Dette éne prinsippet er grunnlaget for all digital teknologi

En sen novemberkveld i 1947 sitter John Bardeen og Walter Brattain i et labratorium i 4. etasje av en bygning i New Jersey. Forskerne gjennomfører i utgangspunktet eksperimenter for å forbedre datidens radarteknologi. Spente kobler de opp gullkontakter til et stykke germanium for å studere på effektene som da oppstår på overflaten.

Men når de gjør dette skjer det noe veldig spesielt som overrasker dem; forskerne får ut et signal med en høyere effekt enn signalet de sendte inn.

Lite visste de hvor mye denne oppdagelsen skulle komme til å gjøre for menneskeheten. Lederen for gruppa, William Shockley, innser imidlertid at denne oppdagelsen har et stort potensiale, og jobber derfor de neste månedene med øke kunnskapen om denne dingsen. De gir den navnet «transistor».

Transistoren har revolusjonert teknologiverdenen og menneskeheten. Det er den viktigste byggeklossen i alt vi ser av elektronikk rundt oss idag, fra vaskemaskinen på badet og smarttelefonen du har i lomma, til romskip og superbiler. Men få vet hvilke grunnprinnsipper den lille dingsen faktisk jobber etter, og hvordan den fungerer.

Et enkelt prinsipp

En transistor er en slags bryter, og hovedfunksjonen er at den kan bruke en liten elektrisk strøm til å styre en mye større strøm. Ved å sende en bitteliten strøm inn igjennom en «kontrollport» så åpner man «slusen» igjennom transistoren slik at det kan gå en langt kraftigere strøm igjennom den. Poenget her er at det er en liten strømstyrke som skal til for å kontrollere strømmen, og denne egenskapen er det som har gjort transistoren så viktig som den har blitt.

Transistoren har tre pinner. På bildet til høyre ser du hvordan en transistor kan se ut og hvordan symbolet for en transistor tegnes. Det svake kontrollsignalet går inn i punkt b og gjennom til e, mens den store strømmen går gjennom fra c til e.

La oss ta på et eksempel på hvordan denne egenskapen kan utnyttes. Vi kobler et batteri med en vifte til slusen på transistoren. Når transistoren er skrudd av vil det ikke kunne gå strøm igjennom slusen – transistoren bryter kretsen. Av den grunn får ikke vifta strøm, og kan dermed ikke starte. Men med en gang vi setter en liten strøm på kontrollporten, skrus transistoren på, og da åpner den for at det for at det kan gå strøm gjennom slusen – og dermed strøm fra batteriet, til viften. Siden det nå kan gå strøm igjennom slusen vil vifta starte å blåse, og det er batteriet som står for den store strømstyrken.

En slik funksjon kan ha mange gode bruksområder, og et klassisk eksempel er å se for seg at det er en temperatursensor i PC-en din som styrer denne viften. La oss si at sensoren er stilt inn til å slå på viften når temperaturen går over 40 grader, noe den signaliserer ved å gi ut en liten strøm når denne grensen passeres.

Ved å koble sensoren til kontrollporten på transistoren vil vifta automatisk starte når det blir for varmt i PC-en din.

Noen vil kanskje lure på hvorfor man i det hele tatt trenger transistoren. Kan man ikke bare koble vifta rett på utgangen fra temperaturmåleren? Svaret på dette er nei. Grunnen er rett og slett at den ikke vil gi ut nok strøm til å kunne drive en vifte. Kretser som brukes for å styre ting elektronisk kan som regel bare gi ut bittelitt strøm. Strøm nok til å få en lysdiode til å lyse eller å skru på en liten transistor, men ikke strøm nok til å drive en elektromotor.

Uten transistoren måtte hele temperatursensoren vært skalert for å kunne håndtere hele strømstyrken til viften, men det er nå ikke nødvendig. Viften med batteriet er på en måte uavhengig fra sensoren, noe som gjør at sensoren kan lages mye mer lettdreven, billigere og mer effektiv.

Slik kan den gjøre beregninger

Så hvordan har dette enkle prinsippet som ligger til grunn for transistoren blitt så viktig som det er i dag? Årsaken til det er at datamaskiner i prinsippet fungerer på samme måte. Flere milliarder ganger i sekundet er det transistorer på innsiden av maskinen din som slår seg av eller på, fordi maskinen jobber etter et binært tallsystem; den snakker i 0-er og 1-ere. Men hva betyr egentlig det?

