Elektronikk

Elektronikk er den delen av elektroteknikken som beskjeftiger seg med å styre elektroner i såkalt forsterkende, eller aktive, komponenter. De viktigste aktive komponentene er radiorør og transistorer. Elektronikk behandler hovedsakelig elektrisk strøm og spenning, samt lys, men også magnetisme, varme og elektromagnetiske felt. I dagligtale benyttes gjerne begrepet også om apparater som inneholder elektroniske komponenter, for eksempel radio, fjernsyn og datamaskiner.

De viktigste komponentene som anvendes i elektronikken er motstand, kondensator og transistor (eller tidligere vakuumrør), samt spole, transformator og diode.

Det gjøres et skille mellom elektronikk og elektrisk og elektromekanisk vitenskap og teknologi, som omhandler produksjon, distribusjon, lagring og omgjøring av elektrisk energi til og fra andre energiformer med kabler, motorer, generatorer batterier, brytere, reléer, transformatorer og andre passive komponenter. Dette skillet startet omkring 1906 da Lee De Forest fant opp trioden, som gjorde elektrisk forsterking av svake radiosignaler og lydsignaler mulig med en ikke-mekanisk innretning. Fram til 1950 ble dette feltet kalt «radioteknologi» fordi design og teori først og fremst var i bruk i radio radiosendere og -mottakere og vakuumrør.

Når lys tas i bruk kalles teknologien optoelektronikk. Den bruker i hovedsak lysdioder (LED), optokoplere og fotosensorer samt kilder, vendere og mottakere for signalmodulert lys i lysbølgeledere. Fotosensorer kan være enkle og reagere på lysmengde eller -farge, eller sammensatte for retningsbestemmelse eller avbildning av objekter som i digitalkameraer.

Moderne apparater er i stand til å fremstille komponenter med ekstremt små dimensjoner og plassere et stort antall komponenter på et enkelt lite krystall. Her er det først og fremst transistorer og motstander, men også kondensatorer og dioder det dreier seg om. Slike komplekse komponenter blir kalt integrerte kretser, og slike finnes i både digitale og analoge utførelser, samt i blandinger.

Ledere som forbinder komponenter er så godt som alltid av kobber. Det er få unntak, som sølv når små tap er påkrevd, og aluminium inne i integrerte kretser. Komponentene forbindes ved smelting av et forbindelsesmetall, kalt loddetinn. Loddetinn består av 38% bly, 2 % kopper og 60 % tinn og smelter ved 185 °C, lavere enn enkeltmetallene. I 2006 ble det forbudt å bruke bly i loddetinn (Restrictions of Hazardous Substances, RoHS). Tinn for lodding tilføres da små mengder kopper og sølv og av og til andre stoffer. Smeltetemperaturen er 217-220 °C når blyet utelates. Mange typer loddetinn inneholder en kjerne av fluss for å forbedre loddeevnen, men fluss kan også tilføres i gele- eller væskeform. Ved lodding av overflatekomponenter i en loddeovn, ofte kalt reflow-ovn, brukes loddepasta bestånde av små tinnkuler i et flussmiddel, som ved korrekt temperatur vil smelte sammen og forbinde komponent med kretskort.^[1]

I 1873 oppdaget Frederick Guthrie det grunnleggende prinsippet bak av termioniske dioder.^[2] Guthrie fant at et positivt ladet elektroskop kunne utløses ved å bringe en jordet hvitglødende metallbit nær det (men ikke berøre det). Det samme gjelder ikke for et negativt ladet elektroskop, noe som indikerte at strømmen bare var mulig i én retning. Thomas Edison gjenoppdaget prinsippet uavhengig av Guthrie i 1880.

John Ambrose Fleming hadde vært ansatt av Edison, men jobbet i Marconi Company da han i 1904 tok patent på det første vakuumrøret. Denne oppfinnelsen har av flere blitt kalt «en av de viktigste utviklingene innen elektronikkens historie», og banet vei for ytterlige framskritt i årene som fulgte. I 1906 tok både østerrikeren Robert von Lieben og amerikaneren Lee De Forest uavhengig av hverandre ut patenter på teknologi som skulle bli viktige for utviklingen av trioden. Med slik teknologi var man i stand til å forsterke radiosignaler med en ikke-mekanisk innretning. Utviklingen skjøt virkelig fart under andre verdenskrig hvor man så utviklingen av komponenter som magnetroner og klystroner.^[3]

Dagens elektronikk benytter seg i stor grad av halvledere. Det første patentet på en innretning som skulle erstatte trioden ble tatt ut allerede i 1925,^[4] men denne manglet en fungerende prototype. Produksjonen av materialer som fungerte godt som halvledere var heller ikke kommet langt nok til at teknologien kunne utvikles effektivt. Det var ikke før John Bardeen, Walter Brattain og William Shockley presenterte den første transistoren i 1948 at arbeidet med halvledere i elektronikkomponenter skjøt fart. Trioen fikk også nobelprisen i fysikk for denne prestasjonen i 1956.

