Elektroonika

Allikas: Vikipeedia
Jump to navigation Jump to search
Elektroonikakomponente

Elektroonika on teadus elektrienergia juhtimisest elektrilisel teel, milles elektronidel on fundamentaalne roll. Elektroonikat kui teadust peetakse füüsika ja elektrotehnika haruks.[1][2]

Elektroonika tegeleb elektriliste ahelatega, mis sisaldavad aktiivseid elektrilisi komponente (nagu näiteks vaakumlambid, transistorid, dioodid, integraallülitused, optoelektroonika seadmed ja andurid), sellega seotud passiivseid elektrilisi komponente, ja nende omavahel ühendamise tehnoloogiatega.

Tavaliselt sisaldavad elektroonikaseadmed peamiselt või eranditult aktiivsetest pooljuhtseadistest koosnevaid vooluahelaid, mida on täiendatud passiivsete elementidega. Sellist vooluahelat käsitletakse kui elektronahelat (-lülitust).

Aktiivsete komponentide mittelineaarne käitumine (tunneldiood) ja nende juures avalduv elektronide voogude juhtimise (Hall'i efekt) või voolu suuruse juhtimise (triood, transistor) võimalus muudab võimalikuks nõrkade signaalide võimendamise ja signaalide muundamise.

Elektroonikat kasutatakse laialdaselt informatsiooni töötlemises, telekommunikatsioonis ja signaalitöötluses.

Elektronseadiste suutlikkus toimida lülititena (switch) teeb võimalikuks digitaalse signaali töötlemise.

Ühendamise tehnoloogiad, nagu trükkplaadid, elektroonika pakendamise tehnoloogia ja muud erinevad ühendamise infrastruktuuri lahendused, annavad ahelale funktsionaalsuse ja muudavad segamini kasutatud ja omavahel ühendatud komponendid regulaarseks töötavaks süsteemiks.

Elektroonika eristub elektrialasest ja elektromehaanikaalasest teadusest ja tehnoloogiast, mis tegelevad elektrienergia genereerimise, jaotamise, lülitamise, salvestamisega ning muundamisega teistest energiavormidest või ka teisteks energiavormideks, kasutades juhtmeid, mootoreid, generaatoreid, patareisid, lüliteid, releesid, transformaatoreid, takisteid ja muid passiivseid komponente. See eristumine algas 1906. aasta paiku, kui Lee De Forest leiutas trioodi, mis muutis võimalikuks võimendada raadiosignaale ja helisignaale mitte-mehaanilise seadme abil. Kuni 1950. aastani kutsuti seda ala raadioelektroonikaks (radio engineering), kuna selle põhiline rakendus oli raadiosaatjate ja vastuvõtjate väljatöötamine ja teooria. Elektroonika selle tänapäevasemas mõttes oli aga selle perioodil vaakuumlampide teooria ja kasutamine.

Tänapäeval kasutab enamik elektroonilisi seadmeid elektroonilise kontrolli teostamiseks pooljuhtkomponente.

Pooljuhtseadmete toimimise füüsikaliste põhimõtetega ja nende valmistamise tehnoloogiaga seotud uurimist peetakse tahkete kehade füüsika haruks, samas kui praktiliste probleemide lahendamiseks mõeldud elektroonsete ahelate väljatöötamine ja ehitamine kuulub elektroonikainseneeria alla. See artikkel keskendub elektroonika rakendustehnoloogilistele aspektidele.

