Elektronika - Electronics
Elektronika zahrnuje fyziku , strojírenství , technologie a aplikace, které se zabývají emisí, tokem a kontrolou elektronů ve vakuu a hmotě . Používá aktivní zařízení k řízení toku elektronů zesílením a usměrněním , což jej odlišuje od klasické elektrotechniky, která k řízení toku proudu používá pasivní efekty, jako je odpor , kapacita a indukčnost .
Elektronika má zásadní vliv na rozvoj moderní společnosti. Identifikace elektronu v roce 1897, spolu s následným vynálezem vakuové trubice, která by mohla zesílit a napravit malé elektrické signály, zahájilo pole elektroniky a elektronový věk. Tento rozdíl začala kolem 1906 s vynálezem podle Lee De Forest v trioda , který z elektrické zesílení slabých rádiových signálů a zvukových signálů možné s non-mechanického zařízení. Do roku 1950 se tomuto oboru říkalo „ rádiová technologie “, protože jeho hlavní aplikací byl návrh a teorie rádiových vysílačů , přijímačů a elektronek .
Termín „ polovodičová elektronika “ se objevil poté, co první funkční tranzistor vynalezli William Shockley , Walter Houser Brattain a John Bardeen v Bell Labs v roce 1947. MOSFET ( tranzistor MOS ) později vynalezli Mohamed Atalla a Dawon Kahng v Bell Labs v roce 1959. MOSFET byl první skutečně kompaktní tranzistor, který mohl být miniaturizován a hromadně vyráběn pro širokou škálu použití, což znamenalo revoluci v elektronickém průmyslu a hraje ústřední roli v revoluci mikroelektroniky a digitální revoluci . MOSFET se od té doby stal základním prvkem většiny moderních elektronických zařízení a je nejpoužívanějším elektronickým zařízením na světě.
Elektronika je široce používána při zpracování informací , telekomunikaci a zpracování signálu . Schopnost elektronických zařízení fungovat jako přepínače umožňuje digitální zpracování informací. Propojovací technologie, jako jsou desky s obvody , technologie balení elektroniky a další rozmanité formy komunikační infrastruktury, doplňují funkce obvodu a transformují smíšené elektronické součástky do běžného pracovního systému , nazývaného elektronický systém ; příklady jsou počítače nebo řídicí systémy . Elektronický systém může být součástí jiného navrženého systému nebo samostatného zařízení. Od roku 2019 většina elektronických zařízení používá polovodičové součástky k ovládání elektronů. Elektronická zařízení běžně obsahují obvody sestávající z aktivních polovodičů doplněných pasivními prvky; takový obvod je popsán jako elektronický obvod . Elektronika se zabývá elektrickými obvody, které zahrnují aktivní elektrické součásti, jako jsou elektronky , tranzistory , diody , integrované obvody , optoelektronika a senzory , související pasivní elektrické součástky a propojovací technologie. Nelineární chování aktivních složek a jejich schopností kontrolovat elektronu toků činí amplifikaci možných slabých signálů.
Studium polovodičových součástek a související technologie je považováno za odvětví polovodičové elektroniky .
Odvětví elektroniky
Elektronika má následující pobočky:
- Digitální elektronika
- Analogová elektronika
- Mikroelektronika
- Návrh obvodu
- Integrované obvody
- Výkonová elektronika
- Optoelektronika
- Polovodičová zařízení
- Vestavěné systémy
- Zvuková elektronika
- Telekomunikace
- Nanoelektronika
- Bioelektronika
Elektronická zařízení a součásti
Elektronická součást je jakákoli fyzická entita v elektronickém systému používaná k ovlivnění elektronů nebo jejich souvisejících polí způsobem, který je v souladu s předpokládanou funkcí elektronického systému. Komponenty jsou obecně určeny k vzájemnému spojení, obvykle pájením na desku plošných spojů (PCB), k vytvoření elektronického obvodu s konkrétní funkcí (například zesilovač , rádiový přijímač nebo oscilátor ). Komponenty mohou být baleny jednotlivě nebo ve složitějších skupinách jako integrované obvody . Některé běžné elektronické součástky jsou kondenzátory , induktory , odpory , diody , tranzistory atd. Komponenty jsou často kategorizovány jako aktivní (např. Tranzistory a tyristory ) nebo pasivní (např. Odpory , diody , induktory a kondenzátory ).
