3000: Elektronica informatie

Elektronica is het deel van de elektrotechniek dat zich bezig houdt met schakelingen waarin actieve componenten zoals eerst radiobuizen en nu transistoren en "chips" worden gebruikt.
Alhoewel elektriciteit al lang gebruikt werd om informatie via telegraaf en telefoon te verzenden, nam de toepassing van elektronica snel toe na de uitvinding van de radio en toen de transistor op de markt kwam namen de toepassingen pas echt een hoge vlucht.

Elektronische schakelingen

Bij de bouw van een elektronisch product worden passieve onderdelen (weerstanden, condensatoren) en actieve onderdelen (transistoren, chips) samengebracht en zodanig verbonden dat de gewenste schakeling ontstaat.

3200: Geschiedenis van de elektronica

Niet in 1947 met de uitvinding van de transistor door John Bardeen, William Shockley en Walter Brattain (Nobelprijs 1956) begon het elektronicatijdperk, maar reeds in 1904 met de uitvinding van de elektronenbuis door Ambrose Fleming.
De elektronica komt voort uit de ontwikkeling van de elektrotechniek. In het begin van de twintigste eeuw worden veel proeven gedaan met elektrische toestellen. Bij experimenten met gloeilampen komt men op het idee van de elektronenbuis, vroeger vaak radiobuis genoemd.

De ontwikkeling vanaf 1947 bij ATT's Bell-lab, Fairchild en Texas Instruments van halfgeleidertechnieken opent geheel nieuwe mogelijkheden. Dit resulteert in een geheel nieuwe bedrijfstak vooral rond de Stanford en Berkeley universiteiten bij San Francisco. Ook in Europa worden de ontwikkelingen gevolgd, m.n. op het Phillips "Nat Lab".

Vanaf 1970 was het aantal transistoren op een chip (halfgeleider plaatje) al zo toegenomen dat er geheugenchips mogelijk werden en in 1971 ontwierp Federico Faggin, bij het pas door Robert Noyce en Gordon Moore opgerichte INTEL, de eerste microprocessor (MPU): de 4004. Elke anderhalve tot twee jaar resulteerden alle technologische verbeteringen in 2 keer zoveel transistoren op een chip of een 2 keer zo hoge snelheid van die chip. Dit verschijnsel noemt men de 'wet van Moore'.

3210: Geschiedenis van elektronenbuizen

De uitvinding in 1904 van de elektronenbuis/radiobuis maakte het voor het eerst mogelijk zwakke elektrische signalen te versterken. Door experimenten met een gloeilamp, waarbij metaal van de gloeidraad geleidelijk werd afgezet aan de binnenkant van de vacuüm gezogen glazen lamp, komt men op het idee dit te verhinderen met een rooster waarop een tegenspanning werd gezet. Hieruit ontstaat de elektronenbuis. Hij vond snel veel verschillende toepassingen: in microfoon- en grammofoonversterkers, natuurlijk in radio zenders en ontvangers en later ook in televisie apparatuur. Ook gehoorapparaten bevatten tot de zestiger jaren miniatuur elektronenbuizen.

Naast versterkende buizen (triode, pentode) werden ook zogeheten kathodestraalbuizen ontwikkeld. Deze worden al in de veertiger jaren gebruikt als beeldscherm in allerhande toepassingen en zijn pas na 2000 vervangen door diverse platte beeldschermen.

3220: Geschiedenis van de halfgeleiders

De natuurkundige Julius Edgar Lilienfeld had in 1923 de eerste (FET) transistor ontworpen en gepatenteerd, maar heeft deze zelf mogelijk nooit kunnen realiseren door de onzuivere grondstoffen waarmee hij moest werken.
In 1947 ontdekten John Bardeen en Walter Brattain in Bell Labs dat wanneer elektrische contacten aan een germaniumkristal werden bevestigd, de elektrische stroom aan de uitgang groter werd afhankelijk van een kleine ingangsstroom (puntcontact transistor). Verder onderzoek naar diverse halfgeleider eigenschappen resulteerde in de vijftiger jaren in de seriematige productie van germanium dioden en transistoren voor de elektronica industrie.

De dioden en transistoren werden in eerste instantie uit licht gedoteerd zuiver germanium gemaakt, maar naar mate men de vaste-stof fysica beter begon te begrijpen werd er ook met andere halfgeleiders geëxperimenteerd en bleek silicium een beter en goedkoper alternatief.

Nu ging het snel: de eerste op silicium gebaseerde transistor werd geproduceerd door Texas Instruments in 1954. De eerste geïntegreerde schakeling, meerdere transistoren op 1 plaatje silicium, werd in 1958 gebakken: de "chip".
In de volgende jaren werden steeds nieuwe digitale (logische) chips ontwikkeld in verschillende technieken en configuraties. Ook analoge chips, zoals 'OpAmps' (operationele versterkers) kwamen al vanaf 1963 op de markt.

3270: Geschiedenis van de microprocessor

De geschiedenis van de microprocessor begint rond 1970, als bij "Intel" t.b.v. een klant een chipset wordt ontworpen voor een rekenmachine. De ontwerper, Federico Faggin (afkomstig van Fairchild), realiseert zich dat deze chips breed inzetbaar zijn en op de markt kunnen worden gebracht als een CPU (centrale verwerkings eenheid) voor 4 bits computers onder de naam i4004. Ook de volgende microprocessor, de 8 bits i8008, is afkomstig van een project voor een klant. De 8080 (1974) was hiervan een verbetering: nog steeds 8 bits en 3 voedingen (-5, +5 en +12 volt) maar al met een 16 bits adresruimte.

Gelijktijdig met de Intel 8080 brengt "Motorola" de MC6800 microprocessor uit met bijbehorende hulpchips. De MC6800 maakt gebruik van een andere technologie en heeft slechts 1 voedingsspanning nodig: 5 volt de "normale" voedingsspanning voor digitale schakelingen. De chipset is zeer compleet en makkelijk om mee te ontwerpen en is dus ook direct een groot succes.

"National Semiconductor" komt, eveneens in 1974, met de "SC/MP" microprocessor.
In 1975 presenteert Chuck Peddle de 6501 en 6502 MPU's van "MosTechnology" beide sterk gelijkend op de MC6800.
Faggin start met Ungermann "Zilog" en produceert in 1976 de Z80, een verbetering van de 8080 met weer alleen een 5 volt voeding.

Intel brengt in 1978 de 8086 op de markt. Een 16 bits CPU met 5 volt voeding en een compleet nieuwe architectuur x86 genoemd. Hierbij worden ook goede hulpchips geleverd, waaronder een 8087 reken-coprocessor. Hierop volgen de 80186, de 80286 en de 32 bits 80386 en 80486 (1989). Hierbij worden steeds hogere snelheden, meer krachtige instructies toegevoegd en protected mode gerealiseerd.

Ook Motorola zat niet stil. In 1979 brengt ze, eerder dan Intel, een 32 bits microprocessor uit: de 68000. Deze krachtige CPU-lijn is ruim 10 jaar lang zeer succesvol, vooral ook door de overzichtelijke architectuur. Onder meer de opkomst van veel processors met een RISC architectuur heeft uiteindelijk het grote voordeel van de 68000-familie gekost.

3271: Intel microprocessors 4004 8008 8080

De Intel microprocessors i4004, i8008 en i8080 zijn de eerste single chip processors op de markt. De 4004 en 8008 zijn gerealiseerd in P-channel MOS, de 8080 in N-channel MOS. De processors gebruiken 3 voedingsspanningen (-5, +5 en +12 volt) en hebben 2 externe kloksignalen en adres- en databuffering nodig. In de praktijk is in de 70-er jaren voor een praktische processor een flinke print nodig; dus nog afgezien van het geheugen en de Input/Output.

	4004	8008	8080
Introductie	1971	1972	1974
Databus	4 bit	8 bit	8 bit
Adresbus	10 bit	14 bit	16 bit
Klokfrequentie	740 Khz	500 Khz	2 Mhz
Aantal transistors	2300	2500	6000
Aantal pennen	16 DIP	18 DIP	40 DIP

3272: Motorola MC68xxx serie

Toen Motorola in 1974 met haar eerste microprocessor "MC6800" op de markt kwam, was dat een verrassing omdat er ook direct een heel programma aan hulp-chips bij geleverd kon worden. Ook werkte de gehele familie op 5 volt (door interne spanningsverdubbelaars) en was dus ook compatibel met de gangbare TTL-componenten. Op dezelfde architectuur werden ook diverse singlechip Microcontrollers geproduceerd.

In 1979 was Motorola weer de eerste met de (intern) 32 bits "MC68000". Hoewel de gemultiplexte databus niet bijzonder snel was, zorgde de interne 32 bits verwerking voor een hoge doorzet. Een serie verbeteringen MC68010..MC68060 zouden nog volgen.
Voor eenvoudige ingebedde systemen waren de 68000 varianten niet erg aantrekkelijk, zodat Motorola de "MC68008" uitbracht, een 32 bits MPU met 8 bits databus.

	6800	68000	68008
Introductie	1974	1979	1982
Registers	8 bit	32 bit	32 bit
Databus	8 bit	16 bit	8 bit
Adresbus	16 bit	24 bit	20 bit
Klokfrequentie	1 Mhz	8 Mhz	8 Mhz
Aantal transistors	3000?	68.000	70.000
Aantal pennen	40 DIP	64 DIP	48 DIP

3273: Intel x86 serie: 16, 32 en 64 bits

De x86 instructieset wordt voor Intel's 16 bits i8086 en i8088 MPU's ontworpen. Ook de opvolgers i80186, i80286, de 32 bits i80388 en later zelfs de 64 bits Core-2 gebruiken dezelfde instructies, met steeds enkele toevoegingen en steeds meer cacheruimte. Ook worden er meer processor-cores toegevoegd.

	8086	8088	80386	Core-2
Introductie	1978	1979	1985	2006
Registers	16 bit	16 bit	32 bit	64 bit
Databus	16 bit	8 bit	32 bit	64 bit
Adresbus	20 bit	20 bit	32 bit	64 bit
Klokfrequentie	10 Mhz	8 Mhz	16 Mhz	2 Ghz
Aantal transistors	29.000	29.000	275.000	>1M
Aantal pennen	40 DIP	40 DIP	132 PGA	Soc 775

3274: Geschiedenis van RISC MPUs

RISC MPU's zijn in essentie vereenvoudigde microprocessors, waarbij de meest gebruikte instructies extra snelheid krijgen ten koste van het aantal slimme instructies. Het idee is dat compilers niet altijd gebruik maken van die laatste instructies en ze dus alleen tot hun recht komen bij zorgvuldig uitgekiende optimalisatie, zoals videobewerking of realtime besturing van snelle processen.

Als studentenproject aan de Universiteit van Berkeley wordt in 1981 de "RISC I" processor chip ontworpen die verrassend goed presteert. Een commerciële versie van het concept wordt in 1987 door SUN Microsystems ontworpen voor hun technische workstations onder de naam "SPARC". Ook in 1987 komt de van Stanford afkomstige John Hennessy met de "MIPS-" en het Britse Acorn in 1990 met de "ARM"-architectuur.

Deze RISC-architecturen en de lay-out ervan worden doorgaans gelicentieerd (soms open source) en ingebouwd in specialistische chips. Ze worden dan ook in zeer diverse toepassingen gebruikt, ondermeer in mobiele telefoons en tablets.

3311: Batterij en Accu

Batterij en accu

Een voor de elektronica belangrijk verschijnsel uit de elektrochemie is de batterij en de hiermee verwante oplaadbare batterij: de accu. De meeste elektronica wordt gevoed uit een voedingsapparaat dat zijn energie betrekt uit het lichtnet. Tot de uitvinding van de halfgeleiders was er geen goed alternatief. Maar nu veel elektronica nog maar weinig stroom behoeft bij een lage spanning worden steeds meer apparaten door batterijen of accu's gevoed en worden daarmee ook echt draagbaar.

3321: Bedrading van elektronica

Bedrading verbindt verschillende passieve en actieve)onderdelen met elkaar. Daarbij is het belangrijk dat de signalen over de draden elkaar niet te veel beïnvloeden en zeker zo belangrijk is dat er rekening wordt gehouden met de belastbaarheid en dus geen grote opwarming plaatsvind.

Beïnvloeding van signaaldraden

Wisselende spanningen op en stromen door geleiders induceren overeenkomstige signalen in andere geleiders in de buurt. Om ongewenste storingen te minimaliseren moeten grote storingsbronnen op afstand gehouden worden en/of gevoelige signaaldraden moeten worden afgeschermd.

Heel gevoelige schakelingen en omgekeerd zware schakelende onderdelen worden daarom waar mogelijk in aparte geaarde en gesloten metalen kasten gebouwd.

AWG	Dia	Piek	Cont
#	mm	Amp	Amp
10	2,6	55	15
12	2,0	41	9,3
14	1,6	32	5,9
16	1,3	22	3,7
18	1,0	16	2,3
20	0,8	11	1,5
22	0,6	7,0	0,9
24	0,5	3,5	0,58
26	0,4	2,2	0,36
28	0,3	1,4	0,23

Belastbaarheid van koperdraad

De maximale stroom voor courante geïsoleerde koperdraden is in bijgaande tabel te zien. Een draaddikte wordt in de electronica vaak in AWG (American Wire Gauge) aangegeven. De tabel geeft het verband tussen de AWG, de draaddikte en de belastbaarheid (bij piek en continu).

Elektrische veiligheid

Onbedoelde kortsluiting tussen onderdelen en bedrading moet natuurlijk worden vermeden en daarom zijn doorgaans alle draden met een plastic mantel geïsoleerd en alleen aan de uiteinden verbonden. Ook die verbindingen moeten zo moeilijk mogelijk aanraakbaar zijn. Schakelingen met spanningen boven de 42 Volt moeten worden geaard of dubbel geïsoleerd worden uitgevoerd.

Geprinte bedrading

Waar schakelingen meer dan slechts enkele onderdelen bevat en ook meerdere keren moet worden gebouwd, loont het zich al gauw een "printed circuit" te (laten) ontwerpen.
Hierbij worden de koperdraden vervangen door koperen sporen op een isolerende onderlaag. Hierbij worden doorgaans glasvezelversterkte epoxy-platen aan beide zijden voorzien van een dunne koperlaag gebruikt waaruit, door weg etsen van overtollig koper, het gewenste bedradingspatroon wordt gevormd. Dit proces is zeer sterk geautomatiseerd, van ontwerp tot zelfs het plaatsen en solderen van de onderdelen.
De elektronicus beperkt zich dan tot het tekenen van het schema aan de computer en het opsturen hiervan naar een "printfabriek" en enkele dagen later komen de eventueel complete schakelingen retour.

3410: Halfgeleider: kern van de elektronica

Een halfgeleider is een stof die qua elektrische geleiding het midden houdt tussen een geleider en een isolator. Qua structuur is hij eigenlijk een isolator, maar hij is gemakkelijk tot geleiding te krijgen door er plaatselijk sporen van andere stoffen in te diffunderen. Hierbij zijn bovendien de elektrische eigenschappen goed manipuleerbaar: atomen van de vreemde stof nemen dan de plaats in van enkele silicium atomen en verstoren het normale evenwicht tussen kernen en elektronen in het kristal.
Met halfgeleiders kunnen allerlei elektronische componenten worden gemaakt. Elektronici noemen dergelijke halfgeleidercomponenten meestal kortweg "halfgeleiders".

Het tegenwoordig in de elektronica meest gebruikte halfgeleidermateriaal (zeer zuiver) silicium is vierwaardig en kristalliseert in een vorm waarin elk atoom omgeven is door vier andere. In deze vorm is silicium niet geleidend. Door het kristal licht te verontreinigen met het vijfwaardige fosfor (een zgn. donor) komt een elektron "vrij" dat het materiaal geleidend maakt: een "N-type halfgeleider". Omgekeerd veroorzaakt een verontreiniging met driewaardig borium (een acceptor) een tekort, een "gat": een "P-type halfgeleider".
De belangrijkste toepassing ontstaat als men P-silicium en N-silicium in elkaar laat overgaan. Er ontstaat een zogenaamde PN-overgang waar zich een zone zonder vrije ladingsdragers vormt: de uitputtingszone.
Leggen we een spanning aan tussen het N- en P-silicium, dan zal, afhankelijk van de polariteit, de uitputtingszone vergroot worden (geen stroom doorlaten), of zullen de elektronen teruggedreven worden, zodat na overwinnen van een zekere drempelspanning geleiding optreedt. De PN-overgang is dus in de ene richting geleidend en in de andere niet: we hebben een diode.

Voor het produceren van allerlei elektronische componenten worden de verschillende varianten van halfgeleidende materialen gecombineerd tot diodes, transistoren, thyristoren en uiteindelijk geïntegreerde schakelingen (chips).

Inhoud