Obwody prądu stałego Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12)Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.
Podstawowe prawa elektrotechniki w zastosowaniu do obwodów elektrycznych: Obwód elektryczny zespół elementów tworzących zamkniętą drogę dla przepływu prądu elektrycznego. Prąd płynie od wyższego do niższego potencjału. Potencjał wyższy oznaczamy +, a niższy -. W skład obwodu elektrycznego wchodzą: źródło odbiornik przewody
Prawo Ohma: gdzie: U napięcie, I natężenie prądu, R rezystancja (w omach [Ω]) rezystancja: gdzie: ρ - rezystywność, l długość, S przekrój elementu
Zależność R od temperatury: Konduktancja (wyrażona w simensach [S]):
Prosty obwód prądu stałego: Prąd:
Napięcie: Energia Moc:
Elektrochemiczne źródła energii elektrycznej Ogniwa nieodwracalne (pierwotne) w wyniku przemian chemicznych zachodzących podczas przepływu prądu elektrycznego powstają w nich nieodwracalne zmiany. Przykładem są baterie do zasilania urządzeń elektrycznych. Ogniwa odwracalne (wtórne) można je wielokrotnie ładować i rozładowywać. Ładowanie polega na gromadzeniu energii chemicznej w ogniwie pod wpływem przepływu prądu wymuszonego przez zewnętrzne źródło napięcia stałego. Przykładem mogą być akumulatory samochodowe.
Prąd elektryczny w elektrolicie Elektrolit roztwór kwasu zasady lub soli. Jeśli umieścimy w elektrolicie dwie elektrody w postaci płytek z różnych metali, powstanie pomiędzy nimi różnica potencjałów. Urządzenie takie będzie ogniwem elektrochemicznym. Jest ono źródłem napięcia stałego. W elektrolicie obecne są jony cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym. Jony dodatnie to cząstki metali, a ujemne to reszty kwasowe lub grupy wodorotlenowe. Na skutek reakcji chemicznych dodatnie jony metali, z których wykonane są elektrody, rozpuszczają się w elektrolicie. Elektrony swobodne pozostają w metalu elektrod zbierając na nich ładunek ujemny. Obie elektrody ładują się ujemnie,
ale ilość elektronów na nich jest różna, co powoduje powstanie różnicy potencjałów (napięcia). Ruch jonów dodatnich i ujemnych w ogniwie galwanicznym
Rodzaje ogniw: Ogniwo Laclanchego najbardziej rozpowszechnione (popularne bateryjki). W skład ogniwa wchodzą: elektroda węglowa (dodatnia), elektroda cynkowa (ujemna), elektrolit (salmiak {chlorek amonowy NH 4 Cl} mokry lub suchy). Daje ono napięcie 1,5V Ogniwo Westona wykorzystywane jako wzorzec napięcia. Wykonywane jako nasycone lub nienasycone. Wartość SEM nasyconego ogniwa Westona wynosi 1,018650V w temp. 20 o C.
Akumulatory kwasowe (ołowiowe) Elektrolit stanowi w nich wodny roztwór kwasu siarkowego (stężenie 22-30%, gęstość 1,18-1,28 g/cm 3 ). Elektrodami są płyty wykonane w postaci kratki zawierającej tzw. masę czynną. Płyta dodatnia zawiera pastę z dwutlenku ołowiu, a płyta ujemna gąbczasty ołów. Napięcie między płytami wynosi 2V. Akumulator zawiera kilka osobnych celek połączonych szeregowo (najczęściej 6 o łącznym napięciu 12V). W czasie rozładowywania masa czynna płyt przekształca się w siarczan ołowiu, a gęstość elektrolitu zmniejsza się. Podczas ładowania reakcje te są odwracane.
Akumulator charakteryzuje pojemność wyrażona w Ah (amperogodzinach). Wyznacza się ją w oparciu o rozładowanie w czasie 20 godzin (wartość 20-godzinna). Zasada działania akumulatora kwasowego. a) naładowany, b) rozładowywanie, c) rozładowany, d) ładowanie
Akumulatory zasadowe. Funkcję elektrolitu pełni w nich zasada (najczęściej wodorotlenek potasu KOH). Rozróżniamy akumulatory zasadowe: Niklowo-kadmowe Niklowo-żelazowe Srebrowo-cynkowe Srebrowo-kadmowe Mają mniejszą sprawność od akumulatorów kwasowych, ale są bardziej odporne na zwarcia, przeciążenia i uszkodzenia mechaniczne.
Obecnie zamiast akumulatorów kwasowych stosuje się w samochodach akumulatory zasadowe (bezobsługowe). Nie wymagają uzupełniania elektrolitu. Posiadają wskaźniki naładowania w postaci specjalnego okienka pokazującego różne kolory informujące o stanie akumulatora. Stosuje się też akumulatory żelowe odporne na uszkodzenia mechaniczne (w skutek rozbicia nie wycieka elektrolit).
Literatura: J.Nowicki Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla ZSN WSiP 1999 S.Okoniewski Technologia dla elektroników WSiP