Ava peamenüü
Elektroonikakomponente

Elektroonika on teadus elektrienergia juhtimisest elektrilisel teel, milles elektronidel on fundamentaalne roll. Elektroonikat kui teadust peetakse füüsika ja elektrotehnika haruks.[1][2]

Elektroonika tegeleb elektriliste ahelatega, mis sisaldavad aktiivseid elektrilisi komponente (nagu näiteks vaakumlambid, transistorid, dioodid, integraallülitused, optoelektroonika seadmed ja andurid), sellega seotud passiivseid elektrilisi komponente, ja nende omavahel ühendamise tehnoloogiatega.

Tavaliselt sisaldavad elektroonikaseadmed peamiselt või eranditult aktiivsetest pooljuhtseadistest koosnevaid vooluahelaid, mida on täiendatud passiivsete elementidega. Sellist vooluahelat käsitletakse kui elektronahelat (-lülitust).

Aktiivsete komponentide mittelineaarne käitumine (tunneldiood) ja nende juures avalduv elektronide voogude juhtimise (Halli efekt) või voolu suuruse juhtimise (triood, transistor) võimalus muudab võimalikuks nõrkade signaalide võimendamise ja signaalide muundamise.

Elektroonikat kasutatakse laialdaselt informatsiooni töötlemises, telekommunikatsioonis ja signaalitöötluses.

Elektronseadiste suutlikkus toimida lülititena (switch) teeb võimalikuks digitaalse signaali töötlemise.

Ühendamise tehnoloogiad, nagu trükkplaadid, elektroonika pakendamise tehnoloogia ja muud erinevad ühendamise infrastruktuuri lahendused, annavad ahelale funktsionaalsuse ja muudavad segamini kasutatud ja omavahel ühendatud komponendid regulaarseks töötavaks süsteemiks.

Elektroonika eristub elektrialasest ja elektromehaanikaalasest teadusest ja tehnoloogiast, mis tegelevad elektrienergia genereerimise, jaotamise, lülitamise, salvestamisega ning muundamisega teistest energiavormidest või ka teisteks energiavormideks, kasutades juhtmeid, mootoreid, generaatoreid, patareisid, lüliteid, releesid, transformaatoreid, takisteid ja muid passiivseid komponente. See eristumine algas 1906. aasta paiku, kui Lee De Forest leiutas trioodi, mis muutis võimalikuks võimendada raadiosignaale ja helisignaale mittemehaanilise seadme abil. Kuni 1950. aastani kutsuti seda ala raadioelektroonikaks (radio engineering), kuna selle põhiline rakendus oli raadiosaatjate ja vastuvõtjate väljatöötamine ja teooria. Elektroonika selle tänapäevasemas mõttes oli aga selle perioodil vaakuumlampide teooria ja kasutamine.

Tänapäeval kasutab enamik elektroonilisi seadmeid elektroonilise kontrolli teostamiseks pooljuhtkomponente.

Pooljuhtseadmete toimimise füüsikaliste põhimõtetega ja nende valmistamise tehnoloogiaga seotud uurimist peetakse tahkete kehade füüsika haruks, samas kui praktiliste probleemide lahendamiseks mõeldud elektroonsete ahelate väljatöötamine ja ehitamine kuulub elektroonikainseneeria alla. See artikkel keskendub elektroonika rakendustehnoloogilistele aspektidele.

Elektroonika harudRedigeeri

Elektroonilised seadmed ja komponendidRedigeeri

Elektrooniline komponent on füüsiline üksus elektroonilises süsteemis, mida kasutatakse elektronide või nendega seotud väljade mõjutamiseks vastavalt elektroonilise süsteemi kavandatud funktsioonile. Konkreetsete funktsioonide (näiteks võimendi, raadiovastuvõtja või ostsillaatori) loomiseks mõeldud komponendid on üldjuhul ette nähtud omavahel ühendamiseks, tavaliselt trükkplaadile jootmise teel. Komponendid võivad olla pakitud üksikult või keerukamate rühmade kujul integralskeemidena. Levinud elektroonikakomponendid on transistorid, dioodid, takistid, kondensaatorid, drosselid (induktiivpoolid) jne. Komponendid liigitatakse tihti aktiivseteks (nt võimendid, transistorid ja türistorid) või passiivseteks (näiteks takistid, kondensaatorid, drosselid (induktiivpoolid), trafod, aga ka dioodid).

