Komponenter i radiokretsar
Motstånd, kondensatorer, spolar, dioder, transistorer och kristaller är byggstenarna i all radioelektronik. Här är vad de gör, hur de ritas i kretsscheman och varför de beter sig annorlunda vid höga frekvenser.
Innehåll
En radio är byggd av ett fåtal sorters elektroniska komponenter som kombineras på olika sätt. Motstånd begränsar ström, kondensatorer och spolar lagrar energi och gör det möjligt att välja ut frekvenser, dioder släpper igenom ström åt ett håll och transistorer förstärker. Den här artikeln presenterar de vanligaste komponenterna, visar hur de ritas i kretsscheman och förklarar varför en komponent kan bete sig helt annorlunda på 100 MHz än på 50 Hz.
Kretsscheman och symboler#
Ett kretsschema är en ritning som visar hur komponenterna är kopplade till varandra. Det säger inget om hur kretsen ser ut i verkligheten, bara vilka anslutningar som finns. Varje komponent har en symbol. I Sverige och Europa används symboler enligt den internationella standarden IEC 60617, där till exempel ett motstånd ritas som en rektangel. I amerikanska scheman ser du ofta en sicksacklinje i stället1. Figur 1 visar de vanligaste symbolerna.
Motståndet#
Ett motstånd (eng. resistor) begränsar strömmen. Sambandet mellan spänning, ström och resistans är Ohms lag, U = R · I, som beskrivs i spänning, ström, effekt och impedans. Resistansen mäts i ohm (Ω). Energin som tas upp blir värme, så varje motstånd har en högsta tillåten effekt, till exempel 0,25 W.
I radiokretsar används motstånd bland annat för att ställa in transistorernas arbetspunkt, för att dela spänningar och som dämpsatser. En konstlast, som du kopplar in i stället för antennen när du provar en sändare, är i princip ett stort motstånd på 50 Ω som tål hög effekt.
Färgkoden#
Små motstånd med trådar är ofta märkta med färgade ringar enligt IEC 600622. De två första ringarna är siffror, den tredje är en multiplikator (antalet nollor) och den fjärde anger toleransen.
Tabell 1. Färgkoden för motstånd med fyra ringar.
| Färg | Siffra | Multiplikator | Tolerans |
|---|---|---|---|
| Svart | 0 | × 1 | |
| Brun | 1 | × 10 | ±1 % |
| Röd | 2 | × 100 | ±2 % |
| Orange | 3 | × 1 000 | |
| Gul | 4 | × 10 000 | |
| Grön | 5 | × 100 000 | ±0,5 % |
| Blå | 6 | × 1 000 000 | ±0,25 % |
| Violett | 7 | ±0,1 % | |
| Grå | 8 | ||
| Vit | 9 | ||
| Guld | × 0,1 | ±5 % | |
| Silver | × 0,01 | ±10 % |
Kondensatorn#
En kondensator (eng. capacitor) består av två ledande ytor med ett isolerande skikt emellan. Den kan lagra elektrisk laddning. Kapacitansen mäts i farad (F), men i radiokretsar är värdena små: pikofarad (pF), nanofarad (nF) och mikrofarad (µF).
Det viktiga för radio är att kondensatorn släpper igenom växelström men stoppar likström, och att den släpper igenom växelström lättare ju högre frekvensen är. Kondensatorns ”motstånd” mot växelström kallas reaktans. Därför används kondensatorer för att koppla vidare radiosignaler mellan steg utan att likspänningen följer med (kopplingskondensator) och för att leda bort störningar till jord (avkopplingskondensator).
En vridkondensator har plattor som kan vridas in i varandra. Den användes länge för att ställa in stationen i radioapparater.
Spolen och transformatorn#
En spole (eng. inductor) är en lindad tråd, ibland runt en kärna av järnpulver eller ferrit. Den lagrar energi i ett magnetfält och mäts i henry (H), i radiokretsar oftast mikrohenry (µH) eller nanohenry (nH).
Spolen gör det motsatta mot kondensatorn: den släpper lätt igenom likström men gör motstånd mot växelström, och motståndet ökar med frekvensen. En spole som spärrar radiofrekvenser men släpper fram likström kallas drossel. När en spole och en kondensator kopplas ihop får man en resonanskrets som bara reagerar på en viss frekvens. Det är grunden för all avstämning och filtrering, se resonanskretsar och filter.
En transformator består av två eller flera lindningar på samma kärna. Förhållandet mellan antalet varv bestämmer hur spänningen omvandlas. Impedansen omvandlas med kvadraten på varvtalsförhållandet: en transformator med varvtalsförhållandet 2:1 omvandlar impedansen 4:1. Därför används transformatorer i radio för att anpassa impedanser, till exempel i baluner, se SVF och impedansanpassning.
Dioden#
En diod leder ström i bara en riktning, från anod till katod, ungefär som en backventil för vatten. I schemat pekar triangeln åt det håll strömmen kan gå. Dioder används för att likrikta växelström i nätaggregat och för att plocka ut ljudet ur en AM-signal i en detektor. I den enklaste av alla radioapparater, kristallmottagaren, är dioden den enda aktiva komponenten (se mottagaren).
Några specialdioder är viktiga i radio:
- Kapacitansdiod (varaktor, varikap). När en diod är backspänd fungerar den som en kondensator, och kapacitansen minskar när spänningen ökar. Med en varaktor kan en oscillator eller ett filter ställas in elektriskt i stället för med en vridkondensator.
- Zenerdiod håller en bestämd spänning och används för att stabilisera matningsspänningar.
- Lysdiod (LED) avger ljus när den leder.
- PIN-diod används som elektrisk strömbrytare för radiosignaler, till exempel för att koppla om antennen mellan sändare och mottagare.
Transistorn#
Transistorn är elektronikens viktigaste komponent. En liten ström eller spänning på styrelektroden styr en mycket större ström genom transistorn. Därför kan den förstärka (en svag signal blir stark) och koppla (fungera som en snabb strömbrytare).
Det finns två huvudfamiljer:
- Bipolära transistorer (BJT) har anslutningarna bas, kollektor och emitter. En liten basström styr kollektorströmmen. De finns som NPN- och PNP-typer.
- Fälteffekttransistorer (FET, till exempel MOSFET) har gate, drain och source. Spänningen på gaten styr strömmen, nästan utan att någon ström går in i gaten.
För höga frekvenser och höga effekter används särskilda transistortyper. Kraftiga sändarsteg i basstationer, radar och moderna amatörradioslutsteg använder ofta LDMOS-transistorer eller transistorer av galliumnitrid (GaN), som tål höga spänningar och fungerar långt upp i mikrovågsområdet. I lågbrusiga förstärkare för mottagare används ofta transistorer av galliumarsenid eller kiselgermanium.
Kvartskristallen#
En kvartskristall är en tunn skiva kvarts med metallbeläggning på båda sidor. Kvarts är piezoelektriskt: det böjer sig lite när man lägger på en spänning och ger en spänning när det böjs. Skivan har en mekanisk egenfrekvens, ungefär som en stämgaffel, och eftersom den är mycket stabil och nästan förlustfri fungerar den som en resonanskrets med extremt hög kvalitet. En kristall kan ha ett Q-värde på flera tiotusental, medan en vanlig spole och kondensator sällan når över några hundra.
Därför sitter kristaller i nästan alla oscillatorer där frekvensen måste vara exakt: i klockor, datorer, mobiltelefoner och sändare. Flera kristaller kan också kopplas ihop till smala filter, se resonanskretsar och filter.
Integrerade kretsar#
En integrerad krets (IC) innehåller många transistorer, motstånd och kondensatorer på samma lilla kiselbit. I en modern mobiltelefon gör ett par integrerade kretsar det som förr krävde ett helt chassi fullt med komponenter: förstärkare, blandare, oscillatorer med faslåsning och omvandlare mellan analoga och digitala signaler. För mikrovåg finns särskilda kretsar, MMIC (monolithic microwave integrated circuit), där även spolar och anpassningsnät är inbyggda.
När frekvensen blir hög: parasitiska egenskaper#
Ingen verklig komponent är ren. Varje tråd har lite induktans, ungefär 1 nH per millimeter, och varje par ledare som ligger nära varandra har lite kapacitans. Vid låga frekvenser märks det inte, men vid höga frekvenser blir de här dolda, parasitiska egenskaperna avgörande.
En kondensator har till exempel alltid en liten inbyggd induktans i sina anslutningar och plattor. Vid en viss frekvens, egenresonansfrekvensen, tar induktansen och kapacitansen ut varandra. Ovanför den frekvensen beter sig kondensatorn som en spole (figur 4). På samma sätt får en spole kapacitans mellan varven och blir över sin egenresonans en kondensator.
Därför ser radiokretsar för höga frekvenser annorlunda ut än vanlig elektronik:
- Korta ledningar och ytmonterade komponenter utan trådar.
- Jordplan: hela ena sidan av kretskortet är en kopparyta som fungerar som jord.
- Ledningar som transmissionsledningar med kontrollerad impedans, ofta 50 Ω.
- Över några gigahertz görs spolar och kondensatorer ofta direkt av kopparmönster på kretskortet.