Sähkön perusteet Elektroniikka ja sähköoppi Klas Granqvist Akun Tehdas / Oy Aku s Factory Ltd
Sisältö Sähkön perusteet Termit ja suureet Käytännön ilmiöt Laskelmat Äänilaitteiston sähköistys Sähköverkkojen rakenne ja perusteet Kaapelit ja liittimet Sähköverkon osat ja laitteisto Vianmäärittely Kaapeleiden rakenne ja liitinrikkoutumiset Mittaukset ja ongelmien paikantaminen Sähköturvallisuus
Arviointi Läsnäolo (vähintään 80 %) Aktiivinen osallistuminen Harjoitustyöt Tentti
Sähkön perusteet
Yksi energian muoto Valo Liike Lämpö Mitä sähkö on? Muita energian muotoja voi muuttaa sähköksi ja päinvastoin Energia ei katoa tyhjään Energia ei synny tyhjästä
Energian muoto Lämpö Liike Sähkö Valo Kemiallinen energia, säteily
Sähkö Kaikki materiaali koostuu hiukkasista, joista kullakin on oma alkeisvarauksensa Protoni = positiivinen alkeisvaraus Elektroni = negatiivinen alkeisvaraus Neutroni = varaukseton, neutraali hiukkanen (=ei varausta) Hiukkaset vaikuttavat toisiinsa Samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan Vastakkaiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa Maailmankaikkeus pyrkii vakaaseen, stabiiliin olotilaan Lähtökohtaisesti materiaalin ja aineen hiukkaset ovat järjestäytyneet niin, että positiivisia ja negatiivisia varauksia on yhtäläinen määrä Atomin ydin koostuu protoneista ja neutroneista, ja elektronit kiertävät ydintä kiertoradalla eli kuorella
Hiukkaset ja alkeisvaraukset + - + + - -
Hiukkaset ja alkeisvaraukset - +
Hiukkaset ja alkeisvaraukset - + + + - -
Sähköinen potentiaali Kun hiukkanen altistetaan ulkoiselle voimalle, on mahdollista poikkeuttaa elektronit ydintä kiertävältä radalta varautunut hiukkanen Elektronit voivat siirtyä viereisen atomin kuorelle Atomeja, joilla on eri määrä protoneja ja elektroneja, kutsutaan ioneiksi Koska kaikki aine koostuu hiukkasista, aiheuttaa hiukkasten varautuminen myös koko kappaleen / aineen varautumisen Sähköisesti varautuneella hiukkasella on sähköinen potentiaali Potentiaali = kyky olla vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa, kyky tehdä työtä Sähköistä potentiaalia voi ajatella elekrtoneina ja elektroniaukkoina
Elektronin poikkeutus
Sähköinen potentiaali Kun esine tai aine varautuu sähköisesti, se voi olla vuorovaikutuksessa muiden sähköisesti varautuneiden aineiden kanssa Mitä enemmän poikkeutettuja elektroneja on, sen voimakkaampi on kappaleen potentiaali Mitä suurempi potentiaaliero kahden kappaleen välillä on, sen helpommin ne alkavat vaikuttaa toisiinsa Kun kaksi sähköisesti varautunutta ainetta vaikuttaa toisiinsa, niiden sähkövaraukset pyrkivät tasoittumaan Elektronit pyrkivät takaisin alkuperäisille paikoilleen Positiiviset ja negatiiviset alkeisvaraukset pyrkivät kumoamaan toisiaan Jos sähköisesti varautunut aine ei ole vaikutuksessa muihin aineisiin, se voi (tietyin rajaehdoin) säilyttää varauksensa
