اکثر لوازمی که ما روزانه از آنها استفاده می کنیم، ابزار الکترونیکی می‌باشند. به عبارتی هر کدام برای کار کردن نیاز به برق دارند و یا از طریق اداپتور و باتری کار می کنند.هر کدام از این لوازم در داخل اجزای سازنده خود قطعات الکترونیکی دارند. در علم الکترونیک برای کنترل هر جریان الکترون از دستگاه‌های فعال تقویت و یکسوسازی استفاده می گردد، این در حالی است که در مهندسی برق کلاسیک از اثرات غیرفعال همانند خازن، مقاومت و القاگر در جهت کنترل کردن جریان الکتریسیته استفاده می‌شود. تأثیر عمده‌ای که در پیشرفت جامعه مدرن عهده دار بود مربوط به الکترونیک بود. رشته الکترونیک شاخه ای از فیزیک و مهندسی برق است که به گسیل، رفتار و اثرات الکترون ها با استفاده از وسایل الکترونیکی می پردازد. الکترونیک از دستگاه‌های فعال در جهت کنترل کردن جریان الکترون و همچنین تقویت و یکسوسازی استفاده می‌کند، که آن را از مهندسی برق کلاسیک متمایز می‌کند، که فقط از اثرات غیرفعال مانند مقاومت، خازن و القایی برای کنترل جریان الکتریکی استفاده می‌کند.
از الکترون تا الکترونیک، مروری بر تاریخچه الکترونیک
الکترون در سال ۱۸۹۷شناسایی و کشف شد و با اختراع لامپ خلأ که می‌توانست سیگنال‌های کوچک الکتریکی را تقویت و یکسوسازی کند وارد عصر الکترونیک و عصر الکترون شد. الکترونیک به‌طور گسترده‌ای درزمینه پردازش اطلاعات، ارتباطات از راه دور و پردازش سیگنال استفاده می گردد. الکترونیک به شدت بر توسعه جامعه مدرن تأثیر گذاشته است. شناسایی الکترون در سال 1897، همراه با اختراع بعدی لوله خلاء که می تواند سیگنال های الکتریکی کوچک را تقویت و تصحیح کند، زمینه الکترونیک و عصر الکترون را آغاز کرد. نخستین کاربردهای عملی الکترونیک با اختراع دیود به وسیله آمبروز فلمینگ و همچنین تریود به وسیله لی دی فارست در اوایل دهه 1900 میلادی شروع شدند که تشخیص دادن ولتاژهای الکتریکی کوچک همانند سیگنال های رادیویی از آنتن رادیو را با دستگاهی غیرمکانیکی امکان پذیر ساخت.
جهت شرکت در دوره های تخصصی آموزش الکترونیک موسسه آموزش عالی آزاد نوین پارسیان کلیک کنید
لوله های خلاء (شیرهای ترمیونیک) اولین اجزای الکترونیکی فعالی بودند که جریان جریان را با تأثیرگذاری بر جریان تک تک الکترون ها کنترل می کردند، آنها مسئول انقلاب الکترونیک نیمه اول قرن بیستم بودند، آنها ساخت تجهیزاتی را امکان پذیر کردند که از تقویت جریان استفاده می کردند. و اصلاح برای ما رادیو، تلویزیون، رادار، تلفن از راه دور و خیلی چیزهای دیگر. رشد اولیه الکترونیک سریع بود، و در دهه 1920، پخش رادیویی تجاری و ارتباطات گسترده شد و تقویت کننده های الکترونیکی در کاربردهای متنوعی مانند تلفن راه دور و صنعت ضبط موسیقی مورد استفاده قرار گرفتند.
گام بعدی تکنولوژیکی بزرگ چندین دهه طول کشید تا ظاهر شود، زمانی که اولین ترانزیستور نقطه تماس کار توسط جان باردین و والتر هاوسر براتین در آزمایشگاه بل در سال 1947 اختراع شد. انتقال و همچنین گیرنده های تلویزیون تا اواسط دهه 1980. از آن زمان به بعد، دستگاه‌های حالت جامد همه چیز را به دست گرفته‌اند. لوله‌های خلاء هنوز در برخی کاربردهای تخصصی مانند تقویت‌کننده‌های RF با قدرت بالا، لوله‌های پرتوی کاتدی، تجهیزات صوتی تخصصی، تقویت‌کننده‌های گیتار و برخی دستگاه‌های مایکروویو استفاده می‌شوند.
