 |
Elektroniska komponenter |
 |
1. Inledning
På den här sidan skall du få lära dig lite mer om de elektroniska komponenterna, som finns i nästan all elektronik. De används till lite olika saker, bl.a för att reglera ström. Strömmen i en dator kommer från en transformator, som skickar en konstant likström till moderkortets olika delar.
Denna ström vill man anpassa på olika sätt. Därför använder man olika elektroniska komponenter för att få strömmen att passa ihop med datorns olika delar, t.ex processorn och hårddisken.
En elektronisk komponent är en liten del av ett kretskort och har en viss, bestämd uppgift. Man bör hålla isär begreppen elektronisk och elektrisk, som jag skrev om på sidan Enkel ellära.
Till de elektriska komponenterna räknas bl.a säkringar, jordfelsbrytare, motorer och fläktar, medan lampor, spolar och transformatorer ligger i ett diffust gränsland.
Man brukar dela upp de elektroniska komponenterna i två grupper: passiva och aktiva. Till de passiva hör t.ex motstånd, potentiometrar, kondensatorer och spolar. Till de aktiva hör dioder, transistorer, tyristorer, olika omvandlare och logikkretsar.
2. Passiva komponenter
I det här avsnittet kommer jag att berätta lite om motstånd, potentiometrar, kondensatorer och spolar.Motståndet
Motstånden på ett kretskort är till för att begränsa den ström som en enhet matas med.
De kallas även resistorer och är förmodligen de vanligaste komponenterna. Resistansen mäts i ohm.
Motstånden känns igen på de färgade strecken som finns ritade på dem. Färgerna talar om vilken typ det är. Det finns sammanlagt tolv olika färger för alla motstånd, som kan kombineras på olika sätt.
Ett motstånd består av en kropp runt vilken det sitter ett isolerande material. Det är isoleringen som är målad i olika färger, som du ser på bilden. Kroppen med isoleringen är bara några millimeter lång och ibland inte ens det. Kroppen har anslutningar i bägge ändar. Det är dessa som löds fast på kretskortet.
Kroppen består av ett material med visst, elektriskt motstånd, eller resistivitet, som man också säger. Detta material kan formas på olika sätt, t.ex som en stav eller som ett rör, och det som avgör motståndets resistans är vilket materialet är, hur det är format och hur tjockt det är.
En av anledningarna till att det blir varmt inne i en elektronisk apparat är att elektronernas inbromsning inne i de olika motstånden orsakar en värmeutveckling.
Ju högre effekten är desto mer värme alstras. Olika motstånd har därför inte bara olika resistans, utan klarar även av olika effekter, t.ex 1/8, 1/4, 1/2 eller en hel watt.
I ett elektroniskt kopplingsschema har motstånden speciella symboler, vanligen någon av de på bilden.
Men det finns många olika slags motstånd, t.ex varistorer (VDR), termistorer (temperaturkänsliga), LDR-motstånd (ljuskänsliga), osv. Även andra komponenter kan användas som motstånd, bl.a flera av de aktiva nedan.
Potentiometern
Potentiometrar är varierbara motstånd, som tillåter att man ändrar resistansen mekaniskt, efter eget behov. Potentiometrar är vanliga komponenter i bl.a joysticks och i olika reglage till synthesizers och keyboards.
|
|
Potentiometern består av en vridarm, vilken kan röras över en ringformad motståndsenhet. Det betyder att den dels har motståndets två anslutningar, men dessutom även en tredje, en s.k släpkontakt eller löpare, som flyttas över motståndsbanan.
Potentiometern har fått sitt namn efter sin förmåga att reglera potential. Den kallas ibland även reostater och känns igen i kopplingsscheman genom att det i symbolen för vanliga motstånd tillkommit en tredje anslutning, som markerats som en pil.
Den stora potentiometern på den vänstra bilden ovan kallas kolpotentiometer, medan den lilla kallas trimpotentiometer.
Kondensatorn
Kondensatorn består av två metallplattor, som kallas elektroder, som sitter mycket nära varandra och skiljs åt av ett tunt lager luft, papper, plast, keramik eller oxid.
