อิเล็กทรอนิกส์

อิเล็กทรอนิกส์ (อังกฤษ: electronics) เป็นเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับวงจรไฟฟ้าที่ประกอบด้วยอุปกรณ์ไฟฟ้าที่เป็น active component เช่นหลอดสูญญากาศ, ทรานซิสเตอร์, ไดโอด และ Integrated Circuit และ ชิ้นส่วน พาสซีฟ (อังกฤษ: passive component) เช่น ตัวนำไฟฟ้า, ตัวต้านทานไฟฟ้า, ตัวเก็บประจุ และคอยล์ พฤติกรรมไม่เชิงเส้นของ active component และความสามารถในการควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนทำให้สามารถขยายสัญญาณอ่อนๆให้แรงขึ้นเพื่อการสื่อสารทางภาพและเสียงเช่นโทรเลข, โทรศัพท์, วิทยุ, โทรทัศน์ เป็นต้น อิเล็กทรอนิกส์ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการสื่อสารข้อมูลโทรคมนาคม ความสามารถของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำหน้าที่เป็นสวิทช์ปิดเปิดวงจรถูกนำไปใช้ในวงจร ลอจิกเกต ซึ่งเป็นส่วนสำคัญหลักในระบบคอมพิวเตอร์ นอกจากนั้น วงจรอิเล็กทรอนิกส์ยังถูกนำไปใช้ผลิตเครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือน ในการส่งพลังงานไฟฟ้าเป็นระยะทางไกลๆ การผลิตพลังงานทดแทน และอุตสาหกรรมต่างๆอีกมาก

อิเล็กทรอนิกส์แตกต่างจากวิทยาศาสตร์ไฟฟ้าและเทคโนโลยีเครื่องกลไฟฟ้า โดยจะเกี่ยวข้องกับการสร้าง, การกระจาย, การสวิทช์, การจัดเก็บและการแปลงพลังงานไฟฟ้าไปและมาจากพลังงานรูปแบบอื่น ๆ โดยใช้สายไฟ, มอเตอร์, เครื่องกำเนิดไฟฟ้า, แบตเตอรี่, สวิตช์, รีเลย์, หม้อแปลงไฟฟ้า ตัวต้านทานและส่วนประกอบที่เป็นพาสซีพอื่นๆ ความแตกต่างนี้เริ่มราวปี 1906 เป็นผลจากการประดิษฐ์ไตรโอดโดยลี เดอ ฟอเรสท์ ซึ่งใช้ขยายสัญญาณวิทยุที่อ่อนๆได้ ทำให้เกิดการออกแบบและพัฒนาระบบการรับส่งสัญญาณเสียงและหลอดสูญญากาศ จึงเรียกสาขานี้ว่า "เทคโนโลยีวิทยุ" จนถึงปี 1950

ปัจจุบัน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ ใช้ชิ้นส่วนสารกึ่งตัวนำเพื่อควบคุมการทำงานของอิเล็กตรอน การศึกษาเกี่ยวกับอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำและเทคโนโลยีโซลิดสเตต ในขณะที่การออกแบบและการสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์ในการแก้ปัญหาในทางปฏิบัติอยู่ภายใต้สาขาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และส่วนประกอบ

ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบ่งออกเป็น 2 ส่วนใหญ่ๆคือ ส่วนที่เป็นแอคทีพคือต้องมีกระแสไฟฟ้าป้อนให้ตลอดจึงทำงานได้ เช่น หลอดสูญญากาศ, ทรานซิสเตอร์ เป็นต้น อีกส่วนหนึ่งคือพาสซีพคือการทำงานได้โดยไม่ต้องมีกระแสไฟฟ้าแต่ใช้คุณสมบัติส่วนตัวเช่นตัวต้านทาน, ตัวเก็บประจุ, หม้อแปลง, สายไฟ, ใยแก้วนำแสง, คอยล์ เป็นต้น ชื้นส่วนเหล่านี้จะเชื่อมต่อกันด้วยการบัดกรีบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เพื่อสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีฟังก์ชันโดยเฉพาะ (เช่นเครื่องขยายเสียงสัญญาณวิทยุหรือ oscillator) ชิ้นส่วนประกอบอาจประกอบโดยลำพังหรือเป็นกลุ่มที่ซับซ้อนมากขึ้นเป็นวงจรรวม

ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ในช่วงต้น

หลอดสูญญากาศเป็นหนึ่งในชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่เก่าแก่ที่สุด ใช้เป็นชิ้นส่วนหลักในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จนถึงกลางทศวรรษที่ 1980. หลังจากนั้นอุปกรณ์โซลิดสเตตได้เข้ามาแทนที่อย่างสิ้นเชิง หลอดสูญญากาศยังคงถูกใช้ในบางงานที่ต้องการความสามารถพิเศษ เช่นเครื่องขยายสัญญาณวิทยุกำลังสูง, จอภาพ, อุปกรณ์ภาพและเสียงสำหรับมืออาชีพบางชนิด,และอุปกรณ์ไมโครเวฟต่างๆ

ประเภทของวงจร

วงจรและส่วนประกอบสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม: แอนะล็อกและดิจิทัล อุปกรณ์เฉพาะอย่างอาจประกอบด้วยทั้งสองประเภท

วงจรอะนาล็อก

เครื่องใช้ไฟฟ้าอะนาล็อกส่วนใหญ่ เช่นเครื่องรับวิทยุ ถูกสร้างขึ้นจากการรวมกันของวงจรพื้นฐานไม่กี่ชนิด วงจรแอนะล็อก ใช้สัญญาณไฟฟ้าที่ติดกันต่อเนื่องเมื่อเทียบกับสัญญาณที่ไม่ติดกันต่อเนื่องในวงจรดิจิทัล

วงจรแอนะล็อกบางครั้งเรียกว่าวงจรเชิงเส้นแม้ว่าผลกระทบที่ไม่ใช่เชิงเส้นจำนวนมากถูกใช้ในวงจรแอนะล็อกเช่นวงจรผสมสัญญาณ, วงจร modulators ฯลฯ ตัวอย่างของวงจรแอนะล็อกก็คือเครื่องขยายเสียงทั้งแบบหลอดสูญญากาศและแบบทรานซิสเตอร์, เครื่อง Operation Amplifier และ วงจร oscillators แบบที่สร้าง sine wave

ปัจจุบัน ไม่ค่อยพบวงจรสมัยใหม่ที่เป็นแอนะล็อกอย่างสิ้นเชิง เพราะวงจรแอนะล็อกอาจใช้วงจรดิจิทัลหรือแม้กระทั่งไมโครโปรเซสเซอร์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงาน วงจรประเภทนี้มักถูกเรียกว่า "วงจรผสม" มากกว่าเป็นแอนะล็อกหรือดิจิทัลอย่างใดอย่างหนึ่ง

บางครั้งอาจยากที่จะแยกความแตกต่างระหว่างวงจรแอนะล็อกและดิจิทัล เช่นวงจรเปรียบเทียบซึ่งใช้แรงดันไฟฟ้าหลายระดับที่ต่อเนื่องเป็นอินพุท แต่เอ้าท์พุทเป็นหนึ่งในสองระดับแบบดิจิทัล ในทำนองเดียวกันเครื่องขยายทรานซิสเตอร์แบบแรงขับเกินกำลังมีเอ้าท์พุทเป็นรูปคลื่น

วงจรดิจิทัล

วงจรดิจิทัลเป็นวงจรไฟฟ้าที่ทำงานกับสัญญาณที่มีระดับแรงดันไฟฟ้าที่ไม่ต่อเนื่อง วงจรดิจิทัลเป็นตัวแทนทางกายภาพที่พบบ่อยที่สุดของพีชคณิตบูลีนและเป็นพื้นฐานของดิจิทัลคอมพิวเตอร์ทั้งหมด วิศวกรส่วนใหญ่เข้าใจคำว่า "วงจรดิจิทัล", "ระบบดิจิทัล" และ "ลอจิก" สามารถใช้แทนกันได้ วงจรดิจิทัลส่วนใหญ่ใช้ระบบเลขฐานสองที่มีสองระดับแรงดันไฟฟ้าที่มีความหมายเป็น "0" และ "1" โดยที่ "0" มักจะเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า ในขณะที่ "1" จะเป็นแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า แต่บางระบบอาจจะใช้สลับกัน ระบบเทอร์นารี (สามระดับ) อยู่ในระหว่างการศึกษาและพัฒนาเครื่องต้นแบบ เครื่องคอมพิวเตอร์ทั่วไป, นาฬิกาอิเล็กทรอนิกส์และควบคุมโปรแกรมลอจิก (Programmable Logic Control, PLC)(ใช้ในการควบคุมกระบวนการทางอุตสาหกรรม) ก็ถูกสร้างขึ้นมาจากวงจรดิจิทัล การประมวลผลสัญญาณดิจิทัลเป็นอีกตัวอย่างหนึ่ง ตัวอย่างวงจรดิจิทัล:

อุปกรณ์ผสม:

ไมโครโพรเซสเซอร์
ไมโครคอนโทรลเลอร์
Application-specific integrated circuit (ASIC)
การประมวลผลสัญญาณดิจิทัล
Field-programmable gate array (FPGA)

การกระจายความร้อนและการจัดการความร้อน

ความร้อนที่สร้างโดยวงจรอิเล็กทรอนิกส์จะต้องมีการระบายเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความล้มเหลวได้และช่วยให้เกิดความน่าเชื่อถือในระยะยาว เทคนิคในการระบายความร้อนประกอบด้วย heat sink และพัดลมระบายอากาศและรูปแบบอื่น ๆ เช่นระบบน้ำเย็น

สัญญาณรบกวน

สัญญาณรบกวนอิเล็กทรอนิกส์ถูกนิยามว่าเป็นสิ่งรบกวนที่ไม่พึงประสงค์วางทับอยู่บนสัญญาณที่ดี มีผลทำให้เกิดความผิดเพี้ยนของข้อมูล สัญญาณรบกวนมีผลกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด อาจถูกสร้างขึ้นจากเหนี่ยวนำของแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งส่วนใหญ่ไม่สามารถกำจัดให้หมดไปได้ หรือถ้าเกิดจากความร้อนก็จะสามารถทำให้ลดลงได้โดยการลดอุณหภูมิในการทำงานของวงจร ประเภทอื่น ๆ ของสัญญาณรบกวนเช่นเสียงปืนซึ่งไม่สามารถลบได้เนื่องจากข้อจำกัดในคุณสมบัติทางกายภาพ

ทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์

วิธีการทางคณิตศาสตร์เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาของอิเล็กทรอนิกส์ ในการที่จะเป็นผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ จำเป็นที่จะต้องเป็นผู้เชี่ยวชาญในวิชาคณิตศาสตร์ของการวิเคราะห์วงจรอีกด้วย

การวิเคราะห์วงจรคือการศึกษาวิธีการของการแก้ระบบเชิงเส้นทั่วไปสำหรับตัวแปรที่ไม่ทราบเช่นแรงดันที่โหนดบางอย่างหรือกระแสผ่านสาขาหนึ่งของเครือข่าย เครื่องมือวิเคราะห์ทั่วไปสำหรับการนี้คือวงจรจำลอง SPICE

นอกจากนี้สิ่งสำคัญที่จะศึกษาและเข้าใจอิเล็กทรอนิกส์คือทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า

ห้องปฏิบัติการอิเล็กทรอนิกส์

เนื่องจากธรรมชาติของทฤษฎีเชิงประจักษ์ของอิเล็กทรอนิกส์ การทดลองในห้องปฏิบัติการเป็นส่วนสำคัญของการศึกษาของอิเล็กทรอนิกส์ การทดลองนี้จะใช้ในการพิสูจน์, ตรวจสอบและการบังคับใช้ในทฤษฎีบทเช่นกฎของโอห์ม, กฎของ Kirchhoff ฯลฯ ในอดีต ห้องปฏิบัติการอิเล็กทรอนิกส์จะประกอบไปด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์ที่ตั้งอยู่ในพื้นที่จริงทางกายภาพ แต่ในปีที่ผ่านมาแนวโน้มจะใช้ซอฟต์แวร์จำลองเช่น CircuitLogix, Multisim และ PSPICE

คอมพิวเตอร์ช่วยออกแบบ (CAD)

วันนี้วิศวกรอิเล็กทรอนิกส์สามารถออกแบบวงจรโดยการใช้บล็อกที่ถูกสร้างสำเร็จรูปไว้ก่อนแล้ว เช่น แหล่งจ่ายไฟฟ้า, สารกึ่งตัวนำ (เช่นทรานซิสเตอร์) และวงจรรวม โปรแกรมการออกแบบซอฟต์แวร์อัตโนมัติเช่นโปรแกรมจับภาพแผนผังวงจรและโปรแกรมการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) บริษัทยอดนิยมในโลกของโปรแกรมการออกแบบซอฟต์แวร์อัตโนมัติ ได้แก่ NI Multisim, Cadence (ORCAD), EAGLE PCB and Schematic, Mentor (PADS PCB and Logic Schematic), Altium (Protel), LabCentre อิเล็กทรอนิกส์ (Proteus), gEDA, KiCad และอื่น ๆ อีกมากมาย

วิธีการสร้าง

มีวิธีการที่แตกต่างกันในการประกอบชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิคส์ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ตัวอย่างเช่นเครื่องใช้ไฟฟ้าในช่วงต้นมักจะใช้การเดินสายไฟแบบจุดต่อจุดของแต่ละชิ้นส่วนบนแผ่นไม้เพื่อสร้างวงจร การสร้างวงจรด้วย cordwood และใช้การพันสายแทนบัดกรีก็เป็นอีกวิธีการหนึ่ง ที่ใช้ทันสมัยที่สุดตอนนี้คือใช้แผงวงจรพิมพ์ที่ทำจากวัสดุเช่น FR4 หรือถูกกว่า (อ่อนแต่ทนทาน), กระดาษเรซิ่นสังเคราะห์ (SRBP หรือ Paxoline / Paxolin (เครื่องหมายการค้า) และ FR2) ความกังวลเรื่องสุขภาพและสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้องกับการประกอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นในปีที่ผ่านมาโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับผลิตภัณฑ์ปลายทางที่สหภาพยุโรปมีข้อจำกัด ของสารอันตราย (RoHS) และของเสียของอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ (WEEE) ซึ่งไปมีผลบังคับใช้ ในกรกฎาคม 2006

ดูเพิ่ม

Atomtronics
วิศวกรรมเสียง
วิศวกรรมการส่งกระจายคลื่น
วิศวกรรมคอมพิวเตอร์
วิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์
เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์
อิเล็กทรอนิกส์ทางทะเล
อิเล็กทรอนิกส์กำลัง
หุ่นยนต์