Grundschaltungen. Der Strom ist an allen Stellen in der Reihenschaltung gleich groß. Die Summe der Teilspannungen ist gleich der Gesamtspannung.
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- Busso Kirchner
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1 Grundschaltungen Reihenschaltung Eine Reihenschaltung von Widerständen ist dann gegeben, wenn durch alle Widerstände der gleiche Strom fließt. In der Reihenschaltung unterscheidet man zwischen der Spannung der Spannungsquelle und den Spannungsabfällen an den Widerständen. Strom Der Strom ist an allen Stellen in der Reihenschaltung gleich groß. I ges = 40 ma I 1 = 40 ma I 2 = 40 ma Spannung Die Summe der Teilspannungen ist gleich der Gesamtspannung. U ges = 30 V U 1 = 20 V U 2 = 10 V Widerstand Die Summe der Teilwiderstände ist gleich dem Gesamtwiderstand. R ges = 750 Ω R 1 = 500 Ω R 2 = 250 Ω Verhältnisse Die Spannungen verhalten sich wie die dazugehörigen Widerstände.
2 Parallelschaltung von Widerständen Eine Parallelschaltung von Widerständen liegt dann vor, wenn die Ströme sich durch die Widerstände aufteilen. In hochohmigen Widerständen fließt der kleinere Strom! Die Ströme verhalten sich umgekehrt zu ihren Widerstandswerten! Spannung Die Spannungen sind an jedem Widerstand gleich. U ges = 60 V U 1 = 60 V U 2 = 60 V Strom Der Gesamtstrom ist die Summe aller Teilströme. I ges = 30 ma I 1 = 20 ma I 2 = 10 ma Widerstand Der Gesamtwiderstand ist kleiner als der kleinste Einzelwiderstand. R 1 = 3 kω R 2 = 6 kω Verhältnisse R 1 = 3 kω I 1 = 20 ma R 1 : R 2 = 1 : 2 R 2 = 6 kω I 2 = 10 ma R 2 : R 1 = 2 : 1
3 Ohmsches Gesetz Legt man einen Widerstand R an eine Spannung U und bildet einen geschlossenen Stromkreis, so fließt durch den Widerstand R ein bestimmter Strom I. In welchem Verhältnis die Werte zueinander stehen, sollen folgende Messungen ergeben. Messung 1 In einer Messschaltung wird bei gleichbleibendem Widerstand(100 Ω) die Spannung erhöht. Wie verhält sich der Strom? R in Ω U in V I in ma Bei gleichbleibendem Widerstand R und bei gleichmäßiger Erhöhung der Spannung U, steigt der Strom I mit der Spannung U. Messung 2 In einer Schaltung wird bei gleichbleibender Spannung(5 Volt) der Widerstand erhöht. Wie verhält sich der Strom? R in Ω U in V I in ma Bei gleichbleibender Spannung U und bei gleichmäßiger Erhöhung des Widerstandes R, verringert sich der Strom I um 1/R. Formeln des Ohmschen Gesetzes Das Ohmsche Gesetz kennt drei Formeln zur Berechnung von Strom, Widerstand und Spannung: Liegt an einem Widerstand R die Spannung U, so fließt durch den Widerstand R ein Strom I. Fließt durch einen Widerstand R ein Strom I, so liegt an ihm eine Spannung U an.
4 Soll durch einen Widerstand R der Strom I fließen, so muss die Spannung U berechnet werden. Praxis-Tipp: Das Magische Dreieck Das magische Dreieck kann als Hilfestellung verwendet werden um die verschiedenen Formeln des Ohmschen Gesetzes zu ermitteln. Den Wert, der berechnet werden soll, wird herausgestrichen. Mit den beiden übrigen Werten wird das Ergebnis ausgerechnet. Widerstand R und Leitwert G In einem Versuch wurde Kupfer- und ein Kohlestab dazu verwendet um den Unterschied zwischen elektrischen Widerstand R und elektrischen Leitwert G zu ermitteln. Versuch Kupfer Kohlestab Stromstärke groß sehr klein freie Elektronen viel wenig Leitereigenschaften guter Leiter Widerstandswerkstoff Widerstandswert klein groß Leitwert groß klein Ein Verbraucher mit einem kleinen Widerstand leitet den Strom gut und hat deshalb einen großen Leitwert. Ein Verbraucher mit einem großen Widerstand leitet den Strom schlecht und hat deshalb einen kleinen Leitwert. Je größer der Widerstand R, desto kleiner der Leitwert G. Je besser der Leitwert G, desto größer die Stromstärke I. Maßeinheit: S(Siemens), ms(millisiemens), µs(mikrosiemens) Formelzeichen: G R = 1/G G = 1/R Der Leitwert G ist der Kehrwert des elektrischen Widerstandes R.
