Τίτλος Άσκησης: Πώς μπορούμε να φωτίζουμε ένα κλιμακοστάσιο μόνο για όσο χρειάζεται; Πραγματικό πρόβλημα Σε μια τετραώροφη πολυκατοικία υπάρχουν φωτιστικά στο ισόγειο και σε κάθε όροφο. Οι ένοικοι παραπονιούνται ότι: • τα φώτα μένουν συχνά αναμμένα όλη τη νύχτα, • ένας απλός διακόπτης μπορεί να ξεχαστεί στη θέση ON, • κάθε ένοικος πρέπει να μπορεί να ενεργοποιεί τον φωτισμό από οποιονδήποτε όροφο, • ο διαθέσιμος χρόνος πρέπει να επαρκεί για την ασφαλή μετακίνηση, • μετά την παρέλευση του χρόνου τα φώτα πρέπει να σβήνουν αυτόματα. Η διαχείριση της πολυκατοικίας ζητά από τις ομάδες των μαθητών να προτείνουν, να σχεδιάσουν, να κατασκευάσουν και να ελέγξουν μια κατάλληλη εγκατάσταση. Κεντρικό διερευνητικό ερώτημα Πώς μπορεί ένα στιγμιαίο πάτημα σε οποιοδήποτε μπουτόν να ενεργοποιεί όλα τα φωτιστικά και να τα απενεργοποιεί αυτόματα έπειτα από προκαθορισμένο χρόνο; Αφόρμηση – Το πρόβλημα του ξεχασμένου φωτισμού Παρουσιάζουμε δύο υποθετικές πολυκατοικίες: Στην πολυκατοικία Α τα φώτα ελέγχονται από έναν απλό διακόπτη. Στην πολυκατοικία Β ανάβουν με μπουτόν και σβήνουν μόνα τους. Διερευνητική ερώτηση 1: Τι θα συμβεί αν ένας κάτοικος ξεχάσει τον διακόπτη της πολυκατοικίας Α αναμμένο; Διερευνητική ερώτηση 2: Γιατί δεν αρκεί ένας απλός διακόπτης σε κάθε όροφο; Διερευνητική ερώτηση 3 Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διακόπτες αλλέ-ρετούρ; Διερευνητική ερώτηση 4: Πόσοι αλλέ-ρετούρ και μεσαίοι διακόπτες θα χρειάζονταν; Διερευνητική ερώτηση 5: Ποια λύση περιορίζει την άσκοπη κατανάλωση; Διερευνητική ερώτηση 6: Ποιος πρέπει να καθορίζει πότε θα σβήσουν τα φωτιστικά; Διερευνητική ερώτηση 7: Τι πρέπει να συμβεί αν κάποιος πατήσει ένα μπουτόν λίγο πριν σβήσουν; Οι μαθητές δεν ενημερώνονται ακόμη για την τελική συνδεσμολογία. Καταγράφουν πρώτα τις αρχικές τους ιδέες. Φάση Α — Διατύπωση υποθέσεων Κάθε ομάδα συμπληρώνει: Πρόβλεψη Πριν χρησιμοποιήσουν τον αυτόματο κλιμακοστασίου, οι μαθητές σχεδιάζουν με λέξεις ή βέλη τη λειτουργία που περιμένουν: Πάτημα μπουτόν --> …………… --> άναμμα φωτιστικών --> …………… --> σβήσιμο Φάση Β — Αναγνώριση υλικών χωρίς συνδεσμολογία Δίνονται στις ομάδες: • αυτόματος κλιμακοστασίου, • μικροαυτόματος, • μπουτόν, • απλός διακόπτης, • φωτιστικά ή λυχνίες δοκιμής, • αγωγοί, • κλέμες, • χρονικό ρελέ άλλου τύπου, • φύλλα τεχνικών χαρακτηριστικών. Οι μαθητές πρέπει να αναγνωρίσουν: • Ποιο εξάρτημα δίνει στιγμιαία εντολή; • Ποιο εξάρτημα αποθηκεύει προσωρινά την εντολή; • Ποιο εξάρτημα διακόπτει το κύκλωμα μετά τον καθορισμένο χρόνο; • Πού ρυθμίζεται ο χρόνος; • Ποια είναι η ονομαστική τάση του αυτόματου; • Ποιο είναι το μέγιστο επιτρεπόμενο φορτίο; • Επιτρέπονται λαμπτήρες LED και μέχρι ποια ισχύ; • Υπάρχει επιλογή μόνιμου φωτισμού; • Υποστηρίζει επανεκκίνηση του χρόνου; • Ποιο διάγραμμα συνδεσμολογίας δίνει ο κατασκευαστής; Κρίσιμη επισήμανση: Οι ονομασίες και η διάταξη των ακροδεκτών δεν είναι ίδιες σε όλους τους αυτόματους κλιμακοστασίου. Η σύνδεση πρέπει να βασίζεται στο διάγραμμα του συγκεκριμένου κατασκευαστή και όχι σε απομνημονευμένους αριθμούς ακροδεκτών. Φάση Γ — Μπουτόν ή διακόπτης; Οι μαθητές εξετάζουν με όργανο ελέγχου συνέχειας ένα μπουτόν ΝΟ και έναν απλό διακόπτη. Διερευνητική ερώτηση 8: Ποιο από τα δύο εξαρτήματα επιστρέφει μόνο του στην αρχική κατάσταση; Διερευνητική ερώτηση 9: Γιατί το κύκλωμα χρειάζεται στιγμιαία εντολή; Διερευνητική ερώτηση 10: Τι πιθανόν θα συμβεί αν χρησιμοποιηθεί απλός διακόπτης αντί για μπουτόν; Διερευνητική ερώτηση 11: Ποια βλάβη θα προσομοίωνε ένα μπουτόν που έχει κολλήσει; Αναμενόμενη ανακάλυψη: Το μπουτόν δίνει μόνο έναν παλμό ενεργοποίησης. Ο αυτόματος κλιμακοστασίου αναλαμβάνει να διατηρήσει τον φωτισμό ενεργό για τον ρυθμισμένο χρόνο. Φάση Δ — Πώς συνδέονται πολλά μπουτόν; Δίνονται δύο πιθανές προτάσεις: • Πρόταση Α: τα μπουτόν συνδέονται σε σειρά. • Πρόταση Β: τα μπουτόν συνδέονται παράλληλα. Οι ομάδες προβλέπουν τι θα συμβεί σε κάθε περίπτωση. Συμπέρασμα προς ανακάλυψη: Τα μπουτόν συνδέονται παράλληλα, ώστε το πάτημα οποιουδήποτε από αυτά να δίνει την ίδια εντολή ενεργοποίησης στον αυτόματο. Φάση Ε — Σχεδιασμός του κυκλώματος Κάθε ομάδα σχεδιάζει αρχικά το λειτουργικό διάγραμμα: Στη συνέχεια σχεδιάζει: • το πολυγραμμικό σχέδιο, • το μονογραμμικό σχέδιο, • τη διαδρομή των αγωγών, • τις θέσεις των μπουτόν, • τα σημεία σύνδεσης των φωτιστικών, • τον πίνακα υλικών. Έλεγχος σχεδίου μεταξύ ομάδων Μία δεύτερη ομάδα ελέγχει το σχέδιο απαντώντας: • Υπάρχει προστασία της γραμμής; • Ο ουδέτερος διακόπτεται ή παραμένει συνεχής; • Η εντολή των μπουτόν οδηγείται στον σωστό ακροδέκτη; • Τα φωτιστικά είναι συνδεδεμένα παράλληλα; • Υπάρχει αγωγός προστασίας στα φωτιστικά όπου απαιτείται; • Τα χρώματα των αγωγών χρησιμοποιούνται σωστά; • Η συνδεσμολογία συμφωνεί με το διάγραμμα του κατασκευαστή; Φάση ΣΤ — Σύγκριση κυκλώματος 3 και 4 αγωγών Οι ομάδες δεν απομνημονεύουν απλώς τις δύο συνδεσμολογίες. Τις συγκρίνουν με βάση πραγματικά κριτήρια. Διερευνητική ερώτηση 12: Ποια συνδεσμολογία προβλέπει ο κατασκευαστής; Διερευνητική ερώτηση 13: Μπορεί κάθε αυτόματος να χρησιμοποιηθεί και στις δύο συνδεσμολογίες; Διερευνητική ερώτηση 14: Τι θα συμβεί αν η επιλογή 3/4 αγωγών του αυτόματου δεν συμφωνεί με την πραγματική καλωδίωση; Διερευνητική ερώτηση 15: Γιατί δεν αλλάζουμε θέση στον μεταγωγικό επιλογέα ενώ το κύκλωμα βρίσκεται υπό τάση; Διερευνητική ερώτηση 16: Ποια λύση διευκολύνει πιθανή μελλοντική επέκταση; Δεν πρέπει να θεωρείται γενικός κανόνας ότι η μία συνδεσμολογία είναι πάντοτε ασφαλέστερη από την άλλη. Η ασφάλεια εξαρτάται από τη σωστή μελέτη, τη συμβατότητα του υλικού, τις προβλεπόμενες προστασίες και την ορθή κατασκευή. Φάση Ζ — Κατασκευή με ρόλους Κάθε ομάδα αποτελείται από τέσσερις μαθητές: • Σχεδιαστής: ελέγχει τη συμφωνία κατασκευής και σχεδίου. • Τεχνικός εγκατάστασης: πραγματοποιεί τις συνδέσεις. • Υπεύθυνος ασφάλειας: ελέγχει την απομόνωση και την απουσία τάσης. • Ελεγκτής–καταγραφέας: πραγματοποιεί μετρήσεις και καταγράφει αποτελέσματα. Οι ρόλοι εναλλάσσονται στη δεύτερη κατασκευή. Διαδικασία • Αναγνώριση της τροφοδότησης. • Απομόνωση του κυκλώματος. • Επιβεβαίωση απουσίας τάσης με κατάλληλο όργανο. • Τοποθέτηση των υλικών. • Κατασκευή χωρίς τάση. • Οπτικός έλεγχος. • Έλεγχος συνέχειας όπου ενδείκνυται. • Έλεγχος από δεύτερη ομάδα. • Έγκριση από τον εκπαιδευτικό. • Τροφοδότηση και λειτουργικές δοκιμές. Φάση Η — Το κρίσιμο πείραμα του χρονισμού Ο χρόνος ρυθμίζεται αρχικά στα 30 δευτερόλεπτα. Οι μαθητές χρησιμοποιούν χρονόμετρο και συμπληρώνουν: Υπολογίζουν τον μέσο χρόνο: t μ = t 1 + t 2 + t 3 / 3 Διερευνητική ερώτηση 1:7 Είναι ο πραγματικός χρόνος ακριβώς ίδιος με τη ρύθμιση; Διερευνητική ερώτηση 18: Είναι σταθερός σε όλες τις δοκιμές; Διερευνητική ερώτηση 19: Ποιες αποκλίσεις θεωρούνται αποδεκτές; Διερευνητική ερώτηση 20: Πώς επηρεάζεται η λειτουργία αν ρυθμίσουμε πολύ μικρό χρόνο; Διερευνητική ερώτηση 21: Τι πρόβλημα δημιουργεί ένας υπερβολικά μεγάλος χρόνος; Φάση Θ — Τι συμβαίνει με νέο πάτημα; Οι μαθητές ρυθμίζουν τον χρόνο στα 30 s. • Πατούν το μπουτόν και ξεκινούν το χρονόμετρο. • Στα 20 s πατούν ξανά το μπουτόν. • Καταγράφουν πότε σβήνουν τα φωτιστικά. Πιθανές υποθέσεις • Τα φωτιστικά θα σβήσουν στα αρχικά 30 s. • Ο χρόνος θα ξεκινήσει ξανά από την αρχή. • Θα προστεθούν άλλα 30 s. • Το δεύτερο πάτημα δεν θα έχει αποτέλεσμα. Η συμπεριφορά εξακριβώνεται πειραματικά και συγκρίνεται με τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου αυτόματου. Φάση Ι — Επιλογή κατάλληλου χρόνου Το κλιμακοστάσιο έχει ισόγειο και τρεις ορόφους. Οι μαθητές καλούνται να προτείνουν χρόνο λειτουργίας. Πείραμα πεδίου Κάθε ομάδα μετρά: • χρόνο μετάβασης από ισόγειο στον 1ο όροφο, • χρόνο μετάβασης από ισόγειο στον 3ο όροφο, • χρόνο κίνησης μαθητή που μεταφέρει αντικείμενο, • χρόνο κίνησης ατόμου με μειωμένη κινητικότητα, • χρόνο που απαιτείται για να βρεθεί η κλειδαριά μιας πόρτας. Απόφαση ομάδας Προτείνουμε χρόνο ……… s, επειδή ……………………………………… Οι μαθητές πρέπει να ισορροπήσουν ανάμεσα: • στην ασφαλή μετακίνηση, • στην εξοικονόμηση ενέργειας, • στην άνεση των χρηστών, • στις πραγματικές συνθήκες του κτιρίου. Φάση Κ — Υπολογισμός κατανάλωσης Η πολυκατοικία διαθέτει τέσσερα φωτιστικά LED ισχύος 12 W το καθένα. Pολ = 4 x12 W = 48 W Οι μαθητές συγκρίνουν δύο σενάρια: Σενάριο Α Τα φωτιστικά παραμένουν αναμμένα 10 ώρες κάθε νύχτα. E A = P ολ t A Σενάριο Β Ο αυτόματος ενεργοποιείται 30 φορές τη νύχτα για 60 s κάθε φορά. t B = 30 x 60 / 3600 E B = P ολ t B Διερευνητική ερώτηση 22: Πόση ενέργεια καταναλώνεται σε κάθε περίπτωση; Διερευνητική ερώτηση 23: Ποια είναι η ημερήσια διαφορά; Διερευνητική ερώτηση 24: Ποια είναι η ετήσια εξοικονόμηση; Διερευνητική ερώτηση 25: Πώς θα αλλάξει το αποτέλεσμα αν ο χρόνος αυξηθεί από 60 σε 120 s; Διερευνητική ερώτηση 26: Αρκεί μόνο η μικρότερη κατανάλωση για να χαρακτηριστεί μια λύση καλύτερη; Φάση Λ — Διάγνωση βλαβών Ο εκπαιδευτικός εισάγει μία βλάβη χωρίς να ενημερώσει την ομάδα. Οι μαθητές ακολουθούν υποχρεωτικά τη σειρά: Σύμπτωμα --> πιθανές αιτίες --> ασφαλείς έλεγχοι --> εντοπισμός --> αποκατάσταση --> επανέλεγχος Φύλλο διάγνωσης • Παρατηρούμενο σύμπτωμα: • Πότε εμφανίζεται: • Ποια εξαρτήματα λειτουργούν: • Ποιες αιτίες αποκλείσαμε: • Ποιον έλεγχο πραγματοποιήσαμε: • Ποια ήταν η βλάβη: • Πώς αποκαταστάθηκε: • Με ποια τελική δοκιμή επιβεβαιώθηκε: Κρίσιμο πείραμα — Τα φώτα μένουν συνεχώς αναμμένα Πρόβλημα Μετά την κατασκευή, όλα τα φωτιστικά ανάβουν αλλά δεν σβήνουν ποτέ. • Οι μαθητές πρέπει να εξετάσουν, χωρίς τυχαίες αλλαγές καλωδίων: • Βρίσκεται ο επιλογέας στη θέση μόνιμου φωτισμού; • Είναι κάποιο μπουτόν μόνιμα πατημένο; • Έχει χρησιμοποιηθεί απλός διακόπτης αντί για μπουτόν; • Υπάρχει λανθασμένη γεφύρωση ακροδεκτών; • Είναι σωστά επιλεγμένη η λειτουργία 3 ή 4 αγωγών; • Έχει κολλήσει η επαφή εξόδου; • Έχει ρυθμιστεί υπερβολικά μεγάλος χρόνος; • Υπάρχει συνεχής τάση στον ακροδέκτη εντολής; Στόχος: Οι μαθητές να ξεχωρίσουν τη βλάβη της εντολής από τη βλάβη της εξόδου: • Αν η εντολή παραμένει συνεχώς ενεργή, ελέγχουμε μπουτόν και καλωδίωση. • Αν η εντολή έχει απομακρυνθεί αλλά η έξοδος παραμένει ενεργή, ελέγχουμε τη ρύθμιση και τον ίδιο τον αυτόματο. Αντικατάσταση παλαιού υδραργυρικού αυτόματου Οι μαθητές εξετάζουν φωτογραφία ή αποσυνδεδεμένο δείγμα παλιού υδραργυρικού αυτόματου. Αποστολή: Να προτείνουν την αντικατάστασή του από σύγχρονο ηλεκτρονικό αυτόματο. Πριν από οποιαδήποτε σύνδεση πρέπει να καταγράψουν: • την υπάρχουσα συνδεσμολογία, • τον αριθμό των αγωγών, • τη λειτουργία κάθε αγωγού, • την τάση λειτουργίας, • το συνολικό φορτίο, • τον τύπο των φωτιστικών, • τη λειτουργία των μπουτόν, • τη δυνατότητα χρήσης του νέου αυτόματου στο υπάρχον κύκλωμα. Κρίσιμη ερώτηση: Είναι ασφαλές να αντιστοιχίσουμε τους ακροδέκτες του παλιού και του νέου αυτόματου μόνο επειδή βρίσκονται στην ίδια θέση; Αναμενόμενη απάντηση: Όχι. Η αναγνώριση γίνεται από τη λειτουργία των αγωγών και τα διαγράμματα των δύο συσκευών. Προκλήσεις επέκτασης Κάθε ομάδα επιλέγει μία επέκταση. Επέκταση Α — Περισσότερα μπουτόν Τοποθετήστε δύο μπουτόν σε κάθε όροφο. Εξηγήστε πώς θα συνδεθούν και τι επίδραση έχει η προσθήκη τους στη λειτουργία. Επέκταση Β — Μόνιμος φωτισμός καθαρισμού Προβλέψτε λειτουργία κατά την οποία τα φωτιστικά παραμένουν συνεχώς αναμμένα για καθαρισμό ή συντήρηση. Η επιλογή πρέπει να είναι σαφής και να μην ενεργοποιείται κατά λάθος. Επέκταση Γ — Αισθητήρας κίνησης Προσθέστε αισθητήρα κίνησης. Εξετάστε: • αν αντικαθιστά ή συμπληρώνει τα μπουτόν, • ποιος καθορίζει τον χρόνο, • τι συμβαίνει αν υπάρξουν διαδοχικές ανιχνεύσεις, • πώς αποφεύγονται ανεπιθύμητες ενεργοποιήσεις. Επέκταση Δ — Φωτοκύτταρο Ο φωτισμός να ενεργοποιείται μόνο όταν ο φυσικός φωτισμός είναι ανεπαρκής. Λογική απαίτηση: Τα φώτα ανάβουν όταν υπάρχει εντολή από μπουτόν ή αισθητήρα ΚΑΙ επικρατεί σκοτάδι. Επέκταση Ε — Φωτισμός δύο επιπέδων Κατά την αναμονή παραμένει χαμηλός φωτισμός ασφαλείας. Με την ανίχνευση παρουσίας ενεργοποιείται πλήρης φωτισμός. Επέκταση ΣΤ — Έξυπνος έλεγχος με PLC Σχεδιάστε τη λογική λειτουργίας με: • εισόδους από μπουτόν ή αισθητήρες, • χρονικό TON, • έξοδο φωτισμού, • επιλογή αυτόματης/χειροκίνητης λειτουργίας, • ένδειξη βλάβης, • μετρητή ενεργοποιήσεων. Επέκταση Ζ — Προειδοποίηση πριν το σβήσιμο Λίγα δευτερόλεπτα πριν από την απενεργοποίηση, ο φωτισμός μειώνεται ή αναβοσβήνει ελεγχόμενα, εφόσον ο εξοπλισμός και η εφαρμογή το επιτρέπουν. Αναμενόμενο συμπέρασμα Ο αυτόματος κλιμακοστασίου δέχεται στιγμιαία εντολή από οποιοδήποτε παράλληλα συνδεδεμένο μπουτόν και ενεργοποιεί τα φωτιστικά για προκαθορισμένο χρονικό διάστημα. Μετά την παρέλευση του χρόνου, διακόπτει αυτόματα την τροφοδότηση των φωτιστικών. Η επιλογή μεταξύ συνδεσμολογίας 3 και 4 αγωγών δεν γίνεται μόνο με βάση τον αριθμό των αγωγών. Πρέπει να λαμβάνονται υπόψη: • η υπάρχουσα εγκατάσταση, • το διάγραμμα και οι δυνατότητες της συγκεκριμένης συσκευής, • η λειτουργία που απαιτείται, • η δυνατότητα μελλοντικής επέκτασης, • η ασφάλεια και η ευκολία συντήρησης. Η σωστή ρύθμιση του χρόνου αποτελεί συμβιβασμό ανάμεσα στην ασφαλή μετακίνηση των χρηστών και στην εξοικονόμηση ενέργειας. Τελική αξιολόγηση Ατομικές ερωτήσεις • Γιατί χρησιμοποιούμε μπουτόν και όχι απλό διακόπτη; • Γιατί τα μπουτόν συνδέονται παράλληλα; • Ποιος είναι ο ρόλος του αυτόματου κλιμακοστασίου; • Ποιος αγωγός επιστρέφει από την έξοδο προς τα φωτιστικά; • Τι θα συμβεί αν διακοπεί ο ουδέτερος ενός φωτιστικού; • Πώς ελέγχουμε αν ένα μπουτόν έχει κολλήσει; • Ποιες αιτίες μπορούν να κρατούν τα φώτα συνεχώς αναμμένα; • Πώς επιλέγουμε κατάλληλο χρόνο λειτουργίας; • Γιατί συμβουλευόμαστε το διάγραμμα του κατασκευαστή; • Πώς συμβάλλει το κύκλωμα στην εξοικονόμηση ενέργειας; Πρακτική δοκιμασία Ο μαθητής πρέπει: • να αναγνωρίσει τα υλικά, • να εξηγήσει το σχέδιο, • να πραγματοποιήσει ασφαλή σύνδεση, • να ρυθμίσει συγκεκριμένο χρόνο, • να ελέγξει τη λειτουργία από δύο θέσεις, • να εντοπίσει μία προκαθορισμένη βλάβη, • να τεκμηριώσει την αποκατάστασή της. Συνοπτική rubric

Μαθησιακοί στόχοι Με την ολοκλήρωση της δραστηριότητας οι μαθητές θα μπορούν: Γνώσεις να εξηγούν τη λειτουργία του αυτόματου κλιμακοστασίου, να διακρίνουν το μπουτόν από τον απλό διακόπτη, να αναγνωρίζουν τους ακροδέκτες ενός συγκεκριμένου αυτόματου από το διάγραμμά του, να συγκρίνουν τις συνδεσμολογίες 3 και 4 αγωγών, να εξηγούν γιατί τα μπουτόν συνδέονται παράλληλα, να περιγράφουν τι συμβαίνει όταν πατηθεί ξανά ένα μπουτόν κατά τη διάρκεια του χρονισμού. Δεξιότητες να σχεδιάζουν μονογραμμικό και πολυγραμμικό σχέδιο, να επιλέγουν τα κατάλληλα υλικά, να κατασκευάζουν το κύκλωμα με βάση το διάγραμμα του κατασκευαστή, να ρυθμίζουν και να μετρούν τον χρόνο λειτουργίας, να εντοπίζουν συστηματικά βλάβες, να ελέγχουν το κύκλωμα πριν και μετά την τροφοδότηση. Στάσεις να ακολουθούν διαδικασία ασφαλούς απομόνωσης, να μη συνδεσμολογούν εξαρτήματα μόνο από την εμφάνισή τους, να συνεργάζονται και να τεκμηριώνουν τις αποφάσεις τους, να αξιολογούν την εξοικονόμηση ενέργειας χωρίς να υποβαθμίζουν την ασφάλεια.

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