Elektrooniliste komponentide ajaluguRedigeeri

Vaakumlambid olid esimesed elektroonilised komponendid, kuigi esimeseks elektroonikaseadmeks võib pidada ka röntgenitoru.[3] Nemad määrasid peaaegu täielikult 20. sajandi esimesel poolel toimunud elektroonikarevolutsiooni käigu.[4][5] Nemad viisid elektroonika algelise lõbustuse tasemelt edasi, andes meile raadio, televisiooni, helisalvestuse, radarid, telefonikaugside ja palju muud. Kuni 1980. aastate keskpaigani mängisid nad juhtivat rolli mikrolainetehnika ja kõrgepingeülekande ning televisioonivastuvõtjate (televiisorite) valdkonnas.[6] Vaakumlampe kasutatakse endiselt mõnes erirakenduses, näiteks suure väljundvõimsusega raadiosagedusvõimendid, elektronkiiretorud, spetsiaalsed heliseadmed, kitarrivõimendid ja mõned mikrolaineseadmed.

Transistoride leiutamise, arendamise ja massilisse tootmisse jõudmise järel võeti need elektronlampide asemel kasutusele ja paarikümne aastaga olid nad elektronlampide asemel praktiliselt kõikjal kasutusel. Väikese energiatarbe tõttu (nad ei vaja katoodi kütet) tekkis võimalus realiseerida seadmeid, mis lampide abil teostatuna olid mõeldamatud (implanteeritavad meditsiinielektroonikaseadmed jms).

Mõõtmete väiksuse ja ökonoomsuse tõttu võeti transistorid kasutusele ka arvutustehnilistes seadmetes. 1955. aasta aprillis valminud lauaarvuti IBM 608 oli esimene IBM-i toode, milles kasutati ainult transistore ilma ühegi vaakumlambita, ja seda peetakse esimeseks täielikult transistoridel toimivaks kommertsturule toodetud arvutusmasinaks. 608 sisaldas üle 3000 germaaniumtransistori. Thomas J. Watson Jr andis korralduse kasutada transistore kõigi tulevaste IBMi toodete väljatöötamisel. Sellest ajast peale on arvutiloogika seadmetes ja välisseadmetes kasutatud peaaegu eranditult transistore.

Ahelate tüübidRedigeeri

Ahelaid ja komponente saab jagada kahte rühma: analoogsed ja digitaalsed. Seade võib koosneda lülitustest, mis on üht või teist ​​tüüpi või mõlema tüübi segu.

AnaloogaheladRedigeeri

  Pikemalt artiklis Analoogelektroonika

Enamik elektroonilisi analoogseadmeid, näiteks raadiovastuvõtjad, on üles ehitatud vaid paari liiki põhiahela kombinatsioone kasutamise peal. Analoogahelad kasutavad pidevat pinge- või vooluvahemikku, erinevalt diskreetsete tasemete kasutamisest digitaalsetes ahelates.

Seni välja töötatud erinevate analoogahelate arv on tohutu, eriti seetõttu, et "ahela" määratlus võib ulatuda ühest komponendist kuni tuhandeid komponente sisaldavate süsteemideni.

Analoogahelat nimetatakse mõnikord lineaarseks, kuigi analoogahelates kasutatakse mitmeid mittelineaarseid efekte, nagu segustites, modulaatorites jne. Analoogahelate headeks näideteks on vaakumlamp- ja transistorvõimendid, operatsioonvõimendid ja ostsillaatorid.

Nüüdisajal leiab harva ahelaid, mis on täiesti analoogsed. Tänapäeval võivad analoogsüsteemid kasutada digitaalseid mikroprotsessortehnoloogiaid (digitaalseid signaaliprotsessoreid ehk DSP-sid).

