Elektroonika

Komponendid

Elektroonika on elektrienergia elektrilise juhtimise teadus, milles elektronidel on fundamentaalne roll. Elektroonika tegeleb elektriliste ahelatega, mis hõlmavad aktiivseid elektrilisi komponente (nagu näiteks vaakumlambid, transistorid, dioodid, integraallülitid ja andurid), sellega seotud passiivseid elektrilisi komponente ja sidumistehnoloogiaid. Tavaliselt sisaldavad elektroonikaseadmed vooluahelat, mis koosnevad peamiselt või eranditult passiivsete elementidega täiendatud aktiivsetest pooljuhtidest; sellist vooluahelat kirjeldatakse kui elektroonilist vooluringi.

Elektroonikateadust peetakse füüsika ja elektrotehnika haruks. [1] [2]

Aktiivsete komponentide mittelineaarne käitumine ja nende võime kontrollida elektronivooge muudab nõrkade signaalide võimendamise võimalikuks. Elektroonikat kasutatakse laialdaselt infotöötluses, telekommunikatsioonis ja signaalitöötluses. Elektrooniliste seadmete suutlikkus käituda lülititena muudab digitaalse teabe töötlemise võimalikuks. Sidevõrkude tehnoloogiad, nagu trükkplaadid, elektroonika pakendamise tehnoloogia ja muud erinevad kommunikatsioonitehnoloogialahendused, moodustavad funktsionaalse vooluahela ja muudavad segakomponendid harilikuks töösüsteemiks.

Elektroonika eristub elektri- ja elektromehaanikaalasest teadusest-tehnoloogiast, mis tegelevad elektrienergia genereerimise, jaotamise, vahetamise ja ladustamisega 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 mitte-mehaanilise seadmega võimendada raadiosignaale ja helisignaale. Kuni 1950. aastani kutsuti seda ala raadiotehnoloogiaks, kuna selle põhiline rakendus oli raadiosaatjate, vastuvõtjate ja vaakumlampide kujundamine ja teooria.

Tänapäeval kasutab enamik elektroonilisi seadmeid elektronikontrolli teostamiseks pooljuhtkomponente. Pooljuhtseadmete ja nendega seotud tehnoloogia uurimist peetakse tahkete kehade füüsika haruks, samas kui elektroonikainseneeria alla kuulub praktiliste probleemide lahendamiseks mõeldud elektrooniliste ahelate kujundamine ja ehitamine. See artikkel keskendub elektroonika rakendustehnoloogilistele aspektidele.

Sisu

    1 Elektroonika harud

    2 Elektroonilised seadmed ja komponendid

   3 Elektrooniliste komponentide ajalugu 

   4 ahelate tüübid

        4.1 Analoogiahelad

        4.2 Digitaalsignaalid

    5 Soojuse hajumine ja soojusjuhtimine

    6 müra

    7 Elektroonika teooria

    8 Elektroonika labor

    9 Arvutipõhine disain (CAD)

    10 Ehitusmeetodid

    11 Vaata ka

    12 viited

    13 Lisateave

    14 väliseid linke

Elektroonika harud

Elektroonika harud on järgmised:

    Digitaalne elektroonika     Analoog-elektroonika     Mikroelektroonika     Vooluahelate kujundamine     Integraallülitused     Optoelektroonika     Pooljuhtseadmed     Manussüsteemid

Elektroonilised seadmed ja komponendid

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 ühendamiseks, tavaliselt trükkplaadile jootmise teel. Komponendid võivad olla pakitud üksikult või integreeritud vooluahelates keerukamateks rühmadeks. Mõned levinud elektroonikakomponendid on kondensaatorid, induktiivpoolid, takistid, dioodid, transistorid jne. Komponendid liigitatakse tihti aktiivseteks (nt transistorid ja türistorid) või passiivseteks (näiteks takistid, dioodid, induktiivpoolid ja kondensaatorid).

Elektrooniliste komponentide ajalugu

Vaakumlambid olid üks esimesi elektroonilisi komponente. [3] Need vastutasid peaaegu täielikult kahekümnenda sajandi esimese poole elektroonikarevolutsiooni eest. [4] [5] Need viisid elektroonika edasi algelise lõbustuse tasemelt, kinkides meile raadio, televisiooni, fonograafid, radarid, telefoni kaugekõned ja palju muud. Kuni 1980. aastate keskpaigani mängisid need juhtivat rolli mikrolaine ja kõrgepingeülekande ning televisiooni vastuvõtjate valdkonnas. [6] Vaakumlampe kasutatakse endiselt mõnes erirakenduses, näiteks suure võimsusega raadiosagedusvõimendid, elektronkiiretorud, spetsiaalsed heliseadmed, kitarrivõimendid ja mõned mikrolaineahjud.

