Grundläggande Elektronik

Denna sida förklarar grundläggande koncept inom elektronik, samt ett flertal applikationer och lite tips och trix av erfarenhet.

Grundläggande koncept

De mest grundläggande konceptet inom elektronik är spänning och ström och skillnaden mellan dessa. Det finns ett flertal olika analogier för att förklara skillnaden samt andra koncept inom elektronik. Här förklaras det med hydrologi-analogin. Här tas endast korta och enkla förklaringar upp. För mer ingående kan du kolla på respektive artikel på wikipedia:

Spänning

Spänning motsvarar "fallhöjd" eller vattentryck. Kallas också potential. Enheten är Volt (V) och det betecknas ofta med bokstaven u, men v används också. Spänning mäts alltid relativt någon annan nivå och man säger ibland att man mäter spänningen, eller spänningsfallet över en komponent (t.ex. ett motstånd eller en lysdiod). Vanligast är att mäta spänningen mot en grundnivå, en nollnivå, även kallad jord, ground (skrivs ofta Gnd). Spänning kan vara negativ och positiv, beroende på vad du anser som din nollnivå. Om du har 5V i punkt A och 0V i punkt B och anser punkt A som + så kommer potentialen där att vara 5V relativt punkt B. Om du däremot låtsas att B är plus och att A är din nollnivå så kommer potentialen i den punkten att vara -5V. Typiska värden på spänning är 3.3V, 5V och 12V. Ibland skrivs spänning med decimaler som 3V3 för 3.3 V.

Ström

Ström är vattenflödet, d.v.s. hur mycket vatten som faktiskt kommer igenom under en given tidsenhet (ström är egentligen elektroner per sekund). Enheten är Ampere (A) och betecknas som I. Ström mäts genom en punkt, ledare eller komponent. Man kan t.ex. tala om strömmen genom ett motstånd (som då betecknas som Ir). Strömmen i en krets är alltid samma, d.v.s om du har ett motstånd och en lysdiod så kommer samma ström att gå genom dem. Att mäta ström i ett befintligt system är svårt, eftersom en ledare måste brytas upp. Inom småsignalelektronik arbetar man vanligtvis med mA eller mindre, men för att driva elmotorer (små) använder man några A.

Resistans

Resistans motsvarar tvärsnittet i en vattenslang. Det kallas även motstånd. Enheten är Ohm (skrivs ofta Ω) och betecknas med bokstaven R. Alla komponenter som ström går genom har ett motstånd (utom om de är supraledande, men det dröjer länge innan vi får det). Motstånd mäts från en punkt till en annan, t.ex. genom en komponent eller en sladd. Motstånd finns i standardvärden, ofta enligt det som kallas för E12-serien. Detta innebär att för varje dekad (mellan 1 och 10ohm, mellan 10 och 100 ohm, mellan 100 och 1000ohm osv) finns det 12 värden. Vanligen försöker man hålla sig till dom värdena. Typiska värden är allt mellan 0 och 1Mohm. Vanligen använder man motståndsvärden mellan 100ohm och 10kohm. Ofta vill man undvika bokstaven Ω eftersom det är ett underligt tecken, vilket är varför man ibland betecknar det med R eller utelämnar det helt, t.ex. 2k. Liksom för spänning med decimaler skriver man ofta 2k2 för 2200Ω. För värden under 1k skriver man ofta iställer ett R istället för decimal, t.ex. 2R2 för 2.2Ω.

Ohms lag

Ohms lag är ett av de allra viktigaste och mest grundläggande sambanden inom elektronik. Den knyter samman spänning, ström och resistans enligt följande ekvation: U=R*I Enkel algebra ger dig alltid det tredje ifall du vet det två andra. Typexempel är att beräkna strömmen genom en resistor. En resistor har resistansen 1kohm. Spänningsfallet över resistorn mäts upp till 0.5 V. Enligt ohms lag är strömmen: I=U/R=0.5/1000 = 0.5mA.

