Elektronik för alla, del 2 : Fortsättning analogteknik [2, 2nd ed.] 9151401029 [PDF]

Zitiervorschau

Elekt~nik

föralla·del 2

BERNDT ANDERSSON · LARS ASPLUND

LARSON

Andra upplagan

ISBN 91-514-0102-9 Illustrationer: Författarna Omslagsbild och baksidesbild: Lars Larsson © Berndt Andersson och Lars Asplund 1979 Printed in Sweden Dala-Offset AB, Falun 1981

BOKFÖRLAGET ROBERT LARSON AB Box 3063 183 03 Täby Telefon 08/756 56 40

Innehåll

Förord.............................................

9

Kapitel 1 ........................................... 11 Studieplan 11 Laborationer 15 Materialinköp 15 Materiallistor 16 Likspänning 18 Tidsdiagram 19 Likström 20 Växelspänning 22 Växelström 24 Frekvens 25 Andra vågformer 27 Effektivvärde 28 Ohms lag 29 Effekt 31 Addition av växelspänningar 32 Kapitel 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Mätning på växelspänning 37 Nätspänning 3 8 Varning för nätspänning 38 Transformatorn 41 Mekanisk uppbyggnad 42 Transformatorns teori 44 Varvtalsomsättning 47 Motståndsmätning på transformator 48 Nya spänningar 49 Likriktning 52 Kapitel 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Kondensatorn 56 Växelström och kondensatorn 57 Likström och kondensatorn 59 Känsligt växelströmsinstrument 59 5

Olika värden på kondensatorn 64 Filtrering av likriktad växelspänning Rippel 70 Batterieliminator 73

65

Kapitel 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Integrerade kretsar 78 Kapsling 80 Specialisering hos IC 81 Operationsförstärkaren 82 Matningsspänning 83 Funktionen hos en 741 :a 85 Ingångsimpedans 89 Inverterande förstärkare 90 Kapitel 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Återkoppling 95 Schmitt-trigger 97 utgångsimpedans 98 Spänningsföljare 99 Högimpediv voltmeter 101 Oscillator 103 Slew-rate och offset 107 Datablad 108 Kapitel 6 ........................................... 111 Variabelt spänningsaggregat 111 723:ans teori 114 Datablad 723 119 Kretskorttillverkning 122 Kapitel 7 ........................................... 130 Komplett schema för spänningsaggregatet 130 Allmänt om funktionen 131 Spänningsreglering 134 Etsning av kopparlaminatet 137 Borrning 138 Apparatlådan 139 Borrning av apparatlåda 140 Paneltexter 142 Kapitel 8 ........................................... 143 Repetition av spänningsreglering 143 Mera om dioder 144 Strömbegränsning 147 Dimensionering 148 Inlödning av komponenter på kretskort 155 Slutmontering av komponenter 157 6

Kapitel 9 ........................................... 159 Ledningsdragning 159 Slutkontroll 163 Intrimning och provning 164 Genomgång av funktion 165 Felsökning 168 Mera om användningsområden för ett spänningsaggregat 169 Kapitel 10 .......................................... 171 Dubbel matningsspänning 171 Olika byggen runt en operationsförstärkare 176 Millivoltmeter 177 Fyrkantgenerator 179 Praktisk testrigg för 74l:or 181 Praktisk uppbyggnad 183 Register ............................................ 184

7

Förord

Elektronik för alla, del 1, handlar om de grundläggande begreppen inom elektroniken. Man bör ha studerat den - eller på annat sätt skaifat sig motsvarande kunskaper - för att riktigt kunna tillgodogöra sig innehållet i del 2. Vi börjar Elektronik för alla, del 2, med en kort repetition och övergår sedan till att arbeta med det som kallas växelström. Läran om växelström är omfattande. Men vi nöjer oss till en början med att söka förmedla en känsla av vad växelström är och att samtidigt ge tillräckligt med fakta så att du ska kunna förstå hur en del av det spänningsaggregat som du ska bygga fungerar.

En vidare förståelse kommer du att få från de kapitel som behandlar operationsförstärkaren. Denna integrerade krets är en mycket nyttig komponent som blir allt vanligare i elektroniska apparater. Sist, men inte minst, kommer en beskrivning av ett variabelt spänningsaggregat med variabel strömbegränsning. Vi kommer att gå igenom allt man behöver veta, dels för att bygga det, dels för att förstå hur det fungerar. Lycka till! Berndt Andersson

Lars Asplund

9

1

Vare sig man studerar tillsammans med andra, till exempel i en studiecirkel, eller ensam hemma i sin hobbyhörna, har man nytta av en studieplan. Studieplanen ger en god översikt över arbetet som ligger framför. Man får därigenom en möjlighet att organisera sitt arbete effektivt. Studieplanen är upplagd så att ett kapitel i boken klaras av under varje sammankomst. Ett kapitel motsvarar cirka tre timmars studier inklusive laborationer. Totalt omfattar således kursen trettio timmar. ELEKTRONIK FÖR ALLA, del 2, är avsedd att ge en fortsatt grundläggande kunskap om elektronik. Här följer nu studieplanen! Läs igenom den noga! Diskutera om det är något avsnitt som, med hänsyn till deltagarnas önskemål, bör ägnas särskild uppmärksamhet.

