DEE-11000 Piirianalyysi Luento 1 1
DEE-11000 Piirianalyysi Kesäkurssi, viikot 22-24 (26.5. 13.6.) Luennot Harjoitukset ma, ti, ke to klo 16-19 SE 211 pe klo 11-14 SE 211 (helatorstaina 29.5. ei luentoa), SH 311 Aki Korpela, SH 305 Kurssimateriaali: Opintomoniste Nilsson & Riedel: Electric Circuits 7ed. Tentti 30.6. 2
Kurssimonisteen lataaminen Mene Sähkömagnetiikan sivuille www.tut.fi/smg. Kirjaudu sisään TTY:n intran tunnuksilla. Klikkaa opinnot -> kurssit -> DEE-5xxxx Uusiutuvien sähköenergiateknologioiden kurssimonisteet. Kun lataat Piirianalyysin monisteen, nimesi ja opiskelijanumerosi tulostuvat monisteen jokaiselle sivulle. 3
Luento 1, Sisältö Opintojakson rakenne ja tavoitteet Sähkötekniikan historiaa Sähköiset perussuureet Passiiviset piirikomponentit 4
Sähkötekniikan kehitys (viimeiset 50 vuotta) Mooren laki (1965) Transistoreiden määrä integroiduissa piireissä kaksinkertaistuu kerran kahdessa vuodessa. 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. 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. 7
Sisältö kompressoituna Piirikomponentit Tasasähköpiirit Laskentamenetelmät Vaihtosähköpiirit Sinimuotoiset suureet 8
Yleinen ratkaisufilosofia Ongelman identifiointi Piirikaavio tai visuaalinen malli Formuloi Ratkaise Kritisoi Ratkaisumenetelmän valinta Ongelman matemaattinen ratkaisu Ratkaisumenetelmän kritisointi Ratkaisun arviointi ja testaus 9
Terminologiaa? Sähkövetureille virtaa syöttävissä johdoissa kulkee 25 000 voltin voima, eli virtaa on sata kertaa enemmän kuin kotoisessa pistorasiassa. Aamulehti 15.10.1997 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 700 600 500 400 300 200 100 0 F 200 100 0-100 -200-300 -400-460 C 100 0-100 -200-273 K 400 300 200 100 Water boils Water freezes (273.15 K) Superconducting region Methane boils Oxygen boils Nitrogen boils CRYOGENIC REGION Hydrogen boils Helium boils 0 Absolute zero 11
Kryogeniikka (Cryogenics) frost to produce Etymologically, cryogenics means the science and art of producing cold. Kamerlingh Onnes, 1894 12 15.6.201
Etuliitteet 10 12, Tera T 10 9, Giga G 10 6, Mega M 10 3, Kilo k 10-3, milli m 10-6, mikro - 10-9, nano n 10-12, piko p 10-15, femto f 10-18, atto - a Levykondensaattorin kapasitanssi on 50 F 13
Olkiluoto 3 P = 1 600 000 000 W = 1 600 000 kw = 1 600 MW = 1.6 GW 14
ITER fuusioreaktori Gadaracheen P = 500 MW Q-luku = 10 Plasman koossapito ja hallinta perustuu magneettiseen koossapitoon. Valmistuu ~ 2019 15
Fuusio on päivastainen reaktio kuin fissio 16
Fuusio massa on energiaa E = mc 2 17
Fuusio loppumaton energian lähde 0.7 % massasta muuttuu energiaksi Auringossa 4 miljoonaa tonnia ainetta muuttuu energiaksi joka sekunti T sun core ~ 15 x 10 6 K DT-fuusio maapallolla vaatii T ~ 100 x 10 6 K 18
Jos massa muuttuisi energiaksi, 0.5 kg ainetta tuottaisi saman verran energiaa kuin Olkiluoto 3 yhdessä vuodessa. 19
Aineiden rakenteesta 20
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 10-12 mm 21
Perussuureet Varaus: Q, q(t); [As] = [C] Q e = -1,602 x 10-19 C Virta: I, i(t); [A] Kiinteillä aineilla sähkövirta on pääasiassa elektronien liikettä. dq i( t) [ C / s A] dt 22
Coulomb & Ampere Charles Coulomb 1726 1806 André Ampere 1775-1836 23
Varaus ja sähkökenttä Kiinteän varauksen ympärille syntyvää voimakenttää kutsutaan sähkökentäksi E 24
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 1745-1829 25
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 1736-1819 26
Review Question 1 Hehkulamppu toimii 120 voltin jännitteellä. Mikä on lampun teho, mikäli tunnin aikana lampun kautta kulkee 28.09 x 10 21 elektronia? A) B) C) 50 W 100 W 150 W D) 200 W 27
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? 28
Yhteenveto Opintojakson rakenne Sähkötekniikan historiaa Sähköiset perussuureet 29
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) 30
Ohmin laki 31 Georg Simon Ohm 1789-1854
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 32
T = 20 (1 + (T 20 0 C) ) Aine / m (20 0 C) / K -1 Alumiini 2.38 x 10-8 0.0037 Hiili 6 8 x 10-5 -0.2-8 x 10-3 Hopea 1.63 x 10-8 0.0038 Kupari 1.78 x 10-8 0.0039 Valurauta 2 8 x 10-7 Vesi, puhdas 250 000 33
34
Heike Kamerling Onnes 35
Passiiviset piirikomponenit - kondensaattori Michael Faraday1791-1867 36
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 37
Kondensaattori (Cont.) Q Sähkövaraus i( t) dt Q Q 0 on kondensaattorin alkuvaraus 0 Toisin sanoen du( t) i( t) C dt Siis U 1 C 1 C i( t) dt i( t) dt U 0 Q 0 Miten kondensaattori näkyy tasasähköpiirissä? 38
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. 39
Passiiviset piirikomponentit - käämi 40 Käämi on energiaa varastoiva elementti, jossa energia varastoituu virrallisen käämin luomaan magneettikenttään.
Käämin tunnussuureita Magneettikentän voimakkus H N I l Magneettivuon tiheys B H Magneettivuo B A Käämivuo N 41
Käämi Käämin pääominaisuus on induktanssi, joka on ns. käämivuon suhde käämin kautta kulkevaan virtaan. L i N i Joseph Henry 1797-1878 42
Käämi (Cont.) Käämivuo u( t) dt Käämin yli oleva jännite on käämivuon muutosnopeus, jolloin 0 Edelleen 1 i( t) u( t) dt I L I 0 on käämin virta integroinnin alkuhetkellä. 0 u( t) d ( t) dt L di( t) dt Miten käämi näkyy tasasähköpiirissä? Käämin ns. elementtiyhtälö 43