Elektroniset piirit ovat olennainen osa melkein kaikkea nykypäivän tekniikan kehitystä. Televisio, radio, puhelimet ja tietokoneet tulevat heti mieleen, mutta elektroniikkaa käytetään myös autoissa, keittiökoneissa, lääkinnällisissä laitteissa ja teollisuuden valvonnassa. Näiden laitteiden ytimessä ovat aktiiviset komponentit tai piirin komponentit, jotka säätelevät elektronisesti elektronivirtausta, kuten puolijohteet. Nämä laitteet eivät kuitenkaan voineet toimia ilman paljon yksinkertaisempia, passiivisia komponentteja, jotka edeltävät puolijohteita vuosikymmenien ajan. Toisin kuin aktiiviset komponentit, passiiviset komponentit, kuten vastukset, kondensaattorit ja induktorit, eivät voi ohjata elektronivirtaa elektronisilla signaaleilla.
Vastus
Kuten nimensä osoittaa, vastus on elektroninen komponentti, joka vastustaa virtavirtaa virtapiirissä.
Metalleissa, kuten hopea tai kupari, joilla on korkea sähkönjohtavuus ja siten alhainen resistiivisyys, elektronit voivat siirtyä vapaasti atomista toiseen pienellä vastuksella.
Virtapiirikomponentin sähköinen resistanssi määritellään käytetyn jännitteen ja sen läpi virtaavan sähkövirran suhteena. HyperPhysics, fysiikan resurssien verkkosivusto, jota ylläpitää Georgian osavaltion fysiikan ja tähtitieteen laitos. Vakioyksikkö resistenssille on ohmi, joka on saksalaisen fyysikon Georg Simon Ohmin mukaan nimetty. Se määritellään resistanssiksi piirissä, jonka virta on 1 ampeeri 1 voltilla. Resistanssi voidaan laskea käyttämällä Ohmin lakia, jonka mukaan vastus on yhtä suuri kuin jännite jaettuna virralla tai R = V / I (kirjoitetaan yleisemmin nimellä V = IR), missä R on vastus, V on jännite ja I on virta.
Vastukset luokitellaan yleensä joko kiinteiksi tai muuttuviksi. Kiinteän arvon vastukset ovat yksinkertaisia passiivikomponentteja, joilla on aina sama vastus määrätyn virran ja jännitteen rajoissa. Niitä on saatavana useilla vastusarvoilla, alle yhdestä ohmista useisiin miljoonaan ohmiin.
Säädettävät vastukset ovat yksinkertaisia sähkömekaanisia laitteita, kuten äänenvoimakkuuden säätimiä ja himmentimen kytkimiä, jotka muuttavat vastuksen tehollista pituutta tai efektiivistä lämpötilaa, kun käännät nuppia tai siirrät liukusäädintä.
Induktanssi
Induktori on elektroninen komponentti, joka koostuu lankakelasta, jonka läpi kulkee sähkövirta, joka luo magneettikentän. Induktiivisuuden yksikkö on henry (H), joka on nimetty amerikkalaisen fyysikon Joseph Henryn mukaan. Hän löysi induktanssin itsenäisesti suunnilleen samaan aikaan kuin englantilainen fyysikko Michael Faraday. Yksi henry on induktanssin määrä, joka vaaditaan 1 voltin sähkömoottorivoiman (energialähteen sähköinen paine) indusoimiseksi, kun virta muuttuu 1 ampeerilla sekunnissa.
Yksi tärkeä induktorien sovellus aktiivisissa piireissä on, että niillä on taipumus estää korkeataajuisia signaaleja antaen samalla alemman taajuuden värähtelyjen kulkea. Huomaa, että tämä on kondensaattoreiden päinvastainen toiminta. Yhdistämällä kaksi komponenttia piirissä voidaan selektiivisesti suodattaa tai tuottaa värähtelyjä, joilla on melkein mikä tahansa haluttu taajuus.
Integroitujen piirien, kuten mikrosirujen, myötä induktorit ovat yleisempiä, koska 3D-kelaja on erittäin vaikea valmistaa 2D-painetussa piirissä. Tästä syystä mikropiirit on suunniteltu ilman induktoreita ja ne käyttävät kondensaattoreita sen sijaan saavuttamaan olennaisesti samat tulokset, Colorado Boulderin yliopiston fysiikan professori Michael Dubsonin mukaan.
Kapasitanssi
Kapasitanssi on laitteen kyky tallentaa sähkövarausta, ja sellaisena sähköistä komponenttia, joka varastoi sähkövarauksen, kutsutaan kondensaattoriksi. Varhaisin esimerkki kondensaattorista on Leyden-purkki. Tämä laite keksittiin säilyttämään staattinen sähkövaraus johtavaan kalvoon, joka vuorattu lasipurkin sisä- ja ulkopuolelle.
Yksinkertaisin kondensaattori koostuu kahdesta litteästä johtavasta levystä, jotka on erotettu pienellä raolla. Levyjen potentiaaliero tai jännite on verrannollinen levyjen varauksen määrän eroon. Tämä ilmaistaan Q = CV, missä Q on varaus, V on jännite ja C on kapasitanssi.
Kondensaattorin kapasitanssi on varauksen määrä, jonka se voi tallentaa jänniteyksikköä kohti. Kapasitanssin mittausyksikkö on farad (F), nimeltään Faraday, ja se määritetään kapasiteetiksi varastoida 1 varauskulma, jonka potentiaalinen potentiaali on 1 volttia. Yksi coulomb (C) on latauksen määrä, joka siirretään virralla 1 ampeeri sekunnissa.
Tehokkuuden maksimoimiseksi kondensaattorilevyt pinotaan kerroksiin tai kääritään kelaihin, joiden välissä on hyvin pieni ilmarako. Dielektrisiä materiaaleja - eristysmateriaaleja, jotka tukkivat osittain levyjen välisen sähkökentän - käytetään usein ilmaraon sisällä. Tämän ansiosta levyt voivat varastoida enemmän varausta ilman kaaristusta ja oikosulkua.
Kondensaattoreita löytyy usein aktiivisista elektronisista piireistä, jotka käyttävät värähteleviä sähkösignaaleja, kuten radioissa ja äänilaitteissa. Ne voivat latautua ja purkaa melkein heti, mikä mahdollistaa niiden käytön tiettyjen piirien taajuuksien tuottamiseksi tai suodattamiseksi. Oskilloiva signaali voi ladata kondensaattorin yhden levyn toisen levyn purkautuessa, ja sitten kun virta käännetään, se lataa toisen levyn ensimmäisen levyn purkautuessa.
Yleensä korkeammat taajuudet voivat kulkea kondensaattorin läpi, kun taas matalammat taajuudet ovat tukossa. Kondensaattorin koko määrittelee rajataajuuden, jonka signaalit on estetty tai sallittu kulkea. Kondensaattoreita yhdessä voidaan suodattaa valitut taajuudet määrätyllä alueella.
Superkondensaattorit valmistetaan nanoteknologiaa käyttämällä materiaalien, kuten grafeenin, supertiinikerrosten luomiseen kapasiteetin saavuttamiseksi, joka on 10 - 100 kertaa suurempi kuin samankokoisten tavanomaisten kondensaattorien; mutta niiden vasteajat ovat paljon hitaampia kuin tavanomaisten dielektristen kondensaattoreiden, joten niitä ei voida käyttää aktiivisissa piireissä. Toisaalta niitä voidaan joskus käyttää virtalähteenä tietyissä sovelluksissa, kuten tietokoneen muistipiireissä, tietojen menettämisen estämiseksi, kun päävirta katkaistaan.
Kondensaattorit ovat myös ajoituslaitteiden kriittisiä komponentteja, kuten Kalifornian yrityksen SiTime kehittämät. Näitä laitteita käytetään monenlaisissa sovelluksissa matkapuhelimista suurnopeusjuniin ja pörssikauppaan. Pieni ajastinlaite, joka tunnetaan nimellä MEMS (mikroelektromekaaniset järjestelmät), käyttää kondensaattoreita toimimaankseen oikein. "Jos resonaattorilla ei ole oikeaa kondensaattoria ja kuorman kapasitanssia, ajoituspiiri ei käynnisty luotettavasti ja joissakin tapauksissa se lakkaa värähtelemään kokonaan", kertoi SiTimen markkinointijohtaja Piyush Sevalia.
Live Science -julkaisija Rachel Ross päivitti tämän artikkelin 16. tammikuuta 2019.
