Reklama

Електроніка. Історія електроніки

Електроніка – це галузь науки і техніки, що вивчає:

1. фізичні явища, пов’язані зі зміною концентрації і переміщенням заряджених часток у вакуумі, газі та твердих кристалічних тілах;

2. електричні характеристики та параметри електронновакуумних, іонних та напівпровідникових приладів; 

3. властивості пристроїв і систем, у яких застосовуються електронно-вакуумні, іонні та напівпровідникові прилади. 

Перший із цих напрямків складає основу фізичної електроніки, другий і третій – технічної електроніки. 

У свою чергу, технічна електроніка має чотири головних напрямки: радіоелектроніка, промислова електроніка, ядерна та біологічна електроніка. 

1.Радіоелектроніка пов’язана з радіотехнікою, бо є основою радіозв’язку, телебачення, радіолокації, радіоуправління, радіонавігації, радіоастрономії. 

2.Промислова електроніка пов’язана із застосуванням електронних пристроїв у різних галузях промисловості і обслуговує ці галузі пристроями контролю, керування, вимірювання, перетворення електричної енергії, а також технологічним обладнанням. 

3.Ядерна електроніка пов’язана з процесами отримання, вивчення та використання елементарних часток. 

4.Біологічна електроніка охоплює використання електронних пристроїв у біологічних дослідженнях, особливо в медицині (медична електроніка). 

Специфіка окремих галузей технічної електроніки полягає у особливостях використання електронних пристроїв, їх схем та технічних характеристик. Так, наприклад, схеми й характеристики випрямлячів у потужних енергетичних установках відрізняються від схем та характеристик випрямлячів радіотехнічних пристроїв. 

Слід зазначити, що в наш час прогрес майже в усіх галузях науки і техніки багато у чому зумовлений успіхами електроніки. Тому знання основ технічної електроніки необхідні інженерові будь-якої спеціальності. 

Особливо важливо уявляти можливості сучасної електроніки для вирішення наукових та технічних задач у тій чи іншій галузі. Багато задач керування, вимірювання, інтенсифікації технологічних процесів, що виникають у різних галузях техніки, можуть бути успішно розв’я­зані спеціалістами, знайомими з основами електроніки.

Промислова електроніка, якою ми будемо займатися надалі, має три складові: інформаційна електроніка, енергетична електроніка, елек­тронна технологія.

  1.  Інформаційна електроніка складає основу електронно-обчислю­вальної та інформаційно-вимірювальної техніки, а також пристроїв авто­матики. До неї належать електронні пристрої одержання, опрацювання та зберігання інформації, пристрої керування різними об’єктами та техно­логічними установками.
  2. Енергетична електроніка пов’язана з питаннями перетворення електричної енергії та пристроями і системами перетворення електрич­ної енергії середньої і великої потужності. Сюди належать перетворю­вачі змінного струму в постійний (випрямлячі), постійного струму в змінний (інвертори), перетворювачі частоти, регулятори і т. п.
  3. Електронна технологія забезпечує використання електронних при­строїв у технологічних цілях. Це, наприклад, застосування високочас­тотного генератора для сушіння деревини, нагріву, плавлення та зва­рювання металів, приготування їжі (НВЧ-піч) тощо.

Розвиток сучасної промислової електроніки нерозривно пов’язаний із досягненнями мікроелектроніки, яка, в свою чергу, базується на інтегральній технології. Остання дозволила отримувати вузли елек­тронних пристроїв, перш за все інформаційної електроніки, в мікровиконанні – у вигляді інтегральних мікросхем.

Питаннями побудови електронних пристроїв на інтегральних мікро­схемах займається мікросхемотехніка.

Промислова електроніка тісно пов’язана з електротехнічними дисцип­лінами, які Ви вивчаєте у вузі. Вона базується на курсах вищої математи­ки, фізики, теоретичних основ електротехніки, електричних вимірювань.

Даний навчальний посібник створено на основі досвіду викладання авторами дисциплін «Електроніка і мікросхемотехніка» та «Промис­лова електроніка» на кафедрі електротехніки Харківської національної академії міського господарства для студентів, які навчаються за на­прямками «Електромеханіка» та «Електротехніка».

Ці дисципліни, в свою чергу, є базисом для вивчення основ обчислю­вальної техніки, автоматики, перетворювальної техніки, автоматизо­ваного електроприводу та інших спеціальних дисциплін.

Мета викладання – знайомство з фізичними основами, будовою та параметрами напівпровідникових приладів, набуття навиків побудови й аналізу електронних пристроїв та систем, їх застосування при вирішенні виробничих завдань.

Наслідком навчання повинно бути вміння грамотно формулювати тех­нічні завдання на розробку електронних пристроїв для вирішення конк­ретних задач та забезпечувати заявки на сучасне електронне устатку­вання; вміння експлуатувати технологічне електронне устаткування; проектувати найпростіші електронні пристрої.