Effekt

Tyvärr är det svårt med an vattenanalogi för effekt. Effekt mäts i Watt (W) och betecknas med bokstaven P (från engelskans Power). Effekt är hur fort energi omvandlas från en energiform till en annan i systemet, t.ex. elektrisk energi till värme, ljus eller rörelseenergi. Effekt fås från spänningen och strömmen enligt: P=I*U Denna kan kombineras med ohms lag och bilda fler uttryck, t.ex. för att beräkna energiförlusten i ett motstånd, transistor eller spänningsregulator och därigenom temperaturutvecklingen (i då i förlängningen hur mycket ström den faktiskt klarar av). Typiska effekter är förlusteffekten i en spänningsregulator som ligger på ett par W.

AC/DC

AC/DC är inte bara ett gammalt klassikt hårdrocksband, utan även någonting viktigt inom elektronik. DC står för Direct Current, alltså likström (man säger ofta likspänning och menar då samma sak). DC är spänning som inte varierar över tid. Logik-elektronik (typ microcontrollers och liknande) drivs alltid på DC (utom möjligen vissa riktigt speciella fall). DC är generellt sett enklare att arbeta med och räkna på. AC står för Alternating current, alltså växelström (växelspänning). Så fort spänningen varierar är det AC. All spänning är egentligen AC, det är bara olika mycket av. Vanlig frekvens på spänning är klassiska 50Hz i vägguttaget, men självklart kan det variera med vilken frekvens som helst (kHz, MHz, GHz...).

Vanliga beteckningar

• GND - jord, nollpotential
• VCC - positiv spänning. Typiskt din logikspänning. (kallas ibland också VDD)
• VSS/VEE - Äldre skrivsätt på negativ matningsspänning. Används fortfarande i en del datablad.
• V+/V- - Typiskt + och - på min matning (batteri). Ofta är V- = GND.

(Se wikipedia-artikeln om logikmatning för närmare info)

Komponenter

---

Motstånd (resistans, resistor) Begränsar strömmen. Typiska värden beror på applikation. Vanligen några kOhm eller så. Alla värden finns inte, s.k. E12-serie (kolla wiki). Kan användas för att mäta ström (shunt) (typiskt väldigt lågt motstånd då) I=U/R Olika storlekar (hål, effekt, SMD) Pris: typ 0kr

Kondensator (konding, kapacitans) (eng: capacitor) Lagrar energi. Spänningströg. Används för att jämna ut spänningen. Kopplas parallellt med signalen (typiskt mellan VCC och GND) Typiska värden 100nF-10uF. Olika modeller: Keramiska (Låg ESR, små, dålig V/C-karakteristik, billiga, låg C, inte polkänsliga) Elektrolyt(hög ESR, hög C, stora, bra V/C-karakteristik, polkänsliga (markering är -)) Tantal (Låg ESR, medelhög C, medelstora, bra V/C-karakteristik, dyrare, polkänsliga (markera än PLUS !OBS!)) Spänningsgränser. Överskrid inte! !Klapp Släpper igenom AC (närmare om det i och med filter) Pris: typ 0 kr för små keramer, någon kr för större kondingar.

Induktanser (spolar) (eng: inductance, coils) Lagrar energi. Strömtrög. Används för att jämna ut spänningen, samt filter. Seriellt med signalen när du känner att kondingar inte är bra nog. Typiska värden 1uH-1mH. Används till buck/boost-omvandlare samt som filter om du vill ha riktigt stabil spänning. Används inte jätteofta. Pris: billigt för små, någon kr för större

Dioder (Diode) Leder ström i en riktning (idealt). Har ett framspänningsfall beroende på modell. Används för att likrikta, clampingdioder (back-emf), spännningsreferenser. Olika modeller: Schottky - Powerdioder. Likrikta, clamping, spänningsfall på 0.7V typiskt. Zener - Olika spänningsfall. Spänningsreferense genom att koppla den "baklänges" typ.

