KAPITEL 3 MTU AB

KAPITEL 3 MTU AB 2007 47

KONDENSATORN Vi ska nu ägna uppmärksamheten åt en ny komponent, vars schemasymboler ser ut så här: Polariserad Allmän symbol Vrid kond. Trim kond. Denna komponent går under namnet kondensator. För att förstå dess funktion ska vi i vår fantasi använda oss av en glaskula med ett gummimembran, se bild. Vi tänker oss först att kulan är fylld med vatten, att membranet står i mitten och att rör går från vardera sidan av kulan till en pump. När vi sätter igång pumpen kommer vatten att gå som visas på bilden nedan. Vattnet pressar på så att membranet böjer sig och det vatten som är på sida B kommer att pressas ut ur kulan och fortsätta ner mot pumpen. För ett kort ögonblick har vi åstadkommit en cirkulerande rörelse, men strax har membranet nått sin maximala buktningsförmåga och därmed slutar vattnet att strömma runt i systemet. Membranet rör sig inte längre. Pumpen går på tomgång. Om vi tänker oss att vi anbringar ett par ventiler och vidare att vi stänger dessa ventiler, kopplar bort pumpen och sätter dit ett rör istället får vi en situation som den som illustreras i bilden nedan. Observera att de stängda ventilerna vidmakthåller trycket i glaskulan på A- sidan. Om vi nu öppnar ventilerna kommer vattnet att strömma och sträva efter att utjämna trycket i glaskulan. Strax är membranet tillbaka i mittläget. 48 MTU AB 2007

Så fungerar i princip en kondensator i likströmssamanhang. Vi kan sammanfatta funktionen i två punkter: 1. Den spärrar likström (membranet går inte att spänna hur långt som helst). 2. Den lagrar spänning (vårt vattentryck). Mekaniskt är kondensatorn uppbyggd av två plattor med ett icke ledande skikt (vårt membran) emellan. Om man lägger en spänning över kondensatorn, kommer den att laddas upp av den ström som går in i den. TIDSKONSTANT En kondensator kan laddas och lagra, energi, som sedan kan urladdas genom en resistor. På så vis kan den liknas vid en ackumulator. Skillnaden är dock att dess spänning inte håller sig konstant när den laddas ur, utan sjunker på ett bestämt sätt. När kondensatorn laddas via en resistor, tar det längre tid att ladda kondensatorn. Tiden det tar beror på kondensatorns kapacitans (C) och resistorns resistans (R). R x C = τ (tao) d.v.s. produkten R x C = tid i sekunder. På tiden R x C laddas kondensatorn till ca 63 % av den pålagda spänningen. Spänningens storlek har inget med tiden att göra. Det tar går lika fort att ladda kondensatorn till 100 volt som till 1 volt. Till att börja med laddas kondensatorn snabbt, men laddningen avtar med tiden. Teoretiskt sett blir kondensatorn aldrig fullt laddad, men i praktiken anses den vara fullt laddad vid 5 τ (tao). Vid urladdning sker samma sak, men i motsatt riktning. Till att börja med urladdas kondensatorn snabbt, men urladdningen avtar efter hand. Vid τ (τ = R x C) har den urladdats till ca 37 % av den ursprungliga spänningen och vid 5 τ anses den vara helt urladdad. TOLERANS OCH MÄRKNING Elektrolytkondensator På moderna elektrolytkondensatorer står alla viktiga data i klartext på kåpan. - Märkkapacitans - Märkspänning - Tolerans - Polaritet - Temperaturområde Ett vanligt värde på tolerans är +/- 20 % men toleranserna för elektrolytkondensatorer kan variera från - 10 % till + 100 % (andra värden kan vara - 20 % till + 50 %). Det betyder att en kondensator på 1000 ###F kan variera i värde från 900 ###F till 2000 ### F. Förutom att den är specificerad till ett visst antal µf är en elektrolytkondensator även märkt med en märkspänning (U max ). Märkspänningen är den maximala spänningen kondensatorn får utsättas för - alltså summan av lik och växelspänning. Ett annat värde som brukar vara angivet är temperaturområdet (t.ex. -40 - +90 C ) Även polariteten är märkt, oftast är det katoden (-) men det förekommer även att det är anoden (+) som är märkt MTU AB 2007 49