5 Elektrischer Strom / Stromstärke I Unter elektrischem Strom versteht man grundsätzlich die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern(Elektronen). Die Ladungsträger können sowohl Elektronen als auch Ionen sein. Ein elektrischer Strom kann nur fließen, wenn Ladungsträger in genügender Anzahl vorhanden und frei beweglich sind. Zur zahlenmäßigen Beschreibung des elektrischen Stromes dient die elektrische Stromstärke I. Je mehr Elektronen in einer Sekunde durch einen Leiter fließen, um so größer ist die Stromstärke. Formelzeichen für die Stromstärke: I Maßeinheit: ka(kiloampere), A(Ampere), ma(milliampere), µa(mikroampere), na(nanoampere) Zur Berechnung des elektrischen Stromes oder der Stromstärke werden die folgenden Formeln verwendet: Stromrichtung Der Minus-Pol pumpt viele freie Elektronen zum Plus-Pol. Der Verbraucher, im Bild links ist es eine Lampe, setzt den freien Elektronen einen Widerstand entgegen. Physikalische Stromrichtung: (Elektronenstrom) Da die negativen Ladungsträger den Stromfluss tragen, fließen die Elektronen von Minus nach Plus. Im äußeren Stromkreis fließt der physikalische Strom von Minus(-) nach Plus(+). Technische Stromrichtung: (historische Festlegung) Die historische Festlegung der Stromrichtung hat sich durch die Messung mit einem Messgerät ergeben. Die Stromrichtung innerhalb einer Schaltung wird auch heute noch von Plus(+) nach Minus(-) definiert.
6 Messen des elektrischen Stromes Das Strommessgerät wird immer in Reihe zum Verbraucher angeschlossen. Dazu muss die Leitung des Stromkreises aufgetrennt werden um das Messgerät in den Stromkreis einzufügen. Während der Messung muss der Strom durch das Messgerät fließen. Der Innenwiderstand des Messgerätes sollte möglichst niederωig sein, um den Stromkreis nicht zu beeinflussen. Beim Messen mit einem Strommessgerät sind folgende Hinweise zu beachten: Auf die Stromart achten. Also, ob Wechsel- oder Gleichstrom(AC/DC) durch die Schaltung fließt. Der Messbereich sollte anfangs möglichst groß gewählt werden, um keine Zeigerwickelmaschine zu erzeugen. Und bei Gleichstrom ist evt. auf die Polarität zu achten. Praxis-Tipp: Ist der Stromkreis nur schwer zugänglich oder darf nicht aufgetrennt werden, so ist die Spannung an einem bekannten Widerstand im Stromkreis zu messen. Danach kann mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes der Strom berechnet werden. Elektrische Spannung U Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole, mit unterschiedlicher Ladung. Auf der einen Seite ist der Pluspol mit einem Mangel an Elektronen. Auf der anderen Seite ist der Minuspol mit einem Überschuss an Elektronen. Diesen Unterschied der Elektronenmenge nennt man elektrische Spannung. Entsteht eine Verbindung zwischen den Polen, kommt es zu einer Entladung. Bei diesem Vorgang fließt ein elektrischer Strom I. Über die elektrische Spannung kann folgende Aussagen gemacht werden: Die elektrische Spannung ist der Druck oder die Kraft auf freie Elektronen. Die elektrische Spannung ist die Ursache des elektrischen Stromes. Die elektrische Spannung(Druck) entsteht durch das Ausgleichsbestreben von elektrischen Ladungen. Bei Spannungen wird zwischen zwei Arten unterschieden: Spannungserzeugern(Spannungsquellen oder Netzspannung), die die Spannung U ges herstellen. Verbrauchern(z.B. Widerstand R 1 und R 2 ), bei denen ein Spannungsabfall U 1 und U 2 entsteht.
