Radioamatööriperuskurssi

1. Radioamatööriperuskurssi T1 - moduuli Heikki Lahtivirta OH2BSH

2. Miksi tekniikkaa ? • 1. Turvallisuus • 2. Turvallisuus • 3. Tekniikan taito on tärkeä • 4. Mielenkiinto tekniikkaan • 5. Harrasteen kautta ammattiin • 6. Tekniikka on hallittava myös käytännön takia

3. Sähkötekniikan perussuureet: • Jännite U [U] = V voltti • Virta I [ I] = A ampeeri • Resistanssi R [R] =  ohmi • Teho P [P] = W watti

4. Sähkötekniikan suureita: • Impedanssi Z [Z] =  ohmi • Induktanssi L [L] = H henry • Kapasitanssi C [C] = F faradi • Taajuus f [f] = Hz hertsi

5. Kerrannaisyksiköitä ja esimerkkejä niiden käytöstä • tera 10^12 terawatti 10^12 W TW • giga 10^9 gigahetrsi 10^9 Hz GHz • mega 10^6 megavoltti 10^6 V MV • kilo 10^3 kilo-ohmi 10^3  k • 10^0 watti 10^0 W W • milli 10^-3 milliampeeri 10^-3 A mA • mikro 10^-6 mikrovoltti 10^-6 V V • nano 10^-9 nanosekunti 10^-9 s ns • piko 10^-12 pikofaradi 10^-12 F pF

6. Johteita: Kulta, Hopea Kupari, Alumiini Messinki, Rauta Hiili, Ionisoitunut kaasu Puolijohteita: Pii, Si Germanium, Ge Galliumarsenidi, GaAs Seleeni. Johteet,puolijohteet ja eristeet

7. Eristeitä: Tyhjö Ilma Tislattu vesi Kiille Lasi Posliini PVC muovi Akryylimuovi Öljy Keraamiset aineet Kumi Kuiva puu Kuiva paperi Alumiinioksidi Johteet, puolijohteet ja eristeet

8. Täysin oikeaa vastaus-ta ei tiedetä, kuitenkin sähkön luonteesta, käyttäytymisestä ja käytöstä tiedetään paljon. Sähkön luonnetta voi- daan havainnollistaa Bohrin esittämän ato- mimallin avulla. Mallissa kaikki aine koostuu atomeista, joissa on ydin ja sitä kiertäviä elektroneja. Ydin koostuu positii-visista protoneista ja varauksettomista neutroneista. Elektronit ovat nega-tiivisesti varautuneita. Mitä sähkö on ?

9. Atomin ollessa lepo- tilassa atomin varaus ulospäin on nolla ts. ytimessä on yhtä mon-ta protonia kuin on ydintä kiertäviä elekt-roneja. Tuomalla atomiin energiaa ulkopuolelta irtoaa elektroni. Irronneet elektronit muodostavat johti-meen sähkövirran. Sähkövirta puolestaan saa aikaan johtimen ympärille magneetti-kentän. Mitä sähkö on ?

10. Kahden pisteen välillä vaikuttaa jännite, jos ko. pisteissä on eri määrät elektroneja. Pisteiden välillä vaikuttaa sähkökenttä Kun magneetti- ja säh-kökenttä vaikuttavat samassa pisteessä yhtäaikaa (esim. an-tenni) syntyy sähkö-magneettisen energian perusosia eli kvantteja. Mitä sähkö on ?

11. Muistikolmio Miten käytän muistikolmiota ? Peitä kysytty suure, jäljelle jäävä osa on tarvittava laskutoimi-tus. Ohmin laki U ______ I * R

12. Vastukset rinnan: Rinnankytkennässä kokonaisresistanssin käänteisarvo on osa- resistanssien kään-teisarvojen summa 1/Rt=1/R1+1/R2+1/R3 Vastukset sarjassa: Sarjaankytkennässä kokonaisresistanssi on osaresistanssien summa Rt=R1+R2+R3 Vastusten kytkennät: Rt Rt R1 R2 R3 R1 R2 R3

