Τίτλος Άσκησης: Έλεγχος φωτιστικού σημείου από τρεις θέσεις Κεντρικό διερευνητικό ερώτημα Πώς μπορούμε να ελέγχουμε το ίδιο φωτιστικό από τρεις διαφορετικές θέσεις, έτσι ώστε η αλλαγή της θέσης οποιουδήποτε διακόπτη να αλλάζει πάντοτε την κατάσταση του φωτιστικού; Πρόβλημα πραγματικής εφαρμογής Σε έναν μεγάλο διάδρομο υπάρχουν τρεις είσοδοι: • μία στην αρχή, • μία στο μέσο, • μία στο τέλος. Το φωτιστικό πρέπει να μπορεί να ανάβει και να σβήνει από οποιαδήποτε είσοδο, ανεξάρτητα από τις θέσεις στις οποίες βρίσκονται οι άλλοι δύο διακόπτες. Οι μαθητές καλούνται να αναλάβουν τον ρόλο ομάδας ηλεκτρολόγων και να σχεδιάσουν, να κατασκευάσουν, να ελέγξουν και να παραδώσουν το κύκλωμα. Περιορισμοί • Κάθε διακόπτης πρέπει να αλλάζει την κατάσταση του φωτιστικού. • Δεν επιτρέπεται η χρήση ηλεκτρονικού αυτοματισμού. • Το κύκλωμα πρέπει να λειτουργεί με συμβατικούς μηχανικούς διακόπτες. • Η κατασκευή και οι έλεγχοι χωρίς τάση προηγούνται υποχρεωτικά της ηλεκτροδότησης. Φάση Α — Σύνδεση με την προηγούμενη άσκηση Παρουσιάζεται το κύκλωμα ελέγχου φωτιστικού από δύο θέσεις. Οι μαθητές απαντούν: • Ποιοι διακόπτες χρησιμοποιούνται; • Πόσους ακροδέκτες έχει κάθε διακόπτης; • Ποιος είναι ο κοινός ακροδέκτης; • Ποιος αγωγός μεταφέρει τη φάση στον πρώτο διακόπτη; • Ποιος αγωγός οδηγείται από τον δεύτερο διακόπτη προς το φωτιστικό; • Τι συμβαίνει όταν αλλάξουμε τη θέση οποιουδήποτε διακόπτη; Αρχική πρόκληση Μπορούμε να προσθέσουμε έναν τρίτο ακραίο αλλέ ρετούρ ανάμεσα στους δύο υπάρχοντες; Οι μαθητές καταγράφουν την αρχική τους άποψη χωρίς να τους δοθεί ακόμη η απάντηση. Φάση Β — Παρατήρηση και σύγκριση διακοπτών Δίνονται στις ομάδες: • ένας απλός διακόπτης, • ένας ακραίος αλλέ ρετούρ, • ένας μεσαίος αλλέ ρετούρ. Δεν αναγράφεται το είδος τους. Οι μαθητές συμπληρώνουν: Αναμενόμενες παρατηρήσεις • Απλός διακόπτης: 2 ακροδέκτες. • Ακραίος αλλέ ρετούρ: 3 ακροδέκτες. • Μεσαίος αλλέ ρετούρ: 4 ακροδέκτες. Κρίσιμο ερώτημα: Γιατί ο μεσαίος διακόπτης χρειάζεται τέσσερις ακροδέκτες; Οι μαθητές διατυπώνουν υποθέσεις πριν πραγματοποιήσουν μετρήσεις. Φάση Γ — «Χαρτογράφηση» των διακοπτών Με το κύκλωμα εκτός τάσης, οι μαθητές χρησιμοποιούν πολύμετρο στη λειτουργία συνέχειας. Διερεύνηση ακραίου διακόπτη Οι μαθητές: • Εντοπίζουν τον κοινό ακροδέκτη. • Ελέγχουν με ποιον ακροδέκτη συνδέεται σε κάθε θέση. • Σχεδιάζουν την εσωτερική του λειτουργία. Συμπέρασμα: Ο ακραίος διακόπτης δεν διακόπτει απλώς το κύκλωμα. Κατευθύνει τον κοινό ακροδέκτη προς μία από δύο διαδρομές. Διερεύνηση μεσαίου διακόπτη Οι μαθητές αριθμούν προσωρινά τους τέσσερις ακροδέκτες και ελέγχουν όλες τις πιθανές συνδέσεις. Αναμενόμενη ανακάλυψη: Ο μεσαίος διακόπτης: • στη μία θέση συνδέει τις δύο διαδρομές ευθεία, • στην άλλη θέση τις συνδέει σταυρωτά. Δεν διαθέτει κοινό ακροδέκτη όπως ο ακραίος διακόπτης. Φάση Δ — Πρόβλεψη της συνδεσμολογίας Κάθε ομάδα λαμβάνει κάρτες που αναπαριστούν: • παροχή, • δύο ακραίους διακόπτες, • έναν μεσαίο διακόπτη, • φωτιστικό, • ουδέτερο, • δύο αγωγούς επιστροφής. Οι μαθητές καλούνται να τοποθετήσουν τις κάρτες στη σωστή σειρά. Διερευνητική ερώτηση 1: Ποιος διακόπτης πρέπει να συνδεθεί στη φάση; Διερευνητική ερώτηση 2: Ποιος διακόπτης πρέπει να συνδεθεί με το φωτιστικό; Διερευνητική ερώτηση 3: Πού πρέπει να τοποθετηθεί ο μεσαίος διακόπτης; Διερευνητική ερώτηση 4: Πρέπει ο ουδέτερος να περάσει από τους διακόπτες; Διερευνητική ερώτηση 5: Τι θα συμβεί αν τοποθετήσουμε τον μεσαίο διακόπτη στην άκρη; Διερευνητική ερώτηση 6: Ποιος αγωγός πρέπει να διακόπτεται: η φάση ή ο ουδέτερος; Βασική διάταξη Ο προστατευτικός αγωγός οδηγείται στο μεταλλικό μέρος του φωτιστικού όπου απαιτείται και δεν διέρχεται από τους διακόπτες. Φάση Ε — Σχεδίαση Πριν από την κατασκευή, κάθε ομάδα σχεδιάζει: • Το λειτουργικό διάγραμμα. • Το πολυγραμμικό σχέδιο. • Το μονογραμμικό σχέδιο. • Τη διάταξη των υλικών στην πινακίδα. • Τη σήμανση των αγωγών και ακροδεκτών. Έλεγχος σχεδίου από άλλη ομάδα Μια δεύτερη ομάδα ελέγχει: • αν η φάση οδηγείται στον κοινό του πρώτου ακραίου, • αν υπάρχουν δύο αγωγοί επιστροφής, • αν ο μεσαίος παρεμβάλλεται μεταξύ των ακραίων, • αν ο κοινός του δεύτερου ακραίου οδηγείται στο φωτιστικό, • αν ο ουδέτερος οδηγείται απευθείας στο φωτιστικό, • αν προβλέπεται προστατευτικός αγωγός. Φάση ΣΤ — Επιλογή υλικών και προϋπολογισμός Οι μαθητές δημιουργούν πίνακα υλικών: Συνολικό κόστος: ………………… Φάση Ζ — Κατασκευή με πρωτόκολλο ασφάλειας Η κατασκευή πραγματοποιείται χωρίς τάση. Διαδικασία • Απομόνωση της τροφοδοσίας. • Επιβεβαίωση απουσίας τάσης με κατάλληλο όργανο. • Αναγνώριση των ακροδεκτών. • Τοποθέτηση των υλικών. • Κοπή και διαμόρφωση των αγωγών. • Συνδεσμολογία σύμφωνα με το σχέδιο. • Μηχανικός έλεγχος των συνδέσεων. • Έλεγχος συνέχειας χωρίς τάση. • Έλεγχος από τον εκπαιδευτικό. • Ελεγχόμενη τροφοδότηση και λειτουργική δοκιμή. Δεν πραγματοποιείται αλλαγή συνδεσμολογίας όσο το κύκλωμα βρίσκεται υπό τάση. Φάση Η — Πείραμα όλων των συνδυασμών Με τρεις διακόπτες υπάρχουν: 2 3 =8 δυνατοί συνδυασμοί θέσεων. Οι μαθητές δεν παίρνουν έτοιμο πίνακα. Δοκιμάζουν το κύκλωμα και καταγράφουν τα αποτελέσματα. Οι τιμές 0 και 1 δεν σημαίνουν υποχρεωτικά OFF και ON. Δηλώνουν μόνο τις δύο μηχανικές θέσεις κάθε διακόπτη. Ερωτήματα ανάλυσης • Σε πόσους συνδυασμούς ανάβει το φωτιστικό; • Σε πόσους σβήνει; • Τι συμβαίνει όταν αλλάζει μόνο ο πρώτος διακόπτης; • Τι συμβαίνει όταν αλλάζει μόνο ο μεσαίος; • Τι συμβαίνει όταν αλλάζει μόνο ο τρίτος; • Υπάρχει κάποιος διακόπτης με μόνιμη θέση ON ή OFF; • Πώς εξηγείται το αποτέλεσμα μέσω της διαδρομής του ρεύματος; Κρίσιμο πείραμα • Επιλέγεται τυχαία ένας από τους οκτώ συνδυασμούς. • Καταγράφεται αν το φωτιστικό είναι αναμμένο ή σβηστό. • Αλλάζει θέση μόνο ο πρώτος διακόπτης. • Επαναφέρεται και αλλάζει θέση μόνο ο δεύτερος. • Επαναφέρεται και αλλάζει θέση μόνο ο τρίτος. Κριτήριο επιτυχίας: Η αλλαγή της θέσης οποιουδήποτε από τους τρεις διακόπτες πρέπει να αντιστρέφει την κατάσταση του φωτιστικού. Αν αυτό δεν συμβαίνει σε κάθε περίπτωση, το κύκλωμα δεν έχει συνδεθεί σωστά. Φάση Θ — Διάγνωση βλαβών Ο εκπαιδευτικός εισάγει μία ελεγχόμενη βλάβη χωρίς να ενημερώσει την ομάδα. Ενδεικτικές βλάβες • Λανθασμένος κοινός ακροδέκτης στον πρώτο ακραίο. • Λανθασμένος κοινός ακροδέκτης στον δεύτερο ακραίο. • Αντιστροφή ενός ζεύγους στον μεσαίο διακόπτη. • Αποσυνδεδεμένος αγωγός επιστροφής. • Χαλαρή σύνδεση. • Ελαττωματικός λαμπτήρας. • Απουσία ουδετέρου από το φωτιστικό. • Λανθασμένη τοποθέτηση ακραίου στη θέση του μεσαίου. • Βραχυκυκλωμένοι αγωγοί επιστροφής. • Τροφοδότηση λανθασμένου ακροδέκτη. Κανόνας διάγνωσης Οι μαθητές δεν αλλάζουν τυχαία αγωγούς. Ακολουθούν τη σειρά: Σύμπτωμα --> υπόθεση --> έλεγχος --> μέτρηση --> συμπέρασμα --> αποκατάσταση --> επανέλεγχος. Φάση Ι — Πρόκληση «ο λανθασμένος διακόπτης» Δίνεται στους μαθητές τρίτος ακραίος διακόπτης αντί για μεσαίο. Αποστολή Να ερευνήσουν αν μπορούν να τον χρησιμοποιήσουν ως ενδιάμεσο, χωρίς πρόσθετα εξαρτήματα. Διερευνητική ερώτηση 7: Έχει αρκετούς ακροδέκτες; Διερευνητική ερώτηση 8: Μπορεί να χειριστεί ταυτόχρονα και τις δύο επιστροφές; Διερευνητική ερώτηση 9: Μπορεί να πραγματοποιήσει ευθεία και σταυρωτή σύνδεση; Διερευνητική ερώτηση 10: Σε ποιους συνδυασμούς αποτυγχάνει το κύκλωμα; Αναμενόμενο συμπέρασμα: Ένας ακραίος αλλέ ρετούρ χειρίζεται μία κοινή επαφή και επιλέγει μία από δύο διαδρομές. Ο μεσαίος χειρίζεται ταυτόχρονα δύο διαδρομές και τις συνδέει ευθεία ή σταυρωτά. Επομένως, ένας απλός ακραίος δεν αντικαθιστά τον μεσαίο. Φάση Κ — Επεκτάσεις Επέκταση Α — Έλεγχος από τέσσερις θέσεις Οι μαθητές προβλέπουν τα απαιτούμενα υλικά. Αναμενόμενη απάντηση: • δύο ακραίοι διακόπτες, • δύο μεσαίοι διακόπτες. Επέκταση Β — Έλεγχος από πέντε θέσεις Οι μαθητές προβλέπουν τα απαιτούμενα υλικά. Αναμενόμενη απάντηση: • δύο ακραίοι διακόπτες, • τρεις μεσαίοι διακόπτες. Οι μαθητές διατυπώνουν τον γενικό κανόνα: Αριθμος μεσαιων διακοπτων = θεσεις ελεγχου−2 Για n θέσεις ελέγχου απαιτούνται: • πάντοτε δύο ακραίοι, • n−2 μεσαίοι διακόπτες. Επέκταση Γ — Δεύτερο φωτιστικό Να προστεθεί δεύτερο φωτιστικό, ώστε να λειτουργεί ταυτόχρονα με το πρώτο. Οι μαθητές διερευνούν: • αν τα φωτιστικά συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα, • αν η προσθήκη επηρεάζει τη λειτουργία των διακοπτών, • τι συμβαίνει αν καεί ο ένας λαμπτήρας. Επέκταση Δ — Υπολογισμός συνδυασμών Για τέσσερις διακόπτες: 2 4 =1 6 Για πέντε διακόπτες: 2 5 = 32 Οι μαθητές εξηγούν γιατί ο πλήρης λειτουργικός έλεγχος γίνεται δυσκολότερος όσο αυξάνονται οι θέσεις. Επέκταση Ε — Σύγκριση με ηλεκτρονόμο παλμών Να συγκριθεί το συμβατικό κύκλωμα αλλέ ρετούρ με κύκλωμα: • μπουτόν, • ηλεκτρονόμου παλμών, • πολλών θέσεων χειρισμού. Κριτήρια σύγκρισης: • πλήθος αγωγών, • ευκολία επέκτασης, • κόστος, • διάγνωση βλάβης, • συντήρηση. Ρόλοι ομάδας Σε κάθε ομάδα ανατίθενται τέσσερις ρόλοι: • Σχεδιαστής: συντάσσει τα σχέδια. • Τεχνικός συνδεσμολογίας: πραγματοποιεί τις συνδέσεις. • Ελεγκτής ασφάλειας και μετρήσεων: επιβεβαιώνει την απουσία τάσης και εκτελεί τους ελέγχους. • Καταγραφέας–διαγνώστης: συμπληρώνει πίνακες, καταγράφει αποτελέσματα και συντονίζει τη διάγνωση. Οι ρόλοι εναλλάσσονται σε επόμενη δραστηριότητα. Τελικές ερωτήσεις αναστοχασμού • Γιατί χρειάζονται δύο ακραίοι διακόπτες; • Γιατί ο τρίτος πρέπει να είναι μεσαίος; • Ποια είναι η λειτουργία των δύο αγωγών επιστροφής; • Τι σημαίνει ευθεία και τι σταυρωτή σύνδεση; • Γιατί κανένας διακόπτης δεν έχει μόνιμη θέση ON ή OFF; • Πώς επιβεβαιώνουμε ότι το κύκλωμα λειτουργεί σε κάθε πιθανή κατάσταση; • Ποια μέτρηση βοήθησε περισσότερο στην κατανόηση του κυκλώματος; • Ποιο σφάλμα ήταν δυσκολότερο να εντοπιστεί; • Πώς επεκτείνεται το κύκλωμα σε έξι θέσεις; • Πώς θα εξηγούσατε τη λειτουργία του σε έναν συμμαθητή που απουσίαζε; Αναμενόμενο συμπέρασμα: Για τον έλεγχο ενός φωτιστικού σημείου από τρεις θέσεις χρησιμοποιούνται δύο ακραίοι και ένας μεσαίος διακόπτης αλλέ ρετούρ. Οι ακραίοι διακόπτες επιλέγουν μία από τις δύο διαδρομές του ρεύματος, ενώ ο μεσαίος συνδέει αυτές τις διαδρομές είτε ευθεία είτε σταυρωτά. Το φωτιστικό ανάβει όταν δημιουργείται συνεχής ηλεκτρική διαδρομή από τη φάση, μέσω των τριών διακοπτών, προς το φωτιστικό. Η αλλαγή της θέσης οποιουδήποτε διακόπτη μεταβάλλει τη διαδρομή και αντιστρέφει την κατάσταση του φωτιστικού. Για περισσότερες θέσεις ελέγχου διατηρούνται οι δύο ακραίοι διακόπτες και προστίθενται μεσαίοι ανάμεσά τους.

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ

Σκοπός Οι μαθητές να διερευνήσουν τη λειτουργία ενός κυκλώματος ελέγχου φωτιστικού από τρεις θέσεις και να ανακαλύψουν γιατί απαιτούνται: δύο ακραίοι διακόπτες αλλέ ρετούρ, ένας μεσαίος διακόπτης αλλέ ρετούρ, δύο αγωγοί «επιστροφής» μεταξύ των διακοπτών. Μαθησιακοί στόχοι Με την ολοκλήρωση της δραστηριότητας οι μαθητές θα μπορούν: Γνώσεις Να διακρίνουν τον ακραίο από τον μεσαίο διακόπτη αλλέ ρετούρ. Να εξηγούν τη διαδρομή του ρεύματος στο κύκλωμα. Να αιτιολογούν γιατί οι δύο ακραίοι διακόπτες δεν αρκούν για έλεγχο από τρεις θέσεις. Να εξηγούν πώς επεκτείνεται το κύκλωμα σε τέσσερις ή περισσότερες θέσεις. Δεξιότητες Να αναγνωρίζουν τους ακροδέκτες των διακοπτών με όργανο συνέχειας. Να σχεδιάζουν το πολυγραμμικό και το μονογραμμικό σχέδιο. Να κατασκευάζουν και να ελέγχουν το κύκλωμα. Να εξετάζουν συστηματικά όλους τους συνδυασμούς των διακοπτών. Να εντοπίζουν και να αποκαθιστούν σφάλματα καλωδίωσης. Στάσεις Να εργάζονται με ασφάλεια και συνέπεια. Να τεκμηριώνουν τις αποφάσεις τους με μετρήσεις. Να συνεργάζονται και να ελέγχουν ο ένας την εργασία του άλλου. Να αποφεύγουν συνδέσεις που βασίζονται μόνο στην εμφάνιση ή στο χρώμα των ακροδεκτών.