Stredná priemyselná škola elektrotechnická Hálova 16 Bratislava
ELEKTROTECHNIKA
3.ročník, odbor TIS
Vypracoval: Bc. Erik Náter
OBSAH
I. INFORMAČNÝ PROCES
1.1 Informačný proces a jeho fázy
1.2 Informačný systém
1.3 Prenos informácií
1.4 Hardware a software
II. SPOJITÁ A ČÍSLICOVÁ TECHNIKA
2.1 Základné a odvodené jednotky informácií
2.2 Číselné sústavy
2.3 Logické funkcie
2.4 Zobrazovanie logických funkcií
2.5 Algebraické výrazy, mapy logických funkcií
2.6 Karnaughová mapa
2.7 Minimalizácia logických funkcií
2.8 Logické obvody
2.9 Kombinačné logické obvody
2.10 Analýza a syntéza KLO
2.11 Návrh KLO
2.12 Kóder, dekóder
2.13 Multiplexor, demultiplexor
2.14 Komparátory
2.15 Sekvenčné logické obvody
2.16 Základné preklápacie obvody RS, JK, D
2.17 Čítače
2.18 Registre
III. VLASTNOSTI INTEGROVANÝCH OBVODOV
3.1 Základné pojmy IO
3.2 Technika TTL
3.3 Obvod NE 555
3.4 Základné zapojenia z NE 555
IV. ÚVOD DO AUTOMATICKÉHO RIADENIA
4.1 Pojmový aparát
4.2 Mechanizácia a automatizácia
4.3 Vlastnosti systémov a podsystémov riadenia
4.4 Automatické riadenie
4.5 Obvody automatického ovládania
4.6 Programové riadenie
4.7 Stavebnicový systém automatických ovládacích zariadení
4.8 Vstupné členy – ovládače, prevodníky, zosilňovače
4.9 Snímače, snímače tlaku a teploty
4.10 Meranie výšky hladiny a polohy
V. REGULAČNÁ TECHNIKA
5.1 Základné pojmy regulačnej techniky
5.2 Regulované sústavy (statické reg. sústavy)
5.3 Astatické regulované sústavy
2
5.4 Nespojité regulátory (rozdelenie regulátorov)
5.5 Regulačné obvody s nespojitými regulátormi
5.6 Opatrenia na skvalitnenie reg. pochodov pri obvodoch riadených nespojitými reg.
5.7 Spojité regulátory
5.8 Regulačné obvody so spojitými regulátormi
5.9 Akčné členy
VI. SIEŤOVÉ NAPÁJANIE
6.1 Rozdiel medzi fázovým, neutrálnym a zemniacím vodičom
6.2 Poistka
6.3 Skrat
6.4 Nebezpečenstvá
6.5 Ľudské telo
6.6 Poskytovanie prvej pomoci pri zásahu el. prúdom
6.7 Istič
6.8 Stýkač
6.9 Prúdový chránič
3
I. INFORMAČNÝ PROCES
1.1 Informačný proces a jeho fázy
Informačným procesom (IP) rozumieme premyslený a efektívny systém zberu, prenosu,
spracovania a uchovania údajov (dát) a informácii.
Fázy IP:
1. zber údajov
2. voľba kritérií a pravidiel pre spracovanie údajov
3. triedenie údajov
4. vlastné spracovanie údajov – vyhodnotenie, využitie informácie pre rozhodnutie
5. prenos údajov (v informačnom procese sa vyskytuje viackrát)
6. uchovanie (archivácia) údajov pre neskoršie využitie
príklad: Rozhodnutie o výbere najvhodnejšieho modelu auta pre podnik
1. zhromažďovanie maxima údajov o dostupných typoch a modeloch áut v požadovanej
kategórii
2. stanovenie kritérií pre výber najvhodnejšieho modelu: ktoré vlastnosti berieme do
úvahy, stanovenie ich dôležitosti a vytvorenie systému bodovania jednotlivých
vlastnosti ( cena, výkon motora, nosnosť, spotreba, spoľahlivosť, životnosť, výbava).
Spracujeme do podoby, napr. počítačového programu
3. utriedenie zhromaždených informácií – vylúčenie nepotrebných informácií, doplnenie
chýbajúcich informácii, utriedenie do kategórii stanovených v bode 2., príprava dát
pre hromadné spracovanie
4. spracovanie – rozhodovací proces, rozhoduje sa o poradí výhodnosti jednotlivých
modelov, utriedené dáta sa pomocou kritérii podľa bodu 2 spracujú (toto vykoná
program ), výsledkom je utriedený zoznam, kde na prvom mieste bude najvýhodnejší
model auta a ďalšie miesta budú utriedené až po model, ktorý sa podľa našich kritérii
ukázal najnevýhodnejší
5. prenos dát – utriedený zoznam zašleme zodpovednému pracovníkovi, ktorý na jeho
základe rozhodne o nákupe vozidla
6. archivácia – zoznam odložíme na neskoršie použitie ( napr. ak sa najvýhodnejší model
ukáže ako momentálne na trhu nedostupný, vyberieme ďalší v poradí, alebo pre prípad
kontroly – na základe čoho sme sa rozhodli o nákupe práve tohto modelu, príp.
zoznam poskytneme inej firme ako podklad pre ich rozhodovanie)
Jadrom IP je rozhodovací proces, ktorý je vo výpočtovej technike určovaný spravidla
programom.
1.2 Informačný systém
Informačný systém (IS) je systém na zber, udržiavanie, spracovanie a poskytovanie
informácii. Príkladom IS môže byť kartotéka, telefónny zoznam. Systém nemusí byť nutne
automatizovaný pomocou počítačov a môže byť aj v papierovej forme.
Ciele: strategické (plánovanie investícii), taktické (vedenie, kontrola rozpočtu), operatívne
(každodenná rutina)
Úlohy: manažérske, taktické, vedenie, expertné, kancelárske, operatívne
4
1.3 Prenos informácií
Prenos informácie zabezpečuje signál. Signál je fyzikálna veličina. Zmene hodnoty
signálu je priradená informácia. Priradenie informácie ku zmene hodnoty signálu je
kódovanie. Spôsob priradenia informácie k určitej zmene hodnoty signálu sa nazýva kód.
Poznáme – analógový signál
- číslicový signál
- binárny signál
Analógový signál – plynulé zmeny prenášanej informácie, napr. teploty, tlaku vyžaduje
priradenie informácie každej hodnote signálu, takto kódovaný signál sa nazýva analógový.
Číslicový signál – priradenie informácie iba určitým hodnotám signálu je kódovanie, pri
ktorom sa signál mení skokovo po určitých hodnotách.
Binárny signál – je osobitným číslicovým signálom (dvojkový), ktorý používa na
kódovanie iba dve hodnoty signálu, ktoré označujeme ako 1 alebo 0.
obr. časový priebeh hodnôt signálu pri rôznom kódovaní
1.4 Hardware (HW)
Je technické vybavenie počítača, základnými prvkami PC sú:
- základná jednotka (procesor, vnútorná pamäť),
- pevný disk
- disketové jednotky
- vstupné zariadenia (klávesnica, myš)
- výstupné zariadenia (monitor, tlačiareň)
- prídavné zariadenia (karty, modem, skener, tablet)
základná jednotka – je hlavnou časťou PC, ovplyvňuje jeho výkon, procesor - vykonáva
príkazy zapísané v programoch alebo zadávané používateľom, skladá sa z riadiacej jednotky
a ALJ. Vnútorná pamäť – operačná pamäť RAM, ROM, CACHE (zvyšuje rýchlosť
spracovávania, ukladajú sa v nej najčastejšie používané programy),
pevný disk - hardisk (magnetické médium s kapacitou až niekoľko stoviek GB, sú na ňom
uložené všetky dôležité programy a dáta),
disketové jednotky – vonkajšie pamäťové média (DVD, CD ROM)
1.5 Software (SW)
Je programové vybavenie počítača, sem patrí:
- operačné systémy (programy, ktoré riadia prácu PC, dozerajú na vykonávanie
aplikačných programov, riadia prácu prídavných zariadení, bez OS nie je
možná práca PC. MS DOS, MS Windows)
5
-
programovacie jazyky (slúžia na tvorbu nových programov, sú nástrojom pre
formulovanie úloh, ktoré má vykonať PC. VISUAL BASIC, TURBO PASCAL,
C++, JAVA)
diagnostické a testovacie programy (umožňujú používateľovi programovo
otestovať jednotlivé komponenty PC. NORTON UTILITIES, PC TOOLS)
antivírusové programy (vyhľadávajú a odstraňujú počítačové vírusy.
TOOLKIT, NOD, AVG)
hry, výukové a multimediálne programy (sú charakteristické spojením textu,
zvuku, obrázku a grafiky)
špeciálne programy (účtovné programy, zdravotnícke programy, skladová
evidencia)
programy na využitie služieb internetu (MS INTERNET EXPLORER, MS
OUTLOOK)
aplikačné programy ( textové editory MS WORD, tabuľkové procesory MS
EXCEL, databázové programy MS ACCESS, grafické programy COREL
DRAW, ADOBE PHOTOSHOP, ďalej DTP programy na profesionálne
spracovávanie textov a grafiky pri tvorbe kníh a časopisov ADOBE IN
DESIGN, ďalej CAD programy na automatizáciu inžinierskych prác
AUTOCAD, integrovaný software tzv. balíky programov MS OFFICE,
komprimačné a archivačné programy – šetria diskový priestor ZIP, ARJ, RAR
II. SPOJITÁ A ČÍSLICOVÁ TECHNIKA
2.1 Základné a odvodené jednotky informácii
Základnou jednotkou informácie je jeden bit ( z angl. binary digit – dvojková číslica),
ktorý môže obsahovať hodnotu 0 alebo 1. Nadradenou jednotkou informácie je jeden byte
(bajt), je to vlastne skupina ôsmich bitov. Zvyčajne je to najmenšia jednotka pamäte počítača
používaná na zakódovanie jedného písmena, číslice alebo iného znaku.
8 bitov
= 1 byte 256 stavov
8x210 bitov = 210 byte
1 kilobyte
8x220 bitov = 220 byte 210 kilobyte = 1 megabyte
8x230 bitov = 230 byte 220 kilobyte = 210 megabyte = 1 gigabyte
8x240 bitov = 240 byte 230 kilobyte = 220 megabyte = 210 gigabyte = 1 terabyte
2.2 Číselné sústavy
Prvé počiatky chápania čísel sa vyjadrovalo zoskupením odpovedajúceho počtu pomocou
predmetov, napr. kamienkov, uzlov, neskôr rôznymi značkami, zárezmi a čiarami. Omnoho
neskôr si potom človek vytvoril slovné označenie pre číslovky.
Číselné sústavy – je to množina určitých znakov s pravidlami, ktoré slúžia k zobrazeniu
čísel. Pre numerické výpočty vyhovuje desiatková sústava (dekadická). V číslicových
počítačoch však nie je vhodné pracovať s desiatky rôznymi číslicami, preto sa používa
binárna sústava (dvojková). Vyžaduje rozlíšenie len dvoch úrovní (O a 1). Tieto dve sústavy
patria medzi tzv. pozičné sústavy a polyadické sústavy.
6
Číselné sústavy – polyadické
základ
2
3
4
5
6
7
8
9
10
16
Názov
dvojková (binárna)
trojková (triadická)
štvorková
Päťková
Šesťková
Sedmičková
osmičková (oktálová)
Deviatková
desiatková (dekadická)
šesťnástková (hexadecimálna)
číslice
0, 1
0, 1, 2
0, 1, 2, 3
0, 1, 2, 3, 4
0, 1, 2, 3, 4, 5
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6
0, 1, 2, . . . ., 5, 6, 7
0, 1, 2, . . . , 6, 7, 8
0, 1, 2, . . . . 7, 8, 9
0, 1, 2, . . . .8, 9, A, B, C, D, E, F
Desiatková číselná sústava – základ je z = 10, symboly sú 0, 1, 2, . . 8, 9, číslo v desiatkovej
sústave je podľa uvedeného zadického rozvoja znázornené nasledujúcim spôsobom:
(385)10 = 3.102 + 8.101 + 5.100 . . . . skrátený zápis je 385
Dvojková číselná sústava – je založená na mocninách dvoch, pracuje len s dvoma symbolmi
0, 1. dvojková sústava má základ z = 2.
(385)10 = 1.28 + 1.27 + 0.26 + 0.25 + 0.24 + 0.23 + 0.22 + 0.21 + 1.20 = (110000001)2
Osmičková číselná sústava pracuje s ôsmimi symbolmi 0,1,. . . ,6, 7 a základ je z = 8
(385)10 = 6.82 + 0.81 + 1.80 = (601)8
Šestnástková číselná sústava pracuje so základom 16 a so šestnástimi symbolmi 1,2,3, . .
8,9,A,B,C,D,E,F kde písmená sú vlastne vyjadrené šestnáskové číslice 10,11,12,13,14,15
(385)10 = 1.162 + 8.161 + 1.160 = (181)16
Prevody medzi polyadickými číselnými sústavami
Prevod z desiatkovej do dvojkovej – desiatkové číslo delíme dvoma a zapisujeme
zvyšky, ktoré tvoria hľadané dvojkové číslo.
Prevedieme desiatkové číslo 48 do dvojkovej sústavy:
zvyšok zapísaný odzadu je hľadané dvojkové číslo:
(48)10 = (110000)2
Prevod z desiatkovej do osmičkovej - postup je ten istý, len základ bude číslo 8
Prevedieme desiatkové číslo 345 do osmičkovej sústavy:
345 : 8 = 43 zvyšok 1
43 : 8 = 5 zvyšok 3
5 : 8 = 0 zvyšok 5
tzn. (345)10 = (531)8
Prevod z desiatkovej do šestnástkovej – spôsob je rovnaký, len čísla od 10 do 15
nahradzujeme symbolmi A až F.
7
Prevedieme desiatkové číslo 94 do šestnástkovej sústavy:
94 : 16 = 5 zvyšok 14 t.j. E
5 : 16 = 0 zvyšok 5
tzn. (94)10 = (5E)16
Teraz si ukážeme prevádzanie opačne do desiatkovej sústavy.
Prevod z dvojkovej do desiatkovej – dvojkové číslo rozpíšeme na reťazec mocnín dvoch
a ten vyčíslime desiatkovo.
Prevedieme dvojkové číslo 110000 do desiatkovej sústavy:
1.25 + 1.24 + 0.23 + 0.22 + 0.21 + 0.20 = 1.32 + 1.16 = (48)10
Prevod z osmičkovej do desiatkovej – tento prevod je rovnaký ako v predchádzajúcom
prípade.
Prevedieme osmičkové číslo 531 do desiatkovej sústavy:
(531)8 = 5.82 + 3.81 + 1.80 = 5.64 + 3.8 + 1.1 = (345)10
Prevod zo šestnástkovej do desiatkovej – počítame mocninami 16 a musíme správne
previesť aj symboly A až F na čísla.
Prevedieme šestnástkové číslo E9A do desiatkovej sústavy:
(E9A)16 = 14.162 + 9.161 + 10.160 = (3738)10
Nepolyadické číselné sústavy
Medzi túto sústavu patrí rímska číselná sústava a číselné sústavy zvyškových tried.
Najprv si ukážeme rímsku číselnú sústavu.
Rímska číselná sústava je založená na používaní zvláštnych znakov: I – 1, X – 10, C – 100,
M – 1000, V – 5, L – 50, D – 500 napríklad 262 = CCLXII
2.3 Logické funkcie
Logickou funkciou n logických premenných definujeme ako jednoznačné priradenie
logických hodnôt 0 alebo 1 stavom nezávisle premenných, ktoré označujeme najčastejšie
písmenami zo začiatku abecedy a,b,c, . . .alebo a1, a2, a3. . . vzťah nezávisle premenných
a logických funkcií (t.j. závisle premenných) je možné vyjadriť buď algebraickým výrazom
alebo vo forme pravdivostnej (funkčnej) tabuľky, poprípade rôznymi grafickými spôsobmi
(napr. mapy funkcií).
Pre n premenných môžeme vytvoriť celkom 2n kombinácií hodnôt týchto premenných
alebo k = 2n stavov.
Počet možných logických funkcií pre n nezávisle premenných, a teda pre k stavov, je
L = 2k = 22n
n = 1 » L = 22 1 = 22 = 4
n = 2 » L = 22 2 = 24 = 16
n = 3 » L = 22 3 = 28 = 256
Logické funkcie dvoch nezávisle premenných
8
-
nulová funkcia f0 = 0
jednotková funkcia f1 = 1
opakovanie (identita) f2 = a (opakovanie a)
f3 = b (opakovanie b)
- negácia (inverzia) f4 = ā a f5 = b (negované), je základná logická funkcia
grafická závislosť výstupu Z na hodnote vstupu A
- logický súčin (konjunkcia) f6 = a.b , (číta sa a, and, &), logický súčin nadobúda hodnotu 1
len vtedy, ak majú všetky nezávislé premenné hodnotu 1, logický člen, ktorý realizuje funkciu
logického súčinu sa nazýva AND alebo a.
grafická závislosť výstupu Z na hodnote vstupu
- logický súčet (disjunkcia) f7 = a+b (číta sa alebo, or), je funkcia nadobúda hodnotu 1 vtedy,
ak nadobúda hodnotu 1 aspoň jedna z nezávisle premenných, logický člen, ktorý realizuje
funkciu logického súčtu sa nazýva OR alebo alebo.
grafická závislosť výstupu Z na hodnote vstupu
- Pierceova funkcia (negovaný logický súčet, NOR) f8 = a+b , slovné vyjadrenie „ani“
nadobúda hodnotu 1 len vtedy, ak majú všetky nezávislé premenné hodnotu 0, funkcia
vznikne negáciou logického súčtu.
9
grafická závislosť výstupu Z na hodnote vstupu
- Shefferova funkcia (negovaný logický súčin, NAND) f9 = a.b , nadobúda hodnotu 0 vtedy,
ak majú všetky nezávislé premenné hodnotu 1, v ostatných prípadoch nadobúda hodnotu 1,
funkcia vznikne negáciou logického súčinu.
grafická závislosť výstupu Z na hodnote vstupu
- Totožnosť (ekvivalencia, rovnosť), f10 = a ≡ b ,slovné vyjadrenie „vtedy, keď“, nadobúda
logickú hodnotu 1 len vtedy, keď majú nezávislé premenné rovnakú hodnotu.
- Nerovnosť (neekvivalencia, rôznoznačnosť, EXOR, XOR), f11 = a ≠ b , slovné vyjadrenie
„buď . . alebo“, nadobúda hodnotu 1 len vtedy, ak majú nezávislé premenné rôzne hodnoty.
- Priama inhibícia f12 = a ǀ→ b
- Spätná (nepriama) inhibícia f13 = a ←ǀ b
- Priama implikácia f14 = a → b
- Spätná (nepriama) implikácia f15 = a ← b
10
2.4 Zobrazovanie logických funkcií
Logické funkcie môžeme vyjadriť rôznymi spôsobmi. K najpoužívanejším patria:
- pravdivostná (funkčná) tabuľka
- algebraický výraz
- grafické znázornenie (mapa logickej funkcie)
- schémy (v podkapitole 3.7)
Každý spôsob má svoje výhody aj nevýhody a svoje miesto pri návrhu obvodov.
1. Pravdivostná (funkčná) tabuľka
Umožňuje systematicky vyjadriť kombinácie hodnôt nezávisle premenných a im
odpovedajúce funkčné hodnoty závisle premenných. Jednotlivé kombinácie alebo stavy
označujeme stavovým indexom, čo je dekadické číslo, udávajúce poradie logického stavu.
Stavový index
Vstupné premenné
Výstupná
Výstupná
s
funkcia
z
funkcia y
a
b
c
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
1
2
0
1
0
0
0
3
0
1
1
0
0
4
1
0
0
1
1
5
1
0
1
0
X
6
1
1
0
1
X
7
1
1
1
1
X
V tabuľke je uvedená určitá funkcia z a neurčitá funkcia y, neurčené (neurčité) stavy sú
v tabuľke vyznačené symbolom X.
2.5 Algebraické výrazy, mapy logických funkcií
2. Zostavovanie algebraických výrazov z pravdivostnej tabuľky – pravdivostná tabuľka
musí obsahovať všetky kombinácie nezávisle premenných, v našom prípade tri premenných a,
b, c
A
B
C
X
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
Algebraický výraz môžeme zostaviť:
- v podobe disjunktívnej, t.j. v podobe súčtu súčinu
- v podobe konjunktívnej, t.j. v podobe súčinu súčtu
Algebraický výraz zostavíme v podobe disjunktívnej, v tabuľke berieme do úvahy len riadky,
v ktorých je výstupná premenná rovná 1.
11
A
0
0
0
0
1
1
1
1
B
0
0
1
1
0
0
1
1
C
0
1
0
1
0
1
0
1
X
0
1
0
0
1
1
1
1
Teraz si vypíšeme výrazy (tie riadky kde je výstupná premenná rovná 1)
Ďalej negované vstupné premenné budeme označovať tmavým písmenom inak sa označuje
čiarkou nad písmenom Ᾱ.
Druhý riadok: A.B.C
Piaty riadok: A.B.C
Šiesty riadok: A.B.C
Siedmy riadok:A.B.C
Ôsmy riadok: A.B.C
teda: X = A.B.C + A.B.C + A.B.C + A.B.C + A.B.C
Algebraický výraz zostavíme v podobe konjunktívnej, berieme do úvahy len tie riadky,
v ktorých je výstupná premenná rovná 0.
A
0
0
0
0
1
1
1
1
B
0
0
1
1
0
0
1
1
C
0
1
0
1
0
1
0
1
X
0
1
0
0
1
1
1
1
Prvý riadok: (A+B+C)
Tretí riadok: (A+B+C)
Štvrtý riadok: (A+B+C)
teda: X = (A+B+C) . (A+B+C) . (A+B+C)
Algebraický výraz píšeme v takej podobe, aby bol čo najjednoduchší. Rozhodujúcim
činiteľom je počet 0 a 1 v tabuľke. V prípade, keď prevládajú 0, píšeme výraz za 1, teda
v podobe súčtu súčinov a naopak.
Štandardný zápis logickej funkcie poznáme z toho, že v každom člene algebraického výrazu
sú obsiahnuté všetky vstupné premenné. Štandardný zápis môže byť v tvare disjunktívnom aj
konjunktívnom.
12
A
B
C
X
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
X = A.B.C + A.B.C + A.B.C + A.B.C + A.B.C
X = (A+B+C) . (A+B+C) . (A+B+C)
Po zjednodušení: X = A+B.C
Dôkaz pomocou pravdivostnej tabuľky
Pravdivostná tabuľka musí obsahovať všetky kombinácie nezávisle premenných, v našom
prípade tri premenných a,b,c
Dôkaz pravdivosti distributívneho zákona: a + (b.c) = (a+b) . (a+c)
A
B
c
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
Mapy logických funkcií
Logické mapy sú plošné útvary štvorcového alebo obdĺžnikového tvaru, v nich sú
kombinácie nezávisle premenných usporiadane maticovo. Pre n vstupných premenných má
príslušná mapa 2n políčok, odpovedajúcich počtu 2n možných kombinácii týchto vstupných
nezávisle premenných. Je možné zostaviť veľký počet máp, najpoužívanejšou je
Karnaughova mapa.
2.6 Karnaughova mapa
Je zostavená tak, že dvoma susednými políčkami sú priradené kombinácie
premenných líšiacich sa len v hodnote jednej premennej. Príslušná kombinácia
hodnôt určuje len jedno políčko. Nezávisle premenné vyznačujeme po okrajoch
identifikátory pre určenie riadkov a stĺpcov. Po okrajoch mapy sú k riadkom
pripísané kombinácie núl a jednotiek odpovedajúce vstupným premenným.
vstupných
vstupných
mapy ako
a stĺpcom
Karnaughova mapa pre jednu vstupnú premennú
Mapa bude mať len dve políčka
Karnaughova mapa pre dve vstupné premenné
13
Mapa bude mať štyri políčka, pretože existujú práve štyri kombinácie hodnôt dvoch
premenných (22 = 4). Mapa je rozdelená na dve časti, v hornej polovici je hodnota a=0 ,
v dolnej polovici je a=1. Ak pridáme ďalšiu premennú b a rozdelíme plochu na štyri oblasti,
ktorým prislúcha štyri kombinácie premenných a,b dostaneme mapu pre dve premenné.
Ako príklad si uvedieme tabuľku pre logickú funkciu OR
Karnaughova mapa pre tri vstupné premenné
Mapa bude mať osem políčok (23 = 8), ako príklad pre logický súčet y = a + b
v tabuľke je uvedená ukážka ako určiť polohu
príslušného políčka pre dané hodnoty premenných: A=0, B=1, C=1
2.7 Minimalizácia logických funkcií
Minimalizácia je postup, ktorým sa dá nahradiť zložitý algebraický výraz výrazom
jednoduchším. V praxi existuje rada metód minimalizácie:
- priama minimalizácia, t.j. pomocou Boolovej algebry
- minimalizácia pomocou karnaughovej mapy
- metóda Quineova – Mc Cluskeyova
Priama minimalizácia – môžeme ju prevádzať metódou algebraického skracovania logickej
funkcie, vyjadrenej vo forme logického súčinu alebo logického súčtu. Využívame pri tom
zákony a pravidlá Boolovej algebry.
14
Minimalizácia pomocou Karnaughovej mapy – spočíva v nájdení algebraického tvaru funkcie,
zvyčajne v disjunktívnom tvare, t.j. v tvare logického súčtu tvoreného logickými súčinmi. Pri
minimalizácii postupujeme tak, že susedné políčka obsahujúce jednotky združujeme do tzv.
dvojsmyčky (v súčinu chýba jedna premenná), štvorsmyčky (chýbajú dve premenné), tieto
smyčky sa môžu prekrývať, za každú smyčku píšeme jeden algebraický výraz v tvare
logického súčinu. Z výrazu vypadáva tá premenná (alebo viac premenných), ktorých hranicu
smyčka pretína. Všetky logické súčiny sčítame.
Pr.: Urobte minimalizáciu funkcie z zakreslenej v KM:
v KM nakreslíme jednu dvojsmyčku a jednu
štvorsmyčku. Výsledný súčin u dvojsmyčky je bc, výsledný súčin u štvorsmyčky je a, takže
výsledná funkcia má hodnotu: z = a + bc
Pr.: Urobte minimalizáciu funkcie y zadanej KM.
v tomto prípade kreslíme do mapy dve dvojsmyčky.
Zvislá dvojsmyčka má hodnotu b(negované).c a vodorovná (rozpolená) dvojsmyčka v prvom
riadku má hodnotu a(negované) . c(negované), takže výsledná funkcia
y=b(neg).c + a(neg).c(neg)
4. Schémy
Logické funkcie realizujeme v praxi väčšinou pomocou základných logických členov.
Snažíme sa, aby zapojenie logického obvodu bolo čo najjednoduchšie, a preto najprv logickú
funkciu niektorou z metód minimalizujeme. Schému môžeme kresliť v podstate dvojakým
spôsobom:
- kontaktná schéma
- bloková schéma
Kontaktné schémy kreslíme vtedy, ak sú pre realizáciu obvodu použité kontaktné prvky (relé,
stykače), v ostatných prípadoch kreslíme blokové schémy.
15
prehľad schematických značiek základných log. členov a odpovedajúce kontaktné zapojenie
Kontaktné schémy – keď je log. obvod realizovaný pomocou relé, tlačidiel, spínačov atď. Pri
kreslení vychádzame z minimalizovaného algebraického výrazu, ktorý obsahuje priame
a negované premenne a ich súčin a súčet. K realizácii teda potrebujeme spínacie a rozpínacie
kontakty relé, ktoré zapájame do série alebo paralelne.
na obr. je realizácia logickej funkcie
Z= A + B.C
16
Blokové schémy – v dnešnej dobe sú logické obvody najčastejšie realizované pomocou
číslicových integrovaných obvodov. V praxi kreslíme blokové schémy typu:
schéma obsahuje vždy len uvedené typy členov
Bloková schéma pre konjunkciu, disjunkciu a negáciu t.j. AND – OR – NOT obsahuje len
členy realizujúce tieto log. funkcie. Blokovú schému pre Pierceovu funkciu NOR možno
realizovať len negáciou disjunkcie a negácie, preto musíme algebraický výraz upraviť
pomocou pravidiel Boolovej algebry tak, aby obsahoval len tieto funkcie.
17
2.8 Logické obvody
Logický obvod je skupina logických členov vzájomne spojených tak, aby realizovali
žiadané log. funkcie. Vstupné a výstupné signály log. obvodov sú dvojhodnotové. Logické
obvody (systémy) rozdeľujeme podľa správania sa do tried podľa nasledujúcej schémy:
kombinačné
Logické obvody (systémy)
sekvenčné
synchrónne
asynchrónne
Tieto dve skupiny obvodov majú spoločnú teóriu, ktorá sa opiera o logickú algebru. Výstupy
KLO sú závislé iba na kombinácii vstupov, zatiaľ čo výstupy SLO sú závislé tak ako na
kombinácii vstupov, tak aj na ich poradí (t.j. na čase).
18
2.9 Kombinačné logické obvody
Obvod sa nazýva kombinačný, ak jeho výstupy závisia len na vstupných kombináciách
a nie na ich predchádzajúcich hodnotách. Jednej kombinácii vstupných premenných odpovedá
jediná výstupná kombinácia. Obvod nemá žiadnu pamäť predchádzajúcich stavov.
Medzi KLO patria:
- hradlá (NOT, AND, NAND, OR, NOR, XOR, XNOR)
- budiče
- multiplexor
- demultiplexor
- kóder
- dekóder
- sčítačka
- násobička
- ALJ (ALU)
Slovný popis kombinačných logických funkcií:
Logická funkcia je popísaná slovným vyjadrením, v ktorom sa používajú aj logické spojky
(alebo, a zároveň, a, nie je pravda . . ), napr. : žiarovka sa rozsvieti len vtedy, ak zatlačíme
zároveň oba spínače.
Popis kombinačných logických funkcií pravdivostnou tabuľkou:
Kombinačnú log. funkciu N – premenných popisujeme tabuľkou, v ktorej sú uvedené všetky
možné kombinácie hodnôt vstupných premenných a príslušná funkčná hodnota. Počet
kombinácii (riadkov tabuľky) je rovný 2N, kde N je počet vstupných premenných.
2.10 Analýza a syntéza KLO
Každý log. obvod ako kybernetický systém charakterizuje:
- správanie log. obvodu – môže byť určené log. funkciou, pravdivostnou
tabuľkou, alebo KM
- štruktúra log. obvodu vyjadrená schémou zapojenia
Podľa toho, čo je začiatočným momentom a čo výsledkom činnosti, rozoznávame dva
základné procesy (postupy):
- analýza (rozbor činnosti už realizovaného alebo navrhnutého obvodu)
- syntéza (postup, pri ktorom zo zadaného správania technologického
systému a požiadaviek na jeho riadenie navrhujeme konkrétny log.
obvod, realizujúci tieto požiadavky)
19
Postup pri analýze:
- podľa danej štruktúry, teda schémy, určíme výstupné funkcie
jednotlivých členov
- podľa vzájomných väzieb medzi jednotlivými členmi a vstupnými
veličinami postupným dosadzovaním určíme výsledný výraz –
algebraické vyjadrenie výstupnej funkcie
- pre výstupnú funkciu zostavíme pravdivostnú tabuľku a KM, čím je
správanie log. obvodu určené
Postup pri syntéze:
-
etapa systémového návrhu
etapa logického návrhu
Etapa systémového návrhu – na základe znalostí celého technologického procesu ako
riadeného objektu a požadovaného algoritmu riadenia, znalostí blokovacích podmienok
a signalizácie si stanovíme cieľ riadiaceho procesu. Ak máme možnosť, urobíme
dekompozíciu – rozdelenie zložitého systému na jednoduchšie časti, ktoré sú schopné
samostatného riadenia. Správanie možno určiť pravdivostnou tabuľkou, KM, časovými
diagramami, alebo slovným opisom.
Etapa logického návrhu – zo zadaného správania riadiaceho podsystému vyjadríme
v algebraickej forme logickú funkciu a podľa možnosti ju minimalizujeme. Zvolíme si
vhodné logické členy a funkciu realizujeme – dostávame štruktúru (schému) systému.
2.11 Návrh kombinačných logických obvodov
Požiadavky na správanie log. obvodu sú obyčajne dané tabuľkou stavov vstupných
a výstupných premenných. V niektorých prípadoch je činnosť obvodu formulovaná len
písomne alebo dokonca len ústne, a preto musíme pravdivostnú tabuľku na základe rozboru
zadania zostaviť. Najdôležitejšie je určiť počet vstupných a výstupných premenných daného
obvodu, označiť ich a priradiť im logické hodnoty 0,1. Z pravdivostnej tabuľky zostavíme
logickú funkciu vo forme algebraického výrazu v konjunktívnom alebo disjunktívnom tvare.