در آوریل 1955، IBM 608 اولین محصول IBM بود که از مدارهای ترانزیستوری بدون هیچ لوله خلاء استفاده کرد و اعتقاد بر این است که اولین ماشین حساب تمام ترانزیستوری است که برای بازار تجاری ساخته شده است. 608 حاوی تعدادی بیشتر از 3000 ترانزیستور ژرمانیومی بود. توماس جی واتسون جونیور به دستور داد که در طراحی تمامی محصولات آینده IBM از ترانزیستور استفاده شود. پس از آن ترانزیستورها تقریباً به صورت کاملا انحصاری در جهت کاربرد در مهندسی بخش‌های منطق کامپیوتر و لوازم جانبی استفاده می شدند. با این حال، ترانزیستورهای اتصال اولیه دستگاه های نسبتاً حجیمی بودند که ساخت آنها به صورت تولید انبوه دشوار بود، که آنها را به تعدادی از کاربردهای تخصصی محدود می کرد.
ماسفت (ترانزیستور MOS) به وسیله محمد آتالا و داون کاهنگ در مجموعه آزمایشگاه بل در سال 1959 میلادی اختراع شد. ماسفت اولین ترانزیستور واقعا فشرده ای بود که می توانست کوچک شده و برای طیف وسیعی از کاربردها به تولید انبوه برسد. از مزایای آن می توان به مقیاس پذیری بالا، مقرون به صرفه بودن، مصرف برق کم و تراکم بالا اشاره کرد. این صنعت الکترونیک را متحول کرد و به پرمصرف ترین وسیله الکترونیکی در جهان تبدیل شد. ماسفت عنصری اساسی و حیاتی در اکثریت تجهیزات مدرن الکترونیکی است.
شاید به مطلب “برق قدرت و بررسی دروس، گرایش ها و بازار کار آن” علاقمند باشید
با افزایش پیچیدگی مدارها، مشکلاتی به وجود آمد. یکی از مشکلات اندازه مدار بود. مدار پیچیده ای همانند کامپیوتر وابستگی بالایی به سرعت داشت. در صورتی که قطعات سایز بزرگی داشتند، سیم‌های متصل کننده آنها بایستی بلند باشند. سیگنال‌های الکتریکی در جهت عبور از مدار زمان می برد و نتیجتا سرعت کامپیوتر را تا حد قابل توجهی کاهش می داد. اختراع مدار مجتمع به وسیلهی جک کیلبی و رابرت نویس این مشکل را به کل با ساختن تمام اجزا و تراشه از یک بلوک (مونولیت) از مواد نیمه هادی حل کرد. مدارها را می توان کوچکتر کرد و فرآیند تولید را می توان خودکار کرد. این منجر به ایده ادغام همه اجزا بر روی یک ویفر سیلیکونی تک کریستالی شد که منجر به یکپارچه سازی مقیاس کوچک (SSI) در اوایل دهه 1960 و سپس یکپارچه سازی مقیاس متوسط (MSI) در اواخر دهه 1960 و به دنبال آن VLSI شد. در سال 2008، پردازنده های میلیارد ترانزیستوری به صورت تجاری در دسترس قرار گرفتند.
