Elektronikkens verden – Del 1

Jørgen Elton Nilsen

Lagre artikkel

Denne guiden ble første gang publisert 24.januar 2006.

De som interesserer seg for data i en eller annen form vil før eller siden støte på begreper og tanker rundt grunnleggende elektronikk. Selv dagens mest avanserte datamaskiner baserer seg ene og alene på de mest elementære elektroniske prinsippene.

Det er derimot få som føler seg veldig komfortabel der de sitter med loddebolten i den ene hånden og en komponent man ikke kan navnet en gang på i den andre. Dette er noe vi håper denne guiden kan hjelpe deg litt på vei med. Vi skal forklare deg, gjerne med teskje, helt grunnleggende elektronikk.

Motstander fungerer som bremser i en elektrisk krets. De skaper resistans, og "styrken" måles i Ohm. Det finnes mange forskjellige typer, både faste motstander, motstander du kan regulere ved å skru på de og motstander som reguleres av både temperatur og lys.

Dioder fungerer som små bomringer i en krets, de kan både slippe gjennom eller stoppe flyten av strøm. Lysdioder har i stor grad samme funksjon, men avgir lys når strømmen passerer igjennom.

Transistoren er en av verdens viktigste oppfinnelser, og er selve grunnsteinen for all moderne elektronikk. Ved å sende en liten strøm inn i transistoren vil den slippe igjennom langt mer en annen vei. Den fungerer som en digital bryter.

Kondensatorer er små komponenter som kan lagre spenning over kort tid, for så å slippe ut dette i et stort støt når det trengs.

Ohms lov er en helt grunnleggende regel i elektronikkens verden. Den forteller og lar deg se samspillet mellom strøm, spenning og motstand.

Kirchhoffs to lover forteller at både strøm og spenning alltid vil befinne seg ett eller annet sted i kretsen, og totalsummen på enkeltkomponenter er den samme som går inn i kretsen. Det er nyttig å ha disse i bakhodet når du jobber med både parallelle og serielle kretser – to helt grunnleggende konsepter.

Denne artikkelen er delt opp i tre deler, og vil publiseres med én ukes mellomrom den kommende tiden. I den første delen skal vi ta for oss et lite utvalg av komponenter og gå disse litt nærmere i sømmene, for vi forklarer og illustrerer grunnleggende lover og regler. I den andre delen vil vi sette disse enkeltkomponentene sammen for å lage helt grunnleggende kretser, før vi ser nærmere på hva hvordan slike kretser fungerer som digitale maskiner.

Bla om til neste side, så begynner vi med det helt grunnleggende i elektronikkens verden – motstander.

• Se også: Den andre delen av denne guiden
• Se også: Den tredje delen av denne guiden

En motstand er en enkelt komponent som skal lager en hindring i en strømkrets. Hvor stor hindringen er avhengig av resistansen på motstanden.

Motstander kan deles inn i 3 hovedtyper; Faste motstander, variable motstander og ulineære motstander.

Faste motsander er kort og godt motstander som ikke kan påvirkes, verken fysisk eller naturlig. De finnes i flere typer, sortert etter konstruksjon.

Karbonsjiktmotstander er den mest kjente og mest brukte motstanden innenfor elektronikk. De er meget billige å produsere og er laget fra noen få Ohm og opp til flere MegaOhm. Karbonsjiktmotstander tåler sjeldent mer enn 3 watt, men på en annen side har de et minimalt avvik fra den påstemplede verdien.

Karbonmotstander er en motstand hvor karbon er brukt som motstandsmateriale. De minste motstandene er ganske enkelt et keramisk rør som blir dekket av et tynt lag karbon. De litt kraftigere motstandene er som regel rent karbon tvers i gjennom. Det er tykkelsen på karbonlaget og lengden på selve motstanden som bestemmer hvor stor resistansen blir.

Høyeffektsmotstander blir også kalt metallmotstander, da de kan bestå av enten en lang viklet metalltråd, eller et metallsjikt påført et keramikkrør.

Oksidmotstander er den siste faste motstandstypen vi skal skrive litt om, er som navnet tilsier en motstand hvor oksid er brukt som motstandsmateriale. På samme måte som karbonmotstander, er disse laget på keramisk materiale som blir påført et oksidsjikt. Disse tåler en høyere temperatur og større effekt en de fleste andre motstander, men koster deretter.

