Halvledere
I forrige nummer snakket vi litt om atomenes oppbygging. Vi nevnte at de grunnstoffene som var i Gruppe 1 hadde ett elektron i sitt ytterste skall. Disse regner vi som gode ledere.
I Gruppe 8 har atomene fullt ytterskall, og disse regner vi som isolatorer.
Midt i mellom har vi en rekke stoffer som forskerne har oppdaget forskjellige egenskaper hos til bruk innen elektronikken. De er hverken ledere eller isolatorer, og de har derfor fått navnet “Halvledere”.
Silisium og Germanium som begge har 4 elektroner i ytterste skall, er stoffer som er hovedmaterialet i de fleste dioder og transistorer.
Tar man en porsjon Silisium og blander inn litt Indium, som har 3 elektroner i det ytterste skallet, får vi et nytt stoff som har underskudd på negative elektroner. Dette stoffet vil prøve alt det kan å trekke til seg elektroner for å bli nøytralt. Dette stoffet kalles da et P-stoff.
Tar vi igjen litt Silisium og blander inn litt Arsén, så får vi et nytt stoff som har overskudd av negative elektroner. Dette stoffet vil forsøke å avgi elektroner for å bli nøytralt. Dette stoffet kalles et N-stoff.
Plasserer vi nå disse to Silisium-materialene inntil hverandre, altså P-stoff mot N-stoff, så får vi en PN-overgang eller det vi kaller en DIODE.
Diodesymbolet er som en pil, og den viser veien som strømmen flyter gjennom dioden fra anode (pluss) til katode (minus).
Setter vi elektrisk spenning på denne PN-overgangen vil det kun gå strøm i kretsen når vi kobler positiv spenning til P-stoffet og negativ spenning til N-stoffet. Vi sier da at dioden er koblet i lederetning. Snur vi polariteten på spenningen vil det oppstå et sperresjikt mellom PN-overgangen som forhindrer elektroner å flyte mellom P- og N-stoffet. Da er dioden koblet i sperreretning.
Diode
Navnet diode var brukt lenge før halvledermaterialet ble oppdaget og tatt i bruk på begynnelsen av 50-tallet. Man hadde også dioder blant de gamle radiorørene som sikkert mange av dere husker stod og lyste inne i gamle radioer og TV-apparater.
Navnet diode er sammensatt av to deler. Den ene er “di” som betyr 2. Det andre er “ode” som er en forkortelse for elektrode. Dioden har altså fått navnet sitt fordi den har to tilkoblingselektroder. Andre gamle radiorør het f.eks. “triode” og “pentode”, og de hadde henholdsvis 3 og 5 tilkoblingselektroder.
Dagens halvlederdiode kan ha forskjellige utseender, men er som regel sylinderformet med en diameter på 2-4 mm, og med en lengde på 5-10 mm. Den har en tilkoblingselektrode ut i hver ende, som man lodder fast til kretskort eller til andre komponenter.
For å vite hva som er anode og katode på en diode er de alltid merket med en ring i den ene enden. Ringen er katoden.
Diodens egenskaper
Diodens spesielle egenskaper kan vi dra stor nytte av på vår modelljernbane. Det er at den:
- Leder strøm når koblet den ene veien (lederetning).
- Sperrer strøm når koblet motsatt vei (sperreretning).
- Lager likestrøm av veksel- strøm.
- Har konstant spenning over seg når den leder strøm.
Kobler man opp et batteri, en diode og en lyspære som vist i fig. 3, vil dere tydelig se hvordan dioden leder eller sperrer strømmen når dioden snus den ene eller andre veien.
Når batteriets plusspol kobles til anoden, vil dioden lede strømmen fra batteriet gjennom dioden og lampa. Lampa vil derfor lyse.
Snur man dioden slik at plusspolen kobles til katoden, vil dioden komme i sperreretning. Det vil ikke flyte noen strøm i kretsen og lampa vil ikke kunne lyse.
I eksemplet i fig. 3 har vi brukt et batteri som strømkilde. På vår modelljernbane kan det bli dyrt i lengden dersom alt elektrisk utstyr skulle bli drevet med batterier. Derfor benytter vi transformatorer som strømkilder på modelljernbanen.
Transformatorer gir som kjent kun ut vekselspenning. Vi skal derfor komme tilbake i et senere avsnitt og beskrive hvordan vi lager likespenning av transformatorens vekselspenning med en eller flere dioder.
