1.6 Passive komponenter

De stille arbeiderne på kretskortet

Åpner du en gammel radio eller et kretskort, ser du en mengde små komponenter loddet fast. De fleste av dem gjør ikke noe spektakulært – de lyser ikke, de regner ikke, og de forsterker ingenting. Likevel ville ingen elektronisk dings fungert uten dem. Vi kaller dem passive komponenter, nettopp fordi de ikke kan forsterke et signal slik en transistor kan.

Det finnes tre store på laget: resistorer (motstander), kondensatorer og spoler (induktorer). Hver av dem håndterer strømmen på sin egen måte. Motstanden bremser den, kondensatoren lagrer den som ladning, og spolen lagrer den som et magnetfelt. Til sammen utgjør de byggesteinene i nesten alt elektronisk arbeid.

I dette kapittelet skal vi bli skikkelig kjent med de tre. Vi skal lære hvordan en motstand er bygd opp og hvordan du leser av verdien fra fargebåndene, hvordan en kondensator lagrer og slipper ladning, og hvordan en spole motsetter seg endringer i strøm. Underveis møter vi også et begrep som dukker opp overalt i elektronikk: tidskonstanten.

Motstanden og fargenes hemmelige kode

Resistoren, eller motstanden, er den mest brukte komponenten av alle. Jobben er enkel: å begrense strømmen. Men de finnes i mange varianter. De faste resistorene har én bestemt verdi – karbonfilm er billige og finnes i alle hobbyprosjekter, metallfilm er mer presise og brukes i proff elektronikk, og SMD-typene er bittesmå og loddes på av maskiner. Så har vi de variable: et potensiometer er en justerbar motstand med tre ben, slik volumknappen på et anlegg fungerer, mens et trimmepotensiometer brukes til finjustering man stiller inn én gang.

Det morsomme er hvordan verdien er merket. En motstand er ofte så liten at det ikke er plass til tall, så i stedet males det på fargebånd – en hemmelig kode du fort lærer å lese. På en firebånds motstand er de to første båndene siffer, det tredje er en multiplikator (hvor mange nuller), og det fjerde forteller toleransen (gull betyr $\pm 5\%$, sølv $\pm 10\%$). Hver farge har sitt tall: svart er 0, brun 1, rød 2, oransje 3, gul 4, grønn 5, blå 6, fiolett 7, grå 8 og hvit 9.

La oss lese en. En motstand med fargene rød, fiolett, brun, gull tolkes slik: rød = 2, fiolett = 7, brun = $\times 10$, gull = $\pm 5\%$. Verdien blir $27 \times 10 = 270\,\Omega$, med en toleranse som gjør at den ligger mellom omtrent 257 og 284 $\Omega$. Med litt øving leser du slike koder like fort som du leser ord.

Kondensatoren – en liten energibank

Den neste arbeideren er kondensatoren. Den lagrer elektrisk ladning mellom to ledende plater som er adskilt av et isolerende materiale, kalt dielektrikum. Hvor mye den kan lagre, måles i farad (F), men praktiske verdier er som regel mye mindre – pikofarad (pF), nanofarad (nF) eller mikrofarad ($\mu$F). Keramiske kondensatorer har små verdier og er upolariserte, mens de store elektrolytiske har en pluss- og en minuspol som det er viktig å koble riktig vei.

Kondensatoren har en kuriøs egenskap: den blokkerer likestrøm, men slipper gjennom vekselstrøm. Den lagrer energi etter $\displaystyle W = \frac{1}{2}CV^2$. Men det viktigste å forstå er hvordan den lades opp og ut. Når du lader en kondensator gjennom en motstand, skjer det ikke momentant – det tar tid, og denne tiden styres av tidskonstanten $\tau = R \cdot C$.

Ta et eksempel: en kondensator på 100 $\mu$F lades gjennom en motstand på 10 k$\Omega$. Da blir $\tau = R \cdot C = 10000 \cdot 0{,}0001 = 1$ sekund. Etter én tidskonstant er kondensatoren ladet til cirka 63 % av kildespenningen, og etter fem tidskonstanter (her 5 sekunder) er den praktisk talt fulladet – 99,3 %.

Når vi kobler kondensatorer sammen, gjelder regler som er stikk motsatt av motstandenes. I parallell legges kapasitansene rett sammen: $C_{total} = C_1 + C_2 + \dots$ I serie bruker vi den omvendte formelen: $\displaystyle \frac{1}{C_{total}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \dots$ Setter vi for eksempel 470 $\mu$F og 220 $\mu$F i parallell, får vi $690\,\mu$F, mens de samme to i serie gir bare rundt $150\,\mu$F. Og en advarsel til slutt: kobler du en elektrolytisk kondensator feil vei, brytes det tynne oksidlaget ned – den kan kortslutte, bli glovarm og i verste fall eksplodere.

Spolen – kondensatorens speilbilde

Den tredje arbeideren er spolen, eller induktoren. Den er ikke noe annet enn en ledertråd viklet mange ganger rundt en kjerne. Men når strøm går gjennom viklingene, skapes et magnetfelt, og det er dette magnetfeltet som gir spolen dens spesielle oppførsel. Induktansen måles i henry (H).

Spolens viktigste egenskap er at den motsetter seg endringer i strøm. Prøver du å skru strømmen brått av eller på, kjemper spolen imot ved hjelp av magnetfeltet sitt. Den lagrer energi i dette feltet etter $\displaystyle W = \frac{1}{2}LI^2$. Her ligger en vakker symmetri: spolen er på mange måter kondensatorens speilbilde. Mens kondensatoren blokkerer likestrøm og slipper vekselstrøm, gjør spolen det stikk motsatt – den slipper gjennom likestrøm, men bremser vekselstrøm.

Symmetrien gjelder også koblingsreglene. For spoler i serie legges induktansene sammen, $L_{total} = L_1 + L_2 + \dots$, akkurat som for motstander. I parallell bruker vi den omvendte formelen, $\displaystyle \frac{1}{L_{total}} = \frac{1}{L_1} + \frac{1}{L_2} + \dots$ Det er altså motsatt av kondensatorene.

Hva brukes spolene til? De filtrerer bort støy, lagrer energi i strømforsyninger, og når to spoler kobles magnetisk sammen, danner de en transformator som kan endre spenningsnivåer. Det fine med å forstå alle tre passive komponentene er at de stadig spiller på lag. Et klassisk eksempel er en tidsforsinkelse: en kondensator lades sakte gjennom en motstand, og når spenningen over den når terskelen til en transistor – typisk rundt 0,7 V – slår transistoren på og tenner en LED. Vil du at det skal ta noen sekunder, velger du R og C slik at tidskonstanten $\tau = RC$ blir passe stor. Slik blir tre stille komponenter til en liten, presis tidtaker.

Oppsummering

Nå kjenner du de tre stille arbeiderne i enhver krets. Resistoren begrenser strømmen, og verdien leses av fra fargebånd der to siffer følges av en multiplikator og en toleranse. Kondensatoren lagrer ladning mellom to plater, blokkerer likestrøm men slipper vekselstrøm, og lades opp etter tidskonstanten $\tau = RC$. Spolen lagrer energi i et magnetfelt, slipper likestrøm men bremser vekselstrøm, og er på mange måter kondensatorens speilbilde.

Koblingsreglene speiler hverandre: kondensatorer legges sammen i parallell, mens spoler og motstander legges sammen i serie. Sammen danner disse passive komponentene grunnlaget for alt fra filtre og strømforsyninger til presise tidsforsinkelser – og uten dem ville ingen elektronisk dings fungere.