Actions

Grundläggande Elektronik

From Chalmers Robotics

Revision as of 09:18, 19 February 2014 by Sterna (talk | contribs) (Bör man använda BJT eller FET?)

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 används V istället för decimalteckning på spänning, t.ex. 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:
<math>U=R*I</math>
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 genom resistorn:
<math>I=\frac{U}{R}=\frac{0.5V}{1000\Omega}=0.5 mA</math>

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:
<math>P=I*U</math>
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 klassiskt 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. DC betecknas ofta med ett likhetstecken eller någon rak markering. 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...). AC betecknas ofta med en sinusvåg, ~ eller någ form av kurvigt markering. Egentligen betecknar man DC med små bokstäver (t.ex. u, i) och AC med stora bokstäver (U, I), men här fuskas det ganska mycket.

Vanliga beteckningar och skrivsätt

  • 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)

För en del saker används konstiga grekiska tecken (såsom Ω eller µ). Dessa brukar ofta skrivas om med andra bokstäver. Ω betecknas ibland med R (som synts tidigare) och µ skrivs ofta som u (t.ex. uV eller uF för mikrovolt eller mikrofarad)

Komponenter

Inom elektronik finns många olika typer av komponenter med alla möjliga lustiga egenskaper. Komponenter monteras normalt på ett Kretskort. Här följer korta beskrivningar av de vanligaste komponenterna samt lite om storlekar och liknande.

Komponentstorlekar

Komponenter kommer i tusentals olika typer av storlekar och former. En formfaktor på en komponent kallas för packning eller packningsklass. På engelska kallas det för Package eller Packaging Class. Ofta arbetar man i 2D, eftersom höjden ibland inte har någon större betydelse. Då pratar man ofta om komponentavtryck, Footprint. Detta är den yta en komponent tar upp på ett kretskort, inkluderat vart och hur anslutningarna sitter. I stort delas paketering in i två huvudgrupper: Hålmonterade och ytmonterade komponenter. Ett stort problem inom elektronikvärlden är att samma paket kan ha flera olika namn beroende på tillverkare och liknande. Denna sektion tar upp några av de vanligaste storlekarnas vanligaste namn. Generellt följs ett namn av siffror, t.ex. DIP-28 eller TQFP-44. Detta är antalet kontakter, d.v.s. 28 respektive 44 kontakter.

Pitch

Alla komponenter har kontakter (annars skulle det inte vara vettigt). Kontakterna har avstånd mellan varandra, och det brukar man kalla för pitch. Pitch mäts alltid centrum-centrum på varje kontakt. För vidare info, se Lista över paketeringstyper och Lista över mått.

Hålmonterat

Hålmonterade komponenter är komponenter med ben som sticks genom ett kretskort och löds på baksidan. Kallas ibland för DIP. Hålmonterat bör främst användas där för stora effekter eller för att man är dålig på att löda (även om det inte är så svårt att löda ytmonterad egentligen). Hålmonterat kan också vara enklare att använda i snabba testprototyper på breadboard eller liknande. Vanliga storlekar är:

  • TO-220 - Tre ben och en kylfläns. Kylflänsen har oftast ett hål som alltid är kopplat till mittenbenet. Används till t.ex. spänningsregulatorer, transistorer och dioder (modell större). Typiskt 2.54mm pitch.
  • DIP - Hålmonterade IC (integrerade kretsar) med olika många ben. Vanligt på gammal logik (typ 74-logik) eller microcontrollers och andra liknande chip. Typiskt 2.54mm pitch.

