Electronics | Digital technology » Szabó Norbert - Elektrotechnika -elektronika

Elektrotechnika - elektronika Előadásvázlat Szabó Norbert mesteroktató Előadó: http://www.electrouni-miskolchu/~elkszabo/ 2018. Az elektrotechnika, mint tudományág A villamos -és mágneses jelenségek az atomokat alkotó, töltéssel rendelkező részecskék tulajdonságaiból és kölcsönhatásaiból adódnak: a villamos töltésből erednek. A villamos töltés: az atommagot alkotó egyik részecske, a proton, valamint atommag körül héjakon elhelyezkedő másik részecske, az elektron olyan tulajdonsága, amely semmilyen hatással nem változtatható meg, és nem szüntethető meg. Az elektrotechnika: a villamos és mágneses jelenségek különböző technikai eszközökben történő hasznosításával foglalkozó tudományág. Elektrotechnika - elektronika 2 2018.1213 12:41 Az elektronika, mint tudományág 3 Az elektronika az elektrotechnika egyik ága. A besorolást, hogy valamely eszköz elektronikus jellegű, vagy nem, az mutatja - egyik

nézőpont szerint, hogy a félvezetőkben, gázokban és vákuumban történő töltésáramlás által kiváltott jelenségeket hasznosítja. (szemben a fémekben és folyadékokban végbemenő töltésáramlás által kiváltott jelenségek hasznosításával). Elektrotechnika - elektronika 2018.1213 12:41 Az erőhatás tehát kifejezhető villamos és mechanikai mennyiségekkel is, és mivel a dimenzióknak meg kell egyezniük: [Fmech]=[ Fvill] tehát N=(V*s/Am)A2m/m= VAs/m N=kg *m/s2 tehát N= VAs/m=Ws/m a mértékegység (1) A mechanikai munka kifejezése: Wmech=F * s, Wvill =U I t, [Wmech]=[ Wvill] alapján 1N * m =1J= 1V A s=1W s, vagyis: 1J = 1Ws 1N=1J/m= 1Ws/m , ugyanúgy, mint (1)-nél és ebből következően a villamos feszültség mértékegysége: [U]=V=N*m/(As)= (kgm/s2 ) m/(A s) [U]= V= kg * m2/(A s3), ha SI mértékegységekben adjuk meg. Elektrotechnika - elektronika 4 2018.1213 12:41 Az SI mértékegységrendszer alap- és kiegészítő

mennyiségei Fizikai mennyiség alapmennyiségek neve jele Hosszúság Tömeg Idő Áramerősség Termodinamikai hőmérséklet Anyagmennyiség Fényerősség Síkszög Térszög 2018.1213 12:41 Mértékegység neve jele l m t I méter m kilogramm kg szekundum s amper A T kelvin n Iv mól kandela a,b,. radián w szteradián Elektrotechnika - elektronika K mol cd rad sr 5 A mértékegységek prefixumai A mértékegységek prefixumai a mértékegység előtt álló előtagok, annak 103n szeres mennyiségeit - tört részeit, 6vagy többszöröseit - kifejező, szabványos helyettesítő betűjelek, (n értéke ± 8 közötti egész szám az alábbi táblázatokban) lehetővé teszik a mennyiségek egyszerűbb, rövidebb megadását, nem kell felesleges 0-kat, hatványkitevőket leírni. A 101 és 102 és 10-1 és 10-2 - szeres mennyiségek jelei is szabványos prefixumok P R E F IX U M NEVE de ka he kto kilo m eg a g ig a tera peta exa zetta y o tta JELE da

h k M G T P E Z Y ÉRTÉKE 10 1 10 2 10 3 10 6 10 9 10 12 10 15 10 18 21 10 24 10 P R E F IX U M NEVE d eci cen ti m illi m ikro nano p iko fem to a tto zep to y octo JELE d c m  n p f a z y ÉRTÉKE Elektrotechnika - elektronika 10 -1 10 -2 10 -3 10 -6 10 -9 10 -12 10 -15 10 -18 10 -21 10 -24 2018.1213 12:41 Villamos töltés Elemi töltés: a negatív elektron és7a pozitív proton töltése, a természetben előforduló legkisebb töltésmennyiség, csak a többszöröse lehetséges. Értéke: e = 1,602.1019As A töltés villamos mezőt létesít, amely egy pontszerű pozitív töltés esetén a tér minden irányában a pontból induló vektorokkal, negatív töltés esetén a pontba a tér minden irányából érkező vektorokkal ábrázolható. A villamos mező a belé helyezett töltésre erőhatást gyakorol, villamos erőtérrel jellemezhető. ahol Q1 és Q2 a két töltés, Q1Q 2 Coulomb

törvénye: F  2 As-ban, F az erőhatás N4  π εo  r Az F iránya pozitív vagy negatív töltések között taszítás, negatív és pozitív töltések között vonzás! Elektrotechnika - elektronika ban, e0 =8,86.10-12 As/Vm a vákuum dielektromos állandója, r a két töltés közötti távolság m-ben 2018.1213 12:41 Pontszerű villamos töltés erővonalai: pozitív töltés erővonalai a töltéstől 8el, kifelé -Q Q negatív töltés erővonalai a töltés felé mutatnak, a tér erővonalai a pozitív töltésből indulnak és a negatívon végződnek. Pozitív és negatív töltések közös erőterében egy pozitív töltésű testre az erővonal irányával egybeeső -taszító- irányú erő hat, negatív töltésű testre az erővonal irányával ellentétes irányú-vonzó- erő hat. A fajlagos erőhatás: F/q=Q/(4.pe0r2)=E ahol E a villamos térerősség, az egységnyi töltésre ható erő. Mértékegysége: N/As=(J/m)/As=(VAs/m)/As=V/m

Elektrotechnika - elektronika 2018.1213 12:41 Töltésmegosztás Fém leme z + + + + + + + - + + + + + + - 9 Fémleme z henger Térmente s rész + + + + + + + --- + + + + + - A villamos térbe vezető anyagot helyezve, abban töltésmegosztás, influencia jön létre. A fémben a megosztott töltések villamos tere ellentétes az eredeti térrel, vagyis csökkenti a térerősséget. A töltésmegosztás energiát vesz fel a térből, mert a töltések elmozdulnak az erővonalakkal ellentétes irányban. A töltés-megosztás jelenségét a villamos tér fémes anyagokkal való leárnyékolására használják. Az árnyékolás lehet rézháló, alumíniumlemez vagy rács is, az ilyen térrészt Faraday-kalitkának nevezik. Elektrotechnika - elektronika 2018.1213 12:41 Töltésmegosztás Dielektrikum Dipólus molekulák 10 A villamos térbe szigetelő anyagot helyezve, mivel abban gyakorlatilag nincsenek töltések, nem lehetséges töltésszétválasztás, az

anyag dipólusai fognak a vonzásnak megfelelően beállni, polarizáció jön létre, szintén energiafelvétel révén. A jelenségen alapul a villamos átütés, az elektrosztrició, a piezoelektromos hatás és a ferroelektromosság. Polarizáció teszi lehetővé egyes anyagokban a fényáteresztő képesség, fénytörés, fénypolarizáló képesség, törésmutató változtatási lehetőségét villamos térrel. Ezen alapul a folyadékkristályos (LCD-Liquid Crystal Display) kijelzők működése, ahol igen vékony rétegű fém maszkkal, szegmensekkel meghatározott formájú jeleket, vagy karaktereket elektródaként kialakítva, passzív fényű minták jeleníthetők meg. Legelterjedtebbek a 7 szegmenses kijelzők, azonban számítógép képernyők is kialakíthatók az elv használatával. Elektrotechnika - elektronika 2018.1213 12:41 Villamos feszültség és áram Villamos feszültség: A villamos erőtér két pontja között a töltések erőtérrel azonos

irányú 11 elmozdulása során a tér munkát végez, Wvill energiát ad le. A két pont között Q töltés elmozdulása során a fajlagos munkavégzés: nevezünk. W vill U , amit villamos feszültségnek Q A villamos feszültség tehát szétválasztott töltések között jön létre, a töltések szétválasztása munka-befektetéssel jár: Wvill =Q.U Az U feszültség a tér két pontja között képes töltéseket mozgatni egy fogyasztón keresztül, mértékegysége: Volt, V=W/As. (a létrejövő töltés-kiegyenlítés energia-átalakulással jár) Villamos áram: a töltések áramlását villamos áramnak nevezzük, mértékegysége az Amper. 1 Amper az áramerősség, ha a vezető keresztmetszetén 1 s alatt 6,24.1018 db elektron áramlik át. Fémes vezetőkben csak elektronáramlás lehetséges, folyadékokban és gázokban ionok a töltéshordozók, vákuumban csak elektronok lehetnek töltéshordozók. Elektrotechnika - elektronika 2018.1213 12:41

Generátorok Generátorok jelképei: G G ~ = + + 12 általános generátor forgó generátor egyenfeszültségű tápegység galván elem A töltések szétválasztása energia-befektetést igényel: mechanikai (víz, szél, gőz) hő, fény, vegyi energiát alakítanak át különféle berendezésekkel villamos energiává. A generátor feszültségét forrásfeszültségnek nevezzük feszültségforrás Elektrotechnika - elektronika 2018.1213 12:41 Villamos áramkör fogalma UG Az egyszerű villamos áramkör felépítése –generátor –vezeték –ellenállás I R t Az egyszerű áramkör generátort, vezetéket és fogyasztót tartalmaz, áram csak zárt áramkörben folyhat. A mennyiségeket Ohm törvénye alapján számíthatjuk UG Nyitott az áramkör, ha szakadással zárjuk le, ilyenkor áram nem folyik Az anyagok azon tulajdonságát, hogy a villamos töltések áramlását akadályozzák, korlátozzák, villamos ellenállásnak nevezzük. Fémes

anyagokban a szabad elektronokat a kristályrács pontjain rögzített atomtörzsek akadályozzák rendezetlen hőmozgásukban, vagy a villamos tér hatására létrejövő egyirányú szabad áramlásukban. Gázokban és folyadékokban a töltéshordozók áramlását a rendezetlen hőmozgást végző molekulák akadályozzák Elektrotechnika - elektronika 13 2018.1213 12:41 Áramköri törvények Ohm törvény I R  R 1 U R G  I U= I.R U I  U 1 R I=G.U Elektrotechnika - elektronika I U A konduktív ellenálláson átfolyó egyenáram arányos a rákapcsolt feszültséggel, az arányossági tényező a vezetés. Két ismert mennyiségből a harmadik mindig kiszámítható. Ellenállások jelleggörbéje R [A] Az ellenállás megadható a jelleggörbéjével is, annak meredeksége jellemző az ellenállás értékére: U [V] 14 2018.1213 12:41 Áramköri törvények Kirchhoff törvények Kirchhoff I. törvénye: csomóponti törvény a

csomópontban töltések nem keletkeznek, de nem is veszhetnek el! A csomópontba befolyó és onnan kifolyó áramok algebrai összege mindig 0 ! Egy csomópontból csak ugyanannyi áram folyhat ki, mint amennyi befolyt. I C R1 I I1 R2 R3 Rn I2 I3 In Általánosan kifejezve az alábbi ábra C csomópontjára: I – (I1+ I2+ I3++ In)=0 n  Ik  0 k 1 Elektrotechnika - elektronika 15 2018.1213 12:41 Áramköri törvények Kirchhoff II. törvénye: huroktörvény I UG Rn hurok R1 U1=I* R1 R2 U2=I* R2 R3 U3 =I* R3 Zárt áramköri hurokban a fogyasztói feszültségek összege megegyezik a forrásfeszültségek összegével. Máskép: zárt áramköri hurokban a részfeszültségek algebrai összege mindig 0! U1+ U2+. +Un= UG , n átrendezve  Uk UG - U1+ U2+. +Un =0 másként: k  1 0 Un =I* Rn UG forrásfeszültség U1,. Un fogyasztói feszültségek Elektrotechnika - elektronika 16 2018.1213 12:41 A villamos áramkör egyéb

építőelemeinek jelölése R C L Konduktív, ohmos ellenállás Vezeték Kapacitás Nem összekötött keresztező vezeték Induktivitás Elágazás csomóponttal Transzformátor Keresztezés csomóponttal Tr U A Árammérő Feszültségmérő Elektrotechnika - elektronika I F Feszülségnyil Áramnyil Olvadó biztosíték 17 2018.1213 12:41 Sorosan kapcsolt ellenállások eredőjének meghatározása I UG Rn R1 U1=I . R1 R2 U2=I . R2 R3 U3 =I . R3 Soros kapcsolásban minden ellenálláson ugyanazon áram folyik át! Következmény: az ellenállásokon eső részfeszültségek aránya megegyezik az ellenállások értékeinek arányával. Un =I . Rn U1=I . R1 , U2=I R2 , Un=I Rn I . R1+ I R2+ +I Rn= I ( R1+ R2++ Rn )= I . Re I-vel mindkét oldal osztható: Általánosan: n tehát Re= R1+ R2++ Rn Fontos! Re mindig nagyobb a legnagyobb értékű ellenállásnál! Elektrotechnika - elektronika 18 Re   Ri i 1 2018.1213 12:41

Párhuzamosan kapcsolt ellenállások eredője Párhuzamos a kapcsolás, ha minden elemre ugyanaz a feszültség van kapcsolva. I U U I  I=I1+ I2+ I3+.+ In I  R R U I2 I1 Rn 3 2 R1 2 1 In Tehát:  R1 U  .  R2 U  Rn U  1  Általánosan: 1 1  Rp 1  .  R1 Rp U Rn U I  R2 R1 In I3 U R2 1  Rn Rp n Rp  i 1 1 Ri Az eredő ellenállás reciproka az egyes ellenállások reciprok értékeinek összege Két ellenállás esetén: 1 Re  1 R1  1 R2 Elektrotechnika - elektronika R1 R 2  R1  R 2 replusz  R e  R R 1 R  1 R 2  R 1 x R 2 2 19 2018.1213 12:41 D -Y, háromszög-csillag átalakítás R2 R1 A R3 B C RAD=? R5 R4 R6 D R2 A C R3 R1 B A C R12 D R13 B Elektrotechnika - elektronika R23 Meghatározandó az A-D pontok között a passzív lineáris vezető elemekből, ohmos ellenállásokból álló hálózat RAD eredő

ellenállása. A kapcsolásban sem soros, sem párhuzamos kapcsolást nem találunk. Jelöljük ki az A, B, C pontok közötti ellenállásokat: csúcsára állított háromszöget, amely D (delta) kapcsolást alkot. Ezt alakítsuk át egyenértékű csillag, Y kapcsolássá! Az átalakítás után a kapcsolás már soros és párhuzamos elemekből épül fel, így az áramköri törvényekkel számítható. A számítási módszer neve D -Y, vagy háromszögcsillag átalakítás. 20 2018.1213 12:41 D -Y, háromszög-csillag átalakítás R2 A R3 R1 A C C R12  D R13 B B R23 D -Y átalakítás: bebizonyítható, hogy A, B, C pontok között a következő átszámítások érvényesek: R2 R1 A B SR=R1+R2+R3 R3 R 12 C RAD=? R4 R5 R6  R 13  D R 23  R1R2 R R1R3 R R2R3 R (Az A-C-D pontok között a Y- D átalakítással ugyanarra a végeredményre jutunk, azonban a G vezetésekkel kell számolni, kissé hosszadalmasabb a

számítás.) Elektrotechnika - elektronika 21 2018.1213 12:41 Y-D, csillag-háromszög átalakítás A GA  RA RB RC C B GC  A RA 1 RB 1 RC Csillag-háromszög, máskép Y- D átalakításnál a vezetésekkel kell számolni. Először számítsuk át az ellenállásokat vezetésekké, majd meg kell határozni a SG összes vezetést! Bebizonyítható, hogy A, B, C pontok között a következő átszámítások érvényesek: SG=GA+ GB+ GC GA GB GC C B A GAB B GB  1 GAC C GBC R AB  1 G AB , stb . Elektrotechnika - elektronika RA = RB = RC = R esetén GA = GB = GC =1/R SG=3/R, GAB = GBC = GAC =1/(3R), tehát RAB = RBC = RAC = 3R a delta- kapcsolás elemeinek értékei háromszorosa a csillag elemeinek. 22 G G G  A AB G AC  G BC  B G GA GC G GB GC G 2018.1213 12:41 Mennyi lesz a három elem eredője? R2  R3 R AB  ( R1  R 2 )  R 3  R2  R3 R2  R3 R2  R3 Elektrotechnika - elektronika

