Cyfroteka.pl

klikaj i czytaj online

Cyfro
Czytomierz
00373 006768 15380015 na godz. na dobę w sumie
Wpraw to w ruch. Proste mechanizmy dla wynalazców, majsterkowiczów i artystów - ebook/pdf
Wpraw to w ruch. Proste mechanizmy dla wynalazców, majsterkowiczów i artystów - ebook/pdf
Autor: Liczba stron: 344
Wydawca: Helion Język publikacji: polski
ISBN: 978-83-246-9860-8 Data wydania:
Lektor:
Kategoria: ebooki >> komputery i informatyka >> elektronika >> elektronika
Porównaj ceny (książka, ebook (-20%), audiobook).

Podręcznik majsterkowicza!

Każdy majsterkowicz marzy o zbudowaniu maszyny, która może być wprawiana w ruch. Koła zębate, przekładnie, napędy to kluczowe elementy, obok których żaden pasjonat majsterkowania nie przejdzie obojętnie! Jeżeli chcesz poznać skuteczne techniki ruchomego łączenia części, jeżeli chcesz zbudować maszynę wprawianą w ruch, to trafiłeś na rewelacyjną książkę, która wprowadzi Cię w świat mechanizmów.

Sięgnij po nią i poznaj najczęściej stosowane materiały oraz dowiedz się, jak je łączyć i gdzie ich szukać. Na kolejnych stronach znajdziesz cenne informacje na temat mocowania różnych elementów oraz poznasz kluczowe pojęcia: siły, tarcia i momentu obrotowego. Uzbrojony w tę wiedzę, przystąpisz do poznawania źródeł mocy mechanicznej i elektrycznej oraz zbudujesz pojazd zasilany pułapką na myszy! Na sam koniec zobaczysz, jak korzystać z łożysk i sprzęgieł oraz nauczysz się łączyć proste maszyny w złożone układy. W tej unikalnej publikacji pokazano liczne projekty, których realizacja sprawi Ci mnóstwo frajdy. Książka ta musi znaleźć się na półce każdego szanującego się majsterkowicza!

Sięgnij po tę książkę i: Zbuduj wymarzoną maszynę!
 

Dustyn Roberts — inżynier mechanik, nauczycielka. Założycielka firmy doradczej Dustyn Robots. Posiada szeroką wiedzę, zdobytą w trakcie studiów na uniwersytecie Carnegie Mellon, uniwersytecie Delaware oraz Politechnice Nowojorskiej.
 
Znajdź podobne książki Ostatnio czytane w tej kategorii

Darmowy fragment publikacji:

