elektrotechnika.pdf

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA W POJAZDACH

Prąd stały (ang. direct current , DC) – w odróżnieniu od prądu zmiennego i przemiennego

(ang. alternating current , AC) – prąd stały charakteryzuje się stałą wartością natężenia oraz

kierunkiem przepływu.

Zaletą prądu stałego jest to, że w przypadku zasilania takim prądem wartość chwilowa

dostarczanej mocy jest stała, co ma duże znaczenie dla wszelkich układów wzmacniania i

przetwarzania sygnałów. Większość półprzewodnikowych układów elektronicznych zasilana

jest prądem stałym (a przynajmniej napięciem stałym). Główną zaletą takiego rozwiązania

jest to, że urządzenia zawierające układy elektroniczne mogą być zasilane bezpośrednio z

przenośnych źródeł energii (baterii lub akumulatorów).

Dla urządzeń, które używane są w pobliżu sieciowej energii elektrycznej stosuje się zasilanie

prądem stałym wytwarzanym przez zasilacze sieciowe. W zasilaczu sieciowe napięcie

przemienne jest najpierw transformowane na odpowiedni poziom napięcia, prostowane za

pomocą mostka Graetza oraz filtrowane, tak aby jego ostateczny przebieg był jak najbardziej

zbliżony do wartości stałej.

Moc dowolnego odbiornika w układzie prądu stałego jest obliczana jako:

gdzie: P – moc, U – stałe napięcie elektryczne, I – stały prąd elektryczny.

Z powyższego równania wynika zatem, że tę samą moc (a więc i energię) można przesłać

przy różnych wartościach napięcia i prądu. Przepływający prąd stały powoduje powstawanie

strat cieplnych w przewodniku, których wartość jest wprost proporcjonalna do kwadratu

wartości natężenia prądu. Dlatego też przy układach o wyższej mocy dąży się do zasilania

jak najwyższym napięciem, co prowadzi do obniżenia wartości natężenia prądu (dla tej samej

wymaganej mocy). Niestety, transformacja prądu stałego nie jest możliwa. Obniżenie

wartości wymaganego napięcia można wykonać stosunkowo łatwo (np. za pomocą dzielnika

napięcia, lub diody Zenera), niemniej jednak są to metody stratne. Podwyższenie wartości

napięcia praktycznie może być zrealizowane tylko za pomocą uprzedniej zmiany prądu

stałego w przemienny, transformacje prądu przemiennego a następnie przetworzenie

ponownie na prąd stały. Obecnie elektroniczne układy transformujące prąd stały (zarówno na

wartości wyższe jak i niższe) osiągają duże sprawności, powyżej 90 %.

Jednym z najpopularniejszych źródeł prądu (napięcia) stałego jest bateria, której napięcie

wyjściowe ma wartość rzędu 1.5 V. W miniaturowych urządzeniach użycie więcej niż 2

(rzadko więcej niż 4) baterii nie jest możliwe z uwagi na ograniczenia gabarytowe. Dostępne

napięcie jest więc rzędu 3 V, co czasami jest wartością niewystarczającą.

Prąd zmienny – prąd elektryczny, którego wartość natężenia jest funkcją czasu. Prąd

zmienny jest pojęciem, którym można opisać każdy rodzaj prądu – nawet prąd stały jest

bowiem funkcją czasu.

Niemniej jednak przyjmuje się, że wartości chwilowe prądu zmiennego ulegają zmianom. W

zależności od charakteru tych zmian można wyróżnić następujące rodzaje prądu:

prąd okresowo zmienny

o prąd tętniący

o prąd przemienny

prąd nieokresowy

Wszystkie powyższe pozycje poza ostatnią są przypadkami szczególnymi prądu zmiennego i

mają one swoje specjalne znaczenie w elektrotechnice i elektronice. Prąd zmienny

nieokresowy może reprezentować prąd o dowolnej zmienności w czasie (czarna krzywa na

rysunku), lub też prąd zmieniający się zgodnie z określoną funkcją matematyczną lub

zjawiskiem matematycznym. Na przykład uderzenie pioruna w linię energetyczną powoduje

powstanie fali udarowej o określonym kształcie, która przebiega jednorazowo, nie ma więc

zjawiska okresowości.

Rezystancja (opór) jest miarą oporu czynnego, z jakim element przeciwstawia się

przepływowi prądu elektrycznego.

Zwyczajowo rezystancję oznacza się symbolem R .

Jednostką rezystancji w układzie SI jest om (1 Ω).

Odwrotność rezystancji to konduktancja, której jednostką jest simens.

Dla większości materiałów ich rezystancja nie zależy od natężenia prądu, wówczas natężenie

prądu jest proporcjonalne do przyłożonego napięcia. Zależność ta znana jest jako prawo

Ohma:

Rezystancja przewodnika o jednakowym przekroju poprzecznym do kierunku przepływu

prądu jest proporcjonalna do długości przewodnika, odwrotnie proporcjonalna do przekroju i

zależy od materiału, co wyraża wzór:

gdzie

L - długość elementu,

S - pole przekroju poprzecznego elementu,

ρ - rezystywność materiału.

Rezystywność zwana oporem właściwym jest miarą oporu, z jaką dany materiał

przeciwstawia się przepływowi prądu elektrycznego.

Niektóre z materiałów przejawiają specyficzne właściwości ze względu na rezystancję -

zobacz: rezystancja ujemna, nadprzewodnictwo.

