V tomto krátkém článku se pokusím vysvětlit základy elektrotechniky. Pro ty, kteří nechápou, odkud se bere elektřina, ale zdá se neslušné se ptát.
1. Co je elektrický proud.
„Hlavní inženýr otočil vypínačem a elektrický proud procházel dráty rychleji a rychleji“ (c)
1.1 Pár obecných slov k fyzice problému
Elektrický proud je pohyb nabitých částic. Z nabitých částic máme elektrony a některé ionty. Ionty jsou atomy, které ztratily nebo získaly jeden nebo více elektronů, a proto ztratily elektrickou neutralitu a získaly elektrický náboj. Takto je atom elektricky neutrální – náboj kladně nabitého jádra je kompenzován nábojem elektronového obalu. Ionty obvykle nesou náboj v elektrolytech, v kovových drátech jsou nosiči elektrony. Kovy dobře vedou proud, protože některé elektrony mohou přeskakovat z jednoho atomu na druhý. V nevodivých materiálech jsou elektrony vázány na jejich atom a nemohou se pohybovat. (Dovolte mi připomenout, že tento článek je stručným vysvětlením fyziky! Pro více podrobností vyhledejte „teorie elektronické vodivosti“).
Budeme uvažovat proud v kovových vodičích, který je vytvářen elektrony. Analogii lze nakreslit mezi elektrony ve vodiči a kapalinou ve vodním potrubí. (V počáteční fázi byla elektřina považována za speciální kapalinu.) Stejně jako voda neprotéká stěnami potrubí, nemohou elektrony opustit vodič, protože kladně nabitá jádra atomů je přitahují zpět. Elektrony se mohou pohybovat pouze uvnitř vodiče.
1.2 Vznik elektrického proudu.
Ale proud nevznikne jen ve vodiči. Je to jako nalít vodu do kusu trubky a utěsnit ji na obou koncích. Voda nikam nepoteče. V kusu vodiče se elektrony také nemohou pohybovat jedním směrem. Pokud se elektrony z nějakého důvodu přesunou doprava, pak se vlevo objeví nekompenzovaný kladný náboj, který je stáhne zpět. Proto mohou elektrony pouze přeskakovat z jednoho atomu na druhý a zpět. Ale pokud je trubka stočena do prstence, pak voda již může proudit podél trubky, pokud je nějak nucena se pohybovat. Stejně tak konce vodiče mohou být vzájemně spojeny a elektrony se mohou pohybovat podél vodiče, pokud jsou nuceny. Pokud jsou konce vodiče vzájemně spojeny, získá se uzavřený obvod. Stejnosměrný proud může téci pouze v uzavřeném okruhu. Pokud je obvod otevřený, neteče žádný proud. K tomu, aby voda protékala potrubím, se používá čerpadlo. V elektrickém obvodu bude roli čerpadla hrát baterie. Baterie protlačuje elektrony vodičem a tím vytváří elektrický proud. Vědecky se baterie nazývá generátor. To je to, co elektrotechnika nazývá čerpadlo pro vytváření elektrického proudu.
Existují dva typy generátorů – generátor napětí a generátor proudu.
To je ve skutečnosti základní věc, pozor! Viz obrázek níže
Obr. 1. Generátor napětí hodnoty U
Obr 2. Generátor proudu o velikosti I
Horní obrázek ukazuje napěťový generátor, spodní obrázek ukazuje generátor proudu. Čerpadlo generátoru napětí vytváří konstantní tlak, čerpadlo generátoru proudu vytváří konstantní průtok. Horní okruh je otevřený a spodní okruh je uzavřený. Zvažme, jaké vlastnosti má generátor napětí. Představme si následující řetězec
Obr. 3. Generátor napětí hodnoty U se zátěží R1
Z hlediska instalatérské analogie je generátor čerpadlo, které vytváří konstantní tlak, spínač SW1 je ventil, který otevírá potrubí, a odpor R1 je kohoutek, který je mírně otevřený. Tento blatník lze zakrýt – zvýší se odpor a sníží se průtok vody. Můžete jej více otevřít – odpor se sníží, průtok vody se zvýší. Vše se zdá být intuitivní. Nyní si představte, že kohoutek otevíráme stále více. Pak se bude průtok vody zvyšovat a zvyšovat. V tomto případě generátor napětí podle definice udržuje napětí (tlak) konstantní bez ohledu na průtok! Pokud se kohout otevře úplně a odpor se stane 0, pak se průtok rovná nekonečnu. V tomto případě bude generátor stále produkovat napětí rovné U! To vše se samozřejmě děje v ideálním modelu, kdy je výkon generátoru nekonečný. Skutečné generátory (baterie nebo akumulátory) tomuto modelu v určitém rozsahu napětí a proudů zhruba odpovídají.
