elektronikk

fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Hopp til navigasjon Hopp til søk
Elektronikk for kontroll av motorhastighet (HitachiJ100A)
Overflaten på et elektronisk kort (Arduino ftdi chip-1)

Elektronikk er et hovedområde innen elektroteknikk . Det er vitenskapen om å kontrollere elektrisk strøm gjennom elektroniske kretser , dvs. kretser der minst en komponent fungerer på grunn av vakuum eller halvlederledning . Elektroniske elementer oppfører seg ikke-lineært, mens oppførselen til andre elektriske (ikke-elektroniske) elementer kalles lineær. Elektronikk omhandler også funksjonen til elektroniske komponenter selv Elektroniske komponenter og kretser i mindre skalaer er navngitt med SI desimalprefikser i henhold til strukturstørrelsene, f.eks. B. mikroelektronikk (vanligvis <100 mikrometer ) eller nanoelektronikk (vanligvis <100 nanometer ), som vanligvis er koblet til den integrerte kretsen , f.eks. B. silisiumbrikke er realisert.

Elektronikk behandle elektriske signaler for informasjon eller generere dem, eller omdanne elektrisk energi med hensyn til sin spenning - strøm -forhold ved hjelp av forsterkere eller likerettere .

Elektroniske kretser er vanligvis bygget på kretskort ved hjelp av kretskort og enten satt sammen som en modul for å danne elektroniske enheter, eller de blir en del av elektrisk utstyr.

Optoelektronikk er en gren av elektronikk og omhandler kontroll gjennom lys .

Ordformasjon

Begrepet elektronikk er avledet av det greske ordet elektron (ἤλεκτρον), som betyr rav . Elektronikk er et koffertord som ble satt sammen av begrepene elektron (elementarpartikkelen) og teknologi . Elektronikk er så å si elektronteknologi.

historie

I 1873 oppdaget Willoughby Smith at selen var i stand til å lede lys ( fotoelektrisk effekt ). Basert på denne kunnskapen oppdaget Karl Ferdinand Braun likerettereffekten i 1874. Stoney og Helmholtz skapte begrepet elektron som en bærer av elektrisk strøm . I 1883 mottok Thomas Alva Edison patent på en DC-spenningsregulator basert på glødemisjon ( Edison-Richardson-effekten ), et krav for alle vakuumrør . I 1897 begynte Karl Ferdinand Braun å utvikle Braun -røret . I 1899 begynte utviklingen av tippdioden . I 1904 oppnådde John Ambrose Fleming patent på en vakuumdiode.

På begynnelsen av 1900 -tallet hadde utviklingen av elektronrør allerede kommet frem. De første elektronrørene ble utviklet og allerede brukt i elektriske kretser. Med trioden var en nyttig komponent tilgjengelig for konstruksjon av forsterkere for første gang. Dette gjorde oppfinnelser som radio , fjernsyn og radar mulig.

Den første transistoren ble presentert i 1948. Som rør kan transistorer brukes som forsterkere, elektroniske brytere eller som oscillatorer . I motsetning til vakuumrør, som krever mye plass og elektrisk kraft, kan transistorer imidlertid gjøres veldig små fordi de er basert på halvlederteknologi , som muliggjør mye høyere strømtetthet.

På 1960 -tallet var det mulig å produsere komplette kretser bestående av flere transistorer og andre komponenter på en enkelt silisiumkrystall . Den således introduserte teknikken for integrerte kretser (IC kort for Engl. Integrated circuit) har vært jevn siden miniatyrisering ble utført. I dag er halvlederelektronikk den viktigste grenen av elektronikk.

Noen ganger blir Polytronics sett på som en nøkkelteknologi for fremtiden. Den beskriver sammenslåing av plastbaserte systemfunksjoner i visjonen om "intelligent plast".

Komponenter

Ulike elektroniske og elektromekaniske komponenter

De viktige komponentene inkluderer motstand , kondensator , transistor , diode , spole og den integrerte kretsen (IC for kort). Alle disse komponentene tilbys i en rekke forskjellige typer. [1] En komponentvariant er SMD -komponentene som på grunn av sin stort sett meget kompakte design er loddet direkte på kretskortets overflate.

Passive komponenter brukes når først og fremst motstander, kondensatorer og induktorer er ment. Aktive komponenter forstås vanligvis å bety alle typer integrerte kretser, halvlederkomponenter og elektronrør.

En elektronisk krets opprettes gjennom en nøyaktig beregnet tildeling av de elektroniske komponentene som fungerer logisk med hverandre på et kretskort .

En uavhengig og logisk fungerende databehandlingsbrikke er den moderne prosessoren , som ikke bare finnes på hovedkortet på en datamaskin, men er en komponent i moderne industri- og kjøretøyteknologi .

Design av kretskort og integrerte kretser

CAD -kretskortdesign

"Designautomatisering av elektroniske systemer" er den tyske betegnelsen for dataassisterte verktøy for design av elektroniske systemer, spesielt mikroelektronikk . På engelsk kalles dette "Electronic Design Automation" (forkortet EDA). EDA forstås for det meste som en gren av dataassistert design (CAD) ellerdatamaskinassistert konstruksjon (CAE). Alternativt brukes også ECAD ( elektronisk CAD ) i stedet for EDA.

Analog elektronikk

Analog teknologi er først og fremst opptatt av behandling av kontinuerlige signaler. De fysiske lovene som beskriver oppførselen til komponentene (motstander, kondensatorer, transistorer, rør, etc.) brukes, eller gunstige forhold skapes gjennom kretsprinsipper. Typiske grunnkretser er strømkilder , strømspeil , differensialforsterkere og kaskader , samt referanseelementer som båndgapet . Mer kompliserte kretser kan bygges av dette, som f.eks B. Forsterkere , ved hjelp av hvilke flere funksjoner kan settes opp (oscillator, filter, etc.). Operasjonsforsterkeren er en forsterker med differensialinngang (differensialforsterker). Navnet kommer fra det faktum at matematiske operasjoner (subtraksjon, addisjon, integrasjon, etc.) kan utføres med det. Operasjonsforsterkere er mye brukt i analog elektronikk. Nøyaktigheten av signalbehandlingen i den analoge elektronikken ved produksjonstoleranser for komponentene og deres ikke-idealiteter (z. B. støy , ikke-lineæritet , hysterese ) samt andre forstyrrende effekter som kryssing og koblinger som angir støygrenser. Det er utviklet svært avanserte metoder som kompenserer eller minimerer slike feil og dermed tillater nøyaktighet i presisjonselektronikk i området noen få ppm . Så høy nøyaktighet er f.eks. B. nødvendig for å implementere analog-digitale omformere med 20 biters oppløsning. I prinsippet danner analog teknologi grunnlaget for digital teknologi.

Digital elektronikk

Flip-flop timing diagram

Digital elektronikk, eller digital teknologi, omhandler behandling av diskrete signaler (uttrykt som tall eller logiske verdier). Diskretiseringen påvirker alltid verdiområdet og ofte også atferden over tid. I praksis begrenser man seg til toverdige systemer, dvs.: spenninger eller strømmer - bortsett fra overgangsprosesser - bør bare anta to verdier (på / av, 1 eller 0, også høy / lav, H / L for kort) . Når det gjelder tidsdiskrete systemer, kan verdiene bare endres på spesifikke, for det meste like tidspunkter, som er spesifisert av en syklus. I digital elektronikk digitaliseres analoge signaler enten ( konverteres til digitale signaler ) før de behandles ved hjelp av analog-digitale omformere, eller de eksisterer allerede som diskrete verdier fra begynnelsen. I digital teknologi brukes transistorer vanligvis som bytteforsterkere og ikke som analoge forsterkere.

Fordelen med digital elektronikk ligger i det faktum at disruptive effekter nevnt i analog elektronikk etter digitalisering ikke lenger spiller noen rolle, men på bekostning av komponentkostnadene. Er z. Hvis for eksempel en analog krets har en maksimal feil på 0,1%, kan denne feilen underskrives av digitale kretser fra en databredde på ca. 10 bits . En analog multiplikator krever omtrent tjue transistorer, en digital multiplikator med samme nøyaktighet mer enn tjue ganger det tallet. Innsatsen øker i utgangspunktet på grunn av digitalisering, men dette blir mer enn kompensert av den stadig fremskrittende miniatyriseringen. I dag kan et veldig stort antall transistorer implementeres på en integrert krets (tallet er vanligvis i området 10 millioner). Fordelen er at z. For eksempel kan spenningsnivåene variere betydelig uten å hindre riktig tolkning som 1 eller 0. Dette gjør det mulig for komponentene i de integrerte kretsene å være svært unøyaktige, noe som igjen muliggjør ytterligere miniatyrisering. Egenskapene til kretsen er dermed i stor grad frakoblet de fysiske egenskapene til komponentene.

