ΗΜΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία

Transcript

1 University of Cyprus ptical Diagnostics ΗΜΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία Διάλεξη 10 Σήκω ψυχή μου δώσε ρεύμα! II

2 Ρεύμα (Current) Η ροή ηλεκτρικού φορτίου Μετριέται σε AMPERES (A) I = Δq/Δt (φορτίο ανά sec) 1 A = 1C/s (coulomb ανά sec) 1 C ηλεκτρόνια Tank (Battery) Pipe (Wiring) Faucet (Switch) Turbine (Lamp) Ρεύμα σε ένα κύκλωμα Όταν η βρύση (διακόπτης) είναι κλειστή, υπάρχει ροή (ρεύμα); ΟΧΙ Όταν η βρύση (διακόπτης) είναι ανοικτή, υπάρχει ροή (ρεύμα); ΝΑΙ 2

3 Τάση (Voltage) Η δύναμη που προκαλεί ροή ρεύματος Μετριέται σε VLTS (V) Τάση σε ένα κύκλωμα Όταν δεν υπάρχει πίεση (τάση) υπάρχει ροή (ρεύμα); ΟΧΙ Όταν υπάρχει πίεση (τάση) υπάρχει ροή (ρεύμα); ΝΑΙ Tank (Battery) Pipe (Wiring) Faucet (Switch) Turbine (Lamp) 3

4 Αντίσταση (Resistance) Η αντίσταση στη ροή του ρεύματος Μετριέται σε hms (Ω) Αντίσταση σε ένα κύκλωμα Τι συμβαίνει με τη ροή (ρεύμα) εάν ο σωλήνας γίνεται πιο στενός; Η ροή (ρεύμα) μειώνεται Η μείωση στο ρεύμα μειώνει και την ένταση του λαμπτήρα Tank (Battery) Pipe (Wiring) Faucet (Switch) Turbine (Lamp) Το σύμβολο της αντίσταση (R) Διάφορες αντιστάσεις 4

5 Νόμος του hm Η μαθηματική σχέση μεταξύ ρεύματος, τάσης και αντίστασης Το ρεύμα σε μια αντίσταση είναι ανάλογο της τάσης που εφαρμόζεται σε αυτό και είναι αντιστρόφως ανάλογο της τιμής της αντίστασης V=IR Αν γνωρίζετε 2 από τις 3 παραμέτρους, μπορείτε να λύσετε ως προς την τρίτη V=IR I=V/R R=V/I Georg Simon hm (16 March July 1854) German physicist and mathematician. V I R 5

6 Μορφές Κυκλωμάτων Κυκλώματα Σειράς Ένα κύκλωμα που διαθέτει μόνο μία διαδρομή για να ρέει ρεύμα Αν η διαδρομή ανοίξει οπουδήποτε στο κύκλωμα, το ρεύμα σταματάει να ρέει σε ΌΛΑ τα στοιχεία Ο Νόμος Τάσης του Kirchhoff (Kirchhoff s Voltage Law - KVL): Το άθροισμα όλων των πτώσεων τάσης σε ένα κύκλωμα σειράς ισούται με τη συνολική εφαρμοζόμενη τάση Δηλ. V V V V V T T R1 R2 R3 R R R R T I T R 1 R 2 R V R1 V R2 V R3 6

7 Μορφές Κυκλωμάτων Παράλληλα Κυκλώματα Ένα κύκλωμα που διαθέτει περισσότερες από μία διαδρομές για ροή ρεύματος Αν η διαδρομή ανοίξει οπουδήποτε στο κύκλωμα, το ρεύμα έχει άλλες οδούς για να φτάσει στα υπόλοιπα στοιχεία 7 Ο Νόμος Ρεύματος του Kirchhoff (Kirchhoff s Current Law - KCL): Το συνολικό ρεύμα σε ένα παράλληλο κύκλωμα ισούται με το άθροισμα των μεμονωμένων ρευμάτων κάθε κλάδου Δηλ. I I I I R R R R T R1 R2 R3 T V T - I R1 I R2 I R3 R 1 R 2 R 3

