Elektronik - Electronics

Overflademonterede elektroniske komponenter

Elektronik omfatter fysik , teknik , teknologi og applikationer, der beskæftiger sig med emission, strømning og kontrol af elektroner i vakuum og stof . Det bruger aktive anordninger til kontrol elektronstrømmen ved amplifikation og rektifikation , som adskiller den fra klassisk elektroteknik der anvender passive effekter såsom modstand , kapacitans og induktans til at styre aktuelle flow.

Elektronik har haft en stor effekt på udviklingen af ​​det moderne samfund. Identifikationen af ​​elektronen i 1897 sammen med den efterfølgende opfindelse af vakuumrøret, som kunne forstærke og rette op på små elektriske signaler, indviede elektronikfeltet og elektronalderen. Denne sondring startede omkring 1906 med opfindelsen af Lee De Forest fra trioden , hvilket muliggjorde elektrisk forstærkning af svage radiosignaler og lydsignaler med en ikke-mekanisk enhed. Indtil 1950 var dette område kaldet " radioteknologi ", fordi dets vigtigste ansøgning var design og teori om radio- sendere , modtagere og vakuumrør .

Udtrykket " solid-state elektronik " opstod efter den første arbejdsdag transistor blev opfundet af William Shockley , Walter Houser Brattain og John BardeenBell Labs i 1947. MOSFET ( MOS transistor ) blev senere opfundet af Mohamed Atalla og Dawon Kahng på Bell Labs i 1959. MOSFET var den første virkelig kompakte transistor, der kunne miniaturiseres og masseproduceres til en lang række anvendelser, revolutionere elektronikindustrien og spille en central rolle i mikroelektronikrevolutionen og Digital Revolution . MOSFET er siden blevet grundelementet i det mest moderne elektroniske udstyr og er den mest udbredte elektroniske enhed i verden.

Elektronik bruges meget i informationsbehandling , telekommunikation og signalbehandling . Elektroniske apparaters evne til at fungere som switche gør digital informationsbehandling mulig. Sammenkobling teknologier såsom printplader , elektronik emballage teknologi, og andre forskellige former for infrastruktur kommunikation komplet kredsløb funktionalitet og omdanne de blandede elektroniske komponenter til en regulær arbejdsmiljø -system , kaldet et elektronisk system ; eksempler er computere eller kontrolsystemer . Et elektronisk system kan være en komponent i et andet konstrueret system eller en selvstændig enhed. Fra 2019 bruger de fleste elektroniske enheder halvlederkomponenter til at udføre elektronstyring. Almindeligvis indeholder elektroniske apparater kredsløb, der består af aktive halvledere suppleret med passive elementer; et sådant kredsløb beskrives som et elektronisk kredsløb . Elektronik beskæftiger sig med elektriske kredsløb, der involverer aktive elektriske komponenter såsom vakuumrør , transistorer , dioder , integrerede kredsløb , optoelektronik og sensorer , tilhørende passive elektriske komponenter og sammenkoblingsteknologier. Den ikke -lineære opførsel af aktive komponenter og deres evne til at kontrollere elektronstrømme gør forstærkning af svage signaler mulig.

Undersøgelsen af halvlederudstyr og tilhørende teknologi betragtes som en gren af elektronik i fast tilstand .

Filialer af elektronik

Elektronik har filialer som følger:

  1. Digital elektronik
  2. Analog elektronik
  3. Mikroelektronik
  4. Kredsløbsdesign
  5. Integrerede kredsløb
  6. Strømelektronik
  7. Optoelektronik
  8. Halvlederanordninger
  9. Indlejrede systemer
  10. Lydelektronik
  11. Telekommunikation
  12. Nanoelektronik
  13. Bioelektronik

Elektroniske enheder og komponenter

En af de tidligste Audion -radiomodtagere , konstrueret af De Forest i 1914.
Elektroniktekniker udfører en spændingskontrol på et strømkortskort i luftnavigeringsudstyrsrummet ombord på hangarskibet USS Abraham Lincoln (CVN-72) .