De båda plattorna har positiv respektive negativ laddning. Tack vare det isolerande skiktet kan de båda plattorna laddas upp ganska mycket, innan elektronerna börjar strömma över från den negativt laddade till den positivt laddade sidan.
Denna förmåga att laddas upp kallas kapacitans och den används till att samla upp och bevara en elektrisk laddning.
Kapacitansen bestäms av plattornas storlek, avståndet mellan plattorna och det isolerande materialets beskaffenhet. Kapacitansen mäts i enheten farad, som förkortas F.
På bilden ser du tre olika typer av kondensatorer. Den lilla längst fram är keramisk och med lite lägre kapacitet än de två större.
Den röda kondensatorn här bredvid är också en kondensator. Det är svårt att säga något vettigt om dem här, eftersom deras specifikationer är tämligen kryptiska och deras användbarhet ytterst varierande.
Men ta dig gärna en titt inuti din TV, radio, dator eller mikrovågsugn, så kommer du att se mängder med sådana här komponenter!
Tack vare elektroderna kallas kondensatorn ibland även för elektrolyt. Kondensatorn används för olika ändamål, t.ex för att blockera spänning, för att jämna ut och neutralisera spänningstoppar, samt för att lagra spänning. Det sistnämnda är möjligt eftersom elektroderna behåller sin laddning även sedan strömmen slagits av och elektronerna sipprar endast mycket långsamt genom isoleringen. Därför kan man faktiskt även använda kondensatorn för att bestämma tid!
I ett kopplingsschema ser kondensatorn ut så som på bilden här bredvid.
Spolen
Spolar kallas ibland även för drosslar och består av en tunn koppartråd, som lindats tätt ihop, flera varv runt någon form av kärna. Spolar används för att filtrera bort oönskade frekvenser eller för att dämpa vissa signaler.
När elektronerna passerar genom tråden i spolen, uppstår ett magnetfält, som i sin tur motverkar påverkan av den elektroniska strömmen.
På så vis tillåter spolen bara spänning med en viss frekvens att passera, medan alla variationer stängs ute. Förhållandet mellan det magnetiska flödet och den elektriska strömmen kallas induktans, som mäts i enheten henry, H.
Förutom att spolen skapar induktion, innebär den också att elektronerna bromsas upp, eftersom de måste rusa runt i tråden, flera varv extra, innan de kan susa vidare. Spolar har alltså en viss resistans och motståndet är frekvensberoende, viket på fikonspråk kallas för reaktans.
3. Aktiva komponenter
Allmänt
Aktiva komponenter har ett något mer komplext sätt att reagera på. De är uppbyggda av halvledande material, som inte leder strömmen så bra och därför inte kan användas som ledare. Men halvledaren isolerar inte heller och kan därför inte heller användas som isolator. Halvledaren är alltså ett mellanting, som under vissa omständigheter uppträder som ledare och under andra som isolator.
De första halvledarna var byggda i germanium, som har den kemiska beteckningen Ge. Ämnet används fortfarande, men idag är det framförallt kisel (Si) som utgör byggnadsmaterialet. Kisel är mycket billigare och enklare att hantera.
För vissa specialkomponenter använder man sig även av III-V-material, alltså sådana som är sammansatta av ämnen i det periodiska systemets kolumner 3 och 5. Till sådana specialämnen hör bl.a galliumarsenid (GaAs) och indiumfosfid (InP).
Till det halvledande materialet tillsätter man störämnen och man kallar detta för att dopa eller ympa halvledaren. Det är kristallerna i halvledaren som påverkas att bli negativt eller positivt laddade. Beroende på vilket störämne som används bildas ett negativt och ett positivt skikt.
Kristaller av N-typen är fyllda med fria, negativa laddningsbärare, dvs elektroner, och kristaller av P-typen är "fyllda" med hål, dvs frånvaro av negativa laddningsbärare. Det är i hålen elektronerna så småningom skall passa in.
