Sähkötekniikka ja elektroniikka Kimmo Silvonen (X)
ELEC-C4210 Sähkötekniikka ja elektroniikka (5 op) Luento Motto: Eri tutkinto-ohjelmien opiskelijat kohtaavat rennossa ja innovatiivisessa ilmapiirissä. Korvaa kurssin S-55.1100 (4 op) Luennot ja laskuharjoitukset: Kimmo Silvonen (KS = X) Laboratoriotyöt: Markus Huuhtanen ja X Ilmoittaudu Oodissa! Important: For English instructions, please contact Kimmo! Page 2 (19)
Oppikirjat Gaudeamus Otatieto Sähkötekniikka ja piiriteoria (2009) + Elektroniikka ja puolijohdekomponentit (2009). Suositeltavimmat! tai loppuunmyyty Sähkötekniikka ja elektroniikka (2003 7). Tämäkin kay oppikirjaksi ja löytyy monista kirjastoista. Printtaa painovirheiden korjaukset! Luentokalvot eivät sovellu itsenäiseen opiskeluun!? Itsepäinen opiskelu ei edes sovi kaikille. Page 3 (19)
Opetusjärjestelyt Opetusmateriaalit Materiaali tulee MyCourses-sivustolle! Luento- ja harjoitusajat ja sijaintipaikat Huom! pysäköintirajoitukset Osaston kartta on kohdassa Materials Kaavakokoelma (ks. Materials), jaetaan 3. luennolla Laskuharjoitukset jaetaan LH:ssa ja netissä (MyCo) Laajat ratkaisut tulossa Laboratoriotöiden ohjeet ja turvallisuusohje (MyCo) Page 4 (19)
Laskuharjoitukset LH Kannattaa käydä! Ehkä keskeisin osa kurssia, 14. 15.9. alkaen Tehtävät jaetaan harjoituksissa Laajemmat ratkaisut ovat vain netissä (kurssipalautteessa kehotettiin mainostamaan näitä) Lasketaan itse ja demoan sitten Live-ratkaisut ovat usein havainnollisemmat Lisätehtäviä ja vanhoja koetehtäviä netissä http://kimmos.net (http://users.aalto.fi/ksilvone/) Yksi laskuharjoitustehtävä kokeisiin modattuna Opettele käyttämään Kakoa! Page 5 (19)
Suorittaminen Välikokeet ja tentit; ilmoittautuminen on nykyisin pakollista! Välikokeet ja tentit (X) Lasket neljä tehtävää viidestä Kako saa olla mukana Ratkaisut 1998 alkaen netissä Pisterajat: 30+8 n 80 = 38...70 80 kiinteät: 38, 46, 54, 62, 70 Palaute, lisäpiste? Opetusta kehitetään jatkuvasti Välikoe- ja luentoaikataulu Page 6 (19)
Laboratoriotyöt Ti 8 10, Ti 10 12, To 10 12 Ilmoittaudu Oodissa 21.9. 1.10. siihen A- tai B-ryhmään, joka useimmin sopii! Jos haluat tietyn parin, meilaa Kimmolle viim. 1.10. Labrat alkavat 6. 15.10. Puuttuvan työn voit korvata sovittuna aikana 4 labraa joka toinen viikko, 2 h 15 min, ei koeviikoilla. Vuorosi säilyy, jos jäät pois; kaveri voi silti tulla Lue turvallisuus- ja ensiapuohjeet! Selvitä 1. työsi numero (tieto tulee MyCoon)! Lue työohje Nopasta etukäteen! Labrassa on lainapruju, jota ei pidä pölliä! Kurssin hauskin ja vähiten streßaava osa! Page 7 (19)
Luentojen aihepiirit ja viittaus matematiikkaan Viikko Aihe Esimerkki 0 Esittely, materiaalien ominaisuudet n = Σ 34 8 1 Lineaariset piirit U = RI 2 Kytkentäilmiöt u = L di dt 3 Siniaalto U = jωli 4 Vaihtovirran teho P = Re[UI ] 5 Sähkövoimatekniikka S = 3UI 1. välikoe 6 Siirtojohto ρ = R Z R+Z 7 Epälineaariset piirit, diodi I = I S e U nu T 8 Transistori ja 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)
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 osastorajojen Nostattaa optimismia ja opiskelijoiden uskoa omiin kykyihin Hauskoja hetkiä sähkön ja elen parissa! Page 9 (19)
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: Sähkötekniikka ja piiriteoria, 2009 Page 10 (19)
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 = 10 17 S/m Page 11 (19)
Eräiden materiaalien johtavuuksia σ (S/m) hopea 6,17 10 7 kupari 5,8 10 7 kulta 4,10 10 7 alumiini 3,82 10 7 pronssi (66% Cu) 2,56 10 7 volframi (tungsten) 1,82 10 7 sinkki 1,67 10 7 nikkeli 1,45 10 7 rauta 1,03 10 7 platina 0,952 10 7 tina 0,877 10 7 lyijy 0,457 10 7 ruostumaton teräs 0,111 10 7 konstantaani 2,26 10 6 grafiitti 7,14 10 4 pii 4,35 10 4 lasi 10 14...10 11 Page 12 (19)
Eristemateriaalien tyypillisiä resistiivisyyksiä ρ = 1 σ (Ωm) merivesi 0,1...5 savi 25...70 vesijohtovesi 40...250 lieju, turve, multa 50...250 sadevesi 800...1300 graniittikallio 1...5 10 4 hiekka 1000...3000 tislattu vesi 1000...4000 betoni 2 10 3...10 5 jää 10 5...10 6 puu 10 8...10 11 kiille 10 11...10 13 posliini 10 12...10 14 kumi 10 13...10 15 polystyreeni 10 16 kvartsi 10 17 Page 13 (19)
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)
Suhteellisen permeabiliteetin µ r ( ) arvoja kulta 1 3,6 10 5 elohopea 0,999968 hopea 0,9999736 hiili 1 2,1 10 5 lyijy 0,9999831 kupari 0,9999906 vesi 0,9999912 tyhjiö 1 ilma 1 + 3,7 10 7 alumiini 1,000021 valurauta 200 nikkeli 600 mangaani-sinkkiferriitti 750...1200 valuteräs, rauta (99,6 %) 5000 permalloy (78,5 % Ni, 21,5 % Fe) 70000 99,96 % puhd. rauta 280000 supermalloy 1000000 Page 15 (19)
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)
Materiaalien suhteellisia permittiivisyyksiä ε r ( ) tyhjiö / ilma (1 atm) 1/1,00059 tislattu vesi (DC... RF) 81...78 jää 2...3,2 lumi (3 GHz) 1,2...1,5 lasi 3,2...16 paperi 1,5...4 posliini 5...9 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)
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 30.4.2008 (TiO 2 -ohutkalvo, 5 nm). Sovelluksia mm. nanoelektroniikan mallintamisessa, ReRAM. Page 18 (19)
Ensi viikolla Lineaaristen piirien analyysi Välttämätön pohja kurssin jatkon kannalta! Varma tärppi 1. välikokeeseen ja tenttiin. Page 19 (19)