elektronika

Elektronika

Artikulu hau zirkuitu elektrikoetan elektroien mugimendua aztertzen duen fisikaren eta ingeniaritzaren adarrari buruzkoa da; beste esanahietarako, ikus «Elektronika (argipena)».

Elektronika fisika aplikatuaren adar bat da, zeinak barne hartzen dituen fisika, ingeniaritza, teknologia eta elektroien edo elektrikoki, hutsean edo materian^[1], kargatutako beste partikulen emisioarekin, fluxuarekin eta kontrolarekin tratatzen dituzten aplikazioak. 1897an, elektroia identifikatzeak, seinale elektriko txikiak anplifikatu eta artezteko gai zen huts-hodia asmatzearekin batera, elektronikaren eremua eta elektroiaren garaia inauguratu zuten^[2].
Osagai elektriko aktiboak (huts-hodiak, transistoreak, diodoak, zirkuitu integratuak, optoelektronika eta sentsoreak) osagai elektriko pasiboekin eta interkonexio-teknologiekin lotuta dituzten zirkuitu elektrikoak erabiltzen ditu elektronikak. Oro har, gailu elektronikoek osagai pasiboekin osatutako erdieroale aktiboak dituzten zirkuituak izaten dituzte, nagusiki edo esklusiboki; zirkuitu hori zirkuitu elektroniko gisa deskribatzen da.
Osagai aktiboen portaera ez-lineala eta elektroi-fluxuak kontrolatzeko duten gaitasuna direla eta, seinale ahulak anplifikatu daitezke. Elektronika, izan ere, asko erabiltzen da datuen prozesamenduan, telekomunikazioetan eta seinale prozesamenduan. Gailu elektronikoek etengailu gisa jarduteko duten gaitasunari esker, informazioa digitalki prozesa daiteke. Interkonexio-teknologiek, hala nola zirkuitu inprimatuek, paketatze elektronikoko teknologiek eta komunikazio-azpiegituren beste era askotakoek, zirkuituaren funtzionaltasuna osatzen dute, eta osagai elektroniko mistoak lan-sistema erregular bihurtzen dituzte, sistema elektroniko deritzona. Adibide dira: konputagailuak edo kontrol-sistemak. Sistema elektroniko bat izan daiteke gailu independente bat edo diseinatutako beste sistema baten osagai bat.
Zientzia eta teknologia elektriko eta elektromekanikoak arduratzen dira energia elektrikoa beste energia mota batzuetara (kableak, motorrak, sorgailuak, bateriak, etengailuak, erreleak, transformadoreak, erresistentziak eta beste osagai pasibo batzuk erabiliz) sortu, banatu, kommutatu, biltegiratu eta bihurtzeaz. Bereizkuntza hori 1906. urtearen inguruan hasi zen, Lee De Forestek asmatutako triodoaren asmakizunarekin. Triodoari esker, irrati-seinaleen eta audio-seinale ahulen anplifikazio elektrikoa egin ahal izan zen gailu ez-mekaniko batekin. 1950era arte, eremu horri «irrati-teknologia» esaten zitzaion, aplikazio nagusia irrati-transmisoreen, hargailuen eta huts-hodien diseinua eta teoria zuelako.
Gaur egun, gailu elektroniko gehienek^[3] osagai erdieroaleak erabiltzen dituzte elektroiak kontrolatzeko. Gailu erdieroaleen eta erlazionatutako teknologiaren azterketa egoera solidoaren fisikaren adartzat hartzen da; arazo praktikoak konpontzeko zirkuitu elektronikoen diseinua eta eraikuntza, berriz, ingeniaritza elektronikoari dagokio. Artikulu hau elektronikaren ingeniaritzaren alderdiei buruzkoa da.
