Kapitel 2 : Elektronik

Die Erforschung der Emission, des Verhaltens und der Folgen von Elektronen durch die Verwendung elektronischer Geräte steht im Mittelpunkt der Disziplin Elektronik, die ein Teilgebiet sowohl der Physik als auch der Elektrotechnik ist. Im Gegensatz zur traditionellen Elektrotechnik, die sich ausschließlich auf passive Effekte wie Widerstand, Kapazität und Induktivität stützt, um den elektrischen Stromfluss zu regulieren, nutzt die Elektronik aktive Bauelemente, um den Elektronenfluss durch Verstärkung und Gleichrichtung zu steuern. Damit unterscheidet sie sich von der als "klassisch" bekannten Elektrotechnik.

Die Erfindung der Elektronik hatte einen bedeutenden Einfluss auf das Wachstum der zeitgenössischen Zivilisation. Die Entdeckung des Elektrons im Jahr 1897 und die darauf folgende Entwicklung der Vakuumröhre, die die Fähigkeit besaß, schwache elektrische Impulse zu verstärken und zu korrigieren, markierte den Beginn des Gebietes der Elektronik und des Elektronenzeitalters. In den frühen 1900er Jahren erfanden Ambrose Fleming und Lee De Forest die Diode bzw. die Triode. Diese Erfindungen ermöglichten es einem nicht-mechanischen Gerät, winzige elektrische Spannungen zu erfassen, wie z. B. Radiosignale, die von einer Radioantenne ausgehen. Damit war der Weg für den Beginn der praktischen Anwendung geebnet.

Sie ermöglichten den Bau von Geräten, die mit Stromverstärkung und Gleichrichtung arbeiteten, was uns Radio, Fernsehen, Radar, Ferntelefonie und vieles mehr ermöglichte. Vakuumröhren, auch thermoonische Ventile genannt, waren die ersten aktiven elektronischen Bauteile. Sie steuerten den Stromfluss, indem sie den Fluss einzelner Elektronen beeinflussten. In den 1920er Jahren wurden der kommerzielle Rundfunk und die Kommunikation weit verbreitet, und elektronische Verstärker wurden in so unterschiedlichen Anwendungen wie der Ferntelefonie und der Musikaufnahmeindustrie eingesetzt. Das frühe Wachstum der Elektronik war schnell, und in den 1920er Jahren waren kommerzielle Radiosendungen und Kommunikation weit verbreitet.

Der anschließende bedeutende technologische Fortschritt fand erst einige Jahrzehnte später statt, und erst 1947 entwickelten John Bardeen und Walter Houser Brattain von den Bell Labs den ersten funktionsfähigen Punktkontakttransistor. Dennoch waren Vakuumröhren bis Mitte der 1980er Jahre die dominierende Technologie in den Bereichen Mikrowellen- und Hochleistungsübertragung sowie Fernsehempfänger. Dies war in beiden Bereichen der Fall. Seitdem haben Produkte mit Solid-State-Technologie den Markt fast vollständig erobert. Einige spezialisierte Anwendungen, wie z. B. Hochleistungs-HF-Verstärker, Kathodenstrahlröhren, spezielle Audiogeräte, Gitarrenverstärker und einige Mikrowellengeräte, verwenden weiterhin Vakuumröhren.

Es wird angenommen, dass der IBM 608, der im April 1955 auf den Markt kam, der erste volltransistorisierte Taschenrechner war, der für den Verkauf auf dem kommerziellen Markt gebaut wurde. Der IBM 608 war das erste von IBM entwickelte Gerät, das Transistorschaltungen anstelle von Vakuumröhren verwendete. Dieses Problem wurde behoben, als Jack Kilby und Robert Noyce den integrierten Schaltkreis entwickelten. Bei ihrem Design wurden der Chip und alle elektronischen Komponenten aus einem einzigen Block (oder Monolithen) aus Halbleitermaterial hergestellt. Sowohl die Größe der Schaltkreise als auch der Herstellungsprozess können reduziert werden, was die Möglichkeit der Automatisierung ermöglicht. Daraus resultierte das Konzept, alle Komponenten auf einem einkristallinen Siliziumwafer zu integrieren, was wiederum in den frühen 1960er Jahren zur Entwicklung der Small-Scale-Integration (SSI), der Medium-Scale-Integration (MSI) in den späten 1960er Jahren und schließlich der Very Large Scale Integration (VLSI) führte. 2008 war das Jahr, in dem Milliarden-Transistor-Prozessoren für den kommerziellen Einsatz verfügbar waren.

Im Folgenden finden Sie eine Liste der wichtigsten Teilbereiche der Elektronik im Jahr 2022:

Digitale Elektronik

Analoge Elektronik

Mikroelektronik

Schaltungsentwicklung

Integrierte Schaltkreise

Leistungselektronik

Optoelektronik

Halbleiterbauelemente

Eingebettete Systeme

Audio-Elektronik

Telekommunikation

Nanoelektronik

Bioelektronik

Jeder Teil eines elektronischen Systems, ob aktiv oder passiv, kann als Bestandteil des elektronischen Systems betrachtet werden. Um eine elektronische Schaltung herzustellen, die in der Lage ist, eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen, müssen zunächst ihre einzelnen Komponenten miteinander verbunden werden. Dies wird häufig durch das Löten der Komponenten auf eine Leiterplatte (PCB) erreicht. Einzelne Komponenten können verpackt oder in komplizierteren Gruppierungen zu integrierten Schaltkreisen zusammengefasst werden. Elektronische Komponenten wie Kondensatoren, Induktivitäten und Widerstände sind Beispiele für passive Bauelemente. Zu den aktiven elektronischen Bauelementen gehören hingegen Halbleiterbauelemente wie Transistoren und Thyristoren, die den Stromfluss auf Elektronenebene regulieren.

