Sähkötekniikka ja elektroniikka

Transkriptio

1 Sähkötekniikka ja elektroniikka Alustava sisällysluettelo c TkT Kimmo Silvonen Teknillinen korkeakoulu Teoreettisen sähkötekniikan laboratorio PL 3000, TKK kimmo@aplac.hut.fi versio

2 2 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka,

3 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, Sisältö Alkusanat 16 Sähkötekniikan ja piiriteorian varhaishistoriaa 20 I Sähkötekniikka ja piiriteoria 23 1 Piirianalyysi Jännite, virta ja Kirchhoffin lait Sähkövirta ja Kirchhoffin virtalaki Keskitetyt komponentit Potentiaaliero ja Kirchhoffin jännitelaki Jännitteen ja virran mittaaminen Vastus ja resistanssi Ohmin laki Siemensin laki ja konduktanssi eli johtokyky Resistanssin mittaaminen Tasavirran teho ja energia Tehon ja energiankulutuksen laskeminen Hyötyteho ja tehohäviöt Virtapiirien peruskäsitteitä Sarjaankytkennässä sama virta Rinnankytkennässä sama jännite Tähti- ja kolmiokytkentä Kytkin, suljettu tai avoin piiri, oikosulku Napa, portti, maa Yleisiä piirirakenteita Vastusten sarjaankytkentä Vastusten rinnankytkentä Jännitteen jako Virran jako Tähti kolmio-muunnos ja kolmio tähti-muunnos Jännite- ja virtalähteet Piirrosmerkit Jännite- ja virtalähteen ero Käytännön jännite- ja virtalähteitä Lähteiden sarjaan- ja rinnankytkentä Lähteiden luovuttama tai nielemä teho

4 4 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, Lähdemuunnokset Jännitelähde virtalähde-muunnos Ideaalisten lähteiden muuntaminen Lähteiden monistaminen Ohjatut jännite- ja virtalähteet Ohjattu vai riippumaton lähde Jänniteohjattu jännitelähde, VCVS Virtaohjattu jännitelähde, CCVS Jänniteohjattu virtalähde, VCCS Virtaohjattu virtalähde, CCCS Gyraattori vaihtaa virran ja jännitteen rooleja Resistanssin laskeminen jännitteen ja virran avulla Piiriteoreemoja Resiprookkisuus eli vastavuoroisuus ja bilateraalisuus Tellegenin teoreema Théveninin ja Nortonin teoreemat Piirin lineaarisuuden hyödyntäminen Superpositioperiaate eli kerrostamismenetelmä Piirianalyysimenetelmien esittely Kirchhoffin lakien systemaattinen soveltaminen Peruslakimenetelmä Haaravirtamenetelmä ja silmukkamenetelmä Solmujännitemenetelmä ja solmumentelmä Modifioitu solmumenetelmä Systemaattiset piirianalyysimenetelmät Silmukkamenetelmä Matriisimuotoisen yhtälön käsittely Solmumenetelmä Passiiviset komponentit, sähkötekniikan materiaalit ja sähkömagnetiikka Vastus, resistanssi ja johtavuus Johdekappaleen resistanssi Resistanssin lämpötilariippuvuus Hehkulampun erittäin epälineaarinen resistanssi Vastuksen ja vahvistimen kohina Resistanssi suurilla taajuuksilla, ahtautuminen, tunkeutumissyvyys Komponenttien standardiarvot Komponenttien värikoodit Varistori, jännitteestä riippuva vastus Termistori, lämpötilasta riippuva vastus Kela, induktanssi ja permeabiliteetti Kelan jännite, virta ja energia Lieriökäämin induktanssi ja magneettikenttä Para-, dia- ja ferromagneettiset aineet, hystereesi Reluktanssi ja magneettipiirit Lävistyslaki ja muita magneettikentän kaavoja Lyhyen lieriökäämin induktanssi Suoran parijohdon ja koaksiaalikaapelin induktanssi Kondensaattori, kapasitanssi ja permittiivisyys Konkan jännite, virta ja energia

