Technika motocyklu - 14. část - elektro

Na úvod je „bohužel“ nutná, pro některého až moc abstraktní, teorie týkající se základních elektrických veličin a jejich chování. Lidem s elektro vzděláním se předem omlouvám za některé analogie, bez kterých by však pochopení bylo složitější. Elektrické pochody jsou pro běžného člověka docela neprobádanou oblastí a tak mnoho lidí o elektrice ví převážně jen že „kope“. Předchozí technické příspěvky byly zaměřeny na čistě mechanické záležitosti nepodléhající složitějším představám.

Základní pojmy

Pokusy v 18. století se žabími stehýnky a spousty dalších zákonitostí fyziků jako Alessandro Volta, George Ohm, André Marie Ampér a další dali základ moderní elektrotechniky a již v počátcích bylo definováno několik zákonitostí. Cílem článku není návrh zesilovače či obdobného technického zařízení, ale pochopení vcelku základních vlastností elektrického proudu. Jako model si vezmeme dvě spojené nádoby (viz obr), ve kterých je odlišná výška hladin. Ta symbolizuje napětí mezi levou a pravou nádobou (elektricky též „rozdíl potenciálů“). Ta vyšší je z elektrického hlediska označována jako kladná. Pokud nádoby budou spojeny bude snaha hladin se vyrovnat a tudíž kapalina musí proudit z vyšší do nižší. Tento tok symbolizuje elektrický proud a průřez potrubí elektrický odpor. Při užším potrubí (větší odpor) bude menší proud. Čili čím menší odpor bude spotřebič (žárovka, klakson, startér) mít, tím větší proud jím poteče a tím rychleji se budou hladiny vyrovnávat – akumulátor se vybíjí.
Pro upřesnění označení: proud I je v Ampérech, napětí U ve Voltech, odpor R v Ohmech, výkon P ve Wattech a vzájemné vztahy I=U/R, R=U/I a U=I×R jsou označovány jako Ohmův zákon.

Elektrický odpor tak má každá součást elektrického obvodu a můžeme ji chápat jako překážku elektrickému proudu. Pokud však je v obvodu součástí více tak je nutné se na obvod dívat jako celek. Všechna zapojení lze převést na skupinu dvou základních spojeních a to odpory za sebou – sériové, nebo vedle sebe-paralelní. U sériového spojení je výsledný odpor součtem dílčích odporů, u paralelního je výsledný dán jako převrácená hodnota součtu převrácených hodnot. Chápu, že to zní snad až nesrozumitelně, ale stačí si pamatovat, že při paralelním spojení odporů je výsledný odpor vždy menší než nejmenší odpor dílčí. To samozřejmě odpovídá i naší vodní anabázi. Při propojení nádob více trubkami bude celková překážka (odpor) toku vody menší.

Chování elektrického odporu

Elektrický odpor má nejen spotřebič, ale i vodiče, konektory a dokonce i samotný zdoj (označováno jako vnitřní odpor zdroje). Hodnoty odporu spojovacích dílů jsou standardně tak nízké, že je můžeme zanedbat. Potíž ovšem přichází, pokud na spojích vznikne vlivem oxidace nevodivý povlak - nejčastěji oxid mědi. Následně tento spoj se chová jako vysokoohmický odpor a narušuje chod celého obvodu. Nejčastějším případem jsou poruchy ve startovacím obvodu. Startér má příkon kolem 1kW a tomu odpovídá i proud tekoucí startérem, který se pohybuje kolem 90 A. Proud je výrazně závislý na zátěži startéru a uvedená hodnota je zde hodnotou průměrnou. Pro ucelení výkladu je na místě objasnit elektrický příkon. Každý spotřebič je „žrout“ elektrické energie a po připojení na dané napětí jím teče proud odpovídající jeho odporu. Platí vztah P=U×I čili výkon(příkon) je součinem napětí a proudu. Příkonem rozumějme energii do stroje (spotřebiče) jdoucí, výkonem energii z něj vystupující. Např. 60 W žárovka odebírá proud 5 A při napětí 12 V. Čili její příkon (spotřeba) je oněch 60 W. Výkon (v rámci viditelného spektra) žárovky je vzhledem k její malé účinnosti dost nízký a to necelých 6 W. Edison tedy nevymyslel schopný zdroj světla, ale spíš tepla. Běžná literatura označuje jako vynálezce právě Thomase Alvu Edisona, ovšem počátky žhavení zuhelnatělého bambusového dřeva jsou již 100 let před Edisonem. (Celou situaci zamotává český génius Cimrman po němž byl vynález pojmenován jako „járovka“, ve Francii zkomoleno na „žárovka“). Zpět k našemu startéru. Když dáme do obvodu startéru velký přechodový odpor (vzniklý např. oxidací či špatným dotažením spoje) vznikne velký úbytek napětí na přechodovém odporu a o to menší napětí bude na svorkách startéru. Akumulátor bude schopný dávat při zátěži např. 10 V, ale startér obdrží pouze 6 V a 4 V se nám ztratí na odporech (hodnoty jsou zvoleny namátkově). Další elektrotechnickou připomínkou je zmínka o Kirchhoffových zákonech. Pojednávají o větvení proudů a úbytcích napětí. Čili součet proudů vtékajících do uzlu je roven nule. Logicky to lze pochopit např. z rozvětvující se řeky. Jeden silný přítok musí dát toliko vody co se pak rozdělí do menších proudů. Stejně i naopak pokud se proudy říček budou slévat v jednu velkou řeku. Pokud bychom tedy stáli v místě soutoku budeme brát přitékající vodu jako kladnou, odtékající jako zápornou. Ve výsledném součtu musí vyjít zmiňovaná nula. Druhý zákon hovoří o napětí v sériovém obvodu. Součet napětí je opět roven nule, čili napětí na jednotlivých spotřebičích musí být v součtu rovno napětí zdroje. Na obrázku je vše nakresleno.