8 Ηλεκτρική Ισχύς και Ενέργεια Ηλεκτρική Ισχύς (Power) Η ισχύς είναι ο ρυθμός με τον οποίο παράγεται ή καταναλώνεται ενέργεια (ενέργεια ανά χρόνο) Ανάλογη του ρεύματος και τάσης στο σύστημα Μετριέται σε Watt (W) Ηλεκτρική Ενέργεια (Energy) Η ενέργεια είναι ένα μέτρο της ποσότητας του έργου που εκτελείται ή παράγεται Η ενέργεια μετριέται σε Watt-ώρες (Wh) 1 Wh = Ισχύς 1W που καταναλώνεται για 1 ώρα P IV I R 2 V 2 R 8

9 Πυκνωτής Πυκνωτής (Capacitor) Αποθηκεύει ενέργεια με την αποθήκευση φορτίου Ανάλογος με ελατήριο σε ένα μηχανικό σύστημά Q CV Κατασκευή Δύο πλάκες από αγωγό διαχωρισμένες από ένα λεπτό στρώμα μονωτή Χωρητικότητα (Capacitance - C) Μονάδα: Farad (F) 1F=1 coulomb ανά volt Σύμβολο d I( t) C V ( t) dt Charge Discharge 9

10 Voltage (V) Πυκνωτής Φόρτιση και αποφόρτιση t 5τ t 5τ Time (s) dv () t I() t C Φόρτιση: V () t VT VTe dt Αποφόρτιση: t V () t V e T t RC 10

11 Αποφόρτιση Voltage (V) Φόρτιση Πυκνωτής Φόρτιση και αποφόρτιση Δt =0 Δt τ Δt 5τ Δt =0 Δt τ Δt 5τ t 5τ t 5τ Time (s) dv () t I() t C Φόρτιση: V () t VT VTe dt Αποφόρτιση: t V () t V e T t RC 11

12 Σειρά Παράλληλα Πυκνωτής Βασικές διατάξεις κυκλωμάτων v(t) _ v(t) _ i(t) C1 2 i(t) i 1 C 1 _ v 1 v 3 C 3 i 2 C 3 _ v 2 _ C i 3 C 2 v(t) _ C eq C 1 C 2 C 3 1 i(t) _ C eq 1 C 1 1 C 2 1 C 3 12

13 Πηνίο Πηνίο (Inductor) Αποθηκεύει ενέργεια αποθηκεύοντας μαγνητικό πεδίο Ανάλογο με ένα τροχό ταχύτητας σε ένα μηχανικό σύστημα Κατασκευή Περιτύλιξη καλωδίου γύρω από κάποιο πυρήνα Αυτεπαγωγή (Inductance - L) Μονάδα: Henry (H) Σύμβολο d V ( t) L I( t) dt Charge Discharge 13

14 Current (A) Πηνίο Φόρτιση και αποφόρτιση Φόρτιση Αποφόρτιση t 5τ Time (s) t 5τ d V ( t) L I( t) dt Φόρτιση: Αποφόρτιση: t I() t I I e I() t T T t I e T RL 14

15 Παράλληλα Σειρά Πηνίο Βασικές διατάξεις κυκλωμάτων v(t) _ i(t) _ L 1 v 1 v 3 _ v 2 _ L 2 L eq i(t) L L 1 2 L3 i(t) L 3 v(t) _ v(t) L1 L2 L3 _ 1 L eq 1 L 1 1 L 2 1 L 3 15

16 AC/DC Συνεχές ρεύμα (Direct Current - DC) Ένα κύκλωμα που περιέχει μια μπαταρία είναι ένα κύκλωμα DC Σε ένα κύκλωμα DC το ρεύμα ρέει πάντα προς την ίδια κατεύθυνση Εναλλασσόμενο ρεύμα (Alternating Current - AC) Η τάση της γραμμής αντιστρέφει την πολικότητα 50 φορές το δευτερόλεπτο και το ίδιο ισχύει και για το ρεύμα Για θερμάστρες, στεγνωτήρες μαλλιών, σίδερα, φρυγανιέρες, κλπ, το γεγονός ότι το ρεύμα αντιστρέφεται δεν έχει καμία σημασία Φορτιστές (π.χ. για κινητά τηλέφωνα) μετατρέπουν το AC σε DC AC είναι το ρεύμα που παίρνετε από τις εταιρείες ηλεκτρικής ενέργειας 16