Den forenklede beskrivelsen av digitale kretser med de to tilstandene H og L er ikke alltid tilstrekkelig til å karakterisere eller designe dem, spesielt ved stadig høyere hastigheter og frekvenser. I grensetilfellet er kretsen i overgangen mellom de to logisk definerte tilstandene for større del av tiden. Derfor må analoge og høyfrekvente aspekter i slike tilfeller i økende grad tas i betraktning. Selv med sakte kretser kan det være problemer som bare kan forstås gjennom analoge tilnærminger; Et eksempel er problemet med flip-flops- metastabilitet .

Logikk for digital elektronikk

Digitale kretser - også kalt koblingssystemer eller logiske kretser - består hovedsakelig av enkle logiske elementer som AND , NAND , NOR , OR eller NOT porter og komponenter som digitale signaler kan lagres med, f.eks. B. flip-flops eller tellere . Alle disse logiske funksjonene kan implementeres med elektroniske komponenter (f.eks. Transistorer) som opererer i såkalt switch-modus. Integreringen av disse kretsene på en brikke (monolitisk krets) skaper komplekse elektroniske komponenter som mikroprosessorer .

Høyfrekvent elektronikk

Høyfrekvent elektronikk eller høyfrekvent teknologi er først og fremst opptatt av generering og overføring samt mottak og behandling av elektromagnetiske bølger. Søknader derav er f.eks. B. radioteknologi med radio , fjernsyn , radar , fjernkontroll , trådløs telefoni, navigasjon, men også unngåelse av uønskede vibrasjoner (interferens, EMC ) og ukontrollert stråling ( skjerming ). Andre områder av høyfrekvent elektronikk er mikrobølgeovnsteknologi , kablet informasjonsoverføring eller medisinsk elektronikk . Overgangen fra lavfrekvent til høyfrekvent teknologi er flytende. Den begynner omtrent når frekvensen f av den elektromagnetiske bølgen på en forbindelseslinje med lengde L danner et produkt fL, noe som fører til et merkbart faseskift ßL = 2π L / λ og dermed til stående bølger. Her er λ = λ 0 / (ε r eff ) 1/2 bølgelengden på linjen, λ 0 = c / f er bølgelengden i ledig plass og c er lysets hastighet i et vakuum. I det enkleste tilfellet, avhengig av feltfordelingen, beregnes variabelen ε r eff ut fra en vekting av de forskjellige permittivitetsverdiene ε r i linjen. Selv linjer uten tap kan derfor bare forsømmes for et lite faseskift ßL ≪ 1 (tilsvarer ca. 57,3 °), dvs. bare for fL ≪ c / [2π (ε r eff ) 1/2 ]. Når det gjelder en elektronisk krets med kabler på L ≥ 3 m og ε r eff = ε r = 2,3, må deretter for ßL <5 ° kreves ca f <1 MHz. oppholde seg. Praktisk høyfrekvent elektronikk begynner derfor på rundt f = 1 MHz, og er en sentral søyle i informasjonsteknologi.

Selv i det enkleste tilfellet kreves to opplysninger for å beskrive en linje:

  1. Faseforsinkelse τ ph = (ε r eff ) 1/2 L / c
  2. Karakteristisk impedans Z 0

Z 0 og ε r eff kan beregnes i en kvasi-statisk modell på kretskort ned til det lavere GHz-området fra linjekapasitansen og linjeinduktansen per lengdenhet. Fra noen få gigahertz foredles tilnærmingen ved å bruke forbedrede frekvensavhengige verdier ε r eff (f) og Z. fra Maxwells ligninger, feltene og den såkalte egenverdien ß med ß = (ε r eff ) 1/ 2 2π / λ 0 0 (f) kan bestemmes. Fra noen få 10 GHz og utover må Maxwells ligninger løses numerisk, bølgene forplanter seg i en sikksakk, og multimodedrift skjer helt analogt med optiske bølgeledere , for eksempel når stående bølger også kan utvikle seg i tverrretningen. Dette gjelder hver linje, mer presist, for hver struktur opp til linjegrener, tilkoblingsflater for komponenter og for strukturen til komponentene.

Komponentene R, L og C mister sine ideelle egenskaper U = RI, U = L dI / dt og I = C dU / dt mellom strøm I og spenning U, selv i SMD -design fra ca. 0,1 GHz. En motstand z. B. er alltid preget av kapasitive effekter med økende frekvens og av induktive effekter ved strøm. Elektroniske komponenter måles derfor på forhånd i et erstatningsmiljø med 50 Ω tilkoblingskabler (NWA = nettverksanalysator), hvorved elementets struktur senere må gjengis nøyaktig i den faktiske kretsen. Bølgene som løper på forbindelseslinjene, reflektert på objektet som skal måles og overføres gjennom objektet, er lineært beslektet når det gjelder passive elementer og ikke-lineære elementer (f.eks. Transistorer) med bare en liten modulasjon: I en 2-portsmåling , leverer en NWA deretter for hver frekvens en 2 × 2 spredningsmatrise (s-parameter), [2] som for ikke-lineære elementer fortsatt er avhengig av driftspunktet og realistisk beskriver strømspenningsatferden selv for f> 50 GHz. Disse dataene blir deretter speilet inn i et CAD -system som bruker Kirchhoffs lover for å bestemme alle U og I. Elementene L eller C kan simuleres for høye frekvenser med en linje med ßL ≪ 1 og en kortslutning eller åpen krets på enden, og en motstand R kan implementeres av en tapt linje, der en bølge løper inn og siver inn i en sump .

Imidlertid kan visse komponenter og strukturer også overtas som ferdige modeller fra et CAD -system, forutsatt at modellene er klarert, noe som utgjør et betydelig samvittighetsspørsmål, fordi hele analysen står eller faller med modellene. I tillegg til ferdige modeller og NWA-målinger, kan den fullt numeriske løsningen av Maxwells ligninger brukes til å utføre en "programvaremåling" av s-parametrene, så å si, i passive strukturer. For å holde den dramatisk økende datatiden innenfor grenser, blir bare de mest kritiske områdene plukket ut i en struktur: tilkoblingsflater, kryss, plugger, antenner, grener, etc.

Når det gjelder stor-signal modulering av ikke-lineære elementer, kan modelleringen i henhold til SPICE, kjent fra generell elektronikk, prøves opptil noen få gigahertz. SPICE-parametrene, som gjør de fysiske ligningene til modellene "fleksible", skal velges slik at s-parametrene til SPICE-modellen og NWA-målingen matcher så tett som mulig på alle operasjonspunkter og alle frekvenser: med bare 10 tester driftspunkter og 50 frekvenspunkter med hver 4 s parametere vil resultere i 2000 komplekse parameterverdier som skal testes. Innsatsen er enorm og modelleringen ekstremt vanskelig, selv for et enkelt operasjonspunkt. [3]

Støyen fra elektroniske kretser kan ikke lenger beskrives godt av SPICE -modeller, selv ved middels frekvenser. Derfor, analogt med NWA -målingen, måles støyatferden i et ekvivalent miljø (støymålestasjon). Med oppnådde støyparametere (min. Støytall ved optimal generatorimpedans pluss ekvivalent støymotstand), er det mulig å konvertere i CAD -systemet [4] hvordan komponenten i den faktiske kretsstøyen. En støytester er svært kompleks og krever en NWA a priori.

Evaluering av de mange ligningene er umulig uten CAD -systemene. Fornuftig bruk krever også inngående kunnskap om de programmerte teoriene og modellene som brukes.

Kraftelektronikk

Kraftelektronikk refererer til grenen av elektroteknikk som har til oppgave å konvertere elektrisk energi med elektroniske komponenter. Konvertering av elektrisk energi med transformatorer eller med roterende maskinsett regnes derimot ikke som kraftelektronikk.

Mikroelektronikk og nanoelektronikk

Integrert krets

Microelectronics omhandler utvikling og produksjon av integrerte kretser med strukturstørrelser eller strukturbredder, vanligvis under 100 mikrometer . I noen områder er 100- nanometergrensen overskredet, så man snakker her formelt om nanoelektronikk . Et silisiumbasert pikometer (<100 pikometer ) blir aldri implementert, fordi z. B. med en strukturbredde på 5 nm er bare omtrent 20-25 silisiumatomer (i [110]] av diamantstrukturen ) koblet til hverandre.

De minste strukturbreddene for integrerte kretser i serieproduksjon var 7 nm i 2018, se Apple A12 Bionic , og for tiden (2020) 5 nm, se Apple A14 Bionic . [5]

Viktigheten i samfunnet

Elektronikk i dag omfatter utallige områder, fra halvlederelektronikk til kvanteelektronikk til nanoelektronikk . Siden datamaskinens triumferende fremskritt, den konstante utviklingen av informasjonsteknologi og økende automatisering, har elektronikkens betydning stadig blitt større. Elektronikk er veldig viktig i samfunnet vårt i dag, og mange områder kan ikke lenger forestilles uten dem.