5 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, Tasokondensaattori ja sähkökenttä Suoran parijohdon ja koaksiaalikaapelin kapasitanssi Johdepallon kapasitanssi Memristori se pitäisi keksiä Siirtojohto, pitkä johto Ominaisimpedanssi on jännitteen ja virran suhde Aaltoyhtälö, aalto ajan ja paikan funktiona Etenemisnopeuden ja ominaisimpedanssin laskeminen Koaksiaalijohto ja parijohto Heijastus- ja läpäisykerroin Edestakaiset heijastukset Sinimuotoiset aallot Häviötön siirtojohto Häviöllinen siirtojohto Seisovan aallon suhde SAS Smithin kartta Siirtojohtopiirin sovittaminen Tasoaallot ja siirtojohtoanalogia Sähkömagnetiikan matemaattinen perusta Ampèren ja Biot-Savartin lait, vektoripotentiaali Maxwellin yhtälöt Virtauskentän, magneettikentän ja sähkökentän analogia Muutosilmiöt virtapiireissä Muutosilmiöiden käsittely differentiaaliyhtälöillä Reaktiiviset komponentit Kondensaattorin varaaminen Differentiaaliyhtälö ja yrite Vakioiden määrittäminen, reunaehdot Aikavakio määrää muutosilmiön nopeuden Kondensaattorin varauksen purkaminen Kelan kytkeminen piiriin Kelan energiavaraston purkaminen Diracin deltafunktio on häiriöpiikki RLC-piirien muutosilmiöt Laplace-muunnos sähkötekniikassa Merkintätavat ja taustaa Komponenttien Laplace-muuntaminen Yksikköaskel ja impulssifunktio Laplace-muunnoskaavat ja osamurtokehitelmä kertaluvun differentiaaliyhtälöt kertaluvun differentiaaliyhtälöt Impulssifunktio ja jännite- tai virtapiikki Pulssien ja aaltomuotojen käsittely Laplace-muunnoksen ja osoitinlaskennan ero RC-alipäästösuodatin vai integraattori Théveninin menetelmä ja Laplace-muunnos Fourier-sarja, Fourier-muunnos ja z-muunnos Fourier-sarjan laskeminen Fourier-muunnos ja z-muunnos

6 6 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, Vaihtovirtapiirit Jaksolliset vaihtovirrat Tehollisarvo, keskiarvo ja tasasuuntauskeskiarvo Sinimuotoinen virta ja jännite Sinin hetkellisarvoilla laskeminen Osoitinlaskenta, kompleksiluvut Yleistä höpinää Koordinaatistomuunnokset Kompleksilukujen laskusääntöjä Sinimuotoinen virta vastuksessa, kelassa ja kondensaattorissa Impedanssi Z, admittanssi Y ja yleistetty Ohmin laki Osoitindiagrammi Useita taajuuksia samanaikaisesti Resonanssipiirit Yleistä Sarjaresonanssi Rinnakkaisresonanssi Resonanssitaajuuden laskeminen, yleinen tapaus Kidekone Resonanssipiirit suodattimissa, kvartsikiteet Resonanssipiirin hyvyysluku eli Q-arvo Vaihtovirran teho ja kompleksinen teho Hetkellinen teho vai keskimääräinen teho Näennäisteho, pätöteho, loisteho ja tehokerroin Kompensointikondensaattorin mitoittaminen Tehosovitus Mittasillat tarkkuusmittauksiin Tasapainoyhtälö Tasavirtasillat, Wheatstone ja Thomson Vaihtovirtasillat Wienin silta ja Wienin silta -oskillaattori Muuntajat Sovelluskohteita Käämien induktanssi ja keskinäisinduktanssi Muuntajayhtälöt yleisessä tapauksessa Kytkentäkerroin Muuntajan sydän Muuntaja sinimuotoisessa tapauksessa Muuntajan T-sijaiskytkentä Käämien sarjaankytkentä ja rinnankytkentä Ideaalimuuntaja ja muuntosuhde Impedanssimuuntaja Muuntajan sijaiskytkentä suurilla tehoilla Ohjattuihin lähteisiin perustuva muuntajan piirimalli Muuntaja silmukka- ja solmumenetelmässä Kolmivaihejärjestelmä Yksivaihe- ja kolmivaihejärjestelmät Kolmiokytkentä ja tähtikytkentä Symmetrinen kolmivaihejärjestelmä

7 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, Kolmivaihejärjestelmän vakaa tehonsiirto Kolmivaiheisen tehon mittaaminen Yksivaiheinen sijaiskytkentä Sähkömoottoreiden ABC 281 Tämä luku on poistettu Piirisimulointiohjelmat Yleistä APLAC APLACin Windows-version käyttöohje Syöttötiedoston kirjoittaminen ja dc-analyysi Virran laskeminen APLACilla Tavallisimmat komponentit Jatkuvan tilan ac-analyysi Taajuusvasteen piirtäminen Aika-alueanalyysi eli transienttianalyysi Säädettävät komponenttiarvot Optimointi tekee työn puolestasi APLAC ohjelmoitavana funktiolaskimena II Elektroniikka Diodi Diodityypit Ideaalidiodi Puolijohdediodi ja pn-liitos Zenerdiodi Varaktori eli kapasitanssidiodi Led ja fotodiodi Schottky-diodi Muita diodeja Diodin matemaattinen käsittely Jännitteen ja virran laskeminen Newton Raphson-iterointi Piensignaalianalyysi, staattinen ja dynaaminen resistanssi Paloittain lineaariset sijaiskytkennät Chuan diodi ja kaaosteoria Diodi APLACissa Tasasuuntaajat ja teholähteet Puoliaalto- ja kokoaaltotasasuuntaus Tasasuunnatun jännitteen spektri Huipputasasuuntaaja Aaltomuodot Likimääräinen analyysi Tarkempi matemaattinen analyysi Lineaariset teholähteet Yleistä...346

8 8 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, Rinnakkais- ja sarjaregulointi Regulaattorimikropiirit Regulaattorin lähtövirran kasvattaminen Regulaattorin jännitteensäätö Vakiovirtalähde Hakkuriteholähteet Etuja ja haittoja Hakkureiden perusrakenteiden analyysi Step-down eli buck (forward) Step-up eli boost Buck-boost eli invertteri Hakkuriteholähteet käytännössä Jäähdytyslevyn mitoitus Bipolaaritransistori Transistorin rakenne ja toiminta, virtavahvistus Transistorin toiminta tasavirralla Toimintapisteen laskeminen Yhtälöt ja ominaiskäyrät Takaisinkytkennän vaikutus toimintapisteeseen Transistori kytkimenä, sulkutilassa ja kyllästyneenä Ebers Moll-sijaiskytkentä Transistori signaalinkäsittelyssä Taylorin sarja ja piensignaalianalyysi Hybridi π-sijaiskytkentä ja transkonduktanssi T-sijaiskytkentä Transistorin h-parametrit Millerin teoreema Transistorivahvistimen graafinen analyysi Yksitransistoristen vahvistinasteiden päätyypit Puskurivahvistin Transistori APLACissa Transistorin SPICE-malli Kanavatransistorit FET-tyypit Mosfetit Avauskanavatransistori, e-tyyppinen mosfet Avauskanavatransistorin ominaiskäyrät Fettien virtayhtälöt Kanavanpituusmodulaatio Sulkukanavatransistori, d-tyyppinen mosfet Sulkukanavatransistorin ominaiskäyrät Liitoskanavatransistori, JFET Rakenne ja ominaiskäyrät GaAs-MESFET Fettien matemaattinen käsittely Jännitteiden ja virtojen positiiviset suunnat DC-analyysi ja tasavirtasijaiskytkentä Piensignaalianalyysi ja piensignaalisijaiskytkentä