Якщо подивитись на історію розвитку електроніки, то, насамперед зазначимо, що успіхи, досягнуті електронікою, історично значною мірою пов’язані з розвитком радіотехніки. Обидві ці галузі техніки розвивали­ся у тісному взаємозв’язку. Електронновакуумні та напівпровідникові електронні прилади є основними елементами радіотехнічних пристроїв і визначають найважливіші показники радіоапаратури. З іншого боку, необхідність вирішення багатьох проблем радіотехніки ставила перед електронікою ряд завдань, вирішення яких сприяло винаходу нових та удосконаленню існуючих електронновакуумних та напівпровідникових приладів, схемотехнічних рішень.

Електронні пристрої широко використовуються у радіозв’язку, теле­баченні, запису та відтворенні звуку, радіолокації та інших галузях радіо­електроніки. У той же час без них неможливо уявити сучасне облад­нання або вироби в автоматиці і телемеханіці, провідному зв’язку, атомній та ракетній техніці, астрономії, метрології, машинобудуванні, вимірювальній техніці, медицині і т. ін.

Прогрес електроніки сприяв виникненню та розвитку кібернетики – науки, що займається питаннями управління та зв’язку в машинах і жи­вих організмах, а також зробив можливим створення швидкодіючих обчис­лювальних машин. Без широкого застосування обчислювальної техніки неможливе використання космосу за допомогою штучних супутників землі, ракет, космічних кораблів та автоматичних міжпланетних станцій.

Електроніка стала могутнім засобом автоматизації та контролю ви­робничих процесів. Виключно велику роль відіграє вона при створенні роботизованих комплексів, що сприяють зменшенню використання важ­кої ручної праці у різних сферах виробництва та підвищенню якості про­дукції, що випускається.

Таким чином, тенденція розвитку техніки сьогодні така, що частка електронних вузлів у інформаційних пристроях автоматики безперерв­но зростає. Цьому значною мірою сприяло широке впровадження інтег­ральної технології, що дала змогу на одному кристалі напівпровідника малої площі (тисячні частки – декілька квадратних міліметрів) виго­товляти складні функціональні вузли різного призначення.

Промисловість серійно випускає інтегральні підсилювачі електрич­них сигналів, комутатори, логічні елементи, лічильники імпульсів, кодо­ві ключі, дешифратори і т. ін. В останні роки освоєно випуск великих інтегральних мікросхем (ВІМС) і мікромініатюрних обчислюваль­них машин, що отримали назву мікропроцесорів. Кількість елементів кожної ВІМС коливається від десятків одиниць до сотень тисяч і сягає кількох мільйонів у надвеликих мікросхемах.

Типові функціональні мікровузли дають змогу зібрати потрібний елек­тронний блок без детального розрахунку окремих каскадів. І лише у тому випадку, коли типові інтегральні схеми не розв’язують якогось конкретного завдання, до них додають вузли на дискретних елемен­тах, що потребує проведення відповідних розрахунків.

Значно підвищився інтерес до оптоелектроніки, де, крім електрич­них сигналів, використовуються і світлові. Тепер багато пристроїв, ство­рення яких за допомогою суто засобів електроніки викликає значні труд­нощі, відносно просто можуть бути реалізовані за допомогою засобів оптоелектроніки.

 

Стисло розглянемо історію електроніки

Фундамент для виникнення і розвитку електроніки було закладено працями фізиків у XVIII -XIX ст. Перші в світі дослідження електрич­них розрядів у повітрі були здійснені у XVIII ст. в Росії академіками М. В. Ломоносовим і Г. В. Ріхманом, а також американським вченим і визначним політичним діячем Б. Франкліном. Важливою подією було відкриття електричної дуги академіком В. В. Петровим у 1802 році. Дослідження проходження електричного струму в розріджених газах проводили у минулому столітті в Англії – Крукс, Д. Томсон, Тоунсенд, Астон, а також у Німеччині – Гейслер, Гітторф, Плюккер та інші вчені.

Одним із найперших електронних приладів можна вважати фоторезистор із селену, винайдений у США У. Смітом в 1873 році. Тоді ж А. Н. Лодигін винайшов перший у світі електровакуумний прилад – лампу розжарю­вання. Незалежно від нього, дещо пізніше, таку ж лампу створив і удосконалив відомий американський винахідник Едісон. Електрична дуга була вперше використана для освітлення П. Н. Яблочковим у 1876 році.

(Фоторезистор)

Фоторезистор

У 1874 році німецький вчений К. Ф. Браун відкрив ефект односторон­ньої провідності контакту метал – напівпровідник (селен).

Важливу роль у виникненні електроніки відіграла електронна теорія, розроблена у кінці XIX – на початку XX ст. кількома видатними фізиками.

У 1887 році німецький фізик Герц, відомий своїми дослідами з теорії електромагнітних хвиль, відкрив фотоелектричний ефект, а дослі­дження цього явища, що їх проводив із 1888 року А. Г. Столетов (він відкрив основні закони фотоефекту), поклали початок розвитку фото­електронних приладів.

