Elektronikk FORELØPIG UTGAVE

Transkript

1 Elektronikk FORELØPIG UTGAVE bakgrunnstoff Rolf Ingebrigtsen Elektronikk teori s. 1 av 47 Rolf Ingebrigtsen

2 Innholdsliste Innholdsliste... 2 Elektrisitet - grunnlag... 4 Atomer og molekyler... 4 Ny kunnskap... 4 Statisk oppladning... 4 Ledere og isolatorer Statisk elektrisitet og støt Ladning - strøm:... 5 Elektrisk spenning... 5 Lysnettet og vekselspenning Elektrisk motstand... 6 Arbeid og effekt Elektronikk-komponentene Motstander Materialer og konstruksjon... 8 Symboler og begreper Vanlig motstand: Merking og fargekode Potmeter - variabel motstand: Spesialmotstander: LDR...10 NTC - Termistor...10 PTC...10 Oppgaver: Kondensatorer: Aktive komponenter Dioder Lysdioder (LED) Lysfølsomme dioder Fotoceller Oppgaver: Transistorer Bipolare ("vanlige") transistorer Darlingtontransistorer...15 NPN og PNP...15 MOSFET: Fototransistor Oppgaver: Andre komponenter: Lydgivere: Elektromotorer: Brytere: Batterier Transformator - nettadapter Begrensninger Elektriske kretser Sluttet krets Krets med bryter og motstand Seriekopling Parallellkopling Seriekopling av batterier Oppgaver: Å måle strøm, spenning og motstand Hvorfor bruke motstander? Strømbegrensning: Strøm -til-spenning omformer: Spenning-til-strøm omformer: Variabel spenningsdeler: Temperaturmåling med termistor: Elektronikk teori s. 2 av 47 Rolf Ingebrigtsen

3 Lysmåling med LDR: Oppgaver: Kunsten å bruke lysdioder Beregninger Oppgave:...28 Å måle strømmen i en LED i en krets Flere lysdioder på samme tid Seriekopling:...28 Parallelle seriekoplinger:...29 Andre lysdiode-typer...29 Oppgaver Krester med kondensator Oppladning av kondensator Tidskonstant Utladning av kondensator Oppgaver: Elektronikk med transistor Transistoren som AV/PÅ-bryter Sensor- transistor...35 Transistorkrets med sensor Elektronikk - systemer...37 Styring- og alarmsystemer Hvorfor elektronikk? Systemer uten elektronikk Systemer med elektronisk bryter Indikator eller alarm?...39 Logiske funksjoner Binære systemer Analog - digital Logiske funksjoner og koplinger ELLER-funksjon: OG-funksjon: Logikk med transistorer logiske kretser Eller-port: OG-port: IKKE - NOT IKKE-ELLER og IKKE-OG (NOR og NAND) Større porter Flip-flop Eksempel : Avstigningssignal på buss Logiske familier Integrerte kretser...45 Oppgaver: Digital styring Bruk av mikrokontrollere Elektronikk teori s. 3 av 47 Rolf Ingebrigtsen

4 Elektrisitet - grunnlag Atomer og molekyler Vi sjøl og alt rundt oss er stappfullt av elektrisitet. Det et fordi molekylene i alt stoff er bygd opp av atomer, - som består av atomkjerner med nøytroner og protoner, og omgitt av en sverm med elektroner som raser rundt. Protonene har positiv elektrisk ladning, elektronene like mye negativ ladning. Protoner og elektroner virker på hverandre med sterke tiltrekkende krefter, mens protoner innbyrdes og elektroner innbyrdes frastøter hverandre med like sterke krefter. Nøytronene er like store som protonene, men mangler elektrisk ladning. De er en slags kastrerte protoner. Elektronene er mye mindre enn protonene, som en joggesko i forhold til en bil. Konsekvensene av all denne elektrisiteten er enorme. Det er elektriske krefter som gjør at stål er stivt og sterkt, at stein er hardt osv. Bare det å forestille seg hvordan verden ville sett ut uten disse elektriske kreftene, er umulig. At alle kjemiske stoffer og forbindelser avhenger av dem, er bare forbokstaven. For det er også umulig å forestille seg ulike grunnstoffer i en verden uten elektriske ladninger og krefter. Ny kunnskap Likevel er det bar et par-tre hundre år siden naturviterne for alvor begynte å utvikle riktige teorier og forståelse på dette feltet. Det skyldes nok at de elektriske ladningene rundt oss nesten alltid opptrer statisk og i nøytralisert form. Statisk siden de ikke viser sansbar bevegelse, - nøytralisert fordi positive protoner og negative elektroner opptrer sammen i molekyler og strukturer der de utad sett nøytraliserer hverandre. Ta et oksygenatom som eksempel. Det består av en kjerne med 8 nøytroner og 8 protoner. I elektronsvermen rundt er det 8 elektroner. Det blir 8 pluss- og 8 minus-ladninger, så sett utenfra ser derfor dette atomet ut til å være elektrisk nøytralt, og det gjelder for de fleste av stoffene og objektene rundt oss. I naturen et finnes det et dramatisk unntak fra denne regelen : Et fenomen som har skremt og facinert mennesker siden artens opprinnelse. Og som i likhet med andre uforståelige naturfenomener ble tolket som uttrykk for guds og guders lek, vrede og herredømme: Lynet! Når vi ser nærmere etter, finner vi mange om ikke så fullt så spektakulære - fenomener. Statisk oppladning Elektronene er bitte, bitte knøttsmå i forhold til protonene, og sitter ikke spikret fast i atomene slik som dem. Derfor har de mye lettere for å flytte på seg. Det er viktig! Når vi gnir en glass-stav med en tørr silkeklut, så vil kluten og staven etterpå tiltrekke hverandre. Forklaringen er at ved denne prosessen hopper noen av elektronene i glasset over på kluten. Dersom glasset var elektrisk nøytralt til å begynne med (dvs. hadde like mange elektroner som protroner), så vil nå protonene være i flertall. Staven er blitt positivt elektrisk ladet! Og motsatt for kluten, som nå er negativ. Her er det et lite overskudd på elektroner, så kluten er negativt ladet. Elektronikk teori s. 4 av 47 Rolf Ingebrigtsen