Studieplan Studieplanen är anpassad för cirkelverksamhet. Studiecirklar kan arrangeras med hjälp av studieförbunden, som har lokalavdelningar över hela landet. Du som är intresserad av att delta i en studiecirkel, eller själv vill ta initiativ till att starta en sådan, kan alltså kontakta något av studieförbunden på orten. 11

Träff 1

Mål:

Avsnitt: Uppgift:

• Att bekanta sig med övriga cirkeldeltagare. • Att lära sig att avläsa ett tidsdiagram. • Att känna till växelspänningslärans grunder. • Att kunna definiera vad frekvens är. Kapitel 1. • Att förbereda inköp av materialsats.

Träff 2 Mål:

Avsnitt: Uppgift:

• Att lära sig iaktta försiktighet vid arbete med 220 volts växelspänning. • Att lära sig transformatorns principiella uppbyggnad. • Att lära sig likriktningens grunder. Kapitel 2. • Att göra de laborationer som beskrivs i kapitlet.

Träff 3

Mål:

Avsnitt: Uppgift:

• Att lära sig något om kondensatorns funktion vid växelspänning. • Att få kännedom om möjligheter att filtrera likriktad växelspänning. • Att lära sig principen för en batterieliminator. Kapitel 3. • Att göra de laborationer som beskrivs i kapitlet. • Att beställa material till bygge av spänningsaggregat, såvida detta inte gjordes redan efter träff 1.

Träff 4

Mål:

12

• Att lära sig innebörden av uttrycket 'integrerad krets'.

Avsnitt: Uppgift:

• Att känna till begreppet ingångsimpedans • och principerna för inverterande förstärkare. Kapitel 4. • Att utföra de laborationer som beskrivs i kapitlet.

Träff 5 Mål:

• Att förstå begreppen återkoppling och utgångsimpedans. • Att lära sig hur operationsförstärkaren kopplas i en oscillatorkrets. • Att lära sig något om datablad. Avsnitt: Kapitel 5. • Att göra de laborationer som beskrivs i kapitlet. Uppgift: Hemuppgift: Att till nästa gång noggrant repetera de fem första kapitlen.

Träff 6 Mål:

Avsnitt: Uppgift:

• Att lära sig vad ett spänningsaggregat är. • Att stifta bekantskap med den integrerade kretsen 723 och kopplingen av denna. • Att lära sig något om spänningsreferensen hos 723:an. • Att lära sig grunderna till kretskorttillverkning. Kapitel 6. • Att till nästa träff ha preparerat ett laminat så att det är färdigt för etsning.

Träff 7 Mål:

• Att känna till det kompletta schemat för spänningsaggregatet. • Att lära sig principen för spänningsreglering.

13

Avsnitt: Uppgift:

e Att lära sig etsning av kretskort. Kapitel 7. e Att etsa kretskortet enligt anvisningar och att borra detta. «& Att färdigställa lådan för spänningsaggregatet enligt anvisningar. Om man inte hinner med detta under kurskvällen, bör arbetet fortsätta hemma, så att lådan är klar till nästa träff! «& Att beställa komponenter till det bygge som ska väljas i kapitel 10.

Träff 8

Mål: Avsnitt: Uppgift:

Att lära sig principen för strömbegränsning. Kapitel 8. «& Att löda fast komponenterna på kretskortet. 0 Att montera komponenterna i lådan enligt anvisningar. @

Träff 9

Mål:

Att färdigställa aggregatet. Att lära sig något om felsökning. Kapitel 9. 111 Att dra ledningar enligt gjorda anvisningar. e Att göra slutkontroll. e Att provköra och trimma in aggregatet. CD CD

Avsnitt: Uppgift:

Träff 10

Mål:

Avsnitt: Uppgift:

14

o Att stimulera intresset för vidare byggande. e Att informera om nästa kurs (Elektronik för alla, del 3). Kapitel 10. o Efter eget val.

Laborationer På samma sätt som vi i Elektronik för alla, del 1, arbetade med laborationer, för att i praktiken kontrollera våra resonemang, kommer vi att göra även nu. Det finns olika sätt att genomföra laborationerna på. Vi kommer genom exempel, med hjälp av fotografier och teckningar, att peka på olika möjligheter. En del av laborationerna visas uppkopplade på en experimentplatta. Det är dock inte nödvändigt att skaffa en sådan platta till den här boken. I Elektronik för alla, del 3, kommer däremot alla uppkopplingar att göras på en experimentplatta. Man har faktiskt stor glädje och nytta av en sådan platta. Det finns flera fabrikat att välja mellan. Materiallistan är uppdelad i två avsnitt - ett för samtliga laborationer och ett för spänningsaggregatet. Detta motiveras med att du förmodligen någon gång önskar bygga ett extra aggregat och då har en komplett komponentförteckning samlad på ett ställe. I kapitel tio finns förslag till flera olika byggen som alla innehåller någon operationsförstärkare. Avsikten är att du ska utföra något av dessa projekt. Eftersom det inte finns materialförteckningar till dessa byggen får du själv träna på att göra upp sådana med hjälp av schemat.

Materialinköp Det är lämpligt att snarast möjligt beställa material till laborationerna, spänningsaggregatet och det extra bygget. Till det första kapitlet klarar du dig med det material som användes till laborationerna i Elektronik för alla, del 1. Samma inköpsställen rekommenderas.

15

Materiallistor Materiallista för laborationerna Antal

Komponent

1 1 1 1 1

Lamphållare glödlampa glödlampa strömbrytare transformator

1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2

universalinstrument kopplings list likriktarbrygga potentiometer trimpoten tiom eter hörtelefon kondensator kondensator kondensator kondensator kondensator kondensator elektrolytkondensator elektrolytkondensator motstånd motstånd motstånd motstånd motstånd motstånd motstånd batterihållare med batteri batterier

16

Typ

4V/1,2W 6V/3W 1 pol. växl. 220 V/9 V (t.ex. ringledn. trafo.) (Om du inte redan äger ett) BY164 1 kohm/lin. 5 kohm/lin. 5 kohm 0,47 .uF 47 nF 4,7 nF 470 pF 1 .uF 10 nF 2200 uF/25 V 100 11F/l6 V 100 ohm 1 kohm 3,3 kohm 10 kohm 82 kohm 100 kohm 1 Mohm 3V 9V

Antal

Komponent

Typ

1 1 1

zenerdiod transistor integrerad krets

lOV/0,4 W BD139 741

Materiallista för spänningsaggregatet 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 4

2 pol. 250 V strömbrytare säkringshållare 200 mA trög säkring kondensator 0,5 11F /450 v· kondensator 2200 ,11F/40V 500 pF kondensator kondensator 47,uF/35V likriktarb rygga B40C3200 1N4004 diod motstånd 2,2kohm/1/4 W motstånd 1,8kohm/1/4 W motstånd 1,5kohm/1/4 W 330 ohm/1/4 W motstånd 1 kohm trim potentiometer potentiometer 1 kohm/lin. potentiometer 5 kohm/lin. integrerad krets 723 transistor med monterings2N3055 sats 220V/25V, lA transformator 24 V/0,005A glödlampa med hållare lA amperemeter 25 V eller 30 V voltmeter låda röd och svart polskruv gummifötter 17

Elektronik för alla - del 2 - 2

Antal

Komponent

Typ

1 1

sladd med stickpropp dragavlastare

1

IC-hållare skruv, ledningar, ev. kortkontakt

jordad med genomföring för nätkabel för 14 pinnars kapsel

Likspänning I bild 1 nedan finns två scheman som ser mycket lika ut. Det enda som skiljer är hur vi vänt batteriet. Vi har dessutom infört den nya symbolen ~ . Den betyder jord. I detta sammanhang ska vi lägga betydelsen 'referenspunkt' i denna symbol. I Elektronik för alla, del 1, gjordes en jämförelse med vattentryck och spänning. Du minns att det är vattentrycket som driver vattnet framåt och spänningen som driver ström men framåt. Referenspunkt kallade vi den punkt som vi mätte vår spänning mot - eftersom en spänning mäts mellan två punkter. Jämför vattentryck som mäts i en punkt! I?

I?

3V

3V

A

B

l3ild 1

Efter denna snabbrepetition av begreppet spänning går vi tillbaka till bild 1 för att se vad vi har för spänning. I både A och B har batteriet en spänning på 3 volt. Det

18

är spänningen i batteriet som har förmågan att få ström att flyta. I fall A är batteriet vänt så att spänningen vid frågetecknet är +3 volt (relativt jord). I fall B får vi däremot värdet -3 volt på spänningen (relativt jord). Spänningen vid frågetecknet är i båda fallen en likspänning. Om vi mäter med universalinstrumentet får vi utslaget +3 volt eller -3 volt konstant.

Tidsdiagram Innan vi går vidare ska vi titta lite närmare på något som kallas tidsdiagram. Ett vanligt diagram består av två axlar. Den ena är horisontell (x) och den andre vertikal (y). Dessutom har man en kurva. Effekt (W)

5

4

--------------

3

2

-5

-4

3

-2

-1

Spänning (V I

2

3

4

5

Bild 2 Effekten i ett 4 ohms motstånd för olika spänningar

Ovan har vi som exempel ritat in en kurva som anger effekten i ett motstånd beroende på spänningen. Ett sådant diagram 'avläser' man på följande sätt: Utgå från den spänning som är av intresse - i det här 19

fallet +4 volt - och gå rakt upp tills du träffar på kurvan. Gå sedan in mot den vertikala axeln (y) där du kan avläsa motsvarande effekt - i vårt fall 4 W. I ett tidsdiagram anger x-axeln alltid tiden, vilket illustreras i bild 3. volt

Bild 3

Tidsdiagrammet gäller för en spänning. Den spänning vi valt är den som angavs i bild lA. Som synes blir spänningskurvan ett rakt streck. När vi går upp från tidsaxeln hamnar vi mittför +3 volt på spänningsaxeln. Än en gång illustreras varför man vill kalla denna spänning för likspänning!

Likström Det är vattentrycket som gör att vatten rör sig i röret. På motsvarande sätt är det spänningen som får de små elektronerna att röra sig. Elektroner är, som vi vet, de negativt laddade partiklar som finns runt alla positivt laddade atomkärnor. En spänning som har fått elektroner att flyta i en tråd kallas ström. Vad är då naturligare än att kalla den ström,

20

som är resultatet av en likspänning, för likström? Låt oss rita upp två tidsdiagram för bild 1 för strömmen (I) som går från batteriet till lampan. För bild lA skulle tidsdiagrammet då se ut som i bild 4. (Värdet på strömmen är satt till 0,1 A.) mA

150

50 2 -

4

6

tid ( s)

8

50

-100 -150

Bild 4

Det var som väntat! För bild lB får vi ett tidsdiagram som ser ut som i bilden nedan. mA

150 100 50 2 -

Bild 5

4

6

8

50

-150

Varför just - 100 mA (0,1 A)? Jo, vi sa att vi skulle tänka oss strömmen från batteriet till lampan - och i bild 1B går strömmen åt andra hållet, d.v.s. från lampan till batteriet! För att reda ut eventuella missförstånd, vill vi genast förtydliga med att vi hela tiden avsett strömriktningen i den övre tråden mellan lampa och batteri i bild 1. Det är naturligt-

21

vis så att strömmen går runt hela kretsen samtidigt för både bild lA och bild lB.

Växelspänning Vi är nu strax redo att börja bekanta oss med växelspänning. Men låt oss först studera en strömbrytare: 2

2

3

3

Bild 6 Strömbrytare

Strömbrytaren har tre anslutningar och till höger har vi ritat schemat. I det läge som strömbrytaren nu står, är det kontakt mellan stift två och tre. Om vi slår över den, kommer vi istället att få kontakt mellan ett och två. Nu till schemat i bild 7 där en sådan strömbrytare finns med: Strömbrytaren är inritad så att det inkopplade batteriet har minus till jord. Lampan får följaktligen ström från det övre batteriet. Det undre batteriet är inte alls inkopplat.

Bild 7

22

Vad händer om vi slår över strömbrytaren till det undre läget (B)? Som du ser av bild 8 är nu det undre batteriet inkopplat.

B

3V

Bild 8

När strömbrytaren befinner sig i läge A är spänningen över lampan +3 volt. I läge B är den -3 volt.

Laboration I: 1 Koppla upp ovanstående schema som bilden nedan visar och anslut universalinstrumentet över lampan. Instrumentet ska vara inställt på 10 volt DC. När strömbrytaren är i läge A, bör du fä utslaget 3 volt. I läge B visar nålen att det är någonting negativt.

Bild 9 Schemat i bild 8 uppkopplat i praktiken

forts.

23

Laboration I:l forts. Slå över strömbrytaren varje halvsekund. Nålen på instrumentet kommer att röra sig för varje gång, men lampan lyser lika hela tiden. Eftersom instrumentet mäter spänningen (3 V och -3 V), kan vi rita upp ett tidsdiagram för den. V

3

2

3

-3

Bild 10 Tidsdiagram på växelspänning

Vi har nu fått en växelspänning. Lägg märke till hur spänningen växlar hela tiden! Den här typen av växelspänning kallas fyrkantvåg.

Växelström Vi diskuterade strömmarna i bild 1 och ska nu fortsätta med strömmen i bild 4 och bild 5. När strömbrytaren är i läge A, motsvaras det av bild lA och följaktligen är strömmen till lampan 0,1 A. När vi sedan slår över till läge B, får vi en ström på -0, 1 A. Ett tidsdiagram för ström liknar mycket ett tidsdiagram för spänning, men det skadar inte att ägna det någon uppmärksamhet i alla fall. mA 100

2

-100

Bild 11 Tidsdiagram på växelström

24

3

Frekvens När vi slår strömbrytaren fram och tillbaka en gång varje sekund, säger vi att frekvensen är lHz (Hertz). Under en sekund hinner vi med en positiv och en negativ del. En sådan enhet kallas 'period'. I bild 12A avbildas en sådan period och den har en längd av 1 sekund.

0,5

1,0

0,1

A

0,2

B

Bild 12 Två olika perioder

I bild 12B visas en annan period som ser likadan ut som den i A, men den är snabbare. Det tar bara 0,2 sekunder att klara av hela perioden. I bild 13 kan vi konstatera att det får plats fem stycken perioder av den typ som visades i bild 12B under 1 sekund.

0,1

3:e

2:a

1:a

0,2

0,3

0,4

0,5

4:e

0,6

0,7

5:e perioden

0,8

0,9

1,0

1,1

Bild 13 Tidsdiagram på växelspänning med frekvensen 5 Hz

Eftersom det är fem perioder på en sekund är frekvensen 5 Hz (eller som man sa förr: 5 perioder/sekund). I bild 12 har vi två olika perioder, den ena 1 sekund och

25

den andra 0,2 sekunder lång. Om vi kallar periodlängden för T (anges i sekunder) och frekvensen för f (anges i Hz), får man med hjälp av nedanstående reda på den ena om man vet den andra: f =

eller

T=f Exempel: Vi har periodlängden T = 0,2 s. Vad blir frekvensen? 1 Svar: f = = 0 2 = 5 Hz Det var vad vi redan visste! Men nu har vi räknat ut det också. Ett annat exempel: Om man spelar ett normal a på ett piano, får man en ton som har frekvensen 440 Hz. Hur lång är en period? 1 1 Svar: T T = 440 = 0,00227 sekunder. 0,00227 är ett något svårhanterligt tal, men om vi använder oss av våra kunskaper från Elektronik för alla, del 1, om prefix i SI-systemet, kan vi göra det lättare för oss. Låt oss repetera prefixen:

J

)

Tera 1 000 000 000 000 1000000 000 Giga Mega 1000 000 kilo 1000 0,001 milli 0,000001 mikro 0,000000001 nano 0,000000000001 pico

T G M k m 11

n p

Vi har använt dessa prefix för volt, ampere, ohm och farad. Det går även alldeles utmärkt att använda dem tillsammans med Hz och s.

26

Periodlängden 0,00227 s kan man istället skriva som 2,27 ms (millisekunder). Andra vanliga prefix i samband med periodlängd är mikro och nano. För frekvens används prefi.xen kilo, Mega och ända till Giga. Du har säkert sett både kHz och MHz på någon radio.

Andra vågformer Hittills har vi endast visat tidsdiagram med fyrkantsform på växelspänningen, men det finns andra former. Den vanligaste är den s.k. sinuskurvan och i bild 14 kan du studera en sådan med en periodlängd på 20 ms. 3

-3

Bild 14 Sinuskurva

T är alltså 20 ms = 0,02 s, vilket ger en frekvens f som är 0 2 = 50 Hz. Detta är den frekvens vi har tillgång till i våra ' vägguttag! Två andra vågformer visas i bild 15, dels en triangel (A) och dels en sågtand (B).

1

A

8

Bild 15 Triangel- och sagtand-formade vagformer

27

Effektivvärde När vi hade kopplat upp lampan enligt bild 7 så lyste den lika för båda lägena på strömbrytaren. En växelspänning som man åstadkommer genom att slå strömbrytaren fram och tillbaka kan få lampan att lysa hela tiden. Vi ersätter arrangemanget med batterierna och ström brytaren med något som ser ut så här: Detta tecken symboliserar något som ger en växelspänning. Schemat i bild 7 kan ritas om till att bli som i bild 16.

8 .

Bild 16

8)

Om vår växelspänningskälla ( ger en fyrkantsform är allt som förut, men låt oss tänka efter vad som händer om växelspänningen ser ut som i bild 14. Lampan kommer att lysa - men svagare - och vi ser hur växelspänningen sakta växer upp till 3 volt och hur den sedan sjunker ner mot -3 volt och hur den sedan ... Resultatet måste bli att strömmen sakta växer upp till 0,1 A för att sedan sakta sjunka ner till -0,l A ... Under de ögonblick då spänningen är exakt 3 V och strömmen 0,1 A är det ingen skillnad mellan fyrkanten och sinusen. Däremot är det mindre ström däremellan och fram till -3 V och -0,1 A beträffande sinuskurvan. För en växelspänning med frekvensen 50 Hz innebär det att lampan blinkar, men blinkningarna är så snabba att ögat inte hinner med. Vi uppfattar följaktligen ljuset som konstant. 28

Växelspänningen i bild 14 går upp till 3 V. Detta värde kallas toppvärde. Det är dock inte ett bra mått på hur stor växelspänningen är, eftersom en likspänning på 3 V får lampan att lysa starkare än vår växelspänning med toppvärdet 3 V. Vad man istället anger är effektivvärdet. Det definieras så att en likspänning med samma värde som en växelströms effektivvärde får en lampa att lysa lika starkt. För växelspänningen i bild 14 är effektivvärdet ungefär 2,1 V. En sinusspänning med ett effektivvärde på 3 V illustreras i bild 17. V

3

ms 10

20

30

40

60

Bild 17 Sinuskurva med 3 V i effektivvärde

Om denna spänning fick driva lampan skulle den lysa lika starkt som i uppkopplingen i bild 1. Det finns ett sätt att relatera effektivvärde till toppvärde och tvärtom för en sinusspänning: toppvärde = 1,41 x effektivvärde eller effektivvärde = topr:rde

' I fortsättningen avser vi alltid effektivvärde för både ström och spänning om inte annat sägs.

Ohms lag I Elektronik för alla, del 1, lärde vi oss en mycket viktig lag:

29

U

=R x I

Den betyder för likström att spänningen (i volt) är lika med motståndet (i ohm) gånger strömmen (i ampere). Vi använde oss också av Ohm 's triangel. Med dess hjälp kan man till exempel räkna fram strömmen om man vet spänningen och motståndet.

Bild 18 Ohms triangel

Man frågar sig naturligtvis om den här kunskapen kan överföras till växelström? Svaret är ja - men enbart under förutsättning att det är fråga om motstånd och inga andra komponenter. I bild 19 har vi tänkt oss ett enkelt schema med en växelspänning på 220 volt (effektivvärde). Den är kopplad till ett motstånd på 1 kohm. Växelströmmen genom motståndet kommer att bli u 220 I = R = lOOO = 0 ,22 A. I=?

R= 1 kohm

Bild 19

Ett annat exempel visar en växel spänning på 6 ,3 V varvid man kan ta ut högst 2 A. Hur lågt motstånd kan man ansluta? Studera schemat på nästa sida: 30

I= 2A

R ?

Bild 20

Ohms lag ger R =

Y= flf

= 3,15 ohm.

Effekt För likström använder vi en formel som säger att effekten strömmen x spänningen, eller: P

=

=Ux I

Vi har även en effekttriangel:

Bild 21 Effekttriangeln

Med samma förbehåll som för ohms lag (gäller enbart för motstånd) så kan även denna formel (triangel) användas för växelström. Exempel: Hur stor är effekten i bild 19 och 20? Svar: P = 220 x 0,22 = 48,4 W och p = 6,3 X 2 = 12,6 W Ett annat exempel: Ett värmeelement för 220 volt är på 2000 W. Klarar man sig med en säkring på 6 A? 31

Svar: Effekttriangeln säger att I = ~och i siffror att I= Z~~g = 9,09 A. Det är för mycket. Säkringen kommer inte att hålla!

Addition av växelspänningar Nu ska vi ta upp något som är enkelt när vi sysslar med likspänning, men som kräver lite uppmärksamhet vid växelspänning. I Elektronik för alla, del 1, sas att om man staplar batterier på varandra så är det bara att lägga ihop spänningarna. För växelspänningar däremot gäller att man först måste se efter hur de två spänningar man avser att lägga ihop ser ut jämfört med varandra. Nedan visas ett schema med två växelspänningskällor.

c U2

u u, A Bild 22

Spänningen U 1 ligger mellan A och B och Uz mellan B och C. Summan av u 1 och Uz kallar vi för U, och det är alltså spänningen mellan A och C. Vi förutsätter att både u 1 och Uz har samma frekvens. Det finns två viktiga fall. Om båda har effektivvärdet 5 volt får vi följande: 3Z

Fall l: Båda är i fas. Detta finns åskådliggjort i bild 23. Att de är i fas innebär att de är på väg upp samtidigt och på väg ner samtidigt etc. Summan av de två övre blir den undre kurvan. Vi får en ny växelspänning som är dubbelt så stor som en av de övre. V

7 5

-7 7

-7

u

I3i!d 23

-14 ...................... .

För att övertyga oss, lägger vi ihop spänningarna vid fyra olika tidpunkter. 1) 5 V + 5 V= 10 V 2) 7 V+ 7 V= 14 V 3) OV+OV=OV 4) -7V + (-7V) = -14 V Elt:ktronik för alla - del 2 -3

33

Fall 2:

De två växelspänningarna är i motfas, vilket innebär att när den ena är på väg upp går den andra ner och tvärtom. Bild 24 illustrerar detta samt hur resultatet av en sammanläggning blir noll. Som bevis lägger vi samman spänningarna vid fem olika tidpunkter.

1) 2)

7V+(-7V)=OV

3)

OV+OV=OV

4)

-5 V+ 5 V= 0 V

5)

-7V+7V=OV

5 V + (-5 V) = 0 V

V 7 5 ...

14

u

Bild 24

34

Innan vi avslutar kapitlet med att formulera två viktiga regler ska vi ta ännu ett exempel där de båda spänningarna fortfarande är i motfas, men där de har olika effektivvärde. u 1 är på 8 volt och u 2 på 6 volt. Studera bild 25 nedan. Med siffror får vi för följande punkter: 1)

8 V + ( -6 V) = 2 V

2)

11,2V + (-8,4V) = 2,8V

3)

OV+OV=OV

4)

-11,2 V+ 8,4 V= -2,8 V

Resultatet blir här en spänning på 2 volt. V 10

8

I

-8 .... , .. I

2

I

I I I

II I

I

I

1

I

:

~: ".... "i"

I

~

U

Bild 25

35

Nu till Reglerna!

Regel 1: Om två växelspänningar som ska adderas är i fas, blir det nya effektivvärdet lika med summan av de två.

Regel 2: Om två växelspänningar som ska adderas är i motfas, blir det nya effektivvärdet lika med skillnaden mellan de två. Den nya spänningen har samma fas som den största av de två. I nästa kapitel ska vi se hur teorin fungerar i praktiken!

36

Kapitel 2

Kort repetition av vad vi hittills lärt oss om växelspänning: • Den växlar riktning hela tiden. • Hur ofta den växlar kallas frekvens. • Vi kan räkna med ohms lag om kretsen bara har motstånd. • Växelspänningen har två värden: toppvärde och effektivvärde.

Mätning på växelspänning Vi har ännu inte gjort någon riktig mätning med universalinstrumentet på en växelspänning eller ström. Orsaken är mycket enkel; vi har inte haft någon lämplig spänning att mäta på! Den första växelspänning vi stötte på var den från strömbrytaren, som vi slog fram och tillbaka. I det sammanhanget är det ingen ide att använda universalinstrumentet inställt på ACV, eftersom frekvensen är alldeles för låg. Normalt är ett universalinstrument inte konstruerat för att klara låga eller höga frekvenser. Det vanligaste är att man mäter på 50 Hz. Men man kan gå upp till 500 Hz och ner till cirka 40 Hz. Digitalinstrument är oftast gjorda för att klara ett större frekvensområde (40 Hz-1 kHz). 37

Nätspänning Nätspänning är vad man kallar det vi har i våra vägguttag. I Sverige har vi en växelspänning med en frekvens på 50 Hz och ett effektivvärde på 220 V. Frekvensen ligger väl till för vårt instrument, medan däremot spänningen är relativt hög. Om du iakttar stor försiktighet kan du ställa in instrumentet på 250 VAC eller det som ligger närmast högre och sedan stoppa in båda mätpropparna i ett vägguttag. Se till att du inte vidrör de metalliska delarna av mätpropparna ! utslaget bör ligga på 220 V. Men om du får ett värde på 200 V eller lägre så är det bevis på för svag spänning. Det kan då vara tillrådligt att kontakta elleverantören.

Varning för nätspänning Några varningens ord innan vi går vidare i arbetet med 220 V kan vara befogade. Alla typer av byggen, som använder 220 V, kräver nämligen att man iakttar största försiktighet. Vi ska säga något om varför det är farligt och hur man ska bete sig för att klara sig. Varningen gäller främst nätspänningen 220 V. Men naturligtvis bör man vara försiktig med andra spänningar också. När man talar om spänningars farlighet bör man kanske förtydliga att det är strömmen genom kroppen som är farlig. Men eftersom vi känner till Ohms lag, kan vi säga att ju högre spänningen är desto högre blir strömmen. En annan aspekt kommer också in i bilden och det är motståndet. Om man är fuktig om händerna och tar i en spänningsförande tråd blir motståndet lågt och strömmen i motsvarande mån högre. I tabellen på sidan 39 har vi noterat några växelströmsvärden 38

samt hur vår kropp reagerar på dessa värden. Som synes går det inte att förlita sig på vanliga säkringar. Det enda sättet att klara sig är att hålla sig borta från spänningsförande trådar! !

Ström värde

Reaktion

1 mA 1-6 mA 7-15 mA 16-20 mA

Omärkbart. Märkbart,men ofarligt. Smärtsamt, men full muskelkontroll. Smärtsam stöt och svårigheter att släppa taget. Smärtsam stöt. Risk för att hjärtat upphör att arbeta. Hjärtflimmer uppstår, vilket snabbt leder till döden. Allvarliga brännskador. Eventuellt kan konstgjord andning rädda livet.

21-75 mA 76-200 mA 201 mA-uppåt

Undersökningar har visat att växelspänningar mellan 50-60 Hz är de farligaste. När strömmen går fram och tillbaka med dessa frekvenser knyts musklerna samman hårdast. En likspänning är också farlig, men där har man större möjligheter att släppa taget.

Bild 26

39

I vägguttaget förekommer två anslutningar och mellan dessa finns våra 220 V. Se upp med att inte hålla i en avisolerad ledning från ena uttaget och samtidigt vidröra något som står i direkt elektrisk förbindelse med det andra! Man bör även känna till att den ena av de två anslutningarna i ett vägguttag är ansluten till jord. I bild 27 visas schematiskt hur det ser ut med vår försörjning av 220 V.

KRAFTBOLAG 220V

HUSHÅLL

111111

Bild 27

I 'hushållsdelen' till höger har vi placerat ett vanligt värmeelement anslutet till jord.

Bild 28

40

Vad händer om vi fingrar på den högra anslutningen (eller något som står i elektrisk förbindelse med den) och samtidigt har en fot på elementet? Jo, vi får 220 V anslutet mellan hand och fot! Sammanfattningsvis: 1. Undvik att laborera med 220 V -anslutna apparater med kontakten isatt i vägguttaget. 2. Om det är nödvändigt att ha apparaten igång; se då till att allt som är nätspänningsförande är väl skyddat. Se vidare till att ingen under några om ständigheter kan komma åt dessa delar.

Transformatorn Lyckligtvis finns det ett sätt att omvandla en växelspänning till en ny växelspänning med ett annat effektivvärde. Den komponent man då använder kallas transformator. Schemasymbolen framgår av bild 29.

220V

12V

Bild 29

Exemplet är en transformator som kan omvandla 220 V till det 'trevligare' värdet 12 V. Några olika sorters transformatorer finns avbildade på nästa sida:

41

Bild 30 Olika typer av transformatorer

Mekanisk uppbyggnad I Elektronik för alla, del 1, påpekades att om en ström flyter genom en spole (se bild 31), så uppstår ett magnetfält genom spolen. Lägger man dessutom in en järnbit (se bild 32) kommer fältlinjerna i spolen att gå genom järnet. Järn leder magnetismen mycket bättre än luft. Om vi sedan, som visas i bild 33, 'bakar' in spolen i järn, kommer nästan varje fältlinje att hålla sig inuti järnet (eller järnkärnan, som den kallas).

Bild 31 Fältlinjer i en luitlindad spole

Bild 32 Fältlinjer i en spole med järnkärna

42

Bild 33

Transformatorn i mitten på bild 30 kallas toroidtransformator. Denna transformatortyp, som börjar bli allt vanligare, är konstruerad enligt den princip som illustreras i bild 34.

Bild 34

Kärnan har konstruerats som en ring och spolen är lindad kring denna. Magnetfältet håller sig hela tiden inuti ringen och mycket lite av fältet kommer utanför. Ringen stör alltsa mindre och används följaktligen där man vill ha så liten inverkan som möjligt på andra komponenter. 43

Transformatorns teori En transformator kan bara användas för växelström. Varför det förhåller sig på det viset ska vi strax se. Om vi nu tänker oss att vi till spolen i bild 33 eller 34 ansluter en växelspänning så kommer vi att få en växelström genom spolen. Detta medför i sin tur att det uppstår ett magnetfält som växlar i riktning och storlek i samma takt som strömmen går genom spolen. Studera bild 29 igen! Av denna kan man förstå att de två lodräta linjerna motsvarar kärnan - och att man sedan har två spolar! Det förhåller sig också mycket riktigt på det sättet. För att man ska få en transformator av den typ som illustreras i bild 33 eller 34, krävs att man lindar på en spole till. Den nya spolen kan lindas ovanpå eller bredvid den andra. Se bild 35.

Bild 35

Till den vänstra sidan ansluts en växelspänningskälla och till den högra en växelspänningsvoltmeter. Resultatet av uppkopplingen kan studeras i bild 36. Vi har anslutit växelspänningen till den ena spolen och utför mätningen på den andra. Vad är det som får oss att tro

44

Bild 36 Mätning på transformator och motsvarande schema

att det ska bli ett utslag på mätaren? Jo, det finns en lag inom fysiken som säger att om magnetfältet i en spole ändrar sig kommer detta att ge upphov till en spänning i spolen. Ett magnetfält som ändrar sig får vi från den första spolen eftersom den är ansluten till växelspänningskällan. Det magnetfält som den spolen ger upphov till går in i den andra (högra) - och vi kan mäta upp en spänning!

Laboration II:l För att kontrollera att en transformator endast fungerar för växelström och för att se om det uppstår någon spänning vid förändringar i magnetfältet ska vi nu laborera enligt schemat i bild 37. Hur man praktiskt kan göra uppkopplingen framgår av bild 38. Antingen kan den transformator som ska vara till spänningsaggregatet användas eller någon annan, vilken som helst! forts.

45

Laboration II:l

forts.

3V

Bild 37

Bild 38

Voltmetern ska vara inställd på spänningsmätning. (Om man får mycket små utslag kan man prova på strömmätning för likström.) Innan du kopplar upp6 ska du med hjälp av universalinstrumentet, inställt pa motståndsmätning, 'ohma' in de olika lindningarna. Lindningen med det lägsta motståndet kallas lindning 1-2. Lindningen med det högsta motståndet kallas 3-4. Slå till strömbrytaren när allt är uppkopplat. En förändring av magnetfältet (från inget till ganska mycket) sker nu. Nålen slår till en aning, men står sedan stilla så länge strömbrytaren är tillslagen. Ett nytt utslag av visaren äger rum när du gör nästa förändring av magnetfältet genom att ändra strömbrytaren. Nästa steg är att slå strömbrytaren fram och tillbaka. Du får nu en växelspänning på instrumentet. Det betyder att det är dags att slå om till mätning av växelspänningen. Vi har på detta sätt visat att en likspänning inte går att få igenom en transformator. Däremot går det bra med en växelspänning. 46

Varvtalsomsättning Om jag vill fa en transformator att transformera (=ändra) 220V till 11 V, hur ska jag då bära mig åt? Svaret är, att det beror på hur många varv jag lindar de olika spolarna med. Regeln säger: ju fler varv desto högre spänning och tvärtom! I bild 39 illustreras en transformator som kan transformera 220 V till 11 V. I figuren har införts två nya beteckningar: Primär(-lindning)

den spole man tillför spänning. Sekundär( - lindning) = den eller de spolar man tar ut spänning från. Primär

=

Sekundär

llV

220V

Bild 39

300 varv

15 varv

Varvtalsomsättningen är i det här fallet 3f~ = 20. Det innebär att sekundärspänningen är 20 gånger lägre än primärspänningen, d.v.s. 2 = 11 V, vilket är vad vi ville ha. Bild 40 föreställer en transformator med två sekundärlindningar. Fråga: Hur många varv har primärsidan? Svar: 4 volt är 2 ~ 0 = 55 ggr lägre än 220 V. Nio varv skulle då vara 55 ggr lägre än antalet varv på primärsidan, som alltså är 9 x 55 = 495 varv. Fråga: Hur många varv ska man linda för att få 20 V? Svar: 20 volt är 11 ggr lägre än 220 V. Då måste antalet 495 varv vara 11 ggr lägre än 4 9 5 varv. A11t sa 1T = 45 varv.

ig

0

47

Prim.

Sek.

4V

9 varv

220V

? varv

20V

? varv

Bild 40 Transformatorn med två sekundärlindningar

Motståndsrnätning på transforrnator Tillverkaren av en transformator avgör vilken typ av tråd han ska linda sin transformator med. Vi har visat att 220 V-sidan behöver många varv, jämfört med sekundärsidan, samtidigt som sekundärsidan ska klara högre strömmar än primärsidan (gäller vid transformering till lägre spänning). Vad tillverkaren gör är att han lindar många varv för 220 V med en tunn tråd. Till sekundärsidan tar han däremot ett litet antal varv med en grövre tråd. Detta innebär att 220 V lindningen får ett ganska högt motstånd (300 ohm) och sekundärsidan ett lågt (endast några ohm). Man kan alltså använda motståndsmätning för att ta reda på var man ska ansluta 220 V. Motståndsmätning kan också användas för att ta reda på anslutningar som hör till 'samma lindning'. Det kan nämligen ibland se ut som i bild 41. Genom att motståndsmäta kan man konstatera att det är lågt motstånd mellan vissa trådar och högt mellan andra. Tabellen anger resultaten vid motståndsmätning. 48

-----A A-B

Lågt

B-D

Högt

A-C

Lågt

B-E

Högt

A-D

Högt

C-D

Högt

A-E

Högt

C-E

Högt

B-C

Lågt

D-E

Lågt

Bild 41 Observera att det alltid ska vara högt (oändligt) motstånd mellan primärlinding och sekundärlindning.

Nya spänningar I kapitel 1 gick vi igenom hur man kan lägga ihop växelspän ningar som är i fas eller motfas. Nu ska vi praktiskt utnyttja dessa kunskaper. Bild 42 föreställer en transformator med två lindningar på sekundärsidan. Den ena ger 6 V och den andra 8 V. Vi har ritat dem på samma sätt som de är lindade. Detta betyder att spänningarna är i fas sett nerifrån och upp.

Bild 42

Om vi nu kopplar samman de två sekundärlindningarna enligt regel 1 på sidan 36 och bild 43 får vi en spänning på 14 V. Elektronik för r:lla - del 2

4

49

14V

Bild 43

Ett annat sätt är att 'vända' på den ena lindningen så att den kommer i motfas. Då får vi enligt regel 2 på sidan 36 en spänning på 8 - 6 V= 2 V. Jämför bild 44.

2V

Bild 44

På detta sätt kan man, om man har flera uttag, få många nya spänningar. Man kan däremot inte koppla ihop uttag från sam ma lindning, till exempel B och C i bild 41, för då blir det kortslutning på den lindningen ! I utdraget ur ELFA-katalogen (sid. 51) åskådliggörs hur man från en transformator kan få praktiskt taget vilken spänning som helst mellan 1 V och 45 V. Studera utdraget med pennan i hand och kontrollera hopkopplingar och uttag. Det är ett givande studium!

Bild 45 Exempel ur ELFA-katalogen på universell transformator

50

Transformatorer M 5 Universaltransformator Transformatorn är uppbyggd av 3 sekundärlindningar Varje lindning är på 15V och har dessutom 2 uttag

på IOV respektive 12V.

Med olika

kopplingar

kan

Dimensioner mm.

sp