Mis on elektroonika? Põhimõisted, komponendid ja toimimine
Avasta elektroonika põhimõisted, komponendid ja toimimine: kuidas töötavad transistorid, vooluahelad, signaalitöötlus ja väljundseadmed igapäevases tehnoloogias.
Elektroonika uurib, kuidas kontrollida elektronide voolu. See tegeleb elektrienergia voolu kontrollivatest komponentidest koosnevate vooluahelatega. Elektroonika on üks osa füüsikast ja elektrotehnoloogiast.
Elektrilised komponendid, nagu transistorid ja releed, võivad toimida lülititena. See võimaldab meil kasutada elektrilisi vooluahelaid teabe töötlemiseks ja teabe edastamiseks pikkade vahemaade taha. Elektriahelad võivad ka nõrka signaali (näiteks sosinat) võtta ja seda võimendada (valjemaks muuta).
Enamik elektroonilisi süsteeme jaguneb kahte kategooriasse:
- Teabe töötlemine ja levitamine. Neid nimetatakse sidesüsteemideks.
- Energia muundamine ja jaotamine. Neid nimetatakse juhtimissüsteemideks.
Üks võimalus elektroonilist süsteemi vaadelda on jagada see kolmeks osaks:
- Sisendid - elektrilised või mehaanilised andurid, mis võtavad füüsikalisest maailmast (temperatuuri, rõhu jne. kujul) tulevaid signaale ja teisendavad need elektrivoolu ja pinge signaalideks.
- Signaalitöötlusahelad - Need koosnevad elektroonilistest komponentidest, mis on omavahel ühendatud signaalides sisalduva teabe manipuleerimiseks, tõlgendamiseks ja muundamiseks.
- Väljundid - aktuaatorid või muud seadmed, mis muudavad voolu- ja pingesignaalid tagasi inimesele loetavaks teabeks.
Näiteks televiisori sisendiks on antennist või kaabeltelevisiooni puhul kaablist saadud ringhäälingusignaal.
Televiisori sisemised signaalitöötlusahelad kasutavad vastuvõetud signaalis sisalduvat heleduse, värvi ja heli teavet, et juhtida televiisori väljundseadmeid. Ekraani väljundseade võib olla katoodkiiretoru (CRT) või plasma- või vedelkristallkuvar. Heliväljundseade võib olla magnetjuhitav helikõlar. Kuvari väljundseadmed teisendavad signaalitöötlusahelate heledus- ja värviinformatsiooni ekraanil kuvatavaks nähtavaks pildiks. Heliväljundseade muundab töödeldud heliinformatsiooni kuulajatele kuuldavaks heliks.
Lülituse/võrgu analüüs hõlmab sisendi ja signaalitöötlusahela tundmist ning väljundi väljaselgitamist. Sisendi ja väljundi tundmist ja signaalitöötluse osa väljaselgitamist või projekteerimist nimetatakse sünteesiks.
Põhimõisted ja klassifikatsioon
Elektroonika hõlmab nii passiivseid kui aktiivseid komponente. Passiivsed komponendid (takistid, kondensaatorid, induktiivpoolid) ei suurenda energiat; aktiivsed komponendid (diodid, transistorid, operatiivvõimendid, integreeritud vooluahelad) võivad signaali võimendada või juhtida. Elektroonikat jagatakse laias laastus ka analoog- ja digitaalelektroonikaks:
- Analoogelektroonika töötleb pidevaid signaale (nt audio-, raadio- ja sensorisignaalid).
- Digitaalelektroonika kasutab diskreetseid tasemeid (loogika 0 ja 1) ning hõlmab mikroprotsessoreid, mälu ja digitaalseid liideseid.
Olulised komponendid ja nende roll
- Takistid (R) — piiravad voolu ja loovad pingejagajaid.
- Kondensaatorid (C) — salvestavad laengut, kasutusel filtrites, sidumis- ja ajastuspiirkondades.
- Induktiivpoolid (L) — salvestavad energiat magnetväljas, vajalikud filtrites ja lülitustoites.
- Diodid — lasevad voolu voolata ühes suunas; kasutusel alaldamisel ja signaalikaitses.
- Transistorid — võtmeelemendid võimendamiseks ja lülitamiseks; neist saavad alata integreeritud vooluahelad.