Historie elektronických součástek
Vakuové trubice (termionické ventily) patřily k nejranějším elektronickým součástem. Byli téměř výhradně zodpovědní za elektronickou revoluci první poloviny dvacátého století. Umožnili mnohem komplikovanější systémy a dali nám rádio , televizi , fonografy , radar , dálkové telefonování a mnoho dalšího. Oni hráli vedoucí roli v oblasti mikrovlnného a vysokého výkonu přenosu, jakož i televizních přijímačů až do poloviny 1980. Od té doby mají polovodičová zařízení téměř úplnou kontrolu. Vakuové trubice se stále používají v některých specializovaných aplikacích, jako jsou vysokovýkonové vysokofrekvenční zesilovače , katodové trubice , speciální audio zařízení, kytarové zesilovače a některá mikrovlnná zařízení .
První pracovní tranzistor s kontaktním bodem vynalezli John Bardeen a Walter Houser Brattain v Bell Labs v roce 1947. V dubnu 1955 byl IBM 608 prvním produktem IBM, který používal tranzistorové obvody bez jakýchkoli elektronek a je považován za vůbec první -tranzistorová kalkulačka vyráběná pro komerční trh. 608 obsahoval více než 3 000 germaniových tranzistorů. Thomas J. Watson Jr. nařídil všem budoucím produktům IBM používat při jejich návrhu tranzistory. Od té doby se tranzistory téměř výhradně používaly pro počítačovou logiku a periferie. Tranzistory s časným spojením však byly poměrně objemná zařízení, která byla obtížně vyráběna na bázi sériové výroby , což je omezovalo na řadu specializovaných aplikací.
MOSFET (tranzistor MOS) byl vynalezen Mohamed Atalla a Dawon Kahng v Bell Labs v roce 1959. MOSFET byl první skutečně kompaktní tranzistor, který by mohl být miniaturní a sériově vyráběný pro širokou škálu použití. Mezi jeho výhody patří vysoká škálovatelnost , cenová dostupnost, nízká spotřeba energie a vysoká hustota . To přineslo revoluci v elektronickém průmyslu a stalo se nejpoužívanějším elektronickým zařízením na světě. MOSFET je základním prvkem většiny moderních elektronických zařízení a byl ústředním bodem revoluce elektroniky, mikroelektronické revoluce a digitální revoluce . MOSFET byl tak připočítán jako zrod moderní elektroniky a možná nejdůležitější vynález v elektronice.
Typy obvodů
Obvody a komponenty lze rozdělit do dvou skupin: analogové a digitální. Konkrétní zařízení může sestávat z obvodů, které mají jeden nebo druhý, nebo ze směsi těchto dvou typů. Důležitá elektronická technika v analogové i digitální elektronice zahrnuje použití zpětné vazby . Mimo jiné to umožňuje velmi lineární zesilovače s vysokým ziskem a digitální obvody, jako jsou registry, počítače a oscilátory.
Analogové obvody
Většina analogových elektronických zařízení, jako jsou rozhlasové přijímače, je vyrobena z kombinace několika typů základních obvodů. Analogové obvody používají nepřetržitý rozsah napětí nebo proudu na rozdíl od diskrétních úrovní jako v digitálních obvodech.
Počet dosud navržených různých analogových obvodů je obrovský, zejména proto, že „obvod“ lze definovat jako cokoli od jedné součásti po systémy obsahující tisíce součástek.
Analogovým obvodům se někdy říká lineární obvody, i když se v analogových obvodech používá mnoho nelineárních efektů, jako jsou mixéry, modulátory atd. Mezi dobré příklady analogových obvodů patří elektronkové a tranzistorové zesilovače, operační zesilovače a oscilátory.
Málokdy najdete moderní obvody, které jsou zcela analogové. V dnešní době mohou analogové obvody ke zlepšení výkonu využívat digitální nebo dokonce mikroprocesorové techniky. Tento typ obvodu se obvykle nazývá „smíšený signál“ než analogový nebo digitální.
