Τίτλος Άσκησης: Φωτισμός ασφαλείας Κεντρικό διερευνητικό ερώτημα Πώς μπορεί ένα φωτιστικό να ανάψει αυτόματα ακριβώς τη στιγμή που διακόπτεται ο κανονικός φωτισμός; Σενάριο – πρόκληση Κατά τη διάρκεια μιας απογευματινής εκδήλωσης στο σχολείο διακόπτεται η τροφοδοσία του φωτισμού ενός διαδρόμου. Ο χώρος βυθίζεται στο σκοτάδι και οι μαθητές πρέπει να κινηθούν με ασφάλεια προς την έξοδο. Το σχολείο διαθέτει: • κανονικό κύκλωμα φωτισμού 230 V AC, • φωτιστικό ασφαλείας 12 V DC, • συσσωρευτή 12 V, • ηλεκτρονόμο, • διακόπτες και μέσα προστασίας. Η ομάδα σας αναλαμβάνει να σχεδιάσει ένα σύστημα το οποίο: • Τροφοδοτεί τον κανονικό φωτισμό όταν υπάρχει τάση δικτύου. • Διατηρεί σβηστό το φωτιστικό ασφαλείας σε κανονικές συνθήκες. • Ανάβει αυτόματα το φωτιστικό ασφαλείας όταν διακοπεί η κανονική τροφοδοσία. • Επιτρέπει, σε δεύτερη εκδοχή, τον χειροκίνητο έλεγχο από την πλευρά των 12 V. • Δεν συνδέει ηλεκτρικά το κύκλωμα των 230 V με το κύκλωμα των 12 V. Αφόρμηση – Το «σκοτεινό δωμάτιο» Ο εκπαιδευτικός παρουσιάζει μια πινακίδα στην οποία λειτουργεί ένα κανονικό φωτιστικό. Στη συνέχεια ανοίγει την ασφάλεια του κυκλώματος και το φωτιστικό σβήνει. Το εφεδρικό φωτιστικό δεν έχει ακόμη συνδεθεί. Διερευνητική Ερώτηση 1: Τι πρέπει να αντιληφθεί το σύστημα; Διερευνητική Ερώτηση 1: Ποιο γεγονός πρέπει να προκαλεί την ενεργοποίηση του φωτιστικού ασφαλείας; Διερευνητική Ερώτηση 1: Από πού θα προέρχεται η ενέργεια μετά τη διακοπή; Διερευνητική Ερώτηση 1: Ποιο εξάρτημα μπορεί να αλλάζει κατάσταση χωρίς ανθρώπινη επέμβαση; Διερευνητική Ερώτηση 1: Πώς θα απομονωθούν τα 230 V από τα 12 V; Δεν παρουσιάζεται ακόμη η τελική συνδεσμολογία. Διατύπωση υποθέσεων Κάθε ομάδα προτείνει έναν τρόπο λειτουργίας. Οι μαθητές σημειώνουν ποια υπόθεση θεωρούν σωστή και αιτιολογούν την επιλογή τους. Μικρό πείραμα: Γνωριμία με τον ηλεκτρονόμο Πριν σχεδιάσουν ολόκληρο το κύκλωμα, οι ομάδες εξετάζουν μόνο τον ηλεκτρονόμο. Διερευνητική Ερώτηση 1: Ποια επαφή του ηλεκτρονόμου είναι κατάλληλη για να ανάψει ένα φωτιστικό όταν το πηνίο σταματήσει να τροφοδοτείται; Διαδικασία Με το κύκλωμα εκτός τάσης οι μαθητές: • Εντοπίζουν τους ακροδέκτες του πηνίου. • Εντοπίζουν την κοινή επαφή COM. • Εντοπίζουν τις επαφές NO και NC. • Χρησιμοποιούν πολύμετρο στη μέτρηση συνέχειας. • Καταγράφουν την κατάσταση των επαφών. • Τροφοδοτούν το πηνίο με την προβλεπόμενη τάση, υπό την επίβλεψη του εκπαιδευτικού. • Επαναλαμβάνουν τις μετρήσεις. Πίνακας παρατηρήσεων Αναμενόμενη ανακάλυψη: Όταν το πηνίο δεν τροφοδοτείται, η επαφή COM–NC είναι