- Operatiivvõimendid — kasutusel võimendites, filtreerimises ja signaalitöötluses.
- Integreeritud vooluahelad (IC) — sisaldavad väga palju komponente ühes piirikorpuses (loogika, mikroprotsessorid, muundurid jpm).
- Sensorid ja aktuaatorid — sensorid loevad füüsikalisi suurusi; aktuaatorid (mootorid, releed, LEDid) viivad süsteemi muutused ellu.
Kuidas vooluahelad töötavad (lühike ülevaade)
Elektrooniline vooluahel koosneb allikast (toiteplokk), juhtmetest ja komponentidest, mis määravad, kuidas vool ja pinge signaalidega käituvad. Vooluahela analüüsimiseks kasutatakse fundamentaalseid seadusi nagu Ohmi seadus ja Kirchhoffi seadused, mis aitavad arvutada voolu, pinget ja võimsust erinevates ahela osades. Signaalitöötluses kasutatakse filtrid, võimendid, võimendusastmed, võimendusklambrid ning muundurid (A/D ja D/A), et signaalid sobitada järgmisteks sammudeks.
Võrkude tüübid ja näited
- Sidesüsteemid: raadio-, telefon-, televisioon- ja arvutivõrgud, mis edastavad ja töötlevad informatsiooni.
- Juhtimissüsteemid: regulaatorid, toiteallikad, elektrimootorite juhtimine ja automaatika, mis muundavad ja suunavad energiat.
- Tarvikud: toiteplokid (nt muundurid, pingeregulaatorid), akud, laadimissüsteemid.
Mõõteseadmed ja tööriistad
Tavapärased tööriistad ja seadmed elektroonikas on:
- Multimeeter — mõõdab pinget, voolu ja takistust.
- Otsingulamp / osillograaf — kuvab signaali ajas, oluline lainekuju analüüsiks.
- Funktsionaaligeneraator — genereerib testsignaale (sine, rist, kolmnurk).
- Jootetööriistad ja laboritarvikud — jootekolb, vooluahela prototüüpplaadid (breadboard), trükkplaadid (PCB).
Turvalisus ja parimad praktikad
- Enne tööle asumist lülita toide välja ja kasuta sobivaid kaitsevahendeid.
- Ole ettevaatlik kõrgepingeliste allikatega ja suure võimsusega toitega (nt toiteplokid, võrgupistikud).
- Kasutada korrektselt maadamist ja ülepingekaitset; paigalda kaitsekaablid ja kaitsmed, et vältida lühiseid ja ülekuumenemist.
Trükkplaadid, vormindamine ja tootmine
Kaasaegne elektroonika põhineb sageli PCB-idel (trükkplaatidel) ja SMD-komponentidel (pinnale monteeritavad seadmed). Integreeritud vooluahelad (IC) võimaldavad keerukaid funktsioone väikses ruumis ning massitootmises on tavalised SMT (Surface Mount Technology) meetodid. Prototüüpimiseks kasutatakse sageli ka mikroarvuteid ja arendusplaate (nt Arduino, Raspberry Pi).
Rakendused ja tulevik
Elektroonika on igapäevaelus kõikjal: nutitelefonid, arvutid, meditsiiniseadmed, sõidukid, tööstusautomaatika, koduelektroonika ning side- ja energeetikasüsteemid. Tulevikus suunavad arengut väiksemad, energiatõhusamad ja intelligentsemad komponendid (nt IoT — asjade internet, tehisintellekt ühes integreeritud süsteemiga), juhtmeta side ja uued pooljuhtmaterjalid nagu galliumniit ja grafen.
Kokkuvõte
Elektroonika on valdkond, mis ühendab füüsika, materjaliteaduse ja inseneriteaduse, et kontrollida elektrivoolu ja signaale. Olulised aspektid on komponentide mõistmine, signaalitöötlus, ohutus ning praktilised oskused vooluahelate projekteerimiseks ja realiseerimiseks. Hea baasteadmistega saab mõista nii lihtsamaid ahelaid kui ka kaasaegseid digitaalseid süsteeme.
Trükkplaat.
Ajalugu
Inimesed hakkasid elektrienergiaga katsetama juba 600 eKr, kui Thales Miletosest avastas, et karva hõõrumine merevaigust põhjustab nende vastastikust tõmbumist.
Alates 1900ndatest aastatest kasutasid seadmed elektrivoolu juhtimiseks klaasist või metallist vaakumtorusid. Nende komponentide abil saab väikese võimsusega pinge abil muuta teist. See muutis raadiot revolutsiooniliselt ja võimaldas muid leiutisi.
1960ndatel ja 1970ndate alguses hakkasid transistorid ja pooljuhtide kasutamine asendama vaakumlampe. Transistoreid saab teha palju väiksemaks kui vaakumlampe ja nad saavad töötada väiksema energiakuluga.
Umbes samal ajal hakati laialdaselt kasutama integraallülitusi (vooluahelad, milles on suur hulk väga väikeseid transistoreid, mis on paigutatud väga õhukestele räniviiludele). Integreeritud vooluahelad võimaldasid vähendada elektroonikatoodete valmistamiseks vajalike osade arvu ja muutsid tooted üldiselt palju odavamaks.
Analoogahelad
Analoogahelaid kasutatakse signaalide jaoks, millel on erinev amplituud. Üldiselt mõõdavad või kontrollivad analoogahelad signaalide amplituudi. Elektroonika algusaegadel kasutasid kõik elektroonikaseadmed analoogahelaid. Analoogsignaalide töötlemisel mõõdetakse või kontrollitakse sageli analoogahela sagedust. Kuigi digitaalseid lülitusi tehakse rohkem, on analooglülitused alati vajalikud, sest maailm ja inimesed töötavad analoogselt.
Impulssahelad
Impulssahelaid kasutatakse signaalide jaoks, mis vajavad kiireid energiaimpulsse. Näiteks õhusõidukite ja maapealsete radarseadmete töös kasutatakse impulssahelaid, et luua ja saata radarisaatjatest suure võimsusega raadioenergiaimpulsse. Spetsiaalseid antenne (mida nende kuju tõttu nimetatakse "tala-" või "tassiantennideks") kasutatakse suure võimsusega kiirgussignaalide saatmiseks ("edastamiseks") suunas, kuhu tala- või tassiantenn on suunatud.
Radarsaatja impulsid või raadioenergia pursked tabavad ja põrkuvad tagasi (need "peegelduvad") kõvadelt ja metallist objektidelt. Kõvad objektid on näiteks hooned, mäed ja mäed. Metallist objektid on kõik, mis on valmistatud metallist, näiteks lennukid, sillad või isegi kosmoses asuvad objektid, näiteks satelliidid. Peegeldunud radarenergiat tuvastavad radariimpulsside vastuvõtjad, mis kasutavad nii impulsside kui ka digitaalahelaid koos. Radari impulsside vastuvõtjate impulss- ja digitaalahelaid kasutatakse radarisaatja suure võimsusega impulssi peegeldanud objektide asukoha ja kauguse näitamiseks.
Kontrollides, kui tihti radarsaatja kiiret radarimpulssi välja saadab (mida nimetatakse saatja "impulsside ajastuseks") ja kui kaua võtab aega, kuni peegeldunud impulsside energia jõuab tagasi radarvastuvõtjani, saab öelda mitte ainult seda, kus objektid on, vaid ka seda, kui kaugel nad on. Radarvastuvõtja digitaalahelad arvutavad objekti kauguse, teades energiaimpulsside vahelist ajavahemikku. Radarvastuvõtja digitaalahelad loevad, kui kaua kulub impulsside vahel, et radarvastuvõtja tuvastaks objekti peegeldunud energia. Kuna radariimpulsid saadetakse ja võetakse vastu ligikaudu valguse kiirusega, on võimalik hõlpsasti arvutada objekti kaugus. Seda tehakse digitaalahelates, korrutades valguse kiiruse ajaga, mis kulub objektilt tagasipeegeldunud radarienergia vastuvõtmiseks.