7 Formelzeichen: U Maßeinheit: MV(Megavolt), kv(kilovolt), V (Volt), mv(millivolt), µv(mikrovolt) Zur Berechnung der elektrischen Spannung U werden folgende Formeln verwendet: Potential Das Potential phi eines Punktes ist gleich der Spannung dieses Punktes gegenüber dem Bezugspunkt 0 V (Masse). Die Messung eines Potentials bezieht sich immer auf einen Bezugspunkt. Dieser hat 0 V und wird im allgemeinen als Masse bezeichnet. Bei der Messung eines positiven Wertes, ist das Potential positiver als der Bezugspunkt. Bei der Messung eines negativen Wertes, ist das Potential negativer als der Bezugspunkt. Messen der elektrischen Spannung Ein Spannungsmessgerät wird immer parallel zum Verbraucher, Bauelement oder zur Spannungsquelle angeschlossen. Bei der Messung an der Spannungsquelle wird der momentane Spannungswert gemessen. Am Verbraucher wird der Spannungsabfall an diesem einen Bauelementes gemessen. Das ist die Teilspannung von der Gesamtspannung der Spannungsquelle. Um die zu messende Schaltung nicht zu beeinflussen, sollte der Innenwiderstand des Spannungsmessgerätes möglichst hochωig sein. Beim Messen mit dem Spannungsmessgerät sind die folgenden Hinweise zu beachten: Die Spannungsart, also Wechsel- oder Gleichspannung(AC/DC) müssen eingestellt werden. Der Messbereich sollte anfangs größer gewählt werden, damit das Messgerät nicht zur Zeigerwickelmaschine wird. Und bei Gleichspannungen ist evt. auf die Polarität zu achten.
8 Festwiderstände Festwiderstände haben ihren Namen nach einen festen Widerstandswert, der nicht einstellbar ist. Der Widerstandswert hat als Einheit Ω (Ω) und als Formelzeichen R für Resistor(engl.). Festwiderstände unterliegen einen internationalen Farbcode mit Vierfach- bzw. Fünffachberingung. Die Beringung erlaubt die Bestimmung des Widerstandswertes in Ω. Festwiderstände unterscheiden sich in ihrer Bauform. Es gibt Schichtwiderstände und Drahtwiderstände. Schichtwiderstand Bei Schichtwiderständen wird auf zylindrischem Keramik oder Hartglas eine dünne Schicht Kohle, Metall oder Metalloxid aufgesprüht oder aufgedampft(im Vakuum). Der Widerstandswert(Toleranz bis 5%) wird durch Schichtdicke und Aufsprühzeit bestimmt. Widerstandswerte mit geringerer Toleranz wird durch Einschliffe in den Schichten hergestellt. Diese führen aber zu einer höheren Induktivität des Widerstandes. Schichtwiderstände unterscheiden sich zwischen zwei Arten von Bauform und Material. Kohleschichtwiderstand Sie eignen sich vor allem im HF-Bereich. Metallfilmwiderstände Diese Widerstandsart vereint die Eigenschaften des Draht- und Kohleschichtwiderstandes in sich. Die Widerstände haben eine geringe Toleranz. Drahtwiderstand Drahtwiderstände bestehen aus einem temperaturbeständigem Keramik- oder Kunststoffkörper, auf dem ein Draht einer Metalllegierung aufgewickelt ist. Durch die Drahtwicklung entsteht eine relativ hohe Induktivität. Der Grund liegt in der sehr großen Ähnlichkeit zur Bauweise einer Spule. Um die Induktivität zu reduzieren wird eine bifilare Wicklung verwendet. Dabei wird der Widerstandsträger doppelt bewickelt. Die nebeneinander liegenden Wicklungen werden dann entgegengesetzt vom Strom durchflossen. Die dabei auftretenden Magnetfelder heben sich gegenseitig auf. Eigenschaften: hohes Alter möglich hohe Belastbarkeit Einsatz im NF-Bereich bis 200 khz Schaltzeichen
