Mälardalens Högskola Elektriska Kretsar En fördjupning gjord av Philip Åhagen Philip Åhagen 2009-12-03
Table of Contents Inledning... 3 Grundläggande ellära... 4 Spänning... 4 Ström... 4 Resistans... 4 Elektriska kretsar... 5 Elektriska komponenter... 5 Aktiva komponenter... 5 Passiva komponenter... 6 Mönsterkort och kretskort... 10 Användningsområden... 11 Elektriska kretsar i datorer... 11 Datorns uppbyggnad... 11 Slutsatser... 12 Page 2 of 12
Inledning Denna rapport är en fördjupning rörande elektriska kretsar. Fördjupningen är gjord för att komplettera ett projekt genomfört från 3 november till 15 december 2009 på Mälardalens Högskola. Eftersom denna fördjupning är gjord för att komplettera projektet kommer endast områden relevant för projektet behandlas. Fördjupningen ger förklaring på termer inom elektronik, bakomliggande teori, hur kretsar används samt beskriver några exempel. För att kunna förstå hur en elektrisk krets fungerar bör de mest grundläggande termer för storheter och enheter kännas till. Dessa framgår ur Tabell 1. Storhet Enhet Beteckning Benämning Förkortning Benämning I Ström A Ampere U Spänning V Volt R Resistans Ω Ohm P Effekt W Watt Q Laddning As el. C Coulomb Tabell 1- De grundläggande termerna för storheter och enheter Page 3 of 12
Grundläggande ellära Spänning En elektrisk spänning(u) mäts i Volt [V]. Volt definieras som den spänning som krävs över en elektrisk last för att strömstyrkan 1 A ska genera 1 W. Dvs. ingen spänning ingen ström. Spänning är resultatet av skillnaden i laddningen mellan två föremål. Ström Som beskrivet i stycket ovan krävs en spänning för att erhålla ström (I). Ström är elektroner som förflyttar sig mellan atomer i en ledare. Ström definieras laddning per tidsenhet. Ström mäts i Ampere. Resistans Resistans (R) betyder motstånd, vilket blir strömbegränsande i en elektrisk krets. Resistans mäts i Ohm och har stark koppling till ström och spänning i en krets. Möter strömmen stort motstånd kommer det krävas större spänning för att upprätthålla strömmen. Sambandet mellan ström och spänning är grunden för den kända Ohms lag. Page 4 of 12
Elektriska kretsar Elektriska komponenter En elektrisk krets är ett antal elektroniska komponenter som kopplas samman. För att de olika komponenterna ska kunna fungera och kommunicera med varandra måste de kopplas samman så att ström kan ledas mellan dem. Detta görs med en elektrisk ledning som i regel utgörs av ett mönsterkort eller kretskort. Elektriska kretsar hittas i alla typer av datorer. Elektriska komponenter delas ofta upp i aktiva och passiva komponenter. I denna rapport kommer till största del passiva komponenter förklaras och exemplifieras men en kort förklaring av aktiva komponenter återfinns i nästa stycke. Aktiva komponenter En aktiv komponent är en komponent som behöver en matningsspänning för att behandla en signal t ex en bild- eller ljudsignal. Några exempel på aktiva komponenter är transistorer och integrerade kretsar (chip). Ett enkelt exempel på hur en aktiv komponent kan fungera är chippet. Chippet används för att göra om en signal till dataspråk dvs. ettor och nollor. Detta gör chippet genom att jämföra matningsspänningen med en signal. Beroende på om signalen är starkare eller svagare än matningsspänningen ger chippet i från sig en etta eller en nolla. Produkter med denna funktion är datorprocessorn (CPU). Figur 1 - Processor (chip) Page 5 of 12
Passiva komponenter En passiv komponent är en komponent som fungerar i en krets utan yttre påverkan, dvs. utan en matningsspänning. Exempel på passiva komponenter är resistorer, kondensatorer och induktorer. Resistorer En resistor, eller motstånd, karakteriseras av sin resistans. Det vanligaste motståndet i elektriska kretsar är stavmotståndet. De kan bestå av en keramisk stav, där ytan är belagd med en metallfilm eller ett kolskikt eller så kan de bestå av en kolmassa där lednigarna "bakats" in i massan. Motstånd kan delas upp i två grupper, linjära och olinjära motstånd. Linjära motstånd är motstånd som är oberoende av ström, spänning, värme osv. Om resistansen istället varierar med dessa faktorer benämns det som ett olinjärt motstånd. Då motstånd i vissa fall kan vara små till storleken används färgkoder för resistansförmågan. Detta för att lättare kunna läsa av motståndets resistans. Vid köp av motstånd kan en tabell för avläsning medfölja. En sådan tabell kan ses i figur 1. Figur 2 - Färgschema för motstånd Page 6 of 12