Mõnikord võib olla raske eristada analoog- ja digitaalahelaid, kuna nad teostavad signaalidega nii lineaarseid kui ka digitaalsusele iseloomulikke mittelineaarseid toiminguid. Näiteks on signaali komparaator, mis võtab sisse pideva analoogpinge, kuid väljastab ainult kahte taset, nagu see on digitaalahelas. Sarnaselt võib ülekoormatud transistorvõimendi väljund omandada juhitava loogilise lüliti ehk loogkalüli väljundi omadusi, millel on sisuliselt kaks väljunditaset. Tegelikult on paljud digitaalsed lülitused analoogahelate variandid, mis on rakendatud sarnaselt selle näitega. Lõppude lõpuks on ju kõik tegeliku füüsilise maailma aspektid põhiliselt analoogsed, nii et digitaalseid efekte saab realiseerida ainult analoogkäitumise piiramise teel.

DigitaalaheladRedigeeri

  Pikemalt artiklis Digitaalelektroonika

Digitaalsed ahelad on elektrilised ahelad, mis põhinevad kahe või enama diskreetse pingetaseme (kokkuleppelise või tehnilise lahendusega ära määratud, näiteks TTL, CMOS jne) ehk nivoo kasutamisel. Kahetasemelised (tinglikult "0" ja "1") digitaalahelad on Boole’i algebra kõige levinumaid füüsilisi esitusi, mis on kõigi kahendsüsteemis töötavate digitaalarvutite aluseks.

Binaarset süsteemi on kasutatud enamikus digitaalsetes ahelates. Binaarsetel digitaalsetel ahelatel on kaks pingetaluvust, mida märgistatakse kui "0" ja "1". Sageli vastab loogilisele 0-le madalam pinge ja seda nimetatakse "madalaks", samal ajal kui loogilisele 1-le vastab kõrge nivoo. Kuid mõnes süsteemis kasutatakse vastupidist määratlust ("0" on "kõrge" ja "1" on "madal") või siis on toite polaarsus erinev (tavalisest positiivsest), või siis on nad üldse voolusignaali põhised. Üsna sageli võib loogika disainija neid määratlusi ümber pöörata üleminekul ühelt ahelalt teisele, kui ta peab seda disaini hõlbustamiseks vajalikuks. Nii et tasemete määratlus "0" või "1" on mõnevõrra meelevaldne.

Ternaarset (kolme oleku või signaali nivoo kasutamisega) loogikat on uuritud ja mõned sellised prototüüparvutid on ka loodud.

Arvutid, elektroonilised kellad ja programmeeritavad loogikakontrollerid (kasutatakse tööstusprotsesside juhtimiseks) on ehitatud digitaalsetest ahelatest. Teiseks näiteks on digitaalsed signaalitöötluse vahendid (DSPd jms).

Komponendid:

Kõrge integreerituse astmega seadmed:

Soojuse hajumine ja soojusjuhtimineRedigeeri

Elektroonilise vooluringi tekitatav soojus tuleb hajutada, et vältida kohest tõrget ja parandada pikaajalist töökindlust. Soojuse hajumine saavutatakse enamasti passiivse soojusjuhtivuse / konvektsiooniga. Hajumist kasvatavad vahendid on muu hulgas jahutusradiaatorid ja ventilaatorid õhkjahutuse tarbeks ning teised arvutijahutuse vormid, nagu näiteks vesijahutus. Need meetodid kasutavad konvektsiooni, soojusjuhtivust, soojuse transporti ja soojuskiirgust.

MüraRedigeeri

Elektrooniline müra on määratletud kui soovimatud häired, mis tekivad kasuliku signaali peale (liituvad sellega) ja kipuvad varjama signaali infosisu. Müra ei ole sama mis on vooluahelas põhjustatud signaali moonutused. Müra on seostatav kõigi elektrooniliste ahelatega. Müra võib olla elektromagnetiliselt või soojuslikult tekkinud. Soojuslikku müra saab vähendada, alandades ahelas müra tekitavate komponentide töötemperatuuri. Kuid on veel muid müratüüpe, mida ei saa eemaldada, sest need on seotud füüsikaliste omaduste poolt seatud piirangutega, nagu seda on haavelmüra. Elektromagnetilisi häireid saab vähendada varjestuse kasutamisega.

ElektroonikateooriaRedigeeri

Matemaatilised meetodid on elektroonika uurimise lahutamatud osad. Asjatundlikkus elektroonikas eeldab ühtlasi asjatundlikkust vooluahelate analüüsi matemaatikas.