κλειστή. Επομένως, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ώστε η απώλεια της κανονικής τροφοδοσίας να ενεργοποιεί το κύκλωμα των 12 V. Κατασκευή λογικού μοντέλου Οι μαθητές δεν σχεδιάζουν ακόμη καλώδια. Περιγράφουν πρώτα τη λογική λειτουργίας. Ορίζουμε: D=1: υπάρχει κανονική τροφοδοσία, D=0: έχει διακοπεί η τροφοδοσία, F=1: το φωτιστικό ασφαλείας είναι αναμμένο, F=0: το φωτιστικό ασφαλείας είναι σβηστό. Πίνακας αληθείας Οι μαθητές καλούνται να γράψουν τη λογική σχέση: F = ΝΟΤ D Άρα, ο φωτισμός ασφαλείας λειτουργεί με λογική NOT: ανάβει όταν απουσιάζει το επιτηρούμενο σήμα. Σχεδίαση τριών προτάσεων Κάθε ομάδα κατασκευάζει τρία προσχέδια: • Διάγραμμα λειτουργικών βαθμίδων. • Μονογραμμικό σχέδιο. • Πολυγραμμικό σχέδιο. Λειτουργικές βαθμίδες Κριτήρια ελέγχου σχεδίου Οι ομάδες ανταλλάσσουν τα σχέδιά τους και ελέγχουν: • Υπάρχει σαφής διαχωρισμός 230 V AC και 12 V DC; • Το φωτιστικό ασφαλείας τροφοδοτείται μόνο από τον συσσωρευτή; • Η κατάλληλη επαφή είναι NC ή NO; • Υπάρχει προστασία του κυκλώματος των 12 V; • Έχει δηλωθεί σωστά η πολικότητα; • Η διακοπή της τάσης προκαλεί αυτόματη λειτουργία; • Τι συμβαίνει αν αποφορτιστεί ο συσσωρευτής; Επιλογή και αιτιολόγηση υλικών Οι μαθητές δεν καταγράφουν απλώς τα υλικά. Για κάθε στοιχείο πρέπει να εξηγήσουν τη λειτουργία του. Υπολογιστική πρόκληση Αν το φωτιστικό έχει ισχύ P, οι μαθητές υπολογίζουν το ρεύμα: I = P / U Για φωτιστικό 12 W στα 12 V: I = 12 / 12 = 1 A Στη συνέχεια διερευνούν: • Ποια ασφάλεια είναι κατάλληλη; • Πόση ώρα μπορεί να λειτουργήσει το φωτιστικό; • Πώς επηρεάζουν οι απώλειες την πραγματική αυτονομία; Μια απλουστευμένη αρχική εκτίμηση είναι: I = C / t όπου C η χωρητικότητα του συσσωρευτή σε Ah. Πρόβλεψη πριν από την κατασκευή Κάθε ομάδα συμπληρώνει τον πίνακα χωρίς να δοκιμάσει ακόμη το κύκλωμα. Μετά την κατασκευή συγκρίνουν την πρόβλεψη με την πραγματική συμπεριφορά. Κατασκευή του κυκλώματος Ασφαλής σειρά εργασίας • Απομόνωση όλων των πηγών ενέργειας. • Έλεγχος απουσίας τάσης με κατάλληλο όργανο. • Τοποθέτηση των υλικών στην πινακίδα. • Κατασκευή αρχικά του κυκλώματος των 12 V. • Έλεγχος συνέχειας και πολικότητας. • Κατασκευή του κυκλώματος επιτήρησης. • Οπτικός και ηλεκτρικός έλεγχος από άλλη ομάδα. • Έλεγχος από τον εκπαιδευτικό. • Τροφοδότηση και λειτουργική δοκιμή. Οι μαθητές δεν πραγματοποιούν αλλαγές στη συνδεσμολογία υπό τάση. Η τροφοδότηση των 230 V γίνεται μόνο μετά τον έλεγχο και με επίβλεψη. Κρίσιμα πειράματα Πείραμα Α — Κανονική λειτουργία Υπάρχει τάση δικτύου. Παρατηρείται η κατάσταση