Elektronik: Grundlegende Fakten, Rolle und Funktionen elektronischer Geräte

Elektronik: Grundlegende Fakten, Rolle und Funktionen elektronischer Geräte!

Grundfakten:

Elektronik und Elektrizitätswissenschaft beschäftigen sich mit elektrischem Strom. Aber jeder konzentriert sich auf eine andere Verwendung von Strom. Strom behandelt Strom hauptsächlich als eine Energieform, die Licht, Motoren und andere Geräte betreiben kann. Elektronik behandelt elektrischen Strom hauptsächlich als Informationsträger. Informationstragende Ströme werden als Signale bezeichnet.

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Ein konstanter, gleichbleibender elektrischer Strom kann Energie transportieren. Der Strom muss jedoch in gewisser Weise variieren, um als Signal zu dienen. Einige Elektronengeräte ändern das Verhalten eines Stroms, um Signale zu erzeugen oder zu modifizieren. Andere interpretieren die Signale. Die Signale können Töne, Bilder, Zahlen, Buchstaben oder Computeranweisungen darstellen. Signale können auch zum Zählen von Objekten, zum Messen von Zeit oder Temperatur oder zum Erkennen von Chemikalien oder radioaktiven Materialien verwendet werden.

Die Signale in elektronischen Schaltungen können entweder als digital oder analog klassifiziert werden. Ein digitales Signal ist wie ein gewöhnlicher elektrischer Schalter - es ist entweder ein oder aus. Ein analoges Signal kann einen beliebigen Wert innerhalb eines bestimmten Bereichs haben.

Analoge Signale werden häufig zur Darstellung von Tönen und Bildern verwendet, da die Lichtpegel und die Frequenzen der Schallwellen einen beliebigen Wert innerhalb eines bestimmten Bereichs haben können. Analoge Signale können in digitale Signale und digitale Signale in analoge Signale umgewandelt werden. Zum Beispiel konvertieren CD-Player digitale Tonsignale auf Discs in analoge Signale für die Wiedergabe über Lautsprecher.

Die schnelle und zuverlässige Steuerung digitaler und analoger Signale durch elektronische Geräte wird durch die einzigartigen Eigenschaften von Halbleitermaterialien wie Silizium und Germanium ermöglicht.

Die Elektronik hängt von bestimmten hochspezialisierten Elektronengeräten ab. Ein Fernsehgerät, ein Computer oder ein anderes komplexes elektronisches Gerät kann Hunderte bis Millionen dieser Geräte enthalten. Das bekannteste und wichtigste elektronische Gerät ist der Transistor.

Transistoren betreiben immer noch Millionen von Stereoanlagen, Radios und Fernsehgeräten. Ingenieure können jedoch jetzt mehr als hunderttausend Transistoren auf einem einzigen Siliziumchip platzieren, der kleiner als ein Fingernagel ist. Ein solcher Chip bildet eine integrierte Schaltung. Chips dieses Typs können auf Leiterplatten miteinander verdrahtet werden, um elektronische Geräte herzustellen, die kleiner und günstiger sind, aber weitaus leistungsfähiger als je zuvor.

Elektronische Geräte werden üblicherweise in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, die früher für ihren Betrieb auf mechanische oder elektrische Systeme angewiesen waren. Beispiele sind elektronische Steuerungen in automatischen Kameras, elektronische Zündsysteme in Autos und elektronische Steuerungen in Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen.

Funktionen elektronischer Geräte:

Elektronische Geräte erfüllen drei Hauptfunktionen: (1) Verstärkung, (2) Schalten und (3) Oszillation, alle als Teil von Schaltungen. Eine Schaltung besteht aus einer Reihe verbundener Elektronenvorrichtungen und anderen Teilen. Durch die Kombination der drei Funktionen auf verschiedene Art und Weise entwerfen Ingenieure elektronische Geräte, die viele andere Spezialfunktionen ausführen, wie z. B. die Hochgeschwindigkeitsoperation von Computern.

Bestimmte andere Funktionen werden auch von elektronischen Geräten ausgeführt.

Licht in Elektrizität verwandeln:

Wenn bestimmte Materialien wie Kupferoxid oder Selen Licht ausgesetzt werden, erzeugen sie einen elektrischen Strom oder lassen einen Strom durch. Aus diesen Materialien hergestellte elektronische Geräte können somit Licht in Elektrizität umwandeln. Solche Geräte werden als fotoelektrische Geräte oder elektrische Augen bezeichnet. Der Strom von einer fotoelektrischen Vorrichtung ist normalerweise extrem schwach. Verstärker müssen den Strom verstärken, bevor sie verwendet werden können.

Produktion und Verwendung von Röntgenstrahlen:

Zur Erzeugung von Röntgenstrahlen werden spezielle Arten von Elektronenröhren verwendet. Röntgenstrahlen können menschliches Gewebe und andere Substanzen durchdringen und ein Bild auf einer fotografischen Platte oder einem fluoreszierenden Bildschirm hinterlassen. Röntgenstrahlen können so zeigen, wie Substanzen im Inneren aussehen. Röntgenstrahlen werden in der Diagnose und Therapie eingesetzt.

Die Diagnose umfasst das Erkennen von Frakturen, Fremdkörpern im Körper, Zahnlücken und erkrankten Erkrankungen wie Krebs. Röntgenstrahlen werden in der therapeutischen Behandlung auch verwendet, um die Ausbreitung maligner Tumore zu stoppen. In der Industrie werden Röntgenstrahlen verwendet, um die Dicke der Materialien zu ermitteln. Röntgenstrahlen werden auch zum Scannen der Elektronenmikroskopie verwendet, um ein "Bild" zu erhalten.

Entwicklung der Elektronik:

Die Elektronik entwickelte sich hauptsächlich aus bestimmten elektrischen Experimenten im 19. Jahrhundert. Bei diesen Experimenten wurde eine Gasentladungsröhre verwendet, d. H. Eine Rube, von der ein Teil der Luft entfernt worden war, wobei ein dünnes Gasgemisch zurückblieb. Die Röhre hatte an jedem Ende eine Metallelektrode (elektrischer Pol oder Anschluss).

Wenn eine Batterie an die beiden Elektroden angeschlossen wurde, leuchtete die Röhre in hellen Farben. Wissenschaftler glaubten, dass die negative Elektrode, die Kathode, unsichtbare Strahlen ausstrahlte, die die Farben verursachten. Sie nannten die unsichtbaren Strahlen Kathodenstrahlen. Als die Wissenschaftler für ihre Experimente noch mehr Luft aus der Knolle entfernten, wurden die Röhrchen zu Vakuumröhren.

Der deutsche Physiker Wilhelm Röntgen entdeckte 1895, dass die Kathodenstrahlen eine völlig andere und unbekannte Art von Strahlung erzeugen können. Die Kathodenstrahlen erzeugten diese ungewöhnlichen Strahlen, als sie auf das Glas am Ende der Röhre gegenüber der Kathode stießen. Zu seiner Überraschung stellte Roentgen auch fest, dass der so erzeugte ray3 Tier- und Pflanzengewebe durchdringen und auf einer fotografischen Platte einen Eindruck hinterlassen könnte. Er nannte die geheimnisvollen Strahlen Röntgenstrahlen.

Im Jahr 1897 führte der britische Physiker Juseph J. Thomson mit der Entdeckung von Elektronen zur Entwicklung von Geräten, die einen Elektronenfluss oder ein elektrisches Signal steuern konnten.

Vakuumröhren (Ventile):

1904 baute ein britischer Wissenschaftler namens John Ambrose Fleming die erste Vakuumröhre, die kommerziell verwendet werden konnte. Es war eine Zwei-Elektroden- oder Diodenröhre, die Funksignale erkennen konnte. Mit der Zeit wurden Diodenröhren auch zur Gleichrichtung von Wechselstrom eingesetzt.

Im Jahr 1907 patentierte der amerikanische Erfinder Lee De Forest eine Drei-Elektroden- oder Triodenröhre. Die Triodenröhre wurde zum ersten elektronischen Verstärker. Eine der ersten Anwendungen waren Ferngespräche. In den Jahren 1912 und 1913 entwickelten De Forest und der amerikanische Radiopionier Edwin H. Armstrong unabhängig voneinander die Triodenröhre als Oszillator. Die Erfindung eines elektronischen Verstärkers und eines Oszillators führte 1920 zum Beginn des Rundfunks in den Vereinigten Staaten. Dieses Datum markiert auch den Beginn der Elektronikindustrie.

In den 1920er bis 1950er Jahren ermöglichte das Wissen über Vakuumröhren Erfindungen wie Fernsehen, Tonfilme, Radar und elektronische Computer. Diese Erfindungen führten wiederum zur Entwicklung neuer elektronischer Geräte.

Ein amerikanischer Wissenschaftler namens GR Carey hatte bereits 1875 ein fotoelektrisches Gerät, eine so genannte fotoelektrische Zelle, gebaut. Die Ingenieure machten davon jedoch wenig Gebrauch, bis sie Anfang der 1920er Jahre ihre Anstrengungen zur Entwicklung von Fernseh- und Tonfilmen intensivierten.

Im Jahr 1923 kombinierte der in Russland geborene US-amerikanische Wissenschaftler Vladimir K. Zworykin eine Photozelle mit einer Elektronenkanone und stellte so die erste erfolgreiche Fernsehkamera her.

Albert W. Hull, ein amerikanischer Ingenieur, erfand 1921 einen Vakuumröhrenoszillator, der Magnetron genannt wird. Das Magnetron war das erste Gerät, das effizient Mikrowellen erzeugen konnte. Radar, der in den 1920er und 1930er Jahren schrittweise entwickelt wurde, war der erste verbreitete Einsatz von Mikrowellen.

Die Ära der Vakuumröhre erreichte mit der Fertigstellung des ersten elektronischen Computers für allgemeine Zwecke 1946 ihren Höhepunkt.

Die Festkörperzeit:

Primitive Halbleiterbauteile aus Selen hatten bereits 1900 als Gleichrichter gedient. Die Kristalldetektoren in frühen Radios waren auch Halbleiter. Keines dieser Geräte funktionierte jedoch genauso gut wie Vakuumröhrengleichrichter und -detektoren.

Anfang der 1940er Jahre produzierte ein Team amerikanischer Physiker die ersten erfolgreichen Halbleiterdioden. Das Team bestand aus John Bardeen, Walter H. Brattain und William Shockley. 1947 erfand das gleiche Team den Transistor. In den frühen 1950er Jahren begannen die Hersteller, Transistoren als Verstärker in Hörgeräten und Radios in Taschengröße zu verwenden. In den 1960er Jahren hatten Halbleiterdioden und Transistoren in vielen elektronischen Geräten Vakuumröhren ersetzt.

Mikroelektronik:

In den späten 1950er Jahren forderten Militär- und Weltraumprogramme kompaktere elektronische Geräte. Obwohl die Hersteller die Größe von Elektronengeräten reduziert hatten, bildete jedes Gerät immer noch eine separate Komponente in einer Schaltung. Elektronische Geräte waren zu groß für die Anforderungen der Militär- und Weltraumprogramme. Elektronische Unternehmen begannen mit der Entwicklung weitaus kleinerer Schaltungen. Ihre Arbeit führte zur Mikroelektronik, dem Design und der Herstellung von integrierten Schaltkreisen und von Geräten, die integrierte Schaltkreise verwendeten.

Bis 1960 war es Ingenieuren und Wissenschaftlern gelungen, eine integrierte Schaltung zu bauen. Es hatte alle Funktionen einer herkömmlichen Schaltung in einem Halbleiterkristall gepackt, 1.000 Mal kleiner als eine herkömmliche Schaltung.

Rolle der Elektronik:

Elektronik spielt heute im Entwicklungsprozess eines Landes eine wichtige Rolle. Elektronik spielt eine katalytische Rolle bei der Steigerung der Produktion und Produktivität in Schlüsselsektoren der Wirtschaft, sei es in Bezug auf Infrastruktur, Prozessindustrien, Kommunikation oder sogar auf die Ausbildung von Arbeitskräften. High-Tech-Bereiche hängen heute stark von der Elektronik ab.

Elektronik wird herkömmlicherweise in die Bereiche Verbraucher, Industrie, Verteidigung, Kommunikation und Informationsverarbeitung eingeteilt. In jüngster Zeit sind medizinische Elektronik und Systeme für Transport- und Energieversorger zu wichtigen Segmenten geworden.

Die Unterhaltungselektronik ist der älteste Sektor auf diesem Gebiet, der nach der Erfindung der Triode mit der Entwicklung von Funkempfängern begann. Internationale Wettbewerbsfähigkeit in diesem Bereich erfordert ständige Innovation.

Dieses Gebiet hat sich in den letzten Jahren durch die Entwicklung von Artikeln wie CD-Playern, digitalen Audiobändern, Mikrowellenherden, Waschmaschinen und Satellitenfernsehempfangssystemen bemerkenswert erweitert. Alle diese Gegenstände nutzen jedoch fortschrittliche Technologien und Fertigungstechniken wie Halbleiterlaser und Mikrowellengeräte.

Die Industrieelektronik ist auf die Herstellung von Produkten ausgerichtet, die moderne industrielle Prozesssteuerungsgeräte, numerisch gesteuerte Maschinen und Roboter sowie Geräte zum Testen und Messen benötigen. Auch Laboratorien erfordern Präzisionsinstrumente. Dieses Feld hat ein großes Wachstumspotenzial.

Fortgeschrittene Infrastruktur in den Materialwissenschaften und hoch entwickelte Elektronik sind beide für den Verteidigungsbereich relevant, wo die Kosten im Allgemeinen keinen einschränkenden Faktor darstellen. Die Ausrüstung muss robust genug sein, um Umgebungsbedingungen standhalten zu können, und gleichzeitig präzise und empfindlich zu sein.

Verteidigungselektronik ist natürlich strategisch; Es hat auch wertvolle Ausgründungen für die Industrie. Bharat Electronics Ltd. (BEL), eine von der Verteidigung finanzierte Organisation, hat viel zur Entwicklung des Transistors und des Fernsehens in Indien beigetragen.

Die Kommunikationselektronik ist ein schnell wachsendes Gebiet mit viel Spielraum für Innovationen und industrielle Anwendungen. Kommunikationsgeräte haben enorm von der Entwicklung effizienter Halbleiterlaser, Glasfasertechnologie, digitaler Techniken und leistungsstarker Mikroprozessoren profitiert.

Die Informationstechnologie ist wiederum eindeutig von der Elektronik abhängig. Die integrierte Schaltung ist die Basis von Computern, die wiederum zum Entwerfen besserer integrierter (VLSI) -Schaltungen in großem Maßstab, insbesondere von Mikroprozessoren und Speichern, verwendet werden. Bessere Computer tragen wiederum zur Verbesserung der Kommunikationssysteme bei, während eine schnelle und effiziente Kommunikation dazu führt, dass verteilte Computernetzwerke von einem Arbeitsplatz aus auf entfernte Computer zugreifen können.

Im medizinischen Bereich hat die Elektronik neben anderen Messgeräten den EKG-Rekorder (Elektrokardiogramm) sowie den NMR-Scanner (Nuclear Magnetic Resonance) ermöglicht.


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