ellä h el kt ikellära och elektronik - miunapachepersonal.miun.se/~bornor/ee/ee1.pdf ·...
TRANSCRIPT
Ellä h El kt ikEllära och ElektronikE ” ikti i jö k ”• En ”riktig ingenjörskurs” Första föreläsningen:
Översiktligt kursinnehållHistorikOhms lag
© Copyright 2008 Börje Norlin
1
V fö lä Ellä & El kt ik?Varför läsa Ellära & Elektronik?Teknikförståelse• Teknikförståelse
– Varje område i den moderna vardagen berörs av datorer eller annan elektronikA d l kt ik b t t llt å k l dlä d t i– Avancerad elektronik bygger trots allt på enkel grundläggande teori
Ohms lag och Kirchhoffs lagarTillämpning av komplexa tal och ekvationssystem
• Ellära och Elektronik anses ofta vara allmänbildning• Ellära och Elektronik anses ofta vara allmänbildning– En äldre generation företagsledare tror att ni har läst den här kursen
på gymnasietInom prod ktdesign krä s förståelse för ärme som alstras a– Inom produktdesign krävs förståelse för värme som alstras av elektronik
– För att arbeta ”på riktigt” med datorer förutsätts att man kan följa resonemang om hur hårdvaran fungerar elektrisktresonemang om hur hårdvaran fungerar elektriskt
– Inom media behövs filterteori för att förstå signalbehandling och bildbehandling
© Copyright 2008 Börje Norlin
2
El kt ik kElektroniken krymperEl kt ik b i ä t• Elektronik byggs in nästan överallt
– Massor av funktionalitet på ett chipMassor av funktionalitet på ett chip– Priset är lågt (stora serier)– Programmerbar logik, uppdatera i stället
för att byta hårdvaraför att byta hårdvara
© Copyright 2008 Börje Norlin
3
Mitt i it t t l kt ikf k iMittuniversitetets elektronikforskningN l kt ikk t h• Nya elektronikkomponenter och fiberoptikkomponenter
– Datorsimuleringar och tillverkning i renrum
• Avancerade bild-detektorer– Röntgendetektorer
• Design av elektroniksystemDesign av elektroniksystem– Realtidsbearbetning av data för multimedia
• RFID – Radio-id• Tillämpningar inom processindustri &
bilindustri
© Copyright 2008 Börje Norlin
4
Ö i d ålÖvergripande målK tt d lt• Kursen avser att ge deltagarna
– Förståelse för centrala begrepp inom områdena elektrisk kretsteori och analog elektronik.
– Kunskaper om matematiska metoder och modeller för konstruktion och analys av analoga kretsar, främst ur systemperspektivet.y g , y p p
– Orientering om vanliga analoga kopplingar och komponenterkopplingar och komponenter.
– Färdigheter i elektrisk mätteknik.
• Sammanställt utifrån beslut iämneskollegiet
© Copyright 2008 Börje Norlin
5
P kti k d t ljPraktiska detaljerKurslitteratur• Kurslitteratur
– Introductory Circuit Analysis, 12th edition, Boylestad, Prentice HallAlternativ: Essentials of Circuit Analysis– Alternativ: Essentials of Circuit Analysis1st edition, Boylestad, Prentice Hall
• UndervisningFöreläsningar: 8 st (2h) (frivilliga)– Föreläsningar: 8 st (2h) (frivilliga)
– Övningar: 3 st (2h) (frivilliga)Problemlösning (genomgångar) alternativt räknestuga (läraren finns tillgänglig)
Laborationer: 5 st (4h) (examinerande)– Laborationer: 5 st (4h) (examinerande)
• Distribution av kursmaterial5 poängskurs ETAA07 - Projekt v 10-12
http://apachepersonal.miun.se/~bornor/ee/
© Copyright 2008 Börje Norlin
6
K b h dl 3 tKursen behandlar 3 momentDC ät Filt & OP fö tä k• DC-nät
– Batterier och såntMål - Du skall kunna:Definiera spänningskälla strömkälla
• Filter & OP-förstärkare– Ton- & volymkontrollen på
stereonMål Du skall kunna:Definiera spänningskälla, strömkälla
Beskriva resistorns funktion med Ohms lagKunna bygga en likströmskrets och beskriva den matematiskt
Mål - Du skall kunna:Beräkna gränsfrekvens för lågpassfilter och högpassfilterReducera en krets till en fyrpolBeskriva frekvensgången för ett filter
Reducera en krets till en tvåpol
• AC-nät– Växelström finns i vägguttaget
Beskriva frekvensgången för ett filter eller en förstärkare med ett BodediagramDesigna två OP-förstärkarkopplingar för att driva t.ex. stereohörlurar.gg g
Mål - Du skall kunna:Beskriva spolens och kondensatorns funktion matematisktKunna bygga en växelströmskrets och b k i d d k l lbeskriva den med komplexa talReducera en krets till en tvåpolBeräkna den aktiva effekten i en komponent
© Copyright 2008 Börje Norlin
7
L b tiLaborationerP kti k l b ti (i l S111)• Praktiska laborationer (i sal S111)
– Kunna överföra en teoretisk krets till en praktisk koppling– Kunna hantera mätinstrument, speciellt oscilloskopetKunna hantera mätinstrument, speciellt oscilloskopet
• En laboration introducerar forskning inom elektronik på Mittuniversitetet
– Tryckta antenner, RFID– Handleds av Johan Sidén
© Copyright 2008 Börje Norlin
8
E i tiExaminationE i ti i d• Examination via duggor
– Examination för varje moment. Samtliga moment måste vara godkända.– Moment 1 – Dugga 1Moment 1 Dugga 1– Moment 2 – Dugga 2– Moment 3 – Dugga 3
• Laborationer– Närvaro, labbrapporter eller signaturer vid labbtillfället.