Funkcia zostavená z tabuľky je síce správna, ale väčšinou zbytočne zložitá. Aby bol log.
obvod čo možno najjednoduchší a tým aj spoľahlivý a lacný, musíme previesť minimalizáciu
logickej funkcie, pre ňu je vypracovaná rada metód. K najpoužívanejším patrí
zjednodušovanie pomocou zákonov Boolovej algebry. Minimalizovaný výraz ešte overíme
pomocou KM. Pri zjednodušovaní log. funkcií musíme mať na mysli logické prvky, z ktorých
chceme log. obvod zostaviť. Posledným bodom pri návrhu KLO je jeho schéma, ktorá je
podkladom pre jeho technickú realizáciu. Východiskom pre jeho nakreslenie je
minimalizovaný algebraický výraz.
2.12 Kóder, dekóder
Kóder je zariadenie s veľa vstupov a výstupov, ktoré automaticky prevádza informácie
z pôvodného alebo prirodzeného súboru znakov do iného (prevádza zakódovanie informácie).
V užšom slova zmyslu je kóder zariadenie pre prevod desiatkových do binárneho kódu.
Je to KLO, ktorý prijíma jeden alebo viac vstupov a generuje niekoľkobitový binárny
výstupný kód.
20
Kóder desiatkového vstupu klávesnice na kód BCD:
Princíp: po stlačení klávesy 6 sa otvorí hradlo B a C. ostatné ostávajú zavreté. Ak si tento
výstup prepíšeme do binárnej sústavy, dostaneme kód:
23 22 21 20
D C B A
0 1 1 0 čo predstavuje číslo 6
Dekóder je zariadenie s veľa vstupmi a výstupmi, slúžiacimi pre automatický prevod
informácii z jedného kódu do iného, má opačnú funkciu ako kóder. V užšom slova zmyslu je
to zariadenie pre prevod binárneho čísla na desiatkové.
Je KLO, ktorý zisťuje prítomnosť špecifického binárneho slova. Prítomnosť tohto slova
indikuje na výstupe logická 1.
Základným dekódovacím členom je AND, dekóder pre vstupné číslo O1:
2.13 Multiplexor, demultiplexor
Multiplexor je vlastne obdoba prepínača, ktorým sa informácia prítomná na jednom
z niekoľko vstupov prenáša na jediný výstup (ktorý bol zvolený adresou). Vstup, z ktorého
má byť informácia prenesená, sa určí adresou v dvojkovom kóde na adresovacom vstupe. Ide
teda o obvod pre výber dát. Ďalej môžu byť doplnené vstupy pre odstavenie obvodu.
Multiplexory sú kombinačnými sieťami a sú podobné dekóderom. Sú teda prepínacie obvody,
ktoré z niekoľko vstupných premenných prepínajú na jeden výstup podľa hodnôt riadiacich
signálov.
Demultiplexor je prepínací obvod, ktorý jeden dátový vstup prepína na niekoľko výstupov
podľa riadiaceho signálu. Je to v zásade obrátený multiplexor. Prepínanie je, podobné ako
u multiplexoru, riadené adresovými vstupmi. Funkcia demultiplexoru je rovnako podobná
funkcii prepínača, samozrejme opačná oproti multiplexoru. Ak z jedného vstupu prevádzame
signál do niekoľkých výstupov, kde voľbu výstupu opäť zaisťujeme adresovacími vstupmi.
21
schematické znázornenie multiplexného prenosu dát
2.14 Komparátory
Komparátor je KLO pre porovnávanie hodnôt na vstupe, pričom vyhodnocuje tri základné
stavy:
a to či je hodnota A menšia ako B, či je hodnota A väčšia ako B, či sa hodnota A rovná B
Najjednoduchším komparátorom je logický člen XNOR – vracia log. 1 ak sa hodnoty vstupov
rovnajú.
Rozdelenie komparátorov:
- jednobitový hodnotový komparátor (obvod s dvoma vstupmi A,B, ktoré
reprezentujú dve porovnávané hodnoty. Na výstupe dostávame signál
o zhodnosti, prípadne rozdielnosti týchto dvoch hodnôt.
- paralelný komparátor zhodnosti (kombinačný modul, ktorý porovnáva
rovnoľahlé bity dvojkových čísel a generuje výstupné hlásenie.
- paralelný komparátor relatívnej veľkosti (kombinačný modul, ktorý
porovnáva absolútnu hodnotu dvojkových čísel a rozhoduje či sú
zhodné alebo nie.
2.15 Sekvenčné logické obvody
Sekvenčné obvody sú digitálne elektronické obvody, u ktorých závisí stav výstupov okrem
aktuálneho stavu vstupov aj od minulého stavu vstupov. Znamená to, že sekvenčné obvody
majú pamäťové vlastnosti. Sekvencia je vlastne časová postupnosť.
Tieto obvody delíme na dve skupiny:
- synchrónne (celý obvod je riadený z jedného zdroja hodinového signálu
- asynchrónne (nepoužívajú hodiny, reagujú rovno na zmenu vstupu,
trochu zložitejšie na návrh ako synchrónne)
22
Časť sekvenčných obvodov je konštruovaná tak, že sa ich výstupy menia, len ak sa mení
v niektorom smere jeden zo vstupov, tzv. hodinový vstup (clock). Táto reakcia môže byť na
nábežnú hranu (zmena z 0 na 1) alebo dobežnú hranu (zmena z 1 na 0) hodinového signálu,
zriedkavo aj na obe hrany. Sekvenčné obvody majú obvykle aj vstup pre reset, ktorým sa
obvod dá uviesť do definovaného (počiatočného) stavu, napr. po pripojení napájacieho
napätia.
Medzi typické sekvenčné obvody patria:
- preklápacie obvody
- čítače
- registre
- pamäte
- mikroprocesory
2.16 Základné preklápacie obvody RS, JK, D
Poznáme tieto PO:
- RS klopný obvod
- RST klopný obvod
- D klopný obvod
- JK klopný obvod
23
24
2.17 Čítače
Čítače sú sekvenčné obvody, ktoré slúžia k čítaniu impulzov. Sled vstupných impulzov
v nich vyvoláva zmeny stavov pamäťovej časti, t.j. zmeny stavov klopných obvodov. Tieto
stavy možno vnútornými obvodmi previesť na zobrazovač, čím sa získajú informácie vo
vizuálnej forme pre ďalšie spracovanie, alebo sa elektrické signály na výstupe čítača
využívajú pre riadenie rôznych procesov. Veľmi rozsiahle je využitie čítačov v meracej
technike a vo výpočtovej technike. Deliče kmitočtov slúžia k zníženiu opakovacieho kmitočtu
sledu impulzov jeho delením celým číslom. Deliče kmitočtu majú rovnakú štruktúru ako
čítače, rozdiel je však vo vyvedení výstupu a v aplikáciách.
Delenie čítačov:
1. podľa možnosti nastavenia dĺžky cyklu (modulu):
- so stabilnou dĺžkou cyklu
- s nastaviteľnou dĺžkou cyklu
2. podľa kódu v ktorom čítajú:
- dvojkové
- desiatkové
- čítače čítajúce v špeciálnom kóde
3. podľa smeru čítania:
- jednosmerne čítajúci vpred (count up)
- jednosmerne čítajúci späť (count down)
- obojsmerne (umožňujúci podľa voľby čítať vpred alebo späť)
4. podľa možnosti riadenia hodinovými impulzmi
- asynchrónne (bez možnosti riadenia synchronizačnými impulzmi)
- synchrónne (riadené taktovacími, hodinovými impulzmi)
2.18 Registre
Registre sú pamäťové miesta umiestnené na čipe procesora. Slúžia k záznamu binárne
kódovaných informácii a ich ďalšiemu spracovaniu. Skladajú sa z klopných obvodov
a z kombinačných, obvykle veľmi jednoduchých prepojovacích obvodov. Umožňujú rýchlejší
prístup k operandom aritmetických a logických operácii, používajú sa na výpočet adresy
operandu alebo inštrukcie a na riadenie procesora.
Registre rozdeľujeme podľa spôsobu zobrazenia a výberu informácii na registre:
25
-
paralelné (pamäťové) slúžia ako pamäť pre niekoľko bitov – len so
súčasným (paralelným) zápisom aj s paralelným výstupom bitov
zaznamenávaného kódovaného slova
- sériové alebo posuvné (shift) s posunom zaznamenaných bitov vpred
alebo späť, prípadne s voliteľným smerom posuvu, posuvné registre
môžu mať paralelný alebo sériový vstup a výstup
- kruhové registre v ňom môžu informácie prebiehať stále dookola
Využitím registrov sa môžu uskutočňovať rôzne operácie:
- prevzatie informácii z iného funkčného bloku, napr. z pamäte alebo
čítača (zápis a zapamätanie)
- predanie informácií do iného funkčného bloku (čítanie)
- pretváranie informácie (inverzia všetkých bitov určitého kódového
slova)
- posuv uloženého slova vpred (vpravo) o určitý počet miest, alebo tiež
kruhový posuv
- premena zobrazenia v sériovom kóde na paralelný a naopak
- realizácia logických operácii
III. VLASTNOSTI INTEGROVANÝCH OBVODOV
3.1 Základné pojmy IO
Integrovaný obvod (IO) je funkčný celok vytvorený na jednom chipe. Obsahuje viacero
prvkov predovšetkým tranzistory (aktívne súčiastky), diódy, rezistory, kondenzátory (pasívne
súčiastky). Teda ide o spojenie (integráciu) veľa jednoduchých elektronických súčiastok,
ktoré spoločne tvoria elektrický obvod, vykonávajú nejakú zložitejšiu funkciu.
IO rozdeľujeme podľa toho s akým druhom signálu pracujú:
- analógové (spojité) – pracujú so spojitým signálom a ich predstaviteľom
je OZ
- číslicové (nespojité – digitálne) pracujú s digitálnym signálom ich
predstaviteľom sú logické obvody.
podľa stupňa integrácie:
- SSI malá integrácia (Small Scale Integration)
- MSI stredná integrácia (Middle Scale Integration)
- LSI vysoká integrácia (Large Scale Integration)
- VLSI veľmi vysoká integrácia (Very Large Scale Integration)
26
IO ďalej možno rozdeľovať podľa nasledovných kritérií:
- unipolárne a bipolárne obvody
- programovateľné a neprogramovateľné obvody
- sériové a zákazkovo vyrábané obvody
Teplotný rozsah - pre praktické použitie je jedným z najdôležitejších parametrov IO ich
teplotná špecifikácia, najbežnejšie sú:
- komerčný teplotný rozsah (0 až +70°C)
- priemyselný teplotný rozsah (-40 až +85)
- rozšírený/vojenský teplotný rozsah (-40 až +125)
- automobilový teplotný rozsah (-55 až +125)
Výhody a využitie IO
Medzi výhody IO patria:
- miniaturizácia
- stále sa zvyšujúci výkon
- nižšie energetické nároky na prevoz
- spoľahlivosť
- hromadná sériová výroba znižuje cenu
IO sa využívajú v spotrebnej elektronike, ale aj v rôznych vedeckých zariadeniach, niektoré
zariadenia obsahujú IO:
- televízia, videa, satelitné prijímače, diaľkové ovládania
- rádia, CD, MP3i, MP4 prehrávače
- digitálne hodinky, kalkulačky
- mobilné telefóny, vysielačky, GPS prijímače
- fotoaparáty
- počítače, tlačiarne, monitory, PDAčka
- automobily, lietadla
- lekárske, vedecké a meracie prístroje.
3.2 Technika TTL
TTL znamená tranzistorovo – tranzistorová logika (teda znamená to, že vstupy aj výstupy
tvoria bipolárne tranzistory. Napájacie napätia pre TTL musia byť presné (UCC = +5V).
27
3.3 Obvod NE 555
1 GND – elektrická zem obvodu
1 TR – úroveň spúšťania
2 OUT – výstup
3 RST – nulovanie
4 CV – riadiace napätie (0V)
5 TH – prahová úroveň
6 DIS – vybíjanie
7 +UCC – napájacie napätie
Obvod NE555 (skonštruovaný začiatkom 70-tych rokov 20. storočia), je určený pre použitie
do časovacích obvodov a generátorov impulzov. Jeho vnútorná štruktúra je na obr. Je to
vlastne bipolárny obvod analógovo – číslicový.
Analógovú časť tvoria vstupné obvody (komparátory K1 a K2) a výstupné obvody (koncový
stupeň s tranzistormi T1 a T2 a spínací tranzistor T3).
Číslicovú časť tvorí R-S preklápací obvod realizovaný hradlom H1. Tranzistor T4 umožňuje
blokovanie činnosti R-S preklápacieho obvodu. Tri rovnaké rezistory o hodnote 5kΩ
nastavujú riadiace napätia pre komparátory K1 a K2.
katalógové údaje NE 555
3.4 Základné zapojenia z NE 555
Poznáme tieto základné zapojenia:
- APO (astabilný preklápací obvod)
- MPO (monostabilný preklápací obvod)
- časový selektor
28
APO
vyznačuje sa tým, že samovoľne prechádza
z jedného stavu do druhého. Slúži na generovanie obdĺžnikového signálu s rôznou
frekvenciou. V čase nabíjania Cx je na výstupe napäťová úroveň Ucc, to znamená, že T1 je
otvorený a T2, T3 sú zatvorené. Kondenzátor Cx sa nabíja cez rezistory R1 a R2.
MPO
Ako vidno na obr. na rozdiel od APO je tu
vynechaný rezistor R2 a vývod 7 je spojený priamo s vývodom 6, naopak, vývod 2 tvorí vstup,
na ktorý privádzame spúšťacie napätie Uspúšť, tento vstup musí byť ošetrený pomocou R3
a diódou D (R3 zabezpečuje na vývode 2 kľudový potenciál rovný UCC a dióda zabezpečuje
odrezanie kladných impulzov – špičiek za derivačným kondenzátorom, pretože na vstup 2 sa
nesmie priviesť napätie väčšie ako je +UCC.
Tento obvod má jeden stabilný a jeden nestabilný stav. Používa sa tam, kde je potrebné
využiť jeden impulz definovanej dĺžky, obvod zostáva v stabilnom stave trvale. Po privedení
vonkajšieho impulzu prejde obvod do nestabilného stavu, v ktorom zotrváva určitý čas, ktorý
závisí od vonkajších prvkov. Potom prejde opäť do stabilného stavu a zotrvá v ňom dovtedy,
kým neprivedieme ďalší impulz.
29
Časový selektor
je to obvod, kde na výstupe sa
objaví impulz len vtedy, ak dĺžka trvania vstupného impulzu spĺňa predpísané časové
kritérium. Úlohou je teda výber (rozlíšenie) impulzov podľa ich dĺžky, teda ich časového
trvania. V kľude je Ct vybitý a na výstupe 3 obvodu je napätie UB rovné 0V. Tranzistor T2 je
preto zatvorený. Podobne je zatvorený aj tranzistor T1, pretože na jeho bázu je privádzaný
potenciál zeme cez R2.
IV. ÚVOD DO AUTOMATICKÉHO RIADENIA
4.1 Pojmový aparát
Proces – postup diania, určitý priebeh zmien, ktorý môže nadobúdať zákonitosť sledu.
Napr. výrobný proces, pracovný proces a pod.
Systém – určitá sústava usporiadania častí, tzv. podsystémov. Vzťahy podsystémov môžu
charakterizovať zákonitosť, pravidelnosť, účelnosť a pod. napr. systém pohonu.
obr. bloková schéma systému pohonu
Vstupy a výstupy môžu byť – látkové
- energetické
- informačné
informácia – údaj (správa) o hodnote určitej veličiny
veličina – pojem opisujúci určité vlastnosti (látky, zmeny, javu), ako objem, teplota, rýchlosť
riadenie – zámerné ovplyvňovanie zmien na riadenom systéme, napr. zapnutie obrábacieho
stroja, otvorenie ventilu na tlakovej nádobe.
30
4.2 Mechanizácia a automatizácia
Proces vývoja technických systémov, ktoré oslobodzujú človeka od opakujúcej sa fyzickej
práce, sa nazýva mechanizácia. V etapách vývoja sa objavovali technické revolúcie (objav
kolesa, využitie premeny energie v motoroch).
Úroveň mechanizácie aj v oblasti riadiacich systémov vyžaduje zostrojenie samočinne
pracujúcich systémov bez zásahu človeka – automatov. Proces vývoja a konštrukcie
samočinne pracujúcich systémov, ktoré oslobodzujú človeka od duševnej riadiacej
a kontrolnej činnosti, sa nazýva automatizácia. Automatická výroba sa uskutočňuje bez
priamej účasti človeka. Riadenie vykonáva automatické zariadenie, takže celý systém pracuje
samočinne. Automatizácia vyžaduje zvyšovanie kvalifikácie pracovníkov, znižuje počet
pracovníkov, zväčšuje výrobné kapacity, zvyšuje kvalitu výrobkov. Výroba je efektívnejšia
a znižuje nároky na energiu, zväčšuje bezpečnosť pri práci. Keďže vylučuje nedostatky
ľudského faktora, umožňuje zaviesť výrobné procesy aj tam, kde to doteraz nebolo možné.
