Elektronikk

Elektronikk er en gren av anvendt fysikk som omfatter fysikk, ingeniørvitenskap, teknologi og applikasjoner som omhandler utslipp, flyt og kontroll av elektroner - eller andre elektrisk ladede partikler - i vakuum og materie . [ 1 ] Identifikasjonen av elektronet i 1897, sammen med oppfinnelsen av vakuumrøret , som kunne forsterke og rette opp små elektriske signaler, innledet elektronikkfeltet og elektronets alder. [ 2 ]

Elektronikk omhandler elektriske kretser som involverer aktive elektriske komponenter som vakuumrør, transistorer , dioder , integrerte kretser , optoelektronikk og sensorer , assosiert med passive elektriske komponenter og sammenkoblingsteknologier. Elektroniske enheter inneholder vanligvis kretser som primært, eller utelukkende, består av aktive halvledere supplert med passive elementer; en slik krets er beskrevet som en elektronisk krets .

Den ikke-lineære oppførselen til de aktive komponentene og deres evne til å kontrollere elektronstrømmer gjør forsterkning av svake signaler mulig. Elektronikk er mye brukt i databehandling , i telekommunikasjon og i signalbehandling . Elektroniske enheters evne til å fungere som brytere gjør digital behandling av informasjon mulig. Sammenkoblingsteknologier som trykte kretser , elektronisk emballasjeteknologi og forskjellige andre former for kommunikasjonsinfrastrukturer fullfører kretsfunksjonalitet og transformerer blandede elektroniske komponenter til et vanlig fungerende system, kalt et elektronisk system; Eksempler er datamaskiner eller kontrollsystemer . Et elektronisk system kan være en frittstående enhet eller en komponent av et annet designet system .

Elektrisk og elektromekanisk vitenskap og teknologi omhandler generering, distribusjon, svitsjing, lagring og konvertering av elektrisk energi til og fra andre former for energi (ved bruk av kabler , motorer , generatorer , batterier , brytere, releer , transformatorer , motstander og andre passive komponenter ). Denne forskjellen begynte rundt 1906 med Lee De Forests oppfinnelse av trioden , som gjorde elektrisk forsterkning av radiosignaler og svake lydsignaler mulig med en ikke-mekanisk enhet. Fram til 1950 ble dette feltet kalt "radioteknologi" fordi dets hovedanvendelse var design og teori om radiosendere , mottakere og vakuumrør.

For tiden bruker de fleste elektroniske enheter [ 3 ] halvlederkomponenter for å utføre kontroll av elektroner. Studiet av halvlederenheter og relatert teknologi regnes som en gren av solid-state fysikk , mens design og konstruksjon av elektroniske kretser for å løse praktiske problemer er bekymringen for elektronisk engineering . Denne artikkelen fokuserer på de tekniske aspektene ved elektronikk.

Elektronikkens grener

Elektronikk har følgende grener:

Historikk

Edison var den første som observerte i 1883 den termioniske emisjonen eller Edison-effekten, [ 4 ] ved å plassere et ark inne i en lyspære for å forhindre svertingen produsert i glasspæren av karbonfilamentet . Når metallfolien var positivt forspent i forhold til filamentet, ble det produsert en liten strøm mellom filamentet og folien. Dette faktum skjedde fordi elektronene til atomene i glødetråden, som mottok en stor mengde energi i form av varme , rømte fra tiltrekningen av kjernen (termionisk utslipp) og, krysset det tomme rommet inne i pæren, ble tiltrukket av positiv polaritet til arket.

Den britiske ingeniøren Sir John Ambrose Fleming (1849-1945) brukte Edison-effekten på et rør for å oppdage hertziske bølger og oppfant dermed dioden, [ 4 ] det første elektroniske røret der det var laget et vakuum og inne i det var det en anode (positiv elektrode) og en katode (negativ elektrode). Ved å nå glødetilstanden sendte katoden ut negativt ladede elektroner som ble tiltrukket av anoden; det vil si at dioden fungerte som en ventil som bare lot strømmen gå i én retning.