5 Ledere og isolatorer. Selv om noen elektroner lett kan flyttes på, så har de ulike stoffene ulike egenskaper i så måte. I noen stoffer som glass holder de seg godt inntil atomene sine, mens i andre er noen av dem mer løsaktige. Metaller er eksempler på det. Kopper har 29 protoner i kjernen (og 34 eller 36 nøytroner) og samler derfor 29 elektroner rundt seg. Noen holder seg nær kjernen, mens andre befinner seg lenger ut. Og ett av dem er ytterst og veldig løst bundet til sin kjerne. Når så et enorm antall slike kopperatomer sitter fast til hverandre (pga elektriske krefter!) i svære strukturer og danner for eksempel en kopperledning, blir det enormt mange slike løse elektroner som kan vandre omtrent helt fritt inne i kopperet. Det betyr at kopper er en god strømleder. I glasset er det ikke slik. Her er alle elektronene lojale mot de respektive atomkjernene. De sitter fast, og det blir det ikke ledere av. Men gode isolatorer! Hvorfor noen elektroner er trofaste og andre løsaktige, er en annen sak. Skal du videre på den, må du begynne med kvantefysikk. Og er du i gruppen interessert leser kan du jo starte med wikipedia eller Store norske leksikon Statisk elektrisitet og støt. Støt kan du få etter at du har gått rundt på et tørt gulvteppe i bare sokkelesten. Sokkene dine gnir mot teppet mens du subber rundt, og da vil noen (milliarder på milliarder!) elektroner hoppe fra deg og over i teppet. Du merker det selv ikke med det samme, for det skjer gradvis. Men snart har du opparbeidet et underskudd på elektronerer og blitt positivt ladet, og om du tar på en stor metallgjenstand (gelender, vannkran ), som har løse elektroner, går det plutselig et skred av elektroner tilbake på deg, - en elektrisk utladning.. du har fått et elektrisk støt!. Det kan til og med oppstå en liten gnist, et mikro lyn. Det føles ubehagelig, og vi snakker om statisk elelektrisitet. Men selve støtet skyldes ikke selve ladningen. Det skyldes selve strømstøtet, elektronskredet. Ladning - strøm: Når en vannstrøm samles opp i ei bøtte, så får vi en vannmengde i bøtta. Samler vi opp elektroner, så får vi en "elektronmengde". Men poenget med elektronet i denne sammenhengen er at det er bærer av en elektrisk ladning. Så derfor må vi definere elektrisk strøm som en strøm av elektriske ladninger. Fra kjemi og fysikk vet vi at protoner, som vi finner i atomkjernene, også er ladningsbærere. Derfor kan også de være med på å lage elektrisk strøm. Elektrisk strøm: Enheten for elektrisk strøm er A (Ampere), som er en grunnenhet i fysikken (en ikke-avledet enhet). Vi bruker ofte ma (1 ma = 0,001 A) Elektrisk ladning: Sier noe om mengden av elektrisitet, slik som antall melkekartonger i ei butikkhylle sier noe om mengden av melk. (Hva elektrisk ladning egentlig er, sier fysikken lite om. Vi studerer heller hvordan den manifesterer og oppfører seg). Elektrisk spenning. Elektrisk spenning er ikke så lett å få tak på som strøm. Spenning er ikke noe som går gjennom ei lyspære eller en krets. Derimot er spenning et uttrykk for kraften som dytter på Elektronikk teori s. 5 av 47 Rolf Ingebrigtsen

