Til hovedinnhold

Guide: Elektronikkens verden - del 2

Innledning

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 betegnet i Ohm kan brukes for å begrense strømmen i en krets, mens en diode kan brukes for å veilede spenningene i de retningene vi vil ha dem. Mens kondensatorer kan lagre store mengder med elektrisk strøm, samtidig som den vil sperre for likespenning.

Med denne lærdommen friskt i minne er det på tide å ta den i bruk. Vi veileder dere gjennom oppbygningen av ofte brukte og funksjonelle kretser som ikke er spesielt krevende.

Først ut skal vi forklare dere litt om hvordan vekselspenning oppfører seg, og hvordan man kan gjøre vekselspenning om til likespenning. Deretter følger en enkel krets som viser deg hvordan vi kan bruke ulineære motstander i kretser, før vi helt til slutt bygger en strømforsyning!

Vi gjør oppmerksom på at i denne guiden vil vi ta opp emner som kan føre til personskader, eventuelt med døden til følge, hvis man ikke er forsiktig og gjør ting rett. Hardware.no tar ikke ansvar for skader som følge av denne artikkelen eller andre artikler publisert på dette nettstedet. Vær alltid varsom, og bruk sunn fornuft.

Litt teori om vekselspenning

Som de fleste av oss vet, er det 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.

Om du skulle 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 og 253 V. For å ikke gjøre ting unødvendig tungvint, vil vi heretter oppgi dette som 230 V

50 Hz er frekvensen på vekselspenningen. Dette betyr at spenningen skifter pol 100 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.

En slik sinus er 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 30km/t, sakner farten, og rygger tilbake i samme hastighet. Selvom du rygger, kjører du fortsatt i 30km/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.

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 peakeffekt. 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. Det er spesielt med tanke på kondensatorer dette kan skape 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 del 1 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 fult så enkelt. Nå har vi jo tapt halvparten av de vi hadde før vi satt inn dioden. Det vi ønsker er å få begge periodene opp på samme side av nullpunktet.

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 70km/t over en haug men dumper, vil bilen fort bli ødelagt. En likespenning skal være glatt og fin som en ny motorvei, ikke humpete som en anleggsplass.

Komponenten vi bruker for å rette ut dette, er en 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.

Komponenten vi nå skal finne frem fra skuffen, er zenerdioden. Zenerdioden er i utsende lik en diode. Praktisk sett derimot, fungerer den 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 bokstavlig 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.

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.

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.

Derimot kan vi 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.

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 ca 1,25 til 15V. Kretsen er oppgitt fra produsentene av kretsen LM317T.

Kretsen er relativt stor, så vi forklarer den i seks steg :-)

Transformatoren skal transformere 230 V nettspenning ned til omtrent 12 V. 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. Som vi nevnte i Del1 av guiden, er enheten kondensatorer måles i ganske stor. Selv om denne kondensatoren er ”kun” 2,2 milli-Farad, er dette en både fysisk og teoretisk stor kondensator. Så store kondensatorer er kun å få 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 sikkerhetmessige 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 ganske mye brukt spenningsregulator som er lett å bruke. Den er beskyttet mot overoppheting og den er strømbegrenset. Spenningen ut bestemmes av størrelsen på de to motstandene P1 og R3.

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 15V fra strømforsyningen vår.

Det må 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 viktig. Man klarer seg lett med en passiv kjøleribbe, så det er ingen grunn til å bruke vifter.

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 displayet viser det samme som multimeteret ditt viser. Her kan det være kjekt å velge et potensiometer med mange omdreininger, da en slik justering er veldig følsom.

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.

Oppsumering

Etter mange sider med interessant stoff er vi nok en gang ved veis ende, og som alltid håper vi at alle våre lesere har nytt godt av denne guiden. Om du velger å bygge noen av kretsene i denne guiden, skal du ikke støte på noen problemer. Undertegnede har bygget alle selv, og testet de skikkelig. Om du skulle støte på noen problemer, er det bare å spørre i vårt diskusjonsforum :-)

Til slutt vil jeg takke elektrostaben på Røyken VGS. De har hjulpet med mye god lærdom, og testing av kretsene.

Mer om
annonse