Elektronikk i informasjonsbehandling

Har du noen gang sett inni en mobiltelefon? Innmaten inneholder avanserte elektroniske kretser med ulike komponenter, som bidrar til alle mobilens funksjoner. Men hva betyr det at noe er elektronisk, og hvordan virker denne teknologien?

En bordlampe kan du skru av og på, og kanskje har den en dimmer slik at du kan justere resistansen i kretsen og dermed lysstyrken. En vannkoker er litt mer avansert: Den har en termostat som reagerer på temperaturen i vannet, slik at når vannet når kokepunktet, så skrur vannkokeren seg av. Dette er eksempler på elektriske kretser. I en elektrisk krets kan vi ikke styre strømmen nevneverdig. Vi kan bare koble sammen komponenter i serie eller parallell og kanskje ha en bryter eller en variabel motstand for å justere strømstyrken og noen enkle termostater eller sensorer.

En elektronisk krets er mer avansert enn en elektrisk krets. Ta for eksempel mobilen din. Den har elektroniske kretser med komponenter som kan forsterke den elektriske strømmen, sørge for at den går riktig vei, og omdanne signaler. Dette gjør at mobilen kan sende ut lys og lyd, motta og sende radiosignaler og behandle informasjon. Elektroniske kretser er altså mye mer anvendelige enn de elektriske fordi de gjør at vi kan kontrollere strømmen på en helt annen måte.

Vurderingseksemplar

Elektroniske komponenter

En liten, moderne smarttelefon kan behandle noen millioner ganger mer informasjon enn datamaskinen som var om bord på det første romskipet som reiste til månen. Den enorme utviklingen som har skjedd i elektronikk og databehandling siden da, skyldes at man har klart å lage stadig mindre, men også mer effektive og avanserte elektroniske kretser. En avansert datamaskin fylte den gangen et helt rom – nå kan du ha en mye mer avansert datamaskin i lomma.

Men selv om størrelsen på elektroniske kretser er redusert og databehandlingskapasiteten har økt, er virkemåten fortsatt den samme. Elektronikken i datamaskiner er basert på noen få, enkle komponenter, som er satt sammen til avanserte teknologiske systemer.

Den første digitale datamaskinen i Norge het NUSSE og var i drift ved Universitetet i Oslo fra 1954 til 1961.

Arduino er et eksempel på en mikrokontroller. Mikroprosessoren – den programmerbare «hjernen» i kretsen – er et slikt system. Alle avanserte elektroniske apparater, som mobiler, data maskiner og tv-er, har en mikroprosessor som styrer måten de ulike komponentene i kretsen skal virke. I naturfag bruker vi ofte enkle mikroprosessorer, kalt mikrokontrollere, til å styre enkle elektroniske kretser med måleinstrumenter. I mikrokontrolleren er en liten mikroprosessor koblet sammen med noen få andre elektroniske komponenter – for Vurderingseksemplar eksempel sensorer og spenningskilde – til en enhet, slik at den kan utføre ulike oppgaver selv. Men vi kan også koble andre komponenter til en mikrokontroller, slik at den kan gjøre mer avanserte oppgaver.

To av de viktigste komponentene i en elektronisk krets er dioden og transistoren. Dioden styrer strømmen, mens transistoren bidrar til både å styre og forsterke strømmen. Vi skal se litt nærmere på hvordan disse komponentene virker.

Dioden Dioden kan bare lede strøm i én retning og + – + –sperrer for strømmen i motsatt retning. Den kan derfor brukes til å styre de elektriske signalene i elektroniske kretser, for eksempel i en mikroprosessor. Fordi dioden bare leder strøm én vei, må den kobles inn i kretsen på riktig måte. Lysdioden er en type diode som kan sende ut lys, og den kalles derfor LED (Light Emitting Diode). Den blir ofte brukt som varsellys i elektroniske kretser, men også som lyskilde i lamper. Det er fordi den er mye mer energieffektiv enn en gammeldags lyspære og har mye lengre levetid.

Dioden har en side som må kobles mot positiv pol, og en side som må kobles mot negativ pol. Symbolet for diode til høyre.

