Voorzorgsmaatregelen voor elektrische veiligheid en basisapparatuur
Bron: Ali Bazzi, Afdeling Elektrotechniek, Universiteit van Connecticut, Storrs, CT.
Experimenten met elektrische machines en vermogenselektronica omv…
Veiligheidsmaatregelen
1. Elektrische stroom en experimentele opstelling
- Vermijd losse draden, kabels en verbindingen.
- Ga ervan uit dat alle zichtbare metalen onder spanning staan, tenzij anders is geverifieerd.
- Maak kennis met alle AAN/UIT-knoppen op apparatuur, stroomonderbrekers en uitschakelknoppen van een werktafel.
- Breng alleen wijzigingen aan in de experimentele opstelling wanneer de circuitstroom is uitgeschakeld en alle stroombronnen nul spanning en nul stroom aangeven, indien van toepassing.
- Gebruik draden van geschikte lengte voor hun toepassing. Lange draden of verbindingen kunnen rommel op een werktafel veroorzaken, en zeer korte draden of verbindingen kunnen te strak zijn en gemakkelijk losraken.
- Gebruik hogere stroombronnen en verbindingen gescheiden van lagere stroombronnen, zoals microcontrollers, om zowel interferentie als elektrische interconnecties tussen gevoelige elektronische apparaten en hogere stroombronnen te voorkomen.
- Zorg ervoor dat alle DC-voedingen, AC-bronnen en andere stroombronnen starten vanaf een nulspanning en nulstroomuitgang of zoals aangegeven in een experiment. Beginnen vanaf een niet-nulspanning is mogelijk in bepaalde toepassingen waarbij een spanningsbron een specifieke beginvoorwaarde moet hebben.
- Schakel alle apparatuur uit voordat u het lab verlaat nadat een experiment is afgelopen.
- Sta niet toe dat een enkele gebruiker een experiment alleen uitvoert. Zorg ervoor dat ten minste twee gebruikers een experiment uitvoeren bij het bedienen van meer dan 50 V DC en driefasige AC.
2. Werkomgeving
- Maak kennis met de uitgangen in het laboratorium.
- Vermijd een rommelige werkomgeving.
- Heb een pen, rekenmachine, labnotitieboek en experimentbeschrijving klaar en gereed.
- Koel en etiket geschikt warm (vanwege warmteafvoer) apparatuur.
3. Kleding en persoonlijke vereisten
- Verwijder sieraden, metalen horloges of andere metalen accessoires tijdens het uitvoeren van een experiment, aangezien deze gevaarlijk kunnen zijn in de buurt van roterende machines en elektrische verbindingen.
- Draag geen losse kleding, korte broeken of korte rokken, omdat ze de huid blootstellen aan elektrische verbindingen en roterende machines.
- Draag geen hangende halskettingen, brillen, stropdassen en andere accessoires, aangezien gebruikers de neiging hebben om dicht bij roterende machines en elektrische verbindingen te komen. Vermijd ook het dragen van een bril om de nek, die gemakkelijk kan worden vastgepakt door roterende machines.
- Bind lang haar vast aan de achterkant van het hoofd.
- Draag altijd veiligheidsbril tijdens het experiment. Draag andere persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) zoals vereist door lokale veiligheidsregels en -voorschriften. Bijvoorbeeld, gebruikelijke PBM's zijn brandwerende jassen, hoogspanningsisolerende handschoenen (gedragen bij het hanteren van levensdraden of kabels) en oordopjes (gebruikt bij het bedienen van luidruchtige machines).
Basisapparatuur: Demonstratio en overzicht van elektronische en meetapparatuur
4. Functiegenerator
- Schakel de functiegenerator in (Fig. 1). Functiegeneratoren leveren periodieke AC-signalen van verschillende vormen. Deze vormen zijn voornamelijk sinusvormig, driehoekig, zaagtand en vierkant.
- Stel de functiegenerator in om een sinusvormige uitvoer van 10 V piek te produceren bij een frequentie van 400 Hz en nul DC-offset.
- Verbind een BNC-naar-krokodillenklemconnector met de BNC verbonden aan de uitvoerpoort van de functiegenerator.
- Pas de frequentie en piek, of piek-naar-piek, van deze signalen aan indien gewenst.
- Pas bij driehoekige en zaagtandsignalen de helling en vorm aan. Vierkante golfvormen hebben een instelbare invullingsgraad, die wordt gedefinieerd als het aandeel van de periode waarin een vierkante golfvorm positief of "hoog" is versus negatief, nul of "laag".
- Merk op dat bepaalde functiegeneratoren niet-periodieke ruis en willekeurige signalen leveren, maar deze worden niet vaak gebruikt in toepassingen voor vermogenselektronica en elektrische machines.
Figuur 1: Detailopname van de scherm en het controlepaneel van de functiegenerator.Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
5. DC-voeding
- Schakel de DC-voeding in (Fig. 2). DC-voedingen met laag vermogen werken in twee hoofdmodi - ofwel spanningsbronnen of stroombronnen.
- Bekijk de spannings- en stroommetingen.