17 Πως η Τάση Μεταβάλλεται με τον Χρόνο; Χαρακτηριστικά AC V p : Μέγιστη Τάση (Peak Voltage) v( t) V sin(2 ft) p V pp : Τάση από κορυφή σε κορυφή (Peak-to-Peak Voltage) T: Περίοδος (Period) f: Συχνότητα (Frequency) f=1/t 50 Hz στην Ευρώπη 60 Hz στις ΗΠΑ V p T V pp 17

18 Πως η Τάση Μεταβάλλεται με τον Χρόνο; Χαρακτηριστικά AC Η τάση και το ρεύμα αλλάζουν συνεχώς Χρειαζόμαστε κάποιο τρόπο για να βρίσκουμε τον μέσο όρο Τιμές R.M.S (root-meansquare ρίζα μέσης τετραγωνικής τιμής ) Είναι οι τιμές DC που δίνουν την ίδια μέση ισχύ εξόδου v( t) V sin(2 ft) V p V rms p V rms V p 2 I rms I p 2 Prms IrmsVrms 18

19 Πυκνωτές σε Κυκλώματα AC Ανάλυση κυκλώματος Ποιο είναι το ρεύμα rms στον πυκνωτή σε σχέση με την χωρητικότητά του και τη συχνότητα; Άεργη Αντίσταση Πυκνωτή (Capacitive Reactance) X C 1 2 fc Εμπέδηση (Z) - Νόμος του hm: 2 2 Z R X C rms rms Η τάση και το ρεύμα σε έναν πυκνωτή δεν είναι σε φάση. Η τάση υστερεί κατά 90 I V Z v( t) V sin(2 ft ) p i( t) I sin(2 ft ) p 90 o 19

20 Πηνία σε Κυκλώματα AC Ανάλυση κυκλώματος Ποιο είναι το ρεύμα rms στο πηνίο σε σχέση με την του και την αυτεπαγωγή και τη συχνότητα; Άεργη Αντίσταση Πηνίου (Inductive Reactance) X L 2 fl Εμπέδηση (Z) - Νόμος του hm: 2 2 Z R X L rms rms Η τάση και το ρεύμα σε ένα πηνίο δεν είναι σε φάση. Η τάση προηγείται κατά 90 I V Z v( t) V sin(2 ft ) p i( t) I sin(2 ft ) p 90 o 20

21 Πυκνωτές και Πηνία σε Κυκλώματα AC Και τώρα τι; Όλων των ειδών συνδυασμοί 2 2 Z R X L X C I rms tan 1 V Z rms X L R X C 21

22 Ισχύς σε Κυκλώματα AC Στιγμιαία Ισχύς (Instantaneous power) Καταναλώνεται από κάθε στοιχεία ανά πάσα στιγμή Φαινόμενη Ισχύς (Apparent Power - S) Σε μονάδες VA (για να μην υπάρχει σύγχυση) P: ενεργή ισχύς (active power) σε watts (W) Καταναλώνεται από το Ωμικό φορτίο Q: άεργη ισχύς (reactive power) σε volt amperes reactive (var) Αποθηκεύεται και επιστρέφεται από τα επαγωγικά ή/και χωρητικά φορτία Θέματα Ισχύος Ενώ η άεργη ισχύς δεν καταναλώνεται, έχει επίδραση στο σύστημα Για παράδειγμα, αυξάνει το ρεύμα που πρέπει να τροφοδοτηθεί και αυξάνει τις απώλειες λόγω αντίστασης των καλωδίων p( t) v( t) i( t) Pavg Vavg Iavg S V I P jq rms P V I cos rms rms * rms rms Power factor Q V I rms sin 22

23 Διόρθωση Συντελεστή Ισχύος Συντελεστής Ισχύος (Power factor) Ιδιαίτερα σημαντικός σε εφαρμογές ψηλής ισχύος Πολλές συσκευές υψηλής ισχύος είναι επαγωγικές Ένας τυπικός κινητήρας εναλλασσόμενου ρεύματος έχει συντελεστή ισχύος 0,9 Το συνολικό φορτίο στο εθνικό δίκτυο είναι 0,8-0,9 με υστέρηση Αυτό οδηγεί σε σημαντικές απώλειες Επομένως, οι εταιρείες ηλεκτρικής ενέργειας τιμωρούν τους βιομηχανικούς χρήστες που εισάγουν έναν κακό συντελεστή ισχύος 23

