Ellä h El kt ikEllära och Elektronik - Miunapachepersonal.miun.se/~bornor/ee/ee1.pdf · elektronik – A d l kt ik b t t llt å k l dlä d t iAvancera d elektronik bygger trots

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


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


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


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


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/


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


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


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


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


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


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.


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.



Vid elektronövergångar till skalVid elektronövergångar till skal med lägre energi kan en foton ljus avges.

Foton



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)


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.


16



El kt i k k tElektrisk kretsK t d• Krets med

– Spänningskälla– Lampa

• Lampan ären resistansen resistans

• Strömmenutvecklareffekt someffekt somavges somvärme & ljusljus.



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


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


20

St ö fl t f å d hö tillStrömmen flyter från den högre till den lägre potentialeng p



Oh lOhms lag

• U=R·I– Resistansen

förutsättsvaravarakonstant



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.



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



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


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


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


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)


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


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


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


31

Documents

Ellä h El kt ikEllära och Elektronik - Miunapachepersonal.miun.se/~bornor/ee/ee1.pdf · elektronik – A d l kt ik b t t llt å k l dlä d t iAvancera d elektronik bygger trots