KAPITEL 5 MTU AB 2007 79
Kort repetition av vad vi hittills lärt oss om växelspänning: Den växlar riktning hela tiden. Hur ofta den växlar kallas frekvens. Vi kan räkna med ohms lag om kretsen bara har motstånd. Växelspänningen har två värden: toppvärde och effektivvärde. NÄTSPÄNNING Nätspänning är vad man kallar det vi har i våra vägguttag. I Sverige har vi en växelspänning med en frekvens på 50 Hz och ett effektivvärde på 230 V. Frekvensen ligger väl till för vårt instrument, medan däremot spänningen är relativt hög. Utslaget bör ligga på 220-240 V. Men om du får ett värde på 200 V eller lägre så är det bevis på för svag spänning, det kan då vara tillrådligt att kontakta elleverantören. Om du iakttar stor försiktighet kan du ställa in instrumentet på 250 VAC eller det som ligger närmast högre och sedan stoppa in båda mätpropparna i ett vägguttag. -- Se till att du inte vid rör de metalliska delarna av mätpropparna! -- Det finns två olika typer av vägguttag, med och utan jorddon. Utan jorddon används i vanliga bostadsrum där man anser att golvet är såpass isolerat från "jord" att det ej föreligger någon större risk om man står på golvet samtidigt som man vidrör en apparat som råkat bli spänningsförande. OBS! Det är ej tillrådligt att testa om detta stämmer!!!!! Med jorddon används i våtutrymmen, källare, utomhus m m, där det skulle medföra livsfara om man skulle vidröra en spänningsförande apparat eftersom strömmen då leds genom kroppen och ner i golvet. Sedan ett par år tillbaka gäller för nyinstallationer att alla vägguttag som monteras skall vara försedda med jorddon. O B S!!Dra aldrig ojordade förlängningskablar från "torrt" utrymme till "vått" utrymme. VARNING FÖR NÄTSPÄNNING!!! Våra vägguttag består av två poler, fas och nolla. Nollan är i elcentralen sammankopplad med nätjord och är spänningslös. Fasen är den spänningsförande polen och har en spänning på 220-240 volt. När det gäller färgmärkningen av de olika ledarna i vårt elnät förekommer det olika varianter beroende på hur gammal installationen är. Numer är det följande som gäller: Gul/grön ledare = jord Blå ledare = nolla Svart, vit (även andra färger förekommer) = fas (230 V) 80 MTU AB 2007
Observera att på gamla installationer förekommer det att jordledaren är röd, därför får man ej använda denna färg som fas-ledare i nyinstallation. Brun ledare används ofta som tändtråd vid installation av belysning. I nästa bild visas schematiskt hur det ser ut med vår försörjning av 230 V. Om man vidrör fasledaren och samtidigt, med någon annan del av kroppen, står i kontakt med en yta som har samma potential som nollan (jord), exempelvis ett värmeelement, skapas en sluten strömkrets genom kroppen. Strömmen behöver inte vara speciellt stor för att vara livsfarlig, vilket innebär att nätsäkringen inte har någon skyddsfunktion i detta fall. Ta fram det digitala instrumentet och mät resistansen mellan dina händer genom att hålla en testpinne i vardera handen och läs av värdet. Slicka sedan på fingrarna och gör om mätningen. Räkna sedan ut hur stor strömmen skulle vara om spänningen var 230 volt. I nedanståend tabell kan du studera hur vår kropp reagerar på olika värden på strömmen. Strömvärde Reaktion 1 ma Omärkbart. 1-6 ma Märkbart, men ofarligt. 7-I5 ma Smärtsamt, men full muskel kontroll. 16-20 ma Smärtsam stöt och svårigheter att släppa taget. 21-75 ma Smärtsam stöt. Risk för att hjärtat upphör att arbeta. 76-200 ma Hjärtflimmer uppstår, vilket snabbt leder till döden. 201 ma- uppåt Allvarliga brännskador. Eventuellt kan konstgjord andning rädda livet. Undersökningar har visat att växelspänningar mellan 50-60 Hz är de farligaste. När strömmen går fram och tillbaka med dessa frekvenser knyts musklerna samman hårdast. En likspänning är också farlig, men där har man större möjligheter att släppa taget. I vägguttaget förekommer två anslutningar och mellan dessa finns våra 230 V. Se till att så att du inte håller i en avisolerad ledning från ena uttaget och samtidigt vidrör något som står i direkt elektrisk förbindelse med det andra! MTU AB 2007 81
