Elektronika

Elektronika je nauka koja se sastoji od fizike, inženjerstva, tehnologije i primena koje se bave emisijom, protokom i kontrolom elektrona u vakuumu i materiji. Identifikacija elektrona 1897. godine, zajedno sa izumom vakuumske cevi, koja može da pojačava i ispravlja slabe elektronske signale, inaugurisali su polje elektronike i elektronsko doba. Elektronika je svoje ime dobila tokom dvadesetih godina 20. veka po istoimenom američkom časopisu (Electronics).

Pojmu elektronika je moguće dodeliti tri osnovna značenja:
 Elektronika kao nauka je deo fizike koja se bavi proučavanjem kontrole kretanja elektrona i drugih nosioca naelektrisanja kroz: slobodan prostor (elektronske vakuumske cevi), poluprovodne materijale (poluprovodničke komponete). Proučavanje procesa u poluprovodnicima često se naziva i fizika poluprovidnika.
 Elektronika kao tehnička disciplina je deo elektrotehnike koja se bavi razvojem i proizvodnjom elektronskih komponenti, uređaja i sistema.
 Elektronika kao pojam se često upotrebljava da označi deo uređaja proizvedenog od elektronskih komponenti (npr često kažemo elektronika automobila podrazumevajući pod tim sve delove automobila koji su načinjeni od elektronskih komponenti).

Elektronika se bavi električnim kolima čime su obuhvaćene aktivne električne komponente kao što su vakuumske cevi, tranzistori, diode, integrisana kola, optoelektronika, i senzori, asocirane pasivne električne komponente, i tehnologije za međusobno povezivanje komponenti. Obično, elektronski uređaji sadrže opremu koja se prevashodno ili isključivo sastoji od primarnih aktivnih poluprovodnika uz dopunu pasivnim elementima; takvo kolo se naziva elektronskim kolom.

Nelinearno ponašanje aktivnih komponenti i njihova sposobnost kontrole protoka elektrona omogućava pojačavanje slabih signala. Elektronika nalazi široku primenu u obradi informacija, telekomunikacijama, i obradi signala. Sposobnost elektronskih uređaja da deluju kao prekidači omogućava digitalnu obradu informacija. Interkonekcijske tehnologije kao što su štampane ploča, tehnologija pakovanja elektronike, i drugi raznovrsni oblici komunikacione infrastrukture kompletiraju funkcionalnost kola i transformišu mešovite komponente u regularni radni sistem.

Električna i elektromehanička nauka i tehnologija se bavi generacijom, distribucijom, prebacivanjem, skladištenjem i konverzijom električne energije u i iz drugih formi energije (koristeći žice, motore, generatore, baterije, prekidače, releje, transformatore, otpornike, i druge pasivne komponente). Ovo razgraničavanje ze započilo oko 1906. godine sa Forestovim pronalaskom triode, što je omogućilo električno pojačavanje slabih radio i audio signala primenom nemehaničkih uređaja. Do 1950. godine ovo polje se zvalo „radio tehnologija”, jer je njegova primarna primena bila u dizajnu i teoriji radio transmitera, prijemnika, i vakuum cevima.

Godine 2018. većina elektronskih uređaja je koristila poluprovodničke komponente za obavljanje elektronske kontrole. Izučavanje poluprovodničkih uređaja i srodnih tehnologija smatra se granom fizike čvrstog stanja, dok se dizajn i konstrukcija elektronskih kola radi rešavanja praktičnih problema svrstava pod elektronsko inženjerstvo. Ovaj članak ima fokus na inženjerskim aspektima elektronike.

Istorijski razvoj 

U oktobru 1745. u Nemačkoj Evald Georg fon Klajst je izumeo kondenzator. Sastojao se iz tegle koja je bila napunjena vodom, i žice koja je kroz čep bila povezana sa vodom. Tegla je bila napravljena tako, da se držeći u jednoj ruci spoljašnji deo žice dovede u kontakt sa električnim uređajem. Ako se dodirne drugom rukom nastaje pražnjenje, koje izaziva bolan šok. Današnja Lajdenska tegla je obložena aluminijumskom folijom, spolja i iznutra. Električni kontakt ostvaruje se sa štapom koji probije čep i spojen je lancem sa unutrašnjim slojem metala. Kompletno pražnjenje se događa kada su dve aluminijumske folije povezane međusobno provodnikom. Njom su se mogli postići naponi i do 25.000 V. Lajdenska tegla se često koristi u laboratorijama za demonstraciju i u eksperimentalne svrhe.

