Научно-образовательный портал ТУСУР | Введение в электронику: Методические указания к лабораторным работам / Агеев Е. Ю. — 2011. 73 с.

Методические указания к лабораторным работам

Лабораторный практикум по курсу «Введение в электронику» выполняется в компьютерном классе с использованием программного пакета «Electronics Workbench»(EWB) версии 5.12. Эта программа позволяет создать на каждом компьютере виртуальную электронную лабораторию. В такой лаборатории можно собирать разнообразные по сложности электронные схемы и моделировать их работу. Имеющийся виртуальный инструментарий позволяет выполнять измерения тока, напряжения, частотных характеристик и других параметров электронных схем, изменяющихся, либо остающихся неизменными в процессе моделирования. Наглядность и простота интерфейса программы облегчает обучение навыкам работы с ней, в то же время у пользователя создается полная иллюзия наблюдения процессов, происходящих в реальной схеме и оперирования реальными измерительными приборами.

Кафедра электронных приборов

Автор:   Агеев Е. Ю.

Год издания: 2011

Количество страниц: 73

Скачиваний: 9

Оглавление (содержание)

Основы работы с программой Electronics Workbench версии 5.12.4

Моделирование электронных схем в EWB.35

Лабораторная работа No1. Расчет электрической цепи постоянного тока37

Лабораторная работа No2. Исследование разветвленной электрической цепи42

Лабораторная работа No3. Анализ электрических цепей переменного тока49

Лабораторная работа No4. Построение электрической схемы по заданной логической функции63

Список литературы

---

Пособие используется для изучения 6 дисциплин

Введение в электронику

11.03.04 Электроника и наноэлектроника (Квантовая и оптическая электроника) Очная форма обучения, план набора 2015 г. План в архиве

Введение в электронику

11.03.04 Электроника и наноэлектроника (Квантовая и оптическая электроника) Очная форма обучения, план набора 2016 г. План в архиве

Введение в электронику

11.03.04 Электроника и наноэлектроника (Квантовая и оптическая электроника) Очная форма обучения, план набора 2013 г. План в архиве

Введение в электронику

11.03.04 Электроника и наноэлектроника (Квантовая и оптическая электроника) Очная форма обучения, план набора 2014 г. План в архиве

Введение в электронику

11.

03.04 Электроника и наноэлектроника (Квантовая и оптическая электроника) Очная форма обучения, план набора 2018 г.

Введение в электронику

11.03.04 Электроника и наноэлектроника (Квантовая и оптическая электроника) Очная форма обучения, план набора 2017 г. План в архиве

---

Похожие пособия

Безопасность жизнедеятельности: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине / Полякова С. А., Кан А. Г., Лощилов А. Г., Пустовойт А. Ф., Туев В. И., Хорев И. Е., Екимова И. А., Аверьянов Г. А., Петровская Н. Е., Крупеников Б. В., Воронина Г. А. — 2012. 57 с.

Концепции современного естествознания: Методические указания по лабораторным работам / Бурдовицин В. А., Иванова Е. В., Климов А. С., Медовник А. В., Орловская Л. В. — 2018. 51 с.

Информатика: Учебное пособие предназначено для студентов факультета дистанционного обучения ТУСУРа / Башкиров П.

А., Тимченко С. В., Гураков А. В., Сметанин С. В., Шульц Д. С., Мещерякова О. И., Артемов И. Л. — 2011. 160 с.

Проектирование светодиодов и светотехнических устройств: Методические указания по самостоятельной работе / Солдаткин В. С., Вилисов А. А., Туев В. И., Каменкова В. С., Ряполова Ю. В. — 2017. 15 с.

Исследование влияния распределения поля в раскрыве антенны на её диаграмму направленности: Руководство к лабораторной работе / Гошин Г. Г., Никифоров А. Н., Фатеев А. В., Шангина Л. И., Замотринский В. А. — 2013. 28 с.

Читать онлайн «Введение в электронику» — Гейтс Эрл Д. — RuLit

Эрл Д. Гейтс

«ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОНИКУ»

практический подход

_{Серия: «Учебники и учебные пособия»}

Предисловие

Создание этой книги началось с написания обзора, который я завершил несколько лет назад. Тогда я рассмотрел около двадцати специальностей в электронной промышленности и попытался ответить на следующие вопросы:

1.  Какой должна быть подготовка студентов, начинающих работать в области электроники после окончания учебного заведения?

2. Соответствуют ли цели и приоритеты используемых в настоящее время программ высшей школы по электронике изменениям в промышленности?

Исследование показало, что промышленности нужен выпускник по специальности «электроника», который сможет обнаружить неисправности, провести измерения с помощью различного тестирующего оборудования, особенно с помощью осциллографа, он должен уметь паять, знать, где найти информацию и ориентироваться в справочной литературе по электронике.

Я обнаружил также, что промышленность больше ценит в студентах способность делать, чем способность знать.

Короче говоря, я пришел к выводу, что обучению теории надо посвящать времени меньше, а практике — больше.

Второе издание Введения в электронику продолжает давать студентам основные знания по электронике, в которых нуждается промышленность. Текст книги тщательно проработан с целью сделать процесс обучения более легким и эффективным. Курс рассчитан на один год и сосредоточен на привитии исследовательских навыков, а не на обучении мастерству. Предполагается в первом семестре изучать цепи постоянного и переменного тока, во втором — полупроводники и линейные цепи, в третьем — цифровые устройства.

Ниже приведены некоторые основные особенности изложения материала:

• Главы книги очень короткие и посвящены узким вопросам.

• В начале каждой главы указаны цели обучения.

• Для улучшения восприятия материала в книге широко используются иллюстрации.

• В каждой главе имеются обзорные вопросы для того, чтобы студент мог проверить себя.

• Математика в книге используется только для записи основных формул.

• Частые примеры показывают, как использовать математические формулы.

• В резюме после каждой главы перечислены наиболее важные вопросы.

• Каждую главу завершают вопросы для самопроверки.

При разработке книги было сделано все, чтобы она отвечала потребностям как студентов, так и преподавателей.

Структура книги такова, что материал в ней изложен в логической последовательности. Однако, поскольку каждая глава является самостоятельной единицей, последовательность изложения материала студентам может изменяться в зависимости от стиля преподавания.