Proces automatizácie a stupeň jej aplikácie v technike závisí od úrovne mechanizácie.
Úroveň automatizácie zásadne ovplyvňujú automatické riadiace systémy. Automatizovať
možno len procesy, ktoré sú podrobne analyzované a pripravené na realizáciu automatického
riadenia.
4.3 Vlastnosti systémov a podsystémov riadenia
Vlastnosti systémov (zariadení, alebo ich častí) sa dajú posudzovať podľa informácií
zistených na vstupoch a výstupoch jednotlivých systémov. Získavanie informácií sa dá
uskutočňovať meraním statických a dynamických vlastností systému (charakteristika).
signály na meranom člene
Statická charakteristika - závislosť hodnôt výstupného signálu od vstupného signálu
odčítavaných z ustálených stavov. Na vodorovnú os súradníc charakteristiky sa vždy nanášajú
hodnoty nezávisle premennej veličiny, t.j. vstupného signálu. Priebeh závislosti sa zhotovuje
buď manuálnym meraním bod po bode, alebo pomocou súradnicového zapisovača.
statická charakteristika
Dynamická – prechodová charakteristika - závislosť zmeny hodnoty signálu od času. Pri
posudzovaní vlastností člena, alebo zariadenia zloženého z viacerých členov treba na vstupe
zabezpečiť skokový priebeh signálu (okamžitá zmena). Odozvu na výstupe možno pri
pomalých zmenách odmerať bod po bode, alebo zaznamenať vhodným zapisovacím
zariadením.
31
prechodové charakteristiky
4.4 Automatické riadenie
Technologické zariadenie, ktorým sa dá meniť hodnota výstupnej veličiny, predstavuje
systém, ktorý bez vplyvu iného systému vykonáva ľubovoľnú zmenu na výstupe. V takomto
stave systém nie je riadený.
Funkcia člena
Napr.: zmiešavanie teplej a studenej vody bez ovládacích ventilov má na výstupe teplotu
vody voľne závislú od náhodných zmien teploty teplej a studenej vody.
Ak sa má teplota vody meniť zámerne, treba priradiť ďalší systém, ktorý činnosť nezávislého
systému začne ovplyvňovať podľa požadovaného cieľa. Takúto činnosť nazývame riadenie.
Systém zámerne pôsobiaci na technologický systém, ktorý mení hodnotu nejakej veličiny, sa
nazýva riadiaci systém – riadiaci člen.
Riadiacim členom môže byť:
- človek: takýto systém nazývame ručné riadenie
- technický systém: takýto systém nazývame automatické riadenie
32
Ovládanie – riadenie, pri ktorom riadený člen jednoznačne plní príkazy riadiaceho člena.
Ovládanie je riadenie bez spätnej väzby ( informácie ).
Regulácia – riadenie, pri ktorom riadený člen mení hodnotu regulovanej veličiny. Neustála
spätná informácia o výstupe z riadeného člena – spätná väzba – zabezpečuje zmenu príkazov
z riadiaceho člena.
Kybernetické riadenie – riadenie s optimalizáciou – je riadenie so spätnou väzbou, pri
ktorom účelné riadenie riadiaceho člena ovplyvňuje ešte optimalizačný člen, ktorý vie na
základe zvolených kritérií nastaviť optimálne podmienky riadenia (činnosť riadiaceho člena).
Prehľad základných pojmov
Pojem
Definícia
Mechanizácia
Proces vývoja technických systémov na odstránenie opakujúcej sa
namáhavej fyzickej práce človeka.
Automatizácia
Proces vývoja konštrukcie samočinne pracujúcich systémov na
odstránenie riadiacej a kontrolnej činnosti človeka.
Informácia
Údaj o hodnote určitej veličiny.
Signál
Fyzikálna veličina, ktorá je nositeľom informácie. Informácia je
priradená zmene signálu kódovaním.
Ovládanie
Riadenie bez spätnej informácie o vykonaní určitej činnosti
riadeného člena.
Regulácia
Riadenie so spätnou informáciou o priebehu regulačného procesu
na dosiahnutie určitej hodnoty riadenej veličiny.
Charakteristika
Opis funkčnej závislosti (slovne, matematicky, graficky).
Analógový signál
Signál, na ktorom je informácia priradená každej hodnote.
Číslicový signál
Signál, na ktorom je informácia priradená určitým hodnotám.
33
Statická charakteristika
Dynamická charakterist.
Grafické znázornenie závislosti hodnôt výstupného signálu od
vstupného signálu odčítaných z ustálených stavov.
Grafické znázornenie závislosti zmien hodnoty signálu od času.
4.5 Obvody automatického ovládania
4.5.1 Automatická signalizácia
Automatická signalizácia dáva informáciu obsluhe o stave ovládaného zariadenia,
upozorňuje obsluhu na poruchy alebo na nebezpečenstvo vzniku úrazu. Signalizáciu môžeme
znázorniť blokovou schémou:
Príklady signalizácie:
- signalizácia zapnutia diaľkových svetiel – ich zapnutí sa rozsvieti aj signálka na
prístrojovej doske,
- signalizácia tlaku oleja v mastiacej sústave automobilu – ak je nedostatočný tlak oleja, tak
tlakový olejový spínač spojí obvod signálky mastenia,
- signalizácia paliva v palivovej nádrži,
- príkladom kombinovanej signalizácie je signalizácia na železničnom priecestí – kmitajúce
červené svetlo je opticky prerušovaný signál, ktorý je umocnený
zvukovým signálom.
4.5.2 Automatická ochrana
Pri automatickom blokovaní nie je možné uviesť stroj alebo zariadenie do chodu, ak nie
sú splnené určité vopred stanovené podmienky. Blokovanie chráni obsluhu, alebo
dopravované osoby pred úrazom alebo zabraňuje vzniku nepodarkov.
Príklady blokovania:
1. obrábací stroj je vybavený krytom pracovného priestoru. Ak kryt neuzatvára pracovný
priestor, stroj nie je možné uviesť do chodu.
2. osobný výťah sa dá uviesť do chodu stlačením tlačidla zvoleného poschodia len vtedy, ak
sú zatvorené dvere výťahu.
3. NC OS s automatickým podávaním a upínaním obrobkov sa uvedie do chodu len vtedy, ak
je správne upnutý obrobok.
4.5.3 Automatická kontrola
Pri výrobe strojových súčiastok, ide aj o kontrolu geometrických rozmerov súčiastok.
Podľa funkcie, ktorú kontrola plní, delíme ju na kontrolu pasívnu a aktívnu kontrolu.
34
Pasívna kontrola
Pri tejto kontrole sa zisťujú rozmery výrobkov po ukončení výrobnej operácie. Výsledky
kontroly neovplyvňujú technologický proces. Podľa výsledkov kontroly sa súčiastky
roztriedia na dobré a na nepodarky.
Aktívna kontrola
Kontrolu nazývame aktívnou, ak výsledky merania ovplyvňujú technologický proces.
Cieľom kontroly je výroba bez nepodarkov, alebo riziko ich vzniku znížiť na minimum.
Podľa toho kedy sa táto kontrola uskutočňuje, delíme ju takto:
a) predoperačná aktívna kontrola (používa sa na vstupe do výrobných liniek, jej úlohou je
zabrániť aby sa do obrábacieho stroja dostali nepodarky),
b) operačná kontrola (sa uskutočňuje počas obrábania priamo na obrábacom stroji),
c) pooperačná aktívna kontrola (uskutočňuje sa až po dokončení operácie. Tento spôsob
kontroly sa používa vtedy, keď nie je možné použiť operačnú kontrolu).
Prehľad základných pojmov
Pojem
Definícia
Automatická
Signalizácia, ktorá dáva informáciu obsluhe o stave ovládaného
signalizácia
zariadenia, ale nezasahuje do činnosti zariadenia.
Automatické
Spôsob ochrany zariadenia pred poruchu alebo haváriou, ak nie sú
blokovanie
splnené určité dopredu stanovené podmienky.
Automatická ochrana
Chráni zariadenie, alebo elektrický obvod pred preťažením,
používa sa aj na ochranu obsluhy.
Automatická kontrola
Technická kontrola geometrických rozmerov vyrábaných
súčiastok, môže byť pasívna a aktívna.
Pasívna kontrola
Výsledky kontroly neovplyvňujú technologický proces, v procese
kontroly sa výrobky triedia na dobré a nepodarky.
Aktívna kontrola
Výsledky merania ovplyvňujú technologický proces, podľa
výsledkov kontroly sa nastavujú obrábacie stroje.
4.6 Programové riadenie
Tento spôsob riadenia sa používa vtedy, keď riadený systém vykonáva činnosť, ktorá je
vopred jednoznačne známa, sú známe jednotlivé kroky, ktoré sa majú uskutočniť v pevne
stanovenom a nemennom slede v závislosti od času. Program je zaznamenaný na vhodné
pamäťové médium. Niektoré pamäťové média neumožňujú meniť program, sú to napr.
krivkové bubny, šablóny. Pri týchto prostriedkoch je program zaznamenaný v tvare krivky
bubna. Je to riadenie s pevným programom. Takéto riadenie nazývame aj nepružné riadenie.
Program je rad príkazov, ktoré sa postupne vykonávajú v určitom poradí na základe
stavov vstupných signálov.
Obrábacie stroje, ktoré majú takéto riadenie, sú jednoúčelové automaty. Protipólom
nepružného riadenia sú pružné riadiace systémy, pri nich je možné v pomerne krátkom čase
zmeniť program.
Programové zariadenia môžeme deliť na:
- mechanické programové zariadenia,
- programové zariadenia s časovým relé,
- programové zariadenia s dierovanou páskou,
- pneumatické programové zariadenia s taktovacími reťazcami,
- programové pole,
- kopírovacie systémy,
35
-
programovateľný logický automat – PLC.
4.7 Stavebnicový systém automatických ovládacích zariadení
Logický obvod, realizovaný elektrickými logickými prvkami, môže spracovávať len
elektrické signály, podobne pneumatický obvod (realizovaný pneumatickými prvkami), môže
spracovávať len pneumatické signály. Týmto požiadavkám treba prispôsobiť aj vstupný člen.
V niektorých prípadoch nie je možné použiť vstupný člen, ktorý by bol kompatibilný.
V takomto prípade medzi vstupný člen a logický obvod treba zaradiť člen, ktorý premení
signál zo vstupného člena na signál, ktorý je schopný logický člen spracovať na výstupný
signál. Tento člen nazývame menič alebo prevodník.
4.8 Vstupné členy – ovládače, prevodníky, zosilňovače
4.8.1 Ovládače
Pomocou vstupných členov sa do logického obvodu vkladajú vstupné informácie. Tieto
členy majú rôzne konštrukcie, ale vždy obsahujú ovládaciu časť a prepínaciu časť. Pri ručnom
ovládaní ovládaciu časť tvorí tlačidlo, páčka, pri nožnom ovládaní je to pedál. Podľa energie,
s ktorou vstupný člen pracuje, prepínacia časť je pneumatická alebo elektrická.
4.8.2 Prevodníky
Prevodník je zariadenie, ktoré mení signály z predchádzajúceho člena na signály, ktoré je
možné spracovať v nasledujúcom člene. Prevodník teda mení fyzikálnu podstatu signálu,
napr. elektrický signál na pneumatický signál. Podľa charakteru vstupnej a výstupnej veličiny
môžeme prevodníky deliť podľa nasledujúcej schémy:
36
4.8.3 Zosilňovače
Zosilňovač je zariadenie, ktoré transformuje vstupný signál na signál výstupný tej istej
fyzikálnej podstaty, rovnakého priebehu, ale na výstupe s väčšou využiteľnou energiou.
Pochopiteľne, v zosilňovači nevzniká energia, ale signál sa zosilňuje na úkor pomocnej
energie dodávanej zo zdroja.
Podľa druhu zosilňovaného signálu sa zosilňovače delia na pneumatické, hydraulické
a elektrické.
4.9 Snímače
Sú vstupné členy, ktoré slúžia na získanie informácií o priebehu regulovaných
fyzikálnych veličín. Nazývame ich aj snímače fyzikálnych veličín.
Zameriame sa na meranie fyzikálnych veličín, ktoré sa najčastejšie vyskytujú v regulačnej
technike ( tlak, teplota, výška hladiny, obrátky, poloha).
4.9.1 Snímače tlaku
Oboznámime sa s týmito tlakomermi: kvapalinové, deformačné, piezoelektrické.
Kvapalinový tlakomer – tieto tlakomery tvoria dve spojené trubice, ktoré sú čiastočne
naplnené kvapalinou, napr. ortuťou. Poznáme manometre v tvare U trubice, ale tie nie sú
vhodné na regulačné účely. Na tieto účely je vhodný plavákový diferenčný tlakomer.
Deformačné tlakomery – funkčnou časťou týchto tlakomerov je prvok, ktorý sa pôsobením
tlaku deformuje. Veľkosť deformácie je mierou tlaku.
Piezoelektrické snímače – tieto snímače využívajú piezoelektrický jav. Deformáciou
kryštálov niektorých látok v určitých smeroch vzniká na stenách kryštálu elektrický náboj.
Používa sa kryštál kremeňa. Tieto snímače sa používajú na meranie tlaku, sily, tlaku
kvapalín, mechanického napätia.
4.9.2 Snímače teploty
Tieto snímače využívajú zmenu niektorých fyzikálnych veličín tuhých, kvapalných
a plynných látok so zmenou teploty. Delíme ich na:
- dilatačné kvapalinové teplomery
- dilatačné tyčové teplomery (využívajú zmenu dĺžky kovovej súčiastky
v závislosti od teploty),
- tlakové kvapalinové teplomery (využívajú zmenu tlaku kvapaliny
v závislosti od teploty),
- dvojkovové teplomery (je zložený z dvoch kovových pásikov, ktoré sú
spolu pevne spojené),
- odporové teplomery (využívajú zmenu elektrického odporu kovových
vodičov so zmenou teploty),
- termoelektrické teplomery (tvoria ho dva vodiče z rôznych materiálov,
ktoré sú na jednom konci spojené).
4.10 Meranie výšky hladiny a polohy
4.10.1 Meranie výšky hladiny
Ide o plavákový stavoznak, ultrazvukové meranie výšky hladiny
37
Plavákový stavoznak – plavák na hladine kvapaliny sleduje jej zmenu, a jeho pohyb sa
môže meniť na ľubovoľný prenosový signál, napr. plavák ovláda bežec potenciometra a na
výstupe z potenciometra je to elektrický signál.
Ultrazvukové meranie výšky hladiny – zo zdroja ultrazvuku sú vysielané akustické vlny
smerom k hladine. Meria sa čas potrebný na ich prechod k hladine a späť k prijímaču, toto
meranie je možné použiť aj pre sypké materiály.
4.10.2 Meranie polohy
Prístroje na meranie polohy môžu byť analógové alebo číslicové. Medzi analógové patria
odporové, indukčné a kapacitné snímače.
Analógové snímače polohy
Odporový snímač – potenciometer, bežec potenciometra je spojený so súčiastkou, ktorej
polohu snímame a jej pôsobením sa posúva po priamkovej alebo kruhovej dráhe odporového
člena. Tieto snímače majú lineárny priebeh odporu.
Indukčné snímače – pracujú na princípe zmeny polohy určitej časti magnetického obvodu.
Zmenou polohy jadra sa mení indukčnosť cievky.
Číslicové meranie polohy
Toto meranie polohy sa robí snímačmi založenými na priamom vyhodnocovaní polohy
pomocou binárne kódovaného kotúča. Na otočne uloženom hriadeli je pevne uložený kotúč
s kódovaným obrazcom. Svetelné lúče zo zdroja sú usmernené optickou sústavou na kotúč,
lúče prejdú len cez svetlé polia kotúča a clonu a dopadajú na fotosnímače. Impulz vyšle ten
fotosnímač, ktorý je osvetlený.
Prehľad základných pojmov
Pojem
Definícia
Vstupný člen
Člen, ktorým sa do logického obvodu vkladajú vstupné
informácie.
Prevodník
Mení signály z predchádzajúceho člena na signály spracovateľné
v člene nasledujúcom, obvykle mení fyzikálnu podstatu signálu.
Analógovodigitálny Mení analógový signál na signál číslicový.
prevodník
Zosilňovač
Mení vstupný signál na signál výstupný tej istej fyzikálnej
podstaty, rovnakého priebehu, ale na výstupe s väčšou
využiteľnou energiou.
Snímač
Člen, ktorý sa používa na získanie informácie o priebehu
fyzikálnej veličiny.
