Elektronik – Wikipedia

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Technischen Bereich

Elektronik umfasst die Physik, Technik, Technologie und Anwendungen, die sich mit der Emission, dem Fluss und der Steuerung von Elektronen in Vakuum und Materie befassen.[1] Es verwendet aktive Geräte zur Steuerung des Elektronenflusses durch Verstärkung und Gleichrichtung, was es von der klassischen Elektrotechnik unterscheidet, die passive Effekte wie Widerstand, Kapazität und Induktivität zur Steuerung des Stromflusses verwendet.

Die Elektronik hat die Entwicklung der modernen Gesellschaft maßgeblich beeinflusst. Die Identifizierung des Elektrons im Jahr 1897 sowie die anschließende Erfindung der Vakuumröhre, mit der kleine elektrische Signale verstärkt und gleichgerichtet werden konnten, eröffneten das Gebiet der Elektronik und das Elektronenzeitalter.[2] Diese Unterscheidung begann um 1906 mit der Erfindung der Triode durch Lee De Forest, die die elektrische Verstärkung schwacher Funksignale und Audiosignale mit einem nichtmechanischen Gerät ermöglichte. Bis 1950 wurde dieses Gebiet als “Funktechnologie” bezeichnet, da seine Hauptanwendung das Design und die Theorie von Funksendern, -empfängern und Vakuumröhren war.

Der Begriff “Festkörperelektronik” entstand, nachdem der erste funktionierende Transistor 1947 von William Shockley, Walter Houser Brattain und John Bardeen in den Bell Labs erfunden wurde. Der MOSFET (MOS-Transistor) wurde später von Mohamed Atalla und Dawon Kahng in den Bell Labs erfunden Der MOSFET war der erste wirklich kompakte Transistor, der für eine Vielzahl von Anwendungen miniaturisiert und in Massenproduktion hergestellt werden konnte. Er revolutionierte die Elektronikindustrie und spielte eine zentrale Rolle in der Revolution der Mikroelektronik und der digitalen Revolution. Der MOSFET ist seitdem das Grundelement in den meisten modernen elektronischen Geräten und das weltweit am häufigsten verwendete elektronische Gerät.

Elektronik wird häufig in der Informationsverarbeitung, Telekommunikation und Signalverarbeitung eingesetzt. Die Fähigkeit elektronischer Geräte, als Schalter zu fungieren, ermöglicht die digitale Informationsverarbeitung. Verbindungstechnologien wie Leiterplatten, Elektronikverpackungstechnologie und andere verschiedene Formen der Kommunikationsinfrastruktur vervollständigen die Schaltungsfunktionalität und wandeln die gemischten elektronischen Komponenten in ein reguläres Arbeitssystem um, das als elektronisches System;; Beispiele sind Computer oder Steuerungssysteme. Ein elektronisches System kann eine Komponente eines anderen technischen Systems oder ein eigenständiges Gerät sein. Ab 2019[update] die meisten elektronischen Geräte[3] Verwenden Sie Halbleiterkomponenten, um die Elektronensteuerung durchzuführen. Üblicherweise enthalten elektronische Vorrichtungen Schaltungen, die aus aktiven Halbleitern bestehen, die mit passiven Elementen ergänzt sind; Eine solche Schaltung wird als elektronische Schaltung bezeichnet. Die Elektronik befasst sich mit elektrischen Schaltkreisen, die aktive elektrische Komponenten wie Vakuumröhren, Transistoren, Dioden, integrierte Schaltkreise, Optoelektronik und Sensoren, zugehörige passive elektrische Komponenten und Verbindungstechnologien umfassen. Das nichtlineare Verhalten aktiver Komponenten und ihre Fähigkeit, Elektronenflüsse zu steuern, ermöglicht die Verstärkung schwacher Signale.

Das Studium von Halbleiterbauelementen und verwandten Technologien wird als Zweig der Festkörperphysik angesehen, während das Design und der Aufbau elektronischer Schaltungen zur Lösung praktischer Probleme unter die Elektrotechnik fallen. Dieser Artikel konzentriert sich auf technische Aspekte der Elektronik.

Branchen der Elektronik[edit]

Die Elektronik hat folgende Niederlassungen:

  1. Digitale Elektronik
  2. Analoge Elektronik
  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[edit]

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

Eine elektronische Komponente ist eine physikalische Einheit in einem elektronischen System, die verwendet wird, um die Elektronen oder ihre zugehörigen Felder auf eine Weise zu beeinflussen, die mit der beabsichtigten Funktion des elektronischen Systems übereinstimmt. Komponenten sollen im Allgemeinen miteinander verbunden werden, üblicherweise durch Löten auf eine Leiterplatte (PCB), um eine elektronische Schaltung mit einer bestimmten Funktion (z. B. einen Verstärker, einen Funkempfänger oder einen Oszillator) zu erzeugen. Komponenten können einzeln oder in komplexeren Gruppen als integrierte Schaltkreise verpackt sein. Einige gebräuchliche elektronische Komponenten sind Kondensatoren, Induktivitäten, Widerstände, Dioden, Transistoren usw. Komponenten werden häufig als aktiv (z. B. Transistoren und Thyristoren) oder passiv (z. B. Widerstände, Dioden, Induktivitäten und Kondensatoren) eingestuft.[4]

Geschichte der elektronischen Komponenten[edit]

Vakuumröhren (Thermionic Valves) gehörten zu den frühesten elektronischen Bauteilen.[5] Sie waren fast ausschließlich für die Elektronikrevolution der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts verantwortlich.[6][7] Sie ermöglichten weitaus kompliziertere Systeme und gaben uns Radio, Fernsehen, Phonographen, Radar, Ferntelefonie und vieles mehr. Sie spielten bis Mitte der 1980er Jahre eine führende Rolle auf dem Gebiet der Mikrowellen- und Hochleistungsübertragung sowie der Fernsehempfänger.[8] Seitdem haben Festkörpergeräte so gut wie vollständig übernommen. Vakuumröhren werden immer noch in einigen speziellen Anwendungen verwendet, wie Hochleistungs-HF-Verstärkern, Kathodenstrahlröhren, speziellen Audiogeräten, Gitarrenverstärkern und einigen Mikrowellengeräten.

Der erste Arbeitspunktkontakttransistor wurde 1947 von John Bardeen und Walter Houser Brattain in den Bell Labs erfunden.[9] Im April 1955 war der IBM 608 das erste IBM Produkt, das Transistorschaltungen ohne Vakuumröhren verwendete, und es wird angenommen, dass er der erste volltransistorisierte Rechner ist, der für den kommerziellen Markt hergestellt wurde.[10][11] Der 608 enthielt mehr als 3.000 Germaniumtransistoren. Thomas J. Watson Jr. bestellte bei allen zukünftigen IBM Produkten die Verwendung von Transistoren in ihrem Design. Ab diesem Zeitpunkt wurden Transistoren fast ausschließlich für Computerlogik und Peripheriegeräte verwendet. Frühe Sperrschichttransistoren waren jedoch relativ sperrige Bauelemente, die in Massenproduktion schwer herzustellen waren, was sie auf eine Reihe spezialisierter Anwendungen beschränkte.[12]

Der MOSFET (MOS-Transistor) wurde 1959 von Mohamed Atalla und Dawon Kahng in den Bell Labs erfunden.[13][14][15][16] Der MOSFET war der erste wirklich kompakte Transistor, der für eine Vielzahl von Anwendungen miniaturisiert und in Massenproduktion hergestellt werden konnte.[12] Zu seinen Vorteilen gehören hohe Skalierbarkeit,[17] Bezahlbarkeit,[18] Geringer Stromverbrauch und hohe Dichte.[19] Es revolutionierte die Elektronikindustrie,[20][21] wird das am weitesten verbreitete elektronische Gerät der Welt.[15][22] Der MOSFET ist das Grundelement in den meisten modernen elektronischen Geräten.[23][24] und war von zentraler Bedeutung für die Elektronikrevolution,[25] die Revolution der Mikroelektronik,[26] und die digitale Revolution.[16][27][28] Der MOSFET gilt somit als Geburtsstunde der modernen Elektronik.[29][30] und möglicherweise die wichtigste Erfindung in der Elektronik.[31]

Arten von Schaltkreisen[edit]

Schaltungen und Komponenten können in zwei Gruppen unterteilt werden: analog und digital. Eine bestimmte Vorrichtung kann aus einer Schaltung bestehen, die die eine oder andere oder eine Mischung der beiden Typen aufweist. Eine wichtige elektronische Technik sowohl in der analogen als auch in der digitalen Elektronik ist die Verwendung von Rückkopplungen. Dies ermöglicht unter anderem die Herstellung sehr linearer Verstärker mit hoher Verstärkung und digitaler Schaltungen wie Register, Computer und Oszillatoren.

Analoge Schaltungen[edit]

Hitachi J100 Frequenzumrichter-Chassis

Die meisten analogen elektronischen Geräte, wie z. B. Funkempfänger, bestehen aus Kombinationen einiger Arten von Grundschaltungen. Analoge Schaltungen verwenden einen kontinuierlichen Spannungs- oder Strombereich im Gegensatz zu diskreten Pegeln wie bei digitalen Schaltungen.

Die Anzahl der verschiedenen bisher entwickelten analogen Schaltungen ist enorm, insbesondere weil eine “Schaltung” von einer einzelnen Komponente bis zu Systemen mit Tausenden von Komponenten definiert werden kann.

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 umfassen Vakuumröhren- und Transistorverstärker, Operationsverstärker und Oszillatoren.

Man findet selten moderne Schaltungen, die völlig analog sind. Heutzutage können analoge Schaltungen digitale oder sogar Mikroprozessortechniken verwenden, um die Leistung zu verbessern. Diese Art von Schaltung wird normalerweise eher als “gemischtes Signal” als als analog oder digital bezeichnet.

Manchmal kann es schwierig sein, zwischen analogen und digitalen Schaltungen zu unterscheiden, da sie sowohl lineare als auch nichtlineare Elemente aufweisen. Ein Beispiel ist der Komparator, der einen kontinuierlichen Spannungsbereich aufnimmt, aber nur einen von zwei Pegeln wie bei einer digitalen Schaltung ausgibt. In ähnlicher Weise kann ein übersteuerter Transistorverstärker die Eigenschaften eines gesteuerten Schalters mit im wesentlichen zwei Ausgangspegeln annehmen. Tatsächlich werden viele digitale Schaltungen tatsächlich als Variationen von analogen Schaltungen ähnlich wie in diesem Beispiel implementiert – schließlich sind alle Aspekte der realen physikalischen Welt im Wesentlichen analog, sodass digitale Effekte nur durch Einschränkung des analogen Verhaltens realisiert werden.

Digitale Schaltungen[edit]

Digitale Schaltkreise sind elektrische Schaltkreise, die auf einer Reihe diskreter Spannungspegel basieren. Digitale Schaltkreise sind die häufigste 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 Kontext digitaler Schaltungen austauschbar. Die meisten digitalen Schaltungen verwenden ein Binärsystem mit zwei Spannungspegeln mit der Bezeichnung “0” und “1”. Oft ist die logische “0” eine niedrigere Spannung und wird als “Niedrig” bezeichnet, während die logische “1” als “Hoch” bezeichnet wird. Einige Systeme verwenden jedoch die umgekehrte Definition (“0” ist “Hoch”) oder basieren auf Strom. Sehr oft kann der Logikdesigner diese Definitionen von einer Schaltung zur nächsten umkehren, wenn er dies für angebracht hält, um sein Design zu vereinfachen. Die Definition der Ebenen als “0” oder “1” ist beliebig.

Die ternäre Logik (mit drei Zuständen) wurde untersucht und einige Prototyp-Computer hergestellt.

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

Bausteine:

Hochintegrierte Geräte:

Wärmeableitung und Wärmemanagement[edit]

Von elektronischen Schaltkreisen erzeugte Wärme muss abgeführt werden, um einen sofortigen Ausfall zu verhindern und die langfristige Zuverlässigkeit zu verbessern. Die Wärmeableitung wird meist durch passive Leitung / Konvektion erreicht. Zu den Mitteln zur Erzielung einer größeren Verlustleistung gehören Kühlkörper und Lüfter zur Luftkühlung sowie andere Formen der Computerkühlung wie die Wasserkühlung. Diese Techniken verwenden Konvektion, Leitung und Strahlung von Wärmeenergie.

Elektronisches Rauschen ist definiert[32] als unerwünschte Störungen, die einem nützlichen Signal überlagert sind und dazu neigen, seinen Informationsgehalt zu verdecken. Rauschen ist nicht dasselbe wie Signalverzerrung, die durch eine Schaltung verursacht wird. Rauschen ist allen elektronischen Schaltkreisen zugeordnet. Geräusche können elektromagnetisch oder thermisch erzeugt werden, was durch Absenken der Betriebstemperatur des Stromkreises verringert werden kann. Andere Arten von Geräuschen, wie beispielsweise Schussgeräusche, können nicht entfernt werden, da sie auf Einschränkungen der physikalischen Eigenschaften zurückzuführen sind.

