Vaikust! Eksam!
Ühe kõrgkooli tolmuses koridoris praktikumiruumi ukse taga siblivad kümned tudengid. Mõni istub lausa põrandal, mõni aknalaual. Kõik nad arutavad asistel teemadel ...
Mis oleks, kui korraldaks Horisondi veergudel samuti omamoodi eksami?
Oleme ju 2008. aasta jooksul üht-teist õppinud. Teeme asja natuke teistmoodi, kui tavaliselt kombeks. Ei küsikski midagi... Proovime hoopis ühiselt rakendada saadud teadmisi ühe koduse praktilise probleemi lahendamisel.
Niisiis, eeltingimused
Olgu koduses toavalgustis N hõõglampi igaüks võimsusega P = 60 vatti. Vahelduvpinge U on meil tavaliselt 230 volti. Veel on teada, et lambi hõõgniidi takistus on külmalt (lülitile vajutades) isegi kuni 29 korda väiksem nominaalsest. Väiksem takistus tähendab meie sakslasest tuttava Georg Simon Ohmi meelest suuremat voolu läbi hõõgniidi. Mõnikord isegi fataalselt suurt voolu. Fakt leiab praktikas kinnitust - eluea lõpule lähenev pirn põleb heleda plaksakaga läbi tavaliselt just lülitile vajutamisel.
Lisateave
Euroopa Liidu ametnikud on kusagilt kuulnud, et hõõglambi kasutegur on madal. Kuna energiajulgeolek on viimase aja poliitikas akuutseks muutunud, püütakse probleemi lahendada vähem efektiivsete tarbijate (nagu elektripirn) välja tõrjumisega. Julgeolek on tähtis asi, asenduseks pakutavate luminofoorlampide ja ka LED-valgustite oluliselt suurem ökoloogiline jalajälg ja ebamugavused kasutamisel ei huvita selle taustal kahjuks kedagi. Järelikult ... on reaalne oht, et tulevikus tavalisi elektripirne enam poest ei leia.
Ülesanne
Projekteerida skeem seni veel eksisteerivate pirnide võimalikult pikaajaliseks ja säästlikuks kasutamiseks.
Vihje
Pirni pika eluea saavutame pinge sujuval tõstmisel pärast sisse lülitamist.
Lahendus
Esimese hooga võib tekkida arvamus, et kõik on väga lihtne: võtame piisavalt võimsa transistori, lisame viiteahela ja ongi skeem valmis. Jah, nii võiks toimida, kuid selline skeem pole eriti praktiline. Asi on selles, et heleduse sujuval reguleerimisel on suhteliselt pika aja vältel vaja hoida reguleerivat elementi pooleldi juhtivas olekus. Tähendab, et temal hajub küllalt palju energiat. Hajunud energia läheb ikka elemendi kuumutamiseks, seega vajaksime suuri jahutusradiaatoreid. Ei, see pole hea mõte.
Tegelikult on lahendus siiski lihtne, aga selleks tuleb võtta kasutusele uus element (nagu teevad füüsikud, kes defineerivad oma valemite kohendamiseks tihti uue osakese ja ... tihti see hiljem ka leitakse).
Vajalik element - türistor - mõeldi välja juba üsna ammu, aastal 1950. Idee autor on inglasest USA teadlane William Shockley, kes on ka üks transistori leiutajaist. Pärast mõningast kohendamist kuulsas Belli laboris ja firmas General Electric oli 1956. aastaks aeg küps vidina tööstuslikuks tootmiseks.
Türistor (mõnikord kutsutakse seda tüüritavaks alaldiks: SCR - silicon controllable rectifier) on pooljuhtseadis, mis võib voolu juhtida või mitte juhtida vastavalt juhtelektroodile antud signaalile. Vahepealseid seise ei ole, järelikult pole ka muret soojuse eraldumisega. Reaalsed elemendid ei ole muidugi avatud olekus ülijuhid ja mingi minimaalne pingelang neil siiski tekib. Võrreldes muude elementidega on see siiski väike.
Andes türistori juhtelektroodile vooluimpulsi, element avaneb ja jääbki juhtivasse olekusse, kuni pinge tema elektroodidelt kaob. Paneme tähele, et erinevalt transistorist piisab elemendi sisse lülitamiseks impulsist, pidevalt pole vaja voolu kulutada!
Hmm ... esmapilgul täiesti sobimatu tükk - mingist sujuvast reguleerimisest ei saaks nagu juttugi olla. Tegelikult on reguleerimiseks siiski olemas täiesti kasutatav võte. Appi tuleb lülitushetke aja valik ning keskmise võimsuse mõiste.
Üks pilt on parem kui 1000 sõna, seepärast proovime öeldut üles joonistada. Teadupärast kõigub võrgupinge siinuseliselt pidevalt nullist 230 voldini ja tagasi nulli. See on võrgusiinuse üks poolperiood. Järgmise poolperioodi ajal pinge polaarsus muutub: pluss ja miinus vahetavad kohad (joonis trükinumbris).
Üks selline pluss- ja miinuspolaarsuse "komplekt" kannab nimetust periood ja kestab Euroopa vooluvõrgus 20 millisekundit (arvutatakse kui sageduse pöördväärtus, mis on meil 50 hertsi). Seega pinge kadumine türistorilt on alati garanteeritud. Just seda oligi vaja, sest juba sisselülitatud türistori teist viisi välja lülitada ei saa.
Aga sujuv reguleerimine? Saab ka seda! Ühendame türistoriga järjest elektripirni ja vaatame, mis hakkab juhtuma, kui juhtelektroodi torkida. Andes tüürimpulsi täpselt poolperioodi alguses, juhib element voolu terve poolperioodi vältel. Koormust läbib pidevalt vool ja lamp põleb (tegelikult vilgub, aga inimese silm seda ei märka). Järgmise poolperioodi alguses tuleb anda uus impulss ja kõik kordub.
Järgnevalt nihutame juhtimpulsi veidi hilisemaks, nt poolperioodi keskele. Lambi heledus kahaneb peaaegu kaks korda. Joonis (trükinumbris) näitab, et lampi läbib õige kummalise kujuga vool. Keskmise võimsuse saaksime summeerides hetkvõimsused (dU x dI) kogu poolperioodi vältel ja juba pildilt on näha, et see on oluliselt väiksem maksimumist. Sellest ka väiksem heledus.
Teooria osa on läbi, saime teada, et kavalalt lülitit klõbistades on võimalik elektripirni heledust sujuvalt muuta. Jääb vaid joonis teha.
Skeem
Lihtsaim lahendus hõõglambi heleduse reguleerimiseks koosneb vaid kolmest komponendist - takistist R1, kondensaatorist C1 ja sümistorist Q1 ( joonis 3 trükinumbris).
Jääb üksnes lisada viiteahel, mis suurendaks R1 takistust stardil sujuvalt. Sellega läheb keerukamaks - ahel peab olema suure takistusega, kuid töö ajal omama jälle suhteliselt väikest takistust. Lisaks peab skeem töötama suhteliselt kõrge vahelduvpingega. Aga ... teeme viiteahela alalispingele, kuna nii on lihtsam ja seome selle reguleeritava osaga optiliselt! Tavadimmeris harilikus valgustugevuse regulaatoris on R1 ja R3 asemel pote, mida pöörates saab heledust muuta. Asendades pote fototakistiga (muukeelselt LDR, muide jälle EU direktiiviga keelatud detail!), saame valgusega tüüritava lüliti. Jääb vaid seda valgust sujuvalt süüdata. Tüüriva valguse allikaks on tavaline valgusdiood, LED, mida toidetakse ahela R2, D1 ja C2 kaudu. Kuna R2 ja C2 moodustavad klassikalise viiteahela, tõuseb pinge LED-l sujuvalt (eksponentsiaalselt tegelikult, aga hetkel see ei huvita). Järelikult muutub ka LED kiirgus ja seetõttu tüüritava laelambi heledus sujuvalt. Ülesanne on lahendatud.
Aga tagasi pealkirja juurde. Eksam? Njaa ... Rauakooli aegadest meenub elektroonika eksam. Ukse taga kuulaja mäletab asju nii: sahin, krabin, tooli kolin, tudeng tuleb vastama. Pärast mõningaid arglikke repliike hakkab sulnilt ja veidi uinutavalt, nagu loenguski, voogama õppejõu sorav seletus asjade tegelikust olemusest. Mingi hetk vist antakse eksaminandile sõna: "...ee ... baasivool ikkagi mõjutab küll...", "takisti ... noh ... valin...". Ja õppejõu monoloog jätkub. Paistab, et kõik said siiski asja olemuse selgeks, sest poliitikuid ja kinnisvaraarendajaid meie rühmast ei sirgunud. Hea võimalus õppejõudu tänada...
LOE VEEL
- Türistori tööpõhimõttest ja ehitusest
- Veel juttu türistorist ja tema sugulastest
- Maagiline lamp, mida saab süüdata "tikutulega"
VELJO SINIVEE (1964) töötab Tallinna Tehnikaülikooli füüsikainstituudis elektroonikuna. Huvialadeks elektroonika, koodi kirjutamine mikrokontrolleritele, akvaristika.