Det andre store steget ble tatt av Lee De Forest da han oppfant trioden i 1906 . [ 4 ] Denne enheten er i utgangspunktet som vakuumdioden, men et kontrollgitter er lagt mellom katoden og platen, for å modifisere elektronskyen til katoden, og dermed variere platestrømmen. Dette var et svært viktig skritt i produksjonen av de første lydforsterkerne , radiomottakere , fjernsyn osv.

Lee De Forest regnes som "elektronikkens far", siden før trioden var det kun vekselstrøm som kunne omdannes til like- eller likestrøm, det vil si at det kun ble bygget strømforsyninger, men med opprettelsen av triode-tomheten kom forsterkningen av alle slags signaler, spesielt lyd, radio, TV og alt annet, førte dette til at industrien for dette utstyret fikk en så stor tilbakegang at det i tiårene over 1930 ble laget ordet for første gang "elektronikk" for å referere til. til teknologien til dette nye utstyret.

Etter hvert som tiden gikk, ble vakuumrør perfeksjonert og forbedret, med andre typer som dukket opp, for eksempel tetroder (fire-elektrodeventiler), pentoder (fem elektroder), andre ventiler for høyeffektapplikasjoner, etc. Innenfor forbedringene av ventilene var dens miniatyrisering.

Men det var definitivt med transistoren , introdusert av Bardeen og Brattain fra Bell Telephone Company i 1948 , at ytterligere miniatyrisering av enheter som radioer ble tillatt. Krysstransistoren dukket opp noe senere, i 1949 . Dette er enheten som brukes for de fleste elektronikkapplikasjoner. Dens fordeler fremfor ventiler inkluderer blant annet: mindre størrelse og skjørhet, høyere energieffektivitet, lavere strømforsyningsspenninger, etc. Transistoren fungerer ikke i et vakuum som rørene, men i en solid state- halvleder ( silisium ), som er grunnen til at den ikke trenger hundrevis av volt for å fungere. Til tross for utvidelsen av halvledere, brukes fortsatt rør i små audiofile sirkler, fordi de utgjør en av deres mest utbredte myter [ 5 ] .

Transistoren har tre terminaler (emitteren, basen og kollektoren) og ligner en triode : basen vil være kontrollnettet, emitteren katoden og kollektoren platen. Ved riktig polarisering av disse tre terminalene er det mulig å kontrollere en stor kollektorstrøm fra en liten grunnstrøm.

I 1958 ble den første integrerte kretsen utviklet , med seks transistorer på en enkelt brikke. I 1970 ble den første mikroprosessoren , Intel 4004 , utviklet . I dag er utviklingsfeltene for elektronikk så store at det har blitt delt inn i flere spesialiserte disipliner. Den største divisjonen er den som skiller analog elektronikk fra digital elektronikk .

Elektronikk er derfor en av ingeniørgrenene med størst fremtidsutsikter, sammen med informatikk .

Elektronikkapplikasjoner

Elektronikk utfører i dag en lang rekke oppgaver. De viktigste bruksområdene for elektroniske kretser er kontroll, prosessering, distribusjon av informasjon , konvertering og distribusjon av elektrisk energi . Disse bruksområdene involverer opprettelse eller deteksjon av elektromagnetiske felt og elektriske strømmer . Da kan det sies at elektronikk generelt dekker følgende bruksområder:

Elektroniske systemer

Et elektronisk system er et sett med kretser som samhandler med hverandre for å oppnå et resultat. En måte å forstå elektroniske systemer på er å dele dem inn i følgende deler:

  1. Innganger eller innganger – Elektroniske eller mekaniske sensorer (eller transdusere ) som tar signaler (i form av temperatur, trykk osv.) fra den fysiske verden og konverterer dem til strøm- eller spenningssignaler. Eksempel: Termoelementet , fotomotstanden for å måle intensiteten av lys , etc.
  2. Signalbehandlingskretser – Disse består av elektroniske enheter koblet sammen for å manipulere, tolke og transformere spennings- og strømsignalene fra transduserne .
  3. Utganger eller utganger – Aktuatorer eller andre enheter (også transdusere) som konverterer strøm- eller spenningssignaler til fysisk nyttige signaler. For eksempel: et display som registrerer temperaturen, en spotlight eller et lyssystem som slår seg på automatisk når det blir mørkt.

Det er i hovedsak tre trinn: Den første (svingeren), den andre (prosessorkretsen) og den tredje (aktuatorkretsen).

