ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΕΘΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΘΡΗΣΚΕΥΜΑΤΩΝ ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΟ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ Ανδρέας Βιδιαδάκης Αθανάσιος Μπινιάρης Χαράλαμπος Κανελλόπουλος Γεώργιος Χατζαράκης ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΚΥΚΛΟΥ "ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ" Γ ΤΑΞΗΣ ΓΕΝΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΣ ΕΚΔΟΣΕΩΣ ΔΙΔΑΚΤΙΚΩΝ ΒΙΒΛΙΩΝ ΑΘΗΝΑ
ΟΜΑΛΑ ΣΥΓΓΡΑΦΗΣ Βιδιαδάκης Δ. Ανδρέας, Φυσικός - Ραδιοηλεκτρολόγος, Καθηγητής Δ/θμιας Εκπαίδευσης. Κανελλόπουλος Δ. Χαράλαμπος, Δρ. Φυσικός - Ραδιοηλεκτρολόγος (PH.D), Σύμβουλος του Παιδαγωγικού Ινστιτούτου. Μπινιάρης Φ. Αθανάσιος, Δρ. Ηλεκτρολόγος - Μηχανολόγος Μηχανικός ΑΠΘ, Σχολικός Σύμβουλος Δ/θμιας Εκπαίδευσης. Χατζαράκης Ε. Γεώργιος, Δρ. Ηλεκτρονικός - Ηλεκτρολόγος Μηχανικός Ε.Μ.Π., Καθηγητής ΑΣΕ/ΓΕΜ/ΣΕΛΕΤΕ. ΟΜΑΔΑ ΚΡΙΣΗΣ Κορδάτος Βασίλειος, Ηλεκτρολόγος Μηχανικός, Καθηγητής Δ/θμιας Εκπαίδευσης. Πακτίτης Σπυρίδων, Ηλεκτρονικός, Καθηγητής Τ.Ε.Ι. Χατζηευστρατίου Ιγνάτιος, Μηχανολόγος - Ηλεκτρολόγος, Ειδικός Πάρεδρος του Παιδαγωγικού Ινστιτούτου ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΟΥ ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΟΥ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟΥ Καννελλόπουλος Δ. Χαράλαμπος, Σύμβουλος του Παιδαγωγικού Ινστιτούτου. ΓΛΩΣΣΙΚΗ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ Αναγνωστοπούλου Ασημίνα, Φιλόλογος Φορτούνη Κωστούλα, Φιλόλογος Με απόφαση της Ελληνικής Κυβερνήσεως τα διδακτικά βιβλία του Δημοτικού, του Γυμνασίου και του Λυκείου τυπώνονται από τον Οργανισμό Εκδόσεων Διδακτικών Βιβλίων και διανέμονται δωρεάν.
- ΠΡΟΛΟΓΟΣ - Το βιβλίο αυτό της Ηλεκτρολογίας προορίζεται ως διδακτικό για το αντίστοιχο μάθημα της Γ' τάξης του Ενιαίου Λυκείου του κύκλου «Τεχνολογία Παραγωγής». Η εκπόνηση του αναλυτικού προγράμματος και η συγγραφή του βιβλίου έγιναν στα πλαίσια της Εκπαιδευτικής Μεταρρύθμισης. Το βιβλίο αποσκοπεί: α) Να προσφέρει στους μαθητές βασικές γνώσεις σε θέματα Ηλεκρολογίας - Ηλεκτρονικών. β) Να καταστήσει γνωστές αρκετές από τις εφαρμογές, οι οποίες συναντώνται στην καθημερινή μας ζωή. γ) Να κεντρίσει το ενδιαφέρον των μαθητών για τα αντικείμενα μελέτης της Ηλεκτρολογίας - Ηλεκτρονικών. δ) Να τους καταστήσει ικανούς, ώστε να αποκτήσουν μια γενικότερη θεώρηση της τεχνολογίας, όπως αυτή εξελίσσεται σήμερα. Στο βιβλίο αυτό έγινε ένα συγκερασμός Ηλεκτρολογικών και Ηλεκτρονικών θεμάτων σε ενιαία μορφή, καθόσον δεν υφίσταται σαφής οριοθέτηση μεταξύ της Ηλεκτρολογίας και των Ηλεκτρονικών. Η Ηλεκτρολογία αναφέρεται συνήθως στην παραγωγή, μεταφορά και διανομή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα ηλεκτρικά ρεύματα που χρησιμοποιούνται στις περιπτώσεις αυτές είναι ισχυρά, της τάξης μεγέθους μερικών δεκάδων Ampere. Στα Ηλεκτρονικά χρησιμοποιούνται συνήθως διατάξεις των οποίων τα κύρια κατασκευαστικά στοιχεία είναι κρυσταλλικής μορφής. Οι διατάξεις αυτές παράγουν και ενισχύουν ασθενή σήματα ή γενικότερα διαμορφώνουν και μεταδίδουν «πληροφορίες». Οι διατάξεις αυτές (π.