561
16 BαΣικΗ ΗλεκΤρολογια και ΗλεκΤρονικΗ Ο ηλεκτρισμός είναι μια μορφή ενέργειας. Σε σύγκριση με άλλες μορφές ενέργειας όπως η θερμότητα, το φώς, η μηχανική και η χημική ενέργεια, έχει τα παρακάτω πλεονεκτήματα: • Υψηλές ποσότητες ενέργειας μπορούν να μεταφερθούν σε μεγάλες αποστάσεις μέσω των ηλεκτροφόρων καλωδίων και στις πιο απομακρυσμένες περιοχές. • Μπορεί να μετατραπεί εύκολα σε άλλες μορφές ενέργειας, π.χ. θερμότητα σε συστήματα θέρμανσης, φώς σε λαμπτήρες πυράκτωσης, μηχανική ενέργεια σε ηλεκτροκινητήρες και σε χημική ενέργεια όταν φορτίζουμε συσσωρευτές εκκίνησης. • Η μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε άλλες μορφές ενέργειας, είναι σε ένα μεγάλο βαθμό μη ρυπογόνος. Η γενική αρχή για την κατανόηση των ηλεκτρολογικών διαδικασιών είναι το μοντέλο του ατόμου του Bohr (Σχ. 1). Το άτομο είναι το μικρότερο, χημικά αδιαίρετο σωματίδιο ενός στοιχείου. H
Li
C
Διδακτικό Πεδίο 11
Τα ηλεκτρόνια μετακινούνται με μεγάλη ταχύτητα (περίπου 2,200 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο) σε κυκλικές ή ελλειπτικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα του ατόμου (Σχ. 2). Οι φυγόκεντρες δυνάμεις που ασκούνται με αυτό τον τρόπο από τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, αντισταθμίζονται από την ελκτική δύναμη των θετικά φορτισμένων πρωτονίων. Τα σωματίδια της ύλης με διαφορετικά ηλεκτρικά φορτία έλκονται μεταξύ τους, ενώ τα σωματίδια με το ίδια ηλεκτρικά φορτία απωθούν το ένα το άλλο.
Στην περίπτωση που ο πυρήνας του ατόμου περιέχει τον ίδιο αριθμό πρωτονίων με τον αριθμό ηλεκτρονίων που περιφέρονται γύρω του, τότε το άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο προς το εξωτερικό περιβάλλον. Ηλεκτρόνιο
O Πυρήνας
Ηλεκτρόνιο Πρωτόνιο Νετρόνιο
He
Be
Ηλεκτρόνιο (–)
N
Ne
Πυρήνας ατόμου (+)
Σχήμα 1: Δομή των ατόμων
Τα θεμελιώδη συστατικά του ατόμου είναι ο πυρήνας του ατόμου και τα ηλεκτρόνια. Ο πυρήνας του ατόμου αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια . Τα πρωτόνια είναι σωματίδια της ύλης με θετικό φορτίο. Ένας πυρήνας υδρογόνου για παράδειγμα, αποτελείται από μόνο ένα πρωτόνιο. Έχει τη μικρότερη ποσότητα θετικού φορτίου, το στοιχειώδες φορτίο (θετικό). Τα νετρόνια είναι σωματίδια της ύλης που δεν έχουν καθόλου ηλεκτρικό φορτίο. Τα ηλεκτρόνια είναι σωματίδια της ύλης με αρνητικό φορτίο. Ένα ηλεκτρόνιο έχει τη μικρότερη ποσότητα αρνητικού φορτίου, το στοιχειώδες φορτίο (αρνητικό). Τα ηλεκτρόνια είναι οι φορείς των αρνητικών στοιχειωδών φορτίων, τα πρωτόνια είναι φορείς των θετικών στοιχειωδών φορτίων. Τα αντίστοιχα στοιχειώδη φορτία έχουν το ίδιο μέγεθος.
Σχήμα 2: Η δομή ενός ατόμου λιθίου
Εκτός από τα ηλεκτρόνια που είναι δεσμευμένα στον πυρήνα του ατόμου, σε κάθε ύλη υπάρχουν και εκείνα τα ηλεκτρόνια που προσωρινά αποχωρίζονται από την τροχιά τους και είναι σε θέση να κυκλοφορούν ελεύθερα μεταξύ των ατόμων. Τα ηλεκτρόνια αυτά είναι γνωστά ως «ελεύθερα» ηλεκτρόνια. Εφόσον καμία εξωτερική ενέργεια δεν εφαρμόζεται στην ύλη, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μετακινούνται τυχαία, δηλαδή δεν είναι δυνατόν να προσδιοριστεί μία συγκεκριμένη κατεύθυνση κίνησης (Σχ. 3).
Ελεύθερο ηλεκτρόνιο
Ένωση ατόμου
Σχήμα 3: Τυχαία κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων.
Οι ηλεκτρικές διεργασίες εξαρτώνται από την ύπαρξη και την κινητικότητα των ελεύθερων ηλεκτρονίων. Ο ηλεκτρισμός δεν δημιουργείται, αλλά είναι παρών σε κάθε υλικό.
