ELEKTRI JA ELEKTROONIKA ALUSED - Tööstuslikud infovõrgud ja IT turvalisus

Elektrotehnika ja elektroonika alused

Kondensaatori töö alalisvoolu (DC) ahelas
1. Sissejuhatus
2. Põhimõisted
3. Elektromagnetism
4. Elektriskeemid ja nende lugemine
5. Elektriahelate koostamine ja analüüs
6. Alalisvoolu ja vahelduvvoolu vooluringid
- 6.1 Alalisvoolu põhimõtted
- 6.2 Vahelduvvoolu (AC) põhimõtted
7. Pooljuhtseadised ja elektroonika põhialused
8. Digitaalelektroonika põhialused

Peatükk 1: Põhimõisted

1. Sissejuhatus

1.1 Mõisted ja põhialused

Elektrotehnika ja elektroonika ajalugu

Elektrotehnika ja elektroonika arengulugu on tihedalt seotud inimkonna tehnoloogilise edenemisega. Esimesed sammud tehti antiikajal, kui avastati staatiline elekter, kuid tõeline läbimurre toimus alles 18. ja 19. sajandil. Selle perioodi teadlased, nagu Michael Faraday ja André-Marie Ampère, panid aluse elektromagnetismile, mis on elektrotehnika ja elektroonika aluseks. Faraday avastas elektromagnetilise induktsiooni, mis võimaldas arendada elektrigeneraatoreid ja mootoreid, samas kui Ampère kirjeldas elektrivoolude magnetilist mõju, aidates seeläbi mõista elektri ja magnetismi vahelist seost.

Michael Faraday katsetamas elektromagnetilise induktsiooni nähtust
Pildil on kujutatud Faraday kuulsat eksperimenti, kus ta avastas, et muutuv magnetväli võib tekitada elektrivoolu.

James Clerk Maxwelli töö 19. sajandi keskel sidus need avastused ühtseks teoreetiliseks raamistikuks, tuues välja neli põhivõrrandit, mis kirjeldavad elektri ja magnetismi põhilisi seaduspärasusi. Need võrrandid on tänapäevase elektromagnetismi aluseks.

Maxwelli maailm
Maxwelli nelja põhivõrrandid, mis kirjeldavad elektri- ja magnetväljade vahelist suhet.

19. sajandi lõpp tõi kaasa elektrienergia tootmise ja jaotamise tehnoloogiate arengu. Thomas Edison ja Nikola Tesla olid selle perioodi juhtivad figuurid. Edison pooldas alalisvoolu (DC) süsteemi, mis oli sobiv lühikeste vahemaade jaoks, samas kui Tesla tutvustas vahelduvvoolu (AC) süsteemi, mis osutus tõhusamaks elektri edastamisel pikkade vahemaade taha. AC-süsteem on siiani kasutusel kogu maailmas.

Edisoni ja Tesla elektrisüsteemide võrdlus
Skeem näitab alalisvoolu ja vahelduvvoolu süsteemide erinevusi ja kasutusviise.

20. sajandil toimus järgmine suur areng, kui alustati pooljuhttehnoloogiate kasutuselevõttu. Pooljuhtide avastamine ja nende kasutamine transistoride ja integreeritud vooluringide (IC) tootmises viis elektroonika revolutsioonini. See võimaldas arendada kaasaegset arvutustehnikat, telekommunikatsiooni ja palju teisi valdkondi, mis on tänapäeval igapäevaelu lahutamatud osad.

Esimene transistori 23. detsember 1947
Esimene transistor loodi 1947. aastal Bell Laboratoriesis Ameerika Ühendriikides. Selle leiutasid kolm teadlast: John Bardeen, Walter Brattain ja William Shockley. See esimene transistor oli tuntud kui punktkontakttransistor ja see koosnes kahest kullast kontaktist, mis puudutasid kergelt germaaniumist pooljuhti. See seade võimaldas võimendada elektrisignaale, olles esimene samm tänapäeva elektroonika arengus.

Transistori leiutamine tähistas elektroonikatööstuse revolutsiooni, kuna see asendas suured ja ebaefektiivsed vaakumtorud, mida varem kasutati. Transistoride väiksus, töökindlus ja madal energiatarve sillutasid teed kaasaegsetele arvutitele, telekommunikatsiooniseadmetele ja paljudele muudele tehnoloogiatele, mida me täna kasutame.

Valdkonna tähtsus

Elektrotehnika ja elektroonika on tänapäeval ühed kõige olulisemad ja laiemalt levinud inseneriteaduse valdkonnad. Need valdkonnad mõjutavad igapäevaelu laialdaselt – alates elektrivõrkudest, mis toidavad meie kodusid ja tööstust, kuni nutiseadmeteni, mis hoiavad meid ühenduses ja võimaldavad juurdepääsu informatsioonile.

Elektrotehnika hõlmab elektrienergia tootmist, edastamist ja jaotamist. See võimaldab meil kasutada elektrienergiat valgustuseks, kütmiseks ja tööstusprotsesside jaoks.
Elektroonika keskendub elektrisignaalide töötlemisele ja kontrollimisele, olles aluseks kõigile digitaalsetele seadmetele, alates koduelektroonikast ja arvutitest kuni keeruliste juhtimissüsteemideni tööstuses.

Energia tootmine

Energia tootmine ja ülekanne moodustavad aluse kaasaegsele tsivilisatsioonile, võimaldades elektrienergiat jõuda kõikjale, kus seda vajatakse – alates kodudest ja kontoritest kuni suurte tööstuskompleksideni.

Soojus elektrijaam SEJ on elektrijaam, mis kasutab soojusenergiat elektrienergia tootmiseks. Need jaamad põhinevad põhimõttel, et kütuse (nagu kivisüsi, maagaas, nafta või biomass) põletamisel vabanev soojusenergia muundatakse mehaaniliseks energiaks, mida kasutatakse elektrigeneraatori käivitamiseks.

Kuidas soojus elektrijaam töötab?

Kütuse põletamine: Elektrijaama süda on katel, kus kütust põletatakse, et toota kõrgetemperatuurilist kuuma auru. Traditsiooniliselt kasutatakse kütustena kivisütt, maagaasi või naftat, kuid üha rohkem kasutatakse ka taastuvallikaid nagu biomass.
Auru tootmine: Kütuse põletamisel vabanev soojusenergia kasutatakse vee aurustamiseks. Suurtes kateldes kuumutatakse vesi kõrgtemperatuuriliseks auruks, mille rõhk on väga suur.
Auruturbiin: Kuum aur suunatakse auruturbiini, kus see laieneb ja annab oma energia turbiini labadele, pannes turbiini pöörlema. Turbiini pöörlev liikumine muudetakse mehaaniliseks energiaks.
Elektrigeneraator: Turbiini pöörlemine käitab generaatorit, mis muundab mehaanilise energia elektrienergiaks elektromagnetilise induktsiooni abil. Tekkinud elektrienergia suunatakse jaotussüsteemi kaudu tarbijateni.
Aurukondensatsioon ja ringlus: Pärast auruturbiinis kasutamist juhitakse aur läbi kondensaatori, kus see jahutatakse ja muudetakse tagasi veeks. Seejärel suunatakse vesi tagasi katlasse, et alustada uut tsüklit.

Tõhusus ja keskkonnamõju

Soojus elektrijaamade tõhusus on piiratud, kuna osa soojusest kaotatakse süsteemis ja see ei muundu elektrienergiaks. Keskmine soojus elektrijaama tõhusus on umbes 33–40%, kuid see võib olla suurem kombineeritud soojuse ja elektri tootmise süsteemides.

Soojus elektrijaamad on sageli seotud oluliste keskkonnamõjudega. Kütuste põletamisel tekib suur hulk süsinikdioksiidi (CO2) ja muid kasvuhoonegaase, mis aitavad kaasa kliimamuutusele. Samuti võivad tekkida muud saasteained, nagu vääveldioksiid (SO2) ja lämmastikoksiidid (NOx), mis põhjustavad õhusaastet ja happevihmasid.

Tulevikusuunad

Tänu kasvavale keskkonnateadlikkusele ja rahvusvahelistele kliimakokkulepetele otsitakse pidevalt viise, kuidas vähendada soojus elektrijaamade mõju keskkonnale. Selleks kasutatakse:

Tõhusamaid tehnoloogiaid: Arendatakse kõrgemat temperatuuri taluvaid materjale ja uusi protsesse, mis võimaldavad soojus elektrijaamadel töötada kõrgema tõhususega.
CO2 sidumine ja säilitamine (CCS): Tehnoloogiad, mis püüavad kinni ja ladustavad süsinikdioksiidi, et vähendada kasvuhoonegaaside heitmeid.
Üleminek taastuvenergiale: Paljud riigid on hakanud vähendama sõltuvust fossiilkütustel põhinevatest soojus elektrijaamadest ja suurendavad investeeringuid taastuvenergia lahendustesse, nagu tuule- ja päikeseenergia.

Kokkuvõttes mängivad soojus elektrijaamad olulist rolli ülemaailmses elektrienergia tootmises, kuid samas esitatakse neile tõsiseid väljakutseid, mis on seotud nende keskkonnamõjudega ja vajadusega leida kestlikumaid lahendusi.

Olkiluoto tuumaelektrijaam on tuumaelektrijaam

Olkiluoto tuumaelektrijaam on tuumaelektrijaam, mis asub Soomes Rauma lähedal Olkiluoto saarel. 1979. aastal käiku antud jaamas on kolm tuumareaktorit.Pärast kolmanda rektori täisvõimsuse saavutamist 2022. aastal on jaama koguvõimsus 3380 MW. Kolmanda reaktori ehitamine venis 12 ja pool aastat üle kavandatudaja.

Tuumajaam on elektrijaam, mis kasutab tuumaenergia vabastamiseks tuumareaktsioone, tavaliselt tuuma lõhustumist, et toota elektrienergiat. Tuumaenergia on väga võimas energiallikas, mis võimaldab väikese kütusekoguse abil toota suures koguses elektrit.

Tuumajaama tööpõhimõte

Tuumakütus ja tuumareaktsioon:
- Tuumajaamas kasutatakse tavaliselt uraani või plutooniumi isotoope tuumakütusena. Kõige sagedamini kasutatakse uraani-235 isotoopi.
- Tuumareaktsioon algab, kui neutron tabab uraani või plutooniumi aatomituuma, põhjustades selle lõhustumist. Lõhustumisel eraldub suur hulk energiat soojusena ning vabaneb rohkem neutroneid, mis võivad omakorda tabada teisi tuumi, käivitades ahelreaktsiooni.
Soojusenergia tootmine:
- Lõhustumise käigus vabanenud soojusenergia kantakse üle reaktori jahutusvedelikule, mis on tavaliselt vesi. Vesi imab soojuse ja muutub kõrgtemperatuuriliseks auruks.
- Reaktori südamiku ümber olev jahutusvedelik tsirkuleerib pidevalt, hoides reaktori temperatuuri kontrolli all ja kandes soojuse edasi järgmisse etappi.
Auruturbiin:
- Kuum aur, mis on toodetud reaktorist eraldunud soojusega, juhitakse suure surve all auruturbiini.
- Auruturbiin, mis on ühendatud elektrigeneraatoriga, hakkab aururõhu tõttu pöörlema. See pöörlev liikumine muundatakse elektrienergiaks generaatori abil, kasutades elektromagnetilist induktsiooni.
Aurukondensatsioon ja jahutus:
- Pärast turbiinist väljumist suunatakse aur läbi kondensaatori, kus see jahutatakse ja muudetakse tagasi veeks. Kondensaatoris kasutatakse sageli väljastpoolt tulevat jahedat vett, näiteks jõest või jahutustornidest pärit vett.
- Vesi, mis on muudetud tagasi vedelasse olekusse, pumbatakse tagasi reaktorisse, kus tsükkel algab uuesti.
Elektrienergia jaotamine:
- Generaatoris toodetud elektrienergia suunatakse elektrivõrku, kust see jaotatakse tarbijateni – kodudesse, ettevõtetesse ja tööstustesse.

Ohutus ja kontrollsüsteemid

Tuumajaamades on olemas mitmeid ohutussüsteeme, et hoida tuumareaktsioon kontrolli all ja vältida õnnetusi:

Kontrollvardad: Kontrollvardad, mis on valmistatud materjalidest, mis neelavad neutroneid (nt boor või kadmium), kasutatakse tuumareaktsiooni reguleerimiseks. Vajaduse korral saab neid vardaid reaktorisse sisestada, et aeglustada või peatada ahelreaktsioon.
Hädaolukorra jahutussüsteemid: Need süsteemid on loodud tagama reaktori jahutuse ka avariiolukordades, vältides kütuseelementide ülekuumenemist ja võimalikke tuumakatastroofe.
Jahutustornid: Suuremad tuumajaamad kasutavad jahutustorne, et hajutada liigset soojust atmosfääri, vähendades jaama keskkonnamõjusid.

Tuumaenergia eelised ja väljakutsed

Eelised:

Väike kütusekulu: Väikese koguse tuumkütusega saab toota suures koguses energiat.
Väiksemad CO2 heitmed: Tuumaelektrijaamad ei tekita kasvuhoonegaase, mis aitab vähendada kliimamuutuste riske.

Väljakutsed:

Tuumajäätmed: Tuumareaktsiooni tulemusena tekivad radioaktiivsed jäätmed, mis tuleb ohutult ladustada.
Tuumakatastroofi risk: Kuigi väga haruldane, võib tuumaõnnetus põhjustada katastroofilisi tagajärgi nii keskkonnale kui ka inimeludele.
Kõrged alginvesteeringud: Tuumajaamade ehitamine ja hooldamine on äärmiselt kallis ning nõuab pikaajalisi investeeringuid.

Kokkuvõttes on tuumaenergia võimas ja tõhus energiaallikas, kuid sellega kaasnevad tõsised väljakutsed, mis nõuavad hoolikat juhtimist ja põhjalikku ohutust tagavaid meetmeid.

Taastuvenergia jaamad: Tuule-, Päikese- ja Hüdroelektrijaamad

Taastuvenergia jaamad on võtmetähtsusega keskkonnasõbraliku ja kestliku energiatoomise tagamisel. Peamised taastuvenergia jaamad hõlmavad tuuleelektrijaamu, päikeseelektrijaamu ja hüdroelektrijaamu. Igal neist on oma unikaalsed omadused ja tööpõhimõtted, mis muudavad need sobivaks erinevatesse keskkondadesse ja energia tootmise vajadusteks.

Tuuleelektrijaamad

Tuuleelektrijaamad kasutavad tuule kineetilist energiat elektrienergia tootmiseks. Tuuleturbiinid, mis on tavaliselt koondatud tuuleparkidesse, on paigaldatud kohtadesse, kus on püsivad ja tugevad tuuled, näiteks rannikualad ja avameri.

Tööprotsess: Tuuleturbiini labad, mis on kinnitatud rootorile, hakkavad tuule mõjul pöörlema. See mehaaniline liikumine käivitab generaatori, mis muundab tuule kineetilise energia elektrienergiaks.
Kasutusala: Tuuleelektrijaamu kasutatakse laialdaselt piirkondades, kus on soodsad tuuletingimused. Need võivad olla nii maismaal kui ka merel paiknevad tuulepargid.
Väljakutsed: Peamine väljakutse on tuule ebastabiilsus – kui tuult ei ole, ei toimu ka elektritootmist. Samuti võivad tuuleelektrijaamad mõjutada maastikku ja kohalikke ökosüsteeme.

Päikeseelektrijaamad

Päikeseelektrijaamad kasutavad päikesevalgust elektri tootmiseks. Päikesepargid koosnevad suurtest päikesepaneelide väljadest või kontsentreeritud päikeseenergia süsteemidest, mis koondavad päikesevalgust.

Tööprotsess: Päikesepaneelid, mis põhinevad fotogalvaanilisel efektil, muundavad päikesevalguse elektrivooluks. Alternatiivina kasutatakse päikeseenergia kontsentreerimissüsteeme, mis koondavad päikesevalguse väikesele alale, tootes soojust, mis tekitab auru turbiinide käitamiseks.
Kasutusala: Päikeseelektrijaamad on tõhusad piirkondades, kus on palju päikesepaistelisi päevi, näiteks kõrbetes või troopilistes piirkondades. Need võivad olla väikese mahuga kohalikud süsteemid või suured päikesepargid.
Väljakutsed: Päikeseenergia tootmine on piiratud päevavalgusega ja võib olla vähenenud pilves ilmaga. Öösel ei toimu elektritootmist, mistõttu on vaja tõhusaid energiasalvestussüsteeme.

Hüdroelektrijaamad

Hüdroelektrijaamad kasutavad voolava vee liikumist elektri tootmiseks. Need jaamad on tavaliselt ehitatud jõgedele, kus tammi abil juhitakse vee voolu turbiinidele.

Tööprotsess: Tammide abil luuakse veehoidlad, kust juhitakse vett läbi turbiinide. Vee liikumine paneb turbiinid pöörlema, mis omakorda käitab generaatori, tootes elektrienergiat.
Kasutusala: Hüdroelektrijaamad on tõhusad ja usaldusväärsed energiaallikad piirkondades, kus on suurte jõgede süsteemid. Neid kasutatakse peamiselt baseload (põhikoormuse) energia tootmiseks, kuna nad suudavad toota elektrit järjepidevalt.
Väljakutsed: Hüdroelektrijaamad võivad oluliselt mõjutada kohalikke ökosüsteeme, sealhulgas kalade rännet ja elupaiku. Lisaks on nende ehitamine kulukas ja keskkonnale suur koormus, eriti suurte tammide puhul.

Kokkuvõttes on tuule-, päikese- ja hüdroelektrijaamad võtmetähtsusega taastuvenergia lahendused, mis pakuvad puhtamat alternatiivi fossiilkütustel põhinevale elektritootmisele. Kuigi igal jaamatüübil on oma eelised ja väljakutsed, on nende ühiseks eesmärgiks kestliku ja keskkonnasõbraliku elektritootmise tagamine. Nende jaamade laiem kasutuselevõtt on hädavajalik, et täita tulevikus kasvavat energiavajadust ja samal ajal vähendada meie ökoloogilist jalajälge.

Energia tootmine hõlmab protsesse, mille käigus erinevatest energiaallikatest muundatakse energia elektrivooluks. Peamised energiaallikad hõlmavad:

Fossiilkütused (nagu kivisüsi, nafta ja maagaas): Need on traditsioonilised energiaallikad, kus põletamisel vabanev soojusenergia muundatakse elektriks auruturbiinide abil.
Tuumaenergia: Tuumaelektrijaamades kasutatav tehnoloogia põhineb aatomituumade lõhustumisel, mille käigus vabanev soojusenergia kasutatakse vee aurustamiseks ja auruturbiinide käivitamiseks.
Taastuvenergia: Sellised allikad nagu tuule-, päikese- ja hüdroenergia on üha populaarsemad, kuna need on puhtad ja keskkonnasõbralikud. Tuulepargid ja päikesepargid toodavad energiat, muutes tuule või päikesevalguse elektrienergiaks. Hüdroelektrijaamad kasutavad voolavat vett elektri tootmiseks.
Biomass ja geotermiline energia: Need allikad, kuigi vähem levinud, on samuti olulised. Biomassi puhul kasutatakse orgaanilist materjali (nt puiduhake, põllumajanduslikud jäätmed), samas kui geotermiline energia kasutab Maa sisemuses salvestunud soojust.

Energia ülekanne

Pärast energia tootmist tuleb see edastada tootmiskohtadest tarbijateni. Selleks kasutatakse elektrivõrke, mis koosnevad ülekandeliinidest, alajaamadest ja jaotussüsteemidest. Ülekandeliinide kaudu liigub elektrienergia suurtelt elektrijaamadelt alajaamadesse, kus pinge alandatakse sobivale tasemele, et see oleks turvaline ja kasutatav tarbijate poolt.

Tänapäevase elektrivõrgu erinevad komponendid ja nende koostoime.

Ülekandeliinid: Kõrgepingeliinid edastavad elektrienergiat pikki vahemaid, sageli üle kogu riigi või isegi riikide vahel. Need liinid töötavad kõrge pingega (tavaliselt vahemikus 110 kV kuni 765 kV), et vähendada energiakadu.
Alajaamad: Alajaamades alandatakse kõrgepingeline elektrienergia madalamale pingele, et see oleks sobiv jaotamiseks kohalikus elektrivõrgus ja lõpuks tarbijate kasutusse.
Jaotusvõrgud: Jaotusvõrgud viivad energia lõplikult tarbijateni, sealhulgas kodudesse, kontoritesse ja tööstustesse. Siin toimub pinge edasine alandamine, et seadmed ja masinad saaksid elektrienergiat ohutult kasutada.

Eleringi põhivõrgus skeem

Välisalajaama osad ja elemendid: A – ülempingeosa; B – alampingeosa
1 – sisenev kõrgepingeliin; 2 – maandusjuht; 3 – ülempingejaotla; 4 – pingemõõtetrafo; 5 – lahklüliti (lülitamiseks vooluvabas olekus); 6 – võimsuslüliti (koormusvoolulülitamiseks); 7 – voolumõõtetrafo; 8 – piksekaitse; 9 – jõutrafo; 10 – juhtimiskeskus; 11 – turvatara; 12 – väljuvad alampingeliinid (alampingejaotla)

Väljakutsed ja tulevikutrendid

Energia tootmine ja ülekanne seisavad silmitsi mitmete väljakutsetega, sealhulgas vananev taristu, kasvav energiavajadus ning keskkonnakaitse ja kestlikkuse küsimused. Samal ajal on käimas revolutsioonilised muudatused, nagu nutikad elektrivõrgud, mis kasutavad infotehnoloogiat ja andmeanalüüsi energiakasutuse optimeerimiseks ning taastuvenergiaallikate suurem integreerimine, et vähendada sõltuvust fossiilkütustest.

Tuleviku energiasüsteemid muutuvad tõenäoliselt üha hajutatumaks, kus väiksemad tootmisüksused (nt kodused päikesepaneelid ja kohalikud tuulegeneraatorid) mängivad suuremat rolli ning energiasalvestustehnoloogiad (nt akud) aitavad stabiliseerida elektrivõrke ja tagada katkematu energiatootmise ka siis, kui taastuvenergia allikad ei ole kättesaadavad.

Kokkuvõttes on energia tootmine ja ülekanne kriitilise tähtsusega, tagades elektrienergia kättesaadavuse ja usaldusväärsuse tänapäeva maailmas ning kujundades meie tulevikku puhtama ja jätkusuutlikuma energiamajanduse suunas.

Rakendusalad

Elektrotehnika ja elektroonika rakendusvaldkonnad on väga laiad. Siin on mõned olulisemad näited:

Energeetika: Elektrivõrkude projekteerimine ja haldamine, taastuvenergia lahenduste arendamine, energia salvestamise tehnoloogiad.
Telekommunikatsioon: Juhtmevabad sidelahendused, mobiilsidevõrgud, interneti infrastruktuur, satelliitside.
Arvutustehnika: Mikroprotsessorid, andmetöötlussüsteemid, pilvearvutus.
Meditsiin: Meditsiiniseadmete ja -instrumentide arendamine, näiteks EKG-aparaadid ja meditsiinilised pildistamisseadmed.
Autotööstus: Elektriautode jõuelektroonika, nutikad juhtimissüsteemid, ohutusseadmed.
Kosmosetehnika: Satelliitide juhtimissüsteemid, kosmosesondid, Maa kaugseire süsteemid.

Rakendusalade näited
Skeemid, mis illustreerivad elektrotehnika ja elektroonika erinevate rakendusalade näiteid, nagu energiatootmine, telekommunikatsioon ja meditsiin.

1.2 Õppe-eesmärgid

Kursuse eesmärk on pakkuda õpilastele tugevat alust elektrotehnika ja elektroonika põhiprintsiipides, mis on vajalikud edasiseks õppimiseks ja praktiliseks tööks nendes valdkondades. Kursuse lõpuks peaksid õpilased olema suutnud:

Mõista elektri põhialuseid ja komponente:
- Selgitada elektrivoolu, pinge ja takistuse põhiprintsiipe.Erinevuste ja rakenduste mõistmine alalisvoolu ja vahelduvvoolu vahel.
- Kasutada Ohmi seadust voolu, pinge ja takistuse arvutamiseks lihtsates vooluringides.
- Omandada elektrotehnika oluliste terminite ja seaduste põhjalik arusaam, sealhulgas:
  - Coulomb’i seadus, mis kirjeldab laetud osakeste vastastikust mõju,
  - Kirchhoffi seadused, mis reguleerivad voolude ja pingete jaotust vooluringides,
  - Joule-Lenzi seadus, mis selgitab elektrivoolu kaudu eralduvat soojust.
  - Neid teadmisi rakendatakse elektriahelate analüüsimisel ja lahendamisel, et mõista voolu ja pinge jaotust erinevates komponentides ja ahelates.
- Tuvastada elektriskeemides kasutatavaid sümboleid, nagu takistid, kondensaatorid, dioodid ja transistorid.
- Koostada ning analüüsida lihtsaid vooluringe, kasutades elektriskeeme ja vastavaid komponente.
Lugeda ja koostada lihtsaid elektriskeeme:
- Tunda ära elektriskeemi sümboleid, nagu takistid, kondensaatorid, dioodid ja transistorid.
- Koostada ja analüüsida lihtsaid vooluringe, kasutades elektriskeeme.
Mõista pooljuhtide ja elektroonika põhialuseid:
- Kirjeldada pooljuhtide tööpõhimõtteid ja nende rolli elektroonikas.
- Tunda ja selgitada dioodide, transistoride ja teiste pooljuhtseadmete tööd ja rakendusi.
Töötada laboriseadmete ja mõõteriistadega:
- Kasutada ohutult ja tõhusalt multimeetreid, osillograafe ja teisi mõõtevahendeid.
- Teha praktilisi katseid, et kontrollida ja kinnitada teoreetilisi teadmisi.
Analüüsida ja lahendada praktilisi probleeme:
- Rakendada kursusel omandatud teadmisi reaalsete probleemide lahendamiseks.
- Analüüsida vooluringide tööd ja tuvastada võimalikke probleeme.
Mõista kaasaegse elektroonika rakendusi:
- Tunda ära elektroonika põhilised rakendused erinevates tööstus- ja tarbijaseadmetes.
- Mõista elektroonika rolli tulevikutehnoloogiates, nagu IoT, nutikad võrgud ja tehisintellektiga süsteemid.

Need õppe-eesmärgid on suunatud selleks, et õpilased saaksid omandada vajalikud teadmised ja oskused, mis võimaldavad neil edukalt osaleda edasises õppes või tööelus elektrotehnika ja elektroonika valdkonnas.

2. Põhimõisted

Selles peatükis käsitletakse elektrotehnika ja elektroonika kolme olulist põhimõistet: elektrivoolu, pinget ja takistust. Samuti käsitletakse Ohmi seadust, mis seob need kolm mõistet omavahel ja on aluseks elektriliste vooluringide analüüsile.

2.1 Elektrivool

Definitsioon:
Elektrivool on laetud osakeste (peamiselt elektronide) liikumine juhtmes või muus juhtivas keskkonnas. Elektrivool tekib, kui laetud osakesed liiguvad ühes suunas, mida põhjustab pinge. Elektrivoolu tugevust mõõdetakse amprites (A), mis näitab, kui palju laengut (kulonites, C) läbib juhti teatud ajaühikus (sekundites, s).

Tähis ja ühik:

Tähis: I
Ühik: Amper (A)

Matemaatiline seos:

$I = \frac{Q}{t}$

kus:

I on voolutugevus, mõõdetakse amprites (A),
Q on laeng, mõõdetakse kulonites (C),
t on aeg, mille jooksul see laeng juhti läbib, mõõdetakse sekundites (s).

2.2 Pinge

Pinge on elektriväli, mis paneb laetud osakesed liikuma juhtmes. See tekib, kui juhtme kahe punkti vahel on potentsiaalne erinevus. Pinge mõõdetakse voltides (V) ja tähistatakse U või V. Matemaatiliselt seostub pinge tööga (W) ja laenguga (Q) järgmise valemiga:

Pinge valem:

$U = \frac{W}{Q}$

Kus:

U on pinge voltides (V),
W on töö džaulides (J),
Q on laeng kulonites (C).

Ilma pingeta ei saa elektrivool juhtmes liikuda, sest just pinge tekitab voolu. Mjau!

2.3 Takistus

Definitsioon:
Takistus on omadus, mis piirab voolu läbimist juhtmes või komponendis. Takistus tekib seetõttu, et juhtme sees olevad aatomid takistavad elektronide liikumist. Takistust mõõdetakse oomides (Ω) ja see sõltub materjali tüübist, juhtme pikkusest ja ristlõike pindalast.

Tähis ja ühik:

Tähis: R
Ühik: Oom (Ω)

Matemaatiline seos:

$R = \frac{U}{I}$

kus:

R on takistus, mõõdetakse oomides (Ω),
U on pinge, mõõdetakse voltides (V),
I on voolutugevus, mõõdetakse amprites (A).

Juhi takistuse arvutamine on oluline osa elektriahela analüüsist. Takistust mõõdetakse oomides (Ω) ja see sõltub juhi pikkusest, ristlõikepindalast, materjalist ning temperatuurist. Juhi takistust saab arvutada järgmise valemi abil:

Takistuse valem:

$R = \rho \times \frac{L}{A}$

Kus:

R on juhi takistus (oomides, Ω),
ρ (rho) on materjali eritakistus ehk spetsiifiline takistus (oom-meetrites, Ω·m),
L on juhi pikkus (meetrites, m),
A on juhi ristlõikepindala (ruutmeetrites, m²).

Eritakistus (ρ):

Eritakistus on materjali omadus ja see näitab, kui palju takistab materjal elektrivoolu liikumist. Eritakistus sõltub materjalist ja temperatuurist. Näiteks vask on hea juht ja selle eritakistus on väiksem kui raual või alumiiniumil.

Ristlõikepindala (A):

Juhi ristlõikepindala on pindala, mis on risti voolu liikumise suunaga. Tavaliselt on juhtmed silindrilise kujuga, nii et ristlõikepindala saab arvutada valemiga:

$A = \pi \times r^2$

Kus:

r on juhi raadius (meetrites).

Kui juhi läbimõõt (d) on teada, siis:

$A = \frac{\pi \times d^2}{4}$

Näide:

Oletame, et teil on 10 meetri pikkune vaskjuhe, mille läbimõõt on 2 mm (0,002 m). Vaskjuhtme eritakistus on umbes 1,68 × 10⁻⁸ Ω·m.

Arvutage ristlõikepindala:
$A = \frac{\pi \times (0,002 m)^2}{4} = 3,14 \times 10^{-6} m^2$
Arvutage takistus:
$R = 1,68 \times 10^{-8} \times \frac{10 m}{3,14 \times 10^{-6} m^2} = 0,0535 \Omega$

Selle valemi abil saate arvutada takistuse mis tahes juhtiva materjali puhul, kui materjali eritakistus ja juhi geomeetrilised omadused on teada.

2.4 Ohmi seadus

Seaduse sõnastus:
Ohmi seadus seob omavahel pinge (U), voolutugevuse (I) ja takistuse (R) elektrilises vooluringis. Seaduse kohaselt on voolutugevus juhtmes võrdeline pinge suurusega ja pöördvõrdeline takistuse suurusega.

Matemaatiline väljend:

$I = \frac{U}{R}$

$U = I \times R$

$R = \frac{U}{I}$

kus:

I on voolutugevus (A),
U on pinge (V),
R on takistus (Ω).

Rakendused:

Voolu arvutamine: Kui on teada pinge ja takistus, saab Ohmi seaduse abil arvutada voolutugevuse vooluringis.
$I = \frac{U}{R}$
Pinge arvutamine: Kui on teada voolutugevus ja takistus, saab arvutada pinge.
$U = I \times R$
Takistuse arvutamine: Kui on teada pinge ja voolutugevus, saab arvutada takistuse.
$R = \frac{U}{I}$

Näide:
Oletame, et vooluringis on takisti, mille takistus on 4 Ω, ja sellele rakendatakse 12 V pinget. Voolutugevuse leidmiseks kasutame Ohmi seadust:

$I = \frac{12\ \text{V}}{4\ \text{Ω}} = 3\ \text{A}$

See tähendab, et voolutugevus juhis on 3 amprit.

Ohmi seadus on fundamentaalne tööriist elektriliste vooluringide analüüsis ja disainis, võimaldades inseneridel ja tehnikutel arvutada ja planeerida, kuidas erinevad elektrilised komponendid koos töötavad.

Elektriahelate lahendamine ja põhiseadused

Selles peatükis käsitleme elektrotehnika olulisi põhiseadusi, nagu Coulomb’i seadus, Kirchhoffi seadused ja Joule-Lenzi seadus, mis on kriitilise tähtsusega elektriahelate analüüsimisel ja lahendamisel. Esitame need seadused üksikasjalikult koos näidetega, et selgitada, kuidas neid seadusi praktikas rakendada.

2.5. Coulomb’i seadus

Seaduse sõnastus:
Coulomb’i seadus kirjeldab jõudu, mis toimib kahe laetud keha vahel. Jõud on võrdeline laengute suurusega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga. Seda seadust kasutatakse laetud osakeste vahelise elektrilise jõu arvutamiseks.

Matemaatiline seos:

$F = k \cdot \frac{q_1 \cdot q_2}{r^2}$

kus:

F on jõud, mõõdetakse newtonites (N),
k on Coulomb’i konstant
$((8.99 \times 10^9 \, \text{N} \cdot \text{m}^2 / \text{C}^2))$
,
q₁ ja q₂ on laengud kulonites (C),
r on laengutevaheline kaugus meetrites (m).

https://en.wikipedia.org/wiki/Coulomb%27s_law

Näide:
Kaks punkti laengut,

$(q_1 = 2 \, \text{C}) ja (q_2 = -3 \, \text{C})$

, paiknevad 1 meetri kaugusel teineteisest. Leiame nende laengute vahelise jõu.

$F = (8.99 \times 10^9) \cdot \frac{(2)(-3)}{1^2} = -53.94 \times 10^9 \, \text{N}$

Tulemus on

$(-53.94 \times 10^9 \, \text{N})$

mis tähendab, et jõud on tõmbav, kuna ühe laengu märgiks on positiivne ja teise oma negatiivne.

Rakendused:

Coulomb’i seadust kasutatakse laetud kehade vaheliste jõudude arvutamiseks, näiteks füüsikas või inseneriteadustes, et arvutada elektromagnetiliste komponentide mõju.

2.6. Kirchhoffi seadused

Kirchhoffi seadused on elektrivoolude ja pingete jaotumise kohta elektrivooluringides kehtivad kaks olulist reeglit. Need seadused aitavad lahendada keerukamaid vooluringe, kus on mitu hargnemist ja mitmesuguseid komponente.

Kirchhoffi vooluseadus (KVS)

Seaduse sõnastus:
Kirchhoffi vooluseadus (I seadus) ütleb, et voolude summa igas vooluringi hargnemiskohas on null. See tähendab, et kõikide sisenevate voolude summa peab olema võrdne väljuvate voolude summaga.

Matemaatiline seos:

$\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$

Näide:
Vaadake vooluringi, kus vooluallikas jagab voolu kolmeks haruks. Hargnemiskohal on sisenev vool

$(I_1 = 10 \, \text{A})$

ja väljuvad voolud on

$(I_2 = 4 \, \text{A}) ja (I_3 = 5 \, \text{A})$

Leiame kolmanda haru voolu (I_4).

$I_1 = I_2 + I_3 + I_4$

$10 \, \text{A} = 4 \, \text{A} + 5 \, \text{A} + I_4$

$I_4 = 1 \, \text{A}$

Seega on kolmanda haru vool

$(1 \, \text{A})$

Rakendused:

Kirchhoffi vooluseadust kasutatakse hargnenud vooluringide arvutamiseks, näiteks vooluahelate tasakaalu ja koormusjaotuse leidmisel.

Ülesanne – Kirchhoffi I seadus

Olgu ülesandeks leida joonisel toodud ahela voolutugevused $i_{1}$ , $i_{2}$ ning $i_{3}$ . Olgu $R_{1}=2\,\Omega$ , $R_{2}=5\,\Omega$ , $R_{3}=20\,\Omega$ ning pingeallika Vs pinge $U_{s}=12\,{\text{V}}$ . Kasutame ülesande lahendamiseks Kirchhoffi esimest seadust.

Vool läbib ahelat kahte kontuuri pidi – läbi takistite $R_{1}$ ja $R_{2}$ ning läbi takistite $R_{1}$ ja $R_{3}$ . Sõlme A siseneb vool ühest rajast ning väljub kahest rajast, seega vastavalt esimesele seadusele saame kirjutada voolude algebralise summa järgmiselt: $i_{1}+(-i_{2})+(-i_{3})=0\Rightarrow i_{1}=i_{2}+i_{3}$ .

Kirchhoffi teise seaduse kohaselt on kontuuri läbivate pingelangude summa võrdne nulliga. Et antud skeemis on pingeallikast lähtuvalt kaks kontuuri, saame kirjutada: $U_{s}+(-U_{R1})+(-U_{R2})=0$ ning $U_{s}+(-U_{R1})+(-U_{R3})=0$ .

Koostame võrrandisüsteemi ${\begin{cases}U_{s}=i_{1}R_{1}+i_{2}R_{2}\\U_{s}=i_{1}R_{1}+i_{3}R_{3}\\i_{3}=i_{1}+i_{2}\end{cases}}$ ehk ${\begin{cases}12\,{\text{V}}=i_{1}2\,\Omega +i_{2}5\,\Omega \\12\,{\text{V}}=i_{1}2\,\Omega +i_{3}20\,\Omega \\i_{3}=i_{1}+i_{2}\end{cases}}$ .

Seda võrrandisüsteemi lahendades saame ${\begin{cases}i_{1}=2\,{\text{A}}\\i_{2}={8 \over 5}\,{\text{A}}\\i_{3}={2 \over 5}\,{\text{A}}\end{cases}}$ .

Kontrollime vastavust Kirchhoffi esimesele seadusele: $i_{1}=i_{2}+i_{3}={8 \over 5}\,{\text{A}}+{2 \over 5}\,{\text{A}}=2\,{\text{A}}=i_{1}$

Ülesanne võetud: https://et.wikipedia.org/wiki/Kirchhoffi_seadused

Kirchhoffi pingeseadus (KPS)

Seaduse sõnastus:
Kirchhoffi pingeseadus (II seadus) ütleb, et suletud vooluringis on kõigi pingelangude summa võrdne pingeallikate summaga. See tähendab, et vooluringi igas suletud silmuses peab kogu pingete summa olema null.

Matemaatiline seos:

$\sum U = 0$

Näide:
Vaatame suletud vooluringi, kus pingeallikas annab $(12 \, \text{V})$ ja vooluringis on kaks takistit:

$(R_1 = 4 \, \Omega) ja (R_2 = 2 \, \Omega)$

Leiame voolu vooluringis.

Kasutame Ohmi seadust:

$U = I \times R$

Pingeallikas annab kokku
$(12 \, \text{V})$
.
Pingelangud on:
$(U_1 = I \times 4 \, \Omega) ja (U_2 = I \times 2 \, \Omega)$
.

Vooluringis peab pinge olema tasakaalus:

$12 = (I \times 4) + (I \times 2)$

$12 = 6I$

$I = 2 \, \text{A}$

Seega on vool vooluringis $(2 \, \text{A})$ .

Rakendused:

Kirchhoffi pingeseadust kasutatakse vooluringide analüüsimiseks ja pingejaotuste leidmiseks keerukates elektrivõrkudes, näiteks arvuti toiteplokkides ja auto elektrisüsteemides.

Ülesanne Kirchhoffi II seadus

Olgu ülesandeks leida pingelangud joonisel toodud skeemi takistitel $R_{1}$ ning $R_{2}$ . Olgu $R_{1}=10\,\Omega$ , $R_{2}=30\,\Omega$ ning pingeallika Vs pinge $U_{s}=12\,{\text{V}}$ . Pingeallikaga on jadamisi ühendatud kaks takistit. Need elemendid kokku moodustavad Kirchhoffi teises seaduses käsitletava kontuuri. Seaduse rakendamiseks tuleb esmalt kokku leppida voolu suund kontuuris. Klassikalise käsitluse järgi liiguvad laengud pingeallika positiivselt klemmilt negatiivsele klemmile. Seega kulgeb kokkuleppeliselt vool joonisel päripäeva. On oluline märkida, et Kirchhoffi teine seadus annaks sama arvutustulemuse ka teistpidi ehk vastupäeva kulgeva voolu puhul. Oluline on kord kokku lepitud suunast arvutuste käigus kinni pidada.

Edasi lepitakse kokku, et takistil tekib voolu liikumise suunas pingelang, ehk takisti ühel pool (pingeallika positiivsele klemmile lähemal) on pinge kõrgem kui teisel. Sama kokkulepe kehtib kõikidele kontuuris olevatele takistitele. Jällegi, seadus töötab ka vastupidise kokkuleppe korral.

Nüüd on ülesande lahendamiseks kõik suurused teada ja kokkulepped joonisele 2 kantud. Lähtudes definitsioonist $\Sigma U=0$ saame kirjutada $U_{s}+(-U_{R1})+(-U_{R2})=0$ .

Kirjutame eelmise seose lähtudes Oomi seadusest järgmiselt $U_{s}+(-IR_{1})+(-IR_{2})=0\Rightarrow I={U_{s} \over R_{1}+R_{2}}$ .

Selle võrrandi lahendamiseks on kõik suurused teada, seega $I={12\,{\text{V}} \over 10\,\Omega +30\,\Omega }={12\,{\text{V}} \over 40\,\Omega }=0,3\,{\text{A}}$ .

Teades kontuuri läbivat voolu, saame arvutada pingelangud: $U_{R1}=U_{s}-U_{R2}=U_{s}-IR_{2}=12\,{\text{V}}-0,3\,{\text{A}}\cdot 30\,\Omega =3\,{\text{V}}$ ning $U_{R2}=U_{s}-U_{R1}=12\,{\text{V}}-3\,{\text{V}}=9\,{\text{V}}$ .

Kontrollime vastavust Kirchhoffi teisele seadusele: $U_{s}-U_{R1}-U_{R2}=12\,{\text{V}}-3\,{\text{V}}-9\,{\text{V}}=0$ .

Ülesanne võetud: https://et.wikipedia.org/wiki/Kirchhoffi_seadused

2.7. Joule-Lenzi seadus

Seaduse sõnastus:
Joule-Lenzi seadus ütleb, et elektrivoolu käigus arenev soojusenergia on võrdeline voolutugevuse ruudu, takistuse ja ajaga, mille jooksul vool läbi takisti läbib.

Matemaatiline seos:

$Q = I^2 \cdot R \cdot t$

kus:

Q on soojushulk, mõõdetakse džaulides (J),
I on voolutugevus amprites (A),
R on takistus oomides $(\Omega)$ ,
t on aeg sekundites (s).

Näide:
Oletame, et elektriline soojenduskeha töötab voolutugevusega $(5 \, \text{A})$ , ja selle takistus on $(10 \, \Omega)$ . Arvutame, kui palju soojust eraldub (60) sekundi jooksul.

$Q = (5 \, \text{A})^2 \cdot 10 \, \Omega \cdot 60 \, \text{s}$

$Q = 25 \cdot 10 \cdot 60$

$Q = 15 000 \, \text{J}$

Seega eraldub soojenduskehas (15 000) džauli soojust.

Rakendused:

Joule-Lenzi seadust kasutatakse elektriliste kütteseadmete disainimisel ja soojuskao arvutamisel elektrijuhtmetes ning seadmete ohutuse tagamisel.

See peatükk annab ülevaate Coulomb’i, Kirchhoffi ja Joule-Lenzi seadustest ning selgitab, kuidas neid kasutada elektrivooluringide analüüsimisel ja lahendamisel. Seaduste rakenduste mõistmine aitab õpilastel lahendada praktilisi ülesandeid ja töötada välja tõhusaid elektriahelaid.

2.8. Võimsus

Võimsuse arvutamine alalisvoolu (DC) ja vahelduvvoolu (AC) korral toimub erinevate meetoditega, kuna nende voolutüüpide omadused on erinevad. Allpool on selgitatud, kuidas võimsust arvutada mõlemas voolutüübis.

Alalisvool (DC)

Alalisvoolus on pinge ja vool konstantne, seega võimsuse arvutamine on suhteliselt lihtne.

Valem:

$P = U \times I$

Kus:

P on võimsus (vattides, W),
U on pinge (voldis, V),
I on voolutugevus (amprites, A).

Näide:

Kui teil on alalisvooluahel, kus pinge on 12 V ja voolutugevus 2 A, siis võimsus on:

$P = 12 V \times 2 A = 24 W$

3. Elektromagnetism

Elektromagnetism on füüsika haru, mis uurib elektrivoolu ja magnetvälja omavahelist seost. See on elektrotehnika ja elektroonika keskne osa, sest paljud seadmed ja tehnoloogiad põhinevad elektromagnetilistel põhimõtetel. Selles peatükis käsitleme magnetvälja ja elektrivoolu vahelist suhet, sealhulgas Lorentzi jõudu ja elektromagnetilist induktsiooni, ning arutame transformaatorite tööpõhimõtteid ja nende rakendusi.

3.1 Magnetvälja ja elektrivoolu suhe

Magnetväli ja elektrivool:
Kui elektrivool liigub läbi juhi (näiteks traadi), tekitab see enda ümber magnetvälja. See magnetväli ümbritseb juhti kontsentriliste rõngastena, mille suund sõltub voolu suunast. Seda nähtust kirjeldab Ampère’i seadus.

Lorentzi jõud:
Lorentzi jõud on jõud, mida magnetväli avaldab liikuvale laetud osakesele, näiteks elektronile. Kui laetud osake liigub läbi magnetvälja, mõjub sellele jõud, mis on risti nii magnetvälja suuna kui ka osakese liikumise suunaga. Lorentzi jõud on oluline mõiste elektromagnetilistes seadmetes, nagu elektrimootorid ja generaatorid.

Matemaatiline seos:
Lorentzi jõud (F) on määratud järgmise valemiga:

$\mathbf{F} = q \cdot (\mathbf{v} \times \mathbf{B})$

kus:

F on jõud, mõõdetakse newtonites (N),
q on osakese laeng, mõõdetakse kulonites (C),
v on osakese kiirus, mõõdetakse meetrites sekundis (m/s),
B on magnetvälja induktsioon, mõõdetakse teslades (T),
× sümbol tähistab vektorkorrutist, mis tähendab, et jõud on risti nii osakese liikumise kui ka magnetvälja suunaga.

