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

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

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

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

5 SKOLELABORATORIET Anvendt detektor Nils Kr. Rossing

6 SKOLELABORATORIET Noen klargjøringer Elektrisitetslære – elektrotenikk – elektronikk

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

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

9 SKOLELABORATORIET Strøm og spenning En didaktisk modell

10 SKOLELABORATORIET Elektrisk leder og isolator Nils Kr. Rossing

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

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

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

14 SKOLELABORATORIET Nils Kr. Rossing

15 SKOLELABORATORIET Nils Kr. Rossing

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

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

18 SKOLELABORATORIET Komponentlære Karakterisering av elektroniske komponenter

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

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

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

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

23 SKOLELABORATORIET Dioden

24 SKOLELABORATORIET Dioden Dioden leder når anoden er positiv og katoden negativ Dioden sperrer når katoden er positiv og anoden er negativ

25 SKOLELABORATORIET Enkel likeretting

26 SKOLELABORATORIET ‒ + Dobbel likeretter 0V + ‒

27 SKOLELABORATORIET Lysdioden

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

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 SKOLELABORATORIET Transistoren

31 SKOLELABORATORIET Transistoren Nils Kr. Rossing

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

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

34 SKOLELABORATORIET Transistoren To hovedfunksjoner Transistoren som bryter Transistoren som forsterker

35 SKOLELABORATORIET Elektroniske kretser

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

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

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 V 2 V 7 V 12 mA Spenning Strøm 2 V 12 mA Nils Kr. Rossing

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

40 SKOLELABORATORIET Transistoren som bryter Nils Kr. Rossing

41 SKOLELABORATORIET To trinn Nils Kr. Rossing

42 SKOLELABORATORIET Detektor Tørkepapir Vannsøldetektor

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

44 SKOLELABORATORIET Spenningsdeleren

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 SKOLELABORATORIET Tørkedetektor Nils Kr. Rossing