Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα αποτελούν αναπόσπαστα μέρη σχεδόν όλων των τεχνολογικών εξελίξεων που γίνονται σήμερα στη ζωή μας. Τηλεόραση, ραδιόφωνο, τηλέφωνα και υπολογιστές έρχονται αμέσως στο νου, αλλά τα ηλεκτρονικά χρησιμοποιούνται επίσης σε αυτοκίνητα, συσκευές κουζίνας, ιατρικό εξοπλισμό και βιομηχανικούς ελέγχους. Στην καρδιά αυτών των συσκευών είναι ενεργά εξαρτήματα ή εξαρτήματα του κυκλώματος που ελέγχουν ηλεκτρονικά ροή ηλεκτρονίων, όπως οι ημιαγωγοί. Ωστόσο, αυτές οι συσκευές δεν θα μπορούσαν να λειτουργήσουν χωρίς πολύ απλούστερες, παθητικές συνιστώσες που προηγούνται των ημιαγωγών από πολλές δεκαετίες. Σε αντίθεση με τα ενεργά συστατικά, τα παθητικά εξαρτήματα, όπως αντιστάσεις, πυκνωτές και επαγωγείς, δεν μπορούν να ελέγξουν τη ροή ηλεκτρονίων με ηλεκτρονικά σήματα.
Αντίσταση
Όπως υποδηλώνει το όνομά του, μια αντίσταση είναι ένα ηλεκτρονικό στοιχείο που αντιστέκεται στη ροή ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα κύκλωμα.
Σε μέταλλα όπως ο αργυρός ή ο χαλκός, τα οποία έχουν υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και συνεπώς χαμηλή ειδική αντίσταση, τα ηλεκτρόνια είναι σε θέση να παραλείπουν ελεύθερα από το ένα άτομο στο άλλο, με μικρή αντίσταση.
Η ηλεκτρική αντίσταση ενός εξαρτήματος κυκλώματος ορίζεται ως η αναλογία της εφαρμοζόμενης τάσης στο ηλεκτρικό ρεύμα που διέρχεται από αυτό, σύμφωνα με την HyperPhysics, έναν ιστότοπο φυσικής που φιλοξενείται από το τμήμα φυσικής και αστρονομίας στο Georgia State University. Η τυποποιημένη μονάδα αντίστασης είναι το ohm, το οποίο ονομάζεται από τον Γερμανό φυσικό Georg Simon Ohm. Ορίζεται ως αντίσταση σε κύκλωμα με ρεύμα 1 αμπέρ σε 1 βολτ. Η αντίσταση μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας το νόμο του Ohm, που δηλώνει ότι η αντίσταση ισούται με την τάση που διαιρείται με το ρεύμα ή R = V / I (συνηθέστερα γραμμένο ως V = IR), όπου R είναι αντίσταση, V είναι τάση και I είναι ρεύμα.
Οι αντιστάσεις ταξινομούνται γενικά ως σταθερές ή μεταβλητές. Οι αντιστάσεις σταθερής τιμής είναι απλά παθητικά εξαρτήματα που έχουν πάντα την ίδια αντίσταση εντός των προδιαγραφόμενων ορίων ρεύματος και τάσης. Διατίθενται σε ένα ευρύ φάσμα τιμών αντίστασης, από λιγότερο από 1 ohm έως αρκετά εκατομμύρια ohms.
Οι μεταβλητές αντιστάσεις είναι απλές ηλεκτρομηχανικές συσκευές, όπως τα χειριστήρια έντασης ήχου και οι διακόπτες διαστολής, οι οποίες αλλάζουν το πραγματικό μήκος ή την αποτελεσματική θερμοκρασία μιας αντιστάσεως όταν γυρίζετε ένα κουμπί ή μετακινείτε ένα ρυθμιστή ολίσθησης.
