Elektronika — kas tā ir: definīcija, pamati un komponenti

Uzzini, kas ir elektronika: skaidra definīcija, pamati un galvenie komponenti (tranzistori, releji), shēmas, signālu apstrāde un praktiski pielietojumi ikdienā.

Elektronika ir pētījums par to, kā kontrolēt elektronu plūsmu. Tā nodarbojas ar ķēdēm, kas sastāv no komponentiem, kuri kontrolē elektrības plūsmu. Elektronika ir daļa no fizikas un elektrotehnikas.

Tādi elektriskie komponenti kā tranzistori un releji var darboties kā slēdži. Tas ļauj izmantot elektriskās ķēdes informācijas apstrādei un informācijas pārraidei lielos attālumos. Shēmas var arī uztvert vāju signālu (piemēram, čukstus) un pastiprināt to (padarīt skaļāku).

Lielākā daļa elektronisko sistēmu iedalās divās kategorijās:

• Informācijas apstrāde un izplatīšana. Tās sauc par sakaru sistēmām.
• Enerģijas pārveidošana un sadale. Tās sauc par vadības sistēmām.

Viens no veidiem, kā aplūkot elektronisko sistēmu, ir sadalīt to trīs daļās:

1. Ievadi - elektriskie vai mehāniskie sensori, kas saņem signālus no fiziskās pasaules (temperatūras, spiediena utt.) un pārvērš tos elektriskās strāvas un sprieguma signālos.
2. Signālu apstrādes shēmas - tās sastāv no elektroniskiem komponentiem, kas savienoti kopā, lai manipulētu ar signālos ietverto informāciju, interpretētu un pārveidotu to.
3. Izejas - izpildmehānismi vai citas ierīces, kas pārveido strāvas un sprieguma signālus atpakaļ cilvēka nolasāmā informācijā.

Piemēram, televizora ievade ir apraides signāls, kas tiek saņemts no antenas, bet kabeļtelevīzijas gadījumā - no kabeļa.

Televizorā esošās signāla apstrādes shēmas izmanto saņemto signālu, lai vadītu televizora izejas ierīces, izmantojot saņemto signāla informāciju par spilgtumu, krāsu un skaņu. Displeja izejas ierīce var būt katodstaru lampa (CRT) vai plazmas vai šķidro kristālu ekrāns. Skaņas izvades ierīce var būt ar magnētiem darbināms audio skaļrunis. Displeja izejas ierīces pārveido signālu apstrādes shēmu sniegto informāciju par spilgtumu un krāsu ekrānā redzamajā attēlā. Audio izvades ierīce apstrādāto skaņas informāciju pārvērš skaņās, ko var dzirdēt klausītāji.

Ķēdes/tīkla analīze ietver ieejas un signāla apstrādes ķēdes izzināšanu un izejas noteikšanu. Ieejas un izejas zināšanu un signāla apstrādes daļas noskaidrošanu vai projektēšanu sauc par sintēzi.

Pamati un pamatprincipi

Elektronikas pamatā ir elektriska strāva un spriegums, kas tiek aprakstīti ar tādiem pamata likumiem kā Ohma likums un Kirhofa likumi. Šie likumi palīdz aprēķināt strāvas, sprieguma kritumus un jaudu ķēdēs. Elektronika izmanto arī analītiskas un simulācijas metodes, lai paredzētu, kā ķēde uzvedīsies dažādos apstākļos.

Galvenie komponenti

• Pasīvie komponenti: rezistori, kondensatori, induktori. Tie nepalielina signāla jaudu, bet nosaka frekvences reakciju, filtru darbību un laika konstantēs.
• Aktīvie komponenti: diodes, tranzistori (BJT, MOSFET) un integrētās shēmas (IC). Tie var pastiprināt signālus, darboties kā slēdži vai veikt signālu apstrādi.
• Pusvadītāji: materiāli ar īpašībām starp vadītājiem un izolatoriem. Pusvadītāju ierīces (piem., tranzistori, diodes) ir elektronikas pamatbūvbloki. To darbība balstās uz p-n krustojumiem, doping un lādiņu nesēju kustību.
• Sensoru un izpildmehānismi: sensori pārveido fiziskas parādības (temperatūru, gaismu, spiedienu) par elektriskiem signāliem, bet izpildmehānismi (motori, releji, skaļruņi) pārveido elektriskos signālus atpakaļ darbībā vai percepcijā.
• Printed Circuit Board (PCB) un savienojumi: visu elektronisko komponentu mehāniskais un elektriskais pamats. PCB dizains ietekmē gan funkcionalitāti, gan elektromagnētisko saderību.