Piezoelektrický jav
Vznik elektrického náboja pôsobením mechanických síl na steny
kryštálu niektorých látok.
Dilatácia
Zmena dĺžky alebo objemu látok vplyvom teploty.
Odporový snímač
Tento snímač využíva zmenu odporu rezistora so zmenou polohy
alebo teploty.
Indukčný snímač
Zmenou polohy sa mení indukčnosť cievky.
38
V. REGULAČNÁ TECHNIKA
5.1 Základné pojmy regulačnej techniky
Fyzikálna veličina je každá vlastnosť látky, ktorú môžeme merať.
Regulácia je udržiavanie hodnôt regulovanej veličiny podľa daných podmienok a hodnôt
tejto veličiny zistených meraním. Regulácia môže byť ručná alebo automatická.
Regulovaná veličina je veličina, ktorej hodnota je reguláciou upravovaná podľa
stanovených podmienok.
Žiadaná hodnota regulovanej veličiny Xw je hodnota regulovanej veličiny daná regulačnou
úlohou.
Regulátor je zariadenie, ktoré uskutočňuje automatickú (samočinnú) reguláciu.
Ustálený stav určitej veličiny je stav, v ktorom sa daná veličina nemení.
Porucha je každá zmena, ktorá by spôsobila odchýlku regulovanej veličiny od nastavenej
hodnoty.
Nastavená hodnota regulovanej veličiny je žiadaná hodnota regulovanej veličiny nastavená
na riadiacom člene regulátora.
Poruchová veličina je veličina spôsobujúca poruchu v regulačnom procese.
Akčná veličina je výstupná veličina regulátora a súčasne vstupná veličina regulovanej
sústavy.
Akčný člen je člen regulačného obvodu, ktorý je ovládaný signálom akčnej veličiny
a pôsobí priamo na regulovanú sústavu.
Zmena regulovanej veličiny je rozdiel medzi skutočnou hodnotou regulovanej veličiny
a nastavenou hodnotou.
Zmena akčnej veličiny je rozdiel okamžitej hodnoty akčnej veličiny Y od jej zvolenej
hodnoty Y0.
Jednoduchý regulačný obvod je také spojenie regulovanej sústavy a regulátora, kde sa na
vstup regulátora privádza len regulovaná a riadiaca veličina, a kde z regulátora vystupuje len
jedna akčná veličina.
Regulačný obvod je obvod, v ktorom prebieha samočinná regulácia.
Bloková schéma regulačného obvodu je tvorená blokom regulovanej sústavy a blokom
regulátora. Tieto dva bloky sú spojené čiarami, ktoré predstavujú cesty šírenia signálov
v regulačnom obvode. Miesto sčítania vplyvov (signálov) sa označuje krúžkom rozdeleným
na štvrtiny. Zápornú veličinu označujeme znamienkom mínus alebo príslušný štvrťkruh
vyplníme (začiernime).
39
5.2 Regulované sústavy
Regulovaná sústava je prvá časť regulovaného obvodu. Dôležité je poznať vlastnosti
regulovaných sústav, lebo na základe týchto vlastností sa navrhuje vhodný regulátor. Tieto
vlastnosti sa názorne opisujú statickými a dynamickými charakteristikami.
Podľa schopnosti samoustálenia sa regulované sústavy rozdeľujú na statické a astatické.
Podľa kapacity ich delíme na bezkapacitné, jednokapacitné, dvoj a viackapacitné sústavy.
5.2.1 Statické regulované sústavy
Sústavy, pri ktorých po skokovej zmene vstupnej veličiny (akčnej, poruchovej) sa
výstupná veličina (regulovaná) sama ustáli na novej hodnote, sú sústavy statické. Táto
vlastnosť statických sústav sa nazýva autoregulácia.
5.2.2 Bezkapacitné statické sústavy
Tieto sústavy majú zanedbateľnú kapacitu, a preto prakticky nemôžu hromadiť ani látku,
ani energiu. Preto pri týchto sústavách skokovej zmene vstupnej veličiny odpovedá skoková
zmena výstupnej veličiny.
5.2.3 Jednokapacitná statická sústava
Táto sústava hromadí látku alebo energiu v jednej kapacite. Po skokovej zmene vstupnej
veličiny sa výstupná veličina začne ihneď meniť s určitou počiatočnou rýchlosťou, ktorá
postupne klesá a výstupná veličina sa ustáli na novej hodnote.
5.2.4 Dvojkapacitná statická sústava
Podľa prechodovej charakteristiky môžeme tieto sústavy rozdeliť do dvoch skupín.
Sústavy s aperiodickým priebehom a sústavy s kmitavým (periodickým) priebehom.
Sústavy s aperiodickým priebehom prechodovej charakteristiky – takéto sústavy vzniknú
sériovým zapojením dvoch jednokapacitných sústav. Príkladom takejto sústavy sú dve tlakové
nádoby (napr. výmenník tepla).
Sústavy s kmitavým priebehom prechodovej charakteristiky – takéto charakteristiky majú
sústavy s pružinami alebo sústavy s kondenzátormi a cievkami.
5.2.5 Viackapacitné statické sústavy
Tieto sústavy majú viac ako dve kapacity. Ich prechodové charakteristiky majú podobný
priebeh ako sústavy dvojkapacitné.
5.3 Astatické regulované sústavy
Pri týchto sústavách po skokovej zmene vstupnej veličiny sa výstupná veličina neustále
mení, t.j. sama sa nikdy neustáli na novej hodnote. Tieto sústavy teda nemajú autoreguláciu.
Podľa počtu kapacít ich delíme na jednokapacitné a dvojkapacitné sústavy. Astatické
bezkapacitné sústavy neexistujú.
40
5.3.1 Jednokapacitná astatická regulovaná sústava
Sústava má jednu kapacitu, v ktorej sa môže hromadiť látka alebo energia. Po zmene
vstupnej veličiny sa výstupná veličina neustále mení. Príkladom takejto sústavy je nádrž
s núteným konštantným odberom, ktorý je zabezpečený čerpadlom.
5.3.2 Dvojkapacitná astatická regulovaná sústava
Tieto sústavy majú dve kapacity. Vzniknú sériovým zapojením jednokapacitných sústav
s núteným odberom kvapaliny.
Astatické regulované sústavy vzhľadom na to, že nemajú autoreguláciu, sú ťažšie
regulovateľné ako sústavy statické.
5.4 Nespojité regulátory
Regulátor je druhou časťou regulačného obvodu, tiež dôležitou súčasťou.
Regulátor môžeme označiť ako zariadenie, ktoré samočinne uskutočňuje reguláciu.
Porovnáva skutočnú a žiadanú hodnotu regulovanej veličiny a v závislosti od regulačnej
odchýlky ovplyvňuje akčnú veličinu.
Regulátor má tieto časti: merací člen, riadiaci člen (nastavovacie zariadenie), porovnávací
člen a akčný člen. Porovnávací člen môže porovnávať iba fyzikálne rovnaké veličiny.
V prípade ak skutočná a žiadaná hodnota regulovanej veličiny nemajú rovnaké fyzikálne
rozmery, treba pridať merací člen.
41
Rozdelenie regulátorov – podľa funkcie delíme regulátory na spojité a nespojité, pričom
obidve skupiny sú rovnako dôležité.
Spojité regulátory – sú charakteristické tým, že všetky členy regulátora pracujú spojite, t.j.
medzi vstupnou veličinou regulátora (regulačnou odchýlkou) a výstupnou (akčnou veličinou)
je spojitá závislosť.
Nespojité regulátory – majú medzi regulačnou odchýlkou a akčnou veličinou nespojitý vzťah.
Podľa toho či regulátory pracujú s pomocnou alebo bez pomocnej energie, delíme ich na
priame a nepriame.
Priame regulátory – pracujú bez pomocnej energie, t.j. signál zo snímača sa privádza priamo
na regulačný orgán (akčný člen) – umožňuje jeho prestavenie.
Nepriame regulátory – sa používajú v tých prípadoch, ak signál od snímača nie je dostatočne
silný na prestavenie regulačného orgánu. Medzi porovnávací a akčný člen sa zaraďuje
zosilňovač.
Podľa druhu použitej pomocnej energie rozdeľujeme nepriame regulátory na:
- pneumatické,
- elektrické,
- hydraulické.
Nespojité regulátory sú najrozšírenejšími regulátormi pre ich jednoduchosť. Akčná veličina sa
nemení spojite, ale môže nadobúdať iba obmedzený počet hodnôt. Regulačný orgán pri
nespojitých regulátoroch môže zaujať dve alebo viac pevných polôh, pričom prechod medzi
týmito polohami prebieha skokom. Podľa počtu možných polôh delíme nespojité regulátory
na dvojpolohové a viacpolohové.
42
Dvojpolohový regulátor
Je najjednoduchší nespojitý regulátor. Pri poklese regulovanej veličiny pod žiadanú
hodnotu nadobudne akčná veličina určitú pevnú hodnotu, a pri prekročení žiadanej hodnoty
inú pevnú hodnotu, najčastejšie nulovú.
Vlastnosti dvojpolohového regulátora môžeme opísať pomocou jeho statickej
charakteristiky. Statická charakteristika regulátora udáva závislosť medzi vstupnou veličinou
regulátora, t.j. regulovanou veličinou x a výstupnou veličinou regulátora, t.j. akčnou veličinou
y.
Trojpolohový regulátor
Oproti dvojpolohovému má tú výhodu, že regulačný orgán môže zaujať tri pevné polohy,
čo znamená, že môžeme nastaviť ešte ďalšiu, tretiu hodnotu akčnej veličiny.
Nepriame nespojité regulátory
V prípade, že na ovládanie akčného člena nestačí iba energia dodávaná porovnávacím
členom, je potrebné medzi tieto dva členy vložiť zosilňovač. Energia, ktorú dodáva
porovnávací člen, potom slúži na riadenie zosilňovača napájaného pomocnou energiou. Pri
nespojitých regulátoroch sa používa najmä pomocná elektrická energia.
5.5 Regulačné obvody s nespojitými regulátormi
Tu sa budeme zaoberať spoluprácou regulovaných sústav a nespojitých regulátorov, a to
činnosť regulátora na regulovanej sústave, pričom budeme sledovať priebeh regulačného
procesu.
Pod pojmom regulačný proces rozumieme priebeh regulovanej veličiny v regulačnom
obvode. Regulačný proces je možné vyvolať dvoma spôsobmi:
- zmenou riadiacej veličiny (nastavenia) – úlohou regulátora je čo
najrýchlejšie dosiahnuť novú žiadanú hodnotu,
- zmenou poruchovej veličiny (zaťaženia) – úlohou regulátora je
odstrániť čo najrýchlejšie vplyv poruchovej veličiny na veličinu
regulovanú a udržať ju na žiadanej hodnote.
43
5.5.1 Dvojpolohový regulátor v spojení so statickou sústavou 1. rádu
Obr. Regulačný obvod pre reguláciu teploty
Regulovanú sústavu predstavuje nádrž s vodou, ktorá je ohrievaná ponorným vyhrievacím
telesom. Regulátor teploty je tvorený kontaktným teplomerom, ktorý je napájaný cez
transformátor a pomocou relé ovláda zapínanie vyhrievacieho telesa. Regulovanou veličinou
je teplota vody a akčnou veličinou je elektrické napätie privádzané na vyhrievacie teleso.
5.6 Opatrenia na skvalitnenie regulačných pochodov pri obvodoch riadených
nespojitými regulátormi
V regulačnom obvode s nespojitým regulátorom sú charakteristickými veličinami
opisujúcimi regulačný proces: šírka pásma kmitania regulovanej veličiny, ktorá by vo väčšine
prípadov mala byť čo najmenšia. Existuje na to viacero spôsobov.
Zmenšenie hysterézy – tento spôsob sa používa hlavne pri sústavách prvého rádu, pretože pri
ostatných sústavách je podiel hysterézy na šírke pásma kmitania malý, z čoho vyplýva, že
odstránenie hystérezy narastá frekvencia spínania kontaktov, čím sa skracuje život regulátora.
Zmenšenie doby prieťahu – aby sme dosiahli zmenšenie doby prieťahu, treba navrhnúť
regulačný obvod tak, aby bol zabezpečený rýchly prenos signálu regulovanej veličiny na
akčný člen. Ak je možné, treba umiestniť merací člen čo najbližšie k akčnému. Snímač treba
vhodne umiestniť, aby čo najrýchlejšie reagoval na zmeny regulovanej veličiny.
Zväčšenie doby nábehu – tento spôsob je výhodný použiť len vtedy, ak sa zároveň nezväčší
doba prieťahu. Dobu nábehu možno predĺžiť zväčšením kapacity regulovanej sústavy.
Zmenšenie maximálnej veľkosti akčnej veličiny – zmenšovaním maximálnej veľkosti akčnej
veličiny ymax sa zúži šírka pásma kmitania regulovanej veličiny, ale zároveň sa zväčší doba
rozbehu Tr.
Prehľad základných pojmov
Pojem
Značka
Definícia
Šírka pásma kmitania
xk
Pri nespojito pracujúcom regulátore rozsah,
regulovanej veličiny
v ktorom periodicky kmitá regulovaná veličina.
Perióda kmitania
T
Dĺžka periódy kmitania pri nespojitom regulátore,
ktorý pracuje s periodickým kmitaním regulovanej
veličiny.
Frekvencia spínania
f
Počet zapnutí alebo vypnutí za jednotku času.
Doba rozbehu
Tr
Čas potrebný na to, aby po zapnutí regulačného
obvodu skutočná hodnota prvýkrát dosiahla
44
žiadanú hodnotu.
Nadbytok výkonu
Pri nespojitom regulátore, nadbytok výkonu akčnej
veličiny, vzhľadom na výkon, ktorý by pri trvalom
pripojení práve postačil na udržanie žiadanej
hodnoty regulovanej veličiny.
Nespojité regulátory sa vyznačujú predovšetkým jednoduchou konštrukciou a nízkou
cenou. Ich hlavnou nevýhodou je to, že regulovanú veličinu neudržiavajú presne na žiadanej
hodnote, ale táto veličina neustále kmitá.
5.7 Spojité regulátory
Pri spojitých regulátoroch regulovaná veličina neustále ovplyvňuje akčnú veličinu, ktorá
môže nadobúdať hodnoty v rozmedzí 0 až ymax. Výstupná veličina z regulátora je spojitou
funkciou veličiny vstupnej: y = f(x). Podľa tejto funkčnej závislosti spojité regulátory delíme
na:
- proporcionálny regulátor – P – regulátor,
- integračný regulátor – I – regulátor,
- derivačný regulátor – D – regulátor.
Združením týchto troch základných regulátorov dostaneme združené regulátory:
- proporcionálno-integračný regulátor – PI – regulátor,
- proporcionálno-derivačný regulátor – PD – regulátor,
- proporcionálno-integračno-derivačný regulátor – PID – regulátor.
Pri spojitých regulátoroch sú však väčšie náklady na prístrojové vybavenie. Voľbu regulátora
ovplyvňuje závislosť vstupnej a výstupnej veličiny.
5.7.1 Proporcionálny regulátor – P – regulátor
U tohto regulátora je závislosť medzi vstupnou a výstupnou veličinou priamo úmerná.
Každej hodnote vstupnej veličiny odpovedá priamo úmerná hodnota výstupnej veličiny.
Rovnica regulátora je y = -KR . x , kde KR je súčiniteľ prenosu regulátora (zosilnenie
regulátora), ktorý na rozdiel od sústavy môžeme nastavovať, a tým i ovplyvňovať vlastnosti
regulátora. Znamienko mínus v rovnici znamená, že pri kladnej regulačnej odchýlke sa akčná
veličina zmenší, a naopak, kladné znamienko znamená, že s narastaním regulačnej odchýlky
aj akčná veličina narastá.
45
Proporcionálny regulátor je regulátor stabilný, jednoduchý a lacný. Nevýhodou je to, že
pracuje s tzv. trvalou regulačnou odchýlkou, ktorú nevieme odstrániť, ale iba ovplyvňovať
veľkosťou pásma proporcionality.
5.7.2 Integračný regulátor (I)
Pri proporcionálnom regulátore bola medzi regulačnou odchýlkou a akčnou veličinou
pevná väzba. Ak túto väzbu uvoľníme tak, že od regulačnej odchýlky bude závislá rýchlosť
zmeny akčnej veličiny, dostaneme iný typ regulátora, ktorý nazývame integračný regulátor.
Vlastnosti tohto regulátora: po skokovej zmene vstupnej veličiny (regulovaná veličina)
výstupná veličina z regulátora (akčná veličina) lineárne narastá. Tento regulátor nie je vhodné
použiť na reguláciu astatických sústav.
