Elektroniko
| Elektroniko | |||||
|---|---|---|---|---|---|
 | |||||
| Surfacmuntitaj elektronikaj komponantoj | |||||
| scienca fako studfako  | |||||
| teĥniko | |||||
| |||||
Elektroniko estas la scienco kaj la tekniko pri la regado de liberaj elektronoj. Kiel scienco ĝi estas parto de fiziko; kiel tekniko ĝi naskiĝis kiel branĉo de la elektra inĝenierarto.
La elektronika inĝenierarto okupiĝas pri transmisio kaj prilaborado de elektraj signaloj, kiuj permesas sendi aŭ ricevi informojn uzante la principojn de elektro kaj elektromagnetismo. La elektroniko uzas ĝenerale malfortajn tensiojn kaj kurentojn, ĉar informo povas esti transdonita per malgranda energio.
Elektroniko pritraktas elektrajn cirkvitojn, kiuj implicas aktivajn elektrajn komponantojn kiel ekzemple elektronaj tuboj, transistoroj, diodoj kaj integritaj cirkvitoj, kaj rilatajn pasivajn interligteknologiojn. Kutime, elektronikaj aranĝaĵoj entenas cirkviton unue aŭ ekskluzive el aktivaj duonkonduktantoj kompletigitaj kun pasivaj elementoj; tia cirkvito priskribiĝas kiel elektronika cirkvito.
La nelineara konduto de aktivaj komponantoj kaj ilia kapablo reguli elektronfluojn ebligas amplifon de malfortaj signaloj, tial elektroniko estas vaste uzata en rega sistemo, informprocezo, telekomunikado kaj signal-prilaborado. La kapablo de elektronikaj aparatoj por funkcii kiel ŝaltiloj ebligas ciferecan informprocezon. Interligteknologioj kiel ekzemple cirkvitaj tabuloj, elektronika enpakadoteknologio kaj aliaj multfacetaj formoj de komunikadinfrastrukturo kompletigas cirkvitfunkciecon kaj transformas la miksitajn komponantojn al en regula laborsistemo.
Historio
[redakti | redakti fonton]La identigo de la elektrono en 1897 fare de Sir Joseph John Thomson, kio kondukis al la sekva invento de la vakutubo, kio povos amplifiki kaj rektigi malgrandajn elektrajn signalojn, estus konsiderata kiel prahistorio de la elektroniko kaj inaŭguris la fakon de elektroniko kaj la elektronikan epokon.[1]
La komenco de elektroniko estas kutime fakte lokata en la komenco de la 20-a jarcento kun la invento de la vakutubo (elektrona tubo) en 1904 fare de la angla fizikisto John Ambrose Fleming[2]. Tio estis la unua vakutubo bone funkcianta por praktikaj celoj, sed jam en 1883 la usona inventisto Edison kreis vakutubon maltaŭgan por praktika uzado.[3]
La tubo de Fleming estis diodo, praulo de venontaj diodoj pli rafinaj; en 1906 la usonano De Forest inventis la unuan triodon [4], kiu kapablis elektre amplifi malfortajn radiosignalojn kaj sonosignalojn per ne-meĥanika aparato.
