Fluidische Flugsteuerungen: Die zukünftige Luftfahrt war Rollen und Nicken ohne Steuerflächen
Von Fouad Sabry
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Über dieses E-Book
Was ist fluidische Flugsteuerung
Die Verwendung eines Fluids zur Durchführung analoger oder digitaler Operationen in einer Weise, die analog zu der ist, die mit elektrischen Geräten ausgeführt wird, wird als bezeichnet Fluidik oder Fluidiklogik.
Wie Sie davon profitieren
(I) Einblicke und Validierungen zu den folgenden Themen:
Kapitel 1: Fluidik
Kapitel 2: Elektronik
Kapitel 3: Elektronischer Oszillator
Kapitel 4: Verstärker
Kapitel 5: Feedback
Kapitel 6: Transistor
Kapitel 7: Vakuumröhre
Kapitel 8: Transistor-Transistor-Logik
Kapitel 9: Tetrode
Kapitel 10: Pneumatik
Kapitel 11: Ventilator
Kapitel 12: Liste der Patente von Nikola Tesla
Kapitel 13: Hartley-Oszillator
Kapitel 14: Rückschlagventil
Kapitel 15: Flugsteuerungssystem
Kapitel 16: Hydraulische Maschinen
Kapitel 17: Elektronische Komponente
Kapitel 18: Elektronische Schaltung
Kapitel 19: Teslaventil
Kapitel 20: Elektrotechnik
Kapitel 21: Glossar der Elektro- und Elektroniktechnik
(II) Beantwortung der häufigsten Fragen der Öffentlichkeit zu fluidischen Flugsteuerungen.
(III) Reale Welt Beispiele für die Verwendung von fluidischen Flugsteuerungen in vielen Bereichen.
(IV) 17 Anhänge, um kurz 266 neue Technologien in jeder Branche zu erläutern, um ein 360-Grad-Vollverständnis der Technologien für fluidische Flugsteuerungen zu erhalten.
An wen richtet sich dieses Buch?
Profis, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Bastler und diejenigen, die über grundlegendes Wissen oder Informationen jeglicher Art hinausgehen möchten von fluidischen Flugsteuerungen.
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Rezensionen für Fluidische Flugsteuerungen
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Buchvorschau
Fluidische Flugsteuerungen - Fouad Sabry
Urheberrecht
Fluidic Flight Controls Copyright © 2022 by Fouad Sabry. Alle Rechte vorbehalten.
Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf in irgendeiner Form oder mit elektronischen oder mechanischen Mitteln, einschließlich Informationsspeicher- und -abrufsystemen, ohne schriftliche Genehmigung des Autors reproduziert werden. Die einzige Ausnahme ist ein Rezensent, der kurze Auszüge in einer Rezension zitieren kann.
Cover entworfen von Fouad Sabry.
Dieses Buch ist ein Werk der Fiktion. Namen, Charaktere, Orte und Ereignisse sind entweder Produkte der Phantasie des Autors oder werden fiktiv verwendet. Jede Ähnlichkeit mit realen Personen, lebenden oder toten, Ereignissen oder Schauplätzen ist völlig zufällig.
Bonus
Sie können eine E-Mail an 1BKOfficial.Org+FluidicFlightControls@gmail.com mit dem Betreff Fluidic Flight Controls: Future aviation where rolling and pitching without any control surfaces
senden und Sie erhalten eine E-Mail mit den ersten Kapiteln dieses Buches.
Fouad Sabry
Besuchen Sie die Website von 1BK unter
www.1BKOfficial.org
Vorwort
Warum habe ich dieses Buch geschrieben?
Die Geschichte des Schreibens dieses Buches begann 1989, als ich Schüler der Secondary School of Advanced Students war.
Es ist bemerkenswert wie die STEM-Schulen (Wissenschaft, Technologie, Ingenieurwesen und Mathematik), die jetzt in vielen fortgeschrittenen Ländern verfügbar sind.
STEM ist ein Lehrplan, der auf der Idee basiert, Schüler in vier spezifischen Disziplinen - Wissenschaft, Technologie, Ingenieurwesen und Mathematik - in einem interdisziplinären und angewandten Ansatz auszubilden. Dieser Begriff wird typischerweise verwendet, um eine Bildungspolitik oder eine Lehrplanwahl in Schulen anzusprechen. Es hat Auswirkungen auf die Entwicklung der Arbeitskräfte, nationale Sicherheitsbedenken und die Einwanderungspolitik.
Es gab eine wöchentliche Klasse in der Bibliothek, in der jeder Schüler jedes Buch frei wählen und 1 Stunde lang lesen kann. Ziel des Kurses ist es, die Schüler zu ermutigen, andere Fächer als den Lehrplan zu lesen.
In der Bibliothek, während ich mir die Bücher in den Regalen ansah, bemerkte ich riesige Bücher, insgesamt 5.000 Seiten in 5 Teilen. Der Buchname ist The Encyclopedia of Technology
, der alles um uns herum beschreibt, vomabsoluten Nullpunkt bis zu Halbleitern, fast jede Technologie wurde damals mit bunten Illustrationen und einfachen Worten erklärt. Ich fing an, die Enzyklopädie zu lesen, und natürlich konnte ich sie nicht in der 1-stündigen wöchentlichen Klasse beenden.
Also überzeugte ich meinen Vater, die Enzyklopädie zu kaufen. Mein Vater kaufte am Anfang meines Lebens alle technischen Werkzeuge für mich, den ersten Computer und die erste Technologie-Enzyklopädie, und beide haben einen großen Einfluss auf mich und meine Karriere.