Uvažujme nyní obvod s generátorem proudu.
Obr. 4. Generátor proudu o velikosti I se zátěží R2
Co dělá generátor proudu? Pohání proud! Je mu řečeno, aby poháněl proud o velikosti I, a on ho pohání bez ohledu na velikost odporu (jak je otevřený kohoutek). Kohoutek je plně otevřený – proud bude roven I. Napětí (tlak) se bude rovnat.
Pokud je kohoutek zcela uzavřen, proud bude stále roven I! Ale v tomto případě se napětí (tlak) bude rovnat nekonečnu. Opět v modelu.
Z těchto úvah intuitivně vyplývá základní zákon elektrotechniky – Ohmův zákon. („Od červené čáry. Podtržení“ (c))
2. Ohmův zákon.
Nejprve z pohledu generátoru napětí
Pokud je na odpor R přivedeno napětí U, pak odporem poteče proud
I = U/R Nyní z pohledu generátoru proudu
Pokud odporem R prochází proud I, dojde na odporu k poklesu napětí U=I*R
Nějak si musíte tento okamžik uvědomit. Tyto dvě formulace jsou zcela ekvivalentní a jejich použití závisí pouze na tom, který generátor je uvažován. Můžete samozřejmě napsat i R=U/I. Něco jako – pokud je na část obvodu přivedeno napětí U a touto částí prochází proud I, pak má obvod odpor R. Dále je dobré zvážit možnosti pro obvody s paralelním nebo sériovým zapojením rezistorů , ale není touha. To jsou čistě technické body. Něco jako
Obr. 5. Sériové zapojení rezistorů
Tímto obvodem sériově zapojených rezistorů R1 a R2 prochází proud o velikosti I. Jaký bude úbytek napětí na každém rezistoru U1 a U2?
Použijte Ohmův zákon a je to!
Tento obvod má mimochodem generátor proudu, protože vstupní proměnnou je zde proud. No, to znamená, že nemusí existovat samotný generátor proudu, jde pouze o to, že proud v obvodu je známý a je považován za konstantní a rovný I. Proto je to, jako by tento proud byl poháněn generátorem proudu.
Říkají také „úbytek napětí na rezistoru“, protože generátor „vyrábí“ napětí (tlak) a po každém rezistoru se napětí sníží, pokles na tomto rezistoru o hodnotu U=I*R.
I když stále zvážíme několik důležitých praktických případů.
1. Nejdůležitější schéma.
Nejdůležitějším obvodem, se kterým se bude muset elektronik neustále po celý život potýkat, je dělič napětí.
(„Od červené čáry. Podtržení“ (c))
3. Dělič napětí
Diagram vypadá takto:
Obrázek 6. Dělič napětí
Dělič napětí se skládá ze dvou rezistorů zapojených do série.
Mimochodem, rezistor je elektronická součástka (část), která poskytuje elektrický odpor určité hodnoty. Je to také (část) často nazývaná odpor. Ukazuje se to trochu jako tautologie – odpor má odpor R. Proto je pro díly lepší používat název odpor. Rezistor s odporem například 1 kiloohm.
Tak tady to je. Co tento okruh dělá? Dva sériové rezistory mají nějaký ekvivalentní odpor, říkejme tomu R12. Proud I prochází obvodem, z plusu generátoru do mínusu přes rezistor R1 a přes rezistor R2. V tomto případě napětí U1=I*R1 poklesne na rezistoru R1 a napětí U2=I*R2 klesne na rezistoru R2. Podle Ohmova zákona. Napětí U=U1+U2, jak je patrné z diagramu. Tedy U=I*R1+I*R2=I*(R1+R2).
To znamená, že ekvivalentní odpor sériově zapojených odporů se rovná součtu jejich odporů.