STORHET & ENHET Något bör dock sägas om hur stor strömmängd en kondensator kan ta emot för en viss spänning, d.v.s. kondensatorns kapacitans - betecknas i formler och scheman med C. Storheten är alltså C och enheten Farad (F). Tar den emot 1 A under 1 sekund för att laddas upp till 1 volt så är dess kapacitans 1 Farad (l F). Så stora kondensatorer används inte normalt. För att beteckna "storleken" på de kondensatorer som vi normalt använder, måste vi ta till prefix igen. De är: mikro (µ), nano (n) och pico (p). Hur små dessa tal är, åskådliggörs nedan: mikro 0,000 001 10-6 nano 0,000 000 001 10-9 pico 0,000 000 000 001 10-12 MÄTNING PÅ KONDENSATOR För att kontrollera att resonemanget stämmer med verkligheten gör vi nu ett experiment med en kondensator. Motsvarande kopplingsschema återfinns på bild nedan: Det är viktigt att koppla kondensatorn med rätt polaritet! D.v.s. + går till + och - går till -. Denna typ av kondensator kallas elektrolytkondensator. När allt är uppkopplat och strömbrytaren sluten kommer batteriet att leverera ström till kondensatorn. Detta faktum kan avläsas på ma-metern. Strömmen går nu genom ma-metern och genom motståndet till kondensatorn. Motståndet begränsar strömmen så att vi skall hinna med och se vad som händer. Kondensatorn laddas upp och ju högre spänning den laddas upp till, desto mindre ström flyter. Detta kan kontrolleras genom att man tittar på ma-metern. När kondensatorn är fulladdad, flyter ingen ström längre vilket stämmer med vad vi sade om kondensatorns funktion (jfr med glaskulan). Den spärrar likström när spänningen är konstant d.v.s. när kondensatorn är fulladdad. Däremot kan ström gå in och ur en kondensator om spänningen ändras. Om man öppnar kretsen ligger det inte någon spänning ansluten till kondensatorn längre. Men den är fortfarande uppladdad. För att kunna mäta urladdningsströmmen måste man vända polariteten på instrumentet (särskilt viktigt på analoga mätinstrument), eftersom strömmen kommer att gå tillbaka samma väg som den kom. Alltså: Skifta polaritet (lättast gör du det genom att skifta mätsladdarna) på instrumentet och anslut en tråd som den streckade linjen i schemat ovan visar. Instrumentet kommer i början att visa en hög urladdningsström. Strömmen kommer så småningom att sjunka till 0 och då är kondensatorn urladdad. 50 MTU AB 2007

Motståndet på 2,2 kohm använder vi för att begränsa strömmen vid upp och urladdningen. Ett stort värde på motståndet innebär en lägre laddningsström och en längre laddningstid. Detsamma gäller för urladdning. För att se detta kopplar vi upp enligt schemat på bilden ovan Nu har vi inte något begränsningsmotstånd i serie med batteriet vid uppladdningen av kondensatorn, men däremot ett motstånd R, som ska vara 2,2k, 4,7k, 10 k eller 22 k, parallellt med kondensatorn. Voltmetern, som är ansluten, visar hur stor spänningen är över kondensatorn. När du med hjälp av strömbrytaren sluter kretsen, kommer kondensatorn att laddas upp - och det ganska snabbt eftersom vi inte har något strömbegränsnings motstånd. När du bryter kretsen genom att släppa strömbrytaren laddas kondensatorn ur genom motståndet R. Hur fort kondensatorn laddas ur beror på hur stort motståndet är. Vi kan se hur fort det går med hjälp av vårt instrument. MTU AB 2007 51

