Elektrofag : felles grunnkurs [3 ed.] 8256212756 [PDF]

Zitiervorschau

Børje Lindell

ELEKTROFAG Felles grunnkurs ELEKTRONIKK FOR VIDEREGÅENDE SKOLE Felles grunnkurs

Oversatt og bearbeidet av: Jan A. Karlsen Trygg ve Benum Olsen

33 NKIforlaget

Originalens tittel: Elektronik från borjan (A) © Liber Låromedel Malmo 1974 Norsk utgave: Elektrofag, felles grunnkurs © NKI-forlaget 1983

1. utgave 1980 2. utgave 1. opplag 1982 3. utgave 1. opplag 1983 Utgiver. NKI-forlaget, Løxav. 15 Postboks 113, 1351 Rud Tlf.: Sentralbord (02) 13 57 90 Ordrekontor (02) 13 11 53 Oversettelse: Karlsen. Benum Olsen /

Omslag: Edle Palmowske Sats: A/S Frysja Fotosetteri Printed in Norway by Østlands-Postens Boktrykkeri, Larvik 12832000(6000) Godkjent til bruk i den videregående skolen av Kirke- og undervisningsdepartementet for 5 år 5.12.1983.

Godkjent som brevkurs av Kirke- og undervisningsdeparte­ mentet for 5 år 19.10.1983. Norsk Standard er gjengitt med tillatelse fra Norges Stan­ dardiseringsforbund .

Det må ikke kopieres fra denne bok utover det som er tillatt etter bestemmelsene i «Lov om opphavsrett til åndsverk», «Lov om rett til fotografi» og i «Avtale mellom staten og rettighetshaverenes organisasjoner om kopiering av opphavsrettslig beskyttet verk i undervisningsvirksomhet». Brudd på disse bestemmelsene vil bli anmeldt. ISBN 82-562-1275-6

Forord

Begrepet elektronikk kan muligens føres helt tilbake til århundreskiftet og knyttet seg opprinnelig til frie elektroners bevegelser i vakuum og gasser. Først da forsterkerrøret kom i bruk, fikk elektronikk den betydning vi i dag forbin­ der med ordet. Omkring 1930 kom det ut et tidsskrift i USA med navnet «ELECTRONICS», som beskjeftiget seg med utstyr som inneholdt lufttomme eller gassfylte «radio»-rør, hvor det var mulig å styre elektronstrømmen i røret. Til tross for dette kan en si at begrepet elektronikk ikke er blitt alminnelig brukt før etter den andre verdenskrig. Selv om elektronikken som teknikk ikke har vært aktuell før i vårt århundre, ble alle de grunnleggende fenomenene som fotoelektrisitet, termisk emisjon, halvledere og gassutladninger oppdaget i det forrige århundre. I dag vil en definisjon på elektronikk lyde slik: Med ordet elektronikk forstår vi den teknikk som bygger på bruk av de frie elektroners fysikk i høyvakuumrør, gass­ fylte rør og halvledere, og som omfatter både de elektriske elementer og de apparater og anlegg som utnytter disse elektroniske elementene (NTNF-utvalg for elektronikk). Denne definisjonen vil dermed omfatte en god del av den teknikken vi omgir oss med til daglig, som for eksempel fjernsynsapparatet, radioen og kvartsarmbåndsuret. Tidligere kom ikke telefonen og telefonsentralene inn under denne definisjonen, men dagens telefoner inneholder transistorer og integrerte kretser, og telefonsentralene er blitt datamaskinstyrte, og dermed er slikt utstyr også kom­ met inn under definisjonen ovenfor. Denne elektronikkboka konsentrerer seg om halvledere. Teknikken med elektronrør har etter hvert blitt fortrengt til noen få spesialområder. Her kan nevnes katodestrålerør og fjernsynsbilderør. Vi vet ikke om noe som kan avløse disse, i alle fall ikke i nærmeste framtid.