Bendžamin Frenklin je sistemom od dve Lajdenske tegle ubijao ćurane, a jednom je skoro ubio i sebe. Inače je Frenklin otkrio fudamentalnu činjenicu da se umesto tegle mogu koristiti metalne ploče razdvojene nekim izolatorom. Tako je Frenklin načinio prvi pločasti kondenzator.

Razvoj elektronike počinje tek krajem 19. i početkom 20. veka i vezan je za razvoj vakuumskih cevi, koje su bile među najranijim elektronskim komponentama. One su skoro samostalno odgovorne za nastanak elektronske revolucije prve polovine dvadesetog veka. Elektronske cevi su izdigle elektroniku iz stanja zabavnih trikova i omogućile razvoj radija, televizije, gramofona, radara, telefonije na duga rastojanja i mnogo čega drugog. One su odigrale vodeću ulogu u polju mikrotalasa i transmisije velike snage, kao i televizijskim prijemnicima do sredine 1980-ih. Od tog vremena, uređaji čvrstog stanja su skoro u potpunosti preuzeli ulogu elektronskih cevi. One se još uvek koriste za neke specijalizovane primene kao što su visokonaponski RF pojačivači, katodne cevi, specijalizovana audio oprema, gitarska pojačala i neki mikrotalasni uređaji.

Džon Ambrouz Fleming je 1904. razvio kenotron, kasnije poznat kao dioda koja dozvoljava električnoj struji da teče samo u jednom pravcu. Li De Forest je 1906. postavio tzv. rešetku, treću elektrodu kojom je kontrolisao jačinu struju koja protiče između anode i katode. On je svoj uređaj nazvao audion, a kasnije je postao poznat kao trioda. Ovu komponentu je upotrebio da bi napravio pojačavač signala kod radio prijemnika i predajnika, što se može smatrati za prvim elektronskim uređajem.

Iako su još početkom 20. veka poluprovodni materijali iskorišćeni za detektor signala u radio prenosu pošto je taj uređaj imao lošije karakteristike od vakuumskih cevi poluprovodnici su zaboravljeni sve do 1947. kada je u Belovim laboratorijama napravljen prvi tranzistor načinjen od kristala germanijuma (Ge) i od tog trenutka poluprovodničke komponente postepeno preuzimaju primat od vakuumskih cevi zato što su poluprovodničke komponente mnogo pouzdanije, energetski efikasnije, brže i manjih dimenzija od elektrnskih cevi. U aprilu 1955, IBM 608 je bio prvi IBM-ov proizvod koji je koristio tranzistorska kola bez vakuumskih cevi i smatra se da je to bio privi u kalkulator u potpunosti napravljen od tranzistora i koji je prozvođen za komercijalno tržište. Model 608 je sadržao više od 3.000 germanijumskih tranzistora. Tomas Dž. Votson je naložio da svi budući IBM proizvodi trebaju da koriste tranzistore u svom dizajnu. Od tog vremena tranzistori su skori ekskluzivno korišteni za izradu računarskih logičkih kola i perifernih uređaja.

Sledeći važan događaj u razvoju elektronike je razvoj integrisanih kola. Prvo integrisano kolo patentirao je Džek Kilbi 1959. godine. Ono se praktično sastojalo od dva tranzistora na jednom kristalu germanijuma. Složenost integrisanih kola je u narednim godinama munjevito rasla da bi od dva integrisna tranzistora 1959. godine danas 50 godina posle, dostigli integrisana kola sa više od milion tranzistora. Ovaj trend se i dalje nastavlja.
Elektronika u današnjem svetu je ušla u sva polja ljudske delatnosti od zabave, preko proizvodnje do medicine.

U najnovije vreme vrše se velika istraživanja u cilju upotrebe sintetičkih materijala sa specijalnim svojstvima za izradu elektronskih komponenti, kao što su neki polimeri (plastika) koji imaju poluprovodna svojstva, a takođe se vrše istraživanja u cilju povezivanja elektronike sa takozvanim biočipovima.

Grane elektronike 
Grane elektronike su:
 računarstvo - razvoj hardvera računara
 automatika - elektronski uređaji za kontrolu procesa, robotika itd
 telekomunikacije - Telekomunikacioni uređaji
 mikroelektronika - razvoj integrisanih kola i drugih poluprovodničkih komponenti.
 energetska elektronika - razvoj elektronskih komponenti za velike snage.

Postoje još neke podvrste kao što su optička elektronika ili optoelektronika, mikrotalasna elektronika itd.