Я пригласил преподавателя математики для проверки точности всех примеров и ответов на вопросы самопроверки. Все примеры в книге подготовлены с помощью этого преподавателя. Благодаря такому подходу созданы примеры, которые помогут студенту связать математику, изучаемую на уроках математики, с математикой, используемой в электронике.

Поскольку в лаборатории студенты применяют изученную в классе теорию на практике, я разработал руководство по лабораторным работам, которое удовлетворяет требованиям промышленности.

Честолюбивые проекты подкрепляют процесс обучения студентов и помогают им увидеть, как теория становится практикой.

Настоящий учебник и руководство по лабораторным работам помогут студентам расширить их знания в области электроники. Я включил путеводитель по учебному плану в Путеводитель Инструктора, который служит основой для программ но электронике. Этот учебный план используется в нашем школьном округе несколько лет и успешно себя зарекомендовал. Кроме того, путеводитель по учебному плану был представлен в Департамент Образования штата Нью-Йорк и одобрен там как один из вариантов технологических программ.

Мне хотелось бы поблагодарить двух людей, чья помощь и поддержка сделала переработку этой книги возможной: учителя математики Черил Сколэнд и преподавателя электроники Ролфа Тидеманна из Греческой Центральной Школы. Мне хотелось бы также выразить свою признательность представителям промышленности, которые продолжали оказывать мне поддержку, когда я нуждался в ней: Джералду Бассу, президенту EIC Electronics и Томасу Фегаделу, владельцу Glenwood Sales.

Благодарю также многочисленных преподавателей, которые использовали текст книги на своих уроках и обратили мое внимание на неточности, указав, какие вопросы надо исключить или расширить.

Электроника для начинающих: простое введение

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 5 декабря 2022 г.

Они хранят ваши деньги. Они следят твое сердцебиение. Они несут звук вашего голоса в чужие дома. Они привозят самолеты на землю и безопасно направлять машины к месту назначения — они даже стреляют подушки безопасности, если мы попадем в беду. Удивительно подумать, сколько вещи, которые «они» на самом деле делают. «Они» — это электроны: крошечные частицы внутри атомов, движущиеся по определенным траекториям, известным как цепи, передающие электрическую энергию. Одна из величайших вещей людей научились делать в 20-м веке было использовать электроны для управления машины и технологическая информация. Электронная революция, как это известно, ускорил компьютер революция, и обе эти вещи изменили многие области нашей жизни. Но как именно наноскопически маленькие частицы, слишком маленькие видеть, достигать таких масштабных и драматичных вещей? давайте возьмем поближе посмотри и узнай!

Фото: Компактная электронная плата с веб-камеры. Эта плата содержит несколько десятков отдельных электронных компонентов, в основном это небольшие резисторы и конденсаторы, плюс большой черный микрочип (внизу слева), который выполняет большую часть работы.

Содержание

1. В чем разница между электричеством и электроникой?
2. Аналоговая и цифровая электроника
3. Электронные компоненты
4. Электронные схемы и печатные платы
5. Для чего используется электроника?
6. Краткая история электроники
7. Узнать больше

В чем разница между электричеством и электроникой?

Если вы читали нашу статью об электричестве, вы узнаете, что это своего рода энергия — очень разносторонний вид энергии, которую мы можем производить самыми разными способами и использовать во многих других. Электричество — это создание электромагнитной энергии. обтекать цепь, чтобы она приводила в действие что-то вроде электродвигателя или нагревательного элемента, электроприборы, такие как электромобили, чайники, тостеры и лампы. Как правило, электроприборам требуется много энергии для работы. работают, поэтому они используют довольно большие (и часто довольно опасные) электрические токи. Нагревательный элемент мощностью 2500 Вт внутри электрического чайника работает от тока около 10 ампер. Напротив, электронные компоненты используют токи вероятно, измеряется в долях миллиампер (которые составляют тысячные доли ампер). Другими словами, типичный электрический прибор, вероятно, будет использовать токи в десятки, сотни или тысячи раз больше, чем типичный электронный.

Электроника — это гораздо более тонкий вид электричества, в котором крошечные электрические токи (и, в теории, отдельные электроны) тщательно направлена ​​вокруг гораздо более сложных схем для обработки сигналов (таких как те, которые несут радио и телевизионные программы) или хранить и обрабатывать информация . Подумайте о чем-то вроде микроволновой печи духовке, и легко увидеть разницу между обычным электричество и электроника. В микроволновой печи электричество обеспечивает сила, генерирующая высокоэнергетические волны, которые готовят вашу еду; электроника контролирует электрическую цепь, которая делает приготовление пищи.

Работа: Микроволновые печи питаются от электрических кабелей (серого цвета), которые подключаются к стене. Кабели подают электричество, питающее сильноточные электрические цепи и слаботочные электронные. Сильноточные электрические цепи питают магнетрон (синий), устройство, создающее волны, которые готовят вашу еду. и поверните поворотный стол. Слаботочные электронные схемы (красные) управляют этими мощными цепями, и такие вещи, как цифровой дисплей.

Аналоговая и цифровая электроника

Существует два совершенно разных способа хранения информации, известных как аналоговые и цифровые. Звучит как довольно абстрактная идея, но это действительно очень просто. Предположим, вы делаете старомодную фотографию кто-то с пленочной камерой. Камера фиксирует поток света в сквозь ставни спереди в виде узора света и темные участки на химически обработанном пластике. Сцена, в которой ты фотография превращается в своего рода мгновенное химическое рисование — «аналогия» того, на что вы смотрите. Вот почему мы говорим, что это аналог способ хранения информации. Но если вы сфотографируете именно та же сцена с цифровой камерой, камера хранит совсем другую запись. Вместо того, чтобы сохранить узнаваемый узор из света и тьмы, он преобразует свет и тьму области в числа и вместо этого сохраняет их. Хранение числового, закодированного версия чего-либо известна как цифровая.

Фото: Аналоговая и цифровая электроника. Радио (сзади) аналоговое: оно «впитывает» радиоволны и превращает их обратно в звук с помощью электронных компонентов, таких как транзисторы и конденсаторы. Камера (передняя) цифровая: она хранит и обрабатывает фотографии как числа.

