Mälardalens högskola, Institutionen för Elektronik

Analog elektronik, LE1460
Föreläsning 2
sida 1
Mälardalens högskola, Institutionen för Elektronik
Analog elektronik – F1






Ström
Spänning
Ohms lag
Resistans
Parallellkoppling
Seriekoppling
Ström, I
Strömmen är ett mått på hur många fria elektroner som rör sig i en och samma riktning. Ju fler
elektroner, desto större ström.
= fri elektron
Def:
Elektrisk ström är den laddningsmängd som passerar ett tvärsnitt av en ledare per tidsenhet.
I
Q
t
eller
i
dq t 
dt
om strömmen inte är konstant
Enhet: 1 Ampere = 1 C/s
Riktning?
När man en gång i tiden definierade ström så sade man att strömmen flyter från pluspol till
minuspol. Senare har det visat sig att strömmen faktiskt flyter från minuspolen till pluspolen
istället. Strömmen består av fria elektroner i ledaren, som attraheras från minuspolen till
pluspolen. Anledningen till ”definitionsmissen” är att man helt enkelt inte kände till
elektroner när man antog definitionen. Trots detta har man inte funnit någon anledning att
ändra på definitionsriktningen, eftersom det som sagt ”bara” är en definition. Det som är
viktigt är dock att man själv väljer en definitionsriktning eller en referensriktning när man ska
räkna på en elektrisk krets. Gör man det, kommer alltid alla strömmar och spänningar att falla
ut med rätt riktning vid matematiska beräkningar i alla fall (i form av positivt eller negativt
tecken).
Åsa Ryegård, Institutionen för Elektronik, Mälardalens Högskola
Analog elektronik, LE1460
Föreläsning 2
sida 2
Spänning, U
För att elektronerna ska röra sig i ledaren måste det vara ett ”tryck” på dem så att de flyttar
sig. Det är en ”tryckskillnad” mellan ledarens ändpunkter. Ju större skillnad, desto fler
elektroner kan passera från den ena änden till den andra. Trycket är den elektriska
spänningen.
= fri elektron
Def:
Spänningen är potentialskillnaden mellan två punkter.
UAB = VA - VB
Enhet: 1 Volt
Resistans, R
Elektronerna bromsas upp på vägen. Hur mycket beror på ledarens material. De elektroner
som kan röra sig mellan olika atomer kallas fria elektroner. Ju fler fria elektroner ett material
har, desto bättre leder det ström. Få fria elektroner = isolator. Olika material har olika
ledningsförmåga eller resistans.
Liten resistans i ledaren:
= fri elektron
Stor resistans i ledaren:
= fri elektron
Def:
Elektrisk ledningsförmåga kallas för konduktans eller konduktivitet G och mäts i Siemens, S.
Inom elläran använder vi oftast resistans, vilket är det inverterade värdet på konduktansen
R = 1/G
Enhet: 1 = 1 V/A
Åsa Ryegård, Institutionen för Elektronik, Mälardalens Högskola
Analog elektronik, LE1460
Föreläsning 2
sida 3
Ohms lag
År 1827 fann den tyske fysikern Georg Simon Ohm experimentellt sambandet som sedan
skulle döpas efter honom; Ohms lag.
U  RI
Att lära sig Ohms lag är inte särskilt svårt, det svåra är att tillämpa den rätt!
Seriekoppling av resistorer
Vid seriekoppling av resistorer summerar man alla resistorernas resistanser.
Rtot  R1  R2  R3  ...  Rn
Parallellkoppling av resistorer
Då man ska beräkna ersättningsresistansen för parallellkopplade resistorer blir det lite
besvärligare. Observera att det är det inverterade värdet på Rtot som beräknas med hjälp av
formeln.
1
1
1
1
1



 ... 
Rtot R1 R2 R3
Rn
Åsa Ryegård, Institutionen för Elektronik, Mälardalens Högskola
Analog elektronik, LE1460
Föreläsning 2
sida 4
Ett specialfall är när endast två resistorer är parallellkopplade. Då kan man använda
nedanstående formel (som egentligen bara är en matematisk omskrivning av den övre
formeln).
Rtot 
R1  R2
R1  R2
Ett räkneexempel:
a) Beräkna resulterande resistansen mellan A och B
b) Hur stor blir resistansen mellan A och B om 20 -resistorn byts ut mot en på 20 k?
Åsa Ryegård, Institutionen för Elektronik, Mälardalens Högskola
Analog elektronik, LE1460
Föreläsning 2
sida 5
Resistorer
Det finns många olika typer av resistorer. Nedan nämns några typer som kan vara bra att
känna igen. Vissa namn syftar på tillverkningsmaterial och andra på dess egenskaper. I
kurslitteraturen kan du fördjupa din kunskap om de olika resistorerna.








Massaresistorer
Ytskiktsresistorer
Trådlindade resistorer
Chipresistorer
Potentiometrar
Termistorer
Varistorer
Fotoresistorer
Det finns olika standarder för bland annat resistanssymboler, Svensk/Amerikansk och Japansk
t ex. Det kan vara bra att notera att vi tyvärr inte har en global standard för
elektroniksymboler. Det är därför troligt att du kommer stöta på olika standarder.
Märkning och färgkod på resistorer
Resistorer märks med hjälp av färgade ringar på komponenten. De olika ringarna har olika
innebörd. Gemensamt för ringarna är dock att de står för en siffra mellan 1 – 9. Nedan
kommer en ramsa som gör det lättare att komma ihåg färgerna i färgkoderna är följande:
SVART boll är NOLL.
EN pris BRUN snus.
TVÅ RÖDA läppar.
TRE ORANGA apelsiner.
GULA hus har FYRA hörn.
FEM GRÖNA fingrar.
BLÅsSEXtett.
VIOLETT innehåller SJU bokstäver.
GRÅ råtta rimmar på ÅTTA.
katt har NIO liv.
Läs igenom ramsan ett par gånger. Det brukar räcka för att den ska sitta där för tid och
evighet. Faktum är att det inte är helt fel att kunna färgkoderna utantill, även om man
naturligtvis alltid kan mäta upp resistansen med hjälp av multimetern.
Åsa Ryegård, Institutionen för Elektronik, Mälardalens Högskola
Analog elektronik, LE1460
Föreläsning 2
sida 6
Färgringarnas placering och betydelse
1 2 (3) 4
5
Ring 1, 2 (och ev. 3) anger talvärde
Ring 3 (4) anger exponenten på en
tiopotens
Ring 4 (5) anger noggrannheten på
resistansvärde
Effekt
I alla kretsar överförs det energi. Ibland är det kretsens huvudsyfte, t ex bilbatterier. I andra
fall är det informationsöverföring som är kretsens ändamål.
Den energi som överförs från spänningskällan till lasten (resistansen) är:
P
W
t
eller

P U  I

U2
U  R I  P U  I  R I 2 
R
U 

I
R 
Effekten är intressant i flera sammanhang, bl a:


I kretsar där energiöverföringen är huvudändamålet.
Effektutvecklingen i en komponent.
I en resistor omvandlas elektrisk energi till värme. Resistorn blir varm. Temperaturen beror
bla på storleken hos den effekt som utvecklas i komponenten. Därför är effekten i
komponenter och elektriska apparater ofta en dimensionerande faktor.
Åsa Ryegård, Institutionen för Elektronik, Mälardalens Högskola
Analog elektronik, LE1460
Föreläsning 2
sida 7
Hur vi mäter ström, spänning och resistans
Multimetern är ett elektriskt mätinstrument som mäter de tre storheterna spänning, ström och
resistans bland annat.
Det finns både digitala och analoga – spänningsmätande eller strömmätande multimetrar. Alla
digitala multimetrar är spänningsmätande.
Strömmätning
Strömmen i en krets kan man, som tidigare nämnts, likna vid mängden vatten som passerar ett
tvärsnitt av en ledning. För att kunna mäta vattenmängen är det därför nödvändigt att ”ta sig
in” i ledningen. Vi bryter därför ledningen på lämpligt ställe och stoppar in ett mätinstrument
som kan mäta mängden vatten som passerar under en viss tid. Vad ska då en mätinstrumentet
ha för egenskaper? Önskvärt är förstås att inte ”vattnet” bromsas upp så att det plötsligt
passerar mindre vatten än tidigare eftersom processen ska vara så opåverkad av mätmetoden
som möjligt. Därför måste vårt mätinstrument ha så litet motstånd som möjligt.
Applicerar vi vårt resonemang på vår multimeter måste den alltså ha väldigt liten inre
resistans för att all ström som vi vill mäta verkligen passerar mätinstrumentet när den
är inställd på strömmätning. Ur resonemanget ovan ser vi också att amperemetern
måste kopplas in i serie i kretsen.
Spänningsmätning
Spänningen som kan liknas vid ”skillnaden i vattentryck” i en ledning, mäts på ett annat sätt
än ovan. För att kunna mäta upp en tryckskillnad måste man ha två olika tryck att jämföra
med varandra. Därför kopplar man in sitt mätinstrument så att det känner av trycket i två olika
punkter. Instrumentet presenterar sedan tryckskillnaden mellan dessa. För att inte
vattentrycket ska påverkas av mätmetoden bör allt vatten passera ledningen på vanligt vis.
Därför har mätinstrumentet väldigt stort motstånd så att inget vatten ska ta vägen genom
instrumentet i stället.
Med andra ord; då multimetern är inställd på spänningsmätning har den en mycket
stor (läs: oändlig) inre resistans. Vid spänningsmätning kopplas multimetern in mellan
de två punkter som man vill mäta spänningen emellan, d v s den kopplas in parallellt i
kretsen.
Resistansmätning
När multimetern ska mäta upp en resistors resistans sker följande: Mätinstrumentet skickar en
liten känd ström genom resistorn samtidigt som den mäter upp spänningen över den.
Resistansen bestäms med hjälp av formeln för Ohms lag och resultatet visas sedan på
multimeterns display.
Är säkringen trasig?
Det händer ibland att säkringen i multimetern går söder. Det beror ofta på att man försöker
mäta en spänning då multimetern är inställd på strömmätning! När multimetern är inställd på
strömmätning har man i princip noll i inre resistans i instrumentet. Skulle man i detta läge
försöka sig på att mäta en spänning så blir instrumentet överbelastat och säkringen löser ut.
Åsa Ryegård, Institutionen för Elektronik, Mälardalens Högskola
Analog elektronik, LE1460
Föreläsning 2
sida 8
Därför ska man vara noga när man ska mäta i en krets. Skulle nu säkringen ändå gå sönder
(vilket inte är helt ovanligt…) hur märker man då det? Jo, ofta upptäcker man det när man
försöker mäta upp en ström i en krets, men inte får något utslag. Trots att man kollar sin
uppkoppling och den ser rätt ut och trots att man kan mäta upp en spänning över kretsen (!!!)
får man inget utslag på strömområdet. Då kan man misstänka att säkringen gått!
Kontrollera säkringen på följande sätt (gäller Velleman DVM92):
 Ställ in multimetern på -mätning, 2k.
 Sätt den röda mätsladden i V/ -kontakten och den svarta i mA-kontakten.
 Sätt ihop mätsladdarnas spetsar så att de har ordentlig kontakt (kortslutning).
 Om du nu får ett utslag på multimetern är säkringen hel.
 Inget utslag (1.) betyder alltså trasig säkring  Dags att byta säkring! Detta gör du
genom att plocka ut multimetern ur det gula plasthöljet. Skruva bort baksidan på
multimetern. Säkringen sitter längst ner då du lyfter bort locket. Den trasiga säkringen
petar du bort med t ex skruvmejseln och sedan är det bara att trycka dit den nya. Sätt
på locket och det är klart!
Hur fungerar kopplingsdäcket?
avbrott
Åsa Ryegård, Institutionen för Elektronik, Mälardalens Högskola
Analog elektronik, LE1460
Föreläsning 2
Åsa Ryegård, Institutionen för Elektronik, Mälardalens Högskola
sida 9