6 elektronene, får dem til å bevege seg. Når vi kopler en elektrisk spenning til de to endene på ei kopperledning, oppstår det (elektriske) krefter utenfra på elektronene inne i ledningen. Og siden de sitter løst, så vil de begynne å flytte på seg. Med andre ord: Strøm! Måleenheten for elektrisk spenning er volt, forkortes V. Et vanlig sylinderformet batteri gir 1,5 volt. Den har en pluss-pol og en minus-pol. Vanlige elektriske småapparater bruker fra 1,5 V opp til kanskje 12 V. Siden et batteri kan levere strøm, skulle man tro at det inneholder et enormt overskudd av elektroner som vi bare tappe ut, - slik man heller ut vann fra ei flaske. Men slik er det ikke. Batteriet inneholder kjemiske stoffer som reagerer og fungerer som pumpe for elektronene. Lysnettet og vekselspenning. På lysnettet er spenningen mye høyere, opp til 310 V. Den er ikke konstant, som på et batteri, men varierer hele tida, - snur 50 ganger i løpet av et sekund! Det kalles vekselspenning. Kroppen vår er en bra strømleder. Men å utsette den for strøm utenfra er risky business. Strøm gjennom hjerteregionen er spesielt farlig. Det skal ikke mye til for å forstyrre nerveimpulene til hjertet slik at det i verste fall stopper. 50 volt kan være nok til å lage ubehag, og det kan i verste fall være livsfarlig. Oppgave: 1 Hva er forskjellen på strøm og spenning? Hva er elektrisk ladning? Hva betyr ma? 2 En strøm på 20mA går i en ledning. Hvor stor er ladningen som passerer i løpet av et minutt? 3. Etter en arbeidsulykke sto det å lese i en avis at han fikk 15000V gjennom kroppen. Hva er galt med denne formuleringen? Elektrisk motstand. Det må en spenning til for at det skal gå strøm i ei ledning, for elektronene blir bremset av atomene inne i ledningen. Strømmen møter en viss motstand. Jo lengre ledning, dess større motstand. Vil tynnere ledning gi større eller mindre motstand? Større, opplagt! At det er motstand i en ledning høres kanskje ikke bra ut. Men motstanden mot strøm har likevel det gode ved seg at den begrenser strømmen. Derfor er elektrisk motstand resistans en viktig størrelse i elektronikk. Den måles i ohm. Kopler vi et batteri på 1,5V til en ledning med motstand på 10 ohm, så blir strømstyrken 0,15 A (ampere). Resistans = Spenning delt på Strøm(styrke). Eller mer kortfattet: R = U/R = 1,5 volt/ 10 ohm = 0,15 ampere. Denne lille formelen kalles Ohms lov, og den er veldig nyttig for oss. For den forteller oss hvordan vi kan unngå at strømmen i en krets blir for stor. Eller for liten Og vi kan beregne V, R eller I dersom de to andre er kjent. Sirkelen til høyre (URI-sirkelen) skal hjelpe deg til å huske de tre ulike formuleringene av ohms lov: U = R I og R = U/I og I = U/R Elektronikk teori s. 6 av 47 Rolf Ingebrigtsen U R I

7 Oppgaver: 1. Et 1,5V batteri er koplet til en motstand på 30 ohm. Hvor stor blir strømmen? 2. Hvor stor spenning trenger du for å presse 0,4A gjennom 30 ohm? 3. Du har et batteri på 4,5 V og kopler til en motstand. Strømmen blir 0,2 A. Hvor stor er motstanden (resistansen)? Arbeid og effekt. Akkurat som det krever energi å få vannet i et rør til å strømme, så krever det energi for å trykke og holde i gang en elektrisk strøm. Setter vi spenning inn på et apparat slik at det går strøm inn på det, overfører vi elektrisk energi til dette apparatet. Er strømmen 2 ampere og spenningen 5 volt, så er energioverføringen 5 volt x 2ampere = 10joule per sekund. Det kaller vi 10 watt. Kaller vi effekten (overført energi per sekund) for P, strømmen for I og spenningen U kan dette skrives slik: P = U I = 5V 2A = 10 W Denne energien blir ikke borte. Når du lader opp en mobiltelefon, lagres mye av energien fra laderen i batteriet. Og når du etterpå bruker telefonen, sendes litt av denne energien ut fra telefonen som radiobølger. Noe av denne strålingsenrgienen vil bli absorbert av kroppsdeler nær telefonen, og man er litt usikre på hvilke virkninger det kan ha. Størsteparten av denne energien, derimot, blir omgjort til varmeenergi inne i mobilen. Du har sikkert kjent at den blir litt varm når du snakker lenge. I elektroniske apparater kan dette være et problem. For dersom temperaturen i en komponent blir over grader, kan den bli ødelagt. Noe som koster 15 øre og blir overopphetet, kan bety slutten for en mobil til 2000kr! Oppgaver: 1 Et bilbatteri på 12V leverer 25 ampere til diverse lys og apparater i bilen under kjøring. Hvor stor er effekten? Hvor kommer denne energien fra? 2 Varmetrådene i bakruta på bilen er på 150 W. Hvor mye strøm trengs? Elektronikk teori s. 7 av 47 Rolf Ingebrigtsen

8 Elektronikk-komponentene. Elektroniske kretser bygges opp av deler som vi kaller komponenter. De brukte er motstander, dioder, transistorer, integrerte kretser og kondensatorer, og de er delt inn i to hovedtyper: Passive komponenter: Motstander Kondensatorer Halvledere Dioder (aktive) Transistorer Integrerte kretser Motstander. Enheten for resistans blir volt per ampere, som kalles ohm: Ω (gresk O) = V/A. Dersom spenningen over en motstand er 1V når det går en strøm på 1A, så er resistansen 1Ω. Ohm "lov" er ingen naturlov, men en tommelregel som bare gjelder for elektronikkmotstander. For en radio eller en transistor eller et neonlys eller en PC gjelder den IKKE, ja den gjelder heller ikke for de enkle komponentene vi har nevnt foran (med unntak av nettopp elektronikkmotstander). Ohm "lov" gjelder ikke engang for ei enkel glødelampe! Men ofte er det slik at når spenningen over en krets eller komponent øker, så øker strømmen! i komponenten eller kretsen. Selv om heller ikke det er en regel uten unntak.. Materialer og konstruksjon Elektronikkmotstander lages av karbon (kull) og av metalloksyder og -legeringer. Av metallene er konstantan best egnet på grunn av sin lave temperaturavhengighet (temperaturkoeffisient). Motstander laget av metalltråd er kostbare, og brukes bare i spesielle tilfeller, typisk ved høye effekter eller stor nøyaktighet. For å få høy motstand, lages motstands"kroppen" gjerne som en liten sylinder, med motstandsmaterialet lagt som en tynn film eller spiral rundt den og festet til tilkoplingsledningene i hver sin ende. Symboler og begreper. Som symbol for resistans bruker vi fortrinnsvis det øverste i figuren til høyre, men i programvare, tekster og tidsskrifter finner vi også ofte det i midten. Symbolet nederst brukes også, men det er mindre benyttet. Vanlig motstand: Merking og fargekode. Elektronikkmotstander lages i hundrevis av ulike verdier, som de må være merket med. De vanligste er ganske små, under1 cm lange, og 2-3 mm i diameter, og for at merkingen skal være godt synlig, er det vanlig å merke dem med med fargeringer i en spesiell kode. Motstanden i figuren er påført fargene rød-rød-oransje-gull altså 4 ringer. Det betyr : % toleranse, dvs ohm = Elektronikk teori s. 8 av 47 Rolf Ingebrigtsen

