Elektronikk
FORELØPIG UTGAVE
bakgrunnstoff
Rolf Ingebrigtsen
Innholdsliste
Innholdsliste... 2
Elektrisitet - grunnlag ... 4
Atomer og molekyler ... 4
”Ny” kunnskap... 4
Statisk oppladning... 4
Ledere og isolatorer. ... 5
Statisk elektrisitet og støt. ... 5
Ladning - strøm:... 5
Elektrisk spenning... 5
Lysnettet og vekselspenning. ... 6
Elektrisk motstand... 6
Arbeid og effekt. ... 7
Elektronikk-komponentene. ... 8
Motstander. ... 8
Materialer og konstruksjon ... 8
Symboler og begreper. ... 8
Vanlig motstand: Merking og fargekode. ... 8
Potmeter - variabel motstand: ... 10
Spesialmotstander: ... 10
LDR ... 10
NTC - Termistor. ... 10
PTC... 10
Oppgaver:... 11
Kondensatorer:... 11
Aktive komponenter. ... 12
Dioder ... 12
Lysdioder – (LED). ... 12
Lysfølsomme dioder. ... 12
Fotoceller ... 13
Oppgaver:... 13
Transistorer... 14
Bipolare ("vanlige") transistorer. ... 14
Darlingtontransistorer... 15
NPN og PNP... 15
MOSFET:... 15
Fototransistor. ... 15
Oppgaver:... 16
Andre komponenter: ... 17
Lydgivere: ... 17
Elektromotorer: ... 17
Brytere:... 17
Batterier... 18
Transformator - nettadapter. ... 18
Begrensninger. ... 18
Elektriske kretser. ... 19
Sluttet krets ... 19
Krets med bryter og motstand... 20
Seriekopling. ... 20
Parallellkopling. ... 20
Seriekopling av batterier. ... 21
Oppgaver:... 21
Å måle strøm, spenning og motstand... 23
Hvorfor bruke motstander?... 23
Strømbegrensning: ... 23
Strøm -til-spenning omformer: ... 24
Spenning-til-strøm omformer: ... 24
Variabel spenningsdeler:... 25
Temperaturmåling med termistor: ... 25
Lysmåling med LDR:... 25
Oppgaver:... 25
Kunsten å bruke lysdioder. ... 27
Beregninger... 27
Oppgave:... 28
Å måle strømmen i en LED i en krets... 28
Flere lysdioder på samme tid. ... 28
Seriekopling:... 28
Parallelle seriekoplinger: ... 29
Andre lysdiode-typer. ... 29
Oppgaver... 31
Krester med kondensator. ... 32
Oppladning av kondensator. ... 32
Tidskonstant. ... 33
Utladning av kondensator. ... 33
Oppgaver:... 34
Elektronikk med transistor... 35
Transistoren som AV/PÅ-bryter. ... 35
Sensor- transistor. ... 35
Transistorkrets med sensor... 36
Elektronikk - systemer ... 37
Styring- og alarmsystemer... 37
Hvorfor elektronikk?... 38
Systemer uten elektronikk... 38
Systemer med elektronisk bryter... 38
Indikator eller alarm? ... 39
Logiske funksjoner... 39
Binære systemer... 39
Analog - digital. ... 40
Logiske funksjoner og koplinger... 41
ELLER-funksjon:... 41
OG-funksjon: ... 41
Logikk med transistorer – logiske kretser... 42
Eller-port: ... 42
OG-port: ... 43
IKKE - NOT... 43
IKKE-ELLER og IKKE-OG (NOR og NAND) ... 43
Større porter. ... 44
Flip-flop ... 44
Eksempel : Avstigningssignal på buss. ... 45
Logiske familier. ... 45
Integrerte kretser... 45
Oppgaver:... 46
Digital styring. ... 46
Bruk av mikrokontrollere... 46
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.
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.
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
U
R I
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 100 - 200 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-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 : 2 -2 – 000 - 5% toleranse , dvs. 22000ohm =
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
Toleranse:
Brun: 1%
Rød: 2%
Gull: 5%
En eventuell 6. ring (den er bredest) Temperaturstabilitet:
Rød: ±0,05%/K
Merkingen på motstanden i figuren til høyre over er brun-sort-sort-gul-brun altså 5 ringer.
Det blir : 1 -0 - 0 - 0000 - 1% toleranse , dvs. 1000000ohm = 1Mohm ± 1%
Gul Brun Sort Sort Brun
ledning kropp ledning
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.