Výraz pro proud I=U/(R1+R2)
Nyní zjistíme, čemu se rovná napětí U2. U2=I*R2= U*R2/(R1+R2).
Příklad obrázku z internetu. Pokud jsou odpory stejné, pak se vstupní napětí Uвx rozdělí na polovinu.
Druhým důležitým případem je zohlednění výstupního odporu zdroje (generátoru) a vstupního odporu přijímače (obvodu, ke kterému je generátor připojen)
Obrázek 7. Výstupní impedance zdroje a vstupní impedance přijímače.
Ideální generátor napětí má nulový výstupní odpor, to znamená, že s nulovým odporem vnějšího obvodu bude hodnota proudu rovna nekonečnu ∝. Generátor skutečného napětí nemůže poskytnout nekonečný proud. Proto, když je vnější obvod uzavřen, proud v něm bude omezen vnitřním odporem generátoru, na obr. označeno písmenem r.
Mimochodem, správným způsobem testování AA baterií je měření proudu, který mohou dodat. To znamená, že tester nastaví limit na 10A, režim měření proudu a sondy se přiloží na kontakty baterie. Proud v oblasti 1A nebo více znamená, že je baterie čerstvá. Pokud je proud menší než 0.5A, můžete jej vyhodit. Nebo to zkuste na nástěnné hodiny, třeba to bude chvíli fungovat.
Pokud je výstupní odpor zdroje (vnitřní odpor r na obrázku) srovnatelný se vstupním odporem přijímače (R3 na obrázku), pak budou tyto odpory fungovat jako dělič napětí. V tomto případě přijímač nepřijme plné napětí zdroje U, ale U1=U*R3/(r+R3). Pokud je tento obvod určen k měření napětí U, pak bude ležet!
V následujících článcích je plánováno uvažovat o obvodech s kondenzátory a induktory.
Dále pak diody, tranzistory a operační zesilovače.
Průměrná gramotnost populace v oblasti elektroniky a elektrotechniky ponechává mnoho přání. Maximálně, zapájet obvod, ale jak to funguje, je temný les. Bohužel všechny učebnice ruského jazyka jsou plné vzorců a integrálů, ty uspí každého. V anglicky psané literatuře je to o něco lepší. Existují docela zajímavé publikace, ale kamenem úrazu je zde anglický jazyk. Pokusím se představit základní pojmy elektrotechniky co nejpřístupněji, ve volném stylu, nikoli od inženýra k inženýrovi, ale od člověka k člověku. Znalý čtenář si také může najít některé zajímavé body pro sebe.
Elektrický proud
Spíš ne. Vše lze tak či onak popsat pomocí matematického modelu, simulace nebo i rychlého odhadu na kus papíru a někteří unikátní lidé to dělají v hlavě. Co je pro vás výhodnější. Ve skutečnosti se epigraf této kapitoly zrodil z neznalosti toho, co je elektrický proud.
Elektrický proud je charakterizován několika parametry. Napětí U a proud I. Definice z fyziky si samozřejmě všichni pamatujeme, ale málokdo chápe jejich význam. Začnu napětím. Potenciální rozdíl nebo práce na přesunutí náboje, jak píšou suše a nezajímavě v učebnicích. Ve skutečnosti se napětí vždy měří mezi dvěma body. Charakterizuje schopnost vytvářet elektrický proud mezi těmito dvěma body. Říkejme těmto bodům zdroj napětí. Čím vyšší napětí, tím vyšší proud. Menší napětí znamená menší proud. Ale o tom později.
co je aktuální? Představte si analogii: koryto řeky jsou dráty, elektrický proud je rychlost toku vody v řece. Pak je zde napětí rozdílem výšky mezi počátečním bodem řeky a koncovým bodem. Neboli napětí je čerpadlo pohánějící vodu, pokud řeka teče v jedné rovině. Takové analogie v počátečních fázích jsou velmi užitečné pro pochopení toho, co se děje v elektrickém obvodu. Ale nakonec je lepší se jich vzdát. Je lepší si představit proud jako tok elektronů. Výše poplatku přesunuta za jednotku času. Učebnice samozřejmě říkají, že elektrony se pohybují rychlostí několika centimetrů za minutu a záleží pouze na elektromagnetickém poli, ale na to teď zapomeňme. Takže proud lze chápat jako pohyb elektrického proudu, tzn. nabít. Nosiče náboje, elektrony, jsou záporně nabité a pohybují se ze záporného potenciálu do kladného, zatímco elektrický proud má směr z kladného potenciálu do záporného, od plus do mínus, to je obvyklé pro pohodlí a takto použije v budoucnu, zapomene na náboj elektronu.