562
16 Βασική ηλεκτρολογία και ηλεκτρονική
16.1 Ηλεκτρική Τάση (Διαφορά δυναμικού)
16.2 Ηλεκτρικό ρεύμα
Η τάση υπάρχει όταν υπάρχει διαφορά στην ποσότητα των ηλεκτρονίων μεταξύ δύο σημείων, π.χ. στους πόλους ενός συσσωρευτή. Το ποσό της τάσης εξαρτάται από το μέγεθος της διαφοράς της ποσότητας των ηλεκτρονίων. Η τάση παράγεται από το διαχωρισμό του φορτίου στους δύο πόλους της πηγής (Σχ. 1).
Το αίτιο παραγωγής του ηλεκτρικού ρεύματος είναι η ηλεκτρική τάση.
Ηλεκτρική γραμμή
Πηγή τάσης
Ηλεκτρική γραμμή
Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι η κατευθυνόμενη κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων.
Ηλεκτρικό κύκλωμα (Σχ. 3). Το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να ρέει μόνο σε ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα. Ένα ηλεκτρικό κύκλωμα αποτελείται τουλάχιστον από τη πηγή τάσης, τον καταναλωτή και τις ηλεκτρικές γραμμές (αγωγοί). Το ηλεκτρικό κύκλωμα μπορεί να κλείσει ή να ανοίξει με ένα διακόπτη. Οι διακόπτες συνήθως εμφανίζονται σε ανενεργή κατάσταση (ανοικτοί) στα διαγράμματα κυκλωμάτων. Κατεύθυνση ρεύματος Διακόπτης
Σχήμα 1: Παραγωγή τάσης από διαχωρισμό φορτίου
Στον αρνητικό ακροδέκτη υπάρχει πλεόνασμα ηλεκτρονίων, στον θετικό ακροδέκτη έλλειμμα ηλεκτρονίων.
Καταναλωτής
Πηγή τάσης
Ηλεκτρική γραμμή (αγωγός) Κίνηση ηλεκτρονίων
Σχήμα 3: Ηλεκτρικό κύκλωμα
Μεταξύ του αρνητικού και του θετικού ακροδέκτη, υπάρχει μια τάση εξισορρόπησης των ηλεκτρονίων, δηλαδή, όταν οι δύο πόλοι συνδεθούν (εξωτερικά), τα ηλεκτρόνια ρέουν από τον αρνητικό πόλο μέσω του καταναλωτή προς τον θετικό πόλο παράγοντας με τον τρόπο αυτό ηλεκτρικό έργο (ΣΧ. 2).
ασφάλειες (Σχ. 4). Αυτές συνδέονται στο ηλεκτρικό κύκλωμα. Οι ηλεκτρικές ασφάλειες γραμμής προστατεύουν τις ηλεκτρικές γραμμές από υπερφόρτωση και βραχυκυκλώματα. Οι ασφάλειες εξοπλισμού προστατεύουν μεμονωμένα είδη εξοπλισμού π.χ. ΕCUs (μονάδες ηλεκτρικού ελέγχου), ραδιόφωνα σε περίπτωση βλάβης. 15 A
Πηγή τάσης
Καταναλωτής 10 A
Ροή ηλεκτρονίων Συμβατική φορά του ρεύματος
Σχήμα 2: Η ροή ηλεκτρονίων στο ηλεκτρικό κύκλωμα.
Η τάση είναι η προσπάθεια εξισορρόπησης των διαφορετικών ποσοτήτων φορτίου. Δηλαδή, αποτελεί την αιτία για τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος.
Οι ακροδέκτες ενός εναλλακτήρα, δηλαδή μιας γεννήτριας παραγωγής εναλλασσόμενου ρεύματος, δεν έχουν καθόλου τάση όταν αυτός είναι εκτός λειτουργίας, δηλαδή τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι ομοιόμορφα κατανεμημένα στις περιελίξεις, ώστε αυτές (οι περιελίξεις) να είναι ηλεκτρικά ουδέτερες. Εάν ο εναλλακτήρας ενεργοποιηθεί, τότε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μετακινούνται στον αρνητικό πόλο με αποτέλεσμα να προκύπτει ένα πλεόνασμα ηλεκτρονίων σε σύγκριση με το θετικό πόλο και έτσι να παράγεται τάση. Η μονάδα της τάσης (U) είναι το βολτ (V).
Σχήμα 4: ασφάλειες τήξης σε αυτοκίνητα.
αγωγιμότητα ηλεκτρονίων (Σχ. 5). Εμφανίζεται σε όλους τους ηλεκτρικούς αγωγούς που είναι κατασκευασμένοι από μεταλλικό υλικό. Τα άτομα του μετάλλου απελευθερώνουν ηλεκτρόνια. Αυτά τα «ελεύθερα» ηλεκτρόνια μπορούν να μετακινηθούν εύκολα, μεταξύ των σταθερών ατόμων του μεταλλικού αγωγού (καλωδίου). Εάν το ηλεκτρικό κύκλωμα είναι κλειστό, όλα τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του αγωγού και του καταναλωτή ωθούνται σε κατευθυνόμενη κίνηση, ως αποτέλεσμα της τάσης που εφαρμόζεται. Έτσι το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει.
