induktív, vagy kapacitív a terhelés, akkor a hálózatból felvett hatásos teljesítmény a P=U.I.cosj képlettel számítható, ahol j a feszültség és az áram közötti fázisszög, U és I effektív értékek . Az elektrodinamikus teljesítmény-mérő műszerek is ezt az értéket mutatják. A hatásos teljesítmény vektorokkal ábrázolható

2018.12.13. 12:42


Induktív fogyasztó árama.

Induktív fogyasztó árama közel 90°-al késik a feszültséghez képest, emiatt csaknem tiszta meddő teljesítményt vesz fel a hálózatból, azonban az Im áram átfolyik az energiaszolgáltató vezetékén is, és abban Pv= Im

2.Rv veszteséget okoz. Az induktív áramot kondenzátor kapacitív áramával lehet kompenzálni, ekkor az L induktivitás és a C kapacitás között köráram fog folyni, jelentősen lecsökken a vezetéken hővé alakuló veszteséget.

U

I j

IL

IR

cosj= IR/ I

j

2018.12.13. 12:42


Induktív fogyasztó kompenzálása: fázisjavítás

Ha az induktív fogyasztóval párhuzamosan kötünk megfelelő értékű kapacitást: XL= XC , vagyis w.L=1/(w.C) akkor párhuzamos rezgőkör alakul ki, és a generátort csak az RP ellenállás árama terheli, a hatásos teljesítmény. Ezt a módszert nevezik teljes kompenzációnak. (Ipari gyakorlatban a kompenzáló kondenzátor értékét nem F-ban, hanem a kompenzált meddő teljesítménynek megfelelően kVAr-ban adják meg. A kondenzátorral biztonsági okokból egy nagy ohmos ellenállást kötnek párhuzamosan - kikapcsolt állapotban a kondenzátor kisütése céljából.- A módszert fázisjavításnak is nevezik, mert az áram és feszültség közti fázisszög csökkenése cosj növekedését jelenti, akár az 1 értékig.

Lω 21C

IC

U IL IR

w

A kapcsolás fazorábrája

köráram

2018.12.13. 12:42


Háromfázisú hálózat.

Ha egymással 120°-ot bezáró R-S-T tekercsek között két pólusú állandó mágnest, vagy elektromágnest forgatunk, forgó mágneses mező jön létre és a tekercsekben egymáshoz képest 120°-os fázistolású szinuszos feszültség indukálódik. A 120°-os fázistolás következtében a három szinuszos feszültség pillanatértékeinek összege bármely időpontban zérus értéket ad.

U1

U2

U3

t1

t2 R S T

U V W

X Y Z

A tekercsek, kezdő és végpontjaik jelölése

végpontok

kezdőpontok T

2018.12.13. 12:42



Forgó elektromágnessel felépített háromfázisú generátor vázlata és tekercskivezetései

Az ábra alapján a háromfázisú feszültség szállításához hat vezetékre lenne szükség . A 120°-os fázistolás következtében azonban a három szinuszos feszültség pillanatértékeinek összege bármely időpontban zérus értéket ad. Tehát a tekercsek kezdő- és végpontjait összeköthetjük, hiszen az így sorba kötött tekercsekben áram nem folyik, mivel az eredő feszültség SU=0! Ezt nevezzük D, vagy három-szög-

kapcsolásnak. Elegendő 3 vezeték az energiaszállításra! Össze lehet kötni a tekercsek végeit is, ekkor Y, vagy csillag kapcsolásról beszélünk. Ebben az esetben négy vezeték szükséges az energia továbbításra, azonban kétféle feszültségszint áll rendelkezésre: a fázisfeszültség, és a vonalfeszültség.

2018.12.13. 12:42


Háromfázisú hálózat. Csillag (Y) kapcsolás.

A tekercsek végpontjait összekötve, csillag kapcsolást hozhatunk létre, a közös pont a csillagpont. Az R, S, T fázistekercsek és a csillagpont között az Uf fázisfeszültség, bármely két szabad tekercsvég között az Uv vonali feszültség vehető le. A villamos energia szállításához négy vezeték szükséges, azonban kétféle feszültségszint áll rendelkezésre. A fazorábra alapján bizonyítható, hogy a vonali feszültség a fázisfeszültség összefüggése: U3U fv

m= Uf.sin30°=0,5. Uf

Pithagoras tétellel:

(Uv/2)2= Uf.2- (Uf /2)2= Uf

.2. (1-0,25) Uv

2 /4 = Uf.2.0,75 Uv

2 = Uf.2 . 0,75.4

Uv2 =3. Uf

.2 , négyzetgyökvonás után:

30° 30°

Uf Uf

Uv

m

UR

UT

US

csillagpont

T S R

U V W

X Y Z

2018.12.13. 12:42


US

UT

UR


Háromfázisú generátor tekercseinek háromszög, vagy D kapcsolása

A D kapcsolásban a tekercsvégeket a következő tekercs kezdetéhez kötjük, lényegében sorbakötjük a tekercseket. Ezt azért lehet megtenni, mert a szinusz jelek 120°-os fázisszöggel vannak eltolódva egymáshoz képest, így eredőjük minden pillanatban zérus

A tekercspontok között a fázisfeszültséggel azonos vonali feszültségeket kapunk, és három vezetéken lehet a háromfázisú villamos energiát szállítani. Távvezetékeknél ez jelentős vezeték-megtakarítást jelent, négy helyett három vezetéken lehet azonos teljesítményt átvinni. A vonaláram értéke a két szomszédos fázis áramának vektoros összege: II 3 fv

2018.12.13. 12:42

A fogyasztónak általában csak a vonali adatait tudjuk megmérni, azonban csillagkapcsolásban a következő összefüggések érvényesek, Iv= If (2)

(D kapcsolásnál Uf =Uv és -t (1) -be helyettesítve is (2) -t kapjuk) tehát szimmetrikus háromfázisú rendszerben a vonali adatokból számítható teljesítménynek csak -szorosát kell venni! Nem szimmetrikus terhelést okoznak az egy fázist terhelő háztartási készülékek: porszívó, hűtőszekrény, TV, mikrohullámú sütő, mosógép, rádió, stb.


Háromfázisú hálózat teljesítménye

Háromfázisú hálózatban az egyes fázisok egyszerre vagy külön- külön is terhelhetők. Amennyiben azonos a fázisok terhelése, szimmetrikus terhelésről beszélünk, az ipari fogyasztók többsége: villamos motorok, hőfejlesztő készülékek, berendezések szimmetrikus terhelést jelentenek. A fogyasztók által felvett teljesítmény az egyes fázisok teljesítményeinek összegéből számítható: P =PR+ PS + PT. ( PR, PS, PT az Uf

. If.cosj össze-függésből adódik).

Szimmetrikus terhelésnél P=3. Uf. If

.cosj (1)

UU 3 fv

cosU3

3I vvP jcosIUP vv3

3

3

II

vf

2018.12.13. 12:42

Háromféle megoldást alkalmaznak: egyedi kompenzációnál a motor bemeneti kapcsaira közvetlenül rákötik a kondenzátorokat. A párhuzamosan beiktatott ellenállások a kondenzátorok üzemszünet alatti kisütéséhez szükségesek, mert töltésük generátorüzemet hozna létre a motor lassulása idején, ami káros túlfeszültséget idézhet elő. Ezt a módszert elsősorban állandó cosj-jű, folyamatos üzemű nagyteljesítményű motoroknál alkalmazzák, célszerű nem cosj 1re, hanem csak cosj 0,85re végezni a kompenzálást a túlfeszültségek elkerülésére. A csoportos kompenzációnál a fogyasztók egy csoportja közös kapcsolón át kerül a hálózatra és közös kompenzáló berendezés tartozik hozzájuk. Kis- és középüzemekben alkalmazzák. A központi kompenzációnál egy meddőteljesítmény szabályzó a pillanatnyi meddő teljesítmény felvételtől függően kapcsol ki -vagy be kondenzátorokat. (1kVAr meddő teljesítmény kompenzálására 230V/50 Hz -nél 60 F, 400V /50 Hz-nél 20 F szükséges)


Kompenzálás háromfázisú hálózatban

2018.12.13. 12:42

A primér tekercs által keltett váltakozó mágneses tér indukált feszültséget hoz létre a vasmag fluxusának változtatásával a szekunder tekercs meneteiben: Ui= N2

.DF1 / Dt Szinuszos fluxusváltozás esetén:

Uimax= N2.w.B.A= N2

. 2 .p . f . B.A


F

N1

Rt

N2

A transzformátor működési elve.

névleges üresjárási feszültség keletkezik. Ezt nevezik a transzformátor főegyenletének, ahol N2 a szekunder tekercs menetszáma, w a körfrekvencia, B az indukció effektív értéke, és A a vasmag keresztmetszete.

maxmax44,4

2

2FF

NfNfU

i

p

2018.12.13. 12:42


A transzformátor működési elve.


Mivel mindkét tekercs ugyanazt a F fluxust veszi körül, a primer és a szekunder tekercsekben indukált feszültségek aránya üresjárásban, (azaz terhelés nélkül) megegyezik a menetszámok arányával: U1/N1=U2/N2, vagyis U1/U2=N1/N2,

A terheletlen transzformátor feszültségei a menetszámokkal arányosak, az N1/N2

arányt a transzformátor menetszám-áttételének nevezzük: N1/N2= a Terhelt transzformátor A közös vasmag folytán mereven csatolt tekercsek teljesítményei is közel azonosak: S1=S2 vagyis U1

.I1= U2.I2 I1 / I2 = U2 / U1 I1 / I2 = N2 / N1

Valóságos transzformátoroknál mindig van vas- és rézveszteség, emiatt a terhelt transzformátor áramai nem teljesen fordítottan, csak közel fordítottan arányosak a menetszámokkal.