Kondensatorer I likhet med motstånd har även en kondensator en viss resistans med skillnaden att kondensatorns resistans är varierade beroende på strömmen frekvens. Är frekvensen på strömmen hög gör kondensatorn lite motstånd är frekvensen låg gör kondensatorn högre motstånd. En komponent med denna egenskap kallas för reaktans som i likhet till resistans mäts i ohm. Eftersom resistansen hos en kondensator varierar med frekvensen på strömmen kan ej ett fast värde fastställas. Istället beräknas resistansen vid en viss frekvens. Den beräknade resistansen är bara aktuell vid exakt den frekvensen den beräknats vid. Kondensatorn (Figur 2) har även förmågan att lagra ström och sedan ge ifrån sig allt på bråkdelen av en sekund. Den laddning som kondensatorn kan lagra styrs av två elektrisktladdade plattor som avgränsas mot varandra med ett isoleringsmaterial. Det som sker när kondensatorn laddas är att en förskjutningsström flyter genom ledningen. När kondensatorn därefter korsluts laddas den ur snabbt. Kondensator används t ex i en fotoblixt där den först har som funktion att lagra energi och sedan snabbt kunna ge ifrån sig stora strömstyrkor. Denna stora strömstyrka passerar därefter genom en tråd med xenongas runtomkring, vilket ger det starka ljuset i en fotoblixt. Figur 3 - Kondensatorns uppbyggnad Page 7 of 12
Induktorer En induktor är uppbyggd som en spole, dvs. en tråd lindad i formen av en spiral. Vanligtvis lindas tråden runt en kärna i form av en stav eller ring. En induktor används i en elektrisk krets för att filtrera eller välja ut signaler med en specifik frekvens. Induktorns huvudsakliga funktion är strömoch spänningsdämpande. Induktorernas elektromagnetiska induktion är grunden till en transformator. En transformator (Figur 3) består oftast av två spolar på en gemensam kärna där antalet lindade varv på vardera sida av kärnan styr hur mycket spänningen ändras. Figur 4 - Transformatorns uppbyggnad Page 8 of 12
Diod Dioden är en elektrisk komponent. Dioden kan endast leda ström i en riktning. Namnet diod kommer från att den har två elektroder, katod och anod (di-od). En vanlig tillämning av dioden är likriktning av växelström. Dioden kan även lysa men då kallas den för Light Emitting Diod (LED) (Figur 4). Det är en diod som utstrålar monokromatiskt ljus vid en elektriskt framåtriktad spänning. Om dioden är en passiv eller aktiv komponent finns delade meningar om. Vissa anser att den är aktiv för att dess egenskaper är icke-linjära. Argument mot detta är att den ej kräver en matningsspänning som en aktiv komponent. Figur 5 - LED Figur 6 - LED lampor finns i flera olika färger Page 9 of 12
Mönsterkort och kretskort För att elektriska komponenter ska kunna fungera och kommunicera med varandra behöver de kopplas samman med ett ledande material. Detta görs lättast på ett mönsterkort. Dessa är plattor av plastlaminat som på den ena eller båda sidor är belagda med ett tunt skikt koppar. När det är bestämt var de olika komponenterna ska placeras på plattan etsas stora delar av kopparskiktet bort så att endast tunna ledningar kvarstår. Komponenterna lödes sedan på plats och får i och med det kontakt med de andra komponenterna. Ett mönsterkort med på monterade kretsar och komponenter kallas kretskort. Figur 7 - Mönsterkort Figur 8 - Kretskort I Figur 4 ses mönsterkort i olika former och typer. I Figur 5 ses ett bra exempel på ett färdigt kretskort. Page 10 of 12
Användningsområden Elektriska kretsar i datorer En dator kan bestå av flera elektroniska, mekaniska, optiska eller andra komponenter. Dessa styrs av ett datorprogram, vilket är gränssnittet mellan datorn och människan. Datorns ursprungliga uppgift var att utföra avancerade beräkningar, men blev snabbt ett vardagligt verktyg vid bland annat kommunikation, informationslagring, mediebearbetning och underhållning. Datorns uppbyggnad Datorns uppbyggnad kan lättast beskrivas i fyra delar; aritmetiska enheten, styrenheten, minnet och användargränssnittet. Även om datorteknikens utveckling exploderat sedan 1940-talet så används fortfarande denna grundläggande struktur som John von Neumann föreslog redan då. Aritmetiska enheten och styrenheten I dagens datorer är Aritmetiska enheten och styrenheten samlade i en enhet nämligen processorn (CPU). Processorn fungerar i enkelhet som ett chip beskrivet som ovan, dvs. det jämför en matningsspänning med en signal med hjälp av en transistor. Skillnaden är att i en processor innehåller hundratals miljoner transistorer. Den grundläggande funktionen hos processorn är att utföra beräkningar. Med beräkningar menas de grundläggande räknesätten addition, subtraktion, division och multiplikation. Processorn jobbar efter "instruktioner" som är indelade i grupperna hämta, avkoda, utföra och skriva tillbaka. Minnet Minnet i en dator är i regel uppdelat i fyra grupper: Register (ingår i processorn), Cacheminnet (ingår i processorn), Primärminnet (RAM) och Sekundärminnet (hårddisk). Dessa grupper kan ställas i en pyramid där registret är högst upp, cacheminnet i övre mitten, primärminnet i undre mitten och sekundärminnet i basen av pyramiden. Triangeln visar på ett pedagogiskt sätt förhållandet mellan pris/kapacitet och snabbhet där registret är det snabbaste men samtidigt det dyraste minnet. För att hålla ett lågt pris på datorn så låter man de snabba, dyra minnena sköta operationer som kräver snabb lagring och läsning och så låter man de långsamma billiga minnena utföra lagring och läsning av sådan data där hastigheten spelar mindre roll. Användargränssnittet Användargränssnittet är det området som är mest intressant för ingenjörer och produktutvecklare. Det är gränssnittet hos en produkt som gör att produkten kan användas. Gränssnitt betyder koppling mellan två områden, t ex mjukvarumoduler och hårdvarumoduler. Men det vanligaste gränssnittet som även är det mest omtalade är gränssnittet mellan maskin och människa. Gränssnitt hos en dator medger två saker: Page 11 of 12 Inmatning, som ger användaren möjlighet att påverka systemet Utdata, som systemet använder för att påvisa vad användarens påverkan resulterade i En dator utan gränssnitt skulle betyda att varken skärm, tangentbort, mus eller ljud skulle finnas. Vilket gör datorn näst intill oanvändbar.
Slutsatser Med lärdom från denna fördjupning rörande hur baskomponenterna fungerar, anser jag att jag fått en större förståelse över hur en elektrisk krets kopplas samman, fungerar och hur den används i dagens produkter. Jag har även insett att det är forskning och utveckling inom elektriska komponenter och kretsar som för datorutvecklingen framåt. De elektriska komponenterna blir hela tiden mindre och mindre vilket medför att datorerna blir alltmer kraftfulla. Att det idag kan tillverkas processorer med hundratals miljoner transistorer på en yta så liten som några cm 2 kan vara svårt att förstå. Men det mest fascinerande är att antalet transistorer som man kan få in på ett chip (med bestämd storlek) har hittills ökat exponentiellt enligt Moores lag. Med det menas att antalet transistorer på ett storleksbestämt chip har sedan ca år 1965 fördubblats var 24:e månad. Angående gränssnitt, vilket har en stark koppling till en produktutvecklares arbete, utvecklas det ständigt för att underlätta användning. Ju mer användarvänlig en produkt är ju mindre behöver man fundera på själva användandet och kan då istället ge full uppmärksamhet till det man t ex skapar. Page 12 of 12