Σχήμα 5: κατευθυντήρια κίνηση ελεύθερων ηλεκτρονίων.
16 Βασική ηλεκτρολογία και ηλεκτρονική
563
αγωγιμότητα ιόντων (Σχ. 1). Αυτή επιτρέπει στο ρεύμα να μεταφέρεται από την κατευθυνόμενη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων της ύλης (ιόντα). Τα θετικά ιόντα αναφέρονται ως κατιόντα, επειδή κινούνται προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο, τη κάθοδο. Τα αρνητικά ιόντα αναφέρονται ως ανιόντα, επειδή κινούνται προς το θετικό ηλεκτρόδιο, την άνοδο. Οι αγωγοί ιόντων είναι χημικές ενώσεις που διαχωρίζονται σε θετικά και αρνητικά στοιχεία.
O διαχωρισμός των αερίων, σε αρνητικά και θετικά σωματίδια της ύλης, αναφέρεται ως ιονισμός. Μπορεί να προκληθεί από ακτινοβολία, θέρμανση ή ηλεκτρικά πεδία. Εάν το μίγμα αέρα-καυσίμου ιονιστεί από το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο στο κενό μεταξύ των ηλεκτροδίων ενός αναφλεκτήρα, τότε γίνεται ηλεκτρικά αγώγιμο και ο σπινθήρας περνάει από πάνω (Σχ. 1). Ηλεκτρόδιο γείωσης
Κατιόν Ανιόν
Ένταση ρεύματος I. Είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που ρέουν μέσω του εμβαδού της διατομής του αγωγού ανά δευτερόλεπτο. Η μονάδα της έντασης ρεύματος I είναι τα αμπέρ (Α).
Πυκνότητα ρεύματος J. Αυτή είναι το ρεύμα Ι που ρέει ανά τετραγωνικό χιλιοστό του εμβαδού της διατομής ενός αγωγού A ή S.
J=
H μονάδα της πυκνότητας ρεύματος J είναι το αμπέρ ανά τετραγωνικό χιλιοστό (A/mm2)
I A
Η επιτρεπόμενη πυκνότητα ρεύματος στις ηλεκτρικές γραμμές εξαρτάται ιδίως από την ψυκτική ικανότητα της επιφάνειας του αγωγού (Πίνακας 1). Οι λεπτοί αγωγοί έχουν μεγαλύτερη επιφάνεια σε σχέση με το εμβαδόν της διατομής του αγωγού, απ’ ότι οι χοντροί αγωγοί και επομένως μπορούν να μεταφέρουν περισσότερο ρεύμα ανά mm2 του εμβαδού διατομής του αγωγού. Πίνακας 1: Χωρητικότητα των ηλεκτρικών γραμμών χαλκού (μονόκλωνοι στους 30 °C) J σε A/mm2
1,0
Ιmax σε Α 19
2,5
32
12,8
6,0
54
9,0
16,0
98
6,1
A σε mm2 Κεντρικό ηλεκτρόδιο
Σχήμα 1: ιονισμός στο μπουζί
Η φορά της ροής των ηλεκτρονίων. Στην πηγή της τάσης υπάρχει πλεόνασμα ηλεκτρονίων στον αρνητικό ακροδέκτη και έλλειμα ηλεκτρονίων στον θετικό ακροδέκτη. Εάν ο αρνητικός ακροδέκτης δια μέσου ενός καταναλωτή συνδέεται με το θετικό ακροδέκτη της πηγής τάσεως, τότε τα ηλεκτρόνια από τον αρνητικό πόλο, ρέουν στο εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα μέσω του καταναλωτή, στο θετικό πόλο της πηγής τάσης (Σχ. 2).
A Συμβατική φορά του ρεύματος
16.2.2 Τύποι ρεύματος Συνεχές ρεύμα (DC, Σύμβολο –). Σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, στο οποίο η τάση και η αντίσταση είναι σταθερές, ρέει συνεχές ρεύμα, όταν ο ίδιος αριθμός ηλεκτρονίων κινείται προς την ίδια κατεύθυνση ανά δευτερόλεπτο (Σχ. 3).
Ρεύμα I
16.2.1 Φορά ρεύματος
19,0
Χρόνος t
Σχήμα 3: Συνεχές ρεύμα
εναλλασσόμενο ρεύμα (AC, Σύμβολο ~). Σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, στο οποίο η τάση και η αντίσταση είναι σταθερές, το εναλλασσόμενο ρεύμα ρέει, όταν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται συνεχώς στην ίδια απόσταση, προς και από τις δύο κατευθύνσεις (Σχ. 4).
Ροή ηλεκτρονίων Κίνηση ηλεκτρονίων
Συμβατική φορά του ρεύματος. Λόγω του ότι παλαιότερα δεν ήταν γνωστή η παραγματική φορά της ροής των ηλεκτρονίων, αποφασίστηκε στην ηλεκτρολογία ότι η κατεύθυνση του ρεύματος να είναι από το θετικό προς το αρνητικό (Σχ. 2).