Elektronikak adar hauek ditu:
1883an, Thomas Edison izan zen emisio termoionikoa edo Edison efektua^[4] behatu zuen lehena, bonbilla baten barruan xafla bat jartzean eta ikatz-harizpiak beirazko anpuluan sortzen zuen belztura saihesteko. Xafla metalikoa harizpiarekiko positiboki polarizatzen zenean, harizpiaren eta xaflaren artean korronte txiki bat sortzen zen. Hori gertatzen zen filamentuko atomoen elektroiek, bero gisa energia kantitate handia jasotzean, nukleoaren erakarpenetik ihes egiten zutelako (igorpen termoionikoa) eta, bonbillaren barruan espazio hutsa zeharkatuz, xaflaren polaritate positiboak erakartzen zituelako.
Sir John Ambrose Fleming britainiar ingeniariak (1849-1945) Edison efektua aplikatu zion hodi bati uhin hertziarrak detektatzeko, eta, hala, diodoa^[4] asmatu zuen, hutsa egina zuen lehen hodi elektronikoa eta barruan anodo bat (elektrodo positiboa) eta katodo bat (elektrodo negatiboa) zituena. Goritasun-egoerara iritsitakoan, anodoak erakartzen zituen katodoak igortzen zituen elektroi karga negatibodunak; hau da, diodoak balbula gisa jarduten zuen, zeinak korrontea noranzko bakarrean pasatzen uzten zuen.
Beste urrats handia Lee De Forestek eman zuen, 1906an^[4], triodoa asmatu zuenean. Gailu hori, funtsean, huts-diodoa bezalakoa da, baina, katodoaren eta plakaren artean, kontrol-sareta bat gehitu zitzaion katodoaren hodei elektronikoa aldatzeko, eta, hala, plaka-korrontea aldatu zen. Oso urrats garrantzitsua izan zen lehen soinu-anplifikadoreak, irrati-hargailuak, telebistak, eta abar fabrikatzeko.
Lee De Forest «elektronikaren aitatzat» hartzen da; izan ere, triodoaren aurretik, korronte alternoa korronte zuzen edo jarraituan soilik bihur zitekeen; hau da, elikatze-iturriak bakarrik egiten ziren, baina, huts-triodoaren sorrerarekin batera, mota guztietako seinaleen anplifikazioa etorri zen, batez ere audioarena, irratiarena, telebistarena eta gainerako guztiarena; Horri esker, ekipo horren industriak hain gorakada handia izan zuen, ezen 1930eko hamarkadetan sortu baitzen lehen aldiz «elektronika» hitza sortzen ari ziren ekipo horien teknologia suspertzaileari erreferentzia egiteko.
Denborak aurrera egin ahala, huts-balbulak hobetuz joan ziren, eta beste mota batzuk agertu ziren, hala nola tetrodoak (lau elektrodoko balbulak), pentodoak (bost elektrodo), potentzia handiko aplikazioetarako beste balbula batzuk, etab. Balbulen perfekzionamenduen barruan, haien miniaturizazioa bilatzen zen.
Baina, 1948an, transistorearekin lortuko zen, Bell Labs-eko John Bardeen eta Walter Brattain-en eskutik, irrati-aparatuen miniaturizazio handiagoa. Lotura-transistorea pixka bat geroago agertu zen, 1949an. Gailu hori, gaur egun, elektronikako aplikazio gehienetan erabiltzen da. Balbulekiko dituen abantailak hauek dira, besteak beste: tamaina eta hauskortasun txikiagoa, energia-errendimendu handiagoa, elikadura-tentsio txikiagoak, etab. Transistoreak ez du hutsean funtzionatzen, balbulak bezala, egoera solido erdieroalean baizik (silizioa), eta, horregatik, ez du ehunka volt behar funtzionatzeko. Erdieroaleak hedatu arren, oraindik ere erabiltzen dira balbulak zirkulu audiofilo txikietan^[5], haien mito hedatuenetako bat baitira.
Transistoreak hiru terminal ditu (igorlea, oinarria eta kolektorea), eta triodo baten antza du: oinarria kontrol-sareta izango litzateke, igorlea katodoa, eta kolektorea plaka. Hiru terminal horiek behar bezala polarizatuta, kolektore-korronte handi bat kontrolatzea lortzen da oinarri-korronte txiki batetik abiatuta.
