Elektronik ist die technische Grundlage für die Verarbeitung von Signalen und Daten.

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1 Elektronik ist die technische Grundlage für die Verarbeitung von Signalen und Daten. Die Elektronik setzt sich hierarchisch zusammen aus Bauelementen Baugruppen Geräten und Netzwerken. Der Schlüssel für den Zugang zur Elektronik ist das Ohmsche Gesetz. 1 Begriffe und Denken S p a n n u n g S p a n n u n g s a b f a l l W = Q = _ F _ Q + + _ s W = F s Spannung liegt an Spannung wird erzeugt durch: Spannung fällt ab Spannungsabfall wird erzeugt durch: nduktion Elektrochemie Optoelektrik Thermoelektrik Strom durch einen Widerstand 2 1

2 Definition: Elektronische Bauelemente sind funktionell und konstruktiv bestimmbare Grundglieder von elektronischen Funktionseinheiten (Baugruppen). Bauelemente Widerstände ntegrierte Schaltkreise Kontakt- und Verbindungselemente Widerstände deren Wert von einer physikalischen Größe gesteuert wird Analog- Schaltkreise Digital- Schaltkreise Leiterplatten Schalter Steckverbindungen u.a. Widerständ mit konstantem Widerstandswert Analog- Digitalschaltkreise Digital- Analogschaltkreise 3 Widerstände Definition: Widerstände sind elektronische Bauelemente, die den elektrischen Energiefluß in einem definierten Maß hemmen. D.h., sie begrenzen Ströme und erzeugen Spannungsabfälle, wobei sie elektrische Energie in Wärme umwandeln. Ohmsche Widerstände Symbol: Einheit: 1 V/A = 1 Ω abgewandelte Einheiten: 1 MΩ = 10 3 kω = 10 6 Ω = 10 9 mω Kennlinie: = = ρ l A Widerstand allgemein Drahtwiderstand 3 2 Festwiderstand stetig verstellbarer Widerstand 1 einstellbarer Widerstand und sind zueinander proportional 4 2

3 Thermische Belastbarkeit Die von jedem Widerstand umgewandelte Elektroenergie in Wärme wird als Verlustleistung P v bezeichnet. 2 2 P V = = = Systemisch gesehen ergibt sich zur Funktion von Widerständen folgendes Modell: Q=Pv Pe Pa Pe = Pa + Q Q = Pv 5 Widerstände, deren Wert durch eine physikalische Größe gesteuert wird - Nichtlineare Widerstände Temperaturabhängige Widerstände - Thermistoren Heissleiter sind Widerstände mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (TC), also kurz - einem NTC. Bei Kaltleitern liegen die Verhältnissen genau umgekehrt. Sie haben deshalb einen PTC, einen positiven TC. Symbol: T Einheit: 1 Ω = e T 0 b( 1 1 ) T 0 T T = aktueller Widerstandswert bei T 0 : Widerstandswert bei T = 20 C b : Energiekonstante Schaltzeichen T = 0 e ct -ϑ Heißleiter +ϑ Kaltleiter ϑ 6 3

4 Lichtabhängige Widerstände Fotowiderstände Fotowiderstände sind Widerstände, deren Wert von der Beleuchtungsstärke E abhängt. Symbol: F Einheit: 1 Ω F ist proportional zu E c: Materialkonstante -1 < c < -0,5 E: Beleuchtungsstärke in lx (Lux) Schaltzeichen: E Ausführungsformen: PbS (Bleisulfid) oder CdS (Kadmiumsulfid) im Kunststoffgehäuse. 7 Spannungsabhängige Widerstände - Varistoren Kennlinie: + = K α - + K: geometrieabhängige Konstante in AV -1 α: Nichtlinearitätsexponent - Schaltzeichen: 8 4

5 Magnetfeldabhängige Widerstände - Feldplatten 0 : Grundwiderstand 0 B Schaltzeichen B 9 Frequenzabhängige Widerstände Kondensatoren Grundeigenschaft: Speicherfähigkeit von elektrischen Ladungen (elektrisches Feld) - Kapazität C. Kapazität allgemein: Q C = As V 1 Einheit: [ C] = = 1F Abgewandelte Einheiten: Platten Dielektrikum (solator) 1F = 10 6 µf = 10 9 nf = pf Kapazität Plattenkondensator: A C = ε d Strom-Spannungs-Beziehung: du i = C dt Durch einen Kondensator fließt nur ein Strom bei Änderung der Spannung. Bei Gleichspannung fließt kein Strom. Je schneller die Änderung, desto größer die Stromstärke. 10 5

6 Blind- und Scheinwiderstand des Kondensators X C Die Beziehung beschreibt das frequenzabhängige Verhalten von Kondensatoren bei sinusförmigen Wechselgrößen. Kennlinie X C 1 1 = = ω C 2π f C X C : Blindwiderstand eines Kondensators f: Frequenz f Durch Messung und Berechnung kann bei sinusförmigen Wechselgrößen der Scheinwiderstand Z ermittelt werden. Z = Der Scheinwiderstand Z entsteht durch den ohmschen Widerstand des Dielektrikums. X C 11 Frequenzabhängige Widerstände Spulen Grundeigenschaft: Zeitlich begrenzte Speicherfähigkeit des magnetischen Feldes - nduktivität L. nduktivität allgemein: N φ L = 1Vs A Einheit: [ L] = = 1H gewickelter Draht Eisenkern nduktivität der Spule: 2 µ r N A L = 0 µ l Abgewandelte Einheiten: 1H = 10 3 mh = 10 6 µh Strom-Spannungs-Beziehung: di u = L dt n einer Spule entsteht nur eine nduktionsspannung, wenn sich die Stromstärke ändert. Die nduktionsspannung wirkt dem fließenden Strom wie ein Widerstand (X L ) entgegen. Bei Gleichstrom entsteht keine nduktionsspannung. Je schneller die Stromänderung, desto größer die nduktionsspannung. 12 6

7 Blind- und Scheinwiderstand der Spule Die Beziehung beschreibt das frequenzabhängige Verhalten von Spulen bei sinusförmigen Wechselgrößen. X L = ω L = 2π f L Kennlinie X L X C : Blindwiderstand einer Sule f: Frequenz f Durch Messung und Berechnung kann bei sinusförmigen Wechselgrößen der Scheinwiderstand Z ermittelt werden. Z = Der Scheinwiderstand Z entsteht durch den ohmschen Widerstