ISC0100 KÜBERELEKTROONIKA

Transcript

1 ISC0100 KÜBERELEKTROONIKA Kevad 2018 Neljas loeng Martin Jaanus U (hetkel veel) , Õppetöö : Õppematerjalid :

2 Teemad Alalis- ja vahelduvpinge (-vool) Väärtused, signaalid, võimsus Reaktiivsed komponendid Kondensaator,Induktor

3 Pinge Pinge ehk elektriline pinge (tähis V, vanem tähis U) on füüsikas ja elektrotehnikas kasutatav füüsikaline suurus, mis iseloomustab kahe punkti vahelist elektrivälja tugevuse erinevust ning määrab ära kui palju tööd tuleb teha laengu ümberpaigutamiseks ühest punktist teise. Pinge ühikuks SI-süsteemis on volt (V). Üks volt on selline pinge, mille puhul 1 kuloni suuruse laengu ümberpaigutamisel teeb elektriväli tööd 1 džaul.

4 Vool Vool ehk ellektrivool (tähis I ) on füüsikas ja elektrotehnikas kasutatav füüsikaline suurus,mis iseloomistab laengukandjate liikumist elektrijuhis. Voolu ühikuks SI-süsteemis on amper (A). Amper on konstantne selline elektrivool, mis põhjustaks kahes paralleelse lõpmatu pikkusega ja tühise ristlõike pindalaga elektrijuhi vahel jõu njuutonit meetri kohta, kui need juhid asuvad teineteisest 1 meetri kaugusel vaakumis.

5 Takistus Takistuseks ehk elektritakistuseks nimetatakse juhi omadust avaldada elektrilaengute liikumisele takistavat mõju. Elektritakistuse (tähis R) mõõtühik SI-süsteemis on oom( Ω). 1 Ω on takistus, millel 1 A voolu läbimisel tekib pinge 1 V. Ohmi seadus: vool on võrdeline pingega ja pöördvõrdeline takistusega. Takistus on keha omadus. Takistus ei ole võrdeline pingega ja pöördvõrdeline vooluga. Elektritakistuse pöördväärtus on elektrijuhtivus (tähis G), ühik siimens (S). G=1/R ja R=1/G

6 Alalisvool (ja pinge) Alalissignaal (DC, Direct current ), (vool või pinge) aeglaselt muutuv signaal. Märgiga suurus. Signaal mõõtmise ajahetkel ei muutu. Staatiline olek. V4 V 4 3,5 3, ,5 2, ,5 1, ,5 0, ,5 1 1,5 2 t 0 t 0 0,5 1 1,5 2

7 Vahelduvvool (ja pinge) Vahelduvsignaal (AC, Alternative current ), (vool või pinge) Vaadeldava aja jooksul muutuv signaal. Muutub voolu suund Erinevad väärtused. 350 V V ,5 1 1, ,5 1 1, Perioodiline t -20 Mitteperioodiline t

8 Vahelduvvool (ja pinge) V p-p Perioodiline signaal, amplituud, tipust tippu, periood Näiteks: u(t)=a*sin(2πt+φ) Amplituud (A) Max (V) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Perood (T) Amplituud (A) Min (V) Signaalil on mitu väärtust Amplituudväärtus Tippväärtus (max,min) Keskväärtus: U0 = 1 T න u t dt 0 Mooduli keskväärtus Umk = 1 T න 0 Efektiivväärtus (rms, (root mean square) T T Umk = 1 T න 0 u t dt T u 2 t dt -350 t

9 Vahelduvvool (ja pinge) Efektiivväärtus Umk = 1 T න 0 T u 2 t dt Vastab samale soojuslikule toimele mis sama väärtusega alalisvoolu puhul. Efektiivväärtus iseloomustab signaali võimsust. Võimsus on võrdeline signaali ruuduga. Kõik vaheduvsignaali mõõteseadmed näitavad efektiivväärtust. Paljud seadmed mõõdavad tegelikult mooduli keskväärtust!!!! Pinge ja voolu efektiivväärtuse ning võimsuse valemid on samad mis alalissignaalidel. ry/rms_and_peak_to_peak.html

10 Vahelduvvool (ja pinge) Väärtuste arvutamine (vt. ka waveform.pdf) Signaali osa Keskväärtus Efektiivväärtus A A t A 2 t t Keskväärtus Xk= X 1+X 2 +X t 1 +t 2 +t Efektiivväärtus A B A + B 2 t A 2 + AB + B 2 3 t Xrms= X 1+X 2 +X t 1 +t 2 +t t A A 2 π t A 2 2 t t

11 Vahelduvvool (ja pinge) Näide : RMS V= ( 4) = ( 4) = 2 V AVG V= π π = π π +0 = 0 V 4

12 Vahelduvvool (ja pinge) Näide : RMS V= AVG =1.66 V V= = 0.5 V

13 Vahelduvvool (ja pinge) Näide : Sagedused on erinevad! RMS V= =264.3V

14 Vahelduvvool (ja pinge) Alaldav keskväärtusega voltmeeter Umk = 1 T න 0 T u t dt Skaala gradueeritakse efektiivväärtuse järgi. Reaalne vahe on 1,11 korda Näitab õigesti vaid harmoonilise signaali korral! Skaala alla 1V mittelineaarne!

15 Vahelduvvool (ja pinge) Efektiivvoltmeeter (True RMS) Efetiivväärtus - alalissignaal millel on sama võimsus kui sisendsignaalil x 2 X V Umk = 1 T න 0 T u 2 t dt Analoogtehnikas kallis realiseerida (signaali ruutu võtmine). Kasutatakse termomuundureid, elektromagneetilisi osutmõõteriistu. Digitehnikas eeldab signaali reaalajas sämplimist. Kõik vaheduvsignaali mõõteseadmed näitavad efektiivväärtust. Paljud seadmed mõõdavad tegelikult mooduli keskväärtust!!!!

16 Vahelduvvool (ja pinge) Sisend: 2 V siinussignaal

17 Vahelduvvool (ja pinge) Sisend: 6 V siinussignaal

18 Vahelduvvool (ja pinge) Sisend: 6 V siinussignaal??? Keskväärtus on 0

19 Vahelduvvool (ja pinge) Sisend: 6 V kolmnurksignaal

20 Vahelduvvool (ja pinge) Sisend: 6 V nelinurksignaal

21 Kondensaator Kondensaator Füüsikaline suurus - mahtuvus C, ühik farad (F) Pilt:wikipedia

22 Kondensaator Mahtuvus näitab elektrilist inertsi, diferentsiaalvõrrandit saab võrrelda Newtoni seadusega dv dv C i C F m C dt dt Kondensaatori pinge on pidev (ei saa muutuda hetkeliselt!) Integreerib voolu, pinge jääb voolust veerand perioodi maha. Juhtivus on reaktiivne Yc = jωc Zc = 1 jωc ω = 2πf ω nurksagedus (rad/s) Juhtivus on võrdeline sagedusega. Kondensaatorite jada ja paralleelühendusel kasutada juhtivusi! C=C1+C2+C3+...Cn 1/C=1/C1+1/C2+1/C3+1/Cn

23 Kondensaatori energia Kondensaator on energiasalvesti! Laadides kondensaatort konstantse vooluga I, kasvab selle pinge ja (ka laeng ) lineaarselt: Energia on võrdeline pinge ruuduga!

24 Induktor Induktor, füüsikaline suurus induktiivsus L, ühik henri H.

25 Induktor Induktor näitab elektrilist inertsi, diferentsiaalvõrrand: v L L di L dt Induktori vool on pidev (ei saa muutuda hetkeliselt!) Integreerib pinget, vool jääb pingest veerand perioodi maha. Takistus on reaktiivne ZL= jωl YL = 1 jωl ω = 2πf Takistus on võrdeline sagedusega. Induktorite jada ja paralleelühendusel kasutada takistusi! ω nurksagedus (rad/s) L=L1+L2+L3+...Ln 1/L=1/L1+1/L2+1/L3+1/Ln

26 Induktori energia Induktor on energiasalvesti! Laadides induktorit konstantse pingega V, kasvab selle vool ja (ka magnetvoog ) lineaarselt: Pilt:wikipedia Energia on võrdeline voolu ruuduga!

27 Kondensaator ja induktor Energia, mis on sinna salvestatud, saame igal juhul kätte! Skeemide disainimisel tuleb sellega arvestada! Lülitit ei tohi vahetult ühendada Induktoriga jadamisi! Kondensaatoriga rööbiti! Kui see on möödapääsmatu, tuleb kasutada erilahendusi! Ekraanipilt videost

28 Kondensaatorid ja induktorid...on olemas ka siis kui me neid ei taha! Nagu ka takistus. Parasiitkomponendid Mida kõrgem on sagedus, seda rohkem annavad endast märku L Ja C! Seadmete disainil tuleb sellega arvestada! Ostate poest selle: Aga saate selle : Sobib suvalise reaalse R,C või L aseskeemiks!

29 Kondensaatorid (kasulik info) (Elektrolüüt)kondensaatoritel võib tänu valmistustehnoloogiale olla küllaltki suur parasiittakistus ja induktiivsus, selle kompenseerimiseks ühendatakse väiksema mahtuvusega kondensaator rööbiti. Elektrolüütkondensaatoritel on oluline polaarsus ning tööpinge. Pildid:wikipedia Elektrolüütkondensaatori aseskeem

30 Superkondensaatorid Väga suure mahtuvusega (kuni mitu tuhat faradit) Nanotehnoloogia Piiratud tööpinge Suur lekkevool Suur parameetrite hajuvus Kasutusel ajutise energiasalvestisena Grafeen (wikipedia)

31 Transformaator (trafo) Samas magnetväljas paiknevad induktorid. Enegia ülekanne kasutades elektromagnetilist induktsiooni. Kaksport (või ka hulkport rohkem kui kaks mähist). Mähist võib vaadelda kui kaksklemmi, induktorit. Toimib ainul vahelduvsignaaliga. Ideaalsel juhul: Google otsing : Transformer