1958an, Jack S. Kilbyk lehen zirkuitu integratua diseinatu zuen, txip bakar batean sei transistore zituenak 1970ean, Federico Fagginek, Ted Hoffek eta Masatoshi Shimak lehen mikroprozesadorea diseinatu zuten, Intel 4004. Gaur egun, elektronikaren garapen-eremuak hain dira handiak, ezen hainbat diziplina espezializatutan banatu diren. Zatiketa handiena elektronika analogikoa eta elektronika digitala bereizten dituena da.
Elektronika, beraz, etorkizun handien duen ingeniaritza-adarretako bat da, informatikarekin batera.
Elektronikak zeregin ugari garatzen ditu gaur egun. Zirkuitu elektronikoen erabilera nagusiak energia elektrikoaren kontrola, prozesamendua, informazio-banaketa, bihurketa eta banaketa dira. Erabilera horiek eremu elektromagnetikoak eta korronte elektrikoak sortzea edo detektatzea eskatzen dute. Beraz, esan daiteke elektronikak, oro har, aplikazio-eremu hauek hartzen dituela:
Sistema elektronikoa zirkuitu multzo bat da, eta elkarrekin jarduten dute emaitza bat lortzeko. Sistema elektronikoak ulertzeko modu bat da zati hauetan banatzea:
Funtsean, hiru etapa dira: Lehenengoa (transduktorea), bigarrena (zirkuitu prozesadorea) eta hirugarrena (zirkuitu eragilea).
Adibide gisa, demagun telebista bat dugula. Sarrera, izan ere, antena edo kable batek jasotako difusio-seinale bat da. Telebistaren barruko seinaleak prozesatzeko, zirkuituek seinale horren distirari, koloreari eta soinuari buruzko informazioa ateratzen dute. Irteera gailuak izpi katodikoen hodi bat edo LCD (Kristal likidozko pantaila) monitore bat dira, seinale elektronikoak pantaila batean ikus daitezkeen irudi eta bozgorailutik entzuteko seinale bihurtzen ditu.
Beste adibide bat izan daiteke prozesu baten tenperatura agerian uzten duen zirkuitu batena; transduktorea termopare bat izan daiteke; prozesatze-zirkuitua, hala, tentsio-maila (tentsio- edo leiho-konparadorea) egoki bihurtzeaz arduratzen da sarrerako seinalea, eta, informazioa deskodeturik, pantaila batera bidaltzen du tenperatura erreala ematen digun lekuan, eta, tenperatura horrek aurrez programatutako muga bat gainditzen badu, alarma-sistema (eragingailua) aktibatzen du.
Fenomeno fisiko edo egoera material baten irudikapena da, erlazio jakin baten bidez; sistema elektroniko baten sarrerak eta irteerak elkarren arteko seinale aldakorrak izango dira.
Elektronikan, tentsio- edo korronte-forma hartzen duten aldagaiekin egiten da lan. Aldagai horiei seinale deritze. Funtsean, seinaleak bi motatakoak izan daitezke:
Osagai edo gailu elektriko baten muturren artean sortutako potentzia-diferentzia da. Halaber, esan dezakegu eroale edo erdieroale baten elektroi askeak mugimenduan jartzeko gai den energia dela. Parametro horren unitatea Volt da (V). Bi tentsio mota daude: zuzena eta alternoa.
Eroale edo erdieroale baten norabide batean doan elektroi askeen fluxua da. Parametro horren neurri-unitatea amperea da (A). Tentsio zuzen edo alternoak dauden bezala, korronteak ere zuzen edo alternoak izan daitezke, korronte-fluxu horiek sortzeko erabiltzen den tentsio-mota nolakoa den.
Propietate fisiko horren bidez, materialek korrontearen fluxuari aurre egiteko joera dute. Parametro horren unitatea ohm da (Ω). Alderantzizko propietatea konduktantzia elektrikoa da.
Zirkuitu elektroniko deritzo seinale elektronikoak sortzeko, garraiatzeko edo aldatzeko helburuarekin beren artean elektrikoki konektatutako elementu edo osagai elektriko (hala nola erresistentziak, induktantziak, kondentsadoreak eta elikatze-iturriak) edo elektroniko batzuei. Zirkuitu elektronikoak edo elektrikoak hainbat modutan sailka daitezke:
Gailu elektroniko analogiko gehienak, irrati-hargailuak kasu, oinarrizko zirkuitu mota gutxi batzuen konbinazioetatik abiatuta eraikitzen dira. Zirkuitu analogikoek tentsio edo korronte tarte jarraitua erabiltzen dute maila diskretuen ordez, zirkuitu digitaletan bezala.
Orain arte asmatu diren zirkuitu analogikoen kopurua izugarria da, batez ere edozein gauza defini daitekeelako «zirkuitu» gisa, osagai bakar batetik hasi eta milaka osagai dituzten sistemetaraino.
Zirkuitu analogikoei, batzuetan, zirkuitu lineal deritze, nahiz eta efektu ez-lineal asko erabiltzen diren zirkuitu analogikoetan, hala nola nahasgailu, modulatzaile, eta abarretan. Zirkuitu analogikoen adibide on batzuk dira: huts-hodien anplifikadoreak, transistoreak, anplifikadore operazionalak eta osziladoreak.
Oso gutxitan aurkitzen dira erabat analogikoak diren zirkuitu modernoak. Gaur egun, zirkuitu analogikoek teknika digitalak edo mikroprozesadorekoak ere erabil ditzakete errendimendua hobetzeko. Zirkuitu mota horri «seinale mistoko» esaten zaio, analogiko edo digitalaren ordez.
Batzuetan, zaila izan daiteke zirkuitu analogikoak eta digitalak bereiztea, funtzionamendu linealeko nahiz ez-linealeko elementuak baitituzte. Konparadorea da adibide bat. Tentsio-tarte jarraitua jasotzen du, baina zirkuitu digital baten bi mailetako bat bakarrik igortzen du. Era berean, gainkargatutako transistore-anplifikadore batek funtsean bi irteera-maila dituen etengailu kontrolatu baten ezaugarriak har ditzake. Izan ere, zirkuitu digital asko antzeko zirkuitu analogikoen aldaera gisa inplementatzen dira. Dena den, mundu fisiko errealeko alderdi guztiak analogikoak dira funtsean, eta, beraz, efektu digitalak portaera analogikoa murriztuz baino ez dira egiten.
Zirkuitu digitalak tentsio-maila diskretu kopuru jakin batean oinarritutako zirkuitu elektrikoak dira. Zirkuitu digitalak dira Booleren aljebraren irudikapen fisiko arruntena, eta ordenagailu digital guztien oinarria dira. Ingeniari gehienentzat, «zirkuitu digitala», «sistema digitala» eta «logikoa» terminoak trukagarriak dira zirkuitu digitalen testuinguruan. Zirkuitu digital gehienek bi tentsio-maila dituen sistema bitar bat erabiltzen dute: «0» eta «1». «0» logikoa, askotan, tentsio baxuagoa da, eta «baxua» esaten zaio; «1» logikoa, berriz, «altua». Hala ere, sistema batzuek alderantzizko definizioa erabiltzen dute (0 altua da), edo korrontean oinarritzen dira. Askotan, logikaren diseinatzaileak zirkuitu batetik bestera alda ditzake definizio horiek, diseinua errazteko komeni zaionaren arabera. «0» edo «1» mailak modu arbitrarioan definitzen dira.
Logika hirutarraren (hiru egoeraren) logika aztertu da, eta ordenagailu-prototipo batzuk egin dira.
Prozesu industrialak kontrolatzeko erabiltzen diren ordenagailuak, erloju elektronikoak eta kontrolagailu logiko programagarriak (PLC) zirkuitu digitalekin eraikita daude. Seinale digitalen prozesadoreak beste adibide bat dira.