Jännite (voltage) Sähköiset ilmiöiden tapahtumiseksi, on oltava kaksi eri lailla varautunutta ainetta tai hiukkasta, joita kutsutaan navoiksi (pole, terminal) Napojen välillä potentiaaliero Napojen välinen potentiaaliero voidaan mitata Elektroniikassa napojen välistä potentiaalieroa kutsutaan jännitteeksi (U) ja sen yksikkö on voltti [V] Mitä suurempi jännite kahden navan välillä on, sen helpommin ne vaikuttavat toisiinsa
Jännite Jännitteisten napojen välinen vuorovaikutus riippuu niiden välissä olevasta aineesta ja sen ominaisuuksista Eristyskyky = napojen välisen aineen kyky estää napoja vaikuttamasta toisiinsa Mitä suurempi eristävyys napojen välillä on, sitä suurempi jännite vaaditaan vuorovaikutuksen syntymiseksi Eristyksen murtumispiste (esim. salamat) Ainetta, jolla on matala eristävyys tai ei sitä lainkaan, kutsutaan johteeksi Ainetta, jolla on suuri eristävyys, kutsutaan eristeeksi
Jännite ja virtapiiri (circuit) Kun kaksi jänniteistä napaa vaikuttaa toisiinsa ja niiden varaukset alkavat muuttua, ne muodostavat virtapiirin Suljettu virtapiiri = napojen välinen eristävyys on liian pieni vuorovaikutuksen estämiseksi johtavuus Avoin virtapiiri = napojen välinen eristävyys estää vuorovaikutukset eristävyys, resistanssi Sähköisiä ilmiöitä voi tapahtua vain virtapiirin ollessa suljettu (navat yhdistetty johteella) Yksi elektronisten virtapiirien oleellisista ominaisuuksista on käyttäjän kyky vaikuttaa virtapiirin avoimuuteen Kytkimet Releet ja kontaktorit Liittimet ja kaapelit
Avoin ja suljettu virtapiiri, kytkentäkaavio Sähkö + + - Jännitelähde - Valo Lamppu Kytkin Avoin virtapiiri Suljettu virtapiiri
Jännite Jos kahden navan välinen jännite on jatkuvasti sama, sitä kutsutaan tasajännitelähteeksi Jos jännite vaihtelee ajan funktiona, on kyseessä vaihtojännitelähde Tyypillisiä tasajännitelähteitä Akut ja paristot Matalajännitteiset jännitelähteet Tyypillisiä vaihtojännitelähteitä Sähköverkon jännitelähteet (seinäpistokkeet) Invertteriulsotultot Generaattorit
Tasa- ja vaihtojännite U Tasajännite U Vaihtojännite t t
Jännite virtapiirissä Kun virtapiiri suljetaan, jännitelähteen jännite alkaa pudota Elektronit alkavat siirtyä alkuperäisille paikoilleen, eikä uusia poikkeutuksia tapahdu Ellei ulkoisella voimalla aiheuteta uusia elektronien poikkeamisia (uuden varauksen syntymistä) jännitelähteen jännite putoaa lopulta nollaan Paristo tyhjenee Tyypillisesti ongelma vain itsenäisisää tasajännitepiireissä Paristokäyttöiset sovellukset
Virta (current) Kun virtapiiri sulkeutuu, elektronit alkavat kulkea negatiivisesti varautuneesta navasta kohti positiivisesti varautunutta napaa Elektronien liikettä kutsutaan virraksi (I) ja sen yksikkö on ampeeri {A} Yksi ampeeri vastaa 6,242 x 10 18 alkeisvarauksen kulkemista tietyn pisteen ohi yhden sekunnin aikana Mitä suurempi virta on kyseessä, sen enemmän sähköistä työtä virtapiiri tekee