 R1  R1 23 2 0  30  20  30 2 0  30 20  30 8  4 ,8  8 2018.1213 12:41 Feszültségosztó számítása U1  U U1 U2  R1 U2 U R2 U 1  R 2  U 2  R1 R1 R1  R 2 R2 R1  R 2 U 1  R 2  (U  U 1 )  R1 (U 1  U )  R1  U 1  R 2  0 U 1  R1  U 1  R 2  U  R1  0 U 1 ( R1  R 2 )  U  R1 Elektrotechnika - elektronika Zárt áramkörben a részfeszültségek úgy aránylanak egymáshoz, mint az ellenállások értékei, amelyeken a részfeszültségek esnek. 24 2018.1213 12:41 Áramosztó számítása I1  I I  I1  I 2 I2  I U  I 1  R1  I 2  R 2 I  I1  I 2  I1  I1  I1  I R1 R2  I 1 (1  1 R 2  R1  I R1 R2 )  I1 R 2  R1 R2 R2 R1  R 2 R2 R1  R 2 R1 R1  R 2 Párhuzamosan kapcsolt ellenállások áramai fordítottan aránylanak egymáshoz, mint ellenállásaik értékei. R2 Elektrotechnika -

elektronika 25 2018.1213 12:41 Thévenin generátor Ig  Elektrotechnika - elektronika Norton generátor Ug Rb  IZ  26 U Th Rb 2018.1213 12:41 Thévenin tétel: Thévenin - tétel: A tetszőleges bonyolultságú hálózatot helyettesíthetjük egy ideális feszgenerátorral, melynek forrásfeszültsége az eredeti kétpólus üresjárási feszültségével egyenlő, és egy soros belső ellenállással, melynek értéke a kétpólus kapcsai közt mérhető ellenállással egyezik meg, ha a feszültséggenerátorokat rövidzárnak, az áramgenerátorokat szakadásnak vesszük. Elektrotechnika - elektronika 27 2018.1213 12:41 Norton tétel: Norton - tétel: A tetszőleges bonyolultságú hálózatot helyettesíthetjük egy ideális áramgenerátorral, mely forrásárama egyenlő a kétpólus rövidzárási áramával, és egy párhuzamosan kapcsolódó vezetéssel, mely értéke megegyezik a kétpólus kapcsai közt mérhető vezetéssel, ha a

feszültséggenerátorokat rövidzárnak, az áramgenerátorokat szakadásnak vesszük. Elektrotechnika - elektronika 28 2018.1213 12:41 Szuperpozíció tétele: Szuperpozíció tétele: Ha egy hálózat több generátort tartalmaz, akkor mindegyik generátor a hálózat bármely ágában a többitől függetlenül hozza létre a maga részáramát. Minden generátor hatását külön-külön vizsgáljuk, majd ezeket előjelesen összegezzük. A részáramok számításánál a többi generátort belső ellenállásával helyettesítjük (áramgenerátorokat megszakítjuk, feszültség generátorokat rövidrezárjuk). Elektrotechnika - elektronika 29 2018.1213 12:41 Hurokáramok módszere: Elektrotechnika - elektronika 30 2018.1213 12:41 Csomóponti potenciálok módszere: I1  I 2  I 3  I b 4 I3  I5  Ib4  I1  I 2  I 3  I b 4  0 Elektrotechnika - elektronika  I3  Ib4  I5  0 31 2018.1213 12:41 Határozzuk meg az

ábrán látható áramkörben folyó áramokat, ha ismertek:  U 1  I 1  R1  I 2  R 2  U 2  0 U 3  U 2  I 2  R2  I 3  R3  0 I1  I2  I3  0 70   I 1  30   I 2  110 V  30   I 2  30   I 3  120 V I1  I2  I3  0 10  I 2  7  I 3  11  I2  I3  4  I3  4  I2 Elektrotechnika - elektronika 32 U1 U2 U3 R1 R2 R3  310 V  200 V  80 V  70   30   30  2018.1213 12:41 Determinánsok módszerével megoldva: 7 3 0 D  0 1 1 1 1 3 0 11 D1  4 1 0 1 1  7 ( 1  1 )  3 ( 0  1 )  0 ( 0  1 )  17 7  I 1  3  I 2  11  I2  I3  4 I1  I 2  I 3  0 1  11 ( 1  1 )  3 (  4 )  0  34 I1  1 7 11 0 D2  0 4 1  7 (  4 )  11 ( 0  1 )  0   17 1 0 1 7 3 11 I2  I3  D3  0 1 4  7 ( 0  4 )  3 ( 0  4 )

 11 ( 0  1 )  28  12  11  51 1 1 0 Elektrotechnika - elektronika 33 D1 D D2   D D3 D 34  2A 17  17  1 A 17  51  3A 17 2018.1213 12:41 Szuperpozíció tételével megoldva: I  2 U2 R I  I 1 200  e  70  30  30 R3 2 R3  R2  3 , 92 200  3 , 92 A 51 30 70  30 I1  U1 R I  I1 2 e  310 30  30  70 R3 R3  R2  3 , 647  310  3 , 647 A 85 30 30  30  1,823 A  I 3  1,176 A I 3  I 2  I 1  2 , 743 A I3  U3 R I  I 2 e 3  80 30  70  30 R1 R1  R 2  1, 568  80 I 1  3 , 647  1,176  0 , 47  2 A  1, 568 A 51 70 30  70 I 2  1,823  3 , 92  1, 098   1 A I 3  1,823  2 , 743  1, 568  3 A  1, 098 A I 1  I 3  I 2  1, 568  1, 098  0 , 47 A Elektrotechnika - elektronika 34 2018.1213 12:41 Hurokáramok módszerével

megoldva: J 1 ( R1  R 2 )  J 2  R 2  U 2  U 1  0  J 1  R2  J 2 ( R2  R3 )  U 3  U 2  0 100 J 1  30 J 2   200  310  30 J 1  60 J 2  200  80 100 J 1  30 J 2  110  15 J 1  30 J 2  60 J 1  I1  2 A J 2  I3  3 A I 2  J1  J 2  2  3  1A Elektrotechnika - elektronika 35 2018.1213 12:41 Csomóponti potenciálok módszerével megoldva: I1  I 2  I 3 U1 U  A U R1 310  U U2 A  A 930  3U U A A  7U  200 A U3 R3 30 2890  17 U A A R2 70 U  U  U A  80 I1   1400  7U A  560 I2  U I3  U A  310  170 U2 A U3 R3  2A 70  170  200  1A 30 R2 A 36 A R1 30  170 V Elektrotechnika - elektronika U1 U  170  80  3A 30 2018.1213 12:41 Generátorok vizsgálata, ideális generátor jelleggörbéje UG It Uk Uk Rt UG Uk = UG It Az

ideális generátor kapocsfeszültsége tetszőleges nagyságú terhelő áram esetén is állandó marad, UG értékű, független a terhelő áramtól. Ez csak úgy lehetséges, ha nincs belső ellenállása: Rb=0 Ez azonban idealizálás, mert bármely valóságos generátornak van belső ellenállása, pl. a forgó tekercs vezeték-ellenállása Elektrotechnika - elektronika 37 2018.1213 12:41 Generátorok terhelése, valóságos generátorok UG Rb It Ub Uk Rt A generátor áramkörére írjuk, fel a huroktörvényt: UG= Ub + Uk , vagyis Uk = UG - Ub , Ohm törvényét alkalmazva Ub = Rb. It, , tehát Uk = UG - Rb It Szélső terhelési esetek: 1.) Rt =, It =0, Uk = UG üresjárás 2.) Rt =0, It = Iz = UG / Rb , rövidzárás Elektrotechnika - elektronika 38 2018.1213 12:41 Generátorok terhelése, valóságos generátorok Valóságos feszültséggenerátor jelleggörbéje Uk UG A kapocsfeszültség változása: 1.) Uk = UG = Uü üresjárás Ideális

generátor UG Rb. It2 DUk Uk = UG - Rb. It It 0 It1 DIt It2 Iz = UG / Rb Az Rb belső ellenállás az üresjárási feszültség és a rövidzárási áram hányadosaként számítható, azonban nagyobb teljesítményű generátorokat nem lehet rövidrezárni. Rb = Uü / Iz Elektrotechnika - elektronika 39 2.) Uk = 0, It = Iz rövidzárás a jelleggörbe meredeksége: -(UG / Iz) megegyezik az Rb ellenállás értékével DIt =It1-It2 DUk =Uk1-Uk2 DUk / DIt = -(UG / Iz)= Rb vagyis két terhelési áram-feszültségméréssel meghatározható a belső ellenállás, rövidrezárás nélkül. 2018.1213 12:41 Szinuszos jelalak jellemzői  U a feszültség csúcsértéke u a feszültség pillanatértéke T a periódusidő, f =1/T a frekvencia w = 2.p f a körfrekvencia   értéke: u  U  sin w t Az ábrán 10 V csúcsértékű, 50 Hz frekvenciájú szinuszos feszültség időfüggvényét ábrázoltuk. A pillanatérték t=7 ms hoz tartozik, tehát

u=10.sin(2p50 0,007)azaz u=10. sin2,199 rad=8,09 V u  U  sin w t Elektrotechnika - elektronika A pillanatérték tetszőleges t időpontban számítható, 40 2018.1213 12:41 A forgóvektoros ábrázolás bevezetése A szinuszos jel pillanatértéke tetszőleges t időpontban: u =U0 . sinwt, ezt az értéket helyettesíthetjük egy U0 amplitúdóval megegyező nagyságú vektor jelölt forgásirányú forgatásakor a függőleges tengelyre eső vetületével: U0 . sinaval A szinuszos jelet egyszerűen felrajzolhatjuk az időtengelyt wt tengelyként tekintve, szög-osztásokat elhelyezve rajta, a forgó vektor vetületeinek és a szög-osztások vonalainak metszéspontjaira. A szinuszos jeleket tehát óramutató járásával ellentétesen forgó vektorokkal helyettesíthetjük, amennyiben azonos frekvenciával p/2 változnak. Forgásirány U0 wt w 3p/2 p/2 3p/2 Elektrotechnika - elektronika wt a =wt 41 2018.1213 12:41 p/2 Forgásirány U0 w 3p/2 wt p/2

3p/2 Elektrotechnika - elektronika a =wt 42 2018.1213 12:41 Ohmos ellenállás váltakozó áramú körben 43 Kapcsoljunk szinuszos váltakozású feszültséget ohmos ellenállásra. UR és I között nincs fáziseltérés, az áram fázisban van a feszültséggel. ~ U I R UR Az ellenálláson átfolyó áram, irányától függetlenül az azonos fázisú feszültség miatt hatásos teljesítményt vesz fel a generátorból és hőteljesítménnyé alakítja át. A P= U . I összefüggés alapján határozható meg a szinuszos mennyiségek effektív értéke. Elektrotechnika - elektronika UR I 2018.1213 12:41 A kapacitív reaktancia ~ U I R C UC Az R és C elemekből álló hálózatra U=U0.sinwt szinuszos feszültséget kapcsolunk és csak a tranziens, átmeneti állapot után végzünk vizsgálatot. Az u pillanatértéket az uR pillanatértéke és az uC pillanatértékének összege adja meg a t1 időpontban. Mindegyik elemen azonos az áram jele, ezért

ehhez viszonyítjuk a többi jelet. j az U feszültség fáziskésése az áramhoz képest: j (360.t/T) j (360.0,075/1) j 27° azaz -0,471 rad 5 U,Uc, UR [V], I [mA] UR U0 4 3 2 1 u U UR uR 0 -1 -2 -3 -4 f= 1 kHz Uc uC t t, j I -5 2.0m 21m 22m 23m 24m 25m 26m 27m 28m 29m 30m t [s] Elektrotechnika - elektronika 44 2018.1213 12:41 A kapacitív reaktancia Vektorábrán ábrázolva a két feszültséget, a 45 parallelogramma szabállyal szerkesztve adódik eredőként U értéke, vagy a derékszögű háromszögből Pithagoras tétellel: U2= UR2 + UC2 A j fáziszög kiszámítása: tg j UC/UR, j  arctg(UC/UR ) fáziszöggel késik az U feszültség az áramhoz képest, a kondenzátor feszültsége pedig 90°-al késik az áramához képest, az adott frekvencián. A kondenzátor áramkorlátozó hatását kapacitív reaktanciának nevezzük: jele Xc, kapacitív meddő ellenállás, értéke Xc=1/(w .C)=1/(2pfC), ahol f a frekvencia Xc 

Elektrotechnika - elektronika 1 w C  1 2 p  f C 45 2018.1213 12:41 Fizikai szempontból ez azt jelenti, hogy a kondenzátorra váltakozó feszültséget kapcsolva a kondenzátor az egyik félperiódusban energiát vesz fel a generátortól, a másik félperiódusban visszaadja, töltések formájában. A töltésváltozás sebessége, amely megegyezik az i árammal: i=DQ/Dt A Q=C.U összefüggés alapján i =C.DU/Dt, vagyis az áram a feszültségváltozás sebességével arányos A kondenzátor villamos tere akadályozza a töltések áramlását. Elektrotechnika - elektronika 46 2018.1213 12:41 Az induktív reaktancia 47 Az R és L elemekből álló hálózatra U=U0.sinwt szinuszos feszültséget kapcsolunk. Az u pillanatértéket az uR pillanatértékének és az uL pillanatértékének összege adja meg a t1 időpontban. 10 U0 UL U, UL, UR [V], I [A] 6 I R ~ U u 8 UR U L UL f=100 Hz 4 2 0 -2 -4 -6 uR uL t1 I UR t t (j) T -8

-10 100m 110m 120m 130m 140m 150m 160m 170m 180m 190m 200m t [s] Elektrotechnika - elektronika Mindegyik elemen a közös jel az áram, ezért ehhez viszonyítjuk a többi jelet. A fázisszög U és I között j  360. t /T, U ennyivel siet I-hez képest. 2018.1213 12:41 Az induktív reaktancia 48 . Az előzőekben rögzítettük, hogy a vektorok w szögsebességgel forognak a jelölt irányban, és ez leképezi a szinuszos váltakozást, lényegesen leegyszerűsíti az ábrázolást és a számításokat is. Vektorábrán ábrázolva a két feszültséget, a parallelogramma szabállyal szerkesztve adódik eredőként U értéke, vagy a derék-szögű háromszögből Pithagoras tétellel: U2= UR2 + UL2 A j fáziszög kiszámítása: tg j UL/UR, j  arctg(UL/UR ) Az adott frekvencián j fázisszöggel siet az az I áramhoz képest U feszültség, az induktivitás UL feszültsége pedig 90°-al siet az áramához képest. Elektrotechnika - elektronika 2018.1213 12:41

Az induktív reaktancia 49 Az induktivitáson létrejövő indukált feszültség Ui= -L.DI/Dt, mivel szinuszos az áram, DI/Dt=D(I0.sinwt )/Dt, Dt0 esetén D(sinwt )/Dt  – wcoswt, tehát Ui= LI0wcoswt Azonban coswt= (sinwt+p/2 ), végeredményül Ui= L.I0 w(sinwt+p/2 ) Az induktivitás árama is szinuszos, de 90°-al késik a feszültségéhez képest. Az induktivitás a Lenz törvény alapján korlátozza a váltakozó feszültség által keltett áramot, a benne keletkezett indukált feszültség iránya ellentétes a rákapcsolt feszültséggel, az áramváltozás ellen hat. Az áramkorlátozó hatás mértékét az XL induktív reaktancia adja meg: XL = Ui/ I0 = w.L, az induktív meddő ellenállás X L  w  L  2 p  f  L Elektrotechnika - elektronika 2018.1213 12:41 Az induktív reaktancia alkalmazása Felüláteresztő szűrő R U tg j UL/ UR jarctg1=p/4=+45° UL UR L UL UR = UL = U/ 2 U UL j UR XL=w .L=2pfL), ha f, Xc

, vagyis az induktivitás feszültsége közelíti a bemeneti feszültség értékét magas frekvencián, alatta UL értéke egyre csökken. Ha UR = UL , I.R=I XL tehát R= XL = 2pfL f=fh = R/ 2.pL=1/(2pL/R) fh a határfrekvencia UR = UL miatt tg j = 1, j =+45° a fázistolás I és U között. A felüláteresztő szűrő a határfrekvencia alatt csillapítja a bemeneti jelet, a magasabb frekvenciájú jeleket átengedi. Elektrotechnika - elektronika 50 fh  1 2  π L R 2018.1213 12:41 A kapacitív reaktancia alkalmazása Aluláteresztő szűrő R U tg j51 UC/ UR jarctg-1=-p/4=-45° UR C UC j UC U UR U C UR = UC = .U/ 2 Xc=1/w.C=1/(2pf C) Ha f0, Xc  , vagyis a kondenzátor feszültsége közelíti a bemeneti feszültség értékét alacsony frekvencián, felette Uc értéke egyre csökken. Ha UR = UC , IR=IXc tehát R= Xc =1/(2.pf C), f = fh = 1/ 2pf C fh a határfrekvencia UR = UC miatt tg j=–1, j= –45° a fázistolás I és U

között. Az aluláteresztő szűrő a határfrekvencia alatt átengedi a bemeneti jelet, a magasabb frekvenciájú jeleket csillapítja. Elektrotechnika - elektronika 51 2018.1213 12:41 A komplex impedancia A meddő ellenállások nem fogyasztanak energiát, csak áramkorlátozó szerepük van. Meghatározhatunk egy komplex ellenállást, impedanciát, amely a következőkép írható le: Z = R+jX, ahol X az induktív, vagy kapacitív reaktancia, (mindezek a feszültség- háromszög elemeinek I-vel való osztásából adódnak), a j pedig a képzetes egység: j   1 Im = imaginárius, képzetes rész, Re = reális, valós rész: Z = R - j. XC A továbbiakban mint vektorokkal számolhatunk az így megfogalmazott komplex számokkal. Az egy irányba eső összetevőket algebrai összeadással kell összegezni, a merőlegeseket pedig vektorszerűen, Pithagoras tételét alkalmazva. Az impedancia abszolút értéke: Z  R  X c vagy Z  R  X 2 Elektrotechnika -

