Forelesning nr.1 INF 1411 Elektroniske systemer. Kursoversikt Strøm, spenning, ladning og Ohms lov

Like dokumenter
Forelesning nr.1 INF 1411 Elektroniske systemer. Kursoversikt Strøm, spenning, ladning og Ohms lov

Forelesning nr.1 INF 1411 Elektroniske systemer

Forelesning nr.1 INF 1411 Elektroniske systemer. Kursoversikt Strøm, spenning, ladning og Ohms lov

Forelesning nr.1 IN 1080 Mekatronikk. Kursoversikt Ladning, strøm, spenning og resistans

Forelesning nr.1 INF 1410

Forelesning nr.2 INF 1411 Elektroniske systemer. Effekt, serielle kretser og Kirchhoffs spenningslov

ELEKTRISK STRØM 2.1 ELEKTRISK STRØM ATOMER

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

ELEKTRISITET. - Sammenhengen mellom spenning, strøm og resistans. Lene Dypvik NN Øyvind Nilsen. Naturfag 1 Høgskolen i Bodø

Forelesning nr.2 INF 1411 Elektroniske systemer. Effekt, serielle kretser og Kirchhoffs spenningslov

Kap. 4 Trigger 9 SPENNING I LUFTA

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

WORKSHOP BRUK AV SENSORTEKNOLOGI

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

Forelesning nr.7 INF Kondensatorer og spoler

Elektriske kretser. Innledning

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer

Prototyping med Arduino del 2

Forelesning nr.5 INF 1411 Elektroniske systemer. RC-kretser

Ohms lov: Resistansen i en leder er 1 ohm når strømmen er 1 amper og spenningen er 1 V.

Spenningskilder - batterier

Mandag Institutt for fysikk, NTNU TFY4155/FY1003: Elektrisitet og magnetisme Vår 2007, uke12

Forelesning nr.5 INF 1411 Elektroniske systemer

Forelesning nr.5 INF 1411 Elektroniske systemer. RC-kretser

KOSMOS. 5: Elektroner på vandring Figur side Modell av et heliumatom. Elektron. Nøytron. p + Proton. Protoner

og P (P) 60 = V 2 R 60

Forelesning nr.7 IN 1080 Elektroniske systemer. Spoler og induksjon Praktiske anvendelser Nøyaktigere modeller for R, C og L

Onsdag isolator => I=0

UNIVERSITETET I OSLO

SUPER DISCLAIMER. Vi endrer opplegget litt fra år til år, og vi hører på dere!

TFE4100 Kretsteknikk Kompendium. Eirik Refsdal

Kondensator. Symbol. Lindem 22. jan. 2012

Fysikk og teknologi Elektronikk FYS ) Det betyr kjennskap til Ohms lov : U = R I og P = U I

Forelesning nr.2 INF 1411 Elektroniske systemer

Sammenhengen mellom strøm og spenning

LABORATORIERAPPORT. Halvlederdioden AC-beregninger. Christian Egebakken

BINGO - Kapittel 11. Enheten for elektrisk strøm (ampere) Kretssymbolet for en lyspære (bilde side 211) Enheten for elektrisk ladning (coulomb)

UNIVERSITETET I OSLO

Forelesning nr.4 IN 1080 Mekatronikk. Vekselstrøm Kondensatorer

Elektrisitetslære TELE1002-A 13H HiST-AFT-EDT

Fysikk og teknologi - Elektronikk Mål for opplæringen er at eleven skal kunne

Forelesning nr.5 IN 1080 Mekatronikk. RC-kretser

Mandag Ledere: Metaller. Atomenes ytterste elektron(er) er fri til å bevege seg gjennom lederen. Eksempler: Cu, Al, Ag etc.

