Skolelaboratoriet for matematikk, naturfag og teknologi Elevverksted Elektronikk Bruk av transistor som bryter Bakgrunnskunnskap: - Å kunne beregne strøm, spenning og resistans i elektriske kretser. Dvs. kjenne til og kunne bruke Ohms lov og Kirchhoffs lover - Å kunne bruke et multimeter - Å vite hva som menes med n-dopet og p-dopet materiale, hva som skjer når disse settes sammen og virkemåten til en diode. (Se Viten-programmet «Oppgaver om halvledere», https://www.viten.no/?halvleder) - Å kunne bruke regneark og kurvetilpasning (regresjon) Grunnleggende om dioden I en diode er n-dopet og p-dopet materiale satt inntil hverandre. Løst bundne elektroner i n- materialet vil falle ned i positive hull i p-materialet. I materialet der elektroner forsvinner blir det overskudd av positiv ladning, mens materialet der elektronene fyller ledige hull blir negativt. Derfor oppstår det et elektrisk felt som går fra + til i grenseflata. I det elektriske feltet vil positive ladninger bli utsatt for en elektrisk kraft med samme retning som feltet, mens negative ladninger utsettes for en kraft med motsatt retning. (+ trekkes mot -, og mot +.) Det elektriske feltet kalles for et sperresjikt fordi det sperrer for transport av elektroner fra n- til p-materialet. Hvis vi setter en spenning over dioden, vil vi registrere at den ikke leder strøm i det hele tatt dersom vi setter positiv spenning på n-sida og negativ på p-sida. Hvis vi kobler motsatt, vil det gå strøm når den ytre spenningen «vinner over» sperresjiktet. Men når den gjør det, vil strømmen flyte veldig lett, altså med svært liten resistans. Se detaljene her: https://www.viten.no/?halvleder. (5 A og B) Dette betyr at en diode er en komponent som sperrer i en retning og leder veldig godt i motsatt retning når spenningen er over en viss verdi (ofte rundt 0,7 V). Symbol for en diode: Nils Kr. Rossing, 2008 / Revidert av Astrid Johansen 2019
Grunnleggende om transistoren En enkel transistor får vi hvis vi setter sammen to n-p-dioder «rygg-mot-rygg». Da får vi dannet to sperresjikt. Dette kalles en npn-transistor, og den har tre kontaktpunkt: basen (B), kollektor (K) og emitter (E). Se figuren under. Her kan vi endre på det høyre sperresjiktet ved å endre på spenningen til basen, B. Når spenningen mellom B og E overvinner det høyre sperresjiktet, «åpnes døra» for at strømmen kan gå fra kollektor (K) til emitter (E). Se Viten-animasjonen https://www.viten.no/?halvleder (6 A og C). Dette betyr at en liten endring av spenningen på B kan sette i gang en stor strøm fra K til E. Dermed kan transistoren virke som bryter. Symbolet for transistor: Her står C for «collector». Det som er viktig å ha med seg her, er at strømmen fra C til E er 0 når spenningen mellom B og E er mindre enn typisk 0,7 V. Hvis spenningen er høyere enn denne verdien, går strømmen fra C til E nesten uten motstand. Spenningsdeleren En mye brukt metode for å justere spenningen i et punkt i en elektrisk krets, er spenningsdeleren. Her er R2 en variabel motstand. Oppgaver 1. Hva er U2 hvis U p = 12 V, R 1 = 10 Ω og R 2 = 20 Ω? 2. Hva skjer med spenningen U2hvis resistansen til R2 øker? 3. Hva er sammenhengen mellom resistansene R 1, R 2, U2 og U p? side 2
Del A. Fuktighetsdetektoren Forhåndsoppgaver til diskusjon i gruppa 1. Studer kretsen i figuren under. Dioden D 1 og lydgiveren Z 1 gir ut signal når det går strøm gjennom dem. Hva skal til for at det skjer? Så lenge det ikke går strøm fra basen (b) til emitter (e), går det ikke strøm gjennom transistoren T 2 og dermed heller ikke strøm gjennom diode/lydgiver inn på kollektor (c). Basen til T 2 ser vi er koblet til emitteren på T 1. Så for at det skal gå strøm gjennom T 2, må det gå strøm gjennom T 1. Hva skal til for at det skal gå strøm gjennom T 1? 2. Hva skjer hvis vi kobler inn en motstand mellom 1. og 2.? Spenningsfallet over en motstand er gitt ved Ohms lov: U = RI Dersom resistansen til motstanden som kobles inn er liten, blir spenningsfallet mellom 1. og 2. også lite. Dermed blir spenningen på punkt 2. (altså basen) litt mindre enn 4,5 V. Dette er mer enn nok for å åpne transistoren. Altså går det strøm ut av T 1. 3. Hvordan kan kretsen over gi alarm dersom det kommer fukt inn i en gjenstand? Hint: Hva kan du si om resistansen til en tørr ting i forhold til om den er fuktig? 4. Hvordan vil du koble inn gjenstanden i kretsen? 5. Koble opp kretsen. Bruk byggesettet i posen og beskrivelsen på eget ark. side 3