Først skal vi se på den siste smarte egenskapen vi kan dra nytte av fra dioden. Dette er det konstante spenningsfallet over dioden i lederetning. De fleste dioder på markedet i dag er laget av materialet Silisium. Disse diodene har et spenningsfall på 0,7 V mellom anode og katode når dioden leder strøm. Dette utnytter vi ved å koble 2 eller flere dioder i serie etter hverandre.
Vi får da en krets som vi kaller en spenningsdeler, se figur 4. Fra denne kan vi kan ta ut foskjellige lave spenninger på 0,7 V, 1,4 V og 2,1 V. Dette er spenninger som kan kobles til lavvolts lyspærer på 1,5 volt og 3 volt til forskjellige formål på modelljernbanen.
De som ønsker å få tak i ekstremt små 1,5 volt pærer kan spørre hos en urmaker. De har som regel på lager de små lyspærene som sitter i digitale armbåndsur.
Forøvrig kan man bestille forskjellige typer 1,5 V og 3 V pærer fra bl.a. Stavanger Lokomotiv & Vognfabrik, tlf 51 57 16 48 eller 91 55 83 44. De har pærer i flere dimensjoner og strømstyrker.
Bruksområder for slike pærer er f.eks. i vegglamper på bygninger, frontlys på lok, frontlys på biler osv.
Konstantbelysning på lokets frontlys
De fleste vet at kjørespenningen ut fra f.eks. en Fleisch-manntrafo varierer fra ca. 3 volt til 15 volt, fra et lok setter seg i bevegelse og opp til full fart. Dette fører til at frontlysene nesten ikke vil lyse på sakte fart.
Nettopp fordi det er 16 volt pærer i loket, og når de får kun 3 volt fra skinnene, vil de bare såvidt gløde.
De som ønsker å ha konstant styrke på frontlysene hele tiden under kjøring kan f.eks. koble opp dioder og pærer som vist i fig. 5. Det er finere å se på når loket kjører med full styrke på lysene når det kryper på sakte fart. Denne koblingen er kun beregnet for alle de som kjører med vanlige analoge lok. Kretsen virker ikke på Märklin eller digitaldrift.
Oppkobling av konstantlys i loket
I tillegg til spenningsdeleren med dioder så må det være en formotstand i kretsen. Se fig. 4 hvor motstanden R er i serie med diodene. Dette er for å kompensere for spenningen i kretsen når kjørespenningen varierer. Ved maks kjørespenning vil det ligge ca. 13 V over motstanden og 2,1 V over diodene. Ved 3 V kjørespenning ligger det kun 0,9 V over motstanden, mens det fortsatt er 2,1 V over diodene.
Ulempen ved å bruke en motstand, er at det omsettes en del varmeenergi i den ved maks hastighet. Det er formelen P=UxI som vi lærte i forrige nr.
For å unngå denne motstanden kan vi benytte motoren som formotstand. Vi får da 2,1 V lavere spenning til motoren, og derav noe lavere makshastighet.
Automatisk lysskift på lok
Alle analoge likestrømslok har som regel automatisk lysskift med kjøreretningen. Det som sørger for dette er 2 dioder koblet i serie med hver sin frontlampe.
I noen lok er dette vanlige dioder som er loddet på kretskortet midt i loket. I andre lok kan man ikke se noen dioder innvendig i det hele tatt. Inntil man demonterer loket bit for bit, og det plutselig faller ut noen små flate sølvgrå skiver fra lampeholderene der pærene sitter. Dette er ikke noen vanlige metallskiver, men det er dioder. Diodene er av grunnstoffet Selén, hvor et P-stoff og et N-stoff er presset sammen til en flat skive uten tilkoblingselektroder.
Den ene siden av skiva er anoden, og den andre er katoden. Når man ved sammenmontering av lok snur den ene eller begge Selén-skivene feil vei, eller lar være å montere dem, vil ikke lysskiftet med kjøreretningen virke normalt på loket. Kanskje lysene ikke vil virke i det hele tatt.
De fleste produsenter av likestrømslok benytter slike Selén-skiver i sine lok. De finnes både i H0-lok og N-lok, og muligens også i Z-lok. De kan være både runde eller firkantede.
