Resistorer och lysdioder

Resistorer och lysdioder

I det här kapitlet ger vi en grundläggande översikt över två av de vanligaste komponenterna: resistorn och dioden. Detta för att ge en grundläggande förståelse för hur elektronik fungerar. I detta kapitel behandlas hur komponenterna fungerar. Nästa kapitel kommer till det viktiga: hur de används.

Resistor

En resistor, även kallad motstånd, används bland annat för att sänka spänningen till komponenter i samma kopplingsserie. För att koppla en lysdiod till en drivspänning på nio volt behöver spänningen sänkas till tre volt och strömbegränsas till 20 milliampere. Detta kan göras med en resistor.

Ämnet som resistorn består av är det som ger resistorn dess speciella egenskap. Motståndsegenskapen för ämnet kallas resistivitet. Det finns ljus- och värmekänsliga resistorer, men de så kallade linjära är de vanligast förekommande. Resistansen i sådana påverkas inte av yttre faktorer såsom värme och ljus, vilket innebär att resistansen alltid förblir densamma. Riktigt extrema temperaturförhållanden kan dock ha en liten inverkan.

Motståndets resistans mäts i ohm (Ω). Vilken resistans som behövs i en krets kan lätt räknas ut med Ohms lag som säger att resistansen är kvoten av spänningen och strömmen (R = U / I). Läs mer om detta här.

Resistorserie

Resistorer har fasta värden och är uppdelade i olika serier. Serierna betecknas med ett E-nummer och en siffra. Siffran beskriver hur många standardiserade värden som finns i varje intervall mellan jämna tio­potenser (10-100, 100-1000, 1000-10000 o.s.v). Ett ­exempel är E12-serien vars namn berättar att den inne­håller tolv resistorer i varje intervall.

Exempel: 10 – 12 – 15 – 18 – 22 – 27 – 33 – 39 – 47 – 56 – 68 – 82

Standardiserade resistorvärden i E12-serien:

1,0 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2
10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82
100 120 150 180 220 270 330 390 470 560 680 820
k 1 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2
k 10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82

E6, E24 och E48 är exempel på andra serier.

Det är vanligt att avrunda värdet uppåt om det inte finns ett motstånd med exakt det önskade värdet. Om din uträkning visar att du behöver en resistor med värdet 450 Ω och det inte finns, bör du alltså avrunda uppåt till 470 Ω. En liten höjning av resistansen spelar oftast ingen roll eftersom resistorernas värde kan variera med ett par procent.

Färgkodning av resistor

En resistors resistans brukar vanligtvis anges med fyra färgade ringar. Den kan även anges med fem eller sex ringar, vilket behandlas längre fram. Följande text fokuserar på de fyrringade resistorerna.

De två första ringarna - basen

De två första ringarna representerar de första siffrorna i resistansvärdet. Om resistansen är 47 Ω kommer den första ringen att vara gul och andra ringen att vara violett.

Tredje ringen - multiplikatorn

Den tredje ringen anger antalet nollor efter själva basen. Om ringen är röd betyder det att det ska läggas till två nollor på slutet.

Fjärde ringen - toleransen

Sista ringen talar om hur mycket värdet kan avvika i procent. Detta benämns som resistorns tolerans.

Den silvriga ringen innebär att resistorns värde på 4700 Ω kan avvika med 10 %. Tio procent av 4700 Ω är 470 Ω. Det faktiska värdet kan därav ligga någonstans mellan 4230 Ω och 5170 Ω.

Exempel på färgkodning

INSTUDERING

Övning: Ellära 7
Vilken resistans har resistorer med följande färgkoder?

Facit till övningarna finns på www.kjell.com/fraga-kjell/hur-funkar-det/elelektronik.


Fem- och sexringade resistorer

Resistansen på resistorer med fem eller sex ringar räknas ut på nästan samma sätt som på de fyrringade. Skillnaden är att då är de tre första ringarna själva basen i resistorvärdet. Fjärde ringen är multiplikatorn (antalet nollor) och femte ringen är toleransen (felmarginalen). Den eventuella sjätte ringen är en temperaturkoefficient.

Effektutveckling i resistorer

I en resistor utvecklas energi i form av värme. Denna energi mäts i watt (W) och kan skada resistorn om den blir för hög. Resistorer märks därför med ett effektvärde vilket är det wattantal som de maximalt tål. Observera att värdet inte står på fyrringade resistorer, utan endast på deras förpackningar och eventuella infoblad. Exempel på sådana värden är 1/4 W (0,25 W) för småelektronik och 1 W för lite mer krävande sammanhang.

Ohms lag och formeln för effektberäkning kan användas för att beräkna vilken max­effekt en resistor behöver kunna hantera. Mer om detta finns att läsa i El/elektronik 1.4 och El/elektronik 1.9. Genom att kombinera och förenkla de två formlerna ges följande förhållande:

P = I2 ∙ R

Effekten är strömmen i kvadrat multiplicerat med resistansen, alltså strömmen gånger strömmen gånger resistansen.

Här följer ett exempel på hur effektutvecklingen i en resistor räknas ut. Resistansen är 470 Ω och strömmen som flödar genom kretsen är 20 mA.

R = 470 Ω

I = 20 mA = 0,02 A

P = (I ∙ I) R

P = (0,02 ∙ 0,02) 470

P = 0,188 W

Eftersom effekten blir 0,188 W går det att använda en resistor som klarar 1/4 W (0,25 W). Det hade däremot inte gått att använda en resistor med 1/8 W i maxeffekt (0,125 W). Resistorns angivna effekt måste alltid vara högre än den maximala effektutvecklingen.