گرایش ها و شاخه های الکترونیک
الکترونیک در سال 2022 دارای شاخه‌های اصلی به شرح زیر است:
- الکترونیک دیجیتال
- الکترونیک آنالوگ
- میکروالکترونیک
- طراحی مدار
- مدارهای یکپارچه
- الکترونیک قدرت
- اپتوالکترونیک
- دستگاه های نیمه هادی
- سیستم های جاسازی شده
- الکترونیک صوتی
- مخابرات
- نانوالکترونیک
- بیوالکترونیک
اجزاء و قطعات الکترونیکی
جزء الکترونیکی هر وسیله گسسته اساسی یا موجودیت فیزیکی در یک سیستم الکترونیکی است که برای تأثیرگذاری بر الکترون ها یا میدان های مرتبط با آنها استفاده می شود. اجزای الکترونیکی عمدتاً محصولات صنعتی هستند که به شکل منفرد در دسترس هستند و نباید با عناصر الکتریکی اشتباه گرفته شوند، که انتزاعات مفهومی نشان دهنده اجزا و عناصر الکترونیکی ایده آل هستند.
قطعات الکترونیکی دارای تعدادی پایانه یا سرنخ الکتریکی هستند. این سرنخ ها به سایر اجزای الکتریکی، اغلب از طریق سیم، برای ایجاد یک مدار الکترونیکی با عملکرد خاص (مثلاً تقویت کننده، گیرنده رادیویی یا نوسانگر) متصل می شوند. قطعات الکترونیکی پایه ممکن است به صورت مجزا بسته بندی شوند، به صورت آرایه ها یا شبکه هایی از اجزای مشابه، یا در داخل بسته هایی مانند مدارهای مجتمع نیمه هادی، مدارهای مجتمع هیبریدی، یا دستگاه های فیلم ضخیم یکپارچه شوند.
دسته بندی قطعات الکترونیکی
قطعات الکترونیکی را می‌توان به سه دسته‌ی غیرفعال، فعال یا الکترومکانیک طبقه بندی کرد. در تعریف دقیق فیزیکی، اجزای غیرفعال را به عنوان قطعاتی در نظر می گیرد که نمی‌توانند انرژی خود را تامین کنند، در حالی که باتری به عنوان یک جزء فعال در نظر گرفته می شود زیرا واقعاً به عنوان منبع انرژی عمل می کند.
برای ثبت نام و شرکت در دوره تخصصی تاسیسات برقی موسسه آموزش عالی آزاد نوین پارسیان کلیک کنید
با این حال، مهندسان الکترونیکی که تجزیه و تحلیل مدار را انجام می دهند، از تعریف محدودتری از انفعال استفاده می کنند. هنگامی که فقط به انرژی سیگنال‌ها توجه می‌کنید، راحت است مدار به اصطلاح DC را نادیده بگیرید و وانمود کنید که اجزای منبع تغذیه مانند ترانزیستورها یا مدارهای مجتمع وجود ندارند (مثل اینکه هر یک از این قطعات باتری مخصوص به خود را تعبیه کرده است). ممکن است در واقع توسط مدار DC تامین شود. سپس، تجزیه و تحلیل فقط به مدار AC مربوط می شود، انتزاعی که ولتاژها و جریان های DC (و توان مرتبط با آنها) موجود در مدار واقعی را نادیده می گیرد. برای مثال، این داستان به ما اجازه می‌دهد که یک نوسانگر را به‌عنوان «تولیدکننده انرژی» ببینیم، حتی اگر در واقعیت، نوسانگر حتی انرژی بیشتری را از منبع تغذیه DC مصرف می‌کند، که ما آن را نادیده گرفته‌ایم. تحت آن محدودیت، اصطلاحاتی را که در تحلیل مدار استفاده می‌شود به‌صورت زیر تعریف می‌کنیم:
- اجزای فعال به یک منبع انرژی متکی هستند (معمولاً از مدار DC، که ما آن را نادیده گرفته ایم) و معمولاً می توانند برق را به مدار تزریق کنند، اگرچه این بخشی از تعریف نیست. اجزای فعال شامل اجزای تقویت کننده مانند ترانزیستورها، لوله های خلاء (شیر) و دیودهای تونلی هستند.