En variabel motstand er som navnet tilsier en motstand hvor resistansen kan endres manuelt. Disse er som oftest oppbygd ved at en glider dras over et uisolert motstandsmateriale. Du har kanskje sett volumknappen på kassettspilleren i bestemor sin gamle Volvo? Den gamle typen hvor man drar bryteren opp og ned. Dette er et godt eksempel på en variabel motstand.

En slik regulator heter et potensiometer er et godt eksempel på en variabel motstand. Her er motstandsmaterialet lagt i en sirkel, men en glider som du vrir rundt. Når man vrir på potensiometeret, henter man spenningen fra det punktet glideren ligger på.

Strømmen går likt som i en fast motstand, inn ved kontaktpunkt, men ikke ut i den andre enden slik som det ville ha gjort i en fast motstand. Siden motstanden er uisolert bruker vi en glidepinne til å hente ut spenningen på et angitt punkt i motstanden. Har man en motstand på 100 Ω kan man i teorien hente ut alle verdier mellom 1 og 100. Det er samme prinsippet vi finner i gammelt hifi-utstyr

Ulineære motstander er motstander som kan påvirkes av naturlige faktorer. Du har kanskje lurt på hvorfor varmekablene på badet slår seg automatisk på når det blir for kaldt? Eller hvordan utbelysningen slår seg på når mørket kommer snikende? Dette er gode eksempler på bruksområdet for ulineære motstander

Det finnes to typer motstander som blir påvirket av temperatur, NTC og PTC-motstander.

NTC står for "Negative Temperature Coefficient". Dette er da en motstand som minker når temperaturen øker. For å måle disse kan man si at motstanden har en temperaturkoeffisient på 8 % per grader celsius . Øker temperaturen i rommet med 1 grad, minker motstanden med 8 %.

PTC står for "Positive Temperature Coefficient". På samme måte som NTC motstanden varierer resistansen med temperaturen. En PTC-motstand øker derimot resistansen når temperaturen øker. Har PTC motstanden en koeffisient på 5 % per grader celsius, øker motstanden med 5 % for hver grader celsius.

Når vi snakker om motstander som påvirkes av lys er det i all hovedsak snakk om LDR-motstanden. LDR står for "Ligth Dependent Resistor", som logisk nok betyr at denne motstanden reagerer på lys. Disse motstandene er laget av kadmiumsulfid som er varmebehandlet og presset. Desto lysere det er, jo lavere resistans vil denne motstanden ha.

LDR-motstander er utrolig små, men kan ha stor innvirkning. De kan hjelpe til med å slukke gatelysene på morgenkvisten, måler turtallet på bilen din, til og med rullehjulet i datamusen din styres ofte av en LDR-motstand. Motstanden kan brukes innen logistikk, hovedsakelig til å telle varer, eller passe på at to pakker ikke kolliderer på et samlebånd.

Denne typen motstand takler minimalt med strøm, så den vil ikke kunne slå av og på for eksempel et gatelys av seg selv, men brukes til å styre andre komponenter som en transistor, som igjen styrer for eksempel et relè. Akkurat dette skal vi snakke mer litt senere i denne guiden.

For å holde orden på de mange tusen motstandsverdiene som finnes settes de ofte opp i to felles systemer. Det er hovedsakelig to kjente systemer, og disse går under navnene E12 og E24. E12 har 12 motstander mellom vært trinn, altså 1Ω til 10Ω, 10Ω til 100Ω osv. E24 har ikke uventet 24 motstander i vært trinn.

Du har sikkert sett store pakker med motstander av forskjellig verdi. Disse er alltid merker med "E10", "E12" eller "E24". Da får du alle motstander innenfor serien, med rammer for minste og øverste verdi, med for eksempel 10 motstander av hver verdi.

Tallene i uthevet skrift tilhører E12-serien.

Faste motstander er alltid merket med en rekke fargede sirkler. Disse er der for å fortelle deg resistansen på motstanden. Så klart, det letteste og mest nøyaktige er å dra frem et multimeter og måle, men ikke alle har tilgang til dette. De fire eller fem fargede ringene vil fortelle deg nøyaktig den teoretiske motstanden.

