Analogelektronikk : industrielektronikk 8200418782 [PDF]

Zitiervorschau

Svein Olaf Michelsen

Analogelektronikk Industrielektronikk

«x «f A/r. ■

epot^^

Universitetsforlaget 1

©

Universitetsforlaget AS 1995 ISBN 82-00-41878-2

Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven og fotografiloven eller i strid med avtaler om kopiering inngått med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Illustrasjonene i denne boka er hentet fra:

Cinet A/S, side 11 Motorola Norway A/S, side 11 K. Nielsen, H. Nielsen, H.S. Jensen: Skruen uden ende. Den vestlige teknologis historie, side 10 og 89

Henvendelser om denne boka kan rettes til: Universitetsforlaget AS Postboks 2959 Tøyen 0608 OSLO

Illustrasjoner: Svein Olaf Michelsen Omslag: Clas Hansen Sats: Brødr. Fossum AS, Oslo 1995 Trykk: GCS A/S, Oslo 1995 2

Forord Denne læreboka i analogelektronikk dekker mål 1 i faget elektriske in­ dustrielle anlegg for videregående kurs I Elektromekaniske fag. Noen av hovedmomentene i faget er vanskelige å dekke i en lærebok. Det gjelder for eksempel målet som sier at elevene skal «lage skjemategninger ved bruk av tilgjengelig datateknologi». Hver enkelt skole må gi opplæring ut fra hvilke tegneprogrammer og datamaskiner de har tilgang til.

Vi forutsetter at innholdet i de målene som tar for seg enkeltkomponenter som blir brukt i analogelektronikken, er kjent fra elektroteknikken på grunnkurs.

For at elevene skal få fullt utbytte av boka, bør praktiske oppkoplinger og målinger belyse de enkelte emnene så mye som mulig. Derfor har vi tatt med et stort utvalg med praktiske øvinger bak i boka. Elevene trenger grundig opplæring i bruk av måleinstrumenter. Et eget kapittel tar for seg de mest brukte måleinstrumentene, som voltmeter, amperemeter, ohmmeter og oscilloskop. Noen øvinger krever også bruk av funksjonsgenerator og andre instrumenter. Les bruksanvisningen som følger det enkelte instrumentet, slik at elevene bruker instrumentet riktig. Vi forutsetter at aktuelle databøker for elektroniske kretser er tilgjengelig for elevene. En del leverandører av elektronisk utstyr og komponenter sender ut omfangsrike leverandørhåndbøker som til dels kan erstatte databøker. De har også datablader og applikasjoner til sine komponenter. Det er ikke meningen at elevene skal lese boka fra perm til perm. Boka er lagt opp slik at læreren og elevene selv kan velge hvilke emner de vil gå grundigere inn på, og hvilken rekkefølge de vil lese stoffet i. Etter hvert avsnitt er det kontrollspørsmål. De kan fungere som en test på om eleven har lært stoffet. Svarene på kontrollspørsmålene finner du i av­ snittene foran.

Rud 1995 Svein O. Michelsen

3

4

Innhold Generelt om elektronikk........................................................................ 9 Kort historisk tilbakeblikk........................................................................ 9 Elektronikken i dag.................................................................................... 11 Elektronikk og miljø.................................................................................. 11 Analogelektronikk................................................................................... 13 Innledning................................................................................................... 13 Passive komponenter............................................................................... 16 Motstander.................................................................................................. 16 Lineære motstander................................................................................. 17 Kontrollspørsmål....................................................................................... 21 Ulineære motstander................................................................................ 22 Kontrollspørsmål....................................................................................... 28 Kondensatorer............................................................................................ 28 Elektrolyttkondensatorer........................................................................ 30 Tantalelektrolyttkondensatorer ............................................................... 32 Kontrollspørsmål....................................................................................... 33

Symboler og skjemalesing...................................................................... 34 Skjemalesing.............................................................................................. 36 Revidering av dokumentasjon og skjemaer............................................. 37 Forskrifter om virkeområde og utfyllende regler og overgangsbestemmelser vedrørende dokumentasjon og registrering av elektrisk utstyr.................................................................. 39 Arbeidsordre og dokumentasjon av nyinstallasjon og/eller utskifting.................................................................................................. 41 Tegning av skjemaer med dataassistert utstyr...................................... 42 Kontrollspørsmål....................................................................................... 42

Måleinstrumenter.................................................................................... 43 Amperemeter............................................................................................. 44 Avlesning av analog skala....................................................................... 45 Avlesning av digital skala....................................................................... 45 Voltmeter................................................................................................... 45 Avlesning av analoge og digitale voltmetre...........................................46 Ohmmeter.................................................................................................. 46 Avlesning av ohmmeter.......................................................................... 47 Oscilloskop................................................................................................ 48 Kontrollspørsmål....................................................................................... 50 Strømforsyning........................................................................................ 51 Transformatoren........................................................................................ 52 Likeretteren.................................................................................................53 Enveislikeretting...................................................................................... 53

5

Toveislikeretting................................................................................... Spenningsglatting................................................................................... Glatting med ladekondensator............................................................. Stabiliseringskretsen............................................................................... Referansespenning................................................................................ Regulator med transistor..................................................................... Sammenlikneren................................................................................... Spenningsføling over lastmotstanden................................................. Oppsummering....................................................................................... Kontrollspørsmål....................................................................................

54 55 56 57 58 58 62 62 63 64

Aktive komponenter............................................................................. 65 Halvledere.............................................................................................. 66 Fysiske forhold..................................................................................... 66 N-og P-materialer................................................................................ 67 PN-materialer....................................................................................... 68 Dioder...................................................................................................... 69 Historikk................................................................................................ 69 Teknisk beskivelse av en diode............................................................ 70 Kontrollspørsmål.................................................................................... 72 Effektdioder.......................................................................................... 72 Småsignaldioder................................................................................... 75 Likerettere............................................................................................ 78 Kontrollspørsmål.................................................................................... 81 Spesielle dioder.................................................................................... 82 Kontrollspørsmål.................................................................................... 88 Transistorer............................................................................................. 88 Historikk................................................................................................ 88 Bipolare transistorer............................................................................. 90 Karakteristikker.................................................................................... 92 Forspenning av transistoren................................................................. 98 Tre koplingsmåter.................................................................................. 104 Kontrollspørsmål..................................................................................... 107 Felteffekttransistoren............................................................................. 107 Kontrollspørsmål..................................................................................... 114 Tyristorer, triacer og diacer..................................................................... 115 Tyristorer................................................................................................ 115 Triacer..................................................................................................... 116 Diac........................................................................................................ 119 Kontrollspørsmål..................................................................................... 120 Operasjonsforsterkeren............................................................................ 120 Nyere operasjonsforsterkere................................................................. 124 Typiske koplinger av en operasjonsforsterker..................................... 124 Kontrollspørsmål..................................................................................... 129 A/D- og D/A-omforming......................................................................... 129 A/D-omformer....................................................................................... 130 Komplett D/A-omformer.................................................................. 136 Kontrollspørsmål..................................................................................... 137

6

Optokoplere............................................................................................. 137 Praktisk bruk av optokoplere................................................................ 140 Kontrollspørsmål..................................................................................... 144 Praktiske øvinger...................................................................................145

Stikkord.................................................................................................. 213

7

8

Generelt om elektronikk Kort historisk tilbakeblikk Elektroteknikk forbinder vi i første rekke med produksjon og overføring av elektrisitet. Elektroteknikken beskriver de fysiske lovene som elektri­ siteten følger. Elektrisk energi bruker vi på en lang rekke områder, for ek­ sempel til belysning, oppvarming, motordrift og kommunikasjon (tele­ foni, telegrafi, radio, fjernsyn, radar osv.).

Elektronikk er et eget fagområde i elektroteknikken. Ordet kommer fra begrepet elektronrørteknikk og viser til de komponentene som ble nyttet da faget ble til. Faget elektronikk har en relativt kort historie. I 1904 utviklet J.A. Fle­ ming elektronrøret. Røret var egentlig en glødelampe med en metallplate ved siden av glødetråden. Lampa hadde to elektroder og ble derfor kalt en diode. Fire år senere tok L. De Forest patent på et elektronrør med tre elektroder. Han plasserte den tredje elektroden mellom glødetråden og plata i dio­ den. Elektroden var en metalltråd bøyd i sikksakk. Den ble kalt et gitter. Røret hadde tre elektroder og fikk derav navnet triode. Denne oppfinnel­ sen gjorde det mulig å forsterke svake elektriske strømmer.

De Forest innførte også styrings- og reguleringsprinsippet. Antall bruks­ områder for styrings- og reguleringsteknikk har økt kraftig de siste tiår­ ene. I mange tilfeller der en tidligere brukte manuelle systemer, er i dag automatiske systemer i bruk.

Elektronrør

Under og etter den annen verdenskrig ble det jobbet mye med å utvikle radarteknologien. Det hadde under krigen vist seg særlig vanskelig å på­ vise radarbølger. Til det egnet ikke elektronrørene seg. De hadde mange ulemper, blant annet hadde de kort levetid, brukte mye energi og var store. Det var imidlertid kjent at visse stoffer som kjemisk liknet metal­ lene, men ikke var det, såkalte halvledere, kunne brukes til å identifisere radarbølger. Den 23. desember 1947 lyktes det forskere ved Bell-laboratoriene i New Jersey å utvikle det som senere ble kalt en transistor. En li­ ten bit av halvledermaterialet germanium viste seg å ha de samme egen­ skapene som elektronrøret og kunne brukes til å styre og forsterke strøm.

Elektronrør ble blant annet brukt i de tidlige datamaskinene. Den første datamaskinen i moderne sammenheng, Eniac, var utstyrt med 18 000 elektronrør, 3000 indikatorlamper og 5000 brytere. Den fylte et rom på størrelse med et varehus og krevde en effekt på 150 000 watt. Dagens

9

datamaskiner med transistorer er både mye raskere og mer effektive. De kan få plass i en skoeske og krever en effekt på bare noen få watt.

Eniac

Elektronikk er ikke lenger elektronrørteknikk. Den omfatter halvlederelementer av mange slag. I dag definerer vi elektronikk som læren om hvordan elektronrørene og halvlederkomponenter virker og blir brukt. Vi tenker da på bruk av halvlederkomponenter til for eksempel styring, regulering og forsterkning av små elektriske strømmer. Etter hvert har vi fått halvlederkomponenter som kan behandle ganske store strømmer. Dermed er skillet mellom elektronikk og elektroteknikk i ferd med å viskes ut, og vi har fått et eget fagområde som kalles for kraftelektronikk. Vi deler vanligvis elektronikken inn i to hovedemner:

• analogelektronikk • digitalelektronikk Et analogt system tar imot og gir fra seg signaler som forandrer seg jevnt fra én verdi til en annen. Et digitalt (av latin digitus, finger) system går fra én verdi til en annen i ett sprang.

10

Elektronikken i dag De fleste av oss forbinder elektronikk med radio, tv, CD-er og kassettspil­ ler, telefon, datamaskiner osv. Elektronikk av denne typen har på mange måter forandret folks levesett: Det finnes knapt en bil i dag uten radio og kassettspiller. Ingen reagerer på at det er mulig å ringe fra mobiltelefon midt på gata eller fra Galdhøpiggen. Enkelte har med seg sin bærbare kassettspiller eller CD-spiller hvor de enn går. Andre tar med seg den bærbare PC-en og bruker den for eksempel på toget, i båten og på flyet. Vi bruker plastkort i stedet for penger. Plastkortene blir lest elektronisk, og betalingstransaksjonen skjer også elektronisk. Med elektronikk kan vi regulere de sidene ved vår moderne tilværelse som vi oppfatter som negative, for eksempel økende energisløsing, foru­ rensning av luft og vann, store mengder avfall, strålepåvirkning osv.

Hjemmene våre blir varmet opp av elektriske varmeovner og varme­ kabler, der temperaturen styres av termostater eller elektroniske koplingsur for å gi riktig temperatur gjennom hele døgnet. Hastigheten på hurtigmikseren og bormaskinen kan styres av elektronikk. Forbrenningsmotoren i bilen er blitt forbedret med elektronisk hjelp, og vi kan dempe støy fra motorer.