Tytuł oryginału: Making Things Move: DIY Mechanisms for Inventors, Hobbyists, and Artists Tłumaczenie: Krzysztof Sawka ISBN: 978-83-246-9857-8 Original edition copyright © 2011 by The McGraw-Hill Companies. All rights reserved. Polish edition copyright © 2015 by HELION SA All rights reserved No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from the Publisher. Wszelkie prawa zastrzeżone. Nieautoryzowane rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci jest zabronione. Wykonywanie kopii metodą kserograficzną, fotograficzną, a także kopiowanie książki na nośniku filmowym, magnetycznym lub innym powoduje naruszenie praw autorskich niniejszej publikacji. Wszystkie znaki występujące w tekście są zastrzeżonymi znakami firmowymi bądź towarowymi ich właścicieli. Autor oraz Wydawnictwo HELION dołożyli wszelkich starań, by zawarte w tej książce informacje były kompletne i rzetelne. Nie bierze jednak żadnej odpowiedzialności ani za ich wykorzystanie, ani za związane z tym ewentualne naruszenie praw patentowych lub autorskich. Wydawnictwo HELION nie ponosi również żadnej odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikłe z wykorzystania informacji zawartych w książce. Wydawnictwo HELION ul. Kościuszki 1c, 44-100 GLIWICE tel. 32 231 22 19, 32 230 98 63 e-mail: helion@helion.pl WWW: http://helion.pl (księgarnia internetowa, katalog książek) Pliki z przykładami omawianymi w książce można znaleźć pod adresem: ftp://ftp.helion.pl/przyklady/wprawr.zip Drogi Czytelniku! Jeżeli chcesz ocenić tę książkę, zajrzyj pod adres http://helion.pl/user/opinie/wprawr Możesz tam wpisać swoje uwagi, spostrzeżenia, recenzję. Printed in Poland. • Kup książkę • Poleć książkę • Oceń książkę • Księgarnia internetowa • Lubię to! » Nasza społeczność Spis treści O autorce .......................................................................................................................................................... 9 Podziękowania ..............................................................................................................................................11 Wstęp ...............................................................................................................................................................13 1 Wprowadzenie do mechanizmów i maszyn .....................................................21 Sześć maszyn prostych ........................................................................................................... 22 1. Dźwignie .....................................................................................................................................................23 2. Krążki, bloki, wielokrążki .......................................................................................................................30 3. Kołowrót .....................................................................................................................................................34 4. Równie pochyłe i kliny ...........................................................................................................................36 5. Śruby ............................................................................................................................................................36 6. Przekładnie ................................................................................................................................................39 Ograniczenia projektowe oraz stopnie swobody ........................................................ 43 Stopnie swobody .........................................................................................................................................44 Minimalne ograniczanie projektu ..........................................................................................................45 Projekt 1.1. Maszyna śniadaniowa Rube’a Goldberga ....................................................................47 Literatura ..................................................................................................................................... 51 Anglojęzyczna ...............................................................................................................................................51 Polskojęzyczna ..............................................................................................................................................51 2 Materiały: jak je wybierać i gdzie ich szukać .....................................................53 Opisywanie materiałów ......................................................................................................... 54 Właściwości materiałowe ..........................................................................................................................54 Naprężenia, wyboczenia, zmęczenie materiału ...............................................................................55 Tolerowanie marginesu błędu ................................................................................................................56 Rodzaje materiałów ................................................................................................................. 58 Metale ..............................................................................................................................................................58 Ceramika .........................................................................................................................................................62 Polimery (tworzywa sztuczne) ................................................................................................................62 Materiały kompozytowe ...........................................................................................................................64 Półprzewodniki .............................................................................................................................................66 Biotworzywa ..................................................................................................................................................67 Projekt 2.1. Trampoliny z różnych materiałów ..................................................................................67 Literatura ..................................................................................................................................... 68 Anglojęzyczna ...............................................................................................................................................68 Polskojęzyczna ..............................................................................................................................................68 Kup książkęPoleć książkę 4 Wpraw to w ruch 3 Śrubka czy klej: mocowanie i łączenie przedmiotów ....................................69 Połączenia rozłączne: łączniki .............................................................................................. 70 Śruby, wkręty i otwory gwintowane .....................................................................................................71 Projekt 3.1. Wiercenie i gwintowanie otworu ...................................................................................76 Nakrętki ...........................................................................................................................................................82 Podkładki ........................................................................................................................................................83 Gwoździe i zszywki ......................................................................................................................................83 Kołki ..................................................................................................................................................................84 Pierścienie osadcze .....................................................................................................................................84 Połączenia nierozłączne: kleje, nity i spoiny ................................................................... 85 Substancje klejące .......................................................................................................................................85 Nity ....................................................................................................................................................................88 Spawanie, lutowanie twarde i klasyczne ............................................................................................89 4 Siły, tarcie i moment obrotowy (ojej!) .................................................................91 Obliczenia związane z momentem obrotowym ........................................................... 