Ich habe die gesamte Enzyklopädie in den Sommerferien dieses Jahres fertiggestellt, und dann begann ich zu sehen, wie das Universum funktioniert und wie man dieses Wissen auf alltägliche Probleme anwendet.
Meine Leidenschaft für die Technologie begann vor mehr als 30 Jahren und immer noch geht die Reise weiter.
Dieses Buch ist Teil von The Encyclopedia of Emerging Technologies
, was mein Versuch ist, den Lesern die gleiche erstaunliche Erfahrung zu geben, die ich in der High School hatte, aber anstelle von Technologien des 20. Jahrhunderts interessiere ich mich mehr für die aufkommenden Technologien, Anwendungen und Branchenlösungen des 21. Jahrhunderts.
The Encyclopedia of Emerging Technologies
wird aus 365 Büchern bestehen, jedes Buch wird sich auf eine einzelne aufkommende Technologie konzentrieren. Sie können die Liste der neuen Technologien und ihre Kategorisierung nach Branchen im Teil von Coming Soon
am Ende des Buches lesen.
365 Bücher, um den Lesern die Möglichkeit zu geben, ihr Wissen über eine einzige aufstrebende Technologie jeden Tag im Laufe eines Jahres zu erweitern.
Einleitung
Wie habe ich dieses Buch geschrieben?
In jedem Buch von The Encyclopedia of Emerging Technologies
versuche ich, sofortige, rohe Sucheinblicke direkt aus den Köpfen der Menschen zu erhalten und ihre Fragen über die aufkommende Technologie zu beantworten.
Es gibt jeden Tag 3 Milliarden Google-Suchanfragen, von denen 20% noch nie zuvor gesehen wurden. Sie sind wie ein direkter Draht zu den Gedanken der Menschen.
Manchmal ist das Wie entferne ich Papierstaus
. In anderen Fällen sind es die schmerzhaften Ängste und geheimen Sehnsüchte, die sie immer nur mit Google teilen würden.
In meinem Bestreben, eine unerschlossene Goldgrube an Inhaltsideen über Fluidic Flight Controls
zu entdecken, benutze ich viele Tools, um Autocomplete-Daten von Suchmaschinen wie Google zu hören, und kurbele dann schnell jede nützliche Phrase und Frage heraus, die die Leute um das Stichwort Fluidic Flight Controls
stellen.
Es ist eine Goldgrube an Menscheneinblicken, die ich nutzen kann, um frische, äußerst nützliche Inhalte, Produkte und Dienstleistungen zu erstellen. Die freundlichen Menschen, wie Sie, wollen es wirklich.
Personensuchen sind der wichtigste Datensatz, der jemals über die menschliche Psyche gesammelt wurde. Daher ist dieses Buch ein Live-Produkt und wird ständig durch immer mehr Antworten auf neue Fragen zu Fluidic Flight Controls
aktualisiert, die von Menschen wie Ihnen und mir gestellt werden, die sich über diese neue aufkommende Technologie wundern und mehr darüber erfahren möchten.
Der Ansatz beim Schreiben dieses Buches besteht darin, ein tieferes Verständnis dafür zu erlangen, wie Menschen in Fluidic Flight Controls
suchen, Fragen und Fragen aufzudecken, die ich nicht unbedingt aus dem Kopf heraus denken würde, und diese Fragen in super einfachen und verdaulichen Worten zu beantworten und das Buch auf einfache Weise zu navigieren.
Wenn es darum geht, dieses Buch zu schreiben, habe ich darauf geachtet, dass es so optimiert und zielgerichtet wie möglich ist. Dieser Buchzweck ist es, den Menschen zu helfen, ihr Wissen über Fluidic Flight Controls
weiter zu verstehen und zu erweitern. Ich versuche, die Fragen der Menschen so genau wie möglich zu beantworten und viel mehr zu zeigen.
Es ist eine fantastische und schöne Möglichkeit, Fragen und Probleme der Menschen zu erforschen und sie direkt zu beantworten und dem Inhalt des Buches Einsicht, Bestätigung und Kreativität hinzuzufügen - sogar Pitches und Vorschläge. Das Buch deckt reiche, weniger überfüllte und manchmal überraschende Forschungsbereiche auf, die ich sonst nicht erreichen würde. Es besteht kein Zweifel, dass erwartet wird, dass es das Wissen der potenziellen Leser erweitert, nachdem das Buch mit diesem Ansatz gelesen wurde.
Ich habe einen einzigartigen Ansatz angewendet, um den Inhalt dieses Buches immer frisch zu machen. Dieser Ansatz hängt davon ab, den Köpfen der Menschen zuzuhören, indem die Suchwerkzeuge verwendet werden. Dieser Ansatz hat mir geholfen:
Treffen Sie die Leser genau dort, wo sie sind, damit ich relevante Inhalte erstellen kann, die einen Nerv treffen und mehr Verständnis für das Thema schaffen.
Bleiben Sie am Puls der Zeit, damit ich Updates erhalten kann, wenn die Leute auf neue Weise über diese aufkommende Technologie sprechen, und Trends im Laufe der Zeit überwachen kann.
Entdecken Sie verborgene Schätze von Fragen, die Antworten auf die aufkommende Technologie benötigen, um unerwartete Einblicke und versteckte Nischen zu entdecken, die die Relevanz des Inhalts erhöhen und ihm einen entscheidenden Vorteil verschaffen.
Der Baustein für das Schreiben dieses Buches umfasst Folgendes:
(1) Ich habe aufgehört, die Zeit mit Bauchgefühl und Vermutungen über die von den Lesern gewünschten Inhalte zu verschwenden, den Buchinhalt mit dem gefüllt, was die Leute brauchen, und mich von den endlosen Inhaltsideen verabschiedet, die auf Spekulationen basieren.