• Betygssättning• Betygssättning– I kursen ges betygen A, B, C, D, E, Fx, F– Betyget sätts utifrån resultatet på samtliga duggoryg p g gg
© Copyright 2008 Börje Norlin
9
K t t i DCKretsteori DCLö i t d i å 1 Lö i t d i å 2• Lösningsmetoder nivå 1
– Ohms lag– Kirchhoffs lagar
• Lösningsmetoder nivå 2– Superposition– Slinganalys
– Theveninekvivalenter– Nortonekvivalenter
– Nodanalys
© Copyright 2008 Börje Norlin
10
El kt i it tElektricitetSt ti k l kt i it t kä t tik• Statisk elektricitet känt sen antiken
• Experiment med åska på 1700-taletInspiration till Mar Shelle ’s roman– Inspiration till Mary Shelley’s roman Frankenstein 1818
• Bohr Atommodell • Elektromagnetism
– Teorier om Etern– Relativitetsteorin
Frankenstein (Colin Clive) and his assistant Fritz (Dwight Frye) in the laboratory.From the film Frankenstein 1931
Front cover of Mary Shelley’s novel
© Copyright 2008 Börje Norlin
11
D fi iti 1 V lt ä iDefinition av 1 Volt spänningD t k ä 1 J i tt fl tt d iti• Det krävs 1 J energi att flytta den positiva laddningen 1 C över en positiv potential-skillnad på 1 V.
© Copyright 2008 Börje Norlin
12© Copyright 2001 Börje Norlin
El kt l dd i ä• Elektronens laddning är -1.6021773·10-19 C
• Elektrisk ström består av elektroner som flyttar sig i ett material.
© Copyright 2008 Börje Norlin
13© Copyright 2001 Börje Norlin
Vid elektronövergångar till skalVid elektronövergångar till skal med lägre energi kan en foton ljus avges.
Foton
© Copyright 2008 Börje Norlin
14© Copyright 2001 Börje Norlin
G dk t DCGrundkomponenter DCAl d V lt f b tt i t 1799• Alessandro Volta uppfann batteriet 1799
– Hans batteri bestod av koppar- och zinkringar i syra – Thomas Edison utvecklade 1914 ett kompaktThomas Edison utvecklade 1914 ett kompakt
nickel-järn batteri
U I
I0 R
E+U I
Spännings- Strömkälla MotståndSpänningskälla genererar spänning i volt (V)
Strömkälla genererar ström i ampere (A)
Motstånd resistans i ohm (Ω)
© Copyright 2008 Börje Norlin
15
Bilb tt i tBilbatteriet
Copyright ©2003 by Pearson Education, Inc.
Maintenance-free 12-V (actually 12.6-V) lead-acid battery. (Courtesy of Delco-Remy, a division of General Motors Corp.)
Copyright ©2003 by Pearson Education, Inc.Upper Saddle River, New Jersey 07458
All rights reserved.
© Copyright 2008 Börje Norlin
16
© Copyright 2008 Börje Norlin
17© Copyright 2001 Börje Norlin
El kt i k k tElektrisk kretsK t d• Krets med
– Spänningskälla– Lampa
• Lampan ären resistansen resistans
• Strömmenutvecklareffekt someffekt somavges somvärme & ljusljus.
© Copyright 2008 Börje Norlin
18© Copyright 2001 Börje Norlin
E kl k liEnkla kopplingar
12V10W 12V
12V
10W 12V
12V10W 12V 10W 12V
SPSTSPST
SPST
10W 12V
10W 12V
10W 12V 10W 12V
Lampa med brytare
12VSPST
Seriekopplade lampor Parallellkopplade lampor
12V
10W 12V12V
12V 10W 12V SPST12V
SPST
12V 10W 12V
Parallellkopplade batterierSeriekopplade batterier(problem?)
Brytare och lampa parallellt
© Copyright 2008 Börje Norlin
19(problem?)
R i tResistansNå t b /fö b k• Något som bromsar/förbrukar ström
• Isolator (mycket hög resistans)
• Kabel (låg resistans)• Kabel (låg resistans)
• Elkraft – elektriskt element• Elektronik – används för att
erhålla ”rätt” spänning
© Copyright 2008 Börje Norlin
20
St ö fl t f å d hö tillStrömmen flyter från den högre till den lägre potentialeng p
© Copyright 2008 Börje Norlin
21© Copyright 2001 Börje Norlin
Oh lOhms lag
• U=R·I– Resistansen
förutsättsvaravarakonstant
© Copyright 2008 Börje Norlin
22© Copyright 2001 Börje Norlin
R i tResistorerR i t d lik• Resistorer med olika maximal effekt.
