HISTORIE ELEKTRO A ELEKTRONIKA

Charakteristika

Komponenty a zařízení využívající k funkci elektrický proud.

Elektřina

Možnost výroby elektřiny, kterou prvně do praktického použití dopracoval Alessandro Volta (celým jménem Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta) svou baterií (Voltovým sloupem) v roce 1799 (publikoval až v roce 1800), umožnila v pozdější době rozvoj oblasti elektroniky a následně automatizace, tak jak ji známe dnes, neboť stejnosměrný proud / napětí se používá v dnešních systémech automatizace.

V 19 století pak dochází k prozkoumání elektrických vlastností látek (André Marie Ampere, Georg Simon Ohm, Hans Christian Oersted, Michael Faraday, James Clerk Maxwell) což umožnilo rozvoj v elektrotechnické oblasti v druhé polovině 19 století (Heinrich Hertz, William Thomson, 1st Baron Kelvin ¹), Thomas Alva Edison, Werner von Siemens, Nikola Tesla, Alexander Graham Bell, František Křižík a další).

Další odstavce jsou zaměřeny na komponenty užité v řízení, proto nejsou uvedeny další aktivní nebo pasivní komponenty elektro oblasti.

Polovodiče, hrotová dioda

Patrně každého překvapí, že objev polovodičových vlastností některých materiálů je starší než se obecně předpokládá. Již v roce 1821 zjistil Thomas Seebeck tyto polovodičové vlastnosti u síranu olovnatého, v roce 1833 publikoval Michael Faraday o teplotních závislostech polovodičů a v roce 1873 objevil citlivost polovodičového selenu na světlo Willoughby Smith a v roce 1874 objevil Karl Ferdinand Braun jednosměrnou propustnost elektrického proudu u krystalů. Usměrňovací schopnosti selenu se používaly od roku 1876 v usměrňovačích střídavého proudu.

Polovodičové součástky se používaly již od počátku 20 století. Hrotová dioda (anglicky cat's-whisker / kočičí fous) způsobila průlom v oblasti využití polovodičů, tehdy v oblasti rádiových signálů jako demodulátor (rádio nazývané "krystalka") a to již v roce 1894, kdy ji použil Jagadish Chandra Bose. Hrotovou diodu s křemíkovým krystalem použil Greenleaf Whittier Pickard a patentoval v roce 1906. Na opravdu masové rozšíření a využití si polovodiče však musely počkat až do poloviny 20 století.

Relé

Dnes běžná součástka nebo konstrukční prvek ale vynález relé v roce 1835 (američan Josef Henry) již umožnil vytvářet logické vazby a podmínky mezi stavovými signály. Uvádí se, že relé vynalezl i angličan Edward Davy. Praktického využití v této oblasti, i když v jednoduché a omezené formě, došlo koncem 19 století. 20 století pak již přináší celou škálu aplikací a různých typů relé (rtuťové, jazýčkové, vakuové, paměťové elektrické, paměťové elektro-mechanické, polarizované, koaxiální, polovodičové, s optickým oddělením, s nuceně vedenými kontakty, bezpečnostní, ochranné, taktéž stykače a další...). S využitím relé již bylo možno realizovat reléovou automatizaci.

Žárovka

Ačkoliv pokládáme žárovku (prakticky a reálně použitelnou žárovku vynalez a nechal si patentovat v roce 1879 Thomas Alva Edison) za zcela běžnou věc, včetně nynějších úsporných provedení, měl tento vynález zásadní význam i pro automatizaci jako takovou. Již pouhá indikace stavem svítí - nesvítí, doplněná barvou světla, je používána dodnes jako nejjednodušší a nejsrozumitelnější nástroj předání informace.Různé principy přeměny elektrické energie na světlo jsou v dnešní automatizaci nenahraditelné a stále používány.

Elektronka

Elektronka vznikla jako produkt dalšího výzkumu vakuových trubic v 19 století. V této oblasti na výzkumu pracovali Heinrich Geissler, William Crookes, Thomas Alva Edison, Eugen Goldstein, Nikola Tesla, Johann Wilhelm Hittorf, Frederick Guthrie, John Ambrose Fleming ... . I když objev termoemise (jevu potřebnému pro funkci elektronky) oznámil Frederick Guthrie v roce 1873, je ale připisováno T. A. Edisonovi jako "Edisonův efekt" od roku 1884. Úplného praktického využití však dosáhl až John Ambrose Fleming v roce 1904, kdy použil diodovou trubici (dioda) pro detekci rádiových signálů. Později vznikly elektronky jako je trioda, tetroda, pentoda, a další vícemřížkové konstrukce. Z hlediska použití nalezly elektronky uplatnění v oblasti zpracování analogových signálů (nf, vf), analogových elektronkových počítačů i číslicových elektronkových počítačů. Nevýhodou použití elektronek je velký ztrátový výkon, nutnost chlazení a poruchovost. V oblasti elektronek vznikly i první zobrazovače, tzv. digitrony, kdy žhnoucí vlákno mělo tvar znaků a fluorescenční displeje (typické svým nazelenalým svitem) v segmentovém nebo maticovém provedení.

Moderní polovodiče, tranzistor

Průmyslová výroba polovodičových součástek, germaniových diod, byla zahájena až v roce 1940 v Bellový laboratořích. Významným milníkem v oblasti polovodičových součástek a elektroniky byl v roce 1947 objev tranzistorového jevu a jeho aplikace ve formě součástky nazývané tranzistor. Tento objev si připisuje trojice vynálezců (USA) John Bardeen, Walter Brattain a William Shockley, kterým byla za tento objev v roce 1956 udělena Nobelova cena. Nezávisle na nich tranzistor objevili i němečtí fyzici Herbert Mataré a Heinrich Welker ale až v roce 1948. Následovaly další polovodičové součástky, diak, triak, tyristor, zenerova dioda ..., polovodiče řízené světlem nebo světlo emitující. Germanium, tam kde to bylo možné, bylo nahrazeno křemíkem pro zvýšení výkonu. Objev tranzistoru také zásadně ovlivnil rozvoj výpočetní techniky, tranzistorových počítačů.

Integrovaný obvod

Autorem prvního integrovaného obvodu je německý inženýr Werner Jacobi (Siemens AG), který v roce 1949 podal patent na toto řešení s pěti tranzistory jako třístupňového zesilovače. Tento patent však nenašel okamžitého využití. Neúspěšným autorem integrovaného obvodu byl i Geoffrey WA Dummer (USA), kdy tuto myšlenku nastínil v roce 1952 ale až do roku 1956 se mu nepodařilo takový obvod vyrobit. Teprve v roce 1957 přišel  Jack Kilby (Texas Instruments, USA) s funkčním řešením a úspěšně v roce 1958 integroval do jednoho pouzdra 4 tranzistory a v roce 1959 mu byl udělen patent. Prvním zákazníkem na integrované obvody byly US Air Force, kdy si uvědomily přednosti elektroniky, miniaturizace. Tím okamžikem taktéž vstoupila armáda do vývoje elektroniky zadáváním výzkumných a vývojových projektů, jejichž výsledky se zpožděním několika let dostávají do veřejného použití. Jack Kilby obdržel v roce 2000 Nobelovu cenu za fyziku. Následně se integrované obvody rozšířily i do oblasti počítačů.

Mikroprocesor

Vznik prvního mikroprocesoru a jeho praktické využití není příliš jednoznačné. Uvádí se, že mikroprocesor (s označením MP944) byl vyvíjen u Garrett AiResearch již od roku 1968 pro letouny F14-A Tomcat US Navy a použit v roce 1970 a byl odtajněn až v roce 1997 a na tehdejší dobu měl nepředstavitelnou 20 bitovou architekturu. Z hlediska praktického a hlavně veřejného využití patří prvenství mikroprocesoru Intel 4004 z roku 1971. Architekturu 4 bitového mikroprocesoru navrhli Federico Faggin, Ted Hoff (Intel) a Masatoshi Shima (Busicom). Čtyřbitové mikroprocesory se vyvíjely a prodávaly krátce, pouze do roku 1974. Již v roce 1972 byl vyroben 8 bitový mikroprocesor Intel 4008. V roce 1973 se objevil první 16 bitový procesor společnosti National Semiconductor, 16 bitová sběrnice / 32 bitové registry u mikroprocesoru 68000 v roce 1979 společnosti Motorola, plný 32 bitový procesor ROMP od IBM v roce 1981 a konečně 64 bitový mikroprocesor R4000 společnosti MIPS Technologies z roku 1991. Počet bitů udává, jak velikou informaci může mikroprocesor zpracovávat. S rozvojem technologie výroby čipů se zvyšovala i taktovací frekvence a tím i rychlost zpracování instrukcí, z počátečních 375kHz v roce 1970 dosáhla taktovací frekvence hodnot v řádech GHz. Mikroprocesor dal základ pro vznik další generaci počítačů s mikroprocesory a řízení.

¹) též William Thomson, lord Kelvin