Elektroniktheorie[edit]

Mathematische Methoden sind ein wesentlicher Bestandteil des Studiums der Elektronik. Um die Elektronik zu beherrschen, ist es auch notwendig, die Mathematik der Schaltungsanalyse zu beherrschen.

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.

Wichtig für die Elektronik ist auch das Studium und das Verständnis der Theorie des elektromagnetischen Feldes.

Elektroniklabor[edit]

Aufgrund der Komplexität der Elektroniktheorie ist das Experimentieren im Labor ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung elektronischer Geräte. Diese Experimente werden verwendet, um das Design des Ingenieurs zu testen oder zu verifizieren und Fehler zu erkennen. In der Vergangenheit bestanden Elektroniklabors aus elektronischen Geräten und Ausrüstungen, die sich in einem physischen Raum befanden. In den letzten Jahren ging der Trend jedoch zu Simulationssoftware für Elektroniklabors wie CircuitLogix, Multisim und PSpice.

Computer Aided Design (CAD)[edit]

Heutige Elektronikingenieure haben die Möglichkeit, Schaltungen unter Verwendung vorgefertigter Bausteine ​​wie Netzteile, Halbleiter (dh Halbleiterbauelemente wie Transistoren) und integrierter Schaltungen zu entwerfen. Softwareprogramme für die elektronische Entwurfsautomatisierung umfassen schematische Erfassungsprogramme und Entwurfsprogramme für Leiterplatten. Beliebte Namen in der EDA-Softwarewelt sind NI Multisim, Cadence (ORCAD), EAGLE PCB und Schema, Mentor (PADS PCB und LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA, KiCad und viele andere.

Verpackungsmethoden[edit]

Im Laufe der Jahre wurden viele verschiedene Methoden zum Verbinden von Komponenten verwendet. Beispielsweise verwendete die frühe Elektronik häufig Punkt-zu-Punkt-Verkabelungen mit Komponenten, die an hölzernen Steckbrettern angebracht waren, um Schaltkreise zu konstruieren. Cordholzkonstruktion und Drahtwicklung waren andere verwendete Methoden. Die meisten modernen Elektronikgeräte verwenden heute Leiterplatten aus Materialien wie FR4 oder das billigere (und weniger strapazierfähige) Kunstharz-gebundene Papier (SRBP, auch bekannt als Paxoline / Paxolin (Marken) und FR2) – gekennzeichnet durch seine braune Farbe. Gesundheits- und Umweltbedenken im Zusammenhang mit der Montage von Elektronikgeräten haben in den letzten Jahren insbesondere bei Produkten für die Europäische Union mit der in Kraft getretenen Richtlinie zur Beschränkung der Verwendung gefährlicher Stoffe (RoHS) und der Richtlinie über Elektro- und Elektronikaltgeräte (WEEE) zunehmend an Bedeutung gewonnen im Juli 2006.

Design elektronischer Systeme[edit]

Das Design elektronischer Systeme befasst sich mit den multidisziplinären Designproblemen komplexer elektronischer Geräte und Systeme wie Mobiltelefone und Computer. Das Thema deckt ein breites Spektrum ab, vom Entwurf und der Entwicklung eines elektronischen Systems (Entwicklung neuer Produkte) bis zur Sicherstellung seiner ordnungsgemäßen Funktion, Lebensdauer und Entsorgung.[33] Beim Entwurf elektronischer Systeme werden daher komplexe elektronische Geräte definiert und entwickelt, um den spezifischen Anforderungen des Benutzers gerecht zu werden.

Montagemöglichkeiten[edit]

Elektrische Komponenten werden im Allgemeinen folgendermaßen montiert:

Elektronik-Industrie[edit]

Die Elektronikindustrie besteht aus verschiedenen Branchen. Die zentrale treibende Kraft hinter der gesamten Elektronikindustrie ist die Halbleiterindustrie.[34] das hat einen Jahresumsatz von über 481 Milliarden US-Dollar Stand 2018.[35] Der größte Industriesektor ist der E-Commerce, der über generiert hat 29 Billionen Dollar im Jahr 2017.[36] Das am weitesten verbreitete elektronische Gerät ist der Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) mit geschätzten 13 Sextillion MOSFETs wurden zwischen 1960 und 2018 hergestellt.[37]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

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Weiterführende Literatur[edit]

Externe Links[edit]