Generelt om elektronikk i ToD - prosjekter

Denne gjennomgangen kan brukes som bakgrunn i elektronikk for flere ToD - prosjekter.

Lysdioder og motstander

Diode

Diode er en komponent som brukes mye i elektronikken. Den leder strøm bare en vei: fra ANODE (langt bein) til KATODE (kort bein) – og den lyser ikke. Dioder brukes blant annet i en elektrisk krets der vi vil gjøre om vekselstrøm til likestrøm (likeretter).

Lysdiode

En lysdiode (LED: Light Emitting Diode) er en spesiell diode som lyser når det går strøm gjennom den (riktig vei). Den fås i mange størrelser og farger, og for ulike strømstyrker og spenninger. Grunnen til at den brukes så mye, er at den trenger så lite strøm, at den ikke blir særlig varm og at den har så lang levetid. Vi kan bruke lysdioden nærmest som en lommelyktpære i flere ulike prosjekter, slik den er å finne i moderne innretninger og apparater. Kassettspillere, mobiltelefoner, fjernkontroller, trafikkskilt, osv er gjerne utstyrt med lysdioder.

Lengdene av bena (elektrodene) på en lysdiode er ulike for å kunne se forskjell på dem: den lange er ANODE (dvs +), den korte KATODE (-). Lysdioden har også flat kant ved katoden.

Utseende: Merk at minuspolen er markert på to måter: Kort bein og flatt parti på kragen Lysdiode
Symbol: Den store pilen viser strømretningen (fra +polen) og den loddrette streken (viser minussiden) - at den er ”tett” fra denne siden.
(Symbolet til en diode er uten de små pilene, fordi den ikke sender ut lys som lysdioden)
Symbol for lysdiode

Motstand

Blir spenningen for høy, vil både en lommelyktpære og en lysdiode ”gå”, brenne av. Derfor må lysdioden ofte beskyttes av en motstand i kretsen – som reduserer strømmen gjennom kretsen eller reduserer spenningen over lysdioden. Når lysdioden vi skal bruke, bare tåler ca 2 volt spenning og batteriet gir 4,5 volt spenning, må følgelig spenningen over lysdioden reduseres. Det gjør vi ved å kople en motstand i serie med lysdioden. Motstanden vi skal bruke har en verdi på ca 200 ohm (ohm er enheten for resistans). Med høyere batterispenning, kreves større resistans (se egen tabell).

Merk at det er det samme hvilken vei motstanden plasseres i kretsen – strømmen kan gå begge veier. Dette er i motsetning til transistor, kondensator og (lys)dioder, som må plasseres riktig vei.

Motstand Symbol for motstand
Utseende Symbol


Motstandene er for små til å få skrevet på hvor mange ohm den har. Derfor er det utviklet en kode av fargede ringer der hvert siffer 0 – 9 har hver sin farge og hver ring står for posisjonene i et tresifret tall + en ringer for størrelsesorden og hvor nøyaktig den er laget.

Koplinger i et lysdiodekart (en bryterkontakt)

Oppkoplingen består av flere PARALLELLE KRETSER med en lysdiode i hver krets. Det kan bare gå strøm i én krets av gangen, og du velger hvilken ved å la pekekontaktene berøre ett av kontaktpunktene på forsiden av kartet/kassetten. Motstanden er koplet i SERIE med batteriet og hver av lysdiodene (det er det samme på hvilken side av batteriet motstanden er plassert). Én lysdiode skal da lyse, og dette er tegn på at strømkretsen er SLUTTET, og at koplingen er riktig. De andre lyser ikke som tegn på at disse kretsene er BRUTT.

Lysdiodekart Lysdiodekart med symboler  
Lysdiodekart er det mest vanlige prosjektet denne koplingen brukes.

 

Lysdiodekart med 2 pekerbrytere

Her kan vi kople sammen spørsmål og svar. For eksempel kople sammen norske og engelske gloser, kople sammen flagg med land på et kart osv.

Koplingsskjemaet kan bli som figuren under viser, her forsynt med 2 lysdioder og motstand i serie. Verdien på motstanden du trenger, kan du finne i tabellene i artikkelen "Hvor mange lysdioder kan vi ha i serie? (se menyen til høyre). I koplingen nedenfor lyser begge pærene (kunne vært bare en lysdiode).

Lysdiodekart med 2 pekerbrytere

 

Hvor mange lysdioder kan vi ha i serie?

Her følger tabeller for to vanlige brukte batterier (4,5 V og 9 V) og hvilken motstand som er passende å sette inn i en seriekopling av lysdioder. Verdiene på motstandene er erfaringstall, men justert slik at vi bare trenger å ha noen få verdier på motstander tilgjengelig (20, 100, 200 og 300 ohm).

Da er vi fri til å velge koplinger med et vilkårlig antall lysdioder, dvs et 4,5 V batteri kan drive inntil 2 lysdioder og et 9 V kan drive inntil 4 lysdioder.

Med 4,5 V batteri og lysdioder i serie

Antall lysdioder Resistans, ohm Lyser?
1 80100 JA
2 1020 JA
3   NEI

 

Med 9 V batteri og lysdioder i serie

Antall lysdioder Resistans, ohm Lyser?
1 230330 JA
2 160200 JA
3 90100 JA
4 20–30 JA
5   NEI

Enda flere lysdioder

Ønsker vi flere lysdioder enn tabellene tillater, må vi kople dem sammen i parallelle kretser.

Eksempel: La oss si at vi ønsker å få 7 lysdioder til å lyse på en gang. Vi velger et 9 V batteri. Lag da en seriekopling med 4 lysdioder med 20 ohms motstand, pluss en krets i parallell med 3 lysdioder + 100 ohm motstand i serie, som figuren viser.

Kobling av flere lysdioder


Eksempler på prosjekter kan være å vise stjernebilder, julestjerne, juletre, pepperkakehus osv, med lysdioder. Da kan antallet ønskede lyspunkter variere svært mye.

I skolen er det av praktiske grunner lurt å holde antallet lyspunkter nede på 5 – 6 lysdioder. Flere krever mer tid, med flere ledninger er det lett å miste oversikten, mulighetene for feil øker osv.
 

Å lese fargekoden på motstander: Motstand med 5 ringer

Hver farget ring står for et siffer.  Dette kan leses ut av tabellen og eksemplet nedenfor.

Tabell som viser fargekoden på motstander

Eksemplet:     

Les av tre ringer/sifre: brun = 1, grønn = 5, svart = 0
Fjerde ring, rød = 2:  102 =  100
Femte ring:  brun = 1 %

Svar: 150 x 100  ohm +- 1 %   = 15.000 ohm +- 1 %   

Beregning av motstanden i en krets med lysdioder

I praktiske prosjekter i klasserommet anbefales å bruke motstandsverdier fra tabellene nedenfor. Her følger hvordan dere kan beregne verdiene, men først noen av problemene som kommer inn i bildet.

  • Spenningen på et 4, 5 V batteri, kan variere fra 4,0 V til 4,8 V, avhengig av om det er nytt eller noe brukt.
  • Tilsvarende kan et 9 V batteri gi fra 8,5 V til 9,6 V.
  • En typisk lysdiode krever en spenning på for eksempel 2,1 V og en strømstyrke på 30 mA (= 0,030 A). (konf. Tekniske data fra leverandør)
  • Spenningen kan variere. Likeså strømmen, avhengig av fargen på lysdioden og andre egenskaper ved den.

Regneeksemplet viser hvordan Ohms lov (U = R*I) kan brukes:
Gitt et batteri på 9 V og at vi skal ha 3 lysdioder i serie som hver krever 2,1 V og 0,030 A.

3 lysdioder i serie krever en spenning på 6,3 V (3 x 2,1 V).
Spenningen over motstanden i serie blir 9 V – 6,3 V = 2,7 V
Strømstyrken i seriekoplingen er lik for alle komponentene: 0,030 A
Motstanden må altså begrense eller dempe spenningen 2,7 V. (ellers vil lysdiodene få for høy spenning og vil brenne av etter kort tid.)
Verdien av motstanden beregnes slik:

R = U/I        gir        R = 2,7 V / 0,030 A =  90 V/A  = 90 ohm

Kommentar: 3 lysdioder krever i følge tabellene nedefor 100 ohm, altså litt mer enn hva vi har beregnet. Med de forbehold nevnt først i avsnittet er dette en grei verdi. Litt for høy motstand vil bidra til litt lavere strømstyrke slik at lysdiodene vil lyse umerkelig svakere, men ha lengre levetid.

Med 4,5 V batteri og lysdioder i serie

Antall lysdioder Resistans, ohm Lyser?
1 80100 JA
2 1020 JA
3   NEI

 

Med 9 V batteri og lysdioder i serie

Antall lysdioder Resistans, ohm Lyser?
1 230330 JA
2 160200 JA
3 90100 JA
4 20–30 JA
5   NEI

Regulering med motstander

I en elektronisk krets kan spenningen som batteriet gir, bli for sterk. I vårt prosjekt med vifte kan vifta blåse for sterkt. Det må settes en brems eller demper i kretsen – en motstand. Ønsker vi flere hastigheter, må vi kunne variere spenningen til motoren med flere motstander koplet sammen. Denne sammenkoplingen kan gjøres på, i hovedsak, to måter: seriekopling eller parallellkopling.

Seriekopling

Tegning av kretsen Koplingsskjema med symboler
Seriekopling Seriekopling

For seriekopling gjelder   RT  =  R1  +  R2  +  R3  +  R4  +  … +  Rn
R betyr resultantresistansen (totalmotstanden)
R med indeks betyr resistansen i den enkelte motstanden i koplingen
n betyr antallet motstander

Totalresistansen i en seriekopling blir større når flere motstander koples i serie og den er lik summen av de enkelte resistansene.

Hvis de enkelte motstandene har lik resistans, altså

R1   =    R2     =   R3     = … =   Rn

så blir totalresistansen

RT   =   n · Rn

Eksempel: Er det 4 motstander hvor alle har en verdi på 5 Ω,
blir resultantresistansen  4 · 5 Ω   =   20 Ω

Dette bruker vi på bordvifta til å regulere farten: Jo flere motstander som er koplet i serie, jo større resistans, og jo mindre fart på vifta.

Parallellkopling

Tegning av kretsen Koplingsskjema med symboler
Parallellkopling - tegning av kretsen Parallellkopling - koplingsskjema med symboler

For parallellkopling gjelder   1/RT  =  1/R1   +   1/R2   +   1/R3   + … +  1/Rn
 
Eksempel 1: Med 2 like motstander parallelt

1/RT  =   1/R   +   1/R

1/RT  =   2/R   dvs.   RT  =  R/2

Hvis begge motstandene  er på 50 Ω, blir resultantresistansen på 25 Ω

Eksempel 2: Med 3 like motstander koplet parallelt

1/RT  =   1/R   +   1/R +   1/R

1/RT  =   3/R   dvs.   RT  =  R/3

Hvis 3 motstander er på 50 Ω, blir resultantresistansen på 16,7 Ω.

Talleksemplene viser at resultantresistansen blir lavere om vi kopler flere motstander sammen i en parallellkopling.

NB!  Formelen kan brukes selv om motstandene har ulike verdier.

Dette bruker vi på bordvifta til å regulere farten: Jo flere motstander koplet i parallell, jo lavere resistans og jo større fart på vifta.

Hva blir totalmotstanden? Regneoppgaver for elevene

Her er noen regneoppgaver (for naturfag- og matematikklæreren). Tegn opp koplingen for hver oppgave.

Husk at k betyr kilo = 1000 og at M betyr mega = 1 million = 1 000 000

  1. I en seriekopling er det 3 motstander, 25 Ω, 50 Ω og 75 Ω
  2. I en seriekopling er det 2 motstander: 500 Ω og 1 kΩ
  3. I en seriekopling er det 2 motstander: 500 kΩ og 2 MΩ
  4. I en parallellkopling er 2 motstander begge på 60 Ω
  5. I en parallellkopling er 3 motstander alle på 60 Ω
  6. I en parallellkopling er 4 motstander alle på 60 Ω

    Litt vanskeligere: Tegn koplingsskjema og regn ut resultantresistansen (totalmotstanden) 
  7. I en parallellkopling er 3 motstander der den ene er på 4 Ω og de to andre på 8 Ω hver.
  8. I en parallellkopling er det 3 motstander, 2 er på 50 Ω og en er på 100 Ω.
  9. I en sammensatt kopling er en motstand på 50 Ω koplet i serie med en parallellkopling av to motstand på 25 Ω og 100 Ω.
     
  10. Grubleoppgave: Du har til rådighet bare motstander med verdiene 50 Ω og 60 Ω. Du skal lage en kopling på 70 Ω. Hvor mange motstander av hver type trenger du og hvordan blir koplingen? Tegn koplingsskjema. Er det flere løsninger?

Fasit

  1. 150 Ω
  2. 1500 Ω eller 1,5 kΩ
  3. 2500 kΩ eller 2,5 MΩ
  4. 30 Ω
  5. 20 Ω
  6. 15 Ω
  7. 2 Ω
  8. 20 Ω
  9. 70 Ω
  10. 3 motstander på 60 Ω parallelt, men i serie med 1 på 50 Ω
    ELLER
    5 motstander på 50 Ω parallelt og 1 i serie på 60 Ω.