1 SKOLELABORATORIET Introduksjon til elektronikk Av Nils Kr. Rossing Skolelaboratoriet ved NTNU

Presentasjon om: "1 SKOLELABORATORIET Introduksjon til elektronikk Av Nils Kr. Rossing Skolelaboratoriet ved NTNU"— Utskrift av presentasjonen:

1 1 SKOLELABORATORIET Introduksjon til elektronikk Av Nils Kr. Rossing Skolelaboratoriet ved NTNU www.skolelab.ntnu.no/

2 2 SKOLELABORATORIET De ulike nivåene Fysikken bak komponentene Karakterisering av komponenten Komponenten i krets Kretsforståelse Fra halvleder til system Kretsen som del av et system Systemforståelse og funksjon Eksempler: PN-overgang (Fys.) Transistor (Fys./Ing.) Forsterkertrinn (Ing.) Lydanlegg (Ing.) Nils Kr. Rossing 26.09.13

3 3 SKOLELABORATORIET Fysikk videregående Fysikk og teknologi (Fysikk 1) gjøre rede for forskjellen mellom ledere, halvledere og isolatorer ut fra dagens atommodell, og forklare doping av halvleder sammenligne oppbygningen og forklare virkemåten til en diode og en transistor, og gi eksempler på bruken av dem gjøre rede for virkemåten til lysdetektorer/sensor i digital fotografering eller digital video gjøre rede for hvordan moderne sensorer karakteriseres, og hvordan sensorenes egenskaper setter begrensninger for målinger Fysikk og teknologi (Fysikk 2) Hovedområdet handler om teknologiske anvendelser av induksjon og prinsippene som ligger til grunn for moderne avbildningsutstyr innen medisin. Digitalisering inngår også i hovedområdet. Nils Kr. Rossing 26.09.13

4 4 SKOLELABORATORIET Teknologi og forskningslære VG 2 og 3 Design og produktutvikling: gjøre rede for funksjonen til vanlige komponenter i elektroniske kretser, og gjenkjenne komponentene i en krets lage elektroniske kretser ved å lodde komponenter og simulere og teste kretsene forme og utvikle produkter som har en definert funksjon og inneholder elektronikk Savner: kunne beskrive oppbyggingen av et selvvalgt teknologisk system som er vanlig i bruk Nils Kr. Rossing 26.09.13

5 5 SKOLELABORATORIET Anvendt detektor Nils Kr. Rossing 26.09.13

6 6 SKOLELABORATORIET Noen klargjøringer Elektrisitetslære – elektrotenikk – elektronikk

7 7 SKOLELABORATORIET Elektrisitetslære, Elektroteknikk, Elektronikk Bruksområder: Elektrisitetslære (fenomenet, fysikken, lovene) - Elektriske begreper (strøm, spenning, effekt, energi) - Måling av størrelser - Lover som styrer strøm og spenning, Ohms lov, Kirchoffs lover - Parallell- og seriekobling - Enkle kretselementer (ledere, isolatorer, batterier, brytere lyspærerer, o.l.) Elektroteknikk (energi, omforming av energi) - Energiomforming og distr. (generatorer, kraftlinjer, transformatorer o.l.) - Elektriske komponenter for framdrift (motorer, regulatorer) - Elektrisk belysning og oppvarming - Spenninger over 50 V og ofte store effekter - Måling av strøm og spenning, effekt og energi - Tre-faseteknologi Nils Kr. Rossing 26.09.13

8 8 SKOLELABORATORIET Elektronikk (informasjon) - Aktive komponenter (transistorer, integrerte kretser, som gir effektforsterkning) - Passive komponenter (motstander, kondensatorer, spoler o.l.) - Sensorer (lys, lyd, varme, gass, fuktighet osv.) - Styring og kontroll (roboter, automater) - Overvåkning (alarmanlegg, overvåking, satellitter) - Kommunikasjonssystemer (TV-, radio, kringkasting, telefon, modbilkom. datanett) - Informasjonsbehandling (regne- og datamaskiner, lagring av data) - Kontormaskiner (faxmaskin, kopimaskin, printere, plottere o.l.) - Hjelpemidler i hjemmet (video- og DVD-spillere, MP3-spillere) - Lave spenningsnivåer under 50 V - Lav effekt (så lite effektforbruk som mulig) - Raske endringer av spenninger, høy hastighet og høy frekvens - Energiomvandling (solceller) Elektrisitetslære, Elektroteknikk, Elektronikk Bruksområder: Nils Kr. Rossing 26.09.13

9 9 SKOLELABORATORIET Strøm og spenning En didaktisk modell

10 10 SKOLELABORATORIET Elektrisk leder og isolator Nils Kr. Rossing 26.09.13

11 11 SKOLELABORATORIET Antall ladning pr. sek = I Ladningenes midlere fart Antall ladning pr. sek = I Ladningenes midlere fart Hvor kommer energien fra som stråler ut av lyspæra? Lys Varme Strømretning Nils Kr. Rossing 26.09.13

12 12 SKOLELABORATORIET Hva skjer når ladningene beveger seg? + + – ++++ Strøm av negative ladninger Strøm av positiv ladning Strømretningen Nils Kr. Rossing 03.11.11

13 13 SKOLELABORATORIET Newtonrommet Kulerullebane (stillingsenergi – bevegelsesenergi – energioverføring) Nils Kr. Rossing 26.09.13