9 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, Signaalin säröytyminen fetissä, transistorissa ja elektroniputkessa Body-efekti FET säädettävänä vastuksena FET kytkimenä Kanavatransistorit APLACissa Operaatiovahvistin ja muut mikropiirit Mikropiirien luokittelu Operaatiovahvistin Ideaalinen operaatiovahvistin Lineaarinen toiminta ja operaatiovahvistinmies ;-) Negatiivinen takaisinkytkentä säätelee vahvistimen toimintaa Käytännön operaatiovahvistin Operaatiovahvistimen peruskytkentöjä Invertoiva vahvistin Summausvahvistin Aktiivinen ylipäästösuodatin Ei-invertoiva vahvistin Jännitteenseuraaja Lähtövirran kasvattaminen Operaatiovahvistin signaalinkäsittelyssä Symmetrointivahvistin Instrumentointivahvistin Erotusvahvistin Negatiivisen resistanssin simulointi Vakiovirtalähde Integraattori Derivaattori Logaritminen vahvistin Antilogaritmivahvistin ja analoginen kertoja Tasasuuntaus Sakara-aalto-oskillaattori Jänniteohjattu oskillaattori, VCO Audiosovelluksia Äänensävynsäädin Äänirasian RIAA-esivahvistin Ekvalisaattori eli taajuuskorjain Operaatiovahvistimen epäideaalisuuksia Offset-jännite sekä bias- ja offset-virta Lähtöjännitteen muutosnopeus slew rate Vaimennussuhteet CMRR ja PSRR Jännite- ja virtakohina Äärellinen jännitevahvistus, tulo- ja lähtöresistanssi Operaatiovahvistin APLACissa

10 10 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, Kaksiportit, ideaalivahvistimet, takaisinkytkentä n-porttiparametrit Kaksiportti on musta laatikko Eri parametriesitykset z-parametrit y-parametrit ABCD eli ketjuparametrit K Käänteiset ketjuparametrit K Hybridi- eli h-parametrit g-parametrit Sirontaparametrit S- jat -parametrit S-parametrien laskeminen Passiivisten komponenttien S-parametrit T -parametrien laskeminen Vuokaavio S-parametrien laskeminen APLACilla Parametriesitysten sijaiskytkennät ja muunnoskaavat Resiprookkisuus ja symmetria Kaksiporttien sijaiskytkennät Muunnoskaavat parametriesitysten välillä Ideaalivahvistimet Vahvistin, signaalilähde ja kuorma Jännite- ja virtavahvistus, tulo- ja lähtöresistanssi, siirtokonduktanssi Tulo- ja lähtöimpedanssien valintaperusteita Takaisinkytkentä Sarjaan tai rinnan Takaisinkytkennän vaikutus vahvistukseen Takaisinkytkennän vaikutus tulo- ja lähtöimpedanssiin Takaisinkytkennän vaikutus taajuusvasteeseen Vahvistimen stabiilisuus vai syntyikö meille oskillaattori? Uusia vahvistintopologioita Nullaattori, noraattori ja Tellegenin ideaalivahvistimet Vahvistus vs. kaistanleveys Jännite- ja virtaseuraajat vahvistimina CCI- ja CCII-vahvistimet CFOA-vahvistin Suodattimet Matemaattinen analyysi ja peruskäsitteet Suodattimien luokittelu Passiiviset RC-, RL- ja (R)LC-suodattimet Taajuusvasteen itseisarvo ja vaihe Boden diagrammi Spektrianalyysi Ryhmäkulkuaika eli viive Askelvaste ja impulssivaste Suodatinapproksimaatiot Vaimennuskerroin määrää vasteen Polynomisuodattimet ovat yksinkertaisia...567