24 Διόρθωση Συντελεστή Ισχύος Συντελεστής Ισχύος (Power factor) Λύση: Επιπρόσθετα στοιχεία που επαναφέρουν τον παράγοντα ισχύος πιο κοντά στη μονάδα Ένας πυκνωτής κατάλληλου μεγέθους παράλληλα με ένα φορτίο καθυστέρησης μπορεί να «ακυρώσει» το επαγωγικό στοιχείο Αυτή είναι η διόρθωση του παράγοντα ισχύος Μέγιστη μεταφορά ισχύος Η σύνθετη αντίσταση φορτίου είναι ίση με τον συζυγή της σύνθετης αντίστασης εξόδου Δεν αξίζει την προσπάθεια για τους οικιακούς χρήστες (ειδικά με νεότερες συσκευές) 24

25 Γιατί χρησιμοποιούμε AC; Το DC μοιάζει τόσο πιο απλό! Τέλος 19 ου αιώνα Ο πόλεμος των ρευμάτων Edison (DC) εναντίον Tesla / Westinghouse (AC) Edison ίδρυσε τον πρώτο εμπορικό ηλεκτροπαραγωγό σταθμό DC στη Νέα Υόρκη το 1862 Ο Tesla, που προσλήφθηκε από τον George Westinghouse, πίστευε ότι το AC είναι ανώτερο Ο Tesla είχε δίκιο, αλλά ο Edison δεν τα έβαζε κάτω! Μέχρι το 1895 το DC τελείωσε και έμεινε το AC 25

26 Γιατί χρησιμοποιούμε AC; Γιατί το AC είναι καλύτερο από το DC Ευκολότερη παραγωγή απευθείας από τη γεννήτρια Όταν ένα πηνίο περιστρέφεται μέσα σε ένα μαγνήτη, παράγεται ηλεκτρισμός AC Η τάση μπορεί εύκολα να ψηλώσει ή να χαμηλώσει (με μετασχηματιστές) σε οποιαδήποτε απαιτούμενη τιμή 26 Όλες οι συσκευές είναι συνδεδεμένες παράλληλα

27 Γιατί χρησιμοποιούμε AC; Μετασχηματιστής Μεταφέρει την ηλεκτρική ενέργεια από το ένα κύκλωμα στο άλλο Περισσότερα για την ηλεκτρομαγνητική σχέση στη διάλεξη για τα Κύματα Το επιτυγχάνει αυτό με ηλεκτρομαγνητική επαγωγή Όταν τα δύο ηλεκτρικά κυκλώματα αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους Ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο προκαλείται σε ένα πηνίο όταν αλλάζει το ρεύμα στο γειτονικό πηνίο Κατασκευή Περιτυλίξεις γύρω από τις δύο πλευρές ενός μονωμένου μεταλλικού πυρήνα Ο λόγος μετασχηματισμού α δίνεται από τον τύπο N V I a N V I p p s s s p 27

28 Γιατί χρησιμοποιούμε AC; Γιατί το AC είναι καλύτερο από το DC Φθηνότερη μεταφορά σε μεγάλες αποστάσεις από τη στιγμή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ψηλή τάση P = IV Αυξάνοντας την τάση, μειώνεται το ρεύμα Απώλειες: P=Ι 2 R Σημαντική μείωση ½ τάση ½ ρεύμα ¼ απώλειες Η αντίσταση είναι σταθερή και είναι ανάλογη της απόστασης Η μονάδες παραγωγής εναλλασσόμενου ρεύματος μπορούν να βρίσκονται μακριά από τους χρήστες χρειάζονται λιγότεροι ηλεκτροπαραγωγοί σταθμοί 28 Όλες οι συσκευές είναι συνδεδεμένες παράλληλα

29 Άλλα χρονικά μεταβαλλόμενα σήματα Άλλες Κυματομορφές Διαμορφωμένα σήματα που μεταφέρουν πληροφορία 29