elektronika 2 2 52 Például: j XC R Re Z -j -Im Érvényes az Ohm törvény: I =U/Z, U =Z.I és Z =U/I 2 L 2018.1213 12:41 Az áram hőhatásának figyelembevétele 53 Ha I erősségű áram R ellenálláson folyik át, akkor Pvill =I2 . R teljesítmény alakul át hővé és így c . m DT = h I2 R t energiát vesz fel az anyag Az áram hőhatása tehát az áramerősség négyzetével arányos. Fontos ezt az összefüggést tudnunk a vezetékek méretezésénél, hiszen a vezetékek ellenállásán a rajtuk átfolyó áram négyzetével arányos hőfejlődés lép fel, amely káros túlmelegedést is okozhat, a hosszú vezetékek keresztmetszetét emiatt meg kell növelni, így R értéke csökkenni fog. A jelenséget felhasználják a vezetékvédő olvadó biztosítékok készítésénél: megadott áramérték felett a jó vezető anyagból készült vékony biztosítóbetét-szál túlmelegszik, megolvad, és így bontja a védendő áramkört. A betét

kialakításától függően lomha, normál és gyors működésű biztosítékok vannak. 2 Pvill  I  R Elektrotechnika - elektronika 2018.1213 12:41 Váltakozó áramú teljesítmények. Szinuszos jelalakú váltakozó feszültséget kapcsolva ohmos ellenállásra, az áram és a feszültség egymással fázisban van. Ennek következményeként az ellenálláson hatásos teljesítmény lép fel, a villamos teljesítmény teljes egészében hőteljesítménnyé alakul: Pv= U.I= cmDT/t , mértékegysége [(kWs/K).K/s]=[kW] A villamos teljesítmény számításánál az U feszültség mindig a feszültség effektív értékét jelöli, ugyanígy az I áram is a váltakozó áram effektív értéke. Vektor,- illetve fazorábrán történő ábrázolásnál a szinuszos időbeli változást azonos irányba mutató, óramutató járásával ellentétesen forgó vektor, a fazor mutatja. P A P teljesítményt is vektorként ábrázolhatjuk I Elektrotechnika - elektronika 54 U

w 2018.1213 12:41 L U ~ Váltakozó áramú teljesítmények. I R L induktivitásnak szinuszos váltakozó áramú körben XL induktív reaktanciája, meddő ellenállása van: XL= w.L, ahol w=2pf a körfrekvencia, f a frekvencia, [f]= 1/s= Hz U effektív értékű feszültség hatására az áramkörben I=U/Z áram fog folyni, amely j fázisszöggel késik a feszültséghez képest. A Z látszólagos ellenállás, az impedancia értéke: Z  R  (w  L ) 2 2 XL Z j R Elektrotechnika - elektronika 55 2018.1213 12:41 Váltakozó áramú teljesítmények. Induktív meddő ellenállás fazorábrái XL Z j tg j XL/R=w.L/R, tehát j arctg( w.L/R) P=Ph=U.Icos j hatásos teljesítmény Q=Pm=U.Isin j meddő teljesítmény S=Pl =U.I a látszólagos teljesítmény A mértékegységek: [P]=W [Q]=VAr (reaktív) [S]=VA Elektrotechnika - elektronika S, Pl Q, Pm j P, Ph R S2=Q2+P2 cos j  P / S a teljesítménytényező, azt mutatja meg, hogy a látszólagos

teljesítmény hányad része alakult át hatásos teljesítménnyé. cos j  P S 56 2018.1213 12:41 Váltakozó áramú teljesítmények. I R U ~ C C kapacitásnak szinuszos váltakozó áramú körben XC kapacitív reaktanciája, meddő ellenállása van: XC= 1/w.C, ahol w=2pf a körfrekvencia, f a frekvencia, [f ]= 1/s= Hz U effektív értékű feszültség hatására az áramkörben I=U/Z áram fog folyni, amely j fázisszöggel siet a feszültséghez képest. A Z látszólagos ellenállás, az impedancia értéke: Z R  1 2 w 2 C 2 R j XC Elektrotechnika - elektronika Z 57 2018.1213 12:41 Váltakozó áramú teljesítmények. Kapacitív meddő ellenállás fazorábrái P, Ph R j XC Z Q, Pm j S, Pl S2=Q2+P2 tg j XC/R=1/w.CR, tehát j arctg (1/wCR) P=Ph=U.Icos j hatásos teljesítmény Q=Pm=U.Isin j meddő teljesítmény cos j P / S a teljesítménytényező, azt S=Pl =U.I a látszólagos teljesítmény mutatja meg, hogy a

látszólagos A mértékegységek: [P]=W [Q]=VAr (reaktív) [S]=VA Elektrotechnika - elektronika teljesítmény hányad része alakult át hatásos teljesítménnyé. cos j  P S 58 2018.1213 12:41 Effektív érték. 10m Û Feszültség V 8m 6m 4m 2m 0 -2m -4m -6m -8m -10m 0.00 5.00m T 10.00m 15.00m 20.00m Idô [s] Û  Î 10m Teljesítmény [W] 9m 8m 7m 6m Pátlag 5m 4m 3m 2m 1m Ohmos ellenállásra szinuszos feszültséget kapcsolva, azonos fázisú áram folyik át rajta, így: P  Û  Î a teljesítmény maximális értéke, és látható, hogy a teljesítmény a feszültség frekvenciájának kétszeresével lüktet. Időfüggvénye Û  Î  sin 2 w t , amelynek szimmetriája folytán a sraffozott területek a jelölt módon beforgathatók, és éppen kitöltik az alsó téglalapot, amelynek területe így Û  Î  T 2 , az 1 periódusra eső We villamos energia értéke. Pátlag = We /T az időegységre eső energia, vagyis

az átlagteljesítmény: P 0 0.00 5.00m Elektrotechnika - elektronika 10.00m t [s] 15.00m 20.00m 59 átlag  Û  Î 2 2018.1213 12:41 Effektív érték. Pátlag = We /T az időegységre eső energia, vagyis az átlagteljesítmény: P Az Û 2 és átlag Î Û  Î  2  Û 2  Î 2 az egy periódus alatt hővé váló teljesítmény mennyiségek olyan egyenfeszültség és egyenáram 2 értékeknek felelnek meg, amelyekkel azonos mértékű teljesítményt (hőfejlődést) hoznak létre, emiatt a szinuszos mennyiség effektív értékének nevezzük őket (angolul RMS  Root Mean Square: Négyzet- gyökös átlagérték). Jelölésük U és I. Mivel 2 =1,414 U= 0,707 Û és I =0,707 Î Pl. a hálózati feszültség értéke U=230 V, emiatt a szinuszos váltakozó feszültség csúcsértéke 1,414.U= 325 V A váltakozó feszültségnek és áramnak mindig az effektív értékét adjuk meg, ha más érték szükséges, azt külön

kell jelölni. Az elektrodinamikus műszerek effektív értéket mérnek és mutatnak, a Deprez műszer a jel abszolút középértékét méri tehát a skáláját k=1,11 alaktényezővel korrigálják, így az effektív értéket mutatja. Elektrotechnika - elektronika 60 2018.1213 12:41 Párhuzamos sík felületeken szétválasztott villamos töltések 61 d +Q E U Erőtér, térerősség, kapacitás A lemezek között a Q nagyságú töltések szétválasztása folytán –Q U feszültség lép fel. Másképpen, ha U feszültséget kapcsolunk a lemezpárra, akkor Q töltés válik szét, és a lemezek közötti térben térerősség lép fel, amely A E=U/d formában számítható. „A” felületű lemezeket feltételezve az elrendezés töltéstároló képessége, kapacitása az alábbi képlettel számítható: C  ε 0  A d [F] Farad Ahol e0=8,86.10-12 As/Vm, a vákuum dielektromos állandója A sík lemezek között azonos térerősségű, homogén villamos

tér alakul ki. Elektrotechnika - elektronika 2018.1213 12:41 Síkkondenzátor, kondenzátorok kapcsolása Fém fegyverzet C  ε0  εr  Fém kivezetés d A kondenzátor, mint áramköri elem C jele: A Dielektrikum, szigetelő anyag ahol: A a szembenálló síklemezek felülete, [m2], d a távolságuk [m], er a szigetelő anyag relatív dielektromos állandója, e0 a vákuum dielektromos állandója., C a kondenzátor kapacitása Faradban 62 A d Kondenzátorok soros kapcsolása C1 A kapcsolás helyettesíthető egyetlen Ce eredő kapacitással tehát Q=U. Ce azaz U=Q/ Ce U Ce U1 U C2 1 U= U1 + U2 Q Ce  Q C1  Q C2 U2 Mindkét kondenzátor fegyverzetein a töltésszétválasztás során csak ugyanannyi Q töltés halmozódhat fel, emiatt: Q= C1 . U1= C2 U2, A huroktörvény alapján: U= U1 + U2 Mindkét oldalt Q-val elosztva: máskép: Ce = C1 X C2, azaz Ce = C1 replusz C2 , általánosan: Ce  1 Ce Elektrotechnika - elektronika 62 1

C1  1 C2 n 1 i 1 Ci   2018.1213 12:41 Kondenzátorok párhuzamos kapcsolása Párhuzamosan kapcsolt kondenzátorokon azonos az U feszültség, töltésüket a C kapacitás határozza meg, az összes szétválasztott töltés pedig az egyes töltések összege: Qe= Q1 + Q2+.+ Qn A kapcsolás helyettesíthető egyetlen Ce eredő kapacitással U C1 C2 Cn Q1= C1 . U, Qn= Cn U  U Ce Qe= Ce. U C1 . U++ Cn U= Ce U, U-val osztva mindkét oldalt: C1+ C2++ Cn= Ce vagyis a párhuzamosan kapcsolt kondenzátorok eredője az egyes n kapacitások értékének összege. Általánosan felírható: Ce   Ci i 1 Elektrotechnika - elektronika 63 2018.1213 12:41 Kondenzátor feltöltési folyamata egyenfeszültségről Ube Uki 0,632. Ube A kondenzátor kezdeti töltése 0, R ellenálláson a kezdeti pillanatban I= Ube/R áram folyik. A kondenzátor feszültsége U= Q/C szerint növekszik, tehát az I áram értéke fokozatosan csökken, amint a

kondenzátor töltődik. A feltöltődés időfüggvénye -t   U ki  U be  1  e τ   Elektrotechnika - elektronika t t= R.C az időállandó,ennyi idő alatt töltődik fel a kondenzátor a feszültség-különbség (11/e)-ed részéig, vagyis 6.t idő alatt Ube 99,99%-áig 64 2018.1213 12:41 Áram által átjárt vezetők mágneses tere A rajz síkjára merőlegesen befolyó áram mágneses erővonalai a jobbcsavar szabály szerint haladnak Egymással párhuzamosan futó, a megjelölt irányú áramtól átjárt vezetők mágneses tere d d H I I l r I l l I I Gerjesztési törvény szerint S (H . Dl) =I, mivel H értéke állandó a körvonal mentén: H.S(Dl)=I, és S(Dl)= l=2pr, a körvonal hossza. A mágneses térerősség értéke r távolságban: H=I /(2.pr) Elektrotechnika - elektronika I I vonzás I I taszítás Egyirányú áramok és ellentétes irányú áramok eredő tere és erőhatása F=(0.I2 l)/2pd az erőhatás

nagysága l hosszúságú vezetőszakaszok között 65 2018.1213 12:41 Mágneses terek Légmagos tekercs, szolenoid B É D I l Vasmagos tekercs D É vasmag l A gerjesztési törvény :  =N.I=H l, a szolenoid esetében, mert a tekercsen kívüli térerősség elhanyagolható a tekercsen belüli térerősséghez képest. Légmagos tekercsben a mágneses indukció értéke B=0.H, a mágneses fluxus értéke F B.A [Vs], ahol A a tekercs által körülzárt felület m2-ben. N a menetszám B= 0.NI / l [T] Vasmagos tekercsben r -szorosára nő az indukció értéke: B= r.0 NI / l mert az elemi mágnesek beállnak a külső tér irányába az anyag belsejében. r a relatív permeabilitás Állandó mágnes Mágneses pólus Semleges vonal Vasmagos tekercs áramköri jelölése: Elektrotechnika - elektronika 66 2018.1213 12:41 Induktivitás I L Ui Ha a tekercs árama megváltozik, akkor ΔΦ meneteiben önindukciós feszültség keletkezik : U i

  N  Δt F=B.A = NI/l Ui  L  ΔI Δt [L]=Vs/A= H, henry U i  N μ  N  A ΔI l  Δt   N μ  2 A ΔI l  Δt Az indukált feszültség arányos az elrendezéstől függő önindukciós tényezővel, az L induktivitással, és az áramváltozás sebességével. Az L induktivitás értéke: L  N2 μ  A l Az induktivitás csak akkor marad lineáris áramköri elem, ha nem engedjük meg vasmagos tekercsekben a telítődését az átfolyó áram hatására. L1 > L2 > L3 Elektrotechnika - elektronika 67 2018.1213 12:41 Áram és mágneses tér kölcsönhatása Állandó mágnes erőterében az áram által átjárt vezetőre jobbkézszabály szerinti irányú erő hat: I a mutatóujj, B a rá merőleges középsőujj , F a kifeszített hüvelykujj iránya. (máskép: I irányába nézve B-t 90°- al jobbra elforgatva kapjuk F irányát) Vezetőben folyó áram É D F F F F mágneses tere D É

D É I B Az áram a felületre merőlegesen, befelé mutat. Az áram a felületre merőlegesen, felénk mutat. Az erőhatás nagyságát a vezető szakasz mágneses térben lévő, erővonalakra merőleges l hossza, a B indukció értéke, és az I áramerősség határozza meg: F =B . I l Elektrotechnika - elektronika 68 2018.1213 12:41 Mozgási indukció F (Lorentz erő) – v + l B Pozitív q töltést mozgassunk mágneses térben az erővonalakra merőlegesen v sebességgel, a mozgó töltés és a mágneses tér közötti kölcsönhatás következtében u.n Lorentz erő lép fel, amely mindkét vektorra a jobbkézszabály szerint merőleges irányú és az alábbi képlettel számítható: F  q v B B indukciójú térben l hosszúságú vezetőt v sebességgel mozgatva, a benne lévő szabad töltéshordozókra (elektron) F  q  v  B Lorentz erő hat, amely azokat a vezető egyik vége felé elmozgatja, így a vezető végein elektronhiány- és

többlet alakul ki, vagyis feszültségkülönbség lép fel. A töltésmozgás iránya az elektron negatív töltése miatt ellentétes a jobbkézszabály szerinti erő-iránnyal! Elektrotechnika - elektronika 69 2018.1213 12:41 Mozgási indukció w 1 r 2 Vezető keretet w szögsebességgel forgatva homogén mágneses térben az elektronok az E villamos térerősségvektorral ellentétes irányban elmozdulva negatív töltéstöbbletet hoznak létre a vezetőkeret (vagy N menetű tekercs) 1. pontján, és a 2 pontján elektronhiány, tehát pozitív töltéstöbblet keletkezik Töltésszétválasztás jön létre, tehát a mágneses térben forgatott tekercs feszültség előállítására alkalmas, forgó generátorként. A keletkező feszültség amplitúdója: U= B. l v N, időbeli lefolyása pedig a fluxusváltozás F= B A=B ( l 2 r) coswt időfüggvénye alapján Ui  DF Dt = - (N . B l 2 r) D(coswt) /Dt, Dt0 esetén, (v= r w) Ui= – (-w . (N B l 2

r) sin wt)= N B l 2 r w sin wt= N B l 2 v sin wt Elektrotechnika - elektronika 70 2018.1213 12:41 Nyugalmi indukció I1 U1 F Nyugalmi indukcióról beszélünk, ha nem a feszültséget létrehozó elemek mozognak, hanem a fluxust létrehozó áram változik. A l L~0 Indukciómentes bifiláris tekercs, a párhuzamos vezetékek áramainak mágneses terei kioltják egymást l a közepes erővonalhossz, A pedig a ferromágneses anyag keresztmetszete Elektrotechnika - elektronika 71 2018.1213 12:41 Villamos munka és teljesítmény számítása egyenáramú hálózatban A villamos munka a fogyasztóban alakul át a megfelelő formájú energiává, pl.: mechanikai munka, hőenergia, vegyi energia A munkavégzés mindig töltéskiegyenlítődéssel jár, a kiegyenlítő hatás mértéke a feszültségtől és az átáramlott töltés mennyiségétől függ. Ha U feszültségen Q töltés áramlik át, a munkavégzés W=Q.U A gyakorlatban nem a Q értéke ismert,

hanem a feszültség és az áramerősség, tehát a Q=I.t összefüggést felhasználva: W=UIt Mértékegysége: [W]=Ws A villamos teljesítmény az időegység alatt végzett munka: P= W/t =(U.It)/t, azaz P= U.I egyenáramú mennyiségekre Más formában felírva is szokásos a teljesítményt kifejezni: P=U.I=UU/R  P = U2/R , vagy az U=IR összefüggés felhasználásával: P=I.RI  P = I2R, tehát az egyenáramú teljesítmény a feszültség, vagy az áram négyzetével arányos és függ az ellenállás értékétől. Mértékegysége: [P]= V.A=W, a fogyasztó által felvett egyenáramú teljesítményt wattmérővel lehet közvetlenül megmérni, vagy a feszültség és az áram megmérése után a szorzatukat képezni. Elektrotechnika - elektronika 72 2018.1213 12:41 Az áram hőhatásának számítása. Az áram hőhatását Joule törvénye alapján lehet meghatározni: a W villamos energia teljes egészében átalakítható Q hőmennyiséggé az energiamegmaradás