• Tillverkas med bestämda valörer i de sk E-serierna.
– E3 till E192 finns. Kvoten mellan näraliggande världen i t.ex E3-serien är och i E6 serien3 10 6 10serien är och i E6-serien
– E12-serien t.ex har tolerans 10 % och innehåller värdena 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82,
3 10 6 10
100 per dekad.
© Copyright 2008 Börje Norlin
23© Copyright 2001 Börje Norlin
Fä k dFärgkod• 1 1:a siffran
2 2:a siffran3 3:e siffran4 exponent5 t l– färg siffra exp
silver - 0.01guld - 0.1svart 0 1
5 tolerans– färg tolerans
guld 5 %silver 10 %
brun 1 10röd 2 100orange 3 1kgul 4 10k
silver 10 %saknas 20 %
ggrön 5 100kblå 6 1Mviolett 7 10Mgrå 8grå 8vit 9
© Copyright 2008 Börje Norlin
24© Copyright 2001 Börje Norlin
M t 2 AC ätMoment 2 AC-nätFö ki ä d 220 V ä l t ö• För maskiner används 220 V växelström
• Jonas Wennström utvecklade generatorn och elmotorn i Svergei Sverge
– Sveriges första gatubelysning tas i drift 1881 Belysning i Härnösand 1885
– Asea grundas 1883 av grosshandlaren Ludvig Fredholm– Wennström uppfinner trefassystemet 1889,
Sverige börjar elektrifierasFör maskiningenjörer ingår ett speciellt
moment om trefasspänning
© Copyright 2008 Börje Norlin
25
Vä l t ö t iVäxelström - teoriVä l t ö b k i kl t i k l f• Växelström beskrivs enklast i komplex form
– Kräver kännedom om komplex analys– Grund för signalteori ZGrund för signalteori
• LösningsmetoderC
Z
– Visardiagram – jω-metoden– Komplex effekt
Kapacitans (kondensator) Farad (F)
Impendans komplex impendans i ohm (Ω)
Komplex effekt– Anpassning
Farad (F)
L u1(t) u2(t)
M
Induktans (spole) Henry (H) Transformator
© Copyright 2008 Börje Norlin
26Henry (H)
M t 3 Filt & OP fö tä kMoment 3 Filter & OP-förstärkareK l kt ikd l b tå• Kursens elektronikdel består av filterkopplingar och enkla förstärkarkopplingar
• Filter byggs med hjälp av ellära-teorin från AC-nät
• Att manipulera frekvenser är pcentralt i t.ex ljud- och bildbehandling
• Filterteori gäller både digitalFilterteori gäller både digital och analog teknik
© Copyright 2008 Börje Norlin
27
M t 3 Filt & OP fö tä kMoment 3 Filter & OP-förstärkareE kl fö tä k k li b d hjäl OP• Enkla förstärkarkopplingar byggs med hjälp av OP
– Ideal Op-förstärkare– Olika förstärkarkopplingarOlika förstärkarkopplingar– Aktiva filter och övriga tillämpningar
• Om man själv ska dimensionera R2
Ren förstärkare så är en OP-koppling oftast ”första försöket”
• OP förstärkare är ett exempel på
-
+
R1
• OP-förstärkare är ett exempel påen integrerad krets (IC, chip)
OP-förstärkare (inverterande koppling)
© Copyright 2008 Börje Norlin
28
H l l d k tHalvledarkomponenterA t i k t ö l d i• Assymetrisk strömledning
– Karl Ferdinand Braun publicerar 1874 "Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle (On current flow through metallic sulfides)"
• Elektronröret och halvledaren revolutionerade tekniken på 1900-talets
å– Patent på diodradio 1904 (Jagadis Chandra Bose)– Förstärkare med elektronrör 1907
© Copyright 2008 Börje Norlin
29
T i tTransistorerT i t f 1948• Transistorn uppfanns 1948
– Ersatte de mindre pålitliga elektronrören– Nobelpriset i fysik 1956 till John Bradeen, Walter Brattain och WilliamNobelpriset i fysik 1956 till John Bradeen, Walter Brattain och William
Shockley för bipolartransistorn– Integrerade kretsar började framställas– Fälteffekttransistorn (FET) utvecklades– Fälteffekttransistorn (FET) utvecklades
eftersom den var mindre än bipolärtransistorn
Den 1:a IC-kretsen av Jack Killby 1958
© Copyright 2008 Börje Norlin
30
D t t kliDatorns utvecklingM k i k d t bö j d k t å 1600 t l t• Mekaniska datorer började konstrueras på 1600-talet
• ENIAC konstruerades 1945 av 18000 elektronrör2 ti l kt i k d t d t i t• 2:a generationens elektroniska datorer med transistorer
– ca 30 ton lättare än rördatorn
© Copyright 2008 Börje Norlin
31