Elektroonika

Elektroonika on füüsika ja elektrotehnika haru, mis uurib ja rakendab vaakumis, gaasides, pooljuhtides jm keskkondades ja nende piiril liikuvate elektrilaengutega seotud nähtusi.^[1]

Elektroonika tegeleb elektriahelatega, mis sisaldavad aktiivsed elektroonikakomponente (nagu näiteks elektronlambid, dioodid, transistorid, integraallülitused, optoelektroonika seadised ja andurid), samuti nendega seotud passiivseid elektrilisi komponente (takistid, kondensaatorid) koos nende omavahel ühendamise tehnoloogiaga.

Elektroonikaseadmete elektriahelad koosnevad peamiselt või eranditult aktiivsetest pooljuhtseadistest. Sellist vooluahelat käsitletakse kui elektroonikalülitust. Aktiivsete komponentide mittelineaarne käitumine ja elektrilaengute juhtimine muudab võimalikuks signaalide võimendamise ja muundamise.

Elektroonikat kasutatakse laialdaselt infotöötluses, telekommunikatsioonis ja signaalitöötluses.

Elektronseadiste suutlikkus toimida lülititena teeb võimalikuks digitaalsignaali töötlemise.

Elektroonika eristub elektri- ja elektromehaanika-alasest teadusest ja tehnoloogiast, mis tegelevad elektrienergia genereerimise, jaotamise, lülitamise, salvestamisega ning muundamisega teistest energiavormidest või ka teisteks energiavormideks, kasutades 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 audiosignaale mittemehaanilise 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 elektronlampide teooria ja selle rakendamine. Tänapäeval kasutatakse elektri- ja elektroonikaseadmeis peamiselt pooljuhtkomponente.

Elektroonika harud

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

Elektroonika peamised harud on järgmised:

Elektroonilised seadmed ja komponendid

Elektroonikakomponent on elektroonikalülituse füüsiline üksus, mida kasutatakse elektronide või nendega seotud väljade mõjutamiseks vastavalt elektroonilise süsteemi kavandatud funktsioonile. Konkreetsete rakenduste (näiteks võimendi, raadiovastuvõtja või ostsillaatori) loomiseks mõeldud komponendid on üldjuhul ette nähtud omavahel ühendamiseks, tavaliselt trükkplaadile jootmise teel. Komponendid võivad olla ühendatud keerukamate rühmade kujul integraallülitustena. Komponendid liigitatakse tihti aktiivseteks (nt transistorid ja türistorid) või passiivseteks (näiteks takistid, kondensaatorid, induktiivpoolid).

Elektrooniliste komponentide ajalugu

Elektronlambid (raadiotehnika algusajal tuntud kui raadiolambid) olid esimeste elektrooniliste komponentide seas, kuigi esimeseks elektroonikaseadmeks võib pidada ka röntgenitoru.^[2] Nemad määrasid peaaegu täielikult 20. sajandi esimesel poolel toimunud elektroonikarevolutsiooni käigu.^[3]^[4] Nemad viisid elektroonika algelise lõbustuse tasemelt edasi, andes meile raadio, televisiooni, helisalvestuse, radarid, telefonside ja palju muud. Kuni 1980. aastate keskpaigani mängisid nad juhtivat rolli mikrolaine- ja televisioonitehnika valdkonnas.^[5] Elektronlampe kasutatakse endiselt mõnes erirakenduses, näiteks suure väljundvõimsusega raadiosagedusvõimendid, elektronkiiretorud, spetsiaalsed heliseadmed, kitarrivõimendid ja mõned mikrolaineseadmed.

Transistoride leiutamise, arendamise ja massilisse tootmisse 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 meditsiinielektroonikaseadmed jms).

Mõõtmete väiksuse ja ökonoomsuse tõttu võeti transistorid kasutusele ka arvutustehnilistes seadmetes. 1955. aasta aprillis valminud lauaarvuti IBM 608 oli esimene IBM-i toode, milles kasutati ainult transistore ilma ühegi elektronlambita, 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 peale on arvutiloogika seadmetes ja välisseadmetes kasutatud peaaegu eranditult transistore.

Ahelate tüübid

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

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 lamp- 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

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 loogilisele 1-le vastab kõrge nivoo. Kuid mõnes süsteemis 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:

loogikaväravad
summaatorid
trigerid
loendurid
registrid
multiplekserid
Schmitti triger

Kõrge integreerituse astmega seadmed:

mikroprotsessorid
mikrokontrollerid
rakenduspõhine integreeritud vooluahel (ASIC)
digitaalsignaali protsessor (DSP)
väliprogrammeeritav väravamassiiv ehk programmeeritav ventiilmaatriks (FPGA)

Soojuse hajumine ja soojusjuhtimine

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

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 seostatav kõigi elektrooniliste ahelatega. Müra võib olla elektromagnetiliselt või soojuslikult tekkinud. Soojuslikku müra saab vähendada, alandades ahelas müra tekitavate komponentide töötemperatuuri. Kuid on veel muid müratüüpe, mida ei saa eemaldada, sest need on seotud füüsikaliste omaduste poolt seatud piirangutega, nagu seda on haavelmüra. Elektromagnetilisi häireid saab vähendada varjestuse kasutamisega.

Elektroonikateooria

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

Vooluahelate analüüs uurib meetodeid, kuidas lahendada üldiselt lineaarsete süsteemide tundmatute muutujate suhtes, nagu pinge teatavas sõlmpunktis või vool läbi võrgu teatud haru. Levinud analüütiliseks vahendiks on ahelate simulaator SPICE.

Elektroonika jaoks on oluline ka elektromagnetvälja teooria uurimine ja mõistmine.

Elektroonikalabor

Elektroonikateooria keerukuse tõttu on laboratoorsetel eksperimentidel elektrooniliste seadmete väljatöötamise juures täita oluline osa. Neid eksperimente kasutatakse inseneri loodud tehnilise lahenduse testimiseks või kontrollimiseks ja vigade tuvastamiseks. Ajalooliselt on elektroonikalaborid koosnenud füüsilises ruumis paiknevatest elektroonikaseadmetest ja seadmestikust, kuid viimastel aastakümnetel on elektroonikalaboris trendiks saanud kasutada pigem simuleerivat tarkvara, nagu CircuitLogix, Multisim ja PSpice.

Arvutipõhine disain

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 disainimise programme. 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.

Elektroonika Eestis

Eestis alustati elektroonika alase ettevõtlusega seoses raadioside ja raadioringhäälingu arenguga 1920. aastatel. Eesti elektroonikatööstuse põhitoodanguks enne teist maailmasõda olid raadioseadmed ja nende passiivkomponendid. Raadiovastuvõtjate ja elektroonsete mõõtevahendite tootmise ja väljatöötamise alal jätkus tegevus kuni 1990. aastateni.

Seoses pooljuhtelektroonika arenguga pärast teist maailmasõda loodi Eestis mitmed pooljuhtseadiseid väljatöötavad ja tootvad ettevõtted, mis olid NSV Liidu üleliidulises alluvuses. Mõned ettevõtted hakkasid hiljem valmistama ka integraalseid mikroskeeme.

Tänapäeval on Eestis mitmeid elektroonika tooteid valmistavaid ettevõtteid, millest suurimad on välismaiste ettevõtete filiaalid. Nende põhiliseks toodanguks on olnud mobiilside vahendid, kuid valmistatud on ka muid elektroonikal põhinevaid tooteid.

Elektroonikaalase erialase ettevalmistuse saab omandada põhiliselt Tallinna Tehnikaülikoolis ja Tallinna Polütehnikumis.

Vaata ka

Viited

↑ ENE 2. köide, 1987
↑ 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. ISSN 1932-4529.
↑ 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.
↑ 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.
↑ Sōgo Okamura (1994). History of Electron Tubes. IOS Press. Lk 5. ISBN 978-90-5199-145-1.

[EE-1] ENE 2. köide, 1987

[2] 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. ISSN 1932-4529.

[3] 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.

[4] 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.

[Okamura1994-5] Sōgo Okamura (1994). History of Electron Tubes. IOS Press. Lk 5. ISBN 978-90-5199-145-1.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]