elve alapján. Q= c.mDT kWs [ c ]  ahol c az anyag fajhője , m az anyag tömege:[kg], DT a kg. C hőmérsékletkülönbség. A villamos energia, W=Pvill .t nem csak az anyagot, hanem annak környezetét is melegíti, emiatt az m tömegű anyagot csak az elrendezéstől függő mértékben, h hatásfokkal fogja felmelegíteni. c.mDT = h Pvill t ahol Pvill -t kW-ban, t -t s -ban kell megadni, hogy helyes eredményt kapjunk. . Elektrotechnika - elektronika 73 2018.1213 12:41 Egyfázisú hálózat. Ui Szinuszos váltakozó feszültség létrehozása mágnes pólusok között forgatott kerettel és csúszógyűrűkkel. Ez a módszer csak kis teljesítmény esetén alkalmazható a csúszógyűrűk kopása és szikrázása miatt. Elektrotechnika - elektronika Szinuszos váltakozó feszültség létrehozása lágyvas pólusokra helyezett tekercsek között forgatott állandó mágnessel. Az álló tekercsek miatt nincs szükség csúszógyűrűkre, nagyobb teljesítményre

alkalmas. 74 2018.1213 12:42 Egyfázisú hálózat. L1 Ug ~ Uk N L1  Line / Línie (vonal) a fázisvezeték jele N  Nulla a nullvezeték jele vagy PE  a földelés jele Uk  a kapocsfeszültség a fogyasztói ponton Elektrotechnika - elektronika Egyfázisú hálózatot elvileg egyfázisú generátor révén hozhatunk létre ( 0,5-3kW teljesítményig robbanómotoros generátorokat használnak, főleg szükségáramforrásként) a gyakorlatban azonban a háromfázisú hálózat valamelyik fázisfeszültségét használjuk fel. Ehhez általában csillagpontos háromfázisú hálózatot használnak, ugyanis ekkor rendelkezünk mind vonali, mind fázisfeszültséggel. Biztonsági okokból a generátor, vagy a transzformátor fém burkolata földpotenciálra van kötve- földelve van -a fogyasztói oldalon is ki kell alakítani védőföldelést a fogyasztó esetleges testzárlata miatti áramütés elkerülése céljából. Az Európában szabványosított 230 V/50 Hz

frekvenciájú egyfázisú hálózat a 3x400/230 V/50Hz háromfázisú hálózat egyik fázisfeszültsége. 75 2018.1213 12:42 Teljesítmények egyfázisú hálózatban Amennyiben a terhelés ohmos jellegű, tehát pl. hősugárzó, villanybojler fűtőbetétje, vagy kemence, akkor az áram és a feszültség fázisban van, a hálózatból felvett teljesítmény P=U.I Elegendő az áram és feszültség megmérése, a teljesítmény a kettő szorzataként számítható. P U w I Ha induktív, vagy kapacitív a terhelés, akkor a hálózatból felvett hatásos teljesítmény a P=U.Icosj képlettel számítható, ahol j a feszültség és az áram közötti fázisszög, U és I effektív értékek . Az elektrodinamikus teljesítmény-mérő műszerek is ezt az értéket mutatják. A hatásos teljesítmény vektorokkal ábrázolható Kapacitív jellegű terhelés I, P Induktív jellegű terhelés UL j I, P Elektrotechnika - elektronika P=U.Icosj P=S. cosj U, S j w UC U, S w

76 2018.1213 12:42 Induktív fogyasztó árama. Induktív fogyasztó árama közel 90°-al késik a feszültséghez képest, emiatt csaknem tiszta meddő teljesítményt vesz fel a hálózatból, azonban az Im áram átfolyik az energiaszolgáltató vezetékén is, és abban Pv= Im2.Rv veszteséget okoz Az induktív áramot kondenzátor kapacitív áramával lehet kompenzálni, ekkor az L induktivitás és a C kapacitás között köráram fog folyni, jelentősen lecsökken a vezetéken hővé alakuló veszteséget. U j j I IR IL cosj= IR/ I Elektrotechnika - elektronika 77 2018.1213 12:42 Induktív fogyasztó kompenzálása: fázisjavítás köráram IC IL U w IR A kapcsolás fazorábrája Ha az induktív fogyasztóval párhuzamosan kötünk megfelelő értékű kapacitást: XL= XC , vagyis w.L=1/(wC)  C  1 ω 2  L akkor párhuzamos rezgőkör alakul ki, és a generátort csak az RP ellenállás árama terheli, a hatásos teljesítmény. Ezt a

módszert nevezik teljes kompenzációnak. (Ipari gyakorlatban a kompenzáló kondenzátor értékét nem F-ban, hanem a kompenzált meddő teljesítménynek megfelelően kVAr-ban adják meg. A kondenzátorral biztonsági okokból egy nagy ohmos ellenállást kötnek párhuzamosan - kikapcsolt állapotban a kondenzátor kisütése céljából.- A módszert fázisjavításnak is nevezik, mert az áram és feszültség közti fázisszög csökkenése cosj növekedését jelenti, akár az 1 értékig. Elektrotechnika - elektronika 78 2018.1213 12:42 Háromfázisú hálózat. végpontok U W V U2 U1 t2 R S T t1 T Y X Z kezdőpontok U3 A tekercsek, kezdő és végpontjaik jelölése Ha egymással 120°-ot bezáró R-S-T tekercsek között két pólusú állandó mágnest, vagy elektromágnest forgatunk, forgó mágneses mező jön létre és a tekercsekben egymáshoz képest 120°-os fázistolású szinuszos feszültség indukálódik. A 120°-os fázistolás

következtében a három szinuszos feszültség pillanatértékeinek összege bármely időpontban zérus értéket ad. Elektrotechnika - elektronika 79 2018.1213 12:42 Háromfázisú hálózat. Forgó elektromágnessel felépített háromfázisú generátor vázlata és tekercskivezetései Az ábra alapján a háromfázisú feszültség szállításához hat vezetékre lenne szükség . A 120°-os fázistolás következtében azonban a három szinuszos feszültség pillanatértékeinek összege bármely időpontban zérus értéket ad. Tehát a tekercsek kezdő- és végpontjait összeköthetjük, hiszen az így sorba kötött tekercsekben áram nem folyik, mivel az eredő feszültség SU=0! Ezt nevezzük D, vagy három-szögkapcsolásnak. Elegendő 3 vezeték az energiaszállításra! Össze lehet kötni a tekercsek végeit is, ekkor Y, vagy csillag kapcsolásról beszélünk. Ebben az esetben négy vezeték szükséges az energia továbbításra, azonban kétféle

feszültségszint áll rendelkezésre: a fázisfeszültség, és a vonalfeszültség. Elektrotechnika - elektronika 80 2018.1213 12:42 Háromfázisú hálózat. Csillag (Y) kapcsolás. U X W V T S Y csillagpont UT R US UR Z A tekercsek végpontjait összekötve, csillag kapcsolást hozhatunk létre, a közös pont a csillagpont. Az R, S, T fázistekercsek és a csillagpont között az Uf fázisfeszültség, bármely két szabad tekercsvég között az Uv vonali feszültség vehető le. A villamos energia szállításához négy vezeték szükséges, azonban kétféle feszültségszint áll rendelkezésre. A fazorábra alapján bizonyítható, hogy a vonali feszültség a fázisfeszültség összefüggése: Elektrotechnika - elektronika 81 Uf Uf m 30° 30° Uv m= Uf.sin30°=0,5 Uf Pithagoras tétellel: (Uv/2)2= Uf.2- (Uf /2)2= Uf2 (1-0,25) Uv2 /4 = Uf.20,75 Uv2 = Uf2 0,754 Uv2 =3. Uf2 , négyzetgyökvonás után: Uv  3  Uf 2018.1213 12:42

Háromfázisú hálózat. Háromfázisú generátor tekercseinek háromszög, vagy D kapcsolása US UR UT A D kapcsolásban a tekercsvégeket a következő tekercs kezdetéhez kötjük, lényegében sorbakötjük a tekercseket. Ezt azért lehet megtenni, mert a szinusz jelek 120°-os fázisszöggel vannak eltolódva egymáshoz képest, így eredőjük minden pillanatban zérus A tekercspontok között a fázisfeszültséggel azonos vonali feszültségeket kapunk, és három vezetéken lehet a háromfázisú villamos energiát szállítani. Távvezetékeknél ez jelentős vezeték-megtakarítást jelent, négy helyett három vezetéken lehet azonos teljesítményt átvinni. A vonaláram értéke a két szomszédos fázis áramának vektoros összege: 3  If Iv  Elektrotechnika - elektronika 82 2018.1213 12:42 Háromfázisú hálózat teljesítménye Háromfázisú hálózatban az egyes fázisok egyszerre vagy külön- külön is terhelhetők. Amennyiben azonos a fázisok

terhelése, szimmetrikus terhelésről beszélünk, az ipari fogyasztók többsége: villamos motorok, hőfejlesztő készülékek, berendezések szimmetrikus terhelést jelentenek. A fogyasztók által felvett teljesítmény az egyes fázisok teljesítményeinek összegéből számítható: P =PR+ PS + PT. ( PR, PS, PT az Uf Ifcosj össze-függésből adódik) Szimmetrikus terhelésnél P=3. Uf Ifcosj (1) A fogyasztónak általában csak a vonali adatait tudjuk megmérni, azonban csillagkapcsolásban a következő összefüggések érvényesek, Iv= If 3  Uf Uv  P  3 3  U v  I v  cos  P  3  U v  I v  cos j (2) I (D kapcsolásnál Uf =Uv és I f  v -t (1) -be helyettesítve is (2) -t kapjuk) 3 tehát szimmetrikus háromfázisú rendszerben a vonali adatokból számítható teljesítménynek csak 3 -szorosát kell venni! Nem szimmetrikus terhelést okoznak az egy fázist terhelő háztartási készülékek: porszívó, hűtőszekrény, TV,

mikrohullámú sütő, mosógép, rádió, stb. Elektrotechnika - elektronika 83 2018.1213 12:42 Kompenzálás háromfázisú hálózatban Háromféle megoldást alkalmaznak: egyedi kompenzációnál a motor bemeneti kapcsaira közvetlenül rákötik a kondenzátorokat. A párhuzamosan beiktatott ellenállások a kondenzátorok üzemszünet alatti kisütéséhez szükségesek, mert töltésük generátorüzemet hozna létre a motor lassulása idején, ami káros túlfeszültséget idézhet elő. Ezt a módszert elsősorban állandó cosj-jű, folyamatos üzemű nagyteljesítményű motoroknál alkalmazzák, célszerű nem cosj 1re, hanem csak cosj 0,85re végezni a kompenzálást a túlfeszültségek elkerülésére. A csoportos kompenzációnál a fogyasztók egy csoportja közös kapcsolón át kerül a hálózatra és közös kompenzáló berendezés tartozik hozzájuk. Kis- és középüzemekben alkalmazzák. A központi kompenzációnál egy meddőteljesítmény

szabályzó a pillanatnyi meddő teljesítmény felvételtől függően kapcsol ki -vagy be kondenzátorokat. (1kVAr meddő teljesítmény kompenzálására 230V/50 Hz -nél 60 F, 400V /50 Hz-nél 20 F szükséges) Elektrotechnika - elektronika 84 2018.1213 12:42 A transzformátor működési elve. Rt F N1 N2 Ui  Elektrotechnika - elektronika 2 p 2 A primér tekercs által keltett váltakozó mágneses tér indukált feszültséget hoz létre a vasmag fluxusának változtatásával a szekunder tekercs meneteiben: Ui= N2.DF1 / Dt Szinuszos fluxusváltozás esetén: Uimax= N2.wBA= N2 2 p f BA névleges üresjárási feszültség keletkezik. Ezt nevezik a transzformátor főegyenletének, ahol N2 a szekunder tekercs menetszáma, w a körfrekvencia, B az indukció effektív értéke, és A a vasmag keresztmetszete.  f  N  F max  4 , 44  f  N  F max 85 2018.1213 12:42 A transzformátor működési elve. Mivel mindkét tekercs ugyanazt a F

fluxust veszi körül, a primer és a szekunder tekercsekben indukált feszültségek aránya üresjárásban, (azaz terhelés nélkül) megegyezik a menetszámok arányával: U1/N1=U2/N2, vagyis U1/U2=N1/N2, A terheletlen transzformátor feszültségei a menetszámokkal arányosak, az N1/N2 arányt a transzformátor menetszám-áttételének nevezzük: N1/N2= a Terhelt transzformátor A közös vasmag folytán mereven csatolt tekercsek teljesítményei is közel azonosak: S1=S2 vagyis U1.I1= U2I2  I1 / I2 = U2 / U1  I1 / I2 = N2 / N1 Valóságos transzformátoroknál mindig van vas- és rézveszteség, emiatt a terhelt transzformátor áramai nem teljesen fordítottan, csak közel fordítottan arányosak a menetszámokkal. Elektrotechnika - elektronika 86 2018.1213 12:42 Üresen járó transzformátor Elektrotechnika - elektronika 87 2018.1213 12:42 Transzformátor üresjárási állapota R1 : primer tekercs ohmos ellenállása Xs1 : primer oldali szórási

reaktancia Rv (R0 ): vasveszteséget szimbolizáló ellenállás Xm (X0 ): a főfluxust szimbolizáló reaktancia Elektrotechnika - elektronika 88 2018.1213 12:42 Impedancia transzformáció A transzformátor generátor által látott látszólagos bemeneti ellenállása, bemeneti impedanciája: Z1= U1/I1, kimeneti impedanciája Z2= U2/I2 U1 A transzformátoroknál az ellenállások aránya az áttétel négyzetének felel meg, máskép Z1 =a2. Z2 N1 ahol a= menetszám áttétel vagy R1 =a2. R2 N2 2 Z 1  I1  U 1  I 2  N 1  N 1  N 1 2 Z 2 U 2 U 2 I1 N 2 N 2 N 2 I2 Z1  2 a Z2 a Z1 Z2 A transzformátorokat a híradástechnikában előzőek alapján ellenállások illesztésére is használják. Ha egy generátor belső ellenállása megegyezik a terhelő ellenállással, maximális teljesítmény vihető át: teljesítmény-illesztésről beszélünk. Ha a generátor belső ellenállása különbözik a terhelő ellenállástól, akkor a két

ellenállás illesztésére transzformátort kell közéjük kapcsolni. Elektrotechnika - elektronika 89 2018.1213 12:42 A transzformátor üzemi tulajdonságai 10 Primer feszültség U pr [V] 5 t 0 -5 -10 0 5m 10m 15m t [s] 20m 10 Mágnesező áram F [Vs], I [A] 5 F fluxus t 0 -5 -10 0 5m 10m t [s] 15m 20m 10 U sz [V] 5 Szekunder feszültség A transzformátor üresjárásban működik, ha nincs a kimeneti kapcsain terhelés. A primer tekercs induktivitást képvisel, ezért szinuszos bemenő feszültség esetén a mágnesező áram 90°-ot késik. Ideális transzformátornál a szekunder tekercs feszültsége 90°-ot siet a mágnesező áramhoz képest, tehát a bemeneti feszültséggel azonos fázisú. A valóságos transzformátor üresjárási áramának fázistolása kisebb 90°-nál, mert a mágnesezési veszteség és a tekercs ellenállása ohmos veszteségként, hő formájában jelenik meg, és a veszteségi áram azonos fázisban van a

feszültséggel. A vektorábra az alábbi módon alakul: t 0 Upr -5 Usz -10 0 5m 10m t [s] Elektrotechnika - elektronika 15m I0 Im 20m 90 Iv F 2018.1213 12:42 A transzformátor üzemi tulajdonságai I1 F F2 Rt U1 F2 F A transzformátor terhelésénél a kimeneti kapcsain áram folyik, amely a vasmagban ellentétes irányú F2 fluxust hoz létre. I1 primer áram megnő, visszaállítja az eredeti fluxust, azonban a fluxus egy része a vason kívül záródik, szórt mágneses tér alakul ki. A szórt mágneses tér által metszett tekercsmenetek fojtótekercsként viselkednek, korlátozzák a tekercs áramát. Elektrotechnika - elektronika 91 2018.1213 12:42 Transzformátor üzemi helyettesítő kapcsolása Feszültség redukció: Áram redukció: I  2 I2 a 2 Impedancia redukció: X s 2  a  X s 2 R2  a  R2 Elektrotechnika - elektronika Egyszerűsített helyettesítő kapcsolás U 2  a U 2 2 R1 R2 : primer és szekunder

tekercs ohmos ellenállása Xs1 Xs2 : primer és szekunder oldali szórási reaktancia Rv (R0 ): vasveszteséget szimbolizáló ellenállás Xm (X0 ): a főfluxust szimbolizáló reaktancia Zt : terhelő impedancia 92 2018.1213 12:42 Transzformátor rövidzárási állapota Transzformátor rövidzárási Helyettesítő kapcsolási rajza Transzformátor rövidzárási vektorábrája: cos j z  UR UZ Rövidzárási teljesítmény tényező Elektrotechnika - elektronika 93 2018.1213 12:42 Transzformátorok párhuzamos üzeme A transzformátor szekunder kapcsait rövidre zárva, azt a primer feszültséget, amelynél a primer tekercsben a névleges primer áram (I1n) folyik, rövidzárási feszültségnek nevezzük: U1z Transzformátor dropja: e z  U 1 zn  100  I 1 n  100 U 1n I 1 zn e R  e z  cos j z e S  e z  sin j z Elektrotechnika - elektronika 94 2018.1213 12:42 Transzformátorok párhuzamos üzeme Párhuzamos üzemhez az

alábbiaknak kell teljesülni: •Nincs kiegyenlítő áram a párhuzamosan kapcsolt transzformátorok között •Terhelés a transzformátorok között névleges teljesítményeik arányában oszlik meg Ezek a feltételek akkor teljesülnek ha: •Primer és szekunder névleges feszültségek megegyeznek, azonos az áttétel (a1 = a2) •Fázisfeszültségek azonos fázisúak (kapcsolási csoport azonos) •A transzformátorok dropjai egyenlők ε1 = ε2 Transzformátor zárlati árama: I 1 z  Elektrotechnika - elektronika 95 I 1n ez  100 2018.1213 12:42 A transzformátorok kiviteli formái I lemez Szalagmag E lemez Tekercs Vasmag Tekercselés Vágott szalagmagos transzformátor Köpeny típusú kivitel Köpeny típusú transzformátor, vasmag E-I lemezekből alakítva. Láncszem típusú transzformátor, jobboldalt vágott szalagmagos kivitel Elektrotechnika - elektronika 96 A légrés csökkentése érdekében az E lemezeket felváltva szemben rakják