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.
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).).
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.
0V uINN
uUT
R2
R1
R
R = R1 + R2
Tilkoplinger Motstands-
belegg Slepe- kontakt
Symbol
Prinsipiell utforming
R2
R1
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 (=51 000 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).
"Vanlig"
kondensator Elektrolytt
kondensator +
Aktive komponenter.
Dioder
En diode leder strøm den ene veien, men sperrer den andre. De to sidene kalles anode og katode, og lederetningen er fra anoden til katoden. Vi bruker dioder når vi vil ha "enveiskjøring" av strøm i en krets. En typisk anvendelse er når vi vil lage likestrøm ut av vekselstrøm (likeretter).
Symbolet viser lederetningen, og ser ut som til 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
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!
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!
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.
Lysdiode (LED)
Flatt parti +
+
-
- Katode kortest Anode
lengst Tilkoplings- ledninger
Symboler
Utseende Symbol
Anode Katode
Strømretning Anode Katode
Ring, lys el. mørk
Seriemotstand LED Minus Pluss
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 https://www1.elfa.se/elfa3~no_no/elfa/init.do?shop=ELFA_NO-NO (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?
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 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 er bryteren åpen, og det går ingen strøm. Da er transistoren helt AV.
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:
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.
Transistorer er ikke svært robuste komponenter. Spesielt er de sårbare overfor store strømmer i basen (styreelektroden). Når transistorer brukes som bryter i en krets, må det være satt inn en ytre motstand i serie med basen, se fig. til høyre. Den har som funksjon å begrense basestrømmen slik at transistoren ikke skal
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.
B
B K
K E
E Symbol :
Typisk utseende NPN
K
E B
B
K R
E NPN
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
å se utenpå om det dreier seg om en darlingtontype eller en "vanlig" type.
Darlington krever mer spenning inn på styreelektroden (basen) enn vanlige transistorer, 1 – 1,5V. Til gjengjeld greier den seg med langt mindre styrestrøm. I kretsene i heftet greier det seg med 0,2µA, altså 0,000 000 2A!!
Darlingtontransistorer brukes der styrestrømmen skal holdes ekstra lav. Som
symbol for darlingtontransistorer kann vi til nød bruk det samme som for vanlige transistorer (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
K E
PNP
B
K
E NPN K
E NPN darlington B
Gate
Drain
Source
(Substrat)
K
E
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 https://www1.elfa.se/elfa~no_no/b2b/start.do 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)
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: Strøm sendes i en spole og lager en magnet som drar i høyttaler-
membranen, slik at den beveger seg i takt med strømmen. Trenger kraftig strøm som veksler i takt med lyden. Trenger en kraftig
vekselspenningssignalkilde.
Summere: 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:
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.
Brytere:
Til AV/Påbrytere er vippebryter de beste.
Det er ofte 3 kontakttilkoplinger på brytere, og da kalles også for "vendere". Til en hver tid vil det være kontakt mellom to av tilkoplingene, - i figuren er det mellom kontakt 1 og 2 når venderen står opp. Når 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 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
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!
Trykkontakt. 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
Symboler Utseende
Symbol for bryter (1 pol)
Utseende Vender (bryter) med 1 pol
2 3 1
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.
600 – 1500 mAh. Det betyr at de kan levere 10mA kontinuerlig i 60 – 150 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!!!
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 …
(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.)
Strøm
Mot- stand Batteri
Batteri og lyspærer i
”virkeligheten”: Batteri og ei lyspære
skjematisk:
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.
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:
Rtotal = R1 + R2
Eks.: Dersom R1 = 10 ohm og R2 = 20 ohm, så blir totalmotstanden
Rtotal = R1 + R2 = 10 ohm + 20 ohm = 30 ohm
Og dersom vi kjenner batterispenningen V, kan vi
bruke URI-sirkelen foran til også å finne strømmen. La
oss bruke et batteri på 1,5 V (volt):
I = U/R = 1,5V/30 ohm = 0,05A = 50mA
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 R1 vil nå ikke gå gjennom R2 , og omvendt.
