Sähkötekniikka ja elektroniikka

Transkriptio

1 Sähkötekniikka ja elektroniikka Kimmo Silvonen (X)

2 ELEC-C4210 Sähkötekniikka ja elektroniikka (5 op) Luento Motto: Eri tutkinto-ohjelmien opiskelijat kohtaavat rennossa ja innovatiivisessa ilmapiirissä. Luennot ja laskuharjoitukset: Kimmo Silvonen (KS = X) Laboratoriotyöt: NN ja X Ilmoittaudu Oodissa! For English instructions, please contact Kimmo (important)! Page 2 (19)

3 Oppikirja Gaudeamus Otatieto Elektroniikka ja sähkötekniikka (2018) tai Sähkötekniikka ja piiriteoria (2009) + Elektroniikka ja puolijohdekomponentit (2009) tai Sähkötekniikka ja elektroniikka (2003 7), jotka löytyvät monista kirjastoista. Printtaa painovirheiden korjaukset! Luentokalvot eivät sovellu itsenäiseen opiskeluun!? Itsepäinen opiskelu ei edes sovi kaikille. Ks. myös MyCo:n materiaali! Page 3 (19)

4 Opetusjärjestelyt ja -materiaalit Materiaali tulee MyCourses-alustalle! Luento- ja harjoitusajat ja sijaintipaikat (kerron) Kaavakokoelma (ks. Materiaalit), jaetaan 3. luennolla Laskuharjoitukset jaetaan LH:ssa ja MyCo:ssa Laskuharjoitusten ratkaisut tulevat hieman myöhemmin Laboratoriotöiden ohjeet ja turvallisuusohje (MyCo) Sähköpaja, ELEC-A4010 8(5) op, ma klo (AS2)! Page 4 (19)

5 Laskuharjoitukset LH Kannattaa käydä! Ehkä keskeisin osa kurssia, 17. & alkaen Ajat ja paikat (kerron) Tehtävät jaetaan harjoituksissa Ratkaisut tulevat MyCo:on Lasketaan ensin itse ja demoan sitten Itseopiskelu tuottaa paljon osanottajia ensi syksyksi Live-ratkaisut ovat usein havainnollisemmat Lisätehtäviä ja vanhoja koetehtäviä netissä ( Yksi laskuharjoitustehtävä kokeisiin modattuna Opettele käyttämään Kakoa! Page 5 (19)

6 Laboratoriotyöt, ajat ilmoitetaan myöhemmin TUAS 1. krs (TU4)! Ilmoittaudu Oodissa siihen ryhmään, joka useimmin sopii! Jos haluat tietyt parit (kolmen hengen ryhmät), meilaa viimeistään Labrat Labra puretaan ! Puuttuvan työn voit korvata (sovi aika!) teetkö puuttuvat labrat vasta seuraavana syksynä? Vuorosi säilyy, jos jäät pois; kaveri voi silti tulla Lue turvallisuus- ja ensiapuohjeet! Selvitä 1. työsi numero (tieto tulee MyCo:on)! Lue työohje MyCo:sta etukäteen! Labrassa on lainapruju. Kurssin hauskin ja vähiten streßaava osa! Page 6 (19)

7 Suorittaminen Välikokeet ja tentit Lasket neljä tehtävää viidestä LH-tehtävä kokeisiin Kako saa olla mukana Ratkaisut 1998 alkaen netissä Pisterajat: 30+8 n 80 = kiinteät: 38, 46, 54, 62, 70 Lisäpisteet: palaute (2) ja viikoittaiset läsnäolot (5 10) Labrasuoritukset pysyvät aina voimassa! Välikoe- ja luentoaikataulu Page 7 (19)

8 Luentojen aihepiirit ja viittaus matematiikkaan Viikko Aihe Esimerkki 0 Esittely, materiaalien ominaisuudet n = Σ Lineaariset piirit U = RI 2 Kytkentäilmiöt u = L di dt 3 Siniaalto U = jωli 4 Sähkövoimatekniikka P = (3 )Re[UI ] 5 Siirtojohto ρ = R Z R+Z 1. välikoe ( ) 6 Epälineaariset piirit, diodi I = I S e U nu T 1 7 Transistori i C = βi B 8 FET i D = K (u GS U t ) 2 9 Operaatiovahvistin u + = u 10 Teholähteet C u I O t 2. vk tai tentti Π#Pκ#Λ#! Page 8 (19)

9 Tavoitteita Mitä jää käteen? Tätä! Saat riittävät pohjatiedot eri tietolähteiden käyttöön Kykyä ymmärtää ja omaksua uusia teknologioita, teknojargonia (liirum-laarumia) ja insinöörimatematiikkaa Taitoa rakentaa laite käyttöjännitteineen kytkentäkaavion pohjalta Neuvotteluvalmiuksia, ettei teitä k:sta linssiin Tavoitteena laaja-alaisuus ja monitieteisyys Erinomainen tilaisuus solmia suhteita Aallon hengessä yli koulutusohjelmarajojen Nostattaa optimismia ja opiskelijoiden uskoa omiin kykyihin Hauskoja hetkiä sähkön ja elen sekä Elen ja sähkön parissa! Page 9 (19)