össze és alumínium keret-tel összeszorítják lemezköteget. 2018.1213 12:42 Elektrotechnika - elektronika 97 2018.1213 12:42 Háromfázisú transzformátorok egyenlőtlen (aszimmetrikus) terhelése Elektrotechnika - elektronika 98 2018.1213 12:42 A transzformátorok kapcsolási csoportjai A transzformátorok nagyfeszültségű és kisfeszültségű oldalán egyaránt három vezetékág van, amik csillag (Y), vagy háromszög (D) kapcsolásban lehetnek. Ha a nagyfeszültségű és kisfeszültségű oldalon a vezetékágak ugyanúgy kapcsolódnak, akkor a nagy- és kisfeszültség között 0° vagy 180° a fázistolás. Ha viszont különbözően kapcsolódik a két oldal, akkor a fázistolás 150° vagy 330°. A fázistolást az óraszámlap beosztásából származó jelzőszámmal adják meg. Elektrotechnika - elektronika 99 A fázistolás a jelzőszám 30°-al való megszorzásából származik, pl. a Dy5 esetén 5x30°=150°. Kivezetett csillagpont esetén a

jelölés még egy n, ill. N betűvel egészül kiDyn5 azt jelenti,hogy a nagyfeszültség D, a kisfeszültség Y kapcsolású a nullavezető kívül van és j 150°. 2018.1213 12:42 A transzformátorok kapcsolási csoportjai Elektrotechnika - elektronika 100 2018.1213 12:42 Aszinkron gép Elektrotechnika - elektronika 101 2018.1213 12:42 Elektrotechnika - elektronika 102 2018.1213 12:42 Állórész (stator) • Anyaga öntöttvas, de lehet alumínium is. • Lemezelt hornyaiban 1 vagy 3 fázisú tekercselés helyezkedik el. • Kapocskivezetés, csapágyak Elektrotechnika - elektronika 103 2018.1213 12:42 Kalickás (rövidrezárt) forgórész (rotor) • Egyszerű szerkezet • Üzembiztos működés • Olcsó megoldás Elektrotechnika - elektronika Tekercselt csúszógyűrűs forgórész • Bonyolult felépítés • Drága kivitel • Nagy indítónyomaték • Kíméletes indítás indító ellenállások alkalmazásával 104 2018.1213 12:42

Váltakozóáramú, háromfázisú hálózatra kapcsoljuk az állórész tekercselését. 60  f 1 fordulatszámmal. Ennek hatására Létrejön egy forgó mágneses mező no  p az állórész tekercsben is feszültség indukálódik ( U  4 ,44  N  f  F max  ). i1 1 1 1 Az állórész tekercsben az U1 és Ui1 közötti feszültség hatására áram indul meg. Az I1 áram hatására a forgó mágneses fluxus keletkezik, amely kapcsolódik a forgórész rövidrezárt kalickáival, vagy vezetőivel. Ez a mező a forgórész tekercselésben Ui2 feszültséget ( U  4 ,44  N  f  F max  ) hoz létre, melynek i2 2 2 2 hatására áram indul meg. (Álló állapotban f1=f2 ) A forgórész tekercselésére nyomaték kezd hatni, és a forgórész megindul, mégpedig a mágneses mező forgásának irányába. A forgórész sebessége soha nem éri el a mágneses mező forgási sebességét. Köztük lévő százalékos különbséget slipnek (s)

nevezzük Elektrotechnika - elektronika 105 2018.1213 12:42 A forgó mező forgása és a forgórész fordulatszáma közötti százalékos különbséget n n 100 a slip (s) adja. s  o n o n  no  (1  s ) no A slip (s) névleges értéke: s n  3  7 % n f s 2 f 1 Elektrotechnika - elektronika 106 2018.1213 12:42 Klass képlet: M M  b s 2 b  s s s b Billenő szlip: s   b Elektrotechnika - elektronika R X 2 s 107 2018.1213 12:42 0  s 1 s 1 Fékmotoros üzem: Motoros üzem: s 1 0  s 1 Generátoros üzem: Elektrotechnika - elektronika s0 s0 108 2018.1213 12:42 Aszinkron gép indítása lehet: - Ellenállásos - Y – D kapcsolásos - Mélyhornyú indítás n no Elektrotechnika - elektronika 109 2018.1213 12:42 Teljesítményszalag 2 2 Állórész tekercsvesztesége: Pt 1  3  I 1  R1 Elektrotechnika - elektronika 110 Vasveszteség: Pv  3  Ui R0

2018.1213 12:42 Légrés teljesítmény: Pl  P1  Pt1  Pv  M w o Mechanikai teljesítmény: Pm  M w  Pl  Pt 2  Pl (1  s ) w w Forgó tekercs veszteség: Pt 2  s  Pl  Pl  Pm  M w o  M w  M w o o w o Tengely teljesítmény: P2  Ph  M t w Tengely nyomaték: Nyomatékszámítás: Elektrotechnika - elektronika M M Ms t 2 P 3 U 1 M  l  w o R s 2 w (R )2  X 2 s 2 o s 2 111 Közelítő formula (R1=0) 2018.1213 12:42 Egyfázisú aszinkron motor Egyfázisú állórész tekercselésre, egyfázisú feszültséget kapcsolunk -> Lüktető, pulzáló mágneses fluxus jön létre, - két ellentétes forgó fluxus eredőjeként - Nincs indítónyomaték Mi=0 - Be kell rántani (mechanikusan, vagy segédfázis (kondenzátor segítségével) Az aszinkron motor önmagában nem képes generátoros üzemre. Ehhez vagykülső hálózatra, vagy kondenzátor telepre van szükség. Adattábla

- Névleges teljesítmény - Névleges feszültség - Névleges áram - Frekvencia (f) - Teljesítmény tényező - cos (j ) Elektrotechnika - elektronika - 112 Hatásfok Bekötés (Y/D) Védettség (IP) Névleges fordulatszám n n Póluspárok száma 2018.1213 12:42 Aszinkron motorok fordulatszám változtatása • Állórész frekvenciájának változtatásával Frekvencia szabályozás megvalósítása: A megvalósításhoz olyan félvezető eszközök alkalmazhatóak, mint tirisztorok kommutációs áramkörökkel, bipoláris teljesítmény tranzisztorokkal, MOS FET tranzisztorok, IGBT-k., GTO-k, MCT-k • A pólusszám változtatásával • A szlip változtatásával (csúszógyűrűs gépeknél!) Elektrotechnika - elektronika 113 2018.1213 12:42 Szinkrongépek Definíció  Azokat a váltakozó áramú gépeket, melyeknek a fordulatszámát a póluspárok száma, és a feszültség frekvenciája határozza meg, szinkrongépeknek nevezzük. A fordulatszám

meghatározása:  jelölés rendszer: - „n” a fordulatszám - „f” a frekvencia - „p” a póluspárok száma Elektrotechnika - elektronika n f  60 p 114 2018.1213 12:42 A gép szerkezete és felépítése Fő részei: - állórész - forgórész lemezelt vastest, hegesztett acéllemez váz fogja össze  nyitott, vagy félig zárt horonyba helyezik a tekercselemeket  a házat kétoldalt öntöttvas pajzs zárja le   Elektrotechnika - elektronika egyenáramú gerjesztő tekercs a mágneses tér előállítása érdekében, csúszó gyűrűk, a gerjesztő áram hozzávezetése miatt, melyekhez szén vagy bronzkefék csatlakoznak 115 2018.1213 12:42 A forgórész kialakítása lehet Hengeres (gőzgenerátorok)  párhuzamos hornyú  kereszttekercses hozzon létre, amely alkalmas arra, hogy az állórészben  radiális hornyú szinuszos feszültséget indukáljon. Ezt a pólusok  A forgórész feladata az, hogy olyan

mágneses teret speciális kialakításával lehet megvalósítani. Elektrotechnika - elektronika 116 2018.1213 12:41 A fordulatszám alakulása p  1  n 0  3000 1 min p  2  n 0  1500 1 min p  3  n 0  1000 1 min p  4  n 0  750 1 A póluspárok száma: p=1 Elektrotechnika - elektronika min A póluspárok száma: p=2 esetén 117 2018.1213 12:41 A szinkrongépek gépek alkalmazása A szinkrongép lehet  Motor  Generátor Elektrotechnika - elektronika  Az állórészre háromfázisú feszültséget kapcsolnak  a forgórész tekercsét egyenárammal gerjesztik.  a forgórészre helyezik el az egyenárammal gerjesztett pólusokat.  az állórészben feszültség indukálódik 118 2018.1213 12:41 Motor Az állórészre kapcsolt 3 fázisú feszültség n 0 fordulatszámmal forgó mágneses teret hoz létre. Ennek hatása van a pólus fluxusra, amit armatúra reakciónak nevezünk A forgó fluxus a gerjesztett

póluskereket n 0 fordulatszámon tartja, amin a motor nyomaték kifejtésére is képes. Az indítónyomaték 0, azaz álló póluskereket a forgófluxus elindítani nem tudja. https://www.youtubecom/watch?v=Vk2jDXxZIhs Generátor Az egyenárammal gerjesztett forgórészt állandó fordulatszámmal forgatják. (gőz-, víz-, gázturbina, diesel motor) az állórésztekercsekben szinuszos háromfázisú feszültség indukálódik https://vimeo.com/groups/37089/videos/10291411 Elektrotechnika - elektronika 119 2018.1213 12:41 Elektrotechnika - elektronika 120 2018.1213 12:41 Szinkron generátor Működési elve: Az állórészen elhelyezett, egymástól 120 fokra eltolt tekercseket metszi a forgórészen elhelyezett gerjesztő tekercs mágneses tere, így benne háromfázisú váltakozó feszültség indukálódik. A szinkron generátorokat a hálózatra kapcsolás előtt szinkronizálni kell. Üresjárásban (nyitott állórész kapcsoknál) a forgórész póluskerék

forgatásával forgó mágneses mező jön létre, ami feszültséget indukál az állórész (armatúra) 3 fázisú tekercseiben. A tekercsekben indukált feszültségnek meg kell egyezni frekvenciában, fázisban, fázissorrendben a hálózati feszültséggel: - Frekvencia beállítás: fordulatszám változtatással - Amplitúdó változtatás: gerjesztő árammal - Fázis beállítás: fordulatszám nagyon finom állításával Elektrotechnika - elektronika 121 2018.1213 12:41 A szinkron gép teljes és egyszerűsített áramköri modellje Ui U p Ua Gyakorlati arányok: R a : X s : X a  1 : 10 : 200 Elektrotechnika - elektronika Ui:indukált feszültség Ua: armatura feszültség Up: pólusfeszültség, a gerjesztett forgórész által üresjárásban az állórész tekercselésben indukált feszültség Uk: kapocsfeszültség Xa: armatura reaktancia Xs: armatura szórási reaktancia X: szinkron reaktancia 122 2018.1213 12:41 Billenő nyomaték: M b (

 90  ) Leadott mechanikai teljesítmény: Pmech  Elektrotechnika - elektronika 123 2018.1213 12:41 Motoros üzem, Kapacitív terhelésnél Motoros üzem, Induktív terhelésnél Meddő energiát termel Meddő energiát vesz fel Generátoros üzem, kapacitív terhelésnél Generátoros üzem, Induktív terhelésnél Elektrotechnika - elektronika 124 2018.1213 12:41 A szinkron motor indítása A legelterjedtebb indítási mód az aszinkron felfutás: A pólussarukban beépített csillapítórudak a rövidrezáró gyűrűkkel a kalickás aszinkron motoréhoz hasonló kalickát alkotnak. Indításkor a forgórész egyenáramú tekercselését rövidre zárják, a motor aszinkron motorként elindul és a szinkron fordulatszámhoz közeli fordulatszámra felgyorsul. A forgórész gerjesztőáram bekapcsolása után a motor "beugrik" a szinkron fordulatszámra. Elektrotechnika - elektronika 125 2018.1213 12:41 Gerjesztés módja  Általában a

forgórész gerjesztését a szinkrongéppel egy tengelyre kapcsolt egyenáramú gerjesztő géppel oldják meg. A szinkrongép külső gerjesztésű, mivel a gerjesztését másik géptől kapja Elektrotechnika - elektronika 126 2018.1213 12:41 Szinkrongép Az állórész tekercseinek kapcsolása  csillagkapcsolás  deltakapcsolás Tekercsvégek jelölése  U1; V1; W1  U2; V2; W2  F1; F2 A tekercsvégek kapcsolhatók csillagba, és deltába egyaránt Elektrotechnika - elektronika 127 2018.1213 12:41 Egyenáramú gépek „Villámdelejes forgony”, forgó mozgást végző első egyenáramú motor megvalósítása (Jedlik Ányos) https://www.youtubecom/watch?v=F6f2QoE2zh8 Elektrotechnika - elektronika 128 2018.1213 12:41 Egyenáramú gép működési elve Az állandó mágnes mágneses terében helyezkedik el az áramjárta vezetőkeret. Az áram hatására a vezetőkeret körül is mágneses mező alakul ki. A két mágneses mező kölcsönhatása

eredményezi azt a nyomatékot, amelynek hatására a vezetőkeret elfordul. Elektrotechnika - elektronika 129 2018.1213 12:41 Egyenáramú generátor működési elve Ez a gép (a.) váltakozó feszültséget szolgáltat Ahhoz, hogy egyenáram folyjék a kefékre csatolt terhelésen a megjelenő szinuszos feszültséget egyenirányítani kell erre a gyakorlatban a mechanikus egyenirányító a kommutátor szolgál. Amikor a keretben az indukált feszültség iránya megfordul, a kefékkel érintkező félgyűrűk is megcserélődnek, így a kefék közötti feszültség mindig egyirányú marad Elektrotechnika - elektronika 130 2018.1213 12:41 Valóságos egyenáramú gép esetén A valóságos egyenáramú gépekben a vezetőkeret helyett tekercselést alkalmaznak. A tekercselés több kivezetése több kommutátor szegmenshez csatlakozik. Elektrotechnika - elektronika 131 A kefe által rövidre zárt mindenkori két kommutátor szegmenshez tartozó menetben

megfordul, kommutál az áram iránya. 2018.1213 12:42 Egyenáramú gép szerkezeti felépítése Állórész: Öntött acélkoszorúból, a főpólusból és a segédpólusokból áll. A lemezelt pólussaru biztosítja, hogy az armatura kerület minél nagyobb százalékában állandó légrésindukció alakuljon ki. Armatura(forgórész): 0,35-0,5 mm vastag, axiális irányban egymásra rakott kör alakú, hornyokkal ellátott lemezekből állítják össze az örvényáramú veszteségek csökkentése érdekében. Kommutátor: Egymástól és az armaturától szigetelt Kefék: A kommutátor hengerpalástjára szorulva azon rézszegmensekből felépített henger. A szegmensek csúsznak. Forgás közben kb 1 V közötti maximális feszültség kb 15-20 V Adott armaturafeszültség esetén ez megszabja a szükséges feszültségesés jön létre, mely a terheléstől függetlenül állandó. minimális szegmensszámot Elektrotechnika - elektronika 132 2018.1213 12:42

Egyenáramú gép felépítése Állórész: - tömör vastest - pólusokon gerjesztő tekercs (egyenárammal gerjesztve) Forgórész: - lemezelt vastest - hornyokban gerjesztő tekercs Elektrotechnika - elektronika 133 2018.1213 12:42 Armatúra reakció, és kompenzálása Ha a forgórészben nem folyik áram, a semleges zóna a főpólus fluxusára merőleges (A ábra). Ha az armatúrában is folyik áram, ez is létrehoz egy mágneses mezőt (B ábra). Az eredő mező e kettő eredője lesz Ez az armatúra visszahatás jelensége Ekkor a semleges zónahelye megváltozik (A’-B’). Ha a kefék az eredeti A-B vonalban maradnak, kefeszikrázás lép fel. E hatások kiküszöbölésére: - a pólussaruk hornyaiba kompenzáló tekercselést helyeznek el, - az armatúrával sorba segédpólus tekercset kapcsolnak. Elektrotechnika - elektronika 134 2018.1213 12:42 Egyenáramú gép egyenletei Indukált feszültség: A főpólus mágneses terében forgó vezetőkeretben

indukálódó feszültség középértéke. U i  k  F w Nyomaték: Egyenáramú gép belső teljesítménye alapján Pmech  Pvill M w  U  Ia  k  F  Ia w M  k F  Ia k  Elektrotechnika - elektronika 135 2N  p p k F w Ia - Gépállandó Fluxus [Wb] Körfrekvencia [rad/s] Armatúra áram [A] N - Vezetőkeretek száma p - Póluspárok száma 2018.1213 12:42 Egyenáramú gépek kapcsolásai •Külső gerjesztés: Az Ug feszültség független áramforrásból ered, ezen gépnek a legdinamikusabbak a, működési jellemzői, ezek a legjobban szabályozhatóak. •Párhuzamos gerjesztés: a gerjesztő tekercs párhuzamosan van kötve az armatúratekercseléssel, vagyis U g  U k A sönt generátor jellemző tulajdonsága, hogy rövidzár-biztos, Imax> Iz, ezért ezt a típust használják gépjárművek villamos energia forrásaként. •Soros gerjesztés: a gerjesztő tekercs sorba van kapcsolva az

armatúratekercseléssel, vagyis I g  I a Ez a géptípus szolgál a gépjárművek indítómotorjaként, mert igen nagy kis fordulatszámokon a nyomatéka, mivel M  k  I 2a Elektrotechnika - elektronika 136 2018.1213 12:42 Egyenáramú gépek gerjesztési típusai Elektrotechnika - elektronika 137 2018.1213 12:42 Külső gerjesztésű egyenáramú motor Motorüzemben a sönt és a külsőgerjesztésű gép között nincs különbség: a fluxus állandó (a kompenzált gépeknél). A motor egyik legfontosabb tulajdonsága a fordulatszámtartás, azaz növekvő nyomaték mellett nem változik meg lényegesen a fordulatszám. w  A nyomaték-fordulatszám jelleggörbe Elektrotechnika - elektronika Uk k F  Ra  M (k  F ) 2 U i  U k  I a  Ra  0 138 2018.1213 12:42 Soros gerjesztésű egyenáramú motor Ig  Ia  I Mivel ez esetben a gerjesztőtekercs és a forgórész sorban van kapcsolva. F  LI M  k  F  I 