Elektronske komponente 

Elektronska komponenta je nedeljivi gradivni blok elektronskog kola koji se nalazi u svom kućištu iz koga izlaze najmanje dva pristupna kraja za povezivanje sa ostalim elektronskim komponentama. Elektronska komponenta je svaki fizički entitet unutar elektronskog sistema koja se koristi za vršenje uticaja na elektrone ili njihova asocirana polja u maniru koji je konzistentan sa unutrašnjom funkcijom elektronskog sistema. Povezivanjem najmanje dve elektronske komponente nastaje elektronsko kolo. Komponenete su generalno namenjene međusobnom povezivanju, obično putem lemljenja za štampanu ploču, da bi se kreiralo elektronsko kolo sa datom funkcijom (na primer pojačavač snage, radio-prijemnik, ili oscilator). Komponente mogu da budu pojedinačno smeštene, ili korištene u vidu kompleksnih grupa kao što je obično slučaj u integrisanim kolima. Primeri elektronskih komponenti su kondenzatori, induktori, otpornici, diode, tranzistori, itd.

Komponente se često grupišu kao aktivne (e.g. tranzistori i tiristori) ili pasivne (e.g. otpornici, diode, induktori i kondenzatori). Danas su skoro sve aktivne komponente poluprovodničke, tako da kad se danas govori o elektronici, često se misli samo na poluprovodničku elektroniku.

Dvoprilazne poluprovodničke komponente:
 Diode
 eioda (ispravljačka dioda, impulsna dioda)
 Šotkijeva Dioda,
 LED – svetleća dioda,
 PIN Dioda,
 tunel dioda,
 Zener dioda,
 kapacitivna dioda
 dijak,

Troprilazne poluprovodničke komponente:
 tranzistor
 bipolarni tranzistor,
 JFET - Tranzistor sa efektom polja sa površinskim spojem,
 MOSFET - Metal oksid poluprovodnik tranzistor sa efektom polja,
 IGBT - Bipolarni tranzistor sa izolovanim „gejtom“.
 trijak
 tiristor

Višeprilazne komponente
 operacioni pojačavač

Digitalna integrisana kola gde postoje, standardni gejtovi (kapije), koderi, multipleksori, brojači itd.
 mikroprocesori
 memorije

Pasivne komponente su:
 osigurači
 otpornici,
 varistori,
 termistori: NTC otpornik, PTC otpornik
 kalemovi,
 kondenzatori itd.

Elektronska kola 

Elektronsko kolo čine međusobno povezane elektronske komonente. Najčešće su elektronske komponente zalemljene na štampanu ploču.

Podela 
Prema signalima sa kojima operiše elektronika i elektronska kola mogu da se podele na:
 Analogna elektronika operiše sa kontinulanim signalima po vremenu i amplitudi. Kontinualni signali su definisani u svakom vremenskom trenutku i mogu imati bilo koju vrednost amplitude.
 Digitalna elektronika operiše sa diskretnim signalima. Diskretni signali mogu imati vrednost amplitude iz tačno određenog skupa što je diskretizacija po amplitudi i biti definisani samo u određenim vremenskim trenucima (diskretizacija po vremenu).

Na osnovu ove podele postoje i analogna elektronska kola, digitalna elektronska kola i hibridna kola koja rade i sa analognim i sa digitalnim signalima ili pak prevode signal iz jednog oblika u drugi.

Analogna elektronska kola 

Većina analognih elektronskih uređaja, kao što su radio prijemnici, su konstruisani u vidu kombinacije dva tipa osnovnih kola. Analogna kola koriste neprekidan opseg napona ili struje, za razliku od diskretnih nivoa prisutnih u digitalnim kolima.

Broj različitih analognih kola koja su do sada razvijena je ogroman, naročito zato što se kao 'kolo' može definisati sve od jedne komponente, do sistema koji sadrže hiljade komponenti. Analogni kola se ponekad nazivaju linearnim kolima mada se mnoštvo nelinearnih efekata koristi u njima, kao što su mikseri, modulatori, itd. Dobri primeri analognih kola su vakuumske cevi i tranzistorski pojačivači, operacioni pojačivači i oscilatori. Retko se mogu naći moderna kola koja su u potpunosti analogna. U današnje vreme analogna kola mogu da koriste digitalne ili čak miroprocesorske tehnike za poboljšanje performance. Ovaj tip kola se obično naziva „mešovitim signalom” pre nego analognim ili digitalnim.

