BHP · wielkości elektryczne · prawo Ohma · łączenie rezystorów · prawa Kirchhoffa · rzeczywiste źródło napięcia
Energetyka odnawialna i zarządzanie energią · I rok · studia stacjonarne · mgr M. Okarmus
Jak prąd działa na człowieka, napięcia bezpieczne, zasady pracy. Przedrostki i jednostki.
Prąd, napięcie, rezystancja, moc, energia, kWh. Ile kosztuje prąd?
Pomiar na żywo, charakterystyki I(U): rezystor i dioda LED, moc rezystora.
Szeregowo, równolegle, układ mieszany, dzielnik napięcia.
Prawa Kirchhoffa, rzeczywiste źródło napięcia — pomiary do sprawozdania.
12:50–13:00 przerwa
Na każdym bloku: krótka teoria → przykład krok po kroku → Twoja kolej (liczycie sami, potem sprawdzamy). Potrzebny kalkulator (telefon też może być).
Sprawozdanie ocenia się za tok obliczeń, jednostki i wnioski — sam wynik nie wystarczy.
Prąd przemienny 50 Hz, droga ręka–ręka lub ręka–stopy. Wartości przybliżone wg IEC 60479-1 (skutki przepływu prądu przez człowieka). Skutki zależą też od czasu przepływu.
Wyłącznik różnicowoprądowy w instalacji domowej: 30 mA.
| warunki | AC | DC |
|---|---|---|
| normalne | 50 V | 120 V |
| zwiększone zagrożenie (wilgoć, ciasne metalowe przestrzenie) | 25 V | 60 V |
wg PN-HD 60364-4-41 (ochrona przeciwporażeniowa w instalacjach) i IEC TS 61201. Granice wynikają ze skutków prądu opisanych w IEC 60479-1 (poprzedni slajd). Dzisiejsze pomiary: bateria 9 V — bezpieczne.
| przedrostek | znak | mnożnik |
|---|---|---|
| mikro | µ | 10−6 = 0,000 001 |
| mili | m | 10−3 = 0,001 |
| — | 1 | |
| kilo | k | 103 = 1 000 |
| mega | M | 106 = 1 000 000 |
| giga | G | 109 |
Uwaga: m (mili) ≠ M (mega). 1 mΩ to miliom, 1 MΩ to megaom — miliard razy więcej.
Liczycie na kartce, potem sprawdzamy.
| woda | prąd elektryczny |
|---|---|
| pompa wytwarza różnicę ciśnień | źródło wytwarza napięcie U [V] |
| przepływ wody (litry na sekundę) | natężenie prądu I [A] |
| zwężenie rury utrudnia przepływ | rezystancja R [Ω] |
Prąd:
Większe napięcie → większy prąd. Większa rezystancja → mniejszy prąd. Prąd jest taki sam w każdym miejscu zamkniętego obwodu.
| wielkość | symbol | jednostka | wzór | przykład |
|---|---|---|---|---|
| ładunek elektryczny | Q | kulomb [C], amperogodzina [Ah] | Q = I · t | akumulator 12 V, 100 Ah |
| natężenie prądu | I | amper [A] | I = Q / t | czajnik ok. 9 A, dioda LED 10 mA |
| napięcie | U | wolt [V] | U = R · I | gniazdko 230 V, bateria 9 V |
| rezystancja | R | om [Ω] | R = U / I | rezystor 1 kΩ |
| moc | P | wat [W] | P = U · I | panel PV 400 W, czajnik 2 kW |
| energia (praca) | W | dżul [J], kilowatogodzina [kWh] | W = P · t | rachunek za prąd: kWh |
1 kWh = urządzenie o mocy 1 kW pracujące przez 1 godzinę. W dżulach: 1 W = 1 J/s, więc 1 kWh = 1000 J/s · 3600 s = 3 600 000 J = 3,6 MJ. To jest jednostka z rachunku za prąd.
Cena 1,10 zł/kWh — orientacyjna cena energii razem z dystrybucją; na rachunku sprawdzicie własną.
Panel o mocy 400 W pracuje z pełną mocą przez 4,5 h. Ile energii wyprodukuje? Podaj w Wh i kWh.
W = 400 W · 4,5 h = 1800 Wh = 1,8 kWh
Akumulator 12 V ma pojemność 100 Ah. Ile energii zgromadzi? Jak długo zasili żarówkę LED 10 W?
W = 12 V · 100 Ah = 1200 Wh = 1,2 kWh; t = 1200 Wh / 10 W = 120 h
Ładowarka pobiera z sieci 230 V prąd 0,1 A. Jaka jest jej moc? Ile kosztuje 1 h ładowania (1,10 zł/kWh)?
P = 230 V · 0,1 A = 23 W; W = 0,023 kWh; koszt ≈ 0,025 zł (2,5 grosza)
| urządzenie | moc [W] | godz. dziennie | kWh / miesiąc |
|---|
Razem w miesiącu (30 dni):
Prawo Ohma: natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia.
U = R · I
I = U / R R = U / I
Amperomierz:
Woltomierz:
Po pomiarze prądu przełóż przewód z powrotem do gniazda VΩ!
