ISC0100 KÜBERELEKTROONIKA

Transcript

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

2 Teemad Alalisvool, kaksklemmid 1. Pinge, potentsiaal, vool, takistus, juhtivus 2. Kirchhoffi seadused 3. Suunad, märgid 4. Ideaalsed allikad, mõõturid 5. Jagurid

3 Miks on kasulik lihtsustada? Oluline on olulist ebaolulisest eristada. Ka elus on sedasi! Saame eemaldada selle, mis meid segab. Lihtsatest asjadest saab teha alati keerulisemat. Kõige lihtsam komponent on kaksklemm. Sisu võib olla suvaline, aga maailma näeb läbi kahe klemmi

4 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.

5 Kirchhoffi pingeseadus (1) Kõik sõltub pingetest, mitte potentsiaalidest. Kui muuta kõiki potentsiaale sama suuruse võrra, siis ei muutu mitte midagi. Kinnises kontuuris on pingete summa null. 400 V Miks traatidel istuvad linnud ei saa elektrilööki? 230 V

6 Kirchhoffi pingeseadus (2) Kuidas leida pingeid? 5V Pinge tõusu võtame plussmärgiga, kui liigume negatiivselt osalt positiivsele. 2V - 3V -1V -1V - 0 V aga -3V ja 3V 2V - 2V 0 V 0 V

7 Elektrivool Vool ehk elektrivool (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.

8 Elektrivool Pideva voolu tekkimiseks peab ahel olema suletud! Hargnematus ahelas on voolutugevus kõikjal sama! -1 A 1 A Voolu kokkuleppeline suund Miks seinakontaktis on kaks auku? Elektronide liikumise suund

9 Elektrivool Pideva voolu tekkimiseks peab ahel olema suletud! Hargnematus ahelas on voolutugevus kõikjal sama! Ühest katkestusest piisab Miks seinakontaktis on kaks auku?

10 Kirchhoffi vooluseadus Samasse punkti sisenevate voolude summa on null. Elektrivool Veevool

11 Lineaarne kaksklemm I V V V I I autonoomne avbic=0 mitteautonoomne

12 Lineaarne kaksklemm I I I s V V I s a=0 I=const V o b=0 V=const Ideaalne vooluallikas Ideaalne pingeallikas

13 c=0 Lineaarne kaksklemm I V I V V=RI V A I=GV A V oom S siimens R=0 - lühis G=0 - tühis

14 Takistus ja juhtivus 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. Elektritakistuse pöördväärtus on elektrijuhtivus (tähis G), ühik siimens (S). G=1/R ja R=1/G Püsitakisti (resistor) Tähtsaim omadus takistus! (muude omaduste tähtsus sõltub olukorrast) Pilt:Facebook

15 Kordajad Liide Nimetuse tuletus Tähis Tegur jotta itaalia: kaheksa 10 3 järku Y zetta itaalia: seitse 10 3 järku Z eksa kreeka: kuus 10 3 järku E peta kreeka: viis 10 3 järku P tera kreeka: üleloomulikult suur T giga kreeka: hiiglasuur G 10 9 mega kreeka: suur M 10 6 kilo kreeka: tuhat k 10 3 hekto kreeka: sada h 10 2 deka kreeka: kümme da detsi ladina: kümme d 10-1 senti ladina: sada c 10-2 milli ladina: tuhat m 10-3 mikro kreeka: väike μ 10-6 nano ladina: kääbus n 10-9 piko itaalia: väikene p femto taani: viisteist f atto taani: kaheksateist a zepto ladina: seitse 10-3 järku z jokto ladina: kaheksa 10-3 järku y Lubatud kordsed ühikud Nimetus Sümbol füüsikaline suurus Seos teise suurusega minut min aeg 1 min = 60 s tund h aeg 1 h = 60 min ööpäev d aeg 1 d = 24 h nurgakraad nurk 1 = (π / 180) rad nurgaminut nurk 1' = (1 / 60) nurgasekund nurk 1'' = (1 / 60)' hektar ha pindala 1 ha = m 2 liiter l või L ruumala 1 L = 1 dm 3 tonn t mass 1 t = 10 3 kg

16 Kordajad Kasutatakse korraga vaid üht eesliidet. Ajaühikutel 1-st suuremaid eesliiteid ei kasutata ( Gs ) Küll aga kasutatakse näiteks ms - millisekund ). Lihtsam ja käepärasem on kui teha arvude asemel tehteid kordajatega. Näit. (milli*kilo=1) Ehk Ohmi seadust kasutades kui pinge on voltides, ja vool milliamprites, tuleb takistus kilo-oomides.

17 Elektrijuhid ja isolaatorid Neid materjale, mille takistus on väike (juhtivus suur ), nimetatakse elektrijuhtideks. Laengukandjate vaba liikumine on võimalik (kõik metallid, soolade ja hapete vesilahused.) Neid materjale, mille takistus on suur (juhtivus väike) nimetatakse isolaatoriteks (plastmass, klaas, õhk ) Nende vahel on pooljuhid ( gernmaanium, räni liiv, millel põhineb kogu kaasaegne elektroonika. Elektrijuht (vasksoon) Isolatsioonikihid (ohutuse pärast mitmekordne) Elektrikaabli ehitus. Puutuda tohib vaid isolatsioonikohast!

18 Eritakistus ja erijuhtivus I I V - Kuubi külg on 1 meeter: Oletame, et takistus on ρ oomi ehk juhtivus γ siimensit: V I I V Kui juhtme pikkus on L meetrit ja ristlõige S m2, siis pinge on L*V ja vool on S*I: S L I S V L R L S V L I S G

19 Eritakistus ja erijuhtivus Eritakistuse ühik on m m m L RS S L R 2 Erijuhtivuse ühik on m S m m S S GL L S G 2

20 Eritakistus ja erijuhtivus Aine ρ γ hõbe [nωm] 630 [MS/m] vask [nωm] 596 [MS/m] raud 9.61 [nωm] 104 [MS/m] konstantaan 45.4 [nωm] 22 [MS/m] nikroom 112 [nωm] 8.9 [MS/m]

21 Takistus ja temperatuur 0 1 T T 0 Aine ρ α vask 1.68 [nωm] [1/ C] raud 9.61 [nωm] [1/ C] konstantaan 45.4 [nωm] [1/ C] manganiin 48.2 [nωm] ± [1/ C]

22 Ülijuhid 1911: Heike Kamerlingh Onnes avastab, et elavhõbe muutub temperatuuril <4K (-269 C) ülijuhiks tema eritakistus on võrdne nulliga. Vajalik keskkond vedel heelium. 1986: keraamilises ülijuhis saavutatakse ülijuhtivus temperatuuril 58K (-215 C). Nobeli preemia : 92K (-181 C). Vedel lämmastik 77K. 1994: 138K (-135 C). Hg 0.8 Tl 0.2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 8.33

23 Ülijuhid Kuna ülijuhi takistus on null, siis püsib ülijuhtivas rõngas vool kuitahes kaua (energia ei eraldu). Seega: energiasalvesti! Ülijuhitivate mahistega tekitatav magnetväli sobib nt energiasalvesti hoorattale laagrite tekitamiseks.

24 Vool põhjustab pinge Takistus osutab vastupanu Laengukandjate kuhjumine ühe klemmi juurde Analoog vee pudelisse kallamine lehtriga Takisti võimsustaluvus! P=V*I

25 Ohmi seadus Ohmi seadus: vool on võrdeline pingega ja pöördvõrdeline takistusega. Takistus on keha omadus. Takistus ei ole võrdeline pingega ja pöördvõrdeline vooluga. Mehaanika analoog: Hooke i seadus Pilt:wikipedia Pilt:goodwindocs.com

26 Jadaühendus Kaks elementi on jadamisi kui neil on üks ühine klemm. Jadaühendusel on vool elementides sama ja liituvad takistused ja pinged. R 1 R 2 R 3 R=R 1 R 2 R 3 2 V 8 V 2 V Kehtib vaid kaksklemmide korral! Kehtib ka reaktiivtakistuste puhul (Z) 2 V 2 V

27 Rööpühendus Kaks elementi on rööbiti kui neil on kaks ühist klemmi. Rööpühendusel on pinge elementidel sama ja liituvad juhtivused ja voolud. G 1 G 2 G 3 G=G 1 G 2 G 3 1/R=1/R 1 1/R 2 1/R 3 Ainult 2 elemendi korral! Kehtib vaid kaksklemmide korral! Kehtib ka reaktiivtakistuste puhul (Z) R = R1 R2 R1 R2

28 Pingeallikas Pingeallika eesmärk on tekitada tema klemmidele teatud pinge, mis ei sõltu teda läbivast voolust. Pingeallika sisetakistus on 0. V V I Kui on tegemist suletud süsteemiga, tekib vool,mille märk on antud skeemil sama, mis pingel. Pingeallika pinget ei mõjuta talle külge ühendatud koormused. Pingeallikat ei tohi lühistada,ega ühendada paralleelselt teise pingeallikaga (tekib lõpmata suur vool)! = 3V 2V

29 Pingeallikas 1 A -1 A 10V 10Ω 10 V 10 Ω -10 V -1 A -- = 4 V -4 V

30 Reaalne pingeallikas R>>0 V

31 Thévenin i sidu aseskeem V = RI V o V o R V I

32 Pingeallikas Jadaühendus. Pinged liituvad. Vool on sama! 0V 1.5 V 1.5 V 1.5 V V? 0V 1.5 V 1.5 V 1.5 V V? 0V 1.5 V 1.5 V 1.5 V V?

33 Vooluallikas Vooluallika eesmärk on tekitada temast läbiv kindel vool, mis ei sõltu temal olevast pingest. Vooluallika sisejuhtivus on 0. I I - Kui on tegemist suletud süsteemiga, tekib pinge,mille märk on antud skeemil sama, mis voolul. Vooluallika voolu ei mõjuta jadamisi külge ühendatud koormused. Vooluallikat ei tohi tühisesse jätta ega neid mitu tükki järjestikku ühendada (tekib lõpmata suur pinge)!!! =

34 Vooluallikas V=10 V V=-10 V 1 A 10 Ω -1 A 10 Ω ma 2 ma =

35 Reaalne vooluallikas I G >>0

36 Norton i sidu aseskeem I = GV I s I s G V I

37 Ideaalne voltmeeter V Voltmeetrit kasutatakse pinge mõõtmiseks. Voltmeetri sisetakistus on lõpmata suur ja tänu sellele ei mõjuta voltmeetri näitu temaga jadamisi olevad elemendid. Voltmeetri ühendamisel skeemi teistpidi muutub voltmeetri näidu ees märk. Näited (näitab 10 V) (näitab -10 V) V = V 10 V V 10 V V

38 Reaalne voltmeeter V - COM R Reaalsel voltmeetril on olemas arvestatav sisetakistus! Erinevalt ideaalsest voltmeetrist läbib seda vool. Digiriistadel >1MΩ, analoogriistal vahemikus kΩ. Sisetakistus sõltub mõõtepiirkonnast. Täpsel mõõtmisel tuleb seda arvestada! Ära mitte kunagi ürita mõõta voolu voltmeetriga!!! (halvimal juhul mõõtur rikneb, paremal juhul näitab avatud ahela pinget)

39 Ideaalne ampermeeter A Ampermeetrit kasutatakse voolu mõõtmiseks. Ampermeetri sisetakistus on lõpmata väike ja tänu sellele ei mõjuta näitu temaga rööbiti ühendatud elemendid. Ampermeetri ühendamisel skeemi teistpidi muutub näidu ees märk. Näited (näitab -1 ma) 1 ma A = A A 1 ma (näitab 1 ma) A

40 Reaalne ampermeeter A (ma) R Reaalsel ampermeetril on olemas arvestatav sisetakistus!. Sisetakistus sõltub mõõtepiirkonnast ja on vahemikus Ω. Digitaalse ampermeetri sisetakistus võib olla suurem samal piirkonnal analoogriista omast. - (COM) Ära mitte kunagi ürita mõõta pinget ampermeetriga!!! (halvimal juhul mõõtur rikneb, paremal juhul näitab suletud ahela voolu)

41 Jagurid Jagunemine on üks tavalisemaid nähtusi (nt auhinnarahad, kasum, vool, pinge, vastutus, aupaiste,...) Jagunemine on võrdeline läbipaistvusega (juhtivusega) või läbipaistmatusega (takistusega)

42 Jagurid Ülesanne: Ema tõi poest kommikoti, milles on 27 kommi. Kuna Juku tegi ema äraolekul 2 korda vähem pahandust kui Juta, otsustas ema jagada kommid sedasi, et Juku saab kaks korda vähem kommi kui Juta. Mitu kommi saab Juku ja mitu kommi saab Juta? Vihje: ema otsustas, et annab Jukule 1 osa tervikust ja Jutale 2 osa tervikust.

43 Voolujagur

44 G1 Voolujagur Milline on IA? Oletame arvutustes, et ampermeeter On ideaalne (sisetakistus on 0). Järelikult pinge ampermeetril on 0. I in G2 A I A Vool Iin läbides juhtivusi G1 ja G2 tekitab nendel Ohmi seaduse järgi pinge: VG1=VG2= Iin G1G2 Vool, mis läbib juhtivust G2, avaldub G2 pinge ja juhtivuse korrutisena: IG2=IA=VG2*G2. Asendades eelmisest sisse VG2 saame, et IA=G2 * Iin G1G2, ehk ülekanne avaldub : K= IA Iin = G2 G1G2 Arvestades, et G=1/R, võib ülekande avaldada ka nii: K= IA Iin = R1 R1R2

45 Pingejagur

46 Pingejagur I= Vin R1R2 R1 Milline on Vout? I=0! Oletame arvutustes, et allikas ja mõõtur on ideaalsed ( pingeaallikas on lühis ja voltmeeter tühis). Sellisel juhul voltmeetrit läbiv vool on 0. V in V R2 V out Ahelas tekkiv vool läbib mõlemat takistit ja avaldub Ohmi seaduse järgi : I= Vin R1R2 Takistil R2 tekib pinge Vout : VR2=Vout=I*R2 Asendades sisse voolu, saame,et VR2=Vout=R2* Vin R1R2 Ülekanne avaldub sellest: K= Vout Vin = R2 R1R2