Elektronik

Modern Oberflächenmontage Elektronische Komponenten auf einer gedruckten Leiterplatte mit einem großen integrierten Schaltkreis oben.

Das Feld von Elektronik ist ein Zweig von Physik und Elektrotechnik Das befasst sich mit Emission, Verhalten und Auswirkungen von Elektronen Verwendung elektronische Geräte. Elektronik verwendet aktive Geräte kontrollieren Elektronenfluss durch Verstärkung und Berichtigung, was es von klassischer Elektrotechnik unterscheidet, die nur verwendet Passive Effekte wie zum Beispiel Widerstand, Kapazität und Induktivität den elektrischen Stromfluss steuern.

Geschichte und Entwicklung

Einer der frühesten Audion Funkempfänger, 1914 von De Forest gebaut.

Elektronik hat die Entwicklung der modernen Gesellschaft stark beeinflusst. Die Identifizierung des Elektrons im Jahr 1897 zusammen mit der anschließenden Erfindung des Vakuumröhre Dies könnte kleine elektrische Signale verstärken und korrigieren, das Elektronikfeld und das Elektronenalter eingeweiht.[1] Praktische Anwendungen begannen mit der Erfindung der Diode durch Ambrose Fleming und die Triode durch Lee de Forest Anfang des 20. Jahrhunderts, was die Erkennung kleiner elektrischer Spannungen wie z. Radiosignale von einem Funkantenne möglich mit einem nicht mechanischen Gerät.

Vakuumröhren (Thermionventile) waren die ersten aktiven elektronischen Komponenten, die den Stromfluss durch Einfluss des Flusses einzelner Elektronen, kontrollierten,[2] Sie waren für die Elektronikrevolution der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts verantwortlich.[3][4] Sie ermöglichten den Bau von Geräten, bei denen die Stromverstärkung und -geräuschung verwendet wurden, um uns zu geben Radio, Fernsehen, Radar, Fernie und vieles mehr. Das frühe Wachstum der Elektronik war schnell, und in den 1920er Jahren wurden kommerzielle Radiosradition und Kommunikation weit verbreitet und elektronische Verstärker in verschiedenen Anwendungen wie Langstrecken Telefonie und Musikaufnahmeindustrie.

Der nächste große technologische Schritt dauerte mehrere Jahrzehnte, als der erste arbeitete Punktkontakttransistor wurde erfunden von John Bardeen und Walter Houser Brattain 1947 bei Bell Labs.[5] Vakuumröhrchen spielten jedoch bis Mitte der 1980er Jahre eine führende Rolle im Bereich der Mikrowellen- und Hochleistungsübertragung sowie Fernsehempfänger.[6] Seit damals, fester Zustand Geräte haben fast vollständig übernommen. Vakuumröhrchen werden noch in einigen Spezialanwendungen verwendet, wie z. Hochleistungs -HF -Verstärker, Kathodenstrahlröhren, Spezialistische Audioausrüstung, Gitarrenverstärker und einige Mikrowellengeräte.

Im April 1955 die IBM 608 war der erste IBM Produkt zur Verwendung von Transistorschaltungen ohne Vakuumröhrchen und gilt als das erste All-Transistorisierte Taschenrechner für den kommerziellen Markt hergestellt werden.[7][8] Der 608 enthielt mehr als 3.000 Germanium Transistoren. Thomas J. Watson Jr. Bestellte alle zukünftigen IBM -Produkte, um Transistoren in ihrem Design zu verwenden. Ab diesem Zeitpunkt wurden bei Transistoren fast ausschließlich für Computerlogik und Peripheriegeräte verwendet. Jedoch früh Junction -Transistoren waren relativ sperrige Geräte, die auf a schwer zu produzieren waren Massenproduktion Basis, die sie auf eine Reihe spezialisierter Anwendungen beschränkte.[9]

Das Mosfet (MOS -Transistor) wurde von erfunden von Mohamed Atalla und Dawon Kahng 1959 bei Bell Labs.[10][11][12][13] Das MOSFET war der erste wirklich kompakte Transistor, der für eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten miniaturisiert und massenproduziert werden konnte.[9] Zu seinen Vorteilen gehören hohe Skalierbarkeit,[14] Bezahlbarkeit,[15] Niedriger Stromverbrauch und Hohe Dichte.[16] Es revolutionierte die Elektronik-Industrie,[17][18] zum am häufigsten verwendeten elektronischen Gerät der Welt werden.[12][19] Das MOSFET ist das Grundelement in den meisten modernen elektronischen Geräten.[20][21]