Analogā un digitālā elektronika

Analogā elektronika apstrādā nepārtrauktus signālus — piemēram, audio pastiprinātājus, radiofrekvenču shēmas un sensoru interfeisus. Digitālā elektronika izmanto diskrētas (bināras) vērtības — loģiskos līmeņus 0 un 1. Tas ietver loģikas vārtus, mikroprocesorus, atmiņas un mikrokontrolierus. Mūsdienās lielākā daļa ierīču, piemēram, viedtālruņi, apvieno abas — analogās priekšpuses sensoru saskarsmei un digitālo apstrādi signālu analīzei un vadībai.

Signālu apstrāde un funkcijas

Elektronika izmanto dažādas tehniskas pieejas signālu apstrādei:

• Pastiprināšana: vāju signālu palielināšana, lai tos varētu tālāk apstrādāt vai atpazīt.
• Filtrēšana: noteiktu frekvenču izslēgšana vai izcelšana (zemfrekvenču, augstfrekvenču, joslasfiltri).
• Modulācija un demodulācija: signāla pārnešana pa raidītāju un tā atjaunošana uztvērējā (piem. radio, televīzija).
• Analogā-digitalā un digitālā-analogā pārveide: ļauj digitālajām iekārtām strādāt ar reālās pasaules analogajiem datiem.
• Kontroles loģika un automatizācija: vadības sistēmas izmanto sensoru datus, lai vadītu izpildierīces pēc noteiktiem algoritmiem.

Praktiskās daļas un lietojumi

Elektronika ir klāt gandrīz visur: mājas elektroierīcēs, transportā, medicīnā, rūpniecībā, sakaru tīklos un informācijas tehnoloģijās. Daži plaši pazīstami piemēri:

• Televizori, radio un kabeļtelevīzija (signālu uztvere, apstrāde un izvade), kā aprakstīts iepriekš.
• Viedtālruņi un datori — to pamatā ir digitālā elektronika, mikroprocesori un atmiņas shēmas.
• Enerģijas pārveidotāji — barošanas bloki, invertori un DC–DC pārveidotāji.
• Medicīniskās ierīces — sirds monitori, attēlu veidošanas ierīces un portatīvi sensori.
• Industriālā automatizācija — PLC, sensori, vadības tīkla ierīces un roboti.

Mērīšana, analīze un izstrāde

Lai strādātu ar elektroniku, parasti izmanto rīkus un metodes, piemēram:

• Multimetrs (sprieguma, strāvas un pretestības mērīšanai).
• Osciloskops (laika domēna signālu vizualizēšanai).
• Funkciju ģenerators (testa signālu radīšanai).
• Simulācijas programmatūra (SPICE u.c.) ķēžu pārbaudei pirms ražošanas.

Drošība un labas prakses

Strādājot ar elektroniku, svarīgi ievērot drošības noteikumus: izvairīties no darba ar spēcīgu spriegumu bez atbilstošas aizsardzības, nodrošināt pret elektrostatisko izlādi (ESD) jutīgām ierīcēm un pareizi izolēt strāvas avotus. Tāpat jāievēro pareiza barošanas polaritāte un komponentu jaudas ierobežojumi, lai nepieļautu komponentu bojāšanos.

Nākotnes tendences

Elektronikas attīstība turpinās ar tendencēm, kas ietver miniaturizāciju, lielāku integrāciju (lielākas sistēmas uz vienas mikroshēmas), zemu enerģijas patēriņu, bezvadu sakarus un plašu lietu interneta (IoT) ierīču izplatību. Jaunu materiālu un tehnoloģiju (piem., silīcija karkasa aizvietošana vai nanotehnoloģijas) attīstība var radīt vēl efektīvākas un jaudīgākas elektroniskas sistēmas.

Papildus šiem pamatiem, elektronika kā nozare apvieno teoriju un praktisku inženieriju — no elementāru ķēžu sapratnes līdz sarežģītu sistēmu projektēšanai un ražošanai.

Digitālās shēmas

Digitālās shēmas tiek izmantotas signāliem, kas tikai ieslēdzas un izslēdzas, nevis bieži vien darbojas līmeņos starp ieslēgšanu un izslēgšanu. Digitālajās shēmās aktīvajiem komponentiem parasti ir viens signāla līmenis, kad tie ieslēgti, un cits signāla līmenis, kad tie izslēgti. Kopumā digitālajās shēmās komponents ir tikai ieslēgts un izslēgts.

Datori un elektroniskie pulksteņi ir elektronisko ierīču piemēri, kas lielākoties sastāv no digitālajām shēmām.

Pamata bloki:

• Loģiskie vārti
• Flip-flops
• Skaitītāji

Sarežģītas ierīces:

• Mikroprocesori
• Mikrokontrolieri
• Digitālo signālu procesori

Digitālās shēmas - pussumminātāja - shēma

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir elektronika?

J: Kāda zinātne ir elektronikas pamatā?

J: Kādi ir daži elektronisko komponentu piemēri?

J: Kā elektronisko sistēmu var sadalīt daļās?

J: Kā darbojas televizors?

J: Kas ir shēmas/tīkla analīze?

J: Kas ir sintēze elektronikā?

Meklēt pēc burta