Samotný proud se samozřejmě neobjeví, je potřeba vytvořit napětí mezi dvěma body a potřebujete nějakou zátěž, aby jím protékal proud, připojený k těmto dvěma bodům. Je velmi užitečné znát vlastnost, že pro tok proudu potřebujete dva vodiče: přímý, k zátěži a zpětný, od zátěže ke zdroji. Pokud například nejsou zkratovány vodiče zdroje napětí, pak nebude proud.
Co je to zdroj napětí? Představme si to v podobě černé skříňky s minimálně dvěma vývody pro připojení. Nejjednodušší příklady z reálného života: elektrická zásuvka, baterie, akumulátor atd.
Ideální zdroj napětí má konstantní napětí, když jím protéká jakýkoli proud. Co se stane, když uzavřete svorky ideálního zdroje napětí? Poteče nekonečně velký proud. Ve skutečnosti zdroje napětí nemohou dodávat nekonečně velký proud, protože mají určitý odpor. Například dráty v zásuvce 220 V ze samotné zásuvky do rozvodny mají odpor, i když malý, ale docela znatelný. Odpor mají i dráty z rozvoden do elektráren. Nesmíme zapomenout ani na impedanci transformátorů a generátorů. Baterie mají vnitřní odpor v důsledku vnitřní chemické reakce, která má omezenou rychlost výskytu.
Co je odpor? Obecně je toto téma poměrně rozsáhlé. Snad to popíšu v některé z příštích kapitol. Ve zkratce jde o parametr spojující proud a napětí. Charakterizuje, jak velký proud poteče, když je na tento odpor přivedeno napětí. Pokud mluvíme analogií „voda“, pak odpor je přehrada v cestě řeky. Čím menší otvor v hrázi, tím větší odpor. Tento vztah popisuje Ohmův zákon: . Jak se říká: “Pokud neznáš Ohmův zákon, zůstaň doma!”
Se znalostí Ohmova zákona, aniž bychom seděli doma, měli jakýkoli zdroj proudu s daným napětím a odporem ve formě zátěže, můžeme velmi přesně předvídat, jaký proud poteče.
Skutečné zdroje napětí mají nějaký druh vnitřního napětí a dodávají určitý konečný proud, nazývaný zkratový proud. Zároveň se také baterie a akumulátory časem vybíjejí a mají nelineární vnitřní odpor. Ale na to teď taky zapomeňme a tady je proč. V reálných obvodech je výhodnější provádět analýzu pomocí okamžitých okamžitých hodnot napětí a proudu, proto budeme zdroje napětí považovat za ideální. Až na to, kdy potřebujete spočítat maximální proud, který je zdroj schopen dodat.
O „vodě“ analogii elektrického proudu. Jak jsem již psal, není to moc pravda, jelikož rychlost řeky před hrází a za hrází bude různá a také množství vody před hrází a za hrází bude jiné. V reálných obvodech se elektrický proud tekoucí do rezistoru a tekoucí z něj bude navzájem rovnat. Proud v dopředném vodiči k zátěži a ve zpětném vodiči ze zátěže ke zdroji je také stejný. Proud nepřichází odnikud a nikam nejde; množství, které „teče“ do uzlu okruhu, je stejné množství, které „teče ven“, i když existuje několik cest. Pokud například existují dvě cesty pro tok proudu ze zdroje, pak bude proudit podél těchto cest a celkový proud zdroje se bude rovnat součtu těchto dvou proudů. A tak dále. Toto je ilustrace Kirchhoffova zákona. Je to velmi jednoduché.
Existují také dvě důležitější pravidla. Při paralelním zapojení prvků je napětí v každém prvku stejné. Například napětí na rezistoru R2 a R3, na obrázku výše, je stejné, ale proudy mohou být různé, pokud mají rezistory různé odpory, podle Ohmova zákona. Proud protékající baterií je roven proudu přes rezistor R1 a roven součtu proudů přes rezistory R2 a R3. Při sériovém zapojení se napětí prvků sčítají. Například napětí, které baterie produkuje, tzn. jeho EMF se rovná napětí na rezistoru R1 + napětí na rezistoru R2 nebo R3.
