Elektronik

Elektronik, elektrik enerjisini elektriksel olarak kontrol eden, elektronların temel bir role sahip olduğu bilimdir. Elektronik, vakum tüpleri, transistörler, diyotlar, entegre devreler, ilgili pasif elektrik bileşenleri ve ara bağlantı teknolojileri gibi aktif elektrik bileşenlerini içeren elektrik devreleri ile ilgilenmektedir. Genellikle, elektronik cihazlar öncelikle veya yalnızca pasif elemanlarla desteklenmiş aktif yarı iletkenlerden oluşan devreler içerir. Böyle bir devre elektronik devre olarak tanımlanmaktadır.

Elektronik bilimi, aynı zamanda fizik ve elektrik mühendisliğinin bir dalı olarak düşünülür.

Aktif bileşenlerin doğrusal olmayan davranışı ve elektron akışlarını kontrol etme yetenekleri, zayıf sinyallerin amplifikasyonunu mümkün kılar ve elektronik, bilgi işleme, telekomünikasyon ve sinyal işleme alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Elektronik cihazların anahtarlar olarak işlev görmesi, dijital bilgi işlemeyi mümkün kılar. Devre kartları, elektronik paketleme teknolojisi ve diğer çeşitli iletişim altyapı formları gibi ara bağlantı teknolojisi, tam devre işlevselliğini tamamlar ve karışık bileşenleri düzenli bir çalışma sistemine dönüştürür.

Elektronik, teller, motorlar, jeneratörler, piller, anahtarlar, röleler, transformatörler, dirençler ve diğer pasif bileşenler kullanarak elektrik enerjisinin üretimine, dağıtımına, anahtarlanmasına, depolanmasına ve diğer enerjilere dönüştürülmesiyle uğraşan elektrik ve elektro-mekanik bilim ve teknolojiden farklıdır.Bu ayrım, 1906 'lı yıllarda Lee De Forest'in triode buluşu ile başlamıştı ki, zayıf radyo sinyallerinin ve ses sinyallerinin mekanik olmayan bir cihaz ile elektriksel olarak güçlendirilmesine neden oluyordu. 1950 yılına kadar bu alana "radyo teknolojisi" adı verildi çünkü bu radyo vericileri, alıcıları ve vakum tüplerinin tasarımı ve teorisi esas alınmıştır.

Günümüzde, çoğu elektronik cihazlar elektron kontrolü gerçekleştirmek için yarı iletken bileşenleri kullanmaktadır. Yarı iletken cihazlar ve ilgili teknoloji katı hal fiziğinin bir dalı olarak görüldüğünde, pratik problemleri çözmek için elektronik devrelerin tasarımı ve inşası elektronik mühendisliği adı altına girmektedir. Bu makale, elektronik alanlarının mühendislik konularına odaklanmaktadır.

Elektroniğin dalları

Elektronik bilimin dalları şöyledir:

Dijital elektronik

Analog elekronik

Mikroelektronik

Devre tasarımı

Entegre devreler

Optoelektronik (Işık elektron bilimi)

Yarıiletken aygıtlar

Gömülü sistemler

Elektronik cihazlar ve bileşenleri

Elektronik bir bileşen, elektronları veya bunların ilgili alanlarını, elektronik sistemin amaçlanan işleviyle tutarlı bir şekilde etkilemek için kullanılan bir elektronik sistemdeki herhangi bir fiziki varlıktır. Bileşenler genel olarak, belirli bir fonksiyona (örneğin, bir amplifikatör, radyo alıcısı veya osilatör) sahip bir elektronik devre oluşturmak üzere, genellikle bir baskılı devre kartına (PCB) lehimlenerek birbirine bağlanmayı amaçlamaktadır. Bileşenler, tek başına veya entegre devreler gibi daha karmaşık gruplarda paketlenebilir. Bazı yaygın elektronik bileşenler kapasitörler, indüktörler, dirençler, diyotlar, transistörler vb'dir. Bileşenler genellikle aktif (örn. Transistorler ve tristörler) veya pasif (ör. Dirençler, diyotlar, indüktörler ve kapasitörler) olarak sınıflandırılır.

Elektronik bileşenlerin tarihçesi

Vakum tüpleri (Termionik valfler) en eski elektronik bileşenler arasındaydı. Yirminci Yüzyılın ilk yarısının elektronik devriminden neredeyse tamamen sorumluydu. Bize radyo, televizyon, fonograf, radar, uzun mesafeli telefon ve daha pek çok şey verdi. 1980'lerin ortalarına kadar mikrodalga ve yüksek güç iletiminde televizyon alıcılarında önemli rol oynadılar. O zamandan beri, katı hal ,aygıtları tamamıyla devraldı. Vakum tüpleri, yüksek güçlü RF yükselticiler, katot ışın tüpleri, uzman ses ekipmanları, gitar yükselteçleri ve bazı mikrodalga cihazlar gibi bazı uzman uygulamalarda halen kullanılmaktadır.

