Elektriska kretsar.pdf - Rolf Lövgren
Elektriska kretsar.pdf - Rolf Lövgren
Elektriska kretsar.pdf - Rolf Lövgren
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Philip Åhagen<br />
<strong>Rolf</strong> <strong>Lövgren</strong><br />
Mälardalens Högskola Produktutveckling 3<br />
2009/2010 KPP 039<br />
Mälardalens Högskola<br />
<strong>Elektriska</strong> Kretsar<br />
En fördjupning gjord av Philip Åhagen<br />
Philip Åhagen<br />
2009-12-03
Philip Åhagen<br />
<strong>Rolf</strong> <strong>Lövgren</strong><br />
Mälardalens Högskola Produktutveckling 3<br />
2009/2010 KPP 039<br />
Table of Contents<br />
Inledning .................................................................................................................................................. 3<br />
Grundläggande ellära .............................................................................................................................. 4<br />
Spänning .............................................................................................................................................. 4<br />
Ström ................................................................................................................................................... 4<br />
Resistans .............................................................................................................................................. 4<br />
<strong>Elektriska</strong> <strong>kretsar</strong> ..................................................................................................................................... 5<br />
<strong>Elektriska</strong> komponenter ...................................................................................................................... 5<br />
Aktiva komponenter ........................................................................................................................ 5<br />
Passiva komponenter ...................................................................................................................... 6<br />
Mönsterkort och kretskort ................................................................................................................ 10<br />
Användningsområden ........................................................................................................................... 11<br />
<strong>Elektriska</strong> <strong>kretsar</strong> i datorer ................................................................................................................ 11<br />
Datorns uppbyggnad ..................................................................................................................... 11<br />
Slutsatser ............................................................................................................................................... 12<br />
Page 2 of 12
Philip Åhagen<br />
<strong>Rolf</strong> <strong>Lövgren</strong><br />
Mälardalens Högskola Produktutveckling 3<br />
2009/2010 KPP 039<br />
Inledning<br />
Denna rapport är en fördjupning rörande elektriska <strong>kretsar</strong>. Fördjupningen är gjord för att<br />
komplettera ett projekt genomfört från 3 november till 15 december 2009 på Mälardalens Högskola.<br />
Eftersom denna fördjupning är gjord för att komplettera projektet kommer endast områden relevant<br />
för projektet behandlas.<br />
Fördjupningen ger förklaring på termer inom elektronik, bakomliggande teori, hur <strong>kretsar</strong> används<br />
samt beskriver några exempel.<br />
För att kunna förstå hur en elektrisk krets fungerar bör de mest grundläggande termer för storheter<br />
och enheter kännas till. Dessa framgår ur Tabell 1.<br />
Storhet<br />
Enhet<br />
Beteckning Benämning Förkortning Benämning<br />
I Ström A Ampere<br />
U Spänning V Volt<br />
R Resistans Ω Ohm<br />
P Effekt W Watt<br />
Q Laddning As el. C Coulomb<br />
Tabell 1- De grundläggande termerna för storheter och enheter<br />
Page 3 of 12
Philip Åhagen<br />
<strong>Rolf</strong> <strong>Lövgren</strong><br />
Mälardalens Högskola Produktutveckling 3<br />
2009/2010 KPP 039<br />
Grundläggande ellära<br />
Spänning<br />
En elektrisk spänning(U) mäts i Volt [V]. Volt definieras som den spänning som krävs över en elektrisk<br />