La oss som et eksempel anta en TV . Inngangen er et kringkastingssignal mottatt av en antenne eller en kabel. Signalbehandlingskretser inne i TV-en trekker ut informasjon om lysstyrke , farge og lyd fra dette signalet. Utgangsenhetene er et katodestrålerør eller LCD - skjerm som konverterer elektroniske signaler til synlige bilder på en skjerm og høyttalere .

Et annet eksempel kan være en krets som avslører temperaturen til en prosess, transduseren kan være et termoelement , prosesseringskretsen er ansvarlig for å konvertere inngangssignalet til et spenningsnivå ( spenning eller vinduskomparator) på et passende nivå og sende informasjon ved å dekode den til et display der den gir oss den virkelige temperaturen, og hvis den overskrider en forhåndsprogrammert grense, aktiverer du et alarmsystem (aktuatorkrets) for å ta de relevante tiltakene.

Elektriske signaler

Det er representasjonen av et fysisk fenomen eller materiell tilstand gjennom et etablert forhold; inngangene og utgangene til et elektronisk system vil være variable signaler seg imellom.

I elektronikk jobber vi med variabler som har form av spenning eller strøm , disse kan kalles signaler. Signaler kan være av to hovedtyper:

Spenning

Det er potensialforskjellen som genereres mellom endene av en elektrisk komponent eller enhet. Vi kan også si at det er energien som er i stand til å flytte de frie elektronene til en leder eller halvleder. Enheten for denne parameteren er volt (V). Det er to typer spenning: direkte og vekslende.

Elektrisk strøm

Det er strømmen av frie elektroner gjennom en leder eller halvleder i én retning. Måleenheten for denne parameteren er ampere (A). Akkurat som det er like- eller vekselspenninger, kan strømmer også være direkte eller vekslende, avhengig av hvilken type spenning som brukes til å generere disse strømstrømmene.

Motstand

Det er den fysiske egenskapen som materialer har en tendens til å motarbeide strømmen av. Enheten for denne parameteren er ohm (Ω). Den omvendte egenskapen er elektrisk konduktans .

Elektroniske kretser

En elektronisk krets er en serie elektriske (som motstander, induktanser, kondensatorer og kilder) eller elektroniske elementer eller komponenter, elektrisk koblet til hverandre med det formål å generere, transportere eller modifisere elektroniske signaler. Elektroniske eller elektriske kretser kan klassifiseres på flere måter:

Etter type informasjon Etter type ordning Etter type signal for din konfigurasjon
Analog
digital
blandet		 Permanent overgangsavis
_
 Likestrøm Vekselstrøm Blandet
_ _
 Blandet parallellserie
_

Analoge kretser

Mest analog elektronikk , for eksempel radiomottakere , er bygget av kombinasjoner av noen få grunnleggende kretstyper. Analoge kretser bruker et kontinuerlig område av spenning eller strøm i stedet for diskrete nivåer som i digitale kretser.

Antallet forskjellige analoge kretser som har blitt utviklet så langt er enormt, ikke minst fordi en «krets» kan defineres som alt fra en enkelt komponent til systemer som inneholder tusenvis av komponenter.

Analoge kretser kalles noen ganger lineære kretser, selv om mange ikke-lineære effekter brukes i analoge kretser, som miksere, modulatorer, etc. Noen gode eksempler på analoge kretser er vakuumrør- og transistorforsterkere, op-forsterkere og oscillatorer.

Moderne kretser som er fullstendig analoge finnes sjelden. I dag kan analoge kretser bruke digitale eller til og med mikroprosessorteknikker for å forbedre ytelsen. Denne typen kretser blir ofte referert til som "blandet signal" i stedet for analog eller digital.

Det kan noen ganger være vanskelig å skille analoge fra digitale kretser da de har både lineære og ikke-lineære driftselementer. Et eksempel er komparatoren, som mottar et kontinuerlig spenningsområde, men bare sender ut ett av de to nivåene i en digital krets. På samme måte kan en overbelastet transistorforsterker ta på seg egenskapene til en kontrollert bryter som i hovedsak har to utgangsnivåer. Faktisk er mange digitale kretser implementert som varianter av analoge kretser som ligner på dette eksemplet ... tross alt er alle aspekter av den virkelige fysiske verden i hovedsak analoge, så digitale effekter realiseres bare ved å begrense analog oppførsel.