10 Passiiviset peruskomponentit Taustatietoa kurssille: yleissivistävä aiheen skannaus. Peruskomponentit: yhtälöt, suureet, yksiköt Vastus resistanssi R, konduktanssi G Kela induktanssi L Kondensaattori kapasitanssi C Memristori memristanssi M, memduktanssi W Fysikaalinen rakenne ja materiaalivakiot Teoriaa laajasti: Elektroniikka ja sähkötekniikka, 2018 Page 10 (19)

11 Vastus rakenneosana, resistanssi R Vastuksessa energia muuttuu lämmöksi, mutta ei varastoidu A ρ i R l R = u i = El JA = ρjl JA = ρl A = l σa u [ohmi] Ω = V A G = 1 R = σ A l [siemens] S = A V E = sähkökentän voimakkuus [V/m] J = sähkövirran tiheys [A/m 2 ] ρ = resistiivisyys, ominaisvastus [Ωm] σ = johtavuus [S/m = siemens/metri] σ Ag = 61,7 MS/m, σ kvartsi = S/m Page 11 (19)

12 Eräiden materiaalien johtavuuksia σ (S/m) hopea 6, kupari 5, kulta 4, alumiini 3, pronssi (66% Cu) 2, volframi (tungsten) 1, sinkki 1, nikkeli 1, rauta 1, platina 0, tina 0, lyijy 0, ruostumaton teräs 0, konstantaani 2, grafiitti 7, pii lasi 4, Page 12 (19)

13 Eristemateriaalien tyypillisiä resistiivisyyksiä ρ = 1 σ (Ωm) merivesi 0,1...5 savi vesijohtovesi lieju, turve, multa sadevesi graniittikallio hiekka tislattu vesi betoni jää puu kiille posliini kumi polystyreeni kvartsi Page 13 (19)

14 Lieriökäämi käytännössä Long Tubular Coil Sisällä homogeeninen magneettikenttä A µ L l L = ψ I = Nφ I L = = NBA I NI Nµ l A = N 2 µ A I l = NµHA I [henry] ( vrt. G = σ A l ) H = Vs A Magneettivuon tiheys [B] = Vs/m 2 = T = tesla Magneettikentän voimakkuus [H] = A/m Permeabiliteetti µ = µ r µ 0, µ r = suht. p. ( ), yleensä µ r 1 SI-järjestelmässä µ 0 = 4π 10 7 H/m = tyhjiön perm. Diamagneettinen µ r < 1, Paramagn. µr > 1, Ferrom. µr >> 1 Cu: µ r = 0,999991, Al: µ r = 1,00002, Supermalloy: µ r = 10 6 Page 14 (19)

15 Suhteellisen permeabiliteetin µ r ( ) arvoja kulta 1 3, elohopea 0, hopea 0, hiili 1 2, lyijy 0, kupari 0, vesi 0, tyhjiö 1 ilma 1 + 3, alumiini 1, valurauta 200 nikkeli 600 mangaani-sinkkiferriitti valuteräs, rauta (99,6 %) 5000 permalloy (78,5 % Ni, 21,5 % Fe) ,96 % puhd. rauta supermalloy Page 15 (19)

16 Tasokondensaattori Parallel-Plate Capacitor Sisällä homogeeninen sähkökenttä A ε C l C = Q U = DA U = εea U = ε U l A U = ε A l µ 0 ε 0 = 1/c 2 0 µr ε r = n ( vrt. G = σ A ) l Sähkövuon tiheys (vrt. varaustiheys) [D] = As/m 2 Sähkökentän voimakkuus [E] = V/m Permittiivisyys, dielektrisyysvakio ε = ε r ε 0 ε r = suhteellinen permittiivisyys ( ). Vesi: ε r = 81 ε 0 = 8,854 pf/m = tyhjiön permittiivisyys. Ilma: ε r = 1,00059 c 0 = valon nopeus tyhjiössä, n = taitekerroin ( ) 9C [faradi] F = As V Page 16 (19)

17 Materiaalien suhteellisia permittiivisyyksiä ε r ( ) tyhjiö / ilma (1 atm) 1/1,00059 tislattu vesi (DC... RF) jää 2...3,2 lumi (3 GHz) 1,2...1,5 lasi 3, paperi 1,5...4 posliini teflon 2,1 muovit 2...4,5 keraamit jopa 2000 PVC 3,18 betoni (märkä/kuiva) (2,45 GHz) 14,5/4,5 naudanliha (raaka) (2,45 GHz) 52,4 SiO 2 3,9 Si 11,7...11,9 puu (2,45 GHz) 1,2...5 kuiva hiekka (3 GHz) 2,55 Page 17 (19)

18 Memristori ja memristanssi M Aitoa Maxwellin yhtälöiden mukaista memristoria ei ole keksitty eikä keksitä! Fundamentaaliset piirielimet: L, C, G = 1/R ψ = Li i = Gu Cu = q [Vs] ψ = Mq [Ω As] [M] = Ω Varauksesta riippuva epälineaarinen resistanssi. Lineaarinen memristori olisi tavallinen vastus! Fysikaalisesti ehkä mahdollinen (näin arveli Leon Chua v. 1971). HP raportoi Naturessa (TiO 2 -ohutkalvo, 5 nm). Sovelluksia mm. nanoelektroniikan mallintamisessa, ReRAM. Page 18 (19)

19 Ensi viikolla Lineaaristen piirien analyysi Ensi viikon luento ja laskuharjoitus ovat välttämätön pohja kurssin jatkon kannalta! Varma tärppi 1. välikokeeseen ja tenttiin. Page 19 (19)