9 22kohm ± 5% Og kodenøkkelen ser slik ut: I dag er det ogsåvanligere med 5 fargeringer på motstander, og de tolkes slik: 1. ring 2. ring 3. ring 4. ring 5. ring 1. siffer 2. siffer 3. siffer antall ekstra nuller En eventuell 6. ring (den er bredest) Temperaturstabilitet: Rød: ±0,05%/K Toleranse: Brun: 1% Rød: 2% Gull: 5% Brun Sort Sort Gul Brun ledning kropp ledning Merkingen på motstanden i figuren til høyre over er brun-sort-sort-gul-brun altså 5 ringer. Det blir : % toleranse, dvs ohm = 1Mohm ± 1% Elektronikk teori s. 9 av 47 Rolf Ingebrigtsen

10 Potmeter - variabel motstand: Vi har ofte behov for å varierere - justere - motstander, særlig i spenningsdelere. Da bruker vi et potensiometer, - eller potmeter, som det gjerne kalles, - en slags variabel motstand. Figuren viser prinsippet. Mellom to endekontakter er det laget bane av et ledende belegg som gir en viss motstand. Motstandsbelegg Slepekontakt Prinsipiell utforming Tilkoplinger Poenget er nå at mellom disse endekontaktene er det satt inn en ekstra kontakt, en slepekontakt, som kan forskyves fram og tilbake mens den hele tida gir elektrisk kontakt inn mot motstandsbanen. Det finnes mange ulike praktiske utførelser av potmetre, se figuren. Men det vanligste er at slepekontakten flyttes ved at man vrir på en aksling. Dette er nettopp koplingen foran som brukes som volumkontroll i forsterkere og radioer. R R = R 1 + R 2 Symbol R 2 R 1 Spesialmotstander: I tillegg til de "vanlige" motstandene nevnt over, finnes det spesielle typer som er beregnet for spesialfunksjoner. De vanligste brukes som følere for temperatur og lys (de tre først nevnte).). u INN 0V R 2 R 1 u UT LDR LDR er en engelsk forkortelse (Light Dependent Resistor) og betyr lysavhengig motstand. Den har stor motstand i mørket (typisk mange MΩ ), og liten i kraftig lys, mindre enn 100Ω. Symbol og utseende ser du til høyre: Den brukes til lysmåling eller lysdetektor, typisk anvendelse er som sensor et system for automatisk styring av gatebelysning. NTC - Termistor. Dette er motstander der resistansen avtar sterkt med økende temperatur (Negative Temperature Coefficient). Symbol og typisk utseende ser du til øverst høyre Termistorer brukes ofte rett og slett til temperaturmåling. Se kretsen på s. xx PTC Dette er motstander med positiv temperaturkoeffisient, dvs. at resistansen øker med temperaturen, brukes mye til temperaturmåling. Elektronikk teori s. 10 av 47 Rolf Ingebrigtsen

11 Oppgaver: 1. Nevn en viktig grunn til å bruke mostander i en krets. Gi et eksempel! 2. Bruk tabellene med fargekode for motstander og fyll ut det som mangler i tabellen: Fargekode: Motstandsverdi: 1 rød-rød-sort-sort brun? 2 brun-sort-sort-gul brun?? 1 kohm = 1000 ohm 3 brun-blå-sort-oransje brun? 4 oransje-sort-sort-gull brun? 5? 51 kohm (= ohm) Kondensatorer: Kondensatorer kan lagre elektrisitet. Måleenheten er F (Farad) som er en svært stor verdi. Enheten uf eller µf (mikrof) brukes mye, det er en milliontedels Farad(!). Like ofte finner vi nf (nanofarad), som er tusendedels mikrofarad (1uF = 1000nF), og til og med pf (pikofarad), som er en tusendedels nanofarad (1nF = 1000pF). De varierer sterkt i utseende og størrelse, og kan se ut som i figuren til høyre. Kondensatorer lades opp når det kommer strøm inn på dem, og da stiger spenningen. Motsatt synker spenningen når den lades ut. Dermed kan den brukes som et slags kortvarig batteri og forsyne kretser og utstyr med likestrøm. Dette er svært mye brukt når vi skal ta vekselstrøm fra el.nettet og lage likestrøm til for eksempel batteriladere, datamaskiner, musikkanlegg.. At spenningen stiger og synker ved opp- og utlading, brukes også mye til"tidtaking" i elektroniske kretser. Kondensatorer med store verdier (i uf-området) er som oftest såkalte elektrolyttkondensatorer. De er merket med minus (og eventuelt. med pluss) og må settes inn rett vei i en krets. Disse kondensatorene er også merket med en maksimalspenning, som ikke må overskrides. Eks.: 100uF/25V betyr at kapasitansen (verdien) er 100 uf, og at den ikke tåler mer enn 25V. Kondensatorer med små og middels verdier (i pf, og nf-området) er derimot symmetriske og kan settes inn begge veier i en krets. I koplingsskjemaer finne vi de to symbolene til høyre for kondensatorer, og kondensator"navn" i skjema begynner med C(C står for Capacitor, som er engelsk og betyr kondensator). Elektrolytt kondensator + - "Vanlig" kondensator Elektronikk teori s. 11 av 47 Rolf Ingebrigtsen