last för att strömstyrkan 1 A ska genera 1 W. Dvs. ingen spänning ingen ström. Spänning är resultatet<br />
av skillnaden i laddningen mellan två föremål.<br />
Ström<br />
Som beskrivet i stycket ovan krävs en spänning för att erhålla ström (I). Ström är elektroner som<br />
förflyttar sig mellan atomer i en ledare. Ström definieras laddning per tidsenhet. Ström mäts i<br />
Ampere.<br />
Resistans<br />
Resistans (R) betyder motstånd, vilket blir strömbegränsande i en elektrisk krets. Resistans mäts i<br />
Ohm och har stark koppling till ström och spänning i en krets. Möter strömmen stort motstånd<br />
kommer det krävas större spänning för att upprätthålla strömmen.<br />
Sambandet mellan ström och spänning är grunden för den kända Ohms lag.<br />
Page 4 of 12
Philip Åhagen<br />
<strong>Rolf</strong> <strong>Lövgren</strong><br />
Mälardalens Högskola Produktutveckling 3<br />
2009/2010 KPP 039<br />
<strong>Elektriska</strong> <strong>kretsar</strong><br />
<strong>Elektriska</strong> komponenter<br />
En elektrisk krets är ett antal elektroniska komponenter som kopplas samman. För att de olika<br />
komponenterna ska kunna fungera och kommunicera med varandra måste de kopplas samman så att<br />
ström kan ledas mellan dem. Detta görs med en elektrisk ledning som i regel utgörs av ett<br />
mönsterkort eller kretskort. <strong>Elektriska</strong> <strong>kretsar</strong> hittas i alla typer av datorer.<br />
<strong>Elektriska</strong> komponenter delas ofta upp i aktiva och passiva komponenter. I denna rapport kommer till<br />
största del passiva komponenter förklaras och exemplifieras men en kort förklaring av aktiva<br />
komponenter återfinns i nästa stycke.<br />
Aktiva komponenter<br />
En aktiv komponent är en komponent som behöver en matningsspänning för att behandla en signal t<br />
ex en bild- eller ljudsignal. Några exempel på aktiva komponenter är transistorer och integrerade<br />
<strong>kretsar</strong> (chip). Ett enkelt exempel på hur en aktiv komponent kan fungera är chippet. Chippet<br />
används för att göra om en signal till dataspråk dvs. ettor och nollor. Detta gör chippet genom att<br />
jämföra matningsspänningen med en signal. Beroende på om signalen är starkare eller svagare än<br />
matningsspänningen ger chippet i från sig en etta eller en nolla. Produkter med denna funktion är<br />
datorprocessorn (CPU).<br />
Figur 1 - Processor (chip)<br />
Page 5 of 12
Philip Åhagen<br />
<strong>Rolf</strong> <strong>Lövgren</strong><br />
Mälardalens Högskola Produktutveckling 3<br />
2009/2010 KPP 039<br />
Passiva komponenter<br />
En passiv komponent är en komponent som fungerar i en krets utan yttre påverkan, dvs. utan en<br />
matningsspänning. Exempel på passiva komponenter är resistorer, kondensatorer och induktorer.<br />
Resistorer<br />
En resistor, eller motstånd, karakteriseras av sin resistans. Det vanligaste motståndet i elektriska<br />
<strong>kretsar</strong> är stavmotståndet. De kan bestå av en keramisk stav, där ytan är belagd med en metallfilm<br />
eller ett kolskikt eller så kan de bestå av en kolmassa där lednigarna "bakats" in i massan.<br />
Motstånd kan delas upp i två grupper, linjära och olinjära motstånd. Linjära motstånd är motstånd<br />
som är oberoende av ström, spänning, värme osv. Om resistansen istället varierar med dessa<br />
faktorer benämns det som ett olinjärt motstånd.<br />
Då motstånd i vissa fall kan vara små<br />
till storleken används färgkoder för<br />
resistansförmågan. Detta för att<br />
lättare kunna läsa av motståndets<br />
resistans. Vid köp av motstånd kan en<br />
tabell för avläsning medfölja. En<br />
sådan tabell kan ses i figur 1.<br />
Figur 2 - Färgschema för motstånd<br />
Page 6 of 12
Philip Åhagen<br />
<strong>Rolf</strong> <strong>Lövgren</strong><br />
Mälardalens Högskola Produktutveckling 3<br />
2009/2010 KPP 039<br />
Kondensatorer<br />
I likhet med motstånd har även en kondensator en viss resistans med skillnaden att kondensatorns<br />
resistans är varierade beroende på strömmen frekvens. Är frekvensen på strömmen hög gör<br />
kondensatorn lite motstånd är frekvensen låg gör kondensatorn högre motstånd. En komponent med<br />
denna egenskap kallas för reaktans som i likhet till resistans mäts i ohm.<br />
Eftersom resistansen hos en kondensator varierar med frekvensen på strömmen kan ej ett fast värde<br />
fastställas. Istället beräknas resistansen vid en viss frekvens. Den beräknade resistansen är bara<br />
aktuell vid exakt den frekvensen den beräknats vid.<br />
Kondensatorn (Figur 2) har även förmågan att lagra ström och sedan ge ifrån sig allt på bråkdelen av<br />
en sekund. Den laddning som kondensatorn kan lagra styrs av två elektrisktladdade plattor som<br />
avgränsas mot varandra med ett isoleringsmaterial. Det som sker när kondensatorn laddas är att en<br />
förskjutningsström flyter genom ledningen. När kondensatorn därefter korsluts laddas den ur snabbt.<br />
Kondensator används t ex i en fotoblixt där den först har som funktion att lagra energi och sedan<br />
snabbt kunna ge ifrån sig stora strömstyrkor. Denna stora strömstyrka passerar därefter genom en<br />
tråd med xenongas runtomkring, vilket ger det starka ljuset i en fotoblixt.<br />
Figur 3 - Kondensatorns uppbyggnad<br />
Page 7 of 12
Philip Åhagen<br />
<strong>Rolf</strong> <strong>Lövgren</strong><br />
Mälardalens Högskola Produktutveckling 3<br />
2009/2010 KPP 039<br />
Induktorer<br />
En induktor är uppbyggd som en spole, dvs. en tråd lindad i formen av en spiral. Vanligtvis lindas<br />
tråden runt en kärna i form av en stav eller ring. En induktor används i en elektrisk krets för att<br />
filtrera eller välja ut signaler med en specifik frekvens. Induktorns huvudsakliga funktion är strömoch<br />
spänningsdämpande. Induktorernas elektromagnetiska induktion är grunden till en<br />
transformator. En transformator (Figur 3) består oftast av två spolar på en gemensam kärna där<br />
antalet lindade varv på vardera sida av kärnan styr hur mycket spänningen ändras.<br />
Figur 4 - Transformatorns uppbyggnad<br />
Page 8 of 12
Philip Åhagen<br />
<strong>Rolf</strong> <strong>Lövgren</strong><br />
Mälardalens Högskola Produktutveckling 3<br />
2009/2010 KPP 039<br />
Diod<br />
Dioden är en elektrisk komponent. Dioden kan endast leda ström i en riktning. Namnet diod kommer<br />
från att den har två elektroder, katod och anod (di-od). En vanlig tillämning av dioden är likriktning av<br />
växelström.<br />
Dioden kan även lysa men då kallas den för Light Emitting Diod (LED) (Figur 4). Det är en diod som<br />
utstrålar monokromatiskt ljus vid en elektriskt framåtriktad spänning.<br />
Om dioden är en passiv eller aktiv komponent finns delade meningar om. Vissa anser att den är aktiv<br />
för att dess egenskaper är icke-linjära. Argument mot detta är att den ej kräver en matningsspänning<br />
som en aktiv komponent.<br />
Figur 5 - LED<br />
Figur 6 - LED lampor finns i flera olika<br />
färger<br />
Page 9 of 12
Philip Åhagen<br />
<strong>Rolf</strong> <strong>Lövgren</strong><br />
Mälardalens Högskola Produktutveckling 3<br />
2009/2010 KPP 039<br />
Mönsterkort och kretskort<br />
För att elektriska komponenter ska kunna fungera och kommunicera med varandra behöver de<br />
kopplas samman med ett ledande material. Detta görs lättast på ett mönsterkort. Dessa är plattor av<br />
plastlaminat som på den ena eller båda sidor är belagda med ett tunt skikt koppar. När det är<br />
bestämt var de olika komponenterna ska placeras på plattan etsas stora delar av kopparskiktet bort<br />
så att endast tunna ledningar kvarstår. Komponenterna lödes sedan på plats och får i och med det<br />
kontakt med de andra komponenterna. Ett mönsterkort med på monterade <strong>kretsar</strong> och<br />
komponenter kallas kretskort.<br />
Figur 7 - Mönsterkort<br />
Figur 8 - Kretskort<br />
I Figur 4 ses mönsterkort i olika former och typer. I Figur 5 ses ett bra exempel på ett färdigt<br />
kretskort.<br />
Page 10 of 12
Philip Åhagen<br />
<strong>Rolf</strong> <strong>Lövgren</strong><br />
Mälardalens Högskola Produktutveckling 3<br />
2009/2010 KPP 039<br />
Användningsområden<br />
<strong>Elektriska</strong> <strong>kretsar</strong> i datorer<br />
En dator kan bestå av flera elektroniska, mekaniska, optiska eller andra komponenter. Dessa styrs av<br />
ett datorprogram, vilket är gränssnittet mellan datorn och människan. Datorns ursprungliga uppgift<br />
var att utföra avancerade beräkningar, men blev snabbt ett vardagligt verktyg vid bland annat<br />
kommunikation, informationslagring, mediebearbetning och underhållning.<br />
Datorns uppbyggnad<br />
Datorns uppbyggnad kan lättast beskrivas i fyra delar; aritmetiska enheten, styrenheten, minnet och<br />
användargränssnittet. Även om datorteknikens utveckling exploderat sedan 1940-talet så används<br />
fortfarande denna grundläggande struktur som John von Neumann föreslog redan då.<br />
Aritmetiska enheten och styrenheten<br />
I dagens datorer är Aritmetiska enheten och styrenheten samlade i en enhet nämligen processorn<br />
(CPU). Processorn fungerar i enkelhet som ett chip beskrivet som ovan, dvs. det jämför en<br />
matningsspänning med en signal med hjälp av en transistor. Skillnaden är att i en processor<br />
innehåller hundratals miljoner transistorer.<br />
Den grundläggande funktionen hos processorn är att utföra beräkningar. Med beräkningar menas de<br />
grundläggande räknesätten addition, subtraktion, division och multiplikation. Processorn jobbar efter<br />
"instruktioner" som är indelade i grupperna hämta, avkoda, utföra och skriva tillbaka.<br />
Minnet<br />
Minnet i en dator är i regel uppdelat i fyra grupper: Register (ingår i processorn), Cacheminnet (ingår<br />
i processorn), Primärminnet (RAM) och Sekundärminnet (hårddisk). Dessa grupper kan ställas i en<br />
pyramid där registret är högst upp, cacheminnet i övre mitten, primärminnet i undre mitten och<br />
sekundärminnet i basen av pyramiden. Triangeln visar på ett pedagogiskt sätt förhållandet mellan<br />
pris/kapacitet och snabbhet där registret är det snabbaste men samtidigt det dyraste minnet. För att<br />
hålla ett lågt pris på datorn så låter man de snabba, dyra minnena sköta operationer som kräver<br />
snabb lagring och läsning och så låter man de långsamma billiga minnena utföra lagring och läsning<br />
av sådan data där hastigheten spelar mindre roll.<br />
Användargränssnittet<br />
Användargränssnittet är det området som är mest intressant för ingenjörer och produktutvecklare.<br />
Det är gränssnittet hos en produkt som gör att produkten kan användas. Gränssnitt betyder koppling<br />
mellan två områden, t ex mjukvarumoduler och hårdvarumoduler. Men det vanligaste gränssnittet<br />
som även är det mest omtalade är gränssnittet mellan maskin och människa.<br />
Gränssnitt hos en dator medger två saker:<br />
Page 11 of 12<br />
Inmatning, som ger användaren möjlighet att påverka systemet<br />
Utdata, som systemet använder för att påvisa vad användarens påverkan resulterade i<br />
En dator utan gränssnitt skulle betyda att varken skärm, tangentbort, mus eller ljud skulle finnas.<br />
Vilket gör datorn näst intill oanvändbar.
Philip Åhagen<br />
<strong>Rolf</strong> <strong>Lövgren</strong><br />
Mälardalens Högskola Produktutveckling 3<br />
2009/2010 KPP 039<br />
Slutsatser<br />
Med lärdom från denna fördjupning rörande hur baskomponenterna fungerar, anser jag att jag fått<br />
en större förståelse över hur en elektrisk krets kopplas samman, fungerar och hur den används i<br />
dagens produkter.<br />
Jag har även insett att det är forskning och utveckling inom elektriska komponenter och <strong>kretsar</strong> som<br />
för datorutvecklingen framåt. De elektriska komponenterna blir hela tiden mindre och mindre vilket<br />
medför att datorerna blir alltmer kraftfulla. Att det idag kan tillverkas processorer med hundratals<br />
miljoner transistorer på en yta så liten som några cm 2 kan vara svårt att förstå. Men det mest<br />
fascinerande är att antalet transistorer som man kan få in på ett chip (med bestämd storlek) har<br />
hittills ökat exponentiellt enligt Moores lag. Med det menas att antalet transistorer på ett<br />
storleksbestämt chip har sedan ca år 1965 fördubblats var 24:e månad.<br />
Angående gränssnitt, vilket har en stark koppling till en produktutvecklares arbete, utvecklas det<br />
ständigt för att underlätta användning. Ju mer användarvänlig en produkt är ju mindre behöver man<br />
fundera på själva användandet och kan då istället ge full uppmärksamhet till det man t ex skapar.<br />
Page 12 of 12
Change language