Ρεύμα I
Σχήμα 2: Συσσωρευτής ως αντλία ηλεκτρονίων
Χρόνος t Κίνηση ηλεκτρονίων Περίοδος
Σχήμα 4: εναλλασσόμενο ρεύμα
564
16 Βασική ηλεκτρολογία και ηλεκτρονική
16.3 Ηλεκτρική αντίσταση Είναι χρήσιμο να ξεχωρίσουμε τους δύο συναφείς όρους, σε αυτόν τον τομέα της ηλεκτρολογίας. • «Ηλεκτρική αντίσταση», η οποία παραπέμπει στις φυσικές ιδιότητες για την αγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, στην ύλη. • «Ηλεκτρικός αντιστάτης», ο οποίος παραπέμπει σε ένα ηλεκτρικό εξάρτημα της ηλεκτρολογίας και της ηλεκτρονικής.
μοκρασία η τιμή της αντίστασης μπορεί να αυξηθεί (PTC αντιστάτης) ή να μειωθεί (NTC αντιστάτης), ανάλογα με την εφαρμογή της. αντιστάτες PTC. Αυτοί άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα καλύτερα σε μια ψυχρή κατάσταση από ό,τι σε μια θερμή κατάσταση, δηλαδή αυξάνεται η αντίσταση τους όταν αυξάνεται η θερμοκρασία. Αυτά τα υλικά είναι γνωστά ως αντιστάτες PTC1), δεδομένου ότι έχουν ένα θετικό συντελεστή θερμοκρασίας (Σχ. 1). Αντιστάτες PTC είναι τα περισσότερα μέταλλα.
16.3.1 H ηλεκτρική αντίσταση της ύλης Όταν εφαρμόζεται μια τάση σε ένα ηλεκτρικό αγωγό, τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν πλέον να ρέουν χωρίς αντίσταση. Ο περιορισμός της ροής των ηλεκτρονίων είναι γνωστός ως ηλεκτρική αντίσταση R. Η ηλεκτρική αντίσταση R είναι η παρεμπόδιση της ροής του ηλεκτρικού ρεύματος σε έναν αγωγό και εκφράζεται σε ohms (ομ) (Ω).
ειδική ηλεκτρική αντίσταση ρ. Κάθε αγώγιμο υλικό έχει τη δική του χαρακτηριστική ειδική ηλεκτρική αντίσταση ρ. Για παράδειγμα, ο χαλκός έχει μία αντίσταση 0,01789 Ω για ένα μήκος αγωγού 1 m και εμβαδό διατομής αγωγού 1mm2.
Η αντίσταση των αντιστατών PTC αυξάνεται όσο αυξάνεται και η θερμοκρασία.
Η αυξημένη αντίσταση στους PTC αντιστάτες προκαλείται από την αύξηση της θερμικής ταλάντωσης των ατόμων και των μορίων, στο υλικό του αγωγού. Αυτή μειώνει την αγωγιμότητα του υλικού, δηλαδή εμποδίζει την ροή των ηλεκτρονίων. αντιστάτες NTC. Μεταφέρουν το ηλεκτρικό ρεύμα καλύτερα καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, παρά όταν πέφτει. Αυτά τα υλικά είναι γνωστά ως αντιστάτες NTC2), δεδομένου ότι έχουν αρνητικό συντελεστή θερμοκρασίας (Σχ. 1). Αντιστάτες NTC είναι ο άνθρακας, μερικά κράματα μετάλλων, όπως και τα περισσότερα υλικά ημιαγωγών.
H ειδική ηλεκτρική αντίσταση ρ είναι η αντίσταση ενός αγωγού, με εμβαδόν διατομής 1 mm2 και μήκος 1m.
l=
1 t
Μονάδα:
m
X # mm 2
Έτσι η αριθμητική τιμή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του χαλκού είναι 56, και του αλουμινίου 36. Αυτό σημαίνει ότι για αγωγούς με τις ίδιες διαστάσεις, ο χαλκός άγει το ηλεκτρικό ρεύμα περίπου 1,5 φορές καλύτερα από το αλουμίνιο ( 56:36 1.5). αντίσταση αγωγού R. Η αντίσταση R ενός αγωγού είναι υψηλότερη, όσο μεγαλύτερη είναι η ειδική ηλεκτρική αντίσταση και το μήκος του αγωγού, και όσο πιο μικρό είναι το εμβαδόν της διατομής του αγωγού Α. t#l R= A
Η μείωση της αντίστασης των NTC αντιστατών, προκαλείται από την αποκόλληση των ηλεκτρονίων από τους δεσμούς τους, στα άτομα και μόρια, με αποτέλεσμα να υπάρχουν περισσότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια διαθέσιμα για τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος. Έτσι αυξάνεται η αγωγιμότητα των υλικών, δηλαδή η ροή των ηλεκτρονίων παρεμποδίζεται σε μικρότερο βαθμό. Σύμβολο Αντιστάτης (NTC) Αντιστάτης R
Στην ηλεκτρολογία, δηλώνεται πιο συχνά η ηλεκτρική αγωγιμότητα κ αντί της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης ρ. Είναι η αντίστροφη τιμή της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης.