12 Aktive komponenter. Dioder En diode leder strøm den ene veien, men sperrer Symbol den andre. De to sidene kalles anode og katode, og Utseende lederetningen er fra anoden til katoden. Vi bruker Anode Katode dioder når vi vil ha "enveiskjøring" av strøm i en krets. En typisk anvendelse er når vi vil lage Anode Katode likestrøm ut av vekselstrøm (likeretter). Ring, lys el. mørk Symbolet viser lederetningen, og ser ut som til Strømretning høyre. I skjema får dioder "navn" som begynner med D. Dioder merkes med skrift eller med fargekode, dessuten med en ring (gjerne svart) på katodesiden. Lysdioder (LED). Når det går strøm i lederetningen i en lysdiode, sender den ut lys, og lysdiode brukes rett og slett som lyspærer. De har den store fordelen framfor vanlige lyspærer at de er nøysomme med strøm og spenning. Dessuten er de små, og de har lang levetid og er billigere å bruke enn glødelamper. Det er viktig å være klar over dette: En LED er en diode som leder strøm bare én vei Tilkoplingsledninger Anode lengst Lysdiode (LED) Flatt parti - Katode kortest Ved feil innlodding av LED blir det ikke noe lys. Og det er en vanlig feil som er lett å gjøre, for merkingen av anode (pluss) og katode (minus) er ikke alltid like lett å få øye på. Plussledningen er litt lengre enn minusledningen, og på kapselen nærmest minus er det et lite flatt parti. Se figuren til høyre! Symboler LEDer finnes i fargene, rødt, oransje, gult grønt og hvitt og blått. Strømmen i en LED bestemmes ved hjelp av en motstand som er koplet i serie, se avsnittet: Kunsten å bruke lysdioder! NB! Bruk motstand koplet i serie!! Uten en slik seriemotstand til å begrense strømmen er sjansen stor for at en rød/grønn/gul LED blir skadet eller ødelagt ved spenninger over 3V! Pluss Seriemotstand Lysfølsomme dioder. Måten dioder lages på, gjør dem også i prinsippet følsomme for lys: De utvikler spenning sjøl og leder strøm når de blir belyst. Fotodioder er dioder som er laget med dette for øyet, og de kan derfor brukes til lysmåling, og til å ta imot lyssignaler. Når du bruker fjernkontrollen til TV en, sendes et signal, en kode, fra en lysdiode i fjernkontrollen mot TV en. Den er utstyrt med nettopp en fotodiode (eller en fototransistor, som egentlig er det samme, bare med forsterkning) som oppfanger lyssignalene og sammen med litt elektronikk gjør dem om til spenning. LED Minus Elektronikk teori s. 12 av 47 Rolf Ingebrigtsen

13 Når du ikke ser dette lyset, er det fordi det er infrarødt, usynlig for det menneskelige øye. Det er gjort for å unngå forstyrrelser fra diverse andre, synlige lyskilder, som lamper og sollys. Fotoceller Det finnes flere lysfølsomme komponenter, og en vanlig fellesbetegnelse er fotoceller. Den andre vanlige typen er fotomotstander. De er tilgjengelige i mange ohm-verdier, og brukes mye. De er veldig følsomme, men reagerer mye seinere enn fotodioder og koster mer. Og så er de vidvinklet, mens fotodioder og fototransistorer har tunnelsyn. Begge variantene har sine bruksområder. Solceller reagerer sterkt på lys, så de kan også brukes. Men de er jo svære og kostbare. Vi kan jo også nevne at alle dioder og transistorer egentlig er lysømfindtlige. Det merkes ikke for vanlige dioder og transistorer, for de er støpt inn i lystett plast. Men LED er kan faktisk brukes i sterkt lys. Vel å merke dersom de får hjelp av en følsom transistor! Oppgaver: 1. Hva betyr forkortelsen LED? 2a Når du skal buke en LED er det viktig at den koples inn rett vei. Hvorfor det? Og hvordan kan du sjøl se om den er koplet rett? b Hva kan være brukbar strøm for en "vanlig" LED som skal lyse bra: 1 ma, 10 ma, 100 ma? Hvilket av disse alternativene er verst? Hvorfor? 3. Hvorfor er det viktig å alltid ha med en motstand når du skal kople inn en LED i en krets? Tegn et skjema der du bruker et batteri til å få lys i en LED! Husk + og i tegn. 4 a. Bruk (ELFA en stor elektronikkleverandør) til å finne ut hvilke av egenskapene til en LED som regnes for viktige (velg Lamper/optokomponenter..) b Vi bruker mye LED av typen av EL333GD. Hvilken farge har den? Kan du finne noen type som lyser sterkere uten at prisen stiger noe særlig? Elektronikk teori s. 13 av 47 Rolf Ingebrigtsen