LEDs (Lysdioder, light emmitting diode) Specialfall av dioder som lyser. I övrigt funkar dom som en vanlig diod. Spänningsfall beror på färg (och till viss del ström): IR - 1.7V Grön/Röd - Typ 2V Blå - 3.3V eller mer Vill du veta, kolla wikipedia eller mät. Typiskt 20mA (då lyser dom bra) Koppla Spänning - motstånd - diod - gnd Vilket motstånd ska jag ha? Bestäm ström (20mA typiskt). Vilken matningspänning (VCC=5V). Vilket färg (Grön = Vdiod=2V)? Dett innebär att motståndet kommer att ha ett spänningsfall på VCC-Vdiod=Vr = 5-2=3V. Ohms lag säger att om vi ska ha 20mA och 3V spänningsfall, så kommer vi att få: R=U/I = 3/20m = 0.15kohm = 150ohm. På 20mA lyser det mycket. Vill du bara ha indikation lagom ljus, använd 1k. Har du dåligt med ström, använd 10k.

Transistorer (Trissor, bipolärböp, FET/MOSFET) Typ som en strömbrytare. Två huvudtyper, bipolära (NPN/PNP) och FET (Field effect transistor) Bipolära är strömstyrda (den ström så går in på basen förstärks enligt hfe-värdet och "tillåter" den mängden ström att gå från collector till bas). Transistorer är linjära, men används ofta i sitt "bottnade" läge. Modelleras som ett spänningsfall och kommer att utveckla effekt i enlighet med detta. Allt mellan 0.1V och 3V. Kopplas på följande sätt: signal - motstånd - bas stor kräm, last, gnd. Vilket motstånd ska jag ha? Vbe = 0.7V. Räkna på samma sätt som för LEDs med bestämd ström för att ta reda på ditt motstånd.

FETar finns det olika modeller av. De olika modellerna skiljer sig inte så mycket mellan olika tekniker. En av de vanligaste är MOSFETen. FETar är spänningsstyrda och modelleras som en resistans (så kallad on-resistans eller Rdson). Gaten modelleras som en kondensator som beroende på vilken spänning den är uppladdad till får ett visst Rdson. Beroendet mellan Vgs (spänningen mellan gate och source) och Rdson är inte linjärt. Alla FETar har en s.k. thresholdspänning (Vth). Vid den spänningen börjar FETen att leda ordentligt, men om spänningen går upp högre är det bra.

N vs P Transistorer delas också in i N och P-dopade. För bipolära är det NPN/PNP, medan det för fetar kallas för N-/P-kanals. N-grejer kopplas mot jord, medans P-grejer kopplas mot +. N är enklare att använda av anledning Vgs. Source på en FET ska sitta mot källan, d.v.s gnd för N. Exempel: En fet har Vth = 2.5V. Feten styr en blå LED med ett motstånd. Du vill ha 1A (monster-LED!). Du har en microcontroller som kan skicka ut 0 och 5V. Din V+ är 12V. Ifall du kopplar feten överst [bild] och lägger på en spänning på gaten så kommer skillnaden mellan gaten och sourcen inte att vara över 2.5V, eftersom: 12V överst. Spänningsfall över feten = inte särskilt mycket (Rdson typ 100mohm). Spänningsfallet över feten är: 0.1*1=0.1V. Detta innebär att fetens source har potentialen 12-0.1=11.9V. Gaten har potentialen 5V. Skillnaden där är 5-11.9 = -6.9V. Din fet kommer inte att fungera, såvida du inte får upp en spänning som är minst 14.5V. Så, sätt feten mot jord så löser det sig.

P-kanals-fetar är värre. Dessa har en negativ Vth. Skillnaden där är att är jobbigt att slå av den, eftersom ifall Vgs är lägre än Vth (t.ex. som Vth = -1V och Vgs = -2V) så leder pFeten. Därför måste man upp i en spänning på gaten som är större än V+ + Vth (i vårt exempel 12-1=11V), vilket ofta är svårt med en microcontroller.

Varför inte sätta feten nånstans i mitten? För att du inte är säker på vilka spänningsfall du kommer få i kretsen. Visst, om du kalibrerar bra kan du sätta en LED mot jord och en pfet ovanför den, så länge du sätter ett motstånd ovanför feten. Detta är dock underligt och görs sällan.