Sammendrag, uke 13 (30. mars)

Forelesning nr.8 INF 1411 Elektroniske systemer

Fasit og sensorveiledning eksamen INF1411 våren Oppgave 1 Strøm, spenning, kapasitans og resistans (Vekt 20 %) A) B) Figur 1

Mandag dq dt. I = Q t + + x (tverrsnitt av leder) Med n = N/ V ladningsbærere pr volumenhet, med midlere driftshastighet v og ladning q:

Elevverksted Elektronikk Bruk av transistor som bryter

Oppgaver til kapittel 4 Elektroteknikk

Fasit og sensorveiledning eksamen INF1411 våren Oppgave 1 Strøm, spenning, kapasitans og resistans (Vekt 20 %) A) B) Figur 1

Halvledere. Vg1 Vg3 Antall elever: Maksimum 15 Varighet: 90 minutter. Passer for:

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Øving 11. Veiledning: november.

Spenningskilder - batterier

UKE 5. Kondensatorer, kap. 12, s RC kretser, kap. 13, s Frekvensfilter, kap. 15, s kap. 16, s

Forelesning nr.8 INF 1411 Elektroniske systemer. Dioder

UNIVERSITETET I OSLO

UKE 5. Kondensatorer, kap. 12, s RC kretser, kap. 13, s Frekvensfilter, kap. 15, s og kap. 16, s.

Ord, uttrykk og litt fysikk

UNIVERSITETET I OSLO

Onsdag og fredag

Parallellkopling

Oppgave 1 (30%) a) De to nettverkene gitt nedenfor skal forenkles. Betrakt hvert av nettverkene inn på klemmene:

Forelesning nr.6 INF 1411 Elektroniske systemer. Anvendelser av RC-krester Spoler og RL-kretser

FYSnett Grunnleggende fysikk 17 Elektrisitet LØST OPPGAVE

Håndbok om. undersøkelser. Liv Oddrun Voll Gard Ove Sørvik Suzanna Loper

Forelesning nr.7 INF 1411 Elektroniske systemer. Tidsrespons til reaktive kretser Integrasjon og derivasjon med RC-krester

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer

UNIVERSITETET I OSLO

2. La det bli lys Ditt første Arduino program

BYGGING AV LIKESTRØMSKILDE OG TRANSISTORFORSTERKER

Nøkler til Naturfag: Velkommen til kursdag 3!

Manual til laboratorieøvelse. Solceller. Foto: Túrelio, Wikimedia Commons. Versjon

Forelesning nr.8 IN 1080 Elektroniske systemer. Dioder og felteffekt-transistorer

Forelesning 8. CMOS teknologi

Onsdag og fredag

Atomets oppbygging og periodesystemet

elementpartikler protoner(+) nøytroner elektroner(-)

Solcellen. Nicolai Kristen Solheim

Forelesning nr.8 INF 1411 Elektroniske systemer. Dioder Praktiske anvendelser

Den franske fysikeren Charles de Columb er opphavet til Colombs lov.

INF1510: Bruksorientert design

INF L4: Utfordringer ved RF kretsdesign

UKE 4. Thevenin Spenningskilde og effektoverføring Fysikalsk elektronikk Ledere, isolatorer og halvledere, doping Litt om AC

For å forstå hvordan halvledere fungerer, er det viktig først å ha forstått hva som gjør at noen stoffer leder strøm, mens andre ikke gjør det.

Elektronikk med prosjektoppgaver FYS 1210

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. ving 11.

Kondensator - Capacitor. Kondensator - en komponent som kan lagre elektrisk ladning. Symbol. Kapasitet, C. 1volt

3 1 Strømmålinger dag 1

Laboratorieoppgave 8: Induksjon

Forelesning nr.6 INF Operasjonsforsterker Fysiske karakteristikker og praktiske anvendelser

Tirsdag r r

Analog til digital omformer

Kondensator - Capacitor. Kondensator - en komponent som kan lagre elektrisk ladning. Symbol. Kapasitet, C = 1volt

FYS1120 Elektromagnetisme ukesoppgavesett 7

Kan du se meg blinke? trinn 90 minutter

Forelesning nr.9 INF 1411 Elektroniske systemer. Transistorer MOSFET Strømforsyning

