Elektronikk-skolen del 3

Etter at to blader er utgitt med spalten “Elektronikk-skolen” har det kommet svært positiv respons tilbake til redaksjonen. Mange føler at dette var akkurat den repetisjonen de trengte. Og flere som aldri har hatt interessen for elektrisitet har begynt å skjønne litt. Skal vi rekke og forklare alt det elektriske som kan røre seg på en modelljernbane, så har vi stoff nok til flere årganger av bladet. Her er det bare å følge med folkens, og sluke alle de ideer og tips som kommer etter hvert.

Flere diodetips

I forrige blad snakket vi litt om det å senke spenningen på gatelys og innvendig huslys. Det er to viktige grunner for dette. Det ene er at man forlenger levetiden på pærene vesentlig. Det andre er at gatelykter som drives direkte med 16 V lyser relativt sterkt og disse gir skjenerende blending når man står foran dem i et mørkt rom.

Noen av oss liker å ha mengder av lamper på anlegget og kjøre togene i mørket. Da vil de fleste bli blendet av perronglykter og gatelykter. Da kan man benytte en diode for å senke lysstyrken på gatelyktene i nattstilling. En diode i serie med lampene vil senke spenningen til ca. det halve, og dette gir faktisk et meget behagelig lys for de som liker å kjøre i mørket.

Ved å koble opp med to brytere og en diode som vist i figur 1, kan man slå av og på gatelyktene og i tillegg velge mellom dag- og nattstilling.

Fig. 1. Kobling av 3 gatelykter med senking av spenningen vha. en diode type 1N4004.

Gjør et forsøk på dette på din egen modelljernbane, og du vil oppdage hvor mye mer behagelig det er å se utover anlegget i mørket.

Personlig har jeg besøkt mange private anlegg hvor lyspærer plassert inne i hus lyser gjennom både vegger og tak. Pærene lyser altfor sterkt og spenningen bør derfor reduseres.

Nytt komponent: kondensatoren

I Elektronikk-skolen, del to, avsluttet vi med en beskrivelse av hvordan vi kunne lage likespenning av vekselspenning. Denne var imidlertid ikke glatt nok til å kunne benyttes som likespenning for elektronikk.

Vi skal derfor se nærmere på en ny komponent, som kan hjelpe oss med å få en bedre likespenning. Dette er kondensatoren.

Kondensatoren er i prinsippet to metallplater plassert mot hverandre med et isolasjonsmateriale imellom. Kobler vi spenning til metallplatene vil det oppstå et elektrisk felt mellom dem. Dette feltet er elektrisk ladning. Størrelsen på platene og avstanden mellom dem vil bestemme mengden av lading og derav kondensatorens kapasitet.

Fig. 2. Innvendig oppbygging av en papirkondensator.
1) Aluminiumsfolie
2) Aluminiumsfolie
3) Impregnert papir.
Folie og papir rulles sammen. Aluminiumsfoliene er tilkoblet hver sin tråd som stikker ut av rullen. Trådene loddes til f.eks et kretskort.

Kapasiteten måles i Farad (F), men dette er en upraktisk stor enhet, slik at måleenhetene mikroFarad µF, nanoFarad nF og pikoFarad pF brukes i elektronikken til daglig.

Kondensatoren i figur 2 benytter papir som isolasjonsmateriale. Dette har vært mye brukt opp gjennom tidene. I dag hvor man krever mindre komponenter, er isolasjonsmaterialet gjerne plast eller et keramisk stoff. Slike kondensatorer er såkalte “tørre” kondensatorer, og de er ikke polarisert og kan kan kobles begge veier.

Elektrolytt-kondensatoren

Dette er i motsetning til de “tørre” kondensatorene en “våt” kondensator. Elektrolytt-kondensatorene dekker behovene for store kapasiteter fra 1 µF og opp til 30.000 µF. Den høye kapasiteten oppnås ved at den ene metallfolien, eller elektroden (anoden), blir belagt med en meget tynn isolasjonshinne, som er ca. 10–4 mm. Dette blir gjort elektrolytisk ved hjelp av elektrisk spenning og elektrolyse.

Fig. 3. Oppbygging av en kanne-elektrolytt kondensator.
1) Metallfolie
2) Papir fuktet i elektrolytt-væske.

Som tidligere nevnt er avstanden mellom platene med på å bestemme kapasiteten til kondensatoren. Med en så tynn isolasjonshinne som 10–4 mm mellom metallfoliene oppnår man høyere kapasiteter. Når metallfoliene rulles sammen plasseres det også her papir imellom. Men nå er papiret fuktet med en væske som kalles en elektrolytt. Dette er en spesiell syre. Det hele pakkes inn i en forseglet og tett aluminiumsbeholder, som også er utstyrt med to tilkoblinger.

På grunn av den elektrolytiske fremstillingen av denne type kondensatorer, blir de polariserte med en plusspol og en minuspol. Disse polene må aldri feilkobles eller ombyttes, for det kan ende med et smell.

Fig. 4. Kondensatorsymboler som brukes i elektronikkskjemaer.

Kondensatorens elektriske egenskaper

Det som er viktigst for oss, er å bli kjent med kondensatorens elektriske egenskaper. Kobler vi en kondensator til en likespenning, går det kun en liten strøm i kretsen i det første øyeblikket etter tilkoblingen. Dette er ladestrømmen som må til for å lade opp platene i kondensatoren.

Vi kan da si at kondensatoren sperrer for likestrøm.

Kobler vi en kondensator til en vekselspenning, flyter derimot strøm frem og tilbake i takt med frekvensen på vekselstrømmen. Kondensatoren leder vekselstrøm.

Glattere likespenning med kondensator

Fig. 5. I en strømforsyning med enkel likeretterdiode uten kondensator vil spenningen over lasten se slik ut. Kun rene sinus-halvperioder.

Spenningen over lasten ser man i figur 5. Det går strøm gjennom lasten kun ved annenhver sinus-halvperiode, og dette egner seg ikke i mer følsomme elektronikkretser.

På figur 6, har det nå blitt koblet en kondensator over lasten. Kondensatoren er ladet opp, og sørger for at spenningen over lasten holder seg oppe mellom hver sinus-halvperiode. Kondensatoren lader seg litt ut mellom hver spenningstopp, men den får til gjengjeld ny lading igjen ved neste topp. Totalt sett gir dette en brukbar likespenning, men det kan gjøres bedre som vist i figur 7.

Fig. 6. Kondenstaorens lading sørger for at det blir spenning over lasten mellom hver sinus-halvperiode.

Her er det benyttet brolikeretter med fire dioder. Da vil hver halvperiode av vekselspenningen bli med, slik at det blir tettere mellom spenningstoppene. Kondensatoren rekker ikke å lade seg så mye ut mellom hver topp fordi den får raskere ny opplading.

Fig. 7. Ved bruk av brolikeretter oppnås tetter avstand mellom toppene og kondenstaorens lading sørger for at det blir glattere likespenning over lasten.

En slik brolikeretter med en etterfølgende kondensator gir en brukbar likespenning for de fleste formål på modelljernbanen. Brolikerettere bør tåle

ca. 40 volt og en strøm på ca. 3 ampére. Kondensatorens størrelse bør også ligge på en kapasitetsverdi fra ca. 1000 µF til 4700 µF. Spenningen som kondesatoren må tåle bør være ca. 40 volt for å være på den sikre siden.

Bruk aldri kondensatorer med lavere merkespenning enn den som måles etter likeretteren. For høy spenning over en kondensator får den til å smelle som en kinaputt.

Spenningsregulator

Spenningen vi nå har laget er vist i fig. 7. Den er god nok til forskjellige relékretser, enkel blinkelektronikk osv. Men til mange formål trenger vi en helt stabil og glatt likespenning og da benytter vi i tillegg en spenningsregulator.

For bare noen få år siden trengte man et stort kretskort påmontert mange forskjellige komponenter for å lage en stabilisert strømforsyning. I dag har moderne teknikk sørget for at en komplett stabilisert strømforsyning finnes innvendig i en eneste liten komponent.

Fig. 8. Alle disse komponentene
finnes inne i en spenningsregulator av LM 7800-serien.

Dette er en fast spennings-regulator, f.eks. LM 7805, som gir ut 5 volt, med en strøm på maksimalt 1 ampére. Denne stammer fra en serie med spenningsregulatorer som gir ut forskjellige faste spenninger. De andre er LM 7808, LM 7812, LM 7815 og LM 7824. De to siste sifrene i nummeret angir hvilken spenning du vil få på utgangen.

Hva som befinner seg inne i en slik regulator (se fig. 8), trenger vi ikke lære noe om. Det eneste vi må vite, er hva slags spenning vi skal ha på inngangen, og hva vi ønsker å få ut på utgangen.

I fig. 9 vises en komplett stabilisert strømforsyning som gir helt glatt og konstant likespenning. Den kan levere 5 volt spenning og maksimalt 1 ampére med strøm.

Fig. 9. Ved å tilkoble en spenningsregulator etter brolikeretteren oppnås en helt glatt likespenning over lasten. Skjema viser en 5 volt spenningsregulator. Ønsker man andre spenninger f.eks. 12 volt benytter man istedet spenningsregulator LM 7812.

En viktig ting å huske på, er å skru spenningsregulatoren fast til noe metall, for at varmen fra spenningsregulatoren skal avledes. Det blir omsatt en del watt i regulatoren og denne må ledes bort så ikke regulatoren ødelegges.

Fig. 10. Slik ser en spenningsregulator fra LM 7800-serien ut. Alle er like uansett spenninger på utgangen. Prisen ligger på ca en tier pr. stk.

Vi kan ta et regneeksempel for kretsen i fig. 9. Vi starter med en trafo som gir ut 16 V AC. Denne vekselspenningen likeretter vi med de fire diodene (brolikeretter) og etter likeretteren kan vi måle over kondensatoren C1 en spenning som er:

16 V x 1,414 = 22,6 volt

1,414 er det samme som kvadratroten av 2. Dette er en konstant vi alltid ganger med når vi gjør om vekselspenning til likespenning.
Vi tilfører altså 22,6 volt inn på spenningsregulatorens inngang nr. 1. Ut på utgang nr. 3 får vi 5 volt, og spenningsfallet blir da over regulatoren:

22,6 V – 5 V = 17,6 volt

Dersom vi skal belaste kretsen maksimalt og trekke 1 ampére ut av regulatoren, vil følgende varmeeffekt bli omsatt i regualtoren:

17,6 V x 1 A = 17,6 watt

Dette gir mye varmetap, og det er derfor viktig at regulatoren skrus fast til solid metall som gir god varmeavleding.

En annen aktuell utgangsspenning er f.eks. 12 volt. Med samme trafospenning inn så gir dette lavere spenningsfall over regulatoren:

22,6 V – 12 V = 10,6 volt

Dette gir igjen et varmetap i regulatoren på:

10,6 V x 1 A = 10,6 watt

Av dette ser vi at jo høyere utgangsspenning vi benytter, desto mindre blir effekttapet i regulatoren.

Det huset som regulatoren er innstøpt eller kapslet i, kalles TO220. Den kan også leveres i andre kapslinger, men dette er den mest praktiske å benytte. Prisen på slike spenningsregulatorer er ikke avskrekkende. De koster ca en tikrone pr. stk.

Kjøleribbe for varmeavledning

En passende kjøleribbe for en spenningsregulator er f.eks en slik som vist i fig. 11. Den fåes ferdigboret med hull for TO220 hus. Det finnes også mengder av transistorer som også benytter TO220 hus, så dette er en veldig vanlig utforming på et komponent.

Fig. 11. Kjøleribbe for TO220 hus. Mange forskjellige komponenter benytter TO220 hus, slik at denne kjøleribben kan også benyttes i mange andre sammenheng.

Brolikeretter

I skjemaet i fig. 9 tegner vi brolikeretteren som fire diodesymboler. Vi kan selvfølgelig lage brolikeretteren med fire separate dioder av type 1N4004. I dette tilfellet er det enklere å benytte en ferdig brolikeretter hvor alle fire diodene er innstøpt i ett og samme hus. Ut av dette huset stikker fire bein for tilkobling, til kretskort. Det finnes mengder av varianter vi kan bruke, og vi har valgt en som heter SB340. Den tåler 3 ampére og 400 volt.

To av benene diagonalt over for hverandre tilkobles vekselspenningen fra trafo, mens de to andre benene, merket henholdsvis pluss og minus, er de som gir ut likespenningen, se fig. 12.

Fig. 12. Brolikeretter SB340 sett fra undersiden og fra siden.

På svært mange komponenter blir gjerne plusspolen synliggjort på en spesiell måte, og på brolikeretter SB340 er det ene hjørnet ved plusspolen avkappet.

Elektrolytt-kondensatorene

Disse er lett gjenkjennelige på de store runde kannene med trådender ut i hver ende, eller to tråder ut i den ene enden. HUSK at disse er polarisert med en plusspol, og må ikke feilkobles.

På kanner med tråder ut i hver ende er plusspolen den enden som har tydelig spor klemt inn rundt kanten av kanna og hvor også tråden kommer ut gjennom gummiisolasjon. Min-uspolen i den andre enden kommer uisolert direkte ut av metallkanna.

Fig. 13. Vanlige elektrolyttkondensatorer. Pluss polen er til venstre med fordypning i kanna.

Montasje av komponentene

Denne strømforsyningen er en forholdsvis enkel krets med kun fire komponenter. Til slike små prosjekter benytter vi gjerne et spesielt kretskort som kalles Veroboard eller Eksperi-mentplate.

Dette er en plate av Pertinax belagt med ledende kobberbaner med 2,54 mm avstand. Platen har også ferdig borede huller for komponenter, hvor avstanden mellom hullene i alle retninger er 2,54 mm. Denne avstanden er “rasteravstanden” på de fleste elektronikkdeler for kretskortmontasje.

Ved montasje har man allerede gitt alle de horisontale “lederne”. Man bruker et 3 mm bor for å bryte lederne på ønskede steder, og man lager selv de loddrette forbindelsene med korte ledninger. Slik lager man skjemaet i figur 9 om til en elektrisk krets med loddrette og vannrette forbindelser.

Fig. 14. Veroboard, eller også kalt Eksperimentplate, er et veldig fint hjelpemiddel for rask og enkel montasje av komponenter.

Forsøk selv, det er ikke så vrient som det ser ut for. Ta gjerne kontakt med Electrade i Sandefjord, hvis du trenger hjelp ved kjøp av komponenter.

Vi sees i neste nr. med flere eksperimenter som vi kan lage til modelljernbanen.

BILDETEKST
img01

img02

img03

img04

img05

img06

img07

img08

img09

img10

img11

img12

img13

img14

img15