- اجزای غیرفعال نمی توانند انرژی خالص را به مدار وارد کنند. آنها همچنین نمی توانند به منبع برق تکیه کنند، به جز آنچه از مدار (AC) که به آن متصل هستند در دسترس است. در نتیجه، آنها نمی توانند تقویت کنند (قدرت سیگنال را افزایش دهند)، اگرچه ممکن است ولتاژ یا جریان را افزایش دهند (مانند کاری که توسط یک ترانسفورماتور یا مدار تشدید انجام می شود). اجزای غیرفعال شامل اجزای دو ترمینالی مانند مقاومت، خازن، سلف و ترانسفورماتور می باشد.
- قطعات الکترومکانیکی می توانند عملیات الکتریکی را با استفاده از قطعات متحرک یا با استفاده از اتصالات الکتریکی انجام دهند
اکثریت اجزای غیرفعال با بیش از دو پایانه را می‌توان بر اساس پارامترهای دو پورت توصیف نمود که اصل متقابل را برآورده می کند – اگرچه استثنائات نیز نادری وجود دارد. در مقابل، اجزای فعال (با بیش از دو پایانه) به طور کلی فاقد این ویژگی هستند.
انواع مدارهای الکترونیکی
توابع مدارهای الکترونیکی را می توان به دو گروه عملکردی آنالوگ و دیجیتال تقسیم کرد. یک دستگاه خاص امکان دارد از مدارهایی متشکل باشد که یکی یا دیگری یا ترکیبی از دو نوع را دارا می‌باشد. مدارهای آنالوگ کمتر رایج می شوند، زیرا بسیاری از عملکردهای آنها دیجیتالی می شوند.
مدارهای آنالوگ
اکثر وسایل الکترونیکی آنالوگ، مانند گیرنده های رادیویی، از ترکیب چند نوع مدار اصلی ساخته می شوند. مدارهای آنالوگ از محدوده پیوسته ای از ولتاژ یا جریان بر خلاف سطوح گسسته در مدارهای دیجیتال استفاده می کنند. تعداد مدارهای آنالوگ متفاوتی که تاکنون ابداع شده اند بسیار زیاد است، به ویژه به این دلیل که یک “مدار” را می توان به عنوان هر چیزی از یک جزء تا سیستم های حاوی هزاران جزء تعریف کرد. مدارهای آنالوگ گاهی اوقات مدارهای خطی نامیده می شوند اگرچه بسیاری از اثرات غیر خطی در مدارهای آنالوگ مانند میکسرها، مدولاتورها و غیره استفاده می شود. نمونه های خوبی از مدارهای آنالوگ شامل تقویت کننده های لوله خلاء و ترانزیستور، تقویت کننده های عملیاتی و نوسانگرها هستند. به ندرت مدارهای مدرن کاملا آنالوگ را پیدا می کنید – این روزها مدارهای آنالوگ ممکن است از تکنیک های دیجیتال یا حتی ریزپردازنده برای بهبود عملکرد استفاده کنند. این نوع مدار معمولاً به جای آنالوگ یا دیجیتال “سیگنال مختلط” نامیده می شود.
جهت شرکت در دوره تخصصی آموزش PLC موسسه آموزش عالی آزاد نوین پارسیان کلیک کنید
گاهی اوقات امکان دارد تمایز مابین مدارهای دیجیتال و آنالوگ دشوار باشد زیرا آنها دارای عناصر عملکرد خطی و غیر خطی هستند. یک مثال مقایسه کننده ای است که یک محدوده پیوسته ولتاژ را می گیرد اما فقط یکی از دو سطح را مانند مدار دیجیتال خروجی می دهد. به طور مشابه، یک تقویت کننده ترانزیستوری بیش از حد می تواند ویژگی های یک سوئیچ کنترل شده را که اساساً دارای دو سطح خروجی است، داشته باشد. در واقع، بسیاری از مدارهای دیجیتال در واقع به عنوان انواع مدارهای آنالوگ شبیه به این مثال اجرا می‌شوند – بالاخره تمام جنبه‌های دنیای فیزیکی واقعی اساساً آنالوگ هستند، بنابراین اثرات دیجیتال تنها با محدود کردن رفتار آنالوگ محقق می‌شوند.
