Table Of Content

Svein Olaf Michelsen og Magne Lein Elektronikk 1 Bokmål Universitetsforlaget © UNIVERSITETSFORLAGET AS 1994 ISBN 82-00-41218-0 Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven og fotografiloven eller i strid med avtaler om kopiering inngått med Kopinor, intcresseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Godkjent av Nasjonalt Læremiddelsenter 30. juni 1994 til bruk i den videregående skolen. Spørsmål om denne boka kan rettes til: Universitetsforlaget Postboks 2959 Tøyen 0608 Oslo 6 Tegning: Svein Olaf Michelsen Omslag: Tor Berglie Trykk: PDC Printing Data Center as, Aurskog 1994 Forord Denne boka gir en innføring i elektronikk og er beregnet til bruk på grunnkurs elektrofag etter reform 94. Den dekker hele modul 2 og er derfor også egnet for andre som vil ha en grunnopplæring i elektronikk. Boka er skrevet etter intensjonene i den generelle delen av lære planen og dekker alle mål og hovedmomenter fra fagplanen for elektronikk. Pedagogisk og metodisk er det tatt hensyn til an befalingene i de metodiske veiledningene. Boka inneholder digitalelektronikk og analogelektronikk. Vi har valgt å starte med digitalelektronikk for at elevene skal få mulig het til å tilegne seg noe kunnskaper i faget elektroteknikk før de gir seg i kast med den analoge elektronikken. I analogelektronikken tar en først for seg forsterkeren og gir en systemgjennomgang av denne før en tar en grundig blokkvis gjen nomgang av de forskjellige forsterkertrinnene. Måling, måle instrumenter og skjemategning er plassert slik at det faller naturlig inn i undervisningen. De tre siste kapitlene utgjør en faktadel som gir en detaljert innføring i analoge komponenter og integrerte kretser. Boka har integrert felles mål for studieretningsfaget, etikk, miljø og historie der det er naturlig i forhold til stoffet. For å lette inn læringen er det utarbeidet eksempler, kontroll spørsmål, oppgaver og øvinger. Eksemplene gir en god innføring i anvendt matema tikk. Det er utarbeidet lærerveiledning til boka. Forfatterne forutsetter at elevene har tilgang på databøker ved siden av denne boka. Vi vil takke følgende produsenter, leverandører og firmaer for at vi fikk bruke datablader, bilder og informasjon i boka: AMP Norge A/S Elko Jakob Hatteland Supply A/S Hefro Elektronikk A/S Hewlett Packard Norge A/S Richard Hirschmann Norge A/S Instrutek A/S Mascot electronic A/S Mehren Rubber A/S Norsk Philips A/S Nortelco A/S Panasonic Norge A/S Siemens A/S Sony Norge Øystein Røed A/S Texas Instruments Norge A/S Tektronix Norge A/S Arthur F. Ulrichsen A/S Universitetsforlaget og forfatterne setter pris på tilbakemelding fra lærere, elever og andre brukere av boka. Bærum, våren 1994 Svein Olaf Michelsen Magne Lein Innhold INNLEDNING 9 Del 1: Digitalelektronikk 13 INTRODUKSJON TIL DIGITALE SYSTEMER 15 LOGISKE FUNKSJONER 21 Innledning 22 ELLER-funksjonen 23 OG-funksjonen 27 IKKE-funksjonen 28 NELLER-funksjonen 30 NOG-funksjonen 31 Kombinatorikk 33 EKSKLUSIV-ELLER-funksjonen 39 EKSKLUSIV-NELLER-funksjonen 41 Andre funksjoner med NELLER- og NOG-porter 44 Oppgaver 47 Øvelser 47 PORTENES LOGISKE FUNKSJONER KONTROLLERT MED PULSER 51 Pulser 52 Bruk av OG- og NOG-porter 54 Bruk av ELLER- og NELLER-porter 56 Kontroll av ELLER-port med pulser 57 Pulsgenerator/astabil vippe 57 Generator med mange frekvenser 59 Oppgaver 64 Øvelser 66 VIPPER 69 Innledning 70 SR-vippe 70 Alarm 77 Klokkestyrt SR-vippe 