92 Tarcie ............................................................................................................................................. 95 Projekt 4.1. Szacowanie współczynnika tarcia ..................................................................................99 Zmniejszanie tarcia .................................................................................................................................. 101 Rozkład sił i roboty-grafficiarze ..........................................................................................102 Metody obliczania siły i momentu obrotowego .........................................................106 Pomiar siły ................................................................................................................................................... 106 Pomiar momentu obrotowego ........................................................................................................... 108 Projekt 4.2. Pomiar momentu obrotowego silnika ...................................................................... 108 5 Moc mechaniczna i elektryczna, praca oraz energia .................................. 111 Energia mechaniczna ............................................................................................................112 Energia elektryczna ................................................................................................................114 Zasilanie projektów ................................................................................................................119 Zasilanie prototypów: regulowany zasilacz laboratoryjny ........................................................ 120 Rozwiązania mobilne: baterie .............................................................................................................. 121 Rozwiązania stacjonarne ....................................................................................................................... 125 Alternatywne źródła energii ................................................................................................................. 126 Sprężyny i przechowywanie energii potencjalnej sprężystości .............................................. 132 Projekt 5.1. Pojazd zasilany pułapką na myszy .............................................................................. 133 Literatura ....................................................................................................................................135 Anglojęzyczna ............................................................................................................................................ 135 Polskojęzyczna ........................................................................................................................................... 136 Kup książkęPoleć książkę Spis treści 5 6 Entliczek-pentliczek, warczący silniczek: sposoby uzyskiwania i kontrolowania ruchu ........................................................................................... 137 Zasada działania silnika ........................................................................................................138 Projekt 6.1. Samodzielnie wykonany silnik z drutem nawojowym ......................................... 138 Rodzaje obrotowych elementów wykonawczych .....................................................141 Silniki prądu stałego ................................................................................................................................ 142 Silniki prądu przemiennego .................................................................................................................. 153 Elektromagnesy obrotowe .................................................................................................................... 154 Rodzaje liniowych elementów wykonawczych ...........................................................154 Silniki liniowe .............................................................................................................................................. 156 Elektromagnesy ......................................................................................................................................... 157 Sterowanie silnikiem .............................................................................................................157 Podstawy sterowania silnikiem prądu stałego .............................................................................. 158 Projekt 6.2. Wszystko o sterowaniu silnikiem prądu stałego — najprostszy obwód ....... 158 Projekt 6.3. Lutowanie obwodu .......................................................................................................... 159 Projekt 6.4. Tworzenie obwodu na płytce montażowej ............................................................. 162 Projekt 6.5. Silnik zmieniający kierunek obrotów ......................................................................... 165 Regulacja szybkości za pomocą modulacji szerokości impulsów ........................................... 168 Projekt 6.6. Sterowanie silnikiem za pomocą sprzętowej modulacji PWM ......................... 169 Zaawansowane metody sterowania silnikami prądu stałego .................................................. 174 Projekt 6.7. Programowe generowanie sygnału PWM służącego do sterowania silnikiem ...................................................................................................................... 174 Sterowanie serwomotorem do zastosowań amatorskich ......................................................... 179 Projekt 6.8. Sterowanie standardowym serwomotorem ........................................................... 181 Sterowanie silnikiem krokowym ......................................................................................................... 184 Projekt 6.9. Sterowanie bipolarnym silnikiem krokowym ......................................................... 186 Sterowanie silnikiem liniowym ............................................................................................................ 189 Wskazówki dotyczące sterowania silnikiem ................................................................................... 190 Ruch bez udziału silnika .......................................................................................................193 Ciśnienie płynu .......................................................................................................................................... 193 Sztuczne mięśnie ...................................................................................................................................... 195 Literatura ...................................................................................................................................196 Anglojęzyczna ............................................................................................................................................ 196 Polskojęzyczna ........................................................................................................................................... 197 7 Trzewia: łożyska, sprzęgła, przekładnie, śruby i sprężyny ......................... 199 Łożyska i tuleje .........................................................................................................................200 Łożyska promieniowe ............................................................................................................................. 201 Łożyska wzdłużne ..................................................................................................................................... 206 Łożyska liniowe i prowadnice .............................................................................................................. 208 Łożyska łączone oraz specjalne ........................................................................................................... 208 Porady dotyczące montowania łożysk ............................................................................................. 212 Kup książkęPoleć książkę 6 Wpraw to w ruch Sprzęgła ......................................................................................................................................214 Praca z serwomotorami w zastosowaniach amatorskich .......................................................... 215 Praca z innymi rodzajami silników ..................................................................................................... 216 Sprzęgła napędowe ................................................................................................................................. 