14 14 SKOLELABORATORIET Nils Kr. Rossing 26.09.13

15 15 SKOLELABORATORIET Nils Kr. Rossing 26.09.13

16 16 SKOLELABORATORIET Elektrisk energiomvandling fra kjemisk energi via elektrisk energi til lysenergi tid Stillings- energi BatteriLysdiode - Batteri -

17 17 SKOLELABORATORIET Tyngdefelt – Elektrisk felt Tyngdefelt Masse (+) Uten elektrisk felt (uten spenning) Med elektrisk felt (med spenning) Nils Kr. Rossing 26.09.13

18 18 SKOLELABORATORIET Komponentlære Karakterisering av elektroniske komponenter

19 19 SKOLELABORATORIET Hvordan beskrive de elektriske egenskapene til en svart boks? Ved å ta opp strøm-spenningskarakteristikker Nils Kr. Rossing 26.09.13

20 20 SKOLELABORATORIET Forenklet ”svart boks” Rent ohmsk – nok å måle i ett punkt Nils Kr. Rossing 26.09.13

21 21 SKOLELABORATORIET Strøm-spenningskarakteristikk I U I = f(U) Nils Kr. Rossing 26.09.13

22 22 SKOLELABORATORIET Motstand Karakterisering av motstand U A V Nils Kr. Rossing 26.09.13

23 23 SKOLELABORATORIET Dioden

24 24 SKOLELABORATORIET Dioden www.skolelab.ntnu.no/ Dioden leder når anoden er positiv og katoden negativ Dioden sperrer når katoden er positiv og anoden er negativ

25 25 SKOLELABORATORIET Enkel likeretting www.skolelab.ntnu.no/

26 26 SKOLELABORATORIET ‒ + Dobbel likeretter www.skolelab.ntnu.no/ 0V + ‒

27 27 SKOLELABORATORIET Lysdioden www.skolelab.ntnu.no/

28 28 SKOLELABORATORIET Karakterisering av dioden Strøm (I) Spenning (U D ) Nils Kr. Rossing 26.09.13 Spenning (U) Spenning (U R ) + ‒

29 29 SKOLELABORATORIET Program dag 2 Dag 2 (Multirom) 09:00 – 09:05Praktisk informasjon 09:05 – 09:45Introduksjon til elektronikk (forts.) 09:45 – 10:00Intro til simulering 10:00 – 11:00Simulering av fuktighetsdetektoren - Lab. del 2 11:00 – 11:15Pause 11:15 – 12:00Sensorer og aktuatorer, en oversikt 12:00 – 12:30Lunsj 12:30 – 14:00Karakterisering av temperatursensor - Lab. del 3 14:00 – 14:15Pause 14:15 – 15:00Arbeid med oppgave

30 30 SKOLELABORATORIET Transistoren

31 31 SKOLELABORATORIET Transistoren Nils Kr. Rossing 26.09.13

32 32 SKOLELABORATORIET Karakterisering av transistoren U CE ICIC ICIC ‒ Nils Kr. Rossing 26.09.13 + ‒

33 33 SKOLELABORATORIET Strøm-spenningskarakteristikken for en transistor Nils Kr. Rossing 26.09.13 Strømforsterkning h FE =?? U CE ICIC

34 34 SKOLELABORATORIET Transistoren To hovedfunksjoner www.skolelab.ntnu.no/ Transistoren som bryter Transistoren som forsterker

35 35 SKOLELABORATORIET Elektroniske kretser

36 36 SKOLELABORATORIET Kirchoff lover Kirchhoffs første lov: Der hvor ledninger møtes i et knutepunkt, der må summen av strømmene inn mot knutepunktet være lik strømmene ut fra knutepunktet. Kirchhoffs andre lov Dersom vi summerer potensialforskjellene langs en sluttet krets så vil summen bli lik null. Nils Kr. Rossing 26.09.13

37 37 SKOLELABORATORIET Enkel sluttet krets R + - 9 V Symboler Kort bein Langt bein 9 V Bilder Nils Kr. Rossing 26.09.13

38 38 SKOLELABORATORIET Bruk av lysdioder (LED) Hvor stor motstand? Dioden tåler: - maks. 30 mA, 2,4 V over dioden - velger 12 mA antar 2,0 V Beregner motstanden, R R = U/I R = ? Ω R = 7V/0,012A = 583 Ω Velg passende verdi Standardverdi = 560 Ω R + - 9 V 2 V 7 V 12 mA Spenning Strøm 2 V 12 mA Nils Kr. Rossing 26.09.13

39 39 SKOLELABORATORIET Enkel sluttet krets Bruk av lysdioder (LED) Nils Kr. Rossing 26.09.13

40 40 SKOLELABORATORIET Transistoren som bryter Nils Kr. Rossing 26.09.13

41 41 SKOLELABORATORIET To trinn Nils Kr. Rossing 26.09.13

42 42 SKOLELABORATORIET Detektor Tørkepapir Vannsøldetektor

43 43 SKOLELABORATORIET Tørkedetektor Hvordan lage en tørkedetektor som gir signal når den er tørr, og er stille når den er våt?

44 44 SKOLELABORATORIET www.skolelab.ntnu.no/ Spenningsdeleren

45 45 SKOLELABORATORIET R var Konvertering fra varierende resistans til varierende spenning ( Spenningsdeleren) R fix V CC = 4,5V I I =V CC / (R fix +R var ) V out R var (R fix +R var ) V CC V out = U =R II =U / R → = V out / R out

46 46 SKOLELABORATORIET Tørkedetektor Nils Kr. Rossing 26.09.13