Vakutuboj (termojonaj valvoj) estis la unuaj aktivaj electronikaj komponantoj kiuj kontrolis la fluon de la kurento influante super la fluo de unuopaj elektronoj, kaj ebligis la konstruadon de ekipaĵaro kiu uzis kurentan amplifikadon kaj rektigon por havigi radion, televidon, radaron, long-distancan telefonion kaj multe plie. La frua disvolvigo de elektroniko estis rapida, kaj ĉirkaŭ la 1920-aj jaroj, la komerca radio-elsendado kaj la telekomunikado iĝis ege disvastigita kaj oni uzis elektronikajn amplifilojn en tiom diversaj aplikaĵoj kiel long-distanca telefonio kaj la registrindustrio de muziko.[5]
La evoluon de elektroniko ege influis la konado kaj aplikado de duonkonduktantaj ecoj, kiu ebligis la inventon de la transistoro (1947) kaj la disvastiĝon de integritaj cirkvitoj en la postaj jardekoj. La sekva granda teknologia paŝo postulis kelkajn jardekojn antaŭ ĝia apero, kiam la unuan funkciantan punkto-kontaktantan transistoron inventis John Bardeen kaj Walter Houser Brattain en la Laboratorioj Bell en 1947.[6] Tamen, vakutuboj ludis gravan rolon en la fako de mikroondoj kaj altenergia transmisilo same kiel ĉe televidaj riceviloj ĝis la mezo de la 1980-aj jaroj.[7] Ekde tiam, solid-stataj aparatoj estis komplete kreitaj. Vakutuboj estas ankoraŭ uzataj en kelkaj specialismaj aplikaĵoj kiaj tubaj amplifiloj, katodradiaj tuboj, aŭdi-ekipaĵaro por specialistoj, gitaramplifiloj kaj kelkaj kavomagnetronoj aŭ mikroondaj aparatoj.
En aprilo 1955, la IBM 608 estis la unua IBM produkto kiu uzas transistorajn cirkvitojn sed vakutuboj kaj oni supozas, ke ĝi estis la unua tut-transistorigita kalkulilo fabrikita por la komerca merkato.[8][9] Tiu IBM 608 enhavis pli ol 3 000 transistorojn el germaniumo. Thomas J. Watson Jr. ordonis, ke ĉiuj estontaj IBM produktoj uzis transistorojn en iliaj desegnoj. El tiu tempo transistoroj estis preskaŭ ekskluzive uzataj por komputilaj logikaj cirkvitoj kaj periferiaj aparataroj. Tamen, fruaj unuigaj transistoroj estis relative amasaj aparatoj kiuj estis malfacile fabrikeblaj sur la bazo de amasproduktado, kio limigis ilin al nombro de specializitaj aplikaĵoj.[10]
La MOSFET (MOS transistoro) estis inventinta de Mohamed Atalla kaj Dawon Kahng en la Laboratorioj Bell en 1959.[11][12][13][14] La MOSFET estis la unua vera kompakta transistoro kiu povus esti miniaturigita kaj amas-produktita por ampleksa gamo de uzoj.[10] Inter ĝiaj avantaĝoj estas la alta skaleblo,[15] disponeblo,[16] malalta energikonsumado, kaj alta denseco.[17] Ĝi revoluciigis la elektronikan industrion,[18][19] iĝante la plej amplekse uzata elektrona aparato en la mondo.[13][20] La MOSFET estas la baza elemento en plimulto el moderna elektronika ekipaĵaro.[21][22]
Laŭ la komplekseco de la cirkvitoj kreskiĝis, problemoj aperis.[23] Unu problemo estis la grando de la cirkvito. Kompleksa cirkvito kiel komputilo estis dependa de la rapideco. Se komponantoj estis grandaj, la kabloj interkonektantaj ilin devas esti longaj. La elektraj signaloj bezonas tempon por trairi la cirkviton, tiel malrapidigante la komputilon.[23] La invento de la integra cirkvito fare de Jack Kilby kaj Robert Noyce solvis tiun problemon farante ĉiujn komponantojn kaj la icon el la sama bloko (monolita) de duonkonduktila materialo. La cirkvitoj povus esti faritaj pli malgrandaj, kaj la fabrika procezo povus estis aŭtomatigita. Tio kondukis al la ideo integri ĉiujn komponantojn en unusola kristala plako el silicio, kio kondukis al malgrand-skala integrado (MSI) komence de la 1960-aj jaroj, kaj poste al mezgrand-skala integrado (MSI) fine de la 1960-aj jaroj, sekvite de tre grand-skala integrado. Vakutuboj ludis ankoraŭ gravan rolon ĝis la mezo de la 1980-aj jaroj[7] en la kampo de mikroondoj por sendiloj pri forta povumo kaj televido-riceviloj, sed ili estis iom post iom anstataŭataj de la solid-stataj komponantoj. Nuntempe, vakutuboj estas uzataj nur en kelkaj specialistaj aplikoj.
En 2008, mil milionoj da transistorproceziloj iĝis komerce disponeblaj.[24]
Branĉoj de elektroniko
[redakti | redakti fonton]
Ĝis 1950 elektroniko estis nomita "radioteknologio", ĉar ĝia ĉefaplikiĝo estis la produkto kaj la teorio de radiosendiloj kaj radioaparatoj.
La nunaj branĉoj de elektroniko estas la jenaj:
- Cifereca elektroniko
- Analoga elektroniko
- Mikroelektroniko
- Difuza elektroniko
- Cirkvita projektado
- Integrita cirkvito
- Optoelektroniko
- Duonkonduktanto
- Duonkonduktanta komponanto
Noto.- Alia branĉo de elektroniko traktas pri fortaj kurentoj: oni tiam parolas pri povuma elektroniko, fako de la elektrotekniko.
Elektronikaj aparatoj kaj komponantoj
[redakti | redakti fonton]Elektronika komponanto estas ajna fizika aĵo en elektronika sistemo uzita por influi la elektronojn aŭ aliajn rilatajn kampojn, laŭ maniero kongrua kun la celita funkcio de la elektronika sistemo. Komponantoj estas ĝenerale intencitaj por esti ligitaj kune, kutime per lutado al cirkvita tabulo, por krei elektronikan cirkviton kun aparta funkcio (ekzemple amplifilo, sendricevilo aŭ elektronika oscilatoro).
Komponantoj povas esti enpakitaj unuope, aŭ en pli kompleksaj grupoj kiel okazas en integritaj cirkvitoj. Iuj komunaj elektronikaj elementoj estas kondensatoroj, induktiloj, rezistiloj, diodoj, transistoroj, solenoidoj, ktp. Komponantoj ofte estas klasifikitaj kiel aktivaj (ekz. transistoroj, tiristoroj kaj operaciaj amplifiloj) aŭ pasivaj (ekz. rezistiloj, diodoj, kondensatoroj kaj induktiloj) elementoj.
Vakutuboj, kiuj ludis gravan rolon en elektroniko dum la unuaj jardekoj de la 20-a jarcento, nun estas uzataj nur en kelkaj specialistaplikoj kiel ekzemple altpovumaj RF-amplifiloj (ekz. klistronoj), katodradiaj tuboj, fakaj aŭdo-frekvencaj aparatoj, gitar-amplifiloj kaj mikroondaparatoj (ekz. magnetronoj).
En elektroniko kaj telekomunikado radiosendilo estas elektronika aparato kiu, kun la helpo de anteno, elsendas radioondojn. La sendilo produktas alternan kurenton, kun radiofrekvenco kiu estas aplikita al la anteno. Ekscitita de tiu alterna kurento, la anteno elsendas radioondojn. Krom ilia uzo en radiofonio, sendiloj estas necesaj partoj de multaj elektronikaj aparatoj kiuj komunikas per radioondoj, kiel ĉelaj telefonoj, senkablaj komputilaj retoj, Bluetooth ebligitaj aparatoj, garaĝa pordo malfermiloj, dudirektaj radioj en aviadilo, ŝipoj, kosmoŝipo, radaro kaj navigiloj.
Tipoj de elektronikaj cirkvitoj
[redakti | redakti fonton]Cirkvitoj kaj komponantoj povas esti dividitaj laŭ du grupoj: analogaj kaj ciferecaj. Specialaj aranĝoj povas konsisti el unu aŭ alia aŭ ankoraŭ el ambaŭ tipoj.
Analogaj cirkvitoj
[redakti | redakti fonton]
La plejmulto da elektronikaj aparatoj, kiel ekzemple radioriceviloj, estas konstruitaj el kombinaĵoj de kelkaj tipoj de bazaj cirkvitoj. Analogaj cirkvitoj uzas kontinue ŝanĝeblan valoron de tensio aŭ kurento, kontraŭe al diskretaj niveloj en ciferecaj cirkvitoj.