222 Kołnierze blokujące ................................................................................................................223 Przekładnie ................................................................................................................................223 Projekt 7.1. Stwórz własną przekładnię ............................................................................................ 226 Koła pośrednie ........................................................................................................................................... 234 Przekładnie złożone ................................................................................................................................. 236 Koła pasowe i zębatki, pasy oraz łańcuchy ....................................................................237 Standardowe napędy pasowe ............................................................................................................. 237 Układy rozrządu ........................................................................................................................................ 238 Napęd łańcuchowy .................................................................................................................................. 239 Śruby napędowe .....................................................................................................................239 Sprężyny .....................................................................................................................................240 Sprężyny naciskowe ................................................................................................................................ 240 Sprężyny naciągowe ............................................................................................................................... 242 Sprężyny skrętne ....................................................................................................................................... 243 Podkładki sprężyste ................................................................................................................................. 245 Sprężyny płytkowe ................................................................................................................................... 245 Sprężyny spiralne ...................................................................................................................................... 246 Literatura ....................................................................................................................................246 Anglojęzyczna ............................................................................................................................................ 246 Polskojęzyczna ........................................................................................................................................... 246 8 Łączenie maszyn prostych w złożone układy ............................................... 247 Mechanizmy służące do przekształcania ruchu ..........................................................248 Korby ............................................................................................................................................................. 249 Krzywki i popychacze .............................................................................................................................. 250 Łańcuchy kinematyczne ......................................................................................................................... 252 Projekt 8.1. Pantograf w kształcie serca ............................................................................................ 254 Mechanizm zapadkowy .......................................................................................................................... 255 Metody przekształcania ruchu ............................................................................................................. 255 Automaty i zabawki mechaniczne ...................................................................................259 Projekt 8.2. Zbuduj własny automat — przytakująca owca ...................................................... 262 Literatura ....................................................................................................................................264 Anglojęzyczna ............................................................................................................................................ 264 Polskojęzyczna ........................................................................................................................................... 264 Kup książkęPoleć książkę Spis treści 7 9 Tworzenie urządzeń i zlecanie ich wykonania .............................................. 265 Ekosystem wprawiania przedmiotów w ruch ..............................................................266 Kreowanie ..................................................................................................................................267 Kreowanie analogowe ............................................................................................................................ 267 Kreowanie cyfrowe ................................................................................................................................... 268 Projekt 9.1. Pobranie i otwarcie trójwymiarowego modelu danego podzespołu ............ 272 Tłumaczenie .............................................................................................................................274 Tłumaczenie analogowe ........................................................................................................................ 274 Tłumaczenie cyfrowe ............................................................................................................................... 275 Wytwarzanie .............................................................................................................................276 Wytwarzanie analogowe ........................................................................................................................ 276 Projekt 9.2. Wiercenie wyśrodkowanego otworu bez użycia tokarki .................................... 278 Wytwarzanie cyfrowe .............................................................................................................................. 283 Integrowanie ............................................................................................................................285 Integrowanie analogowe ....................................................................................................................... 285 Integrowanie cyfrowe ............................................................................................................................. 286 Rozprzestrzenianie .................................................................................................................286 Rozprzestrzenianie analogowe ........................................................................................................... 286 Rozprzestrzenianie cyfrowe .................................................................................................................. 287 Literatura ...................................................................................................................................288 Anglojęzyczna ............................................................................................................................................ 288 Polskojęzyczna ........................................................................................................................................... 288 10 Projekty ....................................................................................................................... 289 Projekt 10.1. Szybkobieżny blat obrotowy (Pracowita Zuzia) .................................................. 290 Projekt 10.2. Turbina wiatrowa ............................................................................................................ 301 Projekt 10.3. SADbot: robot rysujący w zależności od pogody ................................................ 309 Literatura ...................................................................................................................................327 Anglojęzyczna ............................................................................................................................................ 327 Polskojęzyczna ........................................................................................................................................... 327 Dodatek. Zasilanie płytki montażowej, podstawy Arduino oraz przeliczniki jednostek ............................................ 