χ. ενισχυτές) εργάζονται με ασθενή ρεύματα της τάξης μεγέθους μερικών ma. Τα τελευταία χρόνια έχει επιτευχθεί ραγδαία εξέλιξη των Ηλεκτρονικών και έχει διαμορφωθεί και ένας ακόμα επί μέρους κλάδος, αυτός των Βιομηχανικών Ηλεκτρονικών. Στον κλάδο των Βιομηχανικών Ηλεκτρονικών χρησιμοποιούνται και ισχυρά ρεύματα. Συνεπώς τα θέματα της κυρίως Ηλεκτρολογίας και των Ηλεκτρονικών δύνανται να αντιμετωπισθούν με ενιαίο τρόπο, καθόσον διαπραγματεύονται κοινής φύσεως θέματα. Για το λόγο αυτό, κατά την συγγραφή του βιβλίου, έγινε προσπάθεια ώστε να υπάρχει - σε ικανό βαθμό - ενοποίηση της ύλης. Τέλος θα θέλαμε να τονίσουμε ότι η συγγραφή και η έκδοση ενός καινούργιου διδακτικού βιβλίου θα πρέπει να αποτελείτο πρώτο σκαλοπάτι για μια συνεχή βελτίωση του, η οποία θα προκύψει με τις παρατηρήσεις των μαθητών και των διδασκόντων. Σε όσους καθηγητές διδάξουν το βιβλίο και στους μαθητές που θα το διδαχτούν επαφίεται να κρίνουν κατά πόσο πέτυχε η προσπάθεια μας. Οι συγγραφείς Αθήνα, Μάιος 1999
- ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ - ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ίο ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ - ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ 1-1. Νόμος του Ohm 8 1-2. Νόμοι του Kirchhoff 9 1-3. Βασικές εφαρμογές του νόμου του Ohm και των νόμων του Kirchoff 11 1-3.1. Συνδεσμολογία αντιστάσεων 11 1-3.2. Συνδεσμολογία πηγών τάσης 13 1-3.2. Διαιρέτες τάσης και ρεύματος 17 1-4. Εναλλασσόμενο ρεύμα 19 1-5. Παραγωγή ενναλλασσόμενου ρεύματος - εναλλασσόμενης τάσης 20 1-6. Ενεργός ένταση και ενεργός τάση 22 1-7. Διανυσματική παράσταση εναλλασσόμενου ρεύματος 22 1-8. Βασικά κυκλώματα στο εναλλασσόμενο ρεύμα 24 1-8.1. Ωμική αντίσταση στο Ε.Ρ 24 1-8.2. Πηνίο στο Ε.Ρ 25 1-8.3. Πυκνωτής στο Ε.Ρ 26 1-9. Σύνθετα κυκλώματα - Σύνθετη αντίσταση...27 1-9.1. Κύκλωμα RL σε σειρά 27 1-9.2. Κύκλωμα RLC σε σειρά - Συντονισμός σειράς 28 1-10. Ισχύς στο εναλλασσόμενο ρεύμα 31 1-11. Τριφασικό ρεύμα 33 1-11.1. Παραγωγή τριφασικού ρεύματος...34 1-11.2. Μεταφορά τριφασικού ρεύματος...35 1-11.3. Ισχύς του τριφασικού ρεύματος 37 1-12. Ηλεκτρικές Μετρήσεις 37 1-12.1. Είδη οργάνων και αρχές λειτουργίας αυτών 37 1-12.2. Μέτρηση έντασης - Αμπερόμετρα...38 1-12.3. Μέτρηση τάσης - Βολτόμετρα 40 1-12.4. Μέτρηση ωμικών αντιστάσεων 41 1-12.5. Μέτρηση χωρητικότητας άγνωστου πυκνωτή 46 1-12.6. Μέτρηση αυτεπαγωγής άγνωστου πηνίου 47 1-12.7. Μέτρηση ισχύος Σ.Ρ 48 1-13. Εφαρμογές 51 1-14. Προβλήματα προς λύση 66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ 2-1. Είδη ηλεκτρικών μηχανών 72 2-2. Γεννήτριες συνεχούς ρεύματος 73 2-2.1. Αρχή λειτουργίας των γεννητριών Σ.Ρ 73 2-2.2. Κατασκευή των μηχανών Σ.Ρ 75 2-2.3. Είδη γεννητριών Σ.Ρ 77 2-3. Κινητήρες συνεχούς ρεύματος 80 2-3.1. Αρχή λειτουργίας των κινητήρων Σ.Ρ 80 2-3.2. Είδη κινητήρων Σ.Ρ 81 2-3.3. Ροπή των κινητήρων Σ.Ρ 82 2-3.4. Ταχύτητα περιστροφής των κινητήρων Σ.Ρ 83 2-3.5. Μέθοδοι ρύθμισης της ταχύτητας περιστροφής κινητήρων Σ.Ρ 83