Elektromagnetiline induktsioon:
Elektromagnetiline induktsioon on protsess, mille käigus muutuva magnetvälja mõjul tekib juhtmes elektrivool. Seda nähtust kirjeldab Faraday seadus, mis ütleb, et ajas muutuv magnetväli tekitab elektrivälja, mis indutseerib elektrivoolu juhtmes.

Matemaatiline seos:
Faraday elektromagnetilise induktsiooni seadus:

$\mathcal{E} = - \frac{d\Phi_B}{dt}$

kus:

$(\mathcal{E})$ on indutseeritud elektromotoorjõud (emj), mõõdetakse voltides (V),
$(\Phi_B)$ on magnetvoog, mõõdetakse veebrites $(Wb)$ ,
t on aeg, mõõdetakse sekundites (s).

Magnetvoog $(\Phi_B)$ on defineeritud kui magnetvälja tugevuse (B) ja pindala (A), mille kaudu väli läbib, korrutis:

$\Phi_B = B \cdot A \cdot \cos\theta$

kus:

B on magnetvälja induktsioon, mõõdetakse teslades (T),
A on pindala, mille kaudu magnetväli läbib, mõõdetakse ruutmeetrites (m²),
$(\theta)$ on nurk magnetvälja ja pinna normaali vahel.

Parema ja vasaku käe reeglid on visuaalsed meetodid elektri- ja magnetväljade mõjude suuna määramiseks. Need on olulised elektromagnetismi mõistmiseks ja rakendamiseks erinevates tehnoloogiates.

Õppematerjal Gümnaasiumi füüsikast: Parema ja Vasaku Käe Reeglid

1. Sissejuhatus

Eesmärk: Tutvustada parema ja vasaku käe reeglite põhimõtteid ja nende rakendusi elektromagnetismis.
Taust: Elektrivool läbi juhtme tekitab selle ümber magnetvälja. Laetud osakese liikumine magnetväljas tekitab jõu, mis mõjutab osakese trajektoori.

2. Parema Käe Reegel

Kirjeldus: Kasutatakse magnetvälja suuna määramiseks, mis on tekitatud elektrivoolu poolt, või jõu suuna määramiseks, mis mõjub laetud osakesele.
Praktika:
- Magnetvälja suund: Siruta parema käe sõrmed välja ja suuna pöial voolu suunas läbi juhtme. Ülejäänud sõrmed näitavad magnetvälja suunda ümber juhtme.
- Jõud laetud osakesele: Kui positiiivne laeng liigub magnetväljas, suuna pöial voolu (liikumise) suunas, peopesa magnetvälja suunas ja sõrmed näitavad jõu suunda.

Parema käe reegel annab vooluga juhtme magnetvälja suuna

Parema käe reegel annab vooluga juhtme magnetvälja suuna. (a) Joonisel 29-2 kujutatud situatsioon külgvaates. Magnetväli →B suvalises juhtmest vasakul asetsevas punktis on risti radiaalse punktiirjoonega ja suunatud lehekülje tasandi sisse sõrmedega näidatud suunas, mida näitab ka tähis ×. (b) Kui muuta voolu suund vastupidiseks, siis on magnetväli →B suvalises juhtmest vasakul asetsevas punktis ikka suunatud risti radiaalse punktiirjoonega, kuid nüüd on see suunaga lehekülje tasandist välja, mida näitab ka tähis. (https://opik4.fyysika.ee/index.php/book/section/13308)

3. Vasaku Käe Reegel

Kirjeldus: Kasutatakse mootoriefekti kirjeldamiseks, kus elektrivool ja magnetväli koosmõjul tekitavad jõu.
Praktika:
- Aseta vasak käsi nii, et sõrmed osutavad magnetvälja suunas ja peopesa voolu suunas. Pöial näitab seejärel jõu suunda, mis mõjub juhtmele või laetud osakesele.

Joonisel on kujutatud kahte magnetit ja nende vahele asetatud vooluga juhtmelõiku. Veendu, et juhtmelõigule mõjuv magnetjõud on just selline, nagu joonisel kujutatud.

Lahendus

Joonis 2.14. Vasaku käe reegel magnetväljas juhtmelõigule mõjuva jõu suuna määramiseks.

Joonisel on kujutatud ühe magneti põhjapoolus ja teise magneti lõunapoolus. Magnetvälja jõujoonte suund on järelikult ülevalt alla (põhjapooluselt lõunapoolusele). Juhtmelõik on magnetväljaga risti. Voolu suund on tähistatud ristiga juhtme ristlõik (https://opik4.fyysika.ee/index.php/book/section/13308).

4. Rakendused ja näited

Elektrimootorid: Selgitatakse, kuidas elektrimootorid kasutavad vasaku käe reeglit pöörlemisjõu tekitamiseks.
Generaatorid: Tutvustatakse, kuidas generaatorid kasutavad parema käe reeglit elektri tootmiseks mehaanilisest liikumisest.

5. Harjutused ja Katsetused

Virtuaalne simulatsioon: Kasutajad saavad virtuaalselt simuleerida erinevaid stsenaariume, kus rakendatakse mõlemat käe reeglit.
Füüsilised katsetused: Juhendid lihtsate katsete jaoks, mida saab läbi viia kodus või klassiruumis, et demonstreerida käe reeglite mõjusid.

6. Kokkuvõte

Ülevaade õpitu olulisusest ja kuidas parema ja vasaku käe reegleid saab rakendada praktilistes olukordades tehnoloogia ja inseneriteaduste valdkonnas.

Selline struktureeritud lähenemine aitab õppijatel paremini mõista ja meelde jätta parema ja vasaku käe reeglite teoreetilisi aluseid ning praktikat.

3.2 Transformaatorid ja nende tööpõhimõte

Transformaatorite tööpõhimõte:
Trafo on seade, mis muundab vahelduvvoolu pinge ühest väärtusest teise, kasutades elektromagnetilise induktsiooni põhimõtet. Trafo koosneb kahest või enamast mähisest (esmane ja sekundaarne mähis), mis on paigutatud ümber ühise raudtuuma. Kui esmasele mähisele rakendatakse vahelduvvool, tekitab see muutuva magnetvälja, mis indutseerib pinge sekundaarse mähise kaudu.

Põhikomponendid:

Primaarne mähis: Mähis, millele rakendatakse esialgne pinge.
Sekundaarne mähis: Mähis, milles indutseeritakse pinge läbi elektromagnetilise induktsiooni.
Raudtuum: Suunab magnetvoo läbi mähiste, suurendades induktsiooni efektiivsust.

Matemaatiline seos:
Transformaatori tööpõhimõtet kirjeldab järgnev valem, mis seob primaarse ja sekundaarse mähise pinged ning pöördeteguri:

$\frac{U_s}{U_p} = \frac{N_s}{N_p}$

kus:

$(U_p)$ on primaarse mähise pinge, mõõdetakse voltides $(V)$ ,
$(U_s)$ on sekundaarse mähise pinge, mõõdetakse voltides $(V)$ ,
$(N_p)$ on primaarse mähise keerdude arv,
$(N_s)$ on sekundaarse mähise keerdude arv.

See tähendab, et pinge suhe on võrdeline mähiste keerdude arvuga. Kui sekundaarse mähise keerdude arv on suurem kui primaarse mähise oma, siis trafo suurendab pinget; vastasel juhul vähendab pinget.

Trafo tüübid:

Tõstetrafo (Step-up transformer):

Suurendab pinget esmase mähise madalast pingest kõrgemale pingele.
Kasutatakse elektrienergia ülekandmisel pikkade vahemaade taha.

Langetustrafo (Step-down transformer):

Vähendab pinget kõrgemalt väärtuselt madalamale.
Kasutatakse kodumajapidamistes ja tööstuses, et viia kõrge pinge elektrivõrgust madalamale kasutamiseks ohutule tasemele.

Isolatsioonitrafo:

Ülekanne toimub sama pingetaseme juures, kuid eraldab vooluahelaid elektriliselt.
Kasutatakse ohutuse tagamiseks ja häirete vähendamiseks.

Kasutusalad:

Elektrienergia ülekandmine: Trafo suurendab pinge elektrijaamades, et vähendada kaod elektrienergia ülekandmisel pikkade vahemaade taha. Sihtkohas langetatakse pinge tagasi tarbimiseks sobivale tasemele.
Elektroonikaseadmed: Paljud elektroonikaseadmed kasutavad transformaatoreid toiteallikatena, et muundada vahelduvvoolu pinge vajalikule tasemele.
Tööstuslikud rakendused: Trafo võimaldab juhtida erinevaid pingeid tööstuslikes seadmetes ja masinates.

Elektromagnetism on laiapõhjaline teadusharu, mis hõlmab elektri ja magnetismi vastastikmõjusid. Lorentzi jõud ja elektromagnetiline induktsioon on kaks peamist fenomeni, mis juhivad elektrivoolu ja magnetvälja vahelist seost. Trafo on praktiline seade, mis kasutab neid põhimõtteid elektrienergia tõhusaks ülekandmiseks ja muundamiseks. Nende kontseptsioonide mõistmine on oluline elektrotehnika ja elektroonika alal edasijõudmiseks ja rakenduste arendamiseks.

4. Elektriskeemid ja nende lugemine

Elektriskeemid on graafilised esitlused, mis näitavad, kuidas elektrilised komponendid on ühendatud vooluringis. Skeemide lugemine ja koostamine on elektrotehnika ja elektroonika alal põhioskuseks. Selles peatükis käsitleme erinevaid elektriskeemi sümboleid ja nende tähistusi ning selgitame lihtsate vooluringide koostamist ja lugemist.

4.1 Elektriskeemi sümbolid

Elektriskeemide lugemise hõlbustamiseks on igal komponendil oma standardiseeritud sümbol. Need sümbolid esindavad erinevaid komponente ja aitavad skeemi kiiresti mõista. Allpool on toodud mõned kõige sagedamini kasutatavad elektriskeemi sümbolid ja nende tähistused.

Takisti (Resistor)

Sümbol:
Kirjeldus: Takisti piirab voolu vooluringis. Seda kasutatakse, et kontrollida voolutugevust ja kaitsta teisi komponente liigse voolu eest.
Tähis: R
Ühik: Oom (Ω)

Takistite värvikood on süsteem, mida kasutatakse takistite väärtuse ja täpsuse tähistamiseks värviliste rõngaste abil. Enamikul takistitel on 4, 5 või 6 värvilist rõngast, mis tähistavad takistuse väärtust oomidena ja mõnikord ka takistuse täpsust (%).

Nelja rõngaga takisti värvikood

Esimene rõngas: tähistab esimest numbrit.
Teine rõngas: tähistab teist numbrit.
Kolmas rõngas: tähistab kordajat (mitu nulli lisatakse).
Neljas rõngas: tähistab täpsust (tolerants).

Näide:

Värvikood: Pruun, Must, Punane, Kuldne.
Pruun (1) = 1
Must (0) = 0
Punane (kordaja) = ×100
Kuldne (täpsus) = ±5% Seega on takistuse väärtus: 10 × 100 = 1000 Ω ehk 1 kΩ ±5%.

Viie rõngaga takisti värvikood

Esimene rõngas: tähistab esimest numbrit.
Teine rõngas: tähistab teist numbrit.
Kolmas rõngas: tähistab kolmandat numbrit.
Neljas rõngas: kordaja.
Viies rõngas: täpsus.

Kuue rõngaga takisti värvikood

Sama, mis viie rõngaga süsteem, kuid kuues rõngas tähistab temperatuurikoefitsienti (PPM – parts per million), mis näitab, kuidas takisti väärtus muutub temperatuurimuutuste korral.

Värv	1. ja 2. numbrid	Kordaja (3. rõngas)	Täpsus (4. rõngas)
Must	0	×1
Pruun	1	×10	±1%
Punane	2	×100	±2%
Oranž	3	×1000
Kollane	4	×10,000
Roheline	5	×100,000	±0.5%
Sinine	6	×1,000,000	±0.25%
Violettpunane	7	×10,000,000	±0.1%
Hall	8	×100,000,000	±0.05%
Valge	9	×1,000,000,000
Kuldne		×0.1	±5%
Hõbedane		×0.01	±10%

Takistite värvikoodide süsteem on universaalne ja aitab kiiresti hinnata takistite väärtusi, mis on oluline elektrooniliste vooluahelate kavandamisel ja kasutamisel.

Takistite värvikoodi kalkulaator

Takistid võivad olla kas lineaarsed või mittelineaarsed. Lineaartakisti korral on takistit läbiva voolu tugevus võrdeline rakendatud pingega. Seega on pingel ja takistit läbival voolul (i) lineaarne seos, mida graafikul kujutatakse sirgjoonena.

Mittelineaartakistite takistus sõltub oluliselt välistest mõjuritest nagu pinge (varistorid), temperatuur (termotakistid) või valguskiirgus (fototakistid).

Lineaartakisteid, mida kasutatakse kõige sagedamini, nimetatakse üldjuhul lihtsalt takistiteks.

Takistid on elektrotehnikas passiivsed komponendid, mis piiravad voolu ja jaotavad pinget elektriahelates. Need liigitatakse erinevatel alustel:

1. Materjali alusel:

Süsiniktakistid: Valmistatud süsinikust või süsinikpulbrist koos sideainega. Need on odavad ja laialdaselt kasutatavad, kuid neil on kõrgem müratase ja piiratud täpsus.
Metallkiletakistid: Valmistatud õhukese metallikihi pihustamisega isolatsioonimaterjalile. Neid iseloomustab suurem täpsus ja stabiilsus.
Traattakistid: Tehtud isoleeritud juhtmetraadi mähkimisega südamiku ümber. Neid kasutatakse suurema võimsuse ja täpsuse jaoks.

2. Funktsiooni alusel:

Fikseeritud takistid: Nende takistusväärtus on konstantne ja muutumatu. Neid kasutatakse voolu piiramiseks ja pingete jaotamiseks.
Muudetavad takistid (potentsiomeetrid ja reostaadid): Neil on muutuv takistus, mida saab reguleerida vastavalt vajadusele. Potentsiomeetreid kasutatakse pinge jagajatena ja reostaate voolu reguleerimiseks.

Potensiomeetrid

Kõige sagedamini kasutatakse lineaarseid reostaate. Nende takistustraat on mähitud karkassile kogu selle pikkuses ühtlase sammuga ühtse sektsioonina (joonis а). Liugurilt algavad kaks klemmi ja tekitavad kaks väljundtakistust R₁ ja R_2. Joonise b kõveratelt on näha, kuidas need takistused muutuvad. Tunnusjooned ja on lineaarsed ning R_pon reostaadi kogutakistus.

Lineaarne reostaat

Toodetakse ka funktsionaalseid reostaate, mille tunnusjoon on tahtlikult mittelineaarne. Selle võib saavutada karkassi sobiva kujuga (joonis ), sobiva keerdude sammu valikuga või lineaarse reostaadi osade takistitega lühistamisega.

Mittelineaarne reostaat

3. Võimsustaluvuse järgi:

Madalvõimsustakistid: Tavaliselt alla 1 W. Kasutatakse ahelates, kus voolud on väiksed.
Kõrgevõimsustakistid: Üle 1 W, sobivad rakendustesse, kus on vaja hajutada rohkem soojust.

4. Takistusväärtuse täpsuse järgi:

Tavalised takistid: Neil on suurem lubatud hälve (±5% või ±10%).
Täppistakistid: Neil on väiksem hälve, näiteks ±1% või isegi ±0.1%.

5. Temperatuurikoefitsiendi alusel:

NTC (Negative Temperature Coefficient) takistid: Nende takistus väheneb temperatuuri tõustes.
PTC (Positive Temperature Coefficient) takistid: Nende takistus suureneb temperatuuri tõustes.

Need liigid võimaldavad takisteid kasutada erinevates rakendustes, sõltuvalt vajalikust täpsusest, võimsustaluvusest ja keskkonnatingimustest.

Kondensaator:

Sümbol:
Kirjeldus: Kondensaator salvestab elektrienergiat elektriväljas ja seda kasutatakse ajutiseks energia salvestamiseks, signaalide filtreerimiseks ja palju muuks.
Tähis: C
Ühik: Farad $(F)$

Elektriline mahtuvus on füüsikaline suurus, mis näitab, kui palju elektrilaengut suudab kondensaator hoida antud pinge juures. Elektrilise mahtuvuse ühik on farad $(F)$ .

Elektriline mahtuvus valemina:

Mahtuvus ( C ) määratakse järgmise valemiga:

$C = \frac{Q}{U}$

Kus:

$( C )$ on mahtuvus $(faradites, F)$ ,
$( Q )$ on elektrilaeng $(kulonites, C)$ ,
$( U )$ on pinge $(voltid, V)$ .

Mahtuvus paralleelplaatkondensaatori puhul:

Kui kondensaator koosneb kahest paralleelsest plaadist, siis mahtuvust $( C )$ saab arvutada järgmise valemi abil:

$C = \varepsilon_0 \varepsilon_r \frac{A}{d}$

Kus:

$( C )$ on kondensaatori mahtuvus $(F)$ ,
$( \varepsilon_0 )$ on vaakumi dielektriline läbitavus $(( 8.854 \times 10^{-12} \, F/m ))$ ,
$( \varepsilon_r )$ on materjali suhteline dielektriline läbitavus,
$( A )$ on plaadi pindala $(m²)$ ,
$( d )$ on plaatide vaheline kaugus $(m)$ .

Energia kondensaatoris

Kondensaatoris salvestatud energia ( E ) on seotud mahtuvuse ja pinge vahel järgmise valemiga:

$E = \frac{1}{2} C U^2$

Kus:

( E ) on energia (džaulides, J),
( C ) on mahtuvus (F),
( U ) on pinge (V).

Ajast sõltuv pinge tühjeneval kondensaatoril:

Kui kondensaator tühjeneb läbi takisti ( R ), muutub pinge ajas vastavalt järgmisele eksponentsiaalsele valemile:

$U(t) = U_0 e^{-\frac{t}{RC}}$

Kus:

$( U(t) )$ on pinge kondensaatoril ajahetkel $( t )$ ,
$( U_0 )$ on algne pinge,
$( R )$ on takistus $(oomides)$ ,
$( C )$ on mahtuvus $(faradites)$ ,
$( t )$ on aeg $(sekundites)$ .

Need on peamised valemid, mis käsitlevad elektrilist mahtuvust ja kondensaatorite käitumist vooluringis.

Kondensaatorite tööpõhimõte ja liigitus on sügavamalt vaadeldes seotud nende füüsikaliste omaduste ja elektrotehniliste funktsioonidega, mida kasutatakse laialdaselt nii analoog- kui ka digitaalelektroonikas. Alljärgnevalt selgitan põhjalikumalt kondensaatori tööpõhimõtet, põhifunktsioone ja erinevate tüüpide detaile.

Kondensaatori töö sõltub sellest, kas see on ühendatud alalisvoolu (DC) või vahelduvvoolu (AC) ahelaga. Siin on ülevaade, kuidas kondensaator erinevates vooluahelates käitub.

Kondensaatori töö alalisvoolu (DC) ahelas

Alalisvoolu $(DC)$ puhul kondensaator kogub ja salvestab elektrilaengut, kuid kui see on täis laetud, hakkab see käituma kui avatud ahel.

Laadimisfaas:
Kui kondensaator ühendatakse alalisvooluallikaga, hakkab see algselt laadima. Laeng koguneb kondensaatori plaatidele, tekitades neile vastaslaengud. Laadimisprotsessi jooksul voolab ahelas vool, kuid see väheneb, kui kondensaator täitub. Laadimisprotsessi kirjeldab järgmine valem:
$Q(t) = C U (1 - e^{-\frac{t}{RC}})$

Kus:

$( Q(t) )$ on laeng ajahetkel $( t )$ ,
$( C )$ on mahtuvus,
$( U )$ on pinge,
$( R )$ on takistus,
$( t )$ on aeg.

Püsifaas (laetud kondensaator):
Kui kondensaator on täielikult laetud, voolutugevus ahelas langeb nullini ja kondensaator säilitab kogutud laengu. Seejärel hakkab see käituma kui avatud lüliti, mis blokeerib alalisvoolu edasise liikumise.
Tühjenemisfaas:
Kui alalisvooluallikas eemaldada ja kondensaator ühendada takistiga, hakkab see tühjenema. Tühjenemise käigus voolab vool, kuid see väheneb aja jooksul ja lõpuks kondensaator kaotab kogu oma laengu. Tühjenemise ajal langeb pinge eksponentsiaalselt:
$U(t) = U_0 e^{-\frac{t}{RC}}$

Kus:

$( U(t) )$ on pinge ajahetkel $( t )$ ,
$( U_0 )$ on algne pinge,
$( R )$ on takistus,
$( C )$ on mahtuvus.

Kokkuvõte DC ahelas:

Alalisvoolu (DC) ahelas käitub kondensaator esmalt voolujuhtmena, kuni see on laetud, ja seejärel toimib kui avatud ahel, mis ei luba voolu liikuda.

Kondensaatori töö vahelduvvoolu (AC) ahelas

Vahelduvvoolu (AC) ahelas kondensaator pidevalt laeb ja tühjeneb, kuna vahelduvvoolu pinge muutub pidevalt suuna ja suuruse poolest. See võimaldab kondensaatoril pidevalt voolu juhtida.

Laadimine ja tühjenemine:
Vahelduvvoolu korral muutub pinge suund regulaarselt. Seetõttu kondensaator vaheldumisi laeb ja tühjeneb iga poolperioodi jooksul. Kui pinge suureneb ühes suunas, kondensaator laeb, ja kui pinge suund muutub, hakkab see tühjenema ja laadima vastupidises suunas.
Voolu juhtimine:
Kuna kondensaator pidevalt laeb ja tühjeneb, tekib ahelas faasinihe pinge ja voolu vahel. Vool juhitakse ja see on 90 kraadi ees pinge faasist. See tähendab, et maksimaalne vool tekib siis, kui pinge muutub kõige kiiremini (läbib nullpunkti), ja maksimaalne pinge tekib siis, kui vool on null.

Vool kondensaatoris vahelduvvoolu puhul on antud valemiga:
$I(t) = C \frac{dU(t)}{dt}$

Kus:
$( I(t) )$ on vool,
$( C )$ on mahtuvus,
$( \frac{dU(t)}{dt} )$ on pinge muutuse kiirus aja suhtes.

Takistus ehk reaktants:
Vahelduvvoolu puhul pakub kondensaator takistust, mida nimetatakse kapatsiitvseks reaktantsiks $(( X_C ))$ . Reaktants sõltub vahelduvvoolu sagedusest:
$X_C = \frac{1}{2 \pi f C}$

Kus:

$( X_C )$ on kapatsiitvne reaktants $(oomides)$ ,
$( f )$ on vahelduvvoolu sagedus $(hertsides)$ ,
$( C )$ on mahtuvus $(faradites)$ . Mida kõrgem on sagedus, seda väiksem on takistus, ja vastupidi.

Kokkuvõte AC ahelas:

Vahelduvvoolu (AC) ahelas juhib kondensaator voolu pidevalt, kuna see laeb ja tühjeneb pidevalt vastavalt pingemuutustele. Kondensaator loob voolu ja pinge vahele faasinihke, kus vool on ees pinge faasist.