Η αντίσταση των αντιστατών με NTC μειώνεται όταν αυξάνεται η θερμοκρασία.
NTC
PTC
Θ
Αντιστάτης (PTC)
Θ
Η μονάδα της αντίστασης R είναι το Ωμ (Ω).
αντίσταση και θερμοκρασία Η τιμή της αντίστασης του υλικού ενός αγωγού εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Καθώς αυξάνεται η θερ-
Θερμοκρασία Θ (παλιό θ)
Σχήμα 1: Τιμή αντίστασης ανάλογα με την θερμοκρασιακή μεταβολή 1) 2)
PTC = Positive Temperature Coefficient = Θετικός Συντελεστής Θερμοκρασίας NTC = Negative Temperature Coefficient= Αρνητικός Συντελεστής Θερμοκρασίας
16 Βασική ηλεκτρολογία και ηλεκτρονική
573
Στοιχεία ελέγχου ενός παλμογράφου Οι όροι χρήσης που αναφέρονται πάνω στον πίνακα ελέγχου του παλμογράφου είναι συνήθως στη αγγλική γλώσσα και είναι τυποποιημένοι σε μεγάλο βαθμό, ανεξάρτητα της χώρας που εφαρμόζεται η χρήση του (Σχ. 1).
1
Στο παρακάτω παράδειγμα παρουσιάζεται ένας δικάναλος παλμογράφος που στον πίνακα ελέγχου του έχει όλες τις απαραίτητες ρυθμιστικές διατάξεις και δυνατότητες σύνδεσης που απαιτούνται.
2
3
POWER 0
4 INTENS
I
5 FOCUS
AUTOSET
7
STOR MODE ON OFF
Timebase and informations display
100 90
6
AV READ OUT
RFR SGL RCL ENV AVM
Y-POS. II
Y-POS. I
VOLTS/DIV 100 V
CH I CH II EXT
100 V
1 mV
90 100 CH I
DUAL
RESET
HOLD
RECALL EXIT
X-POS.
TRIG MODE
TIME/DIV 100 s
AC DC HF LF TVL TVF
CH II
50 ns
SEA/DEL DEL/TRIG ON OFF
INPUT CH II
AC DC
SAVE SET
Channel and volt indications
INPUT CH I
RE
PTR
LEVEL
VOLTS/DIV
1 mV
8
TRIG. EXT.
AC DC
ON OFF
GD
9
10 11 12 13
GD
14
15 16
17
Σχήμα 1: Παλμογράφος ταυτόχρονης παρακολούθησης δύο διαδικασιών (δικάναλος).
1 2 3 4 5 6 7 8 9
AUTO SET POWER Y-POS:I INTENS FOCUS STORE MODE LEVEL X-POS VOLTS/DIV
Αυτόματη ρύθμιση Διακόπτης έναρξης Κάθετη μετατόπιση κανάλι Ι Ρύθμιση φωτεινότητας Ρύθμιση εστίασης Αποθήκευση δεδομένων Ρύθμιση σημείου σκανδαλισμού Οριζόντια μετατόπιση Ρύθμιση πλάτους τάσης στο κανάλι Ι
Μετρήσεις με παλμογράφο Ο παλμογράφος κυρίως μετράει μόνο τάσεις.
Οταν πραγματοποιούνται μετρήσεις με τον παλμογράφο πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τα εξής : • Για τη λήψη μετρήσεων θα πρέπει το μετρούμενο αντικείμενο να συνδεθεί με την υποδοχή γείωσης και την υποδοχή του σήματος εισόδου ενός από τα δύο κανάλια. • Ο άξονας συμμετρίας της οθόνης ρυθμίζεται με περιστροφικό κομβίο (επιλογέας) (Σχ. 1, εξάρτημα 3) σύμφωνα με τις ενδείξεις σήματος, ώστε όλο το σήμα να εμφανίζεται στην οθόνη.Για να πραγματοποιηθεί η ρύθμιση θα πρέπει ο διακόπτης επιλογής εισόδου να είναι γυρισμένος στην γείωση( GD ).
10 11 12 13 14
INP.CH I CH I AC/DC GD DUAL
15 TRIG.MODE 16 AC/DC 17 TIME/DIV
Είσοδος σήματος κανάλι Ι Διακόπτης σκανδαλισμού κανάλι Ι Σύνδεση σήματος εισόδου κανάλι Ι Σύνδεση γείωσης Λειτουργία του ένος ή και των δύο καναλιών Τύπος σκανδαλισμού Σύνδεση σήματος εισόδου κανάλι ΙΙ Ρύθμιση τιμής οριζόντιας χρονικής σάρωσης
• Στη συνέχεια θα πρέπει να ρυθμιστεί ο συντελεστής σάρωσης στην υψηλότερη τιμή πλάτους τάσης π.χ. 100V/cm (Σχ. 1, εξάρτημα 9). • Κατόπιν, θα πρέπει να ρυθμιστεί και η ταχύτητα της οριζόντιας χρονικής σάρωσης τόσο όσο χρειάζεται, ώστε η προβολή του σήματος να είναι στατική (Σχ. 1, εξάρτημα 17). Σε πολλούς τύπους παλμογράφων το εξωτερικό περίβλημα είναι γειωμένο μέσω της κεντρικής παροχής ισχύος. Σε αυτή την περίπτωση όταν το μετρούμενο αντικείμενο χρειάζεται για να λειτουργήσει εναλλασόμενο ρεύμα πάνω απο 50V, θα πρέπει για λόγους ασφαλείας να χρησιμοποιείται μετασχηματιστής απομόνωσης ή τροφοδοτικό.
