En riktig ingenjörskurs Första föreläsningen: Översiktligt kursinnehåll Historik Ohms lag. Copyright 2008 Börje Norlin

Transkript

1 Ellära och Elektronik En riktig ingenjörskurs Första föreläsningen: Översiktligt kursinnehåll Historik Ohms lag 1

2 Varför läsa Ellära & Elektronik? Teknikförståelse Varje område i den moderna vardagen berörs av datorer eller annan elektronik Avancerad elektronik bygger trots t allt på enkel grundläggande d teori Ohms lag och Kirchhoffs lagar Tillämpning av komplexa tal och ekvationssystem Ellära och Elektronik anses ofta vara allmänbildning En äldre generation företagsledare tror att ni har läst den här kursen på gymnasiet 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 elektriskt Inom media behövs filterteori för att förstå signalbehandling och bildbehandling 2

3 Elektroniken krymper Elektronik byggs in nästan överallt Massor av funktionalitet på ett chip Priset är lågt (stora serier) Programmerbar logik, uppdatera i stället för att byta hårdvara 3

4 Mittuniversitetets i t t elektronikforskning k i Nya elektronikkomponenter t och fiberoptikkomponenter Datorsimuleringar och tillverkning i renrum Avancerade bild-detektorer Röntgendetektorer Design av elektroniksystem Realtidsbearbetning av data för multimedia RFID Radio-id Tillämpningar inom processindustri & bilindustri 4

5 Övergripande mål 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. p Orientering om vanliga analoga kopplingar och komponenter. Färdigheter i elektrisk mätteknik. Sammanställt utifrån beslut i ämneskollegiet 5

6 Praktiska k detaljer Kurslitteratur Introductory Circuit Analysis, 12th edition, Boylestad, Prentice Hall Alternativ: Essentials of Circuit Analysis 1st edition, Boylestad, Prentice Hall Undervisning Föreläsningar: 8 st (2h) (frivilliga) Övningar: 3 st (2h) (frivilliga) Problemlösning (genomgångar) alternativt räknestuga (läraren finns tillgänglig) Laborationer: 5 st (4h) (examinerande) Distribution av kursmaterial 5 poängskurs ETAA07 - Projekt v

7 Kursen behandlar 3 moment DC-nät Filter & OP-förstärkare Batterier och sånt AC-nät Mål - Du skall kunna: Definiera spänningskälla, strömkälla Beskriva resistorns funktion med Ohms lag Kunna bygga en likströmskrets och beskriva den matematiskt Reducera en krets till en tvåpol Växelström finns i vägguttaget g Mål - Du skall kunna: Beskriva spolens och kondensatorns funktion matematiskt Kunna bygga en växelströmskrets och beskriva den med komplexa tal Reducera en krets till en tvåpol Beräkna den aktiva effekten i en komponent Ton- & volymkontrollen på stereon Mål - Du skall kunna: Beräkna gränsfrekvens för lågpassfilter och högpassfilter Reducera en krets till en fyrpol Beskriva frekvensgången för ett filter eller en förstärkare med ett Bodediagram Designa två OP-förstärkarkopplingar för att driva t.ex. stereohörlurar. 7

8 Laborationer Praktiska k laborationer (i sal S111) Kunna överföra en teoretisk krets till en praktisk koppling Kunna hantera mätinstrument, speciellt oscilloskopet En laboration introducerar forskning inom elektronik på Mittuniversitetet Tryckta antenner, RFID Handleds av Johan Sidén 8

9 Examination via duggor Examination Examination för varje moment. Samtliga moment måste vara godkända. Moment 1 Dugga 1 Moment 2 Dugga 2 Moment 3 Dugga 3 Laborationer Närvaro, labbrapporter eller signaturer vid labbtillfället. Betygssättning I kursen ges betygen A, B, C, D, E, Fx, F Betyget sätts utifrån resultatet på samtliga duggor 9

10 Kretsteori t DC Lösningsmetoder nivå 1 Lösningsmetoder nivå 2 Ohms lag Superposition Kirchhoffs lagar Slinganalys Theveninekvivalenter Nodanalys Nortonekvivalenter 10

11 Elektricitet it t Statisk ti elektricitet it t känt sen antiken Experiment med åska på 1700-talet Inspiration till Mary Shelley s roman Frankenstein 1818 Bohr Atommodell Elektromagnetism Teorier om Etern Relativitetsteorin Front cover of Mary Shelley s novel Frankenstein (Colin Clive) and his assistant Fritz (Dwight Frye) in the laboratory. From the film Frankenstein

12 Definition iti av 1 Volt spänning Det krävs 1 J energi att flytta den positiva laddningen 1 C över en positiv potentialskillnad på 1 V. Copyright Börje Norlin 12

13 Elektronens laddning är C Elektrisk ström består av elektroner som flyttar sig i ett material. Copyright Börje Norlin 13

14 Foton Vid elektronövergångar till skal med lägre energi kan en foton ljus avges. Copyright Börje Norlin 14

15 Grundkomponenter DC Alessandro Volta uppfann batteriet t 1799 Hans batteri bestod av koppar- och zinkringar i syra Thomas Edison utvecklade 1914 ett kompakt nickel-järn batteri R U + I E Spännings- Strömkälla Motstånd källa genererar spänning i volt (V) I 0 genererar ström i ampere (A) resistans i ohm (Ω) 15

16 Bilbatteriet i t Copyright 2003 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved. Maintenance-free 12-V (actually 12.6-V) lead-acid battery. (Courtesy of Delco-Remy, a division of General Motors Corp.) 16

17 Copyright Börje Norlin 17

18 Elektrisk k krets Krets med Spänningskälla Lampa Lampan är en resistans Strömmen utvecklar effekt som avges som värme & ljus. Copyright Börje Norlin 18

19 Enkla kopplingar SPST SPST 10W 12V SPST 12V 10W 12V 12V 12V 10W 12V 10W 12V Lampa med brytare Seriekopplade lampor 10W 12V Parallellkopplade lampor SPST 12V 12V 10W 12V 12V SPST 12V 10W 12V 12V 10W 12V SPST Seriekopplade batterier (problem?) Parallellkopplade batterier Brytare och lampa parallellt 19

20 Resistans Något som bromsar/förbrukar b ström Isolator (mycket hög resistans) Kabel (låg resistans) Elkraft elektriskt element Elektronik används för att erhålla rätt spänning 20

21 Strömmen flyter från den högre till den lägre potentialen Copyright Börje Norlin 21

22 Ohms lag U=R I Resistansen förutsätts vara konstant Copyright Börje Norlin 22

23 Resistorer 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 3 10 och i E6-serien 6 10 E12-serien t.ex har tolerans 10 % och innehåller värdena 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82, 100 per dekad. Copyright Börje Norlin 23

24 färg siffra exp silver guld svart 0 1 brun 1 10 röd orange 3 1k gul 4 10k grön 5 100k blå 6 1M violett 7 10M grå 8 vit 9 Färgkod 1 1:a siffran 2 2:a siffran 3 3:e siffran 4 exponent 5 tolerans färg tolerans guld 5 % silver 10 % saknas 20 % Copyright Börje Norlin 24

25 Moment 2 AC-nät För maskiner används 220 V växelström Jonas Wennström utvecklade generatorn och elmotorn i 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 elektrifieras För maskiningenjörer ingår ett speciellt moment om trefasspänning 25

26 Växelström - teori Växelström beskrivs enklast i komplex form Kräver kännedom om komplex analys Grund för signalteori Z C Lösningsmetoder Visardiagram jω-metoden Komplex effekt Anpassning Kapacitans (kondensator) Farad (F) Impendans komplex impendans i ohm (Ω) L u 1 (t) u 2 (t) M Induktans (spole) Henry (H) Transformator 26

27 Moment 3 Filter & OP-förstärkare Kursens elektronikdel l består av filterkopplingar och enkla förstärkarkopplingar Filter byggs med hjälp av ellära-teorin från AC-nät Att manipulera frekvenser är centralt i t.ex ljud- och bildbehandling Filterteori gäller både digital och analog teknik 27

28 Moment 3 Filter & OP-förstärkare Enkla förstärkarkopplingar k byggs med hjälp av OP Ideal Op-förstärkare Olika förstärkarkopplingar Aktiva filter och övriga tillämpningar R Om man själv ska dimensionera 2 R en förstärkare så är en OP-koppling 1 - oftast första försöket + OP-förstärkare är ett exempel på en integrerad krets (IC, chip) OP-förstärkare (inverterande koppling) 28

29 Halvledarkomponenter l 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 Patent på diodradio 1904 (Jagadis Chandra Bose) Förstärkare med elektronrör

30 Transistorer Transistorn uppfanns 1948 Ersatte de mindre pålitliga elektronrören Nobelpriset i fysik 1956 till John Bradeen, Walter Brattain och William Shockley för bipolartransistorn Integrerade kretsar började framställas Fälteffekttransistorn (FET) utvecklades eftersom den var mindre än bipolärtransistorn Den 1:a IC-kretsen av Jack Killby

31 Datorns utveckling Mekaniska k datorer började konstrueras på 1600-talet t ENIAC konstruerades 1945 av elektronrör 2:a generationens elektroniska k datorer med transistorer t ca 30 ton lättare än rördatorn 31