Электроника — отрасль науки и техники, охватывающая проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения электронных приборов и устройств и принципов их использования. Современная схемотехника построена на двух типах устройств: аналоговых и цифровых. В аналоговых устройствах величины изменяются непрерывно как по уровню, так и по времени. В цифровых устройствах существует только два уровня, условно называемые 1 и 0, по времени величины изменяются дискретно.
Ещё 30—40 лет назад практически вся схемотехника была аналоговой. В настоящее время 80—90 % разрабатываемых устройств — цифровые. Внедрение цифровых устройств стало огромным достижением учёных и инженеров конца ХХ века. Их преимущества над аналоговыми:
— цифровые устройства допускают большую степень интеграции в составе микросхем;
— в отличие от аналоговых данные в цифровых устройствах не зависят от температуры окружающей среды, влажности, давления, напряжения питания;
— точность цифровых устройств неограничена, в настоящее время выпускают 64-разрядные процессоры, относительная точность которых 1012.
Усилиями многих институтов и конструкторских бюро департаментов Министерства путей сообщения (МПС) созданы и успешно применяются системы на базе электронных приборов и интегральных микросхем для регулирования движения поездов, обеспечения их безопасного следования, связи, электроснабжения устройств железнодорожного транспорта и других целей.
Новая высокоэффективная электронная техника всё более широко применяется на железнодорожном транспорте: в устройствах автоматики, телемеханики и связи, электроснабжения электрифицированных железных дорог, электронных вычислительных машинах, на электроподвижном составе.
Внедрение новейших электронных устройств автоматики, телемеханики связи и вычислительной техники позволяет в короткие сроки повысить безопасность движения поездов, увеличить провозную и пропускную способность железнодорожных магистралей, улучшить качество и надёжность технических средств, облегчить условия и поднять производительность труда работников различных служб.
Условия использования электронной аппаратуры на железнодорожном транспорте и предъявляемые к ней требования имеют следующие существенные особенности по сравнению с общепромышленными устройствами:
— требования высокой надёжности функционирования аппаратуры и её элементной базы;
— тяжёлые климатические условия, большой перепад температуры окружающей среды, что приводит к повышенным требованиям по обеспечению стабильной работы электронных устройств при высоких и низких температурах;
— высокий уровень помех;
— высокий уровень вибраций и ударные механические воздействия на аппаратуру подвижного состава;
— повышенное воздействие статического электричества и атмосферных грозовых разрядов;
— сложность профилактического и ремонтного обслуживания.
Вышеперечисленные особенности определяют специфику схемотехнических решений и используемой элементной базы в электронных устройствах железнодорожного транспорта.
Развитие электроники можно подразделить на два направления:
энергетическое (силовое), связанное с преобразованием переменного и постоянного токов для нужд электроэнергетики, электротяги и пр.;
информационное, к которому относятся электронные средства, обеспечивающие измерения, контроль и управление различными процессами, включая производство и научные исследования во многих отраслях.
Промышленное развитие электроники можно отнести к началу XX-го столетия, когда в 1904 г. англичанин Д. Флеминг создал первую электронную лампу (диод). В 1907 г. американец Л. Форест, введя в диод управляющий электрод, получил триод, способный генерировать и усиливать электрические колебания. В России первую электронную лампу изготовил в 1914 г. Н.Д. Папалекси.
В 30—х годах началось активное изучение полупроводниковых материалов с целью их использования в электронике. Большой вклад в решение этой проблемы внесли теоретические работы советских физиков, возглавляемых академиком А.Ф. Иоффе.
В 1948 г. американскими учёными изобретён первый полупроводниковый усилительный прибор — транзистор. Аналогичные приборы несколько позже разработали советские учёные А.В. Кра- силов и С.Г. Мадоян. Обладая существенными преимуществами по сравнению с электронными лампами, транзисторы обусловили бурное развитие полупроводниковой электроники. Применение транзисторов в сочетании с печатным монтажом позволило получить малогабаритные электронные устройства с относительно малым потреблением электроэнергии.
Дальнейший скачок в развитии электроники стал возможен с появлением устройств интегральной микроэлектроники, представляющих собой интегральные микросхемы (ИС). Промышленный выпуск ИС начат в начале 60-х годов и способствовал бурному прогрессу в развитии информационной электроники и микроминиатюризации электронных средств. Эти тенденции получили ещё большее развитие с появлением больших (БИС), а затем и сверхбольших (СБИС) интегральных схем. Они позволили разработать и внедрить во все сферы деятельности человека микроЭВМ. Основным элементом в таких ЭВМ стал микропроцессор — СБИС, содержащий десятки и сотни тысяч элементов на одном кристалле (полупроводниковой пластине площадью несколько квадратных миллиметров).
В настоящее время СБИС, наряду с БИС, ИС и отдельными типами дискретных полупроводниковых приборов, стали основной элементной базой современных электронных средств.
В основе развития электроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронными устройствами. На определенных этапах невозможно решать новые задачи старыми электронными средствами, т.е. средствами на основе существующей элементной базы, например, с помощью электронных ламп или дискретных транзисторов. Таким образом, появляются предпосылки для дальнейшего совершенствования элементной базы. Основные факторы, вызывающие необходимость разработки электронных устройств на новой элементной базе:
повышение надежности;
уменьшение габаритов, массы, стоимости и потребляемой мощности.
В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре основных поколения развития промышленной электроники, а вместе с ней соответственно и электронных устройств.
I поколение (1904—1950 гг.) — основу элементной базы электронных устройств составляли электровакуумные приборы, в которых пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной рабочей средой (парами или газами) и действие которых основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе. В соответствии с характером рабочей среды электровакуумные приборы подразделяют на электронные и ионные.
Электронный электровакуумный прибор — прибор, в котором электрический ток создаётся только свободными электронами.
Ионный электровакуумный прибор — прибор с электрическим разрядом в газе или парах; называется также газоразрядным.
Семейство электронных электровакуумных приборов весьма обширно и объединяет следующие группы приборов: электронные лампы; электронно-лучевые приборы; электровакуумные фотоэлектрические приборы и др. Наиболее широко в элементной базе электронных устройств I-го поколения применялись электронные лампы — электровакуумные приборы, предназначенные для различного рода преобразований электрического тока. Электронные устройства, выполненные на лампах, имели сравнительно большие габариты и массу. Число элементов в единице объёма (плотность монтажа) электронных устройств I-го поколения составляло Y = 0,001...0,003 эл/см3. Сборка таких электронных устройств осуществлялась, как правило, вручную, соединением электровакуумных приборов между собой и с соответствующими пассивными элементами (резисторами, катушками индуктивности и конденсаторами) с помощью проводов.
II поколение (1950— начало 60-х годов) — характеризуется применением в качестве основной элементной базы дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и тиристоров). Сборка электронных устройств II поколения осуществлялась обычно автоматически с применением печатного монтажа. Полупроводниковые приборы и пассивные элементы располагались на печатной плате — диэлектрической пластине с металлизированными отверстиями (для подсоединения полупроводниковых приборов и пассивных элементов), соединёнными между собой проводниками. Проводники выполнялись осаждением медного слоя на плату по заранее заданному печатному рисунку, соответствующему определённой электронной схеме. Плотность монтажа электронных устройств II поколения за счёт применения малогабаритных элементов составляла у « 0,5 эл/см3.
III поколениеэлектронных устройств (1960—1980 гг.) связано с бурным развитием микроэлектроники — раздела электроники, охватывающего исследование и разработку качественно нового типа электронных приборов — интегральных микросхем — и принципов их применения. Основой элементной базы этого поколения электронных устройств стали интегральные схемы и микросборки.
Интегральная схема — это совокупность нескольких взаимосвязанных элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле, т.е. одновременно, на одной и той же несущей конструкции (подложке), и выполняющих определённую функцию преобразования информации. Микросборка — это ИС, в состав которой входят однотипные элементы (например, только диоды или только транзисторы).
Широкое развитие находит блочная конструкция электронных устройств — набор печатных плат, на которые монтируют ИС и микросборки. Плотность монтажа электронных устройств III поколения составляет у < 50 эл/см3.
Этот этап развития электронных устройств характеризуется резким уменьшением габаритов, массы и энергопотребления, повышением их надёжности, в том числе и за счёт сведения к минимуму ручного труда при изготовлении электронных устройств.
IV поколение (с 1980 г. по настоящее время) — характеризуется дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств на базе применения БИС и СБИС. Отдельные функциональные блоки выполняются в одной интегральной схеме, представляющей собой готовое электронное устройство приёма, преобразования или передачи информации. Такие электронные устройства, выполненные в виде СБИС, позволяют полностью обеспечить требуемый алгоритм обработки исходной информации, существенно повысить надёжность их функционирования.
Плотность монтажа электронных устройств IV поколения 1000 эл/см3 и выше.