Til hovedinnhold

Elektronikkens verden – Del 2

Introduksjon

Denne guiden ble først publisert 30. august 2006.

Etter å ha lest den første delen av denne guiden, vil du forhåpentligvis ha opparbeidet deg en generell kompetanse for hvordan de mest vanlige komponenter innenfor elektronikkens verden fungerer.

En motstand fungerer som en brems i en elektrisk krets, mens en diode kan lage en total sperring eller avgi et lite lys. Transistoren er en av teknologiverdens viktigste oppfinnelser, og fungerer som en elektronisk bryter. Kondensatorer kan lagre spenning og avgir dette i et stort støt, og Ohms lov forteller deg samspillet mellom spenning, strøm og motstand.

Den første delen av denne guiden finnder du her

Med denne lærdommen friskt i minne er det på tide å ta den i bruk. Vi har forklart hvordan hvert enkelt komponent fungerer, nå er det på tide å sette dette i system.

Vekselspenning er det du har i veggen hjemme hos deg. Her forteller vi deg akkurat hva dette er, og hvordan man behandler vekselspenning i elektroniske kretser.

Enveislikeretter er den enkleste kretsen du kan lage for å snu vekselspenning til likespenning. Den har derimot noen store ulemper.

En elektronisk bryter som styres av temperaturen. Denne skal du nå lære å bygge i denne guiden.

Helbølgelikeretteren unngår disse problemene og sørger for at du får utnyttet spenningen maksimalt.

En temperatur- eller lysstyrt bryter er en enkel krets det er morsomt å lage. Med et par grunnleggende komponenter kan alt fra gatebelysning til varmekablene på badet ditt kontrolleres.

En strømforsyning sørger for at alle elektroniske gjenstander får den spenningen de skal ha. Alt fra telefoner til kjøleskap livnærer seg nettopp ved hjelp av en slik enhet. Vi viser deg hvordan du bygger en grunnleggende strømforsyning som kan brukes til mye.

I den tredje og avsluttende delen av denne guiden, som publiseres om en uke, skal vi se på hvordan slike kretser kan fungere som digitale maskiner.

Bla om til neste side, så starter vi med å fortelle deg hva vekselspenning er.

Litt teori om vekselspenning

Det er vekselspenning som befinner seg i huset ditt. Med vekselspenning mener vi at spenningen bytter pol. Det ene millisekundet kan den ene kabelen være positiv, det andre millisekundet er den negativ. Den norske standarden for vekselspenning er 230 V, 50 Hz. Det siste tallet betyr at spenningen har samme polaritet 50 ganger hvert sekund

Om du måler med et multimeter i stikkontakten din og finner ut at du faktisk har 247 V tilgjengelig, er det ikke noe galt. Din strømleverandør er faktisk ikke pliktig til å levere 230 V konstant, men de har en margin på ±10 %. Dette betyr at alt elektrisk utstyr i huset ditt som er merket ”230 V” faktisk må ha muligheten til å fungere prikkfritt i spenninger mellom 209 V og 253 V. For å ikke gjøre ting unødvendig tungvint, vil vi heretter oppgi dette som 230 V.

Spenningen skifter pol 50 ganger i sekundet. I omtrent 10 ms vil strømmen følge de røde pilene på bildet, og i de neste 10 ms vil den følge de blå.

Dette er en sinuskurve, det grafiske bildet av hvordan spenningen beveger seg. Dette er et helt vanlig koordinatsystem med tiden på X-aksen og spenningen på Y-aksen. Selv om spenningen beveger seg under nullpunktet, betyr ikke det at spenningen blir trukket tilbake. Dette kan sammenlignes med en bil; Du kjører i 30 km/t, sakner farten, og rygger tilbake i samme hastighet. Selvom du rygger, kjører du fortsatt i 30 km/t.

Verdiene vi nå skal forklare er "effektivverdi" og "amplitudeverdi". For å gjøre ting lettere, både forklaringsmessig og forståelsesmessig, vil vi vippe den ene halvperioden av sinusen opp over nullpunktet. Spenningen er fortsatt den samme som den var på forrige bilde, men det blir lettere å se det vi nå skal forklare om vi snur sinusen på denne måte.

Som nevnt er det 230 V som befinner seg i de fleste hus i Norge, men dette betyr ikke at det er 230 V som er toppen av sinusen. Som du ser er det store gap mellom sinusperiodene, noe som er et tap. For å kompensere for dette må toppen av sinusen ligge mye høyere enn spenningen man skal få ut.