1955. aasta aprillis oli IBM 608 esimene IBM-i toode, mis kasutas transistorahelaid ilma igasuguste vaakumlampideta, ja seda peetakse esimeseks kommertsturule toodetud arvutusmasinaks, mis koosnes täielikult transistoritest. [7] [8] 608 sisaldas üle 3000 germaaniumist transistori. Thomas J. Watson Jr käskis kasutada transistoreid kõigi tulevaste IBMi toodete disainis. Sellest ajast alates kasutati arvutiloogika ja välisseadmete puhul peaaegu eranditult transistoreid.

Ahelate tüübid

Ahelaid ja komponente saab jagada kahte rühma: analoogne ja digitaalne. Seade võib koosneda lülitustest, millel on üks või teine ​​tüüp või mõlema tüübi segu.

Analoogahelad

Enamik elektroonilisi analoogseadmeid, näiteks raadiovastuvõtjad, on ehitatud põhiahela vaid paari liiki kombinatsioonidest. 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 segistid, modulaatorid jne. Analoogahelate head näited hõlmavad vaakumlambi ja transistori võimendeid, operatsioonivõimendeid ja ostsillaatoreid.

Nüüdisajal leiab harva ahelaid, mis on täiesti analoogsed. Tänapäeval võivad analoogsüsteemid jõudluse parandamiseks kasutada digitaalseid või isegi mikroprotsessori tehnoloogiaid.

Mõnikord võib olla raske eristada analoog- ja digitaalsignaale, kuna neil on nii lineaarsed kui ka mittelineaarsed toimingud. Näiteks on komparaator, mis võtab sisse pideva pinge, kuid väljastab ainult kahte taset, nagu ka digitaalahelas. Sarnaselt võib ülekoormatud transistori võimendi võtta kontrollitud lüliti omadusi, millel on sisuliselt kaks väljunditaset. Tegelikult on paljud digitaalsed lülitused rakendatud analoogahelate variantidena, mis sarnanevad selle näitega. Lõppude lõpuks on ju kõik tegeliku füüsilise maailma aspektid põhiliselt analoogsed, nii et digitaalseid efekte saab realiseerida ainult analoogkäitumise piiramisel.

Digitaalahelad

Digitaalsed ahelad on elektrilised ahelad, mis põhinevad arvukatel diskreetsel pingetasemetel. Digitaalahelad on Boole’i algebra kõige levinumaid füüsilisi esitusi ning on kõigi digitaalarvutite aluseks. Enamik digitaalseid ahelaid kasutab binaarset süsteemi, millel on kaks pingetaluvust, märgistatud "0" ja "1". Sageli on loogika "0" madalam pinge ja seda nimetatakse "madalaks", samal ajal kui loogikat "1" nimetatakse "kõrgeks". Kuid mõned süsteemid kasutavad vastupidist määratlust ("0" on "kõrge") või on voolupõhised. Üsna sageli võib loogika disainija neid määratlusi ümber pöörata ühelt ahelalt teisele sedamööda, kuidas ta peab disaini hõlbustamiseks vajalikuks. Tasemete määratlus "0" või "1" on meelevaldne.

Ternaarset (kolme oleku) loogikat on uuritud ja mõned prototüüparvutid loodud.

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

Komponendid:

    Loogika väravad     Summaatorid     Trigerid     Loendurid     Registrid     Multiplekserid     Schmitti triger

Väga integreeritud 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 juhtivuse / konvektsiooniga. Hajumist kasvatavad vahendid on muu hulgas jahutusradiaatorid ja ventilaatorid õhkjahutuse tarbeks ning teised arvutijahutuse vormid, nagu näiteks vesijahutus. Need meetodid kasutavad soojusenergia konvektsiooni, juhtivust ja kiirgust.

Müra

Elektrooniline müra on määratletud [9] kui soovimatud häired, mis tekivad kasuliku signaali peale ja kipuvad varjama infosisu. Müra ei ole sama mis signaalimoonutuse põhjustamine vooluahelas. Müra on seotud kõigi elektrooniliste ahelatega. Müra võib olla elektromagnetiliselt või soojuslikult tekitatud, mida saab vähendada, alandades ahela töötemperatuuri. Muid müra tüüpe ei saa eemaldada, sest need on seotud füüsiliste omaduste piirangutega.

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 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

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

Arvutipõhine disain

Tänased elektroonikainsenerid on võimelised projekteerima ahelasid, 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

• Elektroonikakomponentide loend
• Elektroonika mõisteid
• Elektroonikat tootvate ettevõtete loend
• Elektroonikatööstus

• Elektroonikalülitus
• Analoogelektroonika
• Digitaalelektroonika
• Molekulaarelektroonika
• Prinditud elektroonika