Elektronikk? Jo, det er alt i elektroteknikken som bruker svakstrøm – elektroner som raser gjennom ledere. Og halvledere. Elektronikk er læren om alt det utrolige som dette kan brukes til. Ikke minst i din fine bil.
Bildet øverst: Snart vil kanskje datamaskinene ha tatt over alt det vi gjorde manuelt. De får en så enorm kapasitet at de passer på at du kjører riktig, og overholder alle bestemmelser og fartsgrenser. Og følger alle skilt – som de leser selv – samtidig som de underholder deg og resten av passasjerene. (Foto: Continental)
Av Stein Bekkevold
Elektronikken i bilen – om den er yngre enn femten-tjue år – er nesten helt digital. Rundt deg har du mange små og noen litt større *regnemaskiner, databaserte. Før hadde bilen en sentral enhet som styrte alt, med utplasserte sensorer som sendte inn signaler til Store mor. I dag er sensorene smarte, de er som små datamaskiner, noe som gjør overvåking og styring kjappere. Og kanskje sikrere. De styrer det meste.
Moderne datamaskiner er basert på tidligere utgaver. De første var analoge – og brukte hele tallrekka, mens de digitale regner med 0 og 1 og lynraskt legger sammen og trekker fra. Også en tidlig analog maskin kjørte større beregninger.
I starten var de mekaniske, de første ble laget av Blaise Pascal – de var manuelle og kom tidlig på 1600-tallet. 260 år senere kom strømmen. Maskinene regnet fortsatt med lengde, volum, tid, trykk, varme, og med strøm, spenning og motstand, og kapasitans og frekvens. Men veldig mye fortere. Og alle ingeniører frydet seg. Bakgrunnen var Euklids geometri fra Hellas, år 300 f.Kr – og passer, linjal, regnestav, planimeter og nomogram.
Den analoge maskinen var – ulikt disse måleredskapene – en dings som hel- eller halvautomatisk kjørte store beregninger. Den var en revolusjon. Da de ble elektriske gjorde store (og glovarme) radiorør mye av jobben.
Og så kom halvlederne og så kom de elektroniske datamaskinene. Og de ble mindre og mindre. Men lenge før alt dette brukte sumerere og andre sin abakus, kulerammen …
De elektroniske maskinene ble snart så små at vi kalte det mikro-miniatyrer. En maskin som før var stor som et kjøleskap kunne du putte i lommen. Disse ørsmå sakene styrer mye i din bil. Og din mobiltelefon. Og rundt i huset.
Dette er mulig på grunn av hårtynne elektriske ledere, og ørsmå enheter – transistorer. Hva de gjør? De legger sammen og trekker fra. Men de gjør det lynende fort, og farten imponerer oss. Og gjør at de virker smarte. Noe de absolutt ikke er. De er dumme som – silisium.
Teknisk sett
I en transistor (transfer resistor, styrbar motstand) – som erstattet radiorørene som slukte strøm – kan en arbeidsstrøm på noen mikro-ampere styres av en enda mindre, slik radiorørene kunne drives – med spenningsstyring.
Halvledernes ledningsevne justeres når du setter på en styrestrøm, som slår dem av og på – på et blunk. De leder, eller leder IKKE. Fordi krystallen er dopet så den blir ledende når den får strøm; atomene er bor eller fosfor. Elektrisk ledningsevne varierer enormt: Rav, teflon, aluminiumoksid og nylon leder nesten ikke – de er isolatorer – mens kobber, sølv og aluminium leder godt.
Mellom disse finnes halvlederne, som leder/ikke leder avhengig av tilstand. Dette gjør dem nyttige i elektronikk, i brytere og forsterkere. Tidlig var det grå mineralet gallium-arsenid (GaAs) populært. Transistorer lages altså av noe halvt ledende, nå ofte silisium. Germanium var viktig i 20 år etter oppfinnelsen i 1948. Krystaller som galliumarsenid(GaAs) og silisiumkarbid brukes i dag i visse biter, akkurat som silisium-germanium.
Prosessteknikk gjorde at silisium tok over for germanium – silisium drar over seg et oksidlag som er flott for kjemisk prosessering. Det var også andre årsaker, som høyere strøm-lekkasje, begrenset maksimalspenning og dårlig varmestabilitet. Faktisk kan germanium bare trygt brukes opp til ca 100 grader C, mens silisium kan brukes til 200 – og GaAs helt til 350 – og det er flott i motorrom ….
Her er litt av innholdet i den svarte boksen under dashbordet. Firkanten på noen kvadratmillimeter gjør samme jobb som en hel etasje datamaskiner gjorde for 40 år siden; ser alt, passer på alt, overvåker alt. Og den er betjent av en mengde transistorer og alle jobber for deg. Noen av dem ser du rundt prosessoren. (Foto: Philips)
Millioner per cm2
Dingsene bygges nå så små at det går millioner av dem på en cm2. Ved høyere spenning og strøm lages de større – for å fjerne varme. Og analoge kretser krever større transistorer enn digitale. I de analoge er transistoren alltid påslått.
Digitale kretser bruker derimot transistorene som brytere, som sjelden blir varme. Kraftige transistorer kan være en to-tre centimeter i firkant. Uttrykkene digital kommer av engelsk digit = siffer, latin digitus = finger mens og analog kommer av analogi, likhet. Informasjonen skylder vi våre lærebøker, og guruene i Data-Saab, dit vi en stund var utlånt fra fly-divisjonen.
Kompakte
Dagens VLSI-kretser (eng. Very Large Scale Integration) er kompakte, med flere millioner komponenter per kvadrat millimeter (se bildet). Utviklingen gikk lynfort, på 1980-tallet skjedde en dobling av ytelsen for mikroprosessorer (tettheten) hver 18. måned, på 1990-tallet ble dette kalt Moores lov.
Snart har vi nok ørsmå maskiner over alt i bilen. Mange av dem sitter som nevnt i de perifere sensorene og avlaster mormaskinen – CPU, Central Prosessing Unit.
De er dumme som flis, men gode programmer gjør dem til fine hjelpere. Så de passer ekstra godt på deg – og bilen din – og nesten alt annet. Har du automatkasse kan du forøvrig teste den i Trollstigen: Sett den på D og datamaskinen gjør resten, holder giret stille i oppoverbakke og kjører motorbrems nedover. Gøy å observere…
*Regnemaskin: Selv om regne-hjelpemidler ble laget for lenge siden, kom utviklingen avelektroniske datamaskiner først etter 1940. Tidlig (1835) beskrev Charles Babbage noe som ligner på dagens maskiner. Han foreslo en mekanisk, dampdrevet sak som brukte hullkort for input. Dette lå langt foran sin tid, med idéer som EDB nå bygger på. Hans maskin skulle kunne programmeres, og programmeringspioner Ada Lovelace mente den kunne klare all slags beregning – akkurat som dagens maskin.
Maskinen forble bare en ide – først i 2002 ble den bygget, etter Babbages tegninger. Den fungerte som den skulle. Før 1940 ble det også bygget analoge enheter som brukte elektriske eller mekaniske signaler som input. I 1940-årene ble det laget mange ulike digitale maskiner med elektroniske komponenter.