Επαγωγή
Ένας επαγωγέας είναι ένα ηλεκτρονικό στοιχείο που αποτελείται από ένα πηνίο σύρματος με ένα ηλεκτρικό ρεύμα που διέρχεται από αυτό, δημιουργώντας ένα μαγνητικό πεδίο. Η μονάδα για την επαγωγή είναι το henry (H), που ονομάστηκε από τον Joseph Henry, έναν αμερικανικό φυσικό που ανακάλυψε την επαγωγή ανεξάρτητα περίπου την ίδια ώρα με τον αγγλικό φυσικό Michael Faraday. Ένας κόμβος είναι η ποσότητα επαγωγής που απαιτείται για την επαγωγή 1 volt ηλεκτροκινητικής δύναμης (ηλεκτρική πίεση από μια πηγή ενέργειας) όταν το ρεύμα αλλάζει με 1 ampere ανά δευτερόλεπτο.
Μία σημαντική εφαρμογή των επαγωγέων σε ενεργά κυκλώματα είναι ότι τείνουν να μπλοκάρουν τα σήματα υψηλής συχνότητας ενώ αφήνουν να περάσουν οι ταλαντώσεις χαμηλής συχνότητας. Σημειώστε ότι αυτή είναι η αντίθετη λειτουργία των πυκνωτών. Ο συνδυασμός των δύο στοιχείων σε ένα κύκλωμα μπορεί να φιλτράρει επιλεκτικά ή να παράγει ταλαντώσεις σχεδόν οποιασδήποτε επιθυμητής συχνότητας.
Με την εμφάνιση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, όπως τα μικροτσίπ, οι πηνία γίνονται όλο και λιγότερο συνηθισμένοι, επειδή τα τρισδιάστατα πηνία είναι εξαιρετικά δύσκολο να κατασκευαστούν σε 2D τυπωμένα κυκλώματα. Για το λόγο αυτό, τα μικροκυκλώματα σχεδιάζονται χωρίς επαγωγείς και χρησιμοποιούν πυκνωτές αντί για ουσιαστικά τα ίδια αποτελέσματα, σύμφωνα με τον Michael Dubson, καθηγητή φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Colorado Boulder.
Χωρητικότητα
Η χωρητικότητα είναι η ικανότητα μιας συσκευής να αποθηκεύει ηλεκτρικό φορτίο και ως εκ τούτου το ηλεκτρονικό στοιχείο που αποθηκεύει ηλεκτρική φόρτιση ονομάζεται πυκνωτής. Το παλαιότερο παράδειγμα πυκνωτή είναι το βάζο Leyden. Αυτή η συσκευή εφευρέθηκε για να αποθηκεύσει ένα στατικό ηλεκτρικό φορτίο σε ένα αγωγίτικο φύλλο που έφερε στο εσωτερικό και στο εξωτερικό ένα γυάλινο βάζο.
Ο απλούστερος πυκνωτής αποτελείται από δύο επίπεδες αγώγιμες πλάκες που χωρίζονται από ένα μικρό κενό. Η διαφορά δυναμικού ή η τάση μεταξύ των πλακών είναι ανάλογη της διαφοράς στην ποσότητα του φορτίου στις πλάκες. Αυτό εκφράζεται ως Q = CV, όπου Q είναι φορτίο, V είναι τάση και C είναι χωρητικότητα.
Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή είναι η ποσότητα φορτίου που μπορεί να αποθηκευτεί ανά μονάδα τάσης. Η μονάδα μέτρησης χωρητικότητας είναι η farad (F), η οποία ονομάζεται Faraday, και ορίζεται ως η χωρητικότητα αποθήκευσης 1 coulomb φορτίου με εφαρμοσμένο δυναμικό 1 volt. Ένα coulomb (C) είναι η ποσότητα φορτίου που μεταφέρεται από ένα ρεύμα 1 ampere σε 1 δευτερόλεπτο.
Για να μεγιστοποιηθεί η απόδοση, οι πλάκες πυκνωτών στοιβάζονται σε στρώματα ή τυλίγονται σε πηνία με ένα πολύ μικρό κενό μεταξύ τους. Τα διηλεκτρικά υλικά - μονωτικά υλικά που εμποδίζουν εν μέρει το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των πλακών - χρησιμοποιούνται συχνά μέσα στο κενό αέρα. Αυτό επιτρέπει στις πλάκες να αποθηκεύουν περισσότερη φόρτιση χωρίς τόξο και βραχυκύκλωμα.
Οι πυκνωτές βρίσκονται συχνά σε ενεργά ηλεκτρονικά κυκλώματα που χρησιμοποιούν ταλαντευόμενα ηλεκτρικά σήματα, όπως αυτά σε ραδιόφωνα και εξοπλισμό ήχου. Μπορούν να φορτιστούν και να αποφορτιστούν σχεδόν ακαριαία, πράγμα που τους επιτρέπει να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ή φιλτράρισμα ορισμένων συχνοτήτων σε κυκλώματα. Ένα ταλαντευόμενο σήμα μπορεί να φορτίζει μια πλάκα του πυκνωτή ενώ η άλλη πλάκα εκφορτώνεται και στη συνέχεια όταν το ρεύμα αντιστρέφεται, θα φορτίζει την άλλη πλάκα ενώ η πρώτη πλάκα εκφορτώνεται.
Γενικά, υψηλότερες συχνότητες μπορούν να περάσουν από τον πυκνωτή, ενώ οι χαμηλότερες συχνότητες μπλοκάρονται. Το μέγεθος του πυκνωτή καθορίζει τη συχνότητα αποκοπής για την οποία τα σήματα αποκλείονται ή επιτρέπεται να περάσουν. Οι πυκνωτές σε συνδυασμό μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να φιλτράρουν επιλεγμένες συχνότητες εντός συγκεκριμένου εύρους.
Οι υπερπαραγωγοί κατασκευάζονται με νανοτεχνολογία για να δημιουργήσουν στρώματα superthin υλικών, όπως το graphene, για να επιτύχουν ικανότητες που είναι 10 έως 100 φορές μεγαλύτερες από εκείνες των συμβατικών πυκνωτών ίδιου μεγέθους. αλλά έχουν πολύ πιο αργούς χρόνους απόκρισης από τους συμβατικούς διηλεκτρικούς πυκνωτές, επομένως δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ενεργά κυκλώματα. Από την άλλη πλευρά, μερικές φορές μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πηγή ενέργειας σε ορισμένες εφαρμογές, όπως σε τσιπ μνήμης υπολογιστή, για την αποφυγή απώλειας δεδομένων όταν κόβεται η κύρια ισχύς.
Οι πυκνωτές είναι επίσης κρίσιμα συστατικά των συσκευών χρονισμού, όπως αυτά που αναπτύχθηκαν από την SiTime, μια εταιρεία που εδρεύει στην Καλιφόρνια. Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται σε μια ευρεία ποικιλία εφαρμογών, από τα κινητά τηλέφωνα μέχρι τα τρένα μεγάλης ταχύτητας και τη διαπραγμάτευση στο χρηματιστήριο. Γνωστή ως MEMS (μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα), η μικροσκοπική συσκευή χρονισμού εξαρτάται από τους πυκνωτές να λειτουργούν σωστά. "Εάν ο συντονιστής δεν έχει το σωστό πυκνωτή και χωρητικότητα φορτίου, το κύκλωμα χρονισμού δεν θα ξεκινήσει αξιόπιστα και, σε ορισμένες περιπτώσεις, θα σταματήσει να ταλαντεύεται εντελώς", δήλωσε ο Piyush Sevalia, εκτελεστικός αντιπρόεδρος μάρκετινγκ στο SiTime.
Αυτό το άρθρο ενημερώθηκε στις 16 Ιανουαρίου 2019 από τη συμβολή της Live Science Rachel Ross.
