Электроника для начинающих

Курс под названием «Электроника для начинающих» предназначается для новичков, желающих ознакомиться с современным уровнем развития специальных технических знаний и соответствующей им элементной базой.

Сфера электроники

Сфера электроники

Практическая электроника – это самостоятельная область универсальных знаний, предполагающая владение основными приёмами работы с устройствами, позволяющими собирать и обрабатывать большие массивы полезной информации. Помимо этого с её помощью возможно конструирование электронных устройств любой степени сложности, включая системы автоматического управления (САУ), преобразователи электрической энергии и многое другое.

Основы электроники или её азы, представленные в большом количестве открытых источников, привлекают к ней множество исследователей, готовых к поиску новых решений в области обработки и преобразования цифровой информации.

Пути совершенствования (микроминиатюризация)

Сфера применения азов электронных знаний с каждым годом только расширяется, что объясняется постоянно возрастающими требованиями к уровню технических дисциплин, а также повсеместным использованием результатов их практического применения.

И, действительно, сегодня любое пользующееся повышенным спросом техническое устройство обязательно содержит электрическую схему. К тому же в современном производстве ни один технологический процесс не обходится без средств управления, в состав которого обязательно входят электронные компоненты.

Основы цифровой электроники играют всё большую роль в совершенствовании технических средств, что связано с повсеместным внедрением в жизнь принципов миниатюризации. Однако прежде чем достичь определённых успехов в усовершенствовании электронных систем, был пройден долгий и тяжёлый путь по их разукрупнению.

Так, в сороковых годах прошлого века, или на «заре» электронной эры, масса снаряжения перспективного технического средства (тяжелого бомбардировщика, например) составляла примерно одну тонну. При этом не принимался в расчёт вес используемой для электропитания энергетической установки.

За прошедшие десятилетия за счёт открытия полупроводникового эффекта и последующего перехода к микросхемам этот показатель снизился в десятки, а в некоторых областях техники в тысячи раз.

Микроминиатюризация

Микроминиатюризация

Основной показатель рассматриваемого процесса – плотность монтажа электронных компонентов, учитывающая общее их количество, приходящееся на один см3 площади работающего устройства. На начальном этапе развития электроники (когда в обращении были ещё ламповые изделия) этот показатель не превышал значения ноль целых три десятых элемента на см3. По этой причине для размещения полноценной ЭВМ, например, требовались площади порядка тысяч квадратных метров.

Обратите внимание! К этому следует добавить, что для её электроснабжения нужна была мощная питающая подстанция, размещаемая в соседнем зале или на другом этаже.

Появление в середине ХХ века миниатюрных для того времени полупроводниковых элементов привело к созданию нового стиля конструирования электронных устройств, названному модульным. В основу такого подхода был заложен принцип формирования элементарной конструктивной ячейки, называемой модулем и имевшей типовые размеры. Данный приём позволял стандартизировать весь сборочный процесс; одновременно с этим плотность монтажа возросла до 2,5 дискретных элементов на см3.

Микросхемотехника

Постепенное совершенствование технологий выпуска электронных комплектующих привело к появлению сначала микромодулей, а впоследствии – микросхем. При этом плотность размещения отдельных элементов превысила 10 штук на см3. Отметим, что под понятие «микромодуль» уже в то время подпадали следующие детали:

  • Полупроводниковые изделия (диоды, транзисторы);
  • Пассивные элементы (резисторы);
  • Конденсаторы, а также другие детали небольших размеров.

На смену им со временем пришли интегральные элементы, открывшие эпоху современной микросхемотехники.

Микросхемотехника

Микросхемотехника

В плане реализации схемных решений интегральная электроника почти ничем не отличается от транзисторной логики, поскольку микросхема состоит из тех же дискретных элементов, имеющих миниатюрные размеры (примерно 0,5-1 мкм).

Современные электронные технологии обеспечили резкое увеличение показателя плотности монтажа элементов, величина которой была доведена до нескольких тысяч единиц на 1 см3.

Практическая электроника

Практические аспекты изучения электроники с нуля предполагают знакомство с приборами и устройствами, работа которых основана на взаимодействии свободных электрических зарядов и известных из физики э/м полей. Указанные азы классических наук являются теоретической базой изучения протекающих в реальных устройствах процессов, связанных с накоплением, обработкой и передачей цифровых данных и другой полезной информации.

Достигнутый к настоящему времени уровень развития электронных технологий позволяет получать э/м колебания радио диапазона с частотами до 1012Гц. Те же частоты для видимого спектра, ИК, УФ и рентгеновских излучений, генерируемых электронными устройствами, лежат в пределах от 1012 до 1020Гц. Получение колебаний сверхвысоких частот стало возможным благодаря очень малой инерционности основных носителей токового сигнала (электронов).