Ved montering er det viktig at Selén-skivene er rene, slik at det er god elektrisk forbindelse mellom lyspæra under skiva, og den elektriske kontaktfjæra på oversiden av skiva.
Transformatorer
Dette er et kjent navn for alle som har drevet med modelljernbane. En transformator er en komponent som omformer 230 volt ned til hensiktsmessige lave spenninger som vi kan benytte til modelljernbanen.
Transformatorer eller trafoer finnes i utallige varianter. Man må sjekke nøye både spenning og effekt som er merket på trafoen før man tar den i bruk.
En trafo er en energikilde som skal gi strøm til modelljernbanen. Det gjør derfor ingenting om du bruker en trafo med for høy ytelse, f.eks. 100 VA eller 200 VA. Kretsen på modelljernbanen trekker kun den strøm den krever, så det gjør ingen ting om det skulle være ubrukt energi til overs i trafoen.
Det er værre om man underdimensjonerer trafoer. Har man f.eks. en strømkrets på modelljernbanen som krever 70 VA, og man benytter en trafo som kan gi kun 50 VA, vil denne trafoen bli overbelastet og en evt. sikring vil stadig bryte kretsen. Da bør man skaffe seg trafo nr. 2, eller skifte ut 50 VA trafoen med en kraftigere type.
Bruk NEMKO-godkjent trafo, og HUSK sikring!
Bruker man trafo fra de mest kjente modelljernbanefabrikater er man som regel på den trygge siden. Disse er vanligvis NEMKO-godkjent. NEMKO står for Norges Elektriske Materiellkon-troll.
Slike trafoer er testet for å tåle overspenning og ytre slag og påvirkning. De er også utstyrt med innebygget termosikring for å beskytte modelljernbanen ved eventuell kortslutninger.
Alle som kjøper startsett med trafo, eller separate trafoer av forskjellige typer, bør få forhandlerens forsikring om at transformatoren er av en godkjent type.
Dere som går andre veier og kjøper trafo direkte fra elektroindustrien, eller demonterer en trafo i ett eller annet apparat, MÅ ALLTID HUSKE PÅ Å BRUKE SIKRINGER PÅ LEDNINGENE FRA TRAFOEN.
Trafoens oppbygging
En trafo består av en jernkjerne og rundt denne er det viklet 2 elektrisk adskilte spoler. Spolene er viklet med kobbertråd.
Den ene viklingen som vi kobler til 230 volt, kalles primærviklingen. Den er vanligvis viklet med relativt tynn tråd og har også flest viklinger rundt jernkjernen.
Den andre viklingen er den som vi tar ut lav spenning på, og den kalles for sekundærvikling. Det finnes mange spesielle typer trafoer som kan ha 2 eller flere sekundærviklinger rundt samme jernkjerne. Sekundærviklingene har færre viklinger enn primærviklingene, og de er også viklet med mye tykkere tråd.
En trafo som skal kunne levere stor strøm er viklet med tykkere tråd enn en som skal levere mindre strøm. Altså større ledningskvadrat, større strøm.
Jernkjernen i trafoer varierer mye i størrelse. Dette avhenger av mengden av energi som skal omformes i trafoen. En liten 10 VA trafo veier ca. 300 gram, mens en 240 VA trafo veier nærmere 3 kg.
Slik virker trafoen
Kobler vi 230 volt til primærviklingen, vil det dannes et magnetfelt inne i denne viklingen. Inne i viklingen er det jo bare massivt jern, og dette vil da bli magnetisert i samme frekvens og styrke som 230 volt spenningen. Magnetfeltet vil forplante seg rundt i hele jernkjernen, slik at i sekundærviklingen vil vi få motsatt virkning av dette elektromagnetiske fenomenet.
Her vil magnetfeltet i jernet generer en elektrisk spenning i sekundærviklingen. Den spenningen vi får ut, er avhengig av antall viklinger på sekundær-siden. Øker man antall viklinger på sekundærsiden, vil også spenningen ut av trafoen øke. Dette er ikke noe vi selv kan gjøre. Vi må kjøpe trafoer som har den sekundærspenningen vi trenger til vårt formål.
Trafoer leveres stort sett i alle VA-styrker og spenninger fra 5 volt og opp til 24 volt. Høyere enn dette egner seg ikke til modelljernbane.