9 Heißleiter(NTC) Heißleiter sich Halbleiterwiderstände, die temperaturabhängig sind. Sie leiten bei höheren Temperaturen besser als bei niedriger Temperatur. Sie haben einen stark negativen Temperaturkoeffizienten (TK). Deshalb werden sie auch NTC-Widerstände genannt. Heißleiter werden aus Eisenoxid(Fe 2 O 3 ), ZnTiO 4 und Magnesiumdichromat(MgCr 2 O 4 ) gefertigt. Das Diagramm beschreibt den Widerstandsverlauf in Abhängigkeit der Temperatur eines NTC-Widerstandes. Wichtigster Kennwert eines NTCs ist der Widerstand R 20, sein Widerstandswert bei 20 C, also der Widerstand des NTC im kalten Zustan d. Da die Widerstandswerte temperaturabhängig sind, werden sie nicht berechnet, sondern von den Kennlinien aus den Datenblättern abgelesen. Schaltzeichen Anwendungen Temperaturfühler bei Temperaturmessung Temperaturstabilisierung von Halbleiterschaltungen als Arbeitspunkteinstellung Anzugsverzögerung(in Reihe zum Relais) Abfallverzögerung(parallel zum Relais) Reduzierung des Einschaltstromes in Stromkreisen
10 Kaltleiter(PTC) Kaltleiter sind Halbleiterwiderstände, die temperaturabhängig sind. Der Widerstandswert wird bei ansteigen der Temperatur größer. Bei dieser Art von Halbleiter erhält man durch die Gitteranordnung der Atome je ein freies Valenzelektron pro Atom. Diese Elektronen sind leicht beweglich. An einer Stromquelle angeschlossen, bewegen sich die freien Valenzelektronen zum Pluspol und bewirken die elektrische Leitfähigkeit.Kaltleiter haben einen positiven Temperaturkoeffizienten und werden deshalb auch PTC-Widerstände genannt. Nahezu alle Metalle sind Kaltleiter, da sie bei niedrigeren Temperaturen besser leiten. An einem Versuch kann das gezeigt werden: Der Widerstandswert eines Drahtes wird über eine Strom- und Spannungsmessung bestimmt. Anschließend wird der Draht erhitzt und die Widerstandsbestimmung wiederholt. Widerstandsbestimmung vor dem Erhitzten: Widerstandsbestimmung nach dem Erhitzten: U = 0,5 V I = 4 A R = 0,125 Ω U = 1 V I = 3 A R = 0,33 Ω Das Ergebnis dieses Versuches ergibt, dass Kaltleiter im kalten Zustand einen kleinen Widerstand, also eine gute elektrische Leitfähigkeit haben. Beim Erhitzen nimmt die Leitfähigkeit ab, der Widerstand wird größer(vgl. Messergebnisse). Das Diagramm beschreibt den Widerstandsverlauf in Abhängigkeit der Temperatur eines PTC-Widerstandes. Der Widerstandswert beginnt bei der Anfangstemperatur T A zu steigen. Dieser Punkt ist der Anfangswiderstand R A. Bis zur Nenntemperatur T N steigt der Widerstand nichtlinear an. Ab dem Nennwiderstand R N nimmt der Widerstand stark zu. Bis zur Endtemperatur T E erstreckt sich der Arbeitsbereich des PTC.
11 Der PTC hat bei einer Spannung über 1V eine relativ hohe Eigenerwärmung. Diese macht man sich für Messungen und in der Regeltechnik zu nutze. Schaltzeichen Anwendungen Flüssigkeitsniveaufühler(Flüssigkeit kühlt den eigenerwärmten PTC ab) Temperaturregelung für eine Heizung Leistungs-PTCs werden zum Schutz gegen Überstrom alternativ zu Schmelzsicherungen eingesetzt. Vorteil: Leistung-PTCs sind reversibel Fotowiderstand(LDR) Ein Fotowiderstand ist ein Halbleiterwiderstand, der lichtabhängig ist. Er wird auch LDR (Light Dependent Resistor) genannt. Durch das Licht(Photonen) werden im Bauelement Kristallbindungen aufgelöst. Dadurch entstehen freie Ladungsträger, die dazu führen, dass der Widerstandswert sinkt(bei Lichteinfall). Allerdings haben Fotowiderstände eine gewisse Trägheit, die ihre Einsatzfähigkeit etwas einschränkt. An einem Versuch kann das gezeigt werden: Ein LDR wird an eine Stromquelle angeschlossen. Sein Widerstandswert wird bei Abdunklung und bei Beleuchtung bestimmt. Widerstandsbestimmung bei Abdunklung: Widerstandsbestimmung bei Beleuchtung: U = 5,5 V I = 0,001 A R = 5,5 kω U = 5,5 V I = 0,1 A R = 55 Ω Bei einem LDR steigt die elektrische Leitfähigkeit mit zunehmender Beleuchtung, d.h. je stärker der Lichteinfall ist, desto kleiner ist der Widerstand, desto größer der Strom.
12 Aufbau Bei einem LDR sind zwei Kupferkämme auf einer isolierten Unterlage angebracht. Dazwischen liegt eine dünne Cadmiumsulfidschicht (CdS) in Form eines gewundenen Bandes. Cadmiumsulfid ist ein Halbleitermaterial, bei dem die elektrische Leitfähigkeit von der einfallenden Lichtmenge abhängt. Je mehr Licht auf das CdS fällt, desto größer ist die Paarbildung (Rekombination zwischen Löchern und Elektronen), desto größer ist auch der elektrische Strom. Weitere Halbleitermaterialien für Fotowiderstände sind z. B. CdSe, PbS, PbSe, CdTe, ZnO, Se, InSb, InAs, Germanium(Ge) oder Silizium(Si). Schaltzeichen Anwendung Der Fotowiderstand befindet sich in Gleich- und Wechselstromkreisen im Einsatz. Er wird als Beleuchtungsstärkemesser, Dämmerungsschalter und als Sensor in Lichtschranken verwendet. Kondensatoren Kondensatoren sind Bauelemente, welche elektrische Ladungen bzw. elektrische Energie speichern können. Die einfachste Form eines Kondensators besteht aus zwei gegenüberliegenden Metallplatten. Dazwischen befindet sich ein Dilektrikum, welches keine elektrische Verbindung zwischen den Metallplatten zulässt(isolator). Legt man an einen Kondensator eine Spannung an, so entsteht zwischen den beiden metallischen Platten ein elektrisches Feld. Die gespeicherte Energie W und die elektrische Ladung Q sind abhängig von der Kapazität C und der anliegenden Spannung U.
13 Elektrolytkondensatoren Die meisten Kondensatoren haben feste Kondensatorbeläge. Meistens sind es Folien aus metallischen Werkstoffen. Das Elektrolyt ist ebenfalls ein Kondensatorbelag. Es ist eine leitende Flüssigkeit. Dieses Elektrolyt hat den Vorteil, das damit sehr hohe Kapazitäten erreicht werden können. Allerdings hat es wie andere Flüssigkeiten den Nachteil, das es trotz fest verschlossenem Kondensatorgehäuse im laufe der Jahrzehnte austrocknet oder ausläuft. Außerdem ist die Toleranz der Kapazität sehr hoch. Der aufgedruckte Kapazitätswert auf einem Elektrolytkondensator stellt ein ungefährer Schätzwert dar. Aluminium-Elektrolytkondensatoren Eine Aluminiumfolie wird mit einer Oxidschicht überzogen. Diese Oxidschicht stellt das Dielektrikum dar, welches auch bei einer geringen Dicke eine hohe Spannungsfestigkeit hat. Die Aluminiumfolie ist der eine Kondensatorbelag. Das Elektrolyt, eine elektrisch leitende Flüssigkeit, ist der andere Kondensatorbelag. Um die Kapazität zu erhöhen, wird die Aluminiumfolie aufgeraut. Die Kapazität hat dann jedoch eine Toleranz von -20% bis +100%. Der Aluminium-Elektrolytkondensator muss gepolt betrieben werden. Die Aluminiumfolie ist der positive Pol, das Elektrolyt der negative Pol. In der Regel ist der Kondensatorbecher an einer Seite mit einem Plus gekennzeichnet, woran man die Polung erkennen kann. Wird der Aluminium-Elektrolytkondensator oberhalb von 2V falsch herum gepolt, baut sich die Oxidschicht ab. Das Elektrolyt erwärmt sich. Es kommt zur Gasbildung, und dann zur Explosion des Kondensators. Anwendung findet er als Ladekondensator im Gleichstromkreis und zur Entkopplung elektronischer Baugruppe. Die Funktion eines Elkos kann man am besten mit einem Widerstandsmeßgerät überprüfen. So steigt der Widerstandswert am Meßgerät langsam bis unendlich. Tantal-Elektrolytkondensatoren Das Tantal eignet sich sehr gut zur Herstellung von Elektrolytkondensatoren. Das Dielektrikum Tantalpentoxid ist sehr Spannungsfest, und baut sich auch bei längerer Lagerung nicht ab. Die Kapazität bei Tantal-Elektrolytkondensatoren bewegt sich im Mikrofarad-Bereich. Abweichungen liegen zwischen -20% und +20%. Sie finden überall dort Anwendung, wenn große Kapazitäten mit kleiner Bauform gefordert sind. Vorsicht ist beim Laden und Entladen von Tantal-Elektrolytkondensatoren geboten. Sie sind sehr empfindlich gegen hohe Stromstärken. Das Laden und Entladen sollte immer über Vorwiderstände erfolgen.