- Stel de uitvoerspanning van de DC-voeding in op 10 V door de uitvoerspanningknop aan te passen. Werken als spanningsbron is het meest gebruikelijk, waarbij de voeding een lage DC-spanning levert; doorgaans variërend tussen 0 en 36 V. Bij een stroombronwerking zijn deze voedingen "stroombeperkt" waarbij hun maximale stroom is ingesteld op de gewenste waarde en hun spanning wordt automatisch aangepast om de gewenste maximale stroom te leveren. Stroom- en spanningslimieten bieden dus operationele flexibiliteit en veiligheidsmarges bij het bedienen van een DC-voeding.
- Druk op de "Stroom"-knop om de stroomlimiet weer te geven en pas de stroomknop aan om de maximale stroomlimiet aan te passen. Stel de stroomlimiet van de voed
De elektriciteit die machines, gereedschappen en andere experimentele apparaten aandrijft, moet met zorg en aandacht worden behandeld. Lichamelijk contact met hoge spanning en stroom kan spierspasmen, brandwonden, hartstilstand en zelfs de dood veroorzaken. Zelfs kleine hoeveelheden stroom die door het lichaam gaan, kunnen elektrocutie veroorzaken. 10 milliampère kan spiercontracties, verlies van spiercontrole en de onmogelijkheid om los te laten veroorzaken. 10 microampère door het hart kan ventrikelfibrillatie veroorzaken. Laboratoriumexperimenten gebruiken doorgaans apparatuur die voldoet aan internationale veiligheidsnormen. Het Underwriters Laboratory UL-label certificeert bijvoorbeeld dat apparatuur aan deze normen voldoet, wat bepaalde soorten gevaarlijke blootstelling voorkomt. Echter, elektrische in- en uitgangen of aangepaste apparatuur vormen nog steeds een gevaar. Deze video presenteert elektrische veiligheidsmaatregelen en introduceert veelvoorkomende elektrische apparatuur die wordt gebruikt in vele soorten laboratoriumexperimenten.
Bij het gebruik van elektrische apparatuur, draag lange broeken, schoenen met gesloten tenen en geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen. Vermijd losse kleding en verwijder alle hangende of metalen accessoires die per ongeluk elektriciteit kunnen raken. In de Verenigde Staten is eenfasige wisselstroom uit een stopcontact 120 volt. Stopcontacten voor driefasige wisselstroom kunnen tot 480 volt en meer dan 10 ampère leveren. Dus stroombronnen moeten met respect worden behandeld. Een schone laboratoriumomgeving is belangrijk voor het verminderen van gevaren. Vermijd losse of gerafelde draden, kabels en verbindingen. Weet hoe u alle apparatuur, voedingen en stroomonderbrekers kunt uitschakelen. Zorg ervoor dat ten minste twee mensen werken aan een experiment dat toegang heeft tot DC-stroom groter dan 50 volt. Gebruik dezelfde voorzorgsmaatregelen bij eenfasige of driefasige AC-netvoeding. Ga ervan uit dat elke blootgestelde metalen stroomdraagt, tenzij dit is bevestigd. Voordat u een opstelling wijzigt, schakel de stroombronnen die in het experiment worden gebruikt uit of trek ze eruit. Een goede aarding van apparatuur zorgt ervoor dat het chassis op aardpotentiaal staat, wat elektrische schokken voorkomt. Sluit apparatuur altijd aan op AC-stopcontacten met de stroomkabel die daarvoor is bedoeld. Apparatuur die heter is dan verwacht, is zowel een gevaar als een symptoom van een probleem dat moet worden aangepakt. Schakel ten slotte alle apparatuur uit nadat een experiment is voltooid en schakel ongebruikte apparatuur uit voordat u het laboratorium verlaat. Nu de basisveiligheidsmaatregelen zijn gepresenteerd, wordt de werking van enkele veelvoorkomende elektrische apparaten in het laboratorium gedemonstreerd.
Een functiegenerator produceert signalen voor andere apparatuur die een excitatie of een aandrijfspanning nodig heeft. De meest voorkomende periodieke uitgangen zijn sinusvormige, driehoekige, zaagtand- en vierkante golven, die kunnen worden aangepast in amplitude, frequentie en DC-offset. De uitgang van de functiegenerator wordt met behulp van kabels verbonden met de schakeling of apparatuur. Meestal wordt een BNC-connector aan de ene kant en alligatorclips aan de andere kant gebruikt voor eenvoudige aansluiting op een circuit. Een DC-voeding levert spanning of stroom om andere elektrische apparatuur te bedienen. De instelbare uitgang van een typische laagspanningslaboratoriumvoeding varieert tussen 0 en 36 volt. De meeste DC-voedingen met één uitgang hebben drie aansluitingen: plus, min en aarde. De plus-aansluiting is verbonden met de hogere spanningsingang van downstream-apparatuur. De min-aansluiting is verbonden met de lagere spanningsingang. De uitgang is de spanning of stroom tussen de plus- en min-aansluitingen, die elektrisch geïsoleerd zijn van de aarde. De aardingsaansluiting is een vaste aardverwijzing die nul volt is.