Электронное оборудование обычно работает с информацией в любом аналоговом или цифровой формат. В старомодном транзисторном радио, широковещательные сигналы поступают в схему радио через залипание антенны из дела. Это аналоговые сигналы: это радиоволны, путешествуя по воздуху от отдаленного радиопередатчика, который вибрировать вверх и вниз по образцу, который точно соответствует словам и музыку они несут. Так что громкая рок-музыка означает более сильные сигналы, чем тихая. классическая музыка. Радио сохраняет сигналы в аналоговой форме, т.к. получает их, усиливает и превращает обратно в звуки, которые вы можете слышать. Но в современном цифровом радио, все происходит по-другому. Во-первых, сигналы передаются в цифровом формате. формат — в виде кодированных чисел. Когда они прибудут на ваше радио, цифры преобразуются обратно в звуковые сигналы. Это совсем другой способ обработки информации и имеет как преимущества, так и недостатки. Как правило, большинство современных форм электронного оборудования (включая компьютеры, сотовые телефоны, цифровые камеры, цифровые радиоприемники, слуховые аппараты и телевизоры) используют цифровая электроника.

Электронные компоненты

Если вы когда-нибудь смотрели на город из окна небоскреба, вы будете восхищаться всеми крошечными зданиями под вами и улицы, связывающие их вместе всевозможными замысловатыми способами. Каждый здание имеет функцию и улицы, которые позволяют людям путешествовать из одной части города в другую или посетить разные здания в очередь, заставить все здания работать вместе. Коллекция здания, то, как они устроены, и многочисленные связи между Именно они делают динамичный город гораздо большим, чем сумма его отдельные части.

Схемы внутри электронного оборудования немного похожи на города тоже: они набиты компонентами (похожий на здания), которые выполняют разные задачи, а компоненты связаны между собой. вместе кабелями или печатными металлическими соединениями (похожий на улицы). В отличие от города, где практически каждое здание уникально и даже два якобы одинаковых дома или офисных блока могут быть тонко разные, электронные схемы строятся из небольшого количества стандартные компоненты. Но, как и в случае с LEGO®, вы можете компоненты вместе в бесконечном числе различных мест, так что они выполнять бесконечное количество различных работ.

Вот некоторые из наиболее важных компонентов, с которыми вы столкнетесь:

Резисторы

Это самые простые компоненты любой схемы. Их работа заключается в ограничении потока электронов и уменьшении ток или напряжение, протекающие путем преобразования электрической энергии в тепло. Резисторы бывают разных форм и размеров. Переменные резисторы (также известные как потенциометры) имеют дисковое управление, поэтому они изменить величину сопротивления, когда вы поворачиваете их. Регуляторы громкости в в звуковом оборудовании используются переменные резисторы, подобные этим.

Подробнее читайте в нашей основной статье о резисторах.

Фото: Типичный резистор на плате от магнитолы.

Диоды

Электронные эквиваленты улиц с односторонним движением, диоды пропускают электрический ток через них только в одном направлении. Они также известны как выпрямители. Диоды можно использовать для изменения переменного тока (текущего обратно и вперед по кругу, постоянно меняя направление) в прямое токи (те, которые всегда текут в одном и том же направлении).

Подробнее читайте в нашей основной статье о диодах.

Фото: Диоды внешне похожи на резисторы, но работают по-другому и делать совсем другую работу. В отличие от резистора, который можно вставить в цепь в любом случае диод должен быть подключен в правильном направлении (соответствующем стрелке на этой плате).

Конденсаторы

Эти относительно простые компоненты состоят из двух частей проводящего материала (например, металла), разделенных непроводящий (изолирующий) материал, называемый диэлектриком. Они есть часто используются в качестве устройств измерения времени, но они могут преобразовывать электрические токи и другими способами. На радио, одна из самых важных работ, Настройка на станцию, которую вы хотите слушать, осуществляется с помощью конденсатора.

Подробнее читайте в нашей основной статье о конденсаторах.

Фото: Небольшой конденсатор в транзисторной радиосхеме.

Транзисторы

Транзисторы, пожалуй, самые важные компоненты компьютеров. включать и выключать крошечные электрические токи или усиливать их (преобразовывать малые электрические токи в гораздо большие). Транзисторы которые работают поскольку переключатели действуют как память в компьютерах, а транзисторы работают как усилители увеличивают громкость звуков в слуховых аппаратах. Когда транзисторы соединены вместе, они образуют устройства, называемые логическими вентилями, которые могут выполнять очень простые операции. формы принятия решений. (Тиристоры немного похожи на транзисторы, но работать по-другому.)

Подробнее читайте в нашей основной статье о транзисторах.

Фото: Типичный полевой транзистор (FET) на электронной плате.

Оптоэлектронные (оптико-электронные) компоненты

Существуют различные компоненты, которые могут превращать свет в электричество или наоборот. Фотоэлементы (также известные как фотоэлементы) генерируют крошечные электрические токи, когда на них падает свет, и они используются как лучи «волшебного глаза». в различных типах сенсорного оборудования, включая некоторые виды дымовых извещателей. Светодиоды (LED) работают наоборот, преобразовывая небольшие электрические токи в свет. Светодиоды обычно используются на приборных панелях стереосистем. оборудование. Жидкокристаллические дисплеи (LCD), такие как те, которые используются в ЖК-телевизоры с плоским экраном и ноутбуки компьютеры, являются более сложными примерами оптоэлектроники.

Фото: Светодиод, встроенный в электронную схему. Это один из Светодиоды, излучающие красный свет внутри оптической компьютерной мыши.

У электронных компонентов есть нечто очень важное общее. Какую бы работу они ни выполняли, они работают, контролируя поток электронов. через их структуру очень точным образом. Большинство этих компонентов изготовлены из цельных кусков частично проводящего, частично изолирующего материалы, называемые полупроводниками (описанные более подробно в нашем статью о транзисторах). Поскольку электроника подразумевает понимание точные механизмы того, как твердые тела пропускают через себя электроны, это иногда называют физикой твердого тела. Вот почему вы часто увидите электронное оборудование, описываемое как «твердотельное».

