Komponenter
Navigeringshjälp
Den här navigeringshjälpen visar de första stegen för att använda presentationen. Du kan hoppa över den med ⟶ (högerpil).
Navigering
Du kan bläddra mellan bilder och avsnitt med piltangenterna på datorn.
- Pil ned och upp: nästa / föregående bild
- Pil höger och vänster: nästa / föregående avsnitt
- Blanksteg eller ”n”: visa elementen på bilden ett i taget eller gå till nästa bild
- Skift-blanksteg eller ”p”: dölj elementen baklänges eller gå till föregående bild
Fler funktioner
Med några kortkommandon kommer du åt fler funktioner. De viktigaste är:
- F1
- Help / hjälp
- o
- Overview / översikt över alla bilder
- s
- Speaker View / talarvy
- f
- Full Screen / helskärmsläge
- b
- Break, Black, Pause / dölj presentationen
- Alt-klick
- Zooma in på eller ut från bilden
Översikt
Presentationen är tvådimensionell: kolumnerna är kapitlets avsnitt och raderna är bilderna i respektive avsnitt.
Skriver du ett ”o” får du en översikt över alla bilder i presentationen. Det hjälper dig att få en överblick eller hitta tillbaka om du känner att du ”gått vilse”. Navigera med piltangenterna.
Klicka på en bild för att visa den.
Talarvy
Skriver du ett ”s” öppnas ett nytt fönster, talarvyn.
Under ”Layout” kan du välja mellan olika placeringar av elementen.
Talarvyn innehåller följande:
- Till vänster syns den aktuella bilden
- Uppe till höger syns nästa bild
- I mitten till höger finns hjälpmedel för tidsplaneringen
- Nere till höger finns ”anteckningar för talaren”
- Längst ned finns navigeringspilarna
Praktiska tips för talarvyn
- Om du använder en projektor ställer du in operativsystemet på två skärmar: talarvyn visas då till exempel på laptopen medan deltagarna ser presentationen.
- Vid en onlinepresentation delar du webbläsarfliken och navigerar i fönstret ”Speaker View”.
- Talarvyn gäller alltid ett kapitel. I slutet av kapitlet måste den stängas för att kunna öppna en ny talarvy i nästa kapitel.
- För att markera något med muspekaren eller använda zoom måste du byta till det fönster där presentationen visas.
Helskärm
Skriver du ett ”f” visas den aktuella bilden i helskärm. Med ”Esc” lämnar du helskärmsläget.
Det är särskilt praktiskt för skärmen som visar presentationen för publiken.
Dölj
Skriver du ett ”b” döljs presentationen.
Du visar den igen på något av följande sätt:
- Klicka i fönstret.
- Tryck på ”b” igen.
- Klicka på knappen ”Resume presentation”.
Zoom
Håller du ned Alt-tangenten och klickar i presentationen zoomas den delen in. Det är praktiskt för att lyfta fram detaljer i kopplingar. Ett nytt klick tillsammans med Alt zoomar ut igen.
Zoomen fungerar bara i det valda fönstret. Talarvyn är inte synkroniserad med presentationsvyn när det gäller zoom.
Kondensatorn
Kapacitans
- Kondensatorns viktigaste egenskap: lagra laddning
- $\rightarrow$ Kapacitans
- med $Q$ som elektrisk laddning
- Enhet: $\unit{\ampere\second\per\volt}$ resp. farad $\unit{\farad}$
- Kapacitansen är den elektriska laddningen per volt
Kapacitans genom konstruktionen
- Kapacitansen bestäms av konstruktionen
- $\rightarrow$ Kapacitansen är större vid större yta, litet avstånd eller annat dielektrikum
- $\varepsilon_0 = \qty{0,855e-11}{\ampere\second\per\volt\meter}$: elektrisk fältkonstant
- $\varepsilon_r$: relativ permittivitet, beror på dielektrikumet (enhetslös)
- $A$: kondensatorplattornas yta
- $d$: plattornas avstånd
Vridkondensator
- En platta är fast, den andra kan vridas
- Kondensatorn verkar bara där plattorna överlappar
- Ytan ändras genom vridning $\rightarrow$ kapacitansen ändras
Elektrolytkondensator
- Särskild konstruktion
- Möjliggör stor kapacitans
- Bara för likspänning
- Polariteten måste beaktas
Laddningskurva
- En tom kondensator ansluts till likspänning
- Spänningen stiger brant och planar sedan ut mot den pålagda spänningen
Kondensator i växelström
- I en likströmskrets laddas kondensatorn upp men verkar sedan som ett oändligt stort motstånd
- Vid växelström laddas och urladdas kondensatorn hela tiden
- Ju högre frekvens, desto lägre är kondensatorns växelströmsmotstånd
Fasvinkel och fasförskjutning
Sinusformad växelspänning
- Alstras av en roterande spole i ett magnetfält
- För ett varv krävs en viss tid
- Vid varje tidpunkt står spolen i en bestämd vinkel $\rightarrow$ fasvinkel
Fasförskjutning
- Fasförskjutning beskriver tidsförskjutningen mellan två periodiska signaler med samma frekvens
- Anges oftast i grader (°) eller radianer
- En fasförskjutning mellan ström och spänning kan uppstå t. ex. i komponenter som kondensatorer eller spolar
Kondensatorn vid växelström
- Fasförskjutning på $\qty{90}{\degree}$
- Strömmen ligger före spänningen
Verkeffekt
- Den gröna effektkurvan är produkten av ström och spänning
- Effekten pendlar symmetriskt kring nollinjen och jämnar ut sig
- Reaktiv effekt i en reaktans
- Verkeffekt omsätts bara i ett ohmskt motstånd (ström och spänning i fas)
- En reaktans tar inte upp verkenergi
- Blir därför inte varm
- En varm kondensator vid högfrekvens har en ohmsk del och bör bytas
Kapacitiv reaktans $X_{\textrm{C}}$
En kondensator ansluten till växelspänning laddas och urladdas hela tiden $\rightarrow$ växelströmsmotstånd / kapacitiv reaktans
- Om frekvensen på växelspänningen över en kondensator ökas flyter mer ström; det betyder att den kapacitiva reaktansen har blivit mindre.