Som bildet illustrerer må vi i teorien etterfylle gapene med toppen av sinusperioden. Dette betyr at toppen av sinusen vil ligge høyere enn spenningen man har ut, også kjent som en peakverdi. Tallet man må regne med for å kompensere for dette, er kvadratroten av 2, altså tilnærmet 1.41. Effektivverdien er den spenningen man får ut, mens amplitudeverdien er toppen av sinusen.

Amplitudeverdi = effektivverdi * 1,41
230 * 1.41 = 325 V

Effektivverdi = amplitudeverdi / 1.41
325 / 1.41 = 230 V

Dette blir tatt hensyn til av alle måleinstrumenter, selv om den høyeste spenningen i veggen din er 325 V, viser multimeteret 230 V. Men, det er viktig å huske dette når vi skal jobbe med kondensatorer, tenker man ikke på aplitudeverdi blir det kluss i regnestykkene. En kondensator vil alltid lade seg opp til toppen av sinusen, noe som fører til at vi fort kan få flere volt ut enn det vi hadde disponibelt opprinnelig.

Enveislikeretter

Vekselspenning er i de fleste tilfeller en ulempe for deg som lager elektroniske kretser. De fleste komponenter benytter seg av likespenning, så vekselspenningen må det gjøres noe med. Det å gjøre om vekselspenningen til likespenning er en enkel og billig prosess. Som vi nevnte i ">den første delen av denne guiden, kan en diode sperre for strømgjennomgang hvis vi kobler den positive polariteten til anoden og negativ polariteten til katoden.

Hvis vi nå ser på sinusen til spenningen over motstanden, ser vi at halvparten har ”forsvunnet”. Dette skjer fordi diode sperrer for gjennomgang så lenge strømmen beveger seg med den positive delen mot katoden.

Nå har vi i det minste likerettet strømmen, så komponenter som krever likestrøm vil i teorien fungere. Dessverre er det ikke fullt så enkelt. Nå har vi jo tapt halvparten av de vi hadde før vi satt inn dioden, og kurven er ikke engang i nærheten av å være rett slik den skal være ved likespenning. Det vi ønsker er å få begge periodene opp på samme side av nullpunktet og rette ut disse. Helbølgelikeretteren er redningen.

Helbølgelikeretter

Med en helbølgelikeretter vil vi ha mulighet til å bruke begge periodene i sinusen, framfor kun den ene vi fikk brukt i en "enveislikeretter".

Vi har nå plassert 4 dioder inn i kretsen, og ser at strømmen kun har en vei og gå. Den kan ikke passere fra spenningskilden, og ned igjennom D3 og D4. Dermed blir spenningen tvunget til å følge diode D1 og D2. Hvis vi nå tar en titt på sinusen over motstanden, ser vi at vi har oppnådd null tap, foruten diodene sin egen knespenning. En slik kobling er ofte kalt en brokobling, og tegnes til tider i diamantform.

Dette er bra, men ikke godt nok. Om du velger å kjøre en bil i 70 km/t over en haug men dumper, vil bilen fort bli ødelagt. Likespenning skal være glatt og fin som en ny motorvei, ikke humpete som en anleggsplass.

Komponenten vi bruker til å rette opp i dette er kondensatoren. Kondensatoren tar imot ladning så lenge spenningspulsen vi nettopp likerettet er lavere enn kondensatorspenningen. Når sinusen igjen synker mot nullpunktet, lader kondensatoren seg ut. Når en kondensator brukes på denne måten, kaller vi den en ladekondensator.

Det vi nå ser er at sinusen har nesten blitt rettet ut. De resterende humpene, er det vi kaller rippelspenning. For og få den helt rett kan vi bruke en større kondensator. Ulempen med en større kondensator er at de fort tar mye plass, noe man ikke alltid er beriket med, og man får den uansett sjeldent helt rett og stabil under større belastning.

Komponenten vi nå skal finne frem fra skuffen er zenerdioden. Zenerdioden er i utsende lik en diode. Praktisk sett vil den imidlertid fungere på en helt annen måte. En vanlig diode sperrer for strømgjennomgang hvis den er koblet i sperreretning. En zenerdiode er laget slik at den leder gjennom spenningen den er merket med, og legger de resterende voltene over en seriemotstand. Er en zenerdiode merket 5V1, vil den sørge for at det er 5,1 V over den. Denne typen dioder må kobles i sperreretning, slik illustrasjonen viser.

Vi setter da inn en zenerdiode i parallell med kondensatoren og bokstavelig talt kutter hodet av sinusen. Dette vil samtidig sørge for at spenningen er stabil ved større belastning.

Dette er kun det grunnleggende momentet for en likeretter. Det finnes mange, men fortsatt enkle former for likerettere som kan være nyttig å lære. I bøker som omhandler elektronikk og elektroteknikk vil du finne masse informasjon om dette. Fellestrekket er at samtlige er basert på nettopp denne grunnmodellen.