Bildet over er en god illustrasjon på hvordan du skal lese disse fargekodene.

Vi vil gå igjennom to forskjellige fargekoder for å illustrere hvordan systemet fungere. Den samme metoden brukes for å regne ut alle motstander uansett antall fargestreker. Først kan vi regne ut resistansen på den øverste motstanden i bildet over.

Første strek er her gul, andre strek er blå, tredje oransje og den siste streken er gullfarget. Følger vi tabellen i bildet kan vi snu fargekodene om til tall som vil oppgi motstandens verdi.

• Gul = 4
• Blå = 6
• Orange = x1000
• Gull = 5%

Huskereglen for 4 streker er som følger: Sett det første og andre tall sammen (46), og multipliser tallet med multiplikatoren (x1000) som er det tredje tallet. Dette gir oss selve verdien på motstanden. Siste streken var gullfarget, noe som forteller oss at motstandsverdien har en toleranse på 5 %.

Med andre ord har vi en motstand på 46000 Ω, eller 46 Kilo Ω med en toleranse på 5 %. Tolleransen forteller hvor stor margin det er på motstanden.

Den blå motstanden er ganske lik, men den har én ekstra fargekode.

• Grønn = 5
• Brun = 1
• Svart = 0
• Rød = x100
• Brun = 1 %

Huskereglen for 5 streker er som følger: Sett de tre første tallene sammen (510), multipliser dette med fjerde tallet som er multiplikatoren (x100), for så å oppnå motstandens verdi. Siste fargen var i dette tilfellet brun, noe som forteller oss at motstandsverdien har en toleranse på kun 1 %.

Med andre ord har vi en motstand på 51000 Ω, eller 51 Kilo Ω med en toleranse på 1 %.

Forskjellen er altså alltid, uansett om det er 4, 5 eller 6 streker, at du skal sette sammen de første tallene, og gange dette med multiplikatoren.

For å ikke gjøre dette baklengs må du være oppmerksom på at streken som angir toleransen alltid vil ha et størst mellomrom til streken ved siden av.

Ulempen med fargekoder er at enkelte farger virker veldig like. Rød og brun er det veldig liten forskjell på, spesielt hvis motstanden har mørk bakgrunn. Er man fargeblind blir dette bare verre. Å anskaffe deg et multimeter vil derfor ikke være dumt, noe som også vil ta høyde for toleransen.

En diode er en komponent som leder strøm en vei og sperrer den andre. Dioden har to tilkoblinger hvor den ene blir kalt katode og den andre anode. Hvis vi kobler den positive polariteten til anoden og negativ polariteten til katoden leder den strøm. Snur vi derimot dioden sperrer vi for strømgjennomgang og den vil da fungere som en veisperring.

Dioden sperrer for all strømgjennomgang hvis den positive polariteten er koblet til katoden. En diode kan stoppe ganske mange Volt, men når den er koblet for å lede strøm tåler den ikke fullt så mye. Ved hjelp av dette kan vi beskytte oss mot situasjoner som overslag, eller sende strømmen den retningen vi vil.

Bildet over viser akkurat dette. Når strømmen går den ene veien vil ikke lyspæren lyse på bildet til venstre, noe den gjør på bildet til høyre.

En diode hovedsakelig består av silisium noe som gjør at den ikke vil begynne å lede strøm før den blir påtrykt en spenning på 0,6 V til 0,8 V. Dette betyr at dioden rett og slett "stjeler" spenning fra kretsen. Om du sender 9V inn over dioden, vil det være igjen mellom 8,2 og 8,4 V for resten av komponentene i kretsen slik bildet under viser.

Lysdioden er nok den mest kjente dioden for folk flest. Den blir ofte omtalt som sin egen forkortelse, LED, kort for "Ligth Emitting Diode". Lysdioden er i bunn og grunn et lite lys som ofte brukes som en indikator i elektriske apparater slik som datamaskiner, DVD-spillere og TV-apparater. I dag brukes lysdioder som belysning i større skala, slik som gatebelysning, på biler og i hjemmet.