Elektroonika harud[muuda | muuda lähteteksti]

Elektroonika harud on järgmised:

  1.     Digitaalelektroonika
  2.     Analoogelektroonika
  3.     Mikroelektroonika
  4.     Skeemitehnika
  5.     Optoelektroonika
  6.     Pooljuhtseadised
  7.     Manussüsteemid

Elektroonilised seadmed ja komponendid[muuda | muuda lähteteksti]

Elektrooniline komponent on füüsiline üksus elektroonilises süsteemis, mida kasutatakse elektronide või nendega seotud väljade mõjutamiseks vastavalt elektroonilise süsteemi kavandatud funktsioonile. Konkreetsete funktsioonide (näiteks võimendi, raadiovastuvõtja või ostsillaatori) loomiseks mõeldud komponendid on üldjuhul ette nähtud omavahel ühendamiseks, tavaliselt trükkplaadile jootmise teel. Komponendid võivad olla pakitud üksikult või keerukamate rühmade kujul integralskeemidena. Levinud elektroonikakomponendid on transistorid, dioodid, takistid, kondensaatorid, drosselid (induktiivpoolid), jne. Komponendid liigitatakse tihti aktiivseteks (nt võimendid, transistorid ja türistorid) või passiivseteks (näiteks takistid, kondensaatorid, drosselid (induktiivpoolid), trafod, aga ka dioodid).

Elektrooniliste komponentide ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

Vaakumlambid olid esimesed elektroonilised komponendid, kuigi esimeseks elektroonikaseadmeks võib pidada ka röntgenkiiretoru.[3] Nemad määrasid peaaegu täielikult kahekümnenda sajandi esimese poolel toimunud elektroonikarevolutsiooni käigu.[4][5] Nemad viisid elektroonika algelise lõbustuse tasemelt edasi, andes meile raadio, televisiooni, helisalvestuse, radarid, telefonikaugside ja palju muud. Kuni 1980. aastate keskpaigani mängisid nad juhtivat rolli mikrolainetehnika ja kõrgepingeülekande ning televisioonivastuvõtjate (televiisorite) valdkonnas.[6] Vaakumlampe kasutatakse endiselt mõnes erirakenduses, näiteks suure väljundvõimsusega raadiosagedusvõimendid, elektronkiiretorud, spetsiaalsed heliseadmed, kitarrivõimendid ja mõned mikrolaineseadmed.

Transistoride leiutamise, arendamise ja massilisse tootmisesse jõudmise järel võeti need elektronlampide asemel kasutusele ja paarikümne aastaga olid nad elektronlampide asemel praktiliselt kõikjal kasutusel. Väikese energiatarbe tõttu (nad ei vaja katoodi kütet) tekkis võimalus realiseerida seadmeid, mis lampide abil teostatuna olid mõeldamatud (implanteeritavad meditsiinielektroonika seadmed jms).

Mõõtmete väiksuse ja ökonoomsuse tõttu võeti transistorid kasutusele ka arvutustehnilistes seadmetes. 1955. aasta aprillis valminud laua-arvuti IBM 608 oli esimene IBM-i toode, milles kasutati ainult transistore ilma ühegi vaakumlambita, ja seda peetakse esimeseks täielikult transistoridel toimivaks kommertsturule toodetud arvutusmasinaks. 608 sisaldas üle 3000 germaaniumtransistori. Thomas J. Watson Jr andis korralduse kasutada transistore kõigi tulevaste IBMi toodete väljatöötamisel. Sellest ajast alates kasutati arvutiloogika seadmete ja välisseadmete puhul peaaegu eranditult transistore.

Ahelate tüübid[muuda | muuda lähteteksti]

Ahelaid ja komponente saab jagada kahte rühma: analoogsed ja digitaalsed. Seade võib koosneda lülitustest, mis on üht või teist ​​tüüpi või mõlema tüübi segu.

Analoogahelad[muuda | muuda lähteteksti]

Next.svg Pikemalt artiklis Analoogelektroonika.

Enamik elektroonilisi analoogseadmeid, näiteks raadiovastuvõtjad, on üles ehitatud vaid paari liiki põhiahela kombinatsioone kasutamise peal. Analoogahelad kasutavad pidevat pinge- või vooluvahemikku, erinevalt diskreetsete tasemete kasutamisest digitaalsetes ahelates.

Seni välja töötatud erinevate analoogahelate arv on tohutu, eriti seetõttu, et "ahela” määratlus võib ulatuda ühest komponendist kuni tuhandeid komponente sisaldavate süsteemideni.

Analoogahelat nimetatakse mõnikord lineaarseks, kuigi analoogahelates kasutatakse mitmeid mittelineaarseid efekte, nagu segustites, modulaatorites jne. Analoogahelate headeks näideteks on vaakumlamp- ja transistorvõimendid, operatsioonvõimendid ja ostsillaatorid.

Nüüdisajal leiab harva ahelaid, mis on täiesti analoogsed. Tänapäeval võivad analoogsüsteemid kasutada digitaalseid mikroprotsessortehnoloogiaid (digitaalseid signaaliprotsessoreid ehk DSP-sid).

Mõnikord võib olla raske eristada analoog- ja digitaalahelaid, kuna nad teostavad signaalidega nii lineaarseid kui ka digitaalsusele iseloomulikke mittelineaarseid toiminguid. Näiteks on signaali komparaator, mis võtab sisse pideva analoogpinge, kuid väljastab ainult kahte taset, nagu see on digitaalahelas. Sarnaselt võib ülekoormatud transistorvõimendi väljund omandada juhitava loogilise lüliti ehk loogkalüli väljundi omadusi, millel on sisuliselt kaks väljunditaset. Tegelikult on paljud digitaalsed lülitused analoogahelate variandid, mis on rakendatud sarnaselt selle näitega. Lõppude lõpuks on ju kõik tegeliku füüsilise maailma aspektid põhiliselt analoogsed, nii et digitaalseid efekte saab realiseerida ainult analoogkäitumise piiramise teel.

Digitaalahelad[muuda | muuda lähteteksti]

Next.svg Pikemalt artiklis Digitaalelektroonika.

Digitaalsed ahelad on elektrilised ahelad, mis põhinevad kahe või enama diskreetse pingetaseme (kokkuleppelise või tehnilise lahendusega ära määratud, näiteks TTL, CMOS jne) ehk nivoo kasutamisel. Kahetasemelised (tinglikult "0" ja "1") digitaalahelad on Boole’i algebra kõige levinumaid füüsilisi esitusi, mis on kõigi kahendsüsteemis töötavate digitaalarvutite aluseks.

Binaarset süsteemi on kasutatud enamikus digitaalsetes ahelates. Binaarsetel digitaalsetel ahelatel on kaks pingetaluvust, mida märgistatakse kui "0" ja "1". Sageli vastab loogilisele "0"-le madalam pinge ja seda nimetatakse "madalaks", samal ajal kui loogilisel "1"-le vastab kõrge nivoo. Kuid mõnedes süsteemides kasutatakse vastupidist määratlust ("0" on "kõrge" ja "1" on "madal") või siis on toite polaarsus erinev (tavalisest positiivsest), või siis on nad üldse voolusignaali põhised. Üsna sageli võib loogika disainija neid määratlusi ümber pöörata üleminekul ühelt ahelalt teisele, kui ta peab seda disaini hõlbustamiseks vajalikuks. Nii et tasemete määratlus "0" või "1" on mõnevõrra meelevaldne.

Ternaarset (kolme oleku või signaali nivoo kasutamisega) loogikat on uuritud ja mõned sellised prototüüparvutid on ka loodud.

Arvutid, elektroonilised kellad ja programmeeritavad loogikakontrollerid (kasutatakse tööstusprotsesside juhtimiseks) on ehitatud digitaalsetest ahelatest. Teiseks näiteks on digitaalsed signaalitöötluse vahendid (DSPd jms).

Komponendid:

Kõrge integreerituse astmega seadmed:

Soojuse hajumine ja soojusjuhtimine[muuda | muuda lähteteksti]

Elektroonilise vooluringi tekitatav soojus tuleb hajutada, et vältida kohest tõrget ja parandada pikaajalist töökindlust. Soojuse hajumine saavutatakse enamasti passiivse soojusjuhtivuse / konvektsiooniga. Hajumist kasvatavad vahendid on muu hulgas jahutusradiaatorid ja ventilaatorid õhkjahutuse tarbeks ning teised arvutijahutuse vormid, nagu näiteks vesijahutus. Need meetodid kasutavad konvektsiooni, soojusjuhtivust, soojuse transporti ja soojuskiirgust.

Müra[muuda | muuda lähteteksti]

Elektrooniline müra on määratletud kui soovimatud häired, mis tekivad kasuliku signaali peale (liituvad sellega) ja kipuvad varjama signaali infosisu. Müra ei ole sama mis on vooluahelas põhjustatud signaali moonutused. Müra on seotud kõigi elektrooniliste ahelatega. Müra võib olla elektromagnetiliselt või soojuslikult tekkinud. Soojuslikku müra saab vähendada, alandades ahelas müra tekitavate komponentide töötemperatuuri. Elektromagnetilisi häireid saab vähendada varjestuse kasutamisega. Kuid on veel muid müra tüüpe, mida ei saa eemaldada, sest need on seotud füüsikaliste piirangutega.

Elektroonikateooria[muuda | muuda lähteteksti]

Matemaatilised meetodid on elektroonika uurimise lahutamatud osad. Asjatundlikkus elektroonikas eeldab ühtlasi asjatundlikkust vooluahelate analüüsi matemaatikas.

Vooluahelate analüüs uurib meetodeid, kuidas lahendada üldiselt lineaarsete süsteemide tundmatuid muutujaid, nagu pinge teatavas sõlmpunktis või vool läbi võrgu teatud haru. Levinud analüütiliseks vahendiks on SPICE-ahela simulaator.

Elektroonikale on oluline ka elektromagnetvälja teooria uurimine ning mõistmine.

Elektroonikalabor[muuda | muuda lähteteksti]

Elektroonikateooria keerukuse tõttu on laborieksperimendid elektrooniliste seadmete arendamise oluline osa. Neid katseid kasutatakse inseneri loodud disaini testimiseks või kontrollimiseks ja vigade tuvastamiseks. Ajalooliselt on elektroonikalaborid koosnenud füüsilisse ruumi paigutatud elektroonikaseadmetest ja varustusest, kuigi viimastel aastatel on trendiks pigem elektroonikalaborit simuleeriv tarkvara, nagu CircuitLogix, Multisim ja PSpice.

Arvutipõhine disain[muuda | muuda lähteteksti]

Tänased elektroonikainsenerid on võimelised projekteerima ahelaid, kus kasutatakse eelnevalt valmistatud komponente, nagu toiteallikad, pooljuhid (st pooljuhtseadmed, näiteks transistorid) ja integraallülitused. Elektroonilise projekteerimisautomaatika tarkvaraprogrammid hõlmavad skemaatilisi salvestusprogramme ja trükkplaatide disainimisprogramme. Populaarseimad nimed on NI Multisim, Cadence (ORCAD), EAGLE PCB ja Schematic, Mentor (PADS PCB ja LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA, KiCad ja paljud teised.

Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. "Electronics, Encyclopædia Britannica". Encyclopædia Britannica. September 2016. 
  2. "Electronics definition, Oxford Dictionary". Oxford University Press. Veebruar 2017. 
  3. Guarnieri, M. (2012). "The age of vacuum tubes: Early devices and the rise of radio communications". IEEE Ind. Electron. M. 6 (1): 41–43. doi:10.1109/MIE.2012.2182822. 
  4. Guarnieri, M. (2012). "The age of vacuum tubes: the conquest of analog communications". IEEE Ind. Electron. M. 6 (2): 52–54. doi:10.1109/MIE.2012.2193274. 
  5. Guarnieri, M. (2012). "The age of Vacuum Tubes: Merging with Digital Computing". IEEE Ind. Electron. M. 6 (3): 52–55. doi:10.1109/MIE.2012.2207830. 
  6. Sōgo Okamura (1994). History of Electron Tubes. IOS Press. p. 5. ISBN 978-90-5199-145-1.