(2) Ich habe solide Entscheidungen getroffen und bin weniger Risiken eingegangen, um in der ersten Reihe zu sehen, was die Leute lesen und wissen wollen - in Echtzeit - und Suchdaten zu verwenden, um mutige Entscheidungen darüber zu treffen, welche Themen aufgenommen und welche ausgeschlossen werden sollen.
(3) Ich habe meine Content-Produktion optimiert, um Content-Ideen zu identifizieren, ohne einzelne Meinungen manuell durchsuchen zu müssen, um Tage und sogar Wochen Zeit zu sparen.
Es ist wunderbar, den Menschen zu helfen, ihr Wissen auf einfache Weise zu erweitern, indem sie nur ihre Fragen beantworten.
Ich denke, der Ansatz, dieses Buch zu schreiben, ist einzigartig, da es die wichtigen Fragen sammelt und verfolgt, die von den Lesern in Suchmaschinen gestellt werden.
Bestätigungen
Ein Buch zu schreiben ist schwieriger als ich dachte und lohnender, als ich es mir jemals hätte vorstellen können. Nichts davon wäre ohne die Arbeit renommierter Forscher möglich gewesen, und ich möchte ihre Bemühungen würdigen, das Wissen der Öffentlichkeit über diese neue Technologie zu verbessern.
Widmung
Für die Erleuchteten, diejenigen, die die Dinge anders sehen und wollen, dass die Welt besser wird - sie mögen den Status quo oder den bestehenden Staat nicht. Du kannst ihnen zu sehr widersprechen, und du kannst noch mehr mit ihnen streiten, aber du kannst sie nicht ignorieren, und du darfst sie nicht unterschätzen, weil sie immer Dinge verändern ... Sie treiben die menschliche Rasse voran, und während einige sie als die Verrückten oder Amateure betrachten, sehen andere Genie und Innovatoren, weil diejenigen, die erleuchtet genug sind, um zu denken, dass sie die Welt verändern können, diejenigen sind, die es tun und die Menschen zur Aufklärung führen.
Epigraph
Die Verwendung eines Fluids zur Durchführung analoger oder digitaler Operationen analog zu elektrischen Geräten wird als Fluidik oder fluidische Logik bezeichnet.
Inhaltsverzeichnis
Urheberrecht
Bonus
Vorwort
Einleitung
Bestätigungen
Widmung
Epigraph
Inhaltsverzeichnis
Kapitel 1: Fluidik
Kapitel 2: Elektronik
Kapitel 3: Elektronischer Oszillator
Kapitel 4: Verstärker
Kapitel 5: Feedback
Kapitel 6: Transistor
Kapitel 7: Vakuumröhre
Kapitel 8: Transistortransistorlogik
Kapitel 9: Tetrode
Kapitel 10: Pneumatik
Kapitel 11: Beatmungsgerät
Kapitel 12: Liste der Patente von Nikola Tesla
Kapitel 13: Hartley-Oszillator
Kapitel 14: Rückschlagventil
Kapitel 15: Flugsteuerungssystem für Flugzeuge
Kapitel 16: Hydraulische Maschinen
Kapitel 17: Atombatterie
Kapitel 18: Elektronische Schaltung
Kapitel 19: Tesla-Ventil
Kapitel 20: Elektrotechnik
Kapitel 21: Glossar der Elektrotechnik und Elektronik
Epilog
Über den Autor
Demnächst
Anhänge: Neue Technologien in jeder Branche
Kapitel 1: Fluidik
Die Verwendung einer Flüssigkeit zur Durchführung analoger oder digitaler Operationen in einer Weise, die der Elektronik entspricht, wird als Fluidik bezeichnet, manchmal auch als fluidische Logik bezeichnet.
Pneumatik und Hydraulik liefern die theoretischen Grundlagen für die Strömungsdynamik, die wiederum als Grundlage für die physikalischen Grundlagen der Fluidik dient. Fluidik ist ein Wort, das oft für Situationen reserviert ist, in denen das betreffende Gerät keine beweglichen Teile hat; Daher werden gängige Hydraulikkomponenten wie Schieberventile und Hydraulikzylinder nicht erkannt oder als fluidische Geräte bezeichnet.
Wenn ein kleinerer Flüssigkeitsstrahl von der Seite auf einen größeren Flüssigkeitsstrahl trifft, kann der größere Strahl abgelenkt werden. Dies führt zu einer nichtlinearen Verstärkung, die analog zur Funktion des Transistors in der elektronischen digitalen Logik ist. Die meisten Anwendungen für diese Art von Logik umfassen Einstellungen, in denen elektronische digitale Logik instabil wäre, z. B. in Systemen, die hohen Mengen an elektromagnetischen Störungen oder ionisierender Strahlung ausgesetzt sind.
Die Fluidik ist eines der Instrumente, die die Nanotechnologie für eines ihrer Werkzeuge hält. In diesem Bereich sind die Auswirkungen von Grenzflächenkräften zwischen Fluiden und Festkörpern sowie Fluiden und Fluiden oft recht erheblich. Das Militär hat auch die Fluidik in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt.
