Elektroniikan komponentit Elektroniikka ja sähköoppi Klas Granqvist Akun Tehdas / Oy Aku s Factory Ltd
Elektroniikka Elektroniikan parissa käsitellään huomattavasti pienempiä ja heikompia järjestelmiä kuin sähköopin puolella Tyypilliset jännitteet ovat enintään 18 V ja virrat muutamia satoja ma Edullinen ja hauska harrastus
Komponentit Osia, joista elektroniset piirit muodostuvat Elektroniikassa käytetyt komponentit ovat yleisesti kooltaan hyvin pieniä ja hinnaltaan varsin edullisia Edullisissa malleissa yksilöllinen vaihtelu saattaa olla suurta Komponenteilla saattaa olla erilaisia käyttötarkoituksia ja toimintatapoja riippuen siitä, mihin ja miten ne on kytketty Yleisimpien komponenttien yhteydessä jännitteet ja virrat eivät ole suuria
Paljonko maksaa fuzz?
Paljonko maksaa fuzz? 1 kpl operaatiovahvistin 741: 0,72 2 kpl hiilikalvovastus 100 kω / 0,25W: 0,20 (yht.) 1 kpl hiilikalvovastus 1000 Ω / 0,25 W: 0,20 1 kpl hiilikalvovastus 1 MΩ / 0,25 W: 0,20 1 kpl elektrolyyttikondensaattori 100 µf / 16 V: 0,15 2 kpl keraaminen kondensaattori 0,47 µf: 0,30 (yht.) 2 kpl diodi 1N4148: 0,10 (yht.) 2 kpl jakki (0,50 ), paristoneppari (0,70 ), kytkin (0,80 ), 2 m kytkentälankaa (14,50 / 100 m), kytkentälevy (3,00 ), muovikotelo (4,00 ):
Jaa millainen fuzz?
Paljonko maksaa fuzz? 11,16
Värikoodaus Komponentit ovat usein fyysiseltä kooltaan niin pieniä, että niihin painettu teksti ei ole helposti luettavissa Komponenttien ominaisuuksien ilmoittamiseen käytetään värikoodausta Kullakin värillä on oma merkityksensä Lisäksi värien keskinäinen järjestys ja sijainti merkitsee jotain tiettyä asiaa
Värikoodaus Musta Ruskea Punainen Oranssi Keltainen Vihreä Sininen Lila, violetti Harmaa Valkoinen 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Vastus
Vastus Passiivinen komponentti, jonka keskeinen ominaisuus on resistanssi, eli sähkövirran vastustaminen Koostuu kahdesta kytkentälangasta jotka on liitetty toisiinsa huonosti sähköä johtavalla materiaalilla Ei kuitenkaan eristeellä Esimerkiksi hiilikomposiitti, hiilikalvo tai metallikalvo
Vastus Tehtävänä yleensä joko säädellä virran määrää tai jakaa jännite oikealle tasolle Kondensaattorin varausnopeuden säätäminen Jännitteen sovittaminen oikeaksi transistorille Virran määrän ja / tai pienentyessä osa sähköenergiasta muuttuu lämmöksi Yleisimmät resistanssiarvot 10 Ω 10 MΩ Fyysinen koko ei ole verrannollinen resistanssiin, vaan vastuksen tehonkestoon
Vastus Resistanssi ilmoitetaan värikoodilla Vasemmanpuoleisin rengas ilmoittaa resistanssin 10 2 -arvon, eli kymmenet Seuraava rengas ilmoittaa 10 1 -arvon eli ykköset Kolmas rengas ilmoittaa edellisten kahden renkaan kertoimen 10 potensseina, eli kuinka monta nollaa lisätään perään Neljäs rengas ilmoittaa toleranssin, eli sallitun vaihteluvälin Toleranssirengas selkeästi erillään varsinaisen arvon ilmoittamista renkaista Tyypillisesti eri värinen kuin arvorenkaat (hopea 10 %, kulta 5 %)
Vastus, esimerkki Esimerkiksi keltainen-violetti-ruskea -yhdistelmä Keltainen 4 kymmenet Violetti 7 ykköset Nämä yhteensä 47 Ruksea 10 1, eli 10 kerrotaan 10:llä eli lisätään yksi nolla perään Tämän vastuksen nimellinen resistanssi on 470 Ω Jos perässä vielä esimerkiksi hopeinen toleranssirengas, voi vaihteluväli olla 423-517 Ω
Vastuksen värikoodi 5. rengas = toleranssi rengas = kymmenet 4. rengas = nollien kerroin 3. rengas = nollien määrä 2. rengas = ykköset
Vastus, piirrosmerkki eurooppalainen merkintä yhdysvaltalainen merkintä
Säädettävä vastus Vastus voi olla resistanssiltaan säädettävissä Tällöin puhutaan säätövastuksesta Esimerkiksi potentiometrit ja trimmerit ovat säätövastuksia Myös esim. lämpövastukset (termistorit) ja valovastukset (fotoresistorit) Yleensä kolme napaa Reunimmaisten napojen välillä mitattavissa kiinteä resistanssi, joka on myös säätövastuksen maksimiresistanssi Keskimmäisen ja reunimmaisten napojen välillä muuttuva resistanssi 0-maksimi