Batterispenningen U er nå koplet direkte til R1, akkurat som om R1 var aleine i kretsen. Og samme for R2 . Begge strømmene , både I1 og I2
kommer fra batteriet, så den totale
batteristrømmen Itotal må derfor være summen av dem:
Itotal
Batteri
To motstander i parallell:
V
R1 R2
I1 I2
Strøm I
Batteri
R1
R2
V
To motstander i serie:
Ingen strøm
+ Bat- teri _
Mot- stand Åpen
bryter Lukket
bryter
Strøm
+ Bat- teri _
Mot- stand
Itotal = I1 + I2
Eks: Vi fortsetter med R1 = 10 ohm og R2 = 20 ohm og U = 1,5 V og bruker URI-sirkelen på s. 8 (dvs. ohms lov):
I1 = U/R1 = 1,5V/10ohm = 0,15A I2 = U/R2 = 1,5V/20ohm = 0,075A Itotal = I1 + I2 = 0,15A + 0,075A = 0,225A
Dette resultatet er verdt å merke seg! Når vi seriekopler de samme to motstandene blir strømmen MYE(!) mindre enn i parallellkoplingen!
Og vi kan finne den ”totale” motstanden i parallellkoplingen:
Rtotal = U/Itotal = 1,5V/0,225A = 6,67 ohm (dvs. mindre enn den minste av R1 og R2) Ved å kople motstander i parallell minker den totale motstanden og batteristrømmen øker.
Seriekopling av batterier.
De vanlige runde 1,5V batteriene (f.eks. alkaliske AA-typer) du får kjøpt, er i prinsippet laget som en sinkboks fylt med en slags lut. I midten står en kullstav, som danner den positive polen, mens sinkboksen er den negative. Dette er en batteri”enhet”, også kalt element eller celle, og den gir 1,5 V. Om boksen er stor eller liten, spiller ingen rolle for spenningen. Så vil du ha større spenning, må du bygge et ”tårn” med slike celler oppå hverandre. Det vil si at cellene må seriekoples. ” To stykker gir 3V, osv. Da koples plusspolen på ei celle til minus på neste, og da først får vi et BATTERI!
I et bilbatteri brukes andre kjemikalier, bly og svovelsyre. Da får vi 2 V per celle. Li-batterier gir 3 - 4 V per celle!
Oppgaver:
1. Kretsen til høyre har en motstand R på 100 ohm.
Når bryteren slås PÅ, vil det gå strøm. Hvor mye strøm målt i A (ampere), og hvor mange mA (milliampere) blir det? Hvor stor er spenningen over motstanden R når bryteren er PÅ?
2a Så setter vi inn en ny motstand R2 inn i kretsen ved siden av den første. Hvorfor forandrer ikke strømmen i R1 seg da?
b I den nye motstanden R2 er strømmen 15mA.
Hvilken verdi har R2 da?
c Hvor mye strøm må batteriet levere nå?
+ 1,5V _
+ 1,5V _ + 1,5V _
4,5 V
Bat- teri 9 V
R1 = 100 ohm Bryter
I1 = ?
Bat- teri 9 V
R1 = 100 ohm
R2 = ?
I2 =
15mA I1
I = ?
3. Et vanlig bilbatteri er en blyakkumulator som gir 12V . Hvor mange celler består den av?
Hvor mange "vanlige" AA-battericeller må du bruke for å lage 15V?
Å måle strøm, spenning og motstand.
Til å hjelpe oss med å lage kretser som fungerer slik vi ønsker, har et godt og rimelig hjelpemiddel:
Universalinstrumentet. Midt på fronten er det gjerne en stor,vridbar bryter som kan stilles inn mot mange skalaer og verdier. Temmelig forvirrende, men egentlig enklere enn en vanlig fjernkontroll. Det er laget slik for at vi skal kunne måle både spenninger, strømmer og motstander med det samme instrumentet.
Spenningsmålinger er enklest og viktigst. Still inn vrideren på der det står ”V=” eller DCV (betyr likespenning).
Begynn med 20V. Apparatet er utstyrt med to ledninger, og den svarte skal plugges inn i COM – hullet. Et av de andre hullene er merket med ”V” og noen andre bokstaver.
Som nevnt tidligere, er elektrisk spenning en slags ”trykk-
kraft” som får strøm til å gå i komponenter og ledninger. For å måle spenningen mellom to punkter i en krets, setter du en ledning mot hvert punkt. Er disse punktene på hver side av for eksempel en motstand, så sier vi at vi måler spenningen over motstanden. (Ikke gjennom, husk det - det er strømmen som går gjennom!)
Og vet vi motstandsverdien, så er det en enkel sak å beregne strømmen. Dette er ofte den beste måten å måle strøm i en krets på!
