4.4 Elektroniske komponenter

Fire byggesteiner, uendelige muligheter

Åpner du en hvilken som helst elektronisk dings -- en fjernkontroll, en mobillader, en datamaskin -- finner du de samme grunnkomponentene igjen og igjen. Fire av dem er særlig viktige: resistoren, kondensatoren, dioden og transistoren.

Disse er byggeklossene i all elektronikk. Ved å kombinere dem på ulike måter kan vi lage kretser som gjør nesten hva som helst. I dette kapittelet skal du bli kjent med hva hver av dem er, hvordan de fungerer, og hva de brukes til -- kunnskap du trenger for å bygge dine egne kretser.

Resistoren og kondensatoren

Den mest grunnleggende komponenten er resistoren, eller motstanden, som har en bestemt, kontrollert motstand og brukes til å begrense strømmen. Verdien leses ofte av fargestriper: de to første gir sifre, den tredje en multiplikator og den fjerde toleransen. En motstand med stripene rød, lilla, brun og gull betyr 2, 7, ganger 10 og ±5 prosent -- altså 270 Ω. Resistorer brukes til strømbegrensning, spenningsdeling og mye mer, men har en effekttålegrense, typisk 0,25 W, som de ikke må overskride. Et klassisk eksempel er å beskytte en LED: kobler du en rød LED med spenning 2,0 V og maks 20 mA til et 9,0 V-batteri, må motstanden ta opp $9{,}0 - 2{,}0 = 7{,}0$ V, og da trenger du $\displaystyle R = \frac{7{,}0}{0{,}020} = 350$ Ω.

Den neste komponenten, kondensatoren, lagrer derimot ladning og energi. Den består av to ledende plater skilt av et isolerende lag, og dens evne til å lagre måles som kapasitans: $\displaystyle C = \frac{Q}{U}$, i enheten farad. Farad er en stor enhet, så vi bruker oftest mikrofarad, nanofarad og pikofarad. Når en kondensator kobles til en spenning, lades den gradvis opp til strømmen stopper; fjernes kilden, lades den ut igjen. Hvor raskt dette går, styres av tidskonstanten $\tau = R \cdot C$: etter ett $\tau$ er den 63 prosent ladet, og etter fem $\tau$ regnes den som fullt ladet. Energien den lagrer, er $\displaystyle W = \frac{1}{2}CU^2$. Lader vi en kondensator på 100 µF opp til 12 V, lagrer den $Q = 1{,}0 \cdot 10^{-4} \cdot 12 = 1{,}2$ mC ladning og $\displaystyle \frac{1}{2} \cdot 1{,}0 \cdot 10^{-4} \cdot 12^2 = 7{,}2$ mJ energi. Kondensatorer brukes til å glatte ut spenning, styre tid og lagre energi -- som blitsen i et kamera.

Dioden: enveiskjøring for strøm

Den tredje komponenten, dioden, gjør noe nytt: den slipper strøm gjennom i bare én retning. Den er en halvlederkomponent laget av to typer materiale, p-type med overskudd av positive ladningsbærere og n-type med overskudd av negative, som møtes i en pn-overgang. I foroverretning, når anoden er positiv, flyter strømmen fritt så snart spenningen overstiger en terskelverdi på rundt 0,6-0,7 V for silisium. I sperreretning blokkerer dioden helt. Den fungerer altså som en enveisventil for strøm.

Dioder brukes blant annet til likeretting -- å gjøre vekselstrøm om til likestrøm i strømforsyninger -- og til å beskytte komponenter mot strøm som går feil vei. En spesiell og velkjent variant er LED-en, lysdioden, som sender ut lys når strøm passerer i foroverretning. Fargen avhenger av materialet: en rød LED bruker rundt 1,8-2,0 V, en grønn 2,0-2,2 V, og en blå eller hvit hele 3,0-3,5 V. To ting er avgjørende å huske om LED-er. For det første må de alltid ha en forresistans i serie -- uten den blir strømmen for stor, og LED-en brenner gjennom med en gang. For det andre er de polariserte og må kobles riktig vei: det lange beinet er anode (pluss), det korte er katode (minus). Setter du dem feil vei, lyser de rett og slett ikke.

Transistoren: hjertet i moderne elektronikk

Den siste og kanskje viktigste komponenten er transistoren -- en halvleder med tre terminaler som kan både forsterke og svitsje elektriske signaler. På en NPN-transistor heter de tre terminalene basis, kollektor og emitter. Det geniale er at en liten strøm inn i basis ($I_B$) styrer en mye større strøm mellom kollektor og emitter ($I_C$). Sammenhengen er $I_C = \beta \cdot I_B$, der strømforsterkningen $\beta$ typisk er mellom 100 og 300. Som bryter er den enkel: ingen basisstrøm betyr at transistoren er av, mens basisstrøm slår den på.

Transistoren ble oppfunnet i 1947 av Bardeen, Brattain og Shockley, og er kanskje 1900-tallets viktigste oppfinnelse. Praktisk talt all moderne elektronikk er bygd av transistorer -- en moderne prosessor inneholder milliarder av dem. De brukes som forsterkere i høyttalere og radioer, og som brytere danner de grunnlaget for all digital logikk, nullene og ettallene. Det finnes to hovedtyper: bipolar transistor (BJT), som styres av strøm og brukes mye i analoge kretser, og felteffekttransistor (FET/MOSFET), som styres av spenning og dominerer i digitale kretser fordi den bruker svært lite effekt.

Et typisk bruksområde i prosjekter er transistoren som bryter: et lite signal fra en mikrokontroller styrer en stor last. Skal en NPN-transistor med $\beta = 200$ drive en motor som trekker 200 mA, trengs bare en basisstrøm på $\displaystyle I_B = \frac{200}{200} = 1{,}0$ mA -- godt innenfor det en Arduino kan levere. I praksis legger man til en basisresistor for å begrense strømmen: med 5 V ut og $U_{BE} \approx 0{,}7$ V blir den $\displaystyle R_B = \frac{5{,}0 - 0{,}7}{0{,}001} = 4300$ Ω, altså rundt 4,3 kΩ.

Oppsummering

Vi har møtt de fire byggesteinene i all elektronikk. Resistoren begrenser strøm, og verdien leses av fargekoder. Kondensatoren lagrer ladning og energi, med $\displaystyle C = \frac{Q}{U}$ og tidskonstant $\tau = RC$. Dioden slipper strøm bare én vei og lyser som LED -- som alltid trenger en forresistans. Og transistoren forsterker og svitsjer, der en liten basisstrøm styrer en stor kollektorstrøm gjennom $I_C = \beta \cdot I_B$.

Enkelt sagt er resistoren en forsnevring, kondensatoren en tank, dioden en enveisventil og transistoren en kran styrt av et håndtak. Disse fire kombineres til alt fra en enkel lommelykt til prosessoren i datamaskinen din.