Jak jsem již psal, napětí se vždy měří mezi dvěma body. Někdy v literatuře najdete: “Napětí v tom a tom bodě.” To znamená napětí mezi tímto bodem a bodem nulového potenciálu. Bod s nulovým potenciálem můžete vytvořit například uzemněním obvodu. Obvykle je obvod uzemněn na nejzápornějším potenciálu v blízkosti zdroje energie, například jako na obrázku výše. Je pravda, že k tomu nedochází vždy a použití nuly je zcela podmíněné, například pokud potřebujeme bipolární výkon +15 a -15 voltů, musíme „uzemnit“ nikoli -15 V, ale potenciál uprostřed. Pokud uzemníme -15V, pak dostaneme 0, +15, +30V. Viz obrázky níže.
Uzemnění se také používá jako ochranné nebo pracovní uzemnění. Ochranné uzemnění se nazývá uzemnění. Pokud dojde k porušení izolace obvodu v nějaké jiné oblasti než je zem, pak nulovým vodičem proteče velký proud a spustí se ochrana, která vypne část obvodu. Ochranu musíme zajistit předem umístěním jističe nebo jiného zařízení do cesty toku proudu.
Někdy je nemožné nebo nemožné „uzemnit“ obvod. Místo země se používá výraz společný bod nebo nula. Napětí v takových obvodech jsou indikována vzhledem ke společnému bodu. Navíc je celý obvod vzhledem k zemi, tzn. nulový potenciál může být umístěn kdekoli. Viz obrázek.
Typicky se Xv blíží 0 voltům. Takové neuzemněné obvody jsou na jednu stranu bezpečnější, protože pokud se člověk dotkne obvodu a země zároveň, nepoteče žádný proud, protože neexistuje žádná zpětná cesta pro tok proudu. Tito. okruh se prostřednictvím osoby „uzemní“. Ale na druhou stranu jsou taková schémata ošidná. Pokud se izolace obvodu od země v kterémkoli místě náhle přeruší, nebudeme to vědět. Což může být nebezpečné při vysokém napětí Xv.
Obecně je půda poměrně široký a vágní pojem. Existuje mnoho termínů a názvů pro uzemnění v závislosti na tom, kde se má obvod „uzemnit“. Zem může být chápána jako ochranná zem a pracovní zem (na základě toku proudu přes ni během normálního provozu), jak signálová, tak výkonová zem (podle typu proudu), analogová zem i digitální zem (na základě typ signálu). Zemi lze chápat jako společný bod, nebo naopak společný bod lze chápat jako zemi nebo jí být. Také všechny země mohou být přítomny ve schématu současně. Musíte se tedy podívat na kontext. V zahraniční literatuře je dokonce takový vtipný obrázek, viz níže. Ale obvykle je uzemněním obvod 0 voltů a to je bod, od kterého se měří potenciál obvodu.
Až dosud, když jsem zmínil zdroj napětí, jsem se nedotkl samotného typu tohoto napětí. Existuje napětí, které se v čase mění, a napětí, které se nemění. Tito. variabilní a konstantní. Například napětí, které se mění podle sinusového zákona, je každému dobře známo, jedná se o síťové napětí 220 V v domácích zásuvkách. Je velmi snadné pracovat s konstantním napětím; to jsme již udělali výše, když jsme se podívali na Kirchhoffův zákon. Co ale dělat se střídavým napětím a jak ho zvážit?
Obrázek ukazuje několik period střídavého napětí 220V 50Hz (modrá čára). Červená čára je pro srovnání konstantní napětí 220V.
Nejprve si definujme, co je napětí 220V, mimochodem podle nového standardu má být považováno za 230V. Toto je efektivní hodnota napětí. Hodnota amplitudy bude 2krát vyšší a bude přibližně 308V. Efektivní hodnota je hodnota napětí, při které se za dobu střídavého proudu uvolní ve vodiči stejné množství tepla jako při stejnosměrném proudu stejného napětí. Z matematického hlediska je to střední kvadratická hodnota napětí. V anglické literatuře se používá termín RMS a přístroje, které měří skutečnou efektivní hodnotu, jsou označeny „true RMS“.
