Elektronik
Elektronik, elektrik kullanarak bilgi işleyen, taşıyan veya depolayan elemanları ve sistemleri inceleyen bilim dalıdır. Elektronik sözcüğü Türkçeye Fransızcadan geçmiştir, Elektronik sözcüğünün eş anlamlısı çıncalık sözcüğüdür. Elektronik, özellikle serbest elektronların (valans elektron) denetimini konu alır. Atom çekirdeğinin en dış yörüngesindeki elektronun atom çekirdeğine daha zayıf bir kuvvetle bağlı olmasından dolayı valans elektronun enerji seviyesinin arttırılması sonucu atom çekirdeğinden koparılması prensibidir. ⓘ
Elektronik cihazların temel yapı taşlarında silisyum, germanyum ve galyum gibi yarıiletken malzemeler kullanılır. Bu maddeler aralarında mikro veya nano boşluklar bırakılarak elektronların bu elementler arasında kuantum sıçramaları yani elektronların orbital (yörünge) değiştirmesi sağlanarak mantıksal işlemler yaptırılır. Bilgisayarın ve elektronik cihazların temel çalışma prensibi bu ilkeye dayanır. Elektronik devre elemanları bir hastanenin ameliyathanesinden bin kat daha temiz ortamlarda imal edilir. Bunun nedeni gözle görünmeyen bir toz zerreciğinin bile mikroçip içindeki elektron etkileşimine olumsuz etkisidir. ⓘ
Elektronik, kablo, motor, jeneratör, batarya, anahtar, röle, transformatör, direnç ve pasif elemanlar kullanarak enerji üretimi, dağıtımı, anahtarlaması, saklaması ve dönüşümü ile uğraşan elektrik ve elektromekanik bilim ve teknolojilerinden farklıdır. Bu farklılık 1906 yılı civarında Lee De Forest'in zayıf radyo ve ses sinyallerinin kuvvetlendirilmesine yarayan ve mekanik bileşeni olmayan triyod'u bulması ile başlamıştır. 1950 yılına kadar bu alan radyo teknolojisi olarak anılmıştır. Çünkü temel uygulaması radyo iletimi, alımı ve vakum tüplerinin tasarımı ve teorisiydi. ⓘ
Günümüzde birçok elektronik alet elektron kontrolü için yarı iletken elemanlar kullanmaktadır. Yarı iletken konusu katı hal fiziğinin bir dalıdır. Bu başlık elektronik devre tasarımındaki pratik problemlerin çözümü ile ilgilenen elektronik mühendisliğine odaklanmaktadır. ⓘ
Elektronik alanı, elektronik cihazlar kullanarak elektronların emisyonu, davranışı ve etkileriyle ilgilenen bir fizik ve elektrik mühendisliği dalıdır. Elektronik, elektron akışını amplifikasyon ve rektifikasyon yoluyla kontrol etmek için aktif cihazlar kullanır; bu da onu elektrik akımı akışını kontrol etmek için yalnızca direnç, kapasitans ve endüktans gibi pasif etkiler kullanan klasik elektrik mühendisliğinden ayırır. ⓘ
Tarihçe ve gelişim
Elektronik, modern toplumun gelişimini büyük ölçüde etkilemiştir. Elektronun 1897'de tanımlanması ve ardından küçük elektrik sinyallerini yükseltip düzeltebilen vakum tüpünün icadı, elektronik alanını ve elektron çağını başlattı. Pratik uygulamalar 1900'lerin başında Ambrose Fleming'in diyotu ve Lee De Forest'in triyotu icat etmesiyle başlamış, bu da bir radyo anteninden gelen radyo sinyalleri gibi küçük elektrik gerilimlerinin mekanik olmayan bir cihazla algılanmasını mümkün kılmıştır. ⓘ
