Elektroniikka

Elektroniikka tutkii elektronien virtauksen hallintaa. Se käsittelee sähkövirtaa ohjaavista komponenteista koostuvia piirejä. Elektroniikka on osa fysiikkaa ja sähkötekniikkaa.

Sähköiset komponentit, kuten transistorit ja releet, voivat toimia kytkiminä. Näin voimme käyttää sähköpiirejä tiedon käsittelyyn ja tiedon siirtämiseen pitkien etäisyyksien yli. Piirit voivat myös ottaa heikon signaalin (kuten kuiskauksen) ja vahvistaa sitä (tehdä siitä kovemman).

Useimmat elektroniset järjestelmät jakautuvat kahteen luokkaan:

Tietojen käsittely ja jakelu. Näitä kutsutaan viestintäjärjestelmiksi.
Energian muuntaminen ja jakelu. Näitä kutsutaan ohjausjärjestelmiksi.

Yksi tapa tarkastella sähköistä järjestelmää on jakaa se kolmeen osaan:

Tulot - Sähköiset tai mekaaniset anturit, jotka ottavat fyysisestä maailmasta tulevia signaaleja (lämpötilan, paineen jne. muodossa) ja muuttavat ne sähkövirta- ja jännitesignaaleiksi.
Signaalinkäsittelypiirit - Ne koostuvat elektronisista komponenteista, jotka on kytketty toisiinsa käsittelemään, tulkitsemaan ja muuntamaan signaalien sisältämää tietoa.
Lähdöt - Toimilaitteet tai muut laitteet, jotka muuttavat virta- ja jännitesignaalit takaisin ihmisen luettavaksi informaatioksi.

Esimerkiksi televisiovastaanottimen tulo on antennista tai kaapelitelevisiossa kaapelista vastaanotettu lähetyssignaali.

Televisiovastaanottimen sisällä olevat signaalinkäsittelypiirit käyttävät vastaanotetun signaalin sisältämiä kirkkaus-, väri- ja äänitietoja televisiovastaanottimen lähtölaitteiden ohjaamiseen. Näytön lähtölaite voi olla katodisädeputki (CRT) tai plasma- tai nestekidenäyttö. Äänilähdelaite voi olla magneettikäyttöinen kaiutin. Näytön ulostulolaitteet muuttavat signaalinkäsittelypiirien kirkkaus- ja väritiedot näytöllä näkyväksi kuvaksi. Äänilähdelaite muuntaa käsitellyn äänitiedon kuulijan kuultavaksi ääneksi.

Piirin/verkon analysointi edellyttää syötteen ja signaalinkäsittelypiirin tuntemista ja ulostulon selvittämistä. Tulon ja lähdön tunteminen ja signaalinkäsittelyn osan selvittäminen tai suunnittelu on synteesi.

Painettu piirilevy.

Historia

Ihmiset alkoivat kokeilla sähköä jo vuonna 600 eKr., kun Thales Miletolainen havaitsi, että turkisten hankaaminen meripihkaan sai ne vetämään toisiaan puoleensa.

1900-luvulta alkaen laitteissa käytettiin lasisia tai metallisia tyhjiöputkia sähkövirran ohjaamiseen. Näillä komponenteilla voidaan käyttää pienitehoista jännitettä toisen muuttamiseen. Tämä mullisti radion ja mahdollisti muut keksinnöt.

1960-luvulla ja 1970-luvun alussa transistorit ja puolijohteet alkoivat korvata tyhjiöputkia. Transistorit voidaan tehdä paljon pienemmiksi kuin tyhjiöputket, ja ne voivat toimia vähemmällä energiankulutuksella.

Noin samaan aikaan yleistyivät integroidut piirit (piirit, joissa on suuri määrä hyvin pieniä transistoreja hyvin ohuilla piilevyillä). Integroitujen piirien ansiosta elektroniikkatuotteiden valmistuksessa tarvittavien osien määrää voitiin vähentää ja tuotteet tulivat yleisesti ottaen paljon halvemmiksi.

