Hensikten med Elektronikk-skolen er å skape større forståelse for alt det elektriske man kan komme i kontakt med når man driver med modelljernbane. På forhånd er det vanskelig å vite hvilket kunnskapsnivå våre lesere av denne spalten står på. For å få med flest mulig av leserne, tror jeg det er best å begynne med litt teori om grunnleggende elektronikklære. De som føler at de ligger på et litt høyere nivå, får ta dette som en repetisjon.
I de første delene av denne elektronikkskolen vil dere lære om grunnleggende begreper, forskjellige materialer, komponenter, skjemasymboler osv. Når man har forstått dette, vil det være enklere å forstå oppkobling og virkemåte av forskjellige kretser som kan benyttes til modelljernbanen.
Litt historie
Historikk er vel ikke det første som fanger interessen når man skal snakke om elektronikk, men jeg våger allikevel å starte her. Fra tidenes morgen har det vært kjent at når stoffet rav gnis med skinn eller ull, så får det en spesiell egenskap. Ravet vil etter gnidning trekke enkelte stoffer til seg. Dette er det vi kjenner som statisk elektrisitet.
Navnet “elektrisk” er avledet av det greske navnet på rav, som er elektron.
I løpet av 1700- og 1800-tallet eksperimenterte forskerne mye med elektrisitet, og de oppdaget etterhvert mange av egenskapene til elektrisiteten, og ikke minst atomet.
Atomer og elektroner
Alle stoffer består av atomer eller av atomgrupper (molekyler). Ordet atom betyr “det udelelige”. Før i tiden var det godtatt at atomet var det minste et stoff kunne deles i, men moderne fysikk har i sannhet vist at atomet også kan deles.
Atomet har en positiv ladet kjerne som er omgitt av ett eller flere negativt ladede elektroner. Elektronene er like, og er svært små og lette i forhold til kjernen.
Dersom alle tenker noen få år tilbake i tid, så husker vel de fleste litt fra fysikk- og kjemi-undervisningen på skolen. Sier vi “det periodiske system”, hvor alle grunnstoffer står opplistet på rekke og rad, så begynner det å demre for noen og enhver.
I det periodiske systemet finner vi alle de rene grunnstoffene i naturen, som f.eks alle gassene og metallene. Det som skiller de forskjellige grunnstoffene fra hverandre, er atomenes vekttall. Vekttallet angir hvor mange positive ladninger det er i kjernen på et uladet nøytralt atom. Når et atom er uladet, er det like mange negative elektroner i bane rundt kjernen som det er positive ladninger inne i kjernen.
Elektronene svever rundt kjernen i forskjellige baner eller skall. Det innerste skallet har maks 2 elektroner, og forøvrig er ytterste skall fullt når det har 8 elektroner. Elektroner kan også ha felles bane med nærliggende atomer, slik at to eller flere atomer binder seg sammen. Slikt kalles ionebinding. Alle de stoffene som har det ytterste skallet fullt, har vanskelig for å binde seg til andre atomer. De kan ikke så lett avgi energi og virker som isolatorer. Andre steder i det periodiske system finner vi stoffer som har kun ett eller noen få elektroner i sitt ytterste skall. Disse vil lett avgi og oppta elektroner fra andre atomer i nærheten. Disse stoffene har egenskaper som ledere.
Elektrisk strøm
Vi mennesker er utstyrt med flere sanser som vi bruker daglig. Vi kan føle kraft med musklene, føle varme med huden, se lys med øynene og høre lyd med ørene. Men vi har ingen sanser som direkte kan oppfatte elektrisiteten i ledningene. Derfor kommer læren om elektronikk i en særstilling. Mange blir nysjerrig på hva som rører seg i ledninger og inne i komponenter og apparater. Ikke alt kan forklares med få ord, men må rett og slett bare aksepteres at slik er det. Først må man lære seg noen grunnleggende begreper og lover innen elektronikken, deretter vil man lettere kunne forstå hvordan de forskjellige komponenter virker og skal brukes.
To av de viktigste begrepene i elektronikken er “spenning” og “strøm”.
Spenning oppgis i volt (V), og er på en måte “trykket” i ledningen.
Strøm oppgis i ampére (A), og er på en måte et uttrykk for antall elektroner som går i ledningen.
