Elektrická měření – část první …

… aneb co to vlastně měříme ?

Motto: Elektrikář nehádá, elektrikář měří …

Haha, v souvislosti s tímto mottem mě napadá jedna diskuze, kterou jsem měl s jedním nejmenovaným modelářem (jméno je nepodstatné) na Tamiya fóru, kdy na toto mé motto odepsal, že zná z vlastní praxe (asi ještě student …), že se nějaký ten kondík nebo odpor odhadne apod. Nechám-li stranou všechny ostatní okolnosti a odpovědi, tak jsem mu v zásadě odepsal, že správný elektrikář opravdu nehádá, ale pouze max. odhaduje a to na základě zkušeností (svých a z obecné el.praxe) a tyto zkušenosti pocházejí z měření el.veličin. Takže tímto opět tvrdím, že měření je základ toho, abych věděl, co že se mi to v „elektrice“ děje a co mám vlastně dělat. A modelář je také tak trochu elektrikář, elektrika v nějaké té podobě se vyskytuje prakticky v každém modelu, takže se vlastně s měřením setkává pořád, např. při nabíjení akumulátorů apod. A tak se pokusím udělat mezi modeláři trochu osvětu o elektrických měřeních malou minisérií článků, ostatně je to tak trochu objednávka jednoho mého nejmenovaného klubového kolegy :-).

První část se bude týkat elektrických jednotek a co vlastně znamenají. Vždy bude uvedena veličina, její základní jednotka a definice, případně vysvětlení, jak to vlastně chápat. Zaměřím se pouze na nejpoužívanější veličiny, se kterými se může „rekreační“ modelář setkat, vyšší studium nechám na každém individuálně. A protože dost návodů apod. není v češtině, přidám i překlad veličin do angličtiny a němčiny. Ještě poznámka – předpokládám, že převody jednotek a jejich násobky každý zná ze školy, tím se zde zabývat nebudu (pouze na případné výslovné přání), takže význam předpon „mili, mikro, nano, piko a kilo, mega, giga, tera“ rozvádět nebudu …. :-)

A ještě poznámka k „vysvětlení“ – není vždy přesné, jen slouží jako „polopatismus“ a srovnatelný příklad …

---

NAPĚTÍ„U“ ( Voltage, Spannung ) – jednotkou je VOLT [V]

Definice– Napětí 1V je takové napětí, které je mezi konci vodiče, do kterého konstantní proud 1A dodává výkon 1W. V takovém případě má vodič odpor 1Ω.

Vysvětlení – Napětí je rozdíl elektrických potenciálů mezi dvěma body.

Analogie u vody – hráz přehrady a rozdíl hladin mezi nádrží a dolní odtokem.

Doplnění – napětí dále dělíme na stejnosměrné (ss, DC, gr.) a střídavé (st, AC, wr.), základní rozdíl je v tom, že u ss napětí se polarita nemění, kdežto u st napětí se polarita v čase mění (přesněji střídá) – rychlost střídání udává kmitočet.

---

PROUD „I“ ( Current, Strom ) – jednotkou je AMPER [A]

Definice – Ampér (1A) je elektrický proud, který při stálém průtoku dvěma rovnoběžnými přímými velmi dlouhými vodiči zanedbatelného kruhového průřezu, umístěnými ve vakuu, ve vzdálenosti 1m od sebe, vyvolá mezi těmito vodiči silu 2 . 10 ^-7 N na 1m délky.

Vysvětlení – spojíme-li dva body o různém elektrickém potenciálu (=napětí) vodivým spojem, proteče nám mezi nimi elektrický proud (tj. potenciály se snaží se srovnat …).

Analogie u vody – uděláme-li díru do hráze přehrady (=vodivý spoj), začne nám tudy vytékat voda (=el.proud), dokud se hladiny přehrady a řeky nevyrovnají (=srovnání potenciálů) …

Doplnění – proud dále dělíme na stejnosměrný (ss, DC, gr.) a střídavý (st, AC, wr.), základní rozdíl je v tom, že u ss proudu se polarita nemění, kdežto u st proudu se polarita v čase mění (přesněji střídá) – rychlost střídání udává kmitočet.

---

Malá poznámka k proudu a napětí - „čistou střídavinu“ budete v modelech těžko hledat, populární motory „stříďáky“ nejsou vlastně AC motory, ale přesněji „stejnosměrné motory s externí komutací“. To jen tak na okraj, AC napětí máte v zásuvce, ale tam se laikům nedoporučuje „se hrabat“ ….. :-)

---

ODPOR „R“ ( Resistance, Widerstand ) – jednotkou je OHM [Ω]

Definice - Ohm (1Ω) je odpor vodiče, v němž stálé napětí 1V mezi konci vodiče vyvolá proud 1A, nepůsobí-li ve vodiči žádné elektromotorické napětí.