W obwodach prądu przemiennego natężenie prądu zależy nie tylko do rezystancji lecz także

od reaktancji elementu. Uogólnieniem i rozwinięciem pojęcia rezystancji w obwodach prądu

przemiennego na elementy, pojemnościowe (kondensator) i indukcyjne (cewka) jest

impedancja. Rezystancja jest wówczas częścią rzeczywistą impedancji zespolonej.

Pojemnością elektryczną odosobnionego przewodnika nazywamy wielkość fizyczna C

równą stosunkowi ładunku q zgromadzonego na przewodniku do potencjału tego

przewodnika.

Odosobniony przewodnik to ciało znajdujące się w tak dużej odległości od innych ciał, że

wpływ ich pola elektrycznego jest pomijalny. Jednostką pojemności elektrycznej jest farad.

Pojemność wzajemna dwóch naładowanych przewodników, zawierających ładunki q i -q

wynosi:

gdzie: i to potencjały tych przewodników.

Pojemność wzajemna jest podstawowym parametrem układów elektrycznych gromadzących

ładunek w wyniku różnicy potencjałów w tym i kondensatorów. Określenie wzajemna jest

zazwyczaj pomijane.

Impedancja , moduł impedancji , opór całkowity , zawada (oznaczona Z ) - wielkość

opisująca elementy w obwodach prądu przemiennego.

Impedancja jest rozszerzeniem pojęcia rezystancja z obwodów elektrycznych prądu stałego,

umożliwia rozszerzenie prawa Ohma na obwody prądu przemiennego.

Impedancja Z elementu obwodu prądu przemiennego jest definiowana jako

gdzie:

U r - napięcie elektryczne,

I r - natężenie prądu przemiennego.

Jest wypadkową oporu czynnego (rezystancji) R i biernego (reaktancji) X .

Akumulator kwasowo-ołowiowy – rodzaj akumulatora elektrycznego, opartego na

ogniwach galwanicznych zbudowanych z elektrody ołowiowej, elektrody z tlenku ołowiu (IV)

(PbO 2 ) oraz ok. 37% roztworu wodnego kwasu siarkowego, spełniającego rolę elektrolitu.

Akumulator ołowiowy został wynaleziony przez francuskiego fizyka Gastona Planté w 1859 r.

Mimo wielu jego wad jest to wciąż najbardziej popularny rodzaj akumulatorów elektrycznych.

Występuje w niemal wszystkich samochodach, a także wielu innych pojazdach. Oprócz tego

stanowi często jeden z elementów awaryjnego zasilania budynków, zakładów

przemysłowych, szpitali, centrali telefonicznych i polowych systemów oświetleniowych.

Typowy akumulator samochodowy jest zbudowany z 6 ogniw ołowiowo-kwasowych

połączonych szeregowo. Każde ogniwo generuje siłę elektromotoryczną równą 2,1 V . Cały

akumulator generuje zatem napięcie znamionowe równe 12,6 V.

Pojedyncze ogniwo składa się z:

anody wykonanej z metalicznego ołowiu - (-) - w trakcie poboru prądu i (+) w trakcie

ładowania

katody wykonanej z PbO 2 - (+) - w trakcie poboru prądu i (-) w trakcie ładowania

elektrolitu - którym jest wodny, ok. 37% roztwór kwasu siarkowego z rozmaitymi

dodatkami

W ogniwie tym, w trakcie poboru prądu zachodzą następujące reakcje chemiczne na

elektrodach:

anoda - utlenianie

katoda - redukcja

W trakcie ładowania zachodzą dokładnie takie same reakcje, tyle że w drugą stronę.

Jak widać na obu elektrodach w trakcie poboru prądu wydziela się siarczan ołowiu (IV)

(PbSO 4 ). Stan całkowitego rozładowania akumulatora polega na całkowitym przekształceniu

obu elektrod w stały siarczan ołowiu i jest nieodwracalny. W praktyce zapobiega się tzw.

zasiarczeniu elektrod stosując specjalną ich konstrukcję, która utrudnia osadzanie się na ich

powierzchni nieprzenikalnej warstwy kryształów siarczanu ołowiu. Akumulatory

samochodowe nie są jednak generalnie zaprojektowane do częstego całkowitego

rozładowania, lecz raczej do funkcjonowania w stanie całkowitego naładowania. Każde

rozładowanie akumulatora samochodowego skutkuje trwałym obniżeniem jego sprawności.

Z drugiej strony - przeładowanie akumulatora skutkuje wydzieleniem dużych ilości wodoru

(tzw. zagotowaniem). Wodór w połączeniu z powietrzem tworzy mieszankę wybuchową, która

może eksplodować pod wpływem iskry elektrycznej. Stąd ładowanie akumulatorów należy

przeprowadzać w dobrze wentylowanych wnętrzach lub na otwartym terenie.

Akumulatory tzw. "bezoobsługowe" i "żelowe"

Wadą akumulatorów ołowiowych jest ryzyko wycieku z nich kwasu siarkowego oraz

parowanie wody powodujące zbyt duże jego stężenie w elektrolicie. Oba kłopoty rozwiązuje

się stosując albo bardzo szczelne, nierozbieralne obudowy i/lub stosując elektrolity żelowe.

Elektrolity żelowe są nadal wodnymi roztworami kwasu siarkowego, jednak dodaje się do

nich środka żelującego (np: żywice silikonowe), który jednocześnie zapobiega parowaniu

wody i wyciekom. Oba typy akumulatorów - uszczelnione i żelowe nazywa się

"bezobsługowymi" - gdyż w zasadzie nie wymagają one kontrolowania składu i ilości

elektrolitu.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: