Elektronika

fizika, inžinjerstvo i tehnologija koje se bave emisijom, protokom i kontrolom elektrona

Elektronika obuvata fiziku, inžinjerstvo, tehnologiju i primjene koje se bave emisijom, protokom i kontrolom elektrona u vakuumu i materiji.[1] To je razikuje od klasične elektrotehnike jer koristi aktivne uređaje za kontrolu protoka elektrona pojačavanjem i ispravljanjem, a ne samo pomoću pasivnih efekata poput otpornosti, kapacitivnosti i induktivnosti. Identifikacija elektrona u 1897, zajedno sa naknadnim izumom vakuumske cijevi koja može pojačavati i ispravljati male električne signale, označila je početak polja elektronike i elektronskog doba.[2] Ova razlika je započeta oko 1906. godine sa triodom koju je izumio Lee De Forest i koja je omogućila električno pojačavanje slabih radio signala i audio signala sa nemehaničkim uređajem. Sve do 1950, ovo polje se nazivalo "radio tehnologija", jer je njegova glavna primjena bila u dizajnu i teoriji radio odašiljača, prijemnika i vakuumskih cijevi.

SMD elektronske komponente

Pojam "elektronika čvrstog stanja" (solid-state electronics) se pojavio nakon što su William Shockley, Walter Houser Brattain i John Bardeen izmislili prvi tranzistor 1947. u Bell Labsu. MOSFET (MOS tranzistor) su kasnije u 1959. izmislili Mohamed Atalla i Dawon Kahng u Bell Labsu. MOSFET je bio prvi istinski kompaktni tranzistor koji je mogao biti minijaturan i masovno proizveden za širu upotrebu, što je dovelo do revolucije u elektronskoj industriji, te odrigralo centralnu ulogu u revoluciji mikroelektronike i digitalnoj revoluciji. MOSFET je od tada postao osnovni element u većini modernih elektroničkih uređaja i najrašireniji je elektronički uređaj u svijetu.

Elektronika se masovno koristi u obradi informacija, telekomunikacijama i obradi signala. Mogućnost elektroničkih uređaja da se ponašaju kao prekidači omogućava digitalnu obradu informacija. Tehnologije međusobnog povezivanja kao što su printane ploče, tehnologija pakovanja elektronike i ostale različite forme komunijacijske infrastrukture dovršavaju funkcionalnost sklopa i transformišu pomiješane elektronske komponente u uobičajen radni sistem, koji se naziva elektronički sistem; primjeri su računari ili upravljački sistemi. Elektronički sistem može biti dio drugog projektovanog sistema ili samostalnog uređaja. Od 2019. većina elektroničkih uređaja[3] koristi poluprovodničke komponente za kontrolu elektrona. Elektronički uređaji obično sadrže sklop koji se sastoji od aktivnih poluprovodnika koji su dopunjeni sa pasivnim elementima; takav sklop se opisuje kao električni krug. Elektronika se bavi električnim krugovima koji uključuju aktivne električne komponente kao što su vakuumske cijevi, tranzistori, diode, integralna kola, optoelektroniku i senzore, povezane pasivne električne komponente i tehnologije međusobnog povezivanja. Nelinearno ponašanje aktivnih komponenti i njihova sposobnost kontrole protoka elektrona omogućava pojačavanje slabih signala.

Proučavanje poluprovodničkih uređaja i srodnih tehnologija smatra se granom fizike čvrstog stanja, dok dizajn i konstrukcija električnih kola za rješavanje praktičnih problema spada u elektroničko inžinjerstvo. Ovaj članak se fokusira na inžinjerske aspekte elektronike.

Grane elektronikeUredi

Elektronika se dijeli na sljedeće grane:

  1. Digitalna elektronika
  2. Analogna elektronika
  3. Mikroelektronika
  4. Dizajn strujnog kola
  5. Integralna kola
  6. Energetska elektronika
  7. Optoelektronika
  8. Poluprovodnički uređaji
  9. Ugrađeni sistemi
  10. Audio elektronika
  11. Telekomunikacije

Električni uređaji i komponenteUredi

 
Jedan od najranijih audion radio-prijemnika, kojeg je 1914. napravio De Forest.
 
Elektronički tehničar obavlja naponsku provjeru na ploči električnog kruga u sobi opreme za zračnu navigaciju na nosaču aviona USS Abraham Lincoln (CVN 72).

Elektronska komponenta je svaki fizički dio u električnom sistemu koji se koristi da utiče na elektrone ili sa njima povezana polja na način koji je u skladu sa predviđenom funkcijom električnog sistema. Komponente su uglavom namijenjene za povezivanje zajedno, obično se leme na štampanu ploču (PCB), radi stvaranja električnog kola sa određenom funkcijom (npr. pojačivač, radio-prijemnik ili oscilator). Komponente se mogu pakovati pojedinačno ili u složenije grupe kao integralna kola. Neke od uobičajenih elektronskih komponenti su kondenzatori, zavojnice, otpornici, diode, tranzistori, itd. Komponente se često kategorišu na aktivne (npr. tranzistori ili tiristori) ili pasivne (npr. otpornici, diode, zavojnice ili kondenzatori).[4]

Historija elektronskih komponentiUredi

Vakuumske cijevi (termionički ventili) su bile među najranijim elektronskim komponentama.[5] One su gotovo jedine odgovorne za elektronsku revoluciju prve polovine dvadesetog stoljeća.[6][7] Omogućile su znatno složenije sisteme i dale nam radio, televiziju, fonografe, radar, telefoniju na daljinu i mnogo više. One su odigrale vodeću ulogu u području mikrotalasa i prenosa velike snage, te kod televizijskih prijemnika sve do sredine 1980-ih.[8] Od tog vremena, uređaji sa čvrstim stanjem (solid-state) su ih u potpunosti prestigli u korištenju. Vakuumske cijevi se i dalje koriste u nekim specijalnim aplikacijama kao što su RF pojačivači velike snage, katodne cijevi, specijalna audio oprema, gitarska pojačala i neki mikrovalni uređaji. Prvi tranzistor sa tačkama kontakta su izmislili John Bardeen i Walter Houser Brattain u Bell Labsu 1947. godine.[9] U aprilu 1955, IBM 608 je bio prvi IBM-ov proizvod koji je koristio tranzistorske sklopove bez ikakvih vakuumskih cijevi i vjeruje se da je to bio prvi kalkulator u potpunosti sačinjen od tranzistora koji je proizveden za komercijalno tržište.[10][11] Model 608 je sadržavao više od 3.000 germanijumskih tranzistora. Thomas J. Watson Jr. je naredio da svi budući IBM-ovim proizvodi koriste tranzistore u svom dizajnu. Od tada tranzistori su skoro isključivo korišteni za računarsku logiku i periferne uređaje. Međutim, rani tranzistori su bili relativno glomazni uređaji koje je bilo teško prilagoditi za masovnu proizvodnju, što ih je ograničilo na brojne specijalizirane upotrebe.[12]

MOSFET (MOS tranzistor) su izumili Mohamed Atalla i Dawon Kahng 1959. u Bell Labsu.[13][14][15][16] MOSFET je bio prvi istinski kompaktan tranzistor koji se mogao veoma umanjiti i masovno proizvoditi za širok spektar upotrebe.[12] Njegove prednosti uključuju veliku prilagodljivost,[17] pristupačnost,[18] nisku energetsku potrošnju, te veliku gustoću.[19] Napravio je revoluciju u elektronskoj industriji[20][21] postavši najčešće korišten elektronski uređaj na svijetu.[15][22] MOSFET je osnovni element u većini modernih električnih uređaja[23][24] i bio je ključan za elektronsku revoluciju,[25] revoluciju u mikroelektronici,[26] te digitalnoj revoluciji.[16][27][28][29] MOSFET je stoga zaslužan za rođenje moderne elektronike,[30][31] te moguće najvažniji izum u elektronici.[32]

Vrste krugovaUredi

Krugovi i komponente se mogu podijeliti u dvije grupe: analogni i digitalni. Određeni uređaji se mogu sastojati od krugova koja imaju jednu, drugu ili mješavinu dviju vrsta.

Analogni krugoviUredi

 
Hitachi J100 frekvencijski ispravljač

Većina analognih elektroničkih uređaja, kao što su radio-prijemnici, su izgrađeni od kombinacije nekoliko osnovnih vrsta krugova. Analogni krugovi koriste kontinuirani raspon napona ili struje za razliku od diskretnih nivoa kao u digitalnim krugovima.

Do sada je razvijen ogroman broj različitih analognih krugova, pogotovo zato što se 'krug' može definisati kao bilo šta od jedne komponente do sistema koji sadrži hiljade komponenti.

Analogni krugovi se ponekad nazivaju linearnim krugovima, iako se mnogi nelinearni efekti koriste u analognim krugovima kao što su mikseri, modulatori, itd. Dobri primjeri analognih krugova uključuju vakuumske cijevi i tranzistorske pojačivače, operacijske pojačivače i oscilatore.

Rijetko se mogu pronaći moderni krugovi koji su u potpunosti analogni. U današnjici analogni krugovi mogu koristiti digitalne ili čak mikroprocesorske tehnike za poboljšanje performansi. Ove vrste krugova se obično nazivaju "krugovi mješovitih signala" umjesto samo analogni ili digitalni.

Ponekad je teško razlikovati analogne i digitalne krugove jer oba posjeduju elemente i linearnih i nelinearnih operacija. Jedan primjer je komparator koji na ulazu uzima neprekidni raspon napona, ali na izlazu daje samo jedan od dva nivoa kao u digitalnom krugu. Slično tome, preopterećeni tranzistorski pojačivač može poprimiti karakteristike upravljanog prekidača koji u suštini ima dva izlaza. Zapravo mnogi digitalni krugovi su ustvari implementirani kao varijacije analognih krugova sličnih ovom primjeru – uostalom, svi aspekti stvarnog fizičkog svijeta su u osnovi analogni, tako da se digitalni efekti ostvaruju samo ograničavanjem analognog ponašanja.

Digitalni krugoviUredi

Digitalni krugovi su električni sklopovi koji se temelje na velikom broju diskretnih naponskih nivoa. Digitalni krugovi su najčešći fizički prikaz Booleove algebre i temelj su svih digitalnih računara. Za većinu inžinjera izrazi "digitalni krug", "digitalni sistem" i "logika" predstavljaju istu stvar u kontekstu digitalnih krugova. Većina digitalnih krugova koristi binarni sistem sa dva naponska nivoa označena sa "0" i "1". Često logička "0" označava niži napon, dok logička "1" predstavlja viši napon. Međutim, neki sistemi koriste obrnutu definiciju ("0" predstavlja visoki napon) ili koriste jačinu struje kao osnovu. Često dizajneri logičkih krugova mogu zamijeniti ove definicije iz jednog kruga do sljedećeg u zavisnosti od toga koja definicija najbolje pristaje njegovom dizajnu. Definicija nivoa kao "0" ili "1" je proizvoljna.

Ternarna (sa tri stanja) logika je bila proučavana i napravljeni su određeni prototipi računara.

Računari, električni satovi i PLC-ovi (korišteni za kontrolu industrijskih procesa) su izgrađeni od digitalnih krugova. Digitalni procesori signala su još jedan primjer.

Gradivni blokovi:

Visoko integrisani uređaji:

Teorija elektronikeUredi

Matematičke metode su sastavi dio proučavanja elektronike. Da bi se stekao status stručnjaka u elektronici, potrebno je i poznavanje matematičke analize krugova.

Analiza krugova je proučavanje metoda rješavanja obično linearnih sistema za nepoznate variable kao što je napon na određenom čvoru ili jačina struje kroz određenu granu mreže. Analitički alat koji se često koristi za ovo je SPICE simulator krugova.

Također bitno za elektroniku je proučavanje i razumijevanje teorije elektromagnetnog polja.

Dizajn elektroničkih sistemaUredi

Dizajn elektroničkih sistema se bavi multidisciplinarnim problemima dizajna složenih elektroničkih uređaja i sistema, kao što su mobilni telefoni i računari. Ova oblast pokriva širok spektar od dizajna i razvoja elektroničkih sistema (razvoj novog proizvoda) do osiguravanja njihove ispravne funkcionalnosti, radnog vijeka i odlaganja.[33] Dizajn elektroničkih sistema je proces definisanja i razvoja složenih elektroničkih uređaja koji će udovoljiti određenim zahtjevima korisnika.

Montažne mogućnostiUredi

Elektronske komponente se uglavnom montiraju na sljedeće načine:

  • Kroz rupe (Through-hole)
  • Montiranje na površinu (Surface Mount)
  • Montiranje na kućište (Chassis Mount)
  • LGA/BGA/PGA utičnice (socket)

Također pogledajteUredi

ReferenceUredi

  1. ^ "electronics | Devices, Facts, & History". Encyclopedia Britannica. Pristupljeno 2018-09-19.
  2. ^ "October 1897: The Discovery of the Electron". Pristupljeno 2018-09-19.
  3. ^ Floyd, Thomas L. (2017). Electronics fundamentals : circuits, devices, and applications. ISBN 978-1-292-23880-7. OCLC 1016966297.
  4. ^ Power Electronics and Variable Frequency Drives: Technology and Applications. Wiley Online Library. 1996. doi:10.1002/9780470547113. ISBN 978-0-470-54711-3.
  5. ^ Guarnieri, M. (2012). "The age of vacuum tubes: Early devices and the rise of radio communications". IEEE Ind. Electron. M. 6 (1): 41–43. doi:10.1109/MIE.2012.2182822.
  6. ^ Guarnieri, M. (2012). "The age of vacuum tubes: the conquest of analog communications". IEEE Ind. Electron. M. 6 (2): 52–54. doi:10.1109/MIE.2012.2193274.
  7. ^ Guarnieri, M. (2012). "The age of Vacuum Tubes: Merging with Digital Computing". IEEE Ind. Electron. M. 6 (3): 52–55. doi:10.1109/MIE.2012.2207830.
  8. ^ Sōgo Okamura (1994). History of Electron Tubes. IOS Press. str. 5. ISBN 978-90-5199-145-1. Arhivirano s originala, 31 decembar 2013. Pristupljeno 5. 12. 2012.
  9. ^ "1947: Invention of the Point-Contact Transistor". Computer History Museum. Pristupljeno 10. 8. 2019.
  10. ^ Bashe, Charles J.; et al. (1986). IBM's Early Computers. MIT. str. 386.
  11. ^ Pugh, Emerson W.; Johnson, Lyle R.; Palmer, John H. (1991). IBM's 360 and early 370 systems. MIT Press. str. 34. ISBN 978-0-262-16123-7.
  12. ^ a b Moskowitz, Sanford L. (2016). Advanced Materials Innovation: Managing Global Technology in the 21st century. John Wiley & Sons. str. 168. ISBN 978-0-470-50892-3.
  13. ^ "1960 – Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated". The Silicon Engine. Computer History Museum.
  14. ^ Lojek, Bo (2007). History of Semiconductor Engineering. Springer Science & Business Media. str. 321–3. ISBN 978-3-540-34258-8.
  15. ^ a b "Who Invented the Transistor?". Computer History Museum. 4 December 2013. Pristupljeno 20 July 2019.
  16. ^ a b "Triumph of the MOS Transistor". YouTube. Computer History Museum. 6 August 2010. Pristupljeno 21 July 2019.
  17. ^ Motoyoshi, M. (2009). "Through-Silicon Via (TSV)" (PDF). Proceedings of the IEEE. 97 (1): 43–48. doi:10.1109/JPROC.2008.2007462. ISSN 0018-9219.
  18. ^ "Tortoise of Transistors Wins the Race – CHM Revolution". Computer History Museum. Pristupljeno 22 July 2019.
  19. ^ "Transistors Keep Moore's Law Alive". EETimes. 12 December 2018. Pristupljeno 18 July 2019.
  20. ^ Chan, Yi-Jen (1992). Studies of InAIAs/InGaAs and GaInP/GaAs heterostructure FET's for high speed applications. University of Michigan. str. 1. The Si MOSFET has revolutionized the electronics industry and as a result impacts our daily lives in almost every conceivable way.
  21. ^ Grant, Duncan Andrew; Gowar, John (1989). Power MOSFETS: theory and applications. Wiley. str. 1. ISBN 978-0-471-82867-9. The metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) is the most commonly used active device in the very large-scale integration of digital integrated circuits (VLSI). During the 1970s these components revolutionized electronic signal processing, control systems and computers.
  22. ^ Golio, Mike; Golio, Janet (2018). RF and Microwave Passive and Active Technologies. CRC Press. str. 18–2. ISBN 978-1-4200-0672-8.
  23. ^ Daniels, Lee A. (28 May 1992). "Dr. Dawon Kahng, 61, Inventor In Field of Solid-State Electronics". The New York Times. Pristupljeno 1 April 2017.
  24. ^ Colinge, Jean-Pierre; Greer, James C. (2016). Nanowire Transistors: Physics of Devices and Materials in One Dimension. Cambridge University Press. str. 2. ISBN 978-1-107-05240-6.
  25. ^ Williams, J. B. (2017). The Electronics Revolution: Inventing the Future. Springer. str. 75. ISBN 978-3-319-49088-5. Though these devices were not of great interest at the time, it was to be these Metal Oxide Semiconductor MOS devices that were going to have enormous impact in the future
  26. ^ Zimbovskaya, Natalya A. (2013). Transport Properties of Molecular Junctions. Springer. str. 231. ISBN 978-1-4614-8011-2.
  27. ^ Raymer, Michael G. (2009). The Silicon Web: Physics for the Internet Age. CRC Press. str. 365. ISBN 978-1-4398-0312-7.
  28. ^ Wong, Kit Po (2009). Electrical Engineering – Volume II. EOLSS Publications. str. 7. ISBN 978-1-905839-78-0.
  29. ^ "Transistors – an overview". ScienceDirect. Pristupljeno 8 August 2019.
  30. ^ Kubozono, Yoshihiro; He, Xuexia; Hamao, Shino; Uesugi, Eri; Shimo, Yuma; Mikami, Takahiro; Goto, Hidenori; Kambe, Takashi (2015). "Application of Organic Semiconductors toward Transistors". Nanodevices for Photonics and Electronics: Advances and Applications. CRC Press. str. 355. ISBN 978-981-4613-75-0.
  31. ^ Cerofolini, Gianfranco (2009). Nanoscale Devices: Fabrication, Functionalization, and Accessibility from the Macroscopic World. Springer Science & Business Media. str. 9. ISBN 978-3-540-92732-7.
  32. ^ Thompson, S. E.; Chau, R. S.; Ghani, T.; Mistry, K.; Tyagi, S.; Bohr, M. T. (2005). "In search of "Forever," continued transistor scaling one new material at a time". IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing. 18 (1): 26–36. doi:10.1109/TSM.2004.841816. ISSN 0894-6507. In the field of electronics, the planar Si metal–oxide–semiconductor field-effect transistor (MOSFET) is perhaps the most important invention.
  33. ^ J. Lienig; H. Bruemmer (2017). Fundamentals of Electronic Systems Design. Springer International Publishing. str. 1. doi:10.1007/978-3-319-55840-0. ISBN 978-3-319-55839-4.

Dalje čitanjeUredi

Vanjski linkoviUredi