Bo Ståhl
Elektronik och mikrodatorteknik
Elektronik och mikrodatorteknik
Bo Ståhl
Bo Ståhl Syftet med faktaboken är att ge grundläggande kunskaper om elektronik och mikrodatorteknik.
Elektronik och mikrodatorteknik
Boken tar bland annat upp både analog och digital elektronik, programmering av enklare mikrodatorsystem, elektronikmonteringsarbete, elektronikscheman och symboler, beräkning av elektriska storheter, komponent- och kretsmätningar och datorsimuleringar. Första kapitlet ger en genomgång av ellärans grunder, och därför kan även du som varken läst ellära eller elektronik hänga med i boken. Till faktaboken finns även en arbetsbok med både praktiska övningar och teoretiska frågor.
ISBN 9789151109510
9 789151 109510
51109510.1.1_Omslag.indd Alla sidor
2023-03-08 13:36
Innehåll 1 Ellärans grunder
7
Vad är elektricitet?
8
Ledare, isolatorer och halvledare
Elektrisk spänning Elektrisk ström Elektriskt motstånd Ohms lag Elektrisk energi och effekt Energi
8
8 11 11 12 13 13
Seriekoppling Parallellkoppling
14 16
2 Elektroniken i vår vardag
18
Elektronik finns överallt
19
Utveckling av elektronik Produktion av elektronik Försäljning av elektronik Service och reparation Återvinning och miljö Analog och digital elektronik Analogteknik Digitalteknik
20 21 22 23 23 23 24 24
3 Elektronikkomponenter
25
ESD – Electro Static Discharge Passiva och aktiva komponenter Resistorn
27 28 29
Resistorer för olika ändamål Resistornät
30 30
Resistorers märkning Resistorer med färgkod Färgkod för resistorer med fyra färgringar Färgkod för resistorer med fem färgringar Märkning av effektresistorer Märkning av ytmonterade resistorer
Olika dekadserier–E-serier Mätning med multimeter Linjära och icke linjära resistorer Variabla resistorer Resistorsymboler i kopplingsscheman
Kondensatorn Kondensatorns arbetsspänning Kondensatorn som energilagrare Kondensatorn i tidkretsar Upp- och urladdning av kondensatorn
Olika typer av kondensatorer Spolen
30 30 31 31 32 32
32 33 33 34 35
36 37 37 37 38
39 40
Transformatorn
40
Förbindningsteknik
42
En bra lödning Avlödning vid reparation Lödning av ytmonterade komponenter Avlödning av SMD vid reparation Tänk på hälsan
44 44 45 45 45
4 Halvledare
46
Halvledare
47
Dioden Likriktardiod Zenerdiod LED – Lysdiod Inkoppling av en LED
48 49 49 50
Fotodioden
Transistorn Bipolär transistor Transistorns spänningar och strömmar Transistorn som en strömbrytare Strömförstärkning Darlingtontransistorn Spänningsförstärkning Fälteffekttransistorn Motorstyrning med sk H-brygga
Pulsbreddsmodulering–PWM Tyristorn Triac Optokopplaren Kylning av komponenter
54
55 56 59 59 60 60 61 63 64
65 65 65 67 67
5 Mikrodatorn
68
Mikrodatorn
69
Mikrodatorns arbetssätt Ledningsbussar Adressbussen Databussen Kontrollbussen
Mikrodatorns portar Mikrodatorns klocka Olika typer och fabrikat av mikrodatorer Arduino Raspberry Pi MT1
69 71 72 73 73
74 74 75 76 76 77
Binära talsystemet Hexadecimala talsystemet
78 78
6 Programmering
81
Programmering Programutveckling Flödesschema
82 84 84
Symboler Start/Stopp Arbete/Databehandling In- och utmatning av data Villkor Datariktning Fortsättning
Exempel på ett flödesschema Omvandla flödesschemat till programkod Instruktioner–kommandon Funktioner Variabler och konstanter Programmering med Flowcode
Kompilering och debug Simulering Överföring Dokumentation och kommentarer Arbetsmaterial med programmeringsövningar
84 84 84 85 85 85
85 85 87 87 87 88 88
88 90 90 92 92
7 Strömförsörjning
93
Strömförsörjning
94
Switchad nätdel Halvvågslikriktare Helvågslikriktare Utjämning – glättning Säkring
94 95 95 96 97
53
4
51109510.1.1_01_Ellärans grunder.indd 4
2023-03-08 11:41
Spänningsregulator
97
Justerbar regulator
98
8 Digital elektronik
100
Optiska givare PIR Termiska givare Kapacitiva givare Trådtöjningsgivare
Logiska grindar
101
Ställdon – Aktuatorer
OCH-grinden
101
Solceller
Tolkning av en digital IC
99
102
DC-motor – Likströmsmotor Stegmotorn Servomotorn Linjärmotor
ELLER-grinden ICKE-grinden ICKE OCH-grinden – NAND-gate ICKE ELLER-grinden – NOR-gate XOR-grinden XNOR-grinden NAND-syntes Logikkretsarnas in- och utgångar
104 104 105 106 106 107 107 108
Current sink - current source Matningsspänningar Spänningsnivåer Three-state Öppen kollektor Buffers Schmitt-trigger
108 109 109 109 110 111 111
Minnen
112
Vippor Astabil vippa Astabil vippa med 555 Monostabil vippa med 555
112 112 113
Bistabil vippa SR-vippa
114 115
D-vippa JK-vippa T-vippa
115 116 116
Räknare BCD-räknare Binärräknare
Register Avkodare BCD till 7-segment-avkodare
117
121
125
127 128
128
OP-förstärkarens frekvensomfång Några vanliga OP-förstärkare
135 136
137
Tonkontroller
138 139 140
10 Kringkomponenter
141
Sensorer och aktuatorer
142
Strömställare Omkopplare Magnetkontakt
152 153 153
154
Flyktiga minnen Icke flyktiga minnen
154 154
ROM PROM EPROM EEPROM – Flash
155 155 155 155
AD- och DA-omvandlare
156
Omvandling m. successiv approximation Rampomvandling Flashomvandling Multiplexade AD-omvandlare
DA-omvandlare Displayer Mikrofon Högtalare Piezoelement–summer
157 158 159 159
160 162 163 164 164
166 167
128 131 132 132 134 134
LP-filtret HP-filtret
Bufferkretsar Klockkretsar
165
Inverterande förstärkare Icke inverterande förstärkaren Spänningsföljaren Komparatorn Differensförstärkaren Viktigt att tänka på
Filter
Skydd av in- och utgångar
151 152
Multimetern Spänningsmätning
124
OP-förstärkarens egenskaper
150
Elektroniska relä – Solid state Tungelement
11 Mätteknik och simulering
123
Vanliga kopplingar med OP-förstärkaren
147 148 149 150
119 120
Analog teknik Transistorn som analog komponent
147
117 118
9 Analog elektronik Operationsförstärkare
Relä
145 145 146 146 146
142 144 145
TRMS
Strömmätning Indirekt strömmätning
168
168 169
Resistansmätning Diod- och transistormätning med DMM Oscilloskopet Specialinstrument Felsökning Simulering
170 170 172 174 175 176
12 Projekt
178
Vad är ett projekt?
179
Från idé till färdig produkt Konsulter Tidsplanering Material- och resursplanering Ekonomisk planering Uppföljning Utveckling Simulering Prototyp Testning Utvärdering
179 180 180 180 181 181 181 182 182 182 182
Index
183
5
51109510.1.1_01_Ellärans grunder.indd 5
2023-03-08 11:41
4 Halvledare Halvledarna tillhör de aktiva elektronikkomponenterna. Med aktiv menas att de kan förstärka och styra spänningar och strömmar, vilket inte de passiva komponenterna kan. Halvledare finns i alla elektronikapparater och genom upptäckten av halvledaren tog elektronikutvecklingen fart från 1960-talet och framåt. Grundämnet i halvledare är oftast kisel vilket det inte lär bli någon brist på eftersom det utvinns av vanlig sand. 46
4 Halvledare
51109510.1.1_04_Halvledare.indd 46
2023-03-08 11:50
Halvledare Vi har lärt oss att det finns material som är goda ledare för elektrisk ström och material som inte alls leder elektrisk ström, det som vi kallar ledare och isolatorer. I en ledare finns fria elektroner som lätt förflyttar sig när man ansluter en spänningskälla till ledaren. Goda ledare är de flesta metaller t ex guld, silver och koppar. Koppar är det material som används mest eftersom priset är rimligt i förhållande till de elektriska egenskaperna. I en isolator, exempelvis ett plastmaterial, är elektronerna starkt bundna till atomerna i materialet. De kan därför inte förflytta sig och leda elektrisk ström. Det finns också material som kallas halvledare som det går att påverka ledningsegenskaperna på. Komponenter som är tillverkade av detta material är bland annat kretsar som ingår i våra datorer. Ett mycket vanligt halvledarmaterial är kisel med den kemiska beteck ningen Si. Kisel är ingen speciellt bra ledare men genom att tillföra andra material genom så kallad dopning, så kan kisel bli både en iso lator och en mycket god ledare. Det går med andra ord att påverka ledningsegenskaperna i ett kiselmaterial som är dopat. Kiselatomen har fyra elektroner i sitt yttersta skal. Detta skal kallas valensskal. Genom att tillföra ett störämne, till exempel fosfor, får kisel atomen en femte elektron i valensskalet. Processen kallas N-dopning. Om man i stället dopar kiselatomen med ett ämne med färre elektro ner i valensskalet, exempelvis med ämnet bor, så bildas ett så kallat hål. Detta kallas P-dopning. På så sätt kan den femte elektronen i N-skiktet vandra över till P-skiktets hål och därmed förflytta en elektrisk laddning.
Vid dopning tillförs ett nytt material till grundmaterialet.
Vanliga elektronikkomponenter som är tillverkade med ett halvledar material är dioden och transistorn.
4 Halvledare
51109510.1.1_04_Halvledare.indd 47
47
2023-03-08 11:50
Dioden Di betyder två varifrån dioden har fått sitt namn. Dioden har två anslutningar som heter anod och katod. Schemasymbol för diod.
Dioden leder elektrisk ström endast i en riktning. Man kan säga att dioden är en backventil för elektrisk ström. Anoden är positiv och katoden är negativ.
Dioden kopplad i framriktningen. Lampan lyser. Ju större dioden är desto större framström klarar den.
Dioden kopplad i backriktningen. Lampan lyser inte.
När dioden ansluts till en spänningskälla och en belastning så uppstår ett spänningsfall på 0,6 V mellan anod och katod. Detta spänningsfall kallas framspänningsfall och förkortas UF. För att dioden överhuvud taget ska börja leda ström krävs att spänningen på anoden är 0,5 V större än på katoden vilket beror på PN-övergången mellan anod och katod. Strömmen som flyter genom dioden kallas framström, IF.
Framspänning UF eng. Forward voltage VF
Framström IF
eng. Forward current IF
Modell över en diod med PN-övergång.
Diagrammet visar att dioden börjar leda vid en framspänning på 0,5 V.
48
4 Halvledare
51109510.1.1_04_Halvledare.indd 48
2023-03-08 11:50
Generellt sett leder inte dioden ström i backriktningen, men det gäller inte om backspänningen blir för hög. Om den tillåtna backspänningen UR överskrids, så kommer dioden att leda för fullt och dessutom gå sönder. Därför är det viktigt att undersöka vilka värden dioden klarar i komponentens datablad.
Backspänning UR eng. Reversed voltage VR
Backström IR
eng. Reversed current IR
Dioden med beteckning 1N4148 är en vanlig diod i sammanhang där det förekommer små spänningar och strömmar. Den kallas ibland för signaldiod och ibland för switchdiod. SYMBOL
PARAMETER
CONDITIONS
VF
Forward voltage 1N4148 1N4448
IR
Reverse current
VR = 20 V o VR = 20 V; Tj =150 C
IR
Reverse current; 1N4448
Cd
Diode capacitance
VR = 20 V; Tj =100 C f = 1 MHz; VR = 0
trr
reverse recovery time
Vfr
Forward recovery voltage
IF = 10 mA IF = 5 mA IF = 100 mA
MIN.
0,62 -
MAX.
UNIT
1 0,72 1
V V V
25 50
nA µA
3
µA
3
µA
when switched from IF=10mA to IR=60 mA; RL = 100 W measured at IR = 1 mA
4
ns
when switched from IF = 50 mA; tr = 20 ns
2,5
V
o
Utdrag ur datablad för dioden 1N4148
Likriktardiod Dioden kallas ibland också för likriktardiod eftersom den förekommer i en mycket vanlig koppling som kallas likriktare. En likriktare används när man behöver omvandla en växelspänning till en likspänning. Det finns två typer av likriktare, halvvågslikriktare och helvågslikriktare. Likriktardioder ska klara större spänningar och strömmar än signal dioden. Likriktarkopplingar ska vi studera längre fram i boken.
Zenerdiod Till skillnad från likriktardioden som kopplas in i framriktningen så kopplas zenerdioden i backriktningen. Det innebär att zenerdiodens anod kopplas till spänningskällans minuspol och katoden till plus polen.
Zenerdioden kopplas in i backriktningen.
4 Halvledare
51109510.1.1_04_Halvledare.indd 49
49
2023-03-08 11:50
När backspänningen till zenerdioden når ett visst värde som kall las zenerspänning, så öppnar zenerdioden och börjar leda ström. Zenerspänningen, som betecknas UZ, kommer att bevaras konstant under förutsättning att inte strömuttaget från kretsen blir för högt, för då sjunker spänningen. Zenerdioder tillverkas med en fast zener spänning där vanliga spänningar på UZ är 3,3 V, 3,9 V, 4,7 V, 5,6 V, 9,1 V, 12 V osv. Ett vanligt användningsområde för zenerdioden är som spänningsstabilisator då det finns ett behov av en konstant referensspänning. Om man kopplar in en zenerdiod i framriktningen så fungerar den som en vanlig diod.
I princip alla nya bilar är utrustade med LED-ljus.
En zenerdiod anges med olika beteckningar så som BZX, BZY eller TZX. Efter bokstavsbeteckningen följer en siffer och bokstavskom bination t ex BZX55C5V6. Beteckningen innebär: BZX = Kiseldiod typ zener 55= 0,5 Watt förlusteffekt C= +/ 5 % tolerans 5V6 = 5,6 V zenerspänning
LED – Lysdiod LED Light Emitting Diod
Under senare år har lysdioden, förkortas LED, genomgått en enorm utveckling. Tidigare användes LED mest för att indikera ett tillstånd, till exempel att en apparat var tillslagen eller som indikator till en batteri laddare. Numera har LED fått mycket bredare användningsområden och används till exempel som gatubelysning och strålkastare i bilar.
Moderna bilar är utrustade med LED-ljus.
50
4 Halvledare
51109510.1.1_04_Halvledare.indd 50
2023-03-08 11:50
Det finns flera sätt att identifiera lysdiodens anslutningar.
Lysdioder finns i olika färger, former och storlekar.
Liksom övriga dioder är lysdioden polariserad, dvs den har en anod som är positiv och en katod som är negativ. Det finns tre olika sätt att se vilken anslutning som är katod. Kortaste anslutningsbenet, rak kant vid anslutningsbenet och om man tittar inuti lysdioden så är katoden störst. Se bilden till höger. Ljusstyrkan i en lysdiod anges i enheten candela, cd, eller millicandela, mcd. Det finns lysdioder med en ljusstyrka på några tiotals mcd ända upp till de med flera tiotusentals mcd. Det är inte enbart ljusstyrkan som är viktig när det gäller lysdioder utan även med vilken vinkel som ljuset breder ut sig. Spridningsvinkeln anges i grader. Med en stor spridningsvinkel kan lysdiodens ljus ses från sidan medan en lysdiod med liten spridningsvinkel måste ses rakt framifrån för att ljuset ska uppfattas bäst.
Ljustyrka i förhållande till spridningsvinkeln.
Olika schemasymboler som förekommer för en LED.
Candela - cd Enhet för ljusstyrka
1 Candela motsvarar ljusstyrkan från ett stearinljus.
4 Halvledare
51109510.1.1_04_Halvledare.indd 51
51
2023-03-08 11:50
Det är ljusets våglängd som bestämmer vilken färg en lysdiod får. Ljusets våglängd bestäms vid tillverkningsprocessen. Det är alltså inte färgen på lysdiodens hölje som bestämmer med vilken färg lysdioden ska lysa. Det finns lysdioder vars hölje är genomskinligt och dessa lyser med olika färg beroende på ljusets våglängd.
Ljusets olika våglängder i ett färgspektra. Vårt öga uppfattar lättare det gröna ljuset än andra färger.
Nanometer – nm 770 nm = 0,00000077 m 770 · 10-9 m
Människans öga kan uppfatta ljus med våglängder mellan 390 och 770 nanometer, förkortas nm. Ljus med en våglängd mindre än 390 nm kallas ultraviolett, UV, och ljuset med våglängder större än 770 nm kallas infrarött, IR. Lysdioder med infrarött ljus, så kallade IR-dioder, används i t ex fjärrkontroller till TV-apparater. Du undrar kanske var man hittar vita lysdioder bland våglängderna i färgspektrat. Vitt ljus har ingen egen våglängd utan det är en blandning av olika färger. Vit ljus erhålls genom så kallad additiv färgblandning.
Vitt ljus får man genom att blanda färgerna rött, grönt och blått genom så kallad additiv färgblandning.
52
4 Halvledare
51109510.1.1_04_Halvledare.indd 52
2023-03-08 11:50
Inkoppling av en LED Ljusstyrkan på lysdioden regleras med framströmmen IF. Ökar man IF så lyser lysdioden skarpare. Det finns dock en övre gräns för hur stor IF tillåts vara. Det varierar mellan olika typer och färger.
Spänningen som uppträder över lysdioden kallas framspänning och förkortas UF. Beroende på typ av LED varierar UF mellan 1,6 V och ca 5 V. Vilket värde som gäller på UF är något man måste ta reda på i komponentens datablad. Med hjälp av en resistor i serie med lysdioden så ser man till att fram strömmen IF och framspänningen UF blir rätt.
Vi tar ett exempel En röd LED med ett UF på 2,0 V ska kopplas in till ett batteri med spänningen 9 V. Lysdiodens maximala IF är 50 mA. Vi väljer att IF ska vara 20 mA. Vi får då en koppling som ser ut som bilden nedan.
Resistansen beräknas med hjälp av Ohms lag som säger att R=U/I I detta fall är U samma som spänningsfallet UR över resistorn R och I är lika med IF. R = U - UF / IF R = 7 / 0,02 R= 350 W
4 Halvledare
51109510.1.1_04_Halvledare.indd 53
53
2023-03-08 11:50
5 Mikrodatorn Tack vare sitt låga pris och sin mångsidighet finns mikrodatorer i snart nog all elektronisk utrustning. Fördelen med en mikrodator jämfört med fasta elektronikkretsar är att mikrodatorn går att programmera om, och därmed kan funktionen i en apparat förbättras. 68
5 Mikrodatorn
51109510.1.1_05_Mikrodatorn.indd 68
2023-03-08 11:56
Mikrodatorn Mikrodatorn är en elektronisk komponent som är beroende av ett program, det vill säga att det finns instruktioner som beskriver vad komponenten ska utföra. Mikrodatorn kallas ibland också för enchipsdator, en dator som har alla nödvändiga delar på ett och samma chip. Mikrodatorn ska inte förväxlas med mikroprocessorn som finns i våra persondatorer, surfplattor och smartphones. Mikrodatorn innehåller däremot en mikroprocessor men även andra delar såsom arbetsminne, programminne samt anslutningar för in- och utgångar. Vi kan säga att mikrodatorn är en komplett dator som endast behöver ett program för att kunna utföra ett arbete. Den saknar tangentbord, mus och bildskärm så som vi är vana vid när det gäller persondatorn. Istället sänds signaler till mikrodatorn via olika sensorer och givare, t ex en strömbrytare eller en ljuskänslig komponent. Resultatet kan till exempel visas på en liten teckendisplay eller genom att en lampa tänds eller att en fläkt startar. Det finns många sätt att visa att ett resultat är uppfyllt.
Mikrodator Enchipsdator Mikrokontroller
Ett chip innehåller många elektronikkomponenter som integrerats till en komponent. Utseendet skiljer sig mellan storlek och form.
Olika former på chip som innehåller någon typ av mikrodator.
Det finns många olika tillverkare av mikrodatorer. Oavsett tillverkare så är de grundläggande delarna lika och de arbetar på liknande sätt.
Mikrodatorns arbetssätt Mikrodatorn innehåller anslutningar för in- och utgångar, programminne, arbetsminne och en CPU. CPU i sin tur innehåller ALU, status register, instruktionsavkodare, instruktionsregister, stackpekare, programräknare samt ett antal arbetsregister som av en del tillverkare kallas ackumulator.
5 Mikrodatorn
51109510.1.1_05_Mikrodatorn.indd 69
69
2023-03-08 11:56
CPU — Central Processing Unit
Ett register är ett minne som används för att lagra data tillfälligt. Registret innehåller oftast åtta bitar eller fack som kallas D0, D1, D2 osv. D står för Data och siffran för vilket bit som avses.
ALU — Arithmetic Logic Unit
Data sparas i register. Data räknas alltid från höger till vänster.
CPU är en förkortning av Central Processing Unit eller i vardagligt tal mikroprocessor eller bara processor. ALU är en förkortning av Arithmetic Logic Unit. Matematisk och logisk enhet. ALU är den del av CPU som har hand om matematiska beräkningar och logiska funktioner.