του ηλεκτρονόμου. Μετριέται η τάση στο φωτιστικό ασφαλείας. Πείραμα Β — Διακοπή της παροχής Διακόπτεται η κανονική τροφοδοσία. Μετριέται ο χρόνος ενεργοποίησης. Ελέγχεται αν το φωτιστικό ανάβει χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση. Πείραμα Γ — Πτώση της ασφάλειας φωτισμού Εξετάζεται εάν το σημείο από το οποίο τροφοδοτείται το πηνίο επιτρέπει στο σύστημα να αντιληφθεί: • γενική διακοπή, • πτώση της ασφάλειας φωτισμού, • διακοπή μόνο μετά τον διακόπτη του χώρου. Διερευνητική ερώτηση 1: Από ποιο σημείο πρέπει να επιτηρείται η τάση, ώστε το σύστημα να αντιδρά στις βλάβες που πραγματικά μας ενδιαφέρουν; Πείραμα Δ — Αποφορτισμένος ή αποσυνδεδεμένος συσσωρευτής Οι μαθητές διαπιστώνουν ότι η σωστή λογική σύνδεση δεν εξασφαλίζει λειτουργία όταν η εφεδρική πηγή δεν διαθέτει ενέργεια. Πρόκληση τροποποίησης Μεταφορά του διακόπτη στην πλευρά των 12 V Οι ομάδες καλούνται να τροποποιήσουν το κύκλωμα ώστε ο διακόπτης ενεργοποίησης του φωτισμού ασφαλείας να μη βρίσκεται στην πλευρά των 230 V αλλά στην πλευρά των 12 V. Πριν από την αλλαγή απαντούν: Διερευνητική ερώτηση 1: Σε ποιον αγωγό θα τοποθετηθεί ο διακόπτης; Διερευνητική ερώτηση 1: Τι τάση θα εμφανίζεται στους ακροδέκτες του; Διερευνητική ερώτηση 1: Πρέπει να διακόπτει το πηνίο ή το φωτιστικό; Διερευνητική ερώτηση 1: Αν αφεθεί ανοικτός, θα λειτουργήσει ο φωτισμός σε πραγματική διακοπή; Διερευνητική ερώτηση 1: Μήπως ένας απλός διακόπτης μπορεί να ακυρώσει τη λειτουργία ασφαλείας; Μετά τη δοκιμή συγκρίνουν τις δύο λύσεις ως προς: Κυνήγι βλαβών Ο εκπαιδευτικός εισάγει κρυφά μία βλάβη σε κάθε κύκλωμα. Πιθανές βλάβες • αποσυνδεδεμένος συσσωρευτής, • αντιστροφή πολικότητας, • καμένη ασφάλεια 12 V, • χρήση επαφής NO αντί NC, • κομμένος αγωγός προς το φωτιστικό, • χαλαρή κλέμα, • λανθασμένη τροφοδότηση του πηνίου, • ελαττωματικό φωτιστικό, • κολλημένη επαφή ηλεκτρονόμου. Διαγνωστικό πρωτόκολλο Οι μαθητές πρέπει να ακολουθούν λογική σειρά: • Παρατήρηση συμπτώματος. • Διατύπωση δύο πιθανών αιτιών. • Επιλογή ασφαλούς μέτρησης. • Καταγραφή αποτελέσματος. • Επιβεβαίωση ή απόρριψη της υπόθεσης. • Αποκατάσταση με το κύκλωμα εκτός τάσης. • Επαναληπτική λειτουργική δοκιμή. Προκλήσεις επέκτασης Κάθε ομάδα επιλέγει μία. Επέκταση Α — Ένδειξη κατάστασης Προσθήκη: • πράσινης λυχνίας: κανονική τροφοδοσία, • κόκκινης λυχνίας: λειτουργία από συσσωρευτή. Επέκταση Β — Πλήκτρο δοκιμής Προσθήκη πλήκτρου TEST που προσομοιώνει την απώλεια του δικτύου χωρίς να απαιτείται γενική διακοπή. Οι μαθητές αποφασίζουν αν το πλήκτρο πρέπει να