Innhold Studiemål Forkunnskaper Studieveiledning Studietips Brevskole-og selvstudium

9 9 9 10 10

1 Elektroniske apparater Pulserende likespenning og likestrøm Matespenning (fødespenning, batterispenning) Likespennings- og vekselspenningsskjemaer Kondensatorens reaktans Likespenningsskjema Vekselspenningsskjema (signalskjema) Kontrollspørsmål

11 13 14 16 17 17 17 20

2 Halvledermaterialer N-materiale P-materiale / Dioden PN-diodens symbol og merking PN-diodens strøm- og spenningskarakteristikk Kontrollspørsmål

21 24 25 25 30 33 33

3 Likerettere Enveis likeretter Toveis likeretter Brulikeretter Likeretterdiodens oppbygning Spissdioden Sjiktdioden Planardioden Selendioden Kjøling av halvlederdioder Kontrollspørsmål

34 35 35 37 38 38 38 40 40 42 44

4 Andre halvlederdioder Kapasitansdioden Kondensatoren Zenerdioder Stabiliseringskopling Tunneldioden Dobbelbasisdioden Firesjiktdioden

47 47 48 50 52 54 58 63

Diac, bidirektiv (toveis) tyristordiode Betegnelser på dioder Europeisk system Eldre europeisk system Amerikansk system Kontrollspørsmål

65 67 67 68 69 69

5 Transistorprinsipp Prinsipp og virkemåte PNP-transistoren NPN-transistoren Styring av strømmen i en transistor Transistorens oppbygning Legerte transistorer Planartransistoren Kapsler og kjøling Kontrollspørsmål

70 70 73 75 76 80 80 81 81 83

6 Transistorens karakteristikk Karakteristikk og konstanter Temperaturforhold Temperaturstabilisering av arbeidspunktet Kontrollspørsmål

85 85 91 91 93

7 Transistoren som forsterker Transistorens tre grunnkoplinger Felles emitterkopling (FE-kopling) Statiske beregninger Dynamiske beregninger Forvrengning Felles kollektorkopling (emitterfølger) Felles basiskopling (FB-kopling) Transistoren som bryter Transistorbetegnelser Kontrollspørsmål

97 97 98 100 102 106 108 110 113 116 117

8 Feltejfekttransistorer Sjikt-felteffekttransistorer MOS-transistorer MOS-transistorer av deplesjonstypen MOS-transistorer av progresjonstypen Kontrollspørsmål

121 121 124 124 126 127

9 Tyristorer Tyristor Triac (TRIode AC semiconductor switch) Tyristorkretser Kontrollspørsmål

128 128 131 133 136

10 Optokomponenter Lysets natur Lysstyrte komponenter Fotoresistor Fotodioden Fototransistoren Fototyristoren Fotoelektriske elementer, solceller Lysemitterende komponenter Lysemitterende dioder Flytende krystaller Laserdioder Lyskoplende komponenter Optokopler Optogaffel eller lesegaffel Lyskabler, lysledere Kontrollspørsmål

137 138 140 140 141 143 144 145 145 146 147 149 151 151 151 153 156

11 Elektriske energikilder Primære batterier Vanlige tørrelementer - Leclanche-elementet (Zn-MnO2) Kvikksølvoksid-elementer (Zn-HgO) Sølvoksid-elementer (Zn-AgO) Alkaliske MnCh-elementer (Zn-MnO2) Litiumelementer Sekundære batterier Blyakkumulatoren Nikkel-kadmium-akkumulatoren Nikkel-jern-akkumulatoren (Ni-Fe-akkumulatoren) Sølv-sink-akkumulatoren Sølv-kadmium-akkumulatoren Alternative energikilder Kontrollspørsmål

157 158

12 Likeretterkoplinger Krav til likespenning Begrepet tidskonstant Enveis likeretter med «glatte»-kondensator Toveis likeretter med «glatte»-kondensator Brulikeretter LC-filter RC-filter Filter med Bere ledd Spenningsstabilisering

158 159 159 159 160 161 161 162 163 163 163 165 165 166 166 168 168 175 175 175 177 178 178

Stabilisator med transistorer Stabilisator med strømbegrensning Kontrollspørsmål

179 180 181

13 Logiske kretser Transistoren og dioden som logiske elementer OG-port OG-port bygd opp av dioder ELLER-port bygd opp ved hjelp av dioder IKKE-port (Inverterer) bygd opp ved hjelp av transistorer NOG-port (IKKE-OG-port) NELLER-port (IKKE-ELLER-port) Eksemper på bruk av logiske kretser Kontrollspørsmål

183 183 184 185 185

14 Logiske lover Logiske lover ELLER-port Inverterer de Morgans teorem Noen praktiske betraktninger CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) TTL (Transistor Transistor Logikk) Belastningsforhold Logiske symboler Kontrollspørsmål

193 193 194 194 195 196

196 198 199 201 203

15 Sekvenskretser Sekvenskretser Set-Reset-vippen (SR-vippen) JK-vippen Eksempel på bruk av en vippe Logisk tidsledd (forsinket sekvenskrets) Symboler med forklaring Feilsøking i digitale kretser Logisk probe Logisk pulsgenerator Strømprobe Logisk klips (logic clip) Logisk komparator Andre hjelpemidler Kontrollspørsmål

206 206 207 210 212 213 214 217 217 218 220 220 221 221 222

Arbeidsoppgaver

223

Svar på kontrollspørsmål

246

186 188 189 190 191

Studiemål Boka er oversatt og tilpasset til grunnkurs i elektrosvakstrøm (Læreplan for den videregående skolen Del 3 f, stu­ dieretning for håndverks- og industrifag, grunnkurs elektrosvakstrøm) og grunnkurs for elektrofag i den videregående skolen. Ingen av disse to fagplanene inneholder noe om rørteknikk, slik at dette kapitlet i den svenske utgaven ikke er oversatt. I kapitlet om optoelektronikk er det tatt med noen emner som ikke nevnes i noen av fagplanene. Det er et avsnitt om flytende krystaller og et avsnitt om fiberoptikk (lyskabler). Det er tatt med fordi det gjør kapitlet om optokomponenter fullstendig, og kan vel til en viss grad sies å være noe framtidsrettet. På ett hovedpunkt er det forskjell mellom svakstrømplanen og planen for elektrofag. Det er når det gjelder strøm­ forsyning. I elektrofag er dette avsnittet sløyfet, mens det er tatt med i svakstrøm. Det omfatter primære og sekundære batterier, likeretter med filtre og reguleringskoplinger. Så lenge det ikke er avgjort hvilken plan som skal benyttes i framtiden, har en valgt å ta dette avsnittet med i læreboka. Boka er også beregnet til selvstudium og vil danne det naturlige grunnlag for videre studier i elektronikk. Størst vekt er det lagt på å presentere de fleste grunnleggende elektronikk-komponentene, mindre vekt er det lagt på kretsløsninger - det er bare tatt med noen eksempler på koplinger som skal være med på å demonstrere komponen­ tenes virkemåte.

Forkunnskaper Før en går i gang med dette emnet, bør en ha et visst grunn­ lag i elektroteknikk, vi tenker her på emner som strøm, spenning, resistans, effekt. Ohms lov, serie- og parallell­ kopling og spenningsledere. Kjennskap til grunnleggende atomfysikk er en fordel, men ingen nødvendighet.

Studieveiledning I grunnkurs for svakstrøm har faget 3 uketimer, mens det i grunnkurs for elektrofag har 2 uketimer. Det må avsettes tid til oppkoplinger og laboratorieøvin­ ger, det er først ved slike oppkoplinger at det er mulig å få et nærmere kjennskap til komponentenes virkemåte og egenskaper. Foran hvert kapittel er det formulert en del mål. Dette bør du sette deg grundig inn i før du leser kapitlet. Etter at du 9

har studert teksten, må du løse kontrollspørsmålene. Ved hjelp av kontrollspørsmålene vil du finne ut om du har for­ stått innholdet i det leste avsnittet. Når du mener at du behersker innholdet i kapitlet, kan du løse oppgavene, som du finner samlet bakerst i boka.

Studietips Det vil være en fordel om du skaffer deg databøker for de komponentene som nevnes. Ved hjelp av databøker er det mulig å finne fram til de viktigste dataene som grensever­ dier av strøm og spenning, komponentenes utseende og viktigste mål, hvordan komponentene skal tilkoples osv.

Brevskole- og selvstudium For elever som følger brevkursopplegg, er boka inndelt i studieenheter med kontrollspørsmål og innsendingsoppga­ ver: Studieenhet Studieenhet Studieenhet Studieenhet Studieenhet Studieenhet Studieenhet Studieenhet Studieenhet

1: 2. 3: 4: 5: 6: 7: 8: 9:

Kapittel Kapittel Kapittel Kapittel Kapittel Kapittel Kapittel Kapittel Kapittel

1 og 2 3 4 5 og 6 7 8 og 9 10 og 11 12 og 13 14 og 15

Som innsendingsoppgaver til den enkelte studieenhet benyttes de arbeidsoppgaver som er merket med stjerne. I studieenhet 1 skal således arbeidsoppgavene 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 2.2, 2.3 og 2.5 anvendes som innsendings­ oppgaver.

Arbeidet med studieenhetene bør foregå etter denne «oppskriften»: 1 Les målsettingen foran kapitlet. 2 Les kapitlet og merk deg spesielt de emnene som er nevnt i målsettingen. 3 Svar på kontrollspørsmålene. 4 Dersom mønstersvarene viser at du har misforstått vesentlige punkter, bør du gå tilbake og lese avsnittet på nytt. 5 Løs innsendingsoppgavene og send løsningen til NK1-SKOLEN, Postboks 10, 1321 Stabekk. 10

STUDIEENHET 1

1 Elektroniske apparater Mål Når du har gjennomgått dette kapitlet, skal du kunne:

▲ tegne et bilde av en pulserende likespenning dersom likespenningens verdi, vekselspenningens effektivverdi eller amplitudeverdi og frekvens er kjent ▲ finne matespenningen (batterispenningen) i elektroniske koplingsskjemaer ▲ bestemme ved hjelp av hoderegning og voltmeter størrelse og polaritet av likespenninger mellom ulike punkter i elektriske apparater og koplingsskjemaer ▲ bestemme størrelse og retning av likestrømmer i elektroniske apparater eller koplingsskjemaer ved indirekte strømmåling med voltmeter

▲ tegne et likespennings- og vekselspenningsskjema av et gitt kretsskjema (koplingsskjema)

Det finnes en mengde ulike elektroniske apparater av varie­ rende størrelse og pris. Noen eksempler på slike ser du på figur 1.1. Men alle elektroniske apparater har det til felles at de er bygd opp av bare sju grunnkomponenter, nemlig motstander, spoler, kondensatorer, ledere, halvledere, elektronrør og spenningskilder (figur 1.2). Ved kombinasjon av de sju grunnkomponentene får en apparater med ulike egenskaper. Dersom vi seriekopler en kondensator, en spole og en motstand og knytter denne kombinasjonen til en vekselspenningskilde, får vi en krets med helt spesielle egenskaper - helt forskjellig fra de enkelte komponentenes egenskaper. For at du skal forstå elektronikk, må du ha visse kunn­ skaper i elektroteknikk. I elektronikken skal vi behandle halvledere og bruken av dem. Siden er det meningen å

11

STUDIEENHET 1

Radiomottaker

Fargefjernsyn

Fig. 1.1 Elektroniske apparater

kombinere de nye komponentene med dem du har lært om tidligere, slik at vi får kretser med spesielle egenskaper. Når vi skal arbeide praktisk med elektroniske apparater, må vi alltid prøve å finne den elektriske funksjonen hos kretsen eller komponenten. Vi skal derfor først studere noen praktiske begreper som gjelder spenninger og strøm­ mer.

12

STUDIEENHET 1

Grunnkomponenter

Pulserende likespenning og likestrøm I mange elektroniske apparater arbeider vi samtidig med likespenninger og vekselspenninger. Likespenninger er drivspenninger (fimksjonsspenninger) for transistorer eller elektronrør, mens vekselspenningene egentlig er de såkalte signalene, som vi ønsker å påvirke på en eller annen måte. Det er bare i elektronrør, for eksempel bilderøret i fjern­ synsapparatet, at vekselspenning brukes som drivspenning, og da til å varme opp røret til ønsket driftstemperatur. Signalvekselspenningen vil i sine halvperioder forandre likespenningen i takt med frekvensen hos vekselspenningen. Vi kaller denne varierende likespenningen for en pulserende likespenning (se figur 1.3). Dersom kretsen belastes med en motstand, blir strømmen som flyter kalt en pulserende likestrøm. Iblant kalles en pulserende likespenning for «likespen­ ning med overlagret vekselspenning».

13

STUDIEENHET 1

Den pulserende likespenningen L/12 er summen av U og Uo i hvert tidsoyeblikk. Den er markert med vertikale streker.

Fig. 1.3 Pulserende likespenning når < Uo

Matespenning (fødespenning, batterispenning) I elektroniske apparater har vi en såkalt strømforsyningsenhet som mater hvert enkelt trinn med ønsket likespenning og likestrøm. I de enkleste tilfellene kan strømforsyningen bestå av et batteri, mens den i andre apparater er en enhet som forvandler vekselspenningen fra lysnettet til den like­ spenningen som ønskes. En kopler vanligvis den ene polen fra likespenningskilden direkte til apparatets chassis, som ofte blir kalt «jord», mens den andre polen koples til alle de punkter som må ha en likespenning for å fungere. En kaller denne likespenningen for matespenningen, fødespenningen eller batterispenningen. Matespenningen får en altså mellom tilførselen fra strøm14

bibliotek ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ STUDIEENHET 1 Fig. 1.4 Spenningsdeling

Fra elektroteknikken repe­ terer vi spenningsdeling: U2 l?jn

Fig. 1.5 Prinsippet for spennlngsmating

h

R2 6

forsyningen og jord (chassis). Matespenningen er ofte for stor i de ønskede punktene, og det er derfor nødvendig at en spenningsdeler til det ønskede nivå ved hjelp av serie- og parallellkopling av motstander. Seriemotstandene gir sitt spenningsfall rett spenning mellom punktet og jord (chas­ sis). Begrepene som er diskutert her, er illustrert på figur 1.5. Firkantene I og II på figuren er komponenter som vi vil komme nærmere inn på siden. Ved spenningsdeling eller på grunn av spenningsfallet over en seriemotstand oppnås riktig spenning mellom koplingspunktene og jord. Legg merke til at spenningsfallene

15

STUDIEENHET 1

Fig. 1.6 Koplingsskjema for en del av en radiomottaker

og strømveiene ikke er markert ved komponent II. Slik gjø­ res det ved praktiske koplingsskjemaer, for at den som leser skjemaet selv skal innse at spenningene er målt mellom de angitte punktene og jord. Ofte er det også opplyst hvordan og med hvilke instrumenter spenningene er blitt målt. Du skal også forstå hvordan strømmene flyter, og hvor store de ulike spenningsfallene blir. Figur 1.6 viser hvordan et koplingsskjema til en liten del av en radiomottaker kan se ut. Legg merke til spenningene ved de ulike punktene. Ved hjelp av disse spenningene skal vi raskt kunne bestemme spenninger mellom komponentenes ulike tilkoplingspunkter og størrelsen på strømmene.

Likespennings- og vekselspenningsskjemaer Når du leser et koplingsskjema for elektroniske apparater, må du kunne betrakte skjemaet ut fra et vekselspenningseller likespenningssynspunkt. Dette kan av og til være vanskelig, for kondensatorens reaktans («vekselspenningsresistans») endrer seg med frekvensen. En likespenning har frekvensen null, og kondensatorens reaktans er da uendelig stor (brudd). 16

STUDIEENHET 1

Kondensatorens reaktans Kondensatorens reaktans varierer med vekselspenningens frekvens etter følgende formel: 1 (ohm) = 277/C Vi kan dele frekvensområdet i tre bruksområder etter reaktansens størrelse. Fig. 1.7 Kondensatorens bruks­ områder

I punkt a (/'= 0) erXc = oo (uendelig), dvs. at kondensa­ toren representerer brudd for likespenninger. I området b - c er Xc av betydning, og kondensatoren brukes som et kapasitivt element, for eksempel svingkretser og kapasitive spenningsdelere. I området d - e er Xc ~ 0. Kondensatoren anvendes som kortsluttende element for vekselspenninger. Kondensatoren kalles avkoplingskondensator eller koplingskondensator. Likespenningsskjema I et likespenningsskjema for en elektronisk krets inngår alle de motstander, og eventuelle spoler, som er koplet mellom elektrodene på transistorene og spenningstilførselen respek­ tive jord. Kondensatorer betyr brudd for likespenninger, og de inngår derfor ikke i et likespenningsskjema (se figur 1.8). Vekselspenningsskjema (signalskjema) Som det framgår av likespenningsskjemaet, er hensikten med motstandene å gi transistorens elektroder rette like­ spenninger. For at en del av disse motstandene ikke skal påvirke kretsenes arbeidsforhold ved vekselspenninger, de såkalte signalene, har man parallellkoplet motstandene med kondensatorer, såkalte avkoplingskondensatorer. 2 - Elektronikk

17

STUDIEENHET 1 Fig. 1 8a Praktisk koplingsskjema

C^, C2 og Cg er koplingskondensatorer C2 og C4 er avkoplingskondensatorer

Fig. 1 8b Likespenningsskjema Alle kondensatorer har brudd for likespenninger.

T1 og T2 får nå like like­ spenninger og likestrøm gjennom motstandene.

Sammenkopling av to trinn skjer ved hjelp av kondensa­ torer, koplingskondensatorer. For å isolere trinnenes like­ spenninger fra hverandre (se figur 1.8 b) har en nå valgt kapasiteten for de ulike kondensatorene slik at deres reak­ tans er omtrent null ohm for signalene (se området d - e på figur 1.7). Et vekselspenningsskjema utgjøres av de komponentene som blir igjen når alle koplings- og avkoplingskondensato­ rer blir betraktet som om de var kortsluttet. Det er meget viktig at vi er oppmerksomme på at spenningstilførselen (fra strømforsyningen ) alltid er avkoplet til jord (chassis) med en stor kondensator (C6 på figur 1.9). Likespenningstilførselen skal derfor alltid betraktes som om den er jordet på samme måte som vekselstrøm. Alle komponenter som er koplet til spenningstilførselen, er dermed direkte jordet sett fra et vekselspenningssynspunkt. Figur 1.9 viser hvordan et kretsskjema forandres når vi ser det som vekselspenningsskjema for signalet. 18

STUDIEENHET 1 Fig 1.9 Kretsskjemaets forandring til vekselspenningsskjema

Vekselspenningsskjema Avkoplings- og koplingskondensatorer betraktes som kortsluttet for signalet

C6 kortsluttet signalet, og likespenningsgrensen blir dermed ut fra signalsynspunkt koplet til jord Vi får dermed til slutt dette skjemaet

19

STUDIEENHET 1

Kontrollspørsmål I. I Nevn noen eksempler på elektroniske apparater fra hverdagen. 1.2 Vis ved hjelp av skisser forskjellen mellom likespen­ ning, vekselspenning og pulserende likespenning (like­ spenning overlagret vekselspenning). 1.3 På figur 1.4 i læreboka er det vist en spenningsdeler. Hvor stor blir spenningen U2 dersom U,nn = 15 V, /?, = 3,3 kohm og R2 = 4,7 kohm? 1.4 Hvordan kan det ha seg at spenningstilførselen (fra strømforsyningen) kan betraktes som om den er jordet på samme måten som vekselstrøm?

20

STUDIEENHET 1

2 Halvledermaterialer Mål Når du har gjennomgått dette kapitlet, skal du kunne: ▲ navngi de vanligste halvledermaterialene ▲ definere begrepene N- og P-materiale i fysiske termer på denne måten:

a) tegne et bilde som viser ledningsmekanismen i N- og Pmateriale når en spenning koples til b) føye den nødvendige tekst til illustrasjonene

▲ bestemme hvilken tilkoplingstråd som er anode, og hvilken som er katode, ved hjelp av diodens merking ▲ måle resistansen i en diode i både lede- og sperreretningen og dra logiske slutninger av målingen ▲ tegne symbolet for en halvlederdiode og kunne identifisere dioder i elektroniske koplingsskjemaer

▲ forklare betegnelsene UF og /F og l/R og /R for en diode ▲ angi, ved å tegne en kurve, diodens egenskaper ved små spenningsverdier i lederetningen ▲ angi hvorfor en får ulike resistansverdier når en måler diodens lede- og sperreresistans med ulike ohmmeter

I dette kapitlet skal vi ved hjelp av noen forenklede illustra­ sjoner av halvledermaterialenes oppbygning forklare funk­ sjonen hos halvlederdioder. Vi skal anvende de samme modeller for elektronbevegelse, resistans, spennings- og strømforhold som vi anvender i elektroteknikken. Dioder, transistorer og integrerte kretser er bygd opp av halvledermaterialer. Halvlederkomponentene er små, me­ kanisk stabile og krever ikke den forholdsvis store oppvar­ mingseffekten som elektronrørene har behov for.

21

STUDIEENHET 1

Ulike materialer kan deles inn i grupper etter deres elekt­ riske resistivitet (spesifikk elektrisk resistans). Halvlederne inntar en mellomstilling mellom metallene, som har liten resistivitet, og isolatorene, som har høy resistivitet. Se figur 2.1. Periodesystemet Et grunnstoff er et stoff som er bygd opp av atomer. Det er påvist over 100 grunnstoffer. Grunnstoffene er delt inn i et system etter hvor mange positive ladninger de har i kjernen. Det kalles periodesystemet, og det settes opp i grupper og perioder. Antall elektroner i ytterste skall, valensskallet, er av­ gjørende for hvilken gruppe grunnstoffet tilhører. Antall skall er avgjørende for hvilken periode grunnstoffet tilhø­ rer. Nedenfor er det vist et noe forenklet periodesystem med noen grunnstoffer. Periode__^ (RF + RG) dvs. t2 > Spenningen over kondensatoren kan en betrakte som pulserende likespenning som består av en ren likespen­ ning Uo og en vekselspenning ubr addert til denne ubr kalles ofte for rippelspenning

171

STUDIEENHET 8

Fig 12.10 Belastningens innvirkning på rippelspenningen

172

I praksis er Æb mye større enn dioderesistansen /?F og generatorresistansen /?G, slik at t2 > Tt. Kondensatoren utlades derfor langsomt og får en rask oppladning. 1 og med at tidskonstanten for utladning, r2, er avhengig av størrelsen på /?b, vil også (/br være avhengig av /?b. Dersom /?b er liten, vil kondensatoren rekke å utlade seg mer, før den igjen får ny ladning, enn om /?b er stor. Se figur 12 10 ®

STUDIEENHET 8

Sammendrag Dioden fungerer som en elektronisk strømbryter som åpner når dens anode er positiv i forhold til katoden. Det vil si at dersom vi har en «glatte»-kondensator i kretsen, så vil den få tilført ladning når vekselspenningens øyeblikksverdi er større enn kondensatorens likespenning. Tidskonstanten for oppladning er r, = (Æf + Æg) • C.

- I resten av periodetiden er dioden sperret, og kondensato­ ren C lader seg ut over lasten /?b, som dermed får en strøm og en spenning. Kondensatoren fungerer altså som et batteri. Tidskonstanten for utladning, t2, er gjerne større enn slik at utladningen skjer langsommere enn oppladningen. - Over belastningen fås en pulserende likespenning u = Uo + wbr som består av en ren likespenning U{, og en rippelspenning wbr, se figur 12.11. Vi har fått en likerettet

173

STUDIEENHET 8

- Maksima! reversspenning for dioden er tilnærmet lik den doble amplitudeverdien av vekselspenningen. Fig. 12.12 Toveis likeretter med glattekondensator

« 2 • u = 2 • U ♦ V2

URb dersom «glattekondensatoren» ikke var inn-

STUDIEENHET 8

Toveis likeretter med «glatte»-kondensator For å bedre kvaliteten på likespenningen kan vi på samme måte som ved enveis likeretter anvende «glatte»kondensator, se figur 12.12. Av figur 12.12 ser vi at D, bare er ledende i tidsrommet Dette kommer av at vekselspenningen kun i dette tidsintervallet er større enn L7C. 1 en toveis likeretter vil kondensatoren få kortere tid til utladning enn i en enveis likeretter. Det kommer av at kon­ densatoren her får ny ladning for hver halvperiode, mens den bare fikk ladning annenhver halvperiode i enveislikeretteren. Dette vil igjen gi en mindre rippelspenning.

Brulikeretter Ved bruk av fire dioder kan en lage ei såkalt likeretterbru som vist på figur 12.13. Fig. 12.13 Brulikeretter

I den ene halvperioden av u vil Dt og D2 lede, og vi får strømmen /, gjennom Æb. I neste halvperiode vil D3 og D4 være ledende, og strømmen i2 vil få samme retning gjen­ nom /?b som Z| hadde. Forholdene med brulikeretter blir ellers de samme som for toveislikeretteren når vi kopler inn en glattekondensator over utgangen.

LC-f ilter En likeretter med glattekondensator vil i de fleste tilfeller ikke tilfredsstille de krav vi har til likespenning. En måte å

I75

STUDIEENHET 8

bedre likespenningens kvalitet på, er å benytte et såkalt LC-filter. Dette består av en L og en C, se figur 12.14. Fig. 12.14 LC-filter

Vi kan tenke oss at vi kopler den pulserende likespennin­ gen Uo 4- wbr til inngangen av filteret, og vi skal så se hva vi får på utgangen. Likespenningen t7o og rippelspenningen kan betraktes hver for seg. Spolen L vil ikke gi spenningsfall for likespenning, mens kondensatoren C vil sperre for likespenning. Det vil si at t/o vil komme uforandret ut på utgangen. For vekselspenningen wbr vil både spolen og kondensato­ ren gi spenningsfall. wbr vil dermed bli spenningsdelt over

X, = co L og Xc = -----coC I og med at vi ønsker at w’br skal være minst mulig på utgangen, så bør spenningsfallet over Xc være mye mindre enn spenningsfallet over XL. Rippelspenningen på utgangen w’br vil kunne beregnes ved hjelp av følgende uttrykk: ,