Potentiometri, trimmeri
Potentiometri, havainnekuva reunimmaiset navat keskinapa
Säätövastus, piirrosmerkki eurooppalainen merkintä yhdysvaltalainen merkintä
Säätövastus, piirrosmerkki valovastus
Valovastus thereminina
Kondensaattori, keraaminen
Kondensaattori, elektrolyytti
Kondensaattori Komponentti, jonka keskeinen tehtävä on lyhytaikainen sähköenergian varaaminen tasajännitelähteeseen liitettynä Tasajännitteeseen kytketty kondensaattori vaatii hetken varautuakseen ja kykenee sitten purkautumalla vapauttamaan varaamansa sähkön Kondensaattori varautuu, kun sen sisältämä sähköenergia on pienempi kuin muun piirin Kun kondensaattorin energia on suurempi kuin muun piirin, se purkautuu Kondensaattori saattaa kyetä varaamaan energiaa hyvinkin pitkiä aikoja Varovaisuus etenkin tehokkaiden ja suurjännitekondensaattorien yhteydessä
Kondensaattori Kondensaattori koostuu kahdesta elektrodilevystä, joihin molempiin on liitetty kytkentälanka Levyjen välillä on ohut, hieman eristävä kerros, jota kutsutaan dielektriksi Eristävä kerros voi olla kiinteä tai tahnamainen aine, mutta myös neste, hyytelö, kaasu tai tyhjiö Yleisimmin levyt ovat metallikalvoa tai pinnoitettua muovia
Kondensaattorin toiminta Kun kondensaattori kytketään tasajännitelähteeseen, sen elektrodilevyt varautuvat samansuuruisilla, mutta erimerkkisillä sähkövarauksilla Tämä sähkövaraus pysyy kondensaattorissa ja alkaa purkautua, kun jännitelähde irrotetaan
Kondensaattori, havainnekuva + -
Kondensaattori Voidaan jakaa polarisoimattomiin (keraamiset, polyesteri- ja tantaalikondensaattorit) ja polarisoituihin (elektrolyyttikondensaattorit) Polarisoimattomilla kondensaattoreilla ei kytkennän napaisuudella ole väliä, polarisoiduilla kyllä (anodi ja katodi)
Kondensaattori, piirrosmerkki polarisoimaton + polarisoitu
Diodi
Diodi Puolijohdekomponentti, jonka tehtävänä on sallia sähkön kulku toiseen (päästösuunta) ja estää sen kulku toiseen suuntaan (estosuunta) Tämä yhdensuuntaisuus saadaan aikaan siten, että diodin toinen puoli on varaukseltaan negatiivinen ja toinen positiivinen Diodilla on anodi- ja katodinapa + -napa on anodi ja - -napa on katodi ( PANKki -sääntö) Kun anodi on kytketty positiiviseen jännitteeseen, on diodi päästösuuntainen Katodin ollessa kytkettynä positiiviseen jännitteeseen, diodi on estosuuntainen Keskeisiä tehtäviä mm. tasasuuntaus, eli vaihtojännitteen muuttaminen tasajännitteeksi
Diodi ja puolijohteisuus Diodissa on kaksi eri kerrosta, joihin molempiin on aikaansaatu sähköinen johtavuus, joka on joko positiivinen (P) tai negatiivinen (N) N-kerroksessa (katodi) on elektronien ylimäärä ja P-kerroksessa (anodi) on elektronivajaus (=protoniylimäärä, elektronireikä ) Päästösuuntaisesti kytkettäessä N-kerroksen elektronit työntyvät hylkimisreaktion seurauksena kerrosten rajapintaa kohti, mikä aikaansaa virran kulun diodin läpi Estosuunnassa elektronit vetäytyvät rajapinnasta pois
Diodi ja puolijohteisuus + - - + - + - - päästösuunta + + + - + - virta + + + + + - - - + - - estosuunta - + -
Diodi, piirrosmerkki
Tasasuuntaus diodeilla -in +in -out -out +out +out -in +in
Valodiodi, LED
Valodiodi eli LED Diodi, joka päästösuuntaan kytkettynä säteilee valoa (LED, light emitting diode) Niinikään anodi- ja katodipuoli Tyypillisesti hyvin pieni virransietokyky (joitain kymmeniä milliampeereja)
LED, piirrosmerkki
Transistori
Transistori Puolijohdekomponentti, jonka tehtävä on voimistaa virran kulkua tai kytkeä virta päälle ja pois Tyypillisimmin transistorit ovat joko bipolaarisia tai unijunktiotransistoreita Transistorissa on kerroksia, joihin on diodin tapaan saatu aikaan sähköjohtavuus