5.7.3 Derivačný regulátor (D)
Regulátor, pri ktorého zmene rýchlosti vstupnej veličiny, zodpovedá priamo úmerne
hodnota výstupnej veličiny, sa nazýva derivačný regulátor alebo regulátor typu D.
46
Skoková zmena je zmena v tom istom čase, rýchlosť tejto zmeny je nekonečne veľká, preto aj
výstupná veličina pri skokovej zmene vstupnej veličiny je nekonečne veľká hodnota a po
skokovej zmene klesne na nulu.
5.7.4 Združené typy regulátorov
Proporcionálno-integračný regulátor – PI – regulátor vznikne združením P – regulátora
a I – regulátora. Prechodová charakteristika PI – regulátora je rovná súčtu charakteristík
obidvoch regulátorov. PI – regulátor pracuje bez trvalej regulačnej odchýlky.
47
Proporcionálno-integračno-derivačný regulátor – PID – regulátor vznikne združením P –
regulátora, I – regulátora a D – regulátora. Prechodová charakteristika PID – regulátora je
rovná súčtu prechodových charakteristík jednotlivých regulátorov.
Prehľad základných pojmov
Pojem
Značka
Spojitý regulátor
Proporcionálny
Integračný regulátor
Derivačný regulátor
Združený regulátor
Definícia
Regulátor, kde výstupná veličina je spojitou
funkciou vstupnej veličiny.
Zmena akčnej veličiny je priamo úmerná
regulačnej odchýlke.
Rýchlosť zmeny akčnej veličiny je úmerná
regulačnej odchýlke.
Zmena akčnej veličiny je úmerná rýchlosti zmeny
regulačnej odchýlky.
Regulátor, ktorého vlastnosti sú dané súčtom
vlastností jednoduchých regulátorov, z ktorých
48
Súčiniteľ prenosu regulátora
KR
Pásmo proporcionality
xp
Trvalá regulačná odchýlka
∆xt
Integračná časová konštanta
TI
Derivačná časová konštanta
TD
pozostáva.
Pomer zmeny akčnej veličiny k zmene regulovanej
veličiny.
Rozsah, v ktorom sa musí meniť regulovaná
veličina, aby sa regulačný orgán pri P-regulátore
prestavil z jednej krajnej polohy do druhej.
Odchýlka skutočnej hodnoty regulovanej veličiny
od žiadanej hodnoty v ustálenom stave.
Čas, za ktorý by výstupná veličina na I- regulátore
dosiahla rovnakú hodnotu, akú by dosiahla pri Pregulátore s xp = 100%.
Čas, za ktorý by výstupná veličina na I –
regulátore dosiahla rovnakú hodnotu, akú by
dosiahla pri P – regulátore s xp = 100%.
Použitie regulátorov v praxi:
- presná regulácia teploty – PI-regulátor (ak sa často vyskytuje porucha, použijeme PID-reg. )
- regulácia výšky hladiny – PI-regulátor
- otáčky - PI-regulátor
- regulácia tlakov, plynov - PI-regulátor alebo PD-regulátor (môže byť aj I-regulátor)
- regulácia prietoku kvapalín - I-regulátor
- vlečná regulácia a servomechanizmy - PI-regulátor
5.8 Regulačné obvody so spojitými regulátormi
Pri spojitom regulátore sa regulovaná veličina udržiava na žiadanej hodnote bez kmitania
a akčnú veličinu možno nastaviť na ľubovoľnú hodnotu. Výnimku tvorí P –regulátor, ktorý
pracuje s trvalou regulačnou odchýlkou.
Regulačný proces – udáva priebeh regulovanej veličiny v regulačnom obvode pri zmenách
riadiacich a poruchových veličín a pri súčasnom pôsobení regulátora.
Regulačný proces môže byť vyvolaný:
a) zmenou poruchovej veličiny,
b) zmenou riadiacej veličiny.
49
Priebeh regulačného procesu závisí od vlastností regulovanej sústavy a od regulátora. Pretože
existuje množstvo regulovaných sústav rôznych vlastností a tiež viac typov regulátorov.
V regulačnej technike existuje množstvo tzv. kritérií stability, pomocou ktorých sa stabilita
obvodu kontroluje.
Voľba typu regulátora
Regulátor so širokými možnosťami nastavenia jednotlivých parametrov umožní
nastavenie kvalitného regulačného pochodu, je však veľmi zložitý a drahý. Jednoduchý
regulátor je lacnejší, ale niekedy nie je schopný zvládnuť daný regulačný problém. Z toho
vyplýva, že správna voľba regulátora je pomerne zložitá.
Existuje množstvo hľadísk, podľa ktorých možno voliť regulátor, a to napr.
50
-
podľa vlastností regulovanej sústavy,
podľa druhu regulovanej veličiny.
5.9 Akčné členy
Akčný člen je časťou regulačného obvodu, do ktorého prichádza signál z regulátora,
pôsobením ktorého robí regulátor zásah do regulovanej sústavy. Obvykle sa skladá:
1. z pohonu,
2. z regulačného orgánu.
5.9.1 Pohony regulačných zariadení
Podľa druhu energie, s ktorou pohony pracujú, delíme ich na:
a) pneumatické pohony,
b) hydraulické pohony,
c) elektrické pohony.
Pneumatické pohony
Tieto pohony sú membránové a piestové.
Membránové pneumatické pohony
Pri týchto pohonoch výstupný tlak regulátora pv pôsobí na membránu, ktorú deformuje.
S membránou s pracovnou plochou S je spojená tyčka, ktorá prestavuje regulačný orgán
51
o hodnotu y. Tlaková sila Fp od výstupného tlaku pv z regulátora je uvádzaná do rovnováhy
silou pružiny F.
Pneumatické membránové pohony sú konštrukčne jednoduché, spoľahlivé, môžu
vyvodzovať pomerne veľké prestavné sily, sú nenáročné na údržbu. Ich nevýhodou je, že
majú malý zdvih.
Piestové pneumatické pohony
Tieto pohony sa delia na jednočinné a dvojčinné.
a) jednočinný pohon – výstupný tlak z regulátora sa privádza len na jednu stranu
piesta. Proti pohybu piesta pôsobia značné pasívne odpory, preto tieto pohony
bývajú vybavené korektorom.
b) dvojčinný pohon – tieto pohony sú vybavené pneumatickým piestovým
rozvádzačom. Výstupný tlak z regulátora pôsobí na membránu pohonu, ktorý
ovláda rozvádzač. Systém je napájaný vzduchom s tlakom.
52
Výhodou piestových pohonov je, že sa nimi dosahujú veľké prestavné sily a aj zdvihy.
Hydraulické pohony
Najčastejšie sa používajú lineárne hydromotory, výstupom z nich je priamočiary pohyb
piestovej tyče. Tieto pohony sú vybavené rozvádzačmi.
Elektrické pohony
Tieto pohony delíme na elektromagnetické a elektromotorické.
Elektromagnetické pohony – sú to zariadenia akčných členov, ktoré poháňa elektromagnet.
Príkladom sú solenoidové ventily.
Ak cievkou nepreteká prúd, pružina pritláča kužeľ na sedlo ventilu a uzatvára prietok cez
ventil. Ak cievkou preteká prúd, pôsobením magnetického poľa je jadro vtiahnuté do cievky
a prietok ventilom je otovrený. Tieto pohony sú jednoduché a spoľahlivé, ale použiteľné len
pre malé zdvihy a dvojpolohovú reguláciu.
Elektromotorické pohony – používajú sa na plynulé prestavovanie regulačných orgánov.
Pohonmi sú reverzné elektromotory vybavené prevodovými skriňami. Tieto pohony majú
koncové spínače, ktoré vypnú motor pri dosiahnutí určitej sily alebo momentu. Krokový
elektromotor je významnou súčasťou číslicového riadenia. Skladá sa zo statora a rotora.
Stator tvoria dvojpólové elektromagnety. Rotor má na obovde pólové segmenty, ktoré
priťahujú pólové dvojice elektromagnetov.
53
5.9.2 Regulačné orgány
Regulačný orgán robí bezprostredný zásah do regulovanej sústavy. Regulačný orgán je
teda zariadenie, ktoré mení prietok látky alebo energie regulovanou sústavou. Prietoková
charakteristika vyjadruje vlastnosti regulačných orgánov. Prietoková charakteristika udáva
závislosť prietokového množstva Q od zdvihu regulačného orgánu. Ďalšou vlastnosťou
regulačného orgánu a jeho pohonu je doba záveru. Doba záveru je čas, za ktorý sa uzatváracie
teleso regulačného orgánu prestaví z jednej krajnej do druhej krajnej polohy maximálnou
rýchlosťou. Ďalšími parametrami, ktoré charakterizujú vlastnosti regulačných orgánov sú:
zdvih, prietokový objem, prietokový súčiniteľ, tesnosť uzáveru.
Na reguláciu prietoku sa najčastejšie používajú tieto regulačné orgány: klapka, posúvač,
ventil, kohút a čerpadlo.
V elektrotechnických systémoch sú to: elektromechanické relé, stýkače, tranzistory a iné.
54
VI. SIEŤOVÉ NAPÁJANIE
Sieťové napájanie je najbežnejším napájaním zariadení v domácnosti. V našich
podmienkach používame napájanie 230 V/50 Hz pri jednofázovom napájaní alebo 3 x 400 V
pri trojfázovom napájaní.
6.1 Rozdiel medzi krajným (fázovým), stredným (neutrálnym) a ochranným
(zemniacim) vodičom
V rozvodoch sa vyskytujú tri druhy vodičov – krajný (v starej terminológii fázový),
stredný (neutrálny) a ochranný. Krajný vodič sa označuje písmenom L a pri izolovaných
vodičoch hnedou, čiernou alebo šedou farbou. Neutrálny vodič je označovaný písmenom N a
svetlomodrou farbou. Ochranný vodič je označený kombináciou písmen PE a žlto-zelenou
farbou. V starších rozvodoch sa namiesto neutrálneho vodiča používa kombinovaný neutrálny
a ochranný vodič označený písmenami PEN a žlto-zelenou farbou. Vodiče slúžiace na
pripojenie zariadenia s kovovými krytmi a šasi musia mať tri vodiče, jeden pre krajný, jeden
pre neutrálny a jeden pre ochranný prívod.
Význam dobrých spojení so zemou
Jedným z najdôležitejších bezpečnostných opatrení je dokonalé spojenie všetkých
vodivých častí, dostupných pri obsluhe, s ochranným vodičom. Odpor medzi dutinkou
ochranného vodiča vo vidlici a kovovou dostupnou časťou musí byť menší ako 0,2 Ω pri
dĺžke kábla do 3 m. Odpor sa musí merať prúdom aspoň 0,2 A. To zabezpečí, že ani v prípade
poruchy sa na kryte neobjaví nebezpečné napätie, kým príde k prerušeniu elektrického
obvodu istiacim prvkom (poistka, istič).
6.2 Poistka
Schematická značka poistky
Keramické tavné poistky pre elektrické rozvody
Automobilové tavné poistky
55
Malé poistky, používané v elektrotechnike
250 A tavná poistka pre elektrické rozvody
Priemyselná 200 A poistka
Poistka alebo elektrická poistka alebo tavná poistka, v schéme označovaná ako F (z
angl. Fuse) je elektrická súčiastka, ktorej úlohou je chrániť elektrický obvod pred prúdom
vyšším ako je nominálny (tzv. nadprúd), alebo skratom. Poistka predstavuje zámerné
vytvorenie najslabšieho miesta v obvode. Pri preťažení sa pretaví tavný vodič v poistke, čím
sa obvod preruší.
Činnosť poistky
Je založená na prerušení chráneného obvodu pretavením tavného vodiča vo vnútri poistky. Pri
veľkom nadprúde alebo skrate sa tavný vodič pretaví v celej dĺžke. Elektrický oblúk, ktorý
56
horí medzi koncami roztaveného vodiča, zaniká pôsobením prudkého nárastu odporu, ktorý
vytvára odparený kov. Pôsobením elektrodynamických síl sa z roztopeného kovu tvoria
perličky, ktoré oblúk trieštia. Súčasne so zvyšovaním teploty horiaceho oblúka narastá v
pomerne malom priestore aj tlak pár. Kovové pary ďalej expandujú medzi zrnká kremičitého
piesku, ktorý sa v poistke nachádza okolo tavného vodiča. Pary v piesku začnú kondenzovať,
tým sa teplota oblúka rapídne znižuje a klesá množstvo ionizovaných častíc, ktoré sú schopné
viesť elektrický prúd. Celý tento proces sa uskutoční veľmi rýchlo. Poistky sú schopné
prerušiť obvod skôr, ako skratový prúd dosiahne kritickú veľkosť poškodzujúcu chránený
obvod.
Z bezpečnostných dôvodov sa poistka nesmie opravovať, je potrebné ju vymeniť. Poistky
sú najúčinnejšie pri veľkých nadprúdoch resp. skratoch, ktoré veľmi rýchlo pretavia tavný
vodič. Pri malých nadprúdoch sú pomerne nespoľahlivé, preto sa používajú hlavne na istenie
vedení proti skratom. Na istenie elektromotorov, ktoré sú citlivé na preťaženie nie sú vhodné.
V súčasnosti sa poistky nahradzujú ističmi.
Rýchlosť reakcie poistky určuje hlavne jej konštrukcia. Rýchle poistky obsahujú zvyčajne len
voľný tavný drôt, pri pomalých poistkách je patróna poistky vyplnená jemným kremičitým
pieskom, ktorý čiastočne odvádza teplo z tavného drôtu.
Konštrukcia poistiek
Hlavnou časťou poistky je patróna (niekedy samotná označovaná ako poistka), ktorá obsahuje
tavný vodič. Patróna je vymeniteľnou časťou poistky, je normalizovaná a odstupňovaná podľa
maximálnej prúdovej záťaže. Poistkové puzdro, poistný spodok a pod. je pevnou časťou
poistky, ktorá je pevne spojená s chráneným obvodom. Niekedy sa poistka vkladá priamo do
pevnej časti - napr. nožové poistky, niekedy sa upevňuje pomocou tzv. nosiča. Malé poistky
sa vyrábajú aj ako súčiastka do DPS, resp. pre povrchovú montáž. Vzhľadovo pripomínajú
rezistor. Niekedy je na DPS umiestnený len poistný spodok, do ktorého sa vkladajú
trubičkové poistky. Trubičková poistka je tvorená sklenenou rúrkou, na koncoch uzatvorenou
prívodnými kontaktmi, medzi ktorými je napnutý tavný drôt. Niekedy je rúrka vyplnená
jemným až prachovým pieskom (pomalšia reakcia). Automobilová poistka je tvorená
nožovými kontaktmi v plastovom puzdre, medzi ktorými je napnutý tavný drôt. Niektoré
automobilové poistky sú vyrábané z jedného kusa aj s prívodnými nožmi, slabé miesto je
vytvorené zalisovaním (stenšením) prepojky.
Hlavné časti klasickej poistky sú:
•
•
•
Poistný spodok - pevná neodnímateľná časť poistky vybavená kontaktmi a svorkami,
ktorá sa zabuduje do steny
Poistkový nosič - odnímateľná časť poistky určená pre spojenie patróny a umožňuje
jej vybratie
Patróna - obsahuje kontakty, tavný vodič, kremičitý piesok na uhasenie oblúku, terčík
Vo vstupných a výstupných obvodoch sa používajú poistky:
•
•
závitové
nožové
Závitovými poistkami sa istia svetelné a pomocné obvody. Majú závit typu E. Skratový
výkon je malý. Výkonové poistky sa zhotovujú s nožovými kontaktmi. Používajú sa na istenie
hlavných napájacích obvodov. Patróny sa delia na rozoberateľné a nerozoberateľné. Tvar
patróny je valcový alebo štvorhranný. Vnútri patróny je tavný vodič zoslabený na viacerých
miestach. Tým sa zabezpečuje veľký vypínací prúd (až 100kA). Účinné zhášanie oblúka
57
zabezpečuje kremičitý piesok, ktorý obklopuje tavný vodič. Preto sa zhotovuje z materiálu s
väčším odporom.
Poistky typu PH sú určené pre menovité prúdy 10 až 630A a napätie 500V/50Hz. Vyrábajú sa
v piatich veľkostiach. Porcelánové poistkové spodky SPH, určené pre poistky PH, sú
odstupňované v štyroch veľkostiach. Sériové zapájanie poistiek sa neodporúča.
Poškodené patróny môžeme vymeniť aj pod napätím pomocou izolačného držiaka, ktorý sa
používa aj ako bezpečnostný kryt. Jednotlivé typy poistiek sa odlišujú vypínacou
charakteristikou.