+ + –

Eksempel

En LED er en diode som også kan sende ut lys. Symbolet for LED til høyre. + ––Vurderingseksemplar

Kilde: Tinkercad® Figuren viser to LED-er som er koblet i parallell med en spenningskilde, og der bare den ene LED-en lyser. Grunnen er at bare den som lyser, er koblet riktig vei inn i kretsen, den andre er koblet inn feil vei og sperrer for strømmen. Koblingsskjema til høyre.

Transistoren Transistoren er rockestjernen blant de elektroniske komponentene, og den teknologiske utviklingen handler mye om at man har klart å gjøre den så ekstremt liten. Transistoren kan forsterke strømmen i en elektronisk krets og blir brukt til å forsterke elektriske signaler i for eksempel radioer, tv-er, mobiler og lydanlegg. I tillegg kan den brukes som en bryter for å slå strømmen av og på.

De minste transistorene er bare noen nanometer store. 1 nm er en milliarddels meter. Flere mener at vi nå nærmer oss grensen for hvor liten en transistor kan lages, og at vi trenger å utvikle ny teknologi dersom utviklingen innenfor elektronikk og informasjonsbehandling skal fortsette. Transistoren kan altså brukes til både å styre og forsterke en strøm. Vurderingseksemplar Den fungerer som to dioder satt sammen, og de tre beina må kobles riktig inn i kretsen for at den skal virke. De to ytterste beina kobles inn i kretsen i serie, med en bestemt side av transistoren mot positiv pol på spenningskilden og den andre mot negativ pol, slik som med en diode. Beinet i midten, basen, kobles til en spenningskilde.

Transistoren har tre bein – med basen i midten. Symbolet for transistor til høyre. Base Base

Så lenge det ikke går strøm til basen, sperrer transistoren for strømmen i kretsen. Men ved å sende en liten strøm inn på basen, for eksempel fra en mikrokontroller, så åpner det for en mye større strøm gjennom transistoren. Transistoren er som en låst port der basen er nøkkelen. Når basen får en liten strøm, åpnes porten slik at det kan gå en mye større strøm gjennom transistoren.

Eksempel

PinGND Mikrokontroller

Figuren viser en krets koblet til en mikrokontroller. Kretsen inneholder batteri som spenningskilde, en transistor, en motstand og en lyspære. Det er mikrokontrolleren som styrer om det går strøm i kretsen, ved å la det gå strøm til basen på transistoren eller ikke. Så lenge det ikke går strøm til basen, er ikke kretsen lukket, og lyspæra vil ikke lyse. Hvis mikroprosessoren lar det gå strøm til basen, åpner det for strøm i resten av kretsen slik at kretsen lukkes og lyspæra begynner å lyse. En mikroprosessor kan inneholde ekstremt mange mikroskopiske transistorer som er forbundet med hverandre. Antall transistorer bestemmer hvor mye informasjon mikroprosessoren kan behandle; jo flere transistorer det er, jo mer informasjon kan den behandle på en gang. De første kommersielle mikroprosessorene hadde noen tusen transistorer. Prosessoren i datamaskinen eller mobilen din kan inneholde milliarder av transistorer, mens en mikrokontroller har som regel under én million.

Kilde: Tinkercad® Vurderingseksemplar

Transistor Transistoren kan forsterke strømmen i en krets, og den kan brukes som en bryter for å slå strømmen på og av. Diode Dioden leder elektrisk strøm bare i én retning, og sperrer for strømmen i motsatt retning. LED LED er en type diode, lysdiode, som sender ut lys når det går strøm gjennom den.

På et kretskort kan det være flere elektroniske komponenter. Det finnes flere komponenter som er vanlige i elektronikken, enn dem som er nevnt her, og dem du kjenner fra elektrisitet. Hvis du har jobbet med en mikrokontroller eller sett innmaten til en datamaskin eller en mobiltelefon, har du sett det vi kaller et kretskort. Det er en liten plate som de ulike komponentene er festet på, og som leder strøm mellom disse. Vurderingseksemplar En mikroprosessor kan programmeres til å kontrollere de andre komponentene i en elektronisk krets. Vi skal se litt nærmere på hvordan vi behandler informasjon ved hjelp av mikroprosessorer.