Bipolaaritransistori Transistorissa on kolme napaa ja kolme puolijohdekerrosta NPN kaksi negatiivista kerrosta, joiden välissä on positiivinen kerros PNP kaksi positiivista kerrosta, joiden välissä on negatiivinen kerros Transistorin kytkentänavat ovat nimeltään kanta (B), kollektori (C) ja emitteri (E) Kantakerros on kollektorin ja emitterin välissä
Bipolaaritransistori, NPN Kun emitteriin kytketään negatiivinen jännite, saa tämä aikaan elektronien siirtymisen emitterin ja kannan välisen rajapinnan luo Kun kannalle johdetaan positiivinen jännite, vetää se puoleensa elektroneja emitteriltä ja saa aikaan niiden hyppäämisen kollektorille, johon on kytketty positiivinen jännit Kannan ja kollektorin jännite voi olla eri suuruinen Kun elektronit kulkevat emitteriltä kannan kautta kollektorille, kulkee virta kollektorilta emitterille
Bipolaaritransisori, NPN E B C - - - - - - + - - - - - virta
Bipolaaritransistori, PNP Kanta on negatiivisesti varautunut ja kollektori sekä emitteri positiivisesti
Bipolaaritransisori, PNP E B C + + + + + + - + + + + + virta
Bipolaaritransistori, piirrosmerkki C B NPN C E B PNP E
Unijunktiotransistori Transistorissa on kolme napaa mutta vain kaksi puolijohdekerrosta Transistorissa on emitteri, joka on oma kerroksensa, yleensä N Kaksi muuta napaa ovat molemmat kantoja, joilla on yhteinen kerros, yleensä P Kun emitterille ei johdeta jännitettä, on kahden kannan välillä melko suuri resistanssi, mikä estää virran kulun kannalta toiselle Kun emitterille johdetaan positiivinen jännite, aiheuttaa se kantojen välisen virran nopean nousun
Unijunktiotransistori B2 B1 E B2 B1 E
Unijunktiotransistori, piirrosmerkki E B2 B1
Operaatiovahvistin
Operaatiovahvistin Kehittyneempi komponentti, jossa on useita napoja ja monia eri toimintoja Voidaan käyttää vahvistamiseen, ajastamiseen, loogisiin operaatioihin ja moneen muuhun toimintoon
Kytkimet, painonapit
Kytkimet, painonapit Yksinkertaisin tarkoitus on virtapiirin avaaminen ja sulkeminen Kytkin pysyy asennoissaan, painonappi vaatii jatkuvan painamisen Voivat olla yksi- tai useampiosaisia
Kytkimet ja painonapit, piirrosmerkit Kytkin Painonappi
Muuntajat Muuntajan toiminta perustuu induktanssi-ilmiöön Sähkökentässä oleva kappale pyrkii vastustamaan muutoksia omassa sähkökentässään Muuntajassa on yleisimmin yhteinen rauta- tai muu metallisydän Sydän on kahdelta puoliskoltaan käämitty kuparilangalla Nämä käämitykset muodostava ns, ensiö- ja toisiopuolen
Muuntajat Ensiökäämissä kulkeva vaihtovirta aiheuttaa käämissä magneettikentän, joka indusoituu sydämeen Sydämen kautta magneettikenttä kulkeutuu toisiokäämin luo, missä se indusoi tähän virran Ensiö- ja toisiopuolella ei ole galvaanista yhteyttä keskenään, vaan ne voidaan ajatella toisistaan eristetyiksi
Muuntajat Jos muuntajassa ensiöpuolen käämin kierrosten lukumäärä on N1 ja toisiopuolen N2, pätee käämien kierrosten, sekä ensiö- ja toisiopuolen jännitteen ja virtojen suhteen seuraava laki N1 / N2 = U1 / U2 = I2 / I1 Tasavirta ei kulje muuntajan läpi, vaan ainoastaan vaihtovirran aiheuttama magneettikentän muutos vaikuttaa toisiopuoleen
Muuntaja Rengassydän Magneettivuo Ensiövirta Toisiovirta Ensiöpiiri Toisiopiiri
Kytkentäkaavioista Kytkentäkaavio on graafinen esitys siitä, kuinka komponentit ovat sähköisesti yhteydessä toisiinsa Kytkentäkaavio ei välttämättä millään tavalla vastaa komponenttien todellista sijoittelua kytkentälevyllä Tämän vuoksi kaavioissa näkyy johtimien risteämisiä, joista osassa on kytkentä ja osassa ei
Kytkentäkaavioista Kytkentä Ei kytkentää
Koekytkentälevyltä piirilevylle
Harjoitus 1: yksinkertainen piiri
Harjoitus 1: yksinkertainen piiri
Harjoitus 1: yksinkertainen piiri 470Ω
Harjoitus 2: mitä piiri tekee 470 Ω 100 kω lin 9 V
Harjoitus 2: sommittele piiri koekytkentälevylle 470 Ω 100 kω lin 9 V
Harjoitus 2: toteuta piiri kuparinauhalevylle 470 Ω 100 kω lin 9 V
Piiri 3 +5-15V 10 kω 7 8 4 56 kω 6 NE555 3 2 0,01 µf 1 5 8 Ω 0,01 µf 0 V