Někdy může být obtížné rozlišovat mezi analogovými a digitálními obvody, protože mají prvky lineárního i nelineárního provozu. Příkladem je komparátor, který odebírá souvislý rozsah napětí, ale vydává pouze jednu ze dvou úrovní jako v digitálním obvodu. Podobně může přetížený tranzistorový zesilovač převzít vlastnosti ovládaného spínače, který má v podstatě dvě úrovně výstupu. Ve skutečnosti je mnoho digitálních obvodů skutečně implementováno jako variace analogových obvodů podobné tomuto příkladu - koneckonců všechny aspekty skutečného fyzického světa jsou v podstatě analogové, takže digitální efekty jsou realizovány pouze omezením analogového chování.
Digitální obvody
Digitální obvody jsou elektrické obvody založené na řadě diskrétních úrovní napětí. Digitální obvody jsou nejběžnější fyzickou reprezentací booleovské algebry a jsou základem všech digitálních počítačů. Pro většinu inženýrů jsou pojmy „digitální obvod“, „digitální systém“ a „logika“ v kontextu digitálních obvodů zaměnitelné. Většina digitálních obvodů používá binární systém se dvěma napěťovými úrovněmi označenými „0“ a „1“. Logická „0“ bude často nižší napětí a označuje se jako „nízká“, zatímco logická „1“ se označuje jako „vysoká“. Některé systémy však používají obrácenou definici („0“ je „vysoká“) nebo jsou založeny na proudu. Logický designér může tyto definice z jednoho okruhu do druhého obracet, jak uzná za vhodné, aby usnadnil jeho návrh. Definice úrovní jako „0“ nebo „1“ je libovolná.
Byla studována ternární (se třemi stavy) logika a byly vyrobeny některé prototypové počítače.
Počítače , elektronické hodiny a programovatelné logické řadiče (používané k řízení průmyslových procesů) jsou konstruovány z digitálních obvodů. Dalším příkladem jsou procesory digitálního signálu .
Stavební bloky:
- Polovodičový polovodičový tranzistor s efektem pole (MOSFET)
- Logické brány
- Přídavky
- Žabky
- Počitadla
- Registry
- Multiplexery
- Schmitt spouští
Vysoce integrovaná zařízení:
- Paměťový čip
- Mikroprocesory
- Mikrokontroléry
- Integrovaný obvod specifický pro aplikaci (ASIC)
- Procesor digitálního signálu (DSP)
- Field-Programmable Gate Array (FPGA)
- Polní programovatelná analogová pole (FPAA)
- System On Chip (SOC)
Odvod tepla a řízení tepla
Teplo generované elektronickými obvody musí být odváděno, aby se zabránilo okamžitému selhání a zlepšila se dlouhodobá spolehlivost. Odvod tepla je většinou dosahován pasivním vedením/konvekcí. Mezi prostředky k dosažení většího rozptylu patří chladiče a ventilátory pro chlazení vzduchem a další formy počítačového chlazení, jako je vodní chlazení . Tyto techniky používají konvekci , vedení a záření z tepelné energie .
Hluk
Elektronický šum je definován jako nežádoucí rušení navrstvené na užitečný signál, které má tendenci zakrývat jeho informační obsah. Hluk není stejný jako zkreslení signálu způsobené obvodem. Hluk je spojen se všemi elektronickými obvody. Hluk může být generován elektromagneticky nebo tepelně, což lze snížit snížením provozní teploty obvodu. Jiné typy šumu, například hluk z výstřelu, nelze odstranit, protože jsou způsobeny omezeními fyzických vlastností.
Teorie elektroniky
Matematické metody jsou nedílnou součástí studia elektroniky. Abyste se naučili dobře v elektronice, musíte také zvládnout matematiku obvodové analýzy.
Analýza obvodu je studium metody řešení obecně lineární systémy pro neznámých proměnných, jako je například napětí v určitém uzlu nebo proudu přes určité větvi části sítě . Běžným analytickým nástrojem je simulátor obvodu SPICE .
Pro elektroniku je také důležité studium a porozumění teorii elektromagnetického pole .
Elektronická laboratoř
Vzhledem ke komplexní povaze teorie elektroniky je laboratorní experimentování důležitou součástí vývoje elektronických zařízení. Tyto experimenty se používají k testování nebo ověření návrhu inženýra a detekci chyb. Historicky se laboratoře elektroniky skládaly z elektronických zařízení a zařízení umístěných ve fyzickém prostoru, ačkoli v posledních letech byl trend směřován k softwaru pro simulaci elektronických laboratoří, jako jsou CircuitLogix , Multisim a PSpice .