Elektroniske kretser og informasjonsbehandling

Hvordan kan det at du trykker på en app på mobilskjermen, føre til at appen åpnes? Skjermen inneholder en avansert sensor som gjør trykket om til et elektrisk signal som sendes til mikroprosessoren. Dette kalles inndata. Mikroprosessoren registrerer hvor signalet kommer fra, og behandler signalet slik at den aktuelle appen åpnes. Dette er utdata. Skjermen er grensesnittet mellom deg og mobilen – det vil si stedet der du og mobilen kommuniserer med hverandre. Generelt er et grensesnitt overgangen mellom to deler av et teknologisk system.

Skjermen er grensesnittet mellom deg og mobiltelefonen. Du kommuniserer med mikroprosessoren i telefonen via skjermen, og den kommuniserer også med deg via skjermen. Inndata og utdata er avgjørende i informasjons behandling. I naturfag er inndata ofte informasjon som mikrokontrolleren henter inn via en sensor, mens utdata er det mikrokontrolleren sender videre etter at Vurderingseksemplar informasjonen er behandlet. Mange sensorer er varianter eller kombinasjoner av dioder, transistorer og motstander. Felles for de fleste sensorer er at signalet de mottar, blir omdannet til et elektrisk signal som igjen kan leses og tolkes av mikrokontrolleren.

Inndata

Sensor

Elektrisk signal

Mikrokontroller

Elektrisk signal

Mikrokontrolleren kan ingenting av seg selv, så vi må programmere den. Da lager vi dataprogrammer som gjør at mikrokontrolleren henter inn data – inndata, behandler dataene og presenterer resultatet på en bestemt måte – utdata.

Skjerm, høyttaler o.l.

Utdata

Mikrokontrolleren får inndata fra en sensor eller fra mennesker via et grensesnitt. Så behandler den informasjonen og avgjør hvilken type utdata den skal produsere.

Eksempel Vi kan lage en krets med en temperatursensor som skal starte en alarm dersom temperaturen blir under 15 °C. Da er den målte temperaturen inndataene.

Vi programmerer mikrokontrolleren til å registrere og behandle denne målingen og sende et signal dersom temperaturen er under 15 °C. Signalet får høyttaleren til å pipe og mikrokontroller en til å vise temperaturen og teksten «Brrr!». Det er utdataene.

Kilde: Microsoft MakeCode Digital informasjon Vi er ikke lenger avhengige av å ha egne apparater til å se tv- sendinger, høre radio eller ta bilder og video. Smarttelefonen og pc-en har til en viss grad overtatt disse funksjonene, i tillegg til deres Kilde: Tinkercad®Vurderingseksemplar opprinnelige funksjoner som å ringe og sende meldinger, tekstbehandling og søk. Det er fordi dagens teknologi gjør at vi kan bruke samme type signal for bilde, lyd og tekst – et digitalt signal. Tidligere var det flere ulike typer signaler for overføring av informasjon, og vi måtte ha apparater som var bygd for å motta og tolke hver signaltype – tv-signal, radiosignal, telesignal og så videre. Mange liker fortsatt å bruke disse apparatene, men det er ikke lenger på grunn av signalene, men av praktiske årsaker. Det kan jo være litt upraktisk å bruke mobil eller pc til alt. Å digitalisere noe betyr å oversette informasjon til tallverdier som så omdannes til elektriske signaler. Til dette bruker vi et totallsystem med bare sifrene 0 og 1, der 0 betyr strøm av og 1 betyr strøm på. Og vi

Digital betyr noe som har med tall å gjøre.

bruker en kode – kalt binærkode – som gjør at vi kan skrive alle vanlige bokstaver og tall med bare 0-er og 1-tall. Vi kan for eksempel skrive

01 110 011 01 101 111 01 101 100 01 100 001 01 110 010 01 101 001 01 110 011

s o l a r i s

Dette systemet gjør at vi kan bruke transistorer som styrer strøm av og strøm på i en mikroprosessor, til å oversette de digitale signalene til tall, 1-tall og 0-er. Transistorer kan på den måten gjøre om all informasjon til elektriske signaler og motsatt, fra elektriske signaler til informasjon.