När en kristall av N-typ kommer i kontakt med en av P-typ, bildar den gemensamma gränsytan mellan kristallerna en PN-övergång. Denna kan antingen innebära att ett stort motstånd bildas, som hindrar strömmen att passera, eller ett litet motstånd, som tillåter elektronerna att strömma fram.
Vilket av fallen som inträffar har att göra med i vilken riktning strömmen går. Strömriktningen kallas med ett finare ord för polaritet. De flesta halvledare tillåter bara strömmen att passera i en enda riktning. Detta är alltså ett exempel på att de är aktiva komponenter.
Varför spelar strömriktningen (polariteten) så stor roll? Jo, halvledaren har ju en plus- och en minuspol och för att strömmen skall kunna passera genom den, måste elektronerna strömma från den sida som har ett överskott på elektroner (den negativt laddade) till den med ett underskott (den positivt laddade).
Kopplar man då på strömmen i fel riktning, kommer det alltså inte att finnas tillräckligt många elektroner som kan rusa över till andra sidan och när de få som finns når fram, är det fullt och går inte att komma vidare.
Det finns många olika slags aktiva komponenter, med olika komplexitetsgrad. Här nedanför går jag igenom de vanligaste typerna och förklarar lite av hur de fungerar och hur de används.
Dioden
Dioder består av en kristall av P-typ och en av N-typ. Dessa är sammanbyggda med en slags bro, en PN-övergång, som leder i ena riktningen och spärrar i den andra. Den ledning som står i förbindelse med P-delen kallas anod och den ledning som har kontakt med N-delen kallas katod.
Dioder kan användas som likriktare av strömmen, men det finns många olika typer av dioder och därför också många olika arbetssätt.
Dioder kan t.ex användas som spänningsskydd, som enkla switchar, som detektorer, osv.
I kopplingsscheman brukar man beteckna anoden med en pilspets och katoden med ett streck. Pilen visar då strömriktningen, där dioden släpper igenom strömmen.
Transistorn
Det finns böcker som enbart handlar om transistorer så det jag kommer att säga här blir bara det allra nödvändigaste. Transistorer förekommer nämligen i en mängd olika utföranden och i många olika sammanhang.
De kan ingå som en enskild komponent på ett kretskort, som den första bilden visar, eller ingå tillsammans med tusentals andra i en integrerad krets, som du ser på den tredje bilden här nedanför. Dessutom är vetenskapen bakom dem ganska omfattande.
Man kan säga att transistorn består av två dioder, som är riktade mot basen (PNP-typ) eller från basen (NPN-typ).
De består således av antingen två P-kristaller och en N-dito, eller av två N-skikt och ett P-dito. De båda typerna ritas något annorlunda i ett kopplingsschema.
På bilden nedan ser du en transistor av PNP-typ. (En NPN-transistor har pilen ritad från kollektorn i stället för emittern.)
Transistorn fungerar alltså snarlikt två dioder och vissa transistorer kallas också för något med "diod" i namnet, t.ex "dubbelbasdiod". Det tjocka strecket på bilden är själva styrelektroden, alltså basen genom vilken strömmen av elektroner passerar.
De båda andra elektroderna, emittorn och kollektorn, symboliseras med tunna linjer, samt en pil som markerar strömriktningen.
När spänning kopplas till transistorn bildas en s.k emitterström. Denna består av "hål" (avsaknad av elektroner och därför betecknad med P), och dessa hål börjar vandra över till N-skiktet. Därmed uppstår en ström från emittorn till basen, precis som för en diod.
När det ligger en ström från emittorn till basen borde den undre ledaren hindra strömmen från att passera, så som en diod skulle ha gjort.
Men i och med att N-skiktet är så tunt, hamnar flera hål i den högra P-kristallen och en s.k kollektorström bildas.
Den är svagare än strömmen från emittorn till basen. (I en PNP-transistor går strömmen åt motsatt håll, men principen är densamma.)
På så vis får man alltså en ström som går åt två olika håll. Den svagare backströmmen kan användas på olika sätt, antingen för att förstärka strömmen i framriktningen eller för någon annan uppgift.
Man kan t.ex använda den till att styra andra komponenter. På så vis kan man med en svag ström styra en starkare ström.