Počítačem podporovaný design (CAD)
Dnešní elektroničtí inženýři mají schopnost navrhovat obvody pomocí předem vyrobených stavebních bloků, jako jsou napájecí zdroje , polovodiče (tj. Polovodičová zařízení, jako jsou tranzistory ) a integrované obvody . Softwarové programy pro automatizaci elektronického návrhu zahrnují programy pro schematický záznam a programy pro návrh desek s plošnými spoji . Populární jména v EDA softwarového světě jsou NI Multisim, Cadence ( ORCAD ), EAGLE PCB a Schematické, Mentor (PADS PCB a logický Schematické), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA , kicad a mnoho dalších.
Metody balení
V průběhu let se používalo mnoho různých způsobů spojování komponent. Například raná elektronika často používala ke konstrukci obvodů zapojení point -to -point s komponenty připojenými k dřevěným prkénkům. Dalšími metodami byla konstrukce z kordového dřeva a drátěný obal . Většina moderní elektroniky nyní používá desky s plošnými spoji vyrobené z materiálů, jako je FR4 , nebo levnějšího (a méně odolného) lepeného papíru ze syntetické pryskyřice ( SRBP , také známého jako Paxoline/Paxolin (ochranné známky) a FR2)-vyznačuje se hnědá barva. Zdravotním a ekologickým problémům spojeným s montáží elektroniky je v posledních letech věnována zvýšená pozornost, zejména u produktů určených pro Evropu.
Návrh elektronických systémů
Návrh elektronických systémů se zabývá multidisciplinárními problémy návrhu komplexních elektronických zařízení a systémů, jako jsou mobilní telefony a počítače . Předmět pokrývá široké spektrum, od návrhu a vývoje elektronického systému ( vývoj nového produktu ) až po zajištění jeho správné funkce, životnosti a likvidace . Návrh elektronických systémů je tedy proces definování a vývoje komplexních elektronických zařízení tak, aby splňovaly stanovené požadavky uživatele.
Možnosti montáže
Elektrické součásti se obvykle montují následujícími způsoby:
- Průchozí díra (někdy označovaná jako „Pin-Through-Hole“)
- Pro povrchovou montáž
- Držák na podvozek
- Rack mount
- Zásuvka LGA / BGA / PGA
Elektronický průmysl
Elektronický průmysl se skládá z různých sektorů. Centrální hybnou silou celého elektronického průmyslu je sektor polovodičového průmyslu , který má k roku 2018 roční tržby přes 481 miliard USD . Největším průmyslovým odvětvím je elektronický obchod , který v roce 2017 vygeneroval přes 29 bilionů dolarů . Nejrozšířenější elektronické zařízení je tranzistor s efektem pole s oxidem kovu a polovodičem (MOSFET), přičemž v letech 1960 až 2018 bylo vyrobeno odhadem 13 sextilionů MOSFETů. V 60. letech nebyli američtí výrobci schopni konkurovat japonským společnostem, jako jsou Sony a Hitachi, které by mohly vyrábět vysoce kvalitní zboží za nižší ceny. V 80. letech se však američtí výrobci stali světovými lídry ve vývoji a montáži polovodičů.
Viz také
- Nástin elektroniky
- Atomtronics
- Zvukové inženýrství
- Biologicky rozložitelná elektronika
- Vysílací technika
- Počítačové inženýrství
- Spotřební elektronika
- Elektronické inženýrství
- Technologie elektronického inženýrství
- Fuzzy elektronika
- Rejstřík článků z elektroniky
- Námořní elektronika
- Robotika
- Polovodičový průmysl
- Křemík
- Kondenzátor
Reference
Další čtení
- The Art of Electronics ISBN 978-0-521-37095-0
externí odkazy
- Electronics ve společnosti Curlie
- http://www.dictionary.com/browse/electronics
- Navy 1998 Navy Electricity and Electronics Training Series (NEETS)
- DOE 1998 Elektrotechnika, Příručka základů, 4 sv.
- Sv. 1, Základní elektrická teorie, Základní DC teorie
- Sv. 2, DC obvody, baterie, generátory, motory
- Sv. 3, Základní AC teorie, Základní AC reaktivní součásti, Základní střídavé napájení, Základní AC generátory
- Sv. 4, střídavé motory, transformátory, testovací přístroje a měřicí zařízení, elektrické distribuční systémy