Bit og byte

Når vi lagrer eller overfører informasjon digitalt, svarer ett siffer, altså 0 eller 1, til én bit, b. Bit er den minste mulige enheten i digital informasjon. Ordet er en forkortelse for «binary digit». Vanligvis skriver vi tall, bokstaver og symboler i binærkode med åtte bits, det vil si åtte siffer – nuller og enere. 8 bits er én byte, B. All informasjon kan digitaliseres: lyd, lys, strøm, temperatur, tekst og bilde. Derfor kan vi nå bruke datamaskiner eller mobiler som kan tolke digitale signaler, til å overføre og lagre alle typer informasjon. Det er mye lettere og mer plassbesparende å lagre informasjon når den er digital. Dette, i tillegg til bedre og mindre transistorer, har mye av æren for informasjonssamfunnet.

LP-plater har blitt populære igjen, men ikke fordi de har så god lagringskapasitet. En kunne kanskje få 10 sanger på en LP-plate og kanskje 20 sanger på en CD-plate. Men med digitalisert musikk kan du få rundt 20 000 sanger på et SD-kort med en lagringskapasitet på 128 GB.Vurderingseksemplar

Analog informasjon vs. digital informasjon

Analog informasjon er informasjon som blir lagret fysisk. Det kan være rillene i en LP-plate, som har blitt formet av den faktiske lyden, eller et kjemisk avtrykk av lys, mørke og farger i et fotografi. Digital informasjon er kun elektriske signaler – 1-tall og 0-er, altså strøm på og strøm av.

Tenk etter ...

Du leste nettopp at all informasjon kan digitaliseres, og at datamaskiner kan registrere og behandle informasjonen. Likevel er det mye vi mennesker kan forstå som datamaskiner i dag ikke kan registrere eller gjenskape. Hva slags informasjon er dette? Hvilken informasjon kan ikke digitaliseres, tror du?

IT i framtiden Informasjonsteknologi kan være både til glede og til bry. Samtidig som vi selv har all verdens informasjon i lomma, så er det mange andre som har mye informasjon om oss. Teknologien har ført til en Tenk etter ... Hva mener vi med et ekkokammer? En selvkjørende minibuss enorm utvikling innenfor samfunns- og naturvitenskap de siste tiårene, og det er mest sannsynlig mer i vente – spesielt på områder som kunstig intelligens og maskinlæring. Datamaskiner kan lære av informasjonen de samler inn, og av det de gjør. For eksempel kan datamaskinen i en selvkjørende bil registrere og kjenne igjen fotgjengere og kollisjonssituasjoner og dermed stoppe i tide. Og en algoritme i sosiale medier kan registrere hvilket innhold du liker og klikker på, og tilbyr deg stadig mer av det samme. Hva dette vil føre til, er mer usikkert – IT har alltid tatt uventede retninger. Vil vi kunne gjøre enda mer med smarttelefonen? Eller toner vi ned mobilbruken mens vi venter på mer kunnskap om hvordan skjermbruk og ekkokammeralgoritmer påvirker hjernen? Det er i dag vanskelig å se for seg et samfunn uten moderne informasjonsteknologi, og framtiden vil helt sikkert gi oss nye og mer avanserte systemer. Det er derfor viktig at vi forstår hva informasjonsteknologi og elektronisk teknologi er, og hvordan informasjons samfunnet fungerer. Jo mer vi kan om dette, jo bedre rustet er vi til å Vurderingseksemplar ta kloke valg og styre teknologiutviklingen på en god måte. Hva leste du nå? 1 Hva er en elektronisk krets? 2 Hva er en mikroprosessor og en mikrokontroller? 3 Hva er en diode? 4 Hva er en transistor? 5 Hva mener vi med inndata og utdata? 6 Hva betyr det at noe er digitalt? 7 Hvorfor kan mobilen behandle så mange typer informasjon – for eksempel lyd, bilde og tekst?