2018.12.13. 12:42


Üresen járó transzformátor

2018.12.13. 12:42


Transzformátor üresjárási állapota

R1 : primer tekercs ohmos ellenállása Xs1 : primer oldali szórási reaktancia Rv (R0 ): vasveszteséget szimbolizáló ellenállás Xm (X0 ): a főfluxust szimbolizáló reaktancia

2018.12.13. 12:42

A transzformátoroknál az ellenállások aránya az áttétel négyzetének felel meg, máskép Z1 =a2. Z2

vagy R1 =a2. R2

2

2

2

1

2

1

2

1

1

2

2

1

2

2

1

1

2

1

N

N

N

N

N

N

I

I

U

U

I

U

I

U

Z

Z

ahol a= menetszám áttétel N

N

2

1

Z

Z

2

1a a

Z

Z 2

2

1


Impedancia transzformáció

A transzformátor generátor által látott látszólagos bemeneti ellenállása, bemeneti impedanciája: Z1= U1/I1, kimeneti impedanciája Z2= U2/I2

A transzformátorokat a híradástechnikában előzőek alapján ellenállások illesztésére is használják. Ha egy generátor belső ellenállása megegyezik a terhelő ellenállással, maximális teljesítmény vihető át: teljesítmény-illesztésről beszélünk. Ha a generátor belső ellenállása különbözik a terhelő ellenállástól, akkor a két ellenállás illesztésére transzformátort kell közéjük kapcsolni.

2018.12.13. 12:42


A transzformátor üzemi tulajdonságai

t [s] 0 5m 10m 15m 20m -10

-5

0

5

10

F fluxus

Mágnesező áram

F [

Vs]

, I

[A]

t

t [s] 0 5m 10m 15m 20m

U p

r [V

]

-10

-5

0

5

10

Primer feszültség

t

t [s] 0 5m 10m 15m 20m

U s

z [V

]

-10

-5

0

5

10

Szekunder feszültség

t

A transzformátor üresjárásban működik, ha nincs a kimeneti kapcsain terhelés. A primer tekercs induktivitást képvisel, ezért szinuszos bemenő feszültség esetén a mágnesező áram 90°-ot késik. Ideális transzformátornál a szekunder tekercs feszültsége 90°-ot siet a mágnesező áramhoz képest, tehát a bemeneti feszültséggel azonos fázisú. A valóságos transzformátor üresjárási áramának fázistolása kisebb 90°-nál, mert a mágnesezési veszteség és a tekercs ellenállása ohmos veszteségként, hő formájában jelenik meg, és a veszteségi áram azonos fázisban van a feszültséggel. A vektorábra az alábbi módon alakul:

I0

Im Iv

Usz

Upr

F

2018.12.13. 12:42


A transzformátor üzemi tulajdonságai

U1

F

F

I1 F2

F2

Rt

A transzformátor terhelésénél a kimeneti kapcsain áram folyik, amely a vasmagban ellentétes irányú F2 fluxust hoz létre. I1 primer áram megnő, visszaállítja az eredeti fluxust, azonban a fluxus egy része a vason kívül záródik, szórt mágneses tér alakul ki. A szórt mágneses tér által metszett tekercsmenetek fojtótekercsként viselkednek, korlátozzák a tekercs áramát.

2018.12.13. 12:42


Transzformátor üzemi helyettesítő kapcsolása

Egyszerűsített helyettesítő kapcsolás 2

'

2UaU Feszültség redukció:

Áram redukció: a

II

2'

2

Impedancia redukció: 2

2'

2 ssXaX

2

2'

2RaR

R1 R2 : primer és szekunder tekercs ohmos ellenállása Xs1 Xs2 : primer és szekunder oldali szórási reaktancia Rv (R0 ): vasveszteséget szimbolizáló ellenállás Xm (X0 ): a főfluxust szimbolizáló reaktancia Zt : terhelő impedancia

2018.12.13. 12:42


Transzformátor rövidzárási állapota

Transzformátor rövidzárási Helyettesítő kapcsolási rajza

Transzformátor rövidzárási vektorábrája:

Z

R

zU

Ujcos

Rövidzárási teljesítmény tényező

2018.12.13. 12:42


Transzformátorok párhuzamos üzeme

100100

1

1

1

1

zn

n

n

zn

zI

I

U

UeTranszformátor dropja:

zzRjee cos

zzSjee sin

A transzformátor szekunder kapcsait rövidre zárva, azt a primer feszültséget, amelynél a primer tekercsben a névleges primer áram (I1n) folyik, rövidzárási feszültségnek nevezzük: U1z

2018.12.13. 12:42


Párhuzamos üzemhez az alábbiaknak kell teljesülni: •Nincs kiegyenlítő áram a párhuzamosan kapcsolt transzformátorok között •Terhelés a transzformátorok között névleges teljesítményeik arányában oszlik meg Ezek a feltételek akkor teljesülnek ha: •Primer és szekunder névleges feszültségek megegyeznek, azonos az áttétel (a1 = a2) •Fázisfeszültségek azonos fázisúak (kapcsolási csoport azonos) •A transzformátorok dropjai egyenlők ε1 = ε2

Transzformátorok párhuzamos üzeme

1001

1

z

n

z

II

eTranszformátor zárlati árama:

2018.12.13. 12:42


A transzformátorok kiviteli formái

Tekercselés

Szalagmag

Vágott szalagmagos transzformátor Köpeny típusú kivitel

Láncszem típusú transzformátor, jobboldalt vágott szalagmagos kivitel

Köpeny típusú transzformátor, vasmag E-I lemezekből alakítva.

Vasmag

Tekercs E lemez

I lemez

A légrés csökkentése érdekében az E lemezeket felváltva szemben rakják össze és alumínium keret-tel összeszorítják lemezköteget.

2018.12.13. 12:42


Háromfázisú transzformátorok egyenlőtlen (aszimmetrikus) terhelése

2018.12.13. 12:42


A transzformátorok kapcsolási csoportjai

A transzformátorok nagyfeszültségű és kisfeszültségű oldalán egyaránt három vezetékág van, amik csillag (Y), vagy háromszög (D) kapcsolásban lehetnek. Ha a nagyfeszültségű és kisfeszültségű oldalon a vezetékágak ugyanúgy kapcsolódnak, akkor a nagy- és kisfeszültség között 0° vagy 180° a fázistolás. Ha viszont különbözően kapcsolódik a két oldal, akkor a fázistolás 150° vagy 330°. A fázistolást az óraszámlap beosztásából származó jelzőszámmal adják meg.

A fázistolás a jelzőszám 30°-al való megszorzásából származik, pl. a Dy5 esetén 5x30°=150°. Kivezetett csillagpont esetén a jelölés még egy n, ill. N betűvel egészül ki.Dyn5 azt jelenti,hogy a nagyfeszültség D, a kisfeszültség Y kapcsolású a nullavezető kívül van és j 150°.

2018.12.13. 12:42


A transzformátorok kapcsolási csoportjai

2018.12.13. 12:42

Aszinkron gép



Állórész (stator) • Anyaga öntöttvas, de lehet alumínium is. • Lemezelt hornyaiban 1 vagy 3 fázisú tekercselés helyezkedik el. • Kapocskivezetés, csapágyak

2018.12.13. 12:42


Kalickás (rövidrezárt) forgórész (rotor) • Egyszerű szerkezet

• Üzembiztos működés • Olcsó megoldás

• Bonyolult felépítés • Drága kivitel • Nagy indítónyomaték • Kíméletes indítás indító ellenállások alkalmazásával

Tekercselt csúszógyűrűs forgórész

2018.12.13. 12:42

Váltakozóáramú, háromfázisú hálózatra kapcsoljuk az állórész tekercselését. Létrejön egy forgó mágneses mező fordulatszámmal. Ennek hatására az állórész tekercsben is feszültség indukálódik ( ). Az állórész tekercsben az U1 és Ui1 közötti feszültség hatására áram indul meg. Az I1 áram hatására a forgó mágneses fluxus keletkezik, amely kapcsolódik a forgórész rövidrezárt kalickáival, vagy vezetőivel. Ez a mező a forgórész tekercselésben Ui2 feszültséget ( ) hoz létre, melynek hatására áram indul meg. (Álló állapotban f1=f2 ) A forgórész tekercselésére nyomaték kezd hatni, és a forgórész megindul, mégpedig a mágneses mező forgásának irányába. A forgórész sebessége soha nem éri el a mágneses mező forgási sebességét. Köztük lévő százalékos különbséget slipnek (s) nevezzük.


p

f

on 160

2max2244,4

2F fN

iU

1max1144,4

1F fN

iU

2018.12.13. 12:42


A forgó mező forgása és a forgórész fordulatszáma közötti százalékos különbséget a slip (s) adja. 100

on

no

ns

)1( sonn

A slip (s) névleges értéke: %73 nsnon

1

2

f

fs

2018.12.13. 12:42


bs

s

s

bsb

MM

2

Klass képlet:

sX

R

bs

'

2Billenő szlip:

2018.12.13. 12:42


1s

Fékmotoros üzem:

10 s

Motoros üzem:

0s

Generátoros üzem: 0s

10 s

1s

2018.12.13. 12:42


n

on

Aszinkron gép indítása lehet: - Ellenállásos - Y – D kapcsolásos - Mélyhornyú indítás

2018.12.13. 12:42


Teljesítményszalag

1

2

113 RIP

tÁllórész tekercsvesztesége:

0

2

3R

UP

i

vVasveszteség:

2018.12.13. 12:42


oMvPt

PPl

P w11

Forgó tekercs veszteség:

)1(2

sl

Pt

Pl

PMmP w

Légrés teljesítmény:

Mechanikai teljesítmény:

o

ooMMoMmP

lP

lPs

tP

w

wwwww

2

Tengely teljesítmény: wt

Mh

PP2

Tengely nyomaték: sMMt

M

Nyomatékszámítás: 222

)'

2(

'

2

2

13

ss

XR

sR

o

U

o

lP

M

ww

Közelítő formula (R1=0)

2018.12.13. 12:42


Egyfázisú aszinkron motor Egyfázisú állórész tekercselésre, egyfázisú feszültséget kapcsolunk -> Lüktető, pulzáló mágneses fluxus jön létre, - két ellentétes forgó fluxus eredőjeként - Nincs indítónyomaték Mi=0 - Be kell rántani (mechanikusan, vagy segédfázis (kondenzátor segítségével)

Az aszinkron motor önmagában nem képes generátoros üzemre. Ehhez vagykülső hálózatra, vagy kondenzátor telepre van szükség.

