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 RI 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