(k  L )  I  I  K  I 2 U i  k  F w  (k  L )  I w  K  I w Ua Ui U g U  0 I  Ra  U i  I  R g  U  0 K  I w  U  R  I U R  w  K I K w  Elektrotechnika - elektronika U K M  R  Ra  R g R K 139 2018.1213 12:42 Soros gerjesztésű egyenáramú motor Az ábráról leolvasható, hogy a soros gerjesztésű motornak nincs üresjárási fordulatszáma. Terhelés nélkül indítani tilos. A motor indulásakor, amikor az armatúraáram nagy és a fordulatszám még kicsi, akkor adja le a legnagyobb nyomatékot, majd a fordulatszám növelésével csökken a nyomaték és az áramfelvétel is. Ezt a viselkedést járműveknél (troli, villamos, metro, vasút) és különböző kéziszerszámoknál ideálisan ki lehet használni, hiszen ezeknek a gépeknek induláskor van szükségük nagy nyomatékra, az elért fordulatszámot már kisebb nyomatékkal is fenn lehet tartani.

Elektrotechnika - elektronika 140 2018.1213 12:42 Egyenáramú motorok üzemeltetése - Indítás: cél az indítási áramfelvétel csökkentése előtét ellenállással, kapocsfeszültség csökkentéssel. - Forgásirány váltás: vagy a gerjesztőtekercs, vagy az armatúratekercs pólusainak felcserélésével. - Fordulatszám változtatás: kapocsfeszültség csökkentéssel, áramfelvétel szabályozással, fluxus gyengítéssel. - Fékezés: ellenáramú féküzem, rekuperációs fékezés, dinamikus fékezés. Elektrotechnika - elektronika 141 2018.1213 12:42 Léptetőmotorok unipoláris és bipoláris üzemeltetése Elektrotechnika - elektronika 142 2018.1213 12:42 Elektrotechnika - elektronika 143 2018.1213 12:42 Villamos mennyiségek mérőműszerei. Mérőszerkezetek működési módja jelölése Helyzetjelzések névleges helyzet jelölés A villamos áram, feszültség, teljesítmény és energia-fogyasztás mérésére különféle elven

működő analóg és digitális műszereket készítenek és alkalmaznak. A táblázat az általánosan használt analóg műszerek működési módját és jelölési rendszerét mutatja be. Vasmentes elektrodinamikus műszer Elektrotechnika - elektronika 144 2018.1213 12:42 Villamos mérőműszerek osztályozása Osztályjel Hibahatárok, %145 A műszer jellege 0,05 ± 0,05 Laboratóriumi műszer 0,1 ±0,1 Laboratóriumi műszer 0,2 ±0,2 Laboratóriumi műszer 0,5 ± 0,5 Laboratóriumi és üzemi műszer 1,0 ±1 Üzemi műszer 1,5 ± 1,5 Üzemi műszer 2,5 ±2,5 Üzemi műszer 5 ±5 Üzemi műszer h H 100% Az analóg műszerek mérési hibáját a relatív hiba jellemzi: x ahol h a relatív hiba [%], H az abszolút hiba (xm - xh), xh a mérendő mennyiség helyes értéke, xm a mért érték. * h Elektrotechnika - elektronika 145 2018.1213 12:42 Állandó mágnesű lengőtekercses (Deprez) műszer Skála A műszerben a tekercs

menetei állandó mágnessel létrehozott homogén mágneses térben vannak, a tekercsben folyó áram miatt erő hat a vezető keretre, nyomaték jön létre, a tekercs spirálrugó ellenében elfordul. A szögelfordulás értéke arányos az árammal: a =k.I a skála tehát lineáris Jelképe: Mutató A műszer közvetlenül csak egyenáram mérésére alkalmas, váltakozó áram méréséhez egyenirányítóra van szükség. Mivel a feszültség polaritása határozza meg a kitérés irányát, a helyes polaritást jelölik. A lengőrész csillapítását a tekercs keretét képező zárt Al fólia-menetben mozgás közben kialakuló örvényáramok biztosítják, a Lenz törvény értelmében a mozgással ellentétes irányú mágneses teret hoznak létre, amely fékezi a lengést. Elektrotechnika - elektronika 146 2018.1213 12:42 Elektromechanikus műszerek felépítése Nemlineáris skála Lineáris skála Rögzített lágyvas Mutató Nullpont állító Tekercs

Mozgatható lágyvas Nullapont állító Örvényáramú csillapítás Lágyvasas mérőszerkezet Spirálrugók Feszültségtekercs Áramtekercs Lágyvaskör Vasmagos elektrodinamikus mérőszerkezet Elektrotechnika - elektronika Vasmagos elektrodinamikus mérőszerkezet és robbantott ábrája 147 2018.1213 12:42 Elektromechanikus műszerek Lágyvasas elektrodinamikus műszer szerkezeti 148 vázlata. A tekercsbe a fogyasztó áramát, vagy feszültséget kapcsolva, a tekercs belsejében elhelyezett lágyvas lemezkék azonos irányban felmágneseződnek, és taszítani fogják egymást, a tekercsben folyó áram irányától függetlenül. Egyen- és váltakozó áram egyaránt mérhető. A műszer mindig a mért mennyiség effektív értékének négyzetét mutatja, függetlenül a jelalaktól: a =k.I2 Frekvenciatartománya azonban csak néhány kHz. Elektrotechnika - elektronika 148 Jelképe: 2018.1213 12:42 Elektromechanikus műszerek. Jelképe: Légkamrás

csillapítás 1 áramtekercs 2 feszültségtekercs Elektrotechnika - elektronika Vasmentes elektrodinamikus műszer felépítése. Az 149 álló -áram -tekercsbe a fogyasztó áramát, a lengő feszültség - tekercsre a fogyasztó feszültségét kapcsolva, a műszer egyenfeszültségen a P=U.I egyenáramú teljesítményt, váltakozó feszültségen a hatásos teljesítményt: Ph=U.Icosj méri A műszer tehát analóg szorzásra alkalmas. Ha mindkét tekercsre ugyanazon mennyiséget kapcsoljuk, a mutatott érték az illető mennyiség négyzetével arányos. A műszer érzékeny külső mágneses térre, árnyékolása szükséges. 149 2018.1213 12:42 Méréshatár kiterjesztés Több méréshatárú műszereknél az alapműszer belső ellenállásával sorba, vagy párhuzamosan kell kötni ellenállásokat, hogy a műszer végkitérését létrehozó áram, vagy feszültségértéket ne lépjük túl. A méréshatár-kiterjesztés előtét, vagy sönt-ellenállásokkal

történik. Feszültség-méréshatár kiterjesztés R0 Előtét ellenállás alkalmazása feszültség - méréshatár bővítésére V U - U0 Előtétellenállás számítása: R0 az alapműszer belső ellenállása, R0 = U0 /I0 , Re=(n-1).R0 ahol n= U/U0 , a méréshatár kiterjesztés mérőszáma Elektrotechnika - elektronika 150 2018.1213 12:42 Áram- méréshatár kiterjesztés Söntellenállás alkalmazása áram R0 méréshatár bővítésére RS  n 1 A Sönt- ellenállás számítása: R0 az alapműszer belső ellenállása, R0 = U0 /I0 , n= I/I0 , a méréshatár kiterjesztés mérőszáma. A mérendő áramnak a sönthöz való csatlakoztatásánál, nagy áramok esetén figyelemmel kell lenni a csatlakozás átmeneti ellenállására is. Emiatt a söntöt úgy alakítják ki, hogy a műszerre történő csatlakozást különválasztják az áramcsatlakozástól, u.n definíciós kapcsokat alakítanak ki Elektrotechnika - elektronika 151 2018.1213

12:42 Wattmérő kapcsolása az áramkörhöz Feszültségtekercs * Áramtekercs * Terhelés A terhelésen átfolyó áramot az áramtekercsre, a terhelésen eső feszültséget a feszültségtekercsre kapcsoljuk. A mért mennyiség: P=U.I egyenáramon, P=UIcosj váltakozó áramon, ahol j a feszültség és áram közötti fázisszög Re előtétellenállás változtatásával a feszültség-méréshatárokat lehet beállítani. A tekercsek kezdetét *-al jelölik. Előtét ellenállások átkapcsolásával többféle feszültség méréshatáron lehet használni a műszert, az áramtekercs megcsapolásai révén többféle áramméréshatár is beállítható, a lineáris skálaértéket emiatt az áram és feszültség méréshatárok szorzatainak megfelelő állandókkal kell megszorozni. A wattmérők 0,05 A és 6 V, valamint 20 A és 600 V között mérnek, mérési pontosságuk eléri a ±0,1 %-os értéket Elektrotechnika - elektronika 152 2018.1213 12:42

Digitális mérőműszerek DMM –mel mérhető: • egyenfeszültség • egyenáram • váltakozó feszültség • váltakozó áram • ellenállás • esetleg HFE, C, L, dióda Elektrotechnika - elektronika 153 2018.1213 12:42 Digitális mérőműszerek hibaszámítása  A mért értékre vonatkoztatott hrdg (rdg, reading, leolvasott érték) hiba: ahol Hi a mérés abszolút hibája, m m pedig a mért érték  A méréshatárra vonatkoztatott h FS (fs, full scale, méréshatár) hiba: katalógusadat Hi a mérés abszolút hibája Hi h FS   100% p FS a műszer aktuális méréshatára p FS p FS  Az impulzusszámlálásból adódó h Count hiba: h h h rdg   Hi 100% rdg  ahol h Count   D m 100% N  N a digitális műszeren kijelzett szám értéke a tizedespont figyelembevétele nélkül,  D a bizonytalan jegyek száma (tipikusan 1) Elektrotechnika - elektronika FS Összevont relatív hiba: hS  h rdg  hCount 154

2018.1213 12:42 Digitális multiméter felépítése  1. Egyenfeszültség (DV)  2. Váltakozófesz (AV)  3. Ellenállás (R)  4. Váltakozóáram (AC)  5. Egyenáram (DC) Elektrotechnika - elektronika 155 2018.1213 12:42 Érintésvédelem a fogyasztói villamos hálózatokban Az emberek és állatok életét veszélyeztető villamos áram és feszültség elleni védelmet érintésvédelemnek nevezzük. Ha az emberi, vagy állati test feszültség alatt álló tárggyal kerül kapcsolatba, közvetlen érintésről beszélünk. A közvetlen érintést, vagyis az üzemszerűen feszültség alatt álló áramköri elemek megérintését a készülék, berendezés szigetelő, vagy védő burkolattal való ellátásával kell megakadályozni. A közvetett érintés akkor jön létre, ha az ember, vagy állat szigetelési vagy más hiba miatt feszültség alá kerülő berendezéshez ér hozzá. Fogyasztók alatt azokat az eszközöket értjük, amelyek alkalmasak

a villamos energia másfajta energiává való átalakítására: pl. mechanikai,- hő,- fényenergia A villamosipari szabvány szerint minden 50 V-nál nagyobb váltakozó feszültségről és 120 V -nál nagyobb egyenfeszültségről működő berendezésnek rendelkeznie kell valamilyen védelemmel a közvetett érintkezés elkerülésére. Elektrotechnika - elektronika 156 2018.1213 12:42 Villamos készülékek védelme. A villamos berendezések feszültség alatt lévő részeit nem szabad megérinteni, a felhasználási cél és a telepítés helye szerint a véletlen érintés, idegen tárgyak és a víz behatolása ellen védeni kell. A védelmi módra utaló jelölés IP és két számjegy. IP International Protection és a védelem fokát a táblázat szerinti szám adja. Elektrotechnika - elektronika 157 2018.1213 12:42 Villamos vezetékek és fogyasztók védelme. Túláramvédelem, biztosítók: ha a vezetékeken áram folyik, felmelegedhet, a megengedett

értéknél nagyobb áram tüzet is okozhat, ezért a túláram kialakulását meg kell akadályozni. Ennek egyik módszere az olvadóbiztosító Biztosítóaljzat Csavaros illesztő gyűrű Illesztő hüvely Olvadó betét DO Biztosító fej a) Diazed rendszerű b) Neozed rendszerű olvadóbiztosítók felépítése és részei Elektrotechnika - elektronika D Szerelési kép Névleges feszültség Diazed (D) rendszer: AC és DC 500V Neozed (DO) rendszer: AC 380V, DC 250V 158 2018.1213 12:42 Villamos vezetékek és fogyasztók védelme Az olvadóbiztosító vékony, jól vezető vezetékszála a túláram hatására felmelegszik és megolvad, megszakítja a védendő áramkört. Hátránya, hogy működése után ki kell cserélni a biztosítóbetétet! biztosító ház Diazed D rendszerű biztosítóbetét felépítése rögzítő anya fém sapkák 1 - fejérintkező 2 - talpérintkező 3 - porcelántest 4 - olvadó vezeték 5 - kvarchomok ívoltásra 6 - tartószál

jelzőszínhez 7 - megszakításjelző rugóval és azonosító színtárcsával biztosító fej kiolvadó szál Üvegcsöves olvadóbiztosító betét és foglalat ( G20) elektronikus készülékekhez Elektrotechnika - elektronika 159 2018.1213 12:42 Villamos vezetékek és fogyasztók védelme A kisfeszültségű biztosítókat alkalmazási kategóriákba sorolják az áramerősség és a kioldási idő alapján. Azonosító jelük első betűje a részleges a, vagy teljes körű g megszakítóképességet jelenti. Az azonosító második betűje a védendő tárgyra utal Védendő eszközök és alkalmazási kategóriák V édend ő eszköz A lka lm azási kategória L vezeté ke k gL teljes körű vezeté kés kábelvédő M kapcsoló- készülé ke k aM részleges kapcsoló véd ő R félvezető k aR részleges félvezető védő B bányászati gB teljes körű bányászatiberendezés-véd ő Tr transzform átoro k gT r teljes körű transzform

átor-véd ő Elektrotechnika - elektronika A teljes körű biztosítók túlterhelés és rövidzár ellen, a részleges biztosítók csak rövidzárlat ellen védenek. A teljes körű biztosítók a névleges áram-erősséget tartósan elviselik, és a névleges megszakítási áramig minden áramot veszély nélkül megszakítanak. A részleges biztosítók a névleges áram-erősséget tartósan elviselik, de csak akkor szakítanak meg, ha az áramérték sokszorosan túllépi névleges értéküket, ezért mindig túlterhelés-védelemmel együtt kell azokat beépíteni. 160 2018.1213 12:42 Villamos vezetékek és fogyasztók védelme Az áramvédő eszköz névleges áramértékét a vezeték keresztmetszetének és szerelési módjának megfelelően kell megválasztani (áramsűrűség és a hőelvezetés alapján). Néhány fontos szempont a biztosító kiválasztására: - a vezetéket tilos nagyobb áramértékre biztosítani, mint a szabványban előírt érték -

ahol a vezeték keresztmetszete lecsökken, oda túláram biztosítót kell beépíteni - a rövidzárlat védelemnek mindig a védendő vezeték elejére kell kerülnie. A túlterhelés elleni védelem, elágazás nélküli hálózat esetén, az áramkör tetszőleges pontjára beépíthető. - félvezetők védelmére a gL vezetékvédő olvadóbiztosítók nem alkalmasak, mert a félvezető előbb megy tönkre, mint ahogy a biztosító kiolvad, erre csak a gR vagy aR osztályú biztosítók felelnek meg, igen meredek idő-áram karakterisztikájuk miatt. Vezetékvédő kapcsolók: (kisautomata) olvadó biztosítók helyett használják, késleltetett kioldású termikus megszakítót (bimetall) és gyors működésű elektromágneses bontóérintkezőt tartalmaznak. A bimetall a túlterhelés elleni védelmet, a mágnestekercs a rövidzárlat-védelmet szolgálja. Előnye az olvadó biztosítóval szemben: visszakapcsolható a zárlat, vagy túlterhelés megszűnése után.