For problemet med ”direkte” strøm-målinger, er at instrumenter må koples inn som en del avkretsen. Da må man bryte kretsen, klippe av en ledning eller lodde av en forbindelse. Ikke spesielt fristende!
Motstandsmålinger kan også være nyttig. Men da skal motstandene helst ikke være koplet inn i en krets. For det kan gi falske målinger. I hvert fall dersom batteriet er koplet til.
Hvorfor bruke motstander?
Komponenter med motstand - "friksjon" - høres kanskje ikke mye nyttig ut. Men faktum er at i mange elektroniske kretser er motstander de mest brukte av alle komponenter, og her er noen grunner til det:
Strømbegrensning:
Ofte sender vi spenning inn på kretser eller
komponenter som ikke tåler all verden av strøm og spenning. For å være på den sikre side, kan vi da sette inn en motstand mellom spenningskilden og kretsen.
(Se også s. xx om motstander som beskytter. )
Med utgangspunkt i ohms lov, i = u/R, kan vi beregne
en fornuftig motstandsverdi som sikrer en ømtålig krets eller komponent mot overoppheting og ødeleggelse. (Se på s. 11 om kunsten å bruke lysdioder)
R Spenning
inn ømtålig
krets
Strøm -til-spenning omformer:
Når vi sender strømmen iINN fra en strømkilde og gjennom en motstand, "omformes" strømmen til utspenningen uUT: uUT = R iINN
Spenning-til-strøm omformer:
Når vi setter spenningen uINN fra en spenningskilde over en motstand, "omformes" spenningen til en ut-strøm iUT: iUT = uINN/R
Spenningsdeling
Sender vi inn en spenning uI over en seriekopling, vil denne spenningen dele seg i et spenningsfall over hver av de to motstandene. Dersom vi betrakter spenningen over en av motstandene som en ut-spenning uUT, kaller vi koplingen for en spenningsdeler, slik som vist i figuren.
Kretsanalyse tar utgangspunkt i at strømmen i begge motstandene må være like store, vi kaller den i. Spenningsfallet over R1 og R2 er da henholdsvis u1 = R1 i og u2 = R2 i. (Ohms lov)
Vi ser at uI = u2 + u1 = R2 i + R1 i mens uUT = u1 = R1 i slik at:
og derav:
Spenningsdeler.
Variabel motstand:
Potensiometer
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
uUT
iINN
R Strøm-
kilde
iUT + R
- Spennings- kilde uINN
uI
uUT 0V
I R2 R1
R
R = R1 + R2
Tilkoplinge Motstands r
-belegg Slepe- kontakt
Symbol Prinsipiell
utforming
R2
R1
Eksempel:
Vi bruker et 4,5V batteri og vil lage en spenning på 0,8V= 800mV.
Da kan vi velge R1 = 800 ohm og R2 = 4500ohm - 800 ohm = 3700 ohm = 3,7kohm.
Kontroll:
laget bane av et ledende belegg som gir en viss motstand. 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.
Variabel spenningsdeler:
For å justere signal, strøm eller spenning i en krets.
Temperaturmåling med termistor:
Resistansen i en termistor avtar sterkt med økende temperatur , til høyre ser du dette for en typisk termistor på 10kΩ , det vil si R = 10kΩ ved 25 oC.
Når vi skal bruke en termistor til å "måle" temperatur, setter vi den inn som en av de to motstandene i en spenningsdeler.
Spenningen ut vil da være:
der RNTC er resistansen i
termistoren.
Når temperaturen øker, så minker RNTC og uUT stiger. Utspenningen må da gå til en
forsterker eller et instrument som er påtegnet en skala som gir riktige temperaturverdier. Eller videre til andre elektroniske kretser.
Lysmåling med LDR:
Resistansen i en LDR (lysfølsom motstand) avtar sterkt med økende lysstyrke, situasjonen ligner svært på det vi ser med temperatur i avsnittet foran, det er bare å bytte ut termistoren med LDR-motstanden, se kretsen oppe til høyre. Når
belysninger øker, så blir motstandsverdien mindre, og spenningen stiger.
Oppgaver:
1a. Kretsen til høyre har en motstand R på 100 ohm.
Når bryteren slås PÅ, vil det gå strøm. Hvor mye strøm målt i A (ampere), og hvor mange mA (milliampere) blir det? Hvor stor er spenningen over motstanden R når bryteren er PÅ?
RNTC
R1 uINN
t
0V uUT
RLDR
R1 uINN
uUT 0V
uINN
uUT
R2
R1
Bat- teri 9 V
R1 = 100 ohm Bryter
I1 = ?
b Så setter vi inn en ny motstand R2 inn i kretsen ved siden av den første. Hvorfor forandrer ikke
strømmen i R1 seg da?
c I den nye motstanden R2 er strømmen 15mA.
Hvilken verdi har R2 da?
d Hvor mye strøm må batteriet levere nå?
2a. To motstander R1 = 50 ohm og R2 =100 ohm er koplet i serie . Inn på denne kretsen sender vi en spenning UI = 9 V. Hvor stor blir strømmen I?
b Hvor stor blir spenningen uUT over R1 ?
UI
UUT 0V
I R2
R1
Bat- teri 9 V
R1 = 100 ohm
R2 = ?
I2 = 15mA
I1
I = ?
Kunsten å bruke lysdioder.
En god LED (lysdiode) lyser bra med en strøm på 10mA (=0,010A). Større strøm enn 25 – 30mA kan skade eller ødelegge den. ”Gammeldagse” lyspærer (glødelamper) trenger mye mer enn det. Det er en av grunnene til at vi bruker lysdioder.
Bruker du 1,5V (ei enkelt battericelle) blir det overhodet ikke lys – eller strøm - i lysdioder.
Med 10 mA strøm er spenningen over en rød LED omtrent 2 V. Over en gul eller grønn diode er det litt mer, og hele 3 V (eller vel så det) over blå og hvite LED’er.
Øker vi spenningen etter at den har begynt å lyse, så stiger strømmen brått ,og allerede etter en økning på 1V kan strømmen være farlig stor. Om vi bruker enda større spenning, vil vi se at den skifter farge og blir svakere. Den er blitt
ødelagt.
At strømmen øker mye selv om spenningen bare øker litt, betyr at ohms lov ikke gjelder for lysdioder, og det er en grunnleggende – og uheldig - egenskap alle lysdioder har. Konsekvensen er rett og slett:
Vi må alltid må ha en motstand i serie med LED’er for å ha kontroll på strømmen, se figuren til høyre.
Beregninger.
Hvilken motstandsverdi skal vi så bruke? Svaret finner du vha følgende fremgangsmåte:
1. Velg hvilken LED som skal brukes.
2. Ut i fra hvor lys du ønsker, bestemmer du deg for en viss strøm i LED’en.
3. Bestem eller finne ut hvilken batterispenning som skal brukes.
Siden ohms lov ikke gjelder for LED, så ser dette vrient ut. Men om vi kaller strømmen i kretsen for I, så er spenningen over motstanden R·I (ohms lov gjelder for den). Det er enkelt å anslå den ”normale” spenningen over den LED'en vi har valgt, og kaller den for UL .
Poenget er nå at spenningen over motstanden PLUSS spenningen over LED'en må til sammen være like stor som batterispenningen U. Dette kan vi skrive med symboler slik:
R·I + UL = U
Som regel vet vi både batterispenningen U og hvor stor strømmen I skal være. Da er det motstanden som er ukjent , og vi har ei enkel likning vi kan løse med hensyn på
motstandsverdien R. Resultatet blir:
R = (U – UL)/I dvs. (Batterispenning – LED-spenningen) dividert med diodestrømmen.
Motstand R
LED
Batteri med spenning
U
Eksempel:
Vi bruker et 4,5V batteri og vil ha ca. 10mA (= 0,01A) i en grønn LED. Den har en
”normal” spenningen UL på ca 2V:
Vi setter inn verdiene i uttrykket for R over og får:
Nå er det ikke sikkert vi har denne motstandsverdien tilgjengelig, men da tar vi bare den nærmeste verdien vi har, for det er vanligvis ikke så viktig med nøyaktig 10 mA.
Det viktigste er at vi har satt inn en seriemotstand som begrenser strømmen til en sikker verdi!
Unngå mer enn 20mA i en vanlig LED.
Oppgave:
Ofte ser vi motstandsverdien 330 ohm brukt når batterispenningen er 4,5 V. Vil strømmen blir større eller mindre enn 10mA da?
Bruk det øverste uttrykket foran til å regne ut denne strømmen!
(Hint: I = (U – UL)/R)
Å måle strømmen i en LED i en krets.
Vi har nevnt det før: Direkte strøm-målinger i en ferdig krets er upraktisk, for da må kretsen brytes fysisk. Det er veldig lite fristende. Alternativet er like bra: Vi måler heller spenningen over motstanden som står i serie med LED’en. Så leser av motstandsverdien ved hjelp av fargekoden (eller måler resistensen uten spenningen på kretsen), og da er U og R kjent. Nå er det bare å bruke ohms lov:
I = U/R (Se URI-sirkelen på s. 8)
Flere lysdioder på samme tid.
Seriekopling:
Dersom flere dioder av samme type skal lyse på samme tid, er seriekopling tingen, - se figuren til høyre. Der er to røde dioder koplet i serie, - dvs. etter hverandre. Da går det samme strøm gjennom begge, og de vil lyse samtidig.
Dersom de er av samme type, vil de også lyse like sterkt.
Den store fordelen med seriekopling, er at vi utnytter batteriet godt. Men til gjengjeld kreves høyere spenning, for hver diode trenger omtrent 2V. I figuren må
batterispenningen derfor være over 4V. Da har vi:
R ≈ (U – 4V)/I U er batterispenning, I er diodestrømmen.
Med 3 grønne dioder i serie blir det ca 6V over LED’ene,
LED
Batteri med spenning
U
LED
Batteri med spennin g
U Eksempel:
Vi måler spenningen U over motstanden til 2,38V og ser en fargekode med disse fire fargeringene: oransje – svart - brun – gull (er 300 ohm, se s. 10 - 11)):
I = U/R = 2,38V/300ohm = 0,00803 A = 8,0 mA
det betyr i praksis at batteriet må være på 9V, og da har vi:
R ≈ (U – 6V)/I
Og tilslutt: 4 gule dioder i serie og 9V batteri.
LEDspenningen er nå omtrent 4·2V = 8V og vi får:
R ≈ (U – 8V)/I
U må være større enn 8V! .
Disse seriekoplingene gir jevnest lys med lysdioder av samme farge og type. Men vi kan også blande ulike farger. Strømmen i alle diodene blir den samme uansett, men de behøver likevel ikke gi samme lysstyrke! For
ulike diodetyper – selv med samme farge – kan ha svært forskjellig lysstyrke med samme strøm.
Parallelle seriekoplinger:
Hva gjør så dersom vi skal ha lys i for eksempel 3 lysdioder, men spenningen bare er 3V? Da kan vi ikke kople flere i serie , for spenningen er for lav. Løsningen er som når vi har på flere lyspærer samtidig inne i et hus: De koples i parallell, og hver pære får 220V. Det samme kan vi gjøre med lysdioder, bare at hver av dem bør ha
sin egen seriemotstand slik som i figuren til høyre.
Kanskje lurer du på hvorfor det ikke er nok med én felles motstand for alle tre LED'ene, altså hvorfor vi ikke parallellkopler de tre LED'ene slik vi ville ha ha gjort med tre lyspærer? Svaret ligger i den store følsomheten for små
spenningsforskjeller. Med samme farge og LED- type går det stort sett bra. Men prøv bare ikke å kople ulike LED-typer i parallell med hverandre, for da vil de nok gi veldig ulik lysstyrke! Kopler
du en hvit eller blå i parallell med rød eller grønn eller gul, så blir det bare lys i rød, grønn eller gul, ikke i den hvite.
Andre lysdiode-typer.
Det finnes mange slags lysdioder, med ulik størrelse, fasong, lysintensitet og pris. For oss er runde lysdiode med 5mm (figuren) diameter et greitt valg (kanskje 3mm også?), og for ned mot 50 øre per stykk kan du få dem i rødt, oransje, gult og grønt med bra intensitet.
Legger du på ei ekstra krone, får du lysdiode med innebygget motstand, beregnet for 3 - 5V eller 6 -12V. Det har vi egentlig ikke så ofte bruk for. Da er det mer interessant at noen
lysdioder har innebygd en liten blinkekrets, slik at de blinker omtrent 1 gang i sekundet. De er adskillig dyrere, omtrent fra 2 kr per stykk, men de gir en morsom effekt!
LED
Batteri med spenning
U
Batteri med spenning
U
Seriemotstander R
Sterkt, hvitt lys er også mulig med høyintensitets LED'er. Det kommer stadig sterkere og bedre typer på maredet, og allerede nå erstatter de glødelamper i mange sammenhenger. Den store fordelen med LED'ene er at de utnytter den elektriske energien så mye bedre, og er ca.
10 ganger mer effektive enn de beste gødelampene (halogen, xenon ..)! Så det er nok ikke lenge før LED'ene har fortrengt glødelampene fullstendig.
Oppgaver
1. Hvordan vil du gå fram for å få lys i 8 LED'er fra et 9V batteri? Enn 20 LED'er fra 12V? (Hint: Kombinasjon av serie- og parallellkopling..)
2. En rød LED koples i serie med en motstand. Det grå feltet midt i tabellen skal vise hvilke motstandsverdier som trengs for å gi strømmer på ca 5mA, når batterispenningen har verdiene helt til venstre i tabellen. Til høyre for det grå feltet skal motstandsvediene for en strøm på ca 15 mA stå. Du skal beregne og fylle inn alle 6 motstandsverdiene.
LED strøm skal være ca 5 mA ca 15 mA
Batterispenning Motstandsverdi Motstandsverdi
4,5V (flat lommelykt type) ? ?
9V ? ?
12V ? ?
3 a 9 grønne LED med samme typenummer er montert ved slik at de sammen danner bokstaven T. Som strømkilde skal du bruke en nettadapter som gir 5,6V (lader for mobiltelefon). I tillegg til LED'ene trenger du motstander og en AV/PÅ bryter. Hvordan kan du tenke deg å kople alt dette sammen slik at LED'ene til lyser omtrent like sterkt?
Tegn kretsen, og foreslå en passe stor strøm i LED'ene.
c) Regn ut hvilke motstandsverdier som vil gi den forslåtte strømmen i alle 9 LED'ene.
Krester med kondensator.
Kondensatorer lades opp når det kommer strøm inn på dem, og da stiger spenningen. Motsatt synker spenningen når den lades ut. Dette ligner veldig på opp- og utladning av akkumulatrer – oppladbare batterier. Men det er to viktige forskjeller:
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.
Oppladning av kondensator.
Vi skal se på en krets som kan brukes til tidtaking. Den inneholder batteri, kondensator og motstand. I tillegg trenger vi et (helst digitalt) voltmeter til å måle spenningen over
kondensatoren med, for her er det den som er viktig.
Til venstre i figuren under ser du prinsippskjemaet (komponentene er vist skjematisk) og sammenkoplingene er stilisert. Til høyre er en mulig praktisk oppkopling. Batteriklips, motstand på for eksempel 100kohm og kondensator (elektrolytt-type) på 330 mikrofarad) er loddet sammen på ei lita plate. Ledninger med krokodilleklemmer går til voltmeteret (ikke vist i figuren) , og batteriklipsen brukes som bryter. Vi har 9V på batteriet.
Dersom kondensatoren er utladet, så viser voltmeteret null volt. Men når bryteren lukkes (batteriklipsen settes på batteriet) , så begynner spenningen på (over) kondensatoren å stige.
Med de komponentverdiene som er angitt (R = 100kohm og C = 330 mikrofarad) tar oppladingen ca. 3 minutter. Da er kondensatorspenningen oppe på omtrent 9V, batterispenningen.
Under oppladingen går det strøm i kretsen, gjennom motstanden og inn på kondensatoren. Det er denne strømmen som lader opp kondensatoren. Det går raskest i begynnelsen, for etter hvert som som kondensatoren lades opp, så stiger kondensatorspenningen UC . Det må bety at spenningen UR over motstanden minker, for til sammen har de to like mye spenning som batteriet, UR + UC = 9V! xxx
Og når spenningen UR over motstanden minker, så må det nødvendigvis gå mindre og mindre strøm i den. Dermed går også oppladningen av kondensatoren saktere og saktere, og det er lett
C
Kondensato r (el.lytt- type) Ba
t- ter i 9 V
- + R
Motstand
Bryter
Til volt- meter
Kondensato r (el.lytt- type)
Til volt- meter
Motstand
Praktisk koplingsskjema Prinsippskjema for
kretsen
+ - - - - - - + -
9 V
Batteriklip s
1. Kondensatorer lagrer elektrisiteten direkte, ikke kjemisk slik som batterier. Derfor kan de lades opp og ut lynraskt (på knøttsmå brøkdeler av et sekund..) .
2. Kondensatorer har mikroskopisk kapasitet sammenlignet med et batteri på samme størrelse.
