W1_Historia elektroniki - Politechnika Wrocławska

Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Zarys historii elektroniki
Wrocław 2010
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
ELEKTRONIKA
Elektronika to dziedzina techniki, nauki zajmująca
się praktycznym zastosowaniem zjawisk związanych
z dającym się sterować ruchem elektronów w próżni,
gazach i półprzewodnikach.
1
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
ELEKTRONIKA
Odkrycie elektronu
Najmniejsza porcja elektryczności = ELEKTRON
Odkrycie elektronu (1897)
Joseph J.Thomson
(1856-1940)
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
ELEKTRONIKA
Lampy elektronowe
Termin „elektronika” pojawił się na początku XX wieku dla
opisania zastosowań lamp elektronowych.
Lampa katodowa (protoplasta kineskopu) --- Karl F. Braun
(1897r.)
Dioda próżniowa --- Ambrose Fleming (1904r.)
Trioda próżniowa --- Lee de Forest (1906r.)
2
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
ELEKTRONIKA
Rozwój radiotechniki
Pojawienie się lamp zapoczątkował rozwój radiotechniki i TV
lampy wieloelektrodowe i elektronopromieniowe:
tetroda (1919), pentoda(1927),
lampy obrazowe (tv) i lampy analizujące (kamera).
elektroniczny system telewizyjny (1927)
Termin „elektronika” ugruntował swoje znaczenie stając się
nazwą miesięcznika wydawanego przez znane wydawnictwo
McGraw-Hill.
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
ELEKTRONIKA
Tranzystor bipolarny (1947)
JOHN BARDEEN,
WALTER BRATTAIN,
WILLIAM SHOCKLEY
3
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
ELEKTRONIKA
Lata 40 - 50
Elektronika już w latach 40 uznana zostaje za strategiczną dziedzinę.
W połowie stulecia decyduje o burzliwym rozwoju
- radiotechniki,
- teletechniki,
- telewizji,
- metrologii elektronicznej,
- automatyki,
- maszyn matematycznych (komputerów).
Tranzystor zwiększa tempo wprowadzania elektroniki w różne dziedziny życia.
Urządzenia stają się bardziej niezawodne, miniaturowe, tańsze.
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
ELEKTRONIKA
Tyrystor, układ scalony, laser
1956r. – tyrystor - sterowanie urządzeń dużych mocy
1958r. – pierwszy układ scalony (Jack Kilby) [1961r. – komercyjna produkcja]
1960r. – tranzystor polowy MOS
1962r. – laser półprzewodnikowy – systemy łączności z kanałami o b. dużych
pojemnościach.
Rozwój techniki laserowej otwiera nową epokę w mikromechanice, biologii,
medycynie.
Równoległy rozwój techniki lampowej – kolorowa TV (1956r.)
4
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
ELEKTRONIKA
Mikroelektronika
Pierwszy sterowany elektronicznie robot przemysłowy(1962)
Pierwszy działający satelita telekomunikacyjny –Telstar(1962)
Pierwszy popularny mikrokomputer PDP-8(1963)
Pierwsza transmisja radiowa z Księżyca(1969)
Mikroprocesor (1971) – 2300 tranzystorów w monolitycznym kawałku krzemu
Mikroprocesor (1997) – 7,5mln tranzystorów
Mikroprocesor (2000 - ....) – minimalna długość kanału tranzystora
2005 – 65 nm
2008 – 45 nm
2009 – 32 nm
2012 – 22 nm ....
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Podstawowe elementy
bierne w elektronice
Wrocław 2010
5
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Rezystor (opornik)
Podział
Najprostszy element bierny obwodu elektrycznego (elem. liniowy).
U
I
U = RI
Podział rezystorów:
Rezystory stałe - elementy o wartości rezystancji ustalonej w procesie wytwarzania i nie
podlegającej zmianie w czasie pracy
Rezystory zmienne - elementy charakteryzujące się zmiennością rezystancji.
nastawne, o konstrukcji umożliwiającej płynną, dokonywaną w sposób mechaniczny,
zmianę wartości rezystancji w obwodzie (potencjometry),
półprzewodnikowe (wytwarzane z półprzewodników) o rezystancji zmieniającej się
w znacznym przedziale wartości pod wpływem rozmaitych czynników zewnętrznych, są
to np. termistory, magnetorezystory, fotorezystory.
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Rezystor (opornik)
Podział
Ważne znaczenie ma klasyfikacja objęta międzynarodowym systemem normalizacyjnym
(IEC), w której rezystory dzieli się na:
typu1, tj. wysokostabilne i precyzyjne,
typu2, tj. powszechnego stosowania.
Niekiedy wyróżnia się rezystory mające szczególnie kształtowane wartości niektórych
parametrów, przykładem mogą być rezystory:
wysokonapięciowe (> 1 kV),
wysokoomowe (> 10 MΩ),
dużej mocy (> 2 W),
wysokotemperaturowe (> 175°C),
precyzyjne (< 1%),
itp.,
6
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Rezystor (opornik)
Parametry
•Rezystancja (0.1Ω – 10MΩ szeregi E12(10%)? i E24(5%)?
•Moc (1/8 – 5W)
•Maksymalne napięcie (100V – 1000V)
•Stabilność termiczna (10ppm/deg – 500ppm/deg) termistory ?
•Stabilność czasowa (np.. 1%/1000h)
•Indukcyjność pasożytnicza (indukcyjność doprowadzeń 6-8nH)
•Pojemność (0.1pF – 5pF)
•Nieliniowość (R=R(U) rzędu 0.01%/V)
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Rezystor (opornik)
Model
C~0,5pF
R
C~0.5pF
L~5-10nH
C~0.5pF
7
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Rezystor (opornik)
Przykładowe rezystory
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Kondensator (pojemność)
Zbudowany jest z dwóch okładek (przewodników) rozdzielonych dielektrykiem
u(t)
i(t)
Podłączenie napięcia do okładek kondensatora powoduje zgromadzenie się na
nich ładunku elektrycznego. Po zaniku napięcia, ładunki utrzymują się na
okładkach siłami przyciągania elektrostatycznego.