14 Transistorer. Transistorer kan forsterke strømmer og spenninger, og de kan brukes som elektrisk styrte brytere. I motsetning til andre komponenter har transistorer tre tilkoplings"bein". De tre tilkoplingene ("beina") kalles emitter E, base B og kollektor K (C på eng.). Det ene beinet, basen B, er en styreelektrode som styrer hovedstrømmen som kan gå mellom de to andre. Enkelt sagt virker transistoren som en styrt bryter, som NPN ligger mellom K og E. Det er mellom disse to hovedstrømmen går. Men i motsetning til en vanlig lysbryter som styres ved hjelp av et trykk med fingeren, så styres transistoren elektrisk. Det er basen B som er styreelektroden. Uten strøm i basen Typisk E er bryteren åpen, og det går ingen strøm. Da er transistoren utseende B helt AV. K Men dersom vi sender litt strøm inn på basen eller gir den litt spenning (ca. 0,6 0,8V), så slås bryteren PÅ, og det kan gå mye strøm mellom K og E. Men legg merke til at denne strømmen bare kan gå i den retningen som pilen i transistorsymbolet viser. K må altså være koplet mot pluss-sida i kretsen, E mot minus. Det finnes et hav av transistortyper. Mange er så like at de kan brukes om hverandre. Ei hovedgruppe er såkalte småsignaltransistorer beregnet for mindre strømmer (ikke mer enn noen hundre ma, det vil si nok strøm til ei lommelykt pære), se figuren til høyre, der den er tegnet omtrent i naturlig størrelse. Det finnes også tøffere typer, "medium power", som - grovt sagt - tåler det 10-doble, og "power" som tåler opp til et par hundre ganger mer. De er på størrelse med ett - to fingerledd. Vi tar en titt å noen hovedtyper: Symbol : B K E B K E Bipolare ("vanlige") transistorer. Dette er den transistortypen vi finner i de aller fleste enkle hobbyprosjekt, - de er billige og robuste med bra følsomhet. I enhver stereoforsterker finner vil haugevis med slike. BC337 i "Elektronisk øye" er av denne typen, og kan også brukes i andre av prosjektene der vi ikke trenger så høy følsomhet som BC517 gir. En transistor kan også brukes som forsterker for signaler, - som for eksempel fra en mikrofon. Da arbeider den i "gråsonen" mellom AV og PÅ, og da varierer hovedstrømmen i takt med styrespenningen på basendenne. Forsterkes denne strømmen og sendes til en høyttaler, gjenskapes den opprinnelige lyden. K Transistorer er ikke svært robuste komponenter. Spesielt er de sårbare overfor store strømmer i basen (styreelektroden). Når R B transistorer brukes som bryter i en krets, må det være satt inn en NPN ytre motstand i serie med basen, se fig. til høyre. Den har som funksjon å begrense basestrømmen slik at transistoren ikke skal E bli ødelagt. Det er en typisk anvendelse for motstander: Begrense strømmen til en uskadelig eller ønsket verdi. I figuren vil en motstand på 1 kohm (=1000 ohm) passe bra. Elektronikk teori s. 14 av 47 Rolf Ingebrigtsen

15 Darlingtontransistorer Dette er egentlig to transistorer (slike som over) satt sammen slik at de blir enormt mye mer følsom på styreelektroden enn de "vanlige" transistorene er. Men de lages sammen og kapsles inn i samme type kapsel som "vanlige" transistorer, med tre tilkoplingsbein: En styreelektrode (base) og to bein (kollektor og emitter) for hovedstrømmen. Det går derfor ikke an K å se utenpå om det dreier seg om en darlingtontype eller en "vanlig" type. Darlington krever mer spenning inn på styreelektroden (basen) enn vanlige B transistorer, 1 1,5V. Til gjengjeld greier den seg med langt mindre styrestrøm. I kretsene i heftet greier det seg med 0,2µA, altså 0, A!! E Darlingtontransistorer brukes der styrestrømmen skal holdes ekstra lav. Som NPN symbol for darlingtontransistorer kann vi til nød bruk det samme som for vanlige transistorer darlington (se foran). Det er strengt tatt ikke riktig, symbolet til høyre er det "korrekte". For det viser nettopp hvordan to transistorer er koplet sammen for at det skal bli en darlingtontransistor. NPN og PNP. Bipolare transistorer finnes i to ulike, motsatte, sorter, "kjønn": NPN og PNP. Forskjellen fra NPN, som allerede er omtalt, er at strømmer og spenninger i PNPtransistorer blir diametralt motsatt. Symbolet for en PNPtransistor (til høyre) viser dette ved at pila i emitteren er snudd motsatt vei. Når det går strøm i en NPNtransistor, så går den inn på kollektor (K) og kommer ut fra emitteren (E). I en PNPtrnsistor går den derimot inn på emitter (E) og kommer ut fra kollektor (K). Når vi bruker en PNPtransistor, må derfor emitter (E) koples mot pluss, mens kollektor går mot minus. MOSFET: Dette er transistorer med en helt annen virkemåte enn de som er nevnt foran. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor!) har overtatt mer og mer for de gammeldagse bipolare nevnt foran. De har en rekke fordeler: Raskere, enda mye mere følsomme enn darlingtontypene, men er gjerne noe dyrere. Fototransistor. Det finnes også transistorer som er følsomme for lys og brukes som fotoceller. De er mye mer følsomme enn fotodioder, og greie å bruke. Ikke så dyre heller. Symbolet er en transistor uten styreelektrode, og dermed bare to bein. I praksis ser de fleste typene ut som vanlige lysdioder, bare at de er glassklare eller sotfargede. De må koples med det korte beinet ned mot minus i kretsen. Det er motsatt i forhold til lysdioder (LED). B Gate K B NPN E E PNP Drain K (Substrat) Source K E Elektronikk teori s. 15 av 47 Rolf Ingebrigtsen