Bateria 9 V + rezystor. Mierzymy U na rezystorze i I w obwodzie, liczymy R = U / I i porównujemy z wartością z oznaczenia.
| R z oznaczenia | U [V] | I [mA] | R = U/I | różnica |
|---|
δ = |Rzm − Rn| / Rn · 100%
Rezystory mają tolerancję, np. ±5% (złoty pasek) — wynik w tym przedziale jest zgodny z oznaczeniem.
Mierniki też mają swoją dokładność (podaną w instrukcji miernika).
Wyniki zapisujecie w karcie, część A1.
| I | R = U / I | |
|---|---|---|
| rezystor | ||
| LED |
Rezystor: prosta — R stałe, prawo Ohma działa.
Dioda LED: do ok. 1,6 V prawie nic nie płynie, potem prąd gwałtownie rośnie. R zależy od napięcia — element nieliniowy.
Dlatego diodę LED zawsze zasilamy przez rezystor ograniczający prąd.
P = U · I = I² · R = U² / R
Rezystor ma moc znamionową (np. 0,25 W). Większa moc → przegrzanie, spalenie.
Szereg E12 — znormalizowane wartości, w jakich produkuje się rezystory (IEC 60063): 12 wartości na dekadę: 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82 (× 1, 10, 100, 1000 …). Rezystora 95 Ω nie kupimy — bierzemy najbliższy z szeregu.
1. Rezystor 100 Ω, 0,25 W podłączono bezpośrednio do baterii 9 V. Czy wytrzyma?
P = U²/R = 81/100 = 0,81 W > 0,25 W — spali się (zagrzeje mocno).
2. Dobierz rezystor dla diody białej (3,1 V, 20 mA) zasilanej z 5 V (USB).
R = (5 − 3,1) / 0,02 = 95 Ω → z E12 100 Ω; I = 19 mA; P ≈ 0,036 W
Rz = R1 + R2 + R3
Rz jest większa od największej z rezystancji.
1/Rz = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3
dla dwóch: Rz = R1·R2 / (R1 + R2)
Rz jest mniejsza od najmniejszej z rezystancji. Dwa jednakowe: Rz = R/2.
Gdzie to spotkacie: odbiorniki w domu są połączone równolegle (każdy ma 230 V); ogniwa w panelu PV — szeregowo (napięcia się sumują).
rezystancja zastępcza Rz =
prąd ze źródła I = U / Rz =
Uwy = U · R2 / (R1 + R2)
Uwy =
Zastosowania: pomiar wysokiego napięcia (np. napięcia baterii w falowniku przez dzielnik do przetwornika), czujniki rezystancyjne (termistor + rezystor).
R1 = 100 Ω, R2 = 220 Ω, R3 = 680 Ω połączono szeregowo i zasilono z 12 V. Oblicz Rz, I oraz U3.
Rz = 1000 Ω; I = 12 mA; U3 = 680 · 0,012 = 8,16 V
R1 = 1 kΩ i R2 = 4,7 kΩ połączono równolegle do 9 V. Oblicz Rz, I1, I2 i prąd całkowity.
Rz ≈ 825 Ω; I1 = 9 mA; I2 ≈ 1,91 mA; I ≈ 10,9 mA
Z akumulatora 24 V trzeba uzyskać 5 V do wejścia pomiarowego. R2 = 1 kΩ. Ile musi wynosić R1?
5 = 24 · 1000 / (R1 + 1000) → R1 = 3800 Ω (np. 3,9 kΩ z E12 → Uwy ≈ 4,9 V)
Suma prądów wpływających do węzła = suma prądów wypływających z węzła.
I1 + I2 = I3 + I4
I4 =
Ładunek w węźle nie znika i się nie gromadzi. Przykład: prąd z dwóch stringów PV wpływa do skrzynki przyłączeniowej i wypływa jednym przewodem do falownika.
W zamkniętym obwodzie (oczku) suma napięć źródeł = suma spadków napięć na odbiornikach.
Ubat = UR + ULED
| Ubat | V |
| UR | V |
| ULED | V |
U = E − I · Rw
Źródło: bateria 9 V + rezystor 100 Ω w szeregu (udaje dużą Rw). Zmieniamy Robc, mierzymy U na zaciskach i I.
| Robc | U [V] | I [mA] |
|---|
Punktacja: część A — 10 pkt, część B — 20 pkt. Zaliczenie od 51%.
I = Q / t
P = U · I = I²R = U²/R
W = P · t
1 kWh = 3,6 MJ
Wakum = U · Q [Wh]
U = R · I
szereg.: Rz = R1 + R2 + …
równol.: 1/Rz = 1/R1 + 1/R2 + …
dwa: Rz = R1R2/(R1+R2)
dzielnik: Uwy = U·R2/(R1+R2)
węzeł: ΣIwpł = ΣIwypł
oczko: ΣE = ΣU
źródło: U = E − I·Rw
zwarcie: Iz = E / Rw
Rw = (U1 − U2) / (I2 − I1)
Dziękuję! Do zobaczenia na kolejnych zajęciach.