Ytmonterat

Ytmonterade komponenter är komponenter som löds fast ovanpå kortet. Kallas också för SMD. Ytmonterad bör främst användas. Nackdelen är att det oftast behövs ett kretskort för att vara rimligt att använda. Det finns väldigt många olika typer paketeringar för SMD-komponenter. Ofta är dom väldigt lika, men heter helt olika. Det kan även variera mellan tillverkare. De kan generellt delas upp i 3 grupper: De med ben, de med paddar och de med bollar. En generell regel är också att ju längre ett package-namn är, desto mindre och drygare att löda är den. Några vanliga packages är:

  • Två terminaler - Vanliga på motstånd, kondingar, induktanser, LEDs och annat liknande. Rektangulära komponenter som är den allra vanligaste typen av elektronikkomponenter. Finns i väldigt många olika storlekar som betecknas med siffror. Det finns en imperialistisk och en metrisk standard. Den metriska är egentligen mer exakt, men används tyvärr väldigt sällan. Beteckningen är llbb (exempelvis 0805 för en komponent som är ungefär 0.08 x 0.05 tum). Storlekar varierar från 01005 upp tills vidare, t.ex. 2920. Vanligast är 0402-0805.
  • SOT - Small-outline transistor, vanligt på transistorer (duh!) dioder, spänningsregulatorer och liknande. Vanligast är 3 ben, men finns även med 4,5 och 6 ben. Finns i många olika storlekar som anges enligt lite olika standarder. Siffrorna har egentligen ingenting att göra med storleken, men generellt sett betyder större siffra mindre komponent. En av de vanligaste är SOT-23 (SC-59). Den finns även med 5 och 6 ben och anges då som SOT-23-5 och SOT-23-6. För mindre SOT anger den mellersta siffran antalet ben (t.ex. sot323 för 2 ben, sot353 för 5 och sot363 för 6).

Ett vidare undantag är SOT223 som har 4 ben där kylpaden (ben 4) sitter ihop med ben 2. Vidare finns även DPAK som är ungefär likadana, fast större. Ännu större är D2PAK (motsvarar en liggande TO220) och D3PAK.

  • SOD - Small-outline diode - Nära besläktat med SOT, fast med två terminaler. Ofta ganska höga. Används nästan uteslutande till dioder. Storleken anges med siffror (ofta 3) där siffrorna inte har någon logik eller generell regel mot storleken. SOD kallas ofta för SMx där x är A,B,C. A är minst, C är störst. Dessa är generellt ganska stora.
  • xQFP - x Quad Flat Package, vanligt på microcontrollers och andra liknande. x kan vara t.ex. T (thin), L (Low-profile) eller P (Plastic). Har ben på 4 sidor. Finns i olika pitch. Vanliga värden är 0.5 mm, 0.65 mm eller 0.8 mm. Antal ben varierar från allt mellan 20 och flera hundra. Kan utan problem lödas för hand och är enkelt att inspektera så att det blev rätt.
  • xQFN - x Quad Flat No-lead, vanligt på microcontrollers, IMU och andra specialkretsar. x kan vara t.ex. T (thin), V (very-thin), U (ultra-thin). Har inge ben, utan paddar. En del har små paddar på kanten, men inte alla. Har pitch liknande som QFP. Har ofta en pad undertill som är för värmeavledning som oftast är GND, men kan ibland vara VCC. QFN kan vara lite svår att löda, och görs med varmluft eller i ugn. Inspektion är lite svårare än QFP. Besläktat med DFN (Dual Flat No-lead) som är likadan, men med paddar på två sidor istället för 4.
  • xBGA - x Ball Grid Array, vanligt på coolare microcontrollers och processorer samt FGPA. Har en matris av bollar undertill. Pitch är typiskt 0.5 mm eller så. Fruktansvärt jobbiga att designa kort för samt löda och inspektera. Kräver oftast fler än 2 lager PCB. Antalet bollar varierar mellan 10 och tusentals.
  • SOIC och SOP - Small-outline Integrated Circuit och Small-outline Package, vanligt på diverse IC såsom 74-logik, motordrivare, kommunikationsinterface, LED-drivare osv. Har två rader ben. Väldigt vanliga storlekar och finns i en mängd olika varianter med olika många ben (8-64 eller så) och olika pitch (allt från 1.27mm till 0.5mm). Finns även varianter med olika bredd. Specialvarianter heter saker som Power-SO och liknande och dessa är typiskt större och har en exponerad kylpad undertill.

Motstånd

Motstånd är idealt en rent resistiv komponent. Kallas och för resistor eller resistans. Motstånd har en plats i nästa alla elektriska applikationer. Det kan användas t.ex. till att begränsa strömmen i en krets, hålla en signal på definierad spänning eller agera spänningsdelare eller mäta ström (shunt-motstånd). Typiska motståndvärden beror på applikation. Vanligen några kOhm eller så. Alla värden finns inte, utan värden är uppdelade vanligen efter en E12-serie. Självklart finns det andra motstånd, men de är dyrare. Motstånd finns i många olika storlekar, vanligast som ytmonterade med två terminaler. Motstånd kostar nästan ingenting att köpa. Hålmonterade motstånd har färgkoder som anger dess resistans. Ganska ondöigt att lära sig numera. Ytmonterade motstånd har resistansen utskriver i siffror enligt "vvm" där vv är värde och m är multiplikator. Exempel: 472 - 47*10^2 = 4700 = 4k7 ohm. Tänk på att olika motståndsstorlekar klarar olika mycket effekt (detta är då effekten som bränns upp i motståndet) samt att motstånd har både kapacitans och induktans, vilket är särskilt viktigt vid höga frekvenser. Vid lägre frekvenser (<1MHz) spelar detta nästan ingen roll alls.

Kondensator

Kondensator används för att lagra energi. De kallas också för konding, kapacitans eller cap (från engelskans Capacitor). En kapacitans är s.k. spänningströg, d.v.s vid tillförd energi kommer spänningen att öka i takt i med att kondingen laddas upp. Kondingar används oftast till filter, och då ofta som lågpassfilter för att jämna ut spänningen (t.ex. matningsspänningen). Kondingar mellan VCC och GND är den allra vanligaste applikationen. Egenskaper på kondensatorer som kan vara bra att känna till är:

  • Kapacitansen - Uppenbarligen den primära egenskapen hos en konding. Kapacitans mäts i Farad (F) och är ett mått på hur mycket energi som kan lagras i den. 1F är väldigt mycket, så ofta räknar man i nF eller uF. Kapacitansen bestämmer även frekvensbeteendet, som vi kommer se lägnre ner.
  • ESR - Equivalent Serial Resistance, är en approximation (som är bra) som används för att kompensera för att kondingar inte är oändligt snabba. Det modelleras som en resistans i serie med kondingen och begränsar strömmen. Vanligen vill man att det ska vara så lågt som möjligt, eftersom du vill att dina kondingar ska vara snabba.
  • Maxspänning - Den maximala spänningen en konding klarar av (kallas också för märkspänning). OM man överskrider den spänningen kommer kondingen att gå sönder, och det är mycket dåligt.

Dessa egenskaper skiljer sig beroende på vilken typ av konding det är. Det finns 3 huvudtyper av kondingar:

  • Keramiska - Den vanligaste typen av konding. Kallas ofta för keram och känns igen på att de är väldigt små orange saker. De har låg kapacitans (typiskt 1nF-10uF), låg ESR, liten storlek, billiga, dålig DC-karakteristik. En billig och liten keramisk konding tappar kapacitans när den utsätts för högre spänning (upp till sin märkspänning). Keramers DC-karakteristik är väldigt lurig, eftersom ingen säger hur den är. En utredning finns här som är väldigt läsvärd.
  • Elektrolyt - Den vanligaste typen av kondingar med hög kapacitans. Typiskt ligger den på 50uF och större. Har dock hög ESR (ofta någon ohm) och är generellt sett ganska stora. Dock har dom inte samma problem med för hög DC-bias som keramer. Kostar lite mer än keramer, men oftast används inte lika många på ett kort. De är polkänsliga och markeringen är minus.
  • Tantal - En undergrupp till elektrolytkonding, men med lägre ESR och inte lika hög kapacitans. De känns igen på att de är orange och ganska stora, samt har en polmarkering. Markeringen på tantaler är PLUS-polen vilket skiljer sig från andra polkänsliga kondingar. Detta är jobbigt, men så är det. Gör inte fel, för då smäller det. Tantaler är generellt sett dyrare, men oftast det valet som ger högre prestanda. Tantaler klarar dock inte strömspikar, vilket är varför det kan vara bra att inte ha sådana på din ingående matning ifall du inte har någon form av mjukstart. Typiska värden är 10-400uF.