13. Jännitelähteet sarjassa: Sarjaankytkennän ko- konaisjännite on osa- jännitteiden summa Ut=U1+U2+U3 Jännitelähteet rinnan: Osajännitteiden on ol- tava saman suuruisia Kytkennän kuormi-tettavuus kasvaa Ut=U1=U2=U3 Jännitelähteiden kytkennät: + + + + + + + + Ut Ut - - - - - - - - U1 U2 U3 U1 U2 U3

14. Kun jännite ja virta vaikuttavat yhtä aikaa tietyssä pisteessä, ku-lutetaan ko. pisteessä sähkötehoa. Sähköteho on jännit-teen ja virran tulo P = U x I [P] = V x A =VA =W Ohmin lakia sovelta-malla saadaan tehon kaavoiksi: Sähköteho ja - työ 2 P = U x I U P = 2 R P = I x R U = P x R P I = R

15. Sähkötehon vaikut-taessa tietyn ajan, teh- dään sähkötyötä Ws. Ws = P x t(s) Ws = Wattisekunti Johdannaisyksikkö on Wh (wattitunti)= 3600 x Ws. Ostettaessa sähköä sähkölaitokselta, mak-setaan nimenomaan tehdystä sähkötyöstä. Lasku kasvaa kun aika/teho kasvaa. Sähköteho ja -työ

16. Tehosovitus tarkoittaa tilannetta jossa kuor- maan saadaan syötet-tyä teholähteestä suu-rin mahdollinen teho. Tehosovitus toteutuu kun kuorman impe-danssi on yhtä suuri kuin teholähteen sisäi- nen impedanssi. Impedanssi Z=R +j X Siirrettäessä tehoa (esim. lähettimestä an-tenniin) pyritään teho- sovitukseen (RS = RL). Tehosovitus R S R G L

17. Vaihtosähköllä jännit-teen suuruus ja suunta vaihtelevat jaksollisesti ajan suhteen. Vaihtelu on yleensä säännöllistä ja siinä on positiivinen ja nega- tiivinen osuus. Vaihtelu on yleensä sini- muotoista. Vaihtojännitteen te- hollisarvo U on sa-mansuuruinen kuin ta-sajännite, jonka läm-mittäväteho on yhtä suuri kuin vaihtojän-nitteen teho. Vaihtosähkö

18. Sininmuotoisen vaih-tojännitteen huippu-arvo on 1,41 kertaa tehollisarvo eli u = 1,41 x U. Jaksonpituus T mää-rää kuinka pitkä aika kuluu yhteen kokonai-seen jaksoon. Taajuus f on jaksonpi- tuuden T käänteisarvo. Taajuus ilmaisee kuin-ka monta kokonaista jaksoa yhteen sekun-tiin mahtuu. Vaihtosähkö 1 1 f = [f] = = Hz s T

19. Vaihtosähkö Huippuarvo u^ u Tehollisarvo U Huipusta huippuun Uhh Jakson pituus (jaksonaika) T

20. Radioamatöörilähetti-mestä antenniin syö-tettävä signaali on vaihtosähköä jonka taajuus on megahert- sejä (MHz). Antenni muuttaa vaih-tosähkön sähkömag-neettiseksi säteilyksi. Sähkömagneettinen säteily etenee ilmassa ja avaruudessa valon nopeudella. Aallonpituus ilmaisee matkan, jonka säteily etenee yhden jakson aikana. Vaihtosähkö c c=300 000 000 m/s = f = m

21. Virrallisen johtimen ympärille syntyy mag-neettikenttä. Kun johdin kierretään kelalle, yksittäisten kierrosten magneetti- kentät summautuvat ja kokonaiskenttä voimistuu. Kentän voimakkuu-teen vaikuttaa oleel-lisesti kelan sydänaine. Tasavirta muodostaa kytkentähetkellä ke-laan magneettikentän, joka vastustaa virran kasvua. Induktanssi