Электронные схемы и печатные платы

Ключом к электронному устройству являются не только его компоненты содержит, но так, как они расположены в цепях. Простейший возможная схема представляет собой непрерывный цикл, соединяющий два компонента, например две бусины, прикрепленные к одному ожерелью. Аналоговые электронные приборы как правило, имеют гораздо более простые схемы, чем цифровые. Базовый транзистор Радио может состоять из нескольких десятков различных компонентов и печатной платы. вероятно, не больше, чем обложка книги в мягкой обложке. Но в чем-то подобно компьютеру, в котором используются цифровые технологии, схемы гораздо плотные и сложные и включают в себя сотни, тысячи или даже миллионы отдельный пути. Вообще говоря, чем сложнее схема, тем больше сложные операции, которые он может выполнять.

Фото: Электронная плата внутри компьютерного принтера. Какие электронные компоненты ты видишь здесь? Я могу различить конденсаторы, диоды и интегральные схемы (большие черные штуки, описание которых приведено ниже).

Если вы экспериментировали с простой электроникой, то знаете, что Самый простой способ построить схему — это просто соединить компоненты вместе. с короткими медными кабелями. Но чем больше компонентов вам нужно подключить, тем сложнее это становится. Вот почему разработчики электроники обычно выбирают более систематический способ расположения компонентов на том, что называется печатной платой. Базовая схема доска это просто прямоугольник из пластика с медными соединительными дорожками с одной стороны и множеством отверстий, просверленных в нем. Вы можете легко соединить компоненты вместе просовывая их через отверстия и используя медь, чтобы соединить их вместе, удаляя кусочки меди по мере необходимости и добавляя дополнительные провода сделать дополнительные подключения. Этот тип печатной платы часто называется «макетной доской».

Электронное оборудование, которое вы покупаете в магазинах, расширяет эту идею. далее с использованием печатных плат, которые изготавливаются автоматически на заводах. Точная схема схемы химически напечатана на пластике. плата, при этом все медные дорожки создаются автоматически во время производственный процесс. Затем компоненты просто проталкиваются предварительно просверленные отверстия и закреплены на месте с помощью электрического токопроводящий клей, известный как припой. Схема, изготовленная таким образом известна как печатная плата (PCB).

Фото: Впаивание компонентов в электронную схема. Дым, который вы видите, исходит от плавления припоя и превращения его в пар. Синий пластиковый прямоугольник, к которому я припаиваюсь, представляет собой типичную печатную плату, и вы видите различные компоненты, торчащие из нее, в том числе группу резисторов спереди и большую интегральную схему вверху.

Хотя печатные платы представляют собой большой шаг вперед по сравнению с печатными платами, смонтированными вручную, их все еще довольно сложно использовать, когда вам нужно подключить сотни, тысячи или даже миллионы компонентов вместе. Причина раннего компьютеры были такими большими, энергоемкими, медленными, дорогими и ненадежными. потому что их компоненты были соединены вместе вручную в этом старомодным способом. В конце 1950-х годов, однако, инженеры Джек Килби и Роберт Нойс самостоятельно разработал способ создания электронных компоненты в миниатюрной форме на поверхности кусочков кремния. С использованием эти интегральные схемы, он быстро стал можно выжать сотни, тысячи, миллионы, а потом и сотни миллионов миниатюрные компоненты на кремниевых чипах размером с ноготь пальца. Так компьютеры стали меньше, дешевле и намного более надежным с 1960-х годов.

Фото: Миниатюризация. Там больше вычислительной мощности в процессорном чипе, который лежит у меня на пальце, чем вы нашли бы в комнате размером с комнату. компьютер из 1940 лет!

Для чего используется электроника?

Электроника сейчас настолько распространена, что о ней почти легче думать вещи, которые не используют его, чем вещи, которые делают.

Развлечения были одной из первых областей, которые выиграли, с радио (и позже телевидение) оба критически в зависимости от прибытия электронные компоненты. Хотя телефон был изобретен до того, как электроника была должным образом развита, современная телефонные сети, сети сотовой связи, и компьютерные сети в сердце Интернета, все извлекают выгоду из сложная цифровая электроника.

Подумайте о том, что вы делаете, что не связано с электроникой и вы можете бороться. Двигатель вашего автомобиля вероятно, имеет электронные схемы в нем — а как насчет спутника GPS навигационное устройство, которое подскажет, куда идти? Даже подушка безопасности в вашем рулевое колесо приводится в действие электронной схемой, которая определяет, когда вам нужна дополнительная защита.

Электронное оборудование спасает нам жизнь и в других отношениях. Больницы упакованы всевозможными электронными гаджетами, от пульсометра от мониторов и ультразвуковых сканеров до сложных сканеров головного мозга и рентгеновских аппаратов машины. Слуховые аппараты были одними из первых гаджетов, получивших преимущества от разработка крошечных транзисторов в середине 20-го века, и Интегральные схемы все меньшего размера позволили слуховым аппаратам стать меньше и мощнее в последующие десятилетия.

Кто бы мог подумать, что у вас есть электроны — самые маленькие вещи, которые вы мог себе представить, изменил бы жизни людей во многих важных пути?

Краткая история электроники

Фото: сэр Дж. Дж. Томсон, который открыл, что электроны являются отрицательно заряженными частицами, в Кембриджском университете в 1897 году. Томсон получил Нобелевскую премию по физике в 1906 году за свою работу. Фото Bain News Service предоставлено Библиотекой Конгресса США.