Kondingar släpper igenom AC. De kan modelleras som ett frekvenskänsligt motstånd enligt:
<math>R=\frac{1}{2*pi*f*C}</math> (egentligen är det Z man beräknar, men det är typ samma sak)
Därefter kan man räkna på filter och liknande som spänningsdelningar. Som synes så släpper större kondingar igenom lägre frekvenser, då detta minskar den ekvivalenta resistansen.

Induktans

Induktanser är induktiva komponenter. De kallas också för spolar. Dessa lagrar, liksom kondngar, energi, men på ett annat sätt. En induktans är strömtrög och används för att ta bort frekvenser ur signaler. Används främst för att få bort höga frekvenser ur spänningsmatningar och seriellt med signalen när du känner att kondingar inte är bra nog. En annan typisk applikation är DC-DC-omvandlare
Typiska värden 1uH-1mH. Används till buck/boost-omvandlare samt som filter om du vill ha riktigt stabil spänning (t.ex. på matningen till känslig analog elektronik). Induktanser används generellt sett inte jätteofta, då många problem som kan lösas med induktanser kan lösas med kondingar, som är billigare. Induktanser är dock inte jättedyra, men oftast inte värt det. För vissa högfrekvensapplikationer eller väldigt specifika filter kan man ibland behöva använda induktanser.

Diod

Dioder är halvledare som idealt leder ström endast i ena riktningen. En av dioders primära parametrar är dess framspänningsfall (d.v.s. spänningsfallet i diodens ledande riktning). Framspänningsfallet beror på vilken typ av diod det är. Har ett framspänningsfall beroende på vilken typ av diod det är. Exempel på olika modeller är:

  • Schottky - Är typiskt lite kraftigare dioder för likriktning, spänningsclamping eller polvändningsskydd. Har lågt spänningsfall (under 0.5 V), som beror på strömmen genom dioden.
  • Zener - Fungerar som andra dioder (leder ström endast i ena riktningen), men har ett välspecificerat backspänningsfall. Därför används de ofta som spänningsreferenser och som fula spänningsregulatorer.
  • Transientskyddsdioder (TSV) - Används för att skydda känslig elektronik från spännignsspikar. De klarar hög belastning under en kort tid.

Dioder finns i alla möjliga storlekar och specifikationer, allt från motsvarande 0402 upp till TO-220 och större. Priset varierar mellan allt från några ören till flertalet kronor.

LED

LEDs (kort för Light-emitting diode, lysdiod) är dioder som lyser när det går ström genom dem. De fungerar även som vanliga dioder. Finns i en massa olika färger, de vanligaste är röd, grön, blå och IR. De finns även LEDs med flera olika färger i samma kapsel. Vanligast där är RGB-LEDs, men en röd, en grön och en blå LEDi samma kapsel. Spänningsfallet beror på färg (och till viss del ström):

  • IR - 1.7V
  • Grön/Röd - Typ 2V
  • Blå - 3.3V eller mer

(För mer komplett lista, se här.) Vanligast är små indikations-LEDs (typiskt ytmonerade 0603-1206 eller hålmonterade 3 mm och 5 mm), men det finns även större LEDs, ofta kallade för Power-LEDs, eftersom de är stora och lyser mycket.