LF - anbefalte oppgaver fra kapittel 2

NTNU Fakultet for lærer- og tolkeutdanning

Transkript:

Forelesning nr.1 INF 1411 Elektroniske systemer Kursoversikt Strøm, spenning, ladning og Ohms lov

Dagens temaer Organisering av kurset Læringsmål Bakgrunn Strøm, og motivasjon for kurs i analog elektronikk spenning, motstand og Ohms lov (Kap 2 og 3 fra læreboka) 22.01.2016 INF 1411 2

Organisering av kurset Forelesningsplanen på kursets hjemmeside Forelesninger: 1 dobbelttime per uke Regneøvelser: 1 dobbelttime per uke Labøvelser: 1 dag per uke i snitt Obligatoriske øvelser Alle må være bestått for å ta eksamen Utføres i grupper på to personer 5 øvelser Endringer i planene kan forkomme Sjekk forelesningsplanen jevnlig! 22.01.2016 INF 1411 3

Om pensum Pensum består av fire deler: Forelesninger og forelesningsnotater Oppgitte kapitler fra læreboka Gruppeoppgaver Labøvelser Alle deler forutsettes kjent på eksamen NB: Ikke ta for lett på gruppeøvelsene! 22.01.2016 INF 1411 4

Labøvelser Viktig del av kurset! Forelesningene gir det teoretiske grunnlaget for labøvelsene Labøvelsene Omsetter teorien til praksis Utfyllende kunnskaper om fysisk oppførsel, bla. variasjon i komponentverdier Gir kunnskap om labarbeid generelt og nyttig for senere kurs 22.01.2016 INF 1411 5

Læringsmål for kurset Hovedmålet er «å gi innføring i hvordan (enkle) elektroniske systemer fungerer, og hvordan enkeltkomponenter virker og kan settes sammen til større systemer» Forstå sammenhengen mellom fysiske enheter som ladning, strøm, spenning, motstand etc. og lover/formler Forstå virkemåten til elektroniske komponenter og praktiske begrensninger Konstruksjon av enkle kretser. 22.01.2016 INF 1411 6

Annet På slutten av hver forelesning kjøres en interaktiv Q&A-sesjon med Kahoot! Husk å ta med nettbrett, smart phone eller PC til hver forelesning 22.01.2016 INF 1411 7

Bakgrunn 1970 Internet 1990 Mobiltelefon 2007 Smarttelefon og nettbrett 2017 Internet Of Things? 1950 Datamaskinen 1960 Transistorer og Integrerte kretser 1980 Personlig datamaskin 2000 Mobildata 2010: Cloud computing 22.01.2016 INF 1411 8

Tre oppgaver i informatikk Databehandling Dataagring Elektronikk Datakommunikasjon 22.01.2016 INF 1411 9

Moores lov Antall transistorer på én integrert krets dobles hvert annet år Konsekvenser: Regnekraft dobles Datahukommelse dobles Båndbredde dobles Prisen halveres 22.01.2016 INF 1411 10

Bakgrunn Elektronikk er overalt: Datamaskiner, husholdningsapparater, biler, båter, medisinsk utstyr, våpen, musikk, foto, film, fly, tog, mobil-telefoner, sparepærer... Digital elektronikk: Bruker to diskrete verdier: 0 og 1 Analog elektronikk: Verdier er kontinuerlige (uendelig mange) Digital elektronikk er en spesiell type analog elektronikk 22.01.2016 INF 1411 11

Bakgrunn (forts) Digitale systemer kan designes uten spesiell innsikt i analog elektronikk: MEN Velprøvde og standardiserte byggeblokker Høyere abstraksjonsnivå Konstruksjon av digitale byggeblokker skjer på analognivå Stadig raskere digitale kretser oppfører seg mer og mer som analoge kretser (dvs ikke bare 0 og 1 ) Trådløs kommunikasjon krever analog design Verden er analog (består av uendelig mange verdier), ikke digital 22.01.2016 INF 1411 12