Elágazó áramkörök esetén a betáplálás irányából eső főágba nagyobb értékű, pl. 35 A-es, a két ágba különkülön 16 A -es biztosítókat téve, a biztosítási rendszer szelektív lesz, hiba esetén midig csak az érintett vezeték elejére szerelt biztosító old ki. Elektrotechnika - elektronika 161 2018.1213 12:41 Érintésvédelmi megoldások Védelem teljes szigeteléssel Védőszigetelt fúrógép, földelni nem szabad! Törpe-feszültség Az üzemi feszültség < 50 V Elválasztó transzformátor. Földelni nem szabad a szekunder oldalt, és csak egy készülék táplálható róla. Elektrotechnika - elektronika 162 2018.1213 12:41 Érintésvédelmi megoldások A hibaáramvédő kapcsolónak az a feladata, hogy 0,2 s-on belül lekapcsolja a készülék minden pólusát, ha szigetelési hiba miatt veszélyes érintési feszültség jönne létre. A hálózattól a védendő készülékig vezető összes vezetéket egy összegző

áramváltón keresztül kell vezetni. Kisautomatával egybeépített hibaáramkapcsoló ( FI -relé Fehlerstrom Indikator, hibaáram jelző) Elektrotechnika - elektronika 163 2018.1213 12:41 Hálózattól RSTN Hibaáramvédő kapcsoló Teszt gomb Fogyasztóhoz Hibaáramvédő kapcsoló működési elve RA földelési ellenállás maximális értékei A védendő berendezés testpontjait védővezetővel földelő pontra kötik. Normál esetben a be- és kifolyó áramok összege nulla, az áramváltó tekercsében nem indukálódik feszültség. Vezeték földzárlat, vagy testzárlat esetén a generátor felé a földön keresztül áram folyik vissza, amely feszültséget indukál a tekercsben és az a kioldón át lekapcsolja az összes pólust. A hiba a tesztgombbal is szimulálható A segédföldelő legnagyobb megengedett ellenállásértéke: RA= UL/IDn ahol UL a megengedett érintési feszültség, IDn a hibaáramvédő névleges hibaárama. Elektrotechnika -

elektronika 164 2018.1213 12:41 Földelési ellenállás mérése Az érintésvédelem szempontjából fontos a földelési ellenállás értékének ismerete, hiszen a hibaáram ezen ejti az érintési feszültséget. A talajban lévő egyenfeszültségek miatt csak R váltakozófeszültség lehet a mérőfeszültség, amelynek frekvenciája eltér a hálózati frekvenciától (95-110 Hz). Az áram-feszültég mérési eljárás miatt a műszereknek a megengedhetetlenül nagy érintési feszültség fellépésekor 0,2 s-on belül ki kel kapcsolni. Földelési ellenállás mérése Sűrűn lakott helyeken nem lehet mérőszonkompenzációs módszerrel. A dákat elhelyezni, földelő hurok mérést kell mérőszonda kívül esik a segédföldelő és végezni. a földelés közötti potenciál-eloszláson ü Elektrotechnika - elektronika 165 2018.1213 12:41 Földelő hurok ellenállásának mérése ZH Rü UL > 50 V esetén lekapcsolás 0,2 s-on belül  U0 Ia

ahol ZH a hurokimpedancia U0 a feszültség a terheletlen fázisvezeték és a PEN illetve PE vezeték között Ia a túláramvédő berendezés lekapcsolási árama Sűrűn lakott helyeken az egymáshoz közel elhelyezett alapföldelések miatt (mivel a feszültségtartományok potenciáljai összegződnek) nem lehet mérőszondákat elhelyezni, földelő hurok ellenállás mérést kell végezni. A földátmeneti ellenállás legnagyobb értékét a szabvány és az áram-szolgáltató vállalat műszaki csatlakozási feltételei adják meg Az áram-feszültég mérési eljárás miatt a műszereknek a megengedhetetlenül nagy érintési feszültség fellépésekor 0,2 s-on belül ki kel kapcsolni. Elektrotechnika - elektronika 166 2018.1213 12:41 Félvezetők Elektrotechnika - elektronika 167 2018.1213 12:41 Félvezetők fizikai alapjai A szilárd anyagokban az atomok vagy molekulák szabályos rácsszerkezetben helyezkednek el, amely a térben ismétlődik, az atomok

a vegyértékelektronok révén kapcsolódnak össze. Villamos szempontból a szilárd testeket három csoportba sorolhatjuk, a besorolás alapja a +20 °C-on mért k fajlagos villamos vezetőképesség. Önkényes meghatározás alapján: k =(108÷106 S/m ) vezetők k =(105÷10-9 S/m ) félvezetők k (10-9 S/m) szigetelők A kvantumelmélet szerint az elektronok potenciális energiája és a hozzá rendelt elektronpályák csak diszkrét energiaértékeket vehetnek fel. Mivel a szilárd anyagokban az atomok 10-10 m távolságban vannak egymástól, az erős egymásra hatás folytán az egyedi atomok diszkrét energiaértékei felhasadnak és energiasávokban tömörülnek (megengedett energia-szintek) amelyek között tiltott sávok (nem megengedett energiaértékek) vannak. A legkülső elektronpálya energiaszintje maximális értékű, ezt vegyérték (valencia) sávnak nevezzük. Elektrotechnika - elektronika 168 2018.1213 12:41 Félvezetők sávmodellje Vezetési sáv

DW 3 eV DW=0,2-0,5 eV Vegyérték sáv Szigetelő anyag Félvezető anyag DW=0 Vezető anyag, fém Az elektronok csak energiaállapotuknak megfelelő pályán, elektronhéjon mozoghatnak az atommag körül. Az anyagok különböző vezetőképessége a sávmodellel értelmezhető Az anyag villamos tulajdonságaira a legfelső betöltött elektronhéj, a vegyérték sáv, valamint a felette lévő héj, a vezetési sáv elektronjainak van hatása. A kettő között van a tiltott sáv, amelynek energiaszintjeit az elektronok nem foglalhatják el. Az anyag vezetőképességének megváltozásához az elektronoknak a vegyértéksávból a vezetési sávba kell jutniuk, ehhez DW energiát kell velük közölni. A DW energia értéke szabja meg, hogy valamely anyag szigetelő, félvezető, vagy vezető tulajdonságú. Ha a félvezetők vegyértéksáv – elektronjait hő,sugárzási, vagy kinetikai energiával gerjesztjük, az anyag vezetővé válik A szilícium DW energiaszint -

távolsága 1,12 eV, a germániumé 0,72 eV. 1 eV= 1,6021. 10-19 Ws=0,16021aJ ( attoJoule) Elektrotechnika - elektronika 169 2018.1213 12:41 Félvezetők kristályszerkezete A szilíciumatomok térközepes köbös rácsot alkotnak 170 (gyémántrács), minden Si atomot négy szomszédos atom vesz körül A Si atom M héján 4 vegyértékelektron van, ezek hozzák létre a kristályban a kötést Si kristály sík modellje és kovalens elektronkötései Vezetési sáv Vezetési sáv Vegyértéksáv Nem vezető Si kristály sík modellje és energiasávjai (T = O K esetén igaz csak!) A hőmérséklet növekedésével megindul a vegyértékelektronok átugrása a vezetési sávba, az atomokban elektronhiány, lyuk keletkezik, amely egy elektronnal találkozva megszűnik. Elektrotechnika - elektronika Vegyértéksá v 1: lyuk 2: szabad elektron A félvezetők saját vezető képességét a vezetési sávban lévő elektronok és a mozgó lyukak hozzák létre, a saját

vezetőképesség a hőmérséklettel exponenciálisan nő. A vezetést a töltések újraegyesülése a rekombinációja hozza létre. 170 2018.1213 12:41 Félvezetők P-N átmenete A K Dióda rajzjele A anód K katód Az N réteg donor atomjainak többségi töltéshordozó elektronjai a rétegek különböző töltéssűrűsége miatt diffúziós módon átvándorolnak a P rétegbe, a P rétegben lévő lyukak pedig az N rétegbe vándorolnak a rétegek érintkezési felületénél. A rétegek átmeneténél a kétféle töltéshordozó találkozik, és semlegesíti egymást, rekombináció jön létre. A határrétegben a szabad töltéshordozók megszűnnek, csak a helyhezkötött + és – ionok által létesített tértöltésű tartomány alakul ki. A tértöltés villamos erőteret hoz létre, amely elindítja a kisebbségi töltéshordozók csekély mértékű sodródási (drift) áramát. A tértöltési tartomány vastagsága 1 nm10 nm között van Elektrotechnika

- elektronika 171 2018.1213 12:41 Félvezetők dióda karakterisztikái Si dióda nyitóirányú karakterisztikája 7 6 IF [mA] 5 4 3 2 1 0 400m 500m 600m 700m UF [V] 800m Si dióda záróirányú karakterisztikája UR könyökpont DI DU Elektrotechnika - elektronika IR A A nyitóirányú karakterisztika kezdeti szakaszán, kb. 0,4 V feszültség alatt gyakorlatilag nem folyik áram, utána exponenciálisan növekszik 0,7 V-ig, ezután a nyitóirányú feszültséggel közel arányos a változása. A dióda váltakozó feszültség egyenirányítására alkalmas. A záróirányú karakterisztika kezdeti szakaszán, a könyökpontig gyakorlatilag nem folyik áram, utána exponenciálisan növekszik a lavinaletörésig, ahol a rétegben folyó áram akár a kristály olvadását okozhatja, a félvezető tönkremegy. Az áramot korlátozva a záróirányú szakasz feszültségstabilizálásra használható. 172 2018.1213 12:41 Félvezető diódák

karakterisztikái A Ge dióda kisebb feszültségnél nyit, azonban nagyobb a nyitóirányú ellenállása, míg a Si dióda nagyobb feszültségnél nyit, de a nyitóirányú ellenállása kisebb, valamint jóval nagyobb záróirányú feszültséget visel el. A Si dióda záróirányú árama 2-3 nagyságrenddel kisebb a Ge dióda záróirányú áramánál, azonkívül letörési feszültsége nagyobb a Ge diódáénál. 0,3 Si és Ge rétegdióda nyitó- és záróirányú karakterisztikái Elektrotechnika - elektronika 173 2018.1213 12:41 Bipoláris tranzisztor NPN tranzisztor PN átmeneteinek előfeszítése Tranzisztorok rajzjelei, (diszkrét alkatrészként) PNP NPN C C B B E E Elektrotechnika - elektronika A két PN átmenettel rendelkező réteg-tranzisztorokat bipoláris tranzisztornak nevezzük, a réteg sorrendjétől függően megkülönböztetünk NPN vagy PNP felépítésű tranzisztorokat. Kivezetéseit B, E, C betűkkel jelöljük Jelentésük B

bázis (alapréteg), E emitter (kibocsátó réteg), C kollektor (gyűjtő réteg). Az egyes rétegek különböző mértékben vannak szennyezve. Anyaguk elsősorban Si, szilícium, különleges célokra Ge anyagot is használnak. A tranzisztorok működésének alapja az, hogy a B-E közötti átmenet nyitó irányban van előfeszítve, míg a B-C közötti átmenet záró irányban van előfeszítve. Az UBE feszültség gyorsítja a töltéshordozókat, amelyek a bázisrétegbe jutnak, és a B-C réteg átmenetét elárasztják, az vezetővé válik, a töltéshordozók 95-99 %-a kollektorba jut. Az áramok kapcsolata: IE = IC+IB 174 2018.1213 12:41 Bipoláris tranzisztor karakterisztikái emitter kapcsolásban Kimeneti karakterisztika Bemeneti karakterisztika M DIC DUCE DIB DUCE Az IB(UBE) görbe dióda nyitóirányú jelleggörbéje, a kimeneti karakterisztika az IB áram paramétertől függően mutatja az IC kollektoráram függését az UCE értékétől. Látható,

hogy a kimeneti karakterisztika meredeksége, a kimeneti ellenállás a telítési pont után nem változik, a bemeneti karakterisztika meredeksége kis mértékben függ az UCE értékétől. A bemeneti karakterisztika rBE=DUBE /DIB meredeksége a differenciális bemeneti ellenállás. A differenciális kimeneti ellenállás az rCE = DUCE /DIC képlettel határozható meg az M munkapontban. Elektrotechnika - elektronika 175 2018.1213 12:41 Unipoláris tranzisztor: FET N csatornás térvezérlésű tranzisztor felépítése és rajzjele Drain D Gate G Source S A tranzisztor vezérlésében fontos szerepet játszik a villamos tér, emiatt Field Effect Transistor -FET térvezérlésű tranzisztor a neve, ezen kívül a terhelő áram csak egy azonos vezetési típusú , egyfajta rétegen halad keresztül: N vagy P rétegen folyik át, emiatt unipoláris tranzisztornak is nevezik. A drain csatlakozóra pozitív, a source pontra negatív feszültséget kapcsolva az N rétegen át

elektronáram folyik. A kristályon feszültség esik, amely a PN átmeneteket záróirányban polarizálja. A záróréteges FET PN átmeneteit mindig záróirányban kell előfeszíteni! Az elektronok csak a két záróréteg közti csatornában tudnak áramlani. Ha a gate-re negatív feszültséget kapcsolunk, a záróréteg szélesebb, a csatorna szűkebb lesz, megnő az ellenállása. Az UG feszültséggel a draináramot teljesítmény nélkül lehet vezérelni, mivel a gate-n áram nem folyik Elektrotechnika - elektronika 176 2018.1213 12:41 N csatornás J- FET P A FET tranzisztor karakterisztikái: bemeneti és kimeneti karakterisztika. UGS értékét negatív irányban növelve, Up pontban a draináram megszűnik. A kimeneti karakterisztika a draináram függését mutatja az UGS, mint paraméter és az UDS feszültség változásától. A P elzáródási pont azt mutatja, hogy a két záróréteg összeér és ez után már alig változik ID értéke az UDS

növelésével. A tranzisztor fontos jellemzője az S= DID/DUGS meredekség, valamint az rDS= DUDS/DID differenciális kimeneti ellenállás. Elektrotechnika - elektronika 177 2018.1213 12:41 MOSFET tranzisztorok típusainak jelölése A MOSFET tranzisztoroknál a csatorna nagyon vékony SiO2 szigetelőréteg alatt van kialakítva, és a Gate elektródán keresztül történik az áramvezérlés. A csatorna szennyezése dönti el, hogy N vagy P csatornás az eszköz, illetve a vezérlés hatására a csatorna árama csökken, vagy növekszik. A vékony SiO2 rétegben a tranzisztor G elektródjára jutó feszültség átütést okozhat, ami tönkremenetellel jár, ezért szállítás és szerelés során védeni kell a sztatikus feltöltődés miatti átütéstől antisztatikus csomagolás és földelt szerelő felület útján. Elektrotechnika - elektronika 178 2018.1213 12:41 Félvezető diódás kapcsolások Egyutas egyenirányító A kimenő feszültség jelalakja

simító kondenzátorral, terhelő ellenállással: lüktető egyenfeszültség ~Ug 10 Ud C Uk Rt Uk 8 - 6 4 U k [V ] + D TR ug I= 2 0 -2 -4 -6 -8 -1 0 0 1 0m 2 0m 3 0m t 4 0m 5 0m [s ] 35m 30m It [A] 25m It 20m 15m 10m 5m 0 -5m 0 10m 20m t [s] 30m 40m 50m A kimenő áram jelalakja simító kondenzátorral, terhelő ellenállással Elektrotechnika - elektronika A kimenő feszültség jelalakja simító kondenzátorral, közel üresjárásban: a pozitív félhullámot egyenirányítja és simítja. 179 2018.1213 12:41 Félvezető diódás kapcsolások Primer feszültség és kimenő feszültség jelalakja Kétutas egyenirányító 20 Upr U [V] 10 Uk C=1000uF Rt=100  0 -10 -20 0 5 30m 40mt [s] 50m Uk Uk 4 Uk [V] Uk [V] 20m 5 4 3 Rt=10  1 0 10m It 0 10m C=1000uF Rt=100  1 It 20m 30m 40m t [s] 0 0 50m Kimenő feszültség jelalakja Rt=10 terhelő ellenállásnál: a kondenzátor jelentősen kisül

félperiodusonként Elektrotechnika - elektronika 3 C=1000uF 180 10m 20m 30m 40mt [s]50m Kimenő feszültség jelalakja Rt=100  terhelő ellenállásnál, a hullámosság csökken. 2018.1213 12:41 Félvezető diódás hídkapcsolás + Egyenirányító híd TR 10 U8 C Rt ~ Ug Uk 0 0 – 10 8 U [V] 5 [V] 3 Rt=1 k Uk 5 C=1000uF 3 0 0 t [s] 10m Elektrotechnika - elektronika 20m 30m 40m 50m Uk Rt=100  It C=1000uF 10m 20m 30m 40m 50m t [s] Az egyenirányító kapcsolás jelalakja 100 -os terhelésnél Az egyenirányító hídkapcsolás jelalakja 1k-os terhelésnél. A kétutas kapcsoláshoz képest közel kétszeres az egyenfeszültség átlag-értéke, és kisebb a hullámosság a kétszeres frekvenciájú váltakozás miatt. 181 2018.1213 12:41 Erősítő alapkapcsolások bipoláris tranzisztorral Attól függően, hogy a bipoláris tranzisztor három kivezetése közül melyik kettő a bemenet és a kimenet, három féle