Hur mycket ström bör man använda på LEDs?

De flesta små indikationsdioder är specade för ungefär 20mA (då kommer det lysa ganska bra). Strömmen begränsas vanligvis med ett motstånd (man kopplar Vcc-LED-motstånd-GND). Motståndsvärdet kan beräknas enligt ohms lag om vi vet ström genom resistorn och spänningen spännignsfallet över den. Strömmen är samma i hela kretsen, så strömmen genom motståndet är samma som strömmen genom LEDen, som bestämmer hur mycket det lyser. Därför sätter vi strömmnen till nåt värde och på så sätt bestämmer hur mycket LEDen ska lysa. Eftersom vi vet vilken färg det är på LEDen vi vill sätta använda kan vi kolla upp dess spänningsfall. Vi vet också vilken drivspänning vi har i vårt system. Vi vet att spänningsfallet från Vcc till GND är hela drivspänningen, samt att spänningsfallet över LEDen är konstant (vi antar detta, men det är bara sant inom vissa områden). Vi kan därför beräkna vilket spänningsfall motståndet måste ha. Sammaslaget kan man använda denna formel:
<math>R=\frac{V_r}{i}=\frac{V_{cc}-V_{d}}{i}</math>
där <math>R</math> är resistansen, <math>V_r</math> är spänningsfallet över motståndet, <math>V_{cc}</math> är drivspänningen, <math>V_d</math> är LEDens spänningsfall och <math>i</math> är strömmen. Exempel med värden: <math>i</math> = 10mA, <math>V_{cc}</math> = 5V, Röd LED (<math>V_{d}</math> = 2V). Värden in i formeln ger:
<math>R=\frac{5V-2V}{10mA}=0.3k\Omega=300\Omega</math>
Dock spelar motståndsvärdet för LEDs oftast ingen jättestor roll. Om man har vanlig logikspänning (3.3-5V), en vanlig LED och bara vill att det ska lysa för att indikera status kan man använda vilket värde som, t.ex. 1k om man vill att det ska lysa lagom, och om man har ont om energi kan man ta 10k.

Transistorer

En transistor är en komponent som låter dig använda en liten ström (eller spänning) för att styra en stor, exempelvis om en 12V-signal ska styras med 5V eller om någonting som drar 1A ska styras med en microcontroller. En transistor används ofta som om den vore en strömbrytare. Det finns två huvudtyper av transitorer: Bipolär och FET.

Bipolära

Bipolära (kallas även BJT - Bipolar Junction Transistor) transistorer är strömstyrda. Detta innebär att den ström som går in i basen förstärks med en faktor och tillåter den mängden ström att flöda från kollektorn till emittern. Förstärkningsfaktorn kallas Hfe och brukar vara i storleksordningen 50-300. Bipolära har ett linjärt område, men används ofta i sitt "bottnade" läge, eftersom den utvecklar mer värme i det linjära området. Den bipolära transistorn modelleras som ett spänningsfall, dels från basen till emittern (kallas V_be) och dels från collectorn till emittern (V_ce). För att transistorn ska börja leda måste man komma över en viss spänning på V_be som betecknas cut-in voltage (V_cut-in) och vanligen ligger på 0.65V, men kan såklart variera beroende på temperatur och typ. V_ce är det som kommer att bli värme och sätter gränsen för mycket transistorn klarar. Spänningsfallet kan vara allt mellan 0.1V och 3V beroende på transistor och ström. En transistor kopplas på följande sätt:

  • Todo: Rita en bild

Vilket motstånd ska man ha?