مدارهای دیجیتال
مدارهای دیجیتال دسته ای از انواع مدارهای الکتریکی هستند که بر اساس تعدادی از سطوح ولتاژ مجزا هستند. مدارهای دیجیتال رایج ترین نمایش فیزیکی جبر بولی هستند و اساس همه رایانه های دیجیتال هستند. برای اکثر مهندسان، اصطلاحات “مدار دیجیتال”، “سیستم دیجیتال” و “منطق” در زمینه مدارهای دیجیتال قابل تعویض هستند. اکثر مدارهای دیجیتال از یک سیستم باینری با دو سطح ولتاژ با برچسب “0” و “1” استفاده می کنند. اغلب منطق “0” یک ولتاژ پایین تر است و به عنوان “Low” نامیده می شود در حالی که منطق “1” به عنوان “High” نامیده می شود. با این حال، برخی از سیستم ها از تعریف معکوس استفاده می کنند (“0” “High” است) یا مبتنی بر جریان هستند. اغلب اوقات طراح منطق ممکن است این تعاریف را از یک مدار به مدار دیگر معکوس کند و آن را برای تسهیل طراحی آنها صلاح بداند. تعریف سطوح به صورت “0” یا “1” دلخواه است.
منطق سه تایی (با سه حالت) مورد مطالعه قرار گرفته است، و برخی از کامپیوترهای نمونه ساخته شده است. رایانه ها، ساعت های الکترونیکی و کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی (که برای کنترل فرآیندهای صنعتی استفاده می شوند) از مدارهای دیجیتال ساخته شده اند. پردازنده های سیگنال دیجیتال مثال دیگری هستند.
تئوری الکترونیک
روش های ریاضی جزء لاینفک مطالعه الکترونیک هستند. برای کسب مهارت در الکترونیک نیز لازم است در ریاضیات آنالیز مدار مهارت داشته باشید.
تجزیه و تحلیل مدار مطالعه روش های حل سیستم های خطی به طور کلی برای متغیرهای ناشناخته مانند ولتاژ در یک گره خاص یا جریان از طریق یک شاخه خاص از یک شبکه است. یک ابزار تحلیلی رایج برای این شبیه ساز مدار SPICE است. مشاغل مهندسی الکترونیک معمولاً شامل دوره هایی در حساب دیفرانسیل و انتگرال (تک و چند متغیره)، تجزیه و تحلیل پیچیده، معادلات دیفرانسیل (اعم از معمولی و جزئی)، جبر خطی و احتمال است. تحلیل فوریه و تبدیل Z نیز موضوعاتی هستند که معمولاً در برنامه های مهندسی برق گنجانده می شوند. تبدیل لاپلاس می تواند رفتار شبکه RLC محاسباتی را ساده کند
اگر ولتاژی روی خازن اعمال کنید، با ذخیره بار الکتریکی به صورت میدان الکتریکی در داخل دستگاه، «شارژ می‌شود». این بدان معنی است که در حالی که ولتاژ در خازن در ابتدا کم است، جریان زیادی جریان می یابد. بعداً به دلیل پر شدن ظرفیت و افزایش ولتاژ در دستگاه، جریان جریان کمتر می شود. روش‌های تحلیل پیچیده نیز در مهندسی برق در زمینه‌هایی مانند پردازش سیگنال، الکترونیک قدرت، سیستم‌های کنترل و غیره مهم هستند. یک وضعیت مشابه هر چند مخالف در یک سلف رخ می دهد. ولتاژ اعمال شده با جریان کم با ایجاد میدان مغناطیسی بالا می ماند و بعداً با جریان زیاد وقتی که میدان مغناطیسی در حداکثر است، کوچک می شود. بنابراین ولتاژ و جریان این دو نوع دستگاه خارج از فاز هستند و مانند شبکه های مقاومتی ساده با هم بالا و پایین نمی روند. مدل ریاضی که با این وضعیت مطابقت دارد مدل اعداد مختلط است که از یک جزء خیالی برای توصیف انرژی ذخیره شده استفاده می کند.
همچنین برای الکترونیک مطالعه و درک نظریه میدان الکترومغناطیسی مهم است.