Ponekad je teško razlikovati analogno i digitalno kolo, jer imaju elemente kako linearnog, tako i nelinearnog načina rada. Primer je komparator koji uzima neprekidni opseg napona, ali samo propušta na jedan od dva nivoa kao u digitalnom kolu. Slično tome, prekoračivo tranzistorsko pojačalo može da poprimi karakteristike kontrolisanog prekidača koji esencijalno ima dva nivoa izlaza. Zapravo, mnoga digitalna kola su jednostavno implementirana kao varijacije analognih kola poput ovog primera. Na kraju krajeva, većina aspekta stvarnog fizičkog sveta je esencijalno analogna, tako da se digitalni efekti ostvaruju samo ograničavanjem analognog ponašanja.

U osnovna analogna elektronska kola spadaju:

 pojačavači – kolo koje pojačava ulazni signal na račun energije jednosmernog izvora
 oscilatori – kolo koje generiše signal određenih učestanosti takođe na račun jednosmernog izvora energije
 modulatori – kolo koje pomera frekvencijski spektar ulaznog signala u drugi deo spektra
 detektori – Detektor ili demodulator iz modulisanog signala izdvaja osnovni signal (suprotno od modulatora)
 mešači – kombinuju frekvencijske spektre dva signala
 filtri – propuštaju samo signale određenih frekvencija.

Digitalna elektronska kola 

Digitalna kola su električna kola koja su bazirana na ograničenom broju disktretnih naponskih nivoa. Digitalna kola su najčešća reprezentacija Bulove algebre, i ona su u osnovi svih digitalnih računara. Za većinu inženjera, termin „digitalno kolo”, „digitalni sistem” i „logika” su međusobno zamenljivi u kontekstu digitalnih kola.

Većina digitalnih kola koristi binarni sistem sa dva naponska nivoa označena sa „0” i „1”. Obično je logičko „0” niži napon i naziva se „nisko”, a logičko „1” se naziva „visoko”. Međutim, neki sistemi koriste reverznu definiciju („0” je „visoko”), ili su bazirani na jačini struje. Često dizajner logike može da preokrene ove definicije od jednog kola do drugog, kako god nađe za shodno, i u skladu sa potrebama datog dizajna. Definicija nivoa kao „0” ili „1” je proizvoljna.

Ternarna (sa tri stanja) logika je bila izučavana, i neki prototipni računari su napravljeni.

Računari, elektronski časovnici, i programabilni logički kontroleri (koji se koriste za kontrolu industrijskih procesa) se konstruišu od digitalnih kola. Digitalni procesori signala su još jedan primer.

U digitalna elektronska kola spadaju
 Osnovna logička kola tzv. „gejtovi“ (kapije): logičko „I“ kolo, logičko „ILI“ kolo, logičko „NILI“, logičko „NI“, ekskuzivno „ILI“,
 Kola kombinacionih mreža
 koderi, dekoderi, multiplekseri, demultiplekseri
 lečevi, flip-flopovi, brojači, registri, memorije
 mikrokontroleri, mikroprocesori

Digitalna elektronska kola mogu biti realizovana u različitim tehnologijama tako da postoje: TTL kola, ECL kola, NMOS kola, PMOS kola, CMOS kola itd.

Hibridna elektronska kola 

Kako bi bilo moguće povezivanje analognih i digitalih elektronskih postoje A/D konvertori i D/A konvertori. Praktičnno svako hibridno kolo mora da sadrži barem jedno od ova dva kola.

Disipacija toplote i upravljanje toplotom 

Toplota koju oslobađaju elektronska kola se mora rasipati kako bi se sprečili trenutni kvarevi i poboljšala dugoročna pouzdanost. Disipacija toplote se uglavnom postiže pasivnom kondukcijom/konvekcijom. Sredstva za postizanje veće disipacije obuhvataju toplotne izduve i ventilatore za hlađenje vazduha, i druge forme računarskog hlađenja, kao što je vodeno hlađenje. Ove tehnike koriste konvekciju, kondukciju, i radijaciju topolotne energije.

Šum 

Elektronski šum je definisan kao neželjene smetnje koje se nadovezuju na korisni signal i koje imaju tendenciju prikrivanja njegovog informativnog sadržaja. Šum nije isto što i distorzija signala uzrokovana kolom. Šum je prisutan u svim elektronskim kolima. Šum može biti elektromagnetno ili toplotno generisan, te se može smanjiti snižavanjem radne temperature kola. Druge vrste šuma, kao što je statički šum ne mogu se ukloniti, jer su uzrokovane ograničenjima fizičkih svojstava.

Teorija elektronike 

Matematičke metode su integralna komponenta studija elektronike. Sticanje stručnosti u oblasti elektronike podrazumveva visok stepen poznavanja matematičkih osnova analize elektronskih kola. Analiza kola je studija metoda za rešavanje generalno linearnih sistema sa nepoznatim promeljivim vrednostima kao što su naponi u datim čvorovima ili jačine struje kroz datu granu mreže. Jedan od alata u širokoj upotrebi pri ovakvim analizma je SPICE () simulator kola.

Za elektroniku je isto tako važno studiranje i razumevanje teorije elektromagnetskog polja.

Elektronska laboratorija 

Zbog kompleksne prirode teorije elektronike, laboratorijsko eksperimentisanje je važan deo razvoja elektronskih uređaja. Ovi eksperimenti se koriste za testiranje ili verifikaciju dizajna inženjera i otkrivanje grešaka. Istorijski gledano, laboratorije za elektroniku su se sastojale od elektroničkih uređaja i opreme smeštenih u fizičkom prostoru, dok poslednjih godina postaje sve izraženiji trend korištenja softvera za simulaciju elektronske laboratorije, kao što su CircuitLogix, Multisim i OrCAD.

Dizajn pomoću računara 

Današnji elektronski inženjeri imaju mogućnost da dizajniraju kola koristeći prefabrikovane sastavne blokove kao što su jedinice napajanja, poluprovodnici (tj. poluprovodnički uređaji, kao što su tranzistori), i integrisana kola. Softverski programi za automatizaciju elektronskog dizajna obuhvataju programe za šematski prikaz i programe za dizajn štampanih ploča elektronskih kola. Popularna imena u svetu EDA softvera su NI Multisim, Cadence, EAGLE, Mentor, Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA, KiCad i mnogi drugi.

Metode pakovanja 

Mnoštvo različitih metoda povezivanja komponenti je korišteno tokom godina. Na primer, rana elektronika je često koristila konstrukciju od tačke do tačke sa komponentama pričvršćenim za drvene ploče pri izradi ploča. Cordwood konstrukcija i omotana žica su bili drugi metodi u upotrebi. Većina moderne elektronike koristi štampane ploče napravljene od materijala kao što je FR4, ili jeftinijeg (i manje otpornog na habanje) papira prekrivenog sintetičkim rezinom (SRBP, takođe poznatog kao paksolin (brend: Paxoline/Paxolin) i FR2) - karakterisanog svojom smeđom bojom.

Zdravstveni i ekološki aspekti montaže elektronike su poslednjih godina poprimili povećanu pažnju, naročito kod proizvoda namenjenih Evropskoj uniji, zbog njenih regulacija definisanih Direktivom ograničenja hazadrdnih supstanci (RoHS) i Direktivom o otpadu električne i elektroničke opreme (WEEE), koje su stupile na snagu u julu 2006.

Dizajn elektronskih sistema 

Dizajn elektronskih sistema se bavi multidisciplinarnom dizajnerskom problematikom složenih elektronskih uređaja, kao što su mobilni telefoni i računari. Ovaj predmet pokriva širok spektar, od dizajna i razvoja elektronskog sistema (razvoja novog proizvoda) do osiguravanje njegovog korektnog funkcionisanja, veka trajanja i odlaganja. Dizajn elektronskih sistema je stoga proces definisanja i razvoja kompleksnih elektronskih uređaja s ciljem zadovoljavanja specifičnih zahteva krajnjeg korisnika.

Izvori

Vidi još 

 Analogna elektronika
 Amplitudska modulacija
 Analogni računar
 Antena
 Antenska teorija
 Alarmni senzor
 Digitalna elektronika
 Elektrotehnika
 Elektronske komponente
 Elektronski sklopovi
 Logička kapija
 Radar
 Radio-amaterizam
 Termalni šum
 VHDL
 Jagi antena

Spoljašnje veze 

 
 http://www.dictionary.com/browse/electronics
 Navy 1998 Navy Electricity and Electronics Training Series (NEETS) 
 DOE 1998 Electrical Science, Fundamentals Handbook, 4 vols.
 Vol. 1, Basic Electrical Theory, Basic DC Theory
 Vol. 2, DC Circuits, Batteries, Generators, Motors
 Vol. 3, Basic AC Theory, Basic AC Reactive Components, Basic AC Power, Basic AC Generators
 Vol. 4, AC Motors, Transformers, Test Instruments & Measuring Devices, Electrical Distribution Systems