Transistorer kan vara byggda på lite olika sätt.
Bipolära transistorer är de vanligaste. De har två laddningsbärare, t.ex två P-skikt eller två N-skikt.
Unipolära transistorer har endast en laddningsbärare, antingen en P-kanal eller en N-kanal. Bipolära transistorer är strömstyrda, medan unipolära är spänningsstyrda.
Genom den unipolära transistorn kan strömmen passera fritt, men genom att man dopar in två N-områden i P-kanalen, får man en motsvarande effekt som för bipolära transistorer. Men kan då reglera strömmen som passerar genom transistorn genom att minska eller öka N-områdenas storlek.
Detta görs genom att man ändrar spänningen hos dem. Av denna anledning kallas sådana transistorer även Field-Effect-Transistorer, alltså fälteffekttransistorer, eller kort och gott FET.
Unipolära transistorer kan delas in i olika FET-typer och har en lite annan konstruktion än de bipolära.
I ett kopplingsschema ser FET-transistorer lite annorlunda ut än de bipolära.
Emittorn motsvaras då av en source, kollektorn motsvaras av drain, medan basen har ersatts med en gate (grind).
I och med att någon backström inte uppstår i FET-transistorn, genererar den väldigt lite brus och störningar, vilket är en egenskap man gärna tar till vara. Transistorn arbetar därmed mycket säkrare och snabbare och kan t.ex användas som strömbrytare (switchar) i integrerade kretsar.
Det finns olika varianter av FET-transistorn, t.ex JFET, som står för Junction-Fet. Den kan reglera den inkommande signalen via ett spärrskikt, en PN-spärr. Ju högre den inkommande spänningen är, desto större blir den motverkande signalen från spärren.
En annan variant är MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET), som ofta används i olika kretsar i datorn.
Jag tänker inte gå in närmare på hur transistorn fungerar. Ämnet blir tyvärr ganska snabbt komplicerat och kräver goda kunskaper i matematik.
Optiska
De optiska komponenterna ligger lite utanför uppdelningen i de aktiva och passiva. Vanligast är lysdioder, som alltså är en slags dioder, vars PN-skikt emitterar ljus. De kallas ibland även för LED-indikatorer, där LED står för "Light Emitting Diode".
Bilden visar två olika typer av lysdioder, som båda lyser med ett rött sken.
Som synes är den ena röd bara då en ström passerar genom den, så det går därför inte alltid att se på förhand vilken färg en viss diod kommer att lysa med. Halvledarmaterialet hos lysdioder är av III-V-typ, t.ex:
- Galliumarsenid (GaAs) som ger rött ljus
- Galiumarsenidfosfid (GaAsP) som ger gult ljus
- Galliumfosfid (GAP) som ger grön ljus
Dessa färger är de allra vanligaste, helt enkelt för att de är de enklaste och billigaste att framställa. Till blått använder man ibland kiselkarbid (SiC), men dioden lyser då inte lika starkt och kostar mer än de andra färgerna.
Det finns även andra slags optiska komponenter, bl.a olika slags fotodetektorer. Sådana reagerar på ljus, t.ex genom att variera sin resistans efter hur mycket ljus som träffar dem.
Sådana komponenter används i vissa joysticks, där en lysdiod står för ljuskällan. Fotoresistorerna arbetar då som ersättning för mekaniska motstånd (potentiometrar).
Optokopplare kallar man en kombination av ljussändare och ljusdetektor, som sitter i olika slags givare. Lasern är en annan optokomponent, liksom olika slags displayer.
När det gäller displayer finns en stor variation, t.ex mellan de som lyser eller är fluorescerande och de som kräver en extern ljuskälla för att synas i mörker.
LCD-displayer är inte självlysande och drar därför väldigt lite ström. Anledningen till att man kallar denna konstruktion för "flytande kristaller" är att det mellan två skikt av kristaller (elektroder), finns en vätska. När vätskan utsätts för en ström ändrar kristallerna riktning så att ljuset bryts.
Du kan läsa mer om denna teknik på sidan som heter Bildskärmar >.