En elektronisk komponent er enhver fysisk enhed i et elektronisk system, der bruges til at påvirke elektronerne eller deres tilknyttede felter på en måde, der er i overensstemmelse med det tilsigtede funktioner i det elektroniske system. Komponenter er generelt beregnet til at blive forbundet sammen, normalt ved at blive loddet til et printkort (PCB), for at oprette et elektronisk kredsløb med en bestemt funktion (f.eks. En forstærker , radiomodtager eller oscillator ). Komponenter kan pakkes enkeltvis eller i mere komplekse grupper som integrerede kredsløb . Nogle almindelige elektroniske komponenter er kondensatorer , induktorer , modstande , dioder , transistorer osv. Komponenter kategoriseres ofte som aktive (f.eks. Transistorer og tyristorer ) eller passive (f.eks. Modstande , dioder , induktorer og kondensatorer ).

Historik om elektroniske komponenter

Vakuumrør (termioniske ventiler) var blandt de tidligste elektroniske komponenter. De var næsten alene ansvarlige for den elektroniske revolution i første halvdel af det tyvende århundrede. De gav mulighed for langt mere komplicerede systemer og gav os radio , fjernsyn , fonografer , radar , langdistance telefoni og meget mere. De spillede en ledende rolle inden for mikrobølge- og højeffektoverførsel samt fjernsynsmodtagere indtil midten af ​​1980'erne. Siden dengang har solid-state- enheder næsten helt overtaget. Vakuumrør bruges stadig i nogle specialiserede applikationer, såsom højeffektive RF -forstærkere , katodestrålerør , specialiseret lydudstyr, guitarforstærkere og nogle mikrobølgeenheder .

Den første arbejdspunkt -kontakt-transistor blev opfundet af John Bardeen og Walter Houser Brattain på Bell Labs i 1947. I april 1955 var IBM 608 det første IBM- produkt, der brugte transistorkredsløb uden vakuumrør og menes at være det første alle -transistoriseret lommeregner, der skal fremstilles til det kommercielle marked. 608 indeholdt mere end 3.000 germanium -transistorer. Thomas J. Watson Jr. beordrede alle fremtidige IBM -produkter til at bruge transistorer i deres design. Fra den tid blev transistorer næsten udelukkende brugt til computerlogik og periferiudstyr. Imidlertid var tidlige krydsstransistorer relativt omfangsrige enheder, der var vanskelige at fremstille på masseproduktionsbasis , hvilket begrænsede dem til en række specialiserede applikationer.

Den MOSFET (MOS transistor) blev opfundet af Mohamed Atalla og Dawon Kahng hos Bell Labs i 1959. MOSFET var det første virkelig kompakt transistor, der kan miniaturiseres og masseproduceres til en bred vifte af anvendelser. Dens fordele omfatter høj skalerbarhed , overkommelig pris, lavt strømforbrug og høj densitet . Det revolutionerede elektronikindustrien og blev den mest anvendte elektroniske enhed i verden. MOSFET er grundelementet i det meste moderne elektronisk udstyr og har været centralt i elektronikrevolutionen, mikroelektronikrevolutionen og den digitale revolution . MOSFET er således blevet krediteret som fødslen af ​​moderne elektronik og muligvis den vigtigste opfindelse inden for elektronik.

Typer af kredsløb

Kredsløb og komponenter kan opdeles i to grupper: analog og digital. En bestemt enhed kan bestå af kredsløb, der har den ene eller den anden eller en blanding af de to typer. En vigtig elektronisk teknik inden for både analog og digital elektronik involverer brug af feedback . Blandt mange andre ting gør dette det muligt at lave meget lineære forstærkere med høj forstærkning og digitale kredsløb som registre, computere og oscillatorer.