Modell över ett datorsystem.
Mikrodatorn arbetar endast med två olika lägen på signalen. Med signal menas en spänning. Antingen finns det en spänning eller finns det ingen spänning. I detta sammanhang brukar man även prata om en etta eller en nolla. Ingen spänning – 0 V – Nolla – 0 – Från Spänning – 5 V – Etta – 1 – Till
70
5 Mikrodatorn
51109510.1.1_05_Mikrodatorn.indd 70
2023-03-08 11:56
När signalen är en etta är spänningen oftast 5 V, men det finns mikro datorer där spänningsnivån är en annan, högre eller lägre. I programminnet finns det program som programmeraren skrivit. Ett program består av olika instruktioner som talar om vad CPU ska göra. Programpekaren pekar på den adress i programminnet som ska utföras. Programpekaren håller reda på att instruktionerna utförs i rätt ordning. Instruktionsregistret tar hand om programmet och skickar detta vidare till instruktionsavkodaren som omvandlar instruktionerna till ettor och nollor. Ettorna och nollorna placeras i grupper om åtta, 8 bitar. Det finns mikrodatorer som även hanterar en större mängd data, exempelvis 16 bitar, 32 bitar och 64 bitar. Databitarna skickas vidare till ALU. Beroende på vilken typ av instruktion som kommer till ALU utförs antingen en matematisk beräkning eller en logisk funktion. Resultatet av beräkningen eller funktionen placeras i ett arbetsregister eller i dataminnet men även i statusregistret. I statusregistret finns ett antal databitar som var och en har en unik funktion.
Arithmetic — matematik
Logic — logik ALU utför matematiska och logiska beräkningar
RAM — När en instruktion är klar så återupprepas processen med nästa instruktion ända tills hela programmet utförts.
Random Access Memory. Arbetsminne.
Det finns ytterligare ett register som förekommer i alla typer av mikro datorer, nämligen stackpekaren. Stackpekaren är ett register som håller reda på när programräknaren gör ett hopp i programmet. För vissa mikrokontrollers används RAM för stackpekaren.
Ledningsbussar För att koppla samman alla delarna i CPU, används tre olika typer av ledningsbussar: Adressbuss, databuss och kontrollbuss. En ledningsbuss består av flera parallella ledningar där ettor och nollor kan skickas mellan olika delar i CPU. Man kan likna mikrodatorns uppbyggnad med en stad. En stad är organiserad efter olika gatuadresser så att vi lätt ska kunna hitta varandra. Varje del i datorn har också en unik adress. Det är förvisso ingen gatuadress men väl en nummeradress.
5 Mikrodatorn
51109510.1.1_05_Mikrodatorn.indd 71
71
2023-03-08 11:56
Vi ska studera ett litet exempel på hur det kan gå till när data bearbetas och förflyttas i en mikrodator.
I modellen här ovan ska ett binärt värde läsas i Minne1 och överföras till ALU med databussen. Därefter ska värdet i Minne2 hämtas. Slutligen ska värdena adderas och resultatet av additionen ska sparas i Minne3. Innan du läser vidare om bussarna bör du gå till sidan 78 och studera det binära talsystemet.
Adressbussen Antalet ledningsbanor som adressbussen består av bestäms av hur många minnesceller eller andra enheter som ett program måste kunna komma i kontakt med.
22 = 4
72
Adresseringen sker med ett binärt tal som måste kunna bilda minst det värde som motsvarar de antal unika adresser som minnet och andra enheter består av. I exemplet ovan där tre adresser ska kunna nås måste adressbussen bestå av minst två ledningsbanor. Med två ledningsbanor kan man få fyra unika värden eller adresser.
5 Mikrodatorn
51109510.1.1_05_Mikrodatorn.indd 72
2023-03-08 11:56
Adressbussens ledningar anges med A samt den siffra som motsvarar dess position i det binära talsystemet, t ex A0, A1, A2 osv.
Läs om det binära tal systemet på sidan 78.
Exempel En mikrodator har ett minne på 1 kiloByte (1kB). Hur många ledningar måste adressbussen då bestå av? 1kB = 1024 Byte = 210
1kB = 1024 byte
Adressbussen behöver ha 10 ledningar. Med dessa kan vi adressera 1024 unika adresser, från adress 0 till adress 1023. Vi säger att adressbussen är 10 bitar bred. Adressbussen är enkelriktad, vilket innebär att informationen går i en riktning, från CPU till olika minnen och enheter.
Databussen Databussen är dubbelriktad. Det innebär att information som skickas på dessa ledningar kan skickas såväl till som från CPU. Bredden på databussen, dvs antalet parallella ledningar, avgör hur stor mängd data som kan skickas samtidigt. Måttet på data anges i antalet bitar, t ex 8 bitar, 16 bitar osv. Ju fler bitar d esto större mängd samtidig data. Ledningarna på databussen anges med D0, D1, D2 osv. Kontrollbussen Kontrollbussen kallas ibland för styrbuss eftersom den styr flödet av data och adresser till och från CPU. En vanlig signal på kontrollbussen är läs- och skrivsignalen, R/W. R = Read, W = Write. Med läs- och skrivsignalen bestämmer CPU om den ska hämta data från minnet eller om den ska skicka data till minnet. Antalet ledningar, och därmed funktioner på kontrollbussen, varierar beroende på fabrikat av mikrodatorn. Antalet bitar på kontrollbussen varierar mellan olika mikrodatorer. Andra förekommande signaler på kontrollbussen är Chip Select CS, Output Enable OE och Interrupt INT.