Dette kan sammenlignes med en vannslange hvor vannet som flyter i slangen er strømmen, og spenningen er det trykket du har i enden av slangen.
Tenk dere hjemme i deres eget hus hvor dere har strømledninger og kontakter rundt alle vegger. Da sier man at det “går” strøm i ledningene, men det “står” 230 volt spenning over de to punktene i kontakten.
Mange blander disse to begrepene sammen, som f.eks. slik:
–Hvor stor strøm er det i den kontakten?
–230 volt, svarer man.
Den riktige måten å spørre på er:
–Hvor stor spenning står i kontakten
Det er viktig å holde tunga rett i munnen, og sette riktig navn på de forskjellige begreper.
En liten huskeregel:
Spenningen står,
og strømmen går!
Selv om det står 230 volt spenning i en kontakt, så trenger det ikke alltid gå en strøm der. Strøm i en ledningen går det først når du slår på et apparat eller en lampe. Da får du en såkalt “sluttet krets” som strømmen kan flyte gjennom. I strømledningene i huset er det alltid to tråder, hvor strømmen flyter gjennom den ene tråden til f.eks. en lampe, og den samme strømmen flyter tilbake gjennom den andre tråden. I huset har du selvfølgelig lysbrytere som bryter den ene eller begge trådene på vei opp til lampa slik at strømmen slutter å gå i tråden når lampa slukkes.
Vi kan også se det tilsvarende på modelljernbanen. Ta f.eks. en vanlig Märklintrafo som har en rød ledning tilkoblet midtleder og en brun returledning tilkoblet skinnene. Når du har et lok på sporet og vrir på den røde kjøre-knappen, vil det gå strøm fra trafoen og ut gjennom den røde ledningen til slepeskoen og inn i loket. For at loket skal kjøre, må den samme strømmen gå i retur i den brune ledningen tilbake til trafoen. Da har du nemlig en sluttet krets som strømmen kan gå i. Løfter du loket opp fra skinna i den enden som har slepesko, vil strømkretsen bli brutt, og det kan ikke gå noe mer strøm i kretsen. Men husk at det fortsatt står 16 volt spenning mellom midtleder og skinne selv om det ikke går noen strøm.
Måling av strøm og spenning
Som tidligere nevnt, så har ikke vi mennesker noen sanser som kan se strøm i ledninger. Heldigvis har vi noe som heter måleinstrumenter, som gjør at vi på en måte kan “se” både strøm og spenning. Slike instrumenter fåes i mange varianter og prisklasser, og det er godt å ha for hånden når man kobler ledninger på MJ-anlegget.
Vi har nå lært at strømmen går i ledningene. For å måle styrken på denne strømmen, kobler vi til et ampéremeter. Som figuren ovenfor viser, kobles dette i serie med ledningen. Da vil den samme strømmen gå gjennom både ledningen, lampa og amperemeteret, og dette fører til at lampa lyser. Strømmen går i pilens retning fra batteriets pluss-pol tilbake til minuspol. Åpnes bryteren, vil strømmen brytes, og lampa vil slukke.
Når vi skal måle spenninger i kretser, gjøres dette mellom to utvalgte punkter. Som figuren viser, må voltmeteret plasseres over lampa for å måle spenningen som lampa får over seg.
På modelljernbanen måles f.eks. skinnespenningen mellom begge skinneprofiler, eller som for Märklinskinner, mellom midtleder og en av skinneprofilene.
Et voltmeter har alltid 2 ledninger, og den ene holdes på midtlederen og den andre til en av skinnene. Da vil voltmeteret gjøre utslag og vise en spenning fra ca 6 volt til ca 16 volt, avhengig av hvor fort man kjører toget.
Motstand
Det tredje begrepet man må bli kjent med i elektronikken, er “motstand”. Dette er i ordets rette forstand noe som yter motstand mot “elektronstrømmen” i ledningene. Måleenheten for motstand er ohm, og den angis med den greske bokstaven Ω (omega).
I alle stoffer og metaller finnes motstand av forskjellig verdi. Går vi tilbake til det periodiske systemet som vi beskrev i innledningen, så har alle stoffene forskjellig atomvekttall, og derav har de også forskjellige leder-egenskaper. Fra tekniske tabeller i fysikk- og elektronikkbøker kan vi finne ut motstanden i forskjellige materialer. Man omtaler i slike tabeller noe som heter “spesifikk motstand”. Dette uttrykket sier hvor stor motstand det er i forskjellige materialer formet som en ledning med 1 meters lengde og en tykkelse på 1 mm2.
Valg av ledere
Kobber er det mest vanlige metallet som brukes til ledninger. Kobber har en spesifikk motstand på 0,017 Ω. Sølv derimot, leder strømmen bedre, for den har mindre spesifikk motstand, nemlig 0,016 Ω. Aluminium er også en god leder med spesifikk motstand på 0,027 Ω. Et kjent bruksområde for aluminiumskabler er til høyspente kraftledninger. Selv om aluminium er en noe dårligere leder enn kobber, så foretrekkes aluminium fordi den veier kun en tredjedel av kobber. På de lange kabelstrekkene mellom høyspentmastene er det viktigere med lett vekt enn med den beste ledningsevnen.
Hvorfor kobber er valgt som materiale i ledninger i de tusen hjem, kommer av kombinasjonen god ledningsevne og gunstig pris. Det ville blitt noe kostbart om alle kabler rundt i huset skulle hatt tråder av rent sølv. Sølvtråd brukes faktisk i elektronikken som f.eks. til vikletråd i enkelte motorer. Dette fordi man ønsker maksimal ytelse og høy virkningsgrad. Det her er faktisk noe å tenke på for enkelte MJ-produsenter; messing i kåpa, og kun rent sølv i ankervikling og øvrige installasjoner! For enkelte betyr jo ikke prisen noe som helst.
Ohm’s lov
Styrken av den elektrisk strøm i en krets er avhengig av den tilkoblede spenning og motstanden i kretsen. Inne i en metall- leder, vil negativt ladede elektroner være i bevegelse når den fører strøm. På grunn av den elektriske energien som strømkilden (trafo/batteri) avgir, settes elektroner i bevegelse i metalltråden. Under sin bevegelse i lederen vil ledningselektronene kollidere med bundne elektroner og atomkjerner. Disse kollisjonene gjør at elektronenes hastighet avtar og deres bevegelses-energi omdannes til varme. Når en leder bremser strømmen og omsetter elektrisk energi til varme, sier vi at lederen har elektrisk motstand. Et eksempel på ledere som har høy elektrisk motstand, er varmetråd i panelovner, kokeplater o.l.
En slik motstand kan også sammenlignes med friksjon ved mekanisk bevegelse, hvor det også utvikles varme.
Forholdet mellom spenningen over en strømkrets og strømstyrken som går i den, gir oss verdien på motstanden i kretsen
Når vi regner med formler, så angis motstand med formeltegnet R, og måleenheten for motstand er den greske bokstaven Ω.
Spenning bruker formeltegnet U, og som måleenhet for spenning, brukes bokstaven V (volt).
Strøm bruker formeltegnet I (stor i), og som måleenhet for strøm, brukes bokstaven A (ampére).
Setter vi dette opp i en formel, får vi Ohm’s lov:
R = U / I
Vi bruker Ohm’s lov på ovenstående måte når vi vil regne ut verdien på en ukjent motstand R.
Kjenner vi derimot motstanden og spenningen som står over den, kan vi snu på Ohm’s lov for å regne ut strømmen som må gå gjennom motstanden. Formelen blir da:
I = U / R
Den tredje varianten med Ohm’s lov er når vi vil regne ut hvor stor spenning som står over en motstand. Vi forutsetter at vi da kjenner verdien på motstanden og styrken på strømmen gjennom den. Formelen blir da:
U = I * R
Senere i Elektronikkskolen skal vi bruke Ohm’s lov til å regne ut verdiene på bl.a. formotstander til lysdioder. Lysdioder benyttes mye i billedstillverk, signalmaster, frontlys på lok osv.
Effekt
Det fjerde hovedbegrepet i denne omgang er effekt. Vi nevnte i et tidligere avsnitt at ledere har en motstand for elektronstrømmen. Når elektronene bremses ned av denne motstanden utvikles det varme-energi. Dette kaller vi effekt, og den måles i watt.
Vi kan snakke om flere typer effekt. En type er omsatt effekt, som er den energi som blir omdannet til varme i lamper, varmeelementer, motorer, osv. En annen type effekt kalles tilført effekt. Dette er den effekten eller ytelsen som strømkildene må kunne gi til de forskjellige kretsene eller forbrukerne. Eksempel på strømkilder er batterier, transformatorer o.l.
Effekten kan vi også regne ut. Formeltegnet for effekt er P, og måleenheten bruker symbolet W (watt). Formelen er som følger:
P = I * U
Som formelen ovenfor viser, så er altså effekten P lik produktet av strøm og spenning. Tar man f.eks. en lampe og ganger spenningen over lampa med strømmen som går gjennom den, så får man hvor mange watt med lys- og varmeenergi som omsettes i lampa.
Denne formelen kan også snus på, akkurat som vi gjorde med Ohm’s lov, når vi vil regne ut U eller I istedenfor P. Disse formlene blir da:
U = P / I
I = P / U
Effekt er viktig å ta hensyn til. Skal vi beregne en motstand som skal kobles i serie med en lyspære, så må vi ikke bare regne ut størrelsen på motstanden i Ohm. Det er like viktig å regne ut hvor stor effekt som omsettes i motstanden. Dette er viktig informasjon for våre innkjøp av motstander. Skal motstanden tåle 1/4-watt, 1-watt eller 5-watt effekt? Dette får man svar på ved å bruke formlene vi har gått igjennom.
Velger man for svake motstander, vil de gå varme og brenne istykker. Formotstander for lavvolts lyspærer ligger av og til inne i lok karosserier av plast. Er disse dimensjonert for svake, kan varmen fra motstanden i noen tilfeller skade plastkarosseriet.
Watt eller VoltAmpere
Dette er noe som mange blander sammen. Skal det hete det ene, eller skal det hete det andre? Saken er at det er effekt vi snakker om i begge tilfeller.
Watt er måleenheten på likestrømseffekt, med bare U x I i formelen.
VoltAmpere eller VA som man kjenner fra merking på togtransformatorene, er måleenheten for vekselstrømseffekt. Her kommer ett ledd i tillegg i formelen, slik at den blir: U x I x effektfaktor.
For transformatorer ligger effektfaktoren vanligvis på ca. 0,9, som gjør at VoltAmpere blir tilnærmet lik Watt. For oss som driver med modelljernbane, så kan vi tillate oss å blande disse to benevnelsene uten at det får stor betydning for våre elektriske innretninger.
Hadde dette vært en oppgave på tekniske høyskole eller lignende, så hadde vi vært nødt til å regne mer nøyaktig med alle tiendeler og hundredeler.
Regneeksempel
Vi tar for oss en vanlig lyspære på 60 watt, som alle har hjemme. Vi lurer på hvor stor strøm som går i denne pæra når den lyser. Vi vet at spenningen er 230 volt, og at omsatt effekt er 60 watt. Da regner vi ut:
I = P / U = 60 / 230 = 0,26 A
Svaret er at det går en strøm i lyspæra på 0,26 ampére.
Da vi har 230 volt vekselspenning i våre kontakter, blir denne strømmen vekselstrøm.
Frekvens
Dette er noe vi snakker om med en gang vi kommer inn på vekselspenning og vekselstrøm. Likespenning har vanligvis ingen frekvens. Den perfekte likespenning er helt flat og glatt hele tiden.
Vekselspenning øker i styrke og avtar i styrke, veksler polaritet og øker igjen i styrke i motsatt retning. Den avtar i styrke igjen, for så å komme tilbake til utgangspunktet. Da har vekselspenningen tilbakelagt EN periode. Tiden på en slik periode er 20 millisekunder for 230 volt vekselspenningen i våre kontakter.
Når en periode varer i 20 ms, vil spenningen ha 50 slike perioder hvert sekund. Vi sier da at denne vekselspenningen har en frekvens på 50 Hz (leses Hertz).
I neste nummer skal vi bl.a. snakke mer om forskjellen på likestrøm og vekselstrøm og se litt på dioder og lysdioder. Disse er komponenter som kan brukes til mye på en modelljernbane.