Använd U_be och sätt strömmen till det som önskas genom att identifiera hur mycket ström som ska styras och dividera med Hfe. Då får du strömmen som ska genom basen. Sedan bör man ta och öka den lite, eftersom man vill att transistorn ska bottna. Därefter använder man samma metod för att räkna fram motståndet till en LED, fast man använder V_be som sitt fasta spänningsfall. Exempel: Jag vill styra 1A med en transistor som har Hfe=100. Den har U_be = 0.7V och min logikspänning är 5V. Detta ger: (5-0.7)/(1/100)=4.3/10m=0.43k=430ohm. Återigen, välj ett lite mindre motstånd, runt 200-300ohm.

NPN och PNP

En transistor kan antingen vara N- eller P-dopad. Huvudskillnaden mellan dem är hur emittern kopplas. För en NPN kopplas emittern mot en lägre potential (typiskt GND) medan en PNP kopplas med emittern mot en högre potential (typiskt V+). Eftersom det är V_be som spelar roll för när en BJT slås på (eller av) så kommer detta innebära ett för NPN så behöver spänningen på basen komma upp i över V_cut-in för att transistorn ska börja leda. Analogt så måste V_be på en PNP kommer upp i över V+ - V_cut-in för att den ska stängas av. Detta blir problem ifall V+ t.ex. är 12V och du vill styra den med en microcontroller (säg 5V-logik) så kommer man max upp i V_be=5-12=-7V vilket inte gör att transistorn kan stängas av alls (de har vanligtvis V_cut-in mellan 0 och -2V). För en NPN är det dock enklare, eftersom emittern sitter mot jord vilket gör att man enkelt kan komma upp i över V_cut-in eftersom V_be kan bli upp till 5V.

FET

FET (Field-Effect Transistor) är en annan typ av transistor. Det finns väldigt många olika typer av FETar (t.ex. MOSFET, FINFET, JFET. Teknikerna och egenskaperna mellan de olika FET-typerna skiljer sig litegrann, men är generellt sett ganska lika. En av de vanligaste är MOSFETen (den modellen som primärt tas upp här). Till skillnad från bipolära transistorer så är FETar är spänningsstyrda och modelleras dels som en kondensator på gaten (gate-kapacitans) och dels som en resistans (så kallad on-resistans eller Rds,on) mellan drain och source. Rds,on är relaterat till laddningen (och därför spänningen) mellan gate och source. FETar har en tröskelspänning (Vth) vid vilken FETen börjar leda. Vid ökande gatespänning minskar Rdson ickelinjärt. Därför försöker man gärna få upp spänningen på gaten ordentligt så att man får ordentligt lågt Rds,on. Fetar har även begränsningar som gör att du inte kan ha för höga spänningar över den, t.ex. att Vgs och Vds inte får vara för höga. Typiska värden på Vth beror på FETen. På små FETar (t.ex. SOT-23 och liknande) handlar det om några V, t.ex. 1-4 V, men för stora FETar kan det vara uppemot 10-12V. Vanlig Rds,on beror också mycket på FET och kan vara allt mellan 2mohm och 1ohm. Man bör generellt sett sikta på under 100mohm om man ska dra ström (>1A) genom den och under 10mohm om det ska gå mycket ström(>10A).

N-kanals och P-kanals

Liksom för BJT kan FETar vara N-eller P-dopade. För FETar gäller ungefär samma sak, förutom att istället för

Transistorer delas också in i N- och P-dopade. Exakt vad det innebär behöver man inte veta, såvida man inte ska bygga transistorer. 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 (Rds,on 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 eller skaffa en gate-drivare 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.

Bör man använda BJT eller FET?

FET är generellt det bättre valet, eftersom de generellt sett klarar mer ström då bra FETar har lägre förluster. Eftersom BJT har generellt sett minst 0.2 V spänningsfall (Vceo(sat)), vilket ger ganska stora effektförluster enligt P=I*U, medan bra FETar har on-resistans på 50mohm eller mindre (för stora BJTer anges ofta med en ekvivalent Rds,on, men detta är en s.k. figure of merit som generellt sett inte är att lita på). BJT är dock mycket snabbare än FETar, vilket är varför de används som högfrekvensförstärkare. BJTer klarar ofta högre spänning än FETar, men för riktigt höga spänningar ska man använda s.k. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) som kan klara flera kV. BJT är även linjära, vilket innebär att de kan enklare styras analogt (vilket man dock inte ska göra).

Kretsar

Genom att kombinera dessa komponenter och använda dess egenskaper kan man får fram alla möjliga olika effekter. Det är det som är grundstommen i elektronik: Att veta hur man kombinerar de olika komponenterna för att få fram en önskad effekt. Här kommer endast en kort genomgång av varje krets och lite bra-att-tänka-på. Utförligare förklaringar hittas via google eller på wikipedia.

Strömmätning

Enkelt sätt mäter man spänningsfallet över ett motstånd genom vilket strömmen man vill mäta går. Vid högre ström kommer också spänningsfallet att öka (enligt ohms lag). Saker att tänka på:

  • Ha ett ganska litet motstånd, så att det inte blir för mycket effektutveckling i det (enligt <math>P=R*I^2</math>)
  • Du måste kunna mäta spänningsfallet över motståndet med din mätutrustning (typiskt ADC). Ditt motståndsvärde och din upplösning kommer att ge en minsta ström du kan mäta.
  • Se till att utslaget inte blir för stort för din mätutrustning. Om din ADC endast klarar 3.3V finns det en maxström du kan mäta. Troligen kommer dock ditt motstånd att gå sönder först av effektutvecklingen. Smart kan dock vara att ha clampingdioder på mätningsledaren.
  • Tänk på att strömmen kan anta negativt tecken (gå baklänges) i vissa fall (typiskt med en motor). Då kommer du att få in en negativ spännings på ADC, vilket kan vara dåligt. Detta löses med en clampingdiod.

Spänningsdelning

En spänningsdelning används för att sänka spänningen i syfte att mäta den eller använda som referens. Typiska användningsområden är om du ska mäta din battterispänning eller om du behöver en referensspänning till din ADC/komparator. Notera att detta är INTE en spänningsregulator, eftersom spänningsskillnaden kommer att ändras med lasten på övriga delar. Vilka värden ska man ha på motstånden då? Generellt sett är stora motstånd bättre, eftersom detta drar mindre ström (om du mäter t.ex. batterispänning så kommer det att dra ström från batteriet hela tiden). Nackdelen är att större motstånd genererar mer brus (i synnerhet på högre frekvenser). Detta behöver man dock sällan bry sig om. För vanliga applikationer rekommenderas motstånd mellan 5k och 50k. Vid applikationer som ska vara extremt strömsnåla kan man utan större problem använda över 100k.

Todo:Bilder!

RC-filter

RC-filter är elektronikens kondom. Dom skyddar enkelt mot störningar (som är långt borta från din signal förvisso). Ett RC-filter består av motstånd och kondensatorer. De kan konfigureras som lågpass-filter (LP), högpassfilter (HP) eller bandpassfilter (BP). I sin enklaste form består filtret endast av ett motstånd och en kodning (1:a ordningens filter), men genom att seriekoppla filter efter varandra kan man få ytterligare effekter, som t.ex. brantare frekvenssvar. För att beräkna frekvenser på sitt filter kan man använda sig av förenklingen att en konding är ett frekvensberoende motstånd och sedan räkna på det som en spänningsdelning.

LP-filter

Ett LP-filter består av en resistans i serie och en konding mot jord (eller mot vcc). Man kan se det som att kondingen tar en stund att ladda upp (eller ur) och att motståndet begränsar hur mycket ström ska flöda.

HP-filter

BP-filter

Levelshifter

Fotodiod/Transistor som sensor

Op-amp

Förstärkare

Komparator

Spänningsregulato (och IC)

Styra motor

PWM

Styra ett håll

H-brygga