79 Datavippe, D-vippe 82 Mester-slave-vippe, MS-vippe 84 JK-vippe 85 T-vippe 89 Monostabil vippe 91 Oppgaver 95 Øvelser 97 DET BINÆRE TALLSYSTEMET 99 Innledning 100 Tallsystemer 100 TELLERE 105 Innledning 106 Binærteller 108 BCD-teller 111 BOOLSK ALGEBRA 117 Innledning 118 Oppgaver 124 Øvelser 125 PRAKTISK ANVENDELSE AV DIGITALE KRETSER 127 Innledning 128 Kodelås 128 Digital klokke 131 SYMBOLER 139 CMOS- OG TTL-KRETSENE 141 Innledning 142 CMOS 143 TTL 148 Del 2: Analogelektronikk 151 INNLEDNING 152 FORSTERKEREN 153 Innledning 154 Forsterkerens hovedelementer 155 Inngangstrinnet 156 Volum- og tonekontrollene 157 Spenningsforsterkeren 157 Strømforsterkeren 158 Strømforsyningen 158 Oppgaver 159 STRØMFORSYNINGEN 161 Innledning 162 Transformatoren 163 Likeretter 164 Enveislikeretting 164 Toveislikeretting 164 Glatting 166 Glatting med ladekondensator 166 Stabilisering og filtrering 168 Regulator med transistor 168 Sammenligneren 171 Referansespenning 172 Spcnningsføling over lastmotstanden 172 Oppgaver 174 Øvelser 175 SYMBOLER - SKJEMALESING - MÅLEINSTRUMENTER 179 Innledning 180 Symboler og skjemalesing 180 Måleinstrumenter 182 Amperemeter 183 Voltmeter 185 Ohmmeter 186 Oscilloskop 187 Oppgaver 190 Øvelser 191 FORSTERKERTRINNENE 193 Innledning 194 Inngangstrinnet 194 Volum- og tonekontroller 197 Spenningsforsterkeren 202 Strømforsterkeren 205 Høyttaleren 206 Oppgaver 208 Øvelser 209 PASSIVE KOMPONENTER 211 Innledning 212 Motstander 212 Lineære motstander 212 Ulineære motstander 217 Kondensatorer 222 Papirkondensatorer 223 Keramiske kondensatorer 224 Elektrolyttkondensatorer 225 T antalelektrolyttkondensatorer 227 Variable kondensatorer 228 Trimmekondensatorer 228 Spoler, transformatorer,releer og høyttalere 229 Spoler 230 Transformatorer 230 Releer 231 Høyttalere 233 Sikringer 235 Termiske sikringer 235 Elektromekaniske sikringer 236 ELEKTROMEKANISKE KOMPONENTER 239 Innledning 240 Brytere og vendere 240 Plugger og kontakter 241 Dataplugger/-kontakter 244 Diverse andre plugger og kontakter 245 Trykte kretsløp - kretskort 245 Kretskort og miljø 247 AKTIVE KOMPONENTER 251 Innledning 252 Halvledere 252 Fysiske forhold 252 N- og P-materialer 253 PN-overgangen 254 Dioder 256 Effektdioder 258 Småsignaldioder 261 Likerettere 264 Brulikerettere 264 Trefaselikerettere 265 Spesielle diodetyper 267 Zenerdioder 267 Lysdioder 269 Dobbeltbasisdioder 275 Kapasitansdioder 278 Tunneldioder 279 Spesielle dioder 280 Transistorer 282 Bipolare transistorer 282 Karakteristikker 283 Forspenning av transistorer 289 Lastlinje 290 Arbeidspunkt 292 Felteffekttransistor 298 Tyristorer og triaeer 304 Tyristorer 304 Triaeer 306 Integrerte analoge kretser (IC-er) 309 Spenningsregulatorer 309 Automatisk lader for NiCd-celler 311 Operasjonsforsterker 313 Utgangsforsterkere 321 «Timere»/tidsbestemmende kretser 334 Oppgaver 338 Øvelser 350 STIKKORD 355 Innledning Elektronikk er et eget fagområde innen elektro. Slår du opp i et leksikon for å få rede på hva ordet elektronikk betyr, kan du finne følgende: «Elektronikk, er en forkortelse av elektronrørteknikk, og omhandler elektrisk strøm i form av elektroner i vakuum, fortynnede gasser og halvledere. Elektronikken ligger til grunn for utviklingen av radio, fjernsyn, transistorer, data maskiner, industriell automatisering osv.» Elektronikk er noe vi alle er berørt av hver dag. De fleste elekt riske hjelpemidlene vi bruker daglig, inneholder etter hvert elekt ronikk. Det gjelder både hjemme, på skolen, på jobb eller i fri tiden. Faget elektronikk har en relativt kort historie, sammenlignet med mange andre fag. Det første patentet ble tatt ut i 1904 av J. A. Flemming og omhandlet verdens første elektronrør. Røret var egentlig en glødelampe med en metallplate ved siden av glødetrå- den. Fordi lampen hadde to elektroder, ble den kalt diode. Mellom glødetråden og plata kan det gå en elektrisk strøm, men bare den ene veien. Den varme glødetråden gir fra seg elektroner, som trekkes over til plata når den er koplet til en spenning som er positiv i forhold til glødetråden. Elektronstrømmen øker når spen ningen mellom plata og glødetråden øker. Glødetråden som avgir elektroner, blir kalt katode, mens plata som tar imot elektronene, blir kalt anode. Fire år senere fikk Lee DeForest patent på et elektronrør med tre elektroder. DeForest plasserte den tredje elektroden mellom glødetråden og plata i dioden. Denne elektroden var en metalltråd bøyd i sikksakk og ble kaltgzfter. Fordi røret hadde tre elektroder, ble den kalt triode. Ved å tilføre gitteret en spenning som er nega- 9 tiv i forhold til glødetråden, var det mulig å regulere elektron- strømmen til anoden. DeForest innførte styringsprinsippet. Den teknikken som utviklet seg omkring elektronrørene, fikk betegnelsen elektronikk. Nå var grunnlaget lagt for en rivende utvikling innen radio, telekommunikasjon, tv og data. Trioden fikk snart en tallrik etterslekt. I løpet av femti år ble det produsert over sju milliarder elektronrør av ulike typer. I dag deler vi vanligvis elektronikken inn i to hovedemner: digitalelektronikk og analogelektronikk, noe som også gjenspei ler oppbygningen av denne læreboka. I første del av boka - Digitalelektronikk - får du grunnleggende kjennskap til de vesentligste elementene i for eksempel data- og teleteknikken, men også i moderne Hi-Fi-utstyr osv. Du vil også få en god innsikt i totallsystemet og boolsk algebra (en spesiell regnemåte som brukes innen digitalteknikk). 1 andre del av boka - Analogelektronikk - får du en innføring i hovedprinsippene for analogelektronikken ved å se på den van lige stereoforsterkeren. Komponentkapitlene til slutt tar for seg de mest vanlige kompo nentene som brukes innen elektronikken. Denne delen er bokas «faktadel». Den kan enten leses separat, eller du kan lese om de forskjellige komponentene etter hvert som du støter på dem i teks ten. Denne delen av boka er svært omfattende og dekker mer enn o pensum på grunnkurs elektrofag. Årsaken er at denne boka skal følge deg gjennom hele utdannelsen og være et oppslagsverk i det videre arbeidet med faget. Elektronikk og miljø Det er nok ikke miljøhensyn vi tenker på når elektronikk kommer på banen. Elektronikk forbindes mer med underholdningsproduk- ter som radioer, tv-er, CD- og kassettspillere, datamaskiner, tele foner osv. Elektronikk av denne typen har forandret folks levesett betrakte lig. Det finnes knapt en bil uten radio og kassettspiller i dag! Ingen reagerer på at det er mulig å ringe fra mobiltelefon midt på gata eller fra Galdhøpiggen! Enkelte mennesker har med seg sin bær bare kassettspiller eller CD-spiller hvor de enn går. Andre tar med seg den bærbare PD-en og «arbeider» på toget, i båten, i flyet og hvor det enn måtte være. Vi bruker plastkort i stedet for penger. Plastkortene leses av elektronisk, og betalingstransaksjonen skjer elektronisk. 10