329 Zasilanie płytki stykowej ......................................................................................................330 Podstawy Arduino .................................................................................................................................... 331 Współpraca Arduino z komputerem ................................................................................................. 332 Migotanie diody ........................................................................................................................................ 334 PORZĄDNE migotanie diody ................................................................................................................ 336 Przeliczniki jednostek ............................................................................................................337 Skorowidz .................................................................................................................. 339 Kup książkęPoleć książkę 8 Wpraw to w ruch Kup książkęPoleć książkę 5 Moc mechaniczna i elektryczna, praca oraz energia Kup książkęPoleć książkę 112 Wpraw to w ruch A by wprawić przedmiot w ruch, musimy dostarczyć mu energię. Możemy wyko- rzystywać proste przekształcenia energii, np. grawitacyjnej w kinetyczną (jabłka spadające z drzewa) lub wprowadzać złożone układy, takie jak silnik spalinowy. Mamy również możliwość osobistego dostarczania energii, kręcąc korbką lub pedałując. Energia wiązań chemicznych spożywanych przez nas pokarmów jest przetwarzana w energię umożliwiającą chodzenie, bieganie i skakanie, czyli w formę energii mechanicznej. Silniki przekształcają energię elektryczną w mechaniczną, dzięki której wprawiamy urządze- nia w ruch. W tym rozdziale omówimy zależności pomiędzy mocą, pracą i energią, zajmiemy się określaniem źródeł zasilania oraz przyjrzymy się ich praktycznym zastosowaniom. Energia mechaniczna Na energię mechaniczną obiektu składa się suma jego energii potencjalnej i kinetycz- nej. Energia potencjalna określa ilość energii przechowywanej w spoczywającym przed- miocie. Z kolei ciało poruszające się ma energię kinetyczną. Przykładowo piłka, która zatrzymała się na szczycie wzgórza, ma energię potencjalną równą swojemu ciężarowi pomnożonemu przez wysokość wzgórza. energia potencjalna = ciężar (cid:152) wysokość Jeżeli piłka waży 1 kg (jej ciężar wynosi 10 N), a wzgórze ma 6 metrów wysokości, jej energia potencjalna wyniesie 60 dżuli (J). Po popchnięciu piłki jej energia potencjalna przekształca się stopniowo w energię kinetyczną. energia kinetyczna = 1/2 (cid:152) masa (cid:152) prędkość2 Wraz z toczeniem się piłki jej energia potencjalna maleje (ponieważ znajduje się coraz bliżej środka Ziemi), a energia kinetyczna rośnie (ponieważ piłka porusza się coraz szybciej). U podstawy wzgórza cała energia potencjalna piłki zostaje przekształcona w energię kinetyczną. Zastanówmy się, jaki jest mechanizm działania kolejki górskiej, którą można zobaczyć w wesołym miasteczku. Silnik wciąga wagony na wzniesienie, gdzie kolejka zyskuje energię potencjalną, po czym całość zjeżdża w dół. Cała energia potencjalna ulega przekształceniu w energię kinetyczną, podczas gdy Tobie serce podchodzi do gardła. Gdy kolejka wjeżdża za pomocą silnika na wzniesienie, układ napędowy wykonuje pracę mechaniczną (ang. work — W). praca mechaniczna (W) = zmiana energii (E) Kup książkęPoleć książkę Rozdział 5. Moc mechaniczna i elektryczna, praca oraz energia 113 Myśl o energii jako o zdolności do wykonywania pracy. W naszym przykładzie dzięki silni- kowi energia potencjalna wagonów wzrosła od wartości zerowej do całkiem znacznej. Powiedzmy, że wszystkie wagony razem ważą 500 kg (ich ciężar to 5000 N) i wjechały na wysokość 60 m. Aby wciągnąć wagony na taką wysokość, mechanizm silnika musiał wykonać pracę o wartości 5000 N (cid:152) 60 m = 300 000 J! Możemy również zdefiniować pracę jako iloczyn siły i drogi: praca (W) = siła (F) (cid:152) droga (s) = energia (E) Przypomina nam to rozdział 1., w którym omawialiśmy maszyny proste. Praca określa ilość energii przekazanej ciału w wyniku działania na nie określonej siły na pewnej odległości. W naszym przypadku silnik wciągnął półtonową kolejkę na wysokość 60 m, zatem praca siły wynosi 300 000 J, co daje nam taki sam wynik jak ten wyznaczany dla energii potencjalnej kolejki. Metody obliczania energii potencjalnej i pracy mechanicz- nej stanowią przykład podejścia do danej sytuacji na dwa sposoby. Moc mechaniczna (ang. power — P) definiuje tempo, w jakim wykonywana jest praca (czy też wykorzystywana jest energia): moc (P) = praca (W) / czas (t) = energia (E) / czas (t) Jednostką mocy mechanicznej jest wat (W). W motoryzacji oraz w Stanach Zjedno- czonych jest ona mierzona w koniach mechanicznych (ang. horse-power — hp). Jest to przedziwna jednostka, relikt czasów, w których konie były wypierane przez maszyny parowe, i jest równa mocy potrzebnej do uniesienia 550 funtów (około 250 kg) o 1 stopę (około 30 cm) w czasie 1 sekundy — szacowana maksymalna praca wykonana przez żywego konia. Jeden koń mechaniczny wynosi około 746 watów. Do tej pory omawialiśmy pracę i moc wyłącznie w kategoriach ruchu prostoliniowego, a jaka jest moc obracającego się silnika? Być może pamiętasz z rozdziału 1., że szyb- kość wirującego obiektu jest nazywana prędkością obrotową. Dowiedziałeś się przed chwilą, że praca jest iloczynem siły i odległości, a tak się składa, że omówiony w po- przednim rozdziale moment obrotowy ma takie same jednostki! W tym przypadku możemy uznać moment obrotowy (ang. torque — T) za pracę wykonaną po okręgu. Równanie mocy w ruchu obrotowym wygląda następująco: moc (P) = moment obrotowy (T) (cid:152) prędkość kątowa (ω) Kup książkęPoleć książkę 114 Wpraw to w ruch Energia elektryczna Jeżeli dany projekt nie będzie napędzany siłą ludzkich rąk (lub nóżek chomika), praw- dopodobnie będziesz musiał kiedyś zacząć korzystać z prądu elektrycznego. Podobnie jak w przypadku piłki turlającej się z punktu o wyższej energii potencjalnej do miejsca o niższej energii, prąd płynie od źródła o większym potencjale do celu mającego niższy potencjał. Punkt o wyższym potencjale nazywamy źródłem zasilania (lub po prostu zasilaniem), natomiast o niższym — masą (lub w przypadku instalacji przepięcio- wych — uziemieniem). Początkiem błyskawicy jest olbrzymi ładunek elektryczny, który szuka punktu o niższym potencjale, w którym mógłby się wyładować, i w ten sposób znajduje drogę, którą najszybciej dotrze do powierzchni ziemi. To samo zjawisko występuje, gdy przecho- dzisz w skarpetkach po dywanie i zbierasz po drodze ładunek elektryczny, a po dotknięciu metalowej klamki dochodzi do wyładowania — ładunek w Twoim ciele szuka ujścia do punktu o niższej energii. Przeskakuje on w postaci iskry (miniaturowej błyskawicy) z Twojej ręki na klamkę. Metale są dobrymi przewodnikami elektryczności, dlatego ładu- nek przepływa przez nie z łatwością. Klamka jest metalowa, być może nawet zamon- towana w metalowych drzwiach umieszczonych na metalowej framudze, więc całość stanowi doskonały przewodnik. Twoja siostra jest również bardzo dobrym przewod- nikiem nagromadzonego ładunku. Ludzie składają się w 60 z wody, a ponieważ płyn ten jest znakomitym przewodnikiem, ładunek elektryczny znajdzie drogę do ziemi przez ciało (chciałabym zauważyć, że nie wszystkie siostry lubią takie szokowe eksperymenty). W tworzonych przez nas projektach masą będzie nie ziemia (ani siostra), lecz metalowa płytka oddzielona od zasilania, dzięki czemu zachowa niższy potencjał. Czasami masę zastępuje ujemny biegun baterii. Względna różnica pomiędzy potencjałami została nazwana napięciem (U) i jest mie- rzona w woltach (V). Jeśli porównany elektryczność do strumienia wody, napięcie będzie odpowiadało ciśnieniu wytwarzanemu przez pompę, natomiast przewody będą rurami. Wartość napięcia (lub ciśnienia wody) pozwala nam określić, jaką pracę może wykonać dane źródło. Baterie mają wypisaną wartość napięcia na etykietce. Jeżeli przyjrzymy się zwykłej baterii paluszkowej AA, znajdziemy na niej zapisaną wartość napięcia 1,5 V. W ramach eksperymentu przygotuj baterię AA i miernik cyfrowy (np. numer katalogowy NARZ-0087 ze sklepu Elkom Serwis). Upewnij się, że czarny przewód jest podłączony do gniazda COM, a czerwony — do HzVΩ. Ustaw pokrętło na tryb pomiaru napięcia (V) i wciśnij żółty przycisk, aby włączyć urządzenie. Dotknij jedną końcówką przewodu biegun dodatni baterii (oznaczony symbolem +), a drugą — biegun ujemny (–), tak jak pokazano na rysunku 5.1. W przypadku nowych Kup książkęPoleć książkę Rozdział 5. Moc mechaniczna i elektryczna, praca oraz energia 115 baterii napięcie może osiągać wartość do 1,6 V. Jeżeli mamy do czynienia z rozładowaną baterią alkaliczną, wynik będzie zbliżony do 1,3 V. Jeżeli zetkniemy czerwony przewód z biegunem ujemnym, otrzymamy wartość ujemną (jak na rysunku 5.1). Sytuacja odwrotna jest również prawdziwa: jeśli podłączysz czerwony przewód do bieguna dodatniego, zobaczysz dodatni odczyt. Jeśli nigdy wcześniej nie