Практическая электроника использует открытия и результаты исследований классической физики, касающиеся следующих её разделов:

  • Электродинамика;
  • Оптика и кристаллография;
  • Физика твердого тела и термодинамика;
  • Квантовая физика и механика.

Этот список может быть дополнен такими наименованиями современных отраслей знаний, как химия, металлургия и многими другими.

Стоящие перед современной электронной отраслью задачи практического характера могут быть представлены в виде следующего перечня:

  • Подготовка основ проектирования и выпуска электронного оборудования и функциональных устройств, используемых в каналах преобразования и скоростной передачи информации;
  • Аналогичные действия, касающиеся современных систем управления, перспективных вычислительных комплексов и энергетических установок;
  • Разработка базовых технологий, стимулирующих производство оборудования, работающего на самых современных научных принципах.
Практическая электроника

Практическая электроника

Таким образом, электроника как практическая отрасль естествознания играет решающую роль в удовлетворении постоянно растущих потребностей современного человека.

Основные разделы и направления

Электроника как теоретическая наука включает в себя три основных раздела, касающихся следующих перспективных направлений:

  • Изучение процессов, протекающих в вакуумных средах;
  • То же, но применительно к твёрдым телам;
  • Квантовая механика.

Каждое из перечисленных направлений содержит в своём составе множество подразделов, объединённых общими принципами и позволяющих подготовить теоретическую базу разработки уникальных электронных устройств. С их помощью удаётся выработать определённые методики расчета и конструирования приборов, работающих на самых современных принципах.

Вакуумные среды и твёрдые тела

Вакуумная электроника, в частности, уделяет внимание следующим практическим вопросам:

  • Разработка и промышленное производство специальных электронных ламп;
  • Выпуск сверхвысокочастотных магнетронов, клистронов и подобных им приборов;
  • Изготовление фотоэлектронных устройств и рентгеновских трубок;
  • Производство газоразрядных ламп, а также мощных фотопреобразователей и индикаторов.

Твердотельная электроника, в свою очередь, включает разделы, связанные с изучением свойств полупроводников и диэлектриков, а также получаемых на их основе радиоэлектронных компонентов. Это перспективное направление занимается следующими важными проблемами:

  • Изучение параметров полупроводников и влияния различных примесей на их электропроводность;
  • Создание электронных областей с различной концентрацией основных и вспомогательных носителей, количество которых в активной зоне может регулироваться различными методами (выращиванием кристаллов, диффузией или имплантацией, например);
  • Разработка и внедрение в производство новейших технологий, связанных с нанесением диэлектриков и металлизированных пленок на поверхности полупроводниковых материалов;
  • Подготовка практических рекомендаций по созданию технологий выращивания пленок нужной формы и с заданными техническими характеристиками;
  • Изучение и поиск новых решений по управлению процессами, наблюдаемыми на поверхности полупроводников;
  • Разработка перспективных технологий получения наночастиц, широко внедряемых в современные производства.

Квантовая электроника

Относительно квантовой физики и вопросов обработки информации на уровне элементарных частиц необходимо отметить следующее:

  • Во-первых, основные достижения квантовой теории позволили заложить теоретическую базу для разработки и освоения технологий создания мощных физических лазеров и мазеров;
  • Во-вторых, определённые успехи в освоении теории информационного обмена на соответствующем уровне заложили фундамент для дальнейшего продвижения по пути построения перспективного квантового компьютера.

Дополнительная информация. В отличие от обычного ПК, в его квантовом аналоге вместо битов используются особые информационные единицы, называемые кубитами.

Особенности обмена информацией на этом уровне позволяют изменять состояния всех кубитов компьютера за один рабочий такт, что обеспечивает повышение его быстродействия в миллионы и более раз.

Квантовый компьютер

Квантовый компьютер

В заключение обзора основных вопросов, которыми занимается современная  электроника, необходимо обратить внимание на следующий важный момент, касающийся результатов исследований в различных областях знаний. Полученные данные позволяют привлекать их для создания образцов современного оборудования, используемого не только на производстве, но и в таких важных для человека областях, как медицина и здравоохранение. Медицинские лазеры давно применяются при проведении профессиональных операций, а методы обследования с применением УЗИ и томографии известны любому грамотному человеку. Все они были бы невозможны без электроники, основные принципы которой лежат в основе работы современного медицинского оборудования.

Видео

Оцените статью:
Оставить комментарий
Adblock
detector