Elektroniikka. Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist

Transkriptio

1 Elektroniikka Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist

2 Kurssin sisältö Sähköopin perusteet Elektroniikan perusteet Sähköturvallisuus ja lainsäädäntö Elektroniikka musiikkiteknologiassa

3 Suoritustapa Läsnäolo ja aktiivinen osallistuminen tunneille Harjoitustyöt Tentti

4 Sähkö

5 Keskeisiä termejä ja käsitteitä Sähkö Energian muoto, joka mahdollistaa jonkinlaisen, yleensä mekaanisen, työn tekemisen Varaus Aineen tai hiukkasen ominaisuus, joka mahdollistaa tämän vaikuttamisen muihin sähköisesti varautuneisiin kohteisiin Positiivinen tai negatiivinen varaus Jännite Kahden varauksen suhde toisiinsa

6 Keskeisiä termejä ja käsitteitä Virta Sähköisesti varautuneiden hiukkasten liikettä Teho Kyky tehdä sähköistä työtä Resistanssi Kyky vastustaa sähkön kulkua Virtapiiri Kahden varauksen välinen kokonaisuus, jossa sähkö voi kulkea Avoin tai suljettu virtapiiri

7 Keskeisiä termejä ja käsitteitä Johde Kappale tai aine, jolla on suhteellisen hyvä kyky kuljettaa sähköä Eriste Kappale tai aine, jolla on suhteellisen hyvä kyky vastustaa sähkön kulkua

8 Mitä sähkö on Yksi energian muoto, joka mahdollistaa jonkin työn tekemisen Mekaaninen työ Terminen työ Magneettinen työ Kemiallinen työ Energiaa ei ilmesty tai katoa jonnekin Energia voi muuttua muodosta toiseen

9 Mitä sähkö on Jotta saataisiin aikaa virtapiiri, jolla on mahdollista suorittaa joku työ, on sinne ensin saatava aikaan sähköinen energia Tyypillisimmissä arkielämän sovelluksissa sähkö kulkee metallisissa johtimissa, jolloin sähkön kulkua tarkastellaan negatiivisten varausten, elektronien, liikkeen kautta

10 Energian muotoja Valo Lämpö Sähkö Liike Muut

11 Sähkön ilmeneminen Kaikki aine koostuu pienistä hiukkasista, atomeista Atomit sisältävät kolmenlaisia alkeishiukkasia Protoni = positiivisen varauksen sisältävä alkeishiukkanen Elektroni = negatiivisen varauksen sisältävä alkeishiukkanen Neutroni = varaukseton alkeishiukkanen Protonit ja neutronit sijaitsevat atomin ytimessä, kun taas elektronit kiertävät atomin ydintä kehällä Perustilassaan atomi on ulospäin varaukseton Alkeisvaraukset vaikuttavat toisiinsa atomin sisällä

12 Alkeishiukkasten varaukset

13 Atomin rakenne

14 Sähkön ilmeneminen Kun atomiin kohdistuu jokin ulkoinen voima, saattaa sen elektroni siirtyä hetkellisesti toisen atomin kehälle Tällöin kahdessa atomissa on erilainen varaus suhteessa toisiinsa, ja ne vaikuttavat toisiinsa sähköisesti Kokonaisen kappaleen varaus ja vaikutus toisiin kappaleisiin muodostuu sen sisältämien atomien ominaisuuksista

15 Atomien suhde toisiinsa

16 Atomien suhde toisiinsa

17 Sähkön ilmeneminen Kun kahdella kohteella on keskenään erilainen varaus, vaikuttaa niiden välillä sähköinen voima Energialla on pyrkimys normaaliin tilaan, ts. elektronit pyrkivät siirtymään takaisin omalle paikalleen Kun elektronit pääsevät siirtymään kohteesta toiseen, aiheuttavat ne kulkiessaan sähköenergian ja mahdollistavat työn tekemisen Positiivisen ja negatiivisen varauksen välillä täytyy olla riittävän suuri johtavuus (pieni eristävyys), jotta elektronit kulkevat virtapiiri

18 Varausten erot ei eroa varauksissa + - pieni ero varauksissa suuri ero varauksissa

19 Sähkön perussuureet ja -lait

20 Sähkön perussuuret Jännite Virta Teho Resistanssi

21 Jännite Jännite on kahden virtapiirin pisteen välinen potentiaaliero (= sähköisten varausten suhde) Mitä suurempi on kahden kappaleen välinen varausero, sen suurempi jännite niiden välillä vallitsee Jännite ilmaisee sen lähteen kyvyn suorittaa sähköistä työtä virtapiirissä Mitä suurempi jännite, sen helpommin sähkö alkaa kulkea virtapiirissä Lyhenne U, yksikkö voltti (V)

22 Jännite Tasajännite Kahden kappaleen (navan) välillä vallitsee suuruudeltaan kiinteä jännite Paristot, akut, laitteiden virtalähteet Vaihtojännite Kahden navan välillä vallitsee jännite, joka vaihtelee positiivisen ja negatiivisen huippuarvon välillä Verkkovirta, invertterit

23 Virta Kun kahden erisuuruisen varauksen välille syntyy elektronien liikettä, aiheuttavat ne virtapiirissä sähkövirran Mitä enemmän varauksia tietyn pisteen läpi kulkee tietyssä aikayksikössä, sen suurempi virta Metallisissa johtimissa sähköä kuljettavat elektronit Virran kulkusuunta merkitään positiivisesta negatiivista napaa kohti, vaikka elektronit varsinaisesti liikkuvatkin negatiivisesta navasta positiivista napaa kohti Lyhenne I, yksikkö ampeeri (A)

24 Virta Usein juuri virran kulun hallitseminen on oleellista virtapiirin toiminnan ja turvallisuuden kannalta Sulakkeen merkitys

25 Teho Laitteen tai kuorman kyky tehdä sähköistä työtä siinä virtapiirissä, johon se on kytketty Lyhenne P, yksikkö watti (W)

26 Resistanssi Virtapiirin osan tai kuorman kyky vastustaa sähkön kulkua virtapiirissä Aiheuttaa sähkön muuttumisen johonkin muuhun muotoon Lyhenne R, yksikkö ohmi (Ω)

27 Sähköopin keskeisimmät lait Tehon laki Ohmin laki Kirchoffin jännitelaki Kirchoffin virtalaki

28 Tehon laki Laitteen / kuorman tekemä työ riippuu virtapiirin jännittestä sekä siinä kulkevasta virrasta Kaava P = U x I Esimerkki: Virtapiirin jännite on 230 V ja siihen kytketyn kuorman aiheuttama virta on 6,3 A. Kuinka suuren tehon kuorma käyttää?

29 Ohmin laki Laitteen / kappaleen aiheuttama sähkön kulun vastustus vaikuttaa virtapiirin virran ja jännitteen kautta Virtapiiriin kytketty resistiivinen kuorma aiheuttaa virtapiiriin virran, jonka suuruus I = U / R eli U = R x I

30 Tehon ja Ohmin laki Puimuri -muistisääntö P = U x I, U = R x I PUImURI

31 Kirchoffin jännitelaki Virtapiirin jännitteiden positiivinen nousu (virtalähde) ja negatiivinen lasku (kuormat) ovat samansuuruiset Kuormat aiheuttavat piirissä jännitehäviön UKok = U1 + U2 +U3 + + Un

32 Kirchoffin jännitelaki U1 U2 UKok Un U3

33 Kirchoffin virtalaki Virtapiirin yhteen pisteeseen saapuvien virtojen ja sieltä lähtevien virtojen summa on sama IS1 + IS2 + IS3 + + ISn = IL1 + IL2 + IL3 + + ILn

34 Kirchoffin virtalaki IS1 IL1 IS2 IL2 IS3 IL3 ISn ILn

35 Resistiiviset kuormat Perustana yksittäisten resistiivisten kuormien käyttäytymiselle on tehon ja Ohmin laeissa Kun resistiivisiä kuormia kytketään yhteen, käyttäytyvät ne myös Kirchoffin lakien mukaisesti Sarjaankytkentä = kuorma on yhteydessä jännitelähteeseen toisten kuormien kautta Rinnankytkentä = kuorma on yhteydessä suoraan jännitelähteeseen, mutta myös toisiin kuormiin

36 Resistiiviset kuormat sarjassa Perustana Kirchoffin jännitelaki Kaikkien kuormien läpi kulkee sama virta I, joka on piirissä vakio Yksittäisten kuormien aiheuttamien jännitehäviöiden summa on yhtä kuin piirin kokonaisjännite Yksittäinen jännitehäviö (U n ) on Ohmin lain mukaan suhteessa virtaan I ja kuorman resistanssiin (R n ) Kirchoffin jännitelain mukaan U Kok = U 1 +U 2 +U 3 + +Un IxR Kok = IxR 1 +IxR 2 +IxR 3 + +IxRn = Ix(R 1 +R 2 +R 3 + +R n ) R Kok = R 1 +R 2 +R 3 + +R n

37 Resistiiviset kuormat sarjassa R1 R2 U1=IxR1 U2=IxR2 UKok=IxRKok Un=IxRn U3=IxR3 Rn R3

38 Resistiiviset kuormat sarjassa Sarjaan kytkettyjen resistiivisten kuormien vastinresistanssi on yhtä suuri kuin yksittäisten resistanssien summa RKok = R1+R2+R3+ +Rn

39 Resistiiviset kuormat rinnan Perustana Kirchoffin virtalaki Kaikkien kuormien yli vaikuttaa koko virtapiirin jännite U, joka on piirissä vakio Kunkin kuorman läpi kulkee Kirchoffin lain mukainen virta Yksittäisen kuorman läpi kulkeva virta I n on Ohmin lain mukaan suhteessa jännitteeseen U ja kuorman resistanssiin R n Kirchoffin virtalain mukaan IKok = I1+I2+I3+ +In U/RKok = U/R1+U/R2+U/R3+ +U/Rn = U(1/R1+1/R2+1/R3+ +1/Rn) 1/RKok = 1/R1+1/R2+1/R3+ +1/Rn

40 Resistiiviset kuormat rinnan I1=U/R1 I3=U/R3 IKok=U/RKok R1 R2 R3 Rn I2=U/R2 In=U/Rn

41 Resistiiviset kuormat rinnan Rinnan kytkettyjen resistiivisten kuormien vastinresistanssin käänteisarvo on yhtä suuri kuin yksittäisten resistanssien käänteisarvojen summa 1 / RKok = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R / Rn

42 Resistiiviset kuormat rinnan Tilanne helpottuu, jos a) kaikki resistanssit ovat suuruudeltaan samat, jolloin RKok = RYks / n (yhden resistanssin suuruus jaettuna resistiivisten kuormien määrällä) b) piirissä on vain kaksi resistiivistä kuormaa, jolloin RKok = R1 x R2 / (R1 + R2) (resistanssien tulo jaettuna resistanssien summalla)

43 Resistiiviset kuormat yhdessä Pyrittävä löytämään piiristä pienempiä kokonaisuuksia, joiden vastinresistanssit voidaan määrittää Virtapiirin käyttäytyminen määräytyy tehon, Ohmin ja Kirchoffin lakien mukaan

44 Resistiiviset kuormat yhdessä R1 R2 R3 R4 R5 R6