Impulsside vaheline aeg (mida sageli nimetatakse "impulsside kiiruse ajaks" või PRT) seab piiri sellele, kui kaugel on võimalik objekti tuvastada. Seda kaugust nimetatakse radarsaatja ja -vastuvõtja "ulatuseks". Radarsaatjad ja -vastuvõtjad kasutavad kaugete objektide kauguse leidmiseks pikka PRT-d. Pikk PRT võimaldab näiteks Kuu kauguse täpset määramist. Kiiret PRT-d kasutatakse palju lähemal asuvate objektide tuvastamiseks, näiteks laevade tuvastamiseks merel, kõrgelt lendavate lennukite tuvastamiseks või kiirelt liikuvate autode kiiruse määramiseks maanteedel.
Digitaalsed vooluahelad
Digitaalahelaid kasutatakse signaalide jaoks, mis lülituvad ainult sisse ja välja, selle asemel, et töötada sageli tasanditel, mis asuvad kusagil sisse- ja väljalülitamise vahel. Digitaalahelate aktiivsetel komponentidel on tavaliselt üks signaalitase sisselülitamisel ja teine signaalitase väljalülitamisel. Üldiselt lülitatakse digitaalahelates komponent ainult sisse ja välja.
Arvutid ja elektroonilised kellad on näited elektroonilistest seadmetest, mis koosnevad peamiselt digitaalsetest vooluahelatest.
Põhiplokid:
- Loogilised väravad
- Flip-flops
- Loendurid
Komplekssed seadmed:
- Mikroprotsessorid
- Mikrokontrollerid
- Digitaalsed signaaliprotsessorid
Joonis pooleldi liitja, digitaalahela skeem
Seotud leheküljed
- Elektri- ja Elektroonikainseneride Instituut
- Elekter
Küsimused ja vastused
K: Mis on elektroonika?
V: Elektroonika on elektrienergia (elektronide voolu) uurimine ja selle kasutamine selliste asjade nagu arvutite ehitamiseks. See kasutab komponentidest ja ühendusjuhtmetest valmistatud vooluahelaid, et teha kasulikke asju.
K: Milline teadus on elektroonika aluseks?
V: Elektroonika aluseks olev teadus pärineb füüsikaõpingutest ja seda rakendatakse reaalses elus elektrotehnika valdkonnas.
K: Millised on mõned näited elektroonikakomponentidest?
V: Elektroonikakomponentide hulka kuuluvad näiteks transistorid, kaitsmed, kaitselülitid, patareid, mootorid, trafod, valgusdioodid ja lambid.
K: Kuidas saab elektroonilist süsteemi osadeks jagada?
V: Elektroonilise süsteemi saab jagada kolmeks osaks - sisendid, signaalitöötlusahelad ja väljundid. Sisendid on elektrilised või mehaanilised andurid, mis võtavad füüsilisest maailmast tulevaid signaale ja muudavad need elektrivoolu ja pinge signaalideks. Signaalitöötlusahelad koosnevad elektroonilistest komponentidest, mis on omavahel ühendatud signaalides sisalduva teabe manipuleerimiseks, tõlgendamiseks ja muundamiseks. Väljundid on aktuaatorid või muud seadmed, mis muudavad voolu- ja pinge-signaalid tagasi inimesele loetavaks teabeks.
K: Kuidas töötab televiisor?
V: Televiisori sisendiks on antennist või kaabeltelevisiooni puhul kaablist saadud ringhäälingusignaal. Televiisori sisemised signaalitöötlusahelad kasutavad vastuvõetud signaalis sisalduvat heledus-, värvi- ja heliinformatsiooni, et juhtida selle väljundseadmeid, näiteks katoodkiiretoru (CRT), plasma- või vedelkristallkuvar ekraani kuvamise väljundseadme jaoks, magnetjuhitud helikõlarit heli väljundseadme jaoks jne, mis muudavad need signaalid vastavalt ekraanil kuvatavaks nähtavaks pildiks või kuulajatele kuuldavaks heliks.
K: Mis on vooluahela/võrgu analüüs?
V: Lülituse/võrgu analüüs hõlmab nii selle sisendi kui ka signaalitöötlusahela tundmist, et teada saada, milline on selle väljund.
K: Mis on elektroonika puhul süntees?
V: Süntees hõlmab nii sisendi kui ka väljundi tundmist ja seejärel selle väljaselgitamist või projekteerimist, millist signaalitöötluse osa on vaja selleks, et kõik koos korralikult toimiks.
Otsige