Vakum tüpleri (Termiyonik valfler), tek tek elektronların akışını etkileyerek akım akışını kontrol eden ilk aktif elektronik bileşenlerdi, Yirminci yüzyılın ilk yarısındaki elektronik devriminden sorumluydular, Bize radyo, televizyon, radar, uzun mesafeli telefon ve çok daha fazlasını vermek için akım yükseltme ve düzeltme kullanan ekipmanların yapımını sağladılar. Elektroniğin erken dönemdeki büyümesi hızlıydı ve 1920'lere gelindiğinde ticari radyo yayıncılığı ve iletişimi yaygınlaşıyor ve elektronik amplifikatörler uzun mesafe telefon ve müzik kayıt endüstrisi gibi çeşitli uygulamalarda kullanılıyordu. ⓘ
Bir sonraki büyük teknolojik adımın ortaya çıkması birkaç on yıl aldı ve ilk çalışan nokta temaslı transistör John Bardeen ve Walter Houser Brattain tarafından 1947'de Bell Laboratuarlarında icat edildi. Ancak vakum tüpleri 1980'lerin ortalarına kadar mikrodalga ve yüksek güç iletimi ile televizyon alıcıları alanında öncü bir rol oynamıştır. O zamandan bu yana, katı hal cihazları neredeyse tamamen kontrolü ele geçirdi. Vakum tüpleri hala yüksek güçlü RF amplifikatörleri, katot ışın tüpleri, özel ses ekipmanları, gitar amplifikatörleri ve bazı mikrodalga cihazları gibi bazı özel uygulamalarda kullanılmaktadır. ⓘ
Nisan 1955'te IBM 608, herhangi bir vakum tüpü olmadan transistör devrelerini kullanan ilk IBM ürünüydü ve ticari pazar için üretilen ilk tamamen transistörlü hesap makinesi olduğuna inanılmaktadır. 608, 3.000'den fazla germanyum transistör içeriyordu. Thomas J. Watson Jr. gelecekteki tüm IBM ürünlerinin tasarımlarında transistör kullanılmasını emretti. O zamandan itibaren transistörler neredeyse sadece bilgisayar mantığı ve çevre birimleri için kullanıldı. Bununla birlikte, ilk bağlantı transistörleri, seri üretim bazında üretilmesi zor olan nispeten hacimli cihazlardı ve bu da onları bir dizi özel uygulama ile sınırladı. ⓘ
MOSFET (MOS transistör) 1959 yılında Bell Laboratuvarlarında Mohamed Atalla ve Dawon Kahng tarafından icat edilmiştir. MOSFET, çok çeşitli kullanımlar için minyatürleştirilebilen ve seri üretilebilen ilk gerçek kompakt transistördü. Avantajları arasında yüksek ölçeklenebilirlik, satın alınabilirlik, düşük güç tüketimi ve yüksek yoğunluk bulunmaktadır. Elektronik endüstrisinde devrim yaratarak dünyada en yaygın kullanılan elektronik cihaz haline gelmiştir. MOSFET, çoğu modern elektronik ekipmanın temel öğesidir. ⓘ
Devrelerin karmaşıklığı arttıkça sorunlar da ortaya çıktı. Sorunlardan biri devrenin boyutuydu. Bilgisayar gibi karmaşık bir devre hıza bağlıydı. Bileşenler büyükse, onları birbirine bağlayan kabloların da uzun olması gerekiyordu. Elektrik sinyallerinin devreden geçmesi zaman alıyor, bu da bilgisayarı yavaşlatıyordu. Jack Kilby ve Robert Noyce tarafından entegre devrenin icadı, tüm bileşenleri ve çipi aynı yarı iletken malzeme bloğundan (monolit) yaparak bu sorunu çözdü. Devreler daha küçük yapılabiliyor ve üretim süreci otomatikleştirilebiliyordu. Bu, tüm bileşenleri tek kristalli bir silikon plaka üzerine entegre etme fikrine yol açtı ve bu da 1960'ların başında küçük ölçekli entegrasyona (SSI) ve ardından 1960'ların sonunda orta ölçekli entegrasyona (MSI) ve ardından VLSI'ye yol açtı. 2008 yılında milyar transistörlü işlemciler ticari olarak kullanılabilir hale gelmiştir. ⓘ
Elektroniğin günümüzdeki dalları
2022'de elektronik aşağıdaki gibi ana dallara sahiptir:
- Dijital elektronik
- Analog elektronik
- Mikroelektronik