• 1874: ирландский ученый Джордж Джонстон Стони. (1826–1919 гг. 11) предполагает, что электричество должно быть «построено» из крошечных электрических обвинения. Примерно 20 лет спустя он придумал название «электрон».
• 1875: Американский ученый Джордж Р. Кэри. строит фотоэлемент, который вырабатывает электричество, когда на него падает свет это.
• 1879: англичанин сэр Уильям Крукс (1832–1919) разрабатывает свою электронно-лучевую трубку (похожую на старомодную, «ламповое» телевидение) для изучения электроны (которые тогда были известны как «катодные лучи»).
• 1883: плодовитый американский изобретатель Томас Эдисон (1847–1919 гг.31) обнаруживает термоэлектронную эмиссию (также известную как Эдисон). эффект), где электроны испускаются нагретой нитью.
• 1887: немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) узнает больше о фотоэлектрическом эффекте, связь между светом и электричеством, на которую Кэри наткнулся предыдущее десятилетие.
• 1897: Британский физик Дж.Дж. Томсон (1856–1940) показывает, что катодные лучи представляют собой отрицательно заряженные частицы. Томсон называет их «корпускулами», но вскоре они переименовываются в электроны.
• 1904: Джон Эмброуз Флеминг (1849–1945), английский ученый, изготовил клапан Флеминга (позже переименован в диод). Он становится незаменимым компонентом в радиоприемниках.
• 1906 год: американский изобретатель Ли Де Форест. (1873–1961), пошел еще дальше и разработал улучшенный клапан, известный как триод (или аудион), значительно улучшивший конструкцию радиоприемников. де Фореста часто называют отцом современного радио.
• 1947: американцы Джон Бардин (1908–1991), Уолтер Браттейн (1902–1987) и Уильям Шокли (1910–1989) разработать транзистор в Bell Laboratories. Он произвел революцию в электронике и цифровом ЭВМ во второй половине 20 века.
• 1958: Работая независимо друг от друга, американские инженеры Джек Килби (1923–2005) из Texas Instruments and Роберт Нойс (1927–1990) из Fairchild Semiconductor (а позже и Intel) разрабатывают интегральные схемы.
• 1971: Марсиан Эдвард (Тед) Хофф (1937–) и Федерико Фаггин (1941–) удается втиснуть все ключевые компоненты компьютера на один чип, создающий первый в мире микропроцессор общего назначения Intel 4004.
• 1987: Американские ученые Теодор Фултон и Джеральд Долан из Bell Laboratories разработали первый одноэлектронный транзистор.
• 2008: Исследователь Hewlett-Packard Стэнли Уильямс создает первый работающий мемристор, новый вид компонента магнитной цепи, который работает как резистор с памятью, впервые придуманный американским физиком Леоном Чуа почти четыре десятилетия назад (в 1971 году).

Узнайте больше

На этом сайте

• Компьютеры
• Электричество и электроника
• История электричества
• Интегральные схемы
• Пайка и сварка

Книги для юных читателей

• Easy Electronics by Charles Platt. Мейкер Медиа, 2017.
• «Электроника для детей: играйте с простыми схемами и экспериментируйте с электричеством» Ойвинда Нидала Даля. Без крахмала, 2016.
• Свидетель: Электричество Стива Паркера. Дорлинг Киндерсли, 2013.

Книги для читателей постарше

• Открытые схемы: внутренняя красота электронных компонентов, Эрик Шлепфер и Уинделл Оксай. No Starch, 2022. Путеводитель по всем вашим любимым электронным мелочам. Что происходит внутри них и как они на самом деле работают?
• Марка: Электроника Чарльза Платта. O’Reilly, 2015. Практическое руководство, в котором вы узнаете об электронных компонентах, используя их во все более сложных схемах.
• Научитесь электричеству и электронике, Стэн Джибилиско и Саймон Монк. Макгроу Хилл, 2016.
• Искусство электроники, Пол Горовиц, Уинфилд Хилл. Издательство Кембриджского университета, 2015.
.

Веб-сайты: история электроники

• Открытие электрона: эта онлайн-выставка Американского института физики объясняет, как Дж. Дж. Томсон исследовал тайны электрона в Кембриджском университете.
• Атомные новинки: Британский музей науки объясняет, как исследование Дж. Дж. Томсона вписывается в более масштабную историю атома. [Архивировано через Wayback Machine.]
• Transistorized ! : веб-сайт PBS, посвященный истории транзисторов.
• «Таинственный мемристор», Салли Ади, IEEE Spectrum, 1 мая 2008 г. Увлекательное и простое для понимания введение в разработку мемристоров.

Веб-сайты: практические проекты и руководства для любителей

• Evil Mad Scientist: Еженедельно обновляемый блог, в котором публикуются проекты в области электроники (и другие материалы типа «создателей») с остроумием, изобретательностью и духом открытого исходного кода.
• Adafruit: Блог: Еще больше необычной электроники для производителей.

Электроника для начинающих: простое введение

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 5 декабря 2022 г.

Они хранят ваши деньги. Они следят твое сердцебиение. Они несут звук вашего голоса в чужие дома. Они привозят самолеты на землю и безопасно направлять машины к месту назначения — они даже стреляют подушки безопасности, если мы попадем в беду. Удивительно подумать, сколько вещи, которые «они» на самом деле делают. «Они» — это электроны: крошечные частицы внутри атомов, движущиеся по определенным траекториям, известным как цепи, передающие электрическую энергию. Одна из величайших вещей людей научились делать в 20-м веке было использовать электроны для управления машины и технологическая информация. Электронная революция, как это известно, ускорил компьютер революция, и обе эти вещи изменили многие области нашей жизни. Но как именно наноскопически маленькие частицы, слишком маленькие видеть, достигать таких масштабных и драматичных вещей? давайте возьмем поближе посмотри и узнай!

Фото: Компактная электронная плата с веб-камеры. Эта плата содержит несколько десятков отдельных электронных компонентов, в основном это небольшие резисторы и конденсаторы, плюс большой черный микрочип (внизу слева), который выполняет большую часть работы.

Содержание

1. В чем разница между электричеством и электроникой?
2. Аналоговая и цифровая электроника
3. Электронные компоненты
4. Электронные схемы и печатные платы
5. Для чего используется электроника?
6. Краткая история электроники
7. Узнать больше

В чем разница между электричеством и электроникой?

Если вы читали нашу статью об электричестве, вы узнаете, что это своего рода энергия — очень разносторонний вид энергии, которую мы можем производить самыми разными способами и использовать во многих других. Электричество — это создание электромагнитной энергии. обтекать цепь, чтобы она приводила в действие что-то вроде электродвигателя или нагревательного элемента, электроприборы, такие как электромобили, чайники, тостеры и лампы. Как правило, электроприборам требуется много энергии для работы. работают, поэтому они используют довольно большие (и часто довольно опасные) электрические токи. Нагревательный элемент мощностью 2500 Вт внутри электрического чайника работает от тока около 10 ампер. Напротив, электронные компоненты используют токи вероятно, измеряется в долях миллиампер (которые составляют тысячные доли ампер). Другими словами, типичный электрический прибор, вероятно, будет использовать токи в десятки, сотни или тысячи раз больше, чем типичный электронный.