22. Kun virta katkaistaan purkautuu magneet-tikenttä ja INDUSOI kelan silmukoihin jän- nitteen, joka pyrkii vastustamaan virran pienentymistä. Ominaisuutta kutsu-taan INDUKTANS-SIksi. Mitä nopeammin mag-neettikenttä muuttuu sitä enemmän induk-tanssi vastustaa virran muutosta. Induktanssilla on siis vaihtovirta vastus, REAKTANSSI. Induktanssi

23. Induktanssi aiheuttaa virran jäämisen jännit-teestä 90 astetta jäl-keen. Reaktanssi ei aiheuta häviötehoa. Induktanssin merkintä on L ja [L] = H (henry) Reaktanssin merkintä on X ja [X] = (ohmi) Keloilla on induktii-vinen reaktanssi XL. XL =  L missä =2f. XL= 2fL Induktansseja laske-taan sarjaan ja rinnan kuten vastuksia. Induktanssi

24. KAPASITANSSI eli varautumiskyky (kyky varata elektroneja). Kapasitanssin mer-kintä on C ja [C] = F (faradi). Kapasitanssin realisoi komponentti nimel-tään kondensaattori. Kondensaattori muo-dostuu lähekkäin ole-vista toisistaan eriste-tyistä metallilevyistä. Kondensaattori EI johda tasavirtaa. Kondensaattorissa elektronit liikkuvat kunnes saavutetaan tasapainotila. Kapasitanssi

25. Vaihtovirta läpäisee kondensaattorin (tasa-painotilaa ei saavute-ta). Kondensaattorilla on myös reaktanssi, kapa-sitiivinen reaktanssi XC. XC = 1/ C , missä = 2f. Kapasitansseja laske-taan sarjaan kuten vas-tuksia rinnan ja rinnan kuten vastuksia sar-jaan. Kapasitanssi

26. Passiviset komponentit: • Vastukset • Vastusten tärkeimmät ominaisuudet ovat: • Vastusarvo,toleranssi, jännitteen- ja tehonkesto. • Radiotekniikassa lisäksi huomioitava suur-taajuusominaisuudet . • Vastus voi olla joko kiinteäarvoinen tai säädettävä (=potentiometri). • Vastusmateriaalina käytetään hiilimassaa, hiili-kalvoa, metallikalvoa ja vastuslankaa.

27. Passiiviset komponentit: • Suurtaajuuspiireissä on syytä käyttää IN-DUKTANSSITTOMIA vastuksia eli massa- tai hiilikalvovastuksia. • Vastuksen tehonkesto riippuu rungon mekaanisista mitoista. Mitä suurempi runko on, sitä suuremman tehon vastus kestää. • Yleisiä tehoarvoja ovat: 1/4W,1/3W,1/2W, 1W,2W,4W,5W,10W,50W......

28. Passiiviset komponentit: • Kondensaattorit • Kondensaattoreiden tärkeimmät ominaisuudet ovat: • kapasitanssiarvo ja jännitekesto. • Toleranssi ei ole tärkeä yleensä • Käyttöpaikka määrää voimakkaasti sen, minkä tyyppistä kondensaattoria käytetään. • Tärkeä tekijä kondensaattorin valinnassa on eristemateriaali

29. Passiiviset komponentit: • Kondensaattori voi olla kiinteä tai säädettävä. • Säädettävissä kondensaattoreissa on eristeenä yleensä ilma tai muovi. • Säädettävissä kondensaattoreissa muutetaan levyjen välistä pinta-alaa kiertämällä levyjä toistensa sisään tai ulos tai muuttamalla levyjen etäisyyttä toisistaan. • Säätökondensaattori voi olla joko työkalusäätöinen tai säätöakseliin liitetään nuppi, josta säätö suoritetaan.

30. Passiiviset komponentit: • Elektrolyyttikondensaattorilla (Elko) saa-daan aikaan suuria kapasitansseja, jopa satojatuhansia mikrofaradeja. • Elkoja käytetään yleensä teholähteissä. • Elkossa toisen elektrodin muodostaa metal- lilevy ja toisen elektrolyyttinen liuos.Näiden välille syntyy kaasukalvo, joka toimii eris-teenä.

31. Passiiviset komponentit: • Elko on polaroitu kondensaattori ts.toinen navoista on + - merkkinen ja toinen - - merkkinen. • Elkon navat täytyy AINA kytkeä + - napa positiivisempaan jännitteeseen ja - - napa negatiivisempaan. • Elkon suurtaajuusominaisuudet ovat huo-not.

32. Passiiviset komponentit: • Kela on eristetystä langasta käämitty “lan-kavyyhti” joka on käämitty joko ilmakelaksi tai hyvän magneettiset ominaisuudet (induk- tanssia kasvattavat) omaavan materiaalin päälle (=kelan sydän). • Kelan käyttötarkoitus määrää kelan rakenteen ja materiaalit.

33. Passiiviset komponentit: • Pientaajuuskelat: • Tarvitaan suuri induktanssi • Käytetään mm. estämään virtalähteiden hurinavirtaa,kaiuttimien jakosuotimissa, ener-giavarastona jne. • Sydänmateriaalina käytetään mm. rautalevyjä, ferromagneettisia aineita. • Induktanssit 0.1 - 100H

34. Passiiviset komponentit: • Suurtaajuuskelat: • Tarvittavan induktanssin arvon määrää käyttö-taajuus • Jos siirrettävä energia on pieni, kela käämitään pienille rautajauho- tai ferriittisydämille. • Suurilla energioilla kelasydämenä käytetään suuri poikkipintaisia ferriittisiä materiaaleja tai ilmaa ja lankana paksua kuparilankaa (hopeoin-ti).

35. Passiiviset komponentit: • Suurtaajuuskuristimet: • Eroittavat suurtaajuusenergian tasasähkösyö- töstä. • Pyritään suureen induktanssiin , pieneenhaja- kapasitanssiin ja pieneen resistanssiin. • Ovat usein aksiaalisia.

36. Passiiviset komponentit: • Muuntajat: • Muuntaa jännitteen tai virran suuremmaksi tai pienemmäksi (myös impedanssin). • Runkona voi olla rautalevyt tai ferriittinen aine. • Rungon päälle käämitään kaksi tai useampia keloja. • Toiminta perustuu vaihtelevaan magneettikent-tään. • Runko toimii suljettuna magneettipiirinä.

37. Passiiviset komponentit: • Runko ohjaa magneettikentän vuon siten, että vuo lävistää kaikkien käämien silmukat. • Kun johonkin ensiökäämiin tuodaan vaihtovir-taa, indusoituu muihin toisiokäämeihin jännite. • Kuormittamattoman muuntajan muuntosuhde on: U1 / U2 = N1 / N2 = I2 / I1 • Muuntaja toimii vain vaihtosähköllä !! • Jos muuntajaa ei kuormiteta toisiopuolelta kulkee ensiössä tyhjäkäyntivirta.

38. Komponentit • Sähkölaitteet rakentuvat rakenneosista eli komponenteista. • Komponentit jaetaan kahteen pääryhmään: • Aktiiviset komponentit • Yleensä vahvistavat signaalia. Esim.transistorit, operaatiovahvistimet, logiikkapiirit,tyhjö-putket jne. • Vaativat ulkoista syöttötehoa toimiakseen. • Passiiviset komponentit • Vastukset,kondensaattorit,kelat • Eivät vaadi ulkoista syöttötehoa toimiakseen.

39. Puolijohteet • Tärkeimmät puolijohdemateriaalit: • Pii • Gallium - Arsenidi • Germanium • (Seleeni, Kuparioksiduuli) • Puolijohteiden sähkönjohtokyky on johteiden ja eristeiden välillä.

40. Puolijohteet • Puhtaalla puolijohdemateriaalilla ei ole si- nänsä suurtakaan merkitystä elektroniikassa. • Tärkeäksi komponenttien raaka-aineeksi puolijohde muuttuu, kun valmistus vaihees-sa materiaaliin sekoitetaan hallitusti vieraita aineita “saastuttamaan” raakapuolijohde. • Puolijohdemateriaalia tehdään kahta eri tyyppiä: P- ja N-tyyppistä.

41. Puolijohteet • P- tyypin puolijohteessa on elektronien va- jausta ja N- tyypin puolijohteessa on elekt-roneja liikaa. • Yhdistämällä P- ja N- tyypin materiaaleja kerroksittain yhteen, saadaan aikaan eri-laisia toimintoja, puolijohdekomponentteja. • Oleellista komponentin toiminnan kannalta on P- ja N- tyypin materiaalien rajapinta.

42. Diodi • Diodi on yksinkertaisin puolijohdekompo-nentti. • Diodi rakentuu yhdestä P- ja N- tyypin raja-pinnasta. Anodi Katodi A K P N Diodin piirrosmerkki Rakenne, P- ja N-rajapinta

43. Diodi • Kun P-tyypin puoliskoon kytketään virta-lähteen + - napa, siirtyvät ylimääräiset elektronit N - tyypistä lähelle rajapintaa. • Vastaavasti virtälähteen negatiivinen napa vetää ylimääräisiä aukkoja P - tyypin puo-lelta lähelle rajapintaa. • Jos virtalähteen jännite on tarpeeksi suuri, siirtyvät elektronit ja aukot rajapinnan yli.

44. Diodi • Jännitettä jolla rajapinta tulee johtavaksi, kutsutaan kynnysjännitteeksi ja on piillä n. 0,7 V ja germaniumilla n.0,3V. • Kun jännite on suurempi kuin kynnysjänni- te, diodi johtaa (päästösuunta). • Jos jännite kytketään toisin päin, elektronit ja aukot siirtyvät kauemmaksi rajapinnasta, jolloin diodi ei johda (estosuunta).

45. Diodi • Jos estosuuntainenjännite kasvaa liian suu-reksi,tapahtuu läpilyönti, joka tuhoaa diodin, • Diodin ollessa estosuuntainen, kulkee diodissa pieni estosuuntainen vuotovirta. • Kun diodi on myötäsuuntainen, ei diodin yli jäävä jännite muutu paljonkaan. • Diodeja käytetään ohjaamaan virta haluttuun suuntaan.

46. Diodi • Käytännön sovelluksia diodeille ovat: • Vaihtosähkön tasasuuntaaminen tasasähköksi • Ilmaisu eli informaation erottaminen radiolähetteen kantoaallosta • Eri taajuisten signaalien sekoittaminen keske-nään • Toiminta kytkimenä

47. Diodi • Diodin yhteydessä tärkeimmät suureet ovat: • Suurin sallittu jatkuva myötäsuuntainen virta • Suurin sallittu estosuuntainen jännite • Toimintanopeus • Suurin sallittu toistumaton myötäsuuntainen virta • Diodissa katodi merkitään renkaalla ja tyyppi kirjain-numero yhdistelmällä.

48. Diodi • Piidiodin toimintakäyrä: U/V 2 Myötäsuunta 1 I/uA 30 20 10 I/A 0,5 1 1,5 2 -100 Estosuunta -200 U/V

49. Diodi • Zenerdiodi: • On myötäsuunnassa samanlainen kuin piidiodi • Estosuunnassa estojännite on matala, tyypistä riippuen 3.3V - 200V • Estojännite alueella (=Zenerjännite) jännite on hyvin vähän riippuvainen läpi kulkevasta vir-rasta • Käytetään jännitteen vakavointiin (=stabiloin-tiin) ja kohinan muodostamiseen

50. Diodi • Kapasitanssidiodit (eli varaktori): • Valmistettu siten , että PN - rajapinnan kapasi- tanssi on mahdollisimman suuri ja säädettävissä • Kapasitanssin säätö perustuu estosuuntaisen jännitteen säätöön (elektronien ja aukkojen etäisyyden muuttamiseen) • Käytetään radioissa virityspiirien säätöön ja taajuuden kertojissa • Voidaan käyttää myös myötäsuuntaisena