- Devre tasarımı
- Entegre devreler
- Güç elektroniği
- Optoelektronik
- Yarı iletken cihazlar
- Gömülü sistemler
- Ses elektroniği
- Telekomünikasyon
- Nanoelektronik
- Biyoelektronik ⓘ
Elektronik cihazlar ve bileşenler
Elektronik bileşen, bir elektronik sistemdeki aktif ya da pasif herhangi bir bileşendir. Bileşenler, belirli bir işleve sahip bir elektronik devre oluşturmak için genellikle bir baskılı devre kartına (PCB) lehimlenerek birbirine bağlanır. Bileşenler tek başlarına veya daha karmaşık gruplar halinde entegre devreler olarak paketlenebilir. Pasif elektronik bileşenler kapasitörler, indüktörler, dirençler iken aktif bileşenler yarı iletken cihazlar; transistörler ve tristörler gibi elektron seviyesinde akım akışını kontrol eden cihazlardır. ⓘ
Devre türleri
Elektronik devre fonksiyonları iki fonksiyon grubuna ayrılabilir: analog ve dijital. Belirli bir cihaz, bunlardan birine veya diğerine ya da iki türün karışımına sahip devrelerden oluşabilir. Analog devreler, işlevlerinin çoğu sayısallaştırıldığı için daha az yaygın hale gelmektedir. ⓘ
Elektronik devre ve elemanları analog ve sayısal olarak 2 gruba ayrılabilir. Bazı aletler her iki gruba da dahil olabilir. ⓘ
Analog devreler
Radyo alıcıları gibi analog elektronik cihazların çoğu, birkaç temel devre türünün kombinasyonlarından oluşur. Analog devreler, dijital devrelerdeki gibi ayrık seviyelerin aksine sürekli bir voltaj veya akım aralığı kullanır. ⓘ
Şimdiye kadar tasarlanan farklı analog devrelerin sayısı çok fazladır, özellikle de bir 'devre' tek bir bileşenden binlerce bileşen içeren sistemlere kadar her şey olarak tanımlanabildiği için. ⓘ
Analog devreler bazen doğrusal devreler olarak adlandırılır, ancak mikserler, modülatörler vb. gibi analog devrelerde doğrusal olmayan birçok etki kullanılır. Analog devrelerin iyi örnekleri arasında vakum tüplü ve transistörlü yükselteçler, işlemsel yükselteçler ve osilatörler yer alır. ⓘ
Tamamen analog olan modern devrelere nadiren rastlanır - bu günlerde analog devreler performansı artırmak için dijital ve hatta mikroişlemci tekniklerini kullanabilir. Bu tür devrelere genellikle analog veya dijital yerine "karışık sinyal" adı verilir. ⓘ
Bazen analog ve dijital devreler arasında ayrım yapmak zor olabilir çünkü hem doğrusal hem de doğrusal olmayan çalışma unsurlarına sahiptirler. Sürekli bir voltaj aralığını alan ancak dijital bir devrede olduğu gibi yalnızca iki seviyeden birini çıkaran karşılaştırıcı buna bir örnektir. Benzer şekilde, aşırı sürülen bir transistör amplifikatörü, esasen iki çıkış seviyesine sahip kontrollü bir anahtarın özelliklerini alabilir. Aslında birçok dijital devre, bu örneğe benzer analog devrelerin varyasyonları olarak uygulanmaktadır - sonuçta, gerçek fiziksel dünyanın tüm yönleri esasen analogdur, bu nedenle dijital etkiler yalnızca analog davranışı kısıtlayarak gerçekleştirilir. ⓘ
Dijital devreler