Nikola Tesla erhielt im Jahr 1920 ein Patent für eine Klappenleitung, manchmal auch als Tesla-Ventil bekannt. Dieses Ventil fungiert als fluidische Diode. Es ist eine undichte Diode, was bedeutet, dass der Rückfluss für eine Druckdifferenz, die ihr zugeführt wird, nicht Null ist. Das Tesla-Ventil zeigt auch eine nichtlineare Reaktion, da die Diodizität des Ventils von der Frequenz abhängt. In Flüssigkeitskreisläufen, wie z. B. einem Vollwellengleichrichter, kann es verwendet werden, um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Als Billy M. Horton von den Harry Diamond Laboratories (die später Teil des Army Research Laboratory wurden) erkannte, dass er die Richtung der Rauchgase mit einem kleinen Blasebalg umlenken konnte, hatte er 1957 die erste Idee für den fluidischen Verstärker. Billy M. Horton gilt als Erfinder des fluidischen Verstärkers.
Es ist möglich, logische Gatter zu konstruieren, deren Gating-Funktion eher mit Wasser als mit Strom betrieben wird.
Diese funktionieren nur richtig, wenn sie in einer bestimmten Ausrichtung platziert werden, die jederzeit eingehalten werden muss.
Einfach zwei separate Ströme miteinander zu verbinden, ist das, was ein OR-Gate tut, und ein NOT-Gate (Wechselrichter) besteht aus A
, das einen Versorgungsstrom ablenkt, um Ā zu erzeugen.
Die Abbildung enthält eine grobe Zeichnung sowohl des UND-Gatters als auch des XOR-Gatters.
Das XOR-Gate kann auch verwendet werden, um einen Wechselrichter zu bauen, falls gewünscht, als A XOR 1 = Ā.
In einem fluidischen Verstärker erreicht eine Flüssigkeitszufuhr, die nur Luft, Wasser oder Hydraulikflüssigkeit sein kann, von unten nach oben.
Der Druck auf die Steueranschlüsse C 1 oder C 2 lenkt den Strom so ab, dass er entweder über Port O1 oder O2 austritt.
Es ist möglich, dass die Strömung, die abgelenkt wird, deutlich stärker ist als die Strömung, die in die Steueranschlüsse eintritt.
Diese grundlegende Vorrichtung kann beim Bau weiterer fluidischer Logikkomponenten sowie Oszillatoren für fluidische Schaltungen verwendet werden, die ähnlich wie Flip-Flops funktionieren. Daher können einfache digitale Logiksysteme konstruiert werden.
Fluidische Verstärker haben oft Bandbreiten im niedrigen Kilohertz-Bereich, was dazu führt, dass die daraus entstehenden Systeme im Vergleich zu elektrischen Geräten eher träge sind.
Fluiddioden, ein Flüssigkeitsoszillator und eine Vielzahl von hydraulischen Schaltkreisen
, darunter eine, die kein elektrisches Äquivalent hat, wurden ebenfalls hergestellt. Die fluidische Triode, eine Verstärkungsvorrichtung, die eine Flüssigkeit verwendet, um das Signal zu transportieren, ist eine weitere Erfindung, die gemacht wurde.
Da der 1949 geschaffene MONIAC-Computer, der für die Vermittlung ökonomischer Konzepte verwendet wurde, ein fluidbasierter Analogcomputer war, war er in der Lage, komplizierte Simulationen auf eine Weise zu replizieren, wie es digitale Computer damals nicht konnten. Etwa zwölf bis vierzehn wurden gebaut, und Unternehmen und Bildungseinrichtungen kauften sie.
1964 wurde der FLODAC Computer gebaut, der als Proof of Concept für einen flüssigen Digitalrechner diente.
Einige hydraulische und pneumatische Systeme, wie einige Arten von Automatikgetrieben in Automobilen, enthalten und verwenden sowohl fluidische Komponenten. Die Bedeutung der Fluidik in der industriellen Steuerung hat aufgrund der zunehmenden Verbreitung digitaler Logik im Bereich der industriellen Steuerung abgenommen.
Im Verbrauchermarkt werden fluidisch gesteuerte Geräte immer beliebter und präsenter. Diese Produkte werden in einer größeren Vielfalt von Produkten installiert, von Spielzeugspritzpistolen über Duschköpfe bis hin zu Whirlpooldüsen. Sie alle liefern oszillierende oder pulsierende Luft- oder Wasserströme.
Die Verwendung von Fluidlogik ermöglicht die Erstellung eines Ventils, das keine beweglichen Komponenten hat, wie sie in einigen Anästhesiegeräten zu sehen sind. Für Anwendungen wie diese ist die Fluidik aufgrund ihrer geringeren Masse, Kosten (bis zu 50 Prozent weniger), Luftwiderstand (bis zu 15 Prozent weniger während des Gebrauchs), Trägheit (für schnellere, stärkere Regelreaktion), Komplexität (mechanisch einfacher, weniger oder keine beweglichen Teile oder Oberflächen, weniger Wartung) und Radarquerschnitt für Stealth wünschenswert. All diese Vorteile machen die Fluidik zu einer attraktiven Wahl. Dies wird wahrscheinlich in vielen unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs), Kampfflugzeugen der 6. Generation und Schiffen eingesetzt.
Zwei fluidisch gesteuerte unbemannte Flugzeuge wurden von BAE Systems getestet, von denen das erste 2010 begann und den Namen Demon erhielt.
{Ende Kapitel 1}
Kapitel 2: Elektronik
Die Untersuchung der Emission, des Verhaltens und der Folgen von Elektronen durch den Einsatz elektronischer Geräte steht im Mittelpunkt der Disziplin Elektronik, die ein Teilgebiet sowohl der Physik als auch der Elektrotechnik ist. Im Gegensatz zur traditionellen Elektrotechnik, die ausschließlich auf passive Effekte wie Widerstand, Kapazität und Induktivität angewiesen ist, um den Fluss des elektrischen Stroms zu regulieren, verwendet die Elektronik aktive Geräte, um den Elektronenfluss durch Verstärkung und Gleichrichtung zu steuern. Damit hebt sie sich vom Bereich der Elektrotechnik ab, der als klassisch
bezeichnet wird.
