1 Mr. sc. Draga Kpan-Lisica, viši pred. UVOD U VJEŽBE IZ PODRUČJA ELEKTRIČNIH STRUJNIH KRUGOVA Pojmovi i definicije: Električna struja, električni potencijal i električni napon; Električni strujni krug; Topologija električnog strujnog kruga; Izvori električnog napona; Električna trošila; Serjisko i paralelno spajanje električnih komponenata. Osnovni električni mjerni instrumenti: Ampermetar, voltmetar; Univerzalni mjerni instrument (AVO-metar). Pristup električnom strujnom krugu: redoslijed spajanja (rastavljanja)
2 Pojmovi i definicije ELEKTRIČNA STRUJA (I); SI jedinica je amper (A) Električna struja je usmjereno gibanje slobodnih nosilaca električnih naboja s mjesta veće prema mjestu manje potencijalne energije. (Tehnički smjer električne struje je smjer gibanja pozitivnih naboja.) ELEKTRIČNI POTENCIJAL (V); SI jedinica je volt (V) Električni potencijal je energija jediničnog električnog naboja u električnom polju, odnosno rad potreban da se jedinični električni naboj dovede iz beskonačnosti u neku točku električnog polja istoimenog električnog naboja. (Prema definiciji električni potencijal naboja u beskonačnosti je nula.) ELEKTRIČNI NAPON (U) Električni napon izmeñu dviju točaka, A i B, je razlika električnog potencijala izmeñu tih točaka: U AB = V A V B
3 ELEKTRIČNI STRUJNI KRUG Svaki električni strujni krug, ma kako složen, može se svesti na dvije osnovne komponente: izvor električnog napona (aktivna komponenta); električno trošilo (pasivna komponenta). U strujnom krugu se mogu nalaziti i: električni mjerni instrumenti (u pravilu ne utječu na strujno-naponske prilike); električni osigurači (namjerno ugrañeni "najslabiji " elementi el. strujnog kruga, zbog čega u slučaju prekoračenja odreñenog, maksimalnog iznosa el. struje prvi pregore ili se isključuju; na taj način prekine se el. strujni krug, čime je od štetnih posljedica zaštićen i el. strujni krug i el. mreža.) Komponente u el. strujnom krugu meñusobno su povezane vodičima (spojne žice), koji se proizvode tako da njihov električni otpor bude što manji u idealnom slučaju zanemariv. TOPOLOGIJA ELEKTRIČNOG STRUJNOG KRUGA Električni strujni krugovi ponajčešće nisu jednostavni: aktivni i pasivni elementi mogu biti meñusobno povezani na različite načine. Ukoliko se radi o takvim, složenijim, strujnim krugovima, u kojima postoje grananja, u njima, pored električnih varijabli (napon, struja), postoje i topološke varijable (čvor, grana, petlja). Čvor je točka složenog strujnog kruga u kojoj se spajaju tri ili više elemenata tog strujnog kruga. Grana je dio složenog strujnog kruga koji se nalazi izmeñu dvaju čvorova. Petlja je dio složenog strujnog kruga, koji i sam predstavlja zatvoreni strujni krug, a sastoji se od najmanje dviju grana.
4 IZVORI ELEKTRIČNOG NAPONA Izvori električnog napona su ureñaji (kemijski, mehanički, fotonaponski i dr. ) koji na svojim priključnicama daju stalnu razliku električnog potencijala. Ta se razlika električnog potencijala u statičkim uvjetima ( I = 0 električna struja ne teče) naziva elektromotorna sila ( ). Izvori električnog napona mogu biti istosmjerni i izmjenični. IZVORI ISTOSMJERNOG NAPONA ; Simbol: Oznake primjerice: ( 24 V ) ili ( DC 24 V ); (DC Direct Current) Izvori istosmjernog napona su izvori kod kojih se polaritet ne mijenja. IZVORI IZMJENIČNOG NAPONA ; Simbol: Oznake primjerice: (220V 50Hz) ili (AC 220V 50Hz); (AC Alternating Current) Izvori izmjeničnog napona su izvori kod kojih se polaritet mijenja. Broj promjena polariteta u jedinici vremena naziva se frekvencija. SI jedinica za frekvenciju je herc (Hz = s 1 ). ELEKTRIČNA TROŠILA Iako svi dijelovi električnog strujnog kruga pružaju odreñeni otpor prolasku električne struje, pod pojmom trošila podrazumijevamo pojedine dijelove strujnog kruga, namjenski proizvedene upravo tako da prolasku struje pružaju specifičnu vrstu otpora. Razlikujemo tri vrste otpora električnih trošila: omski otpor; induktivni otpor; kapacitivni otpor. SI jedinica za električni otpor je om ( Ω = A V ).