Listen med eksempler er lang og viser i hvor stor grad elektronikk er en del av hverdagen vår. Det kommer også nye produkter på markedet for­ tere enn mange klarer å følge med. Utviklingen ser ut til å gå i retning av elektroniske produkter som gjør det mulig å bruke vår egen datamaskin til å bestille billetter, gå på konsert (hjemmevideo), eller hente opplysnin­ ger fra ulike kilder. Så hvem vet hvor det ender...

Elektronikk og miljø Elektronikkindustrien bruker forskjellige stoffer fra naturen. Metaller blir utvunnet og renset til forskjellige formål, og den kjemiske industrien ut­ vikler mange produkter som også blir brukt i elektroniske komponenter. Ulike typer motstander inneholder miljøskadelige stoffer. De bør derfor tas hånd om på en forsvarlig måte. Kondensatorer er bygd opp av metaller og isolerende stoffer. Apparater som går ut av bruk, bør sendes til en mot­ takerstasjon for slike produkter.

Etter hvert er det blitt mulig å resirkulere komponenter og stoffer som er brukt i elektroniske apparater.

Også kretskortproduksjonen bruker en rekke kjemikalier som må tas hånd om på en forsvarlig måte. I de enkelte emnene i boka vil vi peke på miljømessige forhold som du bør være oppmerksom på. Husk at vi alle har et ansvar for miljøet rundt

11

oss. Det er derfor viktig at du vet hva du skal gjøre med brukte elektro­ niske komponenter.

12

Analogelektronikk Innledning Vi skal bruke en vanlig stereoforsterker som et eksempel på hvordan analogelektronikken er bygd opp og virker. Forsterkere av ulike typer fin­ ner vi ellers i utstyr som tv-er, radioer, datamaskiner, telefoner, kassett­ spillere og CD-spillere. Forsterkere finnes også i forskjellige størrelser. Noen er så små at vi knapt legger merke til dem, for eksempel forsterkerne vi finner i høreapparater, mens andre er så store at vi knapt kan løfte dem, for eksempel konserthøyttalere. Vanligvis forbinder vi forsterkere med forsterkning av lyd. Men vi kan også forsterke bildeinformasjon (tv-bilde), og vi kan bruke forsterkere til å styre motorer, til å måle temperaturer, osv.

En vanlig stereoforsterker er en såkalt lavfrekvensforsterker. Slike for­ sterkere blir brukt innenfor det lydfrekvensområdet som oppfattes av det menneskelige øret (20-20 000 Hz).

Å forsterke vil si å behandle et fysisk lydsignal (inngangssignalet) slik at det lydsignalet som kommer ut av en høyttaler (utgangssignalet), blir ve­ sentlig kraftigere enn inngangssignalet. Inngangssignaler er analoge, det vil si at de hele tiden varierer mellom forskjellige nivåer, i motsetning til digitale signaler som bare veksler mellom to nivåer.

Forsterker

13

Det vi forsterker opp, er spenningen og strømmen. Men som du vet, vil også effekten øke når spenningen og/eller strømmen øker. DU HUSKER SIKKERT AT

- spenningen blir målt i volt - strømmen blir målt i ampere - effekten blir målt i watt Formelen for effekt: P= U- I P = effekten i watt (W) U = spenningen i volt (V) / = strømmen i ampere (A)

Spenningen er trykket som får strømmen til å «flyte» i ledningene på samme måte som vanntrykket får vannstrømmen til å flyte i rørene. Øker vi vanntrykket, vil også vannstrømmen øke.

I de tilfellene vi snakker om strømforsterkning, er strømmen helt domine­ rende i effektbildet. Vi kan forsterke opp enten spenningen eller strømmen, men som regel gjør vi begge deler, altså forsterker opp både strømmen og spenningen samtidig.

Eksempel Effekten i lydsignalet fra en platespiller er svært liten, ca. 18 pW (p = piko, som betyr 10-12). Det betyr at signalet har en styrke på 18/1 000 000 000 000 W. Dersom vi ønsker en effekt på 10 til 12 W (som er en vanlig effekt) ut av høyttaleren, må signalet forsterkes 6 • 1010 gan­ ger (60 000 000 000 ganger).

Analogelektronikk blir mye brukt i styring og regulering. Vi kan for ek­ sempel regulere utelyset utenfor boligen vår slik at et analogt element ko­ pler inn utelyset når dagslyset synker under en bestemt verdi. Lysstyrken i lampa kan også reguleres. I dag styrer vi i stadig økende grad ulike prosesser med digitale kompo­ nenter. Men inngangsignalene i en digital styring er ofte analoge, og det som skal styres, for eksempel en lampe eller en motor, arbeider etter ana­ loge verdier. Vi må derfor ha omformere mellom den analoge og den di­ gitale verden. Når inngangssignalet er analogt, må det omformes til en di­ gital kode, som kan behandles av digitale styringsystemer. En slik omfor­

14

mer kaller vi en A/D-omformer (A/D-converter). En omformer som gjør om digitale koder til analoge signaler, er en D/A-omformer. En slik om­ former bruker vi til å styre motorer, vifter, ventiler o.l.

Fordelen med styringssystemer basert på elektronikk er at strømforbruket er svært lavt. Men de små strømmene gjør systemet følsomt for støy. Nå vet vi at elektrisk støy ikke blir overført med lyset. Vi kan derfor gjøre om variasjonene i strøm og spenning til lysvariasjoner. Til det bruker vi også omformere, som vi kaller optokoplere. Vi kommer nærmere tilbake til bruken av disse senere.

Vi deler komponentene som blir brukt i analogelektronikken, i tre hoved­ grupper: • passive komponenter • elektromekaniske komponenter • aktive komponenter

Diverse komponenter

Vi skal se på hvordan disse tre komponenttypene er bygd opp, hvordan de virker, og hvordan de blir brukt.

15

Passive komponenter Motstander, kondensatorer, spoler, transformatorer, releer og sikringer er alle passive komponenter. Vi kaller dem passive fordi de ikke trenger en egen drifts spenning for å fungere. Her skal vi se nærmere på ulike typer motstander og kondensatorer.

Etter at du har gjennomgått dette kapitlet, skal du - kjenne de mest brukte motstanderne og kondensatorene som blir brukt i elektronikken - vite forskjellen på lineære og ulineære motstander - kjenne til bruksområder for motstander - vite når du skal bruke polariserte og upolariserte kondensatorer - kjenne til oppbygningen av fargekoden for motstander - vite hvordan ulineære motstander reagerer på ytre påvirkning

Motstander I Norge skiller vi mellom selve komponenten, som vi kaller motstand, og den elektriske motstanden som vi kaller resistans. Andre språk har samme ord for begge begrepene. Tyskere bruker «widerstand» og en­ gelskmenn «resistance» for både motstand og resistans. Bakgrunnen for at vi i Norge har et skille, er at vi tok det tyske ordet widerstand når vi snakket om komponenten, altså motstanden, mens vi oversatte det engelske ordet resistance for den elektriske motstanden, resistansen.

Motstander blir brukt til å begrense strømmen i en krets eller for å få spenningen til å synke. Noen ganger ønsker vi ikke at det skal være resis­ tans i en krets, for eksempel når den fører til spenningstap i en kabel. An­ dre ganger er resistansen nødvendig, for eksempel når et varmeelement skal avgi effekt: P = U ■ I og U = I • R, det vil si P = l2 R Alle elektroniske kretser inneholder motstander i forskjellige former og med bestemte resistansverdier. Motstandene kan være laget av forskjel­ lige typer stoffer, fra metalltråd til ulike plaststoffer. Vi deler motstandene som blir brukt i elektronikken, inn i to hovedgrupper:

16

lineære motstander ulineære motstander

Lineære motstander Lineære motstander har en resistansverdi som holder seg tilnærmet kon­ stant når strøm eller spenning øker eller minker. Resistansverdien til en li­ neær motstand er i liten grad avhengig av temperaturen. Lineære mot­ stander kan være faste eller variable.

R Symbol for fast motstand

Faste motstander Faste motstander har en bestemt resistansverdi, mens variable motstander kan stilles inn mellom en minimumsverdi og en maksimumsverdi. Det finnes flere typer av faste motstander.

Karbonsjiktmotstander. Et keramisk rør får tilført et tynt sjikt av krys­ tallinsk karbon. Resistansen blir bestemt av tykkelsen på dette sjiktet. Karbonsjiktmotstander blir laget for effekter fra 0,125 til 2 W. Vi kan anslå motstandens evne til å ta opp effekt ved å vurdere den fy­ siske størrelsen. En motstand på 0,125 W er 3,5 mm lang (da er ikke tilledningene medregnet) og 1,7 mm i diameter.

Motstander på 4 og 9 W

17

Motstandene er oftest merket med en fargekode, som kan bestå av fire el­ ler fem ringer. Ut fra denne merkingen kan vi finne dataene om motstan­ den i en tabell. Fargekoden for motstander med fire eller fem fargeringer: 1. 2. 3. x %

E6

E12

E24

10

10

10

12

15

15

18

22

33

Multi­ plikator

Toleranse Bokstav­ i% kode

Sølv

io-2

± 10

SR

13

Gull

w-1

± 5

GD

15

Svart

16

Brun

18

22

± 20

0

0

10°

1

1

1

101

± 1

BN

Rød

2

2

2

102

±2

RD

Oransje

3

3

3

103

OR, OG

Gul

4

4

4

104

YN

Grønn

5

5

5

105

GN

Blå

6

6

6

106

BL, BU

Fiolett

7

7

7

VT

Grå

8

8

8

GY

Hvit

9

9

9

WH

BK

27

33

36 39

3. siffer

12

30 33

2. siffer

(Ingen)

24

27

1. siffer

11

20

22

Farge

39 43

47

47

47 51

56

56

Karbonsjiktmotstandene leveres i standardverdier etter en E-standard (europeisk standard).

62 68

68

68 75

82

82

91

MILJØ OG SIKKERHET Karbonsjiktmotstander kan være miljøforurensende. Karbon som brenner, avgir både karbondioksid og karbonmonoksid (kullos). Kullos er svært giftig for mennesker. Karbondioksid er ikke giftig, men bryter ned ozonlaget.

Tabell for E-standard Metallsjikt- og metalloksidmotstander har en kjerne av keramikk eller glass som er dekket av et tynt metall- eller oksidsjikt. Metallsjiktmotstandene har stor nøyaktighet og er lite temperaturavhengige. De blir 18

brukt i blant annet avionikkutstyr (elektronisk utstyr i fly), medisinsk ut­ styr og romfart. De blir levert med standardverdier mellom 10 Q og 1 MQ og for effekter mellom 0,125 og 0,5 W.

Trådviklede motstander er laget av motstandstråd (legering av flere me­ taller), som er viklet rundt et rør av keramisk materiale. Trådviklede mot­ stander kan leveres for effekter fra 0,25 til 250 W og blir bare brukt ved lave frekvenser. Metalltråd viklet omkring et rør vil fungere som en liten spole (induktans). MILJØ OG SIKKERHET Trådviklede motstander inneholder metaller som kan være miljøforurensende. De bør derfor tas hånd om på en forsvarlig måte når de skiftes ut. Motstandspakker/resistansnettverk. Vi kan få motstander i pakker med flere motstander i én og samme komponent. Slike pakker lages i to utgaver:

• SIL-pakker • DIL-pakker

SIL er en forkortelse for engelsk Single-In-Line. En slik motstandspakke har pinnene i én rekke. DIL er forkortelse for Dual-In-Line. Denne motstandspakken har pinnene i to parallelle rekker.

SIL-motstand og DIL-motstand Når vi bruker slike motstandspakker, sparer vi mye plass. En motstands­ pakke med åtte pinner (SIL) kan enten inneholde fire individuelt atskilte motstander eller sju motstander som har én felles pinne. En motstands­ pakke (DIL) med fjorten pinner kan ha sju separate motstander eller tret­ ten motstander med én pinne felles.

19

SlL-skjerna og DIL-skjema

Overflatemonterbare motstander. I tillegg til de tradisjonelle mot­ standene, som har tilledninger på ca. 30 mm, blir det produsert motstan­ der uten tilledninger. De kan loddes inn direkte mellom kretsbanene i trykte kretskort og krever derfor svært liten plass.

Motstand sammenliknet med en pennespiss

Variable motstander I disse motstandene varierer resistansverdien mellom to oppgitte verdier. Variable motstander kan ha et motstandselement av karbonsjikt eller le­ dende plast, eller de kan være trådviklet. De fleste variable motstandene har faste tilkoplinger til hver ende av motstandselementet og en tilkopling til glidekontakten (slepekontakten). Den kan skyves over hele motstanden.

Potensiometre. En variabel motstand kan brukes som en spenningsdeler og kalles da et potensiometer.

20

Variable motstander med et rett motstandselement kaller vi en skyvemotstand eller et skyvepotensiometer.

Potensiometre kan justeres for hånd eller med verktøy. Et potensiometer som må stilles med verktøy (skrutrekker), kaller vi et trimmepotensiometer. Potensiometre som vi kan stille for hånd, har en betjeningsknapp. Motstandsendringen kan være lineær (motstanden øker med en enhet for hver gang vi øker dreievinkelen) eller logaritmisk (motstanden øker ti ganger for hver gang vi øker dreievinkelen på potensiometret).

Logaritmiske potensiometre blir blant annet brukt som volumkontroll i lavfrekvensforsterkere, fordi øret vårt oppfatter lyd logaritmisk.

i____ __ I___ I--- 1--- 1—

0 2k ik 6k 8k 10kn Lineært

I

Diverse potensiometre

I___ I___ I--- 1---

0

1n 10n 100n 1k 10kn Logaritmisk

Potensiometre med lineær skala og logaritmisk skala Utvekslingspotensiometre (multitum) fungerer slik at vi må skru akslin­ gen ti eller 25 ganger rundt for å variere resistansen fra minimum til mak­ simum.

Kontrollstikker (joysticks) består av to potensiometre som er mekanisk sammenkoplet med en styrestikke.

Kontrollspørsmål 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

Tegn symbolet for faste motstander. Hva er den laveste effekten karbonsjiktmotstander leveres i? Hvilken fargekode har en motstand på 4700 Q og 10 % toleranse? Hvor stor er motstanden som har fargekoden: brun - rød - oransje gull? Hva er nærmeste E-12 standardverdi for en motstand på 250 Q? Hvor bruker vi metall sjiktmotstander? Hvilke type motstander er beregnet for store effekter? Hva er maksimalt antall motstander på en 14-beins motstandspakke? Tegn symbolet for et potensiometer som kan justeres med a) fingrene b) skrutrekker Hva er forskjellen på et logaritmisk potensiometer og et lineært po­ tensiometer?

21

Ulineære motstander I en ulineær motstander forandrer resistansen seg når den blir utsatt for en ytre påvirkning, for eksempel temperatur, spenning, lys eller strøm.

Vi har tre hovedtyper av ulineære motstander: • NTC- og PTC-motstander eller termistorer. Disse motstandene er temperaturavhengige . • VDR-motstander eller varistorer. Disse motstandene er spenningsavhengige. • LDR-motstander, som er følsomme for lys

Felles for alle de tre typene er at de blir laget av keramiske halvledermaterialer.

Symboler for ulineære motstander

Temperaturavhengige motstander NTC-motstander. NTC er en forkortelse for engelsk «Negative Temperature Coefficient», det vil si negativ temperaturkoeffisient. Når tempera­ turen stiger, avtar resistansen til NTC-motstanden raskt.

Temperaturkoejfisienten sier noe om hvor mye resistansen øker eller min­ ker når temperaturen øker eller minker 1 °C. Resistansen i NTC-motstander kan endres på to måter, enten ved egenoppvarming, det vil strømgjennomgang, eller ved fremmedoppvarming, det vil si varme fra omgivelsene.

22

toleranse multiplikator

Ulike NTC-er og kurver for ulike typer NTC-er

23

De motstandene som er koplet for egenoppvarming, stabiliserer tempera­ turen i elektronisk utstyr. Motstander som er koplet for fremmedoppvarming, fungerer som følere for temperaturer, for eksempel i frysebokser. Når temperaturen synker i fryseboksen, stiger resistansen i NTC-motstanden. Spenningen øker i samme takt som resistansen, og når spennin­ gen når et bestemt nivå, kopler elektroniske komponenter ut strømmen til kompressoren.

PTC-motstander. PTC er en forkortelse for «Positive Temperature Coefficient», det vil si positiv temperaturkoeffisient. Resistansen øker kraf­ tig når temperaturen stiger. Økningen er ikke jevn.

Kurve for to typer PTC-er

24

Den maksimale resistansen og temperaturkoeffisienten er også begrenset av spenningen. PTC-motstander blir brukt i måle- og reguleringsteknikk som følere for temperaturen (fremmedoppvarming) og som en beskyt­ telse mot overbelastning. Ved egenoppvarming blir den brukt som selvre­ gulerende termostat, som nivåkontroll i væsker og i forsinkelseskretser. Den blir også brukt som varmeelement. For eksempel bruker vi en eller flere PTC-motstander for å regulere effekten fra varmekabler.

Varmekabler

Spenningsavhengige motstander - VDR Resistansen i en VDR-motstand minker kraftig når spenningen over den øker. VDR er en forkortelse for engelsk «Voltage-Dependent Resistor».

Diverse VDR

25

Disse motstandene bruker vi til å undertrykke høye spenninger, slik at ikke elektrisk og elektronisk utstyr blir ødelagt. De blir for eksempel ko­ plet over datalinjer, ved strøminntak til bolighus, og ellers der høye spen­ ninger kan gjøre skade.

Datamaskin

Figur 14 b

Lysfølsomme motstander - LDR I disse motstandene øker eller minker resistansen i forhold til lysintensi­ teten. LDR er en forkortelse for engelsk «Light Dependent Resistor», altså en lysavhengig motstand.

LDR-motstander er laget av kadmiumsulfid. Dette stoffet har svært få frie elektroner når det er mørkt, og resistansen er da svært høy. Når LDRmotstanden blir utsatt for lys, synker resistansen. Den avtar nesten lineært med lysstyrken.

26

LIGHT DEPENDENT RESISTORS

QUICK REFERENCE DATA

Dark resistance

Rq 2322 600 93001

> 10 MO >1

2322 600 93002 Light resistance R l 2322 600 93001 2322 600 93002

75 to 300 Q 200 kfi/s

Maximum dissipation at 40 °C

0,1 W

Ambient temperature range

-30 to + 60 °C

MECHANICAL DATA

Outline drawing

TYPICAL CHARACTERISTICS

Resistance as a function of illumination.

Resistansen varierer mellom ca. 200 Q ved lysstyrken 1000 lux og 10 MQ når det er mørkt. Sammen med en forsterker kan en LDR kople inn releer eller kontaktorer for automatisk tenning av lys.

27

LDR blir også brukt i alarmer. LDR-motstanden forandrer resistansverdi så snart en lysstråle blir brutt. Det reagerer andre elektroniske komponen­ ter på. Dermed blir for eksempel en sirene koplet inn eller et vaktselskap automatisk ringt opp.

Kontrollspørsmål 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Nevn et annet navn på en NTC-motstand. Hva er NTC forkortelse for? Hvilken temperatur må vi oppgi når vi kjøper NTC-er? Hva kan få resistansen i en PTC til å forandre seg? Til hvilke formål bruker vi PTC? Tegn symbolet for en VDR. Nevn et annet navn for VDR. Hvilken resistansverdi har en LDR når det er mørkt? Hvor mange ohm har en LDR når den blir utsatt for normalt godt lys (1000 lux)?

Kondensatorer En kondensator er en komponent som kan holde på en elektrisk ladning en forholdsvis kort stund. Den sies å være den første elektriske kompo­ nenten som ble oppfunnet (ca. 1748).

Kondensatoren er bygd opp av to plater eller folier med et isolerende sjikt mellom. Dette sjiktet kalles dielektrikum.

+

Upolarisert

Symboler for kondensatorer 28

Polarisert

Kondensatorene får navn etter hvilke isolasjonsmaterialer som er brukt. Papirkondensatoren (MP-kondensatoren) har impregnert olje- eller vokspapir som dielektrikum.

Ulike kondensatorer

Metallkunstfoliekondensatoren (MK-kondensatoren) kan ha forskjellige typer kunstfolie som dielektrikum. Polykarbon, polypropylen, polestyrol, polyetylen og cellulose er noen av de stoffene som kan brukes.

MK-kondensa torer

29

MK-kondensatorer brukes til mange formål. De kan stoppe likestrøm og «slippe» vekselstrøm forbi, slik at det er mulig å skille driftsstrøm og signalstrøm fra hverandre. De kan også fungere som faseforskyvningselement for motorer og lysrørsarmaturer.

Keramiske kondensatorer har en keramisk masse som dielektrikum. Slike kondensatorer brukes stor sett i høyfrekvente kretser (radiofrekvenser).

Tcefasemotor koptet for enfase drift med faseforskyvningskondensator

Gjennomskåret kondensator

Elektrolyttkondensatorer Elektrolyttkondensatoren skiller seg fra de kondensatorene vi har beskre­ vet til nå, ved at den bare har en eneste metallfolie. Den andre folien blir erstattet med en elektrolytt, og dielektrikumet består av et metalloksid (A12O3) som dannes på «baksiden» av folien. Som metallelektrode brukes aluminium eller tantal. Som kontaktelektrode for elektrolytten brukes blank aluminiumsfolie eller sølvkapsel. Aluminiumsboks

PaPir innsatt

folie med oksidbelegg

Gjennomskåret elektrolyttkondensator

30

aluminiumsfolie

Elektrolyttkondensatoren er vanligvis en likespenningskondensator, der den oksiderte aluminiumsfolien koples til plusspolen. Feilkopling av po­ lariteten til elektrolyttkondensatoren fører til at oksidsjiktet blir brutt ned og kondensatoren kortslutter. Tilkoplingene er merket + og slik at feil­ kopling kan unngås. Obs Feilkopling av en elektrolyttkondensator kan føre til en farlig ek­ splosjon. Elektrolyttkondensatorer som er beregnet for likespenning, må ikke koples til vekselspenning. En eksplosjon vil føre til at aluminiusfoliebiter og elektrolytt kan treffe øynene våre når de blir slengt ut i rommet? Det lages også elektrolyttkondensatorer for AC (vekselspenning). Slike elektrolyttkondensatorer er dobbelt så store som elektrolyttkondensatorer for DC (likespenning), fordi vekselspenningen utvikler varme, og driftsspenningen ved AC er den dobbelte av driftsspenningen ved DC.

Elektrolyttkondensatorer er utstyrt med en trykksikring i tilfelle det skulle utvikles gass ved overspenning. De har en forholdsvis høy kapasitans i forhold til volumet. Elektrolyttkondensatorer brukes hovedsakelig som lade- og filterkondensatorer for likerettere, som start- og kompenseringskondensatorer for elektrisk utstyr, og som koplings- og avkoplingskondensatorer i forsterkere.

Disse kondensatorene egner seg ikke for bruk i høyfrekvenskretser, fordi de har for stor induktans. Induktansen oppstår på grunn av den opprullede folien (det blir en «spolevirkning»). Elektrolyttkondensatorer leveres i mange størrelser. Ved lav spenning, 16 V, kan kapasitansen være 68 000 pF, men ved høy spenning, 400 V, er den sjelden over 1000 pF.

31

Tantalelektrolyttkondensatorer Tantalelektrolyttkondensatorer kan være våte eller tørre. I begge tilfeller består den positive elektroden (anoden) av sintret tantalpulver og dielektrikumet av tantaloksid (Ta2O5).

Gjennomskåret tantalelektrolyttkondensator

Våtkondensatoren. I våtkondensatoren danner en elektrolytt den nega­ tive elektroden (katoden). En sølvkapsel formet som et beger fungerer som kontaktelektrode for elektrolytten. Tørrkondensatoren har en negativ elektrode av mangandioksid, som er et halvledermateriale. Som ved elektrolyttkondensatoren av aluminium må ikke polariteten på den tilkoplede spenningen feilkoples. Tørrkondensatorens reversspenning er vanligvis oppgitt til mindre enn 0,5 volt.

Bruksområdet for tantalelektrolyttkondensatorer er det samme som for andre elektrolyttkondensatoren Tantalelektrolyttkondensatorer leveres bare for lave spenninger, 1,6 -40 V og i størrelsene 6,8-22 pF.

32

MILJØ OG SIKKERHET Kondensatorer er, som mange andre elektriske komponenter, bygd opp av metaller og isolerende stoffer, for eksempel aluminium, kop­ per, tinn, plaststoffer, papir eller oljer. Når du skal skifte ut konden­ satorer, bør du sende de gamle apparatene til kommunale motta­ kerapparat for slike produkter.

Produsentene har også selv satt i gang gjenvinning av komponen­ ter fra utskiftet elektrisk utstyr.

MP-kondensatorer som sitter i kraftige lysrørsarmaturer, damplampearmaturer, vaskemaskiner, tørketromler, sentrifuger, støvsugere, radioer og fjernsynsapparater, inneholder PCB-olje. PCB (= polyklorerte bifenyler) er helsefarlig. Det er et giftig stoff og er også tungt nedbrytbart. Det lagres i kroppen og inngår dermed i næringskje­ den. Før 1980 ble PCB-holdig olje brukt til isolasjonsmiddel og kjølemiddel i elektrisk utstyr. Elektrolyttkondensatorer inneholder en del stoffer som ikke bør slip­ pes ut i naturen. Dielektrikumet bygger opp et oksidsjikt på metallfolien som er en kjemisk reaksjon fra en syre. Denne syra er et­ sende. Tantalkondensatorer har en katode som inneholder tungmetallene sølv og magnesium. Selv om de finnes i små mengder, bør de ikke slippes ut i naturen.

Kontrollspørsmål 1 2 3 4 5

Tegn symbolet for en polarisert kondensator. Hva kan en MK-kondensator brukes til? Hva slags stoff er dielektrikumet i en elektrolyttkondensator laget av? Hva kan skje dersom du kopler elektrolyttkondensatoren til for høy spenning? Hvor stor reversspenning tåler en tørr tantalkondensator?

33

Symboler og skjemalesing Etter at du har gjennomgått dette kapitlet, skal du

- kjenne oppbygningen av de vanligste elektriske symbolene som blir brukt i elektronikken - vite hvordan komponentene i et skjema er merket - kjenne forskriftene for dokumentasjon - kunne fylle ut en arbeidsordre WWW , W®-.-zz,

z

Vi har allerede brukt en del enkle symboler for å illustrere virkemåten for noen komponenter. Motstander, varmeelementer, lamper og motorer har egne grunnsymboler. Vi kan også bruke tilleggssymboler eller tekst for enda bedre å forklare hvordan disse komponentene virker. For å kunne forstå elektriske skjemaer og tegninger må du lære hva de en­ kelte symbolene betyr. Bruk av symboler i stedet for ord gjør elektriske skjemaer ganske språkuavhengige. Når vi forstår hva det enkelte symbo­ let betyr, kan vi «lese» skjemaer som er tegnet i andre land, uten å kunne språket.

Symboler har hatt forskjellige former gjennom tidene og er fortsatt i for­ andring og utvikling. I Norge har vi en egen komite, Norsk Elektrotek­ nisk Komité (NEK), som godkjenner symbolene, og som har ansvaret for å utarbeide den norske standarden. Det er også viktig at symbolene i et land ikke skiller seg fra de som bru­ kes i andre land. I Norge følger NEK med få unntak de standardene som blir utarbeidet i Europa. Symbolene våre blir mer og mer i overensstem­ melse med de internasjonale normene, som blir fastsatt av IEC. De komponentene vi bruker, kommer fra mange deler av verden. Derfor er vi også nødt til å kjenne til andre symbolstandarder, som for eksempel DIN og EIA. Vi må også kjenne til asiatiske normer.

IEC = International Electrotechnical Commission DIN = Deutsche Industrie-Normen EIA = Electronic Industries Association Figuren under viser noen av de symbolene vi får bruk for når vi arbeider med analoge kretser. Alle disse symbolene er godkjent av NEK. NEK ut­ gir et hefte, NEK 144, som forteller hvilke elektriske symboler som er godkjent til enhver tid.

34

Forsterker

Regulerbar forsterker

Generator, sinus

Regulerbar motstand

Likeretter AC - DC

Omformer DC -DC

Polarisert kondensator

Motstand

Regulerbar motstand

Lavpassfilter

Spole

Sikring

T ransformator

Kondensator

Polarisert kondensator

Primærelement

Primærbatteri

-F3Diode

NPNtransistor

N-kanal MOSFET

Zenerdiode

PNPtransistor

P-kanal MOSFET

(ledende kanal)

Tyristor

Lysdiode

N-kanal FET

P-kanal FET

Diac

Triac

Dobbeltbasisdiode

N-kanal P-kanal MOSFET MOSFET (ikke - ledende kanal)

Oversikt over de mest brukte symbolene

35

Skjemalesing For å forstå virkemåten til for eksempel en forsterker tegner vi kompo­ nentene ved hjelp av symboler og forbinder dem med rette streker. Stre­ kene illustrerer de strømførende ledningene mellom komponentene. På den måten ser vi hvordan et anlegg eller en komponent fungerer. Da har vi en skjemategning.

Et skjema kan inneholde flere komponenter av samme slag. For å holde komponentene fra hverandre gir vi hver komponent et eget nummer, et posisjonsnummer.

Skjemategning. Dette skjemaet viser noen motstander og kondensatorer som er koplet til en transistor Figuren viser hvordan motstander skal nummereres: ovenfra og nedover med stigende nummer og fra venstre mot høyre. Det gjelder også for di­ oder, transistorer, kondensatorer, IC-er osv. Plasseringen av posisjonsnummeret i forhold til symbolet skal være slik at vi ikke kan forveksle komponentene. Der det er plass til det, og der verdien er bestemt, er det vanlig at den også blir påført skjemaet.

Ledninger og forbindelser tegner vi som rette streker.

Når to ledninger krysser hverandre uten elektrisk forbindelse, lager vi bare et rett kryss. Hvis ledningene har forbindelse mellom hverandre, teg­ ner vi inn en fylt sirkel. Når ledningene forgreiner seg, tegner vi vanlig­ vis ikke en fylt sirkel. Er du i tvil, bør du likevel tegne en.

Skjemaet viser ulike tilkoplingsmåter til ledninger

36

En åpen sirkel betyr at forbindelsen er løsbar, det vil si at ledninger kan koples fra med for eksempel en skrutrekker.

Hittil i boka har vi for det meste brukt blokkskjemaer. Det er forenklinger av skjemategninger. De viser hvordan et komplisert apparat, som en for­ sterker, er satt sammen. Blokkskjemaer har egne symboler som skal for­ klare hvordan større enheter virker. En forsterker består for eksempel av forskjellige blokker med komponenter, og skjemaet viser da i hvilken rekkefølge blokkene skal stå.

Eksempel på blokkskjemaer

5

Blokkene i et blokkskjema forbindes med linjer. Linjene kan utstyres med piler som viser hvilken vei signalene går. I noen tilfeller tegner vi også linjer som viser hvilke blokker som får driftsspenning. Når det går flere typer signaler mellom blokkene, kan vi skille signalene fra hveran­ dre ved å gi dem en, to eller tre piler eller ved å bruke forskjellige piltyper, for eksempel åpen pil, fylt pil, trekantet pil osv.

Integrerte kretser (IC-er) tegner vi som en kombinasjon av et blokk­ skjema og et koplingsskjema. Selve forsterkeren blir tegnet som en blokk og gitt et eget posisjonsnummer som i et koplingsskjema. Vi skriver også inn IC-ens beinnummer på skjemaet. Blokksymbolet og beinnumrene er ikke tegnet inn der vi finner dem på selve IC-en. Beinnumrene er tegnet slik det er mest hensiktsmessig for tegningen.

Blokkskjema av sluttforsterker og IC med beinplassering

Revidering av dokumentasjon og skjemaer Alle forandringer som gjøres i et anlegg, må dokumenteres. Det gjør vi i skjemaet over kretsen, der alle komponentene blir merket på en bestemt måte.

Motstander må angis med posisjonsnummer (7?r R2, R3, osv.), resistans­ verdi (Q, kQ eller MQ), effektstørrelse (for eksempel 1/2 W) og eventu­ elle andre merknader (for eksempel oc = 0,0012). Slike merknader kan også være en varseltrekant, en stjerne eller liknende, som viser til forkla­ rende tekst. (Noen produsenter av elektronisk utstyr legger inn spesialmotstander som fungerer som sikringer.)

Motstandsmaterialet kan det også være viktig å få opplysninger om. Trådviklede motstander har for eksempel andre egenskaper enn karbon­ sjiktmotstander, og det bør vi kjenne til. 37

13°2

A226 8 I----------o—♦-

4

2.5 AT

2337

270nF

+1 29V

I234O

A228 Z ------- o—*■

*6302 IY225/10Q,

1 F 6541 • • 1N4148

r^-i

2 3300yuF

7*2339 100nF

2338

.

270 nF

+2 28V

2.5 AT AT 6539 F BZX79C30

A227„ 6 SK1 O«

§ 3635

2590 -29V

+18 +18.8V

2341

3300ajFi

-13V

Motstand med varseltrekant (Philips)

Kondensatorer må merkes med posisjonsnummer (Cp C2, C3, osv.), kapasitansverdi (pF, nF eller pF), maksimal spenning og hva slags materiale de er laget av (for eksempel: MP = metallpapir). Dersom det er brukt po­ lariserte kondensatorer, må symbolet ha et plusstegn som angir hvilken vei kondensatoren er satt inn i kretsen.

Symbolene for spoler og transformatorer må angi om de har jemkjeme, om de skjermer for utstråling, og hvor stor strøm de kan føre, i tillegg til hvilken induktans de har. Som posisjonsnummer for spoler brukes van­ ligvis Lp L2, L3, osv. For transformatorer kan bokstaven foran tallet vari­ ere: enten Tr eller bare T. (Trp Tr2, Tr3 osv. eller Tp T2, T3 osv.) I forklarende tekst er det svært viktig å få vite hvor stor resistans, hvor mange vindinger og hvilken trådtykkelse spolen har. Merking av spoler og transformatorer

38

Dioder, transistorer og andre halvledere må ha helt korrekte symboler. Mange ganger kan en liten strek eller prikk gi tilleggsopplysninger som vil være avgjørende for virkemåten til kretsen. Når vi skal bytte ut for ek­ sempel en transistor, kan den opprinnelige transistoren erstattes av en

transistor som har tilsvarende eller bedre data enn den opprinnelige. Da er det viktig at dokumentasjonen inneholder opplysninger om begge trans­ istorene.

Forskrifter om virkeområde og utfyllende regler og overgangsbestem­ melser vedrørende dokumentasjon og registrering av elektrisk utstyr Vi har fått forskrifter som setter krav til dokumentasjon av elektrisk ut­ styr. De ble fastsatt av Elektrisitetstilsynet 1. juli 1994 med hjemmel i lov av 24. mai 1929.

Forskriftene har bestemmelser som skal forhindre at elektrisk utstyr for­ volder skade under bruk. Som skade regnes også elektromagnetiske for­ styrrelser. Dersom svakstrømsutstyr, for eksempel batteridrevet leketøy, kan forveksles med elektrisk utstyr, skal også slikt utstyr dokumenteres.

Elektrisk utstyr som omsettes eller tilbys i Norge, må oppfylle krav fast­ satt i norske normer eller europeisk harmonisert standard. Vi får stadig nye produkter på markedet som ikke finnes beskrevet i norske normer. I slike tilfeller skal utstyret oppfylle krav som er forordnet av IEC- eller CEE-normene. Disse normene er fastsatt i prosedyrer i EØS. IEC: The International Electrotechnical Commission CEE: Communauté Économique Européenne EØS: Det europeiske økonomiske samarbeidsområdet

Fabrikanter av elektrisk utstyr må lage en erklæring som inneholder disse punktene om utstyret:

powerest Power supply Output voltage: Input voltage:

POWEREST A.S

The ultimate quality type: 12 VDC 220 V AC

!□ (n)

Made in Norway 0489A 3Å 50 Hz

navn og adresse til fabrikanten beskrivelse av utstyret med kjennemerke, typebetegnelse osv. hvilke(n) harmonisert(e) standard(er) som er fulgt forsikring om at utstyret oppfyller den standarden som er fulgt forsikring om at utstyret er registrert ved Elektrisitetstilsynet, og at fabrikanten har innført internkontroll i sin bedrift, eller at eventuelt dispensasjon er gitt f) underskrift av ansvarlig person i bedriften g) dato for underskrift

a) b) c) d) e)

Til det elektriske utstyret må det følge med tekniske spesifikasjoner som inneholder 39

-

-

en generell beskrivelse av utstyret konstruksjons- og produksjonstegninger komponentlister lister over delmontasje, strømkretsskjemaer osv. beskrivelser og forklaringer som er nødvendig for å forstå tegninger og lister liste over standarder som helt eller delvis er fulgt resultat av konstruksjonsberegninger og undersøkelser osv. prøverapporter

BC548 BC337 BC556

BF494 BF24I-

2SK193LF

BY225

BZX75 AA119 BZX79 1N4148 BB809

TDA1576 TDA1578

Eksempel på god dokumentasjon over komponenter Vær oppmerksom på at forskriftene revideres med jevne mellomrom. Det er derfor viktig at du ofte kontrollerer om de forskriftene du har, er gyl­ dige. Hvis ikke, må du sørge for at de blir oppdatert. 40

Arbeidsordre og dokumentasjon av nyinstal­ lasjon og/eller utskiftning Har du gjort forandringer på et anlegg eller utstyr, må du bestandig doku­ mentere det. Det gjelder også når du skifter ut eller erstatter komponenter med andre typer enn det som opprinnelig var i kretsen. Du kan for eksem­ pel tegne et nytt skjema, beskrive hva forandringen består i, og forklare med tekst hvordan utstyret nå virker. Det er også viktig å få med at utsty­ ret fyller kravene i lEC-spesifikasjonene (eller andre spesifikasjoner). Til slutt må du underskrive med ansvarlig person og datere dokumentasjo­ nen. All dokumentasjon må være tilgjengelig for brukere av anlegget el­ ler utstyret og helst oppbevares i eget arkiv. En arbeidsordre har vanligvis satt av plass for noe av denne dokumenta­ sjonen. Eksempel på en arbeids- eller reparasjonsordre: (firmanavn, adresse, telefon og fax.nr, post- og bankgiro, osv.)

Arbeids-/Repar»sjonsordre .................................................................... Ordre nr:....................

Kunde/Oppdragggiver:_______ __ _______ _ __________________________ Adresse: ____________________________________________ Bestilt av.______ ___ ________________________ ___________

Kontaktperson:____________________________ ___________ __________________________ ,

sign.: tilrådes: Reparasjon frar&des:

Utstyrsmerke:________________________________ Reparasjon

Moden/type: Tilleggsutstyr:

Kvalitets- og egenkontroll KontoBert Kontrollert med avvik

ARBEIDSORDRE:

og godkjent

Nrl

Nr 2

Nr 3

Nr 4

Ikke godkjent

KontroBstatus Plassering horisontalt Plassering vertikalt Riktig montert teknisk Feste til underlag I henhold til forskrifter Funksjons prøvet Kontrollert av Dato. formann

Sign.

Kontrollert av Dato saksbehandler

Sign

Kontrollert av Dato: kvahtets ansvarlig Kommentarer ved kontroll

Sign.

1___ Montør reparatøren» kommentar:

Kvittering for utført arbeid: Oppdragsgiver:........................................... Saksbehandler:...........................................

____

Dato:............ Dato:................................

_

Hvis du alltid fyller ut arbeidsordren samvittighetsfullt, har du langt på vei tilfredsstilt kravene til dokumentasjon i forbindelse med forandringer eller nyinstallasjon av elektrisk utstyr.

41

Tegning av skjemaer med dataassistert utstyr I dag bruker vi som regel dataassisterte tegneprogrammer når vi skal lage litt større skjemategninger. Det gjør det også lettere å forandre skjemaet når det er behov for det. Det vil føre for langt å belyse bruken av slike programmer i denne læreboka. Men generelt kan vi si at hvis du skal gjøre små forandringer, kan du ta utgangspunkt i originalskjemaet og merke av forandringene. Du kan også tegne et eget skjema med tusj og sy mbolsj ablonger.

Kontrollspørsmål 1 2

3 4 5 6 7 8

42

Tegn skjema med fire motstander koplet sammen og merk dem etter forskriftene. Tegn blokkskjema og skjema med enkeltkomponenter av en likeret­ ter. Hvordan angir vi en motstand i et skjema? Hvilke opplysninger skal en kondensator være merket med? Hva er en «ekvivalent» transistor? Hvilke opplysninger må en produsent av elektrisk utstyr gi i en egen­ erklæring? Hva skal tekniske spesifikasjoner på elektrisk utstyr inneholde? Hvorfor er det viktig å fylle ut en arbeidsordre samvittighetsfullt?

Måleinstrumenter

Fordi strøm og spenning ikke er synlig, må vi kunne bruke forskjellige måleinstrumenter for å «se» det som skjer i en elektrisk krets. Det er der­ for viktig at vi kjenner disse instrumentene, og hvordan de brukes.

Etter at du har gjennomgått dette kapitlet, skal du

-

kjenne de mest brukte måleinstrumentene i elektronikken vite hvordan amperemeter, voltmeter og ohmmeter skal koples inn i en krets kunne avlese både analoge og digitale instrumenter kunne bruke og avlese oscilloskopet

For å forstå hvordan elektriske eller elektroniske kretser virker, må du kunne bruke et amperemeter, et voltmeter, et ohmmeter og et oscilloskop. Etter hvert vil du nok komme i befatning med mange andre elektriske må­ leinstrumenter, men her skal vi kort se på de fire grunnleggende instru­ mentene. • Til å måle strøm bruker vi et amperemeter: et likestrømsamperemeter for måling av likestrøm og et veksel strømsamperemeter for å måle vekselstrøm. • Til måling av spenning bruker vi et voltmeter: ett for måling av likespenning og ett for måling av vekselspenning. • Til resistansmåling må vi ha et ohmmeter. Alle disse måleinstrumentene kan være innebygd i en og samme kasse. Vi snakker da om et universalinstrument eller et multimeter. Moderne digi­ tale multimetre har ofte flere enn disse måleinstrumentene innebygd.

• Til måling av spenning kan vi med fordel bruke et oscilloskop. I tillegg til at det viser størrelsen på spenningen, viser det også spenningsformen.

43

Amperemeter Amperemetre bør ha så liten resistans som mulig for ikke å forandre den strømmen som skal måles. For å måle en strøm må vi lage brudd i kret­ sen.

I elektroniske kretser kan det gå både likestrøm og vekselstrøm. Du må vurdere om det er likestrøm eller vekselstrøm du skal måle. Still velgeren på DC (-) (likestrøm) eller AC (~) (vekselstrøm) før du begynner å måle. Kopi inn amperemetret mellom de to punktene som bruddet laget. Skal du måle en ukjent strøm, stiller du velgeren på største verdi før innkopling. Hvis strømmen er mindre enn det største området, kan velgeren stil­ les ned til neste verdi. Områdevelgeren stiller du til den verdien der utsla­ get blir størst mulig.

Når vi skal måle strøm på elektroniske kretser, må vi ha et svært nøyaktig og følsomt amperemeter. Strømmene i en liten transistor kan variere fra noen få mikroampere (pA) til nesten 1 ampere. Den samme lille transis­ toren kan behandle signaler med nokså høye frekvenser. Selv om vi ikke kan oppfatte høyere frekvenser enn bortimot 20 000 Hz, kan lavfrekvenstransistorer behandle signaler på 1 000 000 Hz.

Rimelige transportable digitale multimetre kan ikke måle signaler med frekvenser over ca. 300-400 Hz med like stor nøyaktighet som stasjon­ ære instrumenter.

44

Avlesning av analog skala Analoge instrumenter har vanligvis én skala for likestrøm og én for vek­ selstrøm. Utslaget på viseren skal multipliseres med innstillingen på områdevelgeren. Figuren viser et analogt amperemeter som måler en strøm på 117 mA. Vi­ seren står på 1,17 og områdevelgeren på 100 mA. Det blir 1,17-100 mA = 117mA.

Analog skala

Avlesning av digital skala På digitale amperemetre angir områdevelgeren den høyeste strømmen som kan måles. Når strømmen blir større enn områdevelgeren er stilt til, viser tegnruta (displayet) et 1-tall i venstre segment.

Mange digitale multimetre har automatisk skifte av måleområde. Med en egen knapp kan vi velge manuell innstilling av måleområde. Figuren viser et eksempel på visning av den samme måleverdien som over, men nå på et digitalt amperemeter.

Digital skala

Når vi bruker et digitalt amperemeter (multimeter), får vi måleverdien skrevet ut uten å gå veien om multiplikasjon. At det digitale amperemetret viser verdier med desimaler, betyr ikke at det er mer nøyaktig enn et analogt amperemeter.

Voltmeter Et voltmeter bør ha så høy resistans som mulig for ikke å dempe den spenningen som skal måles. Moderne voltmetre, både analoge og digi­ tale, har en indre resistans som er høyere enn 1 megaohm (> 1 MQ). Før vi kopler inn voltmetret, må vi vurdere om vi skal måle likespenning (eller DC) eller vekselspenning (~ eller AC). Voltmetret koples i parallell med de delene/komponentene vi skal måle spenningen over.

45

Skal du måle en ukjent spenning, stiller du spenningsvelgeren på høyeste spenning. Etter innkopling kan du stille om til lavere spenningsverdier hvis den målte spenningen virkelig er mindre enn det innstilte området.

Avlesning av analoge og digitale voltmetre På samme måte som med et analogt amperemeter må du multiplisere ver­ dien som viseren peker på med det aktuelle området velgeren står på. Likespenning og vekselspenning har også hver sin skala på analoge instru­ menter. Det digitale voltmetret viser måleverdien med en tallverdi i tegnruta. Her er det bare maksimalverdien for det enkelte området som begrenser avlesningen. Velg det området som får fram flest tall i tegnruta.

Analog og digital skala

På figuren har begge instrumentene samme måleverdi.

Ohmmeter Vi bruker et ohmmeter til å måle resistans i en ledning, en motstand, en bryterkontakt o.l. Analoge ohmmetre egner seg også for måling av dio­ der, transistorer og en del andre halvledere. På digitale instrumenter er det laget et spesielt område for slike målinger. Området er avmerket med et diodesymbol. Analoge ohmmetre kan også brukes til enkel kontroll av kondensatorer.

Ohmmetret har en innebygd spenningskilde som gir fra seg en målestrøm. Denne målestrømmen må ikke forstyrres av andre spenninger. Før du begynner å måle, må du kople bort alle andre spenninger inn til kret­ sen eller komponenten som skal testes. Vær også oppmerksom på at ikke alle komponenter tåler målestrømmen fra et ohmmeter. Spesielt eldre ohmmetre har en forholdsvis høy målestrøm.

Nye universalinstrumenter og digitale multimetre har pluss-spenning (+) fra et innebygd batteri ut på målepinnen med rød farge, og minusspen-

46

ning (-) ut på den svarte målepinnen. Det er viktig med god kontakt mel­ lom målepinnene og den komponenten som skal måles. Husk at du ikke må måle resistansen gjennom egen kropp når du skal måle resistansen til komponenten! Ikke berør begge målepunktene med fingrene - da vil målestrømmen dele seg. Summen av strømmene, den gjennom komponen­ ten og den gjennom kroppen, flyter gjennom instrumentet.

Før du måler resistans med analoge ohmmetre, må du kortslutte målepin­ nene for å kontrollere at nullnivået er riktig justert (zero adjust). Etter hvert som batteriet i instrumentet lades ut, må du etterjustere nullnivået.

Det er også en god regel å kontrollere alle ohmmetre med kortsluttede målepinner før du begynner å måle resistans.

Avlesning av ohmmeter Figuren viser et eksempel på analog og digital visning av samme resi­ stansverdi.

Analog og digital skala

47

Oscilloskop Oscilloskopet egner seg godt til vekselspenningsmålinger. Elektroniske kretser arbeider ofte med spenninger som ikke kan måles med verken AC- eller DC-voltmeter. Et AC-voltmeter er beregnet for måling av sinusformede spenninger og bare det. I elektroniske kretser kan vi ha firkantpulser, sagtannpulser, pulser som ikke er symmetriske, og forvrengte sinusspenninger. Oscilloskopet skal vise spenninger i forhold til tiden. Det vil si at formen og amplitudeverdien blir vist på en skjerm i forhold til det tidspunktet vi velger. Øyet er et utmerket «instrument», men klarer ikke å følge med på beve­ gelser som går raskere enn ca. 25 Hz. Vanlige glødelamper «blunker» med en frekvens på 100 Hz. Denne blunkingen oppfatter vi ikke. Derfor må vi bruke et oscilloskop når signalene har høyere frekvens enn ca. 25 Hz, og vi vil oppfatte det med øyet. Dagens oscilloskop kan vise signaler med frekvenser på mange hundre megahertz (100 000 000 Hz = 100 MHz).

Oscilloskopskjerm og sinuskurve

48

Spenningens toppverdi/amplitudeverdi leser vi av ved å telle opp antall ruter i vertikal retning. Antall ruter multipliserer vi med innstillingen av knappen volt/rute (V/DIV). Målepinnen (proben) kan være utstyrt med et dempeledd. Når oscilloskopet har en slik probe, er den merket med hvor mange ganger signalet dempes. 10 (og noen har 100) ganger demping be­ tyr at vi må multiplisere den avleste verdien med 10 (eller 100).

Avlesning av oscilloskopskjerm Spenningen blir tegnet opp på skjermen med den hastigheten som er be­ stemt av tidsgeneratoren, som er innebygd i oscilloskopet. Vi kan regu­ lere hastigheten med knappen TIME/DIV (tid/rute). Rutemønstret på da­ gens oscilloskop er delt inn i centimeter (cm). Noen produsenter av oscil­ loskop merker også knappen med TIME/CM. Vi kan bestemme frekvensen ved å telle opp antall ruter i horisontal retning mellom top­ pene for en periode. Deretter multipliserer vi antall ruter med tidsinnstillingen på knappen tid/rute (TIME/DIV). Forholdet mellom frekvens og periodetid er

Oscilloskopskjerm med samme signal, men med AC-DC-knapp i ulik po­ sisjon

49

Med oscilloskopet kan vi måle både likespenning og vekselspenning samtidig eller hver for seg. Når et signal inneholder både likespenning og vekselspenning, får vi vist det på skjermen når vi stiller knappen merket med DC, GND, AC i DC. Hvis vi bare vil måle vekselspenningen, setter vi venderen i AC. I stillingen GND (jord) blir strålen på skjermen en rett strek, og vi finner hvor nullnivået for spenningen er. Oscilloskopet har en egen blokk med flere innstillinger som skal få bildet på skjermen til å stå rolig. Denne blokken kaller vi triggekretsen (TRIGGING). For at strålen skal begynne å tegne opp spenningsbildet på det samme punktet hver gang, må strålen motta en startpuls, det vil si at den må «trigges». Det fører for langt å gå i detalj om hvordan blokken funge­ rer, men med vendere og potensiometre kan strålen justeres til et rolig bilde.

Du kan justere strålens lysmengde med knappen merket INTENS (inten­ sitet). Skarpheten til strålen justerer du med knappen merket FOCUS (fo­ kusering). Strålen kan forflyttes i både vertikal og horisontal retning med knappene Y-POS (vertikal posisjon) og X-POS (horisontal posisjon).

Det finnes også en del spesialfunksjoner som varierer fra oscilloskop til oscilloskop. Det blir ikke omtalt her. Vær oppmerksom på at knapper som er merket CAL (kalibrer), må stå i riktig stilling for at du skal få et korrekt opptegnet spenningsbilde i for­ hold til rutemønstret på skjermen.

Kontrollspørsmål 1 2 3 4

5

6

50

Hva heter instrumentene som kan måle: a) strøm, b) spenning, c) re­ sistans? Hvilke fordeler får vi ved å måle spenning med oscilloskop? Hvilken oppgave har triggekretsen i et oscilloskop? Hva skjer med strålen på et oscilloskop når vi skrur på knappene mer­ ket: a) focus b) x-pos c) intens d) y-pos Hvor høye frekvenser kan signalene ha som vi kan måle med et rime­ lig digitalt multimeter? Hvordan skal et amperemeter koples til en krets?

Strømforsyning For at de ulike delene i en elektronisk krets skal virke, må kretsen få til­ ført strøm. Det får den fra en strømforsyning. Strømmen kan tas fra lys­ nettet eller fra en akkumulator. Dersom vi bruker lysnettet som strømkilde, må strømmen bearbeides før den kan brukes i de forskjellige ele­ mentene i en elektronisk krets. Det skjer i strømforsyneren. Etter at du har gjennomgått dette kapitlet, skal du

-

kjenne til hvordan en strømforsyning er bygd opp kunne forklare transformatorens funksjon i strømforsyningen vite forskjellen på enveislikeretting og toveislikeretting kunne forklare hvordan glatting av spenning foregår vite hvorfor og hvordan spenning stabiliseres kunne forklare hvordan regulatoren virker

Blokkskjema for en strømforsyning Strømforsyneren inneholder disse hovedenhetene:

• • • •

transformator likeretter spenningsglatter stabiliseringskrets

220 V 50 Hz

Transformator

Likeretter

Spenningsglatter

Stabilisator

Blokkskjema av enkeltdeler i en strømforsyning 51

For å kunne forsterke signalene fra for eksempel en CD-spiller må vi ha en like spenning. Men spenningen fra lysnettet er en vekselspenning med en frekvens på 50 Hz. Hvordan skal vi gjøre om vekselspenningen til likespenning? Lyden som kommer ut av høyttalerne, har mange forskjellige frekvenser. Da må elementene inne i forsterkeren kunne arbeide med de samme fre­ kvensene. Hvordan skjer det?

Vi skal se hvordan strømforsyneren «løser» disse to problemene.

Transformatoren Ordet transformator kommer av det latinske ordet transformere, som be­ tyr å omforme. Transformatoren omformer spenning fra en verdi til en annen. Vi kan gjøre spenningen støne eller mindre. Transformatoren i en strømforsyning som skal drive en forsterker, gjør 220 V vekselspenning fra lysnettet om til en lavere vekselspenning. Hvor stor denne vekselspenningen skal være, er avhengig av de ulike forsterkerkomponentene som blir brukt.

Transformatoren er bygd opp med én vikling på lysnettsiden (primærviklingen) og én vikling på forsterkersiden (sekundærviklingen). Spennin­ gen på sekundærsiden er avhengig av antall vindinger på sekundærsiden i forhold til primærsiden.

Transformator

Skillet mellom primær- og sekundærviklingene kaller vi et galvanisk (ikke-metallisk) skille. Spenningen fra lysnettet kaller vi primærspenningen, og vekselspenningen som skal behandles videre, kaller vi sekundærspenningen. Det galvaniske skillet holder de to spenningene atskilt, slik at vi ikke får med oss feil fra lysnettet inn i forsterkeren.

Spenningen som vi tar ut av transformatoren, er ofte lavere enn 50 V, og den er vanligvis ikke farlig å komme i kontakt med for friske mennesker.

Eksempel En transformator med 1000 vindinger (N) på primærsiden (p) og 110 vin­ dinger på sekundærsiden (5) gir en sekundærspenning på 24,2 V når primærspenningen er 220 V. £p-^p

t/s

52

Ns

220 = 1000 t/s ' 110

220

110 1000

Us = 24,2

Positive

Sinusformet spenning

Likeretteren Selv om vi har transformert ned spenningen, er den fortsatt en veksel­ spenning på sekundærsiden, og den må derfor likerettes. Det betyr at vi må gjøre spenningen om til en likespenning, slik at strømmen har den samme retningen hele tiden, fra pluss til minus. Se også side 78.

I likeretteren gjør diodene spenningen om fra vekselspenning til like­ spenning. Vanligvis bruker vi en eller flere halvlederdioder. Vi kommer nærmere inn på de enkelte komponentene som vi bruker i likeretting, se­ nere. Her skal vi bare ta for oss prinsippene for likeretting.

Enveislikeretting En diode slipper strømmen gjennom bare den ene veien.

Pila i symbolet viser hvilken vei strømmen slipper igjennom. Tenker vi tilbake til vekselspenningen, der strømmen skiftet retning 50 ganger i se­ 53

kundet (50 Hz), betyr det at strømmen slipper gjennom dioden hver gang den har samme retning som pila på symbolet. Når strømmen går gjennom en motstand, får vi et spenningsfall, som tilsvarer likespenningen.

U=I-R Bare positive pulser

Pulserende likespenning Som du ser, er ikke likespenningen konstant, men varierer i takt med den spenningen som dioden får tilført. Hver gang spenningen fram til dioden har feil polaritet, slutter dioden å lede (strømmen slipper ikke igjennom).

Likeretting ved hjelp av en enkelt diode kaller vi enveislikeretting. Da ut­ nytter vi bare annenhver spenningsimpuls fra transformatoren.

Toveislikeretting Enveislikeretteren overfører lite energi per sekund, fordi den bare utnytter den ene halvperioden av vekselspenningen. For å utnytte begge halvperiodene må vi ha to diodekretser, en for den positive halvperioden og en for den negative halvperioden. Det kaller vi en toveislikeretter. På sidene 78-79 kan du lese om ulike metoder for toveislikeretting og om hvordan koplingen skjer. Den likestrømmen vi har fått etter at vi har likerettet den, er likevel ikke helt lik den vi får fra en akkumulator eller et vanlig batteri. Vi har fått en likerettet pulsspenning (plusspolen er på samme sted, men spenningen varierer i styrke). Denne spenningen kan vi ikke bruke som driftsspenning til en forsterker. Vi må derfor få jevnet ut spenningsvariasjonene (rippelspenningene). De er mye mindre i en toveislikeretter enn i en enveislikeretter.

Toveislikeretting blir oftest gjort i en brulikeretter. Den består av fire di­ oder, der to og to dioder styrer strømmen riktig vei gjennom belastningen.

54

Figuren nedenfor viser to ulike måter å tegne den samme koplingen på.

a) Prinsippskjema for bru likeretting og b) det mest brukte koplingsskjemaet for brulikeretting

Vi kan kjøpe brulikerettere som er ferdigbygd med alle diodene i en og samme innfatning.

Spenningen over belastningen ved toveislikeretting

Spenningsglatting For å få spenningen så jevn at vi kan sammenlikne den med en batterispenning, bruker vi en ladekondensator. Den har evnen til å holde på spenningen når den blir oppladd. Vi snakker da om spenningsglatting. 55

Elektronene fra den negative polen på ladekondensatoren flyter til den ene platen, og samtidig flyter like mange elektroner fra den andre platen til den positive polen. Platene får dermed like store, men motsatte ladnin­ ger.

Kondensator

Den platen som er forbundet med plusspolen, blir positiv, og den som er forbundet med minuspolen, blir negativ. Kopler vi kondensatoren fra, kan vi med et voltmeter vise at det fortsatt er spenning mellom platene. Kondensatorplatene har beholdt ladningene.

Glatting med ladekondensator

Figur 56 Skjema av en likeretter som er tilkoplet en ladekondensator

Kondensatoren som er parallellkoplet med motstanden, har etter kort tid ladd seg opp til en spenning som langt på vei er like stor som amplitudeverdien (toppspenningen) til sekundærspenningen fra transformatoren. Det forutsetter at lastmotstanden er forholdsvis stor. Lastmotstanden symboliserer forbrukerapparatet som skal drives av den likerettede spen­ ningen.

a) b) c) d)

U før likeretting U etter likeretting uten C U etter likeretting med stor last og C U etter likeretting med liten last og C

Likerettede pulser og rippelspenning med to ulike laster

56

En stor kondensator har et større strømreservoar enn en liten kondensator, og den holder derfor lenger på ladningen. Vi kan beregne utladningen (rippelspenningen) med denne formelen:

Ur =

UT = U = f = C = R =

u 2-J2 ■ f • C •R

rippelspenningen likespenningen over lastresistansen frekvensen til rippelspenningen ladekondensator lastmotstand

De spenningsvariasjonene som vi får til tross for glattingen, kaller vi rippelspenning. Eksempel Etter en enveislikeretting har vi en likespenning på 25 V over lastmotstanden som er på 2,2 kQ. Ladekondensatoren er på 470 pF (mikrofarad). Rippelspenningen blir da

1/, = ----- ------------ ----- ------------- 5 = 0, 14 V 2 • J3 • 50 • 470 • 10 • 2, 2 • 10 Ved toveislikeretting vil rippelspenningen bli halvert fordi frekvensen f øker fra 50 til 100 Hz:

2■

■f■C■R 25

U = ----- - ------------ —----- t------------ 3 = 0,07 V 2 • 73 • 100 • 470 • 10 • 2, 2 • 10

Av eksemplene ser vi at rippelspenningen blir mindre når vi bruker en stor ladekondensator og toveislikeretting. Vi ønsker å holde rippelspen­ ningen på et så lavt nivå som mulig. Den ligger oppå den likespenningen som vi skal bruke til å drive forsterkerenhetene (for eksempel inngangstrinnet). Det betyr at rippelspenningen blir forsterket sammen med like­ spenningen og kan være årsak til støy (ulyd) i høyttaleren. Det er ikke mulig å fjerne rippelspenningen helt, men når den er liten i forhold til nyttesignalet (vekselspenningen fra en mikrofon), legger vi ikke merke til den.

Stabiliseringskretsen For å stabilisere likespenninger bruker vi flere halvledere, for eksempel transistorer, zenerdioder og noen ganger integrerte kretser. Skal disse

57

halvledeme fungere riktig, må vi i tillegg bruke motstander og kondensa­ torer.

Over ladekondensatoren har vi nå en likespenning som er forholdsvis jevn, men som vil variere når lastmotstanden varierer, og når vekselspenningen inn til transformatoren varierer. Vi kan stabilisere likespenningen over lastmotstanden på flere måter. Vi skal se på en av disse metodene, som kalles seriestabilisering.

Blokkskjema aven stabiliserende krets

Blokkene på figuren inneholder: Blokk 1: Transformator (transformerer 220 V vekselspenning til en lav vekselspenning) Blokk 2: Likeretter (likeretter vekselspenningen til en pulserende like­ spenning) Blokk 3: Kondensator (glatter/jevner ut likespenningen) Blokk 4: Regulator (transistor som regulerer strømmen til lastmotstan­ den, slik at spenningen blir konstant) Blokk 5: Denne blokken måler hvor stor likespenningen over lastmot­ standen er (spenningen over en motstand avhenger av strøm­ men gjennom den) Blokk 6: Stabil referansespenning (en zenerdiode) Blokk 7: Sammenlikner spenningen fra lastmotstanden med referansespenningen

Referansespenning En zenerdiode sørger for den stabile referansespenningen. Spenningen blir holdt konstant, selv om strømmen gjennom zenerdioden varierer.

Du finner mer om zenerdioder på sidene 82-83.

Regulator med transistor I stedet for å kople lastmotstanden direkte til ladekondensatoren setter vi 58

inn en regulator mellom ladekondensatoren og lastmotstanden. Regula­ toren skal regulere strømmen til lastmotstanden, slik at spenningen over lasten blir konstant. Som regulator kan vi bruke en transistor. Vi kan se på en transistor som en variabel motstand (en motstand som kan endre resistansverdi).

Transistoren har tre tilkoplingsbein:

• kollektor (K) • emitter (E) • basis (B)

Det er resistansen mellom kollektor og emitter, R^, som bestemmer strømmen gjennom transistoren. Denne resistansen blir regulert når vi på­ virker basis med en liten strøm. For å holde konstant spenning over lastmotstanden må vi kunne regulere strømmen gjennom den. Eksempel Vi ønsker en konstant spenning på 25 V. Har vi samtidig en lastmotstand på 10 Q, må det gå en strøm på 2,5 A.

U = IR

25 = 2,5 10 1=2,5 A

Dersom lastmotstanden blir endret til 15 Q eller til 8,33 Q (det skjer når du skrur lydstyrken fra høyttaleren opp eller ned), må strømmen forandre seg:

U = 25 ZT A A /T = _ _ = ,1,67 eller:

25 = 3 A 8, 33

Hvis vi skal slippe igjennom en stor strøm, må vi redusere transistorens 59

resistans (RKE)- For å slippe mindre strøm igjennom transistoren må vi øke resistansen.

Transistorens resistans kan vi regulere ved hjelp av en liten basisstrøm (/B). Basis på transistoren kan vi kalle transistorens kontrollinngang.

R KE stor

R KE middels stor

R KE liten

Transistorer med ulike strømmer Basisstrømmen bestemmer hvor stor resistansen mellom kollektor og emitter blir, og dermed hvor stor strøm som skal gå gjennom transistoren. En liten basisstrøm gjør transistoren til en stor motstand, og en stor basis­ strøm gjør transistoren til en liten motstand.

Sammenhengen mellom lB og RKE

60

Som vi ser av kurven, blir ikke tranistorresistansen en rettlinjet kurve i forhold til basisstrømmen. Kurven som figuren viser, hører til en spesiell transistor med en bestemt lastmotstand. Den gir likevel et bilde på hvor­ dan transistorer oppfører seg.

Det finnes tusenvis av forskjellige transistorer, og hver av dem oppfører seg forskjellig. ks3 Du finner mer om transistorer på sidene 88-114.

Transistoren regulerer strømmen gjennom lasten, slik at spenningen over den holdes konstant. Transistoren og lasten utgjør en seriekopling av to resistansen

Eksempel

Spenningen over lastmotstanden, UL, skal holdes konstant på 25 V. Spen­ ningen over kondensatoren, Uc, er 40 V, og dermed blir spenningen over transistorresistansen, U^, 15 V. Dersom strømmen i kretsen er 0,5 A, er lastresistansen

^ =

t

= ^ = 5O£2

Resistansen i transistoren er da

Dersom strømmen i lasten stiger fordi lastresistansen synker, må også transistorens resistans synke. Strømmen stiger til 0,75 A.

L/t = d5 25 = 33’33 Q ^ = T

For at spenningen skal holdes konstant på 25 V over lasten, må resistan­ sen i transistoren bli

61

Vi regulerer transistorresistansen ved å forandre basistrømmen. Kurven viser sammenhengen mellom RKF og /B, og vi ser at basisstrømmen må øke fra ca. 320 pA til ca. 390 pA for at transistorresistansen skal minke fra 30 til 20 Q.

Sammenlikneren Sammenlikneren er den delen av strømforsyningen som får reguleringstransistoren til å forandre resistansverdi. Også i sammenlikneren bruker vi en transistor. Den sammenlikner spenningen over lastmotstanden med en stabil referansespenning.

Skjema av strømforsyningen med Tr2 Når de to spenningene ikke har den verdien de skal ha, blir det registrert av transistor 2 (Tr2), som avgir mer eller mindre strøm til basisen på transistor 1 (Tri). Mindre strøm fører til at resistansen i Tri øker, og mer strøm fører til at den minker.

Spenningsføling over lastmotstanden Vi måler spenningen over lastmotstanden indirekte med to seriekoplede motstander som er parallellkoplet over lastmotstanden. De to motstand­ ene må samlet ha en mye høyere resistansverdi enn lastmotstanden, slik at de ikke tapper strøm fra (belaster) hovedkretsen. Spenningen vil alltid være like stor over parallellkoplede motstander. Spenningen over Æ4 vil variere i takt med spenningen over RL. Når spenningen over RL stiger, sti­ ger også spenningen over Æ4.

62

Stabilisering av likespenningen når nettspenningen varierer Så langt har vi bare sett på den stabiliserende delen av strømforsyningen når lastmotstanden forandrer seg. Når nettspenningen endrer seg, virker kretsen stabiliserende på spenningen over lastmotstanden. Hvis nettspen­ ningen øker, øker også spenningen ut fra transformatoren. Dermed lader kondensatoren seg opp til et høyere spenningsnivå. Spenningen over last­ motstanden begynner å øke, og det samme skjer over følermotstanden (R4). Dermed mater sammenlikneren (Tr2) mindre strøm inn i basis på Tri, og resistansen i Tri blir større. Resistansen mellom kollektor og emitter (R K} ) blir så stor at den praktisk talt fanger opp hele den spenningsøkningen som oppstod over kondensatoren.

Oppsummering Vi har fått en stabil likespenning som vi kaller driftsspenningen. Den kan omformes til alle mulige frekvenser i forsterkeren.

Det finnes andre måter å skaffe seg en stabil drifts spenning på: Vi kan for eksempel stabilisere med parallellregulering, der på transistoren er koplet i parallell med lastmotstanden. Vi kan også bruke svitsjemodus («switch mode»)-prinsippet. Det er mest vanlig i dag. Da blir likespen­ ningen over ladekondensatoren omformet til en vekselspenning med høy frekvens. Dermed kan vi bruke mye mindre transformatorer, og stabiliseringen kan gjøres raskere. Rippelspenningen blir også mye mindre. Ulempen er kompleksiteten.

Disse stabiliseringsmetodene blir ikke gjennomgått i denne boka. Det vi mangler nå, er noe som forteller oss når spenningen står på. Vi kan bruke en vanlig glødelampe, men i dag er det mer vanlig med lysemitterende dioder (LED). De bruker langt mindre strøm enn glødelampa og er billigere. Glødelamper er produsert for bruk til ulike spenninger, men en 63

LED kan bare brukes på én bestemt spenning hvis den ikke blir seriekoplet med en motstand. Størrelsen på motstanden avhenger av spenningen som skal indikeres. En LED lyser normalt når spenningen over den er ca. 1,5-2 V. I vårt eksempel der LED-en skal indikere en spenning på 25 V, må motstanden kunne ta et spenningsfall på ca. 23 V. Les mer om LED i kapitlet om dioder.

Transformator, likeretter og kondensator med innkoplet LED

Kontrollspørsmål 1 2 3 4 5

6 7 8 9

10 11 12

13 14 15

64

Hvilken frekvens har spenningen og strømmen fra lysnettet? Hvilke frekvenser kan øret vårt oppfatte? Hvilke hoveddeler kan en strømforsyning deles opp i? Hvor går grensen for «farlig» spenning? Hvor stor blir sekundærspenningen når det er 100 vindinger på sekundærsiden og 2000 vindinger på primærsiden? Primærspenningen (lysnettet) = 230 V. Hva heter komponenten som likeretter vekselspenning? Tegn den spenningen som slipper gjennom likeretterkomponenten. Hva kaller vi en «pakke» med fire likeretterkomponenter for toveis likeretting? Hvilken komponent brukes til glatting av den pulserende likespen­ ningen? Tegn blokkskjema for en stabilisert strømforsyning. Hvilken komponent brukes for å regulere strømmen gjennom lastmotstanden? Hvordan går det med strømmen gjennom reguleringskomponenten når resistansen i den øker? Hvilken egenskap i en zenerdiode blir utnyttet i en strømforsyning? Hva betyr forkortelsen LED? Hvorfor må en seriemotstand koples til en LED når den skal brukes som indikator for 24 VDC?

Aktive komponenter Det er vanligvis de aktive komponentene vi forbinder med analogelektronikk. Vi snakker om aktive komponenter fordi de må bli aktivisert av en driftsspenning for å fungere slik de skal. Etter at du har gjennomgått dette kapitlet, skal du -

-

kjenne til de mest brukte halvledeme kjenne til fysisk oppbygning av halvledere kunne lese datablader og karakteristikker for halvledere kjenne til det europeiske merkesystemet for halvledere vite hvordan de enkelte halvledeme fungerer i standardkoplinger kunne beregne omkringliggende komponenter slik at halvledeme ikke blir overbelastet kjenne regler for håndtering av MOS- og CMOS-transistorer vite forskjellen mellom tyristorer og triacer og vite hvilke bruksområ­ der de har kjenne de mest vanlige koplingsmåtene for operasjonsforsterkere kjenne prinsippene for omforming av analoge signaler til digitale ko­ der og omvendt vite hvilke hovedkomponenter en optokopler er bygd opp av kjenne til praktisk bruk av halvledere

Diverse halvledere

65

Vi skal se nærmere på disse aktive komponentene: • • • • • • • •

dioder likerettere spesielle dioder (zenerdioder og lysdioder) transistorer tyristorer, triacer og diacer operasjonsforsterkere A/D- og D/A-omformere optokoplere

Halvledere Halvledere (semiconductors) er en fellesbetegnelse for dioder, transisto­ rer, tyristorer osv. Slike komponenter kan både lede strøm og sperre for strømmen. 1Tn--

1Gn--

1Mn--

1 kn

Fysiske forhold Halvledere er komponenter som er laget av materialer med en lednings­ evne som ligger et sted mellom ledningsevnen til metaller og isolatorer. Ved riktig spenningspåvirkning utenfra kan det gå stor strøm i en halvleder. Med motsatt spenningspåvirkning kan halvlederen sperre like godt for strømmen som en isolator. I dag er det stort sett silisium som blir brukt til å lage halvledere. Tidligere brukte en også germanium og selen. Av nye halvledermaterialer kan vi nevne galliumarsenid (GaAs).

Halvledere er bygd opp på ulike måter:

1mn Ledningsresistans i halvledere

Bipolarteknikken bygger på prinsippet om sammenkopling av to ulike materialer (P- og N-materialer, se neste side). Da får vi en diode. Felteffektteknikken (FET) bygger på «kondensatorprinsippet», det vil si at et materiale som ligger i nærheten blir påvirket av en spenning.

Selve fysikken og kjemien som ligger bak halvlederteknikken, er svært komplisert. Vi skal gi en innføring i halvlederproblematikken uten å gå for mye i detaljer. Alle halvledermaterialer er bygd opp av atomer i krystallstrukturer. Atomene blir bundet sammen ved at det er et «fellesbruk» av det ytterste elektronet i atomet (valenselektronet) og naboatomet. Ved hjelp av et kraftig mikroskop kan vi se elektronene i den ytterste banen omkring et silisiumatom. Hvis vi teller elektronene, finner vi åtte stykker. De er relativt fast knyttet til kjernen, og oppbygningen likner den man finner i en edelgass. Edelgasser har også åtte elektroner i ytterste bane, og derfor lar de seg ikke blande med andre stoffer.

66

N- og P-materialer Når vi blander rent silisium med små mengder av et annet stoff, sier vi at vi doper. (Det er en form for kontrollert forurensning.) Når silisium dopes med materialer som har fem elektroner i det ytterste båndet, blir det mer enn åtte elektroner i det ytterste båndet. Ett av elektronene blir løsere knyttet til krystallstrukturen og kan vandre mellom atomene. Et stoff med ett elektron ekstra kaller vi N-materiale. N står for negativt ladd materi­ ale. Dopingmaterialet kan være arsen (As), fosfor (P) eller antimon (Sb).

For å få et P-materiale (positivt ladd materiale) må vi dope silisium med et stoff som bare har tre elektroner i det ytterste båndet, for eksempel bor (B). Materialet får nå en ledig plass, et «hull», der et elektron utenfra kan få plass. Materialet er positivt ladd i forhold til jord.

*O*O*O *0*0 +0*0+0

"ODT) -o-o -o-o-o

P-materiale

N-materiale

N- og P-materiale

Strøm er elektroner som beveger seg. Dersom vi varmer opp rent sili­ sium, blir enkelte elektroner revet løs fra krystallstrukturen og begynner å vandre. En slik strøm skyldes egenledning - det blir ikke tilført elektroner utenfra. Når det blir dannet et N-materiale, der noen elektroner er løst knyttet til krystallstrukturen, vandrer disse elektronene mot et positivt po­ tensial, P-materialet. Denne strømmen skyldes fremmedledning.

67

Rent silisium er en halvleder med liten elektrisk ledningsevne ved rom­ temperatur. Men ledningsevnen øker mange ganger dersom vi skifter ut ett av tusen silisiumatomer med et fremmedatom, for eksempel bor, fos­ for eller arsen. Ledningsevnen avhenger av dopinggraden, det vil si av hvor mange fremmedatomer som befinner seg i silisiumet.

PN-materialer Det er først når et P-materiale blir «koplet» til et N-materiale, at vi får en komponent som er interessant i elektronikksammenheng. Når et P-materiale med underskudd på elektroner, kommer i kontakt med et N-materi­ ale, som har overskudd på elektroner flyter det en strøm fra P-delen til Ndelen. Vi kan også tenke på dette som en elektronstrøm, der strømmen går fra N-delen og over i P-delen.

P-materiale\ | N-materiale Sperresjikt PN-overgang Når de nærmeste «hullene» i P-materialet er fylt opp av elektroner fra Nmaterialet, får vi en sone som virker som en isolator, fordi sonen blir elektrisk nøytral. For å trekke flere elektroner fra N-materialet over denne sperresonen og inn i P-materialet må vi sette på en spenning. Vi kopler pluss fra spenningen til P-materialet. Minus kopler vi til N-materialet. Plusspolen til spenningskilden vil ha så stor tiltrekningskraft på elektro­ nene i N-materialet at de klarer å komme over sperresonen, slik at den blir brutt ned. En spenningsverdi på ca. 0,6 V er nok til få i gang denne strøm­ men. Husk at polariteten må være pluss til P-materialet og minus til Nmaterialet. Da leder dioden. Dersom polariteten blir snudd, blir sperresonen utvidet, fordi P- og Nmaterialets ledende egenskaper går over til å få de isolerende egenska­ pene til silisium. De lett påvirkelige elektronene i N-materialet blir skjø­ vet inn i P-materialet, der hullene blir fylt opp når pluss fra spenningskil­ den koples til N-materialet og minus til P-materialet. PN-overgangen blir da en stor resistans, og bare en liten lekkasjestrøm kan gå. Lekkasjestrømmen skyldes at silisium har noen få frie elektroner. Dioden sperrer.

68

Resistansen i en diode varierer altså med polariteten på spenningen over dioden: - Pluss på P-materialet gir liten resistans - Minus på P-materialet gir stor resistans PN-

JJ - W>\ zu= ov * U ^~0 9V

PN-overgang fra lederetning til sperreretning

På side 90 kan du lese om P- og N-materialer i transistoren. HALVLEDERE OG MILJØHENSYN

Halvledere er svært små komponenter. Det er innpakningen og kjøleplatene som gjør at vi kan se dem med det blotte øyet. Halvlederkomponenten blir «bakt» inn i plast, med eller uten kjøleplater. Kjøleribber av aluminium kan innleveres til skraphandlere når forsterke­ ren skal kasseres.

Dioder Historikk Ordet diode er sammensatt av to greske ord, di som betyr dobbel eller to, og ode som kommer fra hodos og betyr vei. Det henspeiler på at strøm­ men kan gå to veier. Størrelsen på strømmen er derimot forskjellig.

Dioden ble oppfunnet i begynnelsen av dette århundret av briten John A. Fleming. Som utgangspunkt hadde han en lyspære med en metallplate. Han fant ut at det gikk en elektrisk strøm fra varmetråden til metallplata 69

når spenningen på metallplata var høyere enn på varmetråden . Det første radiorøret, dioden, var oppfunnet.

Teknisk beskrivelse av en diode De to tilkoplingsbeina til dioden kaller vi anode og katode.

Katode Anode

Huskeregel for navn på diodens bein Dioden fungerer som en «ventil» som kan åpne for strøm é ikke den andre veien.

-E4*0*0 — *0*0*o*o-o-o-o -----*O*D^O*O-Q~O~O~O P-materiale

I

N-materiale

Sperresjiktet er borte

W Lederetning

Diodesymbol og PN-overgang, lederetning og sperreretning

70

vei, men

Pila i symbolet viser hvilken vei strømmen kan gå. Strømretningen er fra pluss (+) til minus (-). Vi kan tegne inn strømpiler i en sluttet krets og slik finne ut om dioden leder. Når strømpilene peker samme vei som pila i diodesymbolet, leder dioden. Når de to «pilene» peker mot hverandre, sperrer dioden.

—IX—

Strømmen i dioden er avhengig av størrelsen på spenningen. Når spen­ ningen er mindre enn 0,5 V, går det ingen strøm. Dioden fører maksimal strøm ved en spenning som er mindre enn 1 V. For å kunne gi et riktig bilde av spennings- og strømforholdene for en diode tegner vi diodekarakteristikker.

—i — Sperreretning

Sluttet krets med strømpiler, lede- og sperreretning Karakteristikk aven diode Vi kan lage karakteristikker av alle slags typer dioder som blir produsert. Maksimal strømmengde varierer fra type til type.

For å få et fullstendig bilde av hvordan dioden fungerer, må vi også se på hvor stor spenning den tåler i sperreretningen. Når dioden er koplet i sperreretning, har den en høyere spenning på katoden enn på anoden. Hvis spenningen overstiger den grensen produsenten har oppgitt for hvdioden tåler, blir den ødelagt.

71

Når vi skal velge dioder, er det viktig å vite • hvor stor strøm dioden skal lede • hvor stor spenning det blir liggende over dioden i sperreretningen

Kontrollspørsmål 1 Hvor stor ledningsevne har en transistor (halvleder) i forhold til en kopperleder? 2 Hvilke materialer ble tidligere brukt mye i halvlederproduksjonen? 3 Hvor mange elektroner har et silisiumatom i det ytterste skallet? 4 Hvor mange elektroner må dopingmaterialet ha i det ytterste skallet for at det skal bli et P-materiale? 5 Hvilken ladning har et «hull»? 6 Hvilken polaritet må spenningen over en PN-overgang ha for at denne skal begynne å lede? 7 Hvor bredt er et sperresjikt? 8 Hvordan kan symbolet for en diode fortelle oss hvilken retning strøm­ men går? 9 Ved hvilken spenning begynner en diode å lede? 10 Lag en skisse av en diodekarakteristikk. Merk aksene og sett verdier på spenningen der dioden begynner å lede. 11 Hvilke to faktorer er viktigst når vi skal velge en diode?

Effektdioder Tar vi for oss databladet for diodeserien 1N4000, ser vi at alle diodene i denne serien kan føre en strøm (ZF) på 1 A. 1N4001 tåler bare en spenning på 50 V i sperreretningen, mens 1N4007 tåler 1000 V.

ZF = strøm i lederetning (F: Forward) VRRM = den maksimale spenningen i sperreretningen (RRM: Reverse Repetitive Maximum) 72

1N4OO1ID TO 1N4007ID

SILICON DIFFUSED RECTIFIER DIODES This data sheet contains a range of Silicon rectifier diodes for general purpose use. QUICK REFERENCE DATA 1N4001ID

4002ID 4100310 4004ID 4005ID 4006ID 4007ID

Repet it ive peak reverse voltage rrm

max.

50

100

200

400

600

800

1000 V

Continuous reverse voltage r

max.

50

100

200

400

600

800

1000 V

V

V

Average forward current

•F(AV)

max.

1,0

A

Repetitive peak forward current

IFRM

max.

10

A

Non-repetitive peak forward current

'FSM

max.

20

A

Dimensions in mm

MECHANICAL DATA

,___

5 max

n . 2.15 nnax

—

10

1

□l

28 min

| IllUA

28 mir

4.3 m ax

TIte mar kirig b anFSM

max.

500 mA

ptot

max.

Non-repetitive peak forward current

t = 1 ps

t= 1 s

Total power dissipation up to Tamb = 25 °C

500 mW 2,85 mW/K

Derating factor Storage temperature

Tstg

—65 to + 200 °C

Junction temperature

Ti

max.

200 °C

CHARACTERISTICS

Tj = 25 °C unless otherwise specified Forward voltages 1N4148: lp = 10 mA 1N4446:lp = 20 mA 1N4448: lF = 100 mA 1N4448:lp =

I

vF

1 V

Vf

0,62 to 0,72 V

|

5 mA

Reverse avalanche breakdown voltage IR = 100 pA

V(BR)R

100 V

Ir“

V(BR)R

75 V

5 pA

Reverse currents

Vr-20V VR - 20 V;Tj = 100 °C VR = 20 V; Tj = 150 °C Diode capacitance VR -0;f = 1 MHz

*R

1N4448

Averaoe Forward Current Peak Operating Forward Current Reverse Voltage ( Ir = 100 ^A) Transient Forward Currenti1'

Relative Luminous Intenslty Versus Wavelength.

Package Dimensions

Forward Cu--.nl V.-.u. F-ww.-d VoH«.

(10 Msec Pulse) Operating and Storage Temp­ erature Range Lead Solder Temperature