używałeś miernika, teraz przynajmniej wiesz, jak badać stopień rozładowania baterii. RYSUNEK 5.1. Odczyt napięcia za pomocą miernika cyfrowego Natężeniem (I) nazywamy ilość energii elektrycznej przepływającej przez określony punkt w obwodzie. Jednostką natężenia jest amper (A). Zgodnie z analogią do wody, natężenie w danym punkcie przewodu reprezentuje strumień wody przepływający w danym momencie przez wyznaczony punkt w rurze. W większości wykorzystywanych przez nas podzespołów natężenie robocze nie przekracza ampera, dlatego będziemy mówić o miliamperach (mA): 1 A = 1000 mA. Czasami producent umieszcza informacje o pojemności baterii. Może to wyglądać nastę- pująco: 3000 mAh dla baterii AA (warto zajrzeć na stronę https://learn.adafruit.com/ minty-boost). Jednostka mAh to tak zwane miliamperogodziny. Tak oznaczona bateria może dać 3000 miliamperów przez godzinę, 1500 mAh przez dwie godziny, 750 mAh przez 4 godziny, itd. — proste? Kup książkęPoleć książkę 116 Wpraw to w ruch UWAGA Jest to słownikowa definicja miliamperogodzin, ale w rzeczywistości ograniczenia prze- prowadzania reakcji chemicznych w baterii stanowią barierę szybkości, z jaką będziemy „wyciągać” z niej prąd (zajmiemy się tym zagadnieniem w podrozdziale „Zasilanie projektów”). Często silniki i inne podzespoły są opisane parametrem „prąd znamionowy” (lub „nomi- nalny”), który określa natężenie potrzebne do uruchomienia i pracy danego elementu, co jest równie ważne jak dobranie właściwego napięcia zasilającego. Jeżeli połączysz dwie baterie AA w taki sposób, że ich bieguny dodatnie będą skierowane w tę samą stronę, otrzymasz łączne napięcie 3 V. Takie zestawienie baterii nazywamy połączeniem szeregowym. Ich napięcia zostały dodane, przez co uzyskujemy większe „ciśnienie robocze wody”. Z kolei w bateriach połączonych równolegle sumujemy natężenie prądu, podczas gdy napięcie nie ulega zmianie. Pojęcia te zostały zilustro- wane na rysunku 5.2. RYSUNEK 5.2. Połączenie równoległe i szeregowe baterii Istnieją dwa rodzaje prądu elektrycznego: 1. Prąd stały (ang. direct current — DC) płynie w jednym kierunku od źródła o dużym potencjale do punktu o niższym potencjale. Baterie są źródłami prądu stałego. 2. Prąd przemienny (ang. alternating current — AC) płynie w domowych gniazdkach. Jest to fala energii oscylująca w przedziale od –325 V do 325 V (są to wartości szczytowe, wartość skuteczna to 230 V) 50 razy na sekundę. Prąd przemienny sprawdza się dobrze podczas przesyłania energii elektrycznej na długie dystanse, na przykład z elektrowni do domu. W niektórych urządzeniach, na przykład wentylatorach czy blenderach, prąd przemienny służy do zasilania silników. W więk- szości przypadków jednak bardziej przydatny okazuje się prąd stały. Wiele urządzeń elektronicznych ma przetwornice napięcia (znane też jako konwertery mocy lub prze- Kup książkęPoleć książkę Rozdział 5. Moc mechaniczna i elektryczna, praca oraz energia 117 kształtniki napięcia), które przekształcają napięcie przemienne 230 V płynące w gniazdku w napięcie stałe od 5 V do 12 V, dostosowane do większości elementów elektronicz- nych (elektrycznych). (1) Przekształtnik napięcia umieszczony jest wewnątrz obudowy ładowarki takich urządzeń, jak np. telefon komórkowy czy laptop. Obwodem nazywamy zamknięty układ, zawierający źródło prądu (na przykład baterię) oraz obciążenie (żarówkę, silnik itp.). Na rysunku 5.3 widzimy bardzo prosty obwód. Prąd płynie z dodat- niego bieguna baterii (wysoka energia), poprzez żarówkę lub silnik, do bieguna ujemnego (niska energia, masa). Jeżeli wstawisz jakieś obciążenie na drodze prądu w obwodzie, ładunek będzie musiał przejść przez nie w drodze do masy. Rezystancja (lub opór, R) obciążenia jest wyrażana w omach (Ω) i na schematach jest symbolizowana przez prostokącik (rysunek 5.4). Możemy sobie wyobrazić opór jako zwężenie grubej rury. Prąd elektryczny (strumień wody) ciągle musi przepłynąć przez zwężenie, ale robi to opornie, następuje więc zmniejszenie siły nurtu. Napięcie (ciśnienie wody) jest większe przed przewężeniem niż za nim (por. rysunek 5.4). Prąd elektryczny zawsze wybiera ścieżkę o najmniejszym oporze w drodze do masy. RYSUNEK 5.3. Prosty obwód RYSUNEK 5.4. Porównanie obwodu elektrycznego do nurtu wody Obciążenie, stawiając opór przepływającemu prądowi, przekształca jego energię do innej postaci — światła w przypadku żarówki1, energii mechanicznej w silniku itd. W idealnym obwodzie energia elektryczna byłaby w całości przetwarzana w postać uży- teczną. W realnym świecie zawsze pojawiają się straty — najczęściej w postaci ciepła. 1 Żarówka oddaje zaledwie 5 przetworzonej energii w postaci promieniowania o długości fali z zakresu widzialnego. Pozostałą część emituje w postaci fal podczerwonych, czyli w formie ciepła — przyp. tłum. Kup książkęPoleć książkę 118 Wpraw to w ruch Z technicznego punktu widzenia nie można stracić energii. Zostaje ona po prostu przetworzona do nieprzydatnej nam postaci. Na przykład ciepło jest pewną odmianą energii i jeżeli w naszym obwodzie występuje nagrzewanie się silnika, to nic nie zro- bimy z taką energią, musimy więc spisać ją na straty. Z właściwości tej korzystają jed- nak niektóre urządzenia, na przykład toster. Toster przypomina działaniem wielki opor- nik, który pobiera prąd z gniazdka i wykorzystuje go do zarumienienia tostów. Związek pomiędzy napięciem, natężeniem i rezystancją opisuje prawo Ohma: napięcie (U) = natężenie (I) (cid:152) opór (R) Baterie mają w rzeczywistości własną rezystancję, co oznacza, że nie są wydajne w stu procentach, dodatkowo opór ten powoduje ich nagrzewanie. Tańsze baterie mają więk- szą rezystancję wewnętrzną, przez co obserwujemy bezpośrednie straty mocy. (2) Mierzona w watach (W) moc elektryczna (P) stanowi iloczyn napięcia i natężenia: moc (P) = natężenie (I) (cid:152) napięcie (U) Przykładowo żarówka 60-watowa potrzebuje 0,26 A przy napięciu 230 V. Im więcej pracy chcesz wykonać, tym więcej mocy potrzebujesz. Świetlówki kompaktowe (ang. com- pact fluorescent light bulb — CFL) są mniej szkodliwe dla środowiska, ponieważ zuży- wają znacznie mniej energii niż tradycyjne lampy żarowe o takiej samej mocy. Trzyna- stowatowa lampa CFL wytwarza tyle samo światła co 60-watowa żarówka żarowa. (3) Świetlówki CFL są bardziej wydajne, dzięki czemu potrafią przetworzyć więcej energii wejściowej w energię użyteczną. Możemy teraz poskładać wszystko w całość. W pierwszym podrozdziale dowiedzieliśmy się, że moc mechaniczna jest mierzona w watach. 746 watów to 1 koń mechaniczny, poza tym moc równoważna jest iloczynowi momentu obrotowego i prędkości kąto- wej, a do tego moc jest także równa iloczynowi natężenia i napięcia — co to wszystko oznacza? To znaczy, że możemy przeliczać ważne parametry. Na przykład, jeśli znamy moc silnika elektrycznego w watach, możemy obliczyć moment obrotowy dla założo- nej prędkości obrotowej (lub obliczyć prędkość dla założonego momentu siły). Jeżeli zaczynasz przewracać oczami i poważnie myślisz o wyrzuceniu tej książki, nie martw się. Nie musisz znać tych równań. Istotne jest jednak, abyś zrozumiał, że praca, energia, moc mechaniczna, moment obrotowy, prędkość kątowa i moc elektryczna są ze sobą w prosty sposób powiązane. A dzięki tej wiedzy zaczniesz wprawiać przed- mioty w ruch! Kup książkęPoleć książkę Rozdział 5. Moc mechaniczna i elektryczna, praca oraz energia 119 Zasilanie projektów Pamiętaj, że energii nie da się stworzyć ani zniszczyć, można ją jedynie przetworzyć. Każdy obiekt przetwarzający jedną formę energii w inną nazwiemy przetwornikiem. Na przykład silnik jest przetwornikiem, gdyż przekształca energię elektryczną w energię kinetyczną (ruch). Żarówki i diody elektroluminescencyjne (ang. light-emitting diode — LED) również są przetwornikami zmieniającymi prąd w światło i ciepło. Nasze ciała można również uznać za przetworniki, gdyż z wiązań chemicznych uzyskujemy energię mechaniczną. Kilku moich studentów stworzyło rowery stacjonarne zasilające telewi- zory oraz bujające się rzeźby, które napędzają silniki. Liczba możliwości przetwarzania jednej postaci energii w inną jest ograniczona jedynie Twoją wyobraźnią. W rozdziale 1. zdefiniowałam mechanizm jako układ ruchomych podzespołów. Teraz wiesz już, że ruchome podzespoły mają energię kinetyczną. Ta energia musi mieć swoje źródło, prawda? Na szczęście możemy wykorzystać wiele rodzajów źródeł do wprawienia maszynerii w ruch. Nie wszystkie nadają się do małych projektów, dlatego zajmiemy się tylko tymi źródłami, które nam się przydadzą. Prąd płynący w gniazdku zostaje przetworzony w procesie spalania węgla (w pewnym stopniu może również dzięki elektrowniom wodnym i wiatrowym), który bezpośrednio nie jest dla nas przy- datny. Teraz jednak wystarczy nam wiedza, że gniazdko stanowi dla nas źródło prądu przemiennego. Aby określić, jakie źródło energii okaże się najlepsze w projekcie, odpowiedz sobie na następujące pytania: (cid:120) Czy Twój projekt będzie