5 OMSKI OTPORNK Simboli: Omski otpornik je električno trošilo koje protoku električne struje pruža omski otpor (R): pri prolasku električne struje omskim trošilom električna struja i električni napon su u fazi. Omski otpor električnog vodiča konstantne površine presjeka, S, odreñen je izrazom: l R = ρ, S gdje je: ρ električna otpornost (Ωm) l duljina vodiča (m) S površina presjeka vodiča ( m 2 ) Razlika električnog potencijala na krajevima omskog otpornika kojim teče električna struja ( I 0 dinamički uvjeti) u praksi se naziva padom napona. Iznos pada napona računa se kao umnožak omskog otpora, R, i jakosti struje, I, koja otpornikom teče: U = R I Omski otpornik definiraju: el. otpor (R); max. napon (U MAX ); max.struja (I MAX ). Razredba omskih otpornika: - prema otporu (visokoomski, niskoomski); - prema max naponu (visokonaponski, niskonaponski); - prema max. struji (velike snage, male snage); - prema izvedbi (fiksni, promjenjivi). Klizni promjenjivi otpornici mogu se koristiti kao: - potenciometri; simbol: - reostati ; simbol:
6 INDUKTIVNI OTPORNIK Induktivni otpornik je električni vodič namotan u obliku zavojnice (svitka) u čijoj sredini može biti feromagnetna jezgra. Induktivni otpornik protoku istosmjerne struje pruža omski otpor, R. Protoku izmjenične struje induktivni otpornik, pored omskog otpora, R, pruža i induktivni otpor: X L = ω L, gdje je : ω = 2π f kružna frekvencija; SI jedinica je radijan u sekundi ( s -1 ); Vs L induktivitet zavojnice; SI jedinica je henri ( H = ). A Pri prolasku izmjenične električne struje induktivnim trošilom električna struja kasni u fazi za naponom. Induktivni otpornik definiraju: induktivitet (L); max. struja (I max ). Simbol induktivnog otpornika fiksnog induktiviteta: Simbol induktivnog otpornika promjenjivog induktiviteta:
7 KAPACITIVNI OTPORNIK (Kondenzator) Kapacitivni otpornik je kombinacija dvaju vodiča, koji nisu galvanski spojeni (izmeñu njih je električni izolator dielektrik). Protoku istosmjerne struje kapacitivni otpornik pruža beskonačno velik otpor (galvanski prekid strujnog kruga). Kapacitivni otpornik protoku izmjenične električne struje pruža kapacitivni otpor: X C = 1 ω C gdje je: ω = 2π f kružna frekvencija; SI jedinica je radijan u sekundi (s -1 ); C kapacitet kondenzatora; SI jedinica je farad (F = V As ). Pri prolasku izmjenične električne struje kapacitivnim trošilom električna struja brza u fazi pred naponom (prethodi mu). Kondezator definiraju: kapacitet (C); max. napon (U MAX ). Razredba kondenzatora: -prema kapacitetu (visokokapacitivni, niskokapacitivni); - prema radnom naponu (visokonaponski, niskonaponski); - prema dielektriku (zračni, s čvrstim dielektrikom); - prema izvedbi (fiksni, promjenjivi). Simbol kondenzatora fiksnog kapaciteta: Simbol kondenzatora promjenjivog kapaciteta:
8 SERIJSKO I PARALELNO SPAJANJE ELEKTRIČNIH KOMPONENATA Serijska veza U serijskoj vezi električne komponente se spajaju redom, jedna za drugom, tako da svim komponentama teče zajednička (ista) struja, a narinuti napon jednak je zbroju svih padova napona u strujnom krugu. I 1 = I 2 = I 3 = I U = U 1 + U 2 + U 3 Paralelna veza Paralelnu vezu karakterizira spajanje električnih komponenata na istu razliku električnog potencijala, tako da je napon na svakoj komponenti jednak narinutom naponu, a struja izvora jednaka je zbroju struja u svim paralelnim granama. U 1 = U 2 = U 3 = U I = I 1 + I 2 + I 3
9 Osnovni električni mjerni instrumenti VOLTMETAR Voltmetar je električni instrument za mjerenje električnog napona: spaja se paralelno na onu komponentu električnog strujnog kruga na kojoj treba izmjeriti električni napon. U V = U R I = I R + I V Budući da se voltmetar spaja paralelno, proizvodi se sa što većim unutarnjim otporom, kako bi jakost električne struje koja teče voltmetrom (I V ) bila što manja, odnosno da se iznos mjerenog električnog napona što manje promijeni (unošenje što manje pogrješke). AMPERMETAR Ampermetar je električni instrument za mjerenje jakosti električne struje: spaja se serijski u onu granu električnog strujnog kruga u kojoj treba izmjeriti jakost električne struje. I A = I R = I U = U A + U R Budući da se ampermetar spaja serijski, proizvodi se sa što manjim unutarnjim otporom, da bi se mjerena jakost električne struje što manje promijenila (unošenje što manje pogrješke).
10 UNIVERZALNI MJERNI INSTRUMENT (AVO-metar) To je višenamjenski mjerni instrument, koji se, uglavnom, proizvodi s mogućnošću mjerenja napona, struje i otpora. Pri korištenju ovakvog mjernog instrumenta, ovisno o tome hoćemo li ga koristiti kao ampermetar, voltmetar ili ommetar, potrebno je : Utvrditi vrstu mjerenja (A, V, ili Ω); Utvrditi vrstu struje (izmjenična ili istosmjerna); Odabrati mjerno područje (ovisno o redu veličine očekivane vrijednosti); Odabrati mjernu ljestvicu i napraviti račun očitavanja. Nakon ovoga može se pristupiti mjerenju. Pristup električnom strujnom krugu: redoslijed spajanja (rastavljanja) Prilikom rješavanja zadatka spajanja električnog strujnog kruga neophodno je poštivanje redoslijeda izvršavanja pojedinih radnji, kako ne bi došlo do neželjenih poslijedica (za izvoditelja vježbe i/ili opremu). Redoslijed radnji je sljedeći: temeljito proučiti shemu zadanog el. kruga i raspraviti nejasnoće; upoznati se s opremom koja je ponuñena za realizaciju zadatka; provjeriti izvor el. napona (prekidač mora biti isključen); pristupiti spajanju električnog strujnog kruga, i to: A) počevši od izvora, najprije spojiti sve serijski vezane el. komponente, završno s izvorom; B) potom spojiti paralelno vezane el. komponente ; provjeriti spojeni strujni krug i uključiti izvor napona ; izvršiti mjerenje; po završenom mjerenju najprije isključiti naponski izvor, potom iskopčati spojne žice iz izvora, pa tek onda rastaviti komponente el. strujnog kruga.