11 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, Laakalatvainen eli Butterworth-approksimaatio L-suodattimet (Legendren approksimaatio) Tasa-aaltoinen eli Tshebyshev-vaste "Vaihelineaarinen" eli Besselin approksimaatio Rationaalisuodattimet ja siirtonollat Käänteinen Tshebyshev-approksimaatio Elliptinen suodatin-approksimaatio Suodatin-approksimaatioiden vertailu Suodatintyyppien väliset muunnokset ja skaalaus Aktiiviset RC-suodattimet Sallen Key-alipäästö, -ylipäästö ja -kaistanpäästö MFB-kaistanpäästösuodatin Bikvadraattinen suodatin State variable- eli tilamuuttujasuodatin Leapfrog, pukkihyppypiiri Yleiskäyttöinen 2. asteen suodatin Induktanssin simulointi operaatiovahvistimilla Kokopäästösuodatin vaiheenkorjaukseen Kaistanestosuodatin eli notch Kytkin kapasitanssi- eli SC-suodattimet Toimintaperiaate SC-piirien analyysi ja varauksen säilyminen Siirtofunktion käsittely z-jas-tasossa Eräiden jatkuva-aika-piirien SC-vastineet APLAC suodatinsuunnittelun tukena Taajuusvasteen optimointi APLACilla Siirtofunktion kertoimien laskeminen Manuaalinen optimointi SC-piirien analyysi APLACilla Digitaalitekniikka Logiikkapiirit Bitit ja positiivinen logiikka Piiriperheet Kombinaatiologiikka Boolen algebra De Morganin teoreema Lukujärjestelmät Logiikkatehtävän ratkaiseminen Karnaugh n kartta Segmenttinäyttö Sekvenssipiirit Jaottelu Multivibraattorit S R-veräjä eli S R-latch D-tyypin kiikut J K-kiikku Isäntä/orja- eli master/slave-tyyppiset kiikut Taajuuslaskin Ajastinpiirit 555 ja

12 12 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, Digitaaliset mikropiirit käytännössä A/D- ja D/A-muuntimet Esimerkki mittaus- ja säätöjärjestelmästä Resoluutio, signaalikohinasuhde Näytteistys Näytteenotto- ja pitopiiri Näytteenottoteoreema, laskostuminen Nyquist rate vastaan oversampling D/A-muuntimet (DAC) Lähtöjännite binäärikoodin eri esitysmuodoissa Binäärisesti painotetut vastukset R 2R-tikapuuverkko Käänteinen R 2R-tikapuu n R-muunnin Yksibittinen Sigma Delta-muunnin A/D-muuntimet (ADC) Analoginen komparaattori eli 1-bittinen A/D-muunnin asteen Σ -modulaattori Laskurityyppinen A/D-muunnin Punnitseva A/D-muunnin Kaksoisintegroiva A/D-muunnin Simultaani- eli flash-a/d-muunnin A/D-muuntimien kaskadikytkentä Tietoliikenne-elektroniikka kumin hajua valtatiellä 681 Tämä luku jää pois III Liitteet 683 A Tietopakki 685 A.1 Suureet ja yksiköt A.1.1 SI-järjestelmä A.1.2 Standardi kirjainten ja alaindeksien kaltevuudesta A.1.3 Desibeli A.2 Kreikkalaiset aakkoset A.3 Prefiksit A.4 Muita lukuja A.5 Vakioiden arvoja A.6 Mittayksiköitä A.7 Kirjallisuutta A.7.1 Sähkötekniikan ja elektroniikan yleisteoksia A.7.2 Piirianalyysi A.7.3 Elektroniikka eli hituvirtatekniikka A.8 Lopuksi vielä anagrammeja sanasta sähkötekniikka Hakemisto 694

13 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, Taulukot 1 TKK:n opintojakson S (sähkötekniikka, 2,5 ov) sisältö v Eräiden jännitelähteiden lähdejännite eli napajännite Yleisimmät resiprookkiset komponentit Eräiden materiaalien johtavuus ja resistiivisyyden lämpötilakerroin Eristemateriaalien tyypillisiä resistiivisyyksiä lämpötilassa +20 C Johteiden resistiivisyys eri lämpötiloissa Standardivastusarvot, E Standardivastusarvot, E Vastusten ja kondensaattorien värikoodit Suhteellisen permeabiliteetin arvoja Tyypillisiä magneettivuontiheyksiä elimissä, laitteissa ja maailmankaikkeudessa Käämilangan suositeltava paksuus erilaisilla virranvoimakkuuksilla Materiaalien suhteellisia permittiivisyyksiä Materiaalien suurimpia sähkölujuuksia (ennen läpilyöntiä) Virtauskentän, magneettikentän ja sähkökentän perussuureiden analogia Eksponenttikäyrän väliarvoja ajan funktiona Yleisimpien passiivisten komponenttien Laplace-muunnokset Jännite- ja virtalähteiden Laplace-muunnokset Tavallisimpien jatkuvien aaltomuotojen Laplace-muunnokset Yleisimmät Laplace-muunnoskaavat Osamurtokehitelmiä Eräiden signaalien ja sähkömagneettisten aaltojen taajuuksia Nuottitaajuudet keskimmäisessä oktaavissa Laskimien muunnosrutiineja Vastuksen R, kelan L ja kondensaattorin C kaavoja Eräiden kotitalouskoneiden energiankulutus Tyypillisiä sähköenergian tuotantolaitoksia APLACin etuliitteet eli prefixit APLACin tuntemia matemaattisia funktioita Kyllästysvirran ja diodivirran suhde eri jännitteillä Esimerkkejä käytännön diodeista Tyypillisiä zenerjännitteen arvoja voltteina Zenerdiodin tehonkeston vaikutus hintaan

