Transcript Elektronikk fagteori

Elektronikk
FORELØPIG UTGAVE
bakgrunnstoff
Rolf Ingebrigtsen
Elektronikk teori
s. 1 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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
Elektronikk teori
s. 2 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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
Elektronikk teori
s. 3 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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 Ingebrigtsen27.05.2013
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 Ingebrigtsen27.05.2013
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
Elektronikk teori
og
R = U/I
og
U
R I
I = U/R
s. 6 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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 teori
s. 7 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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 =
Elektronikk teori
s. 8 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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
1. siffer 2. siffer 3. siffer
4. ring
antall
ekstra
nuller
5. ring
Toleranse:
Brun: 1%
Rød: 2%
Gull: 5%
En eventuell 6. ring (den er bredest)
Temperaturstabilitet:
Rød: ±0,05%/K
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 : 1 -0 - 0 - 0000 - 1% toleranse , dvs. 1000000ohm = 1Mohm ± 1%
Elektronikk teori
s. 9 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
Potmeter - variabel
motstand:
Vi har ofte behov for å
Tilkoplinger R = R1 + R2
varierere - justere - motstander,
MotstandsR2
særlig i spenningsdelere. Da
belegg
bruker vi et potensiometer, R
eller potmeter, som det gjerne
SlepeR1
kontakt
kalles, - en slags variabel
motstand. Figuren viser
Symbol
Prinsipiell
prinsippet.
utforming
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.
R2
uINN
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).).
0V
R1 uUT
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 Ingebrigtsen27.05.2013
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).
Elektrolytt
kondensator
"Vanlig"
kondensator
+
-
Elektronikk teori
s. 11 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
Aktive komponenter.
Dioder
En diode leder strøm den ene veien, men sperrer
Symbol
Utseende
den andre. De to sidene kalles anode og katode, og
lederetningen er fra anoden til katoden. Vi bruker
Anode Katode
dioder når vi vil ha "enveiskjøring" av strøm i en
Anode Katode
krets. En typisk anvendelse er når vi vil lage
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.
Lysdiode (LED)
Tilkoplingsledninger
+
Det er viktig å være klar over dette:
Anode
lengst
En LED er en diode som leder strøm bare én vei
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.
Elektronikk teori
s. 12 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
Minus
LED
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?
Elektronikk teori
s. 13 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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.
Symbol :
K
K
B
B
E
NPN
E
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.
E
Det er basen B som er styreelektroden. Uten strøm i basen
Typisk
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:
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
R
B
sårbare overfor store strømmer i basen (styreelektroden). Når
NPN
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
E
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.
Elektronikk teori
s. 14 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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.
B
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!!
E
NPN
Darlingtontransistorer brukes der styrestrømmen skal holdes ekstra lav. Som
darlington
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.
K
NPN og PNP.
B
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
B
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
Gate
fordeler: Raskere, enda mye mere følsomme enn darlingtontypene, men er
gjerne noe dyrere.
NPN
E
E
PNP
Drain
K
(Substrat)
Source
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).
Elektronikk teori
s. 15 av 47
K
E
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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)
Elektronikk teori
s. 16 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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:
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:
Trykkontakt.
Elektronikk teori
Til AV/Påbrytere er vippebryter de beste.
Symbol for bryter (1
Det er ofte 3 kontakttilkoplinger på brytere,
pol)
og da kalles også for "vendere". Til en hver
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,
Vender (bryter) med 1
blir lukket (2 og 3 i fig.). Brytere med ett
pol
slikt kontaktsett (på 3 kontakter) kalles 1pols. 2-pols er også vanlig, da inneholder
bryteren to elektrisk adskilte kontaktsett som
opereres av samme hendel.
Utseende
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
Utseende
Symboler
kontakt mellom 1 og 3!
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.
s. 17 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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!!!
Elektronikk teori
s. 18 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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 Ingebrigtsen27.05.2013
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.
Åpen
bryter
+
Batteri
_
Ingen
strøm
Lukket
bryter
Strøm
+
Batteri
_
Motstand
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:
Rtotal = R1 + R2
To motstander i serie:
Eks.: Dersom R1 = 10 ohm og R2 = 20 ohm, så blir
totalmotstanden
Rtotal = R1 + R2 = 10 ohm + 20 ohm = 30
ohm
V
Strøm I
R1
Batteri
R2
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
La
Ved å kople motstander i serie øker den totale motstanden og strømmen minker.
To motstander i parallell:
Parallellkopling.
Dette er den andre måten å kople på. I figuren til
høyre ser du at motstandene nå er koplet ved
V
siden av hverandre. Strømmen i R1 vil nå ikke
gå gjennom R2 , og omvendt.
Batteri
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:
Elektronikk teori
s. 20 av 47
Itotal
I1
R1 I2
R2
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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.
+
1,5V
_
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.
+
1,5V
_
4,5 V
+
1,5V
_
Bryter
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?
I1 = ?
Batteri
9V
R1 =
100
ohm
I=?
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?
Batteri
9V
I2 =
15mA
I1
R1 =
100
ohm
R2 = ?
c Hvor mye strøm må batteriet levere nå?
Elektronikk teori
s. 21 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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?
Elektronikk teori
s. 22 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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 ”trykkkraft” 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. )
R
Spenning
inn
ømtålig
krets
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)
Elektronikk teori
s. 23 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
iINN
Strøm -til-spenning omformer:
Når vi sender strømmen iINN fra en strømkilde og gjennom
en motstand, "omformes" strømmen til utspenningen uUT:
Strømkilde
R
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:
Spennings+
kilde
u
- INN R
iUT = uINN/R
iUT
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:
uI
I
R2
R1 uUT
0V
og derav:
Spenningsdeler.
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:
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
Motstands
-belegg
Elektronikk teori
s. 24 av 47
Tilkoplinge
r
Slepekontakt
Prinsipiell
utforming
R = R1 +
R2
R2
R
R1
Symbol
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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.
uINN
R2
0V
R1 uUT
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:
uINN
t
RNTC
R1 uUT
0V
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.
uINN
Lysmåling med LDR:
RLDR
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.
R1 uUT
Bryter
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?