Vypínacia charakteristika poistky
Je závislosť vypínacieho času poistky od efektívnej hodnoty prúdu, ktorý ňou prechádza.
Charakteristika má približne hyperbolický priebeh, ktorý sa asymetricky približuje
menovitému prúdu IN a času t = 0.
Vypínacia charakteristika závisí od:
•
•
•
•
prierezu tavného vodiča
materiálu tavného vodiča
druhu zhášadla
konštrukcie tavného vodiča.
Vypínacie časy jedného typu poistky majú rozptyl, preto je vypínacia charakteristika
definovaná určitým pásmom. Podľa vypínacej charakteristiky sa poistky rozdeľujú na:
•
•
•
pomalé (na istenie motorov)
rýchle (na istenie vedenia spotrebičov)
veľmi rýchle (na istenie polovodičových obvodov).
6.3 Skrat
Konáre stromov spôsobujú skrat na vedení počas dažďa.
58
Príklady skratu v obvode, skratovaný vodič je vyznačený červenou farbou.
Skrat (alebo tiež "stav nakrátko") je stav v elektrickom obvode, kedy elektrický prúd
neprechádza cez žiadny spotrebič a jediným odporom je vlastný odpor obvodu (resp. vodiča),
cez ktorý prúd prechádza. Skrat nastáva aj pri priamom spojení pólov zdroja alebo pri
prechode prúdu miestom kadiaľ mu to nebolo určené (napr. pri poruche). V domácnostiach
alebo hlavných vysokonapäťových vedeniach skrat nastáva medzi fázou a zemou alebo fázou
a nulovým vodičom.
Následky skratu
V obvodoch platí ohmov zákon, podľa ktorého veľkosť prúdu určíme ako
kde I prúd, U - napätie, R - odpor. Ak teda jediným odporom je odpor vodiča - rádovo stotiny až
desatiny ohmov, veľkosť prúdu je veľmi vysoká aj pri napätí 1 volt. Takto veľký prúd
ohrozuje zdravie človeka. S rastúcim prúdom v obvode sa zvyšuje aj teplota vodičov, pri
týchto vysokých hodnotách môže dôjsť k požiaru, pokiaľ nie je obvod vhodne chránený.
U chemických zdrojov dochádza k rýchlemu vybitiu týchto zdrojov, medzi elektródami
dochádza k veľmi rýchlemu prenosu elektrického náboja a tým sa medzi nimi znižuje napätie.
So zvyšujúcou sa teplotou vodičov a zdroja môže dochádzať k nežiadúcim chemickým
reakciám pri vysokých teplotách vo vnútri zdroja a tým k jeho poškodeniu až explózii.
V silnoprúdovej energetike a vysokonapäťových vedeniach predstavuje skrat značné
nebezpečenstvo, extrémne hodnoty prúdu môžu spôsobiť požiar v okolí vedení, alebo
zničenie zariadení, rozvodní alebo transformátorových vinutí.
Skrat ako ochrana
Využíva sa pri vysokonapäťových rozvodoch pri ich údržbe, kontrole a pod. Pri vypnutom
zariadení sa ako istenie pripoja špeciálnymi vysokovodivými káblami opravované zariadenia
na zem, aby pri prípadnom náhodnom zapnutí zariadenia (rozvodu, transformátora a pod.)
nedošlo k ohrozeniu života pracovníkov.
Ochrana pred skratom
Na ochranu sa používajú ochranné prvky napr. poistka, istič, nadprúdové relé. Ich úlohou je
"sledovať" veľkosť pretekajúceho prúdu na vstupnom vedení zariadenia, alebo chráneného
obvodu. V prípade, že pretekajúci prúd prekročí nominálnu hodnotu (napr. pri skrate v
zariadení, poruche a pod.) automaticky preruší napájanie (prívod energie). Ak sa takéto
ochranné prvky v obvode nenachádzajú, je potrebné obvod sledovať a vypnúť ručne.
6.4 Nebezpečenstvá
Rádioamatérske zariadenia okrem dotyku s krajným (fázovým) vodičom skrývajú aj ďalšie
riziká. Je tu možnosť popálenia vysokofrekvenčným prúdom pri dotyku s výstupným
obvodom vysielača alebo antény. Pri väčších výkonoch je možnosť popálenia aj pri dotyku s
izolovaným vodičom vf prúdu. Pri neizolovaných vodičoch dokáže za určitých okolností
popáliť aj výkon 5 W.
Vysoké napätie
Ďalším zdrojom nebezpečenstva je vysoké napätie v elektrónkových zariadeniach a hlavne
v koncových stupňoch, kde sa používa napätie aj niekoľko kV. Preto je nutné, aby pri
odkrytovaní takéhoto zariadenia zvláštny vypínač odpojil vysoké napätie. Väčšina
amatérskych konštruktérov na toto bezpečnostné opatrenie zabúda.
59
Nabitý kondenzátor
Aj pri odpojení vysokého napätia si treba dať pozor na náboj, ktorý sa môže udržať na
kondenzátoroch v obvode vysokého napätia. Väčšinou sa tu používajú filtračné kondenzátory
s pomerne veľkými kapacitami a náboj na týchto kondenzátoroch môže spôsobiť vážny úraz
alebo aj smrť
Blesk
Blesk je výboj statickej elektriny, ktorá sa nahromadí v mrakoch. Táto statická elektrina má
veľmi veľkú energiu a veľmi vysoké napätie. Toto napätie sa snaží vybiť oproti zemi alebo
inému mraku.
Nebezpečenstvo
Nebezpečenstvo blesku spočíva v tom, že sa snaží vybiť najmä oproti vyčnievajúcim
vodivým predmetom. Takýmto vodivým predmetom je aj naša anténa alebo stožiar, na
ktorom je upevnená. Pri preskoku blesku do takéhoto vodiča sa tento snaží dostať do zeme
cestou najmenšieho odporu a tu je práve zapojené naše zariadenie. Pri zásahu antény bleskom
zariadenie prakticky nikdy neodolá a zmení sa na kôpku ohoreného šrotu. Horšie je, ak v tej
dobe držíme v ruke mikrofón, telegrafný kľúč, alebo máme na ušiach slúchadlá. V takom
prípade obvykle nasledujeme príklad zariadenia. A dobrých rádioamatérov je tak málo...
Ochrana
Ochrana pred účinkami blesku spočíva hlavne v uzemnení antény v prípade, že v našom
blízkom okolí je búrka. Veľmi dôležité je, aby aj stožiare a ostatné body, o ktoré je anténa
upevnená, boli chránené bleskozvodom. Samozrejme, ak sa blíži búrka, nestačí anténu len
uzemniť, treba tiež odpojiť prívod antény od zariadenia. Ani potom sa zariadenia zbytočne
nedotýkame. Nebezpečným totiž môže byť aj naindukované napätie, ktoré sa do antény
dostane aj bez priameho zásahu bleskom. Pritom ale, každá anténa, ktorá má kovovú
konštrukciu, musí byť pripojená na bleskozvod. Ak to nie je možné z konštrukčných
dôvodov, musí byť chránená iskrišťom alebo aj bleskoistkou.
Uzemňovanie zariadenia
Uzemňovanie zariadení je dôležité nielen z bezpečnostného hľadiska, ale (a to je rovnako
dôležité) aj z pohľadu lepšieho vyžarovania rádiových vĺn a zníženia možnosti rušenia iných
zariadení. Zásadou je, že všetky zariadenia, ktoré používame pri vysielaní, je nutné
uzemňovať do jedného bodu, ktorý je dokonale spojený so zemnou sústavou. Toto uzemnenie
musíme viesť od každého zariadenia do zemniaceho bodu samostatne, širokým alebo hrubým
vodičom. Osvedčilo sa opletenie z hrubého koaxiálneho kábla (pančucha). Nemôžeme sa
spoliehať na uzemnenie cez rozvodnú sieť. V prípade použitia počítača na amatérskej stanici
je vhodné uzemniť aj skriňu počítača, ale dátové, prípadne zvukové signály oddeliť
optočlenmi alebo transformátormi.
6.5 Ľudské telo
Ľudské telo sa z hľadiska elektrického prúdu správa ako rezistor s hodnotou cca 2 kΩ,
ktorý bez poškodenia znáša prúdy do 10 mA, rizikom sú prúdy okolo 30 mA a pri prúdoch
nad 80 mA sa spravidla nenávratne poškodzuje. Z Ohmovho zákona si jednoducho
vypočítame, že pri dotyku s napätím 230 V tečie ľudským telom prúd okolo 115 mA, čo už je
hodnota vysoko nad hranicou neovládateľných kŕčov (okolo 80 mA), pri ktorých nie sme
schopný prerušiť dotyk.
60
Následky zásahu elektrickým prúdom
Pri posudzovaní následkov zásahu elektrickým prúdom musíme pri prúdoch nad 15 mA
brať do úvahy aj to, či ide o prúd jednosmerný alebo striedavý. Pri jednosmernom prúde
dochádza k stiahnutiu srdcového svalu kŕčom, pri striedavom prúde sa srdce snaží rozkmitať
podľa frekvencie prúdu. Ak uvažujeme s kľudovou tepovou frekvenciou srdca 70 až 80
úderov za minútu, zodpovedá to približne frekvencii 1,3 Hz. Pri dotyku s frekvenciou siete 50
Hz je srdcový sval neprimerane namáhaný, dochádza k fibrilácii. Preto je striedavý prúd
technických frekvencií nebezpečnejší ako jednosmerný. Pri striedavých prúdoch vysokých
frekvencií sa neprejavuje prienik do organizmu, ale prúd prechádza povrchom tela
a spôsobuje hlavne popáleniny.
Predbežné opatrenia proti zásahu elektrickým prúdom
Najlepším opatrením proti zásahu elektrickým prúdom je dokonalá izolácia a spojenie
krytov a šasi s ochranným vodičom. V súčasnosti je veľmi populárne použitie prúdových
chráničov, ktoré obmedzujú poruchové prúdy väčšie ako cca 20 mA. Ako doplnková ochrana
sa využíva prepojenie kovových krytov zariadení do jedného bodu, ktorý spojíme so zemou.
6.6 Poskytovanie prvej pomoci pri zásahu elektrickým prúdom
Postup:
a) Postihnutého dostaneme z dosahu elektrického prúdu
b) Ak postihnutý nedýcha, zavedieme umelé dýchanie
c) Ak nie je hmatateľný pulz, začneme nepriamu masáž srdca
d) Privoláme lekára
Ad a) Postihnutého dostaneme z dosahu elektrického prúdu:
- vypnutím prúdu (vypneme príslušný vypínač, istič, vytiahneme zástrčku zo zásuvky),
- odsunutím vodiča, odtiahnutím postihnutého pomocou izolačného predmetu (suché drevo,
suchý odev, suchý povraz a podobne – nikdy nie vlhkým alebo vodivým predmetom)
- prerušením vodiča (preseknutím sekerou s izolačným poriskom /suchým/, izolovanými
kliešťami a pod.)
Nedotýkame sa holou rukou tela postihnutého ani vlhkých častí jeho odevu. Ak je to možné,
pracujeme iba jednou rukou. Postihnutého zaistíme pred pádom po prerušení prúdového
okruhu.
Skontrolujeme zdravotný stav postihnutého, ak je pri vedomí, uložíme ho do kľudu,
nedovolíme vykonávanie žiadnych činností, privoláme lekársku pomoc.
Ad b) Ak postihnutý nedýcha, zavedieme umelé dýchanie:
61
- zakloníme hlavu postihnutého čo najviac dozadu
- stlačíme mu nos, široko otvorenými ústami obomkneme ústa (nos) postihnutého
- nadýchneme sa a hlboko vydýchneme do úst postihnutého asi 10-krát po 1 sekunde.
Ďalej pokračujeme rýchlosťou 12 až 16 vdychov za minútu. Pritom sledujeme dýchacie
pohyby hrudníka postihnutého!
Obr. 66. Umelé dýchanie
Ad c) Ak nie je hmatateľný pulz, začneme nepriamu masáž srdca:
Postihnutý musí ležať na chrbte, na pevnej podložke, záchranca kľačí pri pravej (ľavej) ruke
postihnutého. Zápästie pravej ruky položíme dlaňou na dolnú časť hrudnej kosti (tam kde
končí), prsty smerujú k ľavému (pravému) lakťu postihnutého tak, aby sa nedotýkali
hrudníka.
Ľavú ruku položíme naprieč cez pravú a hmotnosťou tela stláčame vystretými rukami hrudnú
kosť smerom k chrbtici do hĺbky 4 až 5 cm, asi 80-krát za minútu.
Ak oživujú dvaja, na päť stlačení hrudnej kosti pripadá jeden vdych do pľúc. Ak oživuje iba
jeden, potom na 15 stlačení pripadajú dva vdychy. Pri stláčaní hrudnej kosti nevykonávajte
vdych.
62
Obr. 67. Nepriama masáž srdca
6.7 Istič
2 pólový istič
Istič je elektrické zariadenie, ktoré ak ním preteká prúd väčší ako je nominálny (nadprúd
alebo skrat) automaticky odpojí prívod elektrického prúdu do elektrického obvodu (resp.
spotrebiča) a tým bráni jeho preťaženiu ako aj prípadnému úrazu osôb. Jeho hlavnou výhodou
oproti poistke je, že je ho možné znova zopnúť a používať bez potreby výmeny jeho častí.
Ističe sa vyrábajú pre rôzne prúdové zaťaženie - od menších, ktoré ochraňujú napríklad len
byt či dom, až po veľké ističe ochraňujúce vysokonapäťové vedenia dodávajúce prúd pre celé
mesto.
63
Rozdelenie ističov
Vysokonapäťový 3-fázový vypínač na 1200A a 115 000V
Rozdeľujú sa podľa:
Spôsobu zhášania oblúka na:
•
•
•
vzduchové - oblúk medzi kontaktmi vzniká vo vzduchu a na jeho zhášanie sa používa
deiónová zhášacia komora
olejové - oblúk medzi kontaktmi vzniká v oleji a pôsobením oleja sa zháša
vákuové - oblúk medzi kontaktmi vzniká vo vákuu a rýchlim rozpojením a veľkou
izolačnou pevnosťou vákua sa oblúk zahasí skôr
Počtu pólov na:
•
•
jednopólové (jednofázové) - používané na istenie jednofázových vedení a spotrebičov
trojpólové (trojfázové) - používajú sa na istenie trojfázových obvodov
Veľkosti menovitého prúdu na:
•
•
•
drobné (do 63A)
stredné (100 - 630A)
veľké (nad 1000A)
Druhu prúdu na:
•
•
•
jednosmerné
striedavé
univerzálne
Vypínacej charakteristiky na ističe na istenie:
•
•
•
vedení
motorov
špeciálne
Spôsobu ovládania na:
•
•
•
ručné
s elektromotorickým pohonom
s pneumatický pohonom
64
Konštrukcia
Funkčné časti ističov
Aby prístroj mohol pôsobiť ako istič v obvode s nízkym napätím, musí mať:
•
•
•
•
kontaktový systém
zariadenie na zhášanie oblúka
zariadenie na ovládanie s voľnobežkou
zariadenie na poruchové vypínanie - spúšť
Kontaktová sústava
Dimenzuje sa na trvalý prenos menovitého prúdu a musí vydržať aj krátkodobé zaťaženie
skratovým prúdom. Pri malých ističoch môže byť kontaktová sústava jednoduchá alebo
mostíková s jedným až dvoma prerušeniami. Malé hmotnosti pohyblivých kontaktov
umožňujú dosiahnutie veľkých vypínacích rýchlostí kontaktov. Kontakty sa vyrábajú zo
zliatiny striebra s prísadami, ktoré zvyšujú ich tepelnú vodivosť. Pri stredných a veľkých
ističoch sa používajú najmä palcové kontakty. Ich tvar sa navrhuje tak, aby pri vypínaní
skratového prúdu nenastalo zvýšenou teplotou ich zvarenie. Konštrukcia musí umožňovať
jednoduchú a rýchlu výmenu kontaktov. Moderné ističe sú vybavené pomocnými
mostíkovými kontaktmi.
Ovládací a voľnobežný mechanizmus
Malé a stredné ističe sa ovládajú ručne. Pri veľkých ističoch môže byť ručné ovládanie
kombinované so strojovým pohonom. V zopnutej polohe sa systém zabezpečuje zámkou
voľnobežky.