Temperaturregulering

Når vi snakket om ulineære motstander i del 1 av denne guiden, nevnte vi at disse kan hjelpe til med å styre blant annet gatelys og varmekablene i gulvet. Vi skal nå vise deg en relativt enkel krets hvor vi skal bruke en slik motstand til å slå av og på et relé. Det er akkurat slike kretser som brukes for å regulere nettopp varmekabler og gatebelysning.

I akkurat dette eksempelet skal vi lage en bryter som slår seg av og på basert på temperaturen. Det er en temperaturfølsom motstand som er sensoren, og denne kan enkelt byttes ut med en lysfølsom motstand om du vil at kretsen skal reagere på lys og ikke temperatur.

Denne kretsen benytter seg av NTC-motstand, som ved 25 °C har en resistans på 15kΩ. Hjernen til termometeret vårt er en operasjonsforsterker, også kalt opAmp. En slik krets kan kobles på mange måter, helt etter hva du skal bruke den til. Vi skal ikke gå mye inn på hvordan en slik enhet fungerer, men refererer heller til databladet for den aktuelle kretsen.

Vi vil imidlertid fortelle deg hvordan operasjonsforsterkeren fungerer i dette tilfellet. Operasjonsforsterkeren har to innganger. En ikke-inverterende (+) og en inverterende inngang (-). Når resistansen i NTC-motstanden er liten er spenningen på den ikke-inverterende inngangen lavere enn den inverterende inngangen. Spenningen på utgangen vil da være omtrent null, og transistoren vil ikke lede.

Når resistansen i NTC-motstanden er stor, vil spenningen på den ikke-inverterende inngangen være større enn på den inverterende inngangen. Da blir utgangen omtrent 24 V, og transistoren leder. Når transistoren leder, vil det gå strøm igjennom releet og lysdioden. Dette fører til at kontaktene på releet legger seg inn, og lysdioden vil lyse. Ved hvilken temperatur (20-30 °C) dette skal skje, velger man med potensiometeret som her er på 5 kΩ.

Med en slik listen krets, som drives av 24 V, vil du da kunne koble til langt kraftigere utstyr på releets kontaktpunkter, slik som nettopp varmekabler eller utebelysning.

Regulerbar strømforsyning

I vårt diskusjonsforum har det ofte kommet spørsmål hvor det søkes etter regulerbare strømforsyninger, også kjent som en hobbystrømforsyning. Vi skal nå vise deg hvordan du kan lage en enkel regulerbar hobbystrømforsyning, som leverer spenning mellom 1,25 V og 15 V. Skjemaet har vi fått fra produsenten av av kretsen LM317T.

Hele kretsskjemaet er relativt stort så vi forklarer det i seks steg, fra venstre til høyre.

Transformatoren skal transformere 230 V nettspenning ned til omtrent 12 V (sorte, tykke, striper). Strømmen sendes da inn i en helbølgelikeretter, lik den vi gikk igjennom tidligere. Vi vil derfor ikke forklare denne stort mer. Her kan man bruke vanlige silisiumdioder, så lenge de tåler angitt spenning og strøm. Vi har også montert en AV/PÅ bryter for enklere betjening, samt en enkel sikring. Sistnevnte er satt inn slik at du ikke skal klare å overbelaste strømforsyningen. Vanlige raske glassrørsikringer fungerer perfekt i dette tilfellet.

Det neste steget i kretsen er ladekondensatoren. Her velger vi en relativt stor kondensator for å få rettet ut hele likespenningen. Enheten kondensatorer måles i er ganske stor. Selv om denne kondensatoren er på "kun" 2,2 milli-Farad, er dette en både fysisk og teoretisk stor kondensator. Så store kondensatorer får man bare i elektrolyttform.

Når vi bruker regnestykkene fra tidligere i denne guiden ser vi at det ikke lenger er 12 V som kommer ut av kretsen, men nærmere 16,5 V. Dette skjer fordi kondensatoren har ladet seg opp til amplitudeverdien, som er litt høyere enn effektivverdien.

R2 er en motstand som satt inn av sikkerhetsmessige grunner. Når man skrur av strømforsyningen har strømmen som ligger lagret i kondensatoren ingen ideell vei å gå. Hvis vi setter en motstand i parallell med kondensatoren, vil strømmen lade seg ut gjennom denne, sikkert og pålitelig.

Regulerbar strømforsyning forts.

En lysdiode for å indikere at strømforsyningen er aktiv er alltid kjekt, men ikke krevende. For at lysdioden ikke skal brenner opp må vi ha en motstand plassert i serie. Vi har funnet fram en rød lysdiode med en knespenning på 1,8 V(Uld), og vi skal nå beregne størrelsen på denne motstanden.

