Luento 1 / SMG-1100 Piirianalyysi I Risto Mikkonen

Transkriptio

1 SMG-1100 Piirianalyysi I Luento 1 / 12 1

2 SMG-1100 Piirianalyysi I Viikot ( ) Luennot Harjoitukset ma, ti, ke, to S2 pe S2 ti ja ke SC 105B pe SC 105B, SH 311 Aki Korpela, SH 315 Kurssimateriaali: Opintomoniste Nilsson & Riedel: Electric Circuits 7ed. 2

3 SMG-1100 Piirianalyysi I Suoritusvaatimukset: Hyväksytysti suoritettu tentti Hyväksytyt PC-työt 3

4 Sähkötekniikan kehitys (viimeiset 50 vuotta) Mooren laki (1965) Transistoreiden määrä integroiduissa piireissä kaksinkertaistuu kerran kahdessa vuodessa. 4

5 Muita (ei niin hyviä) tunnettuja ennusteita USA:n patenttitoimiston virkailija J.H. Duell (1889): Kaikki, mitä voidaan keksiä, on keksitty. IBM:n toimitusjohtaja Thomas Watson (1943): Luulen, että maailmassa on markkinat ehkä viidelle tietokoneelle. 5

6 Muita (ei niin hyviä) tunnettuja ennusteita DEC:in toimitusjohtaja Ken Ohlson (1977): Ei ole mitään syytä, miksi kukaan haluaisi tietokonetta kotiinsa. Microsoftin perustaja Bill Gates (1981): 640 kb muistia pitäisi riittää kaikille. 6

7 Sisältö kompressoituna Piirikomponentit Tasasähköpiirit Laskentamenetelmät Vaihtosähköpiirit Sinimuotoiset suureet 7

8 Yleinen ratkaisufilosofia Ongelman identifiointi Piirikaavio tai visuaalinen malli Formuloi Ratkaise Kritisoi Ratkaisumenetelmän valinta Ongelman matemaattinen ratkaisu Ratkaisumenetelmän kritisointi Ratkaisun arviointi ja testaus 8

9 Terminologiaa? Sähkövetureille virtaa syöttävissä johdoissa kulkee voltin voima, eli virtaa on sata kertaa enemmän kuin kotoisessa pistorasiassa. Aamulehti

10 SI -yksiköt Pituus, metri [m] Massa, kilogramma [kg] Aika, sekunti [s] Sähkövirta, ampeeri [A] Lämpötila, kelvin [K] Ainemäärä, mooli [mol] Valovoima, kandela [cd] R F C K Water boils Water freezes ( K) Superconducting region Methane boils Oxygen boils Nitrogen boils CRYOGENIC REGION Hydrogen boils Helium boils 0 Absolute zero 10

11 Kryogeniikka (Cryogenics) frost to produce Etymologically, cryogenics means the science and art of producing cold. Kamerlingh Onnes,

12 Etuliitteet 10 12, Tera T 10 9, Giga G 10 6, Mega M 10 3, Kilo k 10-3, milli m 10-6, mikro , nano n 10-12, piko p 10-15, femto f 10-18, atto - a Levykondensaattorin kapasitanssi on 50 F 12

13 Olkiluoto 3 P = W = kw = MW = 1.6 GW 13

14 ITER fuusioreaktori Gadaracheen P = 500 MW Q-luku = 10 Plasman koossapito ja hallinta perustuu magneettiseen koossapitoon. Valmistuu ~

15 Fuusio on päivastainen reaktio kuin fissio 15

16 Aineiden rakenteesta Atomin rakennetta voidaan kuvata alkeishiukkasista kootulla atomimallilla. Vety: yksi protoni + yksi elektroni H 2 : atomi 1.1 x 10-7 mm H 2 : ydin 3 x mm 16

17 Perussuureet Varaus: Q, q(t); [As] = [C] Q e = -1,602 x C Virta: I, i(t); [A] Kiinteillä aineilla sähkövirta on pääasiassa elektronien liikettä. dq i( t) [ C / s A] dt 17

18 Coulomb & Ampere Charles Coulomb André Ampere

19 Varaus ja sähkökenttä Kiinteän varauksen ympärille syntyvää voimakenttää kutsutaan sähkökentäksi E 19

20 Perussuureet (Cont.) Potentiaali = potentiaalienergia varausyksikköä kohti V = W/Q, [V] = J/C = V (voltti) Potentiaaliero = jännite, U = V 0A V 0B [U] = V V, v(t); U, u(t) Alessandro Volta

21 Sähköenergia ja -teho Hetkellinen teho p( t) u( t) i( t) Teho = työ aikayksikköä kohti; [p] = J/s =VC/s = VA = W (watti) Energian kulutus aikavälillä [0 T] T W p( t) dt 0 James Watt

22 Review Question 1 Hehkulamppu toimii 120 voltin jännitteellä. Mikä on lampun teho, mikäli tunnin aikana lampun kautta kulkee x elektronia? A) B) C) 50 W 100 W 150 W D) 200 W 22

23 Esimerkki Taskulampussa on 1.5 V:n paristo, joka antaa 9 ma:n virran 40 tunnin ajan. Tänä aikana jännite laskee lineaarisesti 1 V:iin. Paljonko paristo luovuttaa energiaa kyseisen 40 tunnin aikana? 23

24 Yhteenveto Opintojakson rakenne Sähkötekniikan historiaa Sähköiset perussuureet 24

25 Passiiviset piirikomponentit - vastus Resistanssi on sähkövastuksen ominaisuus. Vastuksen yli vaikuttava jännite on suoraan verrannollinen sen läpi kulkevaan virtaan. Resistanssin käänteisarvo on konduktanssi G ( siis sähkönjohtavuuden ominaisuus) I GU OHMIN LAKI U R I [G] = A V S (Siemens) [R] = V A ohmi) 25

26 Ohmin laki 26 Georg Simon Ohm

27 Resistiivisyys / resistanssi Aineen resistiivisyys liittää sähkökentän E ja kentän aiheuttaman virrantiheyden J toisiinsa. Siis E = J U E ; L I J A R U I E L J A J J L A L A 27

28 T = 20 (1 + (T 20 0 C) ) Aine / m (20 0 C) / K -1 Alumiini 2.38 x Hiili 6 8 x x 10-3 Hopea 1.63 x Kupari 1.78 x Valurauta 2 8 x 10-7 Vesi, puhdas

29 29

30 Passiiviset piirikomponentit - kondensaattori Michael Faraday

31 Kondensaattori Kondensaattorin pääominaisuus on kapasitanssi C, joka ilmoittaa, kuinka suuren varauksen järjestelmä varastoi yhtä jänniteyksikköä kohti. Energiaa varastoiva elementti (energia varastoituu kondensaattorin sähkökenttään). Q C CU As V (faradi) F 31

32 Kondensaattori (Cont.) Q Sähkövaraus i( t) dt Q Q 0 on kondensaattorin alkuvaraus 0 Toisin sanoen du( t) i( t) C dt 32 Siis U 1 C 1 C i( t) i( t) dt dt U 0 Q 0 Miten kondensaattori näkyy tasasähköpiirissä?

33 Levykondensaattorin kapasitanssi d levyjen välinen etäisyys 0 tyhjiön permittiivisyys S levyn pinta-ala r suhteellinen permittiivisyys As V m m 2 F m Permittiivisyys on suure, joka kuvaa, miten väliaine vaikuttaa sähkökenttään. 33