Kondensaatorite võrdlus DC ja AC ahelas:

DC ahelas toimib kondensaator ajutiselt kui juht, kuni see on laetud, ja seejärel muutub see avatud ahelaks.
AC ahelas töötab kondensaator pidevalt, juhtides vahelduvvoolu läbi, laades ja tühjenedes vastavalt vahelduvvoolu muutustele.

Seega on kondensaatori roll DC ahelas laengu salvestamine ja AC ahelas energia ajutine salvestamine ja voolu juhtimine faasinihte tekitamise kaudu.

Kondensaatori tööpõhimõte

Kondensaator koosneb kahest paralleelsest juhtivast plaadist (elektroodid), mis on eraldatud mittejuhtiva materjaliga ehk dielektrikuga. Kui nendele plaatidele rakendatakse pinget, hakkavad elektronid liikuma ühelt plaadilt teisele: üks plaat saab liigse negatiivse laengu (elektronid), samal ajal kui teine plaat kaotab sama palju elektrone ja omandab positiivse laengu. See tekitab elektrivälja plaatide vahele.

Kondensaatori põhifunktsioon on elektrienergia ajutine salvestamine elektrivälja kujul, mida saab hiljem vabastada. Mahtuvus (C) määrab, kui palju elektrilaengut kondensaator võib salvestada, ning seda mõõdetakse faradites (F). Mahtuvust määravad:

Plaatide pindala – suurem pindala suurendab mahtuvust.
Plaadi vaheline kaugus – väiksem kaugus suurendab mahtuvust.
Dielektriku omadused – erinevad materjalid võimaldavad paremat või halvemat laengu salvestamist.

Kui kondensaator on ühendatud vooluringi, suudab ta energiat salvestada ja vabastada väga kiiresti, mis muudab selle oluliseks komponendiks nii vahelduv- kui ka alalisvooluringides, eriti silumiseks, filtrite ehitamiseks ja energiasalvestuseks.

Kondensaatori liigitus

Kondensaatorid jagunevad mitmeks erinevaks tüübiks, sõltuvalt nende ehitusest, materjalist, mahtuvusest ja kasutusvaldkonnast.

1. Elektrolüütkondensaatorid

Elektrolüütkondensaatorid kasutavad elektrolüüdi lahust dielektrikuna, mis võimaldab saavutada suurema mahtuvuse väikese füüsilise suurusega. Nende suur mahtuvus teeb nad sobivaks kasutamiseks toiteallikates, kus on vaja suurt energiasalvestusvõimet ja pingekõikumiste silumist. Samas on need polaarised, mis tähendab, et need tuleb ühendada õige polaarsusega (positiivne klemm plussile ja negatiivne miinusele). Vale ühendamine võib põhjustada kondensaatori plahvatuse või lekke.

Alumiinium-elektrolüütkondensaator: Levinud ja odav. Kasutatakse sageli toiteallikates.
Tantaal-elektrolüütkondensaator: Kompaktsem ja stabiilsem kui alumiiniumversioon, kuid tundlikum valele polaarsusele.

Tüüpiline mahtuvus: Mikrofaradid (µF) kuni millifaradid (mF).

2. Keraamilised kondensaatorid

Keraamilised kondensaatorid kasutavad dielektrikuna keraamilist materjali. Need on väikese mahtuvusega, kuid väga stabiilsed ja töökindlad. Keraamilisi kondensaatoreid kasutatakse peamiselt kõrgsagedusrakendustes ja võrgufiltrites, kus on oluline kõrge töökindlus ja kiire reageerimisaeg.

MLCC (Multilayer Ceramic Capacitor): Kõrge mahtuvusega keraamilised kondensaatorid, mis koosnevad mitmest keraamilisest kihist, pakkudes paremat mahtuvuse-tiheduse suhet.
Madalsageduskondensaatorid: Sobivad madalate sageduste jaoks ja väiksema pingetaluvusega.

Tüüpiline mahtuvus: Piko- kuni nanofaradid (pF kuni nF).

3. Plastkilekondensaatorid

Plastkilekondensaatorid kasutavad dielektrikuna õhukest plastkile, näiteks polüestrit või polüpropüleeni. Neid kasutatakse tavaliselt rakendustes, kus on vaja väga täpseid ja stabiilseid komponente, näiteks sagedusfiltrites ja mõõteahelates. Neid iseloomustab madal lekkevool ja pinge taluvus.

Polüesterkile kondensaator: Kompaktne ja odav, laialdaselt kasutatav.
Polüpropüleen-kile kondensaator: Suure täpsusega, kasutatakse täppisrakendustes.

Tüüpiline mahtuvus: Nanofaradid (nF) kuni mikrofaradid (µF).

4. Mika- ja klaaskondensaatorid

Need kondensaatorid kasutavad dielektrikuna mikat või klaasi. Need on tuntud oma erakordse stabiilsuse ja väga madala lekkevoolu poolest, mistõttu sobivad nad täppisrakendustesse, kus on oluline säilitada konstantne mahtuvus ka kõrgetel sagedustel ja temperatuuridel.

Mika-kondensaator: Väga täpne ja madala hajumisega.
Klaaskondensaator: Töötab hästi kõrgetel pingetel ja on äärmiselt vastupidav.

Tüüpiline mahtuvus: Piko- kuni nanofaradid (pF kuni nF).

Muskoviit (valge mika):
Kõige levinum mikatüüp, mida kasutatakse elektriisolatsioonis ja elektroonikaseadmetes.

Biotiit (must mika):
Sisaldab rohkem rauda ja on seetõttu vähem kasutatud elektrilises isolatsioonis, kuid seda kasutatakse mõnedes tööstuslikes rakendustes.

MIKA

MIKA võib olenevalt kontekstist tähendada erinevaid asju, kuid elektroonikas ja materjaliteaduses viitab mika tavaliselt läbipaistvale mineraalile, mida kasutatakse elektriisolatsiooniks. Mika on mineraalide rühm, mis koosneb peamiselt alumiiniumist ja kaaliumist ning mida iseloomustab hea mehaaniline tugevus, painduvus ja soojusisolatsioon.

Mika kasutusalad elektroonikas ja tehnoloogias:

Isolatsioonimaterjal:
Mika talub väga hästi kõrgeid temperatuure ja sellel on suurepärased elektrilised isolatsiooniomadused. Seetõttu kasutatakse seda elektri- ja elektroonikaseadmetes, nagu:

Kondensaatorid (kondekakondensaatorid),
Elektrilised kütteseadmed ja isolatsiooniplaadid,
Transistoride ja pooljuhtide soojusjuhtides.

Mikakondensaatorid:
Kondensaatorid, kus isolatsioonimaterjalina kasutatakse mika, tuntud kui mikakondensaatorid, on hinnatud nende täpsuse, stabiilsuse ja töökindluse tõttu. Neid kasutatakse kohtades, kus on vajalik püsiv ja usaldusväärne töö ka ekstreemsetes tingimustes.
Soojusjuhtimine:
Mika lehtedel on hea soojusjuhtivus, seetõttu kasutatakse seda komponentide ja jahutusradiaatorite vahel, et aidata soojust hajutada ja samal ajal tagada elektriline isolatsioon.

Mika omadused:

Suur soojus- ja elektritakistus: Mika on suurepärane soojusisolatsioonimaterjal ja talub väga kõrgeid temperatuure (kuni 1000 °C).
Paindlikkus ja läbipaistvus: Mika lehed on õhukesed ja painduvad ning neid saab lõigata väga õhukesteks kihtideks.
Keemiline stabiilsus: Mika on vastupidav keemilistele reaktsioonidele ja ei reageeri kergesti teiste materjalidega, mistõttu sobib see hästi ekstreemsetesse keskkondadesse.

Mika tüübid:

Muskoviit (valge mika):
Kõige levinum mikatüüp, mida kasutatakse elektriisolatsioonis ja elektroonikaseadmetes.
Biotiit (must mika):
Sisaldab rohkem rauda ja on seetõttu vähem kasutatud elektrilises isolatsioonis, kuid seda kasutatakse mõnedes tööstuslikes rakendustes.

Kokkuvõte:

Mika on mineraal, mida hinnatakse selle suurepäraste elektriliste ja soojusisolatsiooniomaduste tõttu. Elektroonikas ja elektrotehnikas kasutatakse seda peamiselt elektriisolatsioonina ning kuumuse ja kulumise suhtes vastupidavate komponentidena.

5. Superkondensaatorid

Superkondensaatorid on unikaalsed oma äärmiselt suure mahtuvuse poolest. Need on võimelised salvestama suurt hulka energiat ja on hübriid kondensaatorite ja patareide vahel. Neid kasutatakse näiteks kiirlaadimissüsteemides ja energia salvestamiseks lühiajalistes rakendustes. Superkondensaatorid suudavad pakkuda kiiret energiapuhangut, kuid ei suuda seda pikaajaliselt hoida nagu patareid.

Tüüpiline mahtuvus: Kilo- kuni tuhanded faradid (kF kuni F).

Superkondensaator

Superkondensaator: Tööpõhimõte ja kasutus

Mis on superkondensaator?

Superkondensaator ehk ultrakondensaator on elektrooniline komponent, mis suudab salvestada palju suuremat kogust energiat kui tavalised kondensaatorid, kuid ei ole otseselt võimeline asendama akusid pikaajalises energiavarustuses. Superkondensaatorid ühendavad endas tavapärase kondensaatori kiire laadimise ja tühjenemise omadused koos suurema energiasalvestusvõimega, mis viib need aku ja kondensaatori vahepealsesse klassi.

Superkondensaatori mahtuvus on väga suur, tavaliselt mõõdetakse seda faradites (F), võrreldes tavaliste kondensaatorite mikro- ja nanofaraditega.

Superkondensaatori tööpõhimõte

Superkondensaator töötab, salvestades energiat elektrostaatilise ja elektrokeemilise protsessi kaudu. Erinevalt elektrolüütkondensaatorist, kus energia salvestatakse ainult elektrivälja kaudu, kasutavad superkondensaatorid ära kahe mehhanismi kombinatsiooni:

Elektrostaatiline mahtuvus: See on sama põhimõte, mida kasutatakse tavalistes kondensaatorites, kus laeng koguneb kahe elektroodi vahel, mis on eraldatud dielektrikuga. Superkondensaatoris on elektroodide pind väga suur ja nende vaheline kaugus väga väike.
Pseudomahtuvus: Tekib elektrokeemiliste reaktsioonide kaudu elektroodidel, mis suurendavad oluliselt energiatihedust, võrreldes tavalise kondensaatoriga. See protsess kasutab ära ioonide neeldumise ja desorptsiooni elektroodi pinnal, mille kaudu toimub täiendav energiasalvestus.

Superkondensaator koosneb kahest elektroodist (sageli valmistatud aktiivsöest või muudest süsinikmaterjalidest), mida eraldab elektrolüüt. Kui neile elektroodidele rakendatakse pinget, kogunevad ioonid elektroodide pinnale, tekitades suure laengu ja elektrivälja. Kuna ioonide liikumine ja neeldumine elektroodi pinnale on väga kiire, saab superkondensaator kiiresti laadida ja tühjeneda.

Superkondensaatorite töö ja omaduste kirjeldamiseks kasutatakse mitmeid valemeid, mis on seotud nende mahtuvuse, energia ja laenguga. Allpool on mõned olulisemad valemid, mis selgitavad superkondensaatorite toimimist ja omadusi.

Mahtuvus (C)

Mahtuvus on superkondensaatori võime salvestada laengut ja seda mõõdetakse faradites (F).

$C = \frac{Q}{V}$

C – mahtuvus (faradites, F)
Q – laeng (kulonites, C)
V – pinge (voltides, V)

See valem näitab, et mahtuvus on otseselt seotud laengu hulga ja pingega. Mida suurem on mahtuvus, seda rohkem laengut suudab superkondensaator madala pinge juures salvestada.

Energia salvestamine (E)

Superkondensaatoris salvestatud energia arvutatakse järgmise valemi abil:

$E = \frac{1}{2} C V^2$

E – energia (džaulides, J)
C – mahtuvus (faradites, F)
V – pinge (voltides, V)

See valem näitab, et salvestatud energia sõltub mahtuvusest ja pinge ruudust. Kuna energia kasvab koos pinge ruuduga, on kõrgema tööpingega superkondensaatoritel suurem energiatihedus.

Laengu ja tühjenemise aeg

Superkondensaatori laengu ja tühjenemise aega saab kirjeldada vastupanu ja mahtuvuse korrutisega:

$\tau = R \cdot C$

τ – ajakonstant (sekundites, s)
R – takistus (oomides, Ω)
C – mahtuvus (faradites, F)

Ajakonstant näitab, kui kiiresti superkondensaator suudab täis laadida või tühjeneda läbi antud takistuse. Tüüpiliselt loetakse kondensaatorit tühjaks pärast 5τ, mille jooksul on superkondensaator kaotanud umbes 99% oma salvestatud energiast.

Maksimaalne vool (I)

Superkondensaator suudab pakkuda suurt voolu, kuid selle voolu piiramiseks kasutatakse järgmisi valemeid:

$I = \frac{V}{R}$

I – vool (amprites, A)
V – pinge (voltides, V)
R – takistus (oomides, Ω)

See on Ohmi seadus, mis näitab, et vool superkondensaatoris sõltub pingest ja takistusest.

Materjalid, mida kasutatakse superkondensaatorite tootmisel

Superkondensaatorid koosnevad mitmetest erinevatest materjalidest, mis mõjutavad nende omadusi, sealhulgas mahtuvust, vastupidavust ja energiatihedust.

1. Elektroodid

Aktiivsüsi (carbon-based materials): Aktiivsüsi on kõige sagedamini kasutatav materjal superkondensaatorites elektroodide valmistamiseks. Selle eelis on suur pindala ja head juhtivusomadused, mis võimaldavad tal salvestada suuri koguseid elektrilaengut.
Grafiit ja grafeen: Neid kasutatakse, et suurendada elektroodide juhtivust ja vähendada sisetakistust, pakkudes paremaid tulemusi võrreldes aktiivsöega.
Metalloksiidid: Näiteks ruteeniumoksiid (RuO₂) ja mangaanoksiid (MnO₂) kasutatakse pseudomahtuvus-superkondensaatorites. Need materjalid aitavad suurendada superkondensaatori mahtuvust, kuna nad suudavad talletada laengut läbi elektrokeemiliste reaktsioonide.
Juhtivad polümeerid: Polümeerid, nagu polüaniliin (PANI) ja polüpürrool (PPY), kasutatakse samuti elektroodideks, kuna need pakuvad kõrget juhtivust ja head elektrokeemilist stabiilsust.

2. Elektrolüüdid

Vees lahustuvad elektrolüüdid: Sageli kasutatakse vesi-elektrolüüte (nt kaaliumhüdroksiid KOH või väävelhape H₂SO₄) madala pingega superkondensaatorites. Need elektrolüüdid on madala resistentsusega ja võimaldavad kiiret laengu üleandmist elektroodide ja elektrolüüdi vahel.
Orgaanilised elektrolüüdid: Orgaanilised lahustid (nt atsetonitriil või propüleenkarbonaat) on kasutusel kõrgema pingega superkondensaatorites (tavaliselt kuni 2,7–3 V), kuna need taluvad kõrgemaid pingeid ja vähendavad elektrolüüdi lagunemist.
Ioonvedelikud: Need on ioonide segu, millel on väga madal aururõhk ja hea soojusjuhtivus, mis võimaldab neil töötada laias temperatuurivahemikus ja kõrgetel pingetel.

3. Separaatormaterjalid

Polümeerid: Polümeeride, nagu polüpropüleen (PP) ja polüetüleen (PE), kasutamine superkondensaatorite separaatormaterjalides tagab ioonide liikumise elektroodide vahel, hoides samal ajal elektroode füüsiliselt lahus, et vältida lühiseid.
Tselluloos: Mõnel juhul kasutatakse ka tselluloosmaterjale, mis on biolagunevad ja odavamad alternatiivid.

Superkondensaatori eelised ja tulevikusuunad materjalides

Grafeen on uurimuses väga paljutõotav materjal, kuna selle erakordselt suur pindala ja juhtivus võivad oluliselt suurendada superkondensaatorite mahtuvust ja võimsustihedust.
Nanomaterjalid: Erinevad nanomaterjalid, näiteks süsiniknanotorud ja nanokomposiidid, võivad pakkuda uusi võimalusi energiasalvestuseks, muutes superkondensaatorid veelgi tõhusamaks ja võimsamaks.

Superkondensaatorite arengus mängivad olulist rolli materjalid, mis suudavad pakkuda kõrgemat energiatihedust ja paremat jõudlust. Uued uurimissuunad keskenduvad energiasalvestusmaterjalidele, mis suudavad ületada praegusi piiranguid ja laiendada superkondensaatorite kasutusvõimalusi.

Superkondensaatorite peamised omadused:

Väga suur mahtuvus: Superkondensaatorid võivad ulatuda mahtuvusteni tuhandetes faradites (F), võrreldes tavakondensaatorite mikrofaradite (µF) või millifaraditega (mF).
Kiire laadimine ja tühjenemine: Superkondensaatorid suudavad laadida ja tühjeneda sekundite jooksul, samas kui akud võtavad laadimiseks aega tunde.
Pikk elutsükkel: Superkondensaatorid taluvad palju rohkem laadimis-tühjenemistsükleid (sadu tuhandeid või isegi miljoneid) võrreldes akudega, millel on piiratud tsüklite arv.
Suur võimsustihedus: Superkondensaatorid suudavad pakkuda ja neelata suurt voolu väga kiiresti, mis teeb need sobivaks rakendusteks, kus on vaja kiiret energiapuhangut.
Madal energiatihedus: Võrreldes akudega on superkondensaatorite energiatihedus väiksem, mistõttu ei sobi need pikaajaliseks energia salvestamiseks.

Superkondensaatori liigitus

Superkondensaatorid jaotatakse tavaliselt kaheks põhikategooriaks sõltuvalt nende töömehhanismist ja materjalidest:

Kahekihilised kondensaatorid (EDLC – Electric Double-Layer Capacitors):

Need kasutavad energia salvestamiseks ainult elektrostaatilist laengut, kus laengud kogunevad kahe elektroodi vahele. Neid iseloomustab suur võimsustihedus, kuid suhteliselt madal energiatihedus.
Näited: Aktiivsüsi-elektroodidega superkondensaatorid.

Pseudomahtuvuskondensaatorid:

Need kasutavad energia salvestamiseks elektrokeemilisi reaktsioone (sarnaselt akudele), mis suurendab energiatihedust võrreldes kahekihiliste kondensaatoritega. Nende laadimisprotsess põhineb ioonide neeldumisel ja desorptsioonil elektroodi pinnale.
Näited: Metalloksiid-elektroodidega või polümeerelektroodidega superkondensaatorid.

Superkondensaatori kasutusvaldkonnad

Superkondensaatorid on leidnud laialdast kasutust paljudes valdkondades, kus on vaja kiiret energiaedastust või kus kasutatakse tsüklilist laadimis- ja tühjenemisprotsessi.

Automotive ja transport:

Superkondensaatorid kasutatakse elektrisõidukites pidurdamisel energia rekupeerimiseks ja selle kiireks vabastamiseks kiirendamisel. Samuti on nad kasutusel hübriidautodes koos akudega, kus nad täiendavad akusid, pakkudes kiiret energiapuhangut.

Energia salvestamine ja taastuvenergia:

Superkondensaatorid sobivad energiasalvestuseks tuule- ja päikeseenergia süsteemides, kus nad suudavad kiiresti salvestada ja vabastada energiat elektrivõrgu tasakaalustamiseks.

Võrgutoite varundamine:

Superkondensaatorid pakuvad lühiajalist varutoidet, näiteks UPS-süsteemides (katkematu voolu allikas), kus nad suudavad hoida seadmed töös lühikese voolukatkestuse ajal või kuni põhitoiteallikas taastatakse.

Elektroonika:

Superkondensaatorid kasutatakse väikese võimsusega seadmetes, näiteks kellade ja mälumoodulite varutoiteks, kus on oluline tagada stabiilne toiteallikas lühiajaliselt, eriti voolukatkestuste ajal.

Tööstus ja telekommunikatsioon:

Superkondensaatorid suudavad pakkuda lühiajalist energiat mitmesugustes telekommunikatsioonisüsteemides, andes seadmetele toidet lühikeste katkestuste või voolu kõikumiste ajal.

Superkondensaatori eelised ja piirangud

Eelised:

Väga kiire laadimis- ja tühjenemiskiirus.
Pikk elutsükkel ja talub palju laadimis-tühjenemistsükleid.
Suur võimsustihedus, mis võimaldab pakkuda suurt voolu lühikese aja jooksul.
Keskkonnasõbralikumad kui akud, kuna ei sisalda mürgiseid kemikaale.

Piirangud:

Madalam energiatihedus kui akudel, mis tähendab, et need ei sobi pikaajalise energia salvestamiseks.
Võib vajada erilahendusi kõrgete pingete rakendustes, kuna nende tööpinge on madalam kui tavapärastel akudel.

Kokkuvõttes on superkondensaatorid ideaalne lahendus olukordades, kus on vaja kiiret energiavoogu ja pikka elutsüklit, kuid nad ei sobi pikaajalisteks energiavarustuse lahendusteks nagu akud.

Kondensaatorite põhifunktsioonid

Voolu silumine ja pingekõikumiste tasandamine: Kondensaatorid aitavad siluda voolu ja pingeid, eriti toiteallikates, et eemaldada soovimatud kõikumised.
Filtreerimine: Kõrgsagedusfiltrites kasutatakse kondensaatoreid, et eemaldada müra ja soovimatud sagedused elektrisignaalist.
Ajastamine ja signaalide muutmine: Ajastusahelates, nagu multivibraatorid ja ostsillaatorid, määravad kondensaatorid ajaintervallid ja sagedused.
Energia salvestamine: Kondensaatorid salvestavad ajutiselt energiat, mida saab vabastada kiireks energiapuhanguks või järk-järgult.

Kokkuvõttes sõltub kondensaatori tüüp ja kasutusviis suuresti rakenduse nõuetest, näiteks mahtuvus, pinge taluvus, stabiilsus ja füüsilised mõõtmed. Kondensaatorid on asendamatud komponendid mitmesugustes elektroonikaseadmetes, alates lihtsatest toiteallikatest kuni keeruliste andmetöötlussüsteemideni.

Induktiivpool (Mähis)

Sümbol:
Kirjeldus: Induktiivpool salvestab energiat magnetväljas ja seda kasutatakse sagedusfiltrites, energia salvestamisel ja mujal.
Tähis: L
Ühik: Henry (H)

Induktiivsus on füüsikaline suurus, mis iseloomustab induktiivpooli (mähise) võimet tekitada elektromotoorjõudu (pinget) voolu muutumise korral. Induktiivsuse ühik on henri (H).

Induktiivsus sirge mähise jaoks:

Induktiivsuse $( L )$ saab sirge mähise jaoks arvutada järgmise valemi abil:

$L = \mu_0 \mu_r \frac{N^2 A}{l}$

Kus:

$( L )$ on induktiivsus $(henrides, H)$ ,
$( \mu_0 )$ on vaakumi magnetiline läbitavus $(( 4\pi \times 10^{-7} \, H/m ))$ ,
$( \mu_r )$ on mähise südamiku suhteline magnetiline läbitavus (dielektrilise materjali omadus),
$( N )$ on mähise keerude arv,
$( A )$ on mähise ristlõike pindala $(ruutmeetrites, ( m^2 ))$ ,
$( l )$ on mähise pikkus $(meetrites, m)$ .

2. Elektromagnetiline induktsioon (Faraday seadus):

Kui voolu muutumine ajas tekitab mähises pinge, siis selle pinge ( \varepsilon ) on antud valemiga:

$\varepsilon = -L \frac{dI}{dt}$

Kus:

$( \varepsilon )$ on induktiivpooli tekitatud pinge $(voltid, V)$ ,
$( L )$ on induktiivsus $(henrides, H)$ ,
$( \frac{dI}{dt} )$ on voolu muutumise kiirus ajas $(amprites sekundis, A/s)$ .

3. Induktiivne reaktants vahelduvvoolu puhul:

Vahelduvvoolu (AC) puhul takistab induktiivpool voolu, mis tekib selle magnetväljas, ja see takistus on tuntud kui induktiivne reaktants ( X_L ):

$X_L = 2 \pi f L$

Kus:

$( X_L )$ on induktiivne reaktants $(oomides, Ω)$ ,
$( f )$ on vahelduvvoolu sagedus $(hertsides, Hz)$ ,
$( L )$ on induktiivsus $(henrides, H)$ .

Mida suurem on sagedus või induktiivsus, seda suurem on induktiivne reaktants, mis piirab voolu läbimist mähisest.

4. Energia induktiivpoolis:

Induktiivpooli magnetvälja salvestatud energia ( E ) on antud valemiga:

$E = \frac{1}{2} L I^2$

Kus:

$( E )$ on energia $(džaulides, J)$ ,
$( L )$ on induktiivsus $(henrides, H)$ ,
$( I )$ on vool $(amprites, A)$ .

5. Induktiivpooli faasinihe vahelduvvoolu puhul:

Vahelduvvoolu (AC) korral tekitab induktiivpool voolu ja pinge vahele faasinihke, kus pinge on voolu faasist 90 kraadi ees. See tähendab, et maksimaalne pinge saavutatakse siis, kui vool hakkab muutuma.

Need on peamised valemid, mis käsitlevad induktiivsust ja induktiivpoolide käitumist vooluahelates.

Induktiivpooli (Mähise) tööpõhimõte ja liigitus

Tööpõhimõte

Induktiivpool, mida sageli nimetatakse ka mähiseks, on elektrotehniline komponent, mille peamine funktsioon on salvestada energiat magnetvälja kujul, kui vool läbib seda. Mähis koosneb tavaliselt isoleeritud traadist, mis on keritud silindrikujuliselt või spiraalina ümber tuuma, mis võib olla õhu või ferromagnetilise materjaliga (nt raud). Induktiivpoolsuse (L) suurust mõõdetakse henrites (H).

Kui vool liigub läbi mähise, tekitab see selle ümber magnetvälja. Mähise elektritakistus on minimaalne, kuid selle induktiivtakistus takistab voolu muutusi ahelas. Mida kiirem on voolu muutus, seda suurem on vastutekkiv induktiivne pingelang. Seda nähtust nimetatakse induktsiooniks ja selle kaudu hoiab induktiivpool energia salvestamist magnetväljas.

Induktiivpooli põhiomadused:

Induktiivsus (L) – määrab, kui tõhusalt mähis salvestab energiat magnetvälja kujul. See sõltub mähise traadi keerdude arvust, keerdude tihedusest, südamiku materjalist ja südamiku geomeetriast.
Eneseinduktsioon – kui voolu muutus mähises tekitab selles endas pinge, mis püüab vastu seista voolu muutusele.
Mutuaalne induktsioon – esineb kahe või enama mähise vahel, kus ühe mähise magnetväli indutseerib teises mähises pinge (nt trafo tööpõhimõte).

Induktiivpooli liigitus

Mähised liigitatakse mitmel viisil, sõltuvalt nende konstruktsioonist, funktsioonist ja kasutusvaldkonnast.

1. Õhusüdamikuga mähised

Need on mähised, millel ei ole magnetilist südamikku – traadi keerdude vahel on lihtsalt õhk või muu mitte-magnetiline aine. Sellised mähised on lihtsad ja töökindlad, kuid nende induktiivsus on madal. Neid kasutatakse sageli raadio- ja kõrgsagedusrakendustes, kus on oluline vältida südamiku kaod.

Tunnused: Madal induktiivsus, sobib kõrgetele sagedustele.
Tüüpiline kasutus: Raadiovastuvõtjad, antennide mähised.

2. Raudsüdamikuga mähised

Selliste mähiste puhul on traadikeerdude sees ferromagnetiline südamik (näiteks raud või feriit), mis suurendab mähise induktiivsust, kuna südamik keskendab ja tugevdab magnetvälja. Raudsüdamikuga mähiseid kasutatakse peamiselt madalsagedusrakendustes ja kohtades, kus on vaja suurt induktiivsust.

Tunnused: Suurem induktiivsus võrreldes õhusüdamikuga mähistega, kuid südamiku materjal võib tekitada kaotusi (nt hüstereesikaod ja pöörisvoolud).
Tüüpiline kasutus: Võimsusmuundurid, trafod, elektromagnetid.

3. Ferriit- või pulbersüdamikuga mähised

Ferriit- ja pulbersüdamikuga mähised on spetsiaalselt loodud töötama kõrgetel sagedustel, pakkudes paremat jõudlust ja väiksemaid kaotusi võrreldes raudsüdamikuga mähistega. Ferriitmaterjal on mittejuhtiv ja suudab vältida pöörisvoolukadusid, mis esinevad kõrgsageduslikes rakendustes.

Tunnused: Kõrgsageduste jaoks sobivad, väiksemad kaod ja suurem efektiivsus.
Tüüpiline kasutus: Raadiosagedusmuundurid, filtrid, trafod.

4. Toroidmähised

Toroidmähised on spetsiaalse kujuga mähised, kus traat on keritud rõngakujulise (toroidse) südamiku ümber. Toroidmähised pakuvad paremat magnetvälja suunamist ja väiksemat kiirgust väljapoole mähist, vähendades elektromagnetilisi häireid (EMI).

Tunnused: Kompaktne ja tõhus magnetvälja suunamine, väiksemad lekkeväljadel põhinevad kaod.
Tüüpiline kasutus: Võimsustrafod, raadiosagedusfiltrid.

5. Võimsusinduktorid

Võimsusinduktorid on suure võimsustaluvusega mähised, mis on mõeldud töötama kõrge vooluga rakendustes, kus on vaja energiat salvestada ja seejärel kiiresti vabastada. Tavaliselt kasutatakse neid toiteahelates ja muundurites.

Tunnused: Kõrge voolutaluvus, madal takistus.
Tüüpiline kasutus: SMPS (Switch Mode Power Supplies), DC-DC muundurid.

Mähiste kasutusvaldkonnad ja funktsioonid

Mähiseid kasutatakse laialdaselt erinevates elektrotehnilistes rakendustes, alates energiasalvestusest kuni signaalide filtreerimiseni. Peamised funktsioonid ja kasutusvaldkonnad on järgmised:

1. Energia salvestamine

Mähis salvestab energiat magnetvälja kujul, kui vool läbib seda. Seda energiat saab hiljem vabastada, kui vool väheneb või suunatakse teise vooluahelasse. See omadus on eriti oluline võimsusahelates, näiteks lülitusmuundurites ja pingeregulaatorites.

Mähise energia salvestamise põhimõte põhineb sellel, et kui vool läbib mähist, siis tekib selle ümber magnetväli. Mähis suudab salvestada energiat selles magnetväljas seni, kuni vool läbib mähist. Kui vool hakkab vähenema või katkeb, siis see magnetväli hakkab kokku kukkuma ja mähisesse tekib pingelang, mis suunab energia tagasi vooluringi.

See omadus on eriti kasulik ja oluline võimsusahelates, näiteks:

Lülitusmuundurites: Mähised aitavad muuta pinget efektiivselt. Kui muundatakse näiteks alalisvoolu madalast pingest kõrgeks või vastupidi, kasutatakse mähiseid energia ajutiseks salvestamiseks ja vabastamiseks.
Pingeregulaatorites: Mähised aitavad stabiliseerida voolu ja pinget. Kui süsteemis on voolu- või pingekõikumisi, siis mähise kaudu on võimalik säilitada stabiilsus, kuna ta suudab ajutiselt energiat salvestada ja seejärel vajadusel vabastada, hoides süsteemi töö stabiilsena.

Kokkuvõttes toimib mähis energiapuhvrina, mis võimaldab ajutiselt talletada energiat magnetvälja kujul ning seejärel sujuvalt vabastada, kui seda vajatakse vooluringis, aidates seeläbi stabiliseerida ja juhtida vooluringi tööd.

2. Filtreerimine ja silumine

Mähised koos kondensaatoritega moodustavad LC-filtrid, mis filtreerivad välja soovimatud sagedused signaalist. Näiteks toiteallikates kasutatakse mähiseid pinge kõikumiste tasandamiseks ja müra vähendamiseks.

Filtreerimine ja silumine mähiste ja kondensaatorite abil toimib nii, et nad suudavad koos töötades kõrvaldada või vähendada soovimatuid sagedusi ja pinge kõikumisi elektrisüsteemis. See omadus on väga oluline, eriti toiteallikates ja elektroonikaseadmetes.

LC-filtrid

LC-filtrid koosnevad mähisest (L) ja kondensaatorist (C). Need komponendid töötavad koos, et blokeerida teatud sagedused ja lasta teised läbi. LC-filtrid filtreerivad välja soovimatud kõrgsageduslikud häired või müra signaalist, säilitades samal ajal kasuliku signaali.
Mähis (L) takistab kõrgsageduslike signaalide läbimist, samal ajal kui madalsageduslikud signaalid liiguvad mähisest vabalt läbi.
Kondensaator (C) toimib vastupidi – see laseb kõrgsageduslikud signaalid läbi, aga blokeerib madalsageduslikud signaalid.

Kombineeritult suudavad LC-filtrid eemaldada soovimatud sagedused ja hoida vajalikud signaalid puhtad.

Pinge kõikumiste tasandamine ja müra vähendamine

Toiteallikates on mähised kasutusel pinge ja voolu silumiseks ehk kõikumiste tasandamiseks. Elektrivõrgus või vooluallikas võib esineda müra või järske kõikumisi (nt lülitusmüra). Mähised aitavad neid kõikumisi sujuvamaks muuta, kuna nad salvestavad ja vabastavad energiat järk-järgult. See aitab vältida pinge järske muutusi ja hoida süsteemi stabiilsena. Näiteks toiteahelas aitavad mähised ja kondensaatorid koos vähendada kõrgsageduslikku müra, mis võib tekkida lülitusahelate tõttu, ning tagada stabiilse ja puhta pinge toidetavatele komponentidele.

LC-filtrid koosnevad induktiivpoolist (L) ja kondensaatorist (C) ning neid kasutatakse elektriliste signaalide filtreerimiseks teatud sageduste blokeerimiseks või lubamiseks. LC-filtrid on olulised elektroonikaseadmetes, nagu võimendid, raadiovastuvõtjad ja toiteallikad, kuna need suudavad puhastada signaale ja stabiliseerida süsteeme.

LC-filtrite peamised tüübid:

Madalsagedusfilter (Low-pass filter):

Funktsioon: Laseb läbi madalad sagedused ja summutab kõrged sagedused.
Kasutus: Kasutatakse sagedusvahemikus, kus madalsageduslik signaal peab läbima, kuid kõrgsageduslik müra tuleb blokeerida. Näiteks toiteallikates müra eemaldamiseks või helisüsteemides madalsageduslike komponentide edastamiseks.
Ehitus: Tavaliselt koosneb induktiivpoolist ja kondensaatorist, kus induktiivpool on ühendatud signaaliteega ja kondensaator maaga, mis loob võime kõrgsagedusi summutada.
Tüüpiline rakendus: Signaalide filtreerimine toiteahelates (nt vahelduvvoolu komponentide eemaldamine alalisvoolust), helisüsteemid, helivõimendid.

Kõrgsagedusfilter (High-pass filter):

Funktsioon: Laseb läbi kõrged sagedused ja summutab madalad sagedused.
Kasutus: Kasutatakse rakendustes, kus on vaja edastada kõrgsageduslikke signaale ja blokeerida madalsageduslikud komponendid, näiteks helisüsteemides või raadiosageduslikes vastuvõtjates.
Ehitus: Tavaliselt koosneb kondensaatorist ja induktiivpoolist, kus kondensaator on signaaliteel ja induktiivpool ühendatud maaga, mis summutab madalsagedusi.
Tüüpiline rakendus: Kõrgsageduslike signaalide filtreerimine antennides, raadiosagedusfiltrid, helisüsteemides kõrgete sageduste edastamine.

Ribapääsfilter (Band-pass filter):

Funktsioon: Laseb läbi ainult kindla sagedusriba ning summutab sagedused, mis jäävad sellest ribast kõrgemale või madalamale.
Kasutus: Kasutatakse raadiosageduslikes rakendustes, kus soovitakse edastada ainult teatud sagedusala, näiteks raadiovastuvõtjates või traadita side süsteemides.
Ehitus: Koosneb kahest LC komponendist (induktiivpool ja kondensaator), kus ühe kombinatsioon määrab filtri alumise piirsageduse ja teine kombinatsioon määrab ülemise piirsageduse.
Tüüpiline rakendus: Raadio ja telekommunikatsiooniseadmed, sagedusmodulaatorid, võimendid.

Ribakõrvalefilter (Band-stop filter):

Funktsioon: Blokeerib kindla sagedusriba ja laseb läbi signaalid, mis on sellest ribast kas kõrgemal või madalamal.
Kasutus: Kasutatakse süsteemides, kus on vaja summutada kindlaid sagedusi, näiteks häirivate sageduste või resonantsi eemaldamiseks.
Ehitus: Tavaliselt sisaldab LC komponente nii, et nende kombinatsioon määrab kindla sagedusala, mis suletakse.
Tüüpiline rakendus: Müra või ebasoovitavate sageduste eemaldamine raadio- ja sidevahendites, elektromagnetiliste häirete vähendamine.

LC-filtrite kasutusalad:

Toiteallikad:

Madalsagedusfiltrid kasutatakse alalisvoolu toiteallikates, et eemaldada vahelduvvoolu komponendid ja stabiliseerida alalisvoolu väljund.

Raadiosageduslikud (RF) ahelad:

Kõrgsagedusfiltrid ja ribapääsfiltrid leiavad kasutust raadiosageduslikes ahelates, näiteks raadiovastuvõtjates ja antennides, kus need aitavad kindla sagedusriba signaale edastada ja müra blokeerida.

Helisüsteemid:

Madalsagedusfiltrid ja kõrgsagedusfiltrid kasutatakse helisüsteemides, et filtreerida teatud sagedusvahemikud ja edastada ainult soovitud helikomponendid. Näiteks madalpääsfiltrid suunavad madalaid helisagedusi bassikõlaritesse ja kõrgpääsfiltrid suunavad kõrgsageduslikke helisid tweeter’itesse.

Elektromagnetilise ühilduvuse (EMC) tagamine:

Ribakõrvalefiltrid on olulised elektromagnetiliste häirete (EMI) eemaldamiseks, et vältida häireid teistest seadmetest või süsteemi enda sisemisi häireid.

LC-filtrid on väga olulised elektroonikas, kuna need võimaldavad soovitud signaalide edastamist ja soovimatute sageduste summutamist, mis tagab parema signaali kvaliteedi ja seadmete töökindluse.

Kokkuvõttes on filtreerimine ja silumine väga oluline funktsioon elektroonikaseadmetes, et hoida signaalid ja pinge võimalikult stabiilsena, eemaldades soovimatud sagedused ja vähendades müra.

3. Signaalide edastamine ja vastuvõtt

Raadiovastuvõtjates ja saatjates kasutatakse mähiseid sageduse selekteerimiseks ja võimendamiseks. Mähised aitavad luua resonantssagedusi, mis on vajalikud täpsete raadiosignaalide eristamiseks ja võimendamiseks.

Raadiovastuvõtjates ja saatjates mängivad mähised olulist rolli signaalide selekteerimisel ja võimendamisel. Need komponendid on vajalikud raadiosageduslike signaalide töötlemiseks ja täpsete sageduste eraldamiseks paljude teiste sageduste seast. Mähised töötavad tavaliselt koos kondensaatoritega, moodustades LC-ahelaid, mis võimaldavad resonantsi, et häälestuda soovitud sagedustele. Selgitame allpool põhjalikumalt, kuidas mähised töötavad ja milleks neid raadiovastuvõtjates ja saatjates kasutatakse.

Sageduse selekteerimine LC-resonantsahela abil

Raadiovastuvõtjates ja -saatjates on vaja valida täpne sagedus, et eraldada soovitud raadiosignaal paljude teiste signaalide ja mürade seast, mis levivad samaaegselt õhus. Selleks kasutatakse mähiseid koos kondensaatoritega LC-resonantsahelates.

Resonantsahel:

LC-ahel koosneb mähisest (L) ja kondensaatorist (C), mis töötavad koos resonantsi loomiseks. Resonants tekib siis, kui induktiivpooli ja kondensaatori reaktiivtakistused tasakaalustavad teineteist, tekitades süsteemi jaoks spetsiifilise resonantssageduse ((f_r)).

Resonantssageduse valem on järgmine:

$f_r = \frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}$

L – mähise induktiivsus (henrites, H)
C – kondensaatori mahtuvus (faradites, F)
(f_r) – resonantssagedus (hertsides, Hz)

Selle valemi abil saab LC-ahel häälestuda kindlale sagedusele, kus mähise ja kondensaatori reaktiivtakistused üksteist tühistavad, võimaldades ainult selle sageduse läbimist. See tähendab, et ainult resonantssagedusega signaal pääseb edasi, samal ajal kui teised sagedused summutatakse. Sageduse selekteerimine on vajalik, et raadiovastuvõtja saaks tuvastada ja töödelda just seda konkreetset signaali, millele see on häälestatud (nt raadiojaam).

Näide:

Kui soovid kuulata 98 MHz raadiojaama, peab raadiovastuvõtja LC-ahel olema häälestatud resonantssagedusele 98 MHz. Ahel blokeerib kõik teised sagedused peale 98 MHz, võimaldades edastada vaid soovitud raadiosignaali.

Signaali võimendamine

Pärast sageduse selekteerimist vajavad vastuvõetud signaalid sageli täiendavat võimendamist, kuna raadiosignaalid võivad olla väga nõrgad. Mähised aitavad võimendamise protsessis mitmel viisil.

A. Võimendustrafod:

Raadiovastuvõtjates ja saatjates kasutatakse mähiseid tihti trafodena, et võimendada või muuta signaali pinge taset. Trafosid kasutatakse signaalide pinge tõstmiseks või langetamiseks sõltuvalt süsteemi vajadustest.
Kui signaal on väga nõrk, võib primaarmähise magnetväli indutseerida tugevama voolu sekundaarmähises, tõstes seeläbi signaali pinge taset. See on oluline eriti AM- ja FM-raadiovastuvõtjates, kus signaale tuleb tugevdada enne nende töötlemist ja muutmist kuuldavaks heliks.

B. Suurenenud signaalikvaliteet:

Mähised aitavad ka signaale stabiliseerida ja võimendada, vähendades müra ja häireid. See võimaldab vastuvõetaval signaalil olla puhtam ja täpsem, mis parandab vastuvõtja üldist jõudlust ja tagab parema kuulamiskogemuse.

Resonantsi loomine raadiosageduste jaoks

Resonants on raadiosüsteemide jaoks äärmiselt oluline. Mähised aitavad luua resonantssagedusi, mis on vajalikud teatud raadiosageduslike signaalide täpseks eraldamiseks ja võimendamiseks. Resonants võimaldab vastuvõtjal töötada täpselt selle sagedusega, mida soovitakse kuulata või saata, samal ajal kui kõik teised sagedused blokeeritakse või ignoreeritakse.

A. Vastuvõtjates:

Vastuvõtjad kasutavad resonantsahelaid, et häälestuda kindlale sagedusele, näiteks konkreetsele raadiojaamale või saatjale. Mähis LC-ahelas aitab täpselt valida selle sageduse, kus signaal on kõige tugevam ja puhtam. Kuna raadiovastuvõtjate antennid püüavad kinni palju erinevaid sagedusi, aitab resonants neilt soovitud sagedust eristada.

B. Saatjates:

Raadiosaatjad kasutavad resonantsi, et edastada signaale kindlal sagedusel. See tagab, et signaalid edastatakse täpselt määratud sagedusel, vältides segadust teiste sagedustega ja võimaldades saatjal edastada täpse signaali valitud vahemikus.

Kasutamine raadio ja raadiosageduslikes rakendustes

Mähised on olulised mitte ainult traditsioonilistes AM- ja FM-raadiotes, vaid ka paljudes muudes raadiosageduslikes rakendustes, nagu:

Mobiilsides: Mähised aitavad mobiilsidesüsteemides selekteerida ja võimendada erinevaid sagedusi, mida kasutatakse andmeside edastamiseks.
Wi-Fi ja Bluetooth-seadmetes: Need seadmed kasutavad sarnaseid sageduse selekteerimise ja võimendamise tehnikaid mähiste ja kondensaatorite abil.
Saatjate ja vastuvõtjate antennides: Antennides, mis edastavad ja vastuvõtavad signaale, kasutatakse mähiseid signaali kvaliteedi ja tugevuse parandamiseks.

Kokkuvõte

Mähised on raadiovastuvõtjates ja -saatjates hädavajalikud komponendid, mis aitavad valida ja võimendada signaale. Mähised moodustavad koos kondensaatoritega LC-resonantsahelaid, mis võimaldavad süsteemil häälestuda kindlatele sagedustele, jättes kõrvale kõik teised sagedused. Pärast soovitud sageduse valimist aitavad mähised ka signaali võimendada, et seda oleks lihtsam töödelda ja edastada. Tänu nendele omadustele on mähised kriitilise tähtsusega raadiosageduskommunikatsioonis ja paljudes muudes elektroonikaseadmetes.

4. Trafo põhimõte ja mutuaalne induktsioon

Kahe või enama mähise vahel võib tekkida mutuaalne induktsioon, kus ühe mähise magnetväli indutseerib teises mähises voolu. Seda põhimõtet kasutatakse trafodes, mis võimaldavad pinget tõsta või langetada, samuti energia ülekandmiseks ühest ahelast teise ilma füüsilise ühenduseta.

5. Elektromagnetid (solenoidid)

Mähised võivad luua tugeva magnetvälja, kui vool läbib neid, ning neid kasutatakse elektromagnetides, näiteks releedes, elektrimootorites ja generaatorites.

Lineaarliikumisega solenoid

Lineaarliikumisega solenoidil (Joonis) on kolm tähtsat tunnust: käigupikkus, jõud ja töötsükkel.

Käigupikkus on kaugus kuhu solenoidi südamik liigub.

Jõudu võib defineerida liikumise alguses liikumises, lõppedes või kogu liikumise jooksul. Jõud on alguses väiksem kui liikumise lõpus.

Töötsükkel on väljendatud protsendina (Näitab kui suure osa moodustab sisselülitamisaeg kogu tsükli ajast.)

Ühesuunalised lineaarliikumisega solenoid [44]

Kahe suunalised lineaarliikumisega solenoidid

Kahe suunalised lineaarliikumisega solenoidid.

Kahesuunalised lineaarliikumisega solenoidid puhul kasutatakse tavaliselt kahte erineva polaarsusega mähist.

Kahe suunalised lineaarliikumisega solenoid [44]

Bistabiilsed solenoid

Bistabiilsel solenoidil on kaks stabiilset positsiooni, solenoidmähise konstruktsioonis on püsimagnetid, mis võimaldavad südamikul kindla positsiooni säilitada ka pärast elektriimpulssi. Perspektiivis on bistabiilsel solenoidil kaks stabiilset seisundit. Esiteks- kui solenoidile on elektriliselt rakendatud ja südamik on täielikult väljas ja teiseks – kui solenoid on ilma vooluta ning südamik fikseeritakse püsimagnetitega (Joonis 3.4)

Bistabiilne lineaarliikumisega solenoid [44]

Pöördliikumisega solenoidid

Põhiliselt kasutatakse kahte tüüpi pöördliikumisega solenoide:

Ühesuunalise pöördliikumisega solenoidid (solenoidmähisest arendatav jõud on ühesuunaline ja tagastust toimub mehaaniliselt, kõige sagedamini vedruga).

Kahesuunalise pöördliikumisega solenoidid (kasutatakse kahte pooli, – kiirendust muudetakse keerdude arvuga)

Ühesuunaline pöördsolenoid

Ühesuunalise pöördsolenoide maksimaalne pöördenurk on reeglina 95 ° ja kahesuunalise pöördsolenoidi pöördenurgad ei ületa 45 °. Automaatikas kasutatakse suhteliselt arva ka suurema pöördenurgaga pöördsolenoide.

Hoidesolenoidid ehk hoidemagnetid

Hoidesolenoidid ehk hoidemagnetid on ilma liikuva südamikuta elektromagnetid, mis omavad suurt hoidejõudu (alates 250 kg hoidejõuga magneteid kasutatakse uste sulgemiseks … üle 700 kg hoidejõuga magneteid kasutatakse turvalukkudes)

Hoidesolenoid

Olulised parameetrid

Mähise toimivust ja omadusi mõjutavad mitmed parameetrid:

Induktiivsus (L) – mõõdetakse henrites (H). Suur induktiivsus tähendab, et mähis suudab rohkem energiat magnetvälja kujul salvestada.
Maksimaalne voolutugevus – määrab, kui palju voolu mähis suudab taluda ilma ülekuumenemiseta või füüsilise kahjustuseta.
Tööpiirkond (sagedusvahemik) – sõltuvalt südamiku materjalist ja konstruktsioonist võib mähis olla sobilik kas madala või kõrge sagedusega signaalide jaoks.
Mähise takistus – mähise traadil on ka teatav elektriline takistus, mis võib põhjustada soojuskaod.

Kokkuvõte

Induktiivpool ehk mähis on elektroonikas ja elektrotehnikas oluline komponent, mille põhifunktsiooniks on energia salvestamine magnetvälja kujul ning voolu muutuste takistamine. Mähised on hädavajalikud nii energiat salvestavates vooluahelates, signaalide töötlemises kui ka pinge ülekandmises trafo kaudu. Erinevad mähise tüübid on kohandatud eri rakenduste jaoks, pakkudes optimaalset lahendust vastavalt kasutusvaldkonnale ja nõuetele.

Induktiivpool

Induktiivpool (lühidalt: pool) on elektroonikakomponent, mida kasutatakse elektriahelates võnkeringide ja filtrite induktiivelemendina. Pooli põhiline tunnussuurus on elektriline induktiivsus.

Induktiivpooli, millega vähendatakse koormusahelas voolu vahelduvkomponenti või tõkestatakse teatud sagedusest kõrgemate sageduskomponentide edasipääsu, nimetatakse paispooliks ehk drosseliks.

Ehitus

Induktiivpooli (drosseli) tingmärk elektriskeemides

Pool koosneb alusest ja sellele mähitud mähisest. Alusele mähitud poolidel võib olla üks või mitu mähist. Samuti võivad ühe mähise osad olla alusele mähitud sektsioneeritult, ühekihilised mähised kindla keerusammuga.

Väikese induktiivsusega poolide puhul võib poolialus ka puududa. Kõrgsageduspoolid, mis on mähitud jämedast vask- või hõbetatud traadist, võivad olla ka ilma aluseta (mähitud vastava jämedusega alusele ja seejärel alus eemaldatud).

Selleks et vähendada pooli mõõtmeid ja võimaldada induktiivsust teatud piirides sujuvalt reguleerida, kasutatakse suurt magnetilist läbitavust omavat ferriitsüdamikku. Ülikõrgsageduspoolides kasutatakse diamagnetilisest metallist (nt vasest) südamikke; need mõjuvad induktiivsust vähendavalt.

Parasiitsidestuste tekkimise vältimiseks varjestatakse induktiivpoolid vask- või alumiiniumplekist varjega.

Mitmesuguseid induktiivpoole
Raadiosageduspoole
(all: ferriitantenn kesk- ja pikklainele)
Lameda ferriitsüdamikuga pool trükilülitusele
Induktiivkomponendid (värvimarkeeringuga)

Mähiste liigid

Pooli mähise kuju ja mähkimisviisi alusel eristatakse järgmisi mähiseid:

ühe- ja mitmekihiline tihemähis – mähitakse keerd keeru kõrvale ja vajadusel mähisekihid üksteise peale;
samm-mähis – mähitakse traadi läbimõõdust suurema keerusammuga;
sektsioonmähis – koosneb ühisele pikiteljele või alusele mitmest jadamisi mähitud ja omavahel ühendatud mähiseosast;
ristmähis – mähise naaberkihtides olevad mähisekeerud on omavahel mähitud mingi nurga all;
vabamähis – mähitakse vabalt (korrapäratult) aluse otsketaste ehk põskede vahele;
sümmeetriline mähis – saadakse kahe juhtmega korraga mähkimisel, kui ühe juhtme lõpp ühendada teise juhtme algusega, ühendamiskoht on mähise keskharund ehk keskväljaviik.

Induktiivpooli tunnussuurused ja aseskeem

Induktiivsus $L\!$ on võrdeline mähise keerdude arvu ruuduga ning sõltub ka mähise kujust ning südamiku materjalist;
Hüvetegur $Q\!$ on pooli induktiivtakistuse $\omega \!$ $L\!$ ja poolis tekkiva kõrgsagedustakistuse $R\!$ suhe: $Q={\frac {\omega L}{R}}$ ;
Omamahtuvus $C_{0}\!$ sõltub mähise keerdudevahelisest hajumahtuvusest $C_{L}\!$ ;
Induktiivsuse temperatuuritegur $\alpha _{L}\!$ näitab induktiivsuse suhtelist muutumist temperatuurimuutumisel 1 K võrra.

Kaotakistuste ja omamahtuvuse tõttu kujuneb Induktiivpooli või drosseli aseskeemmitmekomponendiliseks.

Südamikuta induktiivpoolid

Järgmiste valemite abil saab võrdlemisi täpselt arvutada südamikuta pooli induktiivsust ja keerdude arvu. Kõigis valemites on induktiivsus mikrohenrides (μH) ja poolide mõõtmed millimeetrites.

Ühekihiline tihemähisega induktiivpool

Ühekihilise tihemähisega induktiivpoole kasutatakse enamasti sagedusel üle 500 kHz. Mähis võib olla mähitud poolialusele tihedalt keerd keeru kõrvale või suurendatud sammuga, s.t mähis mähitakse traadi diameetrist suurema sammuga; mähise keerdude vahele jäävad siis vahed. Suurendatud sammuga poolid on väikese omamahtuvuse ja suure hüveteguriga ( $Q\!$ =150…400) ning stabiilsed.

Ühekihilise pooli induktiivsus $L={\frac {0,001N^{2}D}{{\frac {l_{m}}{D}}+0,45}},$

kus

$N$ ‒ pooli keerdude arv;
$D$ ‒ keeru läbimõõt, s.o poolialuse läbimõõdu $D_{p}$ ja traadi läbimõõdu $d$ summa;
$l_{m}$ ‒ mähise pikkus.

Sellesama valemiga saab arvutada ka samm-mähisega ühekihilise pooli (solenoidi) induktiivsuse. Mähise samm $s={\frac {l_{m}}{N-1}}.$

Kui on tarvis leida nõutava induktiivsuse $L$ saamiseks vajalik keerdude arv $N$ , võetakse lähteandmeteks pooli läbimõõt (keeru keskmine läbimõõt) $D$ ja pikkus $l_{m}$ ; siis keerdude arv $N={\frac {\sqrt {500L(2l_{m}+0,9D)}}{D}}.$

Mitmekihiline induktiivpool

Mitmekihilise pooli induktiivsus $L={\frac {0,001N^{2}D}{{\frac {1,12l_{m}}{D}}+{\frac {1,25h_{m}}{D}}+0,375}},$

kus

$N$ ‒ mähise keerdude arv;
$D$ ‒ mähise keskmine läbimõõt;
$l_{m}$ ‒ mähise pikkus;
$l_{h}$ ‒ mähise kõrgus.

Traadi kindla pikkuse korral saadakse suurima induktiivsusega pool sel juhul, kui ${\frac {D}{h_{m}}}=3$ ja $h_{m}=l_{m}$ . Niisuguse, optimaalse kujuga pooli aktiivtakistus on väiksem kui mistahes muu kujuga poolil. Optimaalse kujuga pooli keerdude arv tarviliku induktiivsuse saamiseks on leitav lihtsa valemiga $N=35{\sqrt {\frac {L}{D}}}.$

Et mähise mõõtmed olenevad keerdude arvust, ei saa neid mõõtmeid täpselt ette anda. Seepärast tuleb keerdude arv leida järkjärgulise lähendamise teel: arvutada orienteeriv keerdude arv mähise eeldatavate mõõtmete alusel, siis täpsustada mõõtmeid $l_{m},h_{m}$ ja $D$ ning arvutada uuesti keerdude arv.

Lamemähisega induktiivpoolid

Lamemähisega induktiivpoolid on omadustelt võrreldavad ühekihiliste samm-mähisega poolidega. Neil trükimenetlusel valmistatavatel poolidel on väike omamahtuvus, suur hüvetegur ja stabiilsed parameetrid. Lamemähisega poolid on harilikult ring- või ruutspiraalse kujuga. Järgmistes arvutusvalemites on induktiivsus mikrohenrides ja mõõtmed millimeetrites.

Ringspiraalse lamepooli induktiivsus $L_{l}=0,25k_{1}N^{2}(D_{max}-D_{min})\cdot 10^{-4}.$

Ringspiraalse lamepooli ja ruutspiraalse lamepooli kujutegur

Nõutava induktiivsuse saamiseks vajalik ringspiraalse pooli keerdude arv $N_{l}={\sqrt {\frac {4L\cdot 10^{4}}{k_{1}(D_{max}-D_{min})}}}.$

Nendes valemites

$k_{1}$ – kujutegur, mis saadakse suhte ${\frac {D_{max}}{D_{min}}}\!$ alusel diagrammilt;
$D_{max}\!$ – pooli suurim välisläbimõõt (mm);
$D_{min}\!$ – pooli väikseim siseläbimõõt (mm).

Spiraali moodustavate poolringide tsentrite vahe $s_{0}$ määrab juhtmeriba laiuse $s_{r}$ ja nende vahe $s_{v}$ .

Ruutspiraalse lamepooli induktiivsus $L_{r}=k_{2}N^{2}A_{max}\cdot 10^{-4}.$

Nõutava induktiivsuse saamiseks vajalik ruutspiraalse pooli keerdude arv $N_{r}={\sqrt {\frac {L\cdot 10^{4}}{k_{2}A_{max}}}}.$

Nendes valemites

$k_{2}\!$ – kujutegur, mis saadakse suhte ${\frac {A_{min}}{A_{max}}}\!$ alusel diagrammilt;
$A_{max}\!$ – pooli suurim küljepikkus väljast (mm);
$A_{min}\!$ – pooli väikseim küljepikus seest (mm).

Südamikuga induktiivpoolid

Magnetsüdamikud

Kõrgsageduspoolide ja –drosselite valmistamisel kasutatakse pehmemagnetferriiti, varem ka magnetodielektrikuid, näiteks karbonüülrauda. Pehmemagnetferriidid, välja arvatud mangaantsinkferriit, on kasutatavad üldiselt nõrgas magnetväljas.

Ferromagnetilisi südamikke iseloomustab

efektiivne magnetiline läbitavus $\mu _{ef}\!$ ‒ südamikuta pooli induktiivsuse ja samasuguse südamikuga pooli induktiivsuse suhe;
südamiku hüvetegur – kaonurga tangensi $\tan \delta \!$ pöördväärtus; mida suurem on südamiku kaoenergia, seda väiksem on selle hüvetegur;
südamiku parameetrite stabiilsus – seda väljendab magnetilise läbitavuse temperatuuritegur, mis võrdub südamiku efektiivse magnetilise läbitavuse suhtelise muutusega temperatuuri muutumisel ühe Kelvini kraadi võrra.

Induktiivpoolidele valmistatakse ferriidist varrassüdamikke, plaatsüdamikke, keermestatud häälestussüdamikke, keermestatud plastpeaga häälestussüdamikke, ferriidist rõngas- ehk toroidsüdamikke, karbonüülrauast ja ferriidist ummis- ehk mantelsüdamikke.

Ferriitsüdamikuga poolid

Silindrilise ferriitsüdamikuga poolidel on suur hüvetegur ja väiksemad mõõtmed kui südamikuta poolidel. Südamiku kasutamisel poolis nõrgeneb pooli puisteväli, samuti lihtsustub pooli häälestamine.

Südamikuga pooli induktiivsus $L_{s}=\mu _{ef}L=(1,3...1,5)L.$

Ferriidist rõngassüdamikuga induktiivpoolid

Ferriidist rõngassüdamikku kasutatakse, kui on vaja minimaalsete mõõtmete juures maksimaalset induktiivsust. Rõngassüdamikuga poolide eeliseks on väike magnetvoo hajumine, puuduseks suhteliselt keeruline mähkimine ja induktiivsuse sujuva reguleerimise võimaluse puudumine.

Rõngassüdamikuga pooli induktiivsus (mikrohenrides): $L_{r}=1,26\mu _{d}N{\frac {S_{s}}{l_{k}}}\cdot 10^{-5}\!$

kus

$\mu _{d}\!$ – südamiku materjali dünaamiline magnetiline läbitavus,
$S_{s}\!$ – südamiku ristlõike pindala (ruutsentimeetrites),
$l_{k}\!$ – magnetjõujoonte keskmine pikkus (sentimeetrites),

Pooli keerdude arv $N_{r}=50{\sqrt {\frac {L(D_{1}+D_{2})}{\mu _{\text{r}}h(D_{1}-D_{2})}}}.$

kus

$L\!$ – pooli vajalik induktiivsus (µH),
$D_{1}\!$ – rõnga välisläbimõõt (mm),
$D_{2}\!$ – rõnga siseläbimõõt (mm),
$\mu _{\text{r}}\!$ – südamiku materjali suhteline magnetiline läbitavus,
$h\!$ – südamiku kõrgus (mm).

Mantelsüdamikuga induktiivpoolid

Mantelsüdamikuga poolidele on omane suur hüvetegur ja varjestusaste ning väike omamahtuvus. Südamiku konstruktsioonist tulenev magnetvarjestustoime ei välista vajadusel elektrostaatilist varjestamist.

Mantelsüdamikuga poolide induktiivsus arvutatakse samamoodi nagu silindrilise südamikuga pooli korral.

Diamagnetsüdamikuga induktiivpoolid

Diamagnetsüdamikuga induktiivpoolidel on induktiivsuse vähendamiseks mittemagnetilisest metallist (vask, alumiinium, valgevask) südamik. Diamagnetsüdamikuga on võimalik induktiivsust vähendada 10…15%. Mittemagnetiline südamik vähendab oluliselt pooli hüvetegurit. Kõige väiksemad kaod on puhtast vasest südamiku korral. Teistest metallidest südamike kasutamisel suureneb kadu võrdeliselt vase elektritakistuse ja kasutatava metalli elektritakistuse suhtega.

Induktiivpoolide varjestus

Poolide varjestamist kasutatakse neil juhtudel, kui on vaja ära hoida poolidevahelist parasiitsidestust. Parasiitsidestust tekitab poolide ümber olev magnetväli.

Varje mõjul väheneb pooli induktiivsus ja hüvetegur ning suureneb omamahtuvus. Pooli andmete muutumine on seda suurem, mida lähemal on varje pooli mähise keerdudele.

Poolide varjestamiseks kasutatakse alumiinium-, vask- või valgevaskplekist silindrilisi või ristkülikukujulisi topsikuid. Sageli tehakse kõrgsageduspoolide varjetesse avad, et oleks võimalik keerata häälestamiseks poolisüdamikke.

Dioodid

Sümbol:
Kirjeldus: Diood laseb elektrivoolul voolata ainult ühes suunas. Seda kasutatakse voolu suuna kontrollimiseks ja alaldi vooluringides.
Tähis: D või VD

LED (Valgusdiood)

Sümbol:
Kirjeldus: LED on diood, mis kiirgab valgust, kui selle kaudu voolab vool. Seda kasutatakse valgustamiseks ja indikaatoritena.
Tähis: D või LED

Transistor

Sümbol:
Kirjeldus: Transistor toimib lüliti või võimendina. Seda kasutatakse signaalide võimendamiseks ja vooluringide juhtimiseks.
Tähis: Q

Transistorite tingmärgid

npn-bipolaartransistor
(lühend inglise k NPN-BJT)
B ‒ baas, C ‒ kollektor, E ‒ emitter

pnp-bipolaartransistor
(PNP-BJT)

n-kanaliga pn-siirdega väljatransistor
(N-JFET)
G (Gate) ‒ pais, D (Drain) ‒ neel, S (Source) ‒ läte

p-kanaliga pn-siirdega väljatransistor
(P-JFET)

n-kanaliga vaegustüüpi MOS-transistor
(depletion-mode N-MOSFET)
(sisseehitatud n-kanaliga)

p-kanaliga vaegustüüpi MOS-transistor
(depletion-mode P-MOSFET)
(sisseehitatud p-kanaliga)

n-kanaliga küllustüüpi MOS-transistor
(enhancement-mode N-MOSFET)
(pingestamisel indutseeritava n-kanaliga)

p-kanaliga küllustüüpi MOS-transistor
(enhancement-mode P-MOSFET)
(pingestamisel indutseeritava p-kanaliga)

Isoleeritud paisuga bipolaartransistor
(IGBT)
G ‒ pais, C ‒ kollektor, E ‒ emitter

Toiteallikad

Patareid

Sümbol:
Kirjeldus: Patarei on vooluallikas, mis tekitab pinge ja juhib elektrivoolu vooluringis.
Tähis: BT

Akud

8. Lüliti:

Sümbol:
Kirjeldus: Lüliti katkestab või ühendab vooluringi, võimaldades voolu sisse- ja väljalülitamist.
Tähis: SW

4.2 Skeemide koostamine ja lugemine

Elektriskeemide lugemine ja koostamine hõlmab komponentide sümbolite äratundmist ning nende omavaheliste ühenduste mõistmist. Siin on mõned põhiprintsiibid ja näited.

1. Lihtne vooluring:

Kirjeldus:
Alustame lihtsast vooluringist, mis koosneb patareist, takistist ja LED-lambist. Patarei tekitab pinge, mis põhjustab voolu liikumise läbi takisti ja LED-i, mis siis süttib.

Skeem:

Selgitus:

Patarei on vooluallikas, mis tekitab pinge vooluringis.
Takisti piirab voolu, et kaitsta LED-i liigse voolu eest.
LED süttib, kui vool liigub läbi selle.

2. Vahelduvvoolu vooluring kondensaatori ja induktiivpooliga:

Kirjeldus:
Järgmine näide hõlmab vahelduvvoolu (AC) vooluringi, kus on ühendatud kondensaator ja induktiivpool. Selliseid vooluringe kasutatakse näiteks sagedusfiltrites ja võimendites.

Skeem:

RLC jadamisi ahel. (b) Generaatori väljundpinge ja voolu võrdlus. Faasinihe $\phi$ sõltub R, C ja L väärtustest.

Selgitus:

Vahelduvvoolu allikas tekitab perioodiliselt muutuvat pinget, mis ajab voolu läbi vooluringi.
Kondensaator salvestab energiat elektriväljas ja see on seotud vooluringi sagedusomadustega.
Induktiivpool salvestab energiat magnetväljas ja vastutab samuti sagedusomaduste eest.

3. Transistori kasutamine lülitina:

Kirjeldus:
Selles näites kasutatakse transistori lülitina, et juhtida voolu LED-i kaudu. Kui transistori baasile rakendatakse pinget, avab transistor vooluringi ja LED süttib.

Skeem:

Selgitus:

Transistor toimib lülitina. Kui lüliti on suletud, rakendatakse transistori baasile pinge, mis võimaldab voolul liikuda kollektorist emitterisse, süüdates LED-i.
Takisti kontrollib voolu LED-i kaudu, et kaitsta seda kahjustuste eest.

Elektriskeemide lugemine ja koostamine nõuab praktikat ja komponentide sümbolite tundmist. Esitatud skeemid ja nende selgitused aitavad luua arusaama, kuidas erinevad komponendid vooluringis koos toimivad ning kuidas skeeme tõlgendada ja koostada. Skeemide põhjalik mõistmine on kriitilise tähtsusega elektrotehnika ja elektroonika aluste õppimisel ja rakendamisel.

5. Elektriahelate koostamine ja analüüs

Selles peatükis käsitleme põhjalikult elektriliste komponentide, nagu takistid, kondensaatorid, induktiivpoolid ja toiteallikad, jada- ja rööpühendusi. Arutame, kuidas arvutada kogutakistust, mahtuvust, induktiivsust ja pinget erinevates konfiguratsioonides. Toome välja ka näidisülesanded, mis aitavad selgitada jada- ja rööpühenduste praktilist rakendust.

5.1 Jada- ja rööpühenduste põhimõtted

Elektriahelad võivad olla kas jadaühenduses, kus komponendid on ühendatud järjestikku ühes vooluringis, või rööpühenduses, kus komponendid on ühendatud paralleelselt. Jadaühenduses läbib iga komponenti sama vool, kuid pinge jaguneb komponentide vahel. Rööpühenduses jaguneb vool komponentide vahel, kuid pinge jääb kõigis harudes samaks.

5.2 Takistite jada- ja rööpühendused

5.2.1 Takistite jadaühendus

Takistite jadaühendus

Takistite jadaühenduses summeeruvad kõik takistid lineaarse summana, kuna vool läbib iga takisti järjestikku.

Kogutakistus $(R(_\text{jada}))$ :

$R_{\text{jada}} = R_1 + R_2 + \dots + R_n$

kus R₁, R₂,… Rₙ on iga jadaühenduses oleva takisti takistus.

Näide 1 (Takistite jadaühendus):

Antud on vooluring, milles on kolm jadaühenduses olevat takistit, väärtustega R₁ = 5 Ω, R₂ = 10 Ω ja R₃ = 20 Ω. Arvutage kogutakistus.

Lahendus:

$R_{\text{jada}} = 5 \, \Omega + 10 \, \Omega + 20 \, \Omega = 35 \, \Omega$

Kogutakistus on 35 Ω.

5.2.2 Takistite rööpühendus

Takistite rööpühendus

Takistite rööpühenduses voolab iga haru kaudu erinev vool, kuid pinge üle kõikide harude on sama. Kogutakistus arvutatakse pöördsummana.

Kogutakistus $(R(_\text{rööp}))$ :

$\frac{1}{R_{\text{rööp}}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \dots + \frac{1}{R_n}$

Näide 2 (Takistite rööpühendus):

Antud on vooluring, milles on kolm rööpühenduses olevat takistit, väärtustega R₁ = 5 Ω, R₂ = 10 Ω ja R₃ = 20 Ω. Arvutage kogutakistus.

Lahendus:

$\frac{1}{R_{\text{rööp}}} = \frac{1}{5 \, \Omega} + \frac{1}{10 \, \Omega} + \frac{1}{20 \, \Omega}$

$\frac{1}{R_{\text{rööp}}} = 0.2 + 0.1 + 0.05 = 0.35$

$R_{\text{rööp}} = \frac{1}{0.35} \approx 2.86 \, \Omega$

Kogutakistus on 2.86 Ω.

5.3 Kondensaatorite jada- ja rööpühendused

4.3.1 Kondensaatorite jadaühendus

Kondensaatorite jadaühendus

Kondensaatorite jadaühenduses jaguneb mahtuvus pöördvõrdeliselt, kuna pinge üle iga kondensaatori jaguneb.

Kogumahtuvus $(C(_\text{jada}))$ :

$\frac{1}{C_{\text{jada}}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \dots + \frac{1}{C_n}$

kus C₁, C₂,… Cₙ on iga jadaühenduses oleva kondensaatori mahtuvus.

Näide 3 (Kondensaatorite jadaühendus):

Antud on vooluring, milles on kolm jadaühenduses olevat kondensaatorit, väärtustega C₁ = 2 μF, C₂ = 4 μF ja C₃ = 8 μF. Arvutage kogumahtuvus.

Lahendus:

$\frac{1}{C_{\text{jada}}} = \frac{1}{2 \, \mu F} + \frac{1}{4 \, \mu F} + \frac{1}{8 \, \mu F}$

$\frac{1}{C_{\text{jada}}} = 0.5 + 0.25 + 0.125 = 0.875$

$C_{\text{jada}} = \frac{1}{0.875} \approx 1.14 \, \mu F$

Kogumahtuvus on 1.14 μF.

5.3.2 Kondensaatorite rööpühendus

Kondensaatorite rööpühendus

Kondensaatorite rööpühenduses summeerub mahtuvus lineaarse summana, kuna pinge üle kõikide kondensaatorite on sama.

Kogumahtuvus $(C(_\text{rööp}))$ :

$C_{\text{rööp}} = C_1 + C_2 + \dots + C_n$

Näide 4 (Kondensaatorite rööpühendus):

Antud on vooluring, milles on kolm rööpühenduses olevat kondensaatorit, väärtustega C₁ = 2 μF, C₂ = 4 μF ja C₃ = 8 μF. Arvutage kogumahtuvus.

Lahendus:

$C_{\text{rööp}} = 2 \, \mu F + 4 \, \mu F + 8 \, \mu F = 14 \, \mu F$

Kogumahtuvus on 14 μF.

5.4 Induktiivsuse jada- ja rööpühendused

5.4.1 Induktiivpoolide jadaühendus

nduktiivpoolide jadaühendus

Induktiivpoolide jadaühenduses summeerub induktiivsus lineaarse summana, kuna vool läbib järjestikku kõiki induktiivpooli.

Koguinduktiivsus $(L(_\text{jada}))$ :

$L_{\text{jada}} = L_1 + L_2 + \dots + L_n$

Näide 5 (Induktiivpoolide jadaühendus):

Antud on vooluring, milles on kolm jadaühenduses olevat induktiivpooli, väärtustega L₁ = 5 mH, L₂ = 10 mH ja L₃ = 15 mH. Arvutage koguinduktiivsus.

Lahendus:

$L_{\text{jada}} = 5 \, \text{mH} + 10 \, \text{mH} + 15 \, \text{mH} = 30 \, \text{mH}$

Koguinduktiivsus on 30 mH.

5.4.2 Induktiivpoolide rööpühendus

Induktiivpoolide rööpühendus

Induktiivpoolide rööpühenduses jaguneb induktiivsus pöördvõrdeliselt, kuna pinge üle iga haru on sama.

Koguinduktiivsus $(L(_\text{rööp}))$ :

$\frac{1}{L_{\text{rööp}}} = \frac{1}{L_1} + \frac{1}{L_2} + \dots + \frac{1}{L_n}$

Näide 6 (Induktiivpoolide rööpühendus):

Antud on vooluring, milles on kolm rööpühenduses olevat induktiivpooli, väärtustega L₁ = 5 mH, L₂ = 10 mH ja L₃ = 15 mH. Arvutage koguinduktiivsus.

Lahendus:

$\frac{1}{L_{\text{rööp}}} = \frac{1}{5 \, \text{mH}} + \frac{1}{10 \, \text{mH}} + \frac   {1}{15 \, \text{mH}}$

$\frac{1}{L_{\text{rööp}}} = 0.2 + 0.1 + 0.0667 = 0.3667$

$L_{\text{rööp}} = \frac{1}{0.3667} \approx 2.73 \, \text{mH}$

Koguinduktiivsus on 2.73 mH.

5.5 Toiteallikate jada- ja rööpühendused

Kui soovid selgitada, kuidas Rohde & Schwarz DC lauaarvuti toiteallikaid saab kasutada jada- või paralleelühenduses, siis siin on lihtne ja arusaadav selgitus:

Toiteallikad võimaldavad kasutajatel samaaegselt reguleerida erinevate väljundite pinget ja voolu. See on kasulik, kui sinu seadmed või katsed nõuavad mitmesuguseid elektrilisi parameetreid.

5.5.1 Toiteallikate jadaühendus

Jadaühenduses lülitatakse mitu toiteallikat järjestikku, et suurendada kogupinget. Näiteks, kui sul on neli toiteallikat, igaüks võimeline andma välja 25 volti, ja ühendad need jadamisi, siis on lõpptulemusena võimalik saavutada 100 volti. See meetod sobib hästi olukordades, kus on vaja kõrgemat pinget, kui üksik allikas suudab pakkuda.

Jadaühenduses summeeruvad toiteallikate pinged, samal ajal kui voolutugevus jääb samaks.

Kogupinge $(U(_\text{jada}))$ :

$U_{\text{jada}} = U_1 + U_2 + \dots + U_n$

Näide 7 (Toiteallikate jadaühendus):

Antud on kaks jadaühenduses olevat patareid, mille pinged on U₁ = 9 V ja U₂ = 6 V. Arvutage kogupinge.

Lahendus:

$U_{\text{jada}} = 9 \, \text{V} + 6 \, \text{V} = 15 \, \text{V}$

Kogupinge on 15 V.

5.5.2 Toiteallikate rööpühendus

Rööpühenduses ühendatakse toiteallikad kõrvuti, et suurendada koguvoolu. See tähendab, et kui su seadmed vajavad rohkem voolu, kui üks kanal suudab pakkuda, võid ühendada mitu kanalit paralleelselt. See jaotab voolukoormuse mitme kanali vahel, suurendades seeläbi voolutugevust, mida su süsteem suudab kasutada.

Rööpühenduses summeerub voolutugevus, samal ajal kui pinge jääb samaks.

Kogu voolutugevus $(I(_\text{rööp}))$ :

$I_{\text{rööp}} = I_1 + I_2 + \dots + I_n$

Näide 8 (Toiteallikate rööpühendus):

Antud on kaks rööpühenduses olevat patareid, mille voolutugevused on I₁ = 2 A ja I₂ = 3 A. Arvutage koguvoolutugevus.

Lahendus:

$I_{\text{rööp}} = 2 \, \text{A} + 3 \, \text{A} = 5 \, \text{A}$

Koguvoolutugevus on 5 A.

Turvalisus ja isolatsioon

On oluline, et kõik ühendused oleksid turvalised. Veendu, et toitekanalid oleksid korralikult isoleeritud. See tähendab, et kanalid ei ole ühendatud ühise maandusega ja iga kanal on elektriliselt sõltumatu. See aitab vältida soovimatut voolu liikumist ühest kanalist teise, mis võib põhjustada seadmete kahjustusi või isegi ohtlikke olukordi.

Selline lähenemine võimaldab väga paindlikku toitesüsteemi kohandamist vastavalt konkreetsetele vajadustele, olgu need siis teadustöös, tootearenduses või muudes tehnilistes rakendustes.

Kui soovid lisateavet või näiteid, külasta Rohde & Schwarz’i veebilehte: Rohde & Schwarz DC Power Supplies.

5.6 Kokkuvõte

Selles peatükis käsitleti põhjalikult takistite, kondensaatorite, induktiivpoolide ja toiteallikate jada- ja rööpühendusi. Toodi välja valemid ja näidisülesanded, mis aitavad paremini mõista, kuidas komponente vooluringis õigesti ühendada ja nende mõju voolule, pingele, mahtuvusele ja induktiivsusele analüüsida.

6. Alalisvoolu ja vahelduvvoolu vooluringid

Elektrotehnika ja elektroonika valdkonnas on kaks peamist elektrivoolu tüüpi: alalisvool (DC) ja vahelduvvool (AC). Need voolutüübid erinevad oma omaduste, rakenduste ja vooluringi disaini poolest. Selles peatükis käsitleme mõlema voolutüübi põhimõtteid, rakendusi ja vooluringi komponente.

6.1 Alalisvoolu põhimõtted

Alalisvool (DC – Direct Current) on elektrivool, mille suund ja tugevus jäävad ajas konstantseks. See tähendab, et elektronid liiguvad pidevalt ühes suunas – tavaliselt negatiivselt positiivse klemmini. Alalisvoolu tekitavad seadmed, mis annavad stabiilset ja muutumatut elektrivoolu. Sellistes vooluringides on ka pinge konstantne ega muutu ajas.

Alalisvoolu allikad:

Patareid ja akud: Keemiliste reaktsioonide abil tekitatakse elektrivool, mis liigub ühes suunas.
Päikesepaneelid: Muundavad päikeseenergia elektrienergiaks, andes väljundiks alalisvoolu.
Alaldid: Muudavad vahelduvvoolu (AC) alalisvooluks, kasutades pooljuhtseadiseid nagu dioodid.
Alalisvoolugeneraatorid: Toodavad alalisvoolu elektromagnetilise induktsiooni abil.

6.1.1 Alalisvoolu rakendused

Alalisvoolu kasutatakse laialdaselt seadmetes ja süsteemides, kus on vaja stabiilset ja ühtlast elektrivoolu. Peamised rakendused hõlmavad:

Madalpinge elektroonikaseadmed: Mobiiltelefonid, sülearvutid, tahvelarvutid ja muud kaasaskantavad seadmed kasutavad alalisvoolu, kuna nende komponendid nõuavad stabiilset toiteallikat.
Akusüsteemid: Akud ja patareid varustavad seadmeid stabiilse alalisvooluga, võimaldades nende iseseisvat tööd ilma võrgutoiteta.
Sõidukite elektrisüsteemid: Autode ja teiste sõidukite elektrilised süsteemid, sealhulgas valgustus, audioseadmed ja mootorite juhtimissüsteemid, töötavad alalisvooluga.
Päikeseenergiasüsteemid: Päikesepaneelid toodavad alalisvoolu, mida saab kasutada otse DC-seadmete toiteks või muundada vahelduvvooluks inverterite abil, et toita tavalisi koduseid seadmeid.
Elektroonika komponendid: Paljud elektroonikakomponendid, nagu transistorid ja integraallülitused, töötavad alalisvooluga.

6.1.2 Alalisvoolu vooluringi komponendid

Alalisvoolu vooluring koosneb mitmest põhikomponendist, mis töötavad koos elektrivoolu juhtimiseks ja kasutamiseks:

Toiteallikas:

Patareid või akud: Tekitavad pinge ja juhivad elektrivoolu läbi vooluringi.
Päikesepaneelid: Toodavad alalisvoolu päikeseenergia muundamisel.

Juhtmed:

Elektrijuhtivad materjalid, tavaliselt vask või alumiinium, mis ühendavad vooluringi komponente ja võimaldavad voolu liikumist.

Takistid:

Komponendid, mis piiravad voolutugevust, kaitstes teisi vooluringi komponente liigse voolu eest.
Kasutatakse voolu reguleerimiseks ja pinge jaotamiseks vooluringis.

Lülitid:

Seadmed, mis katkestavad või ühendavad vooluringi, võimaldades voolu sisse- ja väljalülitamist.
Näited: Nupplülitid, kiiklülitid, releed.

Laadid (koormused):

Elektrilised seadmed, mis kasutavad voolu töö tegemiseks.
Näited: LED-lambid, mootorid, elektroonikakomponendid, andurid.

Muud komponendid:

Kondensaatorid: Salvestavad elektrilaengut ja siluvad pinge kõikumisi.
Dioodid: Lubavad voolu voolata ainult ühes suunas, kaitstes vooluringi pöördpinge eest.
Transistorid: Kasutatakse voolu lülitamiseks ja signaalide võimendamiseks.

6.1.3 Näited alalisvoolu vooluringidest

Näide 1: Lihtne LED-vooluring

Komponendid:

Patarei: 9 V
Lüliti
Takisti: 470 Ω (oomi)
LED-lamp
Juhtmed

Kirjeldus:

Kui lüliti on suletud, voolab vool patareist läbi takisti ja LED-lambi, mis süttib.
Takisti piirab voolu, et kaitsta LED-i liigse voolu eest.
LED-lamp muundab elektrienergia valgusenergiaks.

Kujutis:

(Siin võiks olla skeem, mis näitab vooluringi ühendust.)

Näide 2: Mootori juhtimine lülitiga

Komponendid:

Aku: 12 V
Lüliti
Elektrimootor
Juhtmed

Kirjeldus:

Lüliti sulgemisel voolab vool akust läbi elektrimootori, mis hakkab pöörlema.
Elektrimootor muundab elektrienergia mehaaniliseks energiaks.
Seda põhimõtet kasutatakse näiteks mänguautodes või ventilaatorites.

Näide 3: Päikesepaneeliga toitev süsteem

Komponendid:

Päikesepaneel
Laadimisregulaator
Aku
Alalisvoolu koormus: LED-valgustid, DC-pumbad
Juhtmed

Kirjeldus:

Päikesepaneel toodab alalisvoolu päikeseenergia muundamisel.
Laadimisregulaator kontrollib aku laadimist, vältides ülelaadimist.
Aku salvestab energiat, võimaldades süsteemil töötada ka pimedal ajal.
Alalisvoolu koormused kasutavad salvestatud energiat töö tegemiseks.

Näide 4: Arduino mikrokontrolleri vooluring

Komponendid:

USB-toide: 5 V alalisvool
Arduino plaat
Andurid ja aktuaatorid: Nupud, LED-id, servomootorid
Juhtmed ja prototüüpimisplaat

Kirjeldus:

Arduino saab toidet USB kaudu või alalisvoolu adapterist.
Andurid (näiteks temperatuurisensorid) saadavad signaale Arduino plaadile.
Aktuaatorid (näiteks mootorid, LED-id) juhitakse Arduino kaudu, mis kontrollib vooluringi vastavalt programmile.

6.1.4 Alalisvoolu eelised ja puudused võrreldes vahelduvvooluga

Eelised:

Stabiilne ja ühtlane pinge:
- Sobib tundlike elektroonikaseadmete jaoks, mis vajavad konstantset voolu.
Akude ja patareide kasutamine:
- Võimaldab kaasaskantavust ja sõltumatust võrgutoitest.
Lihtsus elektroonikakomponentidega:
- Paljud elektroonikakomponendid töötavad paremini või ainult alalisvooluga.
Ohutus madalatel pingetel:
- Madal pinge ja vool muudavad alalisvoolu ohutumaks teatud rakendustes.

Puudused:

Energiakadu pikkadel vahemaadel:
- Suuremad energiakaod võrreldes vahelduvvooluga, mis teeb alalisvoolu ebaefektiivseks elektrienergia ülekandmisel suurtele vahemaadele.
Pinge muundamise raskused:
- Alalisvoolu pinget on keerulisem tõsta või langetada ilma spetsiaalsete muunduriteta, kuna trafod ei tööta alalisvooluga.
Piiratud ühilduvus võrguga:
- Enamus elektrivõrke kasutavad vahelduvvoolu, mistõttu alalisvooluseadmed vajavad adaptereid või muundureid.
Kõrgemad kulud ülekandesüsteemides:
- Alalisvoolu ülekandesüsteemid võivad olla kulukamad ja keerulisemad rakendada.

6.1.5 Kokkuvõte

Alalisvool on oluline elektrivoolu tüüp, mida kasutatakse laialdaselt elektroonikas, sõidukites, taastuvenergia süsteemides ja paljudes muudes rakendustes. Selle stabiilsus ja ühtlus teevad selle ideaalseks tundlike seadmete jaoks, kuid samas on sellel piirangud elektrienergia edastamisel ja muundamisel. Mõistmine, kuidas alalisvoolu ahelad töötavad, ning nende eeliseid ja puudusi võrreldes vahelduvvooluga, on kriitiline elektrotehnika ja elektroonika valdkonnas.

Märkus: Lisatud on põhjalik ülevaade alalisvoolu põhimõtetest, rakendustest, vooluringi komponentidest ning toodud on mitmeid näiteid. Samuti on esitatud eelised ja puudused võrreldes vahelduvvooluga, nagu soovitud.

6.2 Vahelduvvoolu (AC) põhimõtted

Vahelduvvool (AC – Alternating Current) on elektrivool, mille suund ja tugevus muutuvad ajas perioodiliselt. Vahelduvvoolu puhul liiguvad elektronid edasi-tagasi, mitte ainult ühes suunas nagu alalisvoolu puhul. Tavaliselt on vahelduvvoolu kuju sinusoidaalne, mis tähendab, et pinge ja vool vahelduvad positiivsete ja negatiivsete väärtuste vahel teatud sagedusega.

Vahelduvvoolu peamised omadused:

Sagedus: Sagedus näitab, mitu korda vool muudab suunda ühes sekundis. Vahelduvvoolu sagedus mõõdetakse hertsides (Hz).
Euroopas on tavaliseks sageduseks 50 Hz, samas kui Põhja-Ameerikas on sagedus 60 Hz.
Periood: Vahelduvvoolu täielik tsükkel koosneb ühest positiivsest ja ühest negatiivsest poolest. Periood (T) on ajavahemik, mille jooksul vool läbib ühe täistsükli.
$T = \frac{1}{f}$

kus:
T on periood (sekundites),
f on sagedus hertsides (Hz).
Efektiivväärtus (RMS): Kuna vahelduvvoolu pinge ja vool muutuvad ajas, kasutatakse praktikas efektiivväärtust (RMS – Root Mean Square), mis esindab sama võimsust kui alalisvoolu pinge või vool. Vahelduvvoolu pinge ja voolu RMS-väärtusi saab arvutada järgmiste valemitega:
$U_{\text{RMS}} = \frac{U_{\text{max}}}{\sqrt{2}}, \quad I_{\text{RMS}} = \frac{I_{\text{max}}}{\sqrt{2}}$

kus:
$U_{\text{RMS}}$ ja $I_{\text{RMS}}$ on vahelduvvoolu efektiivväärtused,
$U_{\text{max}}$ ja $I_{\text{max}}$ on vahelduvvoolu maksimaalsed väärtused.

Vahelduvvoolu allikad:

Generaatorid: Elektrijaamades toodetakse vahelduvvool generaatorite abil, kus mehaaniline energia muudetakse elektrienergiaks läbi magnetvälja ja pöörleva mehaanika.
Inverterid: Inverterid muundavad alalisvoolu (nt päikesepaneelide toodetud energia) vahelduvvooluks, mida saab kasutada majapidamises või elektrivõrku tagasijuhituna.

6.2.1 Vahelduvvoolu faas ja faasinihe

Vahelduvvoolu (AC) analüüsimisel on faas ja faasinihe olulised mõisted, mis kirjeldavad pinge ja voolu suhet ajas. Vahelduvvoolus muutuvad nii pinge kui ka vool pidevalt ajas ja neil võib olla erinev faas ehk ajavahe, mille jooksul need saavutavad maksimaalse väärtuse.

6.2.2 Vahelduvvoolu faasi mõiste

Vahelduvvoolu puhul kirjeldab faas, millises punktis oma ajatsüklis (sinusoidses lainekujus) on pinge või vool igal ajahetkel. Faasi mõõdetakse kraadides või radiaanides, kus üks täistsükkel on 360 kraadi või $( 2\pi )$ radiaani. Tavaliselt kasutatakse pinge ja voolu faasi nihke analüüsimiseks sinusoidaalset lainekuju.

Sinusoidaalne pinge:
$u(t) = U_{\text{max}} \cdot \sin(\omega t + \phi_u)$

kus:
$( U_{\text{max}} )$ on pinge maksimaalne väärtus,
$( \omega )$ on nurksagedus $(( \omega = 2\pi f ))$ ,
$( t )$ on aeg,
$( \phi_u )$ on pinge faasinurk.
Sinusoidaalne vool:
$i(t) = I_{\text{max}} \cdot \sin(\omega t + \phi_i)$

kus:
$( I_{\text{max}} )$ on voolu maksimaalne väärtus,
$( \phi_i )$ on voolu faasinurk.

Faasinihe on erinevus pinge ja voolu faasinurkade vahel. See määrab, kas pinge ja vool on sünkroonis või kas üks neist “juhib” või “jääb maha” teise suhtes.

6.2.3 Faasinihe

Faasinihe $(( \Delta \phi ))$ on pinge ja voolu faaside vaheline erinevus. Kui pinge ja vool ei saavuta oma maksimaalseid väärtusi samal ajal, siis on nende vahel faasinihe. Faasinihet mõõdetakse kraadides või radiaanides.

Kui pinge ja vool on täpselt ühes faasis (st faasinihe on 0), siis pinge ja vool on sünkroonis ja muutuvad ajas samal ajal.
Kui pinge ja voolu vahel on faasinihe, siis üks saavutab maksimaalse väärtuse enne teist.

Faasinihe määratakse valemiga:

$\Delta \phi = \phi_u - \phi_i$

Kui $( \Delta \phi > 0 )$ , siis pinge juhib voolu.
Kui $( \Delta \phi < 0 )$ , siis vool juhib pinget.

6.2.4 Faasinihe takisti, kondensaatori ja induktiivpooli korral

Elektrivooluringides võib faasinihe tekkida vastavalt sellele, millised komponendid vooluringis asuvad.

Takisti (R) puhul ei ole faasinihet: pinge ja vool on sünkroonis, mis tähendab, et faasinihe on 0 kraadi.
Kondensaatori (C) puhul jääb vool pingest 90 kraadi ette (vool juhib pinget).
Induktiivpooli (L) puhul jääb vool pingest 90 kraadi maha (pinge juhib voolu).

Faasinihe takisti korral:

Takistiga vooluringis on pinge ja vool alati sünkroonis, kuna takisti ei põhjusta energiasalvestamist, vaid ainult energiakadu (soojusena).

Pinge ja vool takisti korral:

$u(t) = U_{\text{max}} \cdot \sin(\omega t)$

$i(t) = I_{\text{max}} \cdot \sin(\omega t)$

Faasinihe $( \Delta \phi = 0 )$ .

Faasinihe induktiivpooli korral:

Induktiivpool salvestab energiat magnetväljas, mille tõttu vool jääb pingest maha 90 kraadi võrra.

Pinge ja vool induktiivpooli korral:

$u(t) = U_{\text{max}} \cdot \sin(\omega t)$

$i(t) = I_{\text{max}} \cdot \sin(\omega t - \frac{\pi}{2})$

Faasinihe $( \Delta \phi = +90^\circ )$ (vool jääb maha pingest).

Faasinihe kondensaatori korral:

Kondensaator salvestab energiat elektriväljas, mis tähendab, et vool juhib pinget 90 kraadi võrra.

Pinge ja vool kondensaatori korral:

$u(t) = U_{\text{max}} \cdot \sin(\omega t)$

$i(t) = I_{\text{max}} \cdot \sin(\omega t + \frac{\pi}{2})$

Faasinihe $( \Delta \phi = -90^\circ )$ (vool juhib pinget).

6.2.5 Kompleksne impedants ja faasinihe

Vahelduvvoolu ahelate faasinihet on mugav analüüsida, kasutades kompleksset impedantsi $( Z )$ , mis hõlmab nii takistuslikku (reaalosa) kui ka reaktiivset (imaginaarosa) komponenti. Impedants määrab, kuidas komponent reageerib vahelduvvoolule.

Takisti impedants: $( Z_R = R )$
Induktiivpooli impedants: $( Z_L = j\omega L )(kus ( j )$ on imaginaarühik, $( \omega )$ on nurksagedus ja $( L )$ on induktiivsus)
Kondensaatori impedants: $( Z_C = \frac{1}{j\omega C} )$

Impedants on komplekshulk, kus faasinihe on määratud reaktiivse ja takistusliku komponendi suhtega.

6.2.6 Näidisülesanne: Faasinihe induktiivpooliga vooluringis

Ülesanne:

Antud on vooluring, kus on vahelduvvoolu allikas sagedusega $( f = 50 \, \text{Hz} )$ ja induktiivpool $( L = 50 \, \text{mH} )$ . Arvutage faasinihe ja pinge ja voolu suhe.

Lahendus:

Nurksagedus:
$\omega = 2\pi f = 2\pi \times 50 \, \text{Hz} = 314.16 \, \text{rad/s}$
Impedants induktiivpooli jaoks:
$Z_L = j\omega L = j \times 314.16 \times 50 \times 10^{-3} = j15.71 \, \Omega$
Faasinihe:
Induktiivpooli korral on faasinihe $( \Delta \phi = +90^\circ )$ , mis tähendab, et vool jääb pingest maha.

Graafiline illustratsioon (joonised)

Faasinihke illustreerimiseks sinusoidaalsete lainekujude graafik:

Graafik, mis näitab pinge ja voolu sinusoidaalseid laineid samal ajateljel, kus pinge ja vool on sünkroonis takisti korral, ning pinge juhib voolu induktiivpooli korral või vool juhib pinget kondensaatori korral.
Takisti korral: pinge ja voolu lained kattuvad.
Induktiivpooli korral: pinge laine saavutab maksimumi enne voolu lainet (90 kraadi faasinihe).
Kondensaatori korral: voolu laine saavutab maksimumi enne pinge lainet (90 kraadi faasinihe vastupidises suunas).

Kokkuvõte:

Faas ja faasinihe on olulised mõisted vahelduvvooluahelate analüüsil, määrates pinge ja voolu omavahelise ajavahe. Faasinihe sõltub vooluringis olevatest komponentidest: takistid ei põhjusta faasinihet, samas kui induktiivpoolid põhjustavad voolu mahajäämist ja kondensaatorid põhjustavad voolu edasijõudmist pinge suhtes. Faasinihe on kriitiline arusaam elektriliste ahelate analüüsimisel, eriti kui kasutusel on reaktiivkomponendid, nagu induktiivpool

6.2.7 Vahelduvvoolu rakendused

Vahelduvvoolu kasutatakse laialdaselt, eriti elektrivõrkudes ja koduste elektrisüsteemide toiteks. AC on standardne elektrivoolu tüüp, mida kasutatakse enamikus maailma elektrivõrkudes ja seadmetes.

Elektrienergia ülekandmine: Suurte vahemaade taha elektrienergia ülekandmine toimub vahelduvvooluga, sest pinge saab trafode abil tõsta ja langetada, vähendades energiakadu.
Kodused elektrisüsteemid: Kõik pistikupesad ja enamik kodumasinaid (nt külmikud, telerid, valgustid) töötavad vahelduvvooluga.
Suure võimsusega seadmed: Elektrimootorid, kliimaseadmed ja tööstuslikud seadmed kasutavad vahelduvvoolu, kuna see võimaldab efektiivselt edastada suurt võimsust.
Trafo süsteemid: Trafod võimaldavad AC pinget tõsta või langetada vastavalt vajadusele, mida kasutatakse laialdaselt elektrijaamades ja kodustes elektrivõrkudes.

6.2.8 Vahelduvvoolu vooluringi komponendid

Vahelduvvoolu vooluringid koosnevad paljudest samadest komponentidest, mis on ka alalisvoolu vooluringides, kuid nende tööpõhimõtted ja kasutusviisid on mõnevõrra erinevad.

Toiteallikas:

Elektrijaamad ja generaatorid: Toidavad võrgusüsteeme suure võimsusega vahelduvvooluga.
Inverterid: Muundavad alalisvoolu (nt akudest või päikesepaneelidest) vahelduvvooluks.

Juhtmed:

Elektrit juhtivad materjalid ühendavad vooluringi komponente ja võimaldavad voolu liikumist. Vahelduvvoolu puhul voolab vool pidevalt edasi-tagasi.

Takistid (Resistorid):

Takistid piiravad vahelduvvoolu voolutugevust ja jagavad pinget.
Vahelduvvoolu takistus võib olenevalt sagedusest varieeruda, eriti kui kasutusel on induktiivpoolid või kondensaatorid.

Kondensaatorid ja induktiivpoolid:

Kondensaatorid salvestavad energiat elektriväljas ja lasevad läbi vahelduvvoolu kõrgsageduskomponendid, samal ajal blokeerides alalisvoolu.
Induktiivpoolid (spiraalid) loovad magnetvälja ja takistavad vahelduvvoolu läbimist, eriti kõrgetel sagedustel.

Trafod:

Trafod on seadmed, mis kasutavad vahelduvvoolu, et tõsta või langetada pinge. Trafo tööpõhimõte põhineb elektromagnetilise induktsiooni seadusel.

6.2.9 Näited vahelduvvoolu vooluringidest

Näide 1: Lihtne vahelduvvoolu koduvalgustuse vooluring

Komponendid:

Toiteallikas: Elektrivõrk (230 V, 50 Hz)
Lüliti
Lamp (koormus)
Juhtmed

Kirjeldus:

Kui lüliti on suletud, voolab elektrivõrgust vahelduvvool läbi lambi, mis süttib. Lamp kasutab vahelduvvoolu valgusenergia tootmiseks.
Lüliti avamisel katkeb vooluring ja lamp kustub.

Näide 2: Trafo kasutamine pinge muutmiseks

Komponendid:

Toiteallikas: Elektrivõrk (230 V, 50 Hz)
Trafo: 230 V / 12 V
Koormus: 12 V valgusdiood (LED)
Juhtmed

Kirjeldus:

Vahelduvvoolu allikas (elektrivõrk) annab kõrge pinge (230 V).
Trafo muundab kõrge vahelduvvoolu pinge (230 V) madalaks vahelduvvooluks (12 V), et toita madalpingeseadmeid, näiteks LED-lampe.

6.2.10 Vahelduvvoolu võimsus (AC)

Vahelduvvoolu korral muutuvad pinge ja vool aja jooksul, seetõttu tuleb võimsust arvutada veidi erinevalt. Vahelduvvoolu korral on kaks peamist võimsuse tüüpi:

Tegelik võimsus (aktiivne võimsus, P): See on võimsus, mis tehakse tegelikult kasulikuks tööks, näiteks soojuse või mehaanilise energia tootmiseks. Seda mõõdetakse vattides (W).
Näiline võimsus (S): See on koguvõimsus, mis on saadud pinge ja voolu korrutisena ning mõõdetakse volt-amprites (VA).
Reaktiivne võimsus (Q): See on võimsus, mis läheb edasi-tagasi energiasalvestusseadmete, näiteks kondensaatorite ja induktiivpoolide vahel. Seda mõõdetakse volt-amprites reaktiivses (VAR).

Valemid:

Tegelik võimsus:
$P = U_{\text{eff}} \times I_{\text{eff}} \times \cos \phi$

Kus:

U_eff on efektiivpinge (voldis, V),
I_eff on efektiivvool (amprites, A),
cos φ on võimsustegur (tavaliselt väärtus vahemikus 0 kuni 1).

Näiline võimsus:
$S = U_{\text{eff}} \times I_{\text{eff}}$

Seda mõõdetakse VA-s (volt-amprites).
Reaktiivne võimsus:
$Q = U_{\text{eff}} \times I_{\text{eff}} \times \sin \phi$

Seda mõõdetakse VAR-ides (volt-amprites reaktiivses).

Näide:

Oletame, et vahelduvvooluahelas on efektiivpinge 230 V, efektiivvool 5 A ja võimsustegur 0,8.

Tegelik võimsus:
$P = 230 V \times 5 A \times 0,8 = 920 W$
Näiline võimsus:
$S = 230 V \times 5 A = 1150 VA$
Reaktiivne võimsus:
$Q = 230 V \times 5 A \times \sin(\arccos(0,8)) \approx 690 VAR$

Kokkuvõte

Alalisvoolus on võimsuse arvutamine lihtne, korrutades pinge vooluga: ( P = U \times I ).
Vahelduvvoolus on võimsuse arvutamine keerulisem, kuna arvestada tuleb võimsustegurit ja erinevaid võimsuse liike (tegelik, näiline ja reaktiivne võimsus).

Need valemid ja näited võimaldavad teil arvutada võimsust nii alalis- kui ka vahelduvvooluahelates, mis on oluline erinevate elektriliste seadmete ja süsteemide analüüsimisel ning projekteerimisel.

6.2.11 Vahelduvvoolu eelised ja puudused võrreldes alalisvooluga

Eelised:

Energia efektiivne edastamine:

Vahelduvvoolu pinget saab hõlpsasti tõsta ja langetada trafode abil, mis võimaldab elektrienergiat edastada pikkade vahemaade taha väikeste kadudega.

Lihtsam pinge muundamine:

Trafod töötavad ainult vahelduvvooluga ja võimaldavad tõhusat pinge muundamist, mis on oluline elektrivõrkudes ja kodustes süsteemides.

Suuremahuline elektrivõrk:

Elektrivõrgud üle maailma kasutavad vahelduvvoolu, kuna see sobib paremini võimsate süsteemide ja seadmete toiteks, nagu elektrimootorid ja kodumasinad.

Tööstuslikud rakendused:

Suure võimsusega elektrimootorid ja masinad töötavad vahelduvvooluga, kuna see võimaldab suuremat efektiivsust ja lihtsamat juhtimist.

Puudused:

Tundlikkus sagedusele:

Vahelduvvoolu süsteemid võivad olla tundlikud sageduse kõikumistele, mis võivad põhjustada seadmete ebaefektiivset tööd või kahjustusi.

Elektroonikaseadmed vajavad alalisvoolu:

Paljud elektroonikaseadmed töötavad alalisvooluga, mistõttu vajavad need adaptereid või alaldusseadmeid, mis muundavad vahelduvvoolu alalisvooluks.

Võib põhjustada rohkem elektromagnetilist häiret:

Vahelduvvoolu põhjustatud muutuvad magnetväljad võivad tekitada rohkem elektromagnetilist häiret, mis võib mõjutada tundlikke elektroonikaseadmeid.

6.2.12 Kokkuvõte

Vahelduvvool on maailmas laialdaselt kasutatav elektrivoolu tüüp, mis võimaldab energiat tõhusalt edastada pikkade vahemaade taha ja varustada suurt hulka koduseid ja tööstuslikke seadmeid. Vahelduvvoolu efektiivväärtus, pinge muundamise võimalus ja kasutusvõimalused suureskaalalistes elektrisüsteemides annavad sellele olulised eelised võrreldes alalisvooluga, kuigi elektroonikaseadmed nõuavad alalisvoolu, mistõttu on vajalik vahelduvvoolu muundamine alalisvooluks vastavate seadmete abil.

Märkus: Lisatud on vahelduvvoolu põhimõtted, rakendused, vooluringi komponendid ning arvutused, sealhulgas valemid ja näited. Samuti on välja toodud eelised ja puudused võrreldes alalisvooluga.

7. Pooljuhtseadised ja elektroonika põhialused

Pooljuhttehnoloogia on elektroonika süda, mis võimaldab luua erinevaid elektroonikaseadmeid, alates lihtsatest dioodidest ja transistoritest kuni keerukate integraallülitusteni. Selles peatükis käsitleme pooljuhtide põhimõtteid ja tüüpe, samuti dioodide ja transistorite tööpõhimõtteid ning rakendusi.

7.1 Pooljuhid

Põhimõtted:
Pooljuht on materjal, millel on elektrijuhtivus omadustes kuskil isolaatori ja juhi vahel. Pooljuhi juhtivust saab muuta, muutes temperatuuri, rakendades elektrivälja või lisades spetsiaalseid lisandeid (dopinguprotsess). Kõige levinumad pooljuhtmaterjalid on räni (Si) ja germaanium (Ge).

Tüübid: n- ja p-tüüpi pooljuhid

n-tüüpi pooljuht:

Põhimõte: n-tüüpi pooljuhis lisatakse pooljuhile viienda rühma elemente (näiteks fosforit), mille aatomitel on üks elektron rohkem kui räniaatomil. See lisaelektron ei ole tihedalt seotud aatomituumaga, mistõttu saab see hõlpsasti liikuda, tekitades elektrivoolu.
Doping: Protsessi, mille käigus lisatakse lisandeid, et suurendada vabu elektrone, nimetatakse n-dopinguks. Selle tulemusena muutub pooljuht n-tüüpi pooljuhtiks, kus peamised laengukandjad on negatiivselt laetud elektronid.

p-tüüpi pooljuht:

Põhimõte: p-tüüpi pooljuhis lisatakse pooljuhile kolmanda rühma elemente (näiteks boori), mille aatomitel on üks valentselektron vähem kui räniaatomil. See loob “auke” ehk positiivseid laengukandjaid, mis võivad elektroni liikumisel liikuda läbi pooljuhi.
Doping: Protsessi, mille käigus lisatakse lisandeid, et luua aukude liikuvust, nimetatakse p-dopinguks. Selle tulemusena muutub pooljuht p-tüüpi pooljuhiks, kus peamised laengukandjad on positiivsed augud.

Dopinguprotsess:
Dopinguprotsess seisneb lisandite lisamises puhtale pooljuhtmaterjalile, et muuta selle elektrilisi omadusi. See protsess võimaldab kontrollida pooljuhi juhtivust, luues n- või p-tüüpi pooljuhte. n- ja p-tüüpi pooljuhte kombineerides saab luua erinevaid elektroonilisi komponente, nagu dioodid ja transistorid.

7.2 Dioodid ja transistorid

Dioodid

Tööpõhimõte:
Diood on kahepoolne pooljuhtseadis, mis koosneb n- ja p-tüüpi pooljuhtidest, mis on ühendatud p-n ühenduseks. Diood lubab elektrivoolu voolata ainult ühes suunas – p-tüüpi pooljuhist n-tüüpi pooljuhti. Kui p-tüüpi pooljuhile (anoodile) rakendatakse positiivne pinge ja n-tüüpi pooljuhile (katoodile) negatiivne pinge, avatakse diood ja vool saab voolata. Kui pinge suund on vastupidine, blokeerib diood voolu.

Tüübid:

Tavaline diood: Kasutatakse voolu suuna juhtimiseks ja pinge stabiliseerimiseks.
Zeneri diood: Mõeldud töötama vastupidises suunas, võimaldades stabiliseerida pinge kindlal väärtusel.
LED (valgusdiood): Kiirgab valgust, kui selle kaudu voolab vool.
Schottky diood: Madala pingelangusega diood, mis võimaldab kiiret lülitumist.

Rakendused:

Alaldi vooluringides: Dioodid muundavad vahelduvvoolu alalisvooluks.
Pingestabilisaatorid: Zeneri dioode kasutatakse pingetaseme stabiliseerimiseks.
Valgusallikad: LED-e kasutatakse valgustus- ja signaalseadmetes.
Kaitse vooluringides: Dioodid kaitsevad komponente liigse voolu ja pöördpolarisatsiooni eest.

Transistorid

Tööpõhimõte:
Transistor on pooljuhtseadis, mida kasutatakse signaalide võimendamiseks ja lülitamiseks. Transistor koosneb kolmest kihi pooljuhist, mis moodustavad kaks p-n üleminekut. Neid kihte tähistatakse järgmiselt:

Bipolaarne transistori puhul on kaks tüüpi: NPN ja PNP.
NPN transistori puhul on kaks n-tüüpi pooljuhti eraldatud p-tüüpi pooljuhtkihiga.
PNP transistori puhul on kaks p-tüüpi pooljuhti eraldatud n-tüüpi pooljuhtkihiga.

Transistoril on kolm terminali:

Kollektor (C): Kollektorile kogutakse vool.
Emiter (E): Emitrist väljub vool.
Baasklemm (B): Baasklemmi kaudu juhitakse transistori tööd.

Kui baasvool rakendatakse baasklemmi ja emitteri vahel, võimaldab see suuremat voolu voolata kollektorist emitterisse. Seda omadust kasutatakse signaalide võimendamiseks ja lülitite loomiseks.

Tüübid:

Bipolaarne transistori (BJT): Kasutatakse võimendites ja lülitites.
Väljatransistori (FET): Kasutatakse kõrge impedantsiga rakendustes, näiteks digitaalsetes vooluringides.
MOSFET: Kasutatakse energiatõhusates ja kiiretes lülitustes, näiteks mikroprotsessorites ja toiteallikates.

Rakendused:

Võimendid: Transistorid võimendavad helisignaale raadiotes ja helivõimendites.
Lülitid: Transistorid toimivad lülititena arvutite loogikalülitustes ja toiteallikates.
Digitaalsed vooluringid: MOSFETid on kasutusel arvutikiipides ja mälu moodulites.
Võimendusvõimendid: Transistorid kasutatakse väikeste signaalide võimendamiseks telekommunikatsiooni seadmetes.

Pooljuhtide ja pooljuhtseadiste tundmine on elektroonika aluste oluline osa. Pooljuhid, nagu dioodid ja transistorid, on kaasaegsete elektrooniliste seadmete ehituskivid, võimaldades signaalide juhtimist, võimendamist ja töötlemist. Nende seadiste põhimõtete ja tööprotsesside mõistmine on vajalik elektroonika valdkonna edasiõppimiseks ja praktiliste rakenduste arendamiseks.

8. Digitaalelektroonika põhialused

Digitaalelektroonika tegeleb signaalide ja informatsiooni töötlemisega kahendsüsteemi abil, kus kasutatakse kahte põhiväärtust: 0 ja 1. Need väärtused esindavad loogilisi seisundeid ja on aluseks loogikalülitustele ja binaararvutustele, mis moodustavad tänapäevase arvutitehnika ja digitaalelektroonika aluse.

8.1 Loogikalülitused

Loogikalülitused on elektroonilised komponendid või vooluringid, mis töötlevad kahendsüsteemi väärtusi vastavalt teatud loogilistele reeglitele. Peamised loogikalülitused on AND, OR ja NOT lülitused.

1. AND lülitus (JA-lülitus):

Põhimõte: AND-lülitus annab väljundiks 1 ainult siis, kui kõik sisendid on 1. Kui üks või mitu sisendit on 0, on väljund 0.
Sümbol:
Tõeväärtustabel:

Sisend A	Sisend B	Väljund (A AND B)
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

2. OR lülitus (VÕI-lülitus):

Põhimõte: OR-lülitus annab väljundiks 1, kui vähemalt üks sisenditest on 1. Väljund on 0 ainult siis, kui kõik sisendid on 0.
Sümbol:
Tõeväärtustabel:

Sisend A	Sisend B	Väljund (A OR B)
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

3. NOT lülitus (EI-lülitus):

Põhimõte: NOT-lülitus (inverter) muudab sisendi väärtuse vastupidiseks. Kui sisend on 1, on väljund 0 ja vastupidi.
Sümbol:
Tõeväärtustabel:

Sisend	Väljund (NOT A)
0	1
1	0

Rakendused:

Loogikalülitused on aluseks digitaalsetele vooluringidele ja arvutite loogikalülitustele, nagu protsessorid ja mälu. Neid kasutatakse otsuste tegemiseks (nt võrreldes kahendsüsteemi väärtusi) ja erinevate funktsioonide (nt liitmine, lahutamine) teostamiseks digitaalsüsteemides.

8.2 Binaararvutused ja -tehted

Binaararvutused kasutavad kahendsüsteemi (binaarsüsteemi), kus iga number esitatakse ainult kahes olekus: 0 või 1. Binaarsüsteem on arvutite ja digitaalelektroonika aluseks, kuna see võimaldab andmete tõhusat salvestamist ja töötlemist.

Binaarsüsteemi olemus:

Kahendsüsteem: Binaarsüsteem kasutab kahte sümbolit, 0 ja 1, ning põhineb kahekümnendikorrutustel (2^n). Iga positsioon binaararvus esindab vastavat kahekümnendikorrutist.
Näide: Binaararv 1101 on kümnendsüsteemis võrdne 13-ga:
(1 × 2^3) + (1 × 2^2) + (0 × 2^1) + (1 × 2^0) = 8 + 4 + 0 + 1 = 13

Binaarliitmine:

Binaarliitmine toimub sarnaselt kümnendsüsteemi liitmisele, kuid kahes olekus (0 ja 1). Kaks binaararvu liidetakse järgmiselt:

Bitid	Arvutus	Väljund
0 + 0	0	0
0 + 1	1	1
1 + 0	1	1
1 + 1	10 (1)	0, ülekandega 1 järgmisesse kohta

Näide:
Lisame kaks binaararvu 1011 ja 1101:

1101

11000

Siin on ülekande kohta tulemuseks viies koht (1), mistõttu saame tulemuseks 11000.

Binaarlahutamine:

Binaarlahutamine on samuti sarnane kümnendsüsteemi lahutamisele, kuid see toimub kahes olekus. Kui tuleb lahutada suuremast numbrist väiksem arv, laenatakse ülemisest kohast.

Bitid	Arvutus	Väljund
0 – 0	0	0
1 – 0	1	1
1 – 1	0	0
0 – 1	10 – 1	1, laenuga 1 järgmisse kohta

Näide:
Lahutame binaararvud 1101 ja 1010:

1010

Rakendused:

Binaararvutused on aluseks arvutite matemaatilistele operatsioonidele, sealhulgas liitmisele, lahutamisele, korrutamisele ja jagamisele. Kõik andmetöötlus arvutis toimub binaarsüsteemi põhjal.
Binaarsüsteem võimaldab esitada andmeid, näiteks teksti, pilte ja heli, digitaalsetes seadmetes, kasutades ainult kahte olekut.

Digitaalelektroonika põhialused hõlmavad loogikalülituste ja binaararvutuste mõistmist. Loogikalülitused võimaldavad andmete töötlemist ja otsuste tegemist, samas kui binaarsüsteem moodustab arvutustehnika ja andmetöötluse aluse. Nende kontseptsioonide mõistmine on ülioluline, et mõista, kuidas tänapäevased digitaalseadmed töötavad ja kuidas nad töötlevad ja salvestavad teavet.