Virta Virtapiirin suurin sallittu virta määrittyy monen tekijän kautta Johtimen poikkipinta-ala paksumpi kaapeli sallii korkeamman virran Sähköisten komponenttien ja rakenteellisten osien kyky muuttaa sähkövirta muihin energian muotoihin (lämpö, valo) Käyttäjän määrittelemät raja-arvot Virtapiireissä tulisi ottaa huomioon etenkin kaapelin poikkipinta-ala 1,5 mm 2 1o A 2,5 mm 2 16 A 4,0 mm 2 20 A 6,0 mm 2 32 A 25,0 mm 2 63 A
Virta Kaapelin poikkipinta-alaan nähden liian suuri virta aiheuttaa kaapelin kuumenemisen Virta ei mahdu kulkemaan kaapelissa, vaan se täytyy muuttaa joksikin muuksi energian muodoksi Sulakkeet ovat sähköisiä komponentteja, joiden tehtävänä on rajoittaa virran kulkua virtapiirissä Sulakkeen määriteltyä maksimiarvoa ei koskaan saa ylittää Erilaisia sulaketyyppejä Keraaminen Lasiputki Pikasulake Sulaketta voi ajatella eräänlaisena turvakytkimenä, joka avaa virtapiirin, jos virta on liian suuri
Sulake virtapiirissä Virta Virta + Jännitelähde + + - Lamppu - - Sulake Kytkin Avoin virtapiiri Suljettu virtapiiri, jossa sallittu virta Suljettu virtapiiri, jossa liian suuri virta
Teho (power) Kun kahden navan välillä kulkee virta, virtapiiri voi suorittaa sähköistä työtä Sähköisen työn määrää kutsutaan tehoksi (P) ja sen yksikkö on watti [W] Laitten suurin toimintateho tai sen kuluttaman maksimivirta selviävät laitteen tyyppikilvestä tai -merkinnöistä Jännite, virta ja teho ovat aina suhteessa toisiinsa
Tyyppimerkintä
Sähkön lainalaisuus #1 P = U x I P U I
Kuormat virtapiirissä Sähköisen virtapiirin osia ja komponentteja, jotka hyödyntävät virtaa työn tekemiseksi, kutsutaan kuormiksi Mitä enemmän kuormia virtapiirissä on, sitä enemmän virtaa vaaditaan niiden toimimisesksi Koska kuormat käyttävät osan virrasta työn tekemiseksi, niitä voidaan ajatella myös sähkövirtaa vastustavina tekijöinä Kuormat ovat vastustavia (resistiivisiä) tekijöitä virtapiirissä
Resistanssi (resistance) Kuorman kykyä vastustaa virran kulkua kutsutaan resistanssiksi (R) ja sen yksikkö on ohmi [Ω] Mitä suurempi resistanssi virtapiirissä on, sen vähemmän virtaa kulkee piirin läpi Jännite, virta ja resistanssi ovat aina toisistaan riippuvaisia
Sähkön lainalaisuus #2 U = R x I U R I
Resistanssi Mitä pienempi resistanssi, sen suurempi virta piirissä kulkee Jos resistanssi putoaa lähelle o Ω, on kyseessä oikosulkupiiri Kohti ääretöntä nouseva virta Kaapeleiden ja komponenttien ylikuumeneminen
Resistanssi Kun yksittäisiä resistiivisiä kuormia kytketään virtapiiriin, ne muodostavat yhdessä piirin kokonaisresistanssin Resistiivisten kuormien yhteisvaikutus riippuu kytkentätavasta Sarjakytkentä = kuormat muodostavat keskenään ketjun, jossa ensimmäisen kuorman toinen napa kytkeytyy jännitelähteeseen ja toinen seuraavan kuormaan, toinen kuorma kytkeytyy ensimmäiseen ja kolmanteen, kunnes taas viimeisen kuorman toinen napa kytkeytyy jännitelähteeseen Rinnankytkentä = kaikki kuormat kytkeytyvät molempiin jännitelähteen napoihin
Kuormien sarjaankytkentä
Kuormien rinnankytkentä