Vysvětlení – jen doplnění z ohmova zákona – máme-li napětí (=rozdíl potenciálů), tak větší odpor vyvolá menší proud a menší odpor větší proud, tedy připojíme-li na napětí odpor např. 100Ω, proteče nám určitý proud. Spojíme-li vodiče rovnou (=zkrat), proteče nám proud maximální ...

Analogie u vody – bude-li díra v hrázi malá (=velký odpor), poteče malý proud vody a vyprázdnění přehrady (=srovnání potenciálů) bude pomalé, rozbourá-li se hráz najednou celá (=malý odpor, zkrat …), bude proud vody maximální a přehrada se vyprázdní velmi rychle …

Doplnění – označením odpor máme na mysli činný odpor R, ostatní jsou impedance Z, jednotky stejné ….

Poznámka – elektrický odpor je vlastnost, stejně nazývaná součástka je správně rezistor.

---

VÝKON „P“ ( Power, Leistung ) – jednotkou je WATT [W]

Definice – Watt (1W) je výkon, při němž se vykonává práce 1 joule (1J) za 1 sekundu.
Výkon stejnosměrného proudu je dán součinem napětí a proudu. (P=U. I)

Vysvětlení – vzorec pro elektrický výkon, tedy násobek napětí a proudu je platný obecně, jen do něj „vstupují“ rozdíly v druzích proudů apod. (DC, AC, 1f, 3f atd.). Pro modeláře ještě často platí vzorec P=R.I² – např. pro výpočet zatížení odporu apod., ale je to jen doplnění základního vzorce dle ohmova zákona …

Analogie u vody – menší díra v přehradě má menší sílu (=výkon), protržená celá hráz má sílu maximální (=max.výkon)

Doplnění – činný výkon je ve Wattech [W], zdánlivý ve Voltampérech [VA] atd. atd. :-)

Poznámka– ještě je třeba rozlišovat příkon a výkon – příkon je to, co musíme dodávat (napájení motoru apod.) a výkon je to, co využijeme (výkon na hřídeli motoru apod.). Rozdíl mezi příkonem a výkonem je obecně účinnost …

---

FREKVENCE neboli KMITOČET „f“ ( Frequency, Frequenz ) – jednotkou je HERTZ [Hz]

Definice – Hertz (1Hz) je kmitočet (frekvence) periodického děje, jehož jedna perioda trvá 1 sekundu.

Vysvětlení – co dodat ?

Analogie u vod y – no nevím, snad jen něco jako přečerpávací elektrárna, ve dne voda dolů, v noci voda nahoru … :-) :-) :-)

Doplnění– na příkladech – síťové napětí má f=50Hz, z modelařiny pak např. povolené kmitočty modelářských vysílačů (tedy kmitočty nosných vln) jsou 27MHz, 35MHz, 40MHz a nejnovější pracují na 2,4GHz.

---

KAPACITA kondenzátoru „C“ (Capacity, Kapazität) – jednotkou je FARAD [F]

Definice– Farad (1F) je kapacita elektrického kondenzátoru, který při napětí 1V pojme náboj 1 coulomb (1C)

Vysvětlení – kondenzátor se „nabije“ – pojme do sebe nějaký náboj a má na vývodech napětí, zapojením do obvodu se „vybije“, tedy odevzdá svůj náboj dále … Něco jako slabý akumulátor … :-)

Analogie u vody – fakt nevím …

Doplnění – v elektronice je 1F moc velká jednotka, kapacity kondenzátorů se používají řádově menší – pF a nF – svitkové, keramické apod. kondenzátory, μF a mF u elektrolytů apod.

---

INDUKČNOST cívky „L“ ( Inductance, Induktivität ) – jednotkou je HENRY [H]

Definice – Henry (1H) je vlastní indukčnost uzavřeného obvodu, v němž se indukuje napětí 1V, jestliže se elektrický proud procházející tímto obvodem rovnoměrně mění o 1A za 1 sekundu.

Vysvětlení – cívka je prakticky navinutý drát (něco jako „hustá“ pružina) a indukčnost je jedním z popisů jejích vlastností (tj. její základní vlastnost)… Pro DC napětí představuje prakticky jen odpor, „funguje“ až pro AC proud …

Analogie u vody – fakt nevím, zvlášť vezmeme-li v úvahu její vlastnost, že zpožďuje proud za napětím … - na toto nás ve škole učili dobrou poučku – „ … s cívkou je to jako s dívkou – nejdřív je napětí a potom proud … „ :-) :-) :-)

Doplnění– v elektronice je 1H dost velká jednotka, indukčnosti cívek a tlumivek se používají řádově menší – tak do mH.

---

A ještě nějaké „neelektrické“ veličiny, ale k elektru se vztahující:

---

ČAS „t“ ( Time, Zeit ) – jednotkou je SEKUNDA [s]

Vysvětlení – k času asi nemá cenu nic více vysvětlovat, jen doplnit, že jednotkou SI pro čas je jedna sekunda, dříve vteřina, připomínám, že přepočet časových jednotek je v „šedesátkové“ soustavě (sec., min., hod), násobky „desítkové“ (ns, ms apod.) a dlouhé časy různě (den, rok, pětiletka … :-) :-) :-) )

---

TEPLOTA „T“ ( Temperature, Temperatur ) – jednotkou je STUPEŇ CELSIA [°C]

Vysvětlení – k teplotě také asi nemá cenu nic více vysvětlovat, jen doplnit, že jednotkou SI pro teplotu je jeden Kelvin [K], v anglosaských zemích je to Fahrenheit [°F], v Evropě pak větčinou Celsius [°C]. Přepočet jednotlivých jednotek je za domácí úkol ... :-) :-) :-)

---

OTÁČKY ( rpm, U/min ) – jednotkou jsou OTÁČKY ZA SEKUNDU [ot/sec]

Vysvětlení– udává, kolikrát se (např. hřídel motoru) otočí za 1sec, v praxi se spíše užívá otáček za minutu – ot/min., nebo min^-1. U „AC“ modelářských motorů se ještě setkáme s údajem otáčky na volt, což jsou jmenovité otáčky nezatíženého motoru při napájení 1V, tedy např. 1kV jsou 1000ot/V, napájíme-li 11,1V (LiPo 3s), máme 11100 otáček za minutu naprázdno (tj. nezatížený motor).

---

A nakonec „elektrická“, sice ne základní jednotka, ale pro „elektromodeláře“ dost důležitá:

---

KAPACITA akumulátoru „C“ ( Capacity, Kapazität ) – jednotkou je AMPÉRHODINA [Ah]

Definice – odbornou definici jsem nějak nenašel, kdo chce, má to za domácí úkol … :-)
Analogie u vody – jednoduše, velikost přehrady, tedy to, kolik se tam vejde vody - ta je daná konstrukcí dané přehrady, jako konstrukcí akumulátoru. A podle toho, jak rychle tu přehradu budeme vypouštět (=jakou máme díru v přehradě …), tak dlouho nám voda vydrží, že …

Vysvětlení– udává nám, jaký proud můžeme po jakou dobu odebírat. Příklad – akumulátor 1000mAh (u modelářských aku se kapacita udává v mAh) – budeme-li odebírat proud 1A (1000mA), bude k dispozici 1h, budeme-li odebírat proud 2A, máme ho 30minut apod. Nebo z RC aut – aku 1700mAh, odběr 17A – 1,7Ah děleno 17A = 0,1 hod., tedy 6 minut.

Doplnění– tady se dá na příkladu vody v přehradě krásně demonstrovat stárnutí aku - provozuji-li přehradu delší čas (=starší aku), případně nevhodným způsobem (=nešetrné zacházení s aku apod.), začne se mi na dně přehrady usazovat bahno a do přehrady prostě více vody nedostanu, i kdybych se zbláznil :-) (=menší kapacita aku). Tedy kapacita přehrady (=aku) bude už menší, než projektovaná (=jmenovitá). Budu-li se snažit do přehrady dál cpát vodu (=dále nabíjet aku), bude mi přetékat přes hráz a nebo se rozlije jinde - u aku se většinou dále dodávaná energie bude měnit v teplo. Budu-li pouze měřit dodanou vodu do přehrady (=dodaný náboj do aku), dostanu „zázračné“ hodnoty, ale využitelné množství (vody, Ah apod.) bude podstatně menší - to dodané navíc „plácám“ neužitečně - voda přetéká, aku se ohřívá - a obojí má vliv na další životnost - u přehrady se mě opotřebovává hráz (voda přetéká) a nebo mě přijdou zmlátit lidé z okolí, když se jim voda rozlije do domů :-), aku zbytečným přehříváním rychleji stárne. Takže asi tak nějak …

---

Snad je to ze základů všechno, pokud by byl ještě o něco zájem, mohu (budu-li vědět :-) ) doplnit …

Takže, teoreticky jsme vybaveni, můžeme začít prakticky měřit – do příště nechť si každý opatří alespoň základní jednoduchý multimetr, částka cca. 200Kč za něj je v porovnání s ostatním modelářským vybavením celkem směšná …. :-) :-) :-)