Die Erfindung der Elektronik hatte einen bedeutenden Einfluss auf das Wachstum der zeitgenössischen Zivilisation. Die Entdeckung des Elektrons im Jahr 1897 und die anschließende Entwicklung der Vakuumröhre, die schwache elektrische Impulse verstärken und korrigieren konnte, markierte den Beginn des Feldes der Elektronik und der Elektronenära. In den frühen 1900er Jahren erfanden Ambrose Fleming und Lee De Forest die Diode bzw. die Triode. Diese Erfindungen ermöglichten es einer nichtmechanischen Vorrichtung, winzige elektrische Spannungen zu erfassen, wie z. B. Funksignale, die von einer Radioantenne ausgehen. Dies ebnete den Weg für den Beginn praktischer Anwendungen.
Sie ermöglichten den Bau von Geräten, die Stromverstärkung und -gleichrichtung verwendeten, was uns Radio, Fernsehen, Radar, Ferntelefonie und vieles mehr ermöglichte. Vakuumröhren, auch thermoonische Ventile genannt, waren die ersten aktiven elektronischen Komponenten. Sie steuerten den Stromfluss, indem sie den Fluss einzelner Elektronen beeinflussten. In den 1920er Jahren verbreiteten sich kommerzielle Radiosendungen und Kommunikationen, und elektronische Verstärker wurden in so unterschiedlichen Anwendungen wie der Ferntelefonie und der Musikaufnahmeindustrie eingesetzt. Das frühe Wachstum der Elektronik war rasant, und in den 1920er Jahren wurden kommerzielle Radiosendungen und Kommunikation weit verbreitet.
Der anschließende bedeutende technologische Fortschritt fand erst nach einigen Jahrzehnten statt, und erst 1947 entwickelten John Bardeen und Walter Houser Brattain von den Bell Labs den ersten operationellen Punktkontakttransistor. Dennoch waren Vakuumröhren bis Mitte der 1980er Jahre die dominierende Technologie in den Bereichen Mikrowellen- und Hochleistungsübertragung sowie Fernsehempfänger. Dies war in beiden Bereichen der Fall. Seitdem haben Produkte mit Solid-State-Technologie den Markt fast vollständig erobert. Einige spezialisierte Anwendungen, wie Hochleistungs-HF-Verstärker, Kathodenstrahlröhren, spezielle Audiogeräte, Gitarrenverstärker und einige Mikrowellengeräte, verwenden weiterhin Vakuumröhren.
Es wird angenommen, dass der IBM 608, der im April 1955 veröffentlicht wurde, der erste volltransistorisierte Taschenrechner war, der für den kommerziellen Markt gebaut wurde. Der IBM 608 war das erste von IBM entwickelte Gerät, das Transistorschaltungen anstelle von Vakuumröhren verwendete. Dieses Problem wurde gelöst, als Jack Kilby und Robert Noyce die integrierte Schaltung entwickelten. In ihrem Design wurden der Chip und alle elektronischen Komponenten aus einem einzigen Block (oder Monolithen) aus Halbleitermaterial hergestellt. Sowohl die Größe der Schaltkreise als auch der Herstellungsprozess können reduziert werden, was die Möglichkeit der Automatisierung ermöglicht. Dies führte zu dem Konzept, alle Komponenten auf einen einkristallinen Siliziumwafer zu integrieren, was wiederum zur Entwicklung der Small-Scale-Integration (SSI) in den frühen 1960er Jahren führte, gefolgt von der Medium-Scale-Integration (MSI) in den späten 1960er Jahren und schließlich der Very Large Scale Integration (VLSI). 2008 war das Jahr, in dem Milliarden-Transistor-Prozessoren für den kommerziellen Einsatz verfügbar waren.
Im Folgenden finden Sie eine Liste der wichtigsten Teilbereiche der Elektronik im Jahr 2022:
Digitale Elektronik
Analoge Elektronik
Mikroelektronik
Schaltungsentwicklung
Integrierte Schaltungen
Leistungselektronik
Optoelektronik
Halbleiterbauelemente
Eingebettete Systeme
Audioelektronik
Telekommunikation
Nanoelektronik
Bioelektronik
Jeder Teil eines elektronischen Systems, ob aktiv oder passiv, kann als Bestandteil des elektronischen Systems betrachtet werden. Um eine elektronische Schaltung herzustellen, die in der Lage ist, eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen, müssen zunächst ihre einzelnen Komponenten miteinander verbunden werden. Dies wird häufig erreicht, indem die Komponenten auf eine Leiterplatte (PCB) gelötet werden. Einzelne Komponenten können gepackt werden, oder sie können in komplizierteren Gruppierungen zu integrierten Schaltkreisen zusammengefasst werden. Elektronische Komponenten wie Kondensatoren, Induktivitäten und Widerstände sind Beispiele für passive Bauelemente. Zu den aktiven elektronischen Bauelementen gehören dagegen Halbleiterbauelemente wie Transistoren und Thyristoren, die den Stromfluss auf Elektronenebene regulieren.
Analog und digital sind die beiden Kategorien, die verwendet werden können, um die Funktionalität einer elektronischen Schaltung zu kategorisieren. Eine oder beide dieser Formen von Schaltungen können in einer einzelnen Vorrichtung enthalten sein, oder die Vorrichtung kann aus einer Kombination der beiden bestehen. Da immer mehr Operationen in digitale Formate konvertiert werden, finden analoge Schaltungen immer weniger Verwendung in der modernen Elektronik.
