Stredná priemyselná škola elektrotechnická Hálova 16 Bratislava

ELEKTROTECHNIKA 3.ročník, odbor TIS

Vypracoval: Bc. Erik Náter

2

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

3

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

4

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

5

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)

6

- 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.

7

Číselné sústavy – polyadické

základ Názov číslice 2 dvojková (binárna) 0, 1

3 trojková (triadická) 0, 1, 2 4 štvorková 0, 1, 2, 3 5 Päťková 0, 1, 2, 3, 4 6 Šesťková 0, 1, 2, 3, 4, 5 7 Sedmičková 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6

8 osmičková (oktálová) 0, 1, 2, . . . ., 5, 6, 7 9 Deviatková 0, 1, 2, . . . , 6, 7, 8

10 desiatková (dekadická) 0, 1, 2, . . . . 7, 8, 9 16 šesťnástková (hexadecimálna) 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.

8

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

9

- 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.

10

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

11

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

s Vstupné premenné Výstupná

funkcia z Výstupná 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.

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

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 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

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.

13

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 vstupných premenných líšiacich sa len v hodnote jednej premennej. Príslušná kombinácia vstupných hodnôt určuje len jedno políčko. Nezávisle premenné vyznačujeme po okrajoch mapy ako identifikátory pre určenie riadkov a stĺpcov. Po okrajoch mapy sú k riadkom a stĺpcom pripísané kombinácie núl a jednotiek odpovedajúce vstupným premenným. Karnaughova mapa pre jednu vstupnú premennú Mapa bude mať len dve políčka

Karnaughova mapa pre dve vstupné premenné

14

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.

15

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.

16

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

17

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.

18

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).

19

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)

20

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.

21

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.

22

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)

23

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

24

25

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:

26

- 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)

27

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).

28

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

29

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.

30

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.

31

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.

32

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

33

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.

34

Statická charakteristika Grafické znázornenie závislosti hodnôt výstupného signálu od vstupného signálu odčítaných z ustálených stavov.

Dynamická charakterist. 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.

35

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

Signalizácia, ktorá dáva informáciu obsluhe o stave ovládaného zariadenia, ale nezasahuje do činnosti zariadenia.

Automatické blokovanie

Spôsob ochrany zariadenia pred poruchu alebo haváriou, ak nie sú 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,

36

- 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:

37

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

38

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. Analógovo- digitálny prevodník

Mení analógový signál na signál číslicový.

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.

39

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).

40

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.

41

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.

42

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.

43

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.

44

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 regulovanej veličiny

xk Pri nespojito pracujúcom regulátore rozsah, 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

45

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.

46

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.

47

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.

48

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 Definícia Spojitý regulátor Regulátor, kde výstupná veličina je spojitou

funkciou vstupnej veličiny. Proporcionálny Zmena akčnej veličiny je priamo úmerná

regulačnej odchýlke. Integračný regulátor Rýchlosť zmeny akčnej veličiny je úmerná

regulačnej odchýlke. Derivačný regulátor Zmena akčnej veličiny je úmerná rýchlosti zmeny

regulačnej odchýlky. Združený regulátor Regulátor, ktorého vlastnosti sú dané súčtom

vlastností jednoduchých regulátorov, z ktorých

49

pozostáva. Súčiniteľ prenosu regulátora KR Pomer zmeny akčnej veličiny k zmene regulovanej

veličiny. Pásmo proporcionality xp Rozsah, v ktorom sa musí meniť regulovaná

veličina, aby sa regulačný orgán pri P-regulátore prestavil z jednej krajnej polohy do druhej.

Trvalá regulačná odchýlka ∆xt Odchýlka skutočnej hodnoty regulovanej veličiny od žiadanej hodnoty v ustálenom stave.

Integračná časová konštanta TI Čas, za ktorý by výstupná veličina na I- regulátore dosiahla rovnakú hodnotu, akú by dosiahla pri P-regulátore s xp = 100%.

Derivačná časová konštanta TD 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.

50

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.

51

- 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

52

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.

53

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.

54

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.

55

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

56

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

57

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

58

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.

59

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.

60

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.

61

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:

62

- 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.

63

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.

64

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

65

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.

66

Prierez ističom Časti ističa

1. ovládacia páčka 2. aretačný mechanizmus 3. kontakty 4. prívodná svorka 5. bimetalový pás 6. regulačný prvok umožňujúci presné nastavenie hodnoty medzného prúdu 7. elektromagnetická spúšť 8. 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.

67

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.

68

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)

69

o AC6a – transformátory o AC6b – kondenzátory o AC7a – mierne induktívne záťaže domácich a podobných spotrebičov o 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)

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

70

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.

71

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)

72

• 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.