© Helsingin yliopiston opettajankoulutuslaitos

Kirjasto

3 PERUSKYTKENNÄT

 

Piko ja Nano ovat rakentaneet lampuista, paristoista, kytkimestä, summerista ja muista sähkölaitteista kytkennän yhdistämällä johtimella komponenttien navat.    

Jännitteen ja sähkövirran mittaaminen

Jännitteen ja sähkövirran mittaamiseen tarvittavia mittareita ja komponentteja .

Jännitettä ja sähkövirtaa ei voi havaita samalla tavalla kuin työpöydän pituutta tai punnuksen massaa. Jos virtapiirissä on hehkulamppu, lampun hehkumisen voimakkuuden perusteella voi vertailla sähkövirtoja. Jännitettä ja sähkövirtaa mitataan mittareilla, joissa sähkövirta ja jännite saavat aikaan jonkin näkyvän ilmiön, esimerkiksi viisarin heilahtamisen.

Jännite- ja virtamittarit ovat hehkulampun tapaan kaksinapaisia ja niihin kytketään siis kaksi johdinta. Jännitemittarilla mitataan joko pariston tai sähkölaitteen napojen välinen jännite. Kun jännitemittarilla mitataan virtapiirissä olevan komponentin napojen välinen jännite, sanotaan, että mittarilla mitataan jännitehäviö komponentissa.

Jännitemittari kytketään kahdella johtimella pariston tai lampun napoihin.

:

Digitaalisesta yleismittarista valitaan kiertokytkimestä jännitteen mittaaminen. Mittari etsii itse sopivan mittausalueen. Pienoisakun jännite on 1,34 V.

Virtamittarilla mitataan lampun tai muun komponentin läpi kulkeva sähkövirta. Jos virtamittarissa on erilaisia alueita, mittari kytketään siten, että ensin valitaan suurin mittausalue. Jos mittari ei näytä lukemaa, valitaan herkempi alue.

Virtamittari kytketään virtapiirin osaksi siten, että mitattava sähkövirta kulkee sen läpi.

Digitaalisesta yleismittarista valitaan kiertokytkimestä virran mittaaminen. Mittari etsii itse sopivan mittausalueen. Lampun läpi kulkee 44,7 mA:n sähkövirta.

Paristojen kytkennät

Kun tarvitaan yhden pariston jännitettä suurempi jännite, paristoja kytketään sarjaan. Paristot ovat sarjassa, kun ne on kytketty jonoksi eli niiden erimerkkiset navat on yhdistetty. Kolmen 1,5 voltin pariston kokonaisjännite on sarjaan kytkennässä 4,5 volttia.

 Paristojen kytkentä sarjaan. Kolmen sarjaan kytketyn pariston jännite on 4.13 V.

 

 

 

 

Korvalappustereot vaativat toimiakseen 6 voltin käyttöjännitteen, joten 1,5 voltin paristoja joudutaan kytkemään neljä kappaletta sarjaan.

 

 

Paristot on kytketty rinnan, kun niiden samanmerkkiset navat on yhdistetty. Kolmen 1,5 voltin pariston kokonaisjännite on rinnan kytkennässä 1,5 volttia. Kytkemällä paristoja rinnan ei saada suurempaa käyttöjännitettä, mutta ne antavat piiriin energiaa pitempään kuin yksittäinen paristo.

Paristojen kytkentä rinnan. Kahden rinnan kytketyn pariston jännite on 1,38 V.

 

Jos auto ei starttaa, vika saattaa olla akussa. Toisen auton akku kytketään tällöin oman auton akun kanssa rinnan eli akun miinusnapa miinusnapaan ja plusnapa plusnapaan. Auto käynnistetään toisen auton akusta saatavalla energialla.

 

Lamppujen kytkentöjen vaikutus sähkövirtaan

Kun kaksi lamppua kytketään sarjaan, havaitaan, että ne palavat keskenään yhtä kirkkaasti, mutta huomattavasti himmeämmin kuin yksi lamppu yksinään. Sarjaan kytketyt lamput vastustavat sähkövirran kulkua enemmän kuin yksi lamppu. Tätä sähkövirran kulun vastustamisominaisuutta sanotaan komponentin tai kytkennän resistanssiksi. Mitä suurempi komponentin resistanssi on, sitä pienempi sähkövirta komponentin läpi kulkee.

 

 

Kaksi lamppua sarjassa.

 

 

 

 

 

 

Kytketään kaksi lamppua rinnan. Havaitaan, että ne palavat yhtä kirkkaasti kuin yksi lamppu yksinään. Paristosta saadaan siis kaksinkertainen sähkövirta. Rinnan kytketyt lamput vastustavat sähkövirran kulkua vähemmän kuin yksi lamppu. Rinnan kytkennässä resistanssi pienenee.

 

 

Kaksi lamppua rinnan. Rinnan kytkennässä molemmat komponentin navoista kytketään toisen komponentin napoihin.

 

 

 

 

 

 

Joulukuusen kynttilät on kytketty sarjaan. Kun yksittäinen joulukuusen kynttilä ruuvataan irti, virtapiiri katkeaa ja kaikki kynttilät sammuvat.

 

Oikosulku

Oikosulku syntyy, kun jännitelähteen navat yhdistetään suoraan langalla. Jos johdin on lyhyt ja paksu, se ei juurikaan vastusta virran kulkua. Sähkövirta saattaa olla useiden kymmenien ampeerien suuruinen. Suuri sähkövirta puolestaan lämmittää johdinta, jolloin tulipalon vaara on suuri. Jos kotona jokin sähkölaite menee oikosulkuun, rikkoutuu sulake, jotta viallisesta laitteesta ei aiheutuisi vaaraa. Oikosulkutilanteessa saattaa esiintyä myös kipinöintiä.

 

 

Piko aiheuttaa oikosulun kytkemällä naulalla litteän pariston navat yhteen.

 

 

 

Sulake

 

 

Sulakkeen sisällä on ohut metallilanka, joka sulaa poikki ja katkaisee virtapiirin, kun sen läpi kulkeva sähkövirta ylittää sulakkeelle asetetun ylärajan.

Virtapiirissä olevalla sulakkeella suojellaan sähkölaitteiden käyttäjiä vaaratilanteilta estämällä virran kasvaminen liian suureksi. Syynä liian suurelle virralle voi olla esimerkiksi ylikuormitus tai rikki mennyt sähkölaite. Ennen, kuin rikkoutunut sulake vaihdetaan uuteen, tulee selvittää syy sen rikkoutumiselle ja korjata tilanne. Kodin sähköpäätaulussa tavanomaisimmat sulakkeet ovat 10 A:n ja 16 A:n sulakkeita.

Sähkölaitteen sisällä olevan sulakkeen tehtävänä on suojata laitteen sähköisiä komponentteja rikkoutumasta esimerkiksi silloin, kun laitetta käytetään väärin. Viallinen laite voi aiheuttaa oikosulun, koska sähkövirta ei enää kulje laitteen vastusten läpi, vaan sähkövirta kulkee suoraan pistorasian navasta toiseen. Tällöin sähkövirta kasvaa laitteen johdossa ja seinän sisällä kulkevissa sähköjohdoissa, jolloin sähköjohdot lämpenevät ja tulipalon vaara on ilmeinen. Sulake voi rikkoutua, kun laitteessa tapahtuu oikosulku. Ylikuormitus syntyy joskus, kun samaan pistorasiaan kytketään jatkojohdon avulla useita sähkölaitteita samanaikaisesti. Sulake voi rikkoutua ylikuormituksesta.

Nano kytkee liian monta sähkölaitetta samaan pistorasiaan, jolloin pistorasiaan tulevassa sähköjohtimessa kulkee liian suuri sähkövirta ja sulake palaa. Piko silittää viallisella silitysraudalla, jolloin rauta aiheuttaa oikosulun ja sulake palaa. Viallisesta sähkölaitteesta voi saada myös sähköiskun.

Resistanssi

Kotona käytettävät valaisimet kytketään 230 voltin verkkojännitteeseen. Työpöydän lampuksi valitaan kirkas ja eteiseen himmeästi valaiseva lamppu. Koska molemmat lamput kytketään 230 V:n jännitteeseen, kirkkaan lampun hehkulangan läpi täytyy kulkea suurempi sähkövirta kuin himmeästi hehkuvan lampun läpi. Lampun hehkulangalla on jokin ominaisuus, joka vaikuttaa sen läpi kulkevaan sähkövirtaan. Lamppujen hehkulangan materiaali ja paksuus valitaan lampun käyttötarkoituksen mukaan.

Saksalainen oppikoulun opettaja George Simon Ohm (1789 - 1854) tutki 1820-luvulla, miten metallilangan päiden välinen jännite vaikuttaa langassa kulkevaan sähkövirtaan. Hän otti kokeidensa perusteella käyttöön uuden suureen: resistanssin. Resistanssi kuvaa johtimen tai minkä tahansa virtapiirin komponentin kykyä vastustaa sähkövirran kulkua. Mitä suurempi on komponentin resistanssi, sitä vähemmän sähkövirtaa voi kulkee sen läpi.

Resistanssi kuvaa sähkövirran vastustamiskykyä ja sen yksikkö on 1 ohmi = 1 W = 1V/1A.

Yleismittarilla voidaan mitata paitsi sähkövirtaa ja jännitettä myös resistanssia.

Kiertokytkimellä valitaan “resistanssin mittaaminen W ”. Mittari etsii itse sopivan mittausalueen.

Mittaus perustuu Ohmin lakiin. Mittarissa on paristo, jonka navat kytketään mitattavan vastuksen napoihin. Syntyvä sähkövirta ilmaisee vastuksen resistanssin.

                         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Resistanssin mittaaminen

 

TUTKIMUKSIA

Päivittäjä: malux-edu@helsinki.fi