Analogiset piirit

Analogisia piirejä käytetään signaaleille, joiden amplitudit vaihtelevat. Yleensä analogiset piirit mittaavat tai ohjaavat signaalien amplitudia. Elektroniikan alkuaikoina kaikki elektroniset laitteet käyttivät analogisia piirejä. Analogisen piirin taajuutta mitataan tai ohjataan usein analogisessa signaalinkäsittelyssä. Vaikka digitaalisia piirejä valmistetaan yhä enemmän, analogisia piirejä tarvitaan aina, koska maailma ja sen ihmiset toimivat analogisesti.

Pulssipiirit

Pulssipiirejä käytetään signaaleihin, jotka vaativat nopeita energiapulsseja. Esimerkiksi lentokoneiden ja maatutkalaitteiden toiminnassa käytetään pulssipiirejä, joilla luodaan ja lähetetään suuritehoisia radioenergian purskeita tutkalähettimistä. Erikoisantenneja (joita kutsutaan niiden muodon vuoksi säde- tai lautasantenneiksi) käytetään lähettämään ("lähettämään") suuritehoiset signaalipurkaukset siihen suuntaan, johon säde- tai lautasantenni on suunnattu.

Tutkalähettimen radioenergiapulsseja tai -purkauksia osuu koviin ja metallisiin esineisiin ja kimpoaa niistä takaisin (ne "heijastuvat"). Kovia kohteita ovat esimerkiksi rakennukset, kukkulat ja vuoret. Metalliesineitä ovat kaikki metallista valmistetut esineet, kuten lentokoneet, sillat ja jopa avaruudessa olevat esineet, kuten satelliitit. Heijastunut tutkaenergia havaitaan tutkapulssivastaanottimilla, jotka käyttävät sekä pulssi- että digitaalipiirejä yhdessä. Tutkapulssivastaanottimien pulssi- ja digitaalipiirejä käytetään näyttämään tutkalähettimen suuritehoisia pulsseja heijastaneiden kohteiden sijainti ja etäisyys.

Säätämällä sitä, kuinka usein tutkalähetin lähettää nopeat tutkaenergiapulsseja (jota kutsutaan lähettimen "pulssin ajoitukseksi") ja kuinka kauan kestää, että heijastunut pulssienergia palaa takaisin tutkan vastaanottimeen, voidaan määrittää paitsi kohteiden sijainti myös niiden etäisyys. Tutkavastaanottimen digitaaliset piirit laskevat kohteen etäisyyden tuntemalla energiapulssien välisen ajan. Tutkavastaanottimen digitaalipiirit laskevat, kuinka kauan kestää pulssien välillä, ennen kuin tutkan vastaanotin havaitsee kohteen heijastuneen energian. Koska tutkapulssit lähetetään ja vastaanotetaan suunnilleen valon nopeudella, etäisyys kohteeseen voidaan helposti laskea. Tämä tehdään digitaalisissa piireissä kertomalla valon nopeus ajalla, joka kuluu kohteesta heijastuneen tutkaenergian vastaanottamiseen.

Pulssien välinen aika (jota kutsutaan usein "pulssinopeusajaksi" tai PRT:ksi) asettaa rajan sille, kuinka kaukaa kohde voidaan havaita. Tätä etäisyyttä kutsutaan tutkalähettimen ja -vastaanottimen kantamaksi. Tutkalähettimet ja -vastaanottimet käyttävät pitkiä PRT-aikoja kaukana olevien kohteiden etäisyyden määrittämiseen. Pitkän PRT:n avulla voidaan määrittää tarkasti esimerkiksi kuun etäisyys. Nopeaa PRT:tä käytetään paljon lähempänä olevien kohteiden, kuten merellä olevien alusten, korkealla lentävien lentokoneiden tai moottoriteillä nopeasti liikkuvien autojen nopeuden määrittämiseen.

Digitaaliset piirit

Digitaalisia piirejä käytetään signaaleihin, jotka vain kytkeytyvät päälle ja pois päältä sen sijaan, että ne toimisivat usein tasoilla, jotka ovat jossain päälle ja pois päältä välissä. Digitaalipiirien aktiivisilla komponenteilla on tyypillisesti yksi signaalitaso, kun ne kytketään päälle, ja toinen signaalitaso, kun ne kytketään pois päältä. Yleensä digitaalipiireissä komponentti kytkeytyy vain päälle ja pois päältä.

Tietokoneet ja elektroniset kellot ovat esimerkkejä elektronisista laitteista, jotka koostuvat pääasiassa digitaalisista piireistä.

Peruslohkot:

Loogiset portit
Flip-flops
Laskurit

Monimutkaiset laitteet:

Kaavio puolikkaasta yhteenlaskijasta, digitaalisesta piiristä

Aiheeseen liittyvät sivut

Sähkö- ja elektroniikkainsinöörien instituutti
Sähkö

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on elektroniikka?

V: Elektroniikka on sähkön (elektronien virtauksen) tutkimusta ja sen hyödyntämistä esimerkiksi tietokoneiden rakentamisessa. Siinä käytetään komponenttien ja kytkentäjohtojen avulla tehtyjä piirejä hyödyllisten asioiden tekemiseen.

K: Mikä tiede on elektroniikan taustalla?

V: Elektroniikan taustalla oleva tiede on peräisin fysiikan opinnoista, ja sitä sovelletaan tosielämässä sähkötekniikan alalla.

K: Mitkä ovat esimerkkejä elektroniikan komponenteista?

V: Esimerkkejä elektroniikan komponenteista ovat transistorit, sulakkeet, katkaisijat, paristot, moottorit, muuntajat, LEDit ja lamput.

K: Miten elektroninen järjestelmä voidaan jakaa osiin?

V: Elektroninen järjestelmä voidaan jakaa kolmeen osaan - tuloihin, signaalinkäsittelypiireihin ja lähtöihin. Tulot ovat sähköisiä tai mekaanisia antureita, jotka ottavat signaaleja fyysisestä maailmasta ja muuttavat ne sähkövirta- ja jännitesignaaleiksi. Signaalinkäsittelypiirit koostuvat elektronisista komponenteista, jotka on kytketty toisiinsa käsittelemään, tulkitsemaan ja muuntamaan signaalien sisältämää tietoa. Lähdöt ovat toimilaitteita tai muita laitteita, jotka muuttavat virta- ja jännitesignaalit takaisin ihmisen luettavaksi informaatioksi.

K: Miten televisio toimii?

V: Televisiovastaanottimen syöttölaitteena on antennista tai kaapelista vastaanotettu lähetyssignaali, jos kyseessä on kaapelitelevisio. Televisiovastaanottimen sisällä olevat signaalinkäsittelypiirit käyttävät vastaanotetun signaalin sisältämiä kirkkaus-, väri- ja äänitietoja ohjaamaan sen lähtölaitteita, kuten katodisädeputki-, plasma- tai nestekidenäyttöä näyttölaitteessa, magneettikäyttöistä äänikaiutinta äänilähdelaitteessa jne., jotka muuntavat nämä signaalit kuvaruudulla näkyviksi kuviksi tai kuulijoiden kuulemiksi ääniksi.

K: Mitä on piirin/verkon analyysi?

V: Piirin/verkon analyysi edellyttää sekä sen syötteen että signaalinkäsittelypiirin tuntemista, jotta saadaan selville, mikä on sen ulostulo.

K: Mitä on synteesi elektroniikan osalta?

V: Synteesiin kuuluu sekä tulon että lähdön tunteminen ja sen jälkeen sen selvittäminen tai suunnittelu, millaista signaalinkäsittelyosaa tarvitaan, jotta kaikki toimisi yhdessä oikein.