6.3 Kondensaattori ja diodi virtapiirissä
Kondensaattorien ja diodien sovellukset
Kondensaattori ja diodi ovat elektroniikan peruskomponentteja vastuksen kanssa.
Kondensaattoreiden sovellukset perustuvat kondensaattorin kykyyn varastoida energiaa. Kondensaattoreita voidaan käyttää esimerkiksi
- lyhytaikaisina jännitelähteinä
- tuottamaan sähkövirtaa joko suurena virtapiikkinä (esimerkiksi salamavaloissa) tai pienempänä ja pidempikestoisena
- säätelemään, tuottamaan tai vastaanottamaan sähkömagneettisen säteilyn signaaleja.
Diodeilla on monenlaisia sovelluksia elektroniikassa. Sovelluksissa hyödynnetään diodin kykyä päästää lävitse vain yhdestä suunnasta tulevaa sähkövirtaa. Diodin sovelluksia ovat esimerkiksi kyky
- muuttaa vaihtovirtaa tasavirraksi
- toimia kytkimenä tai loogisina portteina
- olla signaalin erottaja sähkömagneettisesta aaltoliikkeestä.
Kondensaattoreita ja diodeja on lukuisissa elektroniikkalaitteissa, esimerkiksi radioissa, kameroissa ja tietokoneissa.
Etuvastus
Etuvastuksella tarkoitetaan yleensä tavallista vastusta, jonka tarkoitus on rajoittaa maksimivirtaa ja siten suojata jotain muuta komponenttia, jonka "edessä" se on. Etuvastus kytketään suojattavan komponentin kanssa sarjaan, jotta se rajoittaa komponentin läpi kulkevaa virtaa.
Kondensaattoria varatessa etuvastus hidastaa latautumista ja purkautumista. Joskus tämä voi olla itsessään tavoitteena virran rajoittamisen lisäksi. Jos etuvastusta ei olisi, varautuminen tapahtuisi hyvin nopeasti. Ilman etuvastusta sähkövirtaa vastustaa ainoastaan johtimien ja kondensaattorin oma resistanssi. Kondensaattorin resistanssi on yleensä häviävän pieni, eikä sitä oteta huomioon.
Mitä suurempi resistanssi etuvastukselle valitaan, sitä pienempi sähkövirta virtapiirissä kulkee. Samalla kondensaattorin varautuminen kestää kauemmin. Sama pätee kondensaattoria purettaessa. Alla on samaa kondensaattoria ladattu samalla jännitteellä, mutta kahden resistanssiltaan erisuuren vastuksen läpi. Suurempi vastus rajoittaa virtaa enemmän (violetti käyrä), ja sähkövirran huippuarvo on pienempi. Tällöin kondensaattorin latautuminen kuitenkin kestää kauemmin. Koska latausjännite on ollut sama, siirtyvä varauskin on sama, eli käyrien alla olevat pinta-alat ovat keskenään yhtä suuret.
Diodin tapauksessa etuvastuksen merkitys on selkeästi diodin suojaaminen. Kynnysjännitteen ylittyessä diodin läpi kulkeva virta kasvaa hyvin voimakkaasti, joten pelkästään jännitettä säätämällä virta olisi hankala saada juuri sopivaksi. Kun diodin kanssa kytketään sarjaan etuvastus, virta ei kasva rajatta kynnysjännitteen ylittymisen jälkeenkään, vaan vastus rajoittaa sitä Ohmin lain [[$U=RI$]] mukaisesti.
Valodiodi LED ja diodi virtapiirissä
LED (Light-Emitting Diode) on valoa tuottava diodi. Valo syntyy, kun elektronit täyttävät puolijohdeliitoksen toisella puolella olevat aukot. Tapahtumassa vapautuu energiaa. Syntynyt energia on sähkömagneettista säteilyä eli fotoneiksi kutsuttuja valohiukkasia. Valitsemalla diodin materiaali oikein valohiukkasia syntyy näkyvän valon aallonpituudella.
Ledien kynnysjännite on 2–4 V. Pienet ledit tarvitsevat vähän energiaa tuottaakseen valoa, ja niitä käytetään erilaisina merkkivaloina. Ledit ovat energiatehokkaita ja tuottavat vähän hukkaenergiaa hehku- tai halogeenilamppuun verrattuna. Ledit ovat olleet aluksi yksivärisiä, ja ensimmäiset valmistettiin jo 1900-luvun alkupuolella.
Valaistukseen tarvitaan valkoista valoa, joka syntyy eri värien yhteisvaikutuksesta. 1900-luvun kehitystyön seurauksena 2010-luvun jälkipuoliskolla valkoinen LED-lamppu on jo useassa kotitaloudessa. LED-valojen tutkimus on ollut yhteiskunnalle merkityksellistä, ja japanilainen Shuji Nakamura on saanut niin Millennium-teknologiapalkinnon kuin Nobelin palkinnonkin tutkimuksestaan ledien parissa.
Kun ledi tai diodi kytketään jännitelähteeseen, on aina liitettävä riittävän suuri vastus sarjaan sen kanssa. Kun kynnysjännite on ylitetty, ledi ei juurikaan rajoita sähkövirtaa. Tällöin sähkövirta voi kasvaa hyvin suureksi ja rikkoa ledin. LED-merkkivaloissa sopiva sähkövirta on noin 20 mA. Sopiva vastus rajoittaa piirin sähkövirran halutulle tasolle.
Ledejä käytetään valaistuksen ja merkkivalojen lisäksi tiedonsiirrossa tai kuvan tuottamisessa. 2010-luvulla markkinoille on tullut useita LED-tekniikkaan perustuvia televisioita. Ledien vähäisempi energiatarve pienentää televisioiden energiankulutusta, ja ledien pieni koko mahdollistaa television ohuemman muotoilun.
Virtapiiriin, jossa on diodi tai ledi, voidaan soveltaa Kirchhoffin II lakia. Diodi mallinnetaan niin, että kuljettaessa sen yli päästösuuntaan, potentiaali alenee kynnysjännitteen verran. Tarkastellaan yksinkertaista virtapiiriä, jossa on sarjaan kytkettynä jännitelähde, diodi ja etuvastus. Tällöin Kirchhoffin II lain mukaan voidaan kirjoittaa yhtälö.
[[$\qquad U-U_\text{kj}-RI=0$]]
Tässä [[$U_\text{kj}$]] on diodin tai ledin kynnysjännite. Alla on simulaatio, jossa voit tutkia tilannetta tarkemmin kahden eri ledin tapauksessa, joilla on eri kynnysjännitteet.
Pysähdy pohtimaan
Esimerkkejä
Esimerkki 1
Kaksi kondensaattoria yhdistetään jännitelähteeseen, jonka napajännite on 9,0 V. Vastuksen resistanssi [[$ R $]] on 120 Ω ja toisen vastuksen resistanssi kaksinkertainen. Kummankin kondensaattorin kapasitanssi on 450 µF. Kondensaattorit ovat varautumattomat, kun kytkin K on auki. Kytkin K suljetaan.
- Kuinka suuret ovat kondensaattoreiden jännitteet?
- Kuinka suuret ovat kondensaattoreiden varaukset?
- Määritä piirin sähkövirtojen suuruudet välittömästi kytkimen sulkemisen jälkeen.
Esimerkki 2
Sinisen ledin kynnysjännite on 3,3 V. Sen läpi kulkeva virta saa olla enintään 30 mV. Ledi kytketään 4,5 V:n jännitelähteeseen. Kuinka suuri vastus on kytkettävä sarjaan ledin kanssa?