Zirkuitu elektronikoek sortutako beroa desagertu egin behar da berehalako akatsak saihesteko eta epe luzerako fidagarritasuna hobetzeko. Beroa uxatzea eroapen/konbekzio pasiboaren bidez lortzen da batez ere. Uxatze handiagoa lortzeko bitartekoek bero-uxale eta aire bidezko hozte-haizagailuak dituzte, bai eta ordenagailuak hozteko beste modu batzuk ere, hala nola hozte likidoa. Teknika horiek konbekzioa, eroapena eta energia termikoaren erradiazioa erabiltzen dituzte.
Soinu elektronikoa honela definitzen da^[6]: «seinale erabilgarri bati gainjarritako nahi gabeko perturbazioak, haren informazio-edukia iluntzeko joera dutenak». Soinua ez da zirkuitu batek eragindako seinalearen distortsioa bezalakoa. Soinua zirkuitu elektroniko guztiei lotuta dago. Soinua elektromagnetikoki edo termikoki sor daiteke, eta hori murriztu daiteke zirkuituaren funtzionamendu-tenperatura jaitsiz. Beste soinu-mota batzuk, hala nola tiro-zarata, ezin dira deuseztatu, propietate fisikoen mugen ondorioz sortzen baitira.
Metodo matematikoak elektronikaren azterketaren parte dira. Elektronika menderatu ahal izateko, zirkuituen analisiaren matematika menderatu behar da.
Zirkuituen analisia da aldagai ezezagunetarako eskuarki linealak diren sistemak ebazteko metodoak aztertzea, hala nola nodo jakin bateko tentsioa edo sare bateko bide jakin bateko korrontea. Horretarako ohiko tresna analitiko bat SPICE (Zirkuitu integratu azpimarratuetako simulazio programa) zirkuitu-simulagailua da.
Elektronikarentzat ere garrantzitsua da eremu elektromagnetikoaren teoria aztertzea eta ulertzea.
Elektronikaren teoriaren izaera konplexua dela eta, gailu elektronikoen garapenaren zati garrantzitsu bat da laborategian esperimentatzea. Esperimentu horiek ingeniariaren diseinua probatzeko edo egiaztatzeko eta akatsak detektatzeko erabiltzen dira. Historikoki, elektronikako laborategiak espazio fisiko batean kokatutako gailu eta ekipo elektronikoak izan dira, nahiz eta azken urteetan elektronikako laborategien simulazio-softwarerako joera izan den, hala nola CircuitLogix, Multisim eta PSpice.
Egungo ingeniari elektronikoek zirkuituak diseinatzeko gaitasuna dute eraikuntza-bloke aurrefabrikatuak erabiliz, hala nola elikatze-iturriak, erdieroaleak (hau da, gailu erdieroaleak, hala nola transistoreak) eta zirkuitu integratuak. Diseinu elektronikoa automatizatzeko, software-programek zirkuitu inprimatuak diseinatzeko programak eta eskemak atzitzeko programak dituzte. EDA softwarearen munduko izen ezagunenak hauek dira: NI Multisim, Cadence (ORCAD), EAGLE PCB eta Schematic, Mentor (PADS PCB eta LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA, KiCad eta beste asko.
Urteetan zehar, hainbat metodo erabili dira osagaiak konektatzeko. Esate baterako, hasierako elektronikak, sarritan, puntutik punturako kableatua erabiltzen zuen, zurezko taulei finkatutako osagaiekin, zirkuituak eraikitzeko. Beste metodoak ziren Cordwood construction eta wire wrap. Gaur egun, aparatu elektroniko gehienek zirkuitu inprimatuko plakak erabiltzen dituzte, FR4 eta antzeko materialekin eginak, edo merkeena (eta erresistentzia gutxiagokoa), erretxina sintetikoa duen paper aglomeratua (SRBP, Paxoline/Paxolin (marka komertzialak) eta FR2 izenez ere ezaguna), kolore marroiz bereizia. Produktu elektronikoak mihiztatzeari dagokionez, osasunarekiko eta ingurumenarekiko kezka areagotu egin da azken urteotan, batez ere Europako Batasunera bideratutako produktuen kasuan.
Sistema elektronikoen diseinua gailu eta sistema elektroniko konplexuen diziplina anitzeko diseinuaz arduratzen da, hala nola telefono mugikorrak eta ordenagailuak. Gaiak esparru zabala hartzen du: sistema elektroniko baten diseinua eta garapena, funtzionamendu egokia, bizitza erabilgarria eta birziklapena^[7] bermatzea. Sistema elektronikoen diseinua, beraz, erabiltzailearen eskakizunak betetzeko gailu elektroniko konplexuak definitzeko eta garatzeko prozesua da.
Zirkuitu elektronikoen sintesirako, osagai elektronikoak eta tresna elektronikoak erabiltzen dira. Jarraian, elektronikako osagai eta tresna garrantzitsuenen zerrenda, eta gehien erabiltzen direnak:
Elektronika neurtzeko ekipoak erabiltzen dira estimuluak sortzeko eta probapeko gailuen portaera neurtzeko. Magnitude mekanikoak, termikoak, elektrikoak eta kimikoak neurtzeko, sentsore eta transduktore izeneko gailuak erabiltzen dira. Sentsorea sentikorra da neurtu beharreko magnitudearen aldaketekiko, hala nola tenperatura, posizio edo kontzentrazio kimiko batekiko. Transduktoreak seinale elektriko bihurtzen ditu neurketa horiek, eta neurtutako magnitudeak irakurtzeko, erregistratzeko edo kontrolatzeko tresnak elika ditzake. Sentsoreek eta transduktoreek behatzailearengandik urrun dauden lekuetan funtziona dezakete, baita gizakientzat desegokiak edo erabilezinak diren inguruneetan ere.
Gailu batzuek sentsore eta transduktore gisa jarduten dute aldi berean. Termopare batek metal desberdinen bi lotura ditu, eta horiek tentsio txiki bat sortzen dute, loturen arteko muga-diferentzialaren araberakoa dena. Termistorea erresistentzia berezi bat da, eta erresistentziaren balioa aldatu egiten da tenperaturaren arabera. Erreostato aldakor batek seinale elektriko bihur dezake mugimendu mekanikoa. Distantziak neurtzeko, diseinu bereziko kondentsadoreak erabiltzen dira, eta argia detektatzeko, fotozelulak. Azelerazioa edo likidoen fluxu abiadura neurtzeko, bestelako gailuak erabiltzen dira. Kasu gehienetan, seinale elektrikoa ahula da, eta zirkuitu elektroniko batek anplifikatu behar du. Hona hemen neurketa-ekipo garrantzitsuenen zerrenda:
Sarrera edo «inputak»: Seinaleak hartzen dituzten sentsore (edo transduktoreak) elektroniko edo mekanikoak (tenperatura, presio... moduan) mundu fisikotik, eta korronte- edo tentsio-seinale bihurtzen dituzte. Adibidez: termoparea, argiaren intentsitatea neurtzeko fotorresistentzia, etab.
Seinaleak prozesatzeko zirkuituak: Transduktoreetatik datozen tentsio- eta korronte-seinaleak manipulatzeko, interpretatzeko eta eraldatzeko elkarrekin konektatutako gailu elektronikoak dira.
Irteera edo «outputak»: Eragingailuak edo beste gailu batzuk (baita transduktoreak ere), korronte- edo tentsio-seinaleak fisikoki erabilgarriak diren seinale bihurtzen dituztenak. Adibidez: tenperatura erregistratzen duen pantaila (display) bat, zeinean iluntzen ari denean, automatikoki, foku edo argi-sistema bat pizten den.

Wikipediarekin konexio arazoren bat gertatu da: