Elektronik

Elektronik ist die Lehre von der Steuerung des Elektronenflusses. Sie befasst sich mit Schaltkreisen, die aus Komponenten bestehen, die den Stromfluss steuern. Elektronik ist ein Teil der Physik und Elektrotechnik.

Elektrische Komponenten wie Transistoren und Relais können als Schalter fungieren. So können wir elektrische Schaltkreise nutzen, um Informationen zu verarbeiten und Informationen über große Entfernungen zu übertragen. Schaltungen können auch ein schwaches Signal aufnehmen (wie ein Flüstern) und es verstärken (lauter machen).

Die meisten elektronischen Systeme lassen sich in zwei Kategorien einteilen:

Verarbeitung und Verteilung von Informationen. Diese werden als Kommunikationssysteme bezeichnet.
Umwandlung und Verteilung von Energie. Diese werden als Kontrollsysteme bezeichnet.

Eine Möglichkeit, ein elektronisches System zu betrachten, besteht darin, es in drei Teile zu trennen:

Eingänge - Elektrische oder mechanische Sensoren, die Signale aus der physikalischen Welt (in Form von Temperatur, Druck usw.) aufnehmen und in elektrische Strom- und Spannungssignale umwandeln.
Signalverarbeitungsschaltungen - Diese bestehen aus elektronischen Komponenten, die miteinander verbunden sind, um die in den Signalen enthaltene Information zu manipulieren, zu interpretieren und umzuwandeln.
Ausgänge - Aktoren oder andere Geräte, die Strom- und Spannungssignale wieder in für den Menschen lesbare Informationen umwandeln.

Ein Fernsehgerät hat zum Beispiel als Eingang ein von einer Antenne empfangenes Rundfunksignal oder beim Kabelfernsehen ein Kabel.

Signalverarbeitungsschaltungen im Inneren des Fernsehgeräts verwenden die im empfangenen Signal enthaltenen Helligkeits-, Farb- und Toninformationen zur Steuerung der Ausgabegeräte des Fernsehgeräts. Das Anzeigeausgabegerät kann eine Kathodenstrahlröhre (CRT) oder ein Plasma- oder Flüssigkristallbildschirm sein. Bei dem Audioausgabegerät kann es sich um einen magnetisch angetriebenen Audiolautsprecher handeln. Die Anzeigeausgabegeräte wandeln die Helligkeits- und Farbinformationen der Signalverarbeitungsschaltungen in das sichtbare Bild um, das auf einem Bildschirm angezeigt wird. Das Audio-Ausgabegerät wandelt die verarbeiteten Toninformationen in Töne um, die von den Zuhörern gehört werden können.

Die Analyse eines Schaltkreises/Netzwerks beinhaltet die Kenntnis des Eingangs und des Signalverarbeitungsschaltkreises sowie die Ermittlung des Ausgangs. Die Kenntnis des Eingangs und des Ausgangs und das Herausfinden oder Entwerfen des Signalverarbeitungsteils wird als Synthese bezeichnet.

Eine gedruckte Leiterplatte.

Geschichte

Bereits 600 v. Chr. begannen Menschen mit der Elektrizität zu experimentieren, als Thales von Milet entdeckte, dass das Reiben von Fell an Bernstein dazu führt, dass sie sich gegenseitig anziehen.

Ab den 1900er Jahren verwendeten die Geräte Vakuumröhren aus Glas oder Metall, um den Stromfluss zu steuern. Mit diesen Bauelementen kann eine niedrige Leistungsspannung verwendet werden, um eine andere zu ändern. Dies revolutionierte das Radio und ermöglichte weitere Erfindungen.

In den 1960er und frühen 1970er Jahren begannen Transistoren und Halbleiter die Vakuumröhren zu ersetzen. Transistoren können viel kleiner als Vakuumröhren hergestellt werden und sie können mit weniger Energie arbeiten.

Etwa zur gleichen Zeit wurden integrierte Schaltkreise (Schaltkreise, die eine große Anzahl sehr kleiner Transistoren auf sehr dünnen Siliziumscheiben haben) allgemein verwendet. Integrierte Schaltungen ermöglichten es, die Anzahl der für die Herstellung elektronischer Produkte benötigten Teile zu reduzieren und machten die Produkte im Allgemeinen viel billiger.

Analoge Schaltungen

Analoge Schaltungen werden für Signale verwendet, die einen Amplitudenbereich haben. Im Allgemeinen messen oder steuern Analogschaltungen die Amplitude von Signalen. In den frühen Tagen der Elektronik wurden in allen elektronischen Geräten analoge Schaltungen verwendet. Bei der analogen Signalverarbeitung wird häufig die Frequenz der Analogschaltung gemessen oder geregelt. Auch wenn mehr digitale Schaltungen hergestellt werden, werden analoge Schaltungen immer notwendig sein, da die Welt und ihre Menschen auf analoge Weise arbeiten.

Impulsschaltungen

Impulsschaltungen werden für Signale verwendet, die schnelle Energieimpulse benötigen. Beispielsweise arbeiten Flugzeug- und Bodenradargeräte mit Impulsschaltkreisen zur Erzeugung und Aussendung von Hochleistungs-Funkenergiestössen von Radarsendern. Spezielle Antennen (wegen ihrer Form "Richtantennen" oder "Parabolantennen" genannt) werden verwendet, um die Hochleistungs-Bursts in die Richtung zu senden ("senden"), in die die Richtantenne oder Parabolantenne ausgerichtet ist.

Die Impulse oder Ausbrüche der Radarsender treffen auf harte und metallische Gegenstände und prallen von diesen zurück (sie werden "reflektiert"). Harte Objekte sind Dinge wie Gebäude, Hügel und Berge. Metallische Objekte sind alles, was aus Metall besteht, wie Flugzeuge, Brücken oder sogar Objekte im Weltraum, wie Satelliten. Die reflektierte Radarenergie wird von Radarimpulsempfängern erfasst, die sowohl Impuls- als auch Digitalschaltungen zusammen verwenden. Die Impuls- und Digitalschaltungen in Radarimpulsempfängern werden dazu verwendet, die Position und Entfernung von Objekten anzuzeigen, die die Hochleistungsimpulse des Radarsenders reflektiert haben.

Indem man steuert, wie oft die schnellen Impulse der Radarenergie von einem Radarsender ausgesendet werden (das so genannte "Impulstiming" des Senders) und wie lange es dauert, bis die reflektierte Impulsenergie zum Radarempfänger zurückkehrt, kann man nicht nur sagen, wo sich Objekte befinden, sondern auch, wie weit sie entfernt sind. Digitale Schaltkreise in einem Radarempfänger berechnen die Entfernung zu einem Objekt, indem sie das Zeitintervall zwischen den Energieimpulsen kennen. Die digitalen Schaltkreise des Radarempfängers zählen, wie lange es zwischen den Impulsen dauert, bis die reflektierte Energie eines Objekts vom Radarempfänger erfasst wird. Da Radarimpulse ungefähr mit Lichtgeschwindigkeit gesendet und empfangen werden, kann die Entfernung zu einem Objekt leicht berechnet werden. Dies geschieht in digitalen Schaltungen, indem die Lichtgeschwindigkeit mit der Zeit multipliziert wird, die benötigt wird, um die von einem Objekt zurückreflektierte Radarenergie zu empfangen.

Die Zeit zwischen den Impulsen (oft als "Pulsratenzeit" oder PRT bezeichnet) legt die Grenze fest, wie weit ein Objekt erkannt werden kann. Diese Entfernung wird als "Reichweite" eines Radar-Senders und -Empfängers bezeichnet. Radar-Sender und -Empfänger verwenden lange PRTs, um die Entfernung zu weit entfernten Objekten zu ermitteln. Mit langen PRTs lässt sich z.B. die Entfernung zum Mond genau bestimmen. Schnelle PRTs werden verwendet, um Objekte zu erkennen, die viel näher sind, wie z.B. Schiffe auf See, hoch fliegende Flugzeuge, oder um die Geschwindigkeit von schnell fahrenden Autos auf Autobahnen zu bestimmen.

