Sähkön perusteet. Elektroniikka ja sähköoppi. Klas Granqvist Akun Tehdas / Oy Aku s Factory Ltd

Samankaltaiset tiedostot
Sähkön perusteet. Elektroniikka ja sähköoppi. Klas Granqvist Akun Tehdas / Oy Aku s Factory Ltd

Elektroniikka. Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist

kipinäpurkauksena, josta salama on esimerkki.

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

TN T 3 / / SÄH Ä KÖAS A IOI O TA T Vi taniemen koulu

SÄHKÖTEKNIIKKA. NBIELS13 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2015

SÄHKÖTEKNIIKKA. NTUTAS13 Tasasähköpiirit Jussi Hurri kevät 2015

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

1. Tasavirta. Virtapiirin komponenttien piirrosmerkit. Virtapiiriä havainnollistetaan kytkentäkaaviolla

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

Fysiikan perusteet ja pedagogiikka (kertaus)

Sähköoppi. Sähköiset ja magneettiset vuorovaikutukset sekä sähkö energiansiirtokeinona.

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET. Kirchhoffin lait Aktiiviset piirikomponentit Resistiiviset tasasähköpiirit

Sähkötekiikka muistiinpanot

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA. Kirchhoffin lait Aktiiviset piirikomponentit Resistiiviset tasasähköpiirit

SÄHKÖSTATIIKKA JA MAGNETISMI. NTIETS12 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2013

Sähkövirran määrittelylausekkeesta

Elektroniikka. Mitä sähkö on. Käsitteistöä

DEE Sähkötekniikan perusteet

TEHTÄVÄT KYTKENTÄKAAVIO

2. Vastuksen läpi kulkee 50A:n virta, kun siihen vaikuttaa 170V:n jännite. Kuinka suuri resistanssi vastuksessa on?

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/7

Jännite, virran voimakkuus ja teho

Aktiiviset piirikomponentit. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

Katso Opetus.tv:n video: Kirchhoffin 1. laki

Sähkömagneettinen induktio

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

TASASUUNTAUS JA PUOLIJOHTEET

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Harjoitustehtäviä kokeeseen: Sähköoppi ja magnetismi

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

KYSYMYS: Lai*akaa varaukset järjestykseen, posi9ivisesta nega9ivisempaan.

Luku Ohmin laki

FY6 - Soveltavat tehtävät

RATKAISUT: 18. Sähkökenttä

Kuva 1. Ohmin lain kytkentäkaavio. DC; 0 6 V.

Théveninin teoreema. Vesa Linja-aho (versio 1.0) R 1 + R 2

Fysiikka 9. luokan kurssi

Magneettikenttä ja sähkökenttä

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

Omnia AMMATTIOPISTO Pynnönen

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

LUENTO 9, SÄHKÖTURVALLISUUS - HARJOITUKSET

DEE Sähkötekniikan perusteet

HALLIN ILMIÖ 1. TUTKITTAVAN ILMIÖN TEORIAA

DEE Aurinkosähkön perusteet

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

Elektroniikka ja sähkötekniikka

Sähkötekniikan perusteita. Pekka Rantala Syksy 2016

Erään piirikomponentin napajännite on nolla, eikä sen läpi kulje virtaa ajanhetkellä 0 jännitteen ja virran arvot ovat. 500t.

Sähkövaraus. Hankaussähkö. Copyright Isto Jokinen

14.1 Tasavirtapiirit ja Kirchhoffin lait R 1. I 1 I 3 liitos + - R 2. silmukka. Kuva 14.1: Liitoksen, haaran ja silmukan määrittely virtapiirissä.

elektroni = -varautunut tosi pieni hiukkanen nukleoni = protoni/neutroni

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA Aalto-yliopisto, sähkötekniikan korkeakoulu

Nimi: Fysiikka. 9. luokan kurssi

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

VASTUSMITTAUKSIA. 1 Työn tavoitteet

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

Elektroniikan komponentit

Luku 27. Tavoiteet Määrittää magneettikentän aiheuttama voima o varattuun hiukkaseen o virtajohtimeen o virtasilmukkaan

Lineaarialgebra MATH.1040 / Piirianalyysiä

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

2 Jannitelähde 24 V 28 V 7,5 A

1. Tasavirtapiirit ja Kirchhoffin lait

Pynnönen SIVU 1 KURSSI: Opiskelija Tark. Arvio

Perunapellosta virtaa! Jenna Salmijärvi ja Maija Torttila

Luento 6. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Sähäkästi sähköstä, makeasti magnetismista. Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen, kevät 2014

Keski-Suomen fysiikkakilpailu

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

1 Sähkötekniikan peruskäsitteet

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

RESISTANSSIMITTAUKSIA

DEE Sähkötekniikan perusteet

DEE Sähkötekniikan perusteet

Kaksi yleismittaria, tehomittari, mittausalusta 5, muistiinpanot ja oppikirjat. P = U x I

FYSP104 / K2 RESISTANSSIN MITTAAMINEN

1.1 ATOMIN DISKREETIT ENERGIATILAT

1. Mitä tarkoittaa resistanssi? Miten resistanssi lasketaan ja mikä on sen yksikkö?

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 7. Tehtävä 1

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Magneettinen energia

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

Yleistä sähkömagnetismista SÄHKÖMAGNETISMI KÄSITEKARTTANA: Varaus. Coulombin voima Gaussin laki. Dipoli. Sähkökenttä. Poissonin yhtälö.

Taitaja2005/Elektroniikka. 1) Resistanssien sarjakytkentä kuormittaa a) enemmän b) vähemmän c) yhtä paljon sähkölähdettä kuin niiden rinnankytkentä

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO

KURSSIN TÄRKEIMPIÄ AIHEITA

Sähköstatiikka ja magnetismi

Luento 2. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Sähkötekniikka ja elektroniikka

FYSA220/1 (FYS222/1) HALLIN ILMIÖ

TURVAVALAISTUSKESKUKSET TK31 JA TK41 ASENNUS- JA TESTAUSOHJE

7. Resistanssi ja Ohmin laki

Transkriptio:

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

Ulkoinen voima 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] Jännite, virta ja teho ovat aina suhteessa toisiinsa

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 resistiivisä 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 R AB = R 1 / n Jos kuormia on vain kaksi R AB = (R 1 * R 2 ) / (R 1 + R 2 )

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 R AB = R 1 + R 2 + R 3 + + R n R AB = 2 Ω + 4 Ω + 8 Ω R AB = 14 Ω 4 Ω 8 Ω B

Harjoituksia Mikä on pisteiden A ja B välinen kokonaisresistanssi Rinnankytkentä 1/R AB = 1/R 1 + 1/R 2 + 1/R 3 + + 1/R n 1/R AB = 1/2 Ω + 1/4 Ω + 1/8 Ω 1/R AB = 4/8 Ω + 2/8 Ω + 1/8 Ω 1/R AB = 7/8 Ω R AB = 8 Ω / 7 = 1,14 Ω A 2 Ω 4 Ω B 8 Ω

Mikä on pisteiden A ja B Harjoituksia välinen kokonaisresistanssi A 2 Ω Sekakytkentä Pyrittävä löytämään osa-alueet, joiden resistanssi voidaan määrittää R AB = 18 Ω 4 Ω 8 Ω 8 Ω 4 Ω 8 Ω B

Keittiön varustus Harjoituksia 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

Keittiön varustus Harjoituksia 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