Электроника для начинающих книга: Чарльз Платт. Электроника для начинающих

Другие курсы RNT

Связанные

Электроника для начинающих: простое введение

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 4 марта 2020 г.

Они хранят ваши деньги. Они следят ваше 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 у нас возникнут проблемы. Удивительно подумать, сколько вещи, которые «они» действительно делают.«Они» — электроны: крошечные частицы внутри атомов, которые движутся по определенным путям, известным как цепи, несущие электрическую энергию. Одна из величайших вещей людей в 20 веке научились использовать электроны для управления машины и информацию о процессе. Революция электроники, как это как известно, разгонял компьютер революции, и обе эти вещи изменили многие области нашей жизни. Но как именно наноскопически маленькие частицы, слишком маленькие видеть, достигать таких грандиозных и драматичных вещей? Возьмем присмотрись и узнай!

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

В чем разница между электричеством и электроникой?

Если вы читали нашу статью об электричестве, вы узнаете, что это своего рода энергия — очень универсальный вид энергии, который мы можем производить и использовать всевозможными способами во многих других. Электричество — это создание электромагнитной энергии обтекать контур так, чтобы он приводил в движение что-то вроде электродвигателя или нагревательного элемента, электропитание таких устройств, как электромобили, чайники, тостеры и лампы.Как правило, электрические приборы требуют большого количества энергии, чтобы они работают, поэтому они используют довольно большие (и часто довольно опасные) электрические токи. Нагревательный элемент мощностью 2500 ватт внутри электрочайника работает от тока около 10 ампер. Напротив, электронные компоненты используют токи скорее всего, будет измеряться в долях миллиампера (что составляет тысячные доли ампера). 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, по идее, отдельные электроны) тщательно направлен на гораздо более сложные схемы для обработки сигналов (например, те, которые носят радио и телепрограммы) или хранить и обрабатывать Информация. Представьте что-то вроде микроволновки печь и легко увидеть разницу между обычным электричество и электроника. В микроволновой печи электричество обеспечивает мощность, генерирующая высокоэнергетические волны для приготовления пищи; электроника контролирует электрическую цепь, которая выполняет приготовление пищи.

Изображение: микроволновые печи питаются от электрических кабелей (серых), которые подключаются к стене. По кабелям подается электричество, питающее сильноточные электрические цепи и слаботочные электронные цепи. Сильноточные электрические цепи питают магнетрон (синий), устройство, которое создает волны, которые готовят вашу пищу. и поверните поворотный стол. Слаботочные электронные схемы (красные) управляют этими мощными цепями, и такие вещи, как цифровой дисплей.

Аналоговая и цифровая электроника

Есть два очень разных способа хранения информации, известные как аналоговый и цифровой.Это звучит как довольно абстрактная идея, но это действительно очень просто. Предположим, вы сделали старомодную фотографию кто-то с пленочной камерой. Камера фиксирует поток света в через заслонку спереди в виде узора света и темные участки на химически обработанном пластике. Сцена, в которой ты фотографирование превращается в своего рода мгновенную химическую живопись — «аналогия» того, на что вы смотрите. Вот почему мы говорим, что это аналог способ хранения информации. Но если сфотографировать именно то та же сцена с цифровой камерой, камера хранит совсем другую запись.Вместо сохранения узнаваемый узор из света и тьмы, он преобразует свет и тьму области в числа и вместо этого сохраняет их. Хранение числового, закодированного версия чего-то известна как цифровая.

Фото: Цифровые технологии: такие большие цифровые часы, как эти, легко и быстро читают бегуны. Фото Джи Л. Скотта любезно предоставлено ВМС США.

Электронное оборудование обычно работает с информацией в любом аналоговом или цифровой формат. В старомодном транзисторном радиоприемнике широковещательные сигналы поступают в схему радиоприемника через торчащую антенну вне корпуса.Это аналоговые сигналы: это радиоволны, путешествовать по воздуху от дальнего радиопередатчика, который вибрировать вверх и вниз по шаблону, который точно соответствует словам и музыку они несут. Так громкая рок-музыка означает больше сигналов, чем тихая классическая музыка. Радио сохраняет сигналы в аналоговой форме, так как принимает 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 приходят к вашему радио, числа 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 фотоаппараты, цифровые радио, слуховые аппараты и телевизоры) использовать цифровая электроника.

Электронные компоненты

Если вы когда-нибудь смотрели на город из окна небоскреба, вы восхищались всеми крошечными строениями под вами и улицы, соединяющие их воедино множеством замысловатых способов.Каждые здание имеет функцию и улицы, по которым люди могут путешествовать из одной части города в другую или посещать разные здания в поверните, заставьте все здания работать вместе. Коллекция здания, их расположение и многочисленные связи между это то, что делает динамичный город больше, чем сумма его отдельные части.