Strøm og spenning en analogi Strøm Sammenligning: og spenning er fenomener som kan være litt vanskelige å forstå hva egentlig er Vann som strømmer i en foss Spenning: Strøm: Hastigheten til vannet Vannmengden 22.01.2016 INF 1411 13

Motstand en analogi Hvis vann renner gjennom et rør vil hastigheten (og dermed antall liter per sekund) bremses: Et langt rør bremser mer enn et kort Et tynt rør bremser mer enn et tykt Mottiltak: Hvis vi skal ha samme vannmengde gjennom et lang rør som et kort rør (eller et tynt rør som et tykt rør), må vi øke trykket Hvis vi skal ha samme trykk i et tynt som et tykt rør, må vi øke vannmengden 22.01.2016 INF 1411 14

Strøm og spenning: En mer presis forklaring Atomkjernen består av positivt ladede protoner og nøytroner uten ladning Rundt atomkjernen svever negativt ladede elektroner i faste baner eller skall I et nøytralt atom er antall elektroner og protoner likt 22.01.2016 INF 1411 Electron Proton Neutron 15

Atomer, valensbånd og ladning (forts) Det ytterste skallet kalles for et valensbånd Elektronene i valensbåndet er med på å bestemme elektriske og kjemiske egenskaper til atomet Elektronene i ytre valensbånd har høyere energi og lavere binding til kjernen Hvis det er få elektroner i det ytterste båndet kan de lett forlate atomet og bli frie elektroner 22.01.2016 INF 1411 16

Ulike materialers egenskaper Antall elektroner i det ytterste valensbåndet bestemmer et materiales elektriske egenskaper: Ledere: Materiale med mange ledige elektronplasser i det ytterste valensbåndet, typisk. Kopper og sølv er eksempler på metaller som leder elektrisk strøm godt Halvledere: Typisk 4 valenselektroner i det ytterste skallet. Silisium og germanium er halvledere som leder strøm passe godt Isolatorer: Ingen valenselektroner, eller valenselektroner som er sterkt bundet til kjernen. Leder ikke strøm I elektronikk trenger vi alle tre typer for å lage kretser og komponenter 22.01.2016 INF 1411 17

Elektrisk ladning Mellom elektrisk ladede partikler (elektroner og protoner) er det en kraft som gjør at de enten tiltrekker eller frastøter hverande + + + - Denne kraften kalles elektrisk felt og er direkte proporsjonal med ladningen omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden mellom partiklene 22.01.2016 INF 1411 18

Elektrisk ladning (forts) Elektrisk ladning måles i coulomb (C) 1 coulomb er den samlede ladningen til 6.25x10 18 elektroner Ett elektron har en ladning på -1.609x10-19 C, og ett proton har en ladning på +1.609x10-19 C Ladning benevnes enten Q eller q(t) Total ladning er gitt av antall elektroner Q 6.25x10 elektroner/c 18 antall elektroner x 1.609x10-19 C 22.01.2016 INF 1411 19

Elektrisk ladning og strøm En annen grunnleggende enhet er elektrisk strøm som måles i ampere 1 ampere tilsvarer 1 coulomb som passerer et vilkårlig tverrsnitt i en elektrisk leder i løpet av 1 sekund 22.01.2016 Elektrisk strøm I er altså et mål for antall ladninger per tidsintervall I Q t INF 1411 20

Elektrisk ladning og strøm Strøm kan også betraktes som overføring av ladning Strøm har både en verdi og en retning (vektor) Gitt et referansepunkt måles strøm med hvilken rate ladninger passerer forbi punktet i øyeblikket Symbolet for strøm er I eller i(t) Hvis strømmen varierer med tiden kan sammenhengen mellom I og Q skrives som et differensial: i dq dt 22.01.2016 INF 1411 21

Strøm Strøm har alltid en retning som kan angis med en pil -2 A 2 A Begge figurer angir samme strømstyrke og retning 22.01.2016 INF 1411 22