På elektronikknivå så betyr en 1-er enkelt og greit en ledning med strøm i. En 0-er betyr en ledning uten strøm. Tall som består av bare 1 og 0 kaller vi «binære tall».

Ved å bruke et system som bare trenger å sjekke om det er strøm eller ikke, vil elektronikkretsene som brukes for å gjøre beregninger på tallene bli svært enkle å lage. Elektronikk som er beregnet til å behandle 1-ere og 0-ere kalles digitalelektronikk.

For å forstå transistorens betydning i digitalelektronikken, dykker vi litt ned i hva som foregår på det dypeste nivået i en prosessor. Da er det viktig å huske at en prosessor egentlig bare er en regnemaskin; den får et tall inn, utfører noen beregninger, og gir et nytt tall ut igjen.

Logiske porter

Hvis vi zoomer oss helt ned på noen av de laveste byggeklossene i en prosessor, så finner vi noe som kalles «logiske porter». Sammen kan disse portene kombineres til å utføre alle mulige regneoperasjoner i det binære tallsystemet. De kan også brukes til å lage minne og andre logiske funksjoner. De er kort fortalt byggeblokkene innenfor all digital elektronikk.

Blant annet har vi tre porter som kalles «AND», «OR» og «NOT». På norsk heter de da «OG», «ELLER», og «IKKE», navn som er veldig beskrivende for hva de gjør. La oss kikke litt nærmere på hvordan disse fungerer.

AND-porten har to eller flere innganger og én utgang. Den gir ut en 1-er på utgangen dersom alle inngangene er 1-ere. Om det ikke er tilfellet gir den ut en 0-er. Både port A og port B må altså være 1, for at resultatet skal bli 1.

OR-porten har også to eller flere innganger og én utgang. Den gir ut 1-er på utgangen dersom en av inngangene er en 1-er. Resultatet blir altså 1 hvis enten A eller B er 1, og hvis begge er 1.

NOT-porten gir ut det motsatte av hva den får inn. Har den en 1-er inn gir den ikke ut 1 – men 0 – og motsatt.

Det finnes i tillegg tre porter til; NAND og NOR, som gir ut det motsatte resultatet av AND og OR, samt XOR som gir ut 1 dersom en og bare én inngang er 1.

Og ved hjelp av disse enkle byggeklossene kan man lage alle mulige slags regneoperasjoner og funksjoner som trengs for å lage for eksempel en prosessor.

Portene er nøkkelen

Transistoren er den komponenten som brukes til å lage de logiske portene. Siden en port bare trenger å sjekke om det er en 1-er (altså strøm i ledningen) eller en 0-er (altså ikke strøm i ledningen), så er transistoren perfekt for denne jobben.

Som vi gikk inn på tidligere vil en transistor slippe igjennom strøm dersom den får en liten strøm på kontrollporten. Dette betyr at vi for eksempel kan bygge opp en AND-port på den måten som bildet til høyre viser.

Hvis inngang A og inngang B begge har en 1-er inn, så betyr det at det går strøm i kontrollporten til begge og at begge transistorslusene åpner seg. Derfor vil 1-eren slippes igjennom til utgangen. Dersom en av inngangene hadde vært 0 ville en av transistorene vært lukket og strømmen ville ikke kunne gå igjennom. Dermed ville utgangen blitt 0.

Ved å koble sammen transistorer på litt forskjellige måter kan vi lage alle de forskjellige portene, og på den måten logiske funksjoner. Prosessoren får et signal inn, og basert på flere andre slike signaler vil den gi ut en ny og «utregnet» verdi.

I en prosessor så er det gjerne 32 eller 64 bit binære tall som det skal gjøres beregninger på. Da blir det veldig mange transistorer etterhvert og i de nyeste prosessorene finnes det gjerne flere milliarder av dem. Antallet er høyt, men funksjonen er den samme: Måten de er bygget opp og satt sammen på gir prosessoren muligheten til å gjøre utregninger, og utrykke resulatet som et svar på det som kom inn i prosessoren.

Transistoren som en forsterker

Det er ikke bare i digitalelektronikken at transistoren har hatt en enorm påvirkning. Transistoren har en egenskap som gjør den interessant på andre områder også.

En transistor er nemlig ikke bare «på» eller «av». Det er en sammenheng mellom hvor mye strøm som går inn på kontrollporten og hvor mye strøm som slippes igjennom slusen. Dersom transistoren er «halvveis på», vil halvparten av strømmen på slusen slippes igjennom.

Hvis du for eksempel måler strømmen fra hodetelefonutgangen på telefonen din når du spiller musikk, vil du se en strøm som varierer opp og ned. Dette er lydsignalet. Men fordi det ikke er så mye strøm som går, kan du ikke drive større høyttalere med denne strømmen – kun de små ørepluggene dine.

Dersom du istedet kjører dette signalet inn på kontrollporten på en transistor, som har en mye større strøm klar til å sendes igjennom slusen, får du muligheten til å forsterke styrken til signalet.

Da vil transistoren skrus på og av etter de små endringene i strømmen, altså lydsignalet, og de blir kopiert over i den store strømmen. Resultatet er at du får en mye sterkere strøm med akkurat det samme lydsignalet, som kan spilles av på mye større høyttalere og gi mer lyd. Du får altså et signal med akkurat samme informasjon, bare mange ganger sterkere. Signalet blir forsterket og man kaller det derfor en forsterker.

Sentral funksjon

Å kunne forsterke et signal er utrolig viktig. Det gjør at vi kan lagre informasjonen av noe uten å måtte lagre energien. Vi kan for eksempel lagre musikk mekanisk på en LP-plate, eller elektronisk som 1-ere og 0-ere i en minnecelle. Informasjonen i seg selv har ikke nok energi til å kunne spilles av på en høyttaler, men ved hjelp av en forsterker kan man hente ut informasjonen og forsterke den nok til å kunne spille av på en høyttaler.

Vi har forsterkere plassert i alt mulig rart. En radio mottar svake elektromagnetiske signaler som inneholder lydinformasjon, men som ikke har nok energi til å bare sendes rett inn på høyttaleren. Informasjonen trenger å forsterkes slik at vi kan høre lyden i høyttaleren.

En elektrisk gitar fungerer slik at vibrasjonen fra strengene skaper en bitteliten strøm i pickupen på gitaren. Uten en måte å forsterke dette på ville vi ikke ha hørt noe som helst fra el-gitaren bortsett fra den spinkle akkustiske lyden som oppstår mekanisk i gitaren. Du hører lyd, men ikke nok til å holde en stor konsert.

(Artikkelen fortsetter under)

En forsterker gjør også at et høreapparat fungerer. En mikrofon plukker opp lydsignalene som kommer inn, og en forsterker forsterker dette og spiller det av inn i øret på personen.

Lyd er ofte det man tenker på når i forbindelse med forsterkere. Men forsterkere brukes også til andre formål, som for eksempel å forsterke signalene i mobilen slik at de kan nå frem til mobilmasten. Eller for å kunne vise et bilde på en dataskjerm.

Den viktigste komponenten i elektronikk

Hvis du hadde fortalt Bardeen, Brattain og Shockley at oppdagelsen de gjorde i 1947 ville føre til at man 60 år senere ville kunne gå rundt med teknologispekkede mobiltelefoner i lomma og nettbrett under armen, så hadde de nok ristet på hodet og trodd du var gal.

Den utrolig enkle virkemåten til transistoren – en liten strøm styrer en mye større strøm – gjør at den har fått en helt enorm utbredelse og det er vanskelig å tenke seg hvordan livet vårt hadde sett ut dersom vi ikke hadde hatt den. Uten transistoren ville omtrent ikke noe av den teknologien som nå er en selvfølge, i det hele tatt eksistert.

Transistoren gjør oss istand til å utvikle enkle logiske kretser som kan settes sammen til utrolig komplekse funksjoner som for eksempel en prosessor, minne eller et nettverkskort. Den gjør oss istand til å lagre utrolige mengder informasjon med et minimum av energi – og selv 60 år etter oppdagelsen lever den i beste velgående.

(Denne artikkelen er tidligere publisert på vårt søsternettsted Tek.no.)

Du finner flere Digi Ekstra-saker i arkivet »