Электроника — это гораздо более тонкий вид электричества, в котором крошечные электрические токи (и, в теории, отдельные электроны) тщательно направлена ​​вокруг гораздо более сложных схем для обработки сигналов (таких как те, которые несут радио и телевизионные программы) или хранить и обрабатывать информация . Подумайте о чем-то вроде микроволновой печи духовке, и легко увидеть разницу между обычным электричество и электроника. В микроволновой печи электричество обеспечивает сила, генерирующая высокоэнергетические волны, которые готовят вашу еду; электроника контролирует электрическую цепь, которая делает приготовление пищи.

Работа: Микроволновые печи питаются от электрических кабелей (серого цвета), которые подключаются к стене. Кабели подают электричество, питающее сильноточные электрические цепи и слаботочные электронные. Сильноточные электрические цепи питают магнетрон (синий), устройство, создающее волны, которые готовят вашу еду. и поверните поворотный стол. Слаботочные электронные схемы (красные) управляют этими мощными цепями, и такие вещи, как цифровой дисплей.

Аналоговая и цифровая электроника

Существует два совершенно разных способа хранения информации, известных как аналоговые и цифровые. Звучит как довольно абстрактная идея, но это действительно очень просто. Предположим, вы делаете старомодную фотографию кто-то с пленочной камерой. Камера фиксирует поток света в сквозь ставни спереди в виде узора света и темные участки на химически обработанном пластике. Сцена, в которой ты фотография превращается в своего рода мгновенное химическое рисование — «аналогия» того, на что вы смотрите. Вот почему мы говорим, что это аналог способ хранения информации. Но если вы сфотографируете именно та же сцена с цифровой камерой, камера хранит совсем другую запись. Вместо того, чтобы сохранить узнаваемый узор из света и тьмы, он преобразует свет и тьму области в числа и вместо этого сохраняет их. Хранение числового, закодированного версия чего-либо известна как цифровая.

Фото: Аналоговая и цифровая электроника. Радио (сзади) аналоговое: оно «впитывает» радиоволны и превращает их обратно в звук с помощью электронных компонентов, таких как транзисторы и конденсаторы. Камера (передняя) цифровая: она хранит и обрабатывает фотографии как числа.

Электронное оборудование обычно работает с информацией в любом аналоговом или цифровой формат. В старомодном транзисторном радио, широковещательные сигналы поступают в схему радио через залипание антенны из дела. Это аналоговые сигналы: это радиоволны, путешествуя по воздуху от отдаленного радиопередатчика, который вибрировать вверх и вниз по образцу, который точно соответствует словам и музыку они несут. Так что громкая рок-музыка означает более сильные сигналы, чем тихая. классическая музыка. Радио сохраняет сигналы в аналоговой форме, т.к. получает их, усиливает и превращает обратно в звуки, которые вы можете слышать. Но в современном цифровом радио, все происходит по-другому. Во-первых, сигналы передаются в цифровом формате. формат — в виде кодированных чисел. Когда они прибудут на ваше радио, цифры преобразуются обратно в звуковые сигналы. Это совсем другой способ обработки информации и имеет как преимущества, так и недостатки. Как правило, большинство современных форм электронного оборудования (включая компьютеры, сотовые телефоны, цифровые камеры, цифровые радиоприемники, слуховые аппараты и телевизоры) используют цифровая электроника.

Электронные компоненты

Если вы когда-нибудь смотрели на город из окна небоскреба, вы будете восхищаться всеми крошечными зданиями под вами и улицы, связывающие их вместе всевозможными замысловатыми способами. Каждый здание имеет функцию и улицы, которые позволяют людям путешествовать из одной части города в другую или посетить разные здания в очередь, заставить все здания работать вместе. Коллекция здания, то, как они устроены, и многочисленные связи между Именно они делают динамичный город гораздо большим, чем сумма его отдельные части.

Схемы внутри электронного оборудования немного похожи на города тоже: они набиты компонентами (похожий на здания), которые выполняют разные задачи, а компоненты связаны между собой. вместе кабелями или печатными металлическими соединениями (похожий на улицы). В отличие от города, где практически каждое здание уникально и даже два якобы одинаковых дома или офисных блока могут быть тонко разные, электронные схемы строятся из небольшого количества стандартные компоненты. Но, как и в случае с LEGO®, вы можете компоненты вместе в бесконечном числе различных мест, так что они выполнять бесконечное количество различных работ.

Вот некоторые из наиболее важных компонентов, с которыми вы столкнетесь:

Резисторы

Это самые простые компоненты любой схемы. Их работа заключается в ограничении потока электронов и уменьшении ток или напряжение, протекающие путем преобразования электрической энергии в тепло. Резисторы бывают разных форм и размеров. Переменные резисторы (также известные как потенциометры) имеют дисковое управление, поэтому они изменить величину сопротивления, когда вы поворачиваете их. Регуляторы громкости в в звуковом оборудовании используются переменные резисторы, подобные этим.

Подробнее читайте в нашей основной статье о резисторах.

Фото: Типичный резистор на плате от магнитолы.

Диоды

Электронные эквиваленты улиц с односторонним движением, диоды пропускают электрический ток через них только в одном направлении. Они также известны как выпрямители. Диоды можно использовать для изменения переменного тока (текущего обратно и вперед по кругу, постоянно меняя направление) в прямое токи (те, которые всегда текут в одном и том же направлении).

Подробнее читайте в нашей основной статье о диодах.

Фото: Диоды внешне похожи на резисторы, но работают по-другому и делать совсем другую работу. В отличие от резистора, который можно вставить в цепь в любом случае диод должен быть подключен в правильном направлении (соответствующем стрелке на этой плате).