Fordi transistoren var mindre spenningskrevende og plasskrevende, mer solid og rimeligere å produsere tok det ikke lang tid før den utkonkurrerte trioden.^[3] Etterhvert som stadig mer effektive halvledere så dagens lys ble komponentene stadig mindre, og i dag er det plass til flere millioner komponenter per kvadratmillimeter.^[3]

En elektronisk komponent er en fysisk enhet i et elektronisk system som brukes til å påvirke elektronene eller deres tilknyttede felt på en måte som er i samsvar med den tiltenkte funksjonen til systemet. Komponentene er vanligvis ment å bli koblet sammen, vanligvis ved å bli loddet til et kretskort, for å skape en elektronisk krets med en bestemt funksjon (for eksempel en forsterker, radiomottaker, eller elektronisk oscillator). Komponenter kan pakkes enkeltvis, eller i mer komplekse grupper som integrerte kretser. Noen vanlige elektroniske komponenter er kondensatorer, spoler, motstander, diodeer, transistorer, etc. Komponenter kategoriseres ofte som aktive (f.eks transistorer og tyristorer) eller passive (f.eks motstander og kondensatorer).

Vakuumrør var en av de tidligste elektroniske komponentene. De dominerte elektronikken før 1950. Siden den gang har transistorene så godt som helt tatt over. Vakuumrør er fortsatt i bruk i enkelte spesialiserte apparater som rørforsterkere, katodestrålerør, spesialist-lydutstyr og noen mikrobølgeenheter.

I prinsippet er all elektronikk analog, men oppdelingen mellom analog og digital elektronikk er likevel meget nyttig. Begge former for elektronikk er i rivende utvikling og nye utførelser av komponenter av alle slag ser stadig dagens lys. Særlig i den digitale verden stiger mulighetene mens prisene faller.

I analog elektronikk er signalstyrken generelt av en slik natur at den ikke benytter nivåer som danner grenser, som ved klipping. Analog elektronikk benytter seg av kontinuerlige endringer i strøm og spenning. Radioer og audioforsterkere er eksempler på bruk av analog elektronikk. Disse er gjerne bygd opp av passive komponenter som motstander, kondensatorer og spoler og aktive komponenter som for eksempel transistorer og operasjonsforsterkere. Transistorer og operasjonsforsterkere har ofte stor spredning i parametre som forsterkning og båndbredde, så det blir ofte benyttet negativ tilbakekobling for å kontrollere forsterkning, båndbredde, osv.

Digital elektronikk har to forskjellige betydninger. Når det gjelder ett enkelt signal går det alltid til en grense gitt av elektronikken som signalet befinner seg i. 0 er ofte jordnivå, 1 er ofte spenningsforsyningens nivå, og overgangen mellom disse er hurtig. Signalet klippes stadig på nytt. Den andre betydningen ser en i en annen målestokk som gjelder organiseringen av flere enkeltsignaler, som for eksempel i bytes á åtte enkeltsignaler (bits).

I den digitale elektronikken blir kretsene laget slik at spenningen i kretsen bare kan ha to stabile diskrete verdier (for eksempel 0 og 5 volt) som da tilsvarer de logiske verdiene '0' og '1'. Digital elektronikk er oppbygd av transistorer. Historisk har det eksistert ulike logikkfamilier, for eksempel TTL og NMOS, men i dag er nesten all digital elektronikk basert på CMOS. CMOS-teknologien er sammensatt av komplementære felteffekttransistorer. De komplementære transistorene kan settes sammen til større byggeklosser som invertere, logiske porter og multipleksere. Disse byggesteinene kan på et høyere nivå settes sammen til enda større funksjonsblokker som for eksempel register, tellere og aritmetiske enheter, som i sin tur kan kombineres med andre enheter til mikrokontrollere, grafikkprosessore og lignende. På denne måten har elektronikkonstruktører mange ulike hierarki av abstraksjonsnivå å holde seg til. De ferdige enhetene implementeres i form av FPGAer eller ASICer.

Byggesteiner:

• Logiske porter
• Adderere
• Flip-flop
• Tellere
• Registre
• Multipleksere
• Schmittriggere

Høyintegrerte enheter:

• Mikroprosessore
• Mikrokontrollere
• ASIC
• Digitale signalprosessorer
• FPGA

Mange universiteter og høgskoler i landet tilbyr kurs innenfor elektronikk, både på bachelornivå og masternivå. Tidligere kunne man utdanne seg til høgskoleingeniør og sivilingeniør i elektronikk, men disse titlene er i dag byttet ut med Bachelor i ingeniørfag (3 år etter videregående skole) og Master i ingeniørfag (2 år etter Bachelor).

En ufullstendig liste over elektronikkutdanning i Norge:

• Sivilingenørstudiet (master) ved f.eks. NTNU
• Bachelor ved f.eks. HiG, OsloMet, HiB, UiA, USN
• Masterstudium ved UiO
• Masterstudium ved UiT
• Spesialiserte elektronikkutdanninger:
  • Bachelor og master i romteknologi ved HiN
  • Bachelor i audioteknologi ved HIBU

• Elektriske komponenter
• Teknologi