είναι NO ή NC. Επέκταση Γ — Υπολογισμός αυτονομίας Επιλέγουν συσσωρευτή ώστε το φωτιστικό να λειτουργεί για προκαθορισμένο χρονικό διάστημα. Επέκταση Δ — Καθυστέρηση επαναφοράς Ο φωτισμός ασφαλείας παραμένει αναμμένος για λίγα δευτερόλεπτα μετά την επιστροφή της κανονικής τροφοδοσίας. Επέκταση Ε — Επιτήρηση συσσωρευτή Προσθήκη ένδειξης χαμηλής τάσης ώστε να εντοπίζεται ένας συσσωρευτής που δεν μπορεί να υποστηρίξει τον φωτισμό. Επέκταση ΣΤ — Δύο φωτιστικά ασφαλείας Οι μαθητές συγκρίνουν παράλληλη και σε σειρά σύνδεση και αιτιολογούν ποια είναι κατάλληλη για φωτιστικά ονομαστικής τάσης 12 V. Αναμενόμενο συμπέρασμα Ο φωτισμός ασφαλείας πρέπει να ενεργοποιείται αυτόματα όταν χαθεί η επιτηρούμενη κανονική τροφοδοσία. Η λειτουργία μπορεί να επιτευχθεί με ηλεκτρονόμο και κατάλληλη χρήση της κανονικά κλειστής επαφής του. Ο ηλεκτρονόμος επιτρέπει σε ένα κύκλωμα να ελέγχει ένα άλλο, διατηρώντας τον απαιτούμενο ηλεκτρικό διαχωρισμό. Ωστόσο, η σωστή συνδεσμολογία δεν αρκεί από μόνη της: απαιτούνται κατάλληλες προστασίες, σωστή επιλογή υλικών, φορτισμένος συσσωρευτής και τακτικές δοκιμές. Το σημαντικότερο συμπέρασμα είναι: Ένα σύστημα ασφαλείας δεν αρκεί να λειτουργήσει μία φορά. Πρέπει να μπορεί να αποδεικνύει ότι θα λειτουργήσει όταν πραγματικά χρειαστεί. Τελική αξιολόγηση Κάθε ομάδα παραδίδει: • μονογραμμικό σχέδιο, • πολυγραμμικό σχέδιο, • πίνακα υλικών και κόστους, • πίνακα προβλέψεων και αποτελεσμάτων, • μετρήσεις τάσης και ρεύματος, • υπολογισμό αυτονομίας, • διάγνωση μίας βλάβης, • σύντομη τεχνική παρουσίαση της λύσης. Ερωτήσεις εξόδου • Γιατί χρησιμοποιείται η επαφή NC; • Τι θα συνέβαινε αν χρησιμοποιούσαμε την επαφή NO; • Ποια είναι η πηγή ενέργειας κατά τη διακοπή; • Γιατί πρέπει να προστατεύεται και το κύκλωμα του συσσωρευτή; • Από ποιο σημείο πρέπει να επιτηρείται η τάση; • Πώς ελέγχουμε αν ο συσσωρευτής είναι πραγματικά λειτουργικός; • Γιατί το πλήκτρο TEST είναι σημαντικό; • Ποια βλάβη μπορεί να μην γίνει αντιληπτή όσο υπάρχει κανονική τροφοδοσία; Κλίμακα αξιολόγησης

Σκοποί της άσκησης Μετά την ολοκλήρωση της άσκησης οι μαθητές αναμένεται να έχουν επιτύχει τους ακόλουθους στόχους: Γνωστικοί στόχοι Οι μαθητές θα είναι σε θέση να: Εξηγούν την αναγκαιότητα του φωτισμού ασφαλείας. Περιγράφουν την αρχή λειτουργίας του κυκλώματος. Διακρίνουν την κανονική τροφοδοσία 230 V AC από την εφεδρική τροφοδοσία 12 V DC. Αναγνωρίζουν τον ηλεκτρονόμο, το πηνίο και τις επαφές COM, NC και NO. Εξηγούν γιατί χρησιμοποιείται η κανονικά κλειστή επαφή NC. Συσχετίζουν τη λειτουργία του