CZ2017347A3 - Modulární demonstrační panely s elektronickou ochranou napájené zkratuvzdornými zdroji bezpečného malého napětí - Google Patents

Abstract

Modulární demonstrační panely, napájené zkratuvzdornými zdroji bezpečného malého napětí zejména za účelem bezpečného realizování pokusů ve třídách na školách v oblasti výuky fyziky - elektrotechniky a elektrochemie, tvoří jednotlivá žákovská pracoviště (1), jejichž součástí jsou i zkratuvzdorné zdroje bezpečného malého napětí (3), které jsou napájeny nastavitelným napětím 0 až 230 V z autotransformátoru (4) z řídícího rozvaděče učitele (5). Modulární demonstrační panely (2) jsou tvořeny jednotlivými demonstračními moduly (6) na plošném spoji (18). Tyto demonstrační moduly (6) jsou tvořeny součástkami (7) např. LED, bezpečnostními zdířkami (8) a elektronickým ochranným obvodem (9). Ten je umístěn na spodní straně demonstračních modulů (6).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká modulárních demonstračních panelů s elektronickou ochranou napájených zkratuvzdornými zdroji bezpečného malého napětí pro bezpečné realizování pokusů ve třídách na školách a vzdělávacích institutech v oblasti výuky fýziky - elektrotechniky a elekrochemii.

Dosavadní stav techniky

Pro výuku a provádění pokusů na školách v oblasti fýziky - elektrotechniky a elektrochemie se používají různé stavebnice (demonstrační panely). Demonstrační panely jsou napájeny různými systémy - bateriové zdroje napájení, lokální nastavitelné zdroje bezpečného malého napětí, centrální nastavitelný zdroj bezpečného malého napětí. Tyto systémy napájení tak, jak jsou v dosavadním stavu techniky využívány, vykazují nebezpečí poškození zdraví, materiálních částí demonstračních panelů. Zároveň omezují možnosti provádění pokusů - časově, omezují dokončení pokusů a neumožňují stejné podmínky pro provádění pokusů na všech demonstračních panelech.

Demonstrační panely jsou obvykle sestavovány z plastových modulových prvků (krabiček), na kterých jsou potištěné elektronické symboly. Modulové prvky se staví na základovou desku. Tyto demonstrační panely umožňují variabilitu možných pokusů, ale jsou omezeny množstvím modulových prvků v konkrétní sadě. Pro další typy pokusů je nutné dokoupit další modulové prvky. Demonstrační panely složené z modulových prvků mají bateriové nebo lokální zdroje napájení. Při využití centrálního zdroje hrozí nebezpečí poškození modulů. Druhou možností demonstračních panelů jsou tzv. kufříkové sady, které neobsahují jednotlivé modulové prvky, ale jsou tvořeny již fixními obvody na jednom velkém plošném spoji bez možnosti modifikace, jež umožňuje pouze omezené množství pokusů. Pro další pokusy je nutná jiná kufříková sada, která obsahuje další možnosti pro pokusy. Tyto moduly mají bateriové nebo lokální zdroje napájení nebo centrální nastavitelný zdroj. Oba typy demonstračních panelů nemají žádnou elektronickou ochranu.

Nejčastěji používané napájecí zdroje demonstračních panelů jsou bateriové. Není možné řídit nastavení napětí od učitele a baterie se musí měnit. Pokusy s vyšším proudovým odběrem je možné, dělat jen velmi omezenou dobu. Při použití výkonných baterií hrozí nebezpečí popálení. Při chybném zapojení u pokusu může dojít ke zničení elektronické součástky, která musí být následně vyměněna. Pokusy za použití bateriových zdrojů jsou omezeny rozsahem napětí použitých baterií. Je tak obtížné provádění pokusů ve větším napěťovém rozsahu.

Použití lokálních nezávislých zdrojů je záležitostí nastavení tohoto zdroje u každého demonstračního panelu. Nelze centrálně nastavit napětí z rozvaděče učitele. Toto využití představuje taktéž rizika v možnosti poškození demonstračního panelu, popřípadě popálení žáka, pokud si žák nastaví vyšší napětí a vyšší proudové omezení. Tento zdroj, který se ke stavebnici dá koupit, sice obsahuje bezpečnostní zdířky, ale nelze použít bezpečnostní kabely, protože stavebnice není vybavena bezpečnostními zdířkami.

Centrální nastavitelný zdroj pro napájení demonstračních panelů umístěný na pracovišti učitele oproti předchozím umožňuje centrálně nastavit napětí. Rozvaděč učitele obsahuje obvody nízkého napětí i bezpečně galvanicky odděleně malé střídavé napětí. Je použit obvykle jeden centrální zdroj bezpečně galvanicky odděleného malého střídavého napětí tvořeného transformátorem s přepínáním zdířek nebo až tři centrální zdroje bezpečně galvanicky oddělených malých střídavých napětí s přepínáním výstupních napětí AC/DC. Zdířky centrálního

- 1 CZ 2017 - 347 A3 bezpečně galvanicky odděleného malého střídavého napětí jsou zapojeny paralelně a jsou obvykle umístěny spolu se zásuvkami nízkého napětí v elektrickém boxu. Toto zapojení může nebezpečně ovlivnit jednotlivé části demonstračních panelů, na nichž žáci provádějí pokusy. V případě chybného zapojení při pokusu může dojít ke zkratu, následkem čehož vypadne zdroj v pracovišti učitele nebo dojde k využití celého výkonu a veškerá energie se spotřebovává na jednom demonstračním panelu. Tím může dojít k nadměrnému oteplení demonstračních komponentů a popálení žáka (například při pokusu s odporovým drátem). Výkon zdroje v současném stavu techniky totiž musí odpovídat součtu požadovaného výkonu pro všechny demonstrační panely. Zároveň v případě zkratu může dojít k poškození demonstračních modulů na demonstračním panelu a k ovlivnění ostatních pracovišť, což znemožní pokračování v pokusu. Při distribuci malého napětí z rozvaděče učitele na jednotlivé demonstrační panely také dochází k nezanedbatelným úbytkům napětí na vedení, což vede k různým napětím na jednotlivých demonstračních panelech. Pokud žák na jednom demonstračním panelu zapojí zařízení s větším příkonem, tak vlivem úbytku napětí na vedení, je napětí na dalších demonstračních panelech výrazně nižší. Úbytek na kabelovém rozvodu a tím i napětí na demonstračních panelech je závislý na vzdálenosti od zdroje a na příkonech připojovaných zařízení jednotlivých demonstračních panelů. Pro distribuci malého napětí z rozvaděče učitele do jednotlivých demonstračních panelů se pak musí použít vodiče s velkým průřezem.

Podstata vynálezu

Vynález tvoří modulární demonstrační panely s elektronickou ochranou napájené zkratuvzdornými zdroji bezpečného malého napětí pro bezpečné realizování pokusů v učebnách na školách v oblasti výuky fyziky - elektrotechniky a elektrochemie.

Toto řešení umožňuje centrální nastavení shodného napětí pro všechny modulární demonstrační panely tvořící součást žákovského pracoviště z pracoviště učitele s omezením výstupního výkonu zdroje, kdy výkon pro modulární demonstrační panely může být bezpečně omezen výkonem lokálního zdroje, zkrat na jednom modulárním demonstračním panelu neovlivní ostatní modulární demonstrační panely, s možností plynulého nastavení výstupního napětí. Modulární demonstrační panely, jež jsou součástí technického řešení, tvoří jednotlivé výměnné moduly na plošném spoji. Na čelní straně je potiskem plošného spoje vyznačen popis a schematická značka součástky nebo zapojení a popisovaná reálná součástka. Tyto výměnné moduly mají ve spodu umístěnou elektronickou ochranu proti přetížení, která zabezpečuje, že při jakékoliv chybě při pokusu v zapojení nedojde k poškození napájecího zdroje, modulu ani součástky modulu. Technické řešení představuje soubor známých jednotlivých technických prvků, které ve shora uvedeném uspořádaném technickém řešení a za uvedených podmínek tvoří jednu vynálezeckou myšlenku Toto technické řešení spočívá v bezpečném a časově neomezeném realizování pokusů, jež umožňuje stejné podmínky při pokusech na všech pracovištích žáků bez omezení dokončení pokusu, které v dosavadních řešeních absentuje.

Objasnění výkresů

Modulární demonstrační panely s elektronickou ochranou napájené zkratuvzdornými zdroji bezpečného malého napětí objasňují obrázky: obr. č. 1 - technické řešení modulárních demonstračních panelů s elektronickou ochranou napájených zkratuvzdornými zdroji bezpečného malého napětí, obr. č. 2 - modulární demonstrační panel, obr. 3 - demonstrační modul, obr. č. 4 elektronická ochrana demonstračního modulu.

-2CZ 2017 - 347 A3

Příklad uskutečnění vynálezu

Vynález je realizován tak, že se do jednotlivých žákovských pracovišť 1, jejichž součástí jsou modulární demonstrační panely 2, umístí zkratuvzdomé zdroje bezpečného malého napětí 3, které jsou napájeny nastavitelným napětím 0 až 230 V z autotransformátoru 4 z řídicího rozvaděče učitele 5. Modulární demonstrační panely 2 jsou tvořeny jednotlivými demonstračními moduly 6. Tyto demonstračními moduly 6 jsou tvořeny plošným spojem 18, osazeným součástkami 7 např. LED, bezpečnostními zdířkami 8 a ochranným obvodem 9. Ten je umístěn na spodní straně demonstračních modulů 6. Zajistí v případě chybného zapojení do bezpečnostních zdířek 8 svedení přebytečného výkonu zdroje.

Pracoviště učitele 10 obsahuje řídicí rozvaděč 5 a zkratuvzdomý zdroj bezpečného malého napětí 3. Zkratuvzdomý zdroj bezpečného malého napětí 3 je realizován zkratuvzdomým bezpečnostním oddělovacím transformátorem 12 a generuje bezpečně galvanicky odděleně malé střídavé napětí 11 (napětí mezi výstupními zdířkami 17). Řídicí rozvaděč 5 na pracovišti učitele 10 je napájený přívodním kabelem 13 z veřejné distribuční sítě nízkým střídavým napětím a je vybaven autotransformátorem 4 a střídavým voltmetrem 14. Výstupní napětí z autotransformátoru 4 je vedeno kabelem 15 na vstupní svorky 16 všech zkratuvzdomých zdrojů bezpečného malého napětí 3 současně, které jsou umístěny také na všech žákovských pracovištích L Všechny zkratuvzdomé zdroje bezpečného malého napětí 3 obsahují zkratuvzdomý bezpečnostní oddělovací transformátor 12, nepodmíněně odolný proti zkratu a to shodného typu. Sekundární napětí transformátoru je vedeno na výstupní zdířky 17. Protože jsou zkratuvzdomé bezpečnostní oddělovací transformátory 12 shodného typu a mají shodné primární napětí (tj. napětí na výstupu autotransformátoru 4, mají také shodné sekundární napětí (v rámci výrobní tolerance transformátorů) a shodnou voltampérovou charakteristiku. Zkratuvzdomý zdroj bezpečného malého napětí 3 na pracovišti učitele 10 je shodný se zkratuvzdomými zdroji bezpečného malého napětí 3 všech žákovských pracovišť L Učitel tak může provádět pokus souběžně s žáky a porovnávat výsledky pokusu. Nastavení napětí se provádí pomocí autotransformátoru 4 a hodnota výstupního napětí se odečítá na střídavém voltmetru 14. Rozsah voltmetru je 250 V AC 50 Hz, ale stupnice voltmetre odpovídá odpovídajícímu napětí na výstupu zkratuvzdomého zdroje bezpečného malého napětí 3 na všech žákovských pracovištích 1, kterých může být 1 až 99.

Průmyslová využitelnost

Vynález je uplatnitelný při provádění pokusů na základních, středních školách a ostatních vzdělávacích institutech zejména v oblasti výuky fýziky - elektrotechniky, elektrochemie a také ve volnočasových zařízeních.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (1)

1. Modulární demonstrační panel napájený zkratuvzdomými zdroji bezpečného malého napětí pro pokusy v oblasti fyziky - elektrotechniky prováděné ve školách a vzdělávacích a volnočasových institutech, vyznačující se tím, na nejméně jednom žákovském pracovišti (1) a na pracovišti učitele (10) je umístěn nejméně jeden modulární demonstrační panel (2) sestávající z nejméně jednoho výměnného demonstračního modulu (6) tvořeného plošným spojem (18), osazeným součástkami (7), bezpečnostními zdířkami (8) a ochranným obvodem (9) proti přetížení, přičemž do žákovského pracoviště (1) a do pracoviště učitele (10) jsou umístěny zkratuvzdomé zdroje bezpečného malého napětí (3), které jsou napájeny nastavitelným napětím 0-230V z autotransformátoru (4) z řídicího rozvaděče učitele (5), přičemž zkratuvzdomý zdroj

-3 CZ 2017 - 347 A3 bezpečného malého napětí (3) je realizován zkratuvzdomým bezpečnostním oddělovacím transformátorem (12) a generuje bezpečně galvanicky odděleně malé střídavé napětí (11) mezi výstupními zdířkami (17) a řídicí rozvaděč (5) na pracovišti učitele (10) je napájený přívodním kabelem (13) z veřejné distribuční sítě nízkým střídavým napětím a je vybaven autotransformátorem (4) a střídavým voltmetrem (14), kdy výstupní napětí z autotransformátoru (4) je vedeno kabelem (15) na vstupní svorky (16) všech zkratuvzdomých zdrojů bezpečného malého napětí (3) současně, přičemž všechny zkratuvzdomé zdroje bezpečného malého napětí (3) obsahují zkratuvzdomý bezpečnostní oddělovací transformátor (12), nepodmíněně odolný proti zkratu a sekundární napětí transformátoru je vedeno na výstupní zdířky (17), kdy zkratuvzdomý zdroj bezpečného malého napětí (3) na pracovišti učitele (10) je shodný se zkratuvzdornými zdroji bezpečného malého napětí (3) na všech žákovských pracovištích (1) a nastavení napětí je provedeno pomocí autotransformátoru (4) a hodnota výstupního napětí se odečítá na střídavém voltmetru (14).