Dijital devreler, bir dizi ayrık voltaj seviyesine dayanan elektrik devreleridir. Dijital devreler Boole cebirinin en yaygın fiziksel temsilidir ve tüm dijital bilgisayarların temelini oluşturur. Çoğu mühendis için "dijital devre", "dijital sistem" ve "mantık" terimleri dijital devreler bağlamında birbirinin yerine kullanılabilir. Çoğu dijital devre, "0" ve "1" olarak etiketlenmiş iki voltaj seviyesine sahip ikili bir sistem kullanır. Genellikle mantıksal "0" daha düşük bir voltaj olur ve "Düşük" olarak adlandırılırken mantıksal "1" "Yüksek" olarak adlandırılır. Bununla birlikte, bazı sistemler ters tanım kullanır ("0" "Yüksek" tir) veya akım tabanlıdır. Çoğu zaman mantık tasarımcısı, tasarımını kolaylaştırmak için uygun gördüğü şekilde bu tanımları bir devreden diğerine tersine çevirebilir. Seviyelerin "0" veya "1" olarak tanımlanması keyfidir. ⓘ
Üçlü (üç durumlu) mantık üzerinde çalışılmış ve bazı prototip bilgisayarlar yapılmıştır. ⓘ
Bilgisayarlar, elektronik saatler ve programlanabilir mantık kontrolörleri (endüstriyel süreçleri kontrol etmek için kullanılır) dijital devrelerden oluşur. Dijital sinyal işlemcileri de bir başka örnektir. ⓘ
Yapı taşları:
- Metal-oksit-yarı iletken alan etkili transistör (MOSFET)
- Mantık kapıları
- Adders
- Parmak arası terlikler
- Sayaçlar
- Kayıtlar
- Çoklayıcılar
- Schmitt tetikleyicileri ⓘ
Son derece entegre cihazlar:
- Bellek çipi
- Mikroişlemciler
- Mikrodenetleyiciler
- Uygulamaya özel entegre devre (ASIC)
- Dijital sinyal işlemcisi (DSP)
- Sahada programlanabilir kapı dizisi (FPGA)
- Sahada programlanabilir analog dizi (FPAA)
- Çip üzerinde sistem (SOC) ⓘ
Isı dağıtımı ve termal yönetim
Elektronik devreler tarafından üretilen ısı, ani arızaları önlemek ve uzun vadeli güvenilirliği artırmak için dağıtılmalıdır. Isı dağılımı çoğunlukla pasif iletim/konveksiyon yoluyla sağlanır. Daha fazla dağılım elde etmek için kullanılan araçlar arasında hava soğutması için ısı alıcıları ve fanlar ve su soğutması gibi diğer bilgisayar soğutma biçimleri yer alır. Bu teknikler ısı enerjisinin konveksiyonunu, iletimini ve radyasyonunu kullanır. ⓘ
Gürültü
Elektronik gürültü, yararlı bir sinyalin üzerine eklenen ve bilgi içeriğini gizleme eğiliminde olan istenmeyen bozukluklar olarak tanımlanır. Gürültü, bir devrenin neden olduğu sinyal bozulması ile aynı şey değildir. Gürültü tüm elektronik devrelerle ilişkilidir. Gürültü elektromanyetik veya termal olarak üretilebilir ve devrenin çalışma sıcaklığı düşürülerek azaltılabilir. Atış gürültüsü gibi diğer gürültü türleri, fiziksel özelliklerdeki sınırlamalardan kaynaklandıkları için giderilemez. ⓘ
Elektronik teorisi
Matematiksel yöntemler elektronik çalışmalarının ayrılmaz bir parçasıdır. Elektronikte yetkinleşmek için devre analizi matematiğinde de yetkinleşmek gerekir. ⓘ
Devre analizi, belirli bir düğümdeki voltaj veya bir ağın belirli bir kolundan geçen akım gibi bilinmeyen değişkenler için genellikle doğrusal sistemleri çözme yöntemlerinin incelenmesidir. Bunun için yaygın bir analitik araç SPICE devre simülatörüdür. ⓘ
Elektromanyetik alan teorisinin incelenmesi ve anlaşılması da elektronik için önemlidir. ⓘ
Elektronik laboratuvarı
Elektronik teorisinin karmaşık yapısı nedeniyle, laboratuvar deneyleri elektronik cihazların geliştirilmesinin önemli bir parçasıdır. Bu deneyler, mühendisin tasarımını test etmek veya doğrulamak ve hataları tespit etmek için kullanılır. Tarihsel olarak, elektronik laboratuvarları fiziksel bir alanda bulunan elektronik cihaz ve ekipmanlardan oluşmaktaydı, ancak son yıllarda eğilim CircuitLogix, Multisim ve PSpice gibi elektronik laboratuvar simülasyon yazılımlarına doğru olmuştur. ⓘ
Bilgisayar destekli tasarım (CAD)
Günümüz elektronik mühendisleri, güç kaynakları, yarı iletkenler (transistörler gibi yarı iletken cihazlar) ve entegre devreler gibi önceden üretilmiş yapı taşlarını kullanarak devre tasarlama yeteneğine sahiptir. Elektronik tasarım otomasyon yazılım programları şematik yakalama programları ve baskılı devre kartı tasarım programlarını içerir. EDA yazılım dünyasındaki popüler isimler NI Multisim, Cadence (ORCAD), EAGLE PCB and Schematic, Mentor (PADS PCB and LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA, KiCad ve diğerleridir. ⓘ
Paketleme yöntemleri
Yıllar boyunca bileşenleri bağlamak için birçok farklı yöntem kullanılmıştır. Örneğin, ilk elektronik devreler genellikle devreleri oluşturmak için ahşap breadboard'lara tutturulmuş bileşenlerle noktadan noktaya kablolama kullanıyordu. Kordon ağacı yapımı ve tel sarma kullanılan diğer yöntemlerdi. Günümüz elektronik cihazlarının çoğunda artık FR4 veya daha ucuz (ve daha az dayanıklı) Sentetik Reçine Bağlanmış Kağıt (SRBP, Paxoline/Paxolin (ticari markalar) ve FR2 olarak da bilinir) gibi malzemelerden yapılmış baskılı devre kartları kullanılmaktadır - kahverengi rengiyle karakterize edilir. Elektronik montajı ile ilgili sağlık ve çevresel kaygılar son yıllarda, özellikle Avrupa pazarına yönelik ürünler için daha fazla dikkat çekmiştir. ⓘ
Elektronik sistem tasarımı
Elektronik sistem tasarımı, cep telefonları ve bilgisayarlar gibi karmaşık elektronik cihazların ve sistemlerin çok disiplinli tasarım sorunlarıyla ilgilenir. Bu konu, bir elektronik sistemin tasarımı ve geliştirilmesinden (yeni ürün geliştirme), uygun işlev, hizmet ömrü ve bertarafının sağlanmasına kadar geniş bir yelpazeyi kapsamaktadır. Bu nedenle elektronik sistem tasarımı, kullanıcının belirli gereksinimlerini karşılamak için karmaşık elektronik cihazları tanımlama ve geliştirme sürecidir. ⓘ
Montaj seçenekleri
Elektrikli bileşenler genellikle aşağıdaki şekillerde monte edilir:
- Delikten (bazen 'Pim-Delikten' olarak da adlandırılır)
- Yüzey montajı
- Şasi montajı
- Raf montajı
- LGA/BGA/PGA soket ⓘ
Elektronik endüstrisi
Elektronik endüstrisi çeşitli sektörlerden oluşmaktadır. Tüm elektronik endüstrisinin arkasındaki merkezi itici güç, 2018 itibariyle yıllık 481 milyar doların üzerinde satış yapan yarı iletken endüstrisi sektörüdür. En büyük endüstri sektörü ise 2017 yılında 29 trilyon doların üzerinde gelir elde eden e-ticarettir. En yaygın olarak üretilen elektronik cihaz metal-oksit-yarı iletken alan etkili transistördür (MOSFET) ve 1960 ile 2018 yılları arasında tahminen 13 sekstilyon MOSFET üretilmiştir. 1960'larda ABD'li üreticiler, daha düşük fiyatlarla yüksek kaliteli ürünler üretebilen Sony ve Hitachi gibi Japon şirketleriyle rekabet edemiyordu. Ancak 1980'lere gelindiğinde ABD'li üreticiler yarı iletken geliştirme ve montajında dünya lideri haline gelmiştir. ⓘ
Kullanım alanları
Günümüzde elektronik aletler birçok alanda kullanılmaktadır. Bunlardan bazıları:
- Haberleşme
- Sinyal işleme
- Otomasyon
- Otomotiv
- Tüketici elektroniği ⓘ