Термоелектронну емісію (одну з основ електронно-вакуумних при­ладів) було відкрито у 1884 році Едісоном, але сам він, нічого не знаючи про електрон, який був відкритий Дж. Дж. Томсоном лише 1897 року, не зміг пояснити це явище. Детальні дослідження термоелектронної емісії провів у 1901 році Річардсон.

1895 року уперше здійснено дальній безпровідний зв’язок А. С. По­повим, а роком пізніше – італійцем Дж. Марконі (щоправда, суперечка за першість у цьому продовжується до цього часу).

Використання електронних приладів у радіотехніці розпочалося з того, що в 1904 році англійський вчений Дж. А. Флемінг застосував двоелектродну лампу-діод із розжареним катодом для випрямлення (детекту­вання) високочастотних коливань у радіоприймачі.

Важливим винаходом було створення у 1905 році Хелом у США газонаповненого діода – газотрона.

(Газотрон)

Газотрон

У 1906 році американський інженер JI. де Форест ввів у лампу керу­ючу сітку, тобто створив перший тріод. Майже одночасно те ж саме здійснив Лібен у Німеччині.

У 1907 році професор Петербурзького технологічного інституту Б. JI. Розінг запропонував використання електронно-променевої трубки для приймання телевізійних зображень і у наступні роки здійснив екс­периментальне підтвердження своїх ідей. Це надає нам право визна­вати Б. JI. Розінга одним з основоположників сучасного телебачення.

У 1913 році німецький вчений Мейснер застосував тріод для генеру­вання електричних коливань.

У Росії перші тріоди для приймання радіосигналів виготовили у 1914— 1916 роках незалежно один від одного Н. Д. Папалексі і М. А. Бонч- Бруєвич.

У 1918 році була створена Нижньогородська радіолабораторія, в якій під керівництвом М. А. Бонч-Бруєвича розроблялись потужні ге­нераторні й малопотужні лампи. Активну участь у цих роботах брали Б. А. Остроумов, А. М. Кугушев, А. А. Нікітін, А. А. Остряков та багато інших вчених.

У 1918-1919 роках Бонч-Бруєвич опублікував теорію тріода, що мала велике значення для розрахунків та проектування електронних ламп (подібні праці в той же час незалежно опублікував німецький вчений Баркгаузен).

Поряд з електронними лампами у Нижньогородській радіолабораторії під керівництвом В. П. Вологдіна були створені потужні ртутні випрямлячі.

(Магнетрон)

Магнетрон

У 1922 році співробітник Нижньогородської радіолабораторії Лосев відкрив можливість генерування і підсилення електричних коливань за допомогою напівпровідникового детектора. На жаль, це відкриття не отримало тоді належного розвитку.

У 1921 році Хелл запропонував магнітрон, а у 1930 – пентод, що став однією з найбільш розповсюджених ламп. Тоді ж Л. А. Кубецький ви­найшов фотоелектронні помножувачі (аналогічні прилади у США ви­найшов Фарнсворт). 

Перші успішні експерименти із телевізійними передавальними електронними трубками (до речі, за глибокої не схвали прибічників електромеханічного телебачення) проводив Б. П. Грабовський – син відомого українського письменника П. А. Грабовського: у 1928 р. в Ташкенті вперше передано й прийнято рухоме зображення за допо­могою повністю електронних засобів.

У 30-х роках подібними експериментами з передавальними трубка­ми також займались А. П. Константинов, С. І. Катаев, П. В. Шмаров, П. В. Тимофеев. 

Німецький вчений Прессер у 1932 році виготовив перший селеновий випрямляч.

Першу електронну обчислювальну машину (на лампах-тріодах) було створено у США в 1946 році.

Але всі ці епохальні відкриття та успіхи можна вважати лише попе­редніми кроками у створенні теорії електроніки, електронних приладів га схемотехнічних прийомів, оскільки справжня революція в електроніці розпочалася у 1948 році – після винайдення американськими вченими, співробітниками Bell Laboratories Д. Бардіним, У. Браттейном і У. Шеклі транзистора.

Більше того, дехто вважає, що розвиток електроніки, власне, тільки з цього й розпочався! І таке твердження не позбавлене сенсу з огляду на те, якими темпами почали розвиватися електронні технологія, при­лади, схемотехніка. Досить звернути увагу на те, що після недовго­часного періоду панування пристроїв на дискретних транзисторах уже в 1965 році Відлар (фірма Fairchild, США) запропонував операційний підсилювач у інтегральному виконанні, а в 1971 році з’явився перший мікропроцесор (фірма Intel, США).

Поєднання інтегральних аналогових та цифрових пристроїв у сукупності з комп’ютерними технологіями (на основі мікропроцесорів) відкрило подальші найширші перспективи у розвитку і застосуванні електроніки.

Успіхи енергетичної електроніки пов’язані з розвитком силових на­півпровідникових електронних приладів. Це – створення силового діо­ду (10 А, 200 В) у 1954 році, винахід у 1956 році тиристора, а далі СІТ- га IGBT- транзисторів у середині 70-х років.

Поєднання силових напівпровідникових приладів з інтегральними системами керування забезпечує прогрес у цій галузі.

Reklama