2-3.6. Ισχύς, απώλειες και βαθμός απόδοσης των κινητήρων Ι.Ρ 84 2-3.7. Ερωτήσεις 85 2-4. Ηλεκτρικε'ς μηχανε'ς εναλλασσόμενου ρεύματος 85 2-4.1. Εισαγωγή 85 2-4.2. Γεννήτριες Ε.Ρ... 86 2-4.3. Τύποι και κατασκευή εναλλακτήρων 86 2-4.4 Μονοφασικοί Εναλλακτήρες 91 2-4.5. Διφασικοί Εναλλακτήρες 92 2-4.6. Τριφασικοί Εναλλακτήρες 93 2-4.7. Ισχύς, απώλειες και βαθμός απόδοσης εναλλακτήρων 96 2-4.8. Ερωτήσεις 97 2-5. Κινητήρες εναλλασόμενου ρεύματος 98 2-5.1. Σύγχρονοι κινητήρες 98 2-5.2. Ασύγχρονοι κινητήρες 99 2-5.3 Κατασκευή των ασύγχρονων τριφασικών κινητήρων 100 2-5.4. Ολίσθηση 101 2-5.5. Μονοφασικοί κινητήρες αντίστασης 103 2-5.6. Μονοφασικοί κινητήρες με βραχυκυκλωμένες σπείρες στο στάτη 103 2-5.7. Μονοφασικοί κινητήρες πυκνωτή 104 2-6. Ασύγχρονοι κινητήρες Ε.Ρ. με συλλέκτη 105 2-6.1. Μονοφασικοί κινητήρες σειράς 105 2-6.2. Movoφασικοί κινητήρες Γιουνιβέρσαλ 106 2-6.3. Μονοφασικοί κινητήρες αντίδρασης ή απωστικοί 107 2-6.4. Τριφασικοί κινητήρες σειράς 108 2-6.5. Τριφασικοί κινητήρες διακλάδωσης 109 2-6.6. Ροπή των ασύγχρονων τριφασικών κινητήρων 111 2-6.7. Ισχύς και βαθμός απόδοσης ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα 111 2-6.8 Ερωτήσεις 113 2-7. Μετασχηματιστές 114 2-7.1. Γενικές πληροφίες 114 2-7.2. Μονοφασικοί μετασχηματιστές - αρχή λειτουργίας 115 2-7.3. Τριφασικοί μετασχηματιστές 117 2-7.4. Βαθμός απόδοσης μετασχηματιστή 118 2-7.5. Ερωτήσεις 118 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΑΡΑΓΩΓΗ, ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΚΑΙ ΔΙΑΝΟΜΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 3-1. Πηγές Ενέργειας 120 3-1.1. Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας 120 3-1.2. Το ενεργειακό φάσμα στην Ελλάδα 121 3-1.3. Ηλεκτρική Ενέργεια 122 3-2. Ηλεκτρικά Δίκτυα 123 3-2.1. Θερμοηλεκτρικές μονάδες 124 3-2.2. Υδροηλεκτρικές μονάδες 124 3-2.3. Διάρθρωση Ηλεκτρικών Δικτύων 125 3-2.4. Κατηγορίες Ηλεκτρικών Δικτύων 127 3-3. Χαρακτηριστικά μεγέθη Σταθμών Παραγωγής 128 3-4. Σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας 131 3-4.1. Ατμοηλεκτρικοί Σταθμοί Παραγωγής 131 3-4.2. Θερμικοί Σταθμοί με Μηχανές Εσωτερικής Καύσης 134 3-4.3 Υδροηλεκτρικοί Σταθμοί 135 3-4.4. Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Αιολική ενέργεια 138 3-4.5. Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Ηλιακή ενέργεια 141 3-4.6. Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Γεωθερμική ενέργεια 142 3-5. Εναέρια Δίκτυα 143 3-5.1. Εναέρια δίκτυα μεταφοράς 143 3-5.2. Εναέρια δίκτυα διανομής 144 3-5.3. Φαινόμενο Corana στις γραμμές μεταφοράς 144 3-6. Υπόγεια Δίκτυα 145 3-7. Υποσταθμοί 146 3-7.1. Υποσταθμοί γραμμών μεταφοράς... 146 3-7.2. Εναέριοι Υποσταθμοί διανομής 147 3-7.3. Επίγειοι και Υπόγειοι Υποσταθμοί διανομής 148 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Γενικά 152 4-1. Ηλεκτρική Αγωγιμότητα 153 4-2. Αγωγιμότητα των ημιαγωγών 154 4-2.1. Ενδογενείς ή αυτοτελείς ημιαγωγοί 155 4-2.2. Ημιαγωγοί πρόσμιξης 156
4-3. Επαφή Ρ-Ν 158 5-3.5. Αποδιαμόρφωση 242 4-3.1. Πόλωση της επαφής Ρ-Ν 159 5-4. Μέσα μετάδοσης πληροφοριών 247 4-3.2. Χαρακτηριστική καμπύλη 5-4.1. Τηλεπικοινωνιακοί δορυφόροι 247 της επαφής 159 5-4.2. Τεχνητοί δορυφόροι 249 4-4. Κρυσταλλοδίοδος επαφής 160 5-4.3. Περιγραφή τηλεπικοινωνιακού 4-5. Εφαρμογές των διόδων 162 δορυφόρου 250 4-5.1. Μετατροπή AC/DC 162 5-5. Οπτικές ίνες 251 4-5.2. Οπτικοηλεκτρονικές διατάξεις 165 5-5.1. Πρακτική σημασία των 4-6. Κρυσταλλοτρίοδος 167 οπτικών ινών 253 4-6.1. Λειτουργία του τρανζίστορ 168 5-5.2. Ανάκλαση - Διάθλαση του φωτός...255 4-7. Ενισχυτής 170 5-5.3. Κατασκευή και ταξινόμηση 4-7.1. Χαρακτηριστικά ενισχυτών 171 οπτικών ινών 256 4-8. Το τρανζίστορ ως ενισχυτής 173 5-5.4. Κυματοδήγηση 257 4-9. Ταλαντωτής 176 5-5.5. Χαρακτηριστικά οπτικής ίνας 259 4-9.1. Αρμονικοί Ταλαντωτές LC 177 5-5.6. Οπτικοτηλεπικοινωνιακό 4-9.2. Ταλαντωτές ανατροπής 181 σύστημα 262 4-10. Ολοκληρωμένα Κυκλώματα 182 5-6. Ερωτήσεις - Ασκήσεις 264 4-10.1. Παραδείγματα ΟΚ 184 4-11. Ερωτήσεις - Ασκήσεις 185 4-12. Ψηφιακά Ηλεκτρονικά 189 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 4-13. Πραγματοποίηση ψηφιακών κυκλωμάτων 191 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ 4-14. Συστήματα αρίθμησης 192 6-1. Γενικές αρχές 2 70 4-15. Κώδικες 194 6-2. Ανοικτά συστήματα 271 4-16. Αλγεβρα Boole 196 6-3. Κλειστά συστήματα 272 4-17. Λογικές Πύλες 200 6-4. Γενικά χαρακτηριστικά των ανοικτών 4-18. Συνδυαστικά Λογικά Κυκλώματα 202 και κλειστών συστημάτων 274 4-18.1. Παραδείγματα συνδυαστικών 6-4.1. Ανοικτά συστήματα 274 κυκλωμάτων 202 6-4.2. Κλειστά συστήματα 275 4-19. Ακολουθιακά κυκλώματα 207 6-5. Η πόλωση των τρανζίστορ ως μονάδα 4-20. Ερωτήσεις - Ασκήσεις 209 τροφοδοσίας 277 6-5.1. Κύκλωμα πόλωσης σε συνδεσμολογίας (CE) 277 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 6-6. Βασικά μεγέθη ενός ενισχυτή 282 ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 6-7. Μονάδες μέτρησης των απολαβών - Desibels 284 Γενικά 214 6-8. Εύρος ζώνης διέλευσης συχνοτήτων 285 5-1. Ηλεκτρομαγνητικά κύματα 216 6-9. Ενισχυτές με ανατροφοδότηση 5-1.1. Παραγωγή ΗΜΚ 216 τάσης 288 5-1.2. Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα 218 6-10. Ενισχυτές με ανατροφοδότηση 5-1.3. Ραδιοκύματα 219 ρεύματος 292 5-1.4. Διάδοση ραδιοκυμάτων 222 6-11. Επίδραση της ανατροφοδότησης στην 5-2. Πομπός 225 απόκριση συχνοτήτων 293 5-2.1. Διαμόρφωση 226 6-12. Συνάρτησης μεταφοράς 297 5-3. Δέκτης 236 6-13. Δομικά διαγράμματα 301 5-3.1. Κεραία Λήψης 237 6-13.1. Δομικά διαγράμματα σειράς 301 5-3.2. Ενισχυτής υψηλής συχνότητας 239 5-3.3. Επιλογή συχνότητας 239 5-3.4. Αλλαγή συχνότητας ή ετεροδύνωση 241 Βιβλιογραφία 303