- Om kondensatorns kapacitans ökas stiger också strömmen, dvs. reaktansen blir också mindre.
$$X_{\textrm{C}} = \frac{1}{\omega \cdot C} = \frac{1}{2\pi \cdot f \cdot C}$$
Räkneexempel
- givet: $C = \qty{10}{\pico\farad}$
- givet: $f = \qty{100}{\mega\hertz}$
- sökt: $X_{\textrm{C}}$
$$\begin{split} X_{\textrm{C}} &= \frac{1}{\omega \cdot C} = \frac{1}{2\pi \cdot f \cdot C}\\ &= \frac{1}{2\pi \cdot \qty{100}{\mega\hertz} \cdot \qty{10}{\pico\farad}}\\ &\approx \qty{159}{\ohm} \end{split}$$
Räkneexempel
- givet: $C = \qty{50}{\pico\farad}$
- givet: $f = \qty{145}{\mega\hertz}$
- sökt: $X_{\textrm{C}}$
$$\begin{split} X_{\textrm{C}} &= \frac{1}{\omega \cdot C} = \frac{1}{2\pi \cdot f \cdot C}\\ &= \frac{1}{2\pi \cdot \qty{145}{\mega\hertz} \cdot \qty{50}{\pico\farad}}\\ &\approx \qty{22}{\ohm} \end{split}$$
Räkneexempel
- givet: $C = \qty{100}{\pico\farad}$
- givet: $f = \qty{435}{\mega\hertz}$
- sökt: $X_{\textrm{C}}$
$$\begin{split} X_{\textrm{C}} &= \frac{1}{\omega \cdot C} = \frac{1}{2\pi \cdot f \cdot C}\\ &= \frac{1}{2\pi \cdot \qty{435}{\mega\hertz} \cdot \qty{100}{\pico\farad}}\\ &\approx \qty{3,7}{\ohm} \end{split}$$
Räkneexempel
- givet: $U = \qty{16}{\volt}$
- givet: $I = \qty{32}{\milli\ampere}$
- givet: $f = \qty{50}{\hertz}$
- sökt: $C$
$$X_{\textrm{C}} = \frac{U}{I} = \frac{\qty{16}{\volt}}{\qty{32}{\milli\ampere}} = \qty{500}{\ohm}$$
$$\begin{split} X_{\textrm{C}} &= \frac{1}{\omega \cdot C} \\ \Rightarrow C &= \frac{1}{\omega \cdot X_{\textrm{C}}} = \frac{1}{2\pi \cdot f \cdot X_{\textrm{C}}}\\ &= \frac{1}{2\pi \cdot \qty{50}{\hertz} \cdot \qty{500}{\ohm}}\\ &\approx \qty{6,37}{\micro\farad}\end{split}$$
Kondensatorförluster
- Förlustfaktor
$\tan(\delta) = \frac{R}{X_C}$ - Förluster i dielektrikum och tillledningar
Spolen
Induktans
- Varje strömförande ledare har en induktans
- Runt en strömförande ledare uppstår ett magnetfält
- I en ledare uppstår en ström när den rör sig genom ett magnetfält
Spole och induktans
- En spole optimerar en ledares induktans
- Spolens viktigaste egenskap: lagra energi
- med $N$ antal varv och $\Phi$ som magnetiskt flöde
- Enhet: $\unit{\volt\second\per\ampere}$ resp. henry $\unit{\henry}$
- Induktansen är det magnetiska flödet per ampere
Induktans genom konstruktionen
- Induktansen hos en ringspole bestäms av konstruktionen
- $\rightarrow$ Induktansen är större vid större tvärsnitt, annan kärna eller kortare längd
- $\rightarrow$ Induktansen är mycket större vid högre varvtal
- $\mu_0 = \qty{1,2566e-6}{\henry\per\meter}$: magnetisk fältkonstant
- $\mu_r$: relativ permeabilitet, beror på spolkärnan (luft $\approx 1$)
- $N$: antal varv
- $A_S$: spolens tvärsnittsarea
- $l$: spolens längd resp. medellängd på fältlinjerna
Strömflöde genom en spole
- Strömmen tar längre tid genom spolen
- Först lyser lampa$_1$
- Senare lyser lampa$_2$
Tillslagskurva spole
- En spole ansluts till likspänning
- Spänningen sjunker brant och närmar sig med tiden 0
Spole i växelström
- I en likströmskrets verkar en spole först som ett oändligt stort motstånd, men blir efter tillslagsförloppet lika stor som ledarens resistans
- Vid växelström ompolas magnetfältet i spolen hela tiden
- Därigenom uppstår en självinduktionsspänning som är motriktad och stör
- Ju högre frekvens, desto högre är spolens växelströmsmotstånd
Spolen vid växelström och impedans
- Fasförskjutning på $\qty{90}{\degree}$
- Spänningen ligger före strömmen
Verkeffekt
- Den gröna effektkurvan är produkten av ström och spänning
- Effekten pendlar symmetriskt kring nollinjen och jämnar ut sig
- Reaktiv effekt i en reaktans
- En reaktans tar inte upp verkenergi
- En ideal spole blir inte varm
- En spole består dock av tråd och har därför ohmska förluster
- Dessutom verkar skin-effekten
Induktiv reaktans $X_{\textrm{L}}$
En spole ansluten till växelspänning vänder hela tiden magnetfältet $\rightarrow$ växelströmsmotstånd / induktiv reaktans
- Om frekvensen på växelspänningen över en spole ökas flyter mindre ström; det betyder att den induktiva reaktansen har blivit större.
- Om spolens induktans ökas minskar också strömmen, dvs. reaktansen blir också större.
$$|X_{\textrm{L}}| = \omega \cdot L = 2\pi \cdot f \cdot L$$
Räkneexempel
- givet: $L = \qty{3}{\micro\henry}$
- givet: $f = \qty{100}{\mega\hertz}$
- sökt: $X_{\textrm{L}}$
$$\begin{split} |X_{\textrm{L}}| &= \omega \cdot L = 2\pi \cdot f \cdot L\\ &= 2\pi \cdot \qty{100}{\mega\hertz} \cdot \qty{3}{\micro\henry}\\ &\approx \qty{1885}{\ohm} \end{split}$$
Höjning av induktansen
Cylinderspole
- Öka varvtalet $N$
- Förkorta spollängden $l$
- Öka spolens tvärsnittsarea $A_S$
Ringkärnespole
- Öka varvtalet $N$
- Använd ett mer magnetiskt ledande kärnmaterial (med större induktanskonstant $A_{\textrm{L}}$)
Räkneexempel
- givet: $N = 14$
- givet: $A_{\textrm{L}} = \qty{1,5}{\nano\henry}$
- sökt: $L$
$$\begin{split} L &= N^2 \cdot A_{\textrm{L}}\\ &= 14^2 \cdot \qty{1,5}{\nano\henry}\\ &= \qty{0,294}{\micro\henry} \end{split}$$
Räkneexempel
- givet: $N = 300$
- givet: $A_{\textrm{L}} = \qty{1250}{\nano\henry}$
- sökt: $L$
$$\begin{split} L &= N^2 \cdot A_{\textrm{L}}\\ &= 300^2 \cdot \qty{1250}{\nano\henry}\\ &= \qty{112,5}{\milli\henry} \end{split}$$
Räkneexempel
- givet: $L = \qty{2}{\milli\henry}$
- givet: $A_{\textrm{L}} = \qty{250}{\nano\henry}$
- sökt: $N$
$$\begin{split} L &= N^2 \cdot A_{\textrm{L}}\\ N &= \sqrt{\frac{L}{A_{\textrm{L}}}} = \sqrt{\frac{\qty{2}{\milli\henry}}{\qty{250}{\nano\henry}}} \\ &= 89\,\text{varv} \end{split}$$
Räkneexempel
- givet: $L = \qty{12}{\micro\henry}$
- givet: $A_{\textrm{L}} = \qty{30}{\nano\henry}$
- sökt: $N$
$$\begin{split} L &= N^2 \cdot A_{\textrm{L}}\\ N &= \sqrt{\frac{L}{A_{\textrm{L}}}} = \sqrt{\frac{\qty{12}{\micro\henry}}{\qty{30}{\nano\henry}}} \\ &= 20\,\text{varv} \end{split}$$
Spolförluster
- Förlustfaktor $\tan(\delta) = \frac{R}{X_L}$
- Förluster i ledaren
Impedans
- Seriekoppling av reaktans och resistans $\rightarrow$ impedans $Z$
- Uppträder bara vid växelspänning
- Kan inte mätas med en ohmmätare
- Inom radiotekniken $\rightarrow$ impedans
- Antennimpedans, ingångs- och utgångsimpedans, impedansomvandlare, …
- Impedans $Z$ i $\unit{\ohm}$
- Resistans $R$
- Reaktans $X_{\textrm{L}}$
- Impedansen beräknas med Pythagoras sats
Avskärmning av magnetfält
- För avskärmning: ett hölje av ett välledande material.
- Exempel: avskärmningshylsa av stål eller järn.
- Justerbar ferritkärna för att ändra induktansen.
Transformatorn
- Två spolar magnetiskt kopplade på en gemensam kärna
- Energi överförs via kopplingen
- Spänningar och strömmar kan ändras
- Transformator, kort trafo
Omsättningsförhållande
- Spänningarna på transformatorns anslutningar förhåller sig som antalet varv
- $N_P$: varv på primärsidan
- $N_S$: varv på sekundärsidan
- $U_P$: spänning på primärsidan
- $U_S$: spänning på sekundärsidan
Transformatorn: ström, strömtäthet och impedansanpassning
Transformatorprincipen
- Magnetiskt kopplade spolar
- Varierande ström i en spole
- Alstrar spänning i den andra spolen
- $\rightarrow$ ömsesidig induktion
Förhållandet mellan varven på primär- och sekundärsidan är som förhållandet mellan spänningarna primär- till sekundärsidan, men som förhållandet mellan strömmarna sekundär- till primärsidan:
$$ü = \frac{N_P}{N_S} = \frac{U_P}{U_S} = \frac{I_S}{I_P}$$Förhållandet mellan primär- och sekundärimpedans är som ovanstående förhållanden i kvadrat:
$$ü^2 = \frac{Z_P}{Z_S} = \left(\frac{N_P}{N_S}\right)^2 = \left(\frac{U_P}{U_S}\right)^2 = \left(\frac{I_S}{I_P}\right)^2$$Eller efter att ha dragit roten:
$$ü = \frac{N_P}{N_S} = \frac{U_P}{U_S} = \frac{I_S}{I_P} = \sqrt{\frac{Z_P}{Z_S}}$$Räkneexempel
- givet: $U_P = \qty{230}{\volt}$
- givet: $U_S = \qty{6}{\volt}$
- givet: $I_S = \qty{1,15}{\ampere}$
- sökt: $I_P$
$$\begin{split} \frac{U_P}{U_S} &= \frac{I_S}{I_P} \\ \Rightarrow I_P &= \frac{I_S \cdot U_S}{U_P} = \frac{\qty{1,15}{\ampere} \cdot \qty{6}{\volt}}{\qty{230}{\volt}} \\ &= \qty{30}{\milli\ampere} \end{split}$$
Impedansanpassning
Räkneexempel
- givet: $Z_P = \qty{50}{\ohm}$
- givet: $Z_S = \qty{2,5}{\kilo\ohm}$
- sökt: $ü$
$$\begin{split} ü &= \sqrt{\frac{Z_P}{Z_S}} = \sqrt{\frac{\qty{50}{\ohm}}{\qty{2,5}{\kilo\ohm}}} \\ &= \sqrt{\frac{1}{50}} \approx \frac{1}{7} \end{split}$$
Räkneexempel
- givet: $Z_S = \qty{16}{\kilo\ohm}$
- givet: $ü = \frac{1}{4}$
- sökt: $Z_P$
$$\begin{split} ü &= \sqrt{\frac{Z_P}{Z_S}} \\ \Rightarrow Z_P &= ü^2 \cdot Z_S = \frac{1^2}{4^2} \cdot \qty{16}{\kilo\ohm} \\ &= \frac{\qty{16}{\kilo\ohm}}{16} = \qty{1}{\kilo\ohm} \end{split}$$
Räkneexempel
- givet: $Z_P = \qty{450}{\ohm}$
- givet: $Z_S = \qty{50}{\ohm}$
- sökt: $ü$
$$\begin{split} ü &= \sqrt{\frac{Z_P}{Z_S}} = \sqrt{\frac{\qty{450}{\ohm}}{\qty{50}{\ohm}}} \\ &= \sqrt{\frac{9}{1}} = \frac{3}{1} \end{split}$$
Maximal ström
- Ledningen får inte bli för varm
- Annars smälter isoleringen
- Eller ledaren glöder
- $\rightarrow$ tillåten strömtäthet: strömstyrka i förhållande till ledartvärsnittet
Exempel på tillåten strömtäthet
enligt tyska VDE
- Fritt dragna kopparledare: $\frac{\qty{12}{\ampere}}{\qty{0,75}{\milli\meter\squared}}$
- Smältsäkringar: upp till $\qty{3000}{\ampere\per\milli\meter\squared}$
- Transformatorer: $\qty{2,5}{\ampere\per\milli\meter\squared}$ (dålig värmeavgivning från lindningarna)
Räkneexempel
- givet: $d = \qty{0,5}{\milli\meter}$
- givet: strömtäthet $\frac{I}{A} = \frac{\qty{2,5}{\ampere}}{\qty{1}{\milli\meter\squared}}$
- sökt: $I_{\mathrm{max}}$
$$A_{Dr} = \frac{d^2 \cdot \pi}{4} = \frac{(\qty{0,5}{\milli\meter})^2 \cdot \pi}{4} \approx \qty{0,196}{\milli\meter\squared}$$
$$I_{\mathrm{max}} = \frac{I}{A} \cdot A_{Dr} = \frac{\qty{2,5}{\ampere}}{\qty{1}{\milli\meter\squared}} \cdot \qty{0,196}{\milli\meter\squared} = \qty{0,49}{\ampere}$$
Dioden
Användning
- En diod släpper bara igenom ström i en riktning
- I den andra riktningen verkar den som ett högt motstånd
- Dioder används bl.a. för likriktning av växelspänning
[picture:689:e_led:Olika LED:ar i olika utföranden och färger]
Tröskelspänning
- För att en diod ska leda i framriktningen måste en viss spänning – tröskelspänningen eller framspänningen – överskridas
- Beroende på grundämnet är tröskelspänningen olika hög
- Germanium: $\qtyrange{0,2}{0,4}{\volt}$
- Kisel: $\qtyrange{0,6}{0,8}{\volt}$
- LED (röd): $\qtyrange{1,6}{2,2}{\volt}$
- LED (gul, grön): $\qtyrange{1,9}{2,5}{\volt}$
- LED (blå, vit): $\qtyrange{2,7}{3,5}{\volt}$
Schottkydiod
- Tillåter hög switchfrekvens
- Behöver bara en mycket låg tröskelspänning från $\qty{0,4}{\volt}$ till under $\qty{0,1}{\volt}$
Ledande diod
- En diod leder alltid när spänningen på anoden är tröskelspänningen mer positiv än på katoden
- Gäller även för negativa spänningar
- I exemplen används kiseldioder med $\qty{0,7}{\volt}$ tröskelspänning
LED-användning
- En LED fungerar som lysindikering
Seriemotstånd
- Eftersom LED:en själv knappt har något motstånd skulle den vid direkt anslutning till en spänningskälla verka som en kortslutning
- Med ett seriemotstånd begränsas framströmmen
- Beräkning: $R = \dfrac{U_q – U_{\mathrm{LED}}}{I_D}$
- $U_q$: spänningskälla
- $U_{\mathrm{LED}}$: LED:ens tröskelspänning
- $I_D$: framström
Zenerdiod
- Normalt ligger en diods maximala backspänning vid ca. $\qty{1000}{\volt}$
- Hos zenerdioder sker ett spänningsgenombrott beroende på typ mellan $\qty{3}{\volt}$ och $\qty{100}{\volt}$
- Används för spänningsstabilisering
Polaritet
- Zenerdioder drivs med seriemotstånd i backriktningen
Seriemotstånd
- $U_Z$ är spänningen som zenerdioden stabiliserar till
- $$U_V = U_1 - U_Z = \qty{13,8}{\volt} - \qty{5}{\volt} = \qty{8,8}{\volt}$$
- $$R_V = \frac{U_V}{I} = \frac{\qty{8,8}{\volt}}{\qty{30}{\milli\ampere}} \approx \qty{293}{\ohm}$$
Halvledare: dopning och pn-övergång
Halvledare
- Består av en gitterstruktur
- 4 delade elektroner i yttre skalet
- Är egentligen isolatorer
- Kan bli ledare genom temperaturhöjning, ljus eller dopning
Dopning
- ”Förorening” av halvledare
- Ämnen med 5 elektroner i yttre skalet $\rightarrow$ elektronöverskott $\rightarrow$ n-dopning
- Ämnen med 3 elektroner i yttre skalet $\rightarrow$ elektronbrist (”hål”) $\rightarrow$ p-dopning
Kombination
- n-dopad halvledare mot p-dopad halvledare
- Elektroner från det n-dopade området vandrar in i det p-dopade området $\rightarrow$ diffusion
- En utarmningszon eller spärrskikt uppstår
- Över spärrskiktet ligger ett elektriskt fält
- Utbytet stoppar så fort det elektriska fältet blir för starkt för elektronerna
pn-diod i framriktningen
- En spänning läggs på p-området (anoden)
- Spänningen måste vara mer positiv än på n-området (katoden)
- Spänningen drar elektroner över spärrskiktet
- Spärrskiktet bryts ned och en ström flyter i framriktningen
pn-diod i backdrift
- Positiv spänning på katoden
- Spärrskiktet blir större
- Strömflödet stoppar och dioden spärrar
Dioden: temperatur, varaktor, fotodiod
Framriktning
- Elektronflöde från N till P
- Den tekniska strömriktningen är motsatt elektronflödets riktning
Temperatur
- Vid högre temperatur finns fler fria elektroner
- Mättnadsströmmen ökar med stigande temperatur
- Men rörligheten förändras
- Därigenom sjunker framspänningen (med ca. $\qty{-2}{\milli\volt\per\kelvin}$)
Kapacitansdiod (varaktor)
- Kapacitansdioden utnyttjar kapacitansen över rymdladdningszonen
- Ingen likström får flyta
- Drivs i backriktningen
Ju mer negativ diodspänningen är, desto mer vidgas rymdladdningszonen och desto lägre blir diodkapacitansen.
Spänningsbegränsning
- Antiparallella dioder
- Begränsning av amplituden hos en växelspänning
- Kisel: ca. $\qty{0,6}{\volt}$ tröskelspänning
- Germanium: ca. $\qty{0,3}{\volt}$ tröskelspänning
- $\rightarrow$ klippning (clipping)
Fotodiod
- Ljus absorberas i rymdladdningszonen
- Elektron-hål-par uppstår
- Elektroner rör sig mot p-området, hål mot n-området
- Ansluts en förbrukare (med negativ spänning på p-anslutningen) verkar fotodioden som strömkälla
- Strömmen är proportionell mot ljusintensiteten
Optokopplare
- Sammanslagning av lysdiod och fotodiod i ett hölje
- Ingångssida: lysdiod
- Utgångssida: fotodiod
- Båda är galvaniskt åtskilda från varandra
Bipolärtransistorn
Från dioden till transistorn
Funktionen kan tänkas så här:
- Med en styrkanal regleras genomflödet i en damm
- Flyter inget vatten i styrkanalen är dammen stängd
Från dioden till transistorn
Funktionen kan tänkas så här:
- Flyter lite vatten i styrkanalen öppnas dammen till hälften
Från dioden till transistorn
Funktionen kan tänkas så här:
- Flyter mer vatten i styrkanalen är dammen helt öppen
Bipolär transistor och kretssymbol
Minnesregel för PNP $\rightarrow$ pilen pekar mot basen (”Pil Närmare Plattan”)
Brytare eller förstärkare?
- Styrningen kan ställas in så att transistorn spärrar eller leder helt, då talar man om en switchtransistor.
- Styrningen kan ställas in så att transistorn styrs steglöst, då talar man om en förstärkare.
Styrspänning och dess polaritet
Olika typer av bipolära transistorer har olika polaritet.
- En NPN-transistor behöver en positiv styrspänning för att leda.
- En PNP-transistor behöver en negativ styrspänning för att leda.
Styrspänningen ligger, liksom för en kiseldiod, vid cirka $\qty{0,6}{\volt}$.
Eftersom inte bara kollektorströmmen utan också basströmmen flyter genom transistorn, flyter den största strömmen genom emitteranslutningen.
När leder NPN-transistorn?
Är bas-emitter-spänningen tillräcklig och positiv? Här måste man se upp med tecknen och tänka om vid negativa tecken, exempel:
- Bas $\qty{+2}{\volt}$ och emitter $\qty{+1,4}{\volt} \rightarrow$ bas-emitter-spänningen är positiv och uppgår till $\qty{+0,6}{\volt}$
- Bas $\qty{-5,6}{\volt}$ och emitter $\qty{-6,2}{\volt} \rightarrow$ bas-emitter-spänningen är positiv och uppgår till $\qty{+0,6}{\volt}$
Antingen ser man det intuitivt eller räknar ut det (med hänsyn till tecknen).
$$U_{ BE } = U_{ B } - U_{ E }$$När leder PNP-transistorn?
Är bas-emitter-spänningen tillräcklig och negativ? Här måste man se upp med tecknen och tänka om vid negativa tecken, exempel:
- Bas $\qty{+5,6}{\volt}$ och emitter $\qty{+6,2}{\volt} \rightarrow$ bas-emitter-spänningen är negativ och uppgår till $\qty{-0,6}{\volt}$
- Bas $\qty{-2}{\volt}$ och emitter $\qty{-1,4}{\volt} \rightarrow$ bas-emitter-spänningen är negativ och uppgår till $\qty{-0,6}{\volt}$
Antingen ser man det intuitivt eller räknar ut det (med hänsyn till tecknen).
$$U_{ BE } = U_{ B } - U_{ E }$$Typer av transistorer
De hittills behandlade transistorerna kallas bipolära transistorer. De är den typ av transistorer som på 50-talet inledde en teknisk revolution och ersatte elektronröret. Till skillnad från de strömstyrda bipolärtransistorerna är fälteffekttransistorer (FET) spänningsstyrda, det flyter alltså ingen styrström in i dem. Dem tar vi upp mer ingående längre fram.
Transistorkopplingar och fälteffekttransistorn
Bipolär transistor
- Tre halvledarzoner
- Omväxlande n- och p-dopade
- npn-transistor och pnp-transistor
Strömstyrning och faktor
- Bas-emitter-spänningen $U_{\textrm{BE}}$ styr kollektorströmmen $I_{\textrm{C}}$ exponentiellt
- Hos bipolärtransistorn flyter alltid en basström $I_{\textrm{B}}$ som beror exponentiellt av $U_{\textrm{BE}}$
- Faktorn $B$ är transistorns strömförstärkningsfaktor
- Ligger vid ca. 20 till 500
$$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}}$$
Ledande bipolärtransistor
- En betydande kollektorström flyter
- Bas-emitter-dioden i framriktningen
- Kollektor-bas-dioden spärrar, så att inga laddningsbärare går från kollektorn in i basen
Räkneexempel
- Storleken på $R_1$ ställer in basströmmen $I_B$
- $I_B$ är 298 gånger mindre än $I_C$
- Från spänningen över $R_1$ måste transistorns spänningsfall dras av
- givet: $U = \qty{12}{\volt}$
- givet: $I_{\textrm{C}} = \qty{5}{\milli\ampere}$
- givet: $B = 298$
- givet: $U_{\textrm{BE}} = \qty{0,6}{\volt}$
- sökt: $R_1$
$$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{\qty{5}{\milli\ampere}}{298} = \qty{16,779}{\micro\ampere}$$
$$R_1 = \frac{U-U_{\textrm{BE}}}{I_{\textrm{B}}} = \frac{\qty{12}{\volt} - \qty{0,6}{\volt}}{\qty{16,779}{\micro\ampere}} \approx \qty{680}{\kilo\ohm}$$
Stabilisering av arbetspunkten
- Arbetspunkten ställs in via spänningsdelaren
- Tvärströmmen genom $R_2$ ska vara så hög att basströmmen inte har stor inverkan på arbetspunkten
Räkneexempel
- givet: $U = \qty{10}{\volt}$
- givet: $I_{\textrm{C}} = \qty{2}{\milli\ampere}$
- givet: $B = 200$
- givet: $U_{\textrm{R2}} = \qty{0,6}{\volt}$
- givet: $I_{\textrm{R2}} = 10 \cdot I_{\textrm{B}}$
- sökt: $R_1$
$$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{\qty{2}{\milli\ampere}}{200} = \qty{10}{\micro\ampere}$$
$$U_{\textrm{R1}} = U - U_{\textrm{R2}} = \qty{10}{\volt} - \qty{0,6}{\volt} = \qty{9,4}{\volt}$$
$$I_{\textrm{R1}} = I_{\textrm{B}} + I_{\textrm{R2}} = I_{\textrm{B}} + 10 \cdot I_{\textrm{B}} = \qty{110}{\micro\ampere}$$
$$R_1 = \frac{U_{\textrm{R1}}}{I_{\textrm{R1}}} = \frac{\qty{9,4}{\volt}}{\qty{110}{\micro\ampere}} \approx \qty{85,5}{\kilo\ohm}$$
Räkneexempel
- $U_{\textrm{R2}}$ är lika stor som $U_{\textrm{BE}} + U_{\textrm{RE}}$
- Kollektorströmmen bestäms framför allt av $R_{\textrm{E}}$
- Mycket stabil koppling
- givet: $U = \qty{10}{\volt}$
- givet: $I_{\textrm{C}} = \qty{2}{\milli\ampere}$
- givet: $B = 200$
- givet: $U_{\textrm{BE}} = \qty{0,6}{\volt}$
- givet: $U_{\textrm{RE}} = \qty{1}{\volt}$
- givet: $I_{\textrm{R2}} = 10 \cdot I_{\textrm{B}}$
- sökt: $R_1$
$$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{\qty{2}{\milli\ampere}}{200} = \qty{10}{\micro\ampere}$$
$$U_{\textrm{R2}} = U_{\textrm{BE}} + U_{R_{\textrm{E}}} = \qty{0,6}{\volt} + \qty{1}{\volt} = \qty{1,6}{\volt}$$
$$U_{\textrm{R1}} = U - U_{\textrm{R2}} = \qty{10}{\volt} - \qty{1,6}{\volt} = \qty{8,4}{\volt}$$
$$I_{\textrm{R1}} = I_{\textrm{B}} + I_{\textrm{R2}} = I_{\textrm{B}} + 10 \cdot I_{\textrm{B}} = \qty{110}{\micro\ampere}$$
$$R_1 = \frac{U_{\textrm{R1}}}{I_{\textrm{R1}}} = \frac{\qty{8,4}{\volt}}{\qty{110}{\micro\ampere}} \approx \qty{76,4}{\kilo\ohm}$$
Felsökning: avbrott i $R_1$
- Ingen ström genom $R_1 \rightarrow$ ingen spänning över $R_2$
- Basen ligger på jordpotential $\rightarrow$ transistorn är strömlös
- Inget spänningsfall över $R_{\textrm{C}} \rightarrow$ kollektorpotentialen stiger till matningsspänningen
Felsökning: avbrott i $R_2$
- $R_2$ är strömlös $\rightarrow$ basen är via $R_1$ ansluten till matningsspänningen
- På grund av dimensioneringen är basströmmen nu 11 gånger högre än planerat
- Kollektorströmmen ökar kraftigt $\rightarrow$ spänningsfallet över $R_{\textrm{C}}$ ökar kraftigt
- $U_{\textrm{CE}}$ sjunker till mättnadsvärdet cirka $\qty{0,1}{\volt}$
Fälteffekttransistor (FET)
- Annan uppbyggnad
- Det finns en halvledarkanal
- Strömflödet styrs via ett elektriskt fält
- Därigenom spänningsstyrd
FET:ens anslutningar
- Source källa för laddningsbärarna i kanalen
- Drain avlopp för laddningsbärarna i kanalen
- Gate styr flödet av laddningsbärare i kanalen
Typer av FET
- självledande: Utan gate-source-spänning är FET:en ledande
- självspärrande: Utan gate-source-spänning är FET:en spärrande
- n-kanal-FET: Strömmen i kanalen bärs av elektroner
- p-kanal-FET: Strömmen i kanalen bärs av hål
- Övergångs-FET: Gaten är en diod
- Isolerad-gate-FET: Gaten är en kondensatorstruktur (t. ex. MOSFET)
Kretssymboler FET
- självledande/självspärrande: heldragen/streckad linje i kanalen
- p-/n-kanal: pilen pekar från/mot kanalen
- Isolerad gate (MOSFET): gate och kanal som kondensator
Räkneexempel
- givet: $U_{\textrm{B}} = \qty{44}{\volt}$
- givet: $R_1 = \qty{10}{\kilo\ohm}$
- givet: $R_2 = \qty{1}{\kilo\ohm}$
- sökt: $U_{\textrm{GS}}$
- Ansats: Obelastad spänningsdelare över $R_1$ och $R_2$, med $U_{\textrm{GS}} = U_{\textrm{R2}}$
$$\begin{split} \frac{U_{\textrm{R2}}}{U_{\textrm{B}}} &= \frac{R_2}{R_1+R_2}\\ \Rightarrow U_{\textrm{R2}} &= \frac{R_2}{R_1+R_2} \cdot U_{\textrm{B}}\\ &= \frac{\qty{1}{\kilo\ohm}}{\qty{10}{\kilo\ohm}+\qty{1}{\kilo\ohm}} \cdot \qty{44}{\volt}\\ &= \frac{1}{11} \cdot \qty{44}{\volt} = \qty{4}{\volt} \end{split}$$
Räkneexempel
- givet: $U_{\textrm{B}} = \qty{44}{\volt}$
- givet: $R_1 = \qty{10}{\kilo\ohm}$
- givet: $U_{\textrm{GS}} = U_{\textrm{R2}} = \qty{2,8}{\volt}$
- givet: $U_{\textrm{B}} = U_{\textrm{R1}} + U_{\textrm{R2}}$
- sökt: $R_2$
$$\begin{split} \frac{U_{\textrm{R1}}}{U_{\textrm{R2}}} &= \frac{R_1}{R_2}\\ \Rightarrow R_2 &= R_1 \cdot \frac{U_{\textrm{R2}}}{U_{\textrm{R1}}}\\ &= R_1 \cdot \frac{U_{\textrm{R2}}}{U_{\textrm{B}}-U_{\textrm{GS}}}\\ &= \qty{10}{\kilo\ohm} \cdot \frac{\qty{2,8}{\volt}}{\qty{44}{\volt}-\qty{2,8}{\volt}}\\ &\approx \qty{680}{\ohm} \end{split}$$
Räkneexempel
- givet: $R_{\textrm{DSon}} = \qty{4}{\milli\ohm}$
- givet: $I = \qty{25}{\ampere}$
- sökt: $P$
$$P = I^2 \cdot R = (\qty{25}{\ampere})^2 \cdot \qty{4}{\milli\ohm} = \qty{2,5}{\watt}$$
Frihjulsdiod
- Relä drivs via en seriekopplad bipolärtransistor
- Transistorn slår på $\rightarrow$ ström flyter genom relespolen
- Transistorn slår av $\rightarrow$ strömmen i spolen inducerar negativ spänning över transistorn
- Kan förstöra transistorn
- Förhindra: montera en frihjulsdiod parallellt med reläet i backriktningen
- Induktionsspänningen begränsas till diodspänningen
Integrerade kretsar och MMIC
- Integrated Circuit (IC): integrerade kretsar
- Komplex krets på ett halvledarsubstrat
- Underlättar uppbyggnaden av elektroniska kretsar
Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC)
- Bredbandsförstärkare med få komponenter
- Typiskt $\qty{50}{\ohm}$ in- och utgångsimpedans
- Förenar aktiva och passiva komponenter
MMIC-koppling
- Arbetspunkten ställs in via $R_{\textrm{BIAS}}$
- Kondensatorer isolerar likspänning
- Anslutning 2 och 4 ligger på jord mot $U_{\textrm{CC}}$
- Anslutning 1 är öppen
- $U_{\textrm{CC}}$ faller över $R_{\textrm{BIAS}}$ och MMIC
Räkneexempel
- givet: $U_{\textrm{D}} = \qty{4}{\volt}$
- givet: $U_{\textrm{CC}} = \qty{13,5}{\volt}$
- givet: $I_{\textrm{D}} = \qty{10}{\milli\ampere}$
- sökt: $R_{\textrm{BIAS}}$
$$R_{\textrm{BIAS}} = \frac{U_{\textrm{CC}} - U_{\textrm{D}}}{I_{\textrm{D}}} = \frac{\qty{13,5}{\volt} - \qty{4}{\volt}}{\qty{10}{\milli\ampere}} = \qty{950}{\ohm}$$
Räkneexempel
- givet: $U_{\textrm{D}} = \qty{4}{\volt}$
- givet: $U_{\textrm{CC}} = \qty{13,8}{\volt}$
- givet: $I_{\textrm{D}} = \qty{15}{\milli\ampere}$
- sökt: $R_{\textrm{BIAS}}$
$$R_{\textrm{BIAS}} = \frac{U_{\textrm{CC}} - U_{\textrm{D}}}{I_{\textrm{D}}} = \frac{\qty{13,8}{\volt} - \qty{4}{\volt}}{\qty{15}{\milli\ampere}} = \qty{653,3}{\ohm} \rightarrow \qty{680}{\ohm}$$
Räkneexempel
- givet: $U = \qty{9}{\volt}$
- givet: $R_{\textrm{BIAS}} = \qty{470}{\ohm}$
- givet: $U_{\textrm{D}} = \qty{4}{\volt}$
- sökt: $P$
- Ansats: Strömmen genom $R_{\textrm{BIAS}}$ är densamma överallt, eftersom ingen annan ohmsk förbrukare finns i kopplingen
$$I_{\textrm{D}} = \frac{U_{\textrm{BIAS}}}{R_{\textrm{BIAS}}} = \frac{U-U_{\textrm{D}}}{R_{\textrm{BIAS}}} = \frac{\qty{9}{\volt}-\qty{4}{\volt}}{\qty{470}{\ohm}} = \qty{10,64}{\milli\ampere}$$
$$P = U_{\textrm{D}} \cdot I_{\textrm{D}} = \qty{4}{\volt} \cdot \qty{10,64}{\milli\ampere} \approx \qty{43}{\milli\watt}$$