Die überwiegende Mehrheit der elektronischen Geräte, die analoge Signale verwenden, wie z. B. Funkempfänger, werden unter Verwendung vieler Permutationen von nur wenigen Arten von grundlegenden Schaltungen zusammengesetzt. Im Gegensatz zu digitalen Schaltungen, die diskrete Mengen an Spannung oder Strom verwenden, nutzen analoge Schaltungen ein kontinuierliches Spektrum dieser Größen.
Da eine Schaltung
als alles von einer einzelnen Komponente bis hin zu Systemen mit Tausenden von Komponenten definiert werden kann, ist die Anzahl der verschiedenen analogen Schaltungen, die bis zu diesem Punkt erfunden wurden, ziemlich hoch.
Obwohl verschiedene nichtlineare Effekte in analogen Schaltungen wie Mischern, Modulatoren und anderen ähnlichen Komponenten verwendet werden, werden analoge Schaltungen häufig als lineare Schaltungen bezeichnet. Verstärker, die mit Vakuumröhren und Transistoren gebaut werden, sowie Operationsverstärker und Oszillatoren sind hervorragende Beispiele für analoge Schaltungen.
In der heutigen Welt können analoge Schaltungen digitale oder sogar Mikroprozessortechnologie verwenden, um ihre Leistung zu steigern. Vollständig analoge Schaltungen sind in der heutigen technologischen Welt etwas ungewöhnlich. Anstelle der Begriffe analog oder digital wird oft der Begriff Mixed Signal
verwendet, um sich auf diese Art von Schaltung zu beziehen.
Da lineare und nichtlineare Betriebsmodi sowohl in analogen als auch in digitalen Schaltungen vorhanden sind, ist es nicht immer einfach, den Unterschied zwischen den beiden Arten von Schaltungen zu erkennen. Komparatoren sind eine Art Analog-Digital-Wandler, die einen kontinuierlichen Spannungsbereich aufnehmen, aber nur einen von zwei Werten ausgeben, ähnlich wie digitale Schaltungen. In ähnlicher Weise kann ein übersteuerter Transistorverstärker die Eigenschaften eines gesteuerten Schalters mit grundsätzlich zwei Ausgangspegeln annehmen. Zu diesen Merkmalen gehören: Tatsächlich sind viele digitale Schaltungen tatsächlich als Varianten analoger Schaltungen ähnlich wie in diesem Beispiel implementiert. In Anbetracht der Tatsache, dass die meisten Eigenschaften der realen physischen Welt analog sind, können digitale Effekte nur erreicht werden, wenn das Verhalten analoger Komponenten eingeschränkt wird.
Digitale Schaltungen sind elektrische Schaltungen, die auf einer Reihe diskreter Spannungswerte basieren. Die gebräuchlichste physikalische Darstellung der Booleschen Algebra wird als digitale Schaltung bezeichnet, und digitale Schaltungen dienen als Grundlage für alle modernen digitalen Computer. Bei der Diskussion über digitale Schaltungen sind die Ausdrücke digitale Schaltung
, digitales System
und Logik
in den Köpfen der überwiegenden Mehrheit der Ingenieure synonyme Konzepte. Die überwiegende Mehrheit der digitalen Schaltungen implementiert ein binäres System, das aus zwei Spannungsebenen besteht, die als 0
und 1
bezeichnet werden. Der Logikwert 0
hat oft eine niedrigere Spannung und wird als Niedrig
bezeichnet, während der Logikwert 1
als Hoch
bezeichnet wird. Auf der anderen Seite arbeiten einige Systeme auf einer aktuellen Basis, während andere eine Definition verwenden, in der 0
Hoch
darstellt. In vielen Fällen wechselt der Logikdesigner diese Definitionen von einer Schaltung zur nächsten, während sie den Entwurfsprozess durchlaufen, um sich selbst zu erleichtern. Es gibt keinen Reim oder Grund dafür, wie die Ebenen als 0
oder 1
definiert werden.
Dreifach (mit drei Zuständen) Es wurde über Logik geforscht und Prototypen von Computern entwickelt.
Digitale Schaltungen sind die Bausteine für elektronische Geräte wie Computer, elektronische Uhren und speicherprogrammierbare Steuerungen, mit denen verschiedene industrielle Prozesse geregelt werden. Ein weiteres Beispiel dafür wären digitale Signalprozessoren.
Bausteine:
Feldeffekttransistor aus Metalloxid und Halbleitern (MOSFET)
Logikgatter
Kreuzotter
Flip-Flops
Leistungsindikatoren
Register
Multiplexer
Schmitt-Trigger
Hochintegrierte Maschinen und Anlagen:
Speicherchip
Mikroprozessoren
Mikrocontroller
Integrierter Schaltkreis, der auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten ist (ASIC)
Digitaler Signalprozessor (DSP)
FPGA (Field-Programmable Gate Array)
FPAA (Field-Programmable Analog Array)
Embedded System on a Chip (SOC)
Es ist notwendig, die Wärme zu entfernen, die von elektronischen Schaltkreisen erzeugt wird, um einen sofortigen Ausfall zu vermeiden und die langfristige Zuverlässigkeit zu erhöhen. Der Großteil der Wärmeableitung wird durch passive Leitung und Konvektion erreicht. Eine größere Verlustleistung kann durch die Verwendung von Kühlkörpern und Lüftern zur Luftkühlung sowie durch die Verwendung alternativer Arten der Computerkühlung, wie z. B. Wasserkühlung, erreicht werden. Diese Methoden nutzen drei verschiedene Möglichkeiten, Wärmeenergie zu übertragen: Konvektion, Leitung und Strahlung.
Der Begriff elektronisches Rauschen
bezieht sich auf nicht erwünschte Störungen, die ein nützliches Signal überlagern und dazu neigen, den Informationsgehalt des Signals zu verschleiern. Die Signalverzerrung, die durch eine Schaltung erzeugt werden kann, ist nicht dasselbe wie Rauschen. Es ist immer ein gewisses Maß an Rauschen in elektrischen Schaltkreisen vorhanden. Die Arbeitstemperatur des Stromkreises kann gesenkt werden, um die Menge an Rauschen zu reduzieren, die durch elektromagnetische oder thermische Aktivität verursacht worden sein kann. Andere Formen von Lärm, wie z. B. Schussrauschen, können aufgrund der Einschränkungen, die durch die zugrunde liegenden physikalischen Merkmale auferlegt werden, nicht eliminiert werden.
Das Studium der Elektronik erfordert die Verwendung mathematischer Prinzipien durchgehend. Um die Elektronik zu beherrschen, ist es außerdem erforderlich, die Mathematik der Schaltungsanalyse zu beherrschen.
Das Studium von Techniken zur Auflösung linearer Systeme mit unbekannten Variablen, wie der Spannung an einem bestimmten Knoten oder dem Strom, der durch einen bestimmten Zweig eines Netzwerks fließt, wird als Schaltungsanalyse bezeichnet. Der SPICE-Schaltungssimulator ist ein typisches Analysewerkzeug für diesen speziellen Zweck.
Das Studium und das Verständnis der elektromagnetischen Feldtheorie sind auch für das Fach Elektronik von großer Bedeutung.
Experimente, die in Laboratorien durchgeführt werden, sind aufgrund der komplizierten Natur der Theorie hinter der Elektronik ein wesentlicher Bestandteil des Entwurfsprozesses für elektrische Geräte. Diese Experimente werden durchgeführt, um das Design des Ingenieurs zu testen oder zu verifizieren und etwaige Fehler zu lokalisieren. Traditionell waren Elektroniklabore physische Standorte, an denen elektrische Geräte und Geräte untergebracht sind. In den letzten Jahren gab es jedoch eine Verschiebung hin zum Einsatz von Simulationssoftware für Elektroniklabore. Einige Beispiele für diese Software sind CircuitLogix, Multisim und PSpice.
Elektronikingenieure von heute sind in der Lage, Schaltungen unter Verwendung von vorgefertigten Bausteinen wie Stromversorgung, Halbleitern (was sich auf Halbleiterbauelemente wie Transistoren bezieht) und integrierten Schaltkreisen zu entwerfen. Zu den Programmen, die unter die Kategorie der elektronischen Designautomatisierungssoftware fallen, gehören Programme zur Schaltplanerfassung und Programme für das Leiterplattendesign. Die Namen NI Multisim, Cadence (ORCAD), EAGLE PCB and Schematic, Mentor (PADS PCB and LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA, KiCad und viele mehr sind im Bereich der EDA-Software (Electronic Design Automation) bekannt.
Im Laufe der Geschichte wurden eine Vielzahl von Ansätzen zum Fügen von Bauteilen verwendet. Zum Beispiel wurde in den frühen Tagen der Elektronik oft Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung verwendet, um Schaltungen herzustellen, und Komponenten wurden typischerweise an Holz-Steckbrettern befestigt. Das Bauen mit Cordholz und das Umwickeln von Objekten mit Draht waren zwei weitere Ansätze. Der Großteil der heutigen Elektronik besteht aus Leiterplatten aus Materialien wie FR4 oder dem kostengünstigeren (aber weniger haltbaren) Kunstharzpapier (SRBP, auch bekannt als Paxoline / Paxolin (Marken) und FR2), das an der braunen Farbe seiner Oberfläche identifiziert werden kann. In den letzten Jahren haben Gesundheits- und Umweltrisiken im Zusammenhang mit elektronischen Baugruppen zunehmend Aufmerksamkeit erhalten, insbesondere für Artikel, die in Europa verkauft werden.
Die multidisziplinären Designherausforderungen anspruchsvoller elektronischer Geräte und Systeme wie Mobiltelefone und Computer stehen im Mittelpunkt des Bereichs des Designs elektronischer Systeme. Das Themenspektrum umfasst ein breites Themenspektrum, das von der Konzeption und Entwicklung eines elektronischen Systems (Neuproduktentwicklung) über die Sicherstellung des korrekten Betriebs, der Lebensdauer und der Entsorgung nach der Nutzungsdauer reicht. Daher ist das Design elektronischer Systeme der Prozess der Definition und Gestaltung komplizierter elektronischer Geräte, um die vom Benutzer angegebenen Bedürfnisse zu erfüllen.
Im Folgenden sind einige der gebräuchlichsten Methoden zur Montage elektrischer Komponenten aufgeführt:
Ein Durchgangsloch (auch bekannt als Pin-Through-Hole
) ist ein Loch, durch das Stifte hindurchgelassen werden können.
Oberflächenmontage
Gehäusemontage
Rackmontage
LGA/BGA/PGA-Buchse
Es gibt mehrere Teilindustrien, aus denen sich die Elektronikindustrie zusammensetzt. Die Halbleiterindustrie ist der Hauptmotivationsfaktor für die gesamte Elektronikindustrie,
{Ende Kapitel 2}
Kapitel 3: Elektronischer Oszillator
Ein elektronischer Oszillator ist eine Schaltung, die ein periodisches, oszillierendes elektronisches Signal erzeugt. Dieses Signal ist meistens eine Sinuswelle, obwohl es auch eine Rechteckwelle oder eine Dreieckswelle sein kann.
Oszillatoren werden oft nach der Frequenz des Signals klassifiziert, das sie aussenden:
Ein elektronischer Oszillator wird als Niederfrequenzoszillator, kurz LFO, bezeichnet. Diese Art von Oszillator erzeugt eine Frequenz, die niedriger als etwa 20 Hz ist. Dieser Ausdruck wird hauptsächlich im Bereich der Audiosynthese verwendet und wird verwendet, um einen Audiofrequenzoszillator von einem Klangsyntheseoszillator zu unterscheiden.
Ein Audio-Oszillator erzeugt Frequenzen im hörbaren Spektrum, das von 16 Hertz bis 20 Kilohertz reicht.
Ein HF-Oszillator ist ein Gerät, das Signale im Hochfrequenzspektrum (RF) erzeugt, das sich von etwa 100 kHz bis 100 GHz erstreckt. Trotz der Tatsache, dass der Ausdruck derzeit häufiger verwendet wird, um sich auf DC-DC-Abwärtswandler zu beziehen.
Der lineare oder harmonische Oszillator und der nichtlineare oder Relaxationsoszillator sind die beiden Haupttypen von Oszillatoren, die in elektrischen Geräten gefunden werden können.
Quarzoszillatoren sind in der modernen Elektronik sehr verbreitet und können Frequenzen von 32 kHz bis über 150 MHz erzeugen. Kristalle mit einer Frequenz von 32 kHz werden typischerweise zur Zeitmessung verwendet, während Kristalle mit höheren Frequenzen typischerweise für die Takterzeugung und HF-Anwendungen verwendet werden.
Der sinusförmige Ausgang wird durch den harmonischen oder linearen Oszillator erzeugt. Es gibt zwei verschiedene Sorten:
Ein elektronischer Verstärker, wie ein Transistor oder Operationsverstärker, der in einer Rückkopplungsschleife gekoppelt ist, ist die gebräuchlichste Art von linearem Oszillator. Bei diesem Oszillatortyp wird der Ausgang über einen frequenzselektiven elektronischen Filter in den Eingang zurückgeführt, um eine positive Rückkopplung zu erzeugen. Nach dem ersten Einschalten der Stromversorgung des Verstärkers erzeugt elektrisches Rauschen in der Schaltung ein Signal, das nicht Null ist, wodurch Schwingungen beginnen. Das Rauschen wird verstärkt und gefiltert, bis es sehr schnell auf einer Sinuswelle mit einer einzigen Frequenz konvergiert, während es sich um die Schleife bewegt.
Die Art des frequenzselektiven Filters, der in der Rückkopplungsschleife verwendet wird, kann verwendet werden, um Rückkopplungsoszillatorschaltungen zu kategorisieren:
Der Filter in einer Schaltung, die einen RC-Oszillator enthält, besteht aus einem Netzwerk von Widerständen und Kondensatoren. Die meiste Zeit werden RC-Oszillatoren verwendet, um niedrigere Frequenzen zu erzeugen, wie sie im hörbaren Spektrum zu finden sind. Der Phasenschiebeoszillator und der Wien-Brückenoszillator sind beide Beispiele für gängige Arten von Schaltungen, die RC-Oszillatoren enthalten. LR-Oszillatoren, die Induktivitäts- und Widerstandsfilter verwenden, existieren ebenfalls; Sie sind jedoch aufgrund der Größe einer Induktivität, die notwendig ist, um einen Wert zu erreichen, der für den Einsatz bei niedrigeren Frequenzen geeignet ist, weitaus seltener.
Eine Induktivität (L) und ein Kondensator (C), die miteinander gekoppelt sind und als Resonator fungieren, bilden die abgestimmte Schaltung, die als Filter in einer LC-Oszillatorschaltung dient. Diese Art von Schaltung wird manchmal als Tankkreislauf bezeichnet. zusätzlich zu Clapp-Schaltungen.
Ein piezoelektrischer Kristall dient als Filter der Schaltung in einem Beispiel für einen Quarzoszillator (üblicherweise ein Quarzkristall).
Lineare Oszillatoren können mit Ein-Port-Geräten (zwei Anschlüssen) mit negativem Widerstand wie Magnetronröhren, Tunneldioden, IMPATT-Dioden und Gunn-Dioden konstruiert werden. Neben den oben beschriebenen Feedback-Oszillatoren, die zwei-port-verstärkende aktive Elemente wie Transistoren und Operationsverstärker verwenden, können auch lineare Oszillatoren mit den oben beschriebenen Rückkopplungsoszillatoren aufgebaut werden. Bei hohen Frequenzen, oft im Mikrowellenbereich und höher, arbeiten Rückkopplungsoszillatoren aufgrund der starken Phasenverschiebung im Rückkopplungskreis schlecht. Aus diesem Grund werden bei diesen Frequenzen typischerweise Oszillatoren mit negativem Widerstand anstelle von Rückkopplungsoszillatoren eingesetzt.
Ein Resonanzkreis, z. B. ein LC-Schaltkreis, ein Quarz oder ein Hohlraumresonator, ist über ein Gerät mit negativem Differenzwiderstand verbunden, um Oszillatoren mit negativem Widerstand zu erzeugen. Zusätzlich wird eine DC-Vorspannung hinzugefügt, um die notwendige Energie zu liefern. Wenn aktiviert, kann ein Resonanzkreis