14 14 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, Diodivirran keskiarvo erilaisissa tasasuuntaajissa Regulaattorin maksimivirran vaikutus hintaan Hakkuriteholähteiden peruskaavat (step-down) Hakkuriteholähteiden peruskaavat (step-up) Hakkuriteholähteiden peruskaavat (invertteri) Hakkuriteholähteiden vertailu Eräiden erikokoisten transistorien parametriarvoja Transistorin kolme erilaista toimintatilaa Ebers Moll-piirimallin jännite- ja virtayhtälöt Transistorin h-parametrit eri kytkennöissä Vahvistinasteiden peruskytkennät CE-, CC- ja CB-asteen pääominaisuudet Bipolaaritransistorin SPICE-mallin parametreja Fettien liitäntäjohdot Fettien vertailutaulukko FET-kytkimen ohjaus tasajännitteellä Tavallisia operaatiovahvistinpiirejä Kaksiportin tai n-portin jännitteisiin ja virtoihin perustuvat parametriesitykset Jännitteiden ja virtojen lineaarikombinaatioihin perustuvat parametriesitykset Symmetria ja resiprookkisuus parametriesityksissä Parametriesitysten väliset muunnoskaavat Muut parametriesitykset lausuttuna S- ja T -parametrien avulla S- jat -parametrit lausuttuna muiden parametrien avulla Ideaalivahvistimien vahvistuksen riippuvuus lähde- ja kuormaresistansseista Siirtofunktion vakio K resistanssien funktiona Aktiivisten ja passiivisten suodattimien vertailua Ensimmäisen ja toisen asteen siirtofunktiot perustapauksissa Vaimennuskertoimen vaikutus suodattimen vasteeseen asteluvuilla n Suodatinapproksimaatiot asteluvuilla n Suodatintyyppimuunnokset Erilaisia tapoja muuntaa s-tason siirtofunktio ekvivalentiksi z-tason siirtofunktioksi ASCII-kooditaulukko TTL-piiriperheiden ominaisuuksia CMOS-piiriperheiden ominaisuuksia ECL-piiriperheiden ominaisuuksia Logiikkapiiriperheiden maksimivirtoja (µa) Logiikkapiirien totuustaulukot Boolen algebran laskusääntöjen tarkistaminen totuustaulukon avulla Heksadesimaalilukujen määrittely Gray-koodin määrittely Valikoima TTL-numeroinnin mukaisia logiikkapiirejä Valikoima TTL-numeroinnin mukaisia logiikkapiirejä (jatkoa) Valikoima TTL-numeroinnin mukaisia logiikkapiirejä (jatkoa) Valikoima RCA:n numeroinnin mukaisia 4-alkuisia CMOS-piirejä

15 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, Valikoima 4-alkuisia CMOS-piirejä (jatkoa) D/A-muuntimen lähtöjännite binäärikoodin eri esitysmuodoissa Muunnoksen kulku 1-bittisessä D/A-muuntimessa Muunnoksen kulku 1-bittisessä sigma delta-modulaattorissa Muunnoksen kulku laskurityyppisissä A/D-muuntimissa A.1 SI-järjestelmän perusyksiköt A.2 SI-järjestelmän johdannaisyksiköitä A.3 Teho-, jännite- ja virtasuhteita desibeleinä