Sådan Fungerer Kredsløb

{h1}

Kredsløb kan findes i næsten alle elektroniske enheder, du kan tænke på. Find ud af, hvilke kredsløb der er, og hvordan kredsløb gør elektroniske enheder til at fungere.

Har du nogensinde spekuleret på, hvad der sker, når du vælter en switch for at tænde lys, tv, støvsuger eller computer? Hvad er det, der skifter det, der skifter? I alle disse tilfælde fuldfører du en elektrisk kredsløb, hvilket tillader a nuværende, eller strøm af elektroner gennem ledningerne.

Et elektrisk kredsløb er på mange måder ligner dit kredsløbssystem. Dine blodkar, arterier, vener og kapillærer er som ledningerne i et kredsløb. Blodkarrene bærer blodstrømmen gennem din krop. Ledningerne i et kredsløb bærer den elektriske strøm til forskellige dele af et elektrisk eller elektronisk system.

Dit hjerte er pumpen, der styrer blodcirkulationen i kroppen. Det giver styrken eller trykket for blod til at cirkulere. Det blod, der cirkulerer gennem kroppen, leverer forskellige organer som dine muskler, hjerne og fordøjelsessystem. Et batteri eller en generator producerer spænding - den kraft, der driver strøm gennem kredsløbet.

Tag det simple tilfælde af et elektrisk lys. To ledninger tilsluttes lyset. For elektroner til at gøre deres arbejde for at producere lys, skal der være et komplet kredsløb, så de kan strømme gennem pæren og derefter tilbage ud.

Diagrammet ovenfor viser et simpelt kredsløb af en lommelygte med et batteri i den ene ende og en lommelygte pære i den anden ende. Når kontakten er slukket, eksisterer der ikke et komplet kredsløb, og der vil ikke være nogen strøm. Når kontakten er tændt, vil der være et komplet kredsløb og en strømstrøm, der resulterer i flashbulbemitterende lys.

Kredsløb kan være store strømforsyningssystemer, der overfører tusindvis af magtmagter - eller små mikroelektroniske chips, der indeholder millioner af transistorer. Denne ekstraordinære krympning af elektroniske kredsløb gjorde det muligt for stationære computere. Den nye grænse lover at være nanoelektronik kredsløb med enhedsstørrelser i nanometerene (en milliarddel af en meter).

I denne artikel lærer vi om de to grundlæggende typer af elektriske kredsløb:

  • Strømkredsløb overføre og styre store mængder elektricitet. Eksempler er kraftledninger og boliger og forretningsledninger. Hovedkomponenterne i strømkredsløb er generatorer i den ene ende og belysningssystemer, varmesystemer eller husholdningsapparater i den anden ende. Mellemliggende er kraftledninger, transformere og afbrydere.
  • Elektroniske kredsløb behandle og transmittere information. Tænk computere, -radioer, tv'er, radarer og mobiltelefoner.

Circuit Basics

Dette kredsløb indeholder mange individuelle kredsløb.

Dette kredsløb indeholder mange individuelle kredsløb.

Du har sikkert hørt disse vilkår før. Du vidste, at de havde noget at gøre med elektricitet, men måske var du ikke helt sikker på, hvordan.

Ligesom dit hjerte producerer trykket for at få blodet til at cirkulere, producerer et batteri eller en generator trykket eller kraften til at skubbe elektroner rundt om et kredsløb. Spænding er kraften og måles i volt (V). Et typisk lommelygte batteri producerer 1,5V, og den almindelige husholdningsspænding er 110V eller 220V.

-Elektrisk nuværende, eller strøm af elektroner, måles i ampere (EN). Produktet af elektrisk kraft (i volt) og strøm (i ampere) er elektrisk effekt målt i watt (W). Et batteri, der genererer 1,5V og producerer en strøm på 1A gennem en lommelygte, leverer 1,5V x 1A = 1,5W elektrisk strøm.

Blodet, som strømmer gennem din krop, får ikke en fri tur. Væggene i blodkarrene hæmmer strømmen, og jo mindre blodkaret er, jo mere modstandsdygtigheden til at flyde. Nogle af det tryk, der produceres af dit hjerte, er kun for at skubbe blod gennem blodkar. Som elektroner bevæger sig gennem ledninger støder de på atomer. Dette hæmmer strømmen af ​​elektronerne. Ledningen tilbyder modstand til strømmen af ​​strømmen. Mængden af ​​modstand afhænger af materialets diameter, diameter og længde. Modstanden stiger, når trådens diameter falder. Modstand er i enheder af ohm (Ω).

Ohms lov vedrører spænding, strøm og modstand:

Modstand (Ω) = Spænding (V) / Strøm (I)

Ohms lov kan skrives som R = V / I.