Конденсаторы

Эти относительно простые компоненты состоят из двух частей проводящего материала (например, металла), разделенных непроводящий (изолирующий) материал, называемый диэлектриком. Они есть часто используются в качестве устройств измерения времени, но они могут преобразовывать электрические токи и другими способами. На радио, одна из самых важных работ, Настройка на станцию, которую вы хотите слушать, осуществляется с помощью конденсатора.

Подробнее читайте в нашей основной статье о конденсаторах.

Фото: Небольшой конденсатор в транзисторной радиосхеме.

Транзисторы

Транзисторы, пожалуй, самые важные компоненты компьютеров. включать и выключать крошечные электрические токи или усиливать их (преобразовывать малые электрические токи в гораздо большие). Транзисторы которые работают поскольку переключатели действуют как память в компьютерах, а транзисторы работают как усилители увеличивают громкость звуков в слуховых аппаратах. Когда транзисторы соединены вместе, они образуют устройства, называемые логическими вентилями, которые могут выполнять очень простые операции. формы принятия решений. (Тиристоры немного похожи на транзисторы, но работать по-другому.)

Подробнее читайте в нашей основной статье о транзисторах.

Фото: Типичный полевой транзистор (FET) на электронной плате.

Оптоэлектронные (оптико-электронные) компоненты

Существуют различные компоненты, которые могут превращать свет в электричество или наоборот. Фотоэлементы (также известные как фотоэлементы) генерируют крошечные электрические токи, когда на них падает свет, и они используются как лучи «волшебного глаза». в различных типах сенсорного оборудования, включая некоторые виды дымовых извещателей. Светодиоды (LED) работают наоборот, преобразовывая небольшие электрические токи в свет. Светодиоды обычно используются на приборных панелях стереосистем. оборудование. Жидкокристаллические дисплеи (LCD), такие как те, которые используются в ЖК-телевизоры с плоским экраном и ноутбуки компьютеры, являются более сложными примерами оптоэлектроники.

Фото: Светодиод, встроенный в электронную схему. Это один из Светодиоды, излучающие красный свет внутри оптической компьютерной мыши.

У электронных компонентов есть нечто очень важное общее. Какую бы работу они ни выполняли, они работают, контролируя поток электронов. через их структуру очень точным образом. Большинство этих компонентов изготовлены из цельных кусков частично проводящего, частично изолирующего материалы, называемые полупроводниками (описанные более подробно в нашем статью о транзисторах). Поскольку электроника подразумевает понимание точные механизмы того, как твердые тела пропускают через себя электроны, это иногда называют физикой твердого тела. Вот почему вы часто увидите электронное оборудование, описываемое как «твердотельное».

Электронные схемы и печатные платы

Ключом к электронному устройству являются не только его компоненты содержит, но так, как они расположены в цепях. Простейший возможная схема представляет собой непрерывный цикл, соединяющий два компонента, например две бусины, прикрепленные к одному ожерелью. Аналоговые электронные приборы как правило, имеют гораздо более простые схемы, чем цифровые. Базовый транзистор Радио может состоять из нескольких десятков различных компонентов и печатной платы. вероятно, не больше, чем обложка книги в мягкой обложке. Но в чем-то подобно компьютеру, в котором используются цифровые технологии, схемы гораздо плотные и сложные и включают в себя сотни, тысячи или даже миллионы отдельный пути. Вообще говоря, чем сложнее схема, тем больше сложные операции, которые он может выполнять.

Фото: Электронная плата внутри компьютерного принтера. Какие электронные компоненты ты видишь здесь? Я могу различить конденсаторы, диоды и интегральные схемы (большие черные штуки, описание которых приведено ниже).

Если вы экспериментировали с простой электроникой, то знаете, что Самый простой способ построить схему — это просто соединить компоненты вместе. с короткими медными кабелями. Но чем больше компонентов вам нужно подключить, тем сложнее это становится. Вот почему разработчики электроники обычно выбирают более систематический способ расположения компонентов на том, что называется печатной платой. Базовая схема доска это просто прямоугольник из пластика с медными соединительными дорожками с одной стороны и множеством отверстий, просверленных в нем. Вы можете легко соединить компоненты вместе просовывая их через отверстия и используя медь, чтобы соединить их вместе, удаляя кусочки меди по мере необходимости и добавляя дополнительные провода сделать дополнительные подключения. Этот тип печатной платы часто называется «макетной доской».

Электронное оборудование, которое вы покупаете в магазинах, расширяет эту идею. далее с использованием печатных плат, которые изготавливаются автоматически на заводах. Точная схема схемы химически напечатана на пластике. плата, при этом все медные дорожки создаются автоматически во время производственный процесс. Затем компоненты просто проталкиваются предварительно просверленные отверстия и закреплены на месте с помощью электрического токопроводящий клей, известный как припой. Схема, изготовленная таким образом известна как печатная плата (PCB).

Фото: Впаивание компонентов в электронную схема. Дым, который вы видите, исходит от плавления припоя и превращения его в пар. Синий пластиковый прямоугольник, к которому я припаиваюсь, представляет собой типичную печатную плату, и вы видите различные компоненты, торчащие из нее, в том числе группу резисторов спереди и большую интегральную схему вверху.

Хотя печатные платы представляют собой большой шаг вперед по сравнению с печатными платами, смонтированными вручную, их все еще довольно сложно использовать, когда вам нужно подключить сотни, тысячи или даже миллионы компонентов вместе. Причина раннего компьютеры были такими большими, энергоемкими, медленными, дорогими и ненадежными. потому что их компоненты были соединены вместе вручную в этом старомодным способом. В конце 1950-х годов, однако, инженеры Джек Килби и Роберт Нойс самостоятельно разработал способ создания электронных компоненты в миниатюрной форме на поверхности кусочков кремния. С использованием эти интегральные схемы, он быстро стал можно выжать сотни, тысячи, миллионы, а потом и сотни миллионов миниатюрные компоненты на кремниевых чипах размером с ноготь пальца. Так компьютеры стали меньше, дешевле и намного более надежным с 1960-х годов.

Фото: Миниатюризация. Там больше вычислительной мощности в процессорном чипе, который лежит у меня на пальце, чем вы нашли бы в комнате размером с комнату. компьютер из 1940 лет!

Для чего используется электроника?