Hvilken farge lysdioden avgir avhenger av materiale den er laget av, samt avstanden mellom lederne inni lysdioden. I prinsippet er den lik en vanlig diode. Den har en anode og en katodetilkobling. For at dioden skal lyse må den positive polariteten kobles til anoden og den negative polariteten kobles til katoden. Kobler du motsatt sperrer den på samme måte som en tradisjonell diode.

Den 23. desember 1947 klart de amerikanske forskerne Bardeen, Shockly og Brattain klarte å konstruere en halvlederkomponent som ble kalt transistoren, et navn som kommer av de to engelske ordene transfer og resistor. Takket være transistoren kunne man nå krympe elektrisk utstyr hvor radiorør tidligere var den dominerende komponenten.

Når vi snakker om transistorer kan vi ikke unngå å snakke om helt enkel kjemi. For all moderne elektronikk er halvledermateriale essensielt. Den mest brukte halvlederen er silisium. Som du kanskje husker fra en av dine tidligere naturfag timer, så "kjemper" alle atomer for få 8 elektroner i det ytterste skallet.

Hvis vi ser på atomstrukturen til rent silisium ser vi at hvert eneste elektron blir brukt av to atomer. Det vil da si at når elektronene binder seg til to kjerner får hvert atom åtte valenselektroner. Hvis det rene silisiumet blir dopet med et annet materiale, arsen blir vårt eksempel, vil da det femte valenselektronet ikke få en dobbelt binding. Elektronet blir derfor løst bundet til atomet sitt.

Når vi da setter spenning på materialet vil de frie elektronene bevege seg mot den positive polen. For å fylle tomrommet elektronene etterlater seg vil det stadig komme en strøm av elektroner fra den negative polen. Disse elektronene har en negativ ladning – derfor kaller vi materialet for et N-materiale.

Hvis vi skulle finne på å dope silisiumet med et stoff som har 3 valenselektroner vil noen atomer mangle et elektron. Da vil atomet få en ledig elektronplass, også kalt hull. Disse hullene opptrer som positive ladningsbærere, derfor kaller vi materialet for et P-materiale.

Transistorer er bygd opp av tre sjikt. Hvert enkelt sjikt er laget av et P eller N materiale. De settes sammen i forskjellige kombinasjoner, noe som utgjør to typer transistorer, PNP- og NPN-transistorer.

En transistor har på samme måte som en diode en PN-overgang. Som du ser på symbolene under, er det markert en diode mellom base og emitter. Hvilken vei denne er markert, angir om det er en PNP- eller NPN-transistor når du titter på kretsdiagrammet.

Vi kan som et eksempel kan ta for oss en NPN-transistor. Prinsippet er at man sender en liten strøm inn i base, noe som åpner for en mye større gjennomgang av strøm mellom collector og emitter. I databladet for en transistor er det alltid en verdi som er merket "hFE". Dette er forsterkningsfaktoren til transistoren. Hvis hFE er markert som 100, betyr dette at forholdet mellom base-emitter og collector-emitter strømmen er 100. Sender vi en strøm på 1mA inn i base, vil dette åpne for 100mA fra collector til emitter.

Kort sagt fungerer en transistor som en elektrisk bryter. Grunnen til at vi ikke velger en vanlig trykkknappbryter fremfor en transistor er enkel. For det første er at det vanskelig å slå en bryter av og på 3 millioner ganger i sekundet, men den andre vitale grunnen er at strømmen som går inn i basen er minimal i forhold til strømmen som går fra Collector til Emitter. Derfor kan man styre et mye større elektrisk anlegg med en liten transistor, fremfor å bruke en mye større bryter hvor all strømmen må passerer gjennom denne.

Transistorer er i dag utrolig små. En moderne prosessor, slik som de som sitter på et skjermkort, inneholder gjerne 3 milliarder transistorer i en klump silisium som ikke er større enn en tikrone.

Kondensatorens oppgave er å lede vekselstrøm, men ikke likestrøm. I praksis kan man se på dette som at den samler opp elektrisk strøm, for så å sende det ut igjen når spenningen forsvinner. Når du lader blitzen på et kamera hører du ofte en liten pipelyd som forsvinner omtrent samtidig som blitzen blir klar. I dette tilfellet lader kondensatoren seg opp fra den lave batterispenningen, opp til et mye høyere nivå som er nok til å drive en kraftig blitz i noen tidels sekunder. Med andre ord kan du bruke en kondensator til å samle opp strøm mens en komponent har spenning. Når spenningen forsvinner, kan kondensatorer holde komponenten aktiv en stund til, avhengig av størrelsen på selve kondensatoren.

Kondensatorer er veldig enkelt oppbygd. To metallplater som skilles av et tynt isolasjonsmateriale. Enheten (kapasiteten) kondensatorer måles i er farad, en ganske stor enhet. Derfor operer vi kun med micro, nano og pikofarad. Hvor stor kapasitans kondensatoren har avhenger av arealet og mellomrommet mellom metallplatene.

Det finnes to hovedkategorier for kondensatorene, upolariserte og polariserte.

For en upolarisert kondensator har det ikke noe å si hvilken polaritet den er koblet til, heller ikke om du kobler den til veksel eller likestrøm. Upolariserte kondensatorer kommer i flere varianter, sortert etter konstruksjonsmetode.

Keramiske kondensatorer er laget av et tynt metallbelegg påført et keramisk materiale. Disse blir produsert fra noen få pikofarad opp til rundt 50 nanofarad. De er små i størrelse og brukes ofte i kretser der frekvensen er høy.

Plastkondensatorer er laget av metallfolier og plastmateriale som blir rullet sammen til en plastblokk. Hvis kondensatoren skal ha høy kapasitans og samtidig være liten må plastfolien være meget tynn, noe som tilsier at arbeidsspenningen er lav. Plastkondensatorer er å få fra noen pikofarad opp til flere microfarad.

I motsetning til upolariserte kondensatorer må polariserte kondensatorer kobles til en bestemt polaritet og kan derfor ikke brukes på vekselspenning.

I en elektrolyttkondensator er to metallfolier rullet sammen. For å isolere disse to fra hverandre brukes det et tynt oksidbelegg. Folien ligger lukket inne i en boks med væske eller pasta av elektrolytt. De minner ganske mye om en filmrull. Disse er å få fra noen få microfarad til over 30000 mF, og har en arbeidsspenning fra 2,5 V til 500 V.

Tantalkondensator er lik elektrolyttkondensatoren, bare i miniatyr. De lages i verdier opp til ca 1200 microfarad. Arbeidsspenningen er også betraktelig lavere enn elektrolyttkondensatorer, 50 V.

Skulle du gjøre feilen å koble en polarisert kondensator på feil polaritet vil den eksplodere. Dette resulterer i mye klin, og ikke minst er den en fare for deg og andre komponenter. Den ene polariteten vil derfor alltid være merket, i tillegg til at nyere kondensatorer har en ventil for å unngå dette.

På slutten av 1820-årene oppdaget Mr. Georg Ohm at det var en sammenheng mellom strøm, spenning og resistans. Ohms lov er grunnleggende innen all elektronikk og du kommer absolutt ingen vei uten. Via Ohms lov kan man nemlig beregne motstand, energiforbruk, energitap, spenning og strøm ved hjelp av et par enkle formler.

Som vi ser ut av trekanten over står spenningen øverst. Skal man finne en av faktorene under, resistans eller strøm, må man dividere spenningen med den gjenstående faktoren. Skal man derimot finne spenningen må man multiplisere strøm med resistans.

Hele loven brytes ganske enkelt ned i tre regnestykker:

• Spenning = Strøm multiplisert med resistans(motstand) (U= I*R)
• Strøm = Spenning dividert med resistans(motstand) (I=U/R)
• Resistans = Spenning dividert med strøm(R= U/I)

La oss ta et par eksempler for å illustrere bruken av disse formlene.

I det første eksempelet skal vi vise deg hvordan man kan beregne størrelsen på en motstand. Størrelsen oppgis i nettopp Ohm, og forteller noe om hvor mye motstanden "bremser" flyten av strøm.

For å gjøre dette kan vi ta for oss en meget enkel komponent, nemlig lysdioden.

Du ønsker å installere en lysdiode i datamaskinen din, men har kun et 5 V-uttak til disposisjon. Vi vil derfor regne oss frem til verdien på motstanden vi må bruke for å oppnå riktig spenning som går igjennom lysdioden.

Lysdioden du har valgt har en driftspenning på 1,3 Volt. Lysdioder bruker nemlig opp litt av spenningen som flyter igjennom kretsen. En generell regel for lysdioder mellom 3 og 5 mm i diameter, er at de lyser best om de får 10 til 30 mA strøm. Du velger selv hvor mye strøm du vil sende inn i dioden, men det er lurt å holde seg innenfor denne rammen.

Spenningen som ligger over motstanden blir da 3,7 V, sidne dioden selv trekker fra 1,3 V. 5 V - 1,3 V ) 3,7 V.

Når vi kjenner til to av verdiene fra trekanten øverst på denne siden, kan vi regne oss frem til den manglende, i dette tilfellet resistansen på en motstand.

3,7(Volt) / 0,03(Amp, det samme som 30 mA) = 123 Ohm (R = U / I)

Regnestykket viser oss at en motstand på ca. 123 Ohm må stå i serie med dioden for at den ikke skal brenner opp. Det er verdt å merke seg at motstander sjeldent kommer med så nøyaktige verdier og med noe margin, så man velger ofte en tilnærmet riktig verdi, uten at det er noe galt i det.

Du har to motstander koblet i serie, koblet til en spenningskilde på 12 V. I kretsen går det en strøm på 15mA.

Får å finne ut hvor mye spenning det ligger over hver enkelt motstand bruker vi formelen U = I * R.

0,015(Amp) * 600(Ohm) = 9V
0,015(Amp) * 200(Ohm) = 3V

Over motstanden på 600 Ω vil det ligge 9 V, mens det kun ligger 3 V over motstanden på 200 Ω. Det er nyttig å vite dette, fordi du da kan koble deg til på hver side av disse motstandene for å få ut nettopp 9 V eller 3 V.

Du sitter med et lite kretskort med et par motstander på til sammen 500Ω. Du vet at kretsen har en spenningskilde på 12V, men ønsker å vite hvor mye strøm det går ut fra spenningskilden uten å dra frem multimeteret.

For å finne ut dette kan man sette opp følgende regnestykke:

12(V) / 500(Ω) = 0,024 = 24 mA (I = U / R)

Prøv litt selv, det er nemlig langt i fra så vanskelig som man skulle tro.

Gustav Kirchhoffs beskrev i 1845 to regler som forteller at både strøm og spenning alltid vil befinne seg ett eller annet sted i kretsen, og totalsummen på enkeltkomponenter er den samme som går inn i kretsen.

"I et greinpunkt er summen av alle inngående strømmer lik summen av alle utgående strømmer"

Formelen blir som følger, der I er strøm: I = I^1 + I^2 + I^3...

Dette er en regel som er god å ha i bakhodet når man jobber med parallellkoblinger.

Ta for eksempel et batteri som gir ut 9 Volt og 1 Ampere. Før strømkretsen når tilbake til batteriet igjen, splittes kretsen i en parallellkobling. Når strømmen når veiskillet (x) deler den seg i to, og siden det er like stor resistans begge veier, vil det gå 0,5A igjennom hver av lyspærene før de igjen møtes ved veiskillet (y). Derfra går det alltid 1 Ampere tilbake til batteriet.

Hadde det vært forskjellig resistans på de to lyspærene ville fordelingen av strøm vært ulik, slik Ohms lov forteller oss.

"Summen av alle delspenninger i en seriekrets er lik spenningen som er tilkoblet kretsen".

Formelen blir som følger, der U er spenningen: U= U^1 + U^2 + U^3....

Har du koblet flere motstander i serie vil alltid summen av spenningene du måler over hver enkelt motstand gi samme spenning som du i første omgang sendte inn i kretsen.

Om du måler delspenningen over motstand R1 og R2, vil summen av disse spenningsverdiene utgjøre det samme som du i første omgang sendte ut fra spenningskilden. Hvis du titter litt tilbake til oppgaven hvor vi regnet spenningen over to motstander, vil du se at antall Volt som ligger over hver av motstandene tilsvarer det antallet du sente ut fra spenningskilden.

• Se også: Den andre delen av denne guiden
• Se også: Den tredje delen av denne guiden

Les også

10 programmer som rapper multimedia

31. juli 2011

Dette bør du lese i påsken

20. april 2011