Egas la nombro da malsamaj analogaj cirkvitoj ĝis nun ellaboritaj, aparte pro tio, ke "cirkvito" povas esti difinita kiel io ajn de ununura komponanto ĝis sistemoj enhavantaj milojn da komponantoj.
Analogaj cirkvitoj foje estas nomitaj linearaj cirkvitoj malgraŭ, ke multaj nelinearaj efikoj estas uzitaj en analogaj cirkvitoj kiel ekzemple miksiloj, modulatoroj, ktp. Bonaj ekzemploj pri analogaj cirkvitoj inkludas vakutubojn kaj transistoramplifilojn, operaciajn amplifilojn kaj oscilatorojn.
Malofte trovas oni modernajn cirkvitojn, kiuj estas tute analogaj. Tiujn tagojn, analogaj cirkvitoj povas uzi ciferecajn kaj eĉ mikroprocesorajn teĥnikojn por plibonigi efikecon. Tiu tipo de cirkvito estas kutime nomita "miksita cirkvito" anstataŭ "analoga kaj cifereca". Foje povas esti malfacile diferencigi inter analogaj kaj ciferecaj cirkvitoj, kiam ili enhavas elementojn rilatantaj samtempe al lineara kaj nelineara operacio. Unu ekzemplo estas la komparilo, kiu enprenas kontinuan vicon da tensio sed nur eliras unu el du niveloj, kiel cifereca cirkvito. Simile, amplifilo kun supersaturita transistoro povas enhavi la karakterizaĵojn de regita ŝaltilo, kiu esence funkcias inter du niveloj.
Ciferecaj cirkvitoj
[redakti | redakti fonton]Pro eblaj sinonimoj, oni ne konfuzu tiun temon kun vortoj, kiuj estas tiritaj el la vortoj "cifero" aŭ "diĝito" ekz. "cifereca" aŭ "diĝita", dum la terminoj "cifero" kaj "cifereca" estas preferindaj[25].
Ciferecaj cirkvitoj estas elektraj cirkvitoj surbaze de certa nombro de diskretaj tensioniveloj. Ciferecaj cirkvitoj estas la plej ofta fizika prezentado de bulea algebro, kaj estas la bazo de ĉiuj ciferecaj komputiloj. Por la plej multaj inĝenieroj, la esprimoj "ciferea cirkvito", "cifereca sistemo" kaj "logiko" estas interŝanĝeblaj en la kunteksto de ciferecaj cirkvitoj. La plej multaj ciferecaj cirkvitoj uzas binaran sistemon kun du tensioniveloj etiketitaj "0" kaj "1". Ofte la logika nivelo "0" estos pli malalta tensio kaj referota kiel "Malalta", la logika nivelo "1" referota kiel "Alta". Tamen, kelkaj sistemoj uzas la inversan difinon ("0" estas "Alta") aŭ ankoraŭ estas bazita super kurentniveloj. Ofte la sisteminĝeniero elektas la negativan logikon (tio estas, la inversan difinon) pro facileco de produkto aŭ plibonigo de sekureco kaj findindeco kaze de misuzoj aŭ difektaj komponantoj. La difino de niveloj "0" kaj "1" estas arbitra.
Ternara logiko (kun tri statoj) estis studita, kaj kelkaj prototipsistemoj iniciatiĝis.
Komputiloj, elektronikaj horloĝoj kaj programeblaj logikaj regiloj (angle PLC, Programmable logic controller) uzataj por regi industriajn procesojn estas konstruitaj el ciferecaj cirkvitoj.
- Elementaj blokoj
- Alte integritaj aranĝaĵoj
- Mikroprocesoro
- Aplikiĝ-specifa integra cirkvito (ASIC, angle Application specific integrated circuit)
- Diĝita signalprocesoro (DSP, angle Digital signal processor)
- Kampo-programebla pordaro (angle FPGA, Fied-programmable gate array)