16 Oppgaver: 1. Tegn symbolet for en NPNtransistor og sett navn på beina. 2. En transistor kan brukes som strømbryter. Hva må til for at den skal være PÅ, dvs. at det skal kunne gå strøm i den, og hvor går denne strømmen i transistoren? Hva må til for at den skal være AV? 3a. Hvordan kan du beskytte styreelektroden til en transistor mot for høye strømmer og spenninger? b Hvorfor er det så viktig at du aldri forveksler kollektor med emitter (og omvendt) når du skal bruke en transistor? 4. Bruk til å sammenligne småsignaltransistorene BC547B og BC337 (velg Halvledere->Diskrete halvledere- >småsignaltransistorer..). Hvilken type tåler mest strøm? Hvor mye da? 5. Til kretsen i vannsølvarsleren (fuktighetsdetektoren) brukes BC517, og ikke en av de to foran. Hva kan grunnen(e) til det være? (Hint: Hva skiller disse transistortypene fra hverandre) Elektronikk teori s. 16 av 47 Rolf Ingebrigtsen

17 Andre komponenter: Det kommer ikke noe interessant ut av bare motstander og halvledere (transistorer og dioder og integrerte kretser. Vi trenger også å sende inn signaler og få en eller annen aksjon ut av kretsen. Lydgivere: Høyttalere: Summere: Strøm sendes i en spole og lager en magnet som drar i høyttalermembranen, slik at den beveger seg i takt med strømmen. Trenger kraftig strøm som veksler i takt med lyden. Trenger en kraftig vekselspenningssignalkilde. Også kalt buzzere, alarmgivere, lydgivere og så videre finnes i mange ulike varianter. Samme prinsipp som for høyttaler, men de som er aktuelle for oss, inneholder sin egen tonekilde, og nøyer seg med likestrøm. Det betyr at du må ikke tulle med pluss og minus når den koples til. De lages for flere spenningsområder : (omtrent 2-4V, 4-8V, 8-16V og 16-32V). Den elektromagnetiske typen gir middels lyd, og drar 5-30mA strøm. Den piezoelektriske typen finnes i mange varianter, lydstyrker og priser. Elektromotorer: Brytere: Trykkontakt. Består av en elektromagnet som kan rotere inne i et magnetfelt. Når vi setter spenning på motoren, går det strøm i rotoren. Den blir magnetisk, og dyttes/dras rundt av det faste magnetfeltet som er til stede hele tida fra en permanent magnet. Ved hjelp av girboks kan vi få sterke vridningsmoment fra en motor. Små motorer trenger en strøm på 0,1-1 A. Til AV/Påbrytere er vippebryter de beste. Det er ofte 3 kontakttilkoplinger på brytere, Symbol for bryter (1 og da kalles også for "vendere". Til en hver pol) tid vil det være kontakt mellom to av 1 tilkoplingene, - i figuren er det mellom 2 kontakt 1 og 2 når venderen står opp. Når 3 bryteren vippes over, bryter de kontaktene som før var lukket, mens de som var brutt, blir lukket (2 og 3 i fig.). Brytere med ett Vender (bryter) med 1 pol slikt kontaktsett (på 3 kontakter) kalles 1- pols. 2-pols er også vanlig, da inneholder bryteren to elektrisk adskilte kontaktsett som opereres av samme hendel. Brukt som AV/PÅbryter er det ikke Utseende nødvendig å kople seg til mer enn to av kontaktene, 1 og eller 2 og 3 i figuren. Legg merke til at det aldri vil være kontakt mellom 1 og 3! Utseende Symboler Når du vil lage kontakt bare idet en knott trykkes. Slike brytere (som jo egentlig burde vært kalt "lukker") har to tilkoplinger som kommer i kontakt med hverandre når knappen trykkes. Elektronikk teori s. 17 av 47 Rolf Ingebrigtsen

18 Magnetkontakter: Dette er en lite glassrør med to metalltunger i, som hver går til en tilkopling på hver side. Poenget er at disse to metalltungene trekkes mot hverandre og danner kontakt de kommer i nærheten av en magnet. (Brukes mye i tyverialarmer i hus.) Batterier. En enkelt AA battericelle av vanlig type gir 1,5V. Der er for lite for vanlig elektronisk utstyr, som krever minst 3V. For oss er det mest praktisk med 4,5V som lages vha egne batteribokser der 3 AA-celler automatisk seriekoples når cellene dyttes på plass mah. Det betyr at de kan levere 10mA kontinuerlig i timer. Transformator - nettadapter. Kreves det større strøm enn det som er praktisk/økonomisk å hente fra et batteri, et det best å ta strøm fra lysnettet. Hvis det er innendørs bruk vi snakker om, da. Da er det greitt å bruke en såkalt batterieliminator, som følger med når du kjøper bærbar, oppladbar elektronikk (mp3-spillere, mobiltelefoner og annet). Det er små plastbokser festet til et nettstøpsel. De er også å få kjøpt alene, og på de fineste og dyreste - typene kan man stille inn spenninger. De eldre typene er forholdsvis tunge. Det er fordi de inneholder en transformator, laget med mye jern og kobber. Vær OBS på at de gir ut ulike spenninger, og fra noen får du likespenning, fra andre vekselspenning. I så fall må du likerette spenningen med dioder før du kan bruke den til elektroniske apparater! Langt å foretrekke er nyere nettadaptere til mobiltelefoner. De er laget uten den gamle, tunge transformatoren. Ikke bare er de lette, - de gir også en veldig konstant spenning på 5 6V, og strømmer opp til ca. en halv ampere. Derfor er de svært godt egnet som spenningskilde til små elektronikkprosjekter. Begrensninger. Det er viktig å være oppmerksom på at alle komponenter har begrensninger for hva de tåler, også brytere og ledninger. Komponentene skal verken ha det for varmt eller for kaldt, og dersom vi omgås dem for brutalt, går de i stykker. Spesielt kan kombinasjonen av høy spenning og høy strøm være problematisk, ja fatal. Grunnen til det ligger i formelen i forrige avsnitt: Den tilførte elektriske energien P = U I går nemlig vanligvis over til varme i komponenten. Og nettopp varmen er det som er problemet. Blir temperaturen for høy, ødelegges alle slags komponenter: Motstander, transistorer, brytere og ledninger. Ja selv om de ikke skulle stryke med straks, så er det som med sigarettrøyking: Levetiden og kvaliteten reduseres!noen komponenter tåler mye, mens andre tåler lite. Hovedregelen er at jo større fysiske størrelsen en komponent har, dess større effekt tåler den.. De små motstandene, lysdiodene og transistorene vi bruker, tåler ca. 0,5 W, mens motstanden inne i en vanlig elektrisk varmeovn er laget for å tåle 2000W 3000W i lange perioder. Et spesialtilfelle er elektrolytiske (polariserte) kondensatorer, - slike som vi bruker i flere elektronikkprosjekter. De tåler ikke spenning feil vei, ja om uhellet er ute, kan en elektrolyttkondensator rett og slett eksplodere når stor spenning er satt på feil vei, uten motstander i kretsen til å begrense strømmen. Og glem ikke: Ha alltid en motstand i serie med lysdioder og transistorbaser. ALLTID!!! Elektronikk teori s. 18 av 47 Rolf Ingebrigtsen