Digitale kretser

Digitale kretser er elektriske kretser basert på en rekke diskrete spenningsnivåer. Digitale kretser er den vanligste fysiske representasjonen av boolsk algebra , og er grunnlaget for alle digitale datamaskiner. For de fleste ingeniører er begrepene "digital krets", "digitalt system" og "logikk" utskiftbare i sammenheng med digitale kretser. De fleste digitale kretser bruker et binært system med to spenningsnivåer kalt "0" og "1". Logisk '0' er ofte en lavere spenning og blir referert til som 'Lav', mens logisk '1' blir referert til som 'Høy'. Noen systemer bruker imidlertid omvendt definisjon ("0" er "Høy") eller er gjeldende basert. Ofte kan den logiske designeren reversere disse definisjonene fra en krets til en annen, etter behov for å gjøre designet enklere. Definisjonen av nivåene som "0" eller "1" er vilkårlig.

Ternær (tre-stats) logikk (tre-stats) logikk er studert, og noen datamaskinprototyper er laget.

Datamaskiner , elektroniske klokker og programmerbare logiske kontrollere , som brukes til å kontrollere industrielle prosesser, er bygget med digitale kretser . Digitale signalprosessorer er et annet eksempel.

Varmespredning og termisk styring

Varme generert av elektroniske kretser må ledes bort for å forhindre umiddelbar feil og forbedre langsiktig pålitelighet. Varmespredning oppnås hovedsakelig ved passiv ledning/konveksjon. Midler for å oppnå større spredning inkluderer kjøleribber og vifter for luftkjøling, og andre former for datamaskinkjøling som væskekjøling. Disse teknikkene bruker konveksjon , ledning og stråling av termisk energi.

Støy

Elektronisk støy er definert [ 6 ] som "uønskede forstyrrelser overlagret på et nyttig signal som har en tendens til å skjule dets informasjonsinnhold". Støy er ikke det samme som signalforvrengning forårsaket av en krets. Støy er knyttet til alle elektroniske kretser. Støy kan genereres elektromagnetisk eller termisk, som kan reduseres ved å senke driftstemperaturen til kretsen. Andre typer støy, for eksempel skuddstøy, kan ikke fjernes da de er på grunn av begrensninger i fysiske egenskaper.

Elektronisk teori

Matematiske metoder er en integrert del av studiet av elektronikk. For å bli dyktig i elektronikk er det også nødvendig å beherske matematikken i kretsanalyse.

Kretsanalyse er studiet av metoder for å løse generelt lineære systemer for ukjente variabler, for eksempel spenningen ved en gitt node eller strømmen gjennom en gitt bane i et nettverk . Et vanlig analytisk verktøy for dette er SPICE -kretssimulatoren .

Også viktig for elektronikk er studiet og forståelsen av elektromagnetisk feltteori .

Elektronikklaboratorium

På grunn av elektronikkteoriens komplekse natur, er laboratorieeksperimentering en viktig del av utviklingen av elektroniske enheter. Disse eksperimentene brukes til å teste eller verifisere ingeniørens design og fange opp feil. Historisk sett har elektronikklaboratorier bestått av elektroniske enheter og utstyr plassert i et fysisk rom, selv om trenden i de senere år har vært mot simuleringsprogramvare for elektronikklaboratorier , som CircuitLogix , Multisim og PSpice .

Datastøttet design (CAD)

Dagens elektronikkingeniører har muligheten til å designe kretser ved å bruke prefabrikkerte byggeklosser som strømforsyninger , halvledere (dvs. halvlederenheter, som transistorer ) og integrerte kretser . Programvare for elektronisk designautomatisering inkluderer skjematiske fangstprogrammer og designprogrammer for trykte kretskort . De mest populære navnene i verden av EDA-programvare er NI Multisim, Cadence ( ORCAD ), EAGLE PCB og Schematic, Mentor (PADS PCB og LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA, KiCad og mange andre ...

Pakkemetoder

Mange forskjellige metoder for å koble sammen komponenter har blitt brukt opp gjennom årene. For eksempel brukte tidlig elektronikk ofte punkt-til-punkt ledninger med komponenter festet til treplater for å bygge kretser. Andre metoder som ble brukt var Cordwood konstruksjon og wire wrap . I dag bruker de fleste elektronikk kretskort laget av materialer som FR4 , eller det billigere (og mindre holdbare) syntetisk harpiksbundet papir ( SRBP , også kjent som Paxoline/Paxolin (varemerker) og FR2), kjennetegnet ved sin brune farge. Hensynet til helse og miljø i forhold til montering av elektroniske produkter har økt de siste årene, spesielt når det gjelder produkter som er bestemt til EU.

Design av elektroniske systemer

Elektronisk systemdesign omhandler de tverrfaglige designproblemene til komplekse elektroniske enheter og systemer, som mobiltelefoner og datamaskiner . Emnet dekker et bredt spekter, fra design og utvikling av et elektronisk system til å sikre korrekt drift, levetid og resirkulering . [ 7 ] Elektronisk systemdesign er altså prosessen med å definere og utvikle komplekse elektroniske enheter for å møte spesifiserte brukerkrav.

Komponenter

Elektroniske komponenter og elektroniske instrumenter brukes til syntese av elektroniske kretser . Nedenfor er en liste over de viktigste komponentene og instrumentene innen elektronikk, etterfulgt av deres vanligste bruk:

Analoge enheter (noen eksempler)

Digitale enheter

Strøm enheter

Måleutstyr

Elektronisk måleutstyr brukes til å skape stimuli og måle oppførselen til enheter under test (DUT). Målingen av mekaniske, termiske, elektriske og kjemiske størrelser utføres ved hjelp av enheter som kalles sensorer og transdusere. Sensoren er følsom for endringer i størrelsen som skal måles, som temperatur, posisjon eller kjemisk konsentrasjon. Svingeren konverterer disse målingene til elektriske signaler, som kan mates til instrumenter for å lese, registrere eller kontrollere de målte størrelsene. Sensorer og transdusere kan operere på steder fjernt fra observatøren, så vel som i miljøer som er uegnet eller upraktisk for mennesker.

Noen enheter fungerer samtidig som en sensor og en transduser. Et termoelement består av to koblinger av forskjellige metaller som genererer en liten spenning som avhenger av den termiske forskjellen mellom koblingene. Termistoren er en spesiell motstand, hvis motstandsverdi varierer avhengig av temperaturen. En variabel reostat kan konvertere mekanisk bevegelse til elektrisk signal. Spesialdesignede kondensatorer brukes til å måle avstander, og fotoceller brukes til å oppdage lys. For å måle hastigheter, akselerasjon eller væskestrømmer brukes andre typer enheter. I de fleste tilfeller er det elektriske signalet svakt og må forsterkes av en elektronisk krets. Nedenfor er en liste over det viktigste måleutstyret:

Elektronisk teori

Se også

Referanser

  1. ^ "elektronikk | Enheter, fakta og historie» . Encyclopedia Britannica (på engelsk) . Hentet 19. september 2018 . 
  2. ^ "Oktober 1897: Oppdagelsen av elektronen " . Hentet 19. september 2018 . 
  3. ↑ forfatter., Floyd, Thomas L.,. Grunnleggende elektronikk: kretser, enheter og applikasjoner . ISBN  978-1-292-23880-7 . OCLC  1016966297 . 
  4. ^ a b c Floriani, Juan Carlos A. (juni 2006). "Om elektronikkens historie i det første hundreårsjubileet for dens fødsel: Thermionic Age" . IEEE Latinamerikanske transaksjoner 4 (4) . Hentet 15. mai 2020 . 
  5. ^ Kite, Thomas (2001). "Signalbehandlingsseminar: Debunking lydmyter" . The Embedded Signal Processing Laboratory – University of Texas i Austin. 
  6. ↑ IEEE Dictionary of Electrical and Electronic Terms ISBN  978-0-471-42806-0
  7. ↑ J. Lienig; H. Bruemmer (2017). Grunnleggende om design av elektroniske systemer . Springer International Publishing. s. 1. ISBN  978-3-319-55839-4 . doi : 10.1007/978-3-319-55840-0 . 

Eksterne lenker