alap-kapcsolás lehetséges a) közös emitteres vagy emitterkapcsolás b) közös bázisú vagy báziskapcsolás c) közös kollektoros vagy kollektorkapcsolás A három kapcsolási módban más-más értékűek lesznek a tranzisztorparaméterek, emiatt a beés kimeneti ellenállások és az erősítésértékek, valamint a fázistolás és a frekvenciafüggő tulajdonságok is. A bipoláris tranzisztor alapkapcsolásai Elektrotechnika - elektronika 182 2018.1213 12:41 Erősítő alapkapcsolás bipoláris tranzisztorral A be- és kimeneti jelalak azt mutatja, hogy az erősítő fázist fordít, a két szinuszjel, ube és uki fáziseltolása éppen 180°. Ez csak meghatározott frekvenciasávban igaz. A közös emitteres kapcsolás elemei: R1, R2 (bázisosztó), RC munkaellenállás, RE emitterellenállás (áramvisszacsatolás) a munkapont beállító elemek, Rt terhelő ellenállás, Cbe, Cki be- és kimeneti csatoló kapacitások (egyenfeszültség leválasztás), UT

tápfeszültség, Ug szinuszos generátor feszültsége, Rg a generátor belső ellenállása, CE emitterkondenzátor („hidegítés”: váltakozóáramú szempontból rövidzár) I0 a feszültségosztó árama, IB0 nyugalmi bázisáram ( I0 10 IB0), UBE0 a tranzisztor nyitófeszültsége, IE0 nyugalmi emitteráram, UCE0 munkaponti kollektoremitter feszültség, IC0 munkaponti kollektoráram Elektrotechnika - elektronika 183 2018.1213 12:41 Erősítő alapkapcsolás bipoláris tranzisztorral, az erősítés értékének meghatározása Ha az Ube bemeneti feszültség növekszik, ez növeli az UBE0 feszültséget, ezáltal az IB0 bázisáramot. A bázisáram növekedése a kollektorkörben felerősödik, IC növekszik, ezzel nő az RC ellenálláson eső feszültség, UCE0 csökken, Cki átadja a csökkenést a kimenetnek. Uki változása ellentétes Ube változásával tehát az emitterkapcsolású erősítő fázist fordít. A tranzisztor hibrid paraméteres helyettesítő

képének elemei: h11e bemeneti ellenállás, h21e  áramerősítés, h22e  kimeneti vezetés. Az erősítő erősítésértékei a paraméterekkel és építőelemekkel kifejezve:  1  x x  h 21e   R c R t  u ki h 21e  1  h 22e  x R c x R t    A ue  u be i B  h 11e h 11e  h 22e   1  1 h 21e meredekség   S  x x  R t S ha A ue R c R t  h 22e h 11e  h 22e  A ue   S  R c x R t  feszültségerősítés Elektrotechnika - elektronika A ie   A ue  h 11e Rt áramerősítés 184 A pe  A ue  A ie teljesítményerősítés 2018.1213 12:41 Bipoláris tranzisztoros alapkapcsolások összefoglalása A la p ka p cso lá s Elektrotechnika - elektronika E M IT T E R K A P C S O L Á S B Á Z IS K A P C S O L Á S 185 K O LLEK TO RK APCSO LÁS 2018.1213 12:41 Erősítő alapkapcsolás JFET tranzisztorral A T tranzisztor N csatornás JFET A source-

kapcsolású erősítőfokozat bemenete a G-S, kimenete a D-S kapcsok. A be- és kimeneti jelalak azt mutatja, hogy az erősítő fázist fordít. A közös source-ú kapcsolás elemei: RG (munkapont beállító), RD munkaellenállás, RS source-ellenállás (áramvisszacsatolás) a munkapont beállító elemek, Rt terhelő ellenállás, Cbe, Cki be- és kimeneti csatoló kapacitások (egyenfeszültség leválasztás), UT tápfeszültség,, Ug szinuszos generátor feszültsége, Rg a generátor belső ellenállása, CS source-kondenzátor („hidegítés”: váltakozóáramú szempontból rövidzár), ID0 nyugalmi draináram, UDS0 munkaponti drain-source feszültség, UGS0 munkaponti gate-source feszültség. Az áramkör működése során a tápegység egyenáramú teljesítménye alakul át az ug generátor által meghatározott ütemben felerősítve az Rt terhelő ellenálláson váltakozó áramú teljesítménnyé. Elektrotechnika - elektronika 186 2018.1213 12:41

Erősítő alapkapcsolás FET tranzisztorral Ha az ube bemeneti feszültség növekszik pozitív irányban, úgy csökkenti az UGS0 záróirányú feszültséget, ID0 áram megnő. A csatornaáram növekedése pedig az RD ellenálláson feszültségnövekedést, vagyis az UDS0 feszültség csökkenését eredményezi. Tehát uki feszültség változása ellentétes az ube feszültség változásával, a source kapcsolás fázist fordít! A térvezérlésű tranzisztor admittancia paraméteres helyettesítő képe alapján az y11s bemeneti vezetés 0, az y21s transzfer vezetés és az y22s kimeneti vezetés alapján határozhatók meg a térvezérlésű tranzisztoros source kapcsolás erősítési jellemzői. u ki   y 21s  u be A us  1  x R D x R t   y 22s   1    y 21s    x R D x R t  y 22s  A us   y 21s   R D x R t  feszültségerősítés Elektrotechnika - elektronika A us  ha A is  i ki i be 1

y 22s u ki u be  u be  R t  - A us áramerősítés 187  y 21s   u be  1  x R D x R t   y 22s  r be Rt A ps  A us  A is teljesítményerősítés 2018.1213 12:41 Térvezérlésű tranzisztoros alapkapcsolások tulajdonságai Elektrotechnika - elektronika 188 2018.1213 12:41 A decibel fogalom bevezetése Az erősítési tényező értéke váltakozóáramú erősítőknél és különböző szűrő áramköröknél függ a frekvenciától a tranzisztorok és a többi építőelem frekvencia-függő sajátosságai miatt. Ha a frekvencia függvényében vizsgáljuk az erősítő, vagy csillapító egység A= uki/ube viszonyát, valamint a kimenő és bemenő feszültség fáziseltérését, akkor a frekvencia-tengelyt nagyon nehéz ábrázolni, mert 3-6 nagyság-rendet kell átfogni. Emiatt szokásos a frekvenciát logaritmikus léptékben megadni. A korszerű, többfokozatú erősítők, különösen a műveleti

erősítők egyen-és váltakozó-áramú erősítési tényezői 2-6 nagyságrendet fognak át, tehát itt sem ábrázolhatók a részletek. Emiatt került bevezetésre a logaritmikus erősítés/csillapítás fogalma  U ki  a  20  log A   U be  U be U ki A  1 2 a  20  log 1 2    20  log A dB      20  log 2 A=100, a=20.lg100=40 dB 1 2   10  log 2 (log2 =0,3010) a= -3,01 dB Láncbakapcsolt átviteli tagok eredő átviteli tényezőjének ábrázolásánál előny, hogy ub e Elektrotechnika - elektronika A1 1/A 2 A3 uk i az Ae= uki/ube = A1.(1/ A2) A3 szorzat helyett ae = a1- a2+a3 a logaritmus miatt összeg lesz 189 2018.1213 12:41 RC szűrő amplitúdó-frekvencia és fázis-frekvencia menete -3 dB Ug R f=159,16 Hz Ug C Uki Pl. A= 0,01 a= 20log1/100= 20(-2) = – 40dB -decibel, a frekvenciatengelyen a 10-szeres, vagy tizedrésznyi mennyiségek jelölésére a Dekád [D]fogalom

került bevezetésre, valamilyen kitüntetett frekvenciaértékhez viszonyítva, pl az RC, RL szűrők határfrekvenciáihoz (itt fh=159,16 Hz, a = –3 dB, j = – 45°). A határfrekvencia után az amplitudó-frekvencia jelleggörbe meredeksége: – 20 dB / Dekád, ettől az egyenestől alig tér el a tényleges görbe. Elektrotechnika - elektronika 190 2018.1213 12:41 Félvezetők kapcsolóüzeme Diódás vágóáramkör Az Ux feszültség a diódát záró irányban feszíti elő, ha Ube>Ux+Ud, akkor a dióda vezetni kezd és Ube e fölötti részét levágja. Ha Ube< Ux+Ud érték alá csökken, a dióda lezár. A dióda tehát kapcsolóüzemben működik: ha kinyit, kis ellenállást képvisel, (zárt kapcsoló), ha lezár, nagy ellenállású, (nyitott kapcsoló), pozitív irányú amplitúdó határolást végez Elektrotechnika - elektronika 191 Diódás vágóáramkör jelalakjai 2018.1213 12:41 Félvezetők kapcsolóüzeme Bipoláris tranzisztor, mint

inverter +Ut Rc Ic Rb Ube IB T Rt Uki Ut= 5V tápfeszültséget használva, a Si tranzisztor kinyit, ha az UBE feszültség >0,6V, vagy Ube >1,6V, és lezár ha Ube<0,8V. Az Rt ellen-álláson fellépő kimenő feszültség értéke teljesen nyitott tranzisztor esetén< 0,4V, lezárt tranzisztornál pedig közel az 5V-os tápfeszültség UBE -Ut A tranzisztor tehát a bemeneti jel < 0,8V értékét 0-nak tekintve (L), a kimeneti jel 5V-os értékét 1-nek(H), a Boole algebra szabályai szerint a tagadás műveletét valósítja meg, vagyis invertálja a bemeneti jelet. Az Ube >1,6V bemeneti jelet 1nek tekintve, a kimenőjel<0,4V-os értéke a 0-nak felel meg, szintén invertál a tranzisztor. Uki =Ube Elektrotechnika - elektronika 192 2018.1213 12:41 Inverter, kapuáramkörök A logikai negációt(NEMNOT) megvalósító inverter rajzjelképei és igazságtáblázata A logikai ÉS (AND) kapcsolatot megvalósító kapuáramkörök rajzjelképei

és a kétbemenetű ÉS kapu igazságtáblázata Elektrotechnika - elektronika 193 2018.1213 12:41 Kapuáramkörök + + = A logikai VAGY (OR) kapcsolatot megvalósító kapuáramkörök rajzjelképei és a kétbemenetű VAGY kapu igazságtáblázata Be1 Be1 Be2 Be2 Ki Ki ÉS kapu relés megvalósítása érintkezőkkel Ki=Be1 ÉS Be2 Elektrotechnika - elektronika 194 VAGY kapu relés megvalósítása érintkezőkkel Ki=Be1 VAGY Be2 2018.1213 12:41 Kapuáramkörök EKVIVALENCIA (MEGENGEDŐ VAGY) kapu rajzjelei és igazságtáblázata ANTIVALENCIA (KIZÁRÓ VAGYEXCLUSIVE OR) kapu rajzjelei és igazságtáblázata Elektrotechnika - elektronika 195 2018.1213 12:41 Bipoláris elemekkel felépített logikai alapáramkörök Elvi kapcsolás Helyettesítő kapcsolás Kimeneti jelleggörbe a munkaegyenessel Bipoláris logikai alapelemek működési elve és a nyitott–lezárt állapotot mutató karakterisztika A bipoláris tranzisztor NPN vagy PNP típusú

lehet. A kimeneti karakterisztikán követhető, hogy a tranzisztor nyitott állapota megfelel a zárt kapcsolónak (kis ellenálláson áram folyik), lezárt állapota nyitott kapcsolónak (szakadás). A valóságos kapcsolóval szemben mindig van nyitott állapotban maradékfeszültség a kollektoron, illetve lezárt állapotban is folyik a tranzisztoron ICB0 maradékáram, amely az Rc munkaellenálláson feszültséget ejt. Ezek miatt a logikai 0, azaz L szint sohasem lehet 0 V, hanem annál nagyobb, UL , és a logikai 1, azaz H szint sohasem érheti el a tápfeszültség értékét, csak annál kisebb lehet UH < UT. Elektrotechnika - elektronika 196 2018.1213 12:41 MOS elemekkel felépített logikai alapáramkörök Kapcsolóelemként alkalmazott N- csatornás MOS tranzisztor Bemeneti jelleggörbe Kimeneti jelleggörbe a működést meghatározó munkaegyenessel A kapcsolás működése: ha a bemeneti UGS feszültség kisebb, mint UT0 , akkor a lezárt MOS tranzisztor

drainfeszültsége a tápfeszültséggel egyezik meg. Mivel a gate egyenáramú ellenállása igen nagy, 1014 , a MOS tranzisztor ideális feszültségvezérelt elem. Ha UGS feszültség nagyobb, mint UT0 , akkor a tranzisztor teljesen kinyit, a telítési tartományban vezet, és a maradék-feszültsége UL. Látható, hogy a bemeneti feszültséggel áram, tehát teljesítmény nélkül lehet a MOS tranzisztort kapcsolóként vezérelni. A MOS elemek hátránya a statikus feltöltődés miatti átütés az elektródák között, mivel igen vékony a SiO2 szigetelőréteg. Elektrotechnika - elektronika 197 2018.1213 12:41 Digitális integrált áramkörök TTL elemekkel I2 L (Integrated Injection Logic) inverter és integrált áramköri metszete TTL(Transistor-Transistor Logic) NAND kapu A TTL - Tranzisztor- tranzisztor logika elven felépített integrált áramkörök nem határolhatók el diszkrét elemekre, különböző szennyezettségű félvezető és szigetelő

sávokból és rétegekből épülnek fel. A NAND kapu működése a több-emitteres (multiemitter) bemeneten alapul: ha bármelyik bemenetre alacsony logikai szint (L LOW) kerül, T2 tranzisztor lezárt állapotú, ezért a kimenet szintje magas (H HIGH). Ha mindkét bemenetre H szint kerül, úgyT2 kinyit-de T3 és T4 is- a kimenet szintje alacsony, L logikai szint lesz. Elektrotechnika - elektronika 198 2018.1213 12:41 Digitális integrált áramkörök MOS elemekkel MOS inverter MOS NAND kapuáramkör MOS NOR kapuáramkör MOS kapuáramkörök: az inverter drainellenállását igen nagy ellenállású növekményes MOS tranzisztor helyettesíti, vezető állapotban ezen esik a feszültség, vagyis a drain pont feszültsége igen kicsiny lesz. Emiatt a kapu áramfelvétele nagyon kevés Belátható, hogy a NAND kapu kimenetén csak akkor lesz L szint, ha minkét bemeneten H szint van. Az integrált áramkör csak aktív elemeket tartalmaz, a gyártása emiatt

egyszerű, és kis felületet igényel, nagy lehet az áramkör elemsűrűsége, kicsi a fogyasztása. Védeni kell az áramköröket a statikus feltöltődés okozta átütéstől! Elektrotechnika - elektronika 199 2018.1213 12:41 Digitális áramkörök CMOS elemekkel A CMOS elnevezés a Complementer MOS, vagyis a kiegészítő MOS -ból származik: N csatornás és P csatornás növekményes MOS tranzisztor-párokból épül fel. A CMOS inverter működése: 0 bemenő feszültségnél T1 lezárt, T2 vezet, UD -t a kimenetre kapcsolja. Ha a kimenetre másik CMOS gate -je kapcsolódik, annak igen nagy ellenállása gyakorlatilag nem vesz fel áramot, az áramkör jellegzetessége a rendkívül csekély áramfogyasztás. UD feszültségű bemenőjel hatására T1 nyit ki, és T2 zár le,T1en át a kimenet földpotenciálra kerül Áram ez esetben sem folyik A CMOS kapcsolás csak az átkapcsolás igen rövid idején vesz fel áramot a tápegységből, u.n áramtüske

formájában. Jelentősebb fogyasztása csak nagy működési frekvencián van A terhelést ezért W/kHz ben adják meg! Elektrotechnika - elektronika 200 2018.1213 12:41 Digitális áramkörök CMOS elemekkel CMOS NAND kapuáramkör CMOS NOR kapuáramkör A kapcsolásban a T1 és T2 P csatornás tranzisztorok sorosan, míg az N csatornás T3 és T4 tranzisztorok párhuzamosan kapcsolódnak A kapcsolásban a T1 és T2 P csatornás tranzisztorok párhuzamosan, míg az N csatornás T3 és T4 tranzisztorok sorosan kapcsolódnak Elektrotechnika - elektronika 201 2018.1213 12:41 Digitális áramkörök tápfeszültség- és jelszintjei TTL integrált áramkörök Tápfeszültség: +5 V Logikai szintek: Bemeneten: Kimeneten: L szint 0,8 V max. H szint 2,0 V min. L szint 0,4 V max. H szint 2,4 V min. 20 mW/ kapu 10 ns / kapu Teljesítményfelvétel: Időkésleltetés: Egységterhelés: - a bemeneten: (Fi vagy fan-in bemeneti terhelési tényező, egyetlen logikai kapu

egyik bemenete képviseli) L szint IBeL= –1,6 mA (a bemeneten kifelé folyó áram UBeL= 0,4 V-nál ) H szint IBeH = 40 A (a bemeneten befelé folyó áram UBeH= 2,4 V-nál) - a kimeneten: (FO vagy fan-out kimeneti terhelési tényező, megadja, hogy egyidejűleg hány bemenetet lehet vezérelni) FO= 10 közönséges kapuáramköröknél FO= 30 teljesítmény kapuáramköröknél Elektrotechnika - elektronika 202 2018.1213 12:41 Digitális áramkörök tápfeszültség - és jelszintjei MOS, CMOS integrált áramkörök Tápfeszültség: 3-15 V Logikai szintek: Függ a tápfeszültségtől H szint kb. a tápfeszültség fele, L szint 0. Teljesítményfelvétel: 0,3 W/kHz, függ a frekvenciától Időkésleltetés: 90 ns / kapu Elektrotechnika - elektronika 203 2018.1213 12:41