Analoge kredsløb

Hitachi J100 frekvensomformerkabinet

De fleste analoge elektroniske apparater, såsom radio -modtagere, er konstrueret af kombinationer af nogle få typer af grundlæggende kredsløb. Analoge kredsløb bruger et kontinuerligt spændings- eller strømområde i modsætning til diskrete niveauer som i digitale kredsløb.

Antallet af forskellige analoge kredsløb, der hidtil er udtænkt, er enormt, især fordi et 'kredsløb' kan defineres som alt fra en enkelt komponent til systemer, der indeholder tusindvis af komponenter.

Analoge kredsløb kaldes undertiden lineære kredsløb, selvom mange ikke-lineære effekter bruges i analoge kredsløb som blandere, modulatorer osv. Gode eksempler på analoge kredsløb inkluderer vakuumrør og transistorforstærkere, operationsforstærkere og oscillatorer.

Man finder sjældent moderne kredsløb, der er helt analoge. I disse dage kan analoge kredsløb bruge digitale eller endda mikroprocessorteknikker til at forbedre ydeevnen. Denne type kredsløb kaldes normalt "blandet signal" frem for analog eller digital.

Nogle gange kan det være svært at skelne mellem analoge og digitale kredsløb, da de har elementer af både lineær og ikke-lineær drift. Et eksempel er komparatoren, der optager et kontinuerligt spændingsområde, men kun udsender et af to niveauer som i et digitalt kredsløb. På samme måde kan en overdriven transistorforstærker overtage egenskaberne ved en kontrolleret switch med i det væsentlige to outputniveauer. Faktisk er mange digitale kredsløb faktisk implementeret som variationer af analoge kredsløb, der ligner dette eksempel - trods alt er alle aspekter af den virkelige fysiske verden i det væsentlige analoge, så digitale effekter realiseres kun ved at begrænse analog adfærd.

Digitale kredsløb

Digitale kredsløb er elektriske kredsløb baseret på en række diskrete spændingsniveauer. Digitale kredsløb er den mest almindelige fysiske repræsentation af boolsk algebra og er grundlaget for alle digitale computere. For de fleste ingeniører er udtrykkene "digitalt kredsløb", "digitalt system" og "logik" udskiftelige i forbindelse med digitale kredsløb. De fleste digitale kredsløb bruger et binært system med to spændingsniveauer mærket "0" og "1". Ofte vil logik "0" være en lavere spænding og betegnes som "lav", mens logik "1" omtales som "høj". Nogle systemer bruger imidlertid den omvendte definition ("0" er "Høj") eller er strømbaserede. Ret ofte kan logikeren designe disse definitioner fra det ene kredsløb til det næste, som han finder passende, vende for at lette sit design. Definitionen af ​​niveauerne som "0" eller "1" er vilkårlig.

Ternær (med tre tilstande) logik er blevet undersøgt, og nogle prototype computere er lavet.

Computere , elektroniske ure og programmerbare logiske controllere (bruges til at styre industrielle processer) er konstrueret af digitale kredsløb. Digitale signalprocessorer er et andet eksempel.

Byggesten:

Meget integrerede enheder:

Varmeafledning og termisk styring

Varme, der genereres af elektroniske kredsløb, skal spredes for at forhindre øjeblikkelig fejl og forbedre langsigtet pålidelighed. Varmespredning opnås for det meste ved passiv ledning/konvektion. Midler til at opnå større spredning omfatter kølelegemer og blæsere til luftkøling og andre former for computerkøling såsom vandkøling . Disse teknikker bruger konvektion , ledning og stråling af varmeenergi .

Støj

Elektronisk støj defineres som uønskede forstyrrelser overlejret på et nyttigt signal, der har en tendens til at skjule dets informationsindhold. Støj er ikke det samme som signalforvrængning forårsaget af et kredsløb. Støj er forbundet med alle elektroniske kredsløb. Støj kan genereres elektromagnetisk eller termisk, hvilket kan reduceres ved at sænke kredsløbets driftstemperatur . Andre former for støj, såsom skudstøj, kan ikke fjernes, da de skyldes begrænsninger i fysiske egenskaber.