naprawdę mobilny, jak na przykład zdalnie sterowany samochód? Jeśli tak, dobrym rozwiązaniem będą baterie, akumulatorki lub inne małogabarytowe źródła zasilania. (cid:120) Czy Twój projekt będzie miał ruchome części, ale jako całość będzie stał w miejscu, jak na przykład obraz obracający się na ścianie? Jeśli tak, możesz korzystać z gniazdka ściennego, ale najprawdopodobniej będziesz musiał przetworzyć prąd przemienny na prąd stały. Dokonasz tego za pomocą przetworników umiesz- czonych w ładowarkach telefonicznych i komputerowych. Możesz również uzyskiwać własny prąd za pomocą elektrowni wiatrowej lub pedałując na rowerze stacjonarnym. W dalszej części rozdziału dowiesz się, ile energii elektrycz- nej można wyciągnąć z takich alternatywnych źródeł. Kup książkęPoleć książkę 120 Wpraw to w ruch Zasilanie prototypów: regulowany zasilacz laboratoryjny Regulowany zasilacz laboratoryjny (rysunek 5.5) stanowi doskonałe rozwiązanie na eta- pie testowania prototypów — pierwszej wersji projektu w fazie opracowywania. Jed- nym z przykładów jest model oznaczony kodem 0KORADH3005D w sklepie Cyfronika (http://www.sklep.cyfronika.com.pl/). RYSUNEK 5.5. Regulowany zasilacz laboratoryjny (zdjęcie publikowane za pozwoleniem SparkFun Electronics) Zasilacze te są podłączane do gniazdka i pełnią rolę przetworników prądu zmiennego na prąd stały. Są drogie i duże. Są jednak niezwykle przydatne do testowania prototy- pów, gdyż bezproblemowo pracują z podzespołami różniącymi się mocą znamionową. Niektóre silniki wymagają napięcia 3 V, inne — 24 V, jedne pracują w warunkach dużego natężenia, inne potrzebują mniej prądu itd. OSTR ZE ŻE NI E Zachowaj ostrożność podczas pracy z takim zasilaczem. Może być on w danej chwili źródłem zabójczej energii. Dzięki zasilaczom laboratoryjnym możesz regulować napięcie i natężenie podczas pracy z prototypem. Wartości typowego zasilacza laboratoryjnego mieszczą się w zakresie od 0 do 30 V oraz od 0 do 3 A. Uzyskujemy w ten sposób elastyczność, która pozwoli nam zaoszczędzić mnóstwo czasu, możesz więc zacząć od zakupu zasilacza laboratoryj- nego, nawet jeśli zamierzasz tworzyć mobilne urządzenia. Kiedy już poznasz wszystkie odpowiedzi na nurtujące pytania dotyczące zasilania projektu, możesz dobrać baterie lub standardowy zasilacz i będziesz krok bliżej otrzymania końcowego produktu. Kup książkęPoleć książkę Rozdział 5. Moc mechaniczna i elektryczna, praca oraz energia 121 Szukaj regulowanych zasilaczy laboratoryjnych. Dzięki nim napięcie nie będzie malało wraz ze wzrostem natężenia. (1) Jest to bardzo ważna kwestia, która pozwoli Ci zaosz- czędzić czas. Istotny jest też wybór pomiędzy zasilaczem impulsowym a liniowym. Zasilacz impulsowy jest wydajniejszy, ale jednocześnie droższy, jeśli jednak stać Cię — wybierz go. UWAGA Napięcie nie ulega zmianie, ale wartość natężenia prądu zależy od obciążenia. Na przykład na tabliczce znamionowej trzywoltowego silnika stałoprądowego możemy znaleźć nastę- pujące informacje: „natężenie jałowe: 40 mA, maksymalne natężenie: 450 mA”. W roz- dziale 6. zajmiemy się omówieniem parametrów silnika. Na razie wystarczy Ci wiedza, że silnik działający w trybie jałowym (bez obciążenia) nie wykonuje dużej pracy, dlatego nie ma zapotrzebowania na znaczne natężenie prądu. Gdy tylko podłączysz jakieś obcią- żenie, silnik będzie musiał pobrać większą dawkę prądu. Jeśli obciążysz silnik w stop- niu uniemożliwiającym jego obracanie (zatrzymasz go palcami lub obcęgami), zacznie pobierać maksymalną ilość prądu. Takie największe natężenie zwane jest prądem prze- ciążenia. Przy wyborze baterii lub innego źródła zasilania musisz tak je dobrać, żeby pokrywały wartość prądu maksymalnego. Tak naprawdę źródła prądu mogą mieć dowolną wartość natężenia; silnik będzie zużywał jedynie tyle prądu, ile w danym momencie będzie potrzebował. Dzięki laboratoryjnemu zasilaczowi w bardzo prosty sposób mo- żemy poznać zapotrzebowanie urządzeń na prąd oraz uniknąć ciągłego rozładowywa- nia baterii. Rozwiązania mobilne: baterie Baterie przydają się w projektach, które nie będą stały w miejscu, nie nadają się jednak zbytnio do testowania prototypów. Nie ma nic bardziej irytującego jak odkrycie po wielu żmudnych godzinach, że powodem niedziałania lub niewłaściwej pracy urządzenia były po prostu rozładowane baterie! Do testowania prototypów polecam zasilacz laborato- ryjny, jednak w przypadku rozwiązań mobilnych baterie okazują się niezastąpione. Niestety, technologia produkcji baterii nie jest tak rozwinięta, jak byśmy się tego spo- dziewali. Ogniwa bateryjne są względnie ciężkie, drogie i duże w porównaniu z innymi podzespołami, z jakich będziemy korzystać. Jeżeli zamierzasz tworzyć projekt mobilny, nie zapomnij uwzględnić w nim rozmiarów i wagi baterii. OSTR ZE ŻE NI E Unikaj zwierania baterii. Do zwarcia dochodzi, gdy przez przypadek biegun ujemny baterii łączy się z jej biegunem dodatnim, co sprawia, że przez baterię przepływa jej własny prąd! Nie dość, że w ten sposób uszkodzisz baterię, to jeszcze mogą pojawić się iskry lub nawet ogień. Pilnuj porządku w pomieszczeniu roboczym, gdyż przewody Kup książkęPoleć książkę 122 Wpraw to w ruch i metalowe przedmioty — na przykład klucze lub śrubokręty — są świetnymi przewodni- kami i mogą zewrzeć niefortunnie położoną baterię. Staraj się także przechowywać ogniwa bateryjne w chłodnym miejscu, nieprzekraczającym 30°C. Wyższe temperatury uszkadzają baterie i skracają ich żywotność. Baterie najłatwiej dołączyć do projektu poprzez uniwersalny uchwyt lub zatrzask do baterii (rysunek 5.6). W takim uchwycie możemy umieścić baterie pastylkowe (takie jak w zegarku lub kalkulatorze), baterie 9 V, oraz do ośmiu ogniw typu AA, C lub D. Duży asortyment uchwytów do baterii (często za grosze) znajdziemy w sklepie Elfa Distrelec. Wiele uchwytów ma otwory montażowe. Wszystkie baterie cylindryczne mają napięcie rzędu 1,5 V (w przypadku akumulatorków będzie to raczej 1,2 V), ale w zależ- ności od rozmiaru i ceny mogą mieć różną pojemność. RYSUNEK 5.6. Zaciski (po lewej i prawej stronie) oraz uchwyty (środek) na baterie Bateria baterii nierówna. Poniżej prezentuję opis różnych rodzajów baterii, dzięki czemu będziesz mógł wybrać odpowiedni typ do swojego projektu. Przyjrzymy się również akumulatorom oraz wadom i zaletom poszczególnych kategorii baterii. (2) Baterie cynkowe Baterie cynkowe są bardzo tanie i istnieją we wszystkich standardowych rozmiarach (D, C, A, AA oraz AAA). Możemy je kilkakrotnie naładować za pomocą specjalnej ładowarki, jednak mają wysoką rezystancję wewnętrzną i dlatego cechuje je krótka żywotność. Kup książkęPoleć książkę Rozdział 5. Moc mechaniczna i elektryczna, praca oraz energia 123 Baterie alkaliczne Standardowe ogniwa alkaliczne (np. model CopperTop firmy Duracell) są od trzech do ośmiu razy bardziej żywotne od baterii cynkowych. Są również dwukrotnie droższe, a standardowych modeli nie można ładować. Istnieją akumulatorki alkaliczne, wyma- gają jednak specjalnej ładowarki niskoprądowej, która jest dostosowana wyłącznie do tego typu ogniw. Dostępne są również baterie alkaliczne lepszej jakości, które są 2 – 3 razy żywotne od standardowych ogniw, wyróżnia je jednak znacznie wyższa cena. Technologia alkaliczna nie została zaprojektowana z myślą o dostarczaniu dużego natę- żenia wymaganego przez niektóre silniki, więc takie baterie mogą okazać się niewy- starczające. Wraz z ich rozładowywaniem spada również napięcie źródła, co może stanowić problem, jeśli i tak wykorzystujesz dolny zakres napięcia silnika lub inne- go podzespołu. Ogniwa niklowo-metalowo-wodorkowe Ogniwa niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMH) stanowią najlepszy typ akumulatorków wykorzystywanych w naszych projektach oraz są najpowszechniej sprzedawane. Cechuje je niski opór własny i mogą być ładowane ponad 400 razy. Rozładowują się szybciej niż baterie alkaliczne, ale technologia ta jest ciągle rozwijana. Akumulatorki NiMH szybko się ładują (w godzinę lub dwie). Główną wadą tych ogniw jest krótki czas przechowywania ładunku. W pełni naładowany akumulator w ciągu kilku tygodni, a nawet dni, ulega samoistnemu rozładowaniu. Dlatego warto zawsze sprawdzić ogniwo miernikiem cyfrowym, zanim umieścimy je w urządzeniu. W przeciwieństwie do baterii cynkowych i alkalicznych, których napięcie nominalne wynosi 1,5 V, ogniwa NiMH zapewniają jedynie 1,2 V. Z tego powodu akumulatorki nie zawsze stanowią dobre zastępstwo dla zwykłych baterii (chociaż większość urządzeń wyposażonych w gniazda na baterie będzie z nimi działać). Ogniwa niklowo-kadmowe Ogniwa niklowo-kadmowe (NiCd) stanowią starszą generację akumulatorków. Niektóre źródła podają, że w ogniwach tego typu zaobserwowano efekt pamięci — jeśli nie rozła- dujesz całkowicie akumulatorka przed jego naładowaniem, utracisz część pojemności. Istnienie efektu pamięci jest kwestią sporną, ale w ogniwach NiCd z pewnością czę- ściej niż w innych dochodzi do obniżania