κυκλώματος με τη λογική NOT. Ερμηνεύουν το μονογραμμικό και το πολυγραμμικό σχέδιο. Αναγνωρίζουν τα απαραίτητα υλικά και εξηγούν τη λειτουργία τους. Υπολογίζουν το ρεύμα του φωτιστικού από τη σχέση \(I=P/U\). Υπολογίζουν προσεγγιστικά την αυτονομία του συσσωρευτή. Εξηγούν πώς το σημείο επιτήρησης της τάσης επηρεάζει τις βλάβες που ανιχνεύονται. Αναγνωρίζουν πιθανές αιτίες δυσλειτουργίας του κυκλώματος. Στόχοι δεξιοτήτων Οι μαθητές θα είναι σε θέση να: Σχεδιάζουν το λειτουργικό, μονογραμμικό και πολυγραμμικό σχέδιο του κυκλώματος. Επιλέγουν τα κατάλληλα υλικά σύμφωνα με τις απαιτήσεις της εγκατάστασης. Αναγνωρίζουν τους ακροδέκτες του ηλεκτρονόμου. Ελέγχουν με πολύμετρο τις επαφές COM–NC και COM–NO. Τοποθετούν σωστά τα υλικά στην εργαστηριακή πινακίδα. Κατασκευάζουν με ασφάλεια το κύκλωμα φωτισμού ασφαλείας. Πραγματοποιούν σωστές και λειτουργικές συνδέσεις και διακλαδώσεις. Χρησιμοποιούν σωστά τα εργαλεία και τα όργανα μέτρησης. Ελέγχουν τη συνέχεια, την πολικότητα και την τάση του κυκλώματος. Δοκιμάζουν την αυτόματη ενεργοποίηση του φωτισμού ασφαλείας. Χρησιμοποιούν το πλήκτρο TEST για τον λειτουργικό έλεγχο. Καταγράφουν και συγκρίνουν προβλέψεις, μετρήσεις και αποτελέσματα. Εντοπίζουν βλάβες ακολουθώντας τη διαδικασία: σύμπτωμα, υπόθεση, μέτρηση, συμπέρασμα. Τροποποιούν το κύκλωμα ώστε ο διακόπτης να τοποθετηθεί στην πλευρά των 12 V. Παρουσιάζουν και τεκμηριώνουν την τεχνική λύση της ομάδας τους. Στόχοι στάσεων και συμπεριφορών Οι μαθητές αναμένεται να: Αναπτύξουν υπεύθυνη στάση απέναντι στην ηλεκτρική ασφάλεια. Τηρούν συστηματικά τους κανόνες ασφαλούς εργασίας. Μην πραγματοποιούν συνδέσεις ή αλλαγές σε κύκλωμα υπό τάση. Αντιλαμβάνονται τη σημασία του φωτισμού ασφαλείας για την προστασία ανθρώπων. Αναγνωρίζουν την ανάγκη τακτικού ελέγχου και συντήρησης των συστημάτων ασφαλείας. Βασίζουν τα συμπεράσματά τους σε μετρήσεις και τεκμηριωμένα στοιχεία. Αντιμετωπίζουν τα λάθη ως ευκαιρίες διερεύνησης και βελτίωσης. Αναπτύξουν κριτική σκέψη κατά την επιλογή υλικών και τεχνικών λύσεων. Συνεργάζονται με υπευθυνότητα και σεβασμό μέσα στην ομάδα. Μοιράζονται ρόλους, εργαλεία και αρμοδιότητες με δίκαιο τρόπο. Σέβονται τον εργαστηριακό εξοπλισμό και φροντίζουν για τη σωστή χρήση του. Αναπτύξουν επαγγελματική συνέπεια, ακρίβεια και επιμέλεια. Αξιολογούν την εργασία τους και αποδέχονται τον έλεγχο από άλλες ομάδες. Συνειδητοποιούν ότι ένα σύστημα ασφαλείας πρέπει να είναι αξιόπιστο τη στιγμή που θα απαιτηθεί η λειτουργία του.

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