Měření

Pro pochopení výše uvedeného je potřeba si zkusit i jednoduché měření. K tomu postačí i levný digitální multimetr ke kterému je ovšem říct pár skutečností. Některá měření jsou „blbuvzdorná“ a nejde nic pokazit, ovšem měřením proudu už se nějaké škody napáchat dají. 1) měření napětí - napětí se měří na zdroji či na spotřebiči paralelně. Minusové hodnoty přístroj ukazuje při obrácené polaritě měřících hrotů. Na motorce se jedná nejčastěji o napětí stejnosměrné a je tedy nutné mít rozsah měření nastaven na DC (direct current). Měření kolem alternátoru vyžaduje měření napětí střídavého. V tomto případě měří přístroj hodnotu efektivního napětí, čili napětí, které by vykonalo stejnou práci jako napětí stejnosměrné. Pokud se jedná o sinusový průběh (v našem případě ano) tak efektivní napětí je 70% napětí špičkového (maximálního). Stejně tak v elektrické síti je udáváno napětí efektivní, čili našich známých 230 V (dříve 220 V), kdežto maximum zde naměříme cca 320 V. Pokud měříme střídavé napětí (AC) s nastavením na měření napětí stejnosměrné (DC) ukáže nám přístroj u symetrického napětí hodnotu 0 V. Kdo nevěří ať si vyzkouší krásný sinusový a symetrický signál v rozvodné síti-hlavně tam nestrkat prsty! Voltmetr musí vykazovat vnitřní odpor maximální (ideálně nekonečno), aby jím netekl žádný proud a tím nezkresloval měřenou veličinu.

2) měření proudu – pokud si proud představujeme jako proud řeky je nutné tento proud měřit tak, že všechen tok bude procházet přístrojem. Ampérmetr tedy vkládáme do obvodu sériově a aby neovlivňoval měření je nutné, aby vnitřní odpor ampérmetru byl co nejmenší (ideál 0 Ohmů).. Většina proudových rozsahů má pojistku. Opět rozlišuje rozsah pro měření stejnosměrného a střídavého proudu. Měření proudu v praxi není tak hojně využívané jako měření napětí, ale samozřejmě hraje důležitou roli např. při určování odběru jednotlivých dílů soustavy. 3) měření odporu – měření elektrického odporu je ve velké části zjednodušeno jen na měření průchodnosti čili rozlišení dvou stavů SPOJENO – ROZPOJENO. Na digitálním multimetru je tato funkce vybavena i akustickým signálem, který pípá v případě nízkého odporu. Samozřejmě, že však u hodně měření vyžadujeme zjištění skutečného elektrického odporu dané součásti či části obvodu. Měřením diod se budeme zabývat v souvislosti s usměrňovači.

Je nutné mít na paměti Ohmovy zákony, nebo aspoň jejich chování. Díky ujasnění si zákonitostí můžeme pak měřit odpor i oklikou. Např. při přechodovém odporu nejsme schopni kvalitně změřit hodnotu přechodového odporu. Např. špatně ukostřený vodič akumulátoru může mít ve spoji odpor 0,03 Ohmů. Při startování, kdy teče obvodem skoro 100 A se nám na tomto odporu ztrácí napětí 3 V !! (U=I×R=100×0,03=3V). Takovou hodnotu odporu nám však běžný ohmmetr není schopen změřit. Ovšem ani takový proud nejsme schopni změřit standardním multimetrem. Používá se bezkontaktní metody a to měřením magnetického pole. Tím se dostáváme do poslední fáze tohoto článku.

Informace o redaktorovi

Mirek Rollinger - (Odebírat články autora)

POKRAČOVAT V DALŠÍ KAPITOLE