TRANSFORMATORN Lyckligtvis finns det ett sätt att omvandla en växelspänning till en ny växelspänning med ett annat effektivvärde. Den komponent man då använder kallas transformator. Schemasymbolen framgår av nästa bild. Exemplet är en transformator som kan omvandla 220 V till det "trevligare" värdet 12 V. TRANSFORMATORNS MEKANISKA UPPBYGGNAD Tidigare påpekades att om en ström flyter genom en spole (se nästa bild), så uppstår ett magnetfält genom spolen. Lägger man dessutom in en järn bit (se mitten bilden) kommer fältlinjerna i spolen att gå genom järnet. Järn leder magnetism mycket bättre än luft. Om vi sedan, som visas i den tredje bilden, "bakar in" spolen i järn, kommer nästan varje fältlinje att hålla sig inuti järnet (eller järnkärnan, som den kallas). 82 MTU AB 2007
Transformatorn nedan, kallas toroidtransformator. Denna transformator-typ, som börjar bli allt vanligare, är konstruerad enligt den princip som illustreras i bilden. Kärnan har konstruerats som en ring och spolen är lindad kring denna. Magnetfältet håller sig hela tiden inuti ringen och mycket lite av fältet kommer utanför. Ringen stör alltså mindre och används följaktligen där man vill ha så liten inverkan som möjligt på andra komponenter. TRANSFORMATORNS TEORI En transformator kan bara användas för växelström. Varför det förhåller på det viset ska vi strax se. Om vi nu tänker oss att vi till spolen i de föregående bilderna ansluter en växelspänning så kommer vi att få en växelström genom spolen. Detta medför i sin tur att det uppstår ett magnetfält som växlar i riktning och storlek i samma takt som strömmen går genom spolen. Studera schemabilden av transformatorn igen! Av denna kan man förstå att de två lodräta linjerna motsvarar kärnan - och att man sedan har två spolar! Det förhåller sig också mycket riktigt på det sättet. För att man ska få en transformator av den typ som illustreras i de två föregående bilderna, krävs att man lindar på en spole till. Den nya spolen kan lindas ovanpå eller bredvid den andra. Till den vänstra sidan ansluts en växelspänningskälla och till den högra en växelspänningsvoltmeter. Resultatet av uppkopplingen kan studeras i nästa bild. Vi har anslutit växelspänningen till den ena spolen och utför mätningen på den andra. Vad är det som får oss att tro att det ska bli ett utslag på mätaren? Jo, det finns en lag inom fysiken som säger att om magnetfältet i en spole ändrar sig kommer detta att ge upphov till en spänning i spolen. MTU AB 2007 83
Mätning på transformator och motsvarande schema Ett magnetfält som ändrar sig får vi från den första spolen eftersom den är ansluten till växelspänningskällan. Det magnetfält som den spolen ger upphov till går in i den andra (högra) - och vi kan mäta upp en spänning! VARVTALSOMSÄTTNING Om jag vill få en transformator att transformera (= ändra) 240 V till l2 V, hur ska jag då bära mig åt? Svaret är, att det beror på hur många varv jag lindar de olika spolarna med. Regeln säger: ju fler varv desto högre spänning och tvärtom! I nästa bild illustreras en transformator som kan transformera 240 V till 12 V. I figuren har införts två nya beteckningar: Primär (-lindning) = den spole man tillför spänning. Sekundär (-lindning) = den eller de spolar man tar ut spänning från. Varvtalsomsättningen är i det här fallet 300/15=20. Det innebär att sekundärspänningen är 20 gånger lägre än primärspänningen, dvs 240/20 = 12 V, vilket är vad vi ville ha. 84 MTU AB 2007
Nästa bild föreställer en transformator med två sekundärlindningar. Fråga: Hur många varv har primärsidan? Svar: 4 volt är 240 / 4 = 60 ggr lägre än 240 V. Nio varv skulle då vara 60 ggr lägre än antalet varv på primärsidan, som alltså är 9 x 60 = 540 varv. Fråga: Hur många varv ska man linda för att få 20 V? Svar: 20 volt är 240 / 20 = 12 ggr lägre än 240 V. Då måste antalet varv vara 12 ggr lägre än 540 varv. Alltså 540 / 12 = 45 varv. Transformator med två sekundärlindningar MTU AB 2007 85
MOTSTÅNDSMÄTNING PÅ TRANSFORMATOR Tillverkaren av en transformator avgör vilken typ av tråd han ska linda sin transformator med. Vi har visat att 230 V-sidan behöver många varv, jämfört med sekundärsidan, samtidigt som sekundärsidan ska klara högre strömmar än primärsidan (gäller vid transformering till lägre spänning). Vad tillverkaren gör är att han lindar många varv för 230 V med en tunn tråd. Till sekundärsidan tar han däremot ett litet antal varv med en grövre tråd. Detta innebär att 230 V lindningen får ett ganska högt motstånd (300 ohm) och sekundärsidan ett lågt (endast några ohm). Man kan alltså använda motståndsmätning för att ta reda på var man ska ansluta 230 V. Motståndsmätning kan också användas för att ta reda på anslutningar som hör till "samma lindning". Det kan nämligen ibland se ut som i nästa bild. Genom att motståndsmäta kan man konstatera att det är lågt motstånd mellan vissa trådar och högt mellan andra. Tabellen anger resultaten vid motståndsmätning. Observera att det alltid ska vara högt (oändligt) motstånd mellan primärlinding och sekundärlindning. 86 MTU AB 2007
NYA SPÄNNINGAR I kapitel 4 gick vi igenom hur man kan lägga ihop växelspänningar som är i fas eller motfas. Nu ska vi praktiskt utnyttja dessa kunskaper. Bild nedan föreställer en transformator med två lindningar på sekundärsidan. Den ena ger 6 V och den andra 8 V. Vi har ritat dem på samma sätt som de är lindade. Detta betyder att spänningarna är i fas sett nerifrån och upp. Om vi nu kopplar samman de två sekundärlindningarna enligt regel 1, får vi en spänning på 14 V. Ett annat sätt är att "vända" på den ena lindningen så att den kommer i motfas. Då får vi enligt regel 2, en spänning på 8-6 V = 2 V. På detta sätt kan man, om man har flera uttag, få många nya spänningar. Man kan däremot inte koppla ihop uttag från samma lindning, t.ex. B och C i tidigare bild, för då blir det kortslutning på den lindningen! MTU AB 2007 87
LIKRIKTNING Tidigare har vi beskrivit funktionen hos en komponent som kallas diod. Dioden har den egenskapen att den endast leder ström i en riktning (lågt motstånd), men spärrar strömmen i andra riktningen (högt motstånd).genom att använda en eller flera dioder kan man få en likriktning från en växelspänning.för att göra det lättare att förklara använder vi fyllda och ofyllda pilar. I nedanstående bild åskådliggörs en transformator med pilarna och motsvarande tidsdiagram för växelspänningen. HALVVÅGSLIKRIKTNING I denna typ av likriktning utnyttjar man hälften av växelspänningen. Ett schema med halvvågslikriktning kan studeras i nästa bild. Det enda man behöver är en diod. Som användare av den likriktade spänningen har vi tagit ett motstånd. Det är endast den ofyllda pilen som kommer fram! När den fyllda försöker så spärrar dioden. Strömmen kan bara gå genom dioden åt det håll som dioden "pekar". Spänningen (och strömmen) över motståndet kommer att se ut som i bilden nedan. Bilden visar klart och tydligt varför detta kallas halvvågslikriktning. Det är inte helt korrekt att här tala om likspänning. En bättre beteckning vore kanske "pulserande likspänning"? 88 MTU AB 2007
HELVÅGSLIKRIKTNING Vi ska nu diskutera två sätt att klara helvågslikriktning. Det första använder sig av ett mittuttag på transformatorn samt två dioder, studera nästa bild! När växelspänningen går åt det håll som den ofyllda pilen pekar mot, leder den övre dioden varvid den övre lindningen förser motståndet med spänning och ström. När sedan spänningen vänder och går åt andra hållet är det istället den nedre dioden och den nedre lindningen som ger spänning och ström. Observera att pilarna i båda fallen går genom motståndet åt samma håll. Ett tidsdiagram kommer att se ut som i nästa bild. Vi har fått en ännu bättre likriktning. Det andra sättet att erhålla en helvågslikriktning när man inte har ett mittuttag på transformatorn är att använda en likriktarbrygga med fyra dioder.(graetz-brygga) Det resultat man uppnår överensstämmer med det som illustreras i ovanstående bild. Studera bilden överst på nästa sida, och förvissa dig om att du har fullt klart för dig hur pilarna går. MTU AB 2007 89
När spänningen är positiv kommer strömmen att gå i den ofyllda pilens riktning. Vid A finns bara en väg för strömmen att gå eftersom D4 spärrar och D1 leder. Likadant blir det vid B eftersom D2 spärrar och och strömmen måste gå genom motståndet och sedan fortsätta till D. Vid D kommer strömmen att dra sig till C, då detta är transformatorns motpol alltså genom D3 och "ner" till C. När spänningen vänder kommer strömmen också att vända och följdaktligen gå i de fyllda pilarnas riktning. Vi har nu lärt oss hur man kan omvandla en växelspänning till hel- resp. halvvågslikriktning. I nästa kapitel går vi in på hur en kondensator uppför sig för växelspänning och ström, samt hur man kan hyfsa till den pulserande likspänningen till något användbart. 90 MTU AB 2007