INSTUDERING

Övning: Ellära 8
I en krets går en ström på 40 mA. Går det att använda en resistor med maxeffekten 1/4 W och resistansen 200 Ω?

Facit till övningarna finns på www.kjell.com/fraga-kjell/hur-funkar-det/elelektronik.


Diod

En diod kan liknas vid en backventil som släpper in luft men samtidigt förhindrar att luft åker ut. Dioden leder ström i en riktning, och spärrar i den andra. Den används bland annat för att kunna omvandla från växel- till likspänning (läs mer) och för att spärra så att ström inte leds åt fel håll. Den består av positivt och negativt laddade halvledare, vilket är ämnen som inte leder ström lika bra som en vanlig ledare men inte heller stoppar strömmen. Ett exempel på halvledare är kisel.

Diodens dopning

Det vanligaste är att dioder tillverkas genom att dopa kisel. Det innebär att det tillförs andra ämnen som stör den annars perfekta kiselstrukturen. Dioden är dopad med två olika ämnen som ger ett underskott respektive överskott av elektroner. Genom att tillsätta fosfor eller arsenik skapas ett överskott av elektroner. Eftersom att det ger en negativ laddning kallas det N-dopning. Genom att istället tillsätta exempelvis bor till kislet uppstår en positiv laddning (brist på elektroner) och det benämns P-dopning. Den P-dopade delen i en diod kallas anod och den N-dopade kallas katod.

En diod där anoden är P-dopad och katoden är N-dopad.

De två laddningarna kommer att försöka jämna ut varandra. Det gör att det mitt emellan dem uppstår en barriär där det bildas joner (laddade atomer). Den barriären minskar dock när dioden ansluts till en strömkälla, under förutsättning att polariteten har kopplats rätt. När framspänningen blir tillräckligt hög kan ström börja flöda över barriären och genom dioden. Om polerna hade kopplats omvänt hade spänningen bara gjort barriären större. Dioden hade då istället agerat likt en isolator som stoppat strömmen.

Dioden kopplas till polerna på ett batteri och eftersom polariteten är rätt och spänningen är tillräckligt hög börjar en ström att flöda genom kretsen. På nästa sida förklaras varför det sitter en resistor i serien.
Ingen ström går genom kretsen eftersom diodens polaritet är omvänd.
Dioden 1N4001

Bilden visar en helt vanlig diod. Lägg märke till silverringen. Den markerar led­riktningen. Katoden är den sida som ska vara närmast minus för att dioden ska leda ström. Just denna diod klarar max 1 A i kontinuerlig ström och läcker max 5 μA baklänges.

Lysdiod, LED

Lysdioden kallas också LED (Light Emitting Diode). Den fungerar på samma sätt som en vanlig likriktardiod, men sänder ut ett ljus då den leder ström i framriktningen. Färgen på ljuset som en lysdiod avger bestäms av vilka ämnen den är uppbyggd av.

Lysdioden har många fördelar jämfört med en glödlampa: den är strömsnål, utvecklar lite värme samt är mycket långlivad.

FärgTypisk våglängdSpänningVanliga material
Röd 630-640 nm 1,8-2,4 V AlGaAs, GaAsP
Orange 605-620 nm 1,8-2,2 V AlGaInP
Gul 585-590 nm 1,8-2,2 V AlGaInP
Grön 555-570 nm 2,8-3,6 V InGaN
Blå 460-505 nm 2,8-3,6 V InGaN
Violett ~ 430 nm 2,8-3,6 V InGaN
Vit Bredspektrum 3,2-4,0 V

Strömbegränsning

Lysdiodens ljusstyrka bestäms av hur mycket ström som passerar genom den. Den skiljer sig på så sätt från den vanliga glödlampan vars ljusstyrka styrs av spänningen. Strömmen får dock inte vara för hög och lysdioden kan inte själv begränsa strömmen.  Strömmen ska därför begränsas genom att en resistor kopplas i serie med lysdioden. Om strömmen inte begränsas blir den så stor att lysdioden går sönder. Spänningen spelar visserligen också roll då den måste överstiga en viss nivå (diodens framspänning). Innan framspänningen uppnås kommer ingen ström att flyta genom dioden.

Beräkning av strömbegränsningsresistor

Beräkningen av rätt strömbegränsningsresistor görs med hjälp av Ohms lag. I följande uträkningar har värdet avrundats till det närmaste högre värdet ur den så kallade E12-serien (standardvärden för resistorer). Läs mer om den här.

Exempel 1

Drivspänning: 12 V
Lysdiod: 2 V, 20 mA

R = U / I = 12 - 2 / 0,02 = 500 Ω (560 Ω E12)

Exempel 2

Drivspänning: 3 V
Lysdiod: 2 V, 20 mA

R = U / I = 3-2 / 0,02 = 50 Ω (56 Ω E12)

Exempel 3

Drivspänning: 9 V
Två dioder i serie (2 V, 20 mA)

R = U / I = 9 - 2 - 2 / 0,02 = 250 Ω (270 Ω E12)

Vilket ben är vilket?

Det är enkelt att känna igen lysdiodens katod (K). På en fabriksny lysdiod har katoden nämligen ett kortare ben än anoden (A). Om man tittar in i lysdioden så ser man dessutom att katodens ”metallplatta” är betydligt större än anodens. Plus ska anslutas till anoden.

Tips!
Tänk på uttrycket PANK (Positiv Anod, Negativ Katod).

Senast ändrad: 2016-08-09