574
16 Βασική ηλεκτρολογία και ηλεκτρονική
Πίνακας 1.Παραδείγματα μετρήσεων με παλμογράφο. Οργάνωση κυκλώματος
Απεικονίσεις και ρυθμίσεις
Ανάλυση
Μέτρηση συνεχούς τάσης U POWER 0
INTENS
I
FOCUS
STOR MODE ON OFF
Timebase and informations display
AV
AUTOSET
100 90
READ OUT
Y-POS. I
RFR SGL RCL ENV AVM
Y-POS. II
VOLTS/DIV
VOLTS/DIV
1 mV
100 V
CH I CH II EXT
TIME/DIV 100 s
AC DC HF LF TVL TVF
INPUT CH II
AC DC
1div
U
Παράδειγμα:
50 ns
SEA/DEL DEL/TRIG ON OFF
Channel and volt indications
INPUT CH I
RECALL EXIT
CH II
DUAL
Γραµµή µηδενισµού
TRIG. EXT.
AC DC
ON OFF
GD
U=
R2
Ρύθμιση παλμογράφου 5 V/div1)
C
1)
–
G
Συνεχής τάση U:
GD
R1
+
Συνεχείς τάσεις μετρώνται με ρύθμιση DC.
SAVE SET
TRIG MODE
1 mV
100 V
RE
HOLD
X-POS.
90 100 CH I
PTR
RESET
LEVEL
5V # 3 div = 15 V div
div: συντομογραφία για την υποδιαίρεση του πλέγματος που εμφανίζεται στην οθόνη
Μέτρηση εναλλασσόμενου ρεύματος και διάρκειας περιόδου POWER 0
INTENS
I
FOCUS
AV
AUTOSET
READ OUT
Y-POS. I
RFR SGL RCL ENV AVM
Y-POS. II
VOLTS/DIV CH I CH II EXT
RE
HOLD
CH II
DUAL
50 ns
Παράδειγμα:
SEA/DEL DEL/TRIG ON OFF
INPUT CH II
AC DC
U
TIME/DIV 100 s I
Channel and volt indications
INPUT CH I
RECALL EXIT
AC DC HF LF TVL TVF
CH I
Εναλλασσόμενες τάσεις μετρώνται με ρύθμιση ΑC.
SAVE SET
X-POS.
TRIG MODE
1 mV
100 V
90 100 CH I
PTR
RESET
LEVEL
VOLTS/DIV
1 mV
100 V
C
STOR MODE ON OFF
Timebase and informations display
100 90
T
TRIG. EXT.
AC DC
ON OFF
GD
GD
S
2V # 3 div = 6 V div % U 6V U= = = 4, 2 V 2 2 2 ms T= # 10 div = 20 ms div 1 1 f = = = 50 Hz T 20 ms
U =
Ρύθμιση παλμογράφου – Πλάτος ταλάντωσης Ι: 2 V/div – Χρονική βάση: 2 ms/div
Φορτίο
U
Μέτρηση (έμμεση) ρευμάτων 0
INTENS
I
FOCUS
AV READ OUT
Y-POS. I
RFR SGL RCL ENV AVM
Y-POS. II
VOLTS/DIV 100 V
CH I CH II EXT
100 V
1 mV
90 100 CH I
RE
HOLD
TRIG MODE
CH I
INPUT CH II
T
U
TIME/DIV 100 s
AC DC HF LF TVL TVF
CH II
DUAL
AC DC
RECALL EXIT
50 ns
SEA/DEL DEL/TRIG ON OF
Channel and volt indications
INPUT CH I
SAVE SET
CH II X-POS.
LEVEL
VOLTS/DIV
1 mV
PTR
RESET
STOR MODE ON OFF
AUTOSET
Η ένταση του ρεύματος προσδιορίζεται από τη μέτρηση της τάσης σε μια γνωστή αντίσταση, π.χ. 1 Ω, χρησιμοποιώντας το νόμο του Ωμ
I
CH I POWER
Timebase and informations display
100 90
AC DC
I
CH IITRIG. EXT.