Ulike typer strøm: Likestrøm (DC) En likestrøm er konstant over tid Betegnes med «I» (stor I) 22.01.2016 INF 1411 23

Ulike typer strøm: Vekselstrøm (AC) En vekselstrøm varierer med tiden og betegnes med «i» eller «i(t)» (liten i) Variasjonen kan enten være periodisk eller ikke-periodisk 22.01.2016 INF 1411 24

+ + + + + + + + + a Spenning e - - - - - - - - - - b For at ladninger skal bevege seg mellom a og b, må det være en potensialforskjell mellom a og b. Potensialforskjell eller spenning er et mål på arbeidet som kreves for å flytte ladinger fra a til b Spenning måles i volt og er definert ved V energi ladning W Q 1 volt er spenningen mellom a og b når 1 joule brukes for for å flytte en ladning på 1 coulomb fra a til b 22.01.2016 INF 1411 25

Spenningskilder Spenning kan enten være likespenning (DC), eller vekselspenning (AC) Batterier, brenselceller og solceller er likespenningskilder hvor spenning oppstår ved kjemiske reaksjoner eller konvertering av lys Generatorer er vekselspenningskilder hvor spenning lages ved konvertering av mekaniske bevegelser som vind, vann eller havbølger 22.01.2016 INF 1411 26

Spenningskilder (forts) Spenningskilder kan enten være ideelle eller ikke-ideelle (praktiske) En ideell kilde leverer konstant spenning uavhengig av strømmen kilden leverer I virkeligheten vil spenningen synke når strømmen øker 22.01.2016 INF 1411 27

Spenningskilder (forts) Symboler for spenningskilder er V s V v s Likestrømskilde (DC-spenning) Batteri (DC-spenning) Vekselstrømskilde (AC-spenning) + terminalen er V s (eller v s ) volt positiv i forhold til - terminalen. Hvis V s (eller v s ) er < 0, er + terminalen negativ i forhold til - terminalen 22.01.2016 INF 1411 28

Strømkilder Noen ganger trenger man kilder som kan levere strøm uavhengig av spenningen For å levere konstant strøm må kilden variere spenningen etter behov Strømkilder kan være enten ideelle eller ikke-ideelle i s Symbol for strømkilde 22.01.2016 INF 1411 29

Oppsummering kilder (1) Kilder kan enten være ideelle eller ikke-ideelle Ideelle kilder er lettest å regne på og bruke teoretisk Hvis det er små variasjoner i strøm/spenning kan man anta at praktiske kilder oppfører seg som ideelle I virkelige kretser må man ta hensyn til at strøm og spenning varierer, og lage elektronikk for å stabilisere 22.01.2016 INF 1411 30

Oppsummering kilder (2) Kilder er i tillegg enten uavhengige eller avhengige Uavhengig: Leverer strøm eller spenning som ikke er avhengig av andre strømmer eller spenninger i en krets Avhengig: Leverer strøm eller spenning som er proporsjonal med en annen strøm eller spenning i en krets Ki s gv x Kv x ri x Strømkontrollert strømkilde Spenningskontrollert strømkilde Spenningskontrollert spenningskilde Strømkontrollert spenningskilde 22.01.2016 INF 1411 31

Elektrisk krets En elektrisk krets er en sammenkopling av elektriske elementer i en lukket løkke slik at elektriske ladninger eller strøm beveger seg i løkken ledning kilde motstand ledning 22.01.2016 INF 1411 32

Resistans Når elektrisk strøm går gjennom et materiale, vil materialet yte motstand og bremse opp strømmen Resistans er et materiales motstand mot elektrisk strøm Resistans omgjør endel av bevegelsesenergien til elektronene til lys eller varme Ledere ønsker man skal ha veldig lav eller ingen resistans for å unngå tap av energi Andre ganger trenger man en bestemt resistans, og da bruker man en resistor eller Ohmsk motstand 22.01.2016 INF 1411 33