Adattábla - Névleges teljesítmény - Névleges feszültség - Névleges áram - Frekvencia (f) - Teljesítmény tényező - cos ( )

- Hatásfok - Bekötés (Y/D) - Védettség (IP) - Névleges fordulatszám

Póluspárok száma n

n

j

2018.12.13. 12:42


Aszinkron motorok fordulatszám változtatása

• Állórész frekvenciájának változtatásával • A pólusszám változtatásával • A szlip változtatásával (csúszógyűrűs gépeknél!)

Frekvencia szabályozás megvalósítása: A megvalósításhoz olyan félvezető eszközök alkalmazhatóak, mint tirisztorok kommutációs áramkörökkel, bipoláris teljesítmény tranzisztorokkal, MOS FET tranzisztorok, IGBT-k., GTO-k., MCT-k.

2018.12.13. 12:42


Szinkrongépek

Definíció

Azokat a váltakozó áramú gépeket, melyeknek a fordulatszámát a póluspárok száma, és a feszültség frekvenciája határozza meg, szinkrongépeknek nevezzük.

A fordulatszám meghatározása:

jelölés rendszer:

- „n” a fordulatszám

- „f” a frekvencia

- „p” a póluspárok száma

60p

fn

2018.12.13. 12:42


A gép szerkezete és felépítése

Fő részei:

- állórész

- forgórész

lemezelt vastest, hegesztett acéllemez váz fogja össze

nyitott, vagy félig zárt horonyba helyezik a tekercselemeket

a házat kétoldalt öntöttvas pajzs zárja le

egyenáramú gerjesztő tekercs a mágneses tér előállítása érdekében, csúszó gyűrűk, a gerjesztő áram hozzávezetése miatt, melyekhez szén vagy bronzkefék csatlakoznak

2018.12.13. 12:42


A forgórész kialakítása lehet Hengeres (gőzgenerátorok)

párhuzamos hornyú

kereszttekercses

radiális hornyú

A forgórész feladata az, hogy olyan mágneses teret

hozzon létre, amely alkalmas arra, hogy az állórészben

szinuszos feszültséget indukáljon. Ezt a pólusok

speciális kialakításával lehet megvalósítani.

2018.12.13. 12:41


A fordulatszám alakulása

A póluspárok száma: p=1

2018.12.13. 12:41

min17504

min110003

min115002

min130001

0

0

0

0

np

np

np

np

A póluspárok száma: p=2 esetén


A szinkrongépek gépek alkalmazása

A szinkrongép lehet

Motor

Generátor

Az állórészre háromfázisú feszültséget kapcsolnak

a forgórész tekercsét egyenárammal gerjesztik.

a forgórészre helyezik el az egyenárammal gerjesztett pólusokat.

az állórészben feszültség indukálódik

2018.12.13. 12:41


Motor Az állórészre kapcsolt 3 fázisú feszültség fordulatszámmal forgó mágneses teret hoz létre. Ennek hatása van a pólus fluxusra, amit armatúra reakciónak nevezünk. A forgó fluxus a gerjesztett póluskereket fordulatszámon tartja, amin a motor nyomaték kifejtésére is képes. Az indítónyomaték 0, azaz álló póluskereket a forgófluxus elindítani nem tudja.

https://www.youtube.com/watch?v=Vk2jDXxZIhs

Generátor Az egyenárammal gerjesztett forgórészt állandó fordulatszámmal forgatják. (gőz-, víz-, gázturbina, diesel motor) az állórésztekercsekben szinuszos háromfázisú feszültség indukálódik

https://vimeo.com/groups/37089/videos/10291411

2018.12.13. 12:41

0n

0n

http://www.youtube.com/watch?v=Vk2jDXxZIhs

https://vimeo.com/groups/37089/videos/10291411

2018.12.13. 12:41 Elektrotechnika - elektronika 120


A szinkron generátorokat a hálózatra kapcsolás előtt szinkronizálni kell. Üresjárásban (nyitott állórész kapcsoknál) a forgórész póluskerék forgatásával forgó mágneses mező jön létre, ami feszültséget indukál az állórész (armatúra) 3 fázisú tekercseiben. A tekercsekben indukált feszültségnek meg kell egyezni frekvenciában, fázisban, fázissorrendben a hálózati feszültséggel: - Frekvencia beállítás: fordulatszám változtatással - Amplitúdó változtatás: gerjesztő árammal - Fázis beállítás: fordulatszám nagyon finom állításával

2018.12.13. 12:41

Szinkron generátor

Működési elve:

Az állórészen elhelyezett, egymástól 120 fokra eltolt tekercseket metszi a forgórészen elhelyezett gerjesztő tekercs mágneses tere, így benne háromfázisú váltakozó feszültség indukálódik.


Ui:indukált feszültség Ua: armatura feszültség Up: pólusfeszültség, a gerjesztett forgórész által üres- járásban az állórész tekercselésben indukált feszültség Uk: kapocsfeszültség Xa: armatura reaktancia Xs: armatura szórási reaktancia X: szinkron reaktancia

A szinkron gép teljes és egyszerűsített áramköri modellje

2018.12.13. 12:41

apiUUU

Gyakorlati arányok:

200:10:1:: asa

XXR


mech

P

Leadott mechanikai teljesítmény:

Billenő nyomaték:

)90( b

M


Motoros üzem, Kapacitív terhelésnél

Motoros üzem, Induktív terhelésnél

Generátoros üzem, Induktív terhelésnél

Generátoros üzem, kapacitív terhelésnél

Meddő energiát termel Meddő energiát vesz fel


A pólussarukban beépített csillapítórudak a rövidrezáró gyűrűkkel a kalickás aszinkron motoréhoz hasonló kalickát alkotnak. Indításkor a forgórész egyenáramú tekercselését rövidre zárják, a motor aszinkron motorként elindul és a szinkron fordulatszámhoz közeli fordulatszámra felgyorsul. A forgórész gerjesztőáram bekapcsolása után a motor "beugrik" a szinkron fordulatszámra.

A szinkron motor indítása

A legelterjedtebb indítási mód az aszinkron felfutás:

2018.12.13. 12:41


Gerjesztés módja Általában a forgórész gerjesztését a szinkrongéppel egy tengelyre kapcsolt

egyenáramú gerjesztő géppel oldják meg.

A szinkrongép külső gerjesztésű, mivel a gerjesztését másik géptől kapja

2018.12.13. 12:41


Szinkrongép

Az állórész tekercseinek kapcsolása

csillagkapcsolás

deltakapcsolás

Tekercsvégek jelölése

U1; V1; W1

U2; V2; W2

F1; F2

A tekercsvégek kapcsolhatók csillagba, és deltába egyaránt

2018.12.13. 12:41


Egyenáramú gépek

https://www.youtube.com/watch?v=F6f2QoE2zh8

„Villámdelejes forgony”, forgó mozgást végző első egyenáramú motor megvalósítása (Jedlik Ányos)

https://www.youtube.com/watch?v=F6f2QoE2zh8


Az állandó mágnes mágneses terében helyezkedik el az áramjárta vezetőkeret. Az áram hatására a vezetőkeret körül is mágneses mező alakul ki. A két mágneses mező kölcsönhatása eredményezi azt a nyomatékot, amelynek hatására a vezetőkeret elfordul.

Egyenáramú gép működési elve


Egyenáramú generátor működési elve

Ez a gép (a.) váltakozó feszültséget szolgáltat. Ahhoz, hogy egyenáram folyjék a kefékre csatolt terhelésen a megjelenő szinuszos feszültséget egyenirányítani kell erre a gyakorlatban a mechanikus egyenirányító a kommutátor szolgál. Amikor a keretben az indukált feszültség iránya megfordul, a kefékkel érintkező félgyűrűk is megcserélődnek, így a kefék közötti feszültség mindig egyirányú marad


A valóságos egyenáramú gépekben a vezetőkeret helyett tekercselést alkalmaznak. A tekercselés több kivezetése több kommutátor szegmenshez csatlakozik.

A kefe által rövidre zárt mindenkori két kommutátor szegmenshez tartozó menetben megfordul, kommutál az áram iránya.

Valóságos egyenáramú gép esetén


Egyenáramú gép szerkezeti felépítése Állórész: Öntött acélkoszorúból, a főpólusból és a segédpólusokból áll. A lemezelt pólussaru biztosítja, hogy az armatura kerület minél nagyobb százalékában állandó légrésindukció alakuljon ki. Armatura(forgórész): 0,35-0,5 mm vastag, axiális irányban egymásra rakott kör alakú, hornyokkal ellátott lemezekből állítják össze az örvényáramú veszteségek csökkentése érdekében.

Kommutátor: Egymástól és az armaturától szigetelt rézszegmensekből felépített henger. A szegmensek közötti maximális feszültség kb. 15-20 V. Adott armaturafeszültség esetén ez megszabja a szükséges minimális szegmensszámot.

Kefék: A kommutátor hengerpalástjára szorulva azon csúsznak. Forgás közben kb. 1 V feszültségesés jön létre, mely a terheléstől függetlenül állandó.


Egyenáramú gép felépítése

Állórész: - tömör vastest - pólusokon gerjesztő tekercs (egyenárammal gerjesztve) Forgórész: - lemezelt vastest - hornyokban gerjesztő tekercs


Armatúra reakció, és kompenzálása

Ha a forgórészben nem folyik áram, a semleges zóna a főpólus fluxusára merőleges (A ábra). Ha az armatúrában is folyik áram, ez is létrehoz egy mágneses mezőt (B ábra). Az eredő mező e kettő eredője lesz. Ez az armatúra visszahatás jelensége. Ekkor a semleges zónahelye megváltozik (A’-B’). Ha a kefék az eredeti A-B vonalban maradnak, kefeszikrázás lép fel.

E hatások kiküszöbölésére: - a pólussaruk hornyaiba kompenzáló tekercselést helyeznek el, - az armatúrával sorba segédpólus tekercset kapcsolnak.


Egyenáramú gép egyenletei Indukált feszültség: A főpólus mágneses terében forgó vezetőkeretben indukálódó feszültség középértéke.