Digitale Schaltungen

Digitale Schaltungen werden für Signale verwendet, die sich nur ein- und ausschalten lassen, anstatt oft auf Pegeln irgendwo zwischen ein und aus zu arbeiten. Aktive Komponenten in digitalen Schaltungen haben typischerweise einen Signalpegel, wenn sie eingeschaltet sind, und einen anderen Signalpegel, wenn sie ausgeschaltet sind. Im Allgemeinen wird eine Komponente in digitalen Schaltungen nur ein- und ausgeschaltet.

Computer und elektronische Uhren sind Beispiele für elektronische Geräte, die überwiegend aus digitalen Schaltkreisen bestehen.

Grundlegende Blöcke:

Logische Gatter
Flip-Flops
Zähler

Komplexe Geräte:

Schema eines Halbaddierers, einer digitalen Schaltung

Fragen und Antworten

F: Was ist Elektronik?

A: Elektronik ist die Lehre von der Elektrizität (dem Fluss der Elektronen) und wie man diese nutzt, um Dinge wie Computer zu bauen. Sie verwendet Schaltungen, die aus Komponenten und Verbindungsdrähten bestehen, um nützliche Dinge zu tun.

F: Welche Wissenschaft liegt der Elektronik zugrunde?

A: Die Wissenschaft, die der Elektronik zugrunde liegt, stammt aus dem Studium der Physik und wird im Bereich der Elektrotechnik in der Praxis angewandt.

F: Was sind einige Beispiele für elektronische Komponenten?

A: Beispiele für elektronische Komponenten sind Transistoren, Sicherungen, Unterbrecher, Batterien, Motoren, Transformatoren, LEDs und Glühbirnen.

F: Wie kann ein elektronisches System in seine Bestandteile zerlegt werden?

A: Ein elektronisches System kann in drei Teile gegliedert werden: Eingänge, Signalverarbeitungsschaltungen und Ausgänge. Eingänge sind elektrische oder mechanische Sensoren, die Signale aus der physischen Welt aufnehmen und in elektrische Strom- und Spannungssignale umwandeln. Signalverarbeitungsschaltungen bestehen aus elektronischen Komponenten, die miteinander verbunden sind, um die in den Signalen enthaltenen Informationen zu manipulieren, zu interpretieren und umzuwandeln. Die Ausgänge sind Aktuatoren oder andere Geräte, die die Strom- und Spannungssignale wieder in für den Menschen lesbare Informationen umwandeln.

F: Wie funktioniert ein Fernsehgerät?

A: Das Eingangssignal eines Fernsehgeräts ist ein über eine Antenne oder ein Kabel empfangenes Rundfunksignal. Die Signalverarbeitungsschaltungen im Inneren des Fernsehgeräts verwenden die im empfangenen Signal enthaltenen Helligkeits-, Farb- und Toninformationen, um die Ausgabegeräte zu steuern, wie z.B. eine Kathodenstrahlröhre (CRT), einen Plasma- oder Flüssigkristallbildschirm für die Bildausgabe, einen magnetisch angetriebenen Lautsprecher für die Tonausgabe usw., die diese Signale in sichtbare Bilder, die auf einem Bildschirm angezeigt werden, bzw. in Töne, die von den Zuschauern gehört werden, umwandeln.

F: Was ist die Analyse einer Schaltung/eines Netzwerks?

A: Bei der Analyse einer Schaltung/eines Netzwerks geht es darum, sowohl den Eingang als auch die Signalverarbeitungsschaltung zu kennen, um herauszufinden, was der Ausgang sein wird.

F: Was bedeutet Synthese im Bereich der Elektronik?

A: Bei der Synthese geht es darum, sowohl den Eingang als auch den Ausgang zu kennen und dann herauszufinden oder zu entwerfen, welche Art von Signalverarbeitungselement benötigt wird, damit alles richtig zusammenarbeitet.