Цепи внутри электронного оборудования немного похожи на города тоже: они забиты компонентами (похожий на здания), которые выполняют разные работы, и компоненты связаны вместе кабелями или печатными металлическими соединениями (похожий на улицы).В отличие от города, где практически каждое здание уникально и даже два предположительно идентичных дома или офисных блока могут быть тонко разные, электронные схемы состоят из небольшого количества стандартные компоненты. Но, как и LEGO®, эти компоненты вместе в бесконечном количестве разных мест, поэтому они выполнять бесконечное количество разных работ.

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

Резисторы

Это самые простые компоненты в любой схеме.Их задача — ограничить поток электронов и уменьшить ток или напряжение, протекающие путем преобразования электрической энергии в тепло. Резисторы бывают разных форм и размеров. Переменные резисторы (также известные как потенциометры) имеют дисковый регулятор, поэтому они измените количество сопротивления при их повороте. Регуляторы громкости в в аудиоаппаратуре используются такие переменные резисторы.

Подробнее читайте в нашей основной статье о резисторах.

Фото: Типовой резистор на плате от магнитолы.

Диоды

Электронные эквиваленты улиц с односторонним движением, диоды, пропускающие электрический ток. через них только в одном направлении. Они также известны как выпрямители. Диоды могут использоваться для изменения переменного тока (обратного тока). и далее по кругу, постоянно меняя направление) на прямое токи (те, которые всегда текут в одном направлении).

Подробнее читайте в нашей основной статье о диодах.

Фото: Диоды похожи на резисторы, но работают по-другому и делать совершенно другую работу.В отличие от резистора, который можно вставить в цепь в любом случае диод должен быть подключен в правильном направлении (соответствует 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 таймеров, но они могут преобразовывать электрические токи и другими способами. На радио одна из самых важных работ, настройка на станцию, которую вы хотите слушать, осуществляется конденсатором.

Подробнее читайте в нашей основной статье о конденсаторах.

Фото: Маленький конденсатор в транзисторной радиосхеме.

Транзисторы

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

Подробнее читайте в нашей основной статье о транзисторах.

Фотография: 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 «волшебных глаз» в различных типах измерительного оборудования, включая некоторые виды дымовых извещателей. Светодиоды (LED) работают наоборот, преобразовывая небольшие электрические токи в свет. Светодиоды обычно используются на приборных панелях стереосистемы. оборудование. Жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи), например, используемые в ЖК-телевизоры с плоским экраном и ноутбук компьютеры, являются более сложными примерами оптоэлектроники.

Фото: Светодиод, установленный в электронной схеме. Это один из Светодиоды, подающие красный свет внутри оптической компьютерной мыши.

У электронных компонентов есть нечто очень важное. Какую бы работу они ни выполняли, они работают, управляя потоком электронов. через их структуру очень точным образом. Большинство этих компонентов сделаны из цельных частей частично проводящих, частично изолирующих материалы, называемые полупроводниками (описаны подробнее в нашем статья о транзисторах).Потому что электроника предполагает понимание точные механизмы того, как твердые тела пропускают электроны через себя, это иногда называют физикой твердого тела. Вот почему вы часто будете видеть части электронного оборудования, описанные как «твердотельные».

Электронные схемы и платы

Ключ к электронному устройству — это не только его компоненты. содержит, но то, как они расположены в цепях. Простейший Возможная схема представляет собой непрерывный цикл, соединяющий два компонента, например на одно колье крепятся две бусины.Аналоговые электронные приборы как правило, имеют гораздо более простые схемы, чем цифровые. Базовый транзистор радио может иметь несколько десятков различных компонентов и печатную плату вероятно, не больше, чем обложка книги в мягкой обложке. Но в чем-то как компьютер, в котором используются цифровые технологии, схемы намного больше плотные и сложные и включают 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 детали, которые описаны ниже).

Если вы экспериментировали с простой электроникой, вы знаете, что Самый простой способ построить схему — просто соединить компоненты вместе с короткими отрезками медного кабеля. Но чем больше компонентов вам нужно подключать, тем сложнее становится.Вот почему дизайнеры электроники обычно выбирают более систематический способ размещения компонентов на том, что называется монтажная плата. Базовая схема доска просто прямоугольник из пластика с медными соединительными дорожками с одной стороны и участками просверленных отверстий. Вы можете легко соединить компоненты вместе протыкая их через отверстия и используя медь, чтобы связать их вместе, удаляя при необходимости кусочки меди и добавляя дополнительные провода сделать дополнительные подключения. Платы этого типа часто называется «макетной платой».

Электронное оборудование, которое вы покупаете в магазинах, развивает эту идею дальнейшее использование печатных плат, которые производятся автоматически на заводах. Точная компоновка схемы нанесена химическим способом на пластиковый платы, при этом все медные дорожки создаются автоматически во время производственный процесс. Затем компоненты просто проталкиваются предварительно просверлил отверстия и закрепил на месте своего рода электрически проводящий клей, известный как припой. Схема, изготовленная таким образом называется печатной платой (PCB).

Фото: Пайка компонентов в электронный цепь. Дым, который вы видите, исходит от плавления припоя и превращения его в пар. Синий пластиковый прямоугольник, на который я припаиваю здесь, представляет собой типичную печатную плату, и вы видите, как из нее торчат различные компоненты, в том числе связка резисторов на передней панели и большая интегральная схема наверху.

Хотя печатные платы — большой шаг вперед по сравнению с печатными платами с ручной разводкой, их все еще довольно сложно использовать, когда вам нужно подключить сотни, тысячи или даже миллионы компонентов вместе.Причина рано компьютеры были такими большими, энергоемкими, медленными, дорогими и ненадежными. потому что их компоненты были соединены вручную в этом по старинке. Однако в конце 1950-х инженеры Джек Килби и Роберт Нойс самостоятельно разработал способ создания электронных Компоненты в миниатюрной форме на поверхности кусочков кремния. С помощью эти интегральные схемы, это быстро стало можно выжать сотни, тысячи, миллионы, а затем и сотни миллионов миниатюрные компоненты на микросхемах кремния размером с ноготь пальца.Так компьютеры стали меньше, дешевле и намного более надежный с 1960-х годов.

Фото: Миниатюризация. Больше вычислительной мощности в микросхеме обработки, которая лежит здесь на моем пальце, чем вы бы нашли в комнате размером с комнату компьютер 1940-х годов!

Для чего используется электроника?

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

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

Попробуйте придумать что-нибудь, что не связано с электроникой и вы можете бороться. Ваш автомобильный двигатель вероятно, есть электронные схемы в нем — а как насчет спутника GPS навигационное устройство, которое подскажет, куда идти? Даже подушка безопасности в твоей рулевое колесо приводится в действие электронной схемой, которая определяет, когда вам нужна дополнительная защита.

Электронное оборудование спасает нам жизнь и другими способами. Больницы упакованы всевозможными электронными гаджетами, от пульса от мониторов и ультразвуковых сканеров до сложных сканеров головного мозга и рентгеновских машины. Слуховые аппараты были одними из первых устройств, в которых разработка крошечных транзисторов в середине 20 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. мог бы когда-либо представить — изменит жизни людей во многих важных пути?

Краткая история электроники

• 1874: ирландский ученый Джордж Джонстон Стоуни (1826–1911) предполагает, что электричество должно быть «построено» из крошечных электрических обвинения.Он придумал название «электрон» примерно 20 лет спустя.
• 1875: американский ученый Джордж Р. Кэри строит фотоэлемент, который вырабатывает электричество, когда светит Это.
• 1879: англичанин сэр Уильям Крукс (1832–1919) разрабатывает свою электронно-лучевую трубку (похожую на старую, «ламповое» телевидение) для изучения электроны (которые тогда были известны как «катодные лучи»).
• 1883 г .: выдающийся американский изобретатель Томас Эдисон (1847–1931) открыл термоэлектронную эмиссию (также известную как Эдисон эффект), где электроны испускаются нагретой нитью накала.
• 1887: немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) узнал 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. Вскоре их переименовали в электроны.
• 1904: Джон Эмброуз Флеминг (1849–1945), английский ученый, создает клапан Флеминга (позже переименовал диод). Он становится незаменимым компонентом радиоприемников.
• 1906: американский изобретатель Ли Де Форест (1873–1961), идет на один лучше и разрабатывает улучшенный клапан, известный как триод (или аудион), значительно улучшающий конструкцию радиоприемников. Де Фореста часто называют отцом современного радио.
• 1947: американцы Джон Бардин (1908–1991), Уолтер Браттейн (1902–1987) и Уильям Шокли (1910–1989) разработали транзистор в Bell Laboratories. Это революция в электронике и цифровых технологиях. компьютеры во второй половине 20 века.
• 1958: Работая независимо, американские инженеры Джек Килби (1923–2005) из Texas Instruments и 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 в один чип, на котором производится первый в мире универсальный микропроцессор Intel 4004.
• 1987: американские ученые Теодор Фултон и Джеральд Долан из Bell Laboratories разрабатывают первый одноэлектронный транзистор.
• 2008: Исследователь Hewlett-Packard Стэнли Уильямс создает первый рабочий мемристор, новый вид компонента магнитной цепи, который работает как резистор с памятью, впервые представленный американским физиком Леоном Чуа почти четырьмя десятилетиями ранее (в 1971 году).