Als die Komplexität der Schaltungen zunahm, traten Probleme auf. [22] Ein Problem war die Größe der Schaltung. Eine komplexe Schaltung wie ein Computer war von der Geschwindigkeit abhängig. Wenn die Komponenten groß waren, müssen die Drähte, die sie verbinden, lang. Die elektrischen Signale brauchten Zeit, um die Schaltung durchzugehen und so den Computer zu verlangsamen.[22] Das Erfindung der integrierten Schaltung durch Jack Kilby und Robert Noyce löste dieses Problem, indem alle Komponenten und der Chip aus demselben Block (Monolith) des Halbleitermaterials herausgebracht wurden. Die Schaltkreise könnten kleiner werden und der Herstellungsprozess automatisiert werden. Dies führte zu der Idee, alle Komponenten in einen einkristallischen Siliziumwafer zu integrieren, der in den frühen 1960er Jahren zu einer kleinen Integration (SSI) und dann in den späten 1960er Jahren zu einer Integration mit mittlerer Maßstab (MSI) führte VLSI. Im Jahr 2008 wurden Milliardentransistorverarbeiter im Handel erhältlich.

Gegenwärtige Elektronikzweige

Die Elektronik im Jahr 2022 hat Hauptzweige wie folgt:

  1. Digitale Elektronik
  2. Analogelektronik
  3. Mikroelektronik
  4. Schaltungsdesign
  5. Integrierte Schaltkreise
  6. Leistungselektronik
  7. Optoelektronik
  8. Halbleiterbauelemente
  9. Eingebettete Systeme
  10. Audioelektronik
  11. Telekommunikation
  12. Nanoelektronik
  13. Bioelektronik

Elektronische Geräte und Komponenten

Elektrotechniker Durchführen einer Spannungsprüfung einer Stromkreiskarte im Luftnavigationsausrüstungraum an Bord des Flugzeugträgers USS Abraham Lincoln (CVN-72).

Eine elektronische Komponente ist jede Komponente in einem elektronisches System entweder aktiv oder passiv. Komponenten sind miteinander verbunden, normalerweise durch Löt an a gedruckte Leiterplatte (PCB), um eine elektronische Schaltung mit einer bestimmten Funktion zu erstellen. Komponenten können einzeln oder in komplexeren Gruppen als verpackt werden integrierte Schaltkreise. Passive elektronische Komponenten sind Kondensatoren, Induktoren, Widerstände, während aktive Komponenten wie Halbleitergeräte sind; Transistoren und Thyristoren, welcher Steuerstromfluss auf Elektronenhöhe. [23]

Arten von Schaltungen

Elektronische Schaltungsfunktionen können in zwei Funktionsgruppen unterteilt werden: analog und digital. Ein bestimmtes Gerät kann aus Schaltkreisen bestehen, die das eine oder andere oder eine Mischung der beiden Typen haben. Analoge Schaltungen werden weniger verbreitet, da viele ihrer Funktionen digitalisiert werden.

Analoge Schaltungen

Hitachi J100 einstellbares Frequenz -Antriebs -Chassis

Die meisten Analog elektronisch Geräte wie z. Radio Empfänger werden aus Kombinationen einiger Arten von Grundschaltungen hergestellt. Analoge Schaltungen Verwenden Sie einen kontinuierlichen Spannungsbereich oder Strom im Gegensatz zu diskreten Werten wie in digitalen Schaltungen.

Die Anzahl der verschiedenen analogen Schaltkreise, die bisher entwickelt wurden, ist riesig, insbesondere weil ein „Schaltkreis“ von einer einzelnen Komponente bis hin zu Systemen mit Tausenden von Komponenten definiert werden kann.

Analoge Schaltungen werden manchmal genannt Lineare Schaltungen Obwohl viele nichtlineare Effekte in analogen Schaltungen wie Mixern, Modulatoren usw. verwendet werden. Gute Beispiele für analoge Schaltungen umfassen Vakuumrohr- und Transistorverstärker, operative Verstärker und Oszillatoren.

Man findet selten moderne Schaltkreise, die vollständig analog sind - heutzutage kann analogische Schaltkreise digital oder sogar verwenden Mikroprozessor Techniken zur Verbesserung der Leistung. Diese Art von Schaltung wird normalerweise eher als "gemischtes Signal" als analog oder digital bezeichnet.

Manchmal kann es schwierig sein, zwischen analogen und digitalen Schaltungen zu unterscheiden, da sie Elemente sowohl linearer als auch nichtlinearer Betrieb aufweisen. Ein Beispiel ist der Komparator, der einen kontinuierlichen Spannungsbereich aufnimmt, aber nur eine von zwei Ebenen wie in einem digitalen Schaltkreis ausgibt. In ähnlicher Weise kann ein übersteuerer Transistorverstärker die Eigenschaften eines kontrollierten Anteils annehmen Schalter im Wesentlichen zwei Ausgangsebenen haben. Tatsächlich werden viele digitale Schaltungen tatsächlich als Variationen von analogen Schaltkreisen implementiert, die diesem Beispiel ähneln. Schließlich sind alle Aspekte der realen physikalischen Welt im Wesentlichen analog, sodass digitale Effekte nur durch Einschränkung des analogen Verhaltens realisiert werden.

Digitale Schaltungen

Digitale Schaltkreise sind elektrische Schaltungen, die auf einer Reihe diskreter Spannungsniveaus basieren. Digitale Schaltungen sind die häufigste physikalische Darstellung von boolsche Algebra und sind die Grundlage aller digitalen Computer. Für die meisten Ingenieure sind die Begriffe "digitaler Schaltkreis", "digitales System" und "Logik" im Zusammenhang mit digitalen Schaltungen austauschbar. Die meisten digitalen Schaltkreise verwenden a Binärsystem mit zwei Spannungsstufen mit der Bezeichnung "0" und "1". Oft ist Logik "0" eine niedrigere Spannung und wird als "niedrig" bezeichnet, während die Logik "1" als "hoch" bezeichnet wird. Einige Systeme verwenden jedoch die umgekehrte Definition ("0" ist "hoch") oder basiert auf Strom. Sehr oft kann der Logikdesigner diese Definitionen von einer Schaltung zum nächsten umkehren, da er für geeignet hält, um ihr Design zu erleichtern. Die Definition der Ebenen als "0" oder "1" ist willkürlich.

Ternär (mit drei Zuständen) Die Logik wurde untersucht und einige Prototyp -Computer erstellt.

Computers, elektronisch Uhren, und Programmierbare Logikkontroller (Wird zur Kontrolle von industriellen Prozessen verwendet) werden von konstruiert Digital Schaltungen. Digitale Signalprozessoren sind ein anderes Beispiel.

Bausteine:

Hoch integrierte Geräte:

Wärmeabteilung und thermisches Management

Hitze Erzeugt durch elektronische Schaltkreise muss abgeleitet werden, um sofortige Ausfälle zu verhindern und die langfristige Zuverlässigkeit zu verbessern. Wärmeableitung wird meistens durch passive Leitung/Konvektion erreicht. Mittel zur Erreichung einer größeren Dissipation einzuschließen Temperatur fällt und Fans für die Luftkühlung und andere Formen von Computerkühlung wie zum Beispiel Wasserkühlen. Diese Techniken verwenden Konvektion, Leitung, und Strahlung von Wärmeenergie.

Lärm

Elektronisches Rauschen ist definiert[24] als unerwünschte Störungen über ein nützliches Signal, das dazu neigen, seinen Informationsgehalt zu verdecken. Das Rauschen ist nicht dasselbe wie durch eine Schaltung verursachte Signalverzerrung. Rauschen ist mit allen elektronischen Schaltkreisen verbunden. Rauschen kann elektromagnetisch oder thermisch erzeugt werden, was durch Senkung der Verringerung verringert werden kann Betriebstemperatur der Schaltung. Andere Arten von Geräuschen, wie z. Schuss Lärm kann nicht entfernt werden, da sie auf Einschränkungen bei physikalischen Eigenschaften zurückzuführen sind.

Elektroniktheorie

Mathematische Methoden sind ein wesentlicher Bestandteil der Untersuchung der Elektronik. Um die Elektronik zu beherrschen, muss auch die Mathematik der Schaltungsanalyse beherrscht werden.

Die Schaltungsanalyse ist die Untersuchung von Methoden zur Lösung allgemein linearer Systeme für unbekannte Variablen wie die Spannung bei einem bestimmten Knoten oder der Strom durch eine bestimmte Zweig von a Netzwerk. Ein gemeinsames analytisches Instrument dafür ist das WÜRZEN Schaltungssimulator.

Auch wichtig für die Elektronik ist das Studium und das Verständnis von elektromagnetisches Feld Theorie.

Elektroniklabor

Aufgrund der Komplexität der Elektroniktheorie ist das Laborversagen ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung elektronischer Geräte. Diese Experimente werden verwendet, um das Design des Ingenieurs zu testen oder zu überprüfen und Fehler zu erkennen. In der Vergangenheit bestanden Elektroniklabors aus Elektronikgeräten und -geräten in einem physischen Raum, obwohl in den letzten Jahren der Trend zu Electronics Labor -Simulationssoftware wie z. CircuitLogix, Multisim, und PSPICE.

Computergestütztes Design (CAD)

Die heutigen Elektronikingenieure haben die Fähigkeit dazu Entwurf Schaltungen mit vorbereiteten Bausteinen wie z. Netzteile, Halbleiter (d. H. Halbleitergeräte wie Transistoren) und integrierte Schaltungen. Elektronische Designautomatisierung Softwareprogramme umfassen Schematische Erfassung Programme und gedruckte Leiterplatte Designprogramme. Beliebte Namen in der EDA -Software -Welt sind Ni Multisim, Cadence (Orcad), ADLER PCB und Schema, Mentor (PADS PCB und Logikschema), Altium (Protese), Labcentre Electronics (Proteus), Geda, Kicad und viele andere.

Verpackungsmethoden

Im Laufe der Jahre wurden viele verschiedene Methoden zur Verbindung von Komponenten eingesetzt. Zum Beispiel, die frühe Elektronik häufig verwendet Punkte zu Punktverdrahtung mit Komponenten an Holzstücken zum Bau von Schaltkreisen. Cordwood -Konstruktion und Drahtverpackung wurden andere Methoden verwendet. Die meisten modernen Elektronik verwenden jetzt gedruckte Leiterplatten aus Materialien wie FR4, oder das billigere (und weniger hartlebende) synthetische Harz-gebundenes Papier (Srbp, auch bekannt als Paxolin/Paxolin (Marken) und FR2) - gekennzeichnet durch seine braune Farbe. Gesundheits- und Umweltprobleme im Zusammenhang mit der Montage der Elektronik haben in den letzten Jahren erhöhte Aufmerksamkeit auf sich gezogen, insbesondere für Produkte, die für den Europäer bestimmt sind.

Elektronisches Systemdesign

Das Design des elektronischen Systems befasst sich mit den multidisziplinären Designproblemen komplexer elektronischer Geräte und Systeme wie z. Mobiltelefone und Computers. Das Subjekt deckt ein breites Spektrum aus der Gestaltung und Entwicklung eines elektronischen Systems ab (neue Produktentwicklung) um seine ordnungsgemäße Funktion, das Lebensleben und seine ordnungsgemäße Funktion zu versichern Verfügung.[25] Das Design elektronischer Systeme ist daher der Prozess der Definition und Entwicklung komplexer elektronischer Geräte, um die angegebenen zu erfüllen Bedarf des Benutzer.

Montageoptionen

Elektrische Komponenten werden im Allgemeinen auf folgende Weise montiert:

Elektronik-Industrie

Das Elektronik-Industrie besteht aus verschiedenen Sektoren. Die zentrale treibende Kraft hinter der gesamten Elektronikindustrie ist die Halbleiterindustrie Sektor,[26] was einen Jahresumsatz von Over hat 481 Milliarden US -Dollar Ab 2018.[27] Der größte Branchensektor ist E-Commerce, was überzeugt wurde 29 Billionen Dollar 2017.[28] Das am weit verbreitetsten elektronischen Gerät ist der Metalloxid-Sämiener-Feld-Effekt-Transistor (MOSFET) mit geschätzten 13 Sextillion MOSFets wurden zwischen 1960 und 2018 hergestellt.[29] In den 1960er Jahren konnten die US -Hersteller nicht mit japanischen Unternehmen konkurrieren, z. B. Sony und Hitachi Wer könnte hochwertige Waren zu niedrigeren Preisen produzieren. In den 1980er Jahren wurden die US -Hersteller jedoch weltweit führend in der Halbleiterentwicklung und -versammlung.[30]

Siehe auch

Verweise

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Weitere Lektüre

Externe Links