OLIKA TYPER AV KONDENSATORER Det finns många olika typer av kondensatorer i värden varierande från 1 pf till någon Farad. Vilken typ av kondensator man ska välja i ett visst sammanhang beror på de omständigheter under vilka kondensatorn ska arbeta. En del kondensatorer "läcker" mer än andra. Somliga kondensatorer kan man inte använda om man har höga frekvenser i kretsen. En elektrolytkondensator fungerar inte speciellt bra om man kommer över 1000 Hz, medan däremot en keramisk kondensator gott klarar 1000 MHz, d.v.s. 1 000 000 000 svängningar per sek. Man brukar allmänt ange typen av kondensator genom att säga vilken typ av isolerande skikt som finns mellan plattorna, En grov indelning ser ut så här: Keramiska kondensatorer Keramiska kondensatorer har låga förluster och kan användas vid höga frekvenser. Vanliga värden 0,5 pf - 1µF. Temperaturkänsliga. Glimmerkondensatorer Glimmerkondensatorer har hög stabilitet och tillverkas med små toleranser för krävande tillämpningar. Vanliga värden 10 pf - 10 nf. Plastkondensatorer Polystyren-. polykarbonat-. polypropylenkondensatorer har låga förluster och tål höga frekvenser. De kan användas i frekvensbestämmande kretsar men är i vissa fall känsliga för värme. Vanliga värden 5pF-0,1 µf för polystyren och 1nF- 10µF för de andra. Elektrolytkondensatorer Elektrolytkondensatorer är vanliga i värden över 1 µf. Blir stora och skrymmande vid höga värden och höga spänningar. En typ av elektrolytkondensator är tantalkondensatorn. Den är mindre och har lägre läckage än den vanliga elektrolytkondensatorn. Den är lämplig i krävande sammanhang. (Observera! Dessa kondensatorer är polaritetsberoende och kan explodera om de felkopplas och/eller får för hög spänning.) Luftkondensatorer Luftkondensatorer består av två uppsättningar plattor som åtskiljs av luft. De är användbara i sammanhang där man vill variera värdet på kondensatorn. De finns i värden från 1 pf till 500 pf. En typ av Luftkondensator är den s.k. trimkondensatorn som ställs in med hjälp av skruvmejsel. Större varianter sitter i radioapparater och manövreras med en ratt. Det är inställningen på denna Luftkondensator som avgör vilken station man hör. 52 MTU AB 2007

TRANSISTORN SOM SWITCH Innan vi går vidare med kondensatorn ska vi ett ögonblick gå tillbaka till transistorn och undersöka hur den fungerar som omkopplare (vanligen används det engelska ordet "switch"). Studera nedanstående schema. Du känner säkert igen uppkopplingen från förra kapitlet och kommer ihåg att man genom att variera basströmmen kunde få lampan att lysa olika starkt. Nu vill vi emellertid inte åstadkomma olika ljusstyrka. Antingen ska lampan lysa eller också ska den vara släckt. Det är fortfarande endast med hjälp av en liten basström vi styr det hela. Som du ser på schemat är transistorns basmotstånd varken anslutet till jord eller plus. Dess ena ände är fri att flyttas till jord (-) eller +. Experiment Koppla upp schemat enl bild. När kopplingen är färdig ska du omväxlande flytta anslutningen av basmotståndet mellan + och -. Lampan kommer nu att omväxlande lysa och vara släckt. Kom ihåg vilken av de två möjliga anslutningarna av motståndet som får lampan att lysa! Koppla nu in voltmetern som bilden nedan visar. Flytta motståndet på samma sätt som i föregående försök. Se efter hur stort utslag voltmetern gör dels när lampan lyser och dels när den inte lyser. När lampan lyser är spänningen över transistorn låg (låg resistans). Man säger att transistorn är bottnad! När lampan är släkt är spänningen över transistorn hög (hög resistans). Transistorn är strypt. Även om det påpekats tidigare vill vi angående kondensatorn upprepa att man inte kan ändra laddningstillståndet hur snabbt som helst. Tidsåtgången är beroende på hur stort motståndet är mellan spänningskällan och den kondensator som ska laddas upp eller ur. Det beror vidare på hur stort värde vi har på vår kondensator och hur stor spänning vi arbetar med. MTU AB 2007 53