Электроника сейчас настолько распространена, что о ней почти легче думать вещи, которые не используют его, чем вещи, которые делают.

Развлечения были одной из первых областей, которые выиграли, с радио (и позже телевидение) оба критически в зависимости от прибытия электронные компоненты. Хотя телефон был изобретен до того, как электроника была должным образом развита, современная телефонные сети, сети сотовой связи, и компьютерные сети в сердце Интернета, все извлекают выгоду из сложная цифровая электроника.

Подумайте о том, что вы делаете, что не связано с электроникой и вы можете бороться. Двигатель вашего автомобиля вероятно, имеет электронные схемы в нем — а как насчет спутника GPS навигационное устройство, которое подскажет, куда идти? Даже подушка безопасности в вашем рулевое колесо приводится в действие электронной схемой, которая определяет, когда вам нужна дополнительная защита.

Электронное оборудование спасает нам жизнь и в других отношениях. Больницы упакованы всевозможными электронными гаджетами, от пульсометра от мониторов и ультразвуковых сканеров до сложных сканеров головного мозга и рентгеновских аппаратов машины. Слуховые аппараты были одними из первых гаджетов, получивших преимущества от разработка крошечных транзисторов в середине 20-го века, и Интегральные схемы все меньшего размера позволили слуховым аппаратам стать меньше и мощнее в последующие десятилетия.

Кто бы мог подумать, что у вас есть электроны — самые маленькие вещи, которые вы мог себе представить, изменил бы жизни людей во многих важных пути?

Краткая история электроники

Фото: сэр Дж. Дж. Томсон, который открыл, что электроны являются отрицательно заряженными частицами, в Кембриджском университете в 1897 году. Томсон получил Нобелевскую премию по физике в 1906 году за свою работу. Фото Bain News Service предоставлено Библиотекой Конгресса США.

• 1874: ирландский ученый Джордж Джонстон Стони. (1826–1919 гг. 11) предполагает, что электричество должно быть «построено» из крошечных электрических обвинения. Примерно 20 лет спустя он придумал название «электрон».
• 1875: Американский ученый Джордж Р. Кэри. строит фотоэлемент, который вырабатывает электричество, когда на него падает свет это.
• 1879: англичанин сэр Уильям Крукс (1832–1919) разрабатывает свою электронно-лучевую трубку (похожую на старомодную, «ламповое» телевидение) для изучения электроны (которые тогда были известны как «катодные лучи»).
• 1883: плодовитый американский изобретатель Томас Эдисон (1847–1919 гг.31) обнаруживает термоэлектронную эмиссию (также известную как Эдисон). эффект), где электроны испускаются нагретой нитью.
• 1887: немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) узнает больше о фотоэлектрическом эффекте, связь между светом и электричеством, на которую Кэри наткнулся предыдущее десятилетие.
• 1897: Британский физик Дж.Дж. Томсон (1856–1940) показывает, что катодные лучи представляют собой отрицательно заряженные частицы. Томсон называет их «корпускулами», но вскоре они переименовываются в электроны.
• 1904: Джон Эмброуз Флеминг (1849–1945), английский ученый, изготовил клапан Флеминга (позже переименован в диод). Он становится незаменимым компонентом в радиоприемниках.
• 1906 год: американский изобретатель Ли Де Форест. (1873–1961), пошел еще дальше и разработал улучшенный клапан, известный как триод (или аудион), значительно улучшивший конструкцию радиоприемников. де Фореста часто называют отцом современного радио.
• 1947: американцы Джон Бардин (1908–1991), Уолтер Браттейн (1902–1987) и Уильям Шокли (1910–1989) разработать транзистор в Bell Laboratories. Он произвел революцию в электронике и цифровом ЭВМ во второй половине 20 века.
• 1958: Работая независимо друг от друга, американские инженеры Джек Килби (1923–2005) из Texas Instruments and Роберт Нойс (1927–1990) из Fairchild Semiconductor (а позже и Intel) разрабатывают интегральные схемы.
• 1971: Марсиан Эдвард (Тед) Хофф (1937–) и Федерико Фаггин (1941–) удается втиснуть все ключевые компоненты компьютера на один чип, создающий первый в мире микропроцессор общего назначения Intel 4004.
• 1987: Американские ученые Теодор Фултон и Джеральд Долан из Bell Laboratories разработали первый одноэлектронный транзистор.
• 2008: Исследователь Hewlett-Packard Стэнли Уильямс создает первый работающий мемристор, новый вид компонента магнитной цепи, который работает как резистор с памятью, впервые придуманный американским физиком Леоном Чуа почти четыре десятилетия назад (в 1971 году).

Узнайте больше

На этом сайте

• Компьютеры
• Электричество и электроника
• История электричества
• Интегральные схемы
• Пайка и сварка

Книги для юных читателей

• Easy Electronics by Charles Platt. Мейкер Медиа, 2017.
• «Электроника для детей: играйте с простыми схемами и экспериментируйте с электричеством» Ойвинда Нидала Даля. Без крахмала, 2016.
• Свидетель: Электричество Стива Паркера. Дорлинг Киндерсли, 2013.

Книги для читателей постарше

• Открытые схемы: внутренняя красота электронных компонентов, Эрик Шлепфер и Уинделл Оксай. No Starch, 2022. Путеводитель по всем вашим любимым электронным мелочам. Что происходит внутри них и как они на самом деле работают?
• Марка: Электроника Чарльза Платта. O’Reilly, 2015. Практическое руководство, в котором вы узнаете об электронных компонентах, используя их во все более сложных схемах.
• Научитесь электричеству и электронике, Стэн Джибилиско и Саймон Монк. Макгроу Хилл, 2016.
• Искусство электроники, Пол Горовиц, Уинфилд Хилл. Издательство Кембриджского университета, 2015.
.

Веб-сайты: история электроники

• Открытие электрона: эта онлайн-выставка Американского института физики объясняет, как Дж. Дж. Томсон исследовал тайны электрона в Кембриджском университете.
• Атомные новинки: Британский музей науки объясняет, как исследование Дж. Дж. Томсона вписывается в более масштабную историю атома. [Архивировано через Wayback Machine.]
• Transistorized ! : веб-сайт PBS, посвященный истории транзисторов.