For og beregne riktig må vi ta hensyn til et par ting. Etter at kondensatoren har ladet spenningen opp til 16,5 V, er det dermed ikke sagt at det er 16,5 V som ligger over lysdioden. Strømmen må gå igjennom to dioder i likeretteren, og vi må derfor trekke fra 0,6 V per diode, altså 1,2V(Ud).

U = U – Ud – Uld
16.5 – 1,2 – 1,8 = 13.5 V

U = 13.5 V
I = 27 mA

R = U / I
13.5 / 0.027 = 500Ω

Om du har lyst på en lysdiode i en annen farge eller størrelse trenger du bare å endre verdien på seriemotstanden, ved å følge formelen over :-)

Dette er selve hjertet til strømforsyningen. LM317T er en mye brukt spenningsregulator av den helt grunnleggende typen. Den er beskyttet mot overoppheting og den er strømbegrenset. Spenningen ut bestemmes av størrelsen på de to motstandene P1 og R3. For å kunne regulere spenningen som til slutt kommer ut av strømforsyningen bruker vi en potensiometer, P1, som vil regulere nettopp spenningen.

For og beregne spenningen ut, bruker vi følgende formel:
1.25 ( 1 + P1 / R3 )

I vårt tilfelle har vi valgt et potensiometer på 2,2kΩ. Regnestykkene som gir oss maksimal og minimal spenning ut blir da følgende:

Uut = 1.25 ( 1 + P1 / R3 )
1,25 ( 1+ 2200 / 200 ) = 15 V

Hvis vi stiller potensiometeret til 0Ω, ser vi hva den minste spenningen vi kan få ut er:

1,25 ( 1 + 0 / 200 ) = 1,25 V

Dette betyr at vi kan hente ut spenninger mellom 1,25 og 15 V fra strømforsyningen vår.

Det må også monteres to dioder, henholdsvis D5 og D6. Disse settes inn for å beskytte spenningsregulatoren. D5 skal beskytte spenningsregulatoren mot kortsluttning på inngangen, mens D6 tar seg av utgangen.

LM317T er en spenningsregulator som fort blir varm. Skikkelig kjøling er derfor viktig. Man klarer seg greit med en passiv kjøleribbe på rundt 10 x 10 x 2,5 cm, så lenge du fester spenningsregulaturen med både en skrue og litt termisk ledende pasta.

Regulerbar strømforsyning forts.

Når man bruker strømforsyningen er det viktig at man faktisk har muligheten til å vite hvor mange volt strømforsyningen gir ut. Vi har valgt et analogt voltmeter med en indre motstand på 550Ω som viser 1-15 V.

Når du har bygget ferdig hele strømforsyningen kobler du et multimeter på utgangen. Juster så potensiometeret til det analoge voltmeteret viser den samme spenningen som multimeteret ditt viser. Her kan det være kjekt å velge et potensiometer med mange omdreininger, da en slik justering er veldig følsom. Dette potensiometeret kan ligge skjult på innsiden av strømforsyningen, du vil skjeldent bruke det senere for å justere det analoge voltmeteret.

De siste komponentene i kretsen er enda en diode og en kondensator. Dioden skal beskytte resten av strømforsyningen hvis du kobler inn spenning med feil polaritet på utgangen til strømforsyningen. En billig, men samtidig utrolig god sikring for nettopp denne typen feil.

Hvis man bruker lange ledere til det man belaster strømforsyningen med, kan fenomener som oscillasjoner og selvsving oppstå. Kondensatoren C3 er satt inn for å hindre dette. Den er ikke nødvendig, men kjekk å ha.

Om du nå har satt sammen alle komponenten riktig skal du ha en lineær strømforsyning i hendene, der du kan hente ut alle spenninger mellom 1,25 V og 15 V. Du kan pakke denne inn i et enkelt kabinett du kjøper ferdig, eller lage noe selv av metallplater. Dette er uten tvil en av de mer lærerike elektroniske kretsene du kan bygge. Totalt koster komponentene bare et par hundrelapper.

Del dine erfaringer

Grunnleggende elektronikk er en morsom og lærerik hobby. Det finnes et mylder av både enkle og avanserte skjemaer for kretser der ute, DiscoverCircuits.com er en genial startside. Før du begynner å sette sammen kretser selv kan det være lærerikt å begynne med noen av de ferdige byggesettene som både Clas Ohlson og Elfa selger, samt en loddebolt og avbitertang.

Del gjerne dine erfaringer i forumtråden under, eller i forumets egne kategori for elektronikk.

Mer om
annonse