Resistans (forts) Resistans måles i enheten ohm 1 ohm er motstanden når det går en strøm på 1 ampere i et materiale med 1 volt spenningsforskjell mellom endepunktene Det motsatte av resistans (dvs. ledningsevne) kalles konduktans og måles i Siemens G 1 R Resistorer lages i ulike varianter avhengig av bruksområde og med ulike spesifikasjoner (maks strøm/spenning/effekt, fysisk størrelse/form, nøyaktighet) 22.01.2016 INF 1411 34

Resistans (forts) Fargekoding brukes for å angi Ohm og toleranse/nøyaktighet (mer om dette på lab 1) 22.01.2016 INF 1411 35

Måling av spenning, strøm og resistans Strøm, Multimetre Man Lab NB: spenning og motstand kan måles med et multimeter kan også måle effekt, frekvens, osv måler spenningen over og strømmen gjennom et element 1 vil dreie seg mye om måling Viktig at instrumentet IKKE påvirker resultatet 22.01.2016 INF 1411 36

Ohms lov Ohms lov gir sammenhengen mellom strøm, spenning og resistans (motstand): V RI Alternativt kan dette skrives som V I R eller Hvis V øker og R er konstant, øker I Hvis V er konstant og R øker, synker I R V I 22.01.2016 INF 1411 37

Bruk av Ohms lov Når spenning er ukjent: V 100 5A 500v Når strømmen er ukjent: I 25v 4.7M 5.32 A Når resistansen er ukjent: 10v R 10v 2 5A 22.01.2016 INF 1411 38

Eksempel: Måling av temperatur Variasjon i R kan brukes til å måle temperatur: Spenningen V b er et mål for temperaturen Fordelen med kretsen er at man ikke må måle både strøm og spenning for å bestemme Rt (dvs temperaturen) Kretsen kan også kalibreres (nullstilles) 22.01.2016 INF 1411 39

Spørsmål 1) Atomnummeret angir a. protoner i atomkjernen b. nøytronkjerner i atomkjernen c. protoner pluss nøytroner i atomkjernen d. elektroner i det ytre skallet 2) Valenselektroner er a. I det ytre skallet b. involvert i kjemiske reaksjoner c. relativt løst bundet d. alle egenskapene over 22.01.2016 INF 1411 40

Spørsmål 3) Partikkelen som er ansvarlig for elektrisk strøm i faste ledende materialer er a. protonet b. elektronet c. nøytronet d. alle nevnt over 4) Måleenheten for elektrisk ladning er a. C b. Ω c. Q d. W 22.01.2016 INF 1411 41

Spørsmål 5) Hvis resistansen er 10Ω og strømmen er 0.2A, hva er spenningen? a. 20 volt b. 0.2 volt c. 2000 millivolt d. 2 Siemens 6) Ohms lov gir sammenhengen mellom a. Ladning, spenning og tid b. Ladning, strøm og tid c. Resistans, strøm og ladning d. Resistans, strøm og spenning 22.01.2016 INF 1411 42

Spørsmål 7) Resistans er et uttrykk for a. Et materiales motstand mot elektrisk spenning b. Et materiales motstand mot elektrisk strøm c. Et materiales evne til å lede elektrisk strøm d. Et materiales evne til å transportere protoner 8) Hvis spenningen skal være konstant når strømmen øker, så må a. Konduktansen økes b. Resistansen økes c. Resistans holdes konstant d. Konduktansen holdes konstant 22.01.2016 INF 1411 43

Spørsmål 9) En ideell strømkilde leverer en strøm som er a. Uavhengig av spenningen over strømkilden b. Direkte proporsjonal med spenningen c. Omvendt proporsjonal med spenningen d. Konstant 10) En uavhengig spenningskilde a. Leverer spenning som er uavhengig av strømmen gjennom den b. Leverer spenning som er avhengig av strømmen gjennom den c. Leverer spenning som uavhengig av andre kilder d. Leverer strøm som er avhengig av andre spenningskilder 22.01.2016 INF 1411 44