Analog und digital sind die beiden Kategorien, die zur Kategorisierung der Funktionalität einer elektronischen Schaltung herangezogen werden können. Eine oder beide dieser Formen von Schaltkreisen können in einer einzigen Vorrichtung enthalten sein, oder die Vorrichtung kann aus einer Kombination der beiden bestehen. Da immer mehr ihrer Vorgänge in digitale Formate umgewandelt werden, finden analoge Schaltungen in der modernen Elektronik immer weniger Verwendung.

Die überwiegende Mehrheit der elektronischen Geräte, die analoge Signale verwenden, wie z. B. Radioempfänger, besteht aus vielen Permutationen von nur wenigen Arten von grundlegenden Schaltkreisen. Im Gegensatz zu digitalen Schaltungen, die diskrete Spannungs- oder Strommengen verwenden, nutzen analoge Schaltungen ein kontinuierliches Spektrum dieser Größen.

Da eine "Schaltung" als alles definiert werden kann, von einer einzelnen Komponente bis hin zu Systemen mit Tausenden von Komponenten, ist die Anzahl der verschiedenen analogen Schaltungen, die bis zu diesem Punkt erfunden wurden, ziemlich hoch.

Obwohl verschiedene nichtlineare Effekte in analogen Schaltkreisen verwendet werden, wie z. B. Mischpulte, Modulatoren und andere ähnliche Komponenten, werden analoge Schaltungen häufig als lineare Schaltungen bezeichnet. Verstärker, die mit Vakuumröhren und Transistoren gebaut werden, sowie Operationsverstärker und Oszillatoren sind hervorragende Beispiele für analoge Schaltungen.

In der heutigen Welt können analoge Schaltkreise die Digital- oder sogar Mikroprozessortechnologie nutzen, um ihre Leistung zu steigern. Vollständig analoge Schaltungen sind in der heutigen technologischen Welt eher unüblich. Anstelle der Begriffe analog oder digital wird oft der Begriff "Mixed Signal" verwendet, um sich auf diese Art von Schaltung zu beziehen.

Da sowohl in analogen als auch in digitalen Schaltungen lineare und nichtlineare Betriebsarten vorhanden sind, ist es nicht immer einfach, den Unterschied zwischen den beiden Schaltungstypen zu erkennen. Komparatoren sind eine Art Analog-Digital-Wandler, die einen kontinuierlichen Spannungsbereich aufnehmen, aber nur einen von zwei Werten ausgeben, ähnlich wie bei digitalen Schaltungen. In ähnlicher Weise kann ein übersteuerter Transistorverstärker die Eigenschaften eines gesteuerten Schalters mit im Grunde zwei Ausgangsstufen annehmen. Zu diesen Merkmalen gehören: Tatsächlich sind viele digitale Schaltungen tatsächlich als Varianten von analogen Schaltungen implementiert, ähnlich wie in diesem Beispiel. Wenn man bedenkt, dass die meisten Eigenschaften der realen physikalischen Welt analog sind, können digitale Effekte nur durch Einschränkung des Verhaltens analoger Komponenten erzielt werden.

Digitale Schaltungen sind elektrische Schaltungen, die auf einer Reihe diskreter Spannungswerte basieren. Die gebräuchlichste physikalische Darstellung der Booleschen Algebra wird als digitale Schaltung bezeichnet, und digitale Schaltkreise dienen als Grundlage für alle modernen digitalen Computer. Wenn es um digitale Schaltkreise geht, sind die Begriffe "digitale Schaltung", "digitales System" und "Logik" in den Köpfen der überwiegenden Mehrheit der Ingenieure synonyme Konzepte. Die überwiegende Mehrheit der digitalen Schaltkreise implementiert ein binäres System, das aus zwei Spannungsebenen besteht, die als "0" und "1" bezeichnet werden. Der Logikwert "0" hat oft eine niedrigere Spannung und wird als "Low" bezeichnet, während der Logikwert "1" als "High" bezeichnet wird. Auf der anderen Seite arbeiten einige Systeme auf einer aktuellen Basis, während andere eine Definition verwenden, in der "0" für "Hoch" steht. In vielen Fällen wird der Logikdesigner diese Definitionen während des Entwurfsprozesses von einer Schaltung zur nächsten umdrehen, um sich die Dinge selbst zu erleichtern. Es gibt keinen Reim oder Grund dafür, wie die Ebenen als "0" oder "1" definiert werden.

Dreifach (mit drei Zuständen) Es wurde an der Logik geforscht und Prototypen von Computern entwickelt.

Digitale Schaltkreise sind die Bausteine für elektronische Geräte wie Computer, elektronische Uhren und speicherprogrammierbare Steuerungen, mit denen verschiedene industrielle Prozesse geregelt werden. Ein weiteres Beispiel dafür wären digitale Signalprozessoren.

Bausteine:

Feldeffekttransistor aus Metalloxid und Halbleitern (MOSFET)

Logikgatter

Kreuzottern

Flip-Flops

Leistungsindikatoren

Register

Multiplexer

Schmitt-Auslöser

Hochintegrierte Maschinen und...