19 Elektriske kretser. Det som lyser når det går strøm i ei lyspære, er glødetråden. Det er en lang, tynn metalltråd, med en viss motstand (resistans), dimensjonert slik at den skal bli passe varm, og lyse passe mye når rett spenning er tilkoplet. Sluttet krets En enkel strømkrets med ei lyspære og et batteri viser et par viktige prinsipper. For det første: Vi trenger TO ledninger mellom batteriet og pæra. For det er ikke slik at det bare går strøm fra batteriet og til pæra! Det må også gå strøm FRA pæra og til batteriet! Like mye som andre veien, faktisk! Det går elektroner fra minuspolen på batteriet og til pæra, videre gjennom den, så tilbake til batteriet. Og ikke bare det: De kjemiske prosessene inne i batteriet pumper elektroner tilbake til minuspolen igjen! Dermed har vi en sluttet krets! En hver elektrisk krets er en sluttet krets. Strømmen går alltid i ring. For det andre: I metaller og elektroniske komponenter er det alltid elektroner som står for bevegelsen og strømmen. Likevel sier vi at den positive strømmen går fra plusspolen og til minus. Som vi har sett, er det egentlig feil. Men da elektronene ble oppdaget, valgte man å fortsette å snakke på gammelmåten. Og pytt-pytt, - resultatet blir nå det samme Batteri og lyspærer i virkeligheten : Batteri og ei lyspære skjematisk: Strøm Batteri Motstand (I figuren over ser du at vi bruker TO ulike typer tegninger: En som er fotografisk, og en annen som er skjematisk og bare viser prinsippet. Sistnevnte er ofte enklere å lese, for den består av forenklede standardsymboler.) Elektronikk teori s. 19 av 47 Rolf Ingebrigtsen

20 Krets med bryter og motstand. Kretser med bare en motstand er det enkleste man kan lage, og det finnes masse av dem, - med en modifikasjon: De inneholder gjerne en bryter slik at man kan slå strømmen AV og PÅ. Når en motstand brukes slik, er det som regel for at den tilførte elektriske energien går over til varmeenergi i motstanden. Den kan være et varmeelement eller ei lyspære (som også er et slags varmeelement). I figuren til venstre er bryteren vist i åpen tilstand (AV) Da er kretsen brutt, og det går ikke strøm. Til høyre er bryteren lukket (PÅ). Pilene viser hvilken retning (den positive ) strømmen har rundt i kretsen. Da vil det gå samme strøm gjennom bryteren som gjennom motstanden (og batteriet, for den saks skyld..). Da sier vi at de to står i serie med hverandre, de er seriekoplet. + Batteri _ Åpen bryter Ingen strøm Motstand + Batteri _ Lukket bryter Strøm Motstand Seriekopling. Ofte inngår flere motstander i en og samme krets. I hovedsak er det to måter å kople sammen to motstander på. Den første heter seriekopling, og er vist i figuren til høyre. Her er motstandene koplet etter hverandre, så de samarbeider om å bremse den samme strømmen. Den totale motstanden blir derfor summen av dem: R total = R 1 + R 2 To motstander i serie: Eks.: Dersom R 1 = 10 ohm og R 2 = 20 ohm, så blir totalmotstanden R total = R 1 + R 2 = 10 ohm + 20 ohm = 30 ohm Og dersom vi kjenner batterispenningen V, kan vi bruke URI-sirkelen foran til også å finne strømmen. oss bruke et batteri på 1,5 V (volt): I = U/R = 1,5V/30 ohm = 0,05A = 50mA V Batteri Strøm I R 1 R 2 La Ved å kople motstander i serie øker den totale motstanden og strømmen minker. Parallellkopling. Dette er den andre måten å kople på. I figuren til høyre ser du at motstandene nå er koplet ved siden av hverandre. Strømmen i R 1 vil nå ikke gå gjennom R 2, og omvendt. Batterispenningen U er nå koplet direkte til R 1, akkurat som om R 1 var aleine i kretsen. Og samme for R 2. Begge strømmene, både I 1 og I 2 kommer fra batteriet, så den totale batteristrømmen I total må derfor være summen av dem: V Batteri To motstander i parallell: I total R 1 R 2 I 1 I 2 Elektronikk teori s. 20 av 47 Rolf Ingebrigtsen