napięcia. Oznacza to, że jeśli akumulatorek jest jedynie częściowo rozładowywany, z biegiem czasu jego napięcie nominalne będzie maleć. Warto jednak pamiętać, że jest to cecha wspólna wszystkich rodzajów akumu- latorków. Kup książkęPoleć książkę 124 Wpraw to w ruch W przeciwieństwie do baterii alkalicznych, naładowane ogniwa NiCd utrzymują stabilne napięcie niemal do samego wyczerpania ładunku. Nie rozładowują się tak szybko jak ogniwa NiMH i również mają napięcie nominalne o wartości zaledwie 1,2 V. Wielką wadą tego typu ogniw jest ich toksyczność uniemożliwiająca ich konwencjonalne składowanie. Wyrzucanie akumulatorów NiCd jest zabronione i surowo karane w wielu państwach, z tego powodu istnieją specjalne procedury dotyczące tego typu odpadów. Zazwyczaj najlepszym rozwiązaniem jest stosowanie w pełni naładowanych akumula- torów NiMH. Akumulatory ołowiowo-kwasowe Ogniwa ołowiowo-kwasowe dostępne są w różnych rozmiarach i napięciach (np. 6 V, 12 V czy 24 V), służą do zasilania samochodów, motocykli, komputerów i łodzi. Ich największą zaletą są wymiary. Z drugiej jednak strony, są bardzo ciężkie. Dużą wagę równoważy cena oraz długa żywotność. Większość akumulatorów tego typu możemy naładować za pomocą specjalnej ładowarki. Aby uniknąć ryzyka rozlania kwasu, wybieraj akumulatory o zamkniętej konstrukcji, np. szczelne kwasowo-ołowiowe (ang. sealed lead acid — SLA) lub regulowane zaworami (ang. valve-regulated lead acid — VRLA). Ogniwa żelowe stanowią odmianę akumulatorów ołowiowo-kwasowych, w których zamiast płynnego kwasu zastosowano substancję żelową. Tego typu źródła prądu są bezpieczniejsze i czystsze. Przykładowy akumulator SLA został wykorzystany w SAD- bocie — projekcie 10.3. Akumulatory litowe, litowo-jonowe i litowo-polimerowe Ogniwa litowe są najczęściej wykorzystywanymi akumulatorami zasilającymi laptopy i elektronikę kieszonkową. Są dość drogie, ale przechowują duży ładunek jak na swoje rozmiary, a samorozładowanie trwa miesiące. Czasami spotyka się w zegarkach i kal- kulatorach niewielkie, litowe baterie pastylkowe, nie można ich jednak naładować. Przykładowym ogniwem litowo-polimerowym (LiPo) jest artykuł o numerze 10-752-34 w sklepie Elfa Distrelec. Jest to obecnie najbardziej zaawansowana technologia prze- chowywania ładunku, cechująca się największą gęstością energii (gęstość energii = energia / objętość). Oczywiście, tego typu ogniwo jest ładowane za pomocą specjalnej ładowarki (np. numer katalogowy 10-397-01 w serwisie Elfa Distrelec). Kup książkęPoleć książkę Rozdział 5. Moc mechaniczna i elektryczna, praca oraz energia 125 Rozwiązania stacjonarne Zaletą stacjonarnego projektu jest możliwość podłączenia do niego dużego zasilacza lub bezpośrednie podłączenie go do gniazdka. Poniżej przedstawiam kilka sposobów przetwarzania prądu przemiennego na, bardziej dla nas przydatny, prąd stały. Zasilacze komputerowe Jeżeli zaglądałeś kiedyś do wnętrza jednostki centralnej komputera, zapewne rzucił Ci się w oczy duży, hałaśliwy, prostopadłościenny przedmiot, wyglądający tak jak na rysunku 5.7. Jest to zasilacz komputerowy, a głośny dźwięk wydawał prawdopodobnie jego wentylator. Jeśli sądzisz, że Twój komputer zasilany jest prądem z gniazdka, masz rację, ale tylko częściowo. Podzespoły komputerowe do działania potrzebują prądu sta- łego, dlatego prąd podawany z gniazdka jest przetwarzany przez zasilacz, który dodat- kowo posiada kilka sprytnych rozwiązań sterujących przepływem prądu oraz zapobie- gających przeciążeniom. RYSUNEK 5.7. Zasilacz komputerowy typu ATX (zdjęcie publikowane za pozwoleniem SparkFun Electronics) W sklepie Elfa Distrelec dostaniemy zasilacz ATX (69-508-06), jeśli natomiast chcesz trzymać porządek w okablowaniu, możesz zamówić w sklepie SparkFun adapter ATX (BOB-09558), dzięki któremu uzyskamy również napięcia rzędu 3,3 V, 5 V i 12 V. Za obydwa podzespoły zapłacimy łącznie niecałe 200 zł, więc nie jest to złe rozwiązanie dla projektów stacjonarnych. Chociaż zasilacz komputerowy musi być podłączony do gniazdka, jest on na tyle mały, by zapewnić projektowanym maszynom choć częściową przenośność. W ten sposób jest zasilana drukarka CupCake CNC (http://www.makerbot.com), a mimo to nie przeszkadza to w zabieraniu jej na imprezy. Kup książkęPoleć książkę 126 Wpraw to w ruch Przetworniki prądu Zasilacze sieciowe, prostowniki czy przetwornice prądu to niektóre z nazw nadanych urządzeniom, które składają się z przewodu oraz zasilacza podłączanego do gniazdka. Prawdopodobnie za pomocą takiego urządzenia ładujesz swój telefon (rysunek 5.8). Zasilacze sieciowe służą do przekształcania prądu przemiennego w prąd stały, którym możemy zasilać urządzenia domowe. Przeraźliwie wysokie natężenie i napięcie sieciowe są zatrzymywane w plastikowej obudowie, a nadwyżki mocy zostają rozproszone w postaci ciepła. Na drugim końcu przewodu otrzymujemy przydatny prąd stały. (4) RYSUNEK 5.8. Zasilacz sieciowy Dużą różnorodność zasilaczy sieciowych znajdziemy w sklepach Elfa Distrelec i Con- rad.pl. Najczęściej spotkamy się z zasilaczami w zakresie napięcia od 5 V do 12 V oraz od około 300 mA do 3 A natężenia. Istnieją również zasilacze regulowane (np. numer katalogowy 1759 na stronie http://www.jalradio.pl lub TM03ADR4718 w sklepie Herbach and Rademan — http://www.herbach.com/). Za ich pomocą możemy zasilać nieluto- waną płytkę montażową. Jeśli nie wiesz, jak to zrobić, ani czym jest płytka montażowa — nic nie szkodzi. W rozdziale 6. zapoznasz się z tymi pojęciami. Alternatywne źródła energii Jednym z problemów związanych z wytwarzaniem prądu jest konieczność jego doraź- nego wykorzystania lub przechowania. W przypadku baterii lub zasilania sieciowego nie jest to dla nas powód do zmartwień. Po prostu im więcej prądu będziemy zużywać, Kup książkęPoleć książkę Rozdział 5. Moc mechaniczna i elektryczna, praca oraz energia 127 tym więcej zapłacimy dostawcy elektryczności, baterie z kolei będą dostarczać energię pochodzącą z reakcji chemicznych, dopóki się nie rozładują. Dzięki alternatywnym źródłom energii możemy wytwarzać prąd na własne potrzeby, ale musimy albo natychmiast go wykorzystać, albo znaleźć sposób na jego przecho- wanie. Nawet jeśli zasilamy urządzenia doraźnie, alternatywne źródła są zbyt niestabilne, aby bez przerwy dostarczać prąd. Wyobraź sobie ogniwa słoneczne w pochmurny dzień lub elektrownię wiatrową w bezwietrzną pogodę. Kondensatory jako magazyny energii elektrycznej Istnieje wiele metod przechowywania energii, ale tylko niektóre mogą nam się przy- dać. Energia pochodząca ze spalania benzyny (najczęściej w silnikach) i pożywieniu (w naszych organizmach) pochodzi z rozrywania wiązań chemicznych, tamy służą do przechowywania energii potencjalnej wezbranej wody, z kolei koło zamachowe pozwala na krótki czas zmagazynować energię kinetyczną. Nas jednak bardziej interesują spo- soby przechowywania energii elektrycznej, którą będziemy mogli wykorzystać do zasi- lania naszych projektów. Omówiliśmy już jedną klasę podzespołów przechowujących energię prądu elektrycz- nego: baterie. Możesz wykorzystywać alternatywne źródła prądu, na przykład ogniwa słoneczne, do ładowania akumulatorów. Do przechowywania energii elektrycznej oraz stabilizowania skoków napięcia służy inny element — kondensator. W naszej analogii do rzeki kondensator pełni funkcję wieży ciśnień (rysunek 5.4). Gdy wokół przepływa mnóstwo wody, zostaje ona wpompowana do wieży i przechowana do późniejszego użytku. W momencie niedoboru wody cały zapas z wieży zostaje wypusz- czony. Kondensatory przechowują energię prądu tak, jak wieża ciśnień wodę. Podobna jest nawet zasada działania: gdy prąd przepływa przez kondensator, część jego energii zostaje tam zmagazynowana. Kiedy prąd przestaje płynąć, kondensator może zostać rozładowany (dokładniejszą zasadę działania kondensatora znajdziesz na stronie http:// mikrokontrolery.blogspot.com/2011/03/kondensator.html). Kondensator przypomina nieco malutką bateryjkę, ponieważ przechowuje energię elektryczną i ma dwa bieguny. Jednak w przeciwieństwie do baterii nie jest w nim gene- rowany ładunek, lecz zostaje jedynie przechowany, więc stanowi o wiele prostszy me- chanizm. Tworzą go dwie przewodzące okładki przedzielone warstwą izolatora. Istnieją dwa główne rodzaje kondensatorów: ceramiczne i elektrolityczne (rysunek 5.9). O ile w przypadku kondensatorów elektrolitycznych nie ma znaczenia kierunek płynącego przez nie prądu, to w przypadku kondensatorów elektrolitycznych jest to bardzo ważna kwestia! Upewnij się, że szary pasek lub znak – znajdują się po masowej stronie obwodu. Kup książkęPoleć książkę 128 Wpraw to w ruch RYSUNEK
Pobierz darmowy fragment (pdf)

Gdzie kupić całą publikację:

Wpraw to w ruch. Proste mechanizmy dla wynalazców, majsterkowiczów i artystów
Autor:

Opinie na temat publikacji:


Inne popularne pozycje z tej kategorii:


Czytaj również:


Prowadzisz stronę lub blog? Wstaw link do fragmentu tej książki i współpracuj z Cyfroteką: