KIMMO SILVONEN ELEKTRONIIKKA JA SÄHKÖTEKNIIKKA

Transkriptio

1 KIMMO SILVONEN ELEKTRONIIKKA JA SÄHKÖTEKNIIKKA

2 Teos on saanut tukea Suomen tietokirjailijat ry:ltä Copyright 2018 Tekijä & Gaudeamus / Otatieto Gaudeamus Oy Kansi: Leena Kilpi Kannen kuva: Juha Biström Kirjaan liittyvää lisämateriaalia on saatavilla Aalto-yliopiston MyCoursesportaalissa (kurssihaku: Sähköpaja tai Sähkötekniikka ja elektroniikka). Materiaalia löytyy myös osoitteesta Teos on suojattu tekijänoikeuslailla (1961/404). Kopiointi, tallentaminen, jakelu, muu jatkokäyttö sekä edelleenluovutus sallittu vain tekijän ja kustantajan etukäteen antamalla luvalla. KL , K UDK ISBN Painopaikka: Printon Trükikoda, Tallinna 2018

3 Sisällys 1 Sähkötekniikan perusteita Käyttöjännite Napaisuus ja terminaalit Jännitteen ja virran mittaaminen Kelluvat tulot ja ylös- tai alasvetovastukset Maa ja muut navat Kytkimet Kytkentäjohdot Koekytkentälevyt ja leipälaudat Piirilevyt Mikropiirit ja niiden luokittelu Staattisen sähkön vaarat MyDAQ ja ELVIS Virtapiirien perusteita Sähkövirta, haarat ja solmut Jännite eli potentiaaliero Vastus ja resistanssi Sarjaan, rinnan, kolmioon tai tähteen Tasavirran teho ja energia Jännite- ja virtalähteet Ohjatut jännite- ja virtalähteet Digitaalitekniikkaa Logiikkapiirit Kombinaatiologiikka Boolen algebra Lukujärjestelmät ja pariteetti Sekvenssipiirit A/D- ja D/A-muunnos D/A-muuntimet (DAC) A/D-muuntimet (ADC)

4 4 Mikro-ohjaimet ja Arduino oheispiireineen Arduino ja mikro-ohjaimet Arduinon ohjelmointi Anturit ja toimilaitteet Väylät I 2 C- eli I2C-väylä SPI-väylä UART-väylä Wire-väylä Tasavirtamoottorit ja H-sillat Askelmoottorit eli stepperit ohjaimineen Servot Radioyhteydet ja Bluetooth Diodit Ideaalidiodi Puolijohdefysiikkaa Puolijohdediodi ja pn-liitos Diodin jännitteen ja virran laskeminen Piensignaalianalyysi, dynaaminen resistanssi Tasajännite, signaalijännite vai kokonaisjännite? Staattinen vai dynaaminen resistanssi Tasasuuntaus Puoliaalto- ja kokoaaltotasasuuntaus Suodatuskondensaattori Aaltomuodon matemaattinen tarkastelu Zenerdiodi LED, RGB-LED ja fotodiodi Muita diodityyppejä Varaktori eli kapasitanssidiodi Schottky-diodi ja schottky-transistori Vakiovirta-, pin- ja tunnelidiodi Chuan diodi ja kaaosteoria Bipolaaritransistori, BJT NPN- ja PNP-transistori Transistorin puolijohdefysiikkaa Virtavahvistus Lineaarinen toiminta tasavirralla Transistori kytkimenä, sulkutilassa ja kyllästyneenä Transistoriparametrit ja DC-analyysi Bipolaaritransistorin yhtälöt ja ominaiskäyrät Early-jännite, SOA ja transitiotaajuus Ebers Moll-sijaiskytkentä Transistori signaalinkäsittelyssä Yksitransistoristen vahvistinasteiden päätyypit

5 6.7.2 Taylorin sarja ja piensignaalianalyysi Hybridi π-sijaiskytkentä sekä transkonduktanssi Transistorivahvistimet Transistorivahvistimen matemaattinen analyysi Differentiaalivahvistin Translineaariset piirit Virtapeili Translineaarisuus Kanavatransistorit eli FETit Fettityypit Avauskanavatransistori, e-tyyppinen MOSFET Fettien virtayhtälöt, triodi- ja saturaatioalue Subthreshold-alue ja heikko tai keskivahva inversio Sulkukanavatransistori, d-tyyppinen MOSFET Liitoskanavatransistori, JFET Fet-piirien tasavirta-analyysi FET säädettävänä vastuksena ja kytkimenä Piensignaalianalyysi ja piensignaalisijaiskytkentä Särö fetissä, transistorissa ja elektroniputkessa Operaatiovahvistin Mikä on operaatiovahvistin? Lineaarinen toiminta Operaatiovahvistimen peruskytkentöjä Invertoiva vahvistin Summausvahvistin Aktiivinen ylipäästösuodatin Ei-invertoiva vahvistin Jännitteenseuraaja Symmetrointivahvistin Instrumentointivahvistin Integraattori Derivaattori Takaisinkytkentä vs. vahvistus ja taajuusvaste Käytännön operaatiovahvistin Audiovahvistinpiirit Teholähteet Lineaariset teholähteet Jänniteregulaattorit, kolmikarvaiset Hakkuriteholähteet Step-down eli buck (forward) Step-up eli boost Buck boost eli step-up step-down Cúk-konvertteri Energiankeräimet

6 9.5 Jäähdytyselementin mitoitus Passiiviset komponentit, sähköfysiikka ja materiaalien ominaisuudet Virtauskenttä johteessa Vastukset ja potentiometrit Kela, induktanssi ja permeabiliteetti Permeabiliteetti, para-, dia- ja ferromagneettisuus Kondensaattori, kapasitanssi, permittiivisyys Kondensaattorin tehtävistä Memristori Piirianalyysi Reaktiiviset komponentit, muutosilmiöt ja differentiaaliyhtälöt Fourier-sarja, Fourier-muunnos ja z-muunnos Jaksolliset vaihtovirrat Osoitinlaskenta ja kompleksiluvut Impedanssi Z ja admittanssi Y Resonanssipiirit Suodatinteoriaa Suodattimien luokittelu ja siirtofunktiot Passiiviset RC-, RL- ja (R)LC-suodattimet Taajuusvasteen itseisarvo ja vaihe, Bode-diagrammi Sähkövoimatekniikka Vaihtovirran hetkellinen, keskimääräinen tai kompleksinen teho Loistehon kompensointi ja tehosovitus Muuntajat Kolmivaihejärjestelmä Vaihtovirtamoottorit Sähkömagnetiikan perusteita Maadoitusresistanssi ja virtauskentän potentiaali Staattinen tai hitaasti muuttuva magneettikenttä Sähkömagneettinen induktio Faradayn induktiolaki Induktanssin laskeminen Pyörrevirtailmiö Virran ahtautuminen ja tunkeutumissyvyys Staattinen tai hitaasti muuttuva sähkökenttä Virtauskentän, magneettikentän ja sähkökentän analogia Kentän ja vuon taittuminen rajapinnassa Maxwellin yhtälöt Siirtojohdot, RF-tekniikka Ominaisimpedanssi jännitteen ja virran suhde Koaksiaalijohto ja parijohto Heijastus- ja läpäisykerroin

7 14.4 Edestakaiset heijastukset Sinimuotoiset aallot siirtojohdoilla Häviöllinen siirtojohto Seisova aalto ja SAS Smithin diagrammi eli Smithin kartta Siirtojohtopiirin sovittaminen Tasoaallot ja siirtojohtoanalogia Kohina elektroniikassa Lämpökohina ja valkoinen kohina Raekohina Kohinavirta ja kohinajännite Vaaleanpunainen kohina Signaali kohina-suhde Kohinaluku ja kohinalämpötila Desibelit ja etuliitteet 487 Hakemisto 491