Behåll samma uppkoppling som du hade i förra experimentet, men motståndet ska nu vara fast anslutet till +. Dessutom ansluter vi en kondensator enligt schemat nedan: Vi har valt en kondensator 1000 µf och ett så högt värde finns endast att tillgå i en elektrolytkondensator. Observera att elektrolytkondensatorn är polaritetsberoende. Var därför noga med hur du vänder den vid inkopplingen! Schemat visar att kondensatorn går till + och vi har också angivit två spänningar på schemat - den ena vid transistorns bas och den andra vid +U. De båda spänningarna anges relativt jord (= minus på batteriet). Vi ser att över kondensatorn har vi 5,4 volt (6,0-0,6 V). Var fick vi då 6,0 V och 0,6 V från? 6,0 volt är batterispänningen. Om vi tänker på att vi har en ström genom motståndet R, som går till transistorn, förstår vi bättre att vi får ett bas-emitterspänningsfall på 0,6 volt. Vi förutsätter nu att kretsen är uppkopplad och att ström flyter genom ledningarna. Ta nu bort + anslutningen på kondensatorn och mät med hjälp av universalinstrumentet spänningen över kondensatorn. Värdet bör ligga på ungefär 5,4volt. Behåll instrumentet anslutet en stund och se hur det sakta laddar ur kondensatorn. Ta bort instrumentet och anslut på nytt kondensatorn till +. När några sekunder gått (kondensatorn laddas upp snabbare i kretsen än den laddas ur av instrumentet) flyttar du kondensatorns plusanslutning till jord (= minus). Vad händer med lampan? Om allt är riktigt bör den slockna för att sedan åter börja lysa efter cirka en sekund. Vad är det som händer? Jo, just i det ögonblick då vi ansluter kondensatorn till jord blir spänningen mellan jord och bas på transistorn (= bas-emitterspänningen) = -5,4 volt, därför att kondensatorn är uppladdad till 5,4 volt (tänk dig kondensatorn som ett batteri på 5,4 V). När plusanslutningen hamnar på jord (referenspunkten) måste basen hamna på -5,4 volt relativt jord, eftersom laddningstillståndet hos kondensatorn inte kan ändras blixtsnabbt (Det tar en stund för kondensatorn att ladda ur sig). Den basspänningen gör att transistorn stryps. PN-övergången mellan bas och emitter blir nämligen backspänd och ingen ström går där. Följaktligen blir det ingen kollektorström heller och det resulterar i att lampan inte lyser. Motståndet R däremot får ett spänningsfall från + 6,0 volt till kondensatorns -5,4 volt. Det här spänningsfallet ger upphov till en ström och den kan inte gå genom basen på transistorn eftersom den är backspänd. Strömmen går istället till kondensatorn och laddar ur den ända tills spänningen på minussidan av kondensatorn närmar sig 0,6 volt. Vid 0,6 volt börjar transistorn leda och motståndet får fullt upp med att leverera ström till basen, och nu lyser lampan igen! Om detta flyttande upprepas kan du tända och släcka lampan efter samma mönster. 54 MTU AB 2007

ASTABIL VIPPA Förflyttningen mellan +6,0 volt och 0 volt kan göras automatiskt. Detta åskådliggörs i nästa uppkoppling. På bild nedan finns ett schema med två NPN-transistorer, två lampor, två motstånd och två kondensatorer. Komponenternas värden finns angivna och matningsspänningen är 6 volt. De båda lamporna kommer i denna koppling att omväxlande lysa. Jämför funktionen i föregående koppling och försök att lista ut hur denna koppling fungerar. När du funderat en stund kan du även fundera på vad som händer om man byter ut motstånden till 220 ohm (eller ett 470 ohm och ett 220 ohm)! Denna krets benämnes astabil vippa därför den "vippar" mellan två lägen och är inte stabil i något av dem. MTU AB 2007 55

OLIKA TYPER AV MOTSTÅND När vi i kapitel ett diskuterade motstånd var det huvudsakligen fasta motstånd som behandlades. De har ett bestämt motståndsvärde och man har vid tillverkningen försökt att göra detta värde så oberoende som möjligt av yttre påverkan. Om den apparat som motståndet ingår i ska användas i en miljö där temperaturen kan variera från t.ex. -20 o C till +30 o C - dvs en temperaturskillnad på 50 o C - är det väsentligt att komponenternas värden inte varierar för mycket med den omgivande temperaturen, eftersom de beräkningar man gjort om apparatens funktion då inte längre stämmer. Vi har hittills använt oss av en typ av varierbart motstånd - potentiometern - där motståndsvärdet ändras genom en mekanisk vridning av potentiometeraxeln (eller förflyttning på skjutpotentiometern). Det finns dock som nämnts andra typer av motstånd där motståndsvärdet ändras p.g.a. inflytande från yttre faktorer. Dessa faktorer kan vara spänning, ljus, temperatur eller magnetism. SPÄNNINGSKÄNSLIGT MOTSTÅND Spänningsberoende motstånd kallas VDR efter den engelska benämningen Voltage Dependent Resistor. Ett annat namn är varistor. Dessa motstånd har ett negativt spänningsberoende. Med detta menas att när spänningen över varistorn höjs så sjunker motståndsvärdet. Med hjälp av Ohms lag kan man se att strömmen ökar ännu mer genom detta motstånd när spänningen höjs än den gör genom ett vanligt motstånd. Detta förhållande utnyttjar man. Varistorer används följaktligen för att begränsa spänningstoppar. Genom att motståndet sänks vid en spänningstopp kan en varistor som är ansluten parallellt "suga musten" ur spänningstoppar. TEMPERATURKÄNSLIGT MOTSTÅND Det finns två slags temperaturberoende motstånd. Det ena reagerar genom att sänka resistansen när temperaturen höjs. Det kallas NTC-motstånd (NTC = Negative Temperature Coefficient). Det andra benämnes naturligtvis PTC (= Positive Temperature Coefficient) och höjer resistansen när temperaturen höjs. PTC-motstånden uppvisar en mycket snabb förändring av resistansen när en viss temperatur överskrids. De används i serie med annan elektronisk apparatur för att begränsa strömmen (högt motstånd i serie) när temperaturen blir för hög. NTC-motstånd har ett stort användningsområde som temperaturkänsligt element för att kompensera oönskade temperaturförändringar hos andra komponenter. NTC-motstånd används också för att begränsa strömmar vid överhettning, men i motsats till PTC-motstånden har de inte så stort variationsområde. 56 MTU AB 2007

LJUSKÄNSLIGT MOTSTÅND Den sista typen av varierbara motstånd vi skall ta upp här är LDR-motståndet (LDR=Light Depended Resistor). Det är, som den engelska beteckningen anger, beroende av ljus. Den här typen av motstånd användes förr bl.a. som exponeringsmätare för kameror och andra ljusmätare. Numera tillverkas dioder och transistorer som är ljuskänsligare och som besitter bättre egenskaper än fotomotstånden. Andra ex. på användningsområden för ljuskänsliga komponenter är s.k. fotoceller, där en ljusstråle träffar den ljuskänsliga delen. När något bryter denna ljusstråle, t.ex. en människa på väg in i ett varuhus eller produkter på ett löpande band, ökar resistansen och lämplig apparatur öppnar en dörr eller påverkar ett räkneverk. Experiment 1: Låt oss se vad som händer när man kopplar en krets enl. bild nedan. Det är som synes en ganska enkel krets och motståndet med ljuspilarna är fotomotståndet. Funktionen kan sägas vara följande: Ström kommer att passera genom fotomotståndet (R 1). Den strömmen ska gå dels genom potentiometern (R2), dels genom basen (B) på transistorn. Vi vet också att bas-emitterspänningen (U BE ) sällan (nästan aldrig) överskrider 0,6 volt, men den kan naturligtvis vara mindre. Spänningen över R 1 är i det närmaste konstant och strömmen genom R 1 bestäms via Ohms lag av resistansen hos R l, vilken är beroende av hur mycket ljus som faller på R 1. Mycket ljus ger lågt motstånd i R 1 vilket betyder "hög" ström till basen på transistorn, - lampan lyser! Genom att variera R 2 kan vi bestämma hur mycket ström som ska passera genom R 2 för att vi ska komma upp till 0,6 volt (Ohms lag igen!!) på transistorns bas (B) så att den kan börja leda. Vi kan kalla denna krets för ljusindikator. Den indikerar (lampan lyser starkare) när ljuset runt omkring blir starkare. Vad kan man använda denna till? Jo, om du har en lysdioddisplay på ex.vis en klockradio kan du få denna att lysa starkare i dagsljus och svagare på natten. Hur skall vi göra om vi vill ha en krets som gör att lampan lyser starkare ju mörkare det blir? MTU AB 2007 57

Experiment 2: Vi ändrar lite på föregående koppling. Vad vi gjort ser du på ovanstående schema. Vi har låtit R 1 och R 2 byta plats samt tillfört ett motstånd R 3. Vad innebär denna ändring? R 3 har vi satt dit för att begränsa spänningen till basen (B) när R 2 står i sitt max-läge. Med hjälp av potentiometern R 2 kan vi få lampan att börja lysa när det är "lagom mörkt" i rummet. Detta "lagom" bestämmer vi helt själva vilket även betyder att basemitterspänningen just nu ligger på 0,6 V eller strax under. Vad händer om vi sedan släcker ljuset i rummet? Vi vet att R 1:s resistans ökar ju mörkare det blir. Vi vet också att ökad resistans innebär ökad spänning (Ohms lag igen!!). Om spänningen över R 1 ökar kommer R 3 att få mer ström. Transistorn som hela tiden strävar efter att hålla basspänningen runt 0,6 V kommer naturligtvis att släppa mer ström genom basen vilket i sin tur innebär att transistorns resistans mellan Kollektor (K) och Emitter (E) minskar. Lampan lyser starkare!!! SJÄLVSVÄNGNING Låt inte ljuset från kretsens glödlampa lysa direkt på fotomotståndet för då kan alltsammans börja svänga! Svänga? När lampan är släckt tycker fotomotståndet att det är mörkt och då "tänder" lampan som lyser på fotomotståndet, som tycker att det är ljust och "släcker" lampan, som sedan omedelbart tycker att det är mörkt och "tänder" lampan... Man talar om självsvängning när kretsen inte har något stabilt läge utan istället två labila lägen och utan avbrott går från det ena till det andra. Jämför med den astabila vippan som vi beskrivit tidigare. 58 MTU AB 2007

RELÄ I LJUSINDIKATORN För att återgå ett ögonblick till kopplingen med fotomotståndet så finns det en utvecklingsmöjlighet (av många) och det är att förse kopplingen med ett relä istället för en lampa. Detta relä kan vara så kraftigt att det kan styra en ännu större ström. I schemat nedan har vi satt in ett relä tillsammans med T 1. Reläkontakterna är inritade med enpolig växling - men det är bara som exempel. Det finns naturligtvis många andra möjligheter. "Enpolig" innebär här att det är en "kontakttunga" som rör sig när relät "drar". Växling innebär att "kläppen" ligger mot en kontakt i vila (i det här fallet den övre). När relät "drar" går "kontakttungan" ner till en andra kontakt. Andra varianter är slutande och brytande kontakter: Har man ett relä med växlande funktion kan man välja någon av ovanstående funktioner. Dioden som sitter parallellt kanske kräver en förklaring. Låt oss bara säga att reläer av denna typ är uppbyggt av en spole som har den egenskapen att de först är lite tröga med att släppa genom ström, men när de väl har släppt igenom strömmen är de sedan lika ovilliga att låta strömmen upphöra att passera! Du kan jämföra detta med ett vattenhjul som är trögt i starten men när det väl har kommit igång kan det vara svårt att stoppa. På schemat har vi ritat in strömmens riktning genom spolen när relät drar. Om transistorn i det läget skulle sluta leda vill spolen (vattenhjulet) ändå att ström ska fortsätta att gå i den riktningen. Om vi inte hade dioden där skulle spolen kunna bygga upp en så hög spänning över transistorn att den kunde ta skada. Dioden låter strömmen gå från spolen och tillbaka till den igen. Efter en stund tröttnar spolen på att skicka runt ström eftersom det ju alltid finns ett visst motstånd i tråden och dioden. Fundera tillsammans med de andra hur man skulle kunna använda en krets av det här slaget. MTU AB 2007 59

TEMPERATURVAKT Ovan har vi avbildat schemat för en temperaturvakt. När du har studerat schemat en stund inser du säkert varför vi har valt att kalla den så. Schemat har påfallande likheter med ljusvakten. Den enda skillnaden är att vi har ett temperaturkänsligt motstånd, NTC eller termistor som det också kallas, istället för ett ljuskänsligt motstånd. Termistorer har, i likhet med vanliga motstånd, en mängd olika värden, men för termistorer gäller också att man måste ange vid vilken temperatur den har ett visst värde. Vanligast är att man anger värdet vid 25 o C. Vi rekommenderar i det här fallet ett värde på 4700 ohm. Funktionen är densamma som för vår ljusindikator men med den skillnaden att när temperaturen ökar så minskar motståndsvärdet i termistorn. Vid en temperaturhöjning får transistorn mer basström och det ger en högre kollektorström. När den är tillräckligt hög drar relät - och kontakterna på relät kan sluta en krets och på så sätt få t.ex. en lampa att lysa. Man kan t.ex. installera detta bygge i en bil och låta termistorn sitta på någon detalj där temperaturen inte får överstiga ett visst angivet värde. Det kan vara motorn, kylaren eller bromsarna. Till reläkontakten kan sedan man ansluta en varningslampa och en summer. 60 MTU AB 2007

BATTERIINDIKATOR Även den här uppkopplingen är en variation på samma tema som de två föregående. Nu är det emellertid inte ett varierbart motstånd vi ska utnyttja - utan istället en av svagheterna i de två föregående kopplingarna. De är nämligen ganska känsliga för variationer i batterispänningen. Bilden visar vår batteriindikator och den fungerar på följande sätt: Vid en tillräckligt hög batterispänning får vi från den spänningsdelare som R 1 och P 1 utgör en bas-emitterspänning som ligger över 0,6 volt. Transistorn leder då och kollektorströmmen går genom lysdioden och motståndet R 2 med resultat att lysdioden lyser. I takt med att batterispänningen sjunker, minskas ljusstyrkan hos lysdioden. När batterispänningen sjunkit till ett oanvändbart värde lyser den inte alls. Varför har vi satt dit motstånd R 2? Jo, när transistorn "leder" innebär det att resistansen mellan kollektor och emitter är låg, och dessutom är lysdioden vänd så att den leder ström (annars skulle den ju inte lysa). Om vi nu inte hade R 2 där skulle strömrusningen (se tidigare kapitel) förstöra lysdioden. Man kan generellt säga att en lysdiod som leder har ett spänningsfall på mellan 1,7 och 2 volt. Transistorn "tar" ungefär 0,5 volt. Om vi arbetar med en ursprunglig batterispänning på 9 volt så har vi 6,5 volt att " ta hand om". Det är alltså här som R 2 kommer in i bilden. Vi har uppehållit oss något vid detta motstånd därför att vi anser det vara nyttigt att lära sig tänka "elektroniskt" - och eftersom du nu själv ska räkna ut R 2:s värde är det dubbelt nyttigt! Det är ytterligare en sak du måste känna till och det är hur stor ström lysdioden tål. Räkna med 10 ma. Gör först matningsspänningen klar för dig och räkna sedan med hjälp av Ohms lag ut värdet på R 2. MTU AB 2007 61

12 VOLT BLIR 9 VOLT Schemat ovan är användbart om man vill ta ut 6 eller 9 volt. Som du ser finns också en zenerdiod med där. Transistorn, en BD 139, är ganska kraftig och det behövs för att ta ut stora strömmar. Dimensioneringen av de olika komponenterna diskuterar vi samtidigt som vi går igenom funktionen hos "omvandlaren". Vi antar att den ska leverera 9 volt till en bandspelare. För det första skulle vi nu behöva en zenerdiod som är 0,6 volt högre än 9 volt - alltså en på 9,6 volt. En sådan godbit finns inte i standardsortimentet och de vi har att välja mellan är på 9,l volt resp. 10 volt. Vi väljer den på 10 volt och funderar nu på vilken effekt den ska tåla. Vi sätter effekttåligheten till 400mW. Med utgångspunkt från 400mW kan vi börja fundera över hur mycket ström som får gå genom dioden. Med hjälp av "effekttriangeln" (och om vi omvandlar 400 mw till 0,4W) får vi: Nästa steg är att välja motståndet R 1. Vi ser att strömmen som kommer från bilbatteriet (+12 volt) och som passerar genom R 1 antingen kan gå till basen på transistorn eller genom zenerdioden. Om det inte finns en bandspelare ansluten kan någon ström inte gå in i basen. Följaktligen passerar all ström genom zenerdioden. Den tål endast 40 ma - och vi minns att spänningen över zenerdioden är 10 volt. Spänningen över R 1 är alltså batterispänningen minus 10 V. För att vara på den säkra sidan räknar vi med en batterispänning på 14 volt (när generatorn laddar kan spänningen nästan gå upp till detta värde). Resultatet blir 4 volt över R 1. Hur stort ska då detta motstånd vara? Ohms lag säger: 62 MTU AB 2007

Hur stor effekt ska R 1 klara? Med hjälp av "effekttriangeln" får vi fram att effekten är lika med spänningen gånger strömmen. Alltså: (Glöm inte att man måste ha rätt sort när man räknar med elektroniska storheter!) Vi klarar oss gott med ett kvartswatts (0,25 W) motstånd. Kondensatorn är ditsatt för att stoppa störningar från andra delar av bilen. En elektrolytkondensator har tillräcklig kapacitans för att "svälja" eventuella snabba spänningsvariationer. Den ser alltså till att spänningen över D 1 inte "hoppar". Utgångspunkten när vi diskuterar transistorns roll är att basen ligger på 10 volt relativt jord och kollektorn på en batterispänning mellan 12 och 14 volt. Samtidigt är vårt önskemål att spänningen vid emittern ska vara 9 volt relativt jord (eftersom det är här vi skall koppla in vår bandspelare). Nu blir spänningen istället 9,4 volt därför att zenerdioden är på 10 volt. Varför blir den 9,4 volt? Kan den bli något annat? En sådan fråga kräver naturligtvis en förklaring. Låt oss se: 1. Om spänningen är högre än 9,4 volt, säg 9,5 volt blir spänningen mellan bas och emittern 0,5 volt (10-9,5). Det är inte tillräckligt för att transistorn ska leda. Följaktligen sjunker spänningen över bandspelaren eftersom transistorn inte ger någon ström. 2. Om spänningen är mindre än 9,4 volt, säg 9,3 volt resulterar detta i en basemitterspänning på 0,7 volt. Transistorn (som strävar efter att hålla basemitterspänningen på 0,6 V) kommer då att leda mera - och det innebär att mer ström går till bandspelaren som får en högre spänning. 3. Om spänningen är 9,4 volt leder transistorn och det blir ingen höjning eller sänkning av strömmen - och dessutom är bandspelaren nöjd! Spänningen mellan emitter och kollektor kan således vara högst 4,6 volt (l4-9,4). Detta är något att tänka på när du väljer transistor - och även när du monterar den. Inte så att spänningen skulle vara för hög, utan därför att bandspelaren eller radion tar ut en del ström. Om du vill genomföra detta projekt är det lämpligt att mäta hur mycket ström som behövs. 300 ma torde räcka till för de flesta behov. En transistor som BD 139 klarar den strömmen utan svårighet. Men hur blir det med effekten i transistorn? Spänningen mellan kollektor och emitter (U CE ) är ju 4,6 V och strömmen 300 ma, vi får: vilket också går bra om transistorn kyls. Kylning innebär att transistorn monteras mot något material som leder bort värme - för dessa 1,4 W blir nämligen värme! 1,4 W är nu inte så mycket och det räcker därför om du skruvar fast "trissan" på en plåt som är ett par centimeter i fyrkant och helst svart målad. Den effekt som transistorn utvecklar beror på vilken spänning du önskar (zenerdioden) och hur mycket bandspelaren eller radion tar ut i ström. Vill du vara på säkra sidan kan komplettera ditt bygge med en säkring på 300 ma i serie med utgången. MTU AB 2007 63

64 MTU AB 2007