Kokonaisresistanssi Sarjaankytkennässä pisteiden A ja B välinen kokonaisresistanssi on yksittäisten resistanssien summa Rinnankytkennässä pisteiden A ja B välisen kokonaisresistanssin käänteisluku on yksittäisten resistanssien käänteislukujen summa Murtolukujen matematiikkaa 1 + 1 + 2 + 4 = 8 1/1 + 1/1 + 1/2 + 1/4 = 1/8? Ei, vaan täytyy laventaa samannimisiksi 4/4 + 4/4 + 2/4 + 1/4 = 11/4 = 2 3/4
Kokonaisresistanssi sarjaankytkennässä R 1 R 2 A B R n R 3 RAB = R1+R2+R3+ +Rn
Kokonaisresistanssi rinnankytkennässä A B R 1 R 2 R 3 R n 1/RAB = 1/R1+1/R2+1/R3 + +1/Rn
Kokonaisresistanssi rinnankytkennässä Laskeminen helpottuu kahdessa erikoistapauksessa Jos kaikki resistanssit ovat samansuuruisia n kpl kuormia RAB = R1 / n Jos kuormia on vain kaksi RAB = (R1 * R2) / (R1 + R2)
Kokonaisresistanssi Laskuharjoituksia Miksi etenkin rinnankytkennän ymmärtäminen on oleellista
Harjoituksia Vahvistin toimii 1200 W teholla verkkojännitteellä. Kuinka suuren määrän virtaa se vaatii toimiakseen? P = 1200 W U = 230 V P = U x 1 I = P/U I = 1200 W / 230 V I = 5,2 A
Harjoituksia Elektroninen piiri on sähköistetty paristolla, jonka jännite on 9V. Piirillä halutaan sytyttää LED, jonka suurin sallitu virta on 20 ma. Millainen resistanssi piiriin tarvitaan? U = 9 V I = 20 ma = 0,02 A U = R x I R = U / I R = 9 V / 0,02 A R = 450 Ω
Harjoituksia Mikä on pisteiden A ja B välinen kokonaisresistanssi Sarjaankytkentä A 2 Ω RAB = R1 + R2 + R3 + + Rn RAB = 2 Ω + 4 Ω + 8 Ω RAB = 14 Ω 4 Ω 8 Ω B
Harjoituksia Mikä on pisteiden A ja B välinen kokonaisresistanssi Rinnankytkentä 1/RAB = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + + 1/Rn 1/RAB = 1/2 Ω + 1/4 Ω + 1/8 Ω 1/RAB = 4/8 Ω + 2/8 Ω + 1/8 Ω 1/RAB = 7/8 Ω RAB = 8 Ω / 7 = 1,14 Ω A 2 Ω 4 Ω B 8 Ω
Harjoituksia Mikä on pisteiden A ja B välinen kokonaisresistanssi A 2 Ω Sekakytkentä Pyrittävä löytämään osa-alueet, joiden resistanssi voidaan määrittää RAB = 18 Ω 4 Ω 8 Ω 8 Ω 4 Ω 8 Ω B
Sarjaan- ja rinnankytkennät Huomattava erilainen käyttätyminen tarkkailtavan asian suhteen Esimerkiksi jännitteen osalta Sarjaankytkennässä jännite kasvaa samalla tavalla UAB=U1+U2+U3+ +Un Rinnankytkennässä jännite pysyy samana Virtaa saadaan pitemmän aikaa
Harjoituksia Keittiön varustus Jääkaappi: Electrolux ERF4115DOW Kahvinkeitin: Moccamaster KB952 Mikro: Samsung MS28J5255UW Aamulla Pentti haluaa keittää kahvin sekä mikropuuron. Mitä tässä tilanteessa täytyy ottaa huomioon? Keittiö Olohuone 10 A 10 A Makuuhuone
Harjoituksia Keittiön varustus Jääkaappi: Electrolux ERF4115DOW (80W) Kahvinkeitin: Moccamaster KB952 (1520 W) Mikro: Samsung MS28J5255UW 1000 W Aamulla Pentti haluaa keittää kahvin sekä mikropuuron. Mitä tässä tilanteessa täytyy ottaa huomioon? Keittiö Olohuone 10 A 10 A Makuuhuone
Värikoodaus Väri Musta Ruskea Punainen Oranssi Keltainen Vihreä Sininen Violetti Harmaa Valkoinen Numero 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Mun rupuinen orkesteri visioi lihavartaan