Haupt >> Maschinenbau >> Elektronik

Elektronik

Das Feld von Elektronik umfasst die Untersuchung und Verwendung von Systemen, die durch Steuerung des Flusses von funktionieren Elektronen (oder andere Ladungsträger) in Geräten wie thermionischen Ventilen (Vakuumröhren) und Halbleiter . Der Entwurf und die Konstruktion elektronischer Schaltungen zur Lösung praktischer Probleme ist eine integrale Technik auf dem Gebiet der Elektroniktechnik und ebenso wichtig im Hardwaredesign für die Computertechnik. Alle Anwendungen der Elektronik beinhalten die Übertragung von beidem Information oder Macht. Die meisten beschäftigen sich nur mit Informationen.

Das Studium neuer Halbleiterbauelemente und der umgebenden Technologie wird manchmal als ein Zweig von angesehen Physik . Dieser Artikel konzentriert sich auf Ingenieurwesen Aspekte der Elektronik.

Überblick über elektronische Systeme und Schaltungen

  Kommerzielles digitales Voltmeter, das einen Prototyp überprüft   Vergrößern Kommerzielles digitales Voltmeter, das einen Prototyp überprüft

Elektronische Systeme werden verwendet, um eine Vielzahl von Aufgaben zu erfüllen. Die Hauptanwendungen elektronischer Schaltungen sind:

  1. Die Kontrolle und Verarbeitung von Daten.
  2. Die Umwandlung zu/von und die Verteilung von elektrischem Strom.

Diese beiden Anwendungen umfassen die Erzeugung und/oder Erfassung von elektromagnetischen Feldern und elektrischen Strömen. Während elektrische Energie für einige Zeit vor dem Ende verwendet wurde 19. Jahrhundert Daten per Telegraf zu übermitteln und Telefon Linien, Entwicklung in der Elektronik wuchs exponentiell nach dem Aufkommen von Radio .

Eine Möglichkeit, ein elektronisches System zu betrachten, besteht darin, es in 3 Teile zu unterteilen:

  • Eingänge – Elektronische oder mechanische Sensoren (oder Wandler). Diese Geräte nehmen Signale/Informationen von externen Quellen in der physischen Welt (z. B. Antennen oder Technologienetzwerke) und wandeln diese Signale/Informationen innerhalb des Systems in Strom-/Spannungs- oder digitale (High/Low) Signale um.
  • Signalprozessoren – Diese Schaltungen dienen dazu, eingegebene Signale zu manipulieren, zu interpretieren und umzuwandeln, um sie für eine gewünschte Anwendung nutzbar zu machen. In jüngerer Zeit wurde eine komplexe Signalverarbeitung unter Verwendung digitaler Signalprozessoren durchgeführt.
  • Ausgänge – Aktuatoren oder andere Geräte (z. B. Wandler), die Strom-/Spannungssignale wieder in eine nützliche physikalische Form umwandeln (z. B. durch Ausführen einer physikalischen Aufgabe wie das Drehen eines Elektromotors).

Zum Beispiel ein Fernsehen Set enthält diese 3 Teile. Der Eingang des Fernsehers wandelt ein (von einer Antenne empfangenes oder über ein Kabel eingespeistes) Sendesignal in ein vom Gerät verwertbares Strom-/Spannungssignal um. Signalverarbeitungsschaltkreise im Fernseher extrahieren aus diesem Signal Informationen, die die Helligkeit diktieren, Farbe und Klang eben. Ausgabegeräte wandeln diese Informationen dann wieder in physische Form um. Eine Kathodenstrahlröhre wandelt elektronische Signale in ein sichtbares Bild auf dem Bildschirm um. Magnetbetriebene Lautsprecher wandeln Signale in hörbaren Ton um. [[ MARS-ELEKTRONIK ]]

Elektronische Geräte und Komponenten

Ein elektronisches Bauteil ist ein unteilbarer elektronischer Baustein, der in diskreter Form mit zwei oder mehr Anschlussdrähten oder metallischen Pads verpackt ist. Komponenten sollen miteinander verbunden werden, normalerweise durch Löten auf einer Leiterplatte, um eine elektronische Schaltung mit einer bestimmten Funktion (z. B. Verstärker, Funkempfänger oder Oszillator) zu erstellen. Komponenten können einzeln (Widerstand, Kondensator, Transistor, Diode usw.) oder in mehr oder weniger komplexen Gruppen als integrierte Schaltungen (Operationsverstärker, Widerstandsarray, Logikgatter usw.) verpackt werden. Aktive Komponenten werden manchmal genannt Geräte eher als Komponenten.