14 Halbleiterdioden Die Eigenschaften des PN-Überganges werden in Halbleiterdioden genutzt. Die p- und n-schicht befinden sich einem verschlossenen Gehäuse mit zwei Anschlussbeinen. Das Bild links zeigt den Prinzip-Aufbau, das Schaltzeichen und das Bauteil(achsial) mit Markierungsring(Kathode). Das Dreieck stellt die p- Schicht dar. Der Balken die n-schicht. Die Dreiecksspitze zeigt die technische Stromrichtung in Durchlassrichtung an. Das Bauteil besitzt eine Ringmarkierung auf der Kathodenseite. Dadurch können die Seiten voneinander unterschieden werden. Die Diode wird mit dem Plus-Pol an der Anode in Durchlassrichtung betrieben. Die Diode wird mit dem Plus-Pol an der Kathode in Sperrichtung betrieben. Ermittlung der Diodenkennlinie Um die Abhängigkeit zwischen Strom und Spannung eines elektronischen Bauelementes zu ermitteln wird eine Schaltung zur Aufnahme der Strom- und Spannungswerte aufgebaut. Diese Schaltung kann zum Beispiel auf die Halbleiterdiode angewendet werden. Die Messschaltung besteht aus einer Spannungsquelle, einen Vorwiderstand zur Strombegrenzung, ein Strommessgerät, ein Spannungsmessgerät und die Halbleiterdiode selber. U F = Durchlassspannung, Schwellspannung(Schwellwert) U R = Sperrspannung I F = Durchlassstrom I R = Sperrstrom Messung Die Messwerte beziehen sich auf die Diode in Durchlassrichtung. Um die Durchlassspannung U F zu erhöhen, wird die Spannung U Ges des Netzgerätes erhöht. U F / V 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,75 I F / ma 0 0,02 0,2 1, Ab einem bestimmten Durchlassspannungswert U F beginnt der Strom stark anzusteigen. Diesen Spannungswert nennt man Schwellspannung.
15 Die Halbleiterdiode zeichnet sich durch diese Charakteristik als spannungsabhängiger Widerstand aus. Diodenkennlinie Im Kennlinienfeld sind die Spannungs- und Stromverhaltensweisen einer Germanium-(Ge) und einer Silizium-Diode(Si) dargestellt. Der Durchlassbereich, in dem die Kennlinien der Dioden in Durchlassrichtung betrieben werden liegt rechts oben. Der Sperrbereich, in dem die Kennlinien der Dioden in Sperrrichtung betrieben werden, liegt links unten. Die beiden anderen Felder spielen bei der Kennlinienaufnahme keine Rolle. Die Kennlinie ergibt sich z.b. aus der Messung weiter oben. Dazu werden die Messwerte in die richtige Koordinate gesetzt. Die Punkte werden dann miteinander verbunden. Daraus ergibt sich eine grafische Darstellung der Messwerte: die Kennlinie. Alternativ gibt es die Möglichkeit die Kennlinie mit Hilfe eines Oszilloskopes darzustellen. Die Kennlinie kann z.b. dazu verwendet werden um die Schwellspannung oder den differentiellen Widerstand r F zu bestimmen. Schwellspannung ~ Diffusionsspannung Es spielt keine Rolle, in welchem Spannungsbereich sich eine Diode befindet. Die Anode der Diode muss in Durchlassrichtung nur um die Schwellspannung positiver sein als die Kathode. Die Schwellspannung ist abhängig vom Halbleitermaterial und entspricht nur einem Circa-Wert. Ein paar Beispiele häufiger Halbleitermaterialien: Germanium ~ 0,3V Silizium ~ 0,7V
16 Eigenschaften einer Halbleiterdiode große Sperrspannung kleine Durchlassspannung kleine Baugröße, dadurch empfindlich gegen Überlast großer Durchlassstrom Gleichrichterwirkung Anwendungen Spannungsbegrenzung auf ca. 0,7V(Silizium-Diode) Gleichrichtung von Wechselspannung Leuchtdioden (LED) Die Leuchtdiode, auch LED (Light Emitting Diode) genannt, ist eine Halbleiterdiode, die beim Betrieb in Durchlassrichtung Licht erzeugt(emittiert). Dabei gibt ein Halbleiterkristall ein Lichtsignal ab, das durch die linsenförmige Form des Kopfes gebündelt bzw. gestreut wird. Leuchtdioden gibt es in verschiedenen Farben, Größen und Bauformen. Deshalb werden sie als Signallampen verwendet. Dieses Bauteil ist je nach Farbe aus unterschiedlichen Halbleiterkristallen aufgebaut. Sie funktioniert dabei wie jede andere Halbleiterdiode auch. Funktionsweise einer LED Wie bei der normalen Diode wird die Grenzschicht mit freien Ladungsträgern überschwemmt. Die Elektronen rekombinieren mit den Löchern. Dabei geben die Elektronen ihre Energie in Form eines Lichtblitzes frei. Da die p- Schicht sehr dünn ist, kann das Licht entweichen. Leuchtdioden zeichnen sich dadurch aus, dass sie mit wenigen Milliampere Strom sehr hell leuchten können. Besonders die roten Leuchtdioden haben einen hervorragenden Wirkungsgrad. Schaltzeichen
17 Berechnung des Vorwiderstandes Eine Leuchtdiode muss immer mit einem Vorwiderstand beschaltet werden. Er dient dazu, um den Strom I F, der durch die Leuchtdiode fließt zu begrenzen. Für die Widerstandsbestimmung sollte die jeweilige Durchlassspannung U F berücksichtigt werden. Die Spannung U ges entspricht der Betriebsspannung von 3 bis 5 V Gleichspannung. Die Spannung U Led entspricht der gewollten Spannung U F. Der Strom I Led ist der Strom I F. Dieser Wert ist abhängig von der gewünschten Leuchtstärke der LED. Solarzellen Solarzellen sind photovoltaische Scheiben, die zu Solarmodulen mit Stromanschlüssen und Schutzschicht zusammengefaßt werden. Als Halbleiterwerkstoff werden Silizium(Si), Germanium(Ge), Galiumarsenid(GaAs) oder Cadmiumsulfid(CdS) eingesetzt. Solarzellen sind wie Halbleiterdioden aufgebaut. Die p-schicht liegt an der Oberfläche und ist sehr dünn, so dass das Sonnenlicht bis in die Grenzschicht des pn-überganges durchdringen kann. Durch das eindringende Licht werden Elektronen aus dem Halbleiterkristall herausgelöst und wandern im elektrischen Feld der Grenzschicht in die n-schicht des Halbleiters Die n-schicht erhält einen negativen Ladungsüberschuss, die p-schicht erhält einen positiven Ladungsüberschuss. Durch die Ladungstrennung entsteht eine Spannungsquelle, die einem angeschlossenem Verbraucher Strom liefern kann. Die Größe der Spannung steht im Zusammenhang mit der Grenzschichtspannung. Bei ausreichendem Lichteinfall liefert eine Siliziumsolarzelle etwa 0,5V. Je cm² kann sie eine Stromentnahme von ca. 20 ma aufrechterhalten ohne das die Spannung einbricht. Schaltzeichen Ersatzschaltbild
18 Bipolarer Transistor Normale Transistoren haben eine npn- oder pnp- Schichtenfolge und werden bipolare Transistoren genannt. Bipolare Transistoren bestehen aus Silizium. Sie gibt es auch in Germanium(veraltet) oder aus Mischkristallen, die nicht sehr häufig verbreitet sind. Alle weiteren Ausführungen beziehen sich auf den Silizium-Transistor mit npn-schichtenfolge. Jeder bipolare Transistor besteht aus drei dünnen Halbleiterschichten, die übereinander gelegt sind. Sie sind mit metallischen Anschlüssen versehen, die aus dem Gehäuse herausführen. Die Außenschichten des bipolaren Transistors werden Kollektor(C) und Emitter(E) genannt. Die mittlere Schicht hat die Bezeichnung Basis(B), und ist die Steuerelektrode, oder auch der Steuereingang des Transistors. Diese mittlere Schicht ist gegenüber den beiden anderen Schichten besonders dünn. Das Schaltzeichen links wird gerne verwendet um den Prinzipaufbau des Transistors darzustellen: zwei gegeneinander geschaltete Halbleiterdioden. Die Funktionsweise eines Transistors kann so in der Realität nicht nachgestellt werden. Der Grund liegt in dem veränderten Verhalten aufgrund der sehr dünnen p- Schicht des Transistors. Funktionsweise eines Transistors Durch das Anlegen einer Spannung U BE von 0,7 V, ist die untere Diode(Prinzip) in Durchlassrichtung geschaltet. Die Elektronen gelangen in die p-schicht und werden von dem Plus-Pol der Spannung U BE angezogen. Da die p-schicht sehr klein ist, wird nur ein geringer Teil der Elektronen angezogen. Der größte Teil der Elektronen bewegt sich weiter in die obere Grenzschicht. Dadurch wird diese leitend und der Plus-Pol der Spannung U CE zieht die Elektronen an. Es fließt ein Kollektorstrom I C. Bei üblichen Transistoren rutschen etwa 99% der Elektronen von Emitter zum Kollektor durch. In der Basisschicht bleibt etwa 1% der Elektronen hängen.
19 Eigenschaften des bipolaren Transistors U CE = Kollektor-Emitter-Spannung U BE = Basis-Emitter-Spannung (Schellwert) I C = Kollektorstrom I B = Basisstrom Der Kollektorstrom I C fließt nur, wenn auch ein Basisstrom I B fließt. Wird der Basistrom I B verändert, nimmt auch der Kollektorstrom I C einen anderen Wert an. Der Transistor wirkt dabei wie ein elektrisch gesteuerter Widerstand. Der Kollektorstrom I C ist um ein vielfaches von 20 bis mal größer als der Basisstrom I B. Diesen Größenunterschied nennt man Stromverstärkung B, und lässt sich aus dem Verhältnis I C zu I B berechnen. Ein Basisstrom kann erst dann fließen, wenn die Spannung an der Basis- Emitter-Strecke(-Diode) den Schwellwert von 0,6 V erreicht hat. Die Stromverstärkung bleibt bei schwankender Kollektor-Emitterspannung U CE weithin konstant, sofern diese Spannung über 4 V liegt. Mittels einer Hilfsspannung U BE kann der Schwellwert vorab eingestellt werden. Dieses Vorgehen wird als Arbeitspunkteinstellung bezeichnet. Um die eingestellte Spannung kann nun der Basisstrom den Kollektorstrom steuern. Spannungsverteilung Aufbau Der NPN-Transistor besteht aus zwei N- leitenden Schichten. Dazwischen liegt eine dünne P-leitende Schicht. Der PNP-Transistor besteht aus zwei P- leitenden Schichten. Dazwischen liegt eine dünne N-leitende Schicht. Dotierungsfolge N P N P N P Schaltzeichen und Potentialverteilung
20 Darlington-Transistor Der Darlington-Transistor ist eine Darlington-Schaltung, die aus zwei Transistoren zusammengesetzt ist. Sie können getrennt oder in einem Gehäuse zusammengeschaltet sein. Ein Darlington-Transistor ist im Prinzip ein Einzel- Transistor mit einer sehr hohen Stromverstärkung, die aus dem Produkt der einzelnen Stromverstärkungen berechnet wird. Der Darlington-Transistor wird dort eingesetzt, wo eine Spannung, die nicht belastet werden darf, eine große Last steuern/schalten soll. Den Darlington-Transistor gibt es auch als fertiges Bauelement in NPN-NPN- und PNP-PNP-Form. Stromfluss durch die Darlington-Schaltung I C = Arbeitsstrom I B = Steuerstrom
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