Elektroteknikk 2000 : grunnkurs elektrofag 8200425142 [PDF]

Zitiervorschau

Svein Olaf Michelsen, Bo Johnsson,Johnny Frid

Elektroteknikk 2000 Faktabok

Grunnkurs elektrofag

Bokmål

Universitetsforlaget AS

© Universitetsforlaget AS 1998

ISBN 82-00-42514-2

Bo Johnsson Elkunskap 2000 Likstrdm 1-fas vaxelstrdm. Faktabok © 1995 Bo Johnsson och Liber Utbildning AB Bo Johnsson Elkunskap 2000 Vaxelstrdm 3-fas. Faktabok © 1996 Bo Johnsson och Liber Utbildning AB Bo Johnsson, Johnny Frid Elkunskap 2000 Elsdkerhet. Faktabok © 1997 Bo Johnsson, Johnny Frid och Liber Utbildning AB

Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven eller avtaler om kopiering inngått med Kopinor, Interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk.

Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. Læreboka er godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter i februar 1998 til bruk i videregående skole på studieretning for elektrofag, grunnkurs, i faget elektroteknikk, modul 1.

Godkjenningen er knyttet til fastsatt læreplan av oktober 1993 og gjelder så lenge læreplanen er gyldig. Odd Hammertoft har oversatt de svenske bøkene til norsk. Svenske utgaver er utgitt av Liber Utbildning AB i 1995, 1996 og 1997.

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

Intemettadresse: http://www.scup.no

Illustrasjoner: Rickard Ax/Didacta, Bjørn Pickart, PED TEC AS Bildeleverandører:ESO, WojtekFabianowski,HusqvamaAB,Immediate Productions/Jeffery Richt, Bo Johnsson, Martin Kristiansson, Bo Ståhl, Sydkraft AB, TerraMare Bild, ABB, PIAB AB, Provector, Metrix, DNT Foto: Trond Are Berg, Svein Olav Michelsen: side 78,166,169,170,173, 204, 224, 228, 231, 238, 239, 246,258, Fluke, Sauda III, Telemecanique AS, Sun Lab, Georg Parmann, SUNWIND, Fjellanger Widerøe A/S, Energi nr. 9 1996 Foto: Kjell Rønningsbakk Sats: Bjørn Pickart, PED TEC AS

Omslag: Tor Berglie Foto av elektriker i arbeid: Karoline Frogner, Samfoto; moderne komfyr: Tor Berglie; de to siste er fra Zenith-Film A/S

Trykk: PDC Grafisk Produksjon as

Forord Elektroteknikk. Faktabok inngår i en læremiddelpakke som består av

Elektroteknikk. Faktabok. Grunnkurs elektrofag Elektroteknikk. Måleøvinger. Grunnkurs elektrofag Elektroteknikk. Oppgaver. Grunnkurs elektrofag

Læremidlet er tilpasset læreplanen for grunnkurs elektrofag. Stoffet i faktaboka er nært knyttet til oppgavene i oppgaveboka og de praktiske måleøvingene i måleøvingsboka. Faktaboka og oppgaveboka er godt egnet for selvstudier, mens måleøvingene krever tilgang til instrumenter og annet utstyr. For å få et best mulig utbytte av undervisningen i elektroteknikk er det nødvendig med praktiske målinger på elektriske kompo­ nenter og utstyr. Sentrale ord og begreper er oversatt til engelsk fortløpende i boka og samlet i en ordliste bak i boka. Helse og miljø er flettet inn i fagstoffet der det er naturlig.

Vi håper at læremidlet skal gi innsikt i faget og skape interesse for videre studier. Rud i januar 1998 Svein O. Michelsen

Innhold Elektrisitet i hverdagen

9

Merking av resistorer...................................43 Feilsymptomer............................................. 45

I Elektrisitetslære

10

Allerede de gamle grekerne............................ 11 Bohrs atommodell.........................................12

Slik skaper vi spenning.................................... 13

Kontrollspørsmål..............................................46

5 Seriekopling

48

Seriekopling av resistorer............................... 50

Elektrodynamikk - ladninger i bevegelse.... 14

Kirchhoffs lover........................................... 50

El sikkerhet......................................................... 16

Den totale resistansen i en seriekrets....... 53

Ulykker ved lavspenning og høyspenning 16

Effektutviklingen i en seriekrets................ 54

Behandling av skadd person....................... 17

Sammendrag..................................................... 55

Dersom ulykken er ute..................................... 18

Kontrollspørsmål.............................................. 55

Sammendrag..................................................... 20 Kontrollspørsmål.............................................. 20

6 Elektrisk potensial

56

Konklusjon....................................................59

2 Likestrøm

22

Kontrollspørsmål.............................................. 60

Fra pluss til minus........................................... 23

Ohms lov...........................................................25 Størrelser og enheter........................................ 26

Måling av elektriske størrelser....................... 27

Analogt multimeter...................................... 28 Spenningsmåling.......................................... 29

7 Parallellkopling

62

Strømmen ved parallellkopling...................... 63 Erstatningsresistor........................................... 65

Sammensatte kretser........................................ 67 Kontrollspørsmål.............................................. 70

Strømmåling ................................................. 30

8 Ledere og isolatorer

Resistansmåling........................................... 31

Ledere................................................................ 73

Sammendrag..................................................... 32

Resistansforandring i en leder....................74

Kontrollspørsmål.............................................. 32

Temperaturavhengigheten........................... 76

3 Effekt

34

Elektrisk strøm og vann som strømmer .... 35

Måling av effekt........................................... 38

Kontrollspørsmål.............................................. 39

4 Resistoren

40

Lineære resistorer............................................ 41 Trådviklede resistorer................................. 41

Sjiktresistoren.............................................. 42 Fargekode...................................................... 43

4

72

Halvledere......................................................... 77 Isolatorer........................................................... 78 Kontrollspørsmål.............................................. 79

9 Batterier

80

Akkumulatoren................................................. 81

Blyakkumulatoren........................................ 81 Nikkel-kadmiumakkumulatoren................ 82 Nikkel-metallhybridbatteriet ....................... 83

Tørrbatteriet - primærbatteriet....................84

Polspenning (klemmespenning).....................85

Ems og polspenning..................................... 85

Spolen.......................................................... 113 Elektronrotasjon........................................ 115

Seriekopling og parallellkopling

Magnetmodell................................................. 116

av enkeltceller................................................... 86

Hysterese......................................................... 117

Seriekopling av celler..................................86

Jordas magnetfelt....................................... 118

Parallellkopling av celler............................ 86

Kontrollspørsmål.......................................... 119

Beregning av den indre resistansen

i en celle........................................................ 87

Energi - arbeid.................................................. 88 Kontrollspørsmål..............................................89

13 Induksjon

120

Elektromotorisk spenning - ems................ 121 Induktans......................................................... 122

Kontrollspørsmål............................................ 123

/ 0 Statisk elektrisitet

90

Gnidningselektrisitet........................................ 91 Influens............................................................. 92

Kontrollspørsmål..............................................93

/ 4 Vekselstrøm

124

Sinusformet vekselspenning......................... 125

Generering av vekselspenning.................. 126 Noen begreper............................................. 127

94

Effektivverdi............................................... 128

Kondensatorens oppbygning.......................... 95

Viseren......................................................... 129

/I Kondensatoren

Kondensatorens funksjon............................... 95

Kontrollspørsmål.......................................... 130

Kondensatorens kapasitans............................. 97 Kapasitansmåler........................................... 98

Opplading av kondensatoren ..........................99

Utlading av kondensatoren........................... 101 RC-ledd som forsinkelsesledd.................. 103

15 Oscilloskopet

132

Oppbygning.................................................... 134

Kontrollspørsmål............................................ 137

16 Belastninger

138

Upoiariserte og polariserte kondensatorer.. 104

Resistoren - resistiv belastning.................... 139

Plastfoliekondensatoren.............................104

Viserdiagram............................................... 140

Identifisering og merking ......................... 105

Aktiv effekt................................................. 140

Elektrolyttkondensatoren.......................... 105

Ohms og Kirchhoffs lover........................ 140

Praktiske tips............................................... 106

Kondensatoren - kapasitiv belastning........141

Merking....................................................... 107

Viserdiagram............................................... 142

Feilsymptomer............................................107

Reaktiv effekt.............................................. 142

Kontrollspørsmål............................................ 107

Ohms lov - reaktans.................................. 142

Spolen - induktiv belastning........................ 144

I 2 Magnetisme

108

Magnetisme - elektroner i bevegelse.........109

Strømførende leder........................................ 112

Høyrehåndsregelen.................................... 113

Viserdiagram............................................... 144

Effekt........................................................... 145 Spolens reaktans........................................ 145

Praktisk spole.............................................. 146

5

Spenningstrekanten.................................... 148

Ohm per volt-tallet..................................... 183

Resistanstrekanten..................................... 149

Strømmåling............................................... 184

Effekttrekanten............................................ 149

Resistansmåling......................................... 185

Effektfaktoren............................................. 150

Feilkilder.......................................................... 186

Resistor og kondensator i serie................. 151

Feilkilder ved spenningsmåling............... 186

Resistor, kondensator og spole i serie.... 152

Feilkilder ved strømmåling....................... 187

Resonansfrekvens...................................... 153

Indirekte strømmåling ................................ 188

Kompleks krets........................................... 154

Elektroniske multimetre................................ 188

Parallellkopling........................................... 154

Elektronisk voltmeter................................. 189

Fasekompensering..................................... 157

Elektronisk amperemeter.......................... 189

Kondensatoren............................................ 158

Elektronisk resistansmeter........................ 190

Regulering av effekt med regulerings-

Feilkilder..................................................... 190

bryter................................................................ 159

Kontrollspørsmål............................................ 191

Feilsøking................................................... 161

Sammendrag................................................... 163

Kontrollspørsmål............................................ 165

19 En fa se- og trefasevekselspenning

192

Enfase.............................................................. 193

166

Noen begreper............................................. 194

Motorprinsippet.............................................. 167

Trefase............................................................. 195

Likestrømsmotorer......................................... 168

Effektivverdi................................................... 200

Grunnprinsipper.......................................... 168

Hovedspenning...............................................200

Statoren........................................................ 169

Symmetrisk belastning..................................202

Rotoren........................................................170

Y-kopling.................................................... 202

Shuntmotoren................................................. 171

D-kopling.................................................... 203

Seriemotoren................................................... 172

D-koplet spenningskilde........................... 204

Motindusert ems.........................................173

Usymmetrisk belastning............................... 205

Vekselstrømsmotoren................................. 174

Y/D-kopling................................................207

Generatoren.................................................... 175

Y/D-vender................................................. 208

Transformatoren............................................. 176

Sammendrag................................................... 209

Praktisk transformator............................... 177

Kontrollspørsmål........................................... 209

17 Elektriske maskiner

Skilletransformatoren .................................... 177

Kontrollspørsmål............................................ 178

20 Faseforskyvning

210

Seriekopling.................................................... 211

180

Resistiv belastning..................................... 211

Analoge multimetre....................................... 181

Kapasitiv belastning................................... 211

Oppbygning................................................ 182

Induktiv belastning.................................... 212

Spenningsmåling.........................................182

Belastningstrekanten..................................213

/ 8 Måleteknikk

6

Parallellkopling.............................................. 216

Vindenergi.................................................. 248

Resistor....................................................... 216

Bioenergi..................................................... 249

Resistor og spole....................................... 216

Bølgeenergi................................................ 250

Trefase og viserdiagram............................... 217

Andre fornybare energikilder................... 251

Trefase og effekt............................................217

Ikke-fornybare energikilder.......................... 252

Fasekompensering......................................... 218

Varmeenergi............................................... 252

Trefasekompensering................................220

Kjemeenergi............................................... 252

Sammendrag................................................... 221

Motoraggregater........................................ 252

Kontrollspørsmål.......................................... 221

Distribusjon....................................................253

Boligen........................................................... 257

2 / Elektriske trefasemaskiner

222

Transformatoren........................................... 223

Måleteknikk............................................... 259 Kontrollspørsmål........................................... 260

Praktisk transformator.............................. 224 Strømtransformering................................ 227

Tillegg

262

Impediv belastning....................................227

Formler....................................................... 262

Effektuttak................................................ 228

Prefiks......................................................... 262

Trefasetransformatoren................................ 229

Størrelser i elektrisitetslæra..................... 262

Trefaseeffekter.............................................. 231

Elektriske konstanter................................ 263

Roterende maskiner......................................232

Fargekode - resistorer............................... 263

Synkronmotoren.......................................232

Elektriske ledere........................................263

Asynkronmotoren.................................... 235 Hastighetsregulering ................................ 236

Mekaniske og elektroniske brytere.............236

Engelske stikkord

264

Norske stikkord

266

Mekaniske brytere........................................237

Startbryteren............................................. 238

Stoppbryteren............................................ 238 Nødstoppbryteren .................................... 238 Bryter med varig kontaktgiver............... 239

Endebryter................................................. 239

Elektroniske brytere..................................... 239

Følere, givere og sensorer....................... 239 Kontrollspørsmål......................................... 243

22 Energikilder og distribusjon

244

Energikilder.................................................. 245

Fornybare kilder.......................................... 245

Solenergi................................................... 246

7

For deg og din generasjon er elektrisitet en selv­ følge. Et trykk på lysbryteren, og lyset flommer. Du kan spille inn en kassett på stereoanlegget, sette kassetten inn i kassettspilleren din, ta på øreklokkene, trykke på avspilling og nyte musikken - inne eller ute i naturen.

Tv, radio, datamaskiner og telefoner er bare noen av apparatene som utnytter elektrisiteten. Kunn­ skapen om hvordan vi kan omforme ulike typer energi til elektrisitet, transportere den og deretter omforme elektrisiteten til andre energiformer, har revol usjonert samfunnet vårt. Vi snakker om hvor­ dan industrisamfunnet som startet med damp­ maskinen, totalt har forandret menneskenes måte å leve og virke på.

Elektrisitet i hverdagen

Elektrisitet er et fascinerende fenomen - til stor nytte for oss i hverdagen, livsfarlig når vi ikke behandler den riktig, og forbløffende i mange sammenhenger.

Lyn er et elektrisk fenomen som har skremt mennesket til alle tider.

ELEKTRISITETSLÆRE

Etter at du har arbeidet deg igjennom dette kapitlet, skal du kunne

• • • • • •

10

tegne en enkel modell av et atom forklare hvordan spenning oppstår forklare hva strøm er forklare forskjellen på likespenning og vekselspenning forklare grunnleggende prinsipper for elsikkerhet førstehjelp ved ulykker med elektrisitet

ELEKTRISITETSLÆRE

Allerede de gamle grekerne ... Ordet elektrisitet kommer av det greske ordet elektron, som betyr rav. Menneskene framstilte elektrisitet for første gang ved å gni et skinn mot rav. Denne måten å lage elektrisitet på var kjent allerede i antikken, men den har aldri vært brukt til å produsere elektrisk energi. Elektrisistet som oppstår på denne måten ved gnidning ellerfriksjon, er som regel en type elektrisitet som vi ikke ønsker, for eksempel elektrisiteten når det lyner, eller elektrisiteten som oppstår når du grer håret. Når vi skal produsere elektrisitet i større omfang, bruker vi andre metoder. Kontaktelektrisitet oppstår når det er kontakt mellom ulike metaller eller mellom metallplater som står i en elektrolytt (syre). Denne formen for elektrisitet utnytter vi i produksjonen av akkumulatorer og tørrbatterier. Indusert elektrisitet oppstår i elektriske ledere når de beveger seg i et magnetfelt. Generatoren eller dynamoen er et eksempel på dette. Fotoelektrisitet dannes nårenmetallflateblirbelystmedkortbølgetlysellerrøntgenstråler. Hva er så elektrisitet? Alessandro Volta konstruerte et batteri eller galvanisk element i år 1800, men først etter at Niels Bohr laget sin atommodell i begynnelsen av 1900-tallet, forstod man hva elektrisitet er.

.

.

det battiske området for ca. 2(M0 millioner

år siden. Rav blir brukt til smykker og pyntegjenstander.

Bohrs atommodell Ifølge Bohr er alle grunnstoffer bygd opp av en atomkjerne som består av protoner og nøytroner. Rundt atomkjernen kretser elektroner omtrent som planetene kretser rundt Sola. Elektronene og protonene har like store ladninger, men de er av forskjellig type. Protonene er positivt ladd (+), mens elektronene er negativt ladd (-). Atomene har alltid like mange protoner som elektroner. Sett utenfra er atomet derfor alltid elektrisk nøytralt.

Vi «skaper» elektrisitet ved å frigjøre elektroner fra atomkjernen. Det krever energi. Når vi får elektronene til å gå tilbake til kjernene sine, får vi tilbake den energien vi tilførte. Denne energien kan vi for eksempel bruke til å få en glødelampe til å lyse. Når vi fjerner elektroner fra et atom, går atomet over til å bli et ion. Ioner er aldri elektrisk nøytrale. Fjerner vi elektroner, får vi et positivt ion. Tilfører vi elektroner, får vi et negativt ion.

Slik skaper vi spenning Den kraften som oppstår mellom et frigjort elektron og kjernen, kaller vi spenning. Jo flere elektroner vi frigjør, desto større blir spenningen. Vi måler spenning i volt (V), og spenningen er et mål på hvor kraftig ulike ladde ionesamlinger (ladninger) tiltrekker hverandre. Spenning har betegnelsen U, og vi merker den på skjemaet med en pil som peker fra minus mot pluss.

Enheten volt har navn etter den italienske fysikeren Alessandro Volta (1745-1827).

Elektrostatikk og elektrodynamikk Vi deler vanligvis elektrisiteten inn i to slag: statisk elektrisitet, som gjelder ladninger i ro, og dynamisk elektrisitet, som gjelder ladninger i bevegelse. Det vi framfor alt skal studere i denne boka, er elektrodynamikk, det vil si ladninger i bevegelse. Boka inneholder likevel et kapittel om elektrostatikk, der vi skal stifte bekjentskap med en svært viktig komponent i elektriske kretser, nemlig kondensatoren.

Obs I engelsktalende land blir betegnelsen V brukt i stedet for U for å angi spenning

Figur 1.4 Når vi grer håret, oppstår det statisk elektrisitet. Elektroner blir slitt løs fra håret og fester seg på plastkammen, slik at den blir negativt ladd. Håret blir positivt ladd. Mellom håret og kammen oppstår det en elektrisk spenning

ELEKTRISITETSLÆRE

13

Elektrodynamikk - ladninger i bevegelse Transport av ladninger kalles strøm. Strømmen kan for eksempel flyte i samme retning hele tiden. Da kaller vi den likestrøm. Likestrømmen kan endre størrelse, men aldri retning. Spen­ ningen som er opphavet til likestrøm, kaller vi likespenning. Dersom strømmen periodisk endrer retning og dermed størrelse, kaller vi den vekselstrøm. Spenningen kaller vi vekselspenning. Batteriet er en typisk likestrømskilde, mens strømmen vi tar ut av veggkontakten, er en vekselstrøm som endrer retning hundre ganger i sekundet. Strøm måles i ampere (A) og har betegnelsen I.

Strøm måles i ampere (A)

Strøm = /

Enheten ampere har navn etter den franske fysikeren og matematikeren André Marie Ampere (1775-1836)

Spenning (V)

Å

10 Likespenning

Tid

strøm

Figur 1.5 Spenningskurver. De to øverste kurvene viser likespenninger strømmen går bare i én retning (er større enn null); den nederste kurven viser vekselspenning

14

ELEKTRISITETSLÆRE

current

spenning

potential, voltage, tension

likestrøm

direct current, DC

vekselstrøm

alternating current, AC

Obs AC og DC står også for vekselspenning og likespenning.

Strømmen blir transportert i ledere, som vanligvis er av kopper. For å hindre at strømmen flyter i andre retninger, bruker vi isolatorer. Isolatoren rundt en ledning kan være av plast eller gummi, men ofte bruker vi keramikk, glass eller porselen som isolasjonsmateriale. I en leder er en del av elektronene frigjort fra atomene sine. Disse ledningselektronene

Positiv ende

Figur 1.6

Figur 1.71 en isolator er det ingen frie elektroner. Derfor kan det heller ikke flyte noen strøm. Metalldelene i en strømbryter er beskyttet av en porselenisolator. Selve dekslet er av plast, som også er en isolator

leder

conductor

isolator

insulator

ELEKTR/S/TETSLÆRE

15

Elsikkerhet Brukt på riktig måte er elektrisk energi en viktig ressurs, men bruker vi den feil, kan den være en trussel for mennesker, dyr og eiendom. Når vi arbeider med elektrisk strøm, må vi alltid «tenke først og handle etterpå». Mennesker og dyr er svært følsomme for elektrisk strøm. Selv en strøm på noen få tusendels ampere (milliampere - mA) gjennom bestemte deler av kroppen kan bety døden. Montering eller utskifting av elektriske komponenter må derfor aldri utføres med spenningen tilkoplet. Visse typer feilsøking krever at spenningen er tilkoplet. Da må arbeidet foregå på en slik måte at risikoen for at det skal skje en ulykke, er minimal. Et eksempel er tv-reparatører som vanligvis utfører feilsøkingen med spen­ ningen på. Da passer de på å arbeide med bare én hånd. På den måten unngår de å berøre to poler med begge hendene slik at strømmen går gjennom hjertet. For at strømmen skal flyte, må den nemlig ha en sluttet krets. Størrelsen på strømmen bestemmes av den tilførte spenningen og av resistansen. Å berøre en pol gir ingen elektrisk strøm forutsatt at strømmen ikke blir ledet videre gjennom føttene til golvet, eller at vi berører for eksempel et varmeelement med den andre hånden.

Nesten alle ulykker med elektrisitet skyldes uforsiktighet eller uvitenhet. Vis respekt for elektrisk strøm!

Figur 1.8 Barnesikker stikkontakt

Store strømmer utvikler stor varme, og mange branner skyldes feil i elektriske kretser. Dårlig utførte installasjoner og feil håndtering av elektrisk utstyr er vanlige brannårsaker.

Ulykker ved lavspenning og høyspenning Nils vil advare andre:

- Slå alltid av strømmen! For sju måneder siden skulle Nils Pettersen tapetsere barnerom­ met til sin sønn på fem år. Nils ville gjøre jobben så raskt som mulig og glemte å slå av strøm­ men. Da han skulle tapetsere rundt strømbryteren, skrudde han av dekselet. Så skar han tapetet med en kniv og kom borti de strømførende delene. Nils fikk

16

ELEKTRISITETSLÆRE

da elektrisk støt gjennom krop­ pen. - Det kjentes som om noen slo meg hardt med en slegge over hele kroppen. Det gjorde svært vondt, og jeg fikk saltsmak i munnen. Nils ble kjørt i ambulanse til sykehuset med brannskader over hele høyrehånden.

Det tok et halvt år før Nils var helt frisk. Nå ser hånden fin ut bortsett fra et par arr på over­ siden. - Jeg gikk glipp av en flott som­ mer. Jeg kunne ikke bade og leke med sønnen min, og jeg måtte beskytte hånden fra sola hele ti­ den. Hver dag blir jeg minnet på hvilken flaks jeg hadde tross alt.

Ulykker ved lavspenning (U < 1500 V) oppstår når enten en eller begge hender får kontakt med spenningskilden. Strøm­ gjennomgangen i kroppen kan gå gjennom hjertet og i verste fall føre til hjerteflimmer og til død etter få minutter. I de fleste tilfellene blir det «bare» brannskader på de stedene som er i berøring med spenningskilden, for eksempel fingrene. Det blir sjelden skader på indre organer, men du kan miste en eller flere fingrer, og det kan bety at du ikke kan fortsette i den jobben du har. Ulykker ved høyspenning (U > 1500 V) fører nesten alltid til bevisstløshet pa grunn av strømgjennomgang i hjernen. Andedrettssenteret i hjernen kan lammes, og den skadde slutter å puste. Den skadde får også alvorlige brannskader fra lysbuen som oppstår når en kroppsdel kommer i nærheten av en høyspenningskilde. Brannskadene ved berøringspunktene blir dype sår både når det gjelder høyspenning og lavspenning.

Behandling av en skadd person Først må personen frigjøres fra kontakt med strømmen. Slå av bryter, skru ut sikring, eller klipp kabelen med et isolert verktøy. Dersom det ikke er mulig, må den skadde personen dyttes, dras eller på annen måte fjernes fra kontakten. Obs Tenk egen sikkerhet ved høyspenning!

Dersom det har begynt å brenne i klærne på den skadde, må brannen slokkes straks. Bruk rent vann, pulverapparat, kullsyreapparat (husk: 1 m avstand på grunn av frostskader som kan oppstå), teppe, presenning eller liknende. Obs Skadene kan bli svært alvorlige dersom den skadde står eller løper - han bør ligge!

Dersom den skadde verken puster eller har puls, må du starte med gjenopplivning, det vil si hjertemassasje og munn-tilmunn-metoden. Det er viktig at du kommer raskt i gang. Slik kan du redde liv. En bevisstløs person som puster, må legges i stabilt side leie.

Du kan best minske og lindre brannskader med kaldt, rent vann (15-20 °C). Skadde kroppsdeler bør holdes under vann til smertene har opphørt. Det kan ta flere timer.

ELEKTRISITETSLÆRE

17

Dersom ulykken er ute ... Dersom noen blir utsatt for en ulykke med elektrisitet, må du handle fort:

I Slå av strømmen!

det er raskest.

Trykk på nødstoppknappen

dersom den fins.

2 Undersøk den skadde

3 Gjør dette

Den skadde

18

♦ puster

1 Sørg for frie luftveier.

♦ har puls

2 Legg den skadde i stabilt sideleie.

ELEKTRISITETSLÆRE

2

Undersøk den skadde

3

Den skadde ♦ puster ikke ♦ har puls

Gjør dette Munn-til-munn-metoden

1 Sørg for frie luftveier ved å bøye hodet på den skadde langt tilbake. 2 Klem igjen nesen med tommel og peke­ finger. 3 Blås inn luft. Kontroller at brystkassen på den skadde hever seg. 4 Ta bort munnen og la luften fra den skadde strømme ut igjen.

5 Blås inn på nytt. Gjenta 10 ganger. Ring 113 og tilkall ambulanse dersom det ikke er gjort allerede.

2

Undersøk den skadde

3

Gjør dette

Den skadde

1 Ring 113 og tilkall ambulanse.

♦ puster ikke

2 Begynn med hjertemassasje.

♦ har ikke puls

♦ Legg den ene hånden din over hjertet på den skadde. ♦ Legg den andre hånden over. ♦ Press rett ned med rette armer. Bruk kroppstyngden. ♦ Gjør 15 kompresjoner i løpet av ca. 20 sekunder. ♦ Gjør 2 innblåsninger med munn-tilmunn-metoden ♦ Fortsett med 15 kompresjoner, der­ etter to innblåsninger osv. Fortsett til ambulansen kommer.

ELEKTRISITETSLÆRE

19

Sammendrag • Et atom består av en kjerne, og rundt kjernen kretser negative elektroner.

Atomkjernen består av uladde nøytroner og positivt ladde protoner. Det fins like mange protoner som elektroner i et atom. Atomet er derfor elektrisk nøytralt. En elektrisk spenning oppstår når elektroner blir frigjort fra atomet. Spenning U måles i volt (V). Elektrisk strøm / er transport av ladninger. Strøm måles i ampere (A). Strøm som bare flyter i én retning, blir kalt likestrøm. Strøm som skifter retning, blir kalt vekselstrøm.

Elektrisk strøm transporteres i ledere av ledningselektroner. En isolator har ingen ledningselektroner og kan derfor ikke transportere elektrisk strøm. Mennesker og dyr er svært følsomme for elektrisk strøm. Selv en liten strøm gjennom bestemte deler av kroppen kan bety døden. Dersom den skadde verken puster eller har puls, må du straks starte med hjertemassasje og munn-til-munn-metoden.

Måleøving I

Kontrollspørsmål

20

1

Hvilke deler består atomkjernen av?

2

Hvilken ladning har elektronene?

3

Hva er et positivt ion?

4

Hvilken enhet måler vi spenning i?

5

Hvilket bokstavsymbol bruker vi for strøm?

6

Hvor mange poler kan vi berøre uten at strøm­ men går gjennom kroppen?

ELEKTRISITETSLÆRE

7

Hvordan kan brannskader på mennesker minskes og lindres?

8

Hvordan skaffer vi frie luftveier hos en person som ikke puster?

9

Hvor på brystkassen skal vi trykke når en person trenger hjertemassasje?

10

Hvordan kan vi frigjøre en person som er i kontakt med strømførende ledere?

21

Etter at du har arbeidet deg igjennom dette kapitlet, skal du kunne • • • •

Ti

bruke Ohms lov på enkle elektriske kretser forklare hvilke enheter vi måler spenning, strøm og resistans i bruke betegnelsene på elektriske størrelser bruke instrumenter for å måle spenning, strøm og resistans

Likestrøm flyter i én retning. For at likestrømmen skal flyte, må den ha tilgang til en likespenningskilde, for eksempel et batteri eller et likespenningsaggregat. Du kan bruke en batterieleminator eller et likespenningsaggregat når du lytter til musikk fra kas­ settspilleren. Når du kopler til batterieliminatoren, blir batte­ riene automatisk koplet ut. Batterieliminatoren har en konstant spenning, mens likespenningsaggregatet vanligvis har en utspenning som det er mulig å variere.

Minuspol

Plusspol

Figur 2.1 Symbolet for et batteri. Den lange streken angir plusspolen og den korte minus­ polen

Fra pluss til minus Som du vet, har et batteri to poler. Den positive polen er merket med et plusstegn (+), den negative polen er merket med et minustegn (-). Kopler vi en leder mellom plusspolen og minuspolen, flyter det en stor strøm gjennom lederen.

Internasjonale bestemmelser har fastlagt at strømretningen er fra pluss til minus. Det ble gjort på et tidlig tidspunkt. Nå vet vi at strømmen egentlig består av elektroner, og at elektronstrømmen går fra minus til pluss. Vi holder likevel fast ved den gamle regelen. Når vi kopler en ledning mellom pluss og minus på et batteri, flyter det en stor strøm fra plusspolen til minuspolen. Til hvilken nytte, spør du kanskje. Det eneste som hender, er at batteriet blir utladd og ødelagt uten at vi har hatt noen glede av strøm­ men - batteriet kortsluttes. Skal vi ha noen nytte av den elekt­ riske energien som er lagret i batteriet, må vi kople inn noe annet mellom plusspolen og minuspolen.

Figur 2.2 Kortsluttet batteri

Figur 2.3 Symbol for glødelampe

I

Vi kan for eksempel kople inn kassettspilleren, men glødelampen er et mer «lysende» eksempel.

Figur 2.4 Koplingsskjema for koplingen til venstre

Figur 2.5 Ved å kople inn en glødelampe mel­ lom polene på batteriet får vi lampen til å lyse - den elektriske energien blir omformet til lysenergi

LIKESTRØM

23

Hva er en glødelampe, og hvordan har den fatt navnet sitt? Jo, i glødelampen er det en tråd som bremser strømmen. Frik­ sjonen mellom strøm og tråd blir så stor at tråden blir varm og gløder. Den glødende tråden utstråler lys. Vi sier at glødetråden gjør motstand mot strømmen. For at tråden ikke skal brenne av, er den innesluttet i et lufttomt rom, det vil si at det ikke fins oksygen i rommet. En annen løsning er å erstatte lufta i glødelampen med en gass som ikke ødelegger glødetråden (halogenlamper). Avhengig av materi­ alet i glødetråden kan vi bestemme hvor stor strøm som kan flyte, og dermed hvor sterkt lampen skal lyse.

Figur 2.6 Noen typer av glødelamper

24

L/KESTRØ/VI

Ohms lov Det er ganske innlysende at for eksempel /engr/e/rpåglødetråden avgjør hvor stor strøm som går gjennom lampen. Andre faktorer som påvirker størrelsen på strømmen, er materialet glødetråden er laget av, og størrelsen på spenningen. Simon Ohm (1787—1854) la ned mye arbeid i å undersøke elektriske strømmer i ledere. Motstanden mot elektrisk strøm i en leder - for eksempel i glødetråden - kalte han resistans.

Eksempler på resistanser er kokeplater, varmeelementer, gløde­ lamper og den som kanskje er viktigst, nemlig den komponenten som har som eneste oppgave å begrense strømmen i en elektrisk krets, resistoren. Ohm beviste at jo mindre resistansen er, desto større er strømmen når spenningen er gitt. Han beviste også at når vi har en bestemt resistans og øker spenningen, øker også strømmen.

Figur 2.7 Symbolet for en resistor

Figur 2.8 I USA blir dette symbolet brukt for resistorer

Resistansen blir målt i ohm (Q), og i elektrisitetslæra har resis­ tansen betegnelsen R. Den resistansen som gir opphav til en strøm på 1 A når den blir koplet til en spenning på 1 V, blir kalt 1 Q. Formelen som er grunnlaget for all elektrisitetslære, blir kalt Ohms lov. Den sier at

R

der / er strømmen i ampere, U spenningen i volt og R resistansen i ohm.

LIKESTRØM

25

For å kunne følge en elektrisk kopling på en enkel måte tegner vi - som du har sett - et skjema. På det elektriske skjemaet tegner vi spenningskilden U slik det er vist på bildet på forrige side. Spenningen viser vi med en spenningspil. Den skal teg­ nes med åpen pilspiss. En lukket pil på ledningen viser at det er strøm til stede. Strømmen har betegnelsen /.

På koplingsskjemaer tegner vi strømmen som en pil med fylt pilspiss:

------- ►

Spenningen tegnes som en pil med åpen pilspiss:

Figur 2.9 Glødespiralen i en varmepistol er en resistor med liten resistans

Størrelser og enheter Spenning, strøm og resistans er størrelser. Spenning måler vi som du har sett - i enheten volt, og grunnenheten er 1 volt (1 V). I formler blir spenning angitt med bokstaven U. Strøm måler vi i enheten ampere (A), og grunnenheten er 1 ampere (1 A). Resistans måler vi i enheten ohm, og grunnenheten er 1 ohm (1 £2). Resistans blir i formler angitt med bokstaven R.

I mange sammenhenger er det mer praktisk å angi størrelsene i en annen form enn grunnenheten. Vi bruker da prefiksene • k (kilo = 1000= 103I)* * • M (mega = million = 1 000 000 = 106) • m (milli = tusendel = 0,001 = 10 3)

• Lt (mikro = milliondel = 10-6) Eksempel: 4,7 kQ = 4700 Q. 56 mA = 0,056 A

26

L/KESTRØA/1

Størrelse

Måltall

Enhet

U = 10 volt Figur 2.10 Vi skiller mellom størrelsessymboler og enheter. Sifferet foran enheten kaller vi måltall. Enhet og måltall danner til sammen en størrelse

Måling av elektriske størrelser For å kunne bestemme størrelsen på spenning, strøm og resistans bruker vi måleinstrumenter. Spenning måler vi med et voltme­ ter, strøm med et amperemeter og resistans med et ohmmeter.

Med noen instrumenttyperkan vi bare måleén størrelse, men det vanlige er nå at vi måler spenning, strøm og resistans med det samme instrumentet. Et slik instrument kaller vi et universalinstrument eller multimeter. Det fins to hovedtyper av multimetre, analoge og digitale. Ana­ loge multimetre fins også i to utførelser, strømmålende og spenningsmålende.

I strømmålende instrumenter er det et amperemeter, men det er koplet slik at vi også kan lese av spenning og resistans. I spenningsmålende multimetre er det et voltmeter som er koplet slik at vi også kan lese av strøm og resistans. Vi kommer tilbake til hvordan spennings- og strømmålende instrumenter virker, i kapitlet Måleteknikk.

Figur 2.11 Digitalt multimeter. Ved å dreie på venderen kan vi velge om vi vil måle strøm, spenning eller resistans

Figur 2.12 Analoge multimetre har en viser som beveger seg analogt over en skala. Som regel brukes den samme skalaen til å vise mer enn e'n måleverdi. Det blir altfor mange ska­ laer å holde orden på dersom hver oppdeling har sin egen skala

Figur 2.13 Analogi multimeter. Med dette instrumentet kan vi også måle strøm, spenning og resistans. Vi kopler måleledningene til forskjellige uttak på multimeteret avhengig av hva vi vil måle

LIKESTRØM

27

Analogt multimeter I spenningsmålende multimetre er det bygd inn elektronikk. Elektronikken må ha tilgang til spenning for at den skal fungere. Det betyr at multimeteret enten må koples til nettet eller ha innebygde batterier. Det mest vanlige er å bygge inn 1,5 og 9 volts batterier. Du har sikkert allerede innsett at når vi skal måle, må vi først kontrollere at batteriene er i orden. Det kan gjøres slik du ser på bildene nedenfor. Legg merke til at alle batteriene må kontrolleres. — I

Figur 2.14 Bildene viser hvordan vi kontrollerer og nullstiller

Måleinstrumenter har som regel to justeringsmuligheter. Etter hvert som batterispenningen synker, må vi justere måleapparatet. Ved spenningsmåling må vi passe på av viseren står på null-streken når målepinnene kortsluttes. Vi kan justere viseren mekanisk med en liten skrutrekker. Når vi måler resistansen, må vi kontrollere at viseren slår ut til nullstreken når målepinnen kortsluttes. Det gjør vi med en skrutrekker eller med fingrene på knappen som er merket 0 (zero) eller R. I hullet rett under skalaen justerer vi ujevn-heter mellom batteriene slik at den lille viseren peker midt på bølgetegnet (~).

Spenningsmålende instrumenter har felles skala for strøm, spenning og resistans. Skalaen merket dB (desibel) bruker vi i analogteknikken, men ikke i dette kurset. Måleteknisk bruker du instrumentet nøyaktig på samme måten som vi har beskrevet ovenfor.

28

LIKESTRØM

Figur 2.15 Nærbilde av justeringsruta

Spenningsmåling Når vi skal måle spenning, skal den svarte måleledningen sitte i kontakten COM = common (felles) eller jord. Den røde måle­ ledningen skal settes i kontakten V eller V/Q. På instrumentet er det en vender der vi kan velge om det er likespenning (V-) eller vekselspenning (V~) vi vil måle.

Begynn alltid med spenningsvelgeren i den høyeste stillingen, og drei den trinn for trinn inntil viseren begynner å bevege seg. Når viseren står omtrent midt på skalaen, kan du lese av. Grunnen til at vi har så mange stillinger på venderen, er at avlesningen skal bli så nøyaktig som mulig. Det er svært vanskelig å lese av 1,21 V når venderen står på 300 V, det vil si fullt skalautslag.

Det er veldig enkelt å måle spenninger. Du kopler den svarte måleledningen til den negative siden og den røde til den posi­ tive siden.

Viktig! Når vi skal måle en ukjent spenning, begynner vi alltid med det høyeste spennings­ området. Venderen viser hvor høy spenning vi kan måle. Dersom venderen står på 3 V og spenningen du skal måle,er større,kan instru­ mentet bli ødelagt

Figur 2.16 Bildet viser hvordan vi kopler inn et voltmeter for å lese av spenningen over lampen. I dette tilfellet er lampen koplet til et batteri som ligger i en batterikasse

LIKESTRØM

29

Strømmåling Det er litt vanskeligere å måle strøm enn å måle spenning. Del kommer selvsagt av at det Gyter strøm i ledningen. For å kunne måle strøm må du bryte kretsen, kople inn et am­ peremeter og få strømmen ti 1 å flyte gjennom del. For å gjøre det enda vanskeligere har mange universalinstrumenter et uttak for måling av små strømmer (vanligvis opptil et par hundre milliampere) og et annet uttak for store strømmer (opptil 10 A). Begynn alltid med å kople inn uttaket for store strømmer. Dersom det viser seg at strømmen er så liten at du kan kople inn det andre uttaket, gjør du det for at målingen skal bli så nøyaktig som mulig.

Ved strømmåling må du som ved spenningsmåling velge strømtype. Du stiller inn venderen på likestrøm (A-) eller vekselstrøm (A~) og starter med områdevelgeren i høyeste stilling.

Figur 2.17 Strømmåling. Legg merke til hvordan måleledningen er koplet

30

LIKESTRØM

Resistansmåling For å måle resistansen, for eksempel i en glødelampe, må du ha en spenningskilde, et batteri. Ved hjelp av batteriet får vi det til å fl yte strøm gjennom lampen. Batteriet er bygd inn i multimeteret. Når vi kjenner batterispenningen, kan vi regne ut resistansen med Ohms lov ved å måle strømmen.

For at vi skal slippe utregningene, har produsenten gradert en eller to skalaer på instrumentet som viser resistansen direkte. Batterispenningen synker etter hvert, og vi må derfor alltid justere instrumentet slik at viseren angir rett verdi uavhengig av batteritilstanden. Det gjør vi ved å kortslutte måleledning­ ene. Plasser den svarte ledningen i uttaket COM og den røde ledningen i uttaket Q eller VQ. Ledningene kortsluttes, og der­ etter vrir vi på knappen merket R til viseren står på 0.

Figur 2.18 Før vi kan måle resistansen må måleledningene kortsluttes og instrumentet nullstilles

Figur 2.19 Resistansmåling med tre ulike instrumenter

L/KESTRØM

31

Sammendrag • Et batteri har en positiv og en negativ pol. • I en elektrisk krets flyter strømmen fra pluss til minus. Elektronene beveger seg i motsatt retning. • Glødetråden i en glødelampe bremser strømmen så kraftig at tråden gløder. • Resistansen R er et mål for hvor mye en lampe eller en annen komponent bremser opp strømmen. Vi måler resistansen i ohm (Q). • Ohms lov sier at spenningen over en resistor er 1 ik produktet av resistansen og strømmen som flyter gjennom resistoren.

U=I • R • Med et multimeter kan du måle spenning, strøm og resistans. Det fins både analoge og digitale måleinstrumenter.

Måleøvingene 2, 3 og 4

Kontrollspørsmål 1

Hvilken retning har strømmen fra et batteri?

2 Hvor mange ohm må en resistor ha for at det skal gå en strøm på 1 ampere gjennom den? Batteriet som leverer strømmen, er på 1 V!

7 Hva heter det instrumentet som kan måle både strøm, spenning og resistans?

8 Hvordan skal du stille inn områdevelgerne når du skal måle en spenning du ikke kjenner størrelsen på?

3 Hvor mange ohm er det i 2 kf>? 4 Hvor mange milliampere er det i 4 A?

5 Hva heter det instrumentet som kan måle spenning? 6 Hva heter det instrumentet som kan måle strøm?

32

LIKESTRØM

9 Hvilke farge skal den måleledningen ha som plasseres i tilkopling merket COM? 10 Hvorfor skal vi alltid kortslutte måleledningene før vi måler en resistans?

33

EFFEKT

Etter at du har arbeidet deg igjennom dette kapitlet, skal du kunne

• forklare hvilke faktorer som bestemmer effekten fra et apparat • vite hvilken målenhet vi bruker for effekt • måle effekt med strøm- og spenningsmetoden

34

Effekt, hva er det? La oss ta noen eksempler. En BMW 730 har 218 hestekrefter (hk). Denne gamle måten å måle effekt på er ikke standardisert. Nå sier vi i stedet watt (W). En hestekraft svarer til 736 W. Det vil si at BMW-en har en effekt på ca. 160 kW. En glødelampe kan ha en effekt på 75 W, en koke­ plate kan ha en effekt på 2000 W osv. Det gamle uttrykket hestekraft er et mål på hvor «sterk» man er. Det samme gjelder glødelampen. Av erfaring vet du at en 100 W glødelampe lyser sterkere enn en glødelampe på 25 W. Det engelske ordet power kan bety forskjellige ting, blant annet styrke og kraft, men i elektrisitetslæra er det ordet effekt vi bruker. Hvorfor lyser da en glødelampe på 100 W sterkere enn en på 25 W?

Elektrisk strøm og vann som strømmer La oss sammenlikne elektrisk strøm med et fossefall som driver et skovlhjul. Rotasjonshastigheten til skovlhjulet blir et mål på effekten - styrken. Vi kan påvirke farten på skovlhjulet på to måter. Vi kan enten gjøre fallet høyere eller øke vannmengden. I begge tilfellene roterer skovlhjulet fortere. Rotasjonshastigheten til skovlhjulet er et mål på effekten. Vi kan øke effekten

... øke vannmengden som treffer skovlhjulet

Figur 3.1

EFFEKT

35

I elektrisitetslæra har vi nøyaktig samme forholdet. Øker vi fallhøyden, øker også spenningen. Da øker hastigheten til elekt­ ronene og dermed friksjonen mellom elektroner i bevegelse og elektroner som er i ro. Den andre måten er å øke vannmengden, det vil si strømmen. Da vil også effekten øke. Det er bare størrelsene spenning og strøm som påvirker effekten i elektriske koplinger. Effekten er produktet av spenningen og strømmen: Legg merke til at vi bruker bokstaven P (eng. power) for å angi effekt i formler

P=U-I

Effekt måles i watt (W). Vi kan få glødelampen til å lyse sterk­ ere ved å kople den til en høyere spenning. De fleste glødelam­ per er beregnet for en bestemt spenning, for eksempel 230 V. Dersom vi vil ha større strøm, må vi velge en glødelampe med mindre resistans. P=U'l, men U = RI, som gir

Ettersom I =

kan vi også skrive

P=RII=R £-^,dvs.

K

K

R

EKSEMPEL 3.1

Hvor mye strøm «trekker» en glødelampe som er merket 230 V og 60 W? p Effektformelen sier at P = U • I => I=— U Vi kan derfor skrive: / = _É2_ A = 0 26 A 230

36

EFFEKT

effekt

power

hestekraft

horse-power

EKSEMPEL 3.2

Hvor stor er resistansen i en glødelampe som er merket 230 V og 75 W? Vi regner først ut strømmen i lampen med effektformelen P = U ■ I.

P 75 U I = —, det vil si / =----- A = 0,362 A. Fordi R = — ifølge U 230 I 230 Ohms lov, blir resistansen R = Q = 705 Q 0,326

Svar: Resistansen i lampen er 705 Q.

Kopler vi inn en resistor i en elektrisk krets, flyter det en strøm i kretsen. Vi sier at resistoren belaster spenningskilden. Det er grunnen til at resistorer iblant blir kalt belastninger. Det er til og med slik at vi iblant snakker om last, og med det mener vi komponenter som belaster eller trekker strøm fra spen­ ningskilden. Lasten kan for eksempel være en glødelampe, en elektrisk motor, en transistor eller en ovn.

EFFEKT

37

Måling av effekt Måling av effekt med strøm- og spenningsmetoden Når vi skal måle den varmeeffekten som blir produsert ved likestrøm og likespenning, bruker vi ett eller to universalinstrumenter. I det ene tilfellet stiller vi inn universalinstrumentet for måling av spenning over komponenten. Univer­ sal instrumentet fungerer da som et voltmeter, og koples i parallell med komponenten. I det andre tilfellet stiller vi inn universalinstrumentet for måling av strømmen gjennom kom­ ponenten. Universalinstrumentet fungerer da som ampereme­ ter og koples i serie med komponenten. Når vi har målt strøm og spenning, kan vi beregne effekten:

P=I

Amperemeteret er seriekoplet

Voltmeteret er parallellkoplet

____ I

Figur 3.2

U

Det er lett å beregne effekten i en likestrømskopling når vi kjenner spenningen og strømmen, derfor bruker vi som regel ikke noe annet instrument for måling av effekt enn multimeteret. I vekselstrømskretser er det annerledes, og der er wattmeteret (effektmåleren) et ganske vanlig instrument. Det skal vi kom­ me tilbake til.

Måleøving 5

4«V V* J2OV 16kQ I20V 5W 240V 40kQ 240V 10W 480V 80kQ 480V 20W 600V 160kQ

MX 090 ITWlKJUC

Figur 3.3 Wattmeteret er et instrument der vi kan lese av effekten direkte

38

EFFEKT

WmQ \

4uH

4Q 60 400Hz Q5

©

A

Kontrollspørsmål 1

Hva er målenheten for effekt?

4

Hvor stor spenningen skal en lommelyktpære som er påstemplet 0,2A/5 W ha?

2

Hvor stor effekt får vi fra en spenning på 24 V når den leverer en strøm på 1,5 A gjennom en lampe?

5

Hva heter instrumentet som kan måle effekt direkte?

6

Hvordan kan effekt måles når du bare har et multimeter?

3

Hvor stor strøm går det i en lampe som er påstemplet 40 W/230V?

EFFEKT

39

4

RESISTOREN

Etter at du har arbeidet deg igjennom dette kapitlet, skal du kunne • • • •

40

beskrive hvordan trådviklede resistorer og sjiktresistorer er bygd opp bruke fargekoden for å bestemme størrelsen på en resistor kjenne til hvordan E-seriene er bygd opp regne ut avvik på resistorer i forhold til toleransen

Resistoren har to forskjellige bruksområder i elektriske kretser. Den brukes som strømbegrenser - og utgjør da en flaskehals for strømmen - og som spenningsdeler. Resistoren er den mest brukte komponenten i elektronikken, men den blir svært sjelden brukt i rene sterkstrømsanlegg.

Resistorer blir laget i mange forskjellige utførelser, men i denne boka skal vi bare se nærmere på de mest alminnelige. Du lærer om de andre typene i elektronikken. Den karakteristiske egen­ skapen ved en resistor er resistansen, som er et mål på den elektriske motstanden som resistoren yter når elektroner passerer gjennom den. Friksjonen som oppstår når elektronene presses gjennom resistoren, blir omdannet til varme. Det betyr at resistoren må tåle en viss effekt.

Figur 4.1

Vi kan dele inn resistorene i to hovedgrupper. Den ene gruppen består av resistorer som beholder sin resistansverdi uavhengig av variasjoner i temperatur, lys, spenning og strøm. Denne gruppen blir kalt lineære resistorer, og blir behandlet nå. Den andre gruppen, som vi kaller ikke-lineære resistorer, kommer vi tilbake til.

Lineære resistorer De vanligste typene av lineære resistorer er den trådviklede resistoren og sjiktresistoren.

Trådviklede resistorer Trådviklede resistorer består av en stamme av keramikk eller glassfiber. På denne stammen er det viklet en motstandstråd. Tråden er koplet til to grove tilkoplingstråder eller «bein». Figur 4.2 Trådviklet resistor

lineær

linear

trådviklet resistor

wire-wound resistor

sjiktresistor

film-resistor

Figur 4.3 Noen trådviklede resistorer

RESISTOREN

41

Fordelene med trådviklede resistorer er at de tåler høy effekt og kan framstilles med stor presisjon. Den største ulempen er prisen. Resistansverdien er stemplet på resistoren, og iblant er også effekten den tåler, stemplet direkte på komponenten. Som kommategn bruker produsentene vanligvis en bokstav, og for å gjøre det vanskeligere bruker ikke alle produsenter den samme bokstaven for lavohmige resistorer. Eksempler på siffermerking er:

1,0 Q 4,7 Q 47 kQ

= = =

1R0 eller 1E0 4R7 eller 4E7 47k

kilo (k) = 1000

mega (M) = 1000 000

0,47 Q = R47 eller E47 4,7 kQ=4k7 4,7 MQ = 4M7

Sjiktresistoren Sjiktresistoren består av en sylindrisk glass- eller keramikkstamme. For åoppnå høye resistansverdier ligger sjiktet i spiral. En av fordelene ved sjiktre­ sistoren er den lave prisen. Ulempen er at den kan begynne å brenne når den blir overbelastet. Ved utskifting av en defekt resistor er det derfor viktig at den nye resistoren er av samme høye kvalitet som den vi skifter ut.

Figur 4.4 a Gjennomskåret sjiktresistor

Figur 4.4 b Sjiktresistorer

42

RESISTOREN

Fargekode

Første ring

For at vi skal kunne lese av resistansverdiene på en enkel måte, blir de ofte angitt med en fargekode. Når vi har fire eller fem fargeringer, er de usymmetrisk plassert. Vi begynner alltid av­ lesningen med den ringen som ligger nærmest en ende.

Første ring

Merking av resistorer Det er umulig å framstille resistorer med nøyaktige verdier. Derfor er det innført en standardisering der en går ut fra visse tallserier. I disse tallseriene er avstanden mellom de ulike verdiene like stor i prosent.

Figur 4.5 Plasseringen av den første ringen

De vanligste seriene er El2, E24, E48 og E96.1 en serie inngår alle tenkelige verdier, men merkingen er forenklet slik at det er tolv forskjellige verdier i en dekade i E12-serien, tjuefire i E24-serien osv.

Resistansverdiene er ikke nøyaktige. IE12-serien kan en resistor som er merket 560 Q, ha alle verdier mellom 504 Q og 614 Q. Er resistoren merket 680 Q, kan den ha en hvilken som helst verdi mellom 612 Q og 748 Q osv. De forskjellige seriene har disse toleransene: E12 ±10 %, E24 ±5 %, E48 ±2 %, E96 ±1 % og E192 ±0,5 %. Tabellen nedenfor gir en oversikt over de vanligste verdiene.

En dekade er en tiergruppe, I — 10, 10-100, 100-1000 osv.

El2-serien har tolv verdier i den første dekaden: 1,0, 1,2, 1,5, 1,8, 2,2,2,7, 3,3, 3,9,4,7, 5,6, 6,8, og 8,2. Den andre dekaden har verdiene 10, 12, 15, 18, 22,27 osv. Den tredje dekaden får verdiene 100, 120 osv.

fargekode

colour code (USA: color)

Tabell 4.1 Noen vanlige serier El 2

E24

±10% ±5%

E24

E48

El 2

±2% ±10% ±5%

±2%

±10% ±5% ±2%

E48

El 2

E24

E48

E24

E48

EI2

E24

E48

Ei 2

E24

E48

±10% ±5%

±2%

±10% ±5%

±2%

±10% ±5%

±2%

Ei 2

680

100

100

147

100 150

150

316

215

220

470

220

330

154

105

681

332

487

715

510

162

110

464

470

330

226

160 110

680

750

511

348

237

750

240 360

120

560

120 121

261

178

180

787

536

365

249

169

115

820

560

820

383

562

825

866

180

270

390

270

390

127

187

274

402

590

133

196

287

422

619 620

130 909

910

430 300

200

140

205

301

442

649

953

RESISTOREN

43

Fargekoder for resistorer med fire fargeringer Fargekoder med fire fargeringer blir brukt på resistorer i E24serien og lavere. Vi trenger to fargebånd for å angi tallverdien med en nøyaktighet på to sifre.

Farge

Bånd

Bånd

Bånd

1,2

3

4

Tallverdi

Faktor

Toleranse ± %

svart

0

1 = 10°

brun

1 2

10= I01 100= I02

3 4

1000 = I03

rød

oransje gul grønn

1

2 rI. w

10000 = I04

100000= I05

0,5

blå

6

1 000000= I06

0,25

fiolett

7

10000000= I07

0,1

grå

8

hvit

9

gull

0,1 = 10-'

5

sølv

0,01 = IO“2

uten farge

Figur 4.6 Resistor med fire fargeringer. Resistoren er på 47 ±2 ± 5 %

10

20

Som det går fram av tabellen på forrige side, er nøyaktigheten to sifre for El2- og E24-serien og tre sifre for E48-serien og høy­ ere. Da blir fire fargeringer for lite.

Fargekoder for resistorer med fem fargeringer Farge

Bånd

Bånd

Bånd

1,2,3

4

5

Tallverdi

Faktor

Toleranse

svart

0

1 = 10°

brun

10 = I01

1

100 = I02

2

oransje

1 2 3

gul

4

10000 = I04

±%

rød

1000 = I03

Figur 4.7 Resistor med fem fargeringer. Resistoren er på 127 Q ±0,25 %

5

100000= I05

0,5

6

1 000000= I06

0,25

10000000 = I07

0,1

gull

0,1 = I0-1

5

sølv

0,01 = I0-2

blå fiolett hvit

8 9

uten farge

44

RES/STOREN

10

20

EKSEMPEL

a) Resistansen er 10 • 100 Q = 1000 Q. ± 10 %

b) Resistansen er 12 • 10 000 Q = 120 kQ,±5 %

c) Resistansen er 681 • 1000 Q = 681 kQ, ±2 %.

Feilsymptomer Resistoren har som funksjon å begrense strømmen i en leder. Dersom strømmen gjennom resistoren av en eller annen grunn blir for stor, blir det brudd i den. Årsaken kan for eksempel være at spenningen er for høy. Det kan aldri bli kortslutning i en resistor. Hvis den går i stykker eller brenner av, blir strømmen brutt. Ofte kan vi se med bare øyet at en resistor har brent, men moderne sjiktresistorer kan brenne av uten at vi kan se det på dem.

Figur 4.8 Dersom strømmen gjennom en resistor blir for stor, kan den begynne å gløde ...

Måleøving 6

... ja, til og med brenne opp!

Helse og miljø

Når karbonsjiktresistoren brenner, avgir den kullos, karbonmonoksid (CO), og kullsyre, karbondioksid (COJ. CO er svært giftig å puste inn, og CO2 bryter ned ozonlaget.

RESISTOREN

45

Kontrollspørsmål Hvorfor kaller vi noen resistorer lineærel

6

Hvilken fargekode har en resistor på 3,9 kQ ±1 %?

2 Hvorfor kopler vi resistoren inn i en elektrisk krets?

7

Hvilken toleranse har resistorer i El 2serien?

8

Hvor mange ohm er en resistor som er merket 4k7?

9

Hvilke feil kan oppstå i en resistor?

1

3 Hva er trådviklede resistorer laget av? 4 Hvilken resistansverdi har en resistor som har denne fargekoden: rød, fiolett, brun, gull?

5 Hvilken resistansverdi har en resistor som har denne fargekoden: gul, oransje, blå, svart, rød?

46

RES/STOREN

47

SERIEKOPLING

Etter at du har arbeidet deg igjennom dette kapitlet, skal du kunne • • • •

48

Kirchhoffs lover beregne spenningsfall i en seriekopling av resistorer beregne den totale resistansen i en seriekrets beregne effektutviklingen i en seriekrets

Seriekopling kan være så mye! Når vi snakker om seriekopling i elektrisitetslæra, mener vi som regel at vi har seriekoplet to eller flere belastninger. Seriekopling kan også bety at vi kopler flere spenningskilder, for eksempel batterier, i serie. Seriekop­ ling av spenningskilder kommer vi tilbake til. Her skal vi stu­ dere seriekopling av belastninger.

Figur 5.1 Lampene i en juletrebelysning er seriekoplet. Hvis det blir brudd i en av lampene, kan alle lampene slutte å lyse

I elektronikken er seriekopling mye brukt, men i sterkstrøm er det relativt uvanlig. Juletrebelysningen er et kjent unntak. Den består av flere glødelamper som er koplet i serie. Med serie mener vi at den samme strømmen flyter gjennom alle lampene. Se bildene over.

p^ur 52

Ulempen med juletrebelysningen er at dersom en av lampene går i stykker, kan hele kretsen bli brutt, og alle lampene slokner. For å unngå det blir det lagt inn en liten kortslutning i lampen når glødetråden ryker. I elektronikken har seriekopling mange fordeler. Det er viktig å huske at i en seriekopling flyter den samme strømmen gjennom samtlige komponenter. Dette utnytter vi i elektronikken ved at vi kan begrense strømmen til komponenter som ikke tåler stor strøm, for eksempel lysdioder og transistorer, med en resistor med stor resistans. En stor resistans gjør at strømmen blir liten. Ettersom strømmen gjennom alle kom­ ponentene i en seriekrets er den samme, blir strøm­ men gjennom de mest ømfintlige komponentene også liten.

SERIEKOPLING

49

Seriekopling av resistorer Ifølge Ohms lov er spenningen over en resistor proporsjonal med resistansen. Lar vi den samme strømmen gå gjennom resis­ torer av ulik størrelse, får vi et spenningsfall som er proporsjo­ nalt med resistansen:

2A

I0V

20 V

Figur 5.3 Spenningsforskjellen over komponenten blir kalt spennings­ fallet. Det vi sikter til, er egentlig den spenningen som skal til for å drive strømmen gjennom komponenten. Det kreves for eksempel en spennings­ forskjell på 10 V over en resistor på 5 Fl for at vi skal kunne drive 2 A gjennom den. Dette er i overensstemmelse med Ohms lov

Hva blir spenningsfallet dersom vi kopler resistorene i serie? For å forstå det skal vi studere en av Kirchhoffs lover.

Kirchhoffs lover Det er framfor alt to personer som har betydd mye for forståelsen av elektrisitetslæra. Den ene er Ohm, som du allerede kjenner til fra Ohms lov. Den andre er Kirchhoff. Hans to lover har hatt stor betydning i elektrisitetslæra. Den ene loven, som vi skal se på nå, behandler seriekoplinger. Den andre, som behandler parallellkoplinger, kommer vi tilbake til. Når du har lært å bru­ ke disse tre lovene, behersker du mye av det vi kaller elektri­ sitetslæra.

Vi skal først se på et eksempel: De tre resistorene R}, R2 og R er seriekoplet til en spenningskilde på 12 V. Se figuren på neste side. Vi kan sammenlikne situasjonen med et kunstig fossefall der en pumpe stadig pumper vann rundt.

50

SERIEKOPLING

Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887), tysk fysiker

Figur 5.4 Spenningskilden tilsvarer pumpa, og de ulike resistorene tilsvarer vannfallet. Den totale fallhøyden er lik summen av høyden på delfallene. Det totale spenningsfallet er lik summen av de tre spenningsfallene

Kirchhoffs lov for seriekoplinger Summen av spenningsfallene i en seriekrets er lik den tilførte spenningen. Slik lyder loven. Overfører vi det til fossefallet, får vi at summen av høyden på delfallene er lik den totale fall­ høyden. Men fallhøyden er lik pumpehøyden, slik at vi kan si at pumpehøyden er lik summen av høyden på delfallene.

I elektrisitetslæra skriver vi: Utot = U t/ kaller vi det totale spenningsfallet, og det er lik summen av alle delspenningene (spenningsfallene) i en seriekrets. U er den tilførte spenningen, og vi kan derfor skrive:

U= t/KR11 + NKZ +

KJ

Figur 5.5

Summen av spenningsfallene

i en seriekrets = den tilførte

spenningen

SERIEKOPLING

51

I vårt eksempel har vi brukt tre resistorer, men loven gjelder uansett hvor mange resistorer vi seriekopler. Loven skrives derfor ofte slik: U= IL , + UKZ D^ +.... UKn D , der n kan være et hvilket K1 som helst tall. EKSEMPEL 5.1

En sjuarmet lysestake har sju like glødelamper. Lampen koples til spenningen 230 V. Hvor stor er spenningen over hver av lampene?

Vi tegner et skjema og kaller spenningen over lampene Ut, U2 osv.

Svar. Spenningen over hver av lampene er 33 V.

EKSEMPEL 5.2

Beregn den totale spenningen i koplingen nedenfor ved først å beregne spenningen over hver av resistorene.

Spenningen Ux over 5 Q-resistoren: i

På samme måte: [7=7-2 = 14V [73 = 6-2 = 12V

Den totale spenningen

Svar: U=36V

52

SERIEKOPLING

2

Den totale resistansen i en seriekrets Iblant er vi interessert i å kunne regne ut den totale resistansen i en seriekrets. Det vil si at vi vil regne ut verdien på den resis­ tansen som belaster spenningskilden like mye som seriekoplingen. Med belaste mener vi at den «trekker» like mye strøm fra spenningskilden som de seriekoplede resistorene. Også her kan vi bruke Kirchhoffs lov og dessuten det faktum at strøm­ men er like stor overalt i en seriekrets.

Figur 5.6 Disse to bildene viser likeverdige situasjoner. «Muren» markerer at spennings­ kilden ikke trenger å «vite» hvordan kretsen ser ut. Dersom vi får samme strøm i begge tilfellene, er resistansen den samme

Vi kan skrive: Utot = t/D1 + UK2 D, + t/R3 D2, og fordi strømmen er den Kl samme overalt, kan vi dividere alle leddene med I. Vi får da:

[/ t/R1 ~T~ i

UR2 i

t/R3 i

Men ifølge Ohms lov er

j

=

r ■ lOi

I

=r■ '

kzi = r • Lbe = r , som gir I Z' J J

R tot = R.1 + R2 + R.3 Med ord kan vi uttrykke det slik: Den totale resistansen i en seriekrets er lik summen av delresistansene.

SERIEKOPLING

53

EKSEMPEL 5.3

På skjemaet nedenfor er Æ, = 47 Q, /? , = 56 Q och R, = 82 Q. Beregn erstatningsresistansen, det vil si verdien på den resis­ toren som kan erstatte de tre seriekoplede resistorene (R ).

Rlot = 47 Q + 56 Q + 82 Q = 185 Q. En resistor på 185 Q trekker med andre ord like mye strøm fra spenningskilden som de tre seriekoplede resistorene.

R, = 47 Q

R2 = 56 Q R3 = 82 Q

=47Q + 56Q + 82Q= 185 Q

R tot

Effektutviklingen i en seriekrets Effektutviklingen i alle komponentene som inngår i en seriekrets, får vi ved å multiplisere U med /. Men fordi Uioi er lik den tilførte spenningen U, kan vi like gjerne skrive P = U • 1. Effektutviklingen i hver av komponentene som inngår i kret­ sen, får vi ved å multiplisere spenningsfallet over den aktu­ elle komponenten med I. EKSEMPEL 5.4

Beregn den totale effektutviklingen i kretsen i eksemplet ovenfor. Spenningen U - 12 V. Først beregner vi strømmen:

/ = —= —A = 0.065 A 185

Deretter regner vi ut effekten: P = U 1= 12 • 0,065 =0.78 W. Svar: Den totale effekten er 0,78 W

II

I

12

P = UI = 12-0,065 =0,78W

54

SERIEKOPLING

Sammendrag • len seriekrets er strømmen like stor gj ennom alle komponenter som inngår i kretsen. • Summen av spenningsfallene i en seriekrets er lik den tilførte spenningen: Um = URI + UR2 + UR3 + ... + Un

• Den totale resistansen i en seriekrets er lik summen av resistansene til alle resistorer som inngår i kretsen: R tot = R+R, + 3R, + ... + nR 1 2

Måleøving 7

Kontrollspørsmål 1

Gi eksempler på seriekoplede lamper (bru­ kes ofte i desember).

2 Hvor stor er strømmen gj ennom lampe num­ mer 5 i en seriekopling av sju lamper når strømmen i lampe nummer 1 er 0,3 A?

3 Hvor mange ohm totalt blir det i en serie­ kopling av tre resistorer som alle er på 220 Q?

4 Hvor stor blir spenningen over hver enkelt resistor når fire like store resistorer, hver på 470 Q blir seriekoplet til et 48 volts batteri?

5 Hvor stor blir spenningfallene over tre resistorer, 100 Q, 200 Q og 400 Q, når de blir seriekoplet til en spenning på 70 V? 6 Hvor stor strøm går det gjennom resistor nummer 2 når fire resistorer på 50 Q, 60 □, 80 Q og 10 Q blir seriekoplet til en spenning på 100 V?

7 Hvor stor effekt utvikler alle resistorene til sammen i seriekoplingen i spørsmål 6?

SERIEKOPLING

55

6

ELEKTRISK POTENTSIAL

Etter at du har arbeidet deg igjennom dette kapitlet, skal du kunne

• forklare forskjellen på potensial og potensialforskjell • beregne spenningsforskjeller i en seriekrets

56

Hvor høy er Galdhøpiggen? Ja, det avhenger av hva du måler i forhold til. Når vi angir høyden på en fjelltopp, sammenlikner vi ikke med høyden på stedet der vi står. Vi har i stedet en forutbestemt referanse, som i dette tilfellet er havet. Galdhøpig­ gen er 2469 m over havet, det vil si at potensialet er 2469 m. Sammenlikner vi høyden på Galhøpiggen med høyden på stedet der vi står, får vi potensialforskjellen. Høydeforskjellen er ikke det samme som den totale høyden. Høyder blir noen ganger angitt som potensial og andre ganger som potensialforskjell. Hvis vi for eksempel sier at Eiffeltåmet er 300 m høyt, betyr det ikke at toppen ligger 300 m over havet.

På mange togstasjoner er det et skilt som angir hvor høyt over havet stasjonen ligger. De fleste stasjoner ligger over havet, men i vårt naboland Sverige er det noen stasjoner som ligger under havet. Eidsvoll ligger 150 m over havet, mens Helsingborg i Sverige ligger 8 m under havet. Eidsvoll har et potensial på 150 m, mens Helsingborg har et potensial på -8 m. Potensial­ forskjellen - høydeforskjellen - mellom de to stasjonene er 158 m.

Figur 6.1 Stasjonen i Helsingborg ligger under havflaten

Et annet eksempel på potensialforskjeller ser du på bildet nedenfor. A

, 10 m

Figur 6.2 Potensialforskjellen mellom bunnen av gropa og taket er 13 m

I elektrisitetslæra er potensialforskjell det samme som elektrisk spenning. Vi har de samme forholdene der som ovenfor. Før var elektrisk jord det samme som jordpotensialet, slik at den ene polen ble koplet til jord og den andre polen hadde spenning i forhold til det. Innenfor sterkstrømsteknikken er det frem­ deles slik at en av polene koples til jord, og spenningen på den andre måles i forhold til jord.

Figur 6.3 Ulike måter å symbolisere jord på i koplingsskjemaet. I engelsktalende land blir uttrykket common (= felles) brukt

ELEKTRISK POTENSIAL

57

I elektronikken er det sjelden at den ene polen jordes. Minuspolen på spenningskilden koples som regel til et felles punkt som blir brukt som referanse. Når vi angir spenningen i et bestemt punkt, er det alltid i forhold til referansen. Hvis vi i et elektrisk skjema mener potensialforskjell, må dette alltid angis. Som eksempel tar vi med skjemaet ved siden av som du kan sammenlike med bildet på forrige side. Det går fram av skjemaet at potensialet i punkt A er 10 V. Det skriver vi slik: t/A = 10 V. I punkt B er potensialet, det vil si spenningen i forhold til jord, som er vår referanse, 5 V. Vi får da: 1/B = 5 V. Spenningen i punkt C er Uc = 2 V, og i punkt D Figur 6.4 De elektriske potensialene -jf. bildet er den UD = 0 V. Punkt E har lavere potensial enn D, det vil på forrige side si negativt: t/ = -3 V.

Når du skal måle disse spenningene, må du kople common - jord - på instrumentet ditt til jord i kretsen.

Figur 6.5 Måling av potensialforskjellen UBC mellom to punkter B og C i kretsen

Potensialforskjellen mellom punktene A og B måler vi til 5 V. Vi viser at det er potensialforskjellen mellom disse punktene det gjelder, ved å skrive t/AB = 5 V. Forutsetningen er at vi kop­ ler + på instrumentet til punkt A, som har det høyeste potensi­ alet, og som også er nevnt først i uttrykket 1/ Jord koples til B, som er nevnt sist.

UBA blir dermed -5 V. Vær oppmerksom på at analoge multi metre ikke er konstruert slik at viseren forsvinner ut til venstre. Det betyr at du selv må polvende. Noen multimetre har en polvender. I motsatt fall må du bytte om tilkoplingene på instrumentet og akseptere at det er en negativ potensialforskjell du måler.

58

ELEKTRISK POTENSIAL

jord

common

potensial

potential

potensialforskjell

potential difference

På skjemaet er t/A = 10 V, UB = 5 V, Ur. = 2V, UD = 0 V og UE = - 3 V. Potensialforskjellene er ^AB= 5 V> UAC = 8

V, t/AD= 10 v og UAE = 13 V.

= - 5 V, UBC = 3 V, UBD = 5 V og UBE = 8 V

^ca = -8v^cb = -3V,I/cd = 2 Vog 1/^ = 5 V ^A =

-10VC/DB = -5Vt/DC = -2Vogt/DE = 3V

UEA = - 13 V, UEB = - 8 V, UBC = - 5 V og UED = - 3 V

EKSEMPEL 6.1

Beregn t/AB, LTAC, L/AD, L/BC, UBD. uBf.-

LLDA, ^DB» UDC, UCA, UCB

Beregn dessuten U , UB, Uc og UD.

Vi får: V, = 2 V.

Det forteller at viseren på instrumentet går til endestillingen når strømmen gjennom instrumentet er 100 pA. Resistansen i instrumentspolen er 1000 Q. Ifølge Ohms lov betyr det at spen­ ningsfallet over instrumentet er 0,1 V ved fullt skalautslag. Vi kan derfor bruke instrumentet som amperemeter for strømmer opptil 100 pA, og som voltmeter for spenninger opptil 0,1 V = 100 mV. En spenning på 50 mV inn på instrumentet gir en strøm på 50 pA gjennom instrumentet, og viseren vil stille seg i midtstilling.

Fullt skalautslag:

U = R-I =

1000- 100- io-6v = o,i V

Figur 18.2 Bilder av viserinstrument som amperemeter og voltmeter. Instrumentet har en egenresistans på 1 k£l og gir halvt utslag når strømmen gjennom det er 50 pA

Dersom vi er fornøyd med å måle spenninger opptil 0,1 V og strømmer opptil 100 pA, kan vi stoppe her. Men hvis vi ønsker å måle på større områder, må vi gå videre.

Spenningsmåling En av Kirchhoffs lover sier at summen av spenningsfallene i en seriekrets er lik den tilførte spenningen. Vi skal måle en tilført spenning på 1 V, og seriekopler viserinstrumentet med en resis­ tor. Ved maksimal tilført spenning (det som spenningsvelgeren på instrumentet peker på) er spenningsfallet 0,1 V på viser­ instrumentet. Resten må ligge over resistoren. Hvis vi går ut fra at venderen står på 1,0 V, må 0,9 V ligge over resistoren. Legg merke til at strømmen da er 100 pA gjennom seriekretsen.

Vi kan regne ut verdien på resistoren på flere måter, men vi bruker Ohms lov: 09 0 9-106 R =----- Q = -Q = 9000 Q. 10010-6 100

182

/WETEKN/KK

Figur 18.3 Ved spenningsmåling er det koplet en resistor i serie med voltmeteret

Fordi spenningsfallet må være ni ganger større over resistoren enn over viserinstrumentet, må også resistansen være ni ganger større, det vil si 9 kQ. Med en vender kan vi utstyre instrumentet vårt med flere måleområder. Vi velger: 0,1, 0,3, 1,0, 3,0, 10, 30, 100 og 300 V.

Figur 18.4 Koplingsskjema for multimeteret når det er innstilt på spenningsmåling

Tabellen viser verdien på resistorene. Måleområde (V) Resistorverdi (k£>)

Total resistans (kQ)

Q/V

0,1

0

1000

10 000

0,3

2000

3000

10 000

1,0

9000

10 000

10 000

3,0

29 000

30 000

10 000

10

99 000

100 000

10 000

30

299 000

300 000

10 000

100

999 000

1 000 000

10 000

Ohm per volt-tallet Med tabellen ovenfor kan vi finne et viktig tall for instrumentet. Tallet blir kalt ohm per volt-tallet, Q/V. Det forteller hvor stor resistansen er i de forskjellige spenningsområdene. Det forteller også hvor mye instrumentet belaster målestedet. Tallet får vi ved å dividere den totale resistansen i måleområdet med spen­ ningen. Tallet blir like stort uansett hvilket område vi velger. Ved å se etter hvilket Q/V-tall ditt instrument har, kan du regne ut hvor stor strøm som må gå gjennom viserinstrumentet for at du skal få fullt skalautslag (inverter Q/V-tallet). I vårt tilfelle får vi 1/10 000 = 100 pA. Vi skal komme tilbake til hvordan instrumentet påvirker målestedet.

MÅLETEKNIKK

183

Strømmåling Vi går tilbake til Kirchhoff, men nå skal vi parallellkople viserinstrumentet med en resistor. Parallellkopling heter «in shunt» på engelsk. Vi har lånt dette uttrykket, og kaller vanligvis en parallellkoplet resistor en shunt. Når vi skal måle større strømmer enn 100 pA, må vi sørge for at det ikke flyter mer enn 100 pA gjennom instrumentet. Resten må gå gjennom shunten. Hvis vi for eksempel vil måle 1 mA, må 0,9 mA flyte gjennom shunten fordi det ikke må flyte mer enn 0,1 mA gjennom instrumentet. Resistansverdien til shunten må derfor være en nidel av resistansen i instrumentet. Det vil si 111 Q. Jo flere enere vi fører opp, desto større blir nøyaktigheten til shunten. Her nøyer vi oss med en nøyaktighet på tre sifre. Vi skal konstruere et amperemeter med disse måleområdene: 0,1 mA, 1,0 mA, 10 mA, 100 mA og 1,0 A. O

COM (1)

Figur 18.5 Koplingsskjema for universalinstrumentet når det er innstilt på strømmåling

Resistansverdien til shunten regner vi ut ved å dividere spenningsfallet over viserinstrumentet ved fullt utslag med den strømmen vi ønsker skal flyte gjennom shunten. For måleområdet 0,1 mA trenger vi ingen shunt. Ved 1,0 mA blir shunten R = ———- = 111 Q 0.9-103 ved 10 mA får vi: R - ———- = 10,1 Q, 9,9 10“3

ved 100 mA får vi: R =---- ——- = 1,00 Q, 99,9 -10 ■

og ved 1,0 A får vi: Rs =

~ 0,100 Q.

Tabellen til høyre viser den totale resistansen i amperemeteret for de forskjellige måleområdene.

Måleområde

Shunt

Total R

0,1 mA

ingen

1 000 Q

1,0 mA

1 1 1 Q

99,9 Q

10 mA

10,1 Q

10,0 Q

100 mA

1,00 Q

1,00 Q

A

0,100 Q

0,100 Q

1,0

184

MÅLETEKNIKK

Resistansmåling For å kunne måle resistorer med instrumentet vårt må vi ha en strømkilde som kan drive strøm gjennom resistoren og mikroamperemeteret. Hvis størrelsen på spenningskilden er kjent, kan vi gradere en ohmskala, fordi / = — dvs. R = —. R I

En liten resistans gir stor strøm, og 0 Q finner du derfor lengst til høyre på skalaen. Som spenningskilde kan du bruke et bat­ teri på 1,5 V. Fordi batterispenningen kan variere, må vi ha mu­ lighet til å justere instrumentutslaget etter tilstanden batteriet er i. Justeringen består i at vi kortslutter måleledningene og null­ stiller viseren med en variabel resistor, etpotensiometer.

COM (_L) o—

Figur 18.6 Koplingsskjema for universalinstrumentet når det er innstilt på resis­ tansmåling

Figur 18.7Nullstilling ved resistansmåling

For at instrumentet skal vise 0 Q når vi kortslutter måleledning­ ene, må vi begrense strømmen gjennom det til 100 pA med en resistor. Dersom U = 1.5 V. må resistansen i kretsen være 15 kQ for at strømmen skal bli 100 pA. Fordi instrumentet har en resistans på 1,0 kQ, må vi seriekople det med en eller flere resistorer som til sammen har en resistans på 14 kQ. Vi velger å bruke en fast resistor på 12 kQ og en variabel resistor på 5 kQ. Det betyr at vi kan variere serieresistansen mellom 12 kQ og 17 kQ og på den måten kompensere for batteri til standen. For å halvere strømmen gjennom instrumentet må den resistoren vi måler, være like stor som den innebygde resistansen i instrumentet, det vil si 15 kQ. Denne verdien finner du midt på skalaen. Vil vi ha et ohmmeter som vi kan måle små resis­ tansverdier med, må vi shunte viserinstrumentet. Tar vi shunten vi bruker på 10 mA-strømområdet. blir resistansen til instru­ mentet 10,0 Q. Det betyr at når vi måler en ytre resistor på 10,0 Q. stiller viseren seg midt på skalaen. Vanligvis kan vi velge måleområde på multimeteret.

Figur 18.8 Kortslutning av multimeteret. Dersom spenningen er 1,5 K må de andre komponentene ha disse verdiene for at instrumentet skal vise 0 Q

MÅLETEKNIKK

185

Feilkilder Hvordan påvirker måleinstrumentet måleverdien? For at du lettere skal se det, bruker vi det instrumentet vi har konstruert. Det er viktig å være klar over at strømmen som får viseren til å bevege seg, blir tatt fra målestedet.

Feilkilder ved spenningsmåling

Figur 18.9

På skjemaet ovenfor skal vi måle spenningen mellom punktene B og C. Uten å bruke instrument vet vi jo at den er 4,5 V, fordi de to resistorene er like store. Vi kopler inn voltmeteret vårt for å måle spenningen, og velger 10 V-området. Skjemaet ser da slik ut:

Figur 18.10

Parallellkoplingen mellom de nedre resistorene gir en total resistans på 50 kQ. Det betyr at spenningsfallet over disse resistorene blir halvparten av spenningsfallet over den øvre resistoren. Fordi den totale spenningen er 9,0 V, blir det 6,0 V over den øvre resistoren og 3,0 V over instrumentet. Instrument­ et viser derfor 3,0 V.

186

MÅLETEKNIKK

For ytterligere å belyse hvordan instrumentet påvirker måle­ resultatet, endrer vi måleområdet til 3,0 V.

Figur J8.ll

Nå er instrumentet en 30 kfl-resistor parallellkoplet med den nedre resistoren. Den totale resistansen i parallellkoplingen blir 23 kfl og spenningsfallet 1,7 V. Instrumentet viser altså 1,7 V til tross for at det er 4,5 V vi skal måle.

Det er viktig at du er klar over at instrumentet påvirker kretsen. Dersom du skal måle på høyohmige koplinger, må du velge et høyohmig instrument. For at resultatet skal bli akseptabelt, må instrumentet ha en indre resistans som er minst ti ganger større enn resistansen til målestedet. Elektroniske voltmetre er høyohmige, men også her må vi tenke oss om. 0,5 mA

Feilkilder ved strømmåling Ved strømmåling bryter vi kretsen og seriekopler instrumentet vårt med den. Vi får da et spenningsfall over instrumentet som påvirker kretsen og måleresultatet.

0,5 V

Også her kan vi på en enkel måte beregne strømmen uten instrument:

0,45 mA

Nå skal vi måle strømmen. Vi kopler inn amperemeteret, som er stilt inn på 1,0 mA.

0,5V

Strømmen gjennom kretsen blir mindre, og amperemeteret vi­ ser 0,45 mA.

I kQ

Figur 18.12

MÅLETEKNIKK

187

Elektroniske multimetre er bygd opp på omtrent samme måte, og vi får derfor feilvisninger ved strømmåling. Dette er ikke så alvorlig, fordi det er uvanlig å bruke amperemetre som krever at kretsen må åpnes. I elektronikken måler vi strømmen indirekte ved å måle spenningsfallet, og i sterkstrømsteknikken måler vi med tangamperemeter. Det vil si at vi måler strømmen ved å måle den magnetiske feltstyrken rundt en leder.

Indirekte strømmåling I eksemplet ovenfor hadde det vært enklere og mer elegant å måle strømmen gjennom resistoren ved å måle spenningsfallet over den og dividere med resistansen. I prinsippet blir det alltid gjort slik i elektroniske kretser. Vi velger ut en kjent resistans i kretsen, måler spenningsfallet over den og regner ut strømmen.

Figur 18.13 ZE = 4.7/1000 A = 4,7 mA

Elektroniske multimetre Som det går fram av navnet, inneholder denne typen multimetre elektronikk. Elektronikken er konstruert slik at den måler spenningsfall. Det spenningsfallet vi måler, blir forsterket og driver enten et mikroamperemeter eller en tegnrute (et display). Mikroamperemeteret og tegnruta påvirker dermed ikke måle­ stedet, men det gjør den elektroniske kretsen. Det er dermed elektronikkretsen som belaster målestedet, og derfor må den indre resistansen være høy. Med unntak av de aller billigste multimetrene er den indre resistansen minst 1 MQ. Det betyr at målestedet ikke trenger å levere så stor strøm til instrumentet. Det digitale voltmeteret (DVM) og det analoge (AVM) bygger på det samme prinsippet.

188

MÅLETEKNIKK

Elektronisk voltmeter Voltmeteret består i prinsippet av en spenningsforsterker og en spenningsdeler bygd opp av resistorer. Vi velger strømområde ved å kople forsterkeren til forskjellige uttak på spenningsdeleren.

Figur 18.14

Elektronisk amperemeter Fordi det elektroniske multimeteret måler spenning, fungerer det elektroniske amperemeteret som ved indirekte måling av strøm. Vi lar strømmen vi skal måle, gå gjennom en resistor som er bygd inn i instrumentet, og måler spenningsfallet over den.

Figur 18.15

MÅLETEKNIKK

189

Elektronisk res i stans meter Også i dette tilfellet er det elektroniske multimeteret et spen­ ningsmålende instrument. For resistansmåling er det bygd inn en elektronikkopling i instrumentet som gir konstant strøm. Vi lar denne strømmen gå gjennom resistoren vi skal måle, og måler deretter spenningsfallet over den. Vi vet at jo større resis­ toren er, desto større blir spenningsfallet. 0 Q ligger derfor helt til venstre på skalaen til det analoge multimeteret. Det betyr at vi kan bruke den samme skalaen til å lese av både spenning, strøm og resistans.

Vi får forskjellige måleområder ved resistansmåling ved at konstantstrømsgeneratoren leverer en bestemt strøm for hvert måleområde.

Konstantstrømsgenerator

Figur 18.16

Feilkilder På grunn av den innebygde elektronikken kan vi få instrumenter med svært stor presisjon. Det fins elektroniske multimetre med en inngangsresistans på flere hundre megaohm (MQ) der feilvisningen er promiller av den virkelige verdien. Vi kan få multimetre for en hundrelapp med en inngangsresistans på noen hundre kiloohm (kQ), men her er feilvisningen flere prosent. Prisen, og kravene vi stiller til instrumentet, er avgjørende for vårt valg. Strømmåling påvirker målestedet omtrent like mye som multimetre uten elektronikk, men dette måleområdet blir svært sjelden brukt i praksis.

190

MÅLETEKNIKK

Måleøving 29

Kontrollspørsmål Hvordan blir spenning og strøm vist ved et analogt instrument?

7 Hvilken justering må vi gjøre med et inst­ rument før vi måler en resistans?

2 Hvor stor spenning må vi tilføre et instru­ ment som er merket 1= 50 pA, R - 100 kQ, for å få fullt utslag?

8 Hvordan vil et instrument med lav indre resistans påvirke måleresultatet ved spenningsmåling?

3 Hvordan kan vi ordne det slik at instrumentet i spørsmål 2 kan måle en spenning som er 10 ganger større?

9 Hvordan bør den indre resistansen i et inst­ rument være når det skal brukes for strøm­ måling?

1

4 Hvilken innvirkning på måleresultatet får det når et instrument har 2000 Q/V ?

10 Hvordan kan vi måle strøm uten å bryte opp kretsen?

5 Hva kaller vi den resistoren som vi parallellkopler til et instrument når vi skal utvide måleområdet for strøm? 6 Hvor stor resistor må vi parallellkople til et instrument når vi vil måle en strøm på 50 mA? Instrumentet er merket I = 50 pA, Æ=100kQ.

MÅLETEKNIKK

191

ENFASE- OGTREFASEVEKSELSPENNING

Når du har arbeidet deg gjennom dette kapitlet, skal du kunne • • • • • • 192

beskrive hvordan en trefaset spenning blir produsert beregne effekten som omsettes i en trefasekrets tegne viserdiagram for spenning og strøm i et trefasenett forklare og beregne strømforhold og spenningsforhold i en Y- og D-kopling forklare hvordan belastninger påvirker ulike typer forsyningsnett beskrive fordelen med en Y/D-vender

Selv om de fleste belastninger fungerer utmerket med likestrøm, distribuerer vi nesten alltid strømmen som vekselstrøm. Den viktigste grunnen er at vekselstrøm kan transformeres, og at vi kan redusere kostnadene mye ved å overføre energien i et trefasesystem. I elektroteknikken betyr ordet fase tidstilstanden i et periodisk forløp. Trefasevekselstrøm krever minst tre atskilte ledninger, men selv om vi har tre eller flere ledninger, betyr det likevel ikke alltid at det er snakk om trefasevekselstrøm.

Vikling

Enfase Før vi kommer inn på trefasesystemet, skal vi repetere hvordan vekselstrøm blir framstilt i et enfasesystem. Prinsippet er svært enkelt. Vi lar en magnet rotere i nærheten av en vikling. Se figur 19.2.

Spenningen som blir indusert i spolen, blir sinusformet, og når magneten har gjort en omdreining, har spenningen tilbakelagt en periode. Se figurene 19.3 og 19.4. Antall perioder per sekund gir oss vekselspenningens frekvens, f Dersom magneten gjør 50 omdreininger per sekund, blir frekvensen 50 Hz. Roterer magnet­ en 200 ganger per sekund, blir frekvensen 200 Hz, osv.

Alternativt symbol

Figur 19.1 Skjemasymboler

Figur 19.2 Det roterende magnetfeltet skaper en elektrisk spenning i spolen

Figur 19.3 En omdreining av magneten svarer til en periode

ENFASE- OG TREFASEVEKSELSPENNING

193

Noen begreper Tiden det tar for en magnet å dreie rundt en gang, kaller vi periodetiden, T. Forholdet mellom frekvensen og periodetiden gir seg selv. Dersom frekvensen er 50 Hz, gjør magneten femti omdreininger i sekundet. Det betyr at hver omdreining tar et femtidels sekund (1/50 s). Gjør magneten 1000 omdreininger i sekundet, blir periodetiden T - 1/1000 s. Det vil si:

eller T = — f der T er tiden i sekunder (s) og/frekvensen i hertz (Hz).

Figur 19.5 Tiden magneten bruker på en omdreining, kaller vi periode­ tiden T Amplitudeverdien (maksimumsverdien) er den største spenningsverdien og minimumsverdien den minste. Verdien i et bestemt øyeblikk - i dette tilfellet etter at magneten har dreid 45° - kaller vi momentanverdien

Den største verdien vekselspenningen får, kaller vi amplitude­ verdien eller maksimumsverdien (u). Den største negative ver­ dien kaller vi minimumsverdien (u). Momentanverdien eller øyeblikksverdien er den verdien spen­ ningen har på et bestemt tidspunkt.

194

ENEASE- OG TREFASE VEKSELSPENNING

Måleøving 30

Trefase I et trefasesystem har vi tre tidstilstander i et periodisk forløp. Tidsforskyvningen eller faseforskyvningen mellom de tre er alltid 120°. For å oppnå dette kopler vi en generator slik figur 19.6 viser.

r—■

Figur 19.6 Den roterende magneten skaper tre like store vekselspenninger

På bildet er de tre viklingene nøyaktig like store og plassert slik at vinkelen mellom dem er 120°. Når magneten begynner å rotere, induseres det en like stor spenning i hver vikling. Du husker vel at magneten dreier mot urviseren? Fordi viklingene har felles magnet, får de tre spenningene samme frekvens. Forskjellen på dem er at de er forskjøvet 120° i tid og fase. Se figur 19.7.

Figur 19.7 Spenningene erfaseforskjøvet 120°

ENFASE- OG TREFASEVEKSELSPENNING

195

Spenningene som blir skapt i hver vikling, kaller vifasespenningen U{. Kopler vi tre nøyaktig like store belastninger til de tre viklingene, får vi tre nøyaktig like store strømmer som er innbyrdes 120° faseforskjøvet. Se figur 19.8.

Strømmen som flyter mellom spenningskilden og belastningen, kaller vi hovedstrømmen I.

Figur 19.8 Belaster vi hver spole med like store resistanser, får vi tre nøyaktig like store strømmer I = /, = I Verdiene på spenningen og strømmen er effektivverdier

Effektutviklingen blir da:

P = U{ • I i hver belastning og den totale effektutviklingen P tot = 3 • fU-I

I koplingen ovenfor har vi tre spenningskilder og tre belastning­ er. Mellom hver spenningskilde og belastning har vi to led­ ningen Ved å kople slik figur 19.9 viser, kan vi overføre like mye energi som tidligere, men nå trenger vi bare tre ledninger.

Figur 19.9 Ved å kople slik sparer vi ledninger

196

ENFASE- OG TREFASEVEKSELSPENNING

For å forstå hvordan dette fungerer, ser vi først på viserdia­ grammet for spenningene som blir skapt i generatoren. De tre viklingene har betegnelsene Lp L2 og Ly Se figur 19.10.

Det går fram av viserdiagrammet at de tre spenningene uL1, f/|2 og mL3 er nøyaktig like store, men forskjøvet i tid. Hver av spenningene har størrelsen wf. I denne stillingen er spenningen på L , det vil si «L1 maksimal og positiv. wL1 = wf • sin 90°

wL1 = u{

uL2 er negativ, og den får verdien: u. = u ■ sin 330°

u.. = -0,5 • uf

wL3 blir også negativ: • sin 210°

«L3 =

«L3 = -0,5 •

Det betyr at summen av spenningene som generatoren leverer, er null volt. Dersom wf = 100 V, er spenningen på Lj = 100 V og -50 V på L, og L3 når magneten er i denne stillingen.

Vi dreier litt på magneten og ser hva som skjer. Se figur 19.10 b. I denne stillingen er spenningene:

wL] = tif • sin 135°

«L1 = 0,707 • wf.

uL2 er positiv, og den får verdien: uL2 = uf • sin 15°

wL2 = 0,259 • uf.

wL3 blir negativ: u. = u • sin 255° JLuD

I

u., = -0,966 • u.

1—