Elektriske kredsløb består af ledninger og andre komponenter - som pærer, transistorer, computerchips og motorer. Ledninger af metal kaldet ledere der har en lav modstand mod strøm, forbinder komponenterne. Kobber og aluminium er de mest almindelige ledere. Guld, på grund af dets modstand mod korrosion, bruges ofte til at fastgøre ledninger til små elektroniske chips.

-I en glødelampe strømmer strømmen gennem en tynd wolframtråd eller en metallisk filament der giver høj modstand mod strømmen. Når elektronerne støder på atomerne, producerer friktionen eller tabet af kinetisk energi varme. Hvis filamentets temperatur er høj nok, begynder den at gløde og afgive lys. Dette er incandescence. Typiske glødetemperaturer for pærer er omkring 4.600 grader F (2.550 grader C). Desværre er 90 til 95 procent af den energi, der leveres til en pære, tabt i form af varme i stedet for lys, så glødepærer er meget ineffektive.

Fluorescerende lys producerer lys ved at have elektroner passere gennem et rør fyldt med kviksølv damp og neon eller argon gas. Når elektronerne støder på kviksølvatomer, forårsager de elektroner i atomer at absorbere noget af deres energi. Da disse elektroner vender tilbage til deres normale tilstand, udstråler de bundne lysenergi kaldet fotoner. Lysstofrør er fire til fem gange mere effektivt end glødelamper.

På næste side ser vi på lukkede kredsløb, åbne kredsløb, kortslutninger, serie kredsløb og parallelle kredsløb.

Typer af kredsløb

Parallel kredsløb Illustration

Parallel kredsløb Illustration

EN lukket kredsløb har en komplet vej for strøm til at strømme. en åbent kredsløb betyder ikke, at det ikke er funktionelt. Hvis dette er din første eksponering for kredsløb, tror du måske, at når et kredsløb er åbent, er det som en åben dør eller port, som strømmen kan strømme igennem. Og når den er lukket, er det som en lukket dør, at strømmen ikke kan strømme igennem. Faktisk er det bare det modsatte, så det kan tage lidt tid at vænne sig til dette koncept.

EN kort kredsløb er en lavmodstandsvej, som normalt laves utilsigtet, som omgår en del af et kredsløb. Dette kan ske, når to ledige ledninger i et kredsløb berører hinanden. Den del af kredsløbet, der omkobles af kortslutningen, ophører med at fungere, og en stor mængde strøm kan begynde at strømme. Dette kan generere meget varme i ledningerne og forårsage brand. Som sikkerhedsforanstaltning åbner sikringer og afbrydere automatisk kredsløbet, når der er for stor strøm.

I en serie kredsløb, den samme strøm flyder gennem alle komponenterne. Den samlede spænding på tværs af kredsløbet er summen af ​​spændingerne over hver komponent, og den totale modstand er summen af ​​resistenserne for hver komponent. I dette kredsløb er V = V1 + V2 + V3 og R = R1 + R2 + R3. Et eksempel på en serie kredsløb er en streng af julelys. Hvis en af ​​pærerne mangler eller udbrændes, strømmer ingen strøm, og ingen af ​​lysene tændes.

Parallel kredsløb er som de mindre blodkar, der afgrener sig fra en arterie og derefter forbinder til en vene for at returnere blod til hjertet. Tænk nu på to ledninger, der hver repræsenterer en arterie og en vene, med nogle mindre ledninger forbundet mellem dem. Disse mindre ledninger vil have samme spænding påført dem, men forskellige mængder strøm strømmer igennem dem afhængigt af modstanden af ​​de enkelte ledninger.

Et eksempel på et parallelt kredsløb er kabelsystemet til et hus. En enkelt strømkilde leverer alle lys og apparater med samme spænding. Hvis et af lysene brænder ud, kan strømmen stadig strømme gennem resten af ​​lysene og apparaterne. Men hvis der er en kortslutning, falder spændingen til næsten nul, og hele systemet går ned.

Kredsløb er generelt meget komplekse kombinationer af serier og parallelle kredsløb. De første kredsløb var meget enkle DC-kredsløb. Vi ser på kredsløbets historie og forskellen mellem DC og AC på den næste side.

Historie af elektriske kredsløb

Japansk premierminister Junichiro Koizumi griner som en ballon klæber til ham med en statisk elektrisk ladning.

Japansk premierminister Junichiro Koizumi griner som en ballon klæber til ham med en statisk elektrisk ladning. -

Tidlige undersøgelser af statisk elektricitet gå tilbage hundreder af år. Statisk elektricitet er en overførsel af elektroner fremstillet ved friktion, som når du gnider en ballon over en sweater. En gnist eller meget kort strømstrøm kan opstå, når opladede genstande kommer i kontakt, men der er ingen kontinuerlig strømstrøm. I mangel af kontinuerlig strøm er der ingen nyttig anvendelse af elektricitet.

Opfindelsen af ​​batteriet - som kunne producere en kontinuerlig strømstrøm - muliggjorde udviklingen af ​​de første elektriske kredsløb. Alessandro Volta opfandt det første batteri, den voltaiske bunke, i 1800. De allerførste kredsløb brugte et batteri og elektroder nedsænket i en beholder med vand. Strømmen af ​​strøm gennem vandet producerede brint og ilt.

Den første udbredte anvendelse af elektriske kredsløb til praktisk brug var til elektrisk belysning. Kort tid efter opfandt Thomas Edison sin glødelampe, søgte han praktiske applikationer til det ved at udvikle en hel elproduktion og distributionssystem. Det første sådanne system i USA var Pearl Street Station i downtown Manhattan. Det gav et par firkantede blokke af byen med el, primært til belysning.

En klassifikation af kredsløb har at gøre med den aktuelle strøm. De tidligste kredsløb var batteridrevne, hvilket gjorde en stabil, konstant strøm, som altid flød i samme retning. Dette er jævnstrøm, eller DC. Anvendelsen af ​​DC fortsatte gennem tiden af ​​de første el-systemer. Et stort problem med DC-systemet var, at kraftværker kunne tjene et område på kun omkring en kvadratkilometer på grund af strømtab i ledningerne.

I 1883 foreslog ingeniører at udnytte det enorme vandkraftpotentiale i Niagara Falls til at levere Buffalo, N.Y's behov. Selvom denne magt i sidste ende ville gå ud over Buffalo til New York City og endnu længere var der et første problem med afstanden. Buffalo var kun 16 miles fra Niagara Falls, men ideen var uhåndterlig - indtil Nikola Tesla gjorde det muligt, som vi vil se på næste side.

Teslas gennembrud

Før opdagelsen af ​​AC, eller vekselstrøm, strøm, var fjernstrømseffektoverførsel ikke mulig.

Før opdagelsen af ​​vekselstrøm eller vekselstrøm, strøm, var langdistansetransmission ikke mulig.

Ingeniør Nikola Tesla, støttet af teoretisk arbejde af Charles Proteus Steinmetz, kom med ideen om at bruge vekselstrøm, eller AC. I modsætning til likestrøm ændrer AC altid og gentager gentagne retninger.

Så hvorfor var AC svaret på problemet med langdistansetransmission? Med AC er det muligt at bruge transformers at ændre spændingsniveauer i et kredsløb. Transformers arbejder på et princip af magnetisk induktion, som kræver et skiftende magnetfelt produceret af vekselstrømmen. Med transformere kan spændinger forøges til langdistancetransmission.Ved modtagende ende kan spændingsniveauet falde til en sikrere 220V eller 110V til erhvervsmæssig og privat brug.

Vi har brug for høje spændinger i lange afstande, fordi trådmodstanden forårsager strømtab. Elektronerne, der støder på atomer, mister energi i form af varme, når de rejser. Dette effekttab er proportional med kvadratet af mængden af ​​strøm, som bevæger sig gennem ledningen.

For at måle mængden af ​​strøm, linjen transmitterer, kan du multiplicere spændingen med strømmen. Du kan udtrykke disse to ideer ved hjælp af en ligning, hvori jeg repræsenterer nuværende, V repræsenterer spænding og P er lig med magt:

P = V x I

Lad os overveje eksemplet om at sende 1 megawatt. Hvis vi øger spændingen fra 100V til 10.000V, kan vi derefter reducere strømmen fra 10.000A til 100A. Dette vil reducere strømforbruget med (100)2, eller 10.000. Dette var Teslas koncept, og fra den idé blev kraftoverførsel fra Niagara Falls til Buffalo, og i sidste ende til New York City og videre, en realitet.

I USA og mange andre lande, standarden frekvens for vekselstrøm er 60 cykler pr. sekund eller 60 hertz. Det betyder at 60 gange i sekundet strømmer en komplet cyklus af strømmen i en retning og derefter i den anden. Strømmen strømmer i en retning for 1 / 120th af et sekund og i den anden retning til endnu 1 / 120th af et sekund. Den tid, det tager at udføre en cyklus, kaldes a periode, som i dette tilfælde er 1 / 60th af et sekund. I Europa og andre områder er standardfrekvensen for vekselstrøm 50 hertz.

Elektroniske kredsløb har brug for både AC og DC. Vi lærer om dem på den næste side.

Edison vs Tesla

Thomas Edison var en strålende og intuitiv opfinder. Men hans begrænsede skolegang, især i matematik, holdt ham fra en sand forståelse af teorien bag AC-elektricitet. Han forstod DC godt nok, men AC var underligt lidt ud over hans forståelse. Han modsatte sig stærkt ideen om at bruge AC til fjernstrømstransmission, men AC udskiftede gradvist DC som det primære middel til elektrisk kraftoverførsel.

Elektroniske kredsløb

Du har måske hørt udtrykket chip, især når emnet computer hardware kommer op. En chip er et lille stykke silicium, normalt omkring en centimeter firkant. En chip kan være en enkelt transistor (et stykke silicium, der forstærker elektriske signaler eller fungerer som en tænd / sluk-knap i computerapplikationer). Det kan også være en integreret kredsløb sammensat af mange sammenkoblede transistorer. Chips er indkapslet i en hermetisk lukket plast eller keramisk kabinet kaldet a pakke. Nogle gange henviser folk til hele pakken som en chip, men chippen er faktisk inde i pakken.

Der er to grundlæggende typer af integreret kredsløb - monolitisk og hybrid. Monolitiske IC'er omfatter hele kredsløbet på en enkelt siliciumchip. De kan variere i kompleksitet fra blot et par transistorer til millioner af transistorer på en computer mikroprocessor chip. En hybrid IC har et kredsløb med flere chips indesluttet i en enkelt pakke. Chipsne i en hybrid IC kan være en kombination af transistorer, modstande, kondensatorer og monolitiske IC-chips.

EN printplade, eller PCB, holder et elektronisk kredsløb sammen. Det færdige PCB med medfølgende komponenter er a printplade montage, eller PCBA. Et flerlags-printkort kan have så mange som 10 stablede printkort. Elektroplerede kobberledere passerer gennem huller vias Tilslut de enkelte PCB'er, som danner et tredimensionelt elektronisk kredsløb.

De vigtigste elementer i et elektronisk kredsløb er transistorerne. Dioder er små chips af silicium, der fungerer som ventiler for at tillade strømmen i kun én retning. Andre elektroniske komponenter er passive elementer synes godt om modstande og kondensatorer. Modstande tilbyder en bestemt mængde modstand mod strøm, og kondensatorer opbevarer elektrisk opladning. Det tredje grundlæggende passive kredsløbselement er spole, som lagrer energi i form af et magnetfelt. Mikroelektroniske kredsløb bruger meget sjældent induktorer, men de er almindelige i større strømkredsløb.

De fleste kredsløb er designet ved hjælp af computer hjulpet design programmer eller CAD. Mange af kredsløbene i digitale computere er ekstremt komplekse og bruger millioner af transistorer, så CAD'er er den eneste praktiske måde at designe dem på. Kredsløbsdesigneren starter med en generel specifikation for kredsløbets funktion, og CAD-programmet afbilder det komplekse mønster af sammenkoblinger.

Etsningen af ​​metalforbindelsesmønstret på en PCB eller IC chip bruger et ætsebestandigt maskeringslag til at definere kredsløbsmønsteret. Det udsatte metal ætses væk, hvilket efterlader mønsteret for at forbinde metal mellem komponenter.

Hvorfor bruges AC i elektroniske kredsløb?

I elektroniske kredsløb er afstande og strømme meget små, så hvorfor bruger AC? Først og fremmest repræsenterer strømme og spændinger i disse kredsløb konstant skiftende fænomener, så de elektriske repræsentationer eller analoger ændrer sig også konstant. Den anden grund er, at radiobølger (som dem, der anvendes af tv'er, mikrobølger og mobiltelefoner) er højfrekvente vekselstrømssignaler. Frekvenserne, der anvendes til alle typer trådløs kommunikation, er stabile fremskredet gennem årene fra kilohertz (kHz) -området i de tidlige dage af radio til megahertz (MHz) og gigahertz (GHz) -området i dag.

Elektroniske kredsløb bruger DC til at give strøm til transistorerne og andre komponenter i elektroniske systemer. EN ensretter kredsløb konverterer vekselstrøm til DC fra vekselstrømsspændingen.

For mere information om kredsløb, se på linkene på næste side.

IC-revolutionen: Mikroelektronik

I de tidlige dage af elektroniske kredsløb var komponenter som vakuumrør og transistorer individuelle enheder monteret på et metalchassis eller trykte kredsløb. Så begyndte i 1959 to forskere, Jack Kilby hos Texas Instruments og Robert Noyce hos Fairchild Semiconductor (som arbejdede uafhængigt) at starte mikroelektronikrevolutionen ved at udvikle det første integrerede kredsløb.

De opdagede, hvordan man kombinerer eller integrerer flere transistorer og modstande og forbinder dem for at danne et kredsløb, alt sammen på samme lille chip af silicium. I dag kan meget komplekse elektroniske systemer - ligesom mikroprocessorer med millioner af transistorer - passe på en enkelt tommer kvadratisk silicium chip. Disse integrerede kredsløb er, hvad -make-moderne datamaskiner muligt.

-


Video Supplement: Sådan fungerer hjertet.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com