Nisan 1955'te IBM 608, herhangi bir vakum tüpü olmayan transistör devrelerini kullanan ilk IBM ürünü ve ticari pazarda üretilmek üzere dünyanın ilk tüm transistörlü hesap makinesı olduğuna inanılıyordu. 608'de 3,000'den fazla germanyum transistor mevcuttu. Thomas J. Watson Jr. gelecekteki tüm IBM ürünlerinde transistörler tasarımında kullanılmasını emretti. O tarihten itibaren transistörler neredeyse sadece bilgisayar mantığı ve çevre birimleri için kullanılıyordu.

Devrelerin çeşitleri

Devreler ve bileşenler iki gruba ayrılabilir: analog ve dijital. Belirli bir cihaz, bir veya birden fazla karışımı veya iki  karışımı içeren devreden oluşabilir.

Analog devreler

Radyo alıcıları gibi çoğu analog elektronik cihaz, birkaç temel devrenin birleşiminden oluşur. Analog devreler dijital devrelerde olduğu gibi ayrı seviyelere karşı sürekli bir gerilim veya akım aralığı kullanırlar.

Şimdiye kadar geliştirilen farklı analog devrelerin sayısı büyüktür, çünkü bir 'devre', tek bir bileşenden, binlerce bileşen içeren sistemlere kadar her şey olarak tanımlanabilir.

Analog devrelere bazen doğrusal devreler denir. Ancak birçok lineer olmayan efektler karıştırıcılar, modülatörler, vb. gibi analog devrelerde kullanılır. Analog devrelere iyi örnekler, vakum tüpü ve transistor yükselteçleri, operasyonel yükselteçler ve osilatörler içerir.

Nadiren tamamen analog olan modern devre bulunur. Günümüzde analog devre, performansı artırmak için dijital veya mikroişlemci teknikler bile kullanabilir. Bu tür devre genellikle analog veya dijital yerine "karışık sinyal" olarak adlandırılır.

Bazen doğrusal ve doğrusal olmayan işlemler için analog ve dijital devreleri birbirinden ayırmak zor olabilir. Buna bir örnek, sürekli bir gerilim aralığını alan, ancak dijital bir devrede olduğu gibi sadece iki seviyeden birini üreten karşılaştırıcıdır. Aynı şekilde, aşırı sürülen transistör amplifikatörü, esasen iki çıkış seviyesine sahip olan kontrollü bir anahtarın özelliklerini alabilir. Aslında pek çok dijital devre, aslında bu örneğe benzer analog devrelerin varyasyonları olarak uygulanmaktadır. Sonuçta, gerçek fiziksel dünyanın tüm yönleri esasen analogdur, bu nedenle dijital efektler yalnızca analog davranış kısıtlanmasıyla gerçekleştirilir.

Sayısal devreler

Sayısal devreler, çeşitli ayrık voltaj seviyelerine dayanan elektrik devreleridir. Sayısal devreler, Boolean cebrinin en yaygın fiziksel temsilidir ve tüm dijital bilgisayarların temelidir. Çoğu mühendise göre, "dijital devre", "dijital sistem" ve "mantık" terimleri, dijital devreler bağlamında değişir. Çoğu sayısal devre, "0" ve "1" etiketli iki voltaj seviyesine sahip bir ikili sistem kullanır. Genelde "0" mantığı daha düşük bir voltaj olacak ve "Düşük", "1" mantığı ise "Yüksek" olarak geçecektir. Bununla birlikte, bazı sistemler ters tanımlamayı kullanır ("0" "Yüksek") veya geçerli tabanlıdır. Mantık tasarımcısı, tasarımını kolaylaştırmak için uygun gördüğü gibi, bu tanımları bir devreden diğerine tersine çevirebilir. Seviyelerin "0" veya "1" olarak tanımlanması keyfi olur.

Üçlü (üç dereceli) mantık incelenmiş ve bazı prototip bilgisayarlar yapılmıştır.

Bilgisayarlar, elektronik saatler ve programlanabilir mantık denetleyicileri (endüstriyel işlemleri kontrol etmek için kullanılır) dijital devrelerden oluşur. Dijital sinyal işlemcileri başka bir örnektir.