Na první pohled se to může zdát nepohodlné, nějaký druh efektivní hodnoty, ale je to vhodné pro výpočty výkonu bez nutnosti převodu napětí.
Je také vhodné uvažovat o střídavém napětí jako o konstantním napětí odebraném v libovolném okamžiku. Poté několikrát analyzujte obvod a změňte znaménko konstantního napětí na opačné. Nejprve zvažte provoz obvodu s konstantním kladným napětím a poté změňte znaménko z kladného na záporné.
Střídavé napětí také vyžaduje dva vodiče. Říká se jim fáze a nula. Někdy je nula uzemněna. Takový systém se nazývá jednofázový. Fázové napětí se měří relativně k nule a mění se v čase, jak je znázorněno na obrázku výše. Při kladném půlvlnném napětí proud teče z fáze do aktivní zátěže a vrací se ze zátěže zpět neutrálním vodičem. Při záporné půlvlně proud protéká nulovým vodičem a vrací se fázovým vodičem.
Třífázové sítě jsou široce používány v průmyslu. Toto je zvláštní případ vícefázových systémů. V podstatě je vše stejné jako u jednofázové soustavy, jen vynásobeno 3, tzn. použití tří fází a tří uzemnění současně. Nejprve vynalezl N. Tesla, následně vylepšil M. O. Dolivo-Dobrovolsky. Zlepšení spočívalo v tom, že pro přenos třífázového elektrického proudu bylo možné vyhodit dráty navíc, stačily čtyři: tři fáze ABC a nulový drát, nebo tři fáze dohromady, nula. Nulový vodič je velmi často uzemněn. Na obrázku níže je běžná nula.
Proč 3 fáze a nic více, nic méně? Na jedné straně je zaručeno, že 3 fáze vytvářejí točivé magnetické pole, které je tak nutné pro otáčení elektromotorů nebo přijímané z generátorů elektrárny, na druhou stranu je to ekonomicky výhodné z materiálového hlediska. Méně není možné, ale více není nutné.
Aby bylo zajištěno vytvoření točivého pole v třífázové síti, musí být fáze napětí vzájemně posunuty. Pokud vezmeme celou dobu napětí na 360 stupňů, pak 360/3 = 120 stupňů. Tito. napětí každé fáze je vůči sobě posunuto o 120 stupňů. Viz obrázek níže.
Zde je graf napětí 3-fázové sítě 380V v čase. Jak je vidět z obrázku, vše je stejné jako u jednofázové sítě, jen je tam více napětí. 380V je tzv. lineární síťové napětí Ul, tzn. napětí měřené mezi dvěma fázemi. Na obrázku je příklad zjištění okamžité hodnoty Ul. Také se liší podle sinusového zákona. Kromě lineárního napětí se také rozlišuje fáze Uph. Měří se mezi fází a nulou. Fázové napětí v této třífázové síti je 220V. Fázovým a síťovým napětím máme samozřejmě na mysli efektivní napětí. Lineární k fázovému napětí souvisí jako odmocnina ze tří.
Zátěž lze připojit k třífázové síti jakýmkoliv způsobem – na fázové napětí: mezi libovolnou fází a nulou, nebo na síťové napětí: mezi dvě fáze. Pokud je zátěž připojena k fázovému napětí, pak se toto schéma zapojení nazývá hvězda. Je to znázorněno výše. Pokud k síťovému napětí, pak je zapojení trojúhelníkové. Pokud je stejná zátěž připojena k síťovému napětí mezi všemi třemi fázemi, pak jsou takové sítě symetrické. Neutrálním vodičem v symetrických sítích neprotéká žádný proud. Viz Obr. níže. Průmyslové sítě jsou také považovány za podmíněně symetrické. V takových sítích je zpravidla přítomna nula, ale pouze pro ochranné účely. Někdy může chybět úplně. Vtipný obrázek z wiki názorně ilustruje, jak v takových sítích teče proud.
Tímto náš stručný přehled elektrických sítí a elektřiny končí. Možná v budoucnu podrobně vysvětlím, jak funguje dioda a tranzistor, co je zenerova dioda, tyristor a další prvky. Napište, o čem máte zájem číst.