Kommersiell elektronikkproduksjon

I 2007 kom 38% av alle elektroniske produkter produsert over hele verden fra Asia-Stillehavsområdet. I 1995 var denne andelen fremdeles 20%. Kina alene økte sin andel fra 3% i 1995 til 16% i 2007. Sør -Korea, Malaysia, Singapore og Thailand er også blant de 10 beste landene. Vest -Europas andel var 19% av den globale produksjonen i 2007 (tilsvarer ca. 192 milliarder euro). Følgende rangeringsliste (fra 2006) gjelder rekkefølgen på ytelsen til størrelsen på elektronikkproduksjonen i Vest -Europa: Tyskland, Frankrike, Storbritannia, Irland, Italia. [6]

Elektronikk og elektroteknikk i profesjonelle verden

Lærlingeplasser

Avansert trening

Videreutdanning for å bli elektriker finner sted på en masterskole og varer 1 år på heltid eller 2 år på deltid.

Videreutdanning for å bli elektroingeniør kan fullføres på en teknisk skole i 4 heltidsemestre eller 8 semestre på deltid.

Emne

Elektronikk tilbys som et studium ved mange universiteter , tekniske høyskoler og yrkesfaglige akademier . Ved universiteter vektlegges vitenskapelig arbeid i løpet av studiene; ved universiteter for yrkesfag og yrkesfaglige akademier er fokuset på anvendelse av fysisk kunnskap.

Se også

litteratur

  • Karsten Block, Hans J. Hölzel, Günter Weigt: Komponenter i elektronikk og deres grunnkretser. Stam-Verlag, ISBN 3-8237-0214-9 .
  • Stefan Goßner: Grunnleggende om elektronikk. 11. utgave. Shaker Verlag , Aachen 2019, ISBN 978-3-8440-6784-2
  • Ekbert Hering, Klaus Bressler, Jürgen Gutekunst: Elektronikk for ingeniører. Springer, Berlin 2001, ISBN 3-540-41738-9 .
  • P. Horowitz, W. Hill: High School of Electronics. Volum 1 analog teknologi. Elektor-Verlag, ISBN 978-3-89576-024-2 .
  • P. Horowitz, W. Hill: High School of Electronics. Bind 2 digital teknologi. Elektor-Verlag, ISBN 978-3-89576-025-9 .
  • P. Horowitz, W. Hill: The Art of Electronics . Tredje utgave. Cambridge University Press, ISBN 978-0521809269 .
  • K. Küpfmüller, G. Kohn: Teoretisk elektroteknikk og elektronikk, en introduksjon. 16., fullstendig omarbeidet og oppdatert utgave. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-20792-9 .
  • Patrick Schnabel: Elektronikkgrunning. 4. fullstendig reviderte utgave. BoD, Norderstedt 2006, ISBN 3-8311-4590-3 .
  • U. Tietze, C. Schenk: Semiconductor circuit technology. Springer, Berlin, ISBN 3-540-42849-6 .
  • Claus-Christian Timmermann : Høyfrekvent elektronikk med CAD, volum 1. Linjer, firepolede, transistormodeller og simulering med numeriske og symbolske CAD / CAE-systemer. PROFUND Verlag, 2003, ISBN 3-932651-21-9 .
  • Claus-Christian Timmermann: Høyfrekvent elektronikk med CAD, volum 2. Støy, smal og bredbåndsforsterkere, oscillatorer, koblinger, filtre, PLL, antenne og optoelektronikk. PROFUND Verlag, 2005, ISBN 3-932651-22-7 .

Individuelle bevis

  1. Lister over elektroniske komponenter og deres leverandører: FBDi Directory 09
  2. Timmermann: Hochfrequenzelektronik mit CAD, bind 1. (lit.), s. 70 ff.
  3. Timmermann: Hochfrequenzelektronik mit CAD, bind 2. (lit.), s. 100 ff.
  4. Timmermann: Hochfrequenzelektronik mit CAD, bind 2. (lit.), s. 150 og s. 12–30.
  5. Hannes Brechers: TSMC begynner å produsere 5 nm chips. I: https://www.notebookcheck.com/ . 20. juni 2020, åpnet 23. juni 2020 .
  6. ^ Yearbook of World Electronics Data av Reed Electronics Research, juni 2006.

weblenker

Wiktionary: Electronics - forklaringer på betydninger, ordopprinnelse, synonymer, oversettelser