Vooluahelate analüüs uurib meetodeid, kuidas lahendada üldiselt lineaarsete süsteemide tundmatute muutujate suhtes, nagu pinge teatavas sõlmpunktis või vool läbi võrgu teatud haru. Levinud analüütiliseks vahendiks on ahelate simulaator SPICE.

Elektroonika jaoks on oluline ka elektromagnetvälja teooria uurimine ja mõistmine.

ElektroonikalaborRedigeeri

Elektroonikateooria keerukuse tõttu on laboratoorsetel eksperimentidel elektrooniliste seadmete väljatöötamise juures täita oluline osa. Neid eksperimente kasutatakse inseneri loodud tehnilise lahenduse testimiseks või kontrollimiseks ja vigade tuvastamiseks. Ajalooliselt on elektroonikalaborid koosnenud füüsilises ruumis paiknevatest elektroonikaseadmetest ja seadmestikust, kuid viimastel aastakümnetel on elektroonikalaboris trendiks saanud kasutada pigem simuleerivat tarkvara, nagu CircuitLogix, Multisim ja PSpice.

Arvutipõhine disainRedigeeri

Tänased elektroonikainsenerid on võimelised projekteerima ahelaid, kus kasutatakse eelnevalt valmistatud komponente, nagu toiteallikad, pooljuhid (st pooljuhtseadmed, näiteks transistorid) ja integraallülitused. Elektroonilise projekteerimisautomaatika tarkvaraprogrammid hõlmavad skemaatilisi salvestusprogramme ja trükkplaatide disainimise programme. Populaarseimad nimed on NI Multisim, Cadence (ORCAD), EAGLE PCB ja Schematic, Mentor (PADS PCB ja LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA, KiCad ja paljud teised.

Elektroonika EestisRedigeeri

Eestis alustati elektroonika alase ettevõtlusega seoses raadioside ja raadioringhäälingu arenguga 1920. aastatel. Eesti elektroonikatööstuse põhitoodanguks enne teist maailmasõda olid raadioseadmed ja nende passiivkomponendid. Raadiovastuvõtjate ja elektroonsete mõõtevahendite tootmise ja väljatöötamise alal jätkus tegevus kuni 1990. aastateni.

Seoses pooljuhtelektroonika arenguga pärast teist maailmasõda loodi Eestis mitmed pooljuhtseadiseid väljatöötavad ja tootvad ettevõtted, mis olid NSV Liidu üleliidulises alluvuses. Mõned ettevõtted hakkasid hiljem valmistama ka integraalseid mikroskeeme.

Tänapäeval on Eestis mitmeid elektroonika tooteid valmistavaid ettevõtteid, millest suurimad on välismaiste ettevõtete filiaalid. Nende põhiliseks toodanguks on olnud mobiilside vahendid, kuid valmistatud on ka muid elektroonikal põhinevaid tooteid.

Elektroonikaalase erialase ettevalmistuse saab omandada põhiliselt Tallinna Tehnikaülikoolis ja Tallinna Polütehnikumis.

Vaata kaRedigeeri

ViitedRedigeeri

  1. "Electronics, Encyclopædia Britannica". Encyclopædia Britannica. September 2016. 
  2. "Electronics definition, Oxford Dictionary". Oxford University Press. Veebruar 2017. 
  3. Guarnieri, M. (2012). "The age of vacuum tubes: Early devices and the rise of radio communications". IEEE Ind. Electron. M. 6 (1): 41–43. doi:10.1109/MIE.2012.2182822. 
  4. Guarnieri, M. (2012). "The age of vacuum tubes: the conquest of analog communications". IEEE Ind. Electron. M. 6 (2): 52–54. doi:10.1109/MIE.2012.2193274. 
  5. Guarnieri, M. (2012). "The age of Vacuum Tubes: Merging with Digital Computing". IEEE Ind. Electron. M. 6 (3): 52–55. doi:10.1109/MIE.2012.2207830. 
  6. Sōgo Okamura (1994). History of Electron Tubes. IOS Press. p. 5. ISBN 978-90-5199-145-1.