Nyomaték: Egyenáramú gép belső teljesítménye alapján

wF kUi

aIkM F

ww F

aa

villmech

IkIUM

PP

p

pNk

2

- Gépállandó - Fluxus [Wb] - Körfrekvencia [rad/s] - Armatúra áram [A]

aI

k

w

F

N - Vezetőkeretek száma p - Póluspárok száma

•Soros gerjesztés: a gerjesztő tekercs sorba van kapcsolva az armatúratekercseléssel, vagyis Ez a géptípus szolgál a gépjárművek indítómotorjaként, mert igen nagy kis fordulatszámokon a nyomatéka, mivel


II ag

IkM a

2

•Külső gerjesztés: Az Ug feszültség független áramforrásból ered, ezen gépnek a legdinamikusabbak a, működési jellemzői, ezek a legjobban szabályozhatóak.

Egyenáramú gépek kapcsolásai

•Párhuzamos gerjesztés: a gerjesztő tekercs párhuzamosan van kötve az armatúratekercseléssel, vagyis A sönt generátor jellemző tulajdonsága, hogy rövidzár-biztos, Imax> Iz, ezért ezt a típust használják gépjárművek villamos energia forrásaként.

UU kg


Egyenáramú gépek gerjesztési típusai


Külső gerjesztésű egyenáramú motor

Motorüzemben a sönt és a külsőgerjesztésű gép között nincs különbség: a fluxus állandó (a kompenzált gépeknél). A motor egyik legfontosabb tulajdonsága a fordulatszámtartás, azaz növekvő nyomaték mellett nem változik meg lényegesen a fordulatszám.

A nyomaték-fordulatszám jelleggörbe

2)( F

F

k

MR

k

Uakw

0aaki

RIUU


Soros gerjesztésű egyenáramú motor

2)( IKIILkIkM

IL

IIIag

F

F

www F IKILkkUi

)(

Mivel ez esetben a gerjesztőtekercs és a forgórész sorban van kapcsolva.

IRUIK

URIURI

UUUU

gia

gia

w

0

0

gaRRR

K

R

MK

U

K

R

IK

U

w

w


Soros gerjesztésű egyenáramú motor

Az ábráról leolvasható, hogy a soros gerjesztésű motornak nincs üresjárási fordulatszáma. Terhelés nélkül indítani tilos. A motor indulásakor, amikor az armatúraáram nagy és a fordulatszám még kicsi, akkor adja le a legnagyobb nyomatékot, majd a fordulatszám növelésével csökken a nyomaték és az áramfelvétel is.

Ezt a viselkedést járműveknél (troli, villamos, metro, vasút) és különböző kéziszerszámoknál ideálisan ki lehet használni, hiszen ezeknek a gépeknek induláskor van szükségük nagy nyomatékra, az elért fordulatszámot már kisebb nyomatékkal is fenn lehet tartani.


- Indítás: cél az indítási áramfelvétel csökkentése előtét ellenállással, kapocsfeszültség csökkentéssel. - Forgásirány váltás: vagy a gerjesztőtekercs, vagy az armatúratekercs pólusainak felcserélésével. - Fordulatszám változtatás: kapocsfeszültség csökkentéssel, áramfelvétel szabályozással, fluxus gyengítéssel. - Fékezés: ellenáramú féküzem, rekuperációs fékezés, dinamikus fékezés.

Egyenáramú motorok üzemeltetése


Léptetőmotorok unipoláris és bipoláris üzemeltetése


Villamos mennyiségek mérőműszerei.

A villamos áram, feszültség, teljesítmény és energia-fogyasztás mérésére különféle elven működő analóg és digitális műszereket készítenek és alkalmaznak. A táblázat az általánosan használt analóg műszerek működési módját és jelölési rendszerét mutatja be.

Mérőszerkezetek

működési módja jelölése

Vasmentes elektro-

dinamikus műszer

Helyzetjelzések

névleges helyzet jelölés

2018.12.13. 12:42


Villamos mérőműszerek osztályozása

145

Az analóg műszerek mérési hibáját a relatív hiba jellemzi: ahol h a relatív hiba [%], H az abszolút hiba (xm - xh), xh a mérendő mennyiség helyes értéke, xm a mért érték.

100%H

h *

hx

Osztályjel Hibahatárok, % A műszer jellege

0,05 ± 0,05 Laboratóriumi műszer

0,1 ±0,1 Laboratóriumi műszer

0,2 ±0,2 Laboratóriumi műszer

0,5 ± 0,5 Laboratóriumi és üzemi műszer

1,0 ± 1 Üzemi műszer

1,5 ± 1,5 Üzemi műszer

2,5 ±2,5 Üzemi műszer

5 ± 5 Üzemi műszer

2018.12.13. 12:42

Mutató

Skála

Jelképe:


Állandó mágnesű lengőtekercses (Deprez) műszer

A műszerben a tekercs menetei állandó mágnessel létrehozott homogén mágneses térben vannak, a tekercsben folyó áram miatt erő hat a vezető keretre, nyomaték jön létre, a tekercs spirálrugó ellenében elfordul. A szögelfordulás értéke arányos az árammal: a =k.I a skála tehát lineáris.

A műszer közvetlenül csak egyenáram mérésére alkalmas, váltakozó áram méréséhez egyenirányítóra van szükség. Mivel a feszültség polaritása határozza meg a kitérés irányát, a helyes polaritást jelölik. A lengőrész csillapítását a tekercs keretét képező zárt Al fólia-menetben mozgás közben kialakuló örvényáramok biztosítják, a Lenz törvény értelmében a mozgással ellentétes irányú mágneses teret hoznak létre, amely fékezi a lengést.

2018.12.13. 12:42


Elektromechanikus műszerek felépítése Nemlineáris

skála

Tekercs Mutató

Nullapont állító

Mozgatható

lágyvas

Rögzített

lágyvas

Lágyvasas mérőszerkezet

Nullpont

állító

Feszültségtekercs

Örvényáramú

csillapítás

Áramtekercs

Spirálrugók

Lágyvaskör

Lineáris skála

Vasmagos elektrodinamikus mérőszerkezet és robbantott ábrája

Vasmagos elektrodinamikus mérőszerkezet

2018.12.13. 12:42


Elektromechanikus műszerek

148

Jelképe:

Lágyvasas elektrodinamikus műszer szerkezeti vázlata. A tekercsbe a fogyasztó áramát, vagy feszültséget kapcsolva, a tekercs belsejében elhelyezett lágyvas lemezkék azonos irányban felmágneseződnek, és taszítani fogják egymást, a tekercsben folyó áram irányától függetlenül. Egyen- és váltakozó áram egyaránt mérhető. A műszer mindig a mért mennyiség effektív értékének négyzetét mutatja, függetlenül a jelalaktól: a =k.I2. Frekvenciatartománya azonban csak néhány kHz.

2018.12.13. 12:42


Elektromechanikus műszerek.

149 Vasmentes elektrodinamikus műszer felépítése. Az álló -áram -tekercsbe a fogyasztó áramát, a lengő - feszültség - tekercsre a fogyasztó feszültségét kapcsolva, a műszer egyenfeszültségen a P=U.I egyenáramú teljesítményt, váltakozó feszültségen a hatásos teljesítményt: Ph=U.I.cosj méri. A műszer tehát analóg szorzásra alkalmas. Ha mindkét tekercsre ugyanazon mennyiséget kapcsoljuk, a mutatott érték az illető mennyiség négyzetével arányos. A műszer érzékeny külső mágneses térre, árnyékolása szükséges.

1 áramtekercs

2 feszültségtekercs

Légkamrás

csillapítás

Jelképe:

2018.12.13. 12:42


Méréshatár kiterjesztés Több méréshatárú műszereknél az alapműszer belső ellenállásával sorba, vagy párhuzamosan kell kötni ellenállásokat, hogy a műszer végkitérését létrehozó áram, vagy feszültségértéket ne lépjük túl. A méréshatár-kiterjesztés előtét, vagy sönt-ellenállásokkal történik.

Előtétellenállás számítása: R0 az alapműszer belső ellenállása, R0 = U0 /I0 , Re=(n-1).R0 ahol n= U/U0 , a méréshatár kiterjesztés mérőszáma

Előtét ellenállás alkalmazása feszültség - méréshatár bővítésére

Feszültség-méréshatár kiterjesztés

U - U0 R0

2018.12.13. 12:42

V


Sönt- ellenállás számítása: R0 az alapműszer belső ellenállása, R0 = U0 /I0 , n= I/I0 , a méréshatár kiterjesztés mérőszáma. A mérendő áramnak a sönthöz való csatlakoztatásánál, nagy áramok esetén figyelemmel kell lenni a csatlakozás átmeneti ellenállására is. Emiatt a söntöt úgy alakítják ki, hogy a műszerre történő csatlakozást különválasztják az áramcsatlakozástól, u.n. definíciós kapcsokat alakítanak ki.

Áram- méréshatár kiterjesztés

Söntellenállás alkalmazása áram - méréshatár bővítésére

1nR

R0

S

A

2018.12.13. 12:42


Wattmérő kapcsolása az áramkörhöz

A terhelésen átfolyó áramot az áramtekercsre, a terhelésen eső feszültséget a feszültségtekercsre kapcsoljuk. A mért mennyiség: P=U.I egyenáramon, P=U.I.cosj váltakozó áramon, ahol j a feszültség és áram közötti fázisszög Re előtét- ellenállás változtatásával a feszültség-méréshatárokat lehet beállítani. A tekercsek kezdetét *-al jelölik.

Előtét ellenállások átkapcsolásával többféle feszültség méréshatáron lehet használni a műszert, az áramtekercs megcsapolásai révén többféle áramméréshatár is beállítható, a lineáris skálaértéket emiatt az áram és feszültség méréshatárok szorzatainak megfelelő állandókkal kell megszorozni. A wattmérők 0,05 A és 6 V, valamint 20 A és 600 V között mérnek, mérési pontosságuk eléri a ±0,1 %-os értéket

Áramtekercs

Feszültségtekercs

Terhelés

*

*

2018.12.13. 12:42


DMM –mel mérhető: • egyenfeszültség • egyenáram • váltakozó feszültség • váltakozó áram • ellenállás • esetleg HFE, C, L, dióda

Digitális mérőműszerek


Összevont relatív hiba:

A mért értékre vonatkoztatott hrdg (rdg, reading, leolvasott érték) hiba:

ahol Hi a mérés abszolút hibája,

m pedig a mért érték

A méréshatárra vonatkoztatott (fs, full scale, méréshatár) hiba: katalógusadat

Hi a mérés abszolút hibája

a műszer aktuális méréshatára

Az impulzusszámlálásból adódó hiba:

ahol

N a digitális műszeren kijelzett szám értéke a tizedespont figyelembevétele nélkül,

D a bizonytalan jegyek száma (tipikusan 1)

100%m

Hh

i

rdg

100%p

Hh

FS

i

FS

m

phh

FS

FS

'

rdg

100%N

Dh

Count

Count

'

rdghhh

S

FSh

Counth

Digitális mérőműszerek hibaszámítása

FSp


1. Egyenfeszültség (DV)

2. Váltakozófesz. (AV)

3. Ellenállás (R)

4. Váltakozóáram (AC)

5. Egyenáram (DC)

Digitális multiméter felépítése


Érintésvédelem a fogyasztói villamos hálózatokban

Az emberek és állatok életét veszélyeztető villamos áram és feszültség elleni védelmet érintésvédelemnek nevezzük. Ha az emberi, vagy állati test feszültség alatt álló tárggyal kerül kapcsolatba, közvetlen érintésről beszélünk.