Arten von Schaltungen

Analoge Schaltungen

  Hitachi J100 Frequenzumrichterchassis.   Vergrößern Hitachi J100 Frequenzumrichterchassis.

Die meisten analogen elektronischen Geräte, wie z Radio Empfänger, sind aus Kombinationen einiger Arten von Grundschaltungen aufgebaut. Analoge Schaltungen verwenden einen kontinuierlichen Spannungsbereich im Gegensatz zu diskreten Pegeln wie in digitalen Schaltungen. Die Anzahl der bisher entwickelten analogen Schaltungen ist enorm, insbesondere weil eine „Schaltung“ als alles definiert werden kann, von einer einzelnen Komponente bis hin zu Systemen mit Tausenden von Komponenten.

Analoge Schaltungen werden manchmal als lineare Schaltungen bezeichnet, obwohl viele nichtlineare Effekte in analogen Schaltungen wie Mischern, Modulatoren usw. verwendet werden. Gute Beispiele für analoge Schaltungen sind Vakuumröhren- und Transistorverstärker, Operationsverstärker und Oszillatoren.

Einige analoge Schaltungen können heutzutage digitale oder sogar Mikroprozessortechniken verwenden, um die Grundleistung der Schaltung zu verbessern. Diese Art von Schaltung wird normalerweise als 'gemischtes Signal' bezeichnet.

Manchmal kann es schwierig sein, zwischen analogen und digitalen Schaltungen zu unterscheiden, da sie Elemente sowohl des linearen als auch des nichtlinearen Betriebs aufweisen. Ein Beispiel ist der Komparator, der einen kontinuierlichen Spannungsbereich aufnimmt, aber wie in einer digitalen Schaltung nur einen von zwei Pegeln ausgibt. In ähnlicher Weise kann ein übersteuerter Transistorverstärker die Eigenschaften eines gesteuerten Schalters mit im wesentlichen zwei Ausgangspegeln annehmen.

Digitale Schaltungen

Digitale Schaltungen sind elektrische Schaltungen, die auf einer Reihe diskreter Spannungspegel basieren. Digitale Schaltungen sind die gebräuchlichste physikalische Darstellung der Booleschen Algebra und die Grundlage aller digitalen Computer. Für die meisten Ingenieure sind die Begriffe „digitale Schaltung“, „digitales System“ und „Logik“ im Zusammenhang mit digitalen Schaltungen austauschbar. In den meisten Fällen beträgt die Anzahl der unterschiedlichen Zustände eines Knotens zwei, dargestellt durch zwei Spannungspegel, die mit 'Low' und 'High' gekennzeichnet sind. Abhängig von der verwendeten Versorgungsspannung liegt 'Low' oft nahe null Volt und 'High' auf einem höheren Pegel.

Computers , elektronische Uhren und speicherprogrammierbare Steuerungen (zur Steuerung industrieller Prozesse) bestehen aus digitalen Schaltungen. Ein weiteres Beispiel sind digitale Signalprozessoren.

Bausteine:

  • logische Gatter
  • Kreuzotter
  • Binäre Multiplikatoren
  • Flip Flops
  • Zähler
  • registriert
  • Multiplexer
  • Schmitt löst aus

Hochintegrierte Geräte:

  • Mikroprozessoren
  • Mikrocontroller
  • Anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC)
  • Digitaler Signalprozessor (DSP)
  • Feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA)

Mixed-Signal-Schaltungen

Mixed-Signal-Schaltungen beziehen sich auf integrierte Schaltungen (ICs), die sowohl analoge Schaltungen als auch digitale Schaltungen auf einem einzigen Halbleiterchip oder auf derselben Leiterplatte kombiniert haben. Mixed-Signal-Schaltungen werden immer häufiger. Gemischte Schaltungen enthalten sowohl analoge als auch digitale Komponenten. Analog-Digital-Wandler und Digital-Analog-Wandler sind die wichtigsten Beispiele. Andere Beispiele sind Übertragungsgatter und Puffer.

Wärmeableitung und Wärmemanagement

Von elektronischen Schaltkreisen erzeugte Wärme muss abgeführt werden, um einen sofortigen Ausfall zu verhindern und die langfristige Zuverlässigkeit zu verbessern. Techniken für Wärmeableitung kann Kühlkörper und Lüfter zur Luftkühlung und andere Formen der Computerkühlung wie Wasserkühlung umfassen. Diese Techniken verwenden Konvektion, Leitung und Strahlung von Wärmeenergie.

Lärm

Rauschen ist mit allen elektronischen Schaltungen verbunden. Rauschen wird im Allgemeinen als jedes unerwünschte Signal definiert, das am Eingang einer Schaltung nicht vorhanden ist. Rauschen ist nicht dasselbe wie Signalverzerrung, die durch eine Schaltung verursacht wird.

Theorie der Elektronik

Mathematische Methoden sind ein wesentlicher Bestandteil des Studiums der Elektronik. Um Elektronik beherrschen zu können, müssen Sie sich auch mit der Mathematik der Schaltungsanalyse auskennen.

Die Schaltungsanalyse ist die Untersuchung von Methoden zur Lösung allgemein linearer Systeme für unbekannte Variablen wie die Spannung an einem bestimmten Knoten oder den Strom durch einen bestimmten Zweig eines Netzwerks. Ein gängiges Analysewerkzeug hierfür ist der SPICE-Schaltungssimulator.

Ebenfalls wichtig für die Elektronik ist das Studium und Verständnis der elektromagnetischen Feldtheorie.

Elektronische Prüfgeräte

Elektronische Testgeräte werden verwendet, um Stimulussignale zu erzeugen und Antworten von elektronischen Testgeräten (DUTs) zu erfassen. So kann der ordnungsgemäße Betrieb des Prüflings nachgewiesen oder Fehler im Gerät aufgespürt und behoben werden.

Die praktische Elektroniktechnik und -montage erfordert die Verwendung vieler verschiedener Arten von elektronischen Testgeräten, die von sehr einfachen und kostengünstigen (z. B. einem Testlicht, das nur aus einer Glühbirne und einer Messleitung besteht) bis zu extrem komplexen und anspruchsvollen wie automatischen Testgeräten reichen .

Computergestütztes Design (CAD)

Die Elektronikingenieure von heute sind in der Lage, Schaltungen mit vorgefertigten Bausteinen wie Netzteilen, Widerständen, Kondensatoren, Halbleiter (wie Transistoren) und integrierte Schaltkreise . Zu den Softwareprogrammen zur Automatisierung elektronischer Konstruktionen gehören Schaltplanerfassungsprogramme wie EWB (Electronic Work Bench) oder ORCAD oder Eagle Layout Editor, die zur Erstellung von Schaltplänen und Leiterplattenlayouts verwendet werden.

Bauweisen

Im Laufe der Jahre wurden viele verschiedene Methoden zum Verbinden von Komponenten verwendet. Zum Beispiel wurde am Anfang eine Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung unter Verwendung von am Chassis befestigten Tag-Platinen verwendet, um verschiedene elektrische Innereien zu verbinden. Cordwood-Konstruktion und Wire Wraps waren andere verwendete Methoden. Die meisten modernen Elektronikgeräte verwenden jetzt Leiterplatten oder hoch integrierte Schaltkreise .

Zweigseiten

  • Digitale Elektronik
  • Analoge Elektronik
  • Mikroelektronik
  • Fuzzy-Elektronik
  • Elektronische Geräte und Schaltungen
  • Integrierter Schaltkreis
  • Optoelektronik
  • Halbleiter
  • Halbleitergerät