Elektronik teori

Matematiske metoder er en integreret del af studiet af elektronik. For at blive dygtig i elektronik er det også nødvendigt at blive dygtig i matematikken i kredsløbsanalyse.

Kredsløbsanalyse er studiet af metoder til løsning af generelt lineære systemer for ukendte variabler, såsom spændingen ved en bestemt knude eller strømmen gennem en bestemt gren af et netværk . Et almindeligt analyseværktøj til dette er SPICE kredsløbssimulator.

Også vigtigt for elektronik er studiet og forståelsen af elektromagnetisk feltteori.

Elektroniklaboratorium

På grund af den elektroniske teoris komplekse karakter er laboratorieforsøg en vigtig del af udviklingen af ​​elektroniske enheder. Disse eksperimenter bruges til at teste eller verificere ingeniørens design og opdage fejl. Historisk set har elektroniklaboratorier bestået af elektronikudstyr og udstyr placeret i et fysisk rum, selvom tendensen i de senere år har været i retning af elektroniklab -simuleringssoftware , såsom CircuitLogix , Multisim og PSpice .

Computerstøttet design (CAD)

Dagens elektronikingeniører har mulighed for at designe kredsløb ved hjælp af præfabrikerede byggesten, såsom strømforsyninger , halvledere (dvs. halvlederanordninger, såsom transistorer ) og integrerede kredsløb . Elektroniske designautomatiseringssoftwareprogrammer omfatter skematiske optagelsesprogrammer og printkortdesignprogrammer . Populære navne i EDA -softwareverdenen 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.

Emballeringsmetoder

Mange forskellige metoder til at forbinde komponenter er blevet brugt gennem årene. For eksempel brugte tidlig elektronik ofte punkt til punkt -ledninger med komponenter fastgjort til træbrædder til at konstruere kredsløb. Cordwood konstruktion og wire wrap var andre metoder, der anvendes. De fleste moderne elektronikker bruger nu printkort lavet af materialer som FR4 eller billigere (og mindre slidstærkt) syntetisk harpiksbundet papir ( SRBP , også kendt som Paxoline/Paxolin (varemærker) og FR2)-kendetegnet ved dets brun farve. Sundheds- og miljøhensyn forbundet med elektronikmontering har fået større opmærksomhed i de seneste år, især for produkter bestemt til europæeren.

Design af elektroniske systemer

Elektronisk systemdesign beskæftiger sig med tværfaglige designspørgsmål for komplekse elektroniske enheder og systemer, såsom mobiltelefoner og computere . Emnet dækker et bredt spektrum, fra design og udvikling af et elektronisk system (udvikling af nyt produkt ) til sikring af dets korrekte funktion, levetid og bortskaffelse . Elektronisk systemdesign er derfor processen med at definere og udvikle komplekse elektroniske enheder, der opfylder brugerens specifikke krav .

Monteringsmuligheder

Elektriske komponenter monteres generelt på følgende måder:

Elektronikindustrien

Den elektroniske industri består af forskellige sektorer. Den centrale drivkraft bag hele elektronikindustrien er halvlederindustrisektoren , der har et årligt salg på over $ 481 milliarder fra og med 2018. Den største industrisektor er e-handel , der genererede over $ 29 billioner i 2017. Den mest fremstillede elektroniske enhed er metaloxid-halvlederfelt-effekt-transistoren (MOSFET), med anslået 13 sekstion MOSFET'er, der er blevet fremstillet mellem 1960 og 2018. I 1960'erne var amerikanske producenter ude af stand til at konkurrere med japanske virksomheder som Sony og Hitachi, der kunne producere varer af høj kvalitet til lavere priser. I 1980'erne blev amerikanske producenter imidlertid verdens førende inden for halvlederudvikling og samling.  

Se også

Referencer

Yderligere læsning

eksterne links