Del B. Lag en temperaturalarm Oppdrag: Dere skal lage en badevannsdetektor som gir signal når temperaturen i vannet blir høyere enn 37 C. Alle digitale temperatursensorer består at et materiale som endrer resistans når temperaturen endres. Dermed kan resistansen være et mål for temperaturen. Her skal vi bruke en slik temperatursensor (en NTC-motstand, RH16) i detektorkretsen vår. Den ser sånn ut Trinn på veien: 1. Hvilken resistans har temperatursensoren ved 37 C? 2. Hvilken spenning U 1 må det minst være på basen for at detektoren skal gi signal? 3. Vi må plassere temperatursensoren og en motstand med fast verdi i posisjonene merket R A og R B i kretsskjemaet under. Hvilken skal hvor, og hva må verdien til fastmotstanden være? side 4
1. Sammenhengen mellom temperaturen og resistansen Bruk et multimeter som kan måle resistans (dvs. et Ohm-meter), ledninger med krokodilleklemmer, vann du kan regulere temperaturen til (kan bruke vann fra vannkoker) og et termometer (helst digitalt). Pass på at multimeteret er innstilt på å måle resistans og velg et måleområde som viser kω. Registrer sammenhørende verdier mellom temperatur og resistans i et regneark (f.eks. i Geogebra) Temperatur ( C) Resistans (kω) 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Bruk regresjonsanalyse, og finn den grafen du mener passer best til måledataene dine. Hva er resistansen når temperaturen er 37 C? 2. Hva må spenningen på basen være for at detektoren skal varsle? (Kan droppes. Hopp i så fall til punkt 3.) Dette må dere måle med et multimeter, en variabel motstand (potensiometer) og et koblingsbrett. Koblingsbrettet Koblingsbrettet består av hull vi kan sette komponenter ned i. Disse hullene er koblet sammen sånn som de røde linjene i figuren under viser. Forbindelsene er skjult under brettet, så bruk figuren over til å finne ut hvordan du skal plassere komponentene riktig. Bruk ekstra ledninger dersom du trenger å ta i bruk flere områder på brettet. side 5
Potensiometeret Potensiometeret er en motstand med variabel resistans. I prinsippet er det en resistans med et variabelt tilkoblingspunkt (punkt 2 i figuren under). Dermed kan den fungere som en spenningsdeler (se side 2). Motstanden har en maksimal resistans som tilsvarer hele resistansen mellom a og b. Kontaktpunktet 2 kan forskyves, og dermed varieres resistansen mellom a og 2 proporsjonalt med forskyvningen. Bildene under viser hvordan potensiometeret vårt ser ut. Det har tre bein. Sidebeina tilsvarer punkt a og b, mens beinet i midten tilsvarer kontaktpunkt 2. Dette forskyves ved å vri skruen med pila. Oppkobling for å måle hva spenningen på basen må være De grønne lederne fra detektorkretsen med 4,5 V og 0 V kobles inn på hver sin ende av potensiometeret. Vi skal variere spenningen på basen. Det gjør vi ved å koble den til den variable utgangen fra potensiometeret. Nå fungerer potensiometeret som en spenningsdeler og vi kan styre spenningen på basen ved å vri på potensiometeret. Vi skal vite spenningen mellom basen og 0 V, og kobler derfor inn et voltmeter mellom 0 V (svart ledning) og den variable utgangen til potensiometeret (rød ledning). Pass på at multimeteret er innstilt til å måle likespenning (DCV) og at måleområdet er passe stort. Hva er spenningen når detektoren begynner å gi lyd og lys? side 6
3. Valg og plassering av motstander i kretsen Se på grafen din som viser sammenhengen mellom temperatur og resistans i temperatursensoren. For hvilke verdier av resistansen skal alarmen gå? Blir det for høyere eller lavere resistansverdier enn grenseverdien ved 37 C? For at alarmen skal gå må U 1 være omtrent 1 V (eller den verdien dere fant i del 2.) Dere har funnet resistansen til temperatursensoren når alarmen skal slå inn. Alarmen skal ikke gå dersom temperaturen er lavere enn dette. Skal temperatursensoren plasseres i posisjonen til R A eller R B? Se tilbake på utregningene dere gjorde i avsnittet om spenningsdeleren (side 2). Hva er sammenhengen mellom R A og R B dersom U 1 = 1 V og U p = 4,5 V? Dere må velge en fastmotstand som sørger for at spenningen inn på basen blir riktigst mulig. Du kan velge blant følgende resistansverdier 1,0 kω 4,7 kω 10 kω 27 kω 47 kω 120 kω 270 kω 470 kω Hvilken fastmotstand skal du velge? Koble opp kretsen og test om badevannsdetektoren virker sånn som du har planlagt. side 7