T
ON OFF
GD
GD
Παράδειγμα:
Ι π.χ. R = 1 Ω +
G
–
Ρύθμιση παλμογράφου 50 mV/div
% 50 mV U = # 3 div = 0, 15 V div
%
0, 15 V U = = 0, 1 V 2 2 0, 1 V U I= = = 0, 1 A T 1X
U=
ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΑΝΑΚΕφΑΛΑΙΩΣΗΣ 1 Τι καταλαβαίνετε με τη έκφραση έμμεση μέτρηση αντίστασης; 2 Πώς συνδέεται ένα αμπερόμετρο; 3 Ποιά όργανα μέτρησης έχουν αναλογικές ενδείξεις; 4 Τι θα πρέπει να προσέξουμε όταν μετράμε εναλλασόμενο ρεύμα; 5 Τι σημαίνει κλάση ακρίβειας οργάνου 1.5; 6 Ποιό είναι το μειονέκτημα των οργάνων με ψηφιακές ενδείξεις όταν μετράνε κυμαινόμενες μεταβλητές;
7 Ποιός είναι ο κανόνας χρήσης των αναλογικών πολύμετρων; 8 Τι τάση εφαρμόζεται στην κατακόρυφη και/ή οριζόντια σάρωση; 9 Τι σημαίνει η έκφραση σκανδαλισμός; 10 Περιγράψτε την κίνηση της δέσμης ηλεκτρονίων στην οθόνη μόνο όταν έχει ενεργοποιηθεί η χρονική σάρωση.
16 Βασική ηλεκτρολογία και ηλεκτρονική
575
16.7.5 κυκλώματα γέφυρας με αντιστάσεις Τα κυκλώματα γέφυρας (Σχ. 1) αποτελούνται από δύο βρόγχους σε σειρά με δύο αντιστάσεις ο καθένας και που συνδέονται παράλληλα με μια απλή πηγή τάσης. Η συνολική ένταση ρεύματος IG διαμοιράζεται στο σημείο Α σε ένταση Ι1 για τις αντιστασεις R1, R2 και σε ένταση Ι2 για τις αντιστάσεις R3, R4. Οι αντιστάσεις R1…R4 λειτουργούν ως διαιρέτες τάσης.
U1 = 9V
U2 = 3V C
Rx = 180Ω A
Rn = 60Ω
I1
V
I2 U3 = 9V
U4 = 3V D
R3 = 60Ω U1 = 8 V
R4 = 20Ω
U2 = 4 V
C
U = 12V
R2 = 20 Ω
R1 = 40Ω A
B
Ubr
Σχήμα 2: γέφυρα μέτρησης Wheatstone
I1
V
I2
B
UCD
U3 = 8 V R3 = 60Ω
U4 = 4 V D
R4 = 30 Ω
Σε μια ισορροπημένη γέφυρα μέτρησης, για τον υπολογισμό της Rx είναι αρκετό να γνωρίζουμε την Rn και τον λόγο R3/R4. Rx R3 R & Rx = Rn $ 3 = Rn R4 R4
U = 12 V
Σχήμα 1: κύκλωμα γέφυρας με αντιστάσεις
Αν ο διαιρέτης τάσης R1-R2 διαιρεί την τάση της γεννήτριας με την ίδια αναλογία με τον διαιρέτη R3-R4 τότε μεταξύ των σημείων C και D δεν υπάρχει τάση (μέθοδος μηδενικού σημείου). Συνεπώς ο λόγος των αντιστάσεων R1-R2 είναι ανάλογος με τον λόγο R3-R4.
Οι συγκρινόμενες αντιστάσεις των αντιστατών R2 και Rn γενικά ρυθμίζονται. Αυτό βοηθά στο να επιτευχθεί ένα επίπεδο το οποίο δεν απέχει πολύ από το επίπεδο της άγνωστης αντίστασης R1 και Rx. Αυτό μειώνει τα λάθη μέτρησης. Οι αντιστάτες R3 και R4 μπορούν να αντικατασταθούν από έναν άπειρα μεταβαλλόμενο αντιστάτη (ροοστάτη ή ποντεσιόμετρο) (Σχ. 3). C
Ένα κύκλωμα γέφυρας αντιστάσεων είναι σε ισορροπία όταν δεν υπάρχει ροή ρεύματος (διαφορά τάσης) μεταξύ των σημείων C και D π.χ όταν ο λόγος των δύο διαιρετών τάσης είναι ίδιος
Rx
Rn
A
V R3
D
B
R4
R1 R3 U U & 1= 3 = R2 R4 U2 U4 U = 12V
Οι μετρήσεις των τιμών των αντιστάσεων γίνονται με την βοήθεια των κυκλωμάτων γεφύρωσης. Για αυτό στην θέση R1 τοποθετούμε την αντίσταση που θέλουμε να μετρήσουμε Rx και στην θέση της R2 μια μεταβλητή αντίσταση Rn. Το κύκλωμα γέφυρας για μέτρηση αντιστάσεων ονομάζεται Γέφυρα Wheatstone (Σχ. 2).
Σχήμα 3: γέφυρα με ροοστάτη.
Η μέτρηση των αντιστάσεων με συνδεσμολογία γεφύρωσης είναι πολύ ακριβής. Το αποτέλεσμα της μέτρησης εξαρτάται από την τιμή της τάσης τροφοδοσίας.
Η γέφυρα μέτρησης χρησιμοποιείται στα οχήματα π.χ στον μετρητή μάζας αέρα.
576
16 Βασική ηλεκτρολογία και ηλεκτρονική
16.8 ιδιότητες του ηλεκτρικού ρεύματος 16.8.1 Θερμικές ιδιότητες Όταν το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται μέσα από ένα μεταλλικό αγωγό, τα ηλεκτρόνια κινούνται ανάμεσα στα μεμονωμένα άτομα. Η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων μεταφέρεται στα άτομα. Αυτά αρχίζουν να ταλαντώνονται και με αυτό τον τρόπο παράγουν θερμότητα (Σχ. 1). Η μέτρηση αυτής της ‘’θερμικής ταλάντωσης‘’ είναι η θερμοκρασία του αγωγού.
16.8.3 Χημικές ιδιότητες Τα ρευστά που άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα ειναι γνωστά ως ηλεκτρολύτες. Τα βασικά συστατικά τους διασπώνται όταν διαρρέονται απο ρεύμα. Η διεργασία αυτή ονομάζεται ηλεκτρόλυση.
Ηλεκτρολύτες είναι οξέα, βάσεις, άλατα, και οξείδια μετάλλων σε υδατικό διάλυμα ή σε τηγμένη μορφή. Όταν περάσει το ηλεκτρικό ρεύμα και διασπασθούν, τα επιμέρους συστατικά πηγαίνουν και επικάθονται στα ηλεκτρόδια. Αυτή η δράση του ηλεκτρικού ρεύματος χρησιμοποιείται στην επιχάλκωση (Σχ. 3). Η διεργασία αυτή ονομάζεται γαλβανισμός.
16.8.4 Μαγνητικές ιδιότητες Μαγνητικό πεδίο δημιουργείται σε κάθε αγωγό που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Σχήμα 1: Θερμική ταλάντωση των μορίων
Θερμότητα δημιουργείται σε όλους τους αγωγούς που διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα.
16.8.2 Φωτιστικές ιδιότητες Λεπτά μεταλλικά σύρματα θερμαίνονται από το ηλεκτρικό ρεύμα σε τέτοιο βαθμό ώστε να πυρακτώνονται. Η ένταση φωτισμού γίνεται μεγαλύτερη όσο αυξάνεται η θερμοκρασία πάνω στο σπειροειδές νήμα. Γιαυτό χρησιμοποιούνται μέταλλα με μεγάλο σημείο τήξης όπως το βολφράμιο. Το νήμα πυρακτώνεται σε κένο αέρος ή μέσα σε ένα αδρανές αέριο π.χ άζωτο ή κρύπτον, για να μην οξειδωθεί. Οι λάμπες πυρακτώσεως είναι θερμικής εκπομπής.
Ένας αγωγός που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να προκάλεσει την κίνηση μιας μαγνητικής βελόνας ώστε να δείχνει βορά-νότο, π.χ μέσω μιας μαγνητικής δύναμης προερχόμενης από τον αγωγό που διαρέεται απο ρεύμα (Σχ. 4). Η κατεύθυνση αυτής της δύναμης εξαρτάται από την φορά του ρεύματος μέσα στον αγωγό. Αυτό το ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο, για παράδειγμα, χρησιμοποιείται στις ηλεκτρικές μηχανές.
A Fe
Ροή ηλεκτρονίων Cu
Ü
--
SO4 ++
Όταν το ηλεκτρικό ρεύμα περνάει μέσα από αέρια, παράγεται φως από την πρόσκρουση των φορτισμένων σωματιδίων του αερίου.
Οι λαμπτήρες εκκένωσης αερίου όπως οι λαμπτήρες φθορισμού (Σχ. 2) είναι αποδοτικότεροι από τους λαμπτήρες με νήμα διότι χάνουν λιγότερη θερμότητα. Οι λαμπτήρες φθορισμού είναι ψυχρής εκπομπής. Λαμπτήρας νήματος 5% φωτεινή απόδοση
Σπειροειδές νήμα
Λαμπτήρας εκκένωσης αερίου
Γυάλινος σωλήνας 20% φωτεινή απόδοση Πυρήνας ατόμου Υλικό φθορισμού Ελεύθερο Ακτινοβολία ηλεκτρόνιο Ηλεκτρόδιο
Σχήμα 2: ιδιότητες του φωτός
Cu
++
Cu
CuSO4 Cu
Σχήμα 3: Χημικές ιδιότητες
Σχήμα 4: Μαγνητικές ιδιότητες
16.8.5 Φυσιολογικές ιδιότητες Οι φυσιολογικές επιδράσεις του ηλεκτρικού ρεύματος είναι οι επιπτώσεις του στους ζωντανούς οργανισμούς.
Το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσα από το ανθρώπινο σώμα όταν αυτό έρθει σε επαφή με μιά πηγή τάσης. Το ρεύμα ‘’ηλεκτρίζει‘’, και ο άνθρωπος παθαίνει ηλεκτροπληξία. Η ιδιότητα αυτή χρησιμοποείται σε απωθητικά τρωκτικών.