Kondensator charakteryzuj pojemność określająca zdolność kondensatora do
gromadzenia ładunku:
Q
C=
U
t
i (t ) = C
du
1
; u (t ) = ∫ i (t )dt + u (o)
dt
C0
8
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Kondensator
Parametry
•Pojemność (0.1pF – 5F; szeregi E6 – E12)
•Napięcie przebicia (5V – 10kV)
•Polaryzacja (dla kondensatorów elektrolitycznych !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!)
•Rezystancja upływu (0 - 10µA)
•Stratność (rodzaj dielektryka i upływność)
•Rezystancja szeregowa
•Stabilność termiczna (rodzaj dielektryka np. NP0….)
•Prąd maksymalny (szczególnie impulsowy)
•Indukcyjność doprowadzeń
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Kondensator
Model
RU
C
C~0.5pF
RS
L
C~0.5pF
9
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Kondensator
Przykładowe kondensatory
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Kondensator
Rodzaje
Typ
kondensatora
Zakres
pojemności
ci
pojemno
Napięcie
Napi cie
przebicia [V]
Dokładno
Dok adność
adno
Mikowy
1 pFpF-0,01uF
100100-600
dobra
Ceramiczny
10pF10pF-luF
5050-30k
kiepska
Poliestrowy
0,001uF0,001uF50jiF
5050-600
Polistyrenowy
(styrofleksowy)
styrofleksowy)
10pF10pF-2,7uF
Poliwęglanowy
Poliw glanowy
Stało
Sta ość
temperatempera
turowa
Upływ
Up ywyw
ność
no
Uwagi
mała
ma a
doskonały;
doskona y; dobry w
układach
uk adach w.cz.
Zależy
Zale y od
rodzaju
ceramiki
średnia
rednia
mały,
ma y, niedrogi, bardzo
popularny
dobra
kiepska
mała
ma a
tani, dobry, bardzo
po­
po­pularny
100100-600
b. dobra
dobra
b.mała
b.ma a
wysokiej jakości,
jako ci, o dużych
du ych
wymiarach, dobry do
filtracji sygnałó
sygna ów
100pF100pF-30uF
5050-800
b. dobra
znakomita
mała
ma a
wysokiej jakości,
ych
jako ci, o ma­
ma­łych
wymiarach
Polipropylenowy
100pF100pF-50uF
100100-800
b. dobra
dobra
b.mała
b.ma a
wysokiej jakości,
jako ci, mała
ma a
absorpcja dielektryczna
Teflonowy
1 nFnF-2uF
5050-200
b. dobra
najlepsza
b.b.mała
b.b.ma a
wysokiej jakości,
jako ci,
najmniejsza absorpcja
dielektryczna
10
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Kondensator
Rodzaje
Stało
Sta ość
temperatur
o-wa
wa
Typ
kondensatora
Zakres
pojemności
ci
pojemno
Napięcie
Napi cie
przebicia [V]
Dokła
Dok adność
dno
Szklany
10pF10pF-l000pF
100100-600
dobra
Porcelanowy
100 pFpF-0,1uF
5050-400
dobra
dobra
Tantalowy
0,1 uFuF-500uF
6-100
kiepska
kiepska
Elektrolityczny
aluminiowy
0,1uF0,1uF-1F
3-600
zła
a
okropna
b.duża
b.du a
filtry w zasilaczach;
polaryzowany, kró
krótki czas
życia
ycia
BuckBuck-up
0,1 FF-10F
1,51,5-6
kiepska
kiepska
mała
ma a
do podtrzymywania
za­
a
za­wartości
warto ci pamięci;
pami ci; du­
du­ża
rezystancja szerego­
szerego­wa
Olejowy
0,1 uFuF-20uF
200200-10k
mała
ma a
filtry wysokonapięcio
wysokonapi cio­
cio­we;
duże
e wymiary; długi
du
d ugi czas
życia
ycia
Pró
niowy
Próżniowy
1 pFpF-5nF
2k2k-36k
b.mała
b.ma a
Układy
Uk ady w.cz.
Upływ
Up ywyw
ność
no
Uwagi
b.mała
b.ma a
duża
ugoczasowa
du a stało
sta ość długoczasowa
pojemności
pojemno ci
mała
ma a
dobry, duża
du a stało
sta ość
długoczasowa
ugoczasowa pojemności
pojemno ci
duże
du e pojemności,
pojemno ci,
polaryzowany, małe
ma e
wymiary; mała
ma a indukcyjność
indukcyjno
własna;
asna;
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Cewka (indukcyjność)
Jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w wytwarzanym polu
magnetycznym.
u(t)
t
i (t ) =
1
di
u (t )dt + i (0); u (t ) = L
∫
L0
dt
i(t)
•Indukcyjność (szereg E12 tylko dla dławików małej dobroci)
•AL [nH/zw2] - stała rdzenia (L = AL• z2 )
•Rezystancja szeregowa - dobroć
•Naskórkowość
•Nieliniowość i histereza rdzenia, straty w rdzeniu
•Maksymalny prąd (nasycenie materiału rdzenia – Bmax=0,2 - 1.6T)
•Maksymalne napięcie pracy (przebicie międzyuzwojeniowe)
11
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Cewka
Model
C
L
RS
C~0.5pF
C~0.5pF
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Cewka
Przykładowe cewki i transformatory
12