Yapı taşları:

Mantıksal kapı

ToplayıcılarFlip-floplar

Flip-floplar

Sayaçlar

Kayıtlar

Çoklayıcılar

Schmitt tetikleyicileri

Yüksek entegre cihazlar:

Mikroişlemciler

Mikrodenetleyiciler

Uygulamaya özel entegre devre (ASIC)

Dijital sinyal işlemci (DSP)

Alanda programlanabilir kapı dizileri (FPGA)

Isı dağılımı ve termal yönetim

Elektronik devreden üretilen ısı, arızayı önlemek ve uzun vadeli güvenilirliği artırmak için hemen dağıtılmalıdır. Isı dağılımı çoğunlukla pasif iletme / konveksiyon ile sağlanır. Daha fazla dağılım sağlamak için araçlar, hava soğutmalı soğutucular ve fanlar ve su soğutma gibi bilgisayar soğutmasının diğer biçimleri içeriyor. Bu teknikler ısı enerjisinin konveksiyon, iletim ve ışınımını kullanır.

Gürültü

Elektronik gürültü, bilgi içeriğini gizlemeye eğilimli yararlı bir işaret üzerine bindirilen istenmeyen bozukluklar olarak tanımlanır. Gürültü, bir devrenin neden olduğu sinyal bozulmasıyla aynı değildir. Gürültü, tüm elektronik devrelerle ilişkilidir. Gürültü, elektromanyetik olarak veya termal olarak üretilebilir, bu da devrenin çalışma sıcaklığını azaltarak düşürülebilir. Kapalı gürültü gibi diğer gürültü türleri, fiziksel özelliklerin sınırlamaları nedeniyle ortadan kaldırılamaz.

Elektronik teorisi

Matematiksel yöntemler elektronik çalışmaların ayrılmaz bir parçasıdır. Elektronikte yeterli olabilmek için devre analizinin matematiğine de sahip olmak gerekir.

Devre analizi, belirli bir düğümdeki gerilim veya bir ağın belli bir dalındaki akım gibi bilinmeyen değişkenlerin genel olarak doğrusal sistemlerini çözme yöntemlerinin çalışmasıdır. Bunun için ortak bir analitik araç SPICE devre simülatörüdür.

Elektronikte ayrıca, elektromanyetik alan teorisinin çalışılması ve anlaşılması önemlidir.

Elektronik laboratuvarı

Elektronik teorisinin karmaşık doğası nedeniyle, laboratuvar deneyleri elektronik cihazların geliştirilmesinde önemli bir bölüm oluşturmaktadır. Bu deneyler, mühendisin tasarımını test etmek veya doğrulamak ve hataları tespit etmek için kullanılır. Geçmişte, elektronik laboratuvarları, fiziksel ortamda bulunan elektronik cihazlar ve ekipmanlardan oluşuyordu, ancak son yıllarda trend CircuitLogix, Multisim ve PSpice gibi elektronik laboratuvarı simülasyon yazılımına yöneldi.

Bilgisayar destekli tasarım (CAD)

Bugünün elektronik mühendisleri, güç kaynakları, yarı iletkenler (yani, transistörler gibi yarıiletken cihazlar) ve entegre devreler gibi önceden imal edilen yapı taşlarını kullanarak devreler tasarlayabilme yeteneğine sahiptir. Elektronik tasarım otomasyon yazılım programları, şematik yakalama programları ve basılı devre kartı tasarım programlarını içerir. EDA yazılım dünyasındaki popüler isimler, NI Multisim, Cadence (ORCAD), EAGLE PCB ve Şematik, Mentor (PADS PCB ve LOGIC Şematik), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA, KiCad ve diğerleri.

Yapım yöntemleri

Yıllar boyunca bileşenleri birleştirmenin birçok farklı yöntemi kullanılmıştır. Örneğin, ilk elektronik, çoğunlukla noktadan noktaya kablolama devrelerini inşa etmek için tahta breadboardlara eklenmiş bileşenlerle kullanılmıştır. Cordwood konstrüksiyonu ve tel sargısı da kullanılan diğer yöntemlerdir. Çoğu modern elektronik, FR4 gibi malzemelerden yapılmış baskılı devre kartlarını veya daha ucuz (ve daha az dayanıklı) Sentetik Reçine Bağlı Kağıt'ı (SRBP, Paxoline / Paxolin (ticari markalar) olarak da bilinir) ve FR2'yi kullanmaktadır- Kahverengiye yakın renk. Elektronik montajı ile ilgili sağlık ve çevre endişeleri, özellikle Tehlikeli Maddelerin Kısıtlanması Direktifi (RoHS) ve Atık Elektrikli ve Elektronik Ekipmanlar Direktifi (WEEE), Temmuz 2006'da yürürlüğe giren Avrupa Birliği'ne gönderilen ürünler için son yıllarda artan bir ilgi görmüştür.