Spúšte
Sú to zariadenia, ktoré svojím účinkom zabezpečujú pôsobenie voľnobežného mechanizmu
vtedy, ak prúd v obvode zmení svoju veľkosť pod alebo nad nastavenú hodnotu. Spúšť
vytvára prúdová dráha (cievka, bimetal) a vybavovací mechanizmus (kotva). Spúšť sa skladá
z elektrickej časti (cievka elektromagnetu) a mechanickej časti (kotva elektromagnetu). Ak
cievkou prechádza plný prúd hlavného obvodu, spúšť je označovaná ako primárna. Ak sú
prúdy v obvode veľké, alebo treba spúšť galvanicky oddeliť od siete, napája sa spúšť z
prístrojového transformátora a je označovaná ako sekundárna. Čas reakcie spúšte závisí od
veľkosti prechádzajúceho nadprúdu, preto sa nazýva závislá spúšť. Niektoré druhy ističov
majú zabudovanú kataraktovú spúšť. Je to elektromagnetická spúšť s hydraulickým
oneskorovacím zariadením z nemagnetického materiálu. Puzdro je naplnené kvapalinou s
nízkym bodom tuhnutia a nachádza sa v ňom pohyblivé jadro z feromagnetického materiálu,
ktoré je pružinou tlačené do zadnej polohy.
Pri vypínaní skratové prúdu pôsobí spúšť elektromagnetická. Magnetické pole vytvorené
cievkou, ktorou prechádza skratový prúd, dosť veľké na to, aby pritiahlo kotvu pôsobiacu na
zámok voľnobežného mechanizmu aj napriek veľkej vzduchovej medzere. Pôsobenie spúšte v
tomto prípade je časovo nezávislé.
Pri vypínaní nadprúdu pôsobí spúšť ako oneskorovacia. bimetalom preteká nadprúd, ktorý
pomaly zohrieva bimetal. Bimetal sa zohreje v závislosti na veľkosti nadprúdu a času
pôsobenia čím vyvolá mechanické pôsobenie na kotvu vybavovacieho mechanizmu, ktorý dá
pokyn na vypnutie ističa.
65
Prierez ističom
Časti ističa
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
ovládacia páčka
aretačný mechanizmus
kontakty
prívodná svorka
bimetalový pás
regulačný prvok umožňujúci presné nastavenie hodnoty medzného prúdu
elektromagnetická spúšť
zhášacia komora
Činnosť
Všetky ističe majú tú istú funkciu, ale ich parametre sa líšia v závislosti na napäťovej triede,
veľkosti medzného prúdu a druhu ističa. Istič musí rozpoznať chybu; v nízkonapäťových je to
vo vnútri samotného ističa, vysokonapäťové majú oddelené zariadenia na odhalenie nadprúdu
alebo skratu. Ak je chyba odhalená, kontakty v ističi sa musia rozpojiť aby sa tým zamedzilo
prechádzanie prúdu. Niektoré používajú mechanickú energiu na rozpojenie kontaktov, iné
energiu zo samotného nadprúdu, napríklad pre rôzne cievky. Ak je dodávka prúdu prerušená,
môže vzniknúť elektrický oblúk, ktorý je rušený/zhášaný v zhášacej komore. Nakoniec ak je
obvod bezpečne rozpojený, kontakty môžu byť opäť spojené aby sa obnovila dodávka prúdu.
Zhášanie elektrického oblúka
Rýchle a spoľahlivé zhášanie oblúka zabezpečuje zhášacia komora, ktorú obsahuje každý
istič. Pri starších typoch ističov sa využívali komory s pólovými nadstavcami a zhášacou
cievkou - tento spôsob sa používa iba pri ističoch na jednosmerný prúd. V súčasnosti sa
používajú deiónové zhášacie komory. Elektrodynamické sily vyvolané prúdovou slučkou
vháňajú oblúk do zhášacej komory. Medzi kovovými doskami sa oblúk rozdelí na väčší počet
oblúkov, spojených do série. Prudkým zväčšením dĺžky oblúka narastá celkový odpor vodivej
dráhy a intenzívne ochladzovanie. V dôsledku toho nastáva deionizácia a oblúk sa zháša.
Ďalšie zväčšenie účinnosti zhášania sa dosiahne zväčšením rýchlosti vypínania pohyblivých
kontaktov. Ak sa oblúk zapáli v čase do 5ms od vzniku skratu a zhášacia komora má
dostatočný počet deliacich komôr, istič môže mať obmedzovací účinok. Táto úprava
umožňuje zvýšenie vypínacieho prúdu malých ističov až na 10kA.
66
6.8 Stykač
Nezapúzdrený priemyselný stýkač. Hore hlavné spínacie kontakty, zboku mikrospínače,
tvoriace pomocné prepínacie kontakty.
Schematická značka stýkača s tromi hlavnými spínacími kontaktmi a pomocným rozpínacím a
spínacím kontaktom
Trojfázový stýkač pre inštaláciu na rozvodnú lištu
Stýkač je elektromagneticky ovládaný spínač pre spínanie elektrických obvodov stredného a
vysokého výkonu. Princípom činnosti je podobný relé (kovová kotva, mechanicky spriahnutá
s jedným alebo viacerými silovými spínacími kontaktmi je pritiahnutá magnetickým poľom
cievky), je však skonštruovaný s ohľadom na špecifiká spínania a rozpájania výkonových
(silových) elektrických obvodov (potreba zhášania oblúkových výbojov po rozpojení obvodu
a pod.)
Hlavné (silové) kontakty stýkača bývajú na rozdiel od relé takmer výhradne spínacie – v
neutrálnom stave stýkača sú rozpojené. Okrem hlavných kontaktov majú stýkače často aj
pomocné nízkonapäťové (spínacie, rozpínacie, prepínacie) kontakty, slúžiace na signalizačné
účely prípadne na spínanie pomocných záťaží.
67
Princíp a konštrukcia trojfázového stýkača:
1.cievka s jadrom, 2.vratná pružina, 3.kotva, 4.silový spínací kontakt
•
Využitie
•
•
•
•
pripájanie, odpájanie a riadenie (reverzácia, stupňovité radenie výkonu) elektrických
strojov a silových spotrebičov (elektromotory, generátory, transformátory, elektrické
pece a pod.)
spínanie celých vetiev elektrických rozvodov (verejné osvetlenie, časti rozvodov v
budovách a pod.)
ovládanie viacerých nezávislých elektrických okruhov jedným vypínačom alebo
tlačidlom,
riešenie núdzového rozpojenia viacerých nezávislých okruhov jedným centrálnym
ovládačom
Kategorizácia
•
•
•
•
•
podľa druhu spínaného prúdu – stýkače pre striedavý (AC) alebo jednosmerný (DC)
prúd. Konštrukčne bývajú náročnejšie stýkače pre jednosmerný prúd, nakoľko sa pri
jeho rozpájaní ťažšie zháša oblúk.
podľa kategórií spínaných záťaží, ktoré daný stýkač umožňuje spínať (viď nižšie) a
maximálneho povoleného napätia/prúdu/výkonu pre jednotlivé kategórie
podľa počtu hlavných spínacích kontaktov
podľa typu puzdra resp. spôsobu montáže/uchytenia
podľa parametrov cievky (veľkosť ovládacieho napätia)
Kategórie spínaných záťaží
Pre zjednodušenie výberu stýkača, vhodného pre daný typ záťaže existuje kategorizácia typov
spínaných záťaží (podľa IEC 947-4):
•
striedavý prúd
o AC1 – neinduktívne alebo mierne induktívne záťaže, odporové pece
o AC2 – asynchrónne motory s krúžkovým rotorom
o AC3 – motory s kotvou nakrátko, spúšťanie/vypínanie za chodu
o AC4 – motory s kotvou nakrátko, spúšťanie/reverzácia/krátkodobý chod
o AC5a – výbojkové svietidlá
o AC5b – žiarovky (bežné vláknové alebo halogénové)
68
AC6a – transformátory
AC6b – kondenzátory
AC7a – mierne induktívne záťaže domácich a podobných spotrebičov
AC7b – motorové záťaže domácich a podobných spotrebičov
jednosmerný prúd
o DC1 – neinduktívne alebo mierne induktívne záťaže, odporové pece
o DC3 – derivačné motory, spúšťanie/reverzácia/krátkodobý chod, dynamické
brzdenie
o DC5 – sériové motory, spúšťanie/reverzácia/krátkodobý chod, dynamické
brzdenie
o DC5 – žiarovky (bežné vláknové alebo halogénové)
o
o
o
o
•
6.9 Prúdový chránič
2-pólový prúdový chránič s citlivosťou 100 mA pre napätie 230 V a prúd 100 A
Prúdový chránič je elektrické zariadenie (elektrický prístroj), zabezpečujúce elektrický
obvod tak, aby došlo k rýchlemu odpojeniu obvodu v prípade, že dochádza k úniku (aj
relatívne malej) časti elektrického prúdu mimo chránený obvod (tzv. chybový alebo
poruchový prúd). K takejto situácii môže dôjsť napr. pri priamom dotyku uzemneného
ľudského tela so živou časťou obvodu.
Dvojpólový prúdový chránič porovnáva veľkosť prúdu, tečúceho fázovým vodičom s
veľkosťou prúdu, tečúceho neutrálnym vodičom. Pokiaľ sú veľkosti prúdov zhodné
(vektorový súčet ich okamžitých hodnôt je nulový), obvod zostáva pripojený. Pri náraste
prúdovej asymetrie (rozdielu veľkostí prúdov) nad určitú hodnotu, charakteristickú pre daný
chránič (tzv. citlivosť chrániča), dôjde k rýchlemu odpojeniu oboch pólov chráneného obvodu.
4-pólový (3-fázový) prúdový chránič obdobne kontroluje vektorový súčet všetkých štyroch
pracovných vodičov.
Na rozdiel od ističa alebo tavnej poistky, ktoré chránia obvod pred nadprúdom (nárast
veľkosti prúdu nad určitú menovitú hodnotu), prúdový chránič reaguje výhradne na prúdovú
asymetriu v obvode - a to už na hodnotu 100-1000 násobne menšiu než býva menovitý prúd
ističa. Pre ilustráciu: typická citlivosť prúdového chrániča je 30 mA (0.03 A), pričom typický
vypínací prúd ističa v domácom rozvode je 15 A. Pri priamom dotyku časti ľudského tela so
69
živým kontaktom, resp. živou časťou zariadenia, tečie časť prúdu z obvodu cez ľudské telo do
zeme. O túto veľkosť sa zvýši hodnota prúdu, tečúceho cez živý (fázový) pól prúdového
chrániča. Veľkosť prúdu, tečúceho cez neživý (neutrálny) pól však zostáva nezmenená, v
dôsledku čoho prúdový chránič obvod odpojí. Prúdový chránič je preto zásadný prvok
ochrany voči úrazu elektrickým prúdom pri živom dotyku.
Citlivosť a reakčná doba prúdových chráničov pre ochranu pred priamym dotykom je
navrhnutá tak, aby k odpojeniu obvodu došlo už pri takej veľkosti prúdovej asymetrie (5-30
mA) a v takom krátkom čase (25-40 ms), aby následky priameho dotyku neboli pre zdravého
človeka nebezpečné.
Skratky a názvy, najčastejšie používané vo svete pre prúdový chránič:
•
•
•
•
•
RCD z angl. Residual current device
RCCB z angl. Residual current circuit breaker
GFI z angl. Ground fault interrupter (severná amerika)
GFCI z angl. Ground fault circuit interrupter (severná amerika)
ALCI z angl. Appliance leakage current interrupter (severná amerika)
•
•
•
ochrana pred priamym a nepriamym dotykom
ochrana pred požiarom, spôsobeným zvodovým prúdom
ochrana pred poškodením prístrojov zvodovým prúdom
Súčasne platné technické normy vyžadujú použitie prúdových chráničov v novobudovaných
rozvodoch.
Staršie rozvody je však tiež veľmi vhodné doplniť prúdovými chráničmi, najmä tie vetvy
rozvodov, ktoré vedú do priestorov so zvýšeným rizikom úrazu elektrickým prúdom (vlhké
prostredie, sociálne zariadenia, kúpelne a pod.). Ich použitie výrazne znižuje riziko vážneho
úrazu elektrickým prúdom.
Princíp činnosti
Princíp činnosti 2-pólového prúdového chrániča
Princíp činnosti 2-pólového prúdového chrániča: Napájacie vodiče (L: fázový, N: neutrálny)
sú vedené stredom feritového jadra súčtového transformátora (3). V normálnom
prevádzkovom režime je vektorový súčet okamžitých hodnôt prúdov nulový a na
sekundárnom vinutí (2) transformátora sa neindukuje žiadne napätie. V prípade rozdielnej
veľkosti prúdov, tečúcich fázovým a neutrálnym vodičom sa na sekundárnom vinutí
transformátora indukuje napätie, úmerné veľkosti rozdielu (prúdovej asymetrie). Toto
diferenciálne napätie sa pomocnou elektronikou (1) zosilňuje, porovnáva s nominálnou
hodnotou a po jej prekročení elektromagnet (1) rozpojí oba napájacie vodiče.
70
Súčasťou chrániča je aj testovacie tlačidlo (4), uzatvárajúce obvod s rezistorom, vytvárajúcim
umelý poruchový prúd pre overenie funkčnosti chrániča.
Konštrukcia
Príklad konštrukcie 2-pólového prúdového chrániča
Príklad konštrukcie 2-pólového prúdového chrániča:
1: vstupné kontakty
2: výstupné kontakty
3: obnovovacie tlačidlo (reset)
4: vypínacie kontakty, ovládané elektromagnetom diferenciálneho relé
5: elektromagnet diferenciálneho relé
6: súčtový transformátor
7: pomocná elektronika (zosilňovač diferenciálneho napätia z transformátora)
8: testovacie tlačidlo
9: testovací závit transformátora
Kategorizácia a charakteristické údaje
Nadprúdová ochrana
•
•
štandardné prúdové chrániče (bez nadprúdovej ochrany). Prúdovému chrániču musí
byť predradený samostatný istič alebo tavná poistka, chrániaca obvod proti nadprúdu.
prúdové chrániče s integrovanou nadprúdovou ochranou
Počet pólov
•
•
2-pólové chrániče (1 fázový + 1 neutrálny vodič)
4-pólové chrániče (3 fázové + 1 neutrálny vodič)
Menovité napätie
Menovité napätie (Un [V]) rozvodu, pre ktorý je dimenzovaný prúdový chránič (typicky 230
V pre 2-pólový resp. 400 V pre 4-pólový chránič).
Menovitý prúd
Maximálny trvalý prúd (In [A]), ktorý môže tiecť cez prúdový chránič do záťaže.
Predradený istič je vhodné voliť s rovnakým menovitým prúdom. Na chrániči je však obvykle
uvedený aj maximálny povolený menovitý prúd predradeného ističa.
Citlivosť
Citlivosť prúdového chrániča je vyjadrená ako menovitý reziduálny prúd alebo menovitý
rozdielový prúd (IΔn [mA]). Určuje veľkosť chybového prúdu, pri ktorej musí dôjsť k
vypnutiu chrániča.
Chrániče sa (podľa IEC 60755) delia do 3 tried podľa citlivosti:
•
vysoká citlivosť (HS z angl. high sensitivity): 6 - 10 - 30 mA (ochrana pred priamym
dotykom)
71
•
•
stredná citlivosť (MS z angl. medium sensitivity): 100 - 300 - 500 - 1000 mA (ochrana
pred požiarom)
nízka citlivosť (LS z angl. low sensitivity): 3 - 10 - 30 A (ochrana zariadení)
Druh chybového prúdu
IEC 60755 definuje 3 triedy prúdových chráničov podľa charakteristiky chybového prúdu:
•
•
•
AC: vypnutie je zaručené pre:
o striedavý chybový prúd s harmonickým priebehom
A: vypnutie je zaručené pre:
o striedavý chybový prúd s harmonickým priebehom
o jednosmerný pulzujúci prúd (napr. obvod s usmerňovačom)
o jednosmerný pulzujúci prúd superponovaný na vyhladenom jednosmernom
prúde
B: vypnutie zaručené pre podmienky ako pri type A, rozšírené o ďalšie druhy prúdu
Čas vypnutia
•
•
G (z angl. General use): prúdové chrániče s okamžitým vypnutím
o minimálny vypínací čas: okamžite
o maximálny vypínací čas: 200 ms pre 1x IΔn, 150 ms pre 2x IΔn, 40 ms pre 5x
IΔn
S (z angl. Selective) alebo T (z angl. Time delayed): prúdové chrániče s oneskoreným
vypnutím
o minimálny vypínací čas: 130 ms pre 1x IΔn, 60 ms pre 2x IΔn, 50 ms pre 5x
IΔn
o maximálny vypínací čas: 500 ms pre 1x IΔn, 200 ms pre 2x IΔn, 150 ms pre 5x
IΔn
Vypínacia schopnosť
Vypínacia schopnosť (Icn [kA]) charakterizuje maximálny krátkodobý skratový prúd, ktorý
dokáže chránič spoľahlivo rozpojiť.
72
Download

ele_tis_3r.pdf