Andere veelvoorkomende stroombronnen zijn eenfasige wisselstroom uit een standaard stopcontact of driefasige wisselstroom. Eenfasige stroom heeft een enkele hete lijn en een neutrale lijn voor het geleiden van stroom en levert 120 volt. Driefasige stroom levert hogere spanningen via drie hete lijnen, waarbij de wisselspanning op elke lijn gelijk is in frequentie en grootte, en 120 graden uit fase met elkaar. Het resultaat kan 208, 230 en 480 volt leveren, met overeenkomstig groter vermogen. Het hanteren van driefasige stroom vereist speciale training en veiligheidsmaatregelen.
Vervolgens wordt een variabele autotransformator, ook bekend als een Variac, gebruikt om AC-spanning te verhogen of te verlagen. Dit is nuttig in toepassingen die niet-standaard spanningen vereisen of waar de spanning moet worden gevarieerd. Een knop varieert de uitgangsspanning tussen nul en 100% van de maximale waarde. Merk op dat de Variac geen elektrische isolatie biedt, dus vermijd het aanraken van de uitgang bij elke instelling.
Een oscilloscoop toont de spanningen van tijdsafhankelijke signalen en wordt gebruikt om het gedrag van schakelingen te bestuderen. Oscilloscopen kunnen meerdere kanalen hebben, elk met een enkele golfvorm. De twee hoofdtypen sondes die met dit instrument worden gebruikt, zijn de conventionele geaarde sonde en de differentiële sonde.
Hier is een reguliere geaarde sonde verbonden met kanaal één. De geaarde sonde is meestal beoordeeld om enkele honderden volt te verdragen en meet de spanning tussen het sonde-uiteinde en de aardleiding. De aardleiding is verbonden met de aard van het oscilloscoophaas. Het is belangrijk om de aardleiding alleen te verbinden met een punt in de schakeling dat ook geaard is. Het aanraken van een aardleiding op een ander punt zal een kortsluiting naar aarde veroorzaken. Verbind nu kanaal één van de oscilloscoop met de uitgang van de functiegenerator en zet het aan. Stel de tijdschaal van de oscilloscoop in met de knop seconden per verdeling en stel de spanningsschaal in met de knop volt per verdeling. De triggerniveau is de spanning die een signaal overschrijdt om synchronisatie van de oscilloscoop te veroorzaken. Correct triggeren minimaliseert ruis in de weergave. Stel de triggerknop in om het triggerniveau handmatig in te stellen, of druk op instelling op 50% om het automatisch in te stellen.
Ten slotte is de multimeter een veelzijdig hand-, of tafelbladinstrument voor het meten van spanning
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What are the main hazards of electrical current passing through the human body?
Even small currents can cause serious injury or death. Ten milliamps induces muscle contractions and loss of control, while 10 microamps through the heart causes ventricular fibrillation. High voltage and current can cause muscular spasms, burns, and cardiac arrest. Bodily contact with electricity requires immediate medical attention and careful prevention.
Q2: What personal protective equipment and clothing should you wear when working with electrical equipment?
Wear long pants, closed-toe shoes, and appropriate personal protective equipment when handling electrical apparatus. Avoid loose clothing and remove dangling or metal accessories that could accidentally contact electricity. These precautions prevent accidental electrical contact and significantly reduce shock hazards during laboratory experiments and equipment operation.
Q3: What are the differences between single-phase and three-phase AC power in laboratory settings?
Single-phase AC power from wall outlets delivers 120 volts with one hot line and one neutral line. Three-phase power delivers higher voltages—208, 230, or 480 volts—via three hot lines that are 120 degrees out of phase. Three-phase power provides greater power capacity but requires special training and safety precautions for handling.
Q4: How does a DC power supply differ from a function generator in laboratory applications?
A DC power supply provides constant voltage or current to operate equipment, with adjustable output typically ranging 0 to 36 volts. A function generator produces time-varying signals like sinusoidal, triangular, sawtooth, and square waves with adjustable amplitude, frequency, and DC offset. Function generators excite circuits, while DC supplies power them.
Q5: Why is proper grounding of equipment critical for electrical safety?
Proper grounding ensures the equipment chassis is at earth-ground potential, which prevents electrical shock. When using an oscilloscope grounded probe, connect the ground lead only to points in the circuit that are also grounded. Touching the ground lead to any other point causes a short-circuit to ground and creates a hazard.
Q6: What precautions should you take before modifying an electrical circuit setup?
Before changing a setup, turn off or unplug all power sources used in the experiment. Assume any exposed metal carries live electricity unless verified otherwise. For experiments with accessible DC power greater than 50 volts, ensure at least two trained people are present to respond to emergencies.
Q7: How do you properly measure voltage using a multimeter in a DC circuit?
Insert the red probe into the V Ohms contact and the black probe into the COM contact. Touch the red probe to the positive terminal and the black probe to the negative terminal of the power supply. The multimeter displays the voltage between these terminals, providing accurate measurement of electrical potential difference in circuits.