Elektronikk teori
s. 25 av 47
Batteri
9V
I1 = ?
R1 =
100
ohm
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
0V
I=?
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?
Batteri
9V
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?
I2 =
UI
0V
s. 26 av 47
R1 =
100
ohm
R2 = ?
b Hvor stor blir spenningen uUT over R1 ?
Elektronikk teori
I1
15mA
I
R2
R1
UUT
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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.
Motstand
R
At strømmen øker mye selv om spenningen bare øker
Batteri
litt, betyr at ohms lov ikke gjelder for lysdioder, og
med
det er en grunnleggende – og uheldig - egenskap alle
spenning
lysdioder har. Konsekvensen er rett og slett:
U
LED
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.
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:
R ≈ (4,5V – 2V)/0,01A = 250 ohm
Elektronikk teori
s. 27 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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)
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
Flere lysdioder på samme tid.
Seriekopling:
Dersom flere dioder av samme type skal lyse på samme tid, Batteri
med
er seriekopling tingen, - se figuren til høyre. Der er to røde spenning
dioder koplet i serie, - dvs. etter hverandre. Da går det
U
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,
Elektronikk teori
s. 28 av 47
Batteri
med
spennin
g
LED
LED
U
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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!
.
Batteri
med
spenning
U
Disse seriekoplingene gir jevnest lys med lysdioder av
LED
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
Seriemotstander R
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 Batteri
vi ville ha ha gjort med tre lyspærer? Svaret ligger med
i den store følsomheten for små
spenning
spenningsforskjeller. Med samme farge og LEDU
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!
Elektronikk teori
s. 29 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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.
Elektronikk teori
s. 30 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
Oppgaver
1.
2.
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..)
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.
Elektronikk teori
s. 31 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
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:
1.
2.
Kondensatorer lagrer elektrisiteten direkte, ikke kjemisk slik som batterier. Derfor
kan de lades opp og ut lynraskt (på knøttsmå brøkdeler av et sekund..) .
Kondensatorer har mikroskopisk kapasitet sammenlignet med et batteri på samme
størrelse.
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.
Batteriklip
s
Bryter Motstand
Ba
tter
i
9
V
R
+
- C
Kondensato
r (el.lytttype)
Til
voltmeter
+ -
+
9
V
Motstand
Prinsippskjema for
kretsen
----
Til
voltmeter
Kondensato
r (el.lytttype)
Praktisk koplingsskjema
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
Elektronikk teori
s. 32 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
å observere. I figuren til høyre kan du se
hvordan kondensatoroppladningen skjer, og at det går saktere og saktere etter hvert
som kondensator-spenningen nærmer seg
9V.
Når vi vet kondensatorspenningen, kan vi gå
inn i "oppladningskurven" og lese av hvor
mange sekunder det er siden oppladningen
startet. Derfor kan denne kretsen brukes til
tidtaking.
UC [V]
10
8
6
4
2
10 20
30 40 50
60 70 80 Tid [s]
Tidskonstant.
Hva er det i denne kretsen som bestemmer at det tar 23 sekunder før kondensatorspenningen
går ahlve batterispenningen, 4,5V? Er det kondensatorverdien, - enn om vi brukte en dobbelt
så stor kondensator, altså 660 uF? Da må jo oppladningen ta dobbelt så lang tid, ikke sant? Så
vi kan trygt gå ut i fra om vi øker kondensatorverdien, så øker oppladningstida tilsvarende.
Og motstandsverdien, da, - hva om vi dobler motstands verdien? Vel, i følge ohms lov, så går
strømmen i motstanden da ned til det halve. Siden det er denne strømmen som lader opp
ondensatoren, så må oppladningstida dermed bli dobbelt så stor …
Da har vi at oppladningstida både øker når C øker og når R øker , - den er altså avhengig av
R ganger med C , dvs. .. R·C ! Dette kaller vi for kretsens tidskonstant T, en viktig egenskap
til kretsen, for den forteller mye om hvilke tidsintervaller kretsen kan lage:
T = R·C
Tidskonstanten
For vår krets blir dette:
T = 100kohm·330uF = 100 000 · 0,00033 s = 33 s
I kretsen over er dette tida som går før kondensatorspenningen har steget fra 0 til 5,7 V
(egentlig 0,632 ganger batterispenningen)
Utladning av kondensator.
Vi skal studere dette i på en krets som er litt forskjellig fra den første.
Til venstre i figuren under ser du prinsippskjemaet , og til høyre er en mulig praktisk
oppkopling. Dersom kondensatoren er utladet, så viser voltmeteret null volt. Men når bryteren
Batteriklip
s
Bryter
Ba
tter
i
9
V
+
-
C
Kondensato
r (el.lytttype)
R
Motstand
Til
voltmeter
+ -
+
9
V
Motstand
Prinsippskjema for
kretsen
----
Til
voltmeter
Kondensato
r (el.lytttype)
Praktisk koplingsskjema
lukkes (batteriklipsen settes på batteriet) går den straks (momentant ) opp til
batterispenningen, for nå er det ingen motstand til å begrense strømmen. Oppladingen av
kondensatoren skjer nå så raskt at vi måtte hatt spesialutstyr (oscilloskop) for å måle det
(sannsynligvis dreier det seg om små brøkdeler av milliontedels sekund ..).
Elektronikk teori
s. 33 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
Men nå starter vi forsøket, og åpner bryteren (tar batteriklipsen av batteriet). Da begynner
spenningen å synke. Det er fordi kondensatorspenningen også ligger over motstanden, og da
går det strøm i den. Denne strømmen hentes fra kondensatoren, og derfor lades den ut.
Dermed synker spenningen. Med de verdiene vi har (100kohm og 330 mikrofarad) går det
ikke raskt, så denne prosessen kan vi følge i ro og mak. Etter ca. 23 s har spenningen dalt til
halve batterispenningen, 4,5 V. Det betyr at utladnings strømmen – strømmen gjennom
motstanden - også må være halvert (ohms lov). Dermed må utladningen går bare halvparten så
raskt nå, og det er lett å observere. Og hvor stor er spenningen blitt etter nye 23 s? Nettopp! –
den er igjen blitt halvert, - nå på halvparten av 4,5V = 2,25V .
Grafen i figuren til høyre viser hvordan spenningen på
UC
kondensator endrer seg som funksjon av tida. Dette er
10 [V]
utladningskurven for kondensatoren i denne kretsen.
Hvor lang tid går det da før kondensatoren er helt
8
utladet? Vi ser at spenningen etter 90 s er 0,6 V, - det
6
er ca 7 % av startverdien på 9 V.
Med lenger tidsakse i figuren ville vi kunne se at
spenningen er nede på 1 % av den opprinnelige i løpet 4
av ca. 2 ½ minutt, og rent praktisk kan vi kanskje da
2
si at kondensatoren er utladet? Men ikke prinsipielt ..
rent teoretisk blir den aldri null, - kurven i figuren vil
10 20 30 40 50 60 70 80Tid
aldri skjære horisontalaksen!
[s]
Det matematiske formeluttrykket for dette
spenningsforløpet - uC(t) - ser slik ut :
der t er tida siden utladingen startet, målt i sekunder.
R og C er verdiene til motstanden og kondensatoren
Oppgaver:
1.
Hvordan definerer vi verdien (kapasitansen) til en kondensator?
2.
En krets skal lage et tidsrom på 0,5 s. Kan vi bruke en kondensator på 330µF
(mikrofarad) til det? Hvor stor – sånn omtrent – kondensatorverdi vil du foreslå til dette
dersom motstanden som skal brukes er på 1 Mohm?
3.
Hvorfor går utladingen (eller oppladingen) i kretsene i teksten saktere og saktere etter
hvert?
4.
I eksemplet i teksten med utlading skal vi bruke 5 V i stedet for 9V. Hvor lag tid går det
da før spenningen er nede i 0,7V? Og hvor lang er utladningstida ned til 0,05 V (1% av
5V)?
Elektronikk teori
s. 34 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
Elektronikk med transistor.
Transistoren som AV/PÅ-bryter.
På side 19 står virkemåten forklart. Vi skal nå bruke den som bryter, og da må den serie
koples til en lyspære eller der vi skal slå AV og PÅ en strøm.
La oss se på et typisk eksempel der vi skal slå AV og PÅ ei lita lyspære. Vi bruker et batteri
som spenningskilde.
Emitteren på transistoren koples til
minuspolen på spenningskilden, og vi
definerer spenningen her som null volt, 0
V. Så koples den ene sida av pæra til
kollektor, mens den andre sida koples til
plusspolen på batteriet.
Styre"pinnen" på transistoren er ennå
ikke koplet til , og derfor går det ikke
strøm i transistoren. Den er å betrakte
som en bryter som er AV.
Til 12 V – plusspolen på batteriet
Lyspære
på 12V
og 40mA
(Basen,
ikke tilkoplet)
Ingen
hovedstrøm,
ikke lys i
pæra
Batteri
Transistor
For å slå på strømmen fra batteriet
gjennom lyspæra, må vi sende inn en
Til minuspolen på batteriet
liten styrestrøm inn på styreelektroden til
transistoren. Det er den som kalles basis og som på transistoren vi bruker (og på mange
andre) er pinnen i midten). Denne strømmen henter vil også fra +polen på batteriet. Den må
være liten ellers kan transistoren lett bli ødelagt. For å begrense styrestrømmen til en ufarlig
verdi for transistoren, kopler vi inn en motstand i serie (1 kohm = 1000 ohm er passe her..).
Nå ser koplingen slik ut:
Poenget med dette
er at det trengs bare
en knøttliten strøm
inn på basen
(styreelektroden)
for at det skal gå
nok strøm pære.
Denne strømmen vil
typisk komme fra
en sensor, en
komponent eller
krets som er følsom
for ytre påvirkning.
Lyspære
Til 12 V –
plusspolen på
batteriet
Hovedstrøm
fra plusspolen på
batteriet , ned gjennom
transistoren og tilbake
til minuspolen
motstand
styrestrø
Knøttliten
m
styrestrøm
Transistor
Til 0 V –
minuspolen på
batteriet
Sensor- transistor.
Vi nevner i fleng: Lyssensor (fotocelle), temperatursensor, vibrasjonssensor, kregningssensor,
kraft(strekk-)sensor, fuktighetssensor, trykksensor, strømningssensor, avstandssensor… og
mange andre. Noen av disse typene kan koples direkte til en alarm eller lydgiver, mens andre
gir så lite strøm at de trenger ”hjelp” av en eller flere transistorer. Da koples de til den
følsomme styreelektroden (basen) på transistoren. Når den får en knøttliten strøm fra en
sensor, vil den sende en stor strøm til – for eksempel - en lydgiver .
Elektronikk teori
s. 35 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
Transistorkrets med sensor.
Her skal vi bruke en sensor som er følsom for fuktighet. Det er rett og slett er to avisolerte
ledere som er plassert ved siden av hverandre, men direkte kontakt. Når det er tørt, går det
ikke strøm mellom trådene i giveren, men straks det blir vått, vil vannet mellom trådene lede
litt strøm, langt fra nok til å få lys i en lysdiode eller lyd i en alarm direkte. Derfor lar vi dette
signalet gå til en følsom transistor som kan slå på en skikkelig strøm som monner.
I stedet for lyspære skal vi nå bruke en liten lydgiver, kalt buzzer. Når det kommer noe fuktig
på sensoren, så vil buzzeren lage lyd. En fuktalarm, med andre ord. Figuren viser et
prinsippskjema for kretsen.
Varslerkrets
Fuktighetsdetektor
Buzzer
R=1,0kΩ
T
BC517
Batteri
4,5V
Virkemåte:
Når det er vann rundt fuktdetektoren leder den strøm fra + på batteriet og inn mot R . Derfra
går strømmen videre inn på styreelektroden (basen) til transistoren T. Dermed åpner T for en
mye større strøm fra + på batteriet, gjennom buzzeren og T til -polen på batteriet. Da blir det
lyd. Ja selv den lille fuktigheten på huden er nok for denne kretsen!
Elektronikk teori
s. 36 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
Elektronikk - systemer .
Det som særpreger "elektronikk" og skiller emnet fra enkle elektriske kretser med batteri,
bryter og lampe/motor er dette:
Elektronikk inneholder aktive forsterkerelementer: Integrerte kretser og transistorer.
Slike elementer finner du nær sagt overalt: Radioer, TV, mobiltelefoner, datamaskiner og
datautstyr, biler, lysdimmere, batteriladere, nettadaptere, elektriske over med termostat og
display, klokker, alarmer, ja selv i den blinkende diodelykten på sykkelen din .. … i det hele
tatt: Overalt, - med noen få unntak.
Selv om virkemåte, pris og kompleksitet varierer sterk, så har disse elektronikksystemene en
tign felles: De skal gjøre en jobb for oss, - gi oss noe. En røykvarsler skal gi en alarm dersom
det er røyk i rommet, trafikklysene i et gatekryss skal regulere trafikken ved å gi lyssignaler
til trafikantene, en telefon skal sette oss i taleforbindelse med andre, - for ikke å snakke om en
moderne mobiltelefon, som i tillegg skal gi oss en hel masse ulike tjenester.
For å kunne gjøre oss disse tjenestene, trenger de ”noe” inn, de må påvirkes utenfra med noe
vi gjerne kaller signaler.
Røykvarsleren, som finnes i alle hjem, er et godt eksempel på denne typen systemer. Den
består i prinsippet av tre "blokker",
se figuren til høyre.
Elektronis
Inn
RøykAlarm
Ut
k system
• En "signalgiver" (en
detekto
"klokke"
signalkilde, her selve
r
røykdetektoren), som gir
signal til
Røykvarsler.
• En elektronisk enhet, som
utfører en "prosess" på basis
av dette signalet, og som
Elektrisk/
Inn elektronisk
under bestemte forhold (røyk) Signal
Ut
Aksjon
gir ut en strøm eller spenning -giver
system med
som får "noe" til å skje, det
elektronisk
vil si starter en "aksjon" i
bryter
SEBA-system
• En aksjonsenhet (lydalarm,
ringeklokke, sirene).
Signalgiver → Elektronisk/elektronisk Bryter → Aksjon
Signalgiveren reagerer på noe fysisk som skjer med den, - den "føler" at den utsettes for noe.
Det kan være fuktighet, temperatur, lys, avstand, kraft – for å nevne noe. På engelsk kalles
denne enheten gjerne for "sensor" , - som rett og slett betyr "føler". Og disse betegnelsene er
det vi vil bruke i dette heftet: Signalgiver = Sensor.
"Aksjonen", - det som skjer, utføres av en aksjonsenhet. Eksempler på det er en motor, en
ringeklokke, en lyspære. Her handler det om å , altså "gjøre en jobb" som å påkalle
oppmerksomhet. På den måten kan vi lage styresystemer og alarmsystemer.
Styring- og alarmsystemer.
Vi ønsker oss kretser og systemer som gir muligheter for variasjon og kreativitet, men som
likevel er billige. Og da er alarm- og varslingssystemer et godt valg. Selve hovedprinsippet:
Signalgiver → Elektronisk/elektronisk Bryter → Aksjon (= SEBA-system) kan realiseres
med enkle midler, og egner seg derfor utmerket til enkle elektronikkprosjekter.
Elektronikk teori
s. 37 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
Hvorfor elektronikk?
Elektronikken har to hovedoppgaver:
•
Gi forsterkning: Det vil si utløse kraftig aksjon selv om signalgiveren bare gir svake
impulser. Den enkleste varianten er en elektronisk styrt bryter.
•
Utføre logiske operasjoner: Det vil si utløse komplisert(e) aksjon(er) på basis av en
eller flere signalgivere (slik som for eksempel fjernlåsen(kontrollen) til en bil eller
fjernkontrollen til en TV)
På de neste sidene er det mange eksempler på signalgivere og aksjoner.
Systemer uten elektronikk.
Mange systemer er svært enkle,
utstyrt med "signalgivere" som kan styre
aksjonen direkte uten noen elektronisk
krets, det vil si uten forsterkning eller
logikk. En hver lampe med bryter er
eksempel på det.
Figuren til høyre viser hvordan vi kan
kople opp et slikt system. Aksjonen kan
være en motor, en lydalarm eller ei
lyspære, og signalgiveren må kunne gi
nok strøm og spenning til å styre den
direkte.
"Aksjons
"enhet
(Sterk Manuel
signal- l bryter
giver)
Batter
i
Figur 2: System uten
elektronikk
To eksempler:
•
En bryter koplet til ei butikkdør kan få ei klokke til å ringe når døra åpnes.
•
To ledninger under ei gulvmatte er plassert slik at de danner kontakt og det går strøm i
ei lampe når noen trår på matta.
Ved å kombinere ulike signalgivere med de forskjellige aksjonene, er det store muligheter for
variasjon, både i funksjonalitet og pris.
Det er lett å undervurdere systemer uten elektronikk. Men de kan faktisk brukes til å
lage mange interessante og fine effekter, og de har den fordelen at de generelt sett er
lette å forstå, og billige og enkle og lite tidkrevende å lage.
"Aksjons
"enhet
Systemer med elektronisk bryter.
Hvis vi vil at den svake strømmen i
en fuktighetsføler skal starte ei
elektrisk pumpe eller en sirene, - ja
da må det forsterkning til. En
elektronisk styrt bryter gjør den
jobben. Det samme er tilfelle når en
alarm eller et sterkt lys skal slås på
når en lysstråle til ei fotocelle brytes,
for også det gir et svakt signal.
Det elektroniske systemet i figur 1 er
Elektronikk teori
Signal
-giver
Elektronis
k bryter
Styre
elektrod
e
Figur 3: System med elektronisk bryter
s. 38 av 47
Batter
i
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
her bare en enkel elektronisk bryter. (En transistor, se om elektroniske komponenter. )
For eksempel kan en fuktighetsvarsler være laget etter figur 3, med en blinkende lysdiode
eller en summer (lydalarm) som aksjon. Signalgiveren kan bestå av parallelle avisolerte
ledninger som plasseres ned mot underlaget. Ved vannsøl vil det gå en bitte liten strøm
mellom ledningene. Denne strømmen er for liten til å gi lyd i aksjonen direkte, men stor nok
til å slå på den elektroniske bryteren.
Indikator eller alarm?
En indikator følger signalet fra signalgiveren, det vil si gjør det giveren "vil" i øyeblikket.
Alarmkoplinger, derimot, må være utstyrt med en funksjon som holder aksjonen (en høylydt
summer) PÅ, selv om giversignalet blir borte. Da trengs ikke bare en slavisk AV/PÅbryter,
men en elektronisk "holde"funksjon. Det får vi til ved å la strømmen fra signalgiveren lade
opp en kondensator, som igjen mater transistoren. I en slik krets vil alarmen gå av etter ei viss
tid.
En gunstig egenskap til denne typen alarmkoplinger er at de praktisk talt ikke bruker strøm i
en når alarmen ikke er aktivert. Derfor kan batteriet vare i årevis (som i røykvarslere).
Med en elektronisk bryter kan vi lage en lang rekke enkle, nyttige og billige systemer.
Logiske funksjoner.
En alarm- eller varslerkrets som foran reagerer på ett signal uten noe "om og men". Men med
flere innsignaler kan det dukke opp nye problemstillinger.
Et par enkle eksempler: På bussen er det flere avstigningsknapper. Men det er nok at en av
dem trykkes for at bussen skal stoppe, likegyldig hvilken. Eller om flere trykkes. Den logiske
funksjonen her kalles ELLER (OR-) funksjon. Og når en knapp er trykket, så "husker" bussen
det til neste stoppe sted, men da blir det trykket på en avstillingsknapp som nullstiller
stoppesignalet. Akkurat på samme måten er det med en brannalarm.
I FN's sikkerhetsråd, derimot, må alle være enige for at et forslag skal gå i gjennom. Det
kalles en logisk OG(AND-)funksjon. Det er ikke lurt i en buss. Den må stoppe bare én har
trykket. Det kalles en logisk ELLER(OR-)funksjon. Det typisk er at vi nå har å gjøre med
flere innsignaler, for eksempel 2, se figuren under. Men det kan også dreie seg om et signal
som går AV og PÅ etter et visst mønster og derfor inneholder koder som morsekoden.)
Vær oppmerksom på at ordet "logikk" i denen sammenhengen ikke betyr det samme som i
vanlig dagligtale. (I et seinere kapittel Logiske kretser kan du lese mye mer om dette.)
Signalgiver 1
Logisk
krets
Signalgiver 2
Elektroniske
brytere
"Aksjons"
enhet 1
"Aksjons"
enhet 2
+ Strøm
- forsyning
System med logikk og elektronisk bryter
"Fus"detektoren er et annet eksempel på et logisk system. Den brukes for å finne ut hvem som
er raskest til å trykke først på en knapp, og brukes ved spørreleker på TV der det er om å gjøre
å kunne svare først. Den kan ha to eller flere innsignaler – trykknapper -, en for hver person,
og hver har sin lampe som viser at hvem av dem har trykket først. Enkelt og greitt!
Binære systemer.
Elektronikk teori
s. 39 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
Ser vi nærmere på alarm- og varslingssystemene foran, så vil vi se at alle innsignalene er PÅ
eller AV, og alarmer og lysdioder er PÅ eller AV. Ingenting er sånn "midt-i-mellom" eller
"vet-ikke" . Dette er eksempler på det vi kaller digitale, binære systemer. … Digitalt betyr
egentlig noe som er tallfestet, satt i bås, kategogisert, - mens binær betyr at det bare er to
kategorier… HØY-LAV eller PÅ-AV eller 0-1 ..
Det er lett å finne vanlige systemer av denne typen: En vanlig lysbryter er AV eller PÅ.
Varmeovnen din har en termostat med bare to trinn: AV og PÅ. (Selv om ovnen kan stilles
inn på flere wattstyrker.) Når temperaturen blir høyere enn den innstilte, så slår ovnen seg helt
AV. Og når så temperaturen kommer lavere enn innstilt verdi, ja da er det på'n igjen med
innstilt wattstyrke. Dette er et digitalt system med bare to tilstander, - altså et binært system.
Mange tekniske systemer rundt oss er slik: Strykejern, steikovn, kjøleskap, belysning ...osv.
Ja, til og med DU reagerer binært i en del situasjoner. For eksempel: Regner det ”for mye” går
du med paraplyen oppslått. Ellers er den ikke oppslått, ingen mellomting!
Analog - digital.
Systemer som definerer verden JA/NEI – SVART/HVITT og reagerer like unyansert med
AV/PÅ, virker ikke umiddelbart ”tillitsvekkende”. Vi er nok mer tilbøyelige til å reagere og
opptre nyansert. Vi oppfatter vel verden analogt? Er det snakk om været, så er ikke spørsmålet
om det er kaldt eller varmt, men snarere HVOR kaldt (eller varmt) det er.
Men også nyanser kan fanges opp vha binære eller digitale metoder. Tenk deg at det er kjølig
ute, og at du sitter i godstolen etter å ha slått på varmen, og du følger med temperaturen på et
elektronisk termometer som bare viser hele grader. Det viser 16 grader ei stund, så 17, etter
mer venting 18 osv...Er det da slik at romtemperaturen først er konstant 16 grader, deretter
hopper brått opp til 17 for å være konstant 17 ei stund, og så videre? Nei, sjølsagt ikke.
Romtemperaturen stiger helt kontinuerlig og jevnt, - den er et eksempel på en analog
størrelse. Men termometeret kan bare vise sifre, og runder av til nærmeste hele siffer.
Når vi bruker ordet "analog" her, så har det en spesiell betydning, det betegner verdier som
kan variere kontinuerlig, i motsetning til sprangvis, - verdier som kan være hva som helst, innenfor visse grenser, kanskje.
Termometeret i eksempelet gir et digitalt signal til deg, og minste differans mellom to
naboverdierer er 1 grad . Da sier vi at oppløsningen er 1 grad. Det er ikke veldig nøyaktig,
men greitt nok til husbruk. Og det er slik vi er vant til å ha det på mange områder: Vi bruker
tall - digitale verdier - til å angi menger og verdier som egentlig er analoge. Lengden på et
bord kan måles til 1,4m , en ball veier for eksempel 0,23 kg , og så videre… Digitalt betyr
egentlig noe som er tallfestet, satt i bås, kategogisert, men slike angivelser er aldri helt
"riktige". Men slike angivelser er praktiske for oss, hvordan skulle vi kunne utveksle
erfaringer og kunnskap om verden rundt oss uten å tallfeste tid, avstander, hastigheter,
mengder, verdier?
Vi vet at all datateknikk er basert på binære systemer og signaler. Det er ved hjelp av slike
koder vi lager bokstaver og tegn i PC'er. Ja, til og med CD-lyden og bildene i et moderne
fotoapparat – og i PC'en - lages faktisk av koder med bare 0 og 1!
Og det er faktisk slik at alt som er skrevet med et endelig antall tegn faktisk er digitalt... - det
gjelder hele verdenslitteraturen!!
Er det kanskje slik at vi mennesker også i bunn og grunn er digitale, - er
virkelighetsoppfatningen vår digital eller analog?
Elektronikk teori
s. 40 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
Logiske funksjoner og koplinger
Ved å kombinere brytere , kan vi lage "logiske funksjoner" slik som nevt foran . Eksemplet
der var blant annet avstignings signal på en buss. Der er det mange trykknapper, og når en av
dem – en hvilken som helst – trykkes, så tennes et rødt stoppsignal som er synlig både for
passasjerer og sjåfør. Hvordan tror du det er koplet? Figuren et forslag som vist i figuren, og
for enkelhets skyld har vi ikke tatt med flere enn 2 stopp-knapper, men tenk deg at det flere
vedsiden av hverandre ... Vil denne kretsen fungere som stoppsignal på en buss?
ELLER-funksjon:
Ja og nei, - får vi vel si . Det blir lys i lampa dersom A ELLER B ELLER begge trykkes, og
slik skal det være. Ulempen er at straks vi slipper trykk-knappen , så går lyset AV. Og da er
det bare å satse på at sjåføren husker å stoppe på neste holdeplass.
Vi kan sette opp denne tabellen:
Eller denne:
Til plusspolen
på batteriet
Lyspære
A
B
Til minuspolen
på batteriet
A
B
Lys
A
B
Lys
Av
Av
Nei
0
0
0
Av
På
Ja
0
1
1
På
Av
Ja
1
0
1
På
På
Ja
1
1
1
I tabellen til høyre har vi brukt 0 for AV og 1 for PÅ. Det er svært vanlig, og med bare to
muligheter (AV/PÅ - 0/1 ) kan vi snakker vi om binære koder eller tall (bi = 2) . Våre
vanlige tall er basert på 10 ulike symboler, 0 -9 . Det er desimale tall (desi = 10). Tabellen til
høyre kalles ofte for sannhetstabell.
OG-funksjon:
Det må være at både A OG B må være PÅ for å lage lys. Det kan se slik ut med brytere:
Vi kan sette opp denne tabellen:
Eller denne:
Til plusspolen
på batteriet
Lyspære
A
B
A
B
Lys
A
B
Lys
Av
Av
Nei
0
0
0
Av
På
Nei
0
1
0
På
Av
Nei
1
0
0
På
På
Ja
1
1
1
Til minuspolen
på batteriet
Forskjellen fra tabellene for ELLER-funksjonene er lett å se…
Elektronikk teori
s. 41 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
Logikk med transistorer – logiske kretser.
Hvordan lager vi dette med transistorbrytere, - og hvorfor? Fordi vi trenger å kople sammen
logiske funksjoner til mer kompliserte systemer, og da må brytere og lys erstattes med
elektriske signaler, både INN og UT. Og dessuten ønsker vi at kretsene skal reagere så raskt
som mulig, og da er transistorer det beste vi har! Reaksjonstida på logiske kretser i en PC – og
dem er det mange av!! – er helt nede i 10-10! Det er ufattelige en titusendel del av et millionte
dels sekund!
Eller-port:
Så da erstatter vi de manuelle bryterne over med transistorer som reagerer på INN-spenninger,
og får det du ser under til venstre. Men fremdeles er utsignalet et lys, og for å få en spenning
ut, kan vi sette inn en ekstra transistor og en motstand, se midt i figuren.. Den siste
transistoren vil være AV når en av de to første er PÅ, og da vil UT-spenningen være lik
batterispenningen – altså HØY. Som du også ser, så har vi kalt UT-signalet for Q , - navnet
skjemmer jo ingen..
Til pluss på
batteriet
Til pluss på
batteriet
A
A
B
B
Til minuspolen
på batteriet
Q
A
Q
B
Til 0 V – minus på
batteriet
Helt til høyre i figuren over finner du et (amerikansk) symbol for
logisk ELLER . Det forteller bare om selve den logiske
funksjonen, og ingenting om hvordan selve den elektroniske
kretsen er laget. Og det er ganske fornuftig, for det finnes mange
gode måter å lage selve kretsen på.
For en slik krets brukes betegnelsen ELLER-port – OR-gate på
am/engelsk. Det er til og med laget en egen "matematikk" for
dette, Boolsk algebra, der ELLER funksjonen uttrykkes slik:
Q=A+B
Sannhetstabell ELLER
A
B
Q
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
Merk! Dette er ikke helt en vanlig addisjon, det ser du av sannhetstabellen.. Det ligner litt,
men den nederste raden stemmer ikke... for 1 + 1 = 2 i vanlig, "ordentlig" matematikk, mens i
boolsk algebra , så er 1 + 1 = 1 !
Elektronikk teori
s. 42 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
OG-port:
Erstatter vi de manuelle bryterne i eller-funksjonen foran med transistorer, får vi en
tilsvarende OG-port: og som for ELLER-, kan vi sette inn en ekstra transistor og en motstand
for å få en spenning ut, se midt i figuren.. Den siste transistoren vil være AV når BEGGE de
to første er PÅ, og da vil UT-spenningen være lik batterispenningen – altså HØY.
Igjen er det logiske symbolet vist til høyre, og i boolsk algebra uttrykkes OG-funksjonen slik:
Til pluss på
batteriet
Til pluss på
batteriet
A
A
B
B
Q
A
Q
B
Til 0 V – minus på
batteriet
Q=A·B
Her er det brukt gange-tegn , og ser du i sannhetstabellen til
høyre stemmer det bra. Men bare tilsynelatende, for heller ikke
denne gangen stemmer det med "ordentlig" matematikk.
IKKE - NOT
Sannhetstabell - OG
A
B
C
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
Høres rart ut, men oftere enn en skulle tro har vi behov for å
"snu" eller invertere et logisk signal. Det betyr at HØY skal vendes til LAV og omvent. Og
det er det enkleste av verden med en
Til pluss på
transistor … for når A er HØY. så er
batteriet
transistoren PÅ, og da vil UTspenningen være LAV. Og omvendt!
Q
A
Igjen er det logiske symbolet vist til
A
Q
høyre, og i boolsk algebra uttrykkes
OG-funksjonen slik:
Q = IKKE(A)
eller slik:
Til 0 V – minus på
batteriet
IKKE-ELLER og IKKE-OG (NOR og NAND)
Sløyfer vi den siste transistoren i ELLER og OG-kretsene foran, blir UT-signalene motsatt av
det vi har sett foran. De blir HØY i stedet for LAV, og LAV i stedet for HØY. Akkurat som
om en IKKE-krets var satt inn. Eller fjernet. Og det er jo nettopp det som har skjedd!
Kretsene, sammen med logiske symboler og sannhetstabeller ser da slik ut:
Elektronikk teori
s. 43 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
IKKE-ELLER (NOR)
A
A
Q
Q
B
B
A
B
Q
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
IKKE-OG (NAND)
Q
A
A
Q
B
B
A
B
Q
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
Større porter.
IKKE-ELLER-kretsen foran er laget med to transistorer (i en parallellkopling)og har to
innganger. Det er da ingenting i veien for å øke dette antallet, og på den måten ha et – nær
sagt – uendelig antall innsignaler. På bussen, som vi tok utgangspunkt i, er det sikkert mer enn
10 knapper for stoppsignal.
Hvor vil så sannhetstabellene ut med – la oss si – 4 innsignaler i stedet for to i eksemplene
foran?? Hva blir verdien til Q = 1 + 1 + 0 + 1 ? Eller Q = 1 · 1 · 0 · 1 ?
For ikke å snakke om
?
(Riktige svar er hhv. 1, 0 og 0 …)
Flip-flop
Motstander, transitorer, dioder og
Sannhetstabell
kondensatorer er byggesteiner i all A
A Q2 Q1 B
Q1
elektronikk. Og på samme må er
1 1 0 0
1
de enkle logiske portene foran
2
0
0
1
1
byggesteiner i alle logiske
3 0 0 1
0
systemer. La oss ta et enkelt
4
0
0
1
1
eksempel med to IKKE-ELLER
5 0 0 1
0
(NOR) porter, se figuren til høyre.
Q
2
6
1
1
0
0
Det blir en krets med to innganger
7 0 1 0
0
A og B, og to utganger Q1 og Q2.
B
8
1
1
0
0
Vi tenker oss nå at inn-signalene
9 0 1 0
0
har verdiene i sannhetstabellen, og
at de varierer ved at vi går nedover
i tabellen.
I linje 1 er A = 1, defor må Q1 =
0, og siden B = 1, så må Q2 = 0.
I linje 2 er A blitt 0, og siden Q2 = 0, så er det 0 inn på begge inngangene til den øverste
porten. Q1 må derfor nå gå opp til 1.
Elektronikk teori
s. 44 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
Denne eneren går inn på den nederste porten, som derfor holdes lav, uansett hva B er, linjene
3 - 5. Kretsen "husker" at B var høy i linje 2!
I linje 6 ser vi hvordan en høyt signal inn på A (mens B = 0) "slår" AV Q1 og PÅ Q2. Og i
linjene ser vi at kretsen "husker" at A var høy i linje 6 ..
Denne kretsen brkes i situasjoner der A og B sjelden er høy – 1 – på samme tid. Da har Q1
og Q2 ALLTID motsatt verdi.
Ved hjelp av A kan vi "vippe" kretsen over i tilstanden Q1 = 0 og Q2 = 1.
Ved hjelp av B kan vi "vippe" kretsen over i tilstanden Q1 = 1 og Q2 = 0.
Kretsen "husker" hva som har skjedd før.
Dersom vi bare bryr oss Q2 som utgangssignal, kan kretsen
Sett
oppfattes som i figuren til høyre.
Q
Dette kalles for en vippe krets, eller på eng./am. Flip-flop, og
Resett
regnes også for en byggestein i logiske kretser. Ved å sette
sammen 8 vipper, kan en lage hukommelse for en bokstav
eller et tegn, og det kalles en byte. I en PC kan du lagre flere megabyte.. det blir mange
transistorer!
Vipper og porter er også grunnlaget for kretser som kan telle, addere og multiplisere.
Eksempel : Avstigningssignal på buss.
Vi har allerede sett og diskutert deler av dette systemet:
• Hver trykknapp i bussen må gå inn på en felles, stor ELLER-port.
•
Vi trenger en krets som kan huske at bussen skal stoppe.
•
Buss-sjåføren må kunne slå av stoppsignalet når bussen kjører ut fra en holdeplass.
Punkt 1 er grei, men hva
med punkt 2? Jo, der
bruker vi vippe-kretsen
foran. Og der er punkt 3
enkelt å få til siden
vippekretsen har to
innganger. Med logiske
symboler kan det se ut
som i figuren til høyre.
Sjåførens
knapp for å
slå av
stoppsignalet.
ELLERport med 16
innganger
for
avstigningsknapper
Til
stopplyset.
Flipflop
Logiske familier.
Kretsene vi har tegnet her, er laget enkle for å vise prinsippene, såkalte RTL-kretser (ResistorTransistor- Logic). Virkelige kretser som brukes i f.eks. PC'er fungerer mye bedre og MYE!
raskere. Halvlederfabrikantene har konstruert ulike "familier" av kretser (TTL, Shottky TTL,
CMOS, HCMOS for å nevne noen av veteranene"..). De er til dels ganske ulikt konstruert.
Kretser fra ulike "familier" passer derfor ikke godt sammen.
Integrerte kretser.
En transistor eller en diode er i seg selv knøttliten - en liten silisiumbit ("chip") på størrelse
med et knappenålshode - , det er innpakningen som er
"stor". Når vi skal lage en sammensatt logisk krets, så
sitter vi ikke og kopler sammen enkelt-transistorer for å
lage porter og vipper, for det har halvlederfabrikantene
gjort ferdig for oss, - på en og samme Si-brikke. Da
snakker vi om en integrert krets, IC (integrated circuit på
eng.). Det er bitte små silisiumbrikker der mange
Elektronikk teori
s. 45 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
transistorer og sammenkoplinger er ferdiglaget, og de er støpt inn i små plastdingser med
masse bein til alle inn- og utgangene. Slike kretser kan være svært komplekse og inneholde
tusenvis , ja millioner av transistorer. Minnekretser og cpu'er til datamaskiner er eksempler
på det.
I tillegg til slike digitale kretser, finnes det også andre, - som mengder av komplette
forsterkerkretser, - nær sagt i alle varianter. En gruppe er ganske små, og sammen med et par
ekstra motstander gir de en nøyaktig forsterker med svært gode egenskaper.
I det hele tatt: All vanlig forbruker- og underholdningselektronikk inneholder haugevis med
integrerte kretser. Ja, det skal godt gjøres å finne et eneste elektronisk apparat uten!
Oppgaver:
1a Bruk de logiske symbolene i teksten til å tegne en OG-port med 4 innganger. Hvordan
må innsignalene være for at utgangen skal være LAV. Enn for å gi HØY ut?
b Ved hjelp av 3 slike OG-porter skal du lage en OG-port med 8 innganger. Hva skulle en
slik konstruksjonen kunne brukes til?
2a En dør til et skap med verdisaker skal bare kunne åpnes når det er to til stede. Døra åpnes
av en motor, som startes ved at de to samtidig trykker på hver sin trykknapp i hvert sitt
hjørne av rommet der skapet står. Når skapdøra er helt åpen, så gir den et signal som slår
av motoren. Døra lukkes manuelt.
Du skal lage den logiske kretsen til dette scenarioet! I
figuren til høyre er A og B signalene fra de to
personene, "Åpen" er signalet fra skapdøra når den er
åpen, og utsignalet er "Kjør motor" skal brukes til å slå
på motoren når det er høyt, dvs. 1.
A
Logis
k
krets
B
Kjør
motor
Åpen
b En egen knapp blir montert ved siden av skapdøra. Når den trykkes skal motoren
reverseres slik at skapdøra stenges. En egen sensor plasseres slik at den gir signal når
døra er lukket. Utvid det logiske systemet over til å reagere adekvat på det ekstra
innsignalet og slå av motoren når døra er lukket. (Systemet må gi motoren et eget "Kjøri-revers"-signal). Ekstra bra ville det være om systemet ikke bryr seg om A og B
signalene mens døra er i ferd med å åpnes og/eller lukkes.
Digital styring.
Det er ingen grense for hvor mange signalgivere og aksjonser et sysem kan ha, og det skal
ikke veldig mye til før det blir temmelig komplisert. Vi kan for eksempel tenke oss et system
der ei fotocelle skal styre en motor som åpner en garasjeport .. Da er det også nødvendig med
"noe" som sikrer at porten ikke lukker mens bilen kjører ut eller inn. Men porten skal heller
ikke bli stående oppe unødig lenge! Kanskje bruker vi også ei fotocelle nr. 2 til å gi signal når
noe(n) står i døra, og en tredje til å varsle når sjåføren skal stoppe bilen før den treffer veggen
inne i garasjen! Det er også fristende å bygge inn en funksjon som slår på utelys og garasjelys
hvis det er mørkt. Og hvorfor ikke slenge på en infrarød bevegelsesdetektor til en
innbruddsalarm … Da må det være et tastatur for å trykke kode , og så videre og så videre ...,
det kan fort bli mange innsignaler og mange lys og motorer og alarmer som skal styres av og
på ettersom hva skjer..
Bruk av mikrokontrollere.
Elektronikk teori
s. 46 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013
Det skal ikke mange signalgivere, aksjoner eller funksjoner til før det hele kan bli nokså
komplisert, - slik som oppgave 2 med skapdøra på forrige side. Da er det ofte greiest å la en
såkalt mikrokontoller være "hjernen" i det elektroniske systemet. Det er en (knøtt)liten
datamaskin som kan programmeres til å sjekke signalene fra de ulike signalgiverne og finne
ut hvilke aksjoner som skal kjøres når og hvor lenge.
Vi kan få mikrokontrollere til å :
• reagere på signaler fra fjernkontrollere for fjernstyring (leketøy o.a.)
•
Reagere logisk på ("forstå") kompliserte signaler fra mange signalgivere.
•
Styre og koordinere mange aksjoner på samme tid.
Da er vi kommet inn på det som er prinsippet for en lang rekke profesjonelle, kommersielle
og industrielle alarm-, overvåkings- og styringssystemer. Vi nevner i fleng:
Innbrudds- og brannalarmer, heisstyringer, elektroniske vaskemaskiner, digitale ur,
fjernkontroller for TV, flaskeautomater, parkometre, elektronisk leketøy, mobiltelefoner og
så videre og så videre nær sagt i det uendelige.
For enkeltprosjekter og amatører finnes det mange ferdige opplegg, med kretskort, byggesett
og pc-programmer som gjør det enkelt å komme i gang. Best kjent er vel ARDUINO, som er
basert på ATMEL prosessorer. PICAXE er en annen variant , - antakelig den billigste, basert
på MICROCHIP-kretser. Programmering i BASIC og simulering gjøres på en PC (også
LINUX og MAC kan brukes), og det overføres til kretsen via en spesiell kabel .
Alle høgskoler og fagskoler har slike eller tilsvarende opplegg. Selve mikrokontrolleren
koster 5 - 250 kr. pr. stk., og selv de enkleste og billigste kan "programmeres" til de utroligste
oppdrag!
Elektronikk teori
s. 47 av 47
©Rolf Ingebrigtsen27.05.2013