5 Mikrodatorn
51109510.1.1_05_Mikrodatorn.indd 73
73
2023-03-08 11:56
Schema över anslutningarna till en mikroprocessor till vänster och en mikrokontroller till höger. På mikroprocessorn finns anslutningar till de olika bussarna, vilket det inte gör på en mikrodator. I en mikrodator finns bussarna inuti kretsen.
Mikrodatorns portar På mikroprocessorns anslutningskontakter kommer du åt databuss, adressbuss och kontrollbuss men det gör du oftast inte på mikrokontrollern där bussarna endast finns inuti kretsen. På mikrokontrollerns anslutningskontakter finns i stället något som kallas portar. En port är mikrokontrollerns anslutningar mot världen utanför. En port består oftast av flera anslutningar eller bitar som det även kallas. Om vi studerar den mikrokontroller som finns på laborationsutrustningen Arduino Uno så har den tre portar, PB0-7 (8 bitar), PC0-6 (7 bitar), PD0-7 (8 bitar).
I/O uttalas ajo
I programmet kan du bestämma vilken funktion vissa bitar i portarna ska ha. T ex om man vill att en bit i en port ska vara en ingång eller en utgång. Man brukar prata om I/O, Input eller Output. I mikrokontrollern till Arduino så finns också ett antal analoga ingångar.
Mikrodatorns klocka
Kristall
RC-krets
74
För att kunna hålla takten och arbeta med rätt hastighet, behöver alla mikrodatorer en klocka. Mikrodatorns klockkrets består oftast av en kristall som lämnar en regelbunden klockpuls med en viss frekvens. Klockfrekvensen till en mikroprocessor som finns i våra PC-datorer är oftast på flera Giga Hertz (GHz) medan klockfrekvensen till en mikrokontroller oftast är betydligt lägre, från 1 Mega Hertz (MHz) upp till 100 MHz. Det finns även andra klockkretsar, t ex resonator eller RC-krets men ingen av dessa avger en lika exakt frekvens som kristallen gör.
5 Mikrodatorn
51109510.1.1_05_Mikrodatorn.indd 74
2023-03-08 11:56
10 Kringkomponenter Det finns en hel del komponenter som används tillsammans med en mikrodator. Det är allt ifrån de komponenter som ser till att den får rätt spänning till komponenter som känner av olika tillstånd på ingångarna och de som aktiveras på en signal från mikrodatorns utgångar. Alla dessa komponenter går under samlingsnamnet kringkomponenter.
10 Kringkomponenter
51109510.1.1_10_Kringkomponenter.indd 141
141
2023-03-08 12:35
Sensorer och aktuatorer I apparater där det ingår en mikrodator så är mikrodatorn den centrala komponenten som styr vad som ska hända beroende på vilka signaler den får från omgivningen. Kringkomponenter brukar man kalla alla de komponenter som finns runt omkring själva mikrodatorn. Det är de komponenter som läser av signaler från sensorer och som aktiveras av mikrodatorns utgång.
Sensorer och aktuatorer som används tillsammans med en mikrodator.
Som du känner till, har mikrodatorn ett antal portar som kan kommunicera med sin omgivning. Portarna kan användas antingen som ingångar eller som utgångar. Det vanligaste är att vi bestämmer vilken funktion portarna ska ha i det program som laddas till mikrodatorn.
Givare — Sensor Ställdon — Aktuator
De komponenter som ansluts till ingångarna på mikrodatorn och som ska känna av olika tillstånd brukar kallas för sensorer eller givare. På enchipsdatorns utgångar kopplar vi komponenter som kallas ställdon eller aktuatorer.
Strömställare Strömställare eller strömbrytare, som det också kallas, är en mekanisk komponent. Strömställaren påverkas manuellt, det vill säga att du måste slå till och stänga av den för hand. Strömställare finns i en mängd olika varianter beroende på i vilket sammanhang den ska användas. Strömställarens uppgift är att bryta upp och förhindra att ström ska kunna flyta i en krets.
Olika typer av strömställare.
142 10 Kringkomponenter
51109510.1.1_10_Kringkomponenter.indd 142
2023-03-08 12:35
Enkelpolig strömställare
En-polig vippströmställare som bryter upp pluspolen i strömkretsen.
I vissa sammanhang behöver vi kunna bryta strömmen både vid plusoch minuspolen. Dessa strömställare kallas 2-poliga eller dubbelpoliga. De bryter båda polerna samtidigt.
Dubbelpolig strömställare
Samma krets men med en två-polig vippströmställare som bryter strömkretsen både för plus- och minuspolen. Den streckade linjen mellan strömställarna innebär att de påverkas samtidigt.
En strömställare kan också vara en tangentbordsströmställare eller tryckströmställare som endast är ledande när man trycker på den. Det finns en fjäder som gör att den återställs. Denna typ av strömställare är användbara till mikrodatorer om man t ex vill aktivera mikrodatorn eller återställa den. De är också användbara om vi ska knappa in en sifferkod för att till exempel påverka ett larm.
Siffertangentbord med återfjädrande tryckknappar
10 Kringkomponenter
51109510.1.1_10_Kringkomponenter.indd 143
143
2023-03-08 12:35
Med tryck på START kopplas 5V till ingången PA0. Mikrodatorn återställs när man trycker på RESET då det kopplas 0V till ingången RESET.
DIL-strömställare
Inom datortekniken förekommer det att vi använder en sk DILströmställare. DIL är en förkortning som kommer ifrån engelskans dual-in-line package, vilket innebär att komponentens anslutningar ligger i linje i två rader. DIL-strömställaren förekommer från 2 pol-tal upp till 12 pol-tal eller fler. DIL-strömställare kallas ibland även DIP-strömställare. Andra strömställare som används i datorsammanhang är BCDströmställare och Hex-strömställare.
BCD- och hexadecimal strömställare
BCD-strömställaren har en ingång som matas med en spänning och fyra utgångar. På utgångarna presenteras den binära kod som motsvarar de decimala talen 0–9.
Strömställare
BCD är en förkortning av Binary Coded Decimal.
eng. Switch
Strömställare och strömbrytare heter switch på engelska.
Omkopplare Omkopplaren är en komponent som gör det möjligt att välja mellan två eller flera inställningar eller funktioner. På en bil kopplar vi t ex om mellan halv- och helljus och på digitalmultimetern ändrar vi funktionen med en vredomkopplare.
144 10 Kringkomponenter
51109510.1.1_10_Kringkomponenter.indd 144
2023-03-08 12:35
Magnetkontakt Magnetkontakten kan vi använda för att registrera om en dörr eller ett fönster är öppet. En magnet monteras i dörren och en kontakt som påverkas av magneten monteras i dörrkarmen. Om dörren öppnas så bryts strömmen i kretsen och en signal skickas till mikrodatorn. Denna typ av givare använder man t ex i larm.
Optiska givare
Magnetkontakt.
En optisk givare består oftast av en LED och en fotodiod som är monterade i samma komponent. De är dock fysiskt separerade från varandra så att inte överstrålning av ljus kan ske mellan dem. Optiska givare kan användas för att känna av olika färger. De kan även användas för att indikera att en ljusstråle bryts, att något är i vägen. Läsgaffeln är en typ av optisk givare som används för att räkna pulser och bestämma hastigheten på en motor. Den kan även användas för att mäta tid och acceleration i bilar. Ibland kallas en optisk givare för fotocell.
Optisk reflektionsgivare.
Läsgaffel.
Övre bilden är en IR-sensor Nedre bilden visar en IR-sändare och mottagare som ska sammankopplas med en optisk ledare
PIR En passiv IR-sensor, PIR, kan användas i larmanläggningar för att känna av om något finns i närheten av sensorn. Den reagerar på rörelse och värme. Det blir allt mer vanligt att en PIR integreras i belysningar i trappuppgångar, vilket innebär att belysningen tänds på ett våningsplan i taget beroende på närvaro. Belysningen släcks automatiskt när det inte finns någon kvar i trappuppgången. På så sätt sparas både energi och pengar. I en PIR finns oftast inbyggd elektronik som gör att det går att ställa in känsligheten och hur lång tid den ska vara aktiverad innan den stängs av.
IR Infra Red
PIR.
10 Kringkomponenter
51109510.1.1_10_Kringkomponenter.indd 145
145
2023-03-08 12:35
Termiska givare En termisk givare känner av temperatur och de förekommer med olika funktioner. Det finns digitala som slår till och stänger av vid en viss inställd temperatur och de som är analoga och ändrar sin ledningsförmåga efter temperaturen. Termiska givare används för att indikera när en temperatur blir för hög eller för låg, en sk temperaturvakt. En typisk analog termisk givare är en komponent som heter termister. Digitala termiska givare kan vara uppbyggda med en bimetall som utvidgar sig eller krymper beroende på temperatur.
Induktiva givare Den induktiva givaren reagerar för metallföremål och kan användas för automatisk sortering av olika material. En induktiv givare kan även användas för att bestämma läget på t ex en robotarm i automatiserade industrier. Den induktiva givaren är digital, dvs den avger en signal som antingen är en etta eller en nolla.
Induktiv givare.
Kapacitiva givare En kapacitiv givare känner av närvaro av ett fysiskt föremål oavsett material. Precis som den induktiva givaren är den kapacitiva beröringsfri, det vill säga att föremålet som ska kännas av inte behöver röra vid givaren. Kapacitiva givare används överallt där vi behöver känna av närvaro av ett föremål. Den kapacitiva givaren är också en digital givare. Kapacitiv givare.
Optokopplaren kan anpassa en spänning på 24 V till 5 V.
Flera givare, bl a induktiva och kapacitiva, är anpassade för att användas inom industriella sammanhang där 24 V DC är ett standardvärde på signalspänningen. I det fall innebär en etta 24 V och en nolla 0 V. När dessa givare ska användas tillsammans med en mikrodator som har en arbetsspänning på 5 V DC så måste spänningsnivåerna anpassas. Det kan vi göra med hjälp av en optokopplare.
Trådtöjningsgivare
Trådtöjningsgivare.
Trådtöjningsgivaren är en analog givare som avger en signal som kan ha många olika värden mellan min- och maxvärde. När trådtöjningsgivaren utsätts för en tyngd så töjs den och ändrar signalspänning. Den används i vågar för att väga saker. Den används i broar och järnvägar för att känna av så att inte tyngden blir för stor. Den finns i stort sett överallt där vi behöver känna av en vikt.
146 10 Kringkomponenter
51109510.1.1_10_Kringkomponenter.indd 146
2023-03-08 12:35
Ställdon – Aktuatorer Aktuator kallas en utrustning som kan utföra en rörelse när det tillförs energi. När vi arbetar med mikrodatorer är en elektrisk motor den vanligaste aktuatorn. Det finns många olika typer av elektriska motorer. Vi kommer att behandla några av dem.
DC-motor – Likströmsmotor DC är en förkortning från engelskans Direct Current som betyder likström. Ibland använder vi begreppet DC lite slarvigt när vi även menar likspänning. DC-motorn har en pluspol och en minuspol. Rotationen på motorn bestäms av hur man kopplar in plus och minus. Vänder man på polerna så roterar motorn på motsatt håll. DC-motorer är märkta med vilken storlek på spänning den ska anslutas till. Det finns motorer som endast behöver ca 1 V medan andra är konstruerade för betydligt högre spänningar. Det är viktigt att inte koppla in för hög spänning till en motor.
DC-motorns delar
Likströmsmotorn består av rotor, stator och kommutator. Statorn utgörs oftast av en permanentmagnet med nord- och sydpol. Inuti statorn roterar rotorn som också är sammanbunden med motorns utgående axel. Rotorn består av spolar som är lindade på en järnkärna. Matningsspänningen kopplas in via kommutatorn som ser till att strömmens riktning alltid blir densamma genom rotorns spolar. I annat fall skulle motorn rotera ett halvt varv åt höger och ett halvt varv åt vänster. Likströmsmotorer används t ex i fläktar i datorer eller i fönsterhissar i bilar. Oftast används likströmsmotorn tillsammans med någon form av växel som minskar varvtalet på utgående axeln samtidigt som vridmomentet och kraften ökar.
Data som kan vara bra att känna till om en DC-motor:
Ȳ Drivspänning Ȳ Antal varv/minut – rpm (revoluȲ Ȳ Ȳ
tions per minute) dels obelastad och dels belastad Strömförbrukning, vid obelastad och belastad Vridmoment Yttermått
10 Kringkomponenter
51109510.1.1_10_Kringkomponenter.indd 147
147
2023-03-08 12:35
Stegmotorn Stegmotorn drivs också med likström men istället för två poler så har den fem, en gemensam minus-pol och fyra separata plus-poler.
Stegmotorn har fem poler, en gemensam jord och en till var och en av spolarna i statorn.
Till skillnad från DC-motorn så består rotorn av en permanentmagnet och statorn av spolar. Rotorn är taggad och antalet taggar bestämmer hur många steg rotorn förflyttar sig. Spolarna i statorn är vanligtvis fyra till antalet och de spänningsätts i en speciell följd. Det gör att det krävs en speciell styrelektronik för att driva en stegmotor eller, vilket är vanligast, att styrningen sker med hjälp av ett program i mikrodatorn.
Stegvinkel eng. Stride angle
För att rotera motoraxeln på en stegmotor ett varv så krävs det många små förflyttningar av motoraxeln på vilken rotorn sitter monterad. På vissa stegmotorer krävs det 50 steg och för andra kan det krävas 500. I dessa sammanhang pratar man om ett begrepp som kallas stegvinkel, på engelska stride angle.
Exempel Vilken stegvinkel har en stegmotor med 500 steg? Eftersom ett varv motsvarar 360 grader så blir uträkningen: 360/500 = 0,72 Svar: 0,72 grader Ju mindre stegvinkel desto noggrannare stegmotor. Stegmotorer används i sammanhang där vi behöver förflytta något till en specifik position, t ex i bläckstråleskrivare, spjäll till ventilationsanläggningar och i olika automationsutrustningar inom industrin.
148 10 Kringkomponenter
51109510.1.1_10_Kringkomponenter.indd 148
2023-03-08 12:35
Servomotorn Servomotorn används liksom stegmotorn för att ställa in något i rätt position, men servomotorn är mycket noggrannare än vad stegmotorn är. Servomotorer finns i såväl AC- som DC-utförande. I industriella sammanhang används oftast servomotorer för växelström, AC. Dessa motorer kan rotera många varv och har en avancerad programmerbar styrenhet som kommer ihåg motorns exakta positioner vid start och stopp. Mindre servomotorer som ingår i t ex radiostyrda flygplan och bilar drivs med likspänning och styrs med ett pulståg. De har en begränsad vridningsvinkel som ligger mellan 180 och 360 grader. Det finns särskilda enheter med styrelektronik för servomotorer. De kan också styras från ett program i en mikrodator.
Servomotor med hög precision för industriellt bruk.
Servomotorer finns även i fordon där de är kopplade till rattens rörelse och gör det lättare att styra fordonet.
Vridningsvinkeln bestäms av pulsbredden på styrsignalen.
10 Kringkomponenter
51109510.1.1_10_Kringkomponenter.indd 149
149
2023-03-08 12:35
Bo Ståhl
Elektronik och mikrodatorteknik
Elektronik och mikrodatorteknik
Bo Ståhl
Bo Ståhl Syftet med faktaboken är att ge grundläggande kunskaper om elektronik och mikrodatorteknik.
Elektronik och mikrodatorteknik
Boken tar bland annat upp både analog och digital elektronik, programmering av enklare mikrodatorsystem, elektronikmonteringsarbete, elektronikscheman och symboler, beräkning av elektriska storheter, komponent- och kretsmätningar och datorsimuleringar. Första kapitlet ger en genomgång av ellärans grunder, och därför kan även du som varken läst ellära eller elektronik hänga med i boken. Till faktaboken finns även en arbetsbok med både praktiska övningar och teoretiska frågor.
ISBN 9789151109510
9 789151 109510
51109510.1.1_Omslag.indd Alla sidor
2023-03-08 13:36