Spenningen som en trafo er merket med kan være forskjellig fra den du måler med voltmeter på utgangen. En av årsakene til dette er at spenningen i våre stikkontakter er ikke lik over alt. Noen kan ha 225 volt, andre 230 volt. Noen som ligger veldig nære en kraftstasjon kan faktisk ha spenninger omkring 240 volt.
Dette gir varierende utslag på utgangsspenningen fra dine MJ-trafoer. En Märklin-trafo er f.eks merket med 16 volt, men du kan godt måle både 17 og 18 volt på utgangen.
En annen årsak til at utgangsspenningen kan variere, er belastningen som “henges” på trafoutgangen. Med belastning menes utstyr som bruker strøm, f.eks. lamper, motorer, elektronikk o.l. Et felles ord for slikt utstyr kalles en “last”. Når du ikke har koblet noen last til trafoens utgang, vil du måle en spenning som ligger en eller to volt høyere enn den du måler når du har maksimal last på utgangen. Trafospenningen synker etterhvert som det tilkobles mere utstyr, og blir det for mye last, så brytes sikringen.
Vekselspenning
Alle transformatorer gir ut vekselspenning.
Vekselspenning og -strøm blir forkortet til “AC” som kommer av det engelske “Alternating Current”. Vi skriver da gjerne f.eks. 230 V AC.
Den bølgete kurven i fig. 7, kalles en sinuskurve. Det er slik 230 volt vekselspenningen i våre stikkontakter ser ut.
Nederst vises en vekselspenning som hele tiden veksler mellom å være positiv eller negativ.
En av fordelene for alle de som driver med Märklin, er at de trenger kun å forholde seg til vekselspenning. Et lite unntak for de som driver med Z-skala. Hos Märklin har alle trafoutganger 16 V AC, og de er merket med et oversiktlig fargesystem med rød, gul og brun farge.
Her er brun farge felles jord. Gul er konstant 16 V spenning til lamper, sporvekselmotorer o.l. Rød er variabel kjørespenning fra 6 V til 16 V til lokomotivene. Denne kobles til midtlederen i skinnene.
Her har Märklin et enkelt og ryddig system for de som ikke har så store kunnskaper om elektronikk.
Likespenning
En ideell likespenning leveres fra batterier og er helt glatt, se fig. 7 øverst. Likespenning og -strøm blir forkortet til “DC” som kommer av den engelske “Direct Current”. I kretser hvor man har både like- og vekselspenning bør man bruke betegnelsen AC og DC i forbindelse med spenningsangivelser.
Vi lager likespenning
Likespenningen over lasten blir her negativ i forhold til nullpunktet.
Ved å koble en diode til en trafo kan vi lage en likespenning. Det blir ikke en ren glatt likespenning, men en pulserende spenning med fast polaritet. Sammenligner man fig 8 og 9, så er de nesten like. Forskjellen er bare at diodene står hver sin vei. Fig. 8 vil da gi ut en negativ spenning i forhold til nullpunktet, og fig. 9 vil gi en positiv spenning.
Dette gir en dårlig likespenning for strømforsyning til elektronikk. Vi går et skritt videre og benytter 4 dioder koblet som i fig. 10.
En slik brolikeretter er det beste man kan bruke for å lage likespenning. Men den er fortsatt ikke glatt nok. I neste nummer av M&E skal vi se nærmere på hvordan vi ved hjelp av kondensatorer og spenningsregulator lager en like god likespenning som fra et batteri.
Likestrømstrafo
Finnes det? Nei, men det er mange som kaller kjøretrafoen fra f.eks Fleischmann og Roco for likestrømstrafoer. Som nevnt gir trafoer alltid ut vekselspenning. Da må altså en trafo fra Fleischmann eller Roco være todelt. De har et vekselspenningsuttak til belysning, og et likespenningsuttak for kjøring av lokomotivene. Trafoene har to sekundærviklinger, hvorav den ene er utstyrt med brolikeretter, som lager likespenning av vekselspenningen.
Vi får sette punktum her for denne gang så det ikke blir for mye å fordøye. I neste nummer av bladet skal vi gå videre med å lage glatt likespenning. Vi lager da en komplett strømforsyning som kan levere likespenning til forskjellige elektronikkprosjekter i fremtiden. Får vi plass i artikkelen skal vi også begynne å se litt på forskjellige lysdioder.