2018.12.13. 12:42

Fogyasztók alatt azokat az eszközöket értjük, amelyek alkalmasak a villamos energia másfajta energiává való átalakítására: pl. mechanikai,- hő,- fényenergia. A villamosipari szabvány szerint minden 50 V-nál nagyobb váltakozó feszültségről és 120 V -nál nagyobb egyenfeszültségről működő berendezésnek rendelkeznie kell valamilyen védelemmel a közvetett érintkezés elkerülésére.

A közvetlen érintést, vagyis az üzemszerűen feszültség alatt álló áramköri elemek megérintését a készülék, berendezés szigetelő, vagy védő burkolattal való ellátásával kell megakadályozni. A közvetett érintés akkor jön létre, ha az ember, vagy állat szigetelési vagy más hiba miatt feszültség alá kerülő berendezéshez ér hozzá.


Villamos készülékek védelme.

behatolása ellen védeni kell. A védelmi módra utaló jelölés IP és két számjegy.

IP International Protection és a védelem fokát a táblázat szerinti szám adja.

A villamos berendezések feszültség alatt lévő részeit nem szabad megérinteni, a felhasználási cél és a telepítés helye szerint a véletlen érintés, idegen tárgyak és a víz


Villamos vezetékek és fogyasztók védelme. Túláramvédelem, biztosítók: ha a vezetékeken áram folyik, felmelegedhet, a megengedett értéknél nagyobb áram tüzet is okozhat, ezért a túláram kialakulását meg kell akadályozni. Ennek egyik módszere az olvadóbiztosító.

Csavaros illesztő gyűrű

a) Diazed rendszerű b) Neozed rendszerű olvadóbiztosítók felépítése és részei

Biztosítóaljzat

Olvadó betét

Biztosító fej

Illesztő hüvely

Szerelési kép

Névleges feszültség

Diazed (D) rendszer: AC és DC 500V

Neozed (DO) rendszer: AC 380V, DC 250V

D DO

2018.12.13. 12:42


Villamos vezetékek és fogyasztók védelme Az olvadóbiztosító vékony, jól vezető vezetékszála a túláram hatására felmelegszik és megolvad, megszakítja a védendő áramkört. Hátránya, hogy működése után ki kell cserélni a biztosítóbetétet!

Üvegcsöves olvadóbiztosító betét és foglalat ( G20) elektronikus készülékekhez

kiolvadó szál

fém sapkák

biztosító fej

biztosító ház

rögzítő anya

1 - fejérintkező

2 - talpérintkező

3 - porcelántest

4 - olvadó vezeték

5 - kvarchomok ívoltásra

6 - tartószál jelzőszínhez

7 - megszakításjelző

rugóval és azonosító

színtárcsával

Diazed D rendszerű biztosítóbetét felépítése

2018.12.13. 12:42


Villamos vezetékek és fogyasztók védelme

Védendő eszközök és alkalmazási kategóriák

V édendő eszköz A lka lm azás i kategória

L vezetékek gLteljes körű vezeték-

és kábelvédő

M kapcsoló- készülékek aMrészleges

kapcsolóvédő

R félvezetők aRrészleges

félvezetővédő

B bányászati gBteljes körű bányászati-

berendezés-védő

Tr transzform átorok gTrteljes körű

transzform átor-védő

A kisfeszültségű biztosítókat alkalmazási kategóriákba sorolják az áramerősség és a kioldási idő alapján. Azonosító jelük első betűje a részleges a, vagy teljes körű g megszakítóképességet jelenti. Az azonosító második betűje a védendő tárgyra utal.

A teljes körű biztosítók túlterhelés és rövidzár ellen, a részleges biztosítók csak rövidzárlat ellen védenek. A teljes körű biztosítók a névleges áram-erősséget tartósan elviselik, és a névleges megszakítási áramig minden áramot veszély nélkül megszakítanak. A részleges biztosítók a névleges áram-erősséget tartósan elviselik, de csak akkor szakítanak meg, ha az áramérték sokszorosan túllépi névleges értéküket, ezért mindig túlterhelés-védelemmel együtt kell azokat beépíteni.


Villamos vezetékek és fogyasztók védelme Az áramvédő eszköz névleges áramértékét a vezeték keresztmetszetének és szerelési módjának megfelelően kell megválasztani (áramsűrűség és a hőelvezetés alapján). Néhány fontos szempont a biztosító kiválasztására: - a vezetéket tilos nagyobb áramértékre biztosítani, mint a szabványban előírt érték - ahol a vezeték keresztmetszete lecsökken, oda túláram biztosítót kell beépíteni - a rövidzárlat védelemnek mindig a védendő vezeték elejére kell kerülnie. A túlterhelés elleni védelem, elágazás nélküli hálózat esetén, az áramkör tetszőleges pontjára beépíthető. - félvezetők védelmére a gL vezetékvédő olvadóbiztosítók nem alkalmasak, mert a félvezető előbb megy tönkre, mint ahogy a biztosító kiolvad, erre csak a gR vagy aR osztályú biztosítók felelnek meg, igen meredek idő-áram karakterisztikájuk miatt.

2018.12.13. 12:41

Vezetékvédő kapcsolók: (kisautomata) olvadó biztosítók helyett használják, késleltetett kioldású termikus megszakítót (bimetall) és gyors működésű elektromágneses bontóérintkezőt tartalmaznak. A bimetall a túlterhelés elleni védelmet, a mágnestekercs a rövidzárlat-védelmet szolgálja. Előnye az olvadó biztosítóval szemben: visszakapcsolható a zárlat, vagy túlterhelés megszűnése után. Elágazó áramkörök esetén a betáplálás irányából eső főágba nagyobb értékű, pl. 35 A-es, a két ágba külön- külön 16 A -es biztosítókat téve, a biztosítási rendszer szelektív lesz, hiba esetén midig csak az érintett vezeték elejére szerelt biztosító old ki.


Érintésvédelmi megoldások

Védelem teljes

szigeteléssel

Elválasztó transzformátor. Földelni nem szabad a szekunder oldalt, és csak egy készülék táplálható róla.

Törpe-feszültség

Az üzemi feszültség < 50 V

Védőszigetelt fúrógép, földelni nem szabad!

2018.12.13. 12:41


Érintésvédelmi megoldások

Kisautomatával egybeépített hibaáramkapcsoló ( FI -relé Fehlerstrom Indikator, hibaáram jelző)

A hibaáramvédő kapcsolónak az a feladata, hogy 0,2 s-on belül lekapcsolja a készülék minden pólusát, ha szigetelési hiba miatt veszélyes érintési feszültség jönne létre. A hálózattól a védendő készülékig vezető összes vezetéket egy összegző áramváltón keresztül kell vezetni.

2018.12.13. 12:41


Hibaáramvédő kapcsoló

A védendő berendezés testpontjait védővezetővel földelő pontra kötik.

Normál esetben a be- és kifolyó áramok összege nulla, az áramváltó tekercsében nem

indukálódik feszültség. Vezeték földzárlat, vagy testzárlat esetén a generátor felé a földön

keresztül áram folyik vissza, amely feszültséget indukál a tekercsben és az a kioldón át

lekapcsolja az összes pólust. A hiba a tesztgombbal is szimulálható.

A segédföldelő legnagyobb megengedett ellenállásértéke: RA= UL/IDn ahol UL a meg-

engedett érintési feszültség, IDn a hibaáramvédő névleges hibaárama.

RA földelési ellenállás maximális értékei Hibaáramvédő kapcsoló működési elve

Hálózattól

Fogyasztóhoz

Teszt

-

gomb

R S T N

2018.12.13. 12:41


Földelési ellenállás mérése

Rü

Földelési ellenállás mérése kompenzációs módszerrel. A mérőszonda kívül esik a segédföldelő és a földelés közötti potenciál-eloszláson

Az érintésvédelem szempontjából fontos a földelési ellenállás értékének ismerete, hiszen a hibaáram ezen ejti az érintési feszültséget. A talajban lévő egyenfeszültségek miatt csak váltakozófeszültség lehet a mérőfeszültség, amelynek frekvenciája eltér a hálózati frekvenciától (95-110 Hz). Az áram-feszültég mérési eljárás miatt a műszereknek a meg-engedhetetlenül nagy érintési feszültség fel-lépésekor 0,2 s-on belül ki kel kapcsolni. Sűrűn lakott helyeken nem lehet mérőszon-dákat elhelyezni, földelő hurok mérést kell végezni.

2018.12.13. 12:41


Földelő hurok ellenállásának mérése

Sűrűn lakott helyeken az egymáshoz közel elhelyezett alapföldelések miatt (mivel a feszültségtartományok potenciáljai összegződnek) nem lehet mérőszondákat elhelyezni, földelő hurok ellenállás mérést kell végezni. A földátmeneti ellenállás legnagyobb értékét a szabvány és az áram-szolgáltató vállalat műszaki csatlakozási feltételei adják meg Az áram-feszültég mérési eljárás miatt a műszereknek a megengedhetetlenül nagy érintési feszültség fellépésekor 0,2 s-on belül ki kel kapcsolni.

UL > 50 V esetén le-

kapcsolás

0,2 s-on belül Rü

I

UZ

a

0H ahol

ZH a hurokimpedancia U0 a feszültség a terheletlen fázisvezeték és a PEN illetve PE vezeték között Ia a túláramvédő berendezés lekapcsolási árama

2018.12.13. 12:41


Félvezetők


Félvezetők fizikai alapjai A szilárd anyagokban az atomok vagy molekulák szabályos rácsszerkezetben helyezkednek el, amely a térben ismétlődik, az atomok a vegyértékelektronok révén kapcsolódnak össze. Villamos szempontból a szilárd testeket három csoportba sorolhatjuk, a besorolás alapja a +20 °C-on mért k fajlagos villamos vezetőképesség. Önkényes meghatározás alapján:

k =(108÷106 S/m ) vezetők k =(105÷10-9 S/m ) félvezetők

k (10-9 S/m) szigetelők A kvantumelmélet szerint az elektronok potenciális energiája és a hozzá rendelt elektronpályák csak diszkrét energiaértékeket vehetnek fel. Mivel a szilárd anyagokban az atomok 10-10 m távolságban vannak egymástól, az erős egymásra hatás folytán az egyedi atomok diszkrét energiaértékei felhasadnak és energiasávokban tömörülnek (megengedett energia-szintek) amelyek között tiltott sávok (nem megengedett energiaértékek) vannak. A legkülső elektronpálya energiaszintje maximális értékű, ezt vegyérték (valencia) sávnak nevezzük.


Az elektronok csak energiaállapotuknak megfelelő pályán, elektronhéjon mozoghatnak az atommag körül. Az anyagok különböző vezetőképessége a sávmodellel értelmezhető. Az anyag villamos tulajdonságaira a legfelső betöltött elektronhéj, a vegyérték sáv, valamint a felette lévő héj, a vezetési sáv elektronjainak van hatása. A kettő között van a tiltott sáv, amelynek energiaszintjeit az elektronok nem foglalhatják el. Az anyag vezetőképességének megváltozásához az elektronoknak a vegyértéksávból a vezetési sávba kell jutniuk, ehhez DW energiát kell velük közölni. A DW energia értéke szabja meg, hogy valamely anyag szigetelő, félvezető, vagy vezető tulajdonságú. Ha a félvezetők vegyértéksáv – elektronjait hő,- sugárzási, vagy kinetikai energiával gerjesztjük, az anyag vezetővé válik. A szilícium DW energiaszint - távolsága 1,12 eV, a germániumé 0,72 eV. 1 eV= 1,6021. 10-19 Ws=0,16021aJ ( attoJoule)

Vezetési sáv

Vegyérték sáv

Szigetelő anyag

Félvezető anyag

Vezető anyag, fém

DW 3 eV

DW=0 DW=0,2-0,5 eV

Félvezetők sávmodellje


Félvezetők kristályszerkezete

170

Nem vezető Si kristály sík modellje és energiasávjai (T = O K esetén igaz csak!) A hőmérséklet növekedésével megindul a vegyértékelektronok átugrása a vezetési sávba, az atomokban elektronhiány, lyuk keletkezik, amely egy elektronnal találkozva megszűnik.

Vezetési sáv

Vegyértéksáv

Si kristály sík modellje és kovalens

elektronkötései

1: lyuk 2: szabad elektron

Vegyértéksáv

Vezetési sáv

A félvezetők saját vezető képességét a vezetési sávban lévő elektronok és a mozgó lyukak hozzák létre, a saját vezetőképesség a hőmérséklettel exponenciálisan nő. A vezetést a töltések újraegyesülése a rekombinációja hozza létre.

A szilíciumatomok térközepes köbös rácsot alkotnak (gyémántrács), minden Si atomot négy szomszédos atom vesz körül

A Si atom M héján 4 vegyértékelektron van, ezek hozzák létre a kristályban a kötést


Félvezetők P-N átmenete

Az N réteg donor atomjainak többségi töltéshordozó elektronjai a rétegek különböző töltéssűrűsége miatt diffúziós módon átvándorolnak a P rétegbe, a P rétegben lévő lyukak pedig az N rétegbe vándorolnak a rétegek érintkezési felületénél. A rétegek átmeneténél a kétféle töltéshordozó találkozik, és semlegesíti egymást, rekombináció jön létre. A határrétegben a szabad töltéshordozók megszűnnek, csak a helyhezkötött + és – ionok által létesített tértöltésű tartomány alakul ki. A tértöltés villamos erőteret hoz létre, amely elindítja a kisebbségi töltéshordozók csekély mértékű sodródási (drift) áramát. A tértöltési tartomány vastagsága 1 nm-10 nm között van.

Dióda rajzjele

A K A anód K katód


UF [V] 400m 500m 600m 700m 800m

IF [

mA

]

0

1

2

3

4

5

6

7

Félvezetők dióda karakterisztikái Si dióda nyitóirányú karakterisztikája

Si dióda záróirányú karakterisztikája

A nyitóirányú karakterisztika kezdeti szakaszán, kb. 0,4 V feszültség alatt gyakorlatilag nem folyik áram, utána exponenciálisan növekszik 0,7 V-ig, ezután a nyitóirányú feszültséggel közel arányos a változása. A dióda váltakozó feszültség egyenirányítására alkalmas.

A záróirányú karakterisztika kezdeti szakaszán, a könyökpontig gyakorlatilag nem folyik áram, utána exponenciálisan növekszik a lavinaletörésig, ahol a rétegben folyó áram akár a kristály olvadását okozhatja, a félvezető tönkremegy. Az áramot korlátozva a záróirányú szakasz feszültségstabilizálásra használható.

könyökpont

DU

DI

UR

IR

A

2018.12.13. 12:41


Félvezető diódák karakterisztikái

A Ge dióda kisebb feszültségnél nyit, azonban nagyobb a nyitóirányú ellenállása, míg a Si dióda nagyobb feszültségnél nyit, de a nyitóirányú ellenállása kisebb, valamint jóval nagyobb záróirányú feszültséget visel el. A Si dióda záróirányú árama 2-3 nagyságrenddel kisebb a Ge dióda záróirányú áramánál, azonkívül letörési feszültsége nagyobb a Ge diódáénál.

Si és Ge rétegdióda nyitó- és záróirányú karakterisztikái

0,3

2018.12.13. 12:41


Bipoláris tranzisztor NPN tranzisztor PN átmeneteinek előfeszítése A két PN átmenettel rendelkező réteg-tranzisztorokat

bipoláris tranzisztornak nevezzük, a réteg sorrendjétől függően megkülönböztetünk NPN vagy PNP felépítésű tranzisztorokat. Kivezetéseit B, E, C betűkkel jelöljük. Jelentésük B bázis (alapréteg), E emitter (kibocsátó réteg), C kollektor (gyűjtő réteg). Az egyes rétegek különböző mértékben vannak szennyezve. Anyaguk elsősorban Si, szilícium, különleges célokra Ge anyagot is használnak.

A tranzisztorok működésének alapja az, hogy a B-E közötti átmenet nyitó irányban van előfeszítve, míg a B-C közötti átmenet záró irányban van előfeszítve. Az UBE feszültség gyorsítja a töltéshordozókat, amelyek a bázisrétegbe jutnak, és a B-C réteg átmenetét elárasztják, az vezetővé válik, a töltéshordozók 95-99 %-a kollektorba jut. Az áramok kapcsolata: IE = IC+IB

Tranzisztorok rajzjelei, (diszkrét alkatrészként)

NPN PNP

B

E

C

B

E

C

2018.12.13. 12:41


Bipoláris tranzisztor karakterisztikái emitter kapcsolásban Bemeneti karakterisztika Kimeneti karakterisztika

Az IB(UBE) görbe dióda nyitóirányú jelleggörbéje, a kimeneti karakterisztika az IB áram paramétertől függően mutatja az IC kollektoráram függését az UCE értékétől. Látható, hogy a kimeneti karakterisztika meredeksége, a kimeneti ellenállás a telítési pont után nem változik, a bemeneti karakterisztika meredeksége kis mértékben függ az UCE értékétől. A bemeneti karakterisztika rBE=DUBE /DIB

meredeksége a differenciális bemeneti ellenállás. A differenciális kimeneti ellenállás az rCE = DUCE /DIC képlettel határozható meg az M munkapontban.

DIC

DUCE

M

DIB

DUCE

2018.12.13. 12:41


Unipoláris tranzisztor: FET N csatornás térvezérlésű tranzisztor

felépítése és rajzjele

Gate G

Drain D

Source S

A tranzisztor vezérlésében fontos szerepet játszik a villamos tér, emiatt Field Effect Transistor -FET térvezérlésű tranzisztor a neve, ezen kívül a terhelő áram csak egy azonos vezetési típusú , egyfajta rétegen halad keresztül: N vagy P rétegen folyik át, emiatt unipoláris tranzisztornak is nevezik. A drain csatlakozóra pozitív, a source pontra negatív feszültséget kapcsolva az N rétegen át elektronáram folyik. A kristályon feszültség esik, amely a PN átmeneteket záróirányban polarizálja.

A záróréteges FET PN átmeneteit mindig záróirányban kell előfeszíteni! Az elektronok csak a két záróréteg közti csatornában tudnak áramlani. Ha a gate-re negatív feszültséget kapcsolunk, a záróréteg szélesebb, a csatorna szűkebb lesz, megnő az ellenállása. Az UG feszültséggel a draináramot teljesítmény nélkül lehet vezérelni, mivel a gate-n áram nem folyik

2018.12.13. 12:41


N csatornás J- FET

A FET tranzisztor karakterisztikái: bemeneti és kimeneti karakterisztika. UGS értékét negatív irányban növelve, Up pontban a draináram megszűnik. A kimeneti karakterisztika a draináram függését mutatja az UGS, mint paraméter és az UDS feszültség változásától. A P elzáródási pont azt mutatja, hogy a két záróréteg összeér és ez után már alig változik ID értéke az UDS növelésével. A tranzisztor fontos jellemzője az S= DID/DUGS meredekség, valamint az rDS= DUDS/DID differenciális kimeneti ellenállás.

P

2018.12.13. 12:41


MOSFET tranzisztorok típusainak jelölése

A MOSFET tranzisztoroknál a csatorna nagyon vékony SiO2 szigetelőréteg alatt van kialakítva, és a Gate elektródán keresztül történik az áramvezérlés. A csatorna szennyezése dönti el, hogy N vagy P csatornás az eszköz, illetve a vezérlés hatására a csatorna árama csökken, vagy növekszik. A vékony SiO2 rétegben a tranzisztor G elektródjára jutó feszültség átütést okozhat, ami tönkremenetellel jár, ezért szállítás és szerelés során védeni kell a sztatikus feltöltődés miatti átütéstől antisztatikus csomagolás és földelt szerelő felület útján.

2018.12.13. 12:41


Félvezető diódás kapcsolások Egyutas egyenirányító

t [s ]

0 10m 20m 30m 40m 50m

Uk

[V

]

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

ug

U k

A kimenő feszültség jelalakja simító kondenzátorral, terhelő ellenállással: lüktető egyenfeszültség

t [s] 0 10m 20m 30m 40m 50m

It [

A]

-5m

0

5m

10m

15m

20m

25m

30m

35m

It

A kimenő áram jelalakja simító kondenzátorral, terhelő ellenállással

D

C

+

-

Rt Uk

I=

Ud

TR

~Ug

A kimenő feszültség jelalakja simító kondenzátorral, közel üresjárásban: a pozitív félhullámot egyenirányítja és simítja.

2018.12.13. 12:41


Félvezető diódás kapcsolások Kétutas egyenirányító

t [s] 0 10m 20m 30m 40m 50m

Uk

[V

]

0

1

3

4

5

Rt=10

C=1000uF

Uk

It

t [s] 0 10m 20m 30m 40m 50m

Uk

[V

]

0

1

3

4

5

Uk

It

Rt=100

C=1000uF

t [s] 0 10m 20m 30m 40m 50m

U [V

]

-20

-10

0

10

20

Rt=100

C=1000uF

Uk

Upr

Primer feszültség és kimenő feszültség jelalakja

Kimenő feszültség jelalakja Rt=10 terhelő ellenállásnál: a kondenzátor jelentősen

kisül félperiodusonként

Kimenő feszültség jelalakja Rt=100 terhelő ellenállásnál, a hullámosság csökken.

2018.12.13. 12:41


Félvezető diódás hídkapcsolás

t [s] 0 10m 20m 30m 40m 50m

U

[V]

0

3

5

8

10

Rt=100

C=1000uF

Uk

It

Az egyenirányító kapcsolás jelalakja 100 -os terhelésnél

Az egyenirányító hídkapcsolás jelalakja 1k-os terhelésnél. A kétutas kapcsoláshoz képest közel kétszeres az egyenfeszültség átlag-értéke, és kisebb a hullámosság a kétszeres frekvenciájú váltakozás miatt.

t [s]

0 10m 20m 30m 40m 50m

U

[V]

0

3

5

8

Uk Rt=1 k

C=1000uF

10

Rt

C

Uk

TR

~Ug

Egyenirányító híd +

–

2018.12.13. 12:41


Attól függően, hogy a bipoláris tranzisztor három kivezetése közül melyik kettő a bemenet és a kimenet, három féle alap-kapcsolás lehetséges a) közös emitteres vagy emitterkapcsolás b) közös bázisú vagy báziskapcsolás c) közös kollektoros vagy kollektorkapcsolás A három kapcsolási módban más-más értékűek lesznek a tranzisztorparaméterek, emiatt a be- és kimeneti ellenállások és az erősítésértékek, valamint a fázistolás és a frekvenciafüggő tulajdonságok is.

Erősítő alapkapcsolások bipoláris tranzisztorral

A bipoláris tranzisztor alapkapcsolásai

2018.12.13. 12:41


Erősítő alapkapcsolás bipoláris tranzisztorral

RE emitterellenállás (áramvisszacsatolás) a munkapont beállító elemek, Rt terhelő ellenállás, Cbe, Cki be- és kimeneti csatoló kapacitások (egyenfeszültség leválasztás), UT tápfeszültség, Ug szinuszos generátor feszültsége, Rg a generátor belső ellenállása, CE emitterkondenzátor („hidegítés”: váltakozóáramú szempontból rövidzár) I0 a feszültségosztó árama, IB0 nyugalmi bázisáram ( I0 10 IB0), UBE0 a tranzisztor nyitófeszültsége, IE0 nyugalmi emitteráram, UCE0 munkaponti kollektor-emitter feszültség, IC0 munkaponti kollektoráram

A be- és kimeneti jelalak azt mutatja, hogy az erősítő fázist fordít, a két szinuszjel, ube és uki fáziseltolása éppen 180°. Ez csak meghatározott frekvenciasávban igaz. A közös emitteres kapcsolás elemei: R1, R2 (bázisosztó), RC munkaellenállás,

2018.12.13. 12:41


Erősítő alapkapcsolás bipoláris tranzisztorral, az erősítés értékének meghatározása

Ha az Ube bemeneti feszültség növekszik, ez növeli az UBE0 feszültséget, ezáltal az IB0 bázisáramot. A bázisáram növekedése a kollektorkörben felerősödik, IC növekszik, ezzel nő az RC ellenálláson eső feszültség, UCE0 csökken, Cki átadja a csökkenést a kimenetnek. Uki

változása ellentétes Ube változásával tehát az emitterkapcsolású erősítő fázist fordít. A tranzisztor hibrid paraméteres helyettesítő képének elemei: h11e bemeneti ellenállás, h21e áramerősítés, h22e kimeneti vezetés. Az erősítő erősítésértékei a paraméterekkel és építőelemekkel kifejezve:

RRhh

h

hi

RRh

h

u

uA tc

22e11e

21e

11eB

tc

22e

21e

be

kiue xx

1xx

1

S

h

h

11e

21e meredekség

RR

hA tc

22e

ue xx1

S Rh

t

22e

1ha

R txR cSA ue

feszültségerősítés R

hAA

t

11eueie

áramerősítés

AAA ieuepe

teljesítményerősítés

2018.12.13. 12:41


A lap-

kapcso lás EM ITTER K A PC SO LÁ S B Á ZISK A PC SO LÁ S K O LLEK TO RK A PC SO LÁ S

Bipoláris tranzisztoros alapkapcsolások összefoglalása

2018.12.13. 12:41


Erősítő alapkapcsolás JFET tranzisztorral

A source- kapcsolású erősítőfokozat bemenete a G-S, kimenete a D-S kapcsok. A be- és kimeneti jelalak azt mutatja, hogy az erősítő fázist fordít. A közös source-ú kapcsolás elemei: RG (munkapont beállító), RD munkaellenállás, RS source-ellenállás (áramvisszacsatolás) a munkapont beállító

elemek, Rt terhelő ellenállás, Cbe, Cki be- és kimeneti csatoló kapacitások (egyenfeszültség leválasztás), UT tápfeszültség,, Ug szinuszos generátor feszültsége, Rg a generátor belső ellenállása, CS source-kondenzátor („hidegítés”: váltakozóáramú szempontból rövidzár), ID0 nyugalmi draináram, UDS0 munkaponti drain-source feszültség, UGS0 munkaponti gate-source feszültség. Az áramkör működése során a tápegység egyenáramú teljesítménye alakul át az ug generátor által meghatározott ütemben felerősítve az Rt terhelő ellenálláson váltakozó áramú teljesítménnyé.

A T tranzisztor N

csatornás JFET

2018.12.13. 12:41


Erősítő alapkapcsolás FET tranzisztorral Ha az ube bemeneti feszültség növekszik pozitív irányban, úgy csökkenti az UGS0 záróirányú feszültséget, ID0 áram megnő. A csatornaáram növekedése pedig az RD ellenálláson feszültségnövekedést, vagyis az UDS0 feszültség csökkenését eredményezi. Tehát uki feszültség változása ellentétes az ube feszültség változásával, a source kapcsolás fázist fordít! A térvezérlésű tranzisztor admittancia paraméteres helyettesítő képe alapján az y11s bemeneti vezetés 0, az y21s transzfer vezetés és az y22s kimeneti vezetés alapján határozhatók meg a térvezérlésű tranzisztoros source kapcsolás erősítési jellemzői.

RR

yuyu tD

22s

be21ski xx1

u

RRy

uy

u

uA

be

tD

22s

be21s

be

kius

xx1

RRy

yA tD

22s

21sus xx1

Ry

t

22s

1ha

AAA isusps

teljesítményerősítés

RRyA tD21sus x

feszültségerősítés R

rA-

i

iA

t

beus

be

kiis

áramerősítés

2018.12.13. 12:41


Térvezérlésű tranzisztoros alapkapcsolások tulajdonságai

2018.12.13. 12:41


A decibel fogalom bevezetése Az erősítési tényező értéke váltakozóáramú erősítőknél és különböző szűrő áramköröknél függ a frekvenciától a tranzisztorok és a többi építőelem frekvencia-függő sajátosságai miatt. Ha a frekvencia függvényében vizsgáljuk az erősítő, vagy csillapító egység A= uki/ube viszonyát, valamint a kimenő és bemenő feszültség fáziseltérését, akkor a frekvencia-tengelyt nagyon nehéz ábrázolni, mert 3-6 nagyság-rendet kell átfogni. Emiatt szokásos a frekvenciát logaritmikus léptékben megadni. A korszerű, többfokozatú erősítők, különösen a műveleti erősítők egyen-és váltakozó-áramú erősítési tényezői 2-6 nagyságrendet fognak át, tehát itt sem ábrázolhatók a részletek. Emiatt került bevezetésre a logaritmikus erősítés/csillapítás fogalma.

dBAU be

U kia log20log20

2log102

1

2log20log20

2

1a

(log2 =0,3010)

2

1A a= -3,01 dB

A1 1/A

2 A3 ub

e

uk

i

U be

U kiA

az Ae= uki/ube = A1.(1/ A2).

A3 szorzat helyett

ae = a1- a2+a3 a logaritmus miatt összeg lesz

Láncbakapcsolt átviteli tagok eredő átviteli tényezőjének ábrázolásánál előny, hogy

A=100, a=20.lg100=40 dB

2018.12.13. 12:41


RC szűrő amplitúdó-frekvencia és fázis-frekvencia menete

Pl. A= 0,01 a= 20.log1/100= 20.(-2) = – 40dB -decibel, a frekvenciatengelyen a 10-szeres, vagy tizedrésznyi mennyiségek jelölésére a Dekád [D]fogalom került bevezetésre, valamilyen kitüntetett frekvenciaértékhez viszonyítva, pl az RC, RL szűrők határfrekvenciáihoz (itt fh=159,16 Hz, a = –3 dB, j = – 45°). A határfrekvencia után az amplitudó-frekvencia jelleggörbe meredeksége: – 20 dB / Dekád, ettől az egyenestől alig tér el a tényleges görbe.

f=159,16 Hz

-3 dB

R

C Ug Uki

Ug

2018.12.13. 12:41


Diódás vágóáramkör

Az Ux feszültség a diódát záró irányban feszíti elő, ha Ube>Ux+Ud, akkor a dióda vezetni kezd és Ube e fölötti részét levágja. Ha Ube< Ux+Ud érték alá csökken, a dióda lezár. A dióda tehát kapcsolóüzemben működik: ha kinyit, kis ellenállást képvisel, (zárt kapcsoló), ha lezár, nagy ellenállású, (nyitott kapcsoló), pozitív irányú amplitúdó határolást végez

Diódás vágóáramkör jelalakjai

Félvezetők kapcsolóüzeme

2018.12.13. 12:41


Félvezetők kapcsolóüzeme Bipoláris tranzisztor, mint inverter Ut= 5V tápfeszültséget használva, a Si tranzisztor

kinyit, ha az UBE feszültség >0,6V, vagy Ube >1,6V, és lezár ha Ube<0,8V. Az Rt ellen-álláson fellépő kimenő feszültség értéke teljesen nyitott tranzisztor esetén< 0,4V, lezárt tranzisztornál pedig közel az 5V-os tápfeszültség

Rb

Rc

Rt T

+Ut

Uki

Ube

IB

UBE

Ic

-Ut

A tranzisztor tehát a bemeneti jel < 0,8V értékét 0-nak tekintve (L), a kimeneti jel 5V-os értékét 1-nek(H), a Boole algebra szabályai szerint a tagadás műveletét valósítja meg, vagyis invertálja a bemeneti jelet. Az Ube >1,6V bemeneti jelet 1-nek tekintve, a kimenőjel<0,4V-os értéke a 0-nak felel meg, szintén invertál a tranzisztor. Uki =Ube

2018.12.13. 12:41


Inverter, kapuáramkörök

A logikai negációt(NEMNOT) megvalósító inverter rajzjelképei és igazságtáblázata

A logikai ÉS (AND) kapcsolatot megvalósító kapuáramkörök rajzjelképei és a kétbemenetű ÉS kapu igazságtáblázata

2018.12.13. 12:41


Kapuáramkörök + +

=

A logikai VAGY (OR) kapcsolatot megvalósító kapuáramkörök rajzjelképei és a kétbemenetű VAGY kapu igazságtáblázata

Be1

Be2

Ki

ÉS kapu relés megvalósítása érintkezőkkel Ki=Be1 ÉS Be2

VAGY kapu relés megvalósítása érintkezőkkel Ki=Be1 VAGY Be2

Be1

Be2

Ki

2018.12.13. 12:41


Kapuáramkörök

EKVIVALENCIA (MEGENGEDŐ VAGY) kapu rajzjelei és igazságtáblázata

ANTIVALENCIA (KIZÁRÓ VAGYEXCLUSIVE OR) kapu rajzjelei és igazságtáblázata

2018.12.13. 12:41


Bipoláris elemekkel felépített logikai alapáramkörök Elvi kapcsolás Helyettesítő kapcsolás Kimeneti jelleggörbe a munkaegyenessel

Bipoláris logikai alapelemek működési elve és a nyitott–lezárt állapotot mutató karakterisztika

A bipoláris tranzisztor NPN vagy PNP típusú lehet. A kimeneti karakterisztikán követhető, hogy a tranzisztor nyitott állapota megfelel a zárt kapcsolónak (kis ellenálláson áram folyik), lezárt állapota nyitott kapcsolónak (szakadás). A valóságos kapcsolóval szemben mindig van nyitott állapotban maradékfeszültség a kollek-toron, illetve lezárt állapotban is folyik a tranzisztoron ICB0 maradékáram, amely az Rc munkaellenálláson feszültséget ejt. Ezek miatt a logikai 0, azaz L szint sohasem lehet 0 V, hanem annál nagyobb, UL , és a logikai 1, azaz H szint sohasem érheti el a tápfeszültség értékét, csak annál kisebb lehet UH < UT.

2018.12.13. 12:41


MOS elemekkel felépített logikai alapáramkörök Kapcsolóelemként alkalmazott N- csatornás MOS tranzisztor

Bemeneti jelleggörbe Kimeneti jelleggörbe a működést meghatározó munkaegyenessel

A kapcsolás működése: ha a bemeneti UGS feszültség kisebb, mint UT0 , akkor a lezárt MOS tranzisztor drainfeszültsége a tápfeszültséggel egyezik meg. Mivel a gate egyenáramú ellenállása igen nagy, 1014 , a MOS tranzisztor ideális feszültségvezérelt elem. Ha UGS feszültség nagyobb, mint UT0 , akkor a tranzisztor teljesen kinyit, a telítési tartományban vezet, és a maradék-feszültsége UL. Látható, hogy a bemeneti feszültséggel áram, tehát teljesítmény nélkül lehet a MOS tranzisztort kapcsolóként vezérelni. A MOS elemek hátránya a statikus feltöltődés miatti átütés az elektródák között, mivel igen vékony a SiO2 szigetelőréteg.

2018.12.13. 12:41


Digitális integrált áramkörök TTL elemekkel

TTL(Transistor-Transistor Logic) NAND kapu

I2 L (Integrated Injection Logic) inverter és integrált áramköri metszete

A TTL - Tranzisztor- tranzisztor logika elven felépített integrált áramkörök nem határolhatók el diszkrét elemekre, különböző szennyezettségű félvezető és szigetelő sávokból és rétegekből épülnek fel. A NAND kapu működése a több-emitteres (multiemitter) bemeneten alapul: ha bármelyik bemenetre alacsony logikai szint (L LOW) kerül, T2 tranzisztor lezárt állapotú, ezért a kimenet szintje magas (H HIGH). Ha mindkét bemenetre H szint kerül, úgyT2 kinyit-de T3 és T4 is- a kimenet szintje alacsony, L logikai szint lesz.

2018.12.13. 12:41


MOS kapuáramkörök: az inverter drainellenállását igen nagy ellenállású növekményes MOS tranzisztor helyettesíti, vezető állapotban ezen esik a feszültség, vagyis a drain pont feszültsége igen kicsiny lesz. Emiatt a kapu áramfelvétele nagyon kevés. Belátható, hogy a NAND kapu kimenetén csak akkor lesz L szint, ha minkét bemeneten H szint van. Az integrált áramkör csak aktív elemeket tartalmaz, a gyártása emiatt egyszerű, és kis felületet igényel, nagy lehet az áramkör elemsűrűsége, kicsi a fogyasztása. Védeni kell az áramköröket a statikus feltöltődés okozta átütéstől!

Digitális integrált áramkörök MOS elemekkel MOS

inverter MOS NAND kapuáramkör

MOS NOR kapuáramkör

2018.12.13. 12:41


Digitális áramkörök CMOS elemekkel

A CMOS elnevezés a Complementer MOS, vagyis a kiegészítő MOS -ból származik: N csatornás és P csatornás növekményes MOS tranzisztor-párokból épül fel. A CMOS inverter működése: 0 bemenő feszültségnél T1 lezárt, T2 vezet, UD -t a kimenetre kapcsolja. Ha a kimenetre másik CMOS gate -je kapcsolódik, annak igen nagy ellenállása gyakorlatilag nem vesz fel áramot, az áramkör jellegzetessége a rendkívül csekély áramfogyasztás. UD feszültségű bemenőjel hatására T1 nyit ki, és T2 zár le,T1-en át a kimenet földpotenciálra kerül. Áram ez esetben sem folyik. A CMOS kapcsolás csak az átkapcsolás igen rövid idején vesz fel áramot a tápegységből, u.n. áramtüske formájában. Jelentősebb fogyasztása csak nagy működési frekvencián van. A terhelést ezért W/kHz ben adják meg!

2018.12.13. 12:41


Digitális áramkörök CMOS elemekkel

CMOS NAND kapuáramkör CMOS NOR kapuáramkör

A kapcsolásban a T1 és T2 P csatornás tranzisztorok párhuzamosan, míg az N csatornás T3 és T4 tranzisztorok sorosan kapcsolódnak

A kapcsolásban a T1 és T2 P csatornás tranzisztorok sorosan, míg az N csatornás T3 és T4 tranzisztorok párhuzamosan kapcsolódnak

2018.12.13. 12:41


Digitális áramkörök tápfeszültség- és jelszintjei TTL integrált áramkörök

Tápfeszültség: +5 V Logikai szintek: Bemeneten: L szint 0,8 V max. H szint 2,0 V min. Kimeneten: L szint 0,4 V max. H szint 2,4 V min. Teljesítményfelvétel: 20 mW/ kapu Időkésleltetés: 10 ns / kapu Egységterhelés: - a bemeneten: (Fi vagy fan-in bemeneti terhelési tényező, egyetlen logikai kapu egyik bemenete képviseli) L szint IBeL= –1,6 mA (a bemeneten kifelé folyó áram UBeL= 0,4 V-nál ) H szint IBeH = 40 A (a bemeneten befelé folyó áram UBeH= 2,4 V-nál) - a kimeneten: (FO vagy fan-out kimeneti terhelési tényező, megadja, hogy egyidejűleg hány bemenetet lehet vezérelni) FO= 10 közönséges kapuáramköröknél FO= 30 teljesítmény kapuáramköröknél

2018.12.13. 12:41


MOS, CMOS integrált áramkörök Tápfeszültség: 3-15 V Logikai szintek: Függ a tápfeszültségtől H szint kb. a tápfeszültség fele, L szint 0. Teljesítményfelvétel: 0,3 W/kHz, függ a frekvenciától Időkésleltetés: 90 ns / kapu

Digitális áramkörök tápfeszültség - és jelszintjei

2018.12.13. 12:41

Előadásvázlatelkszabo/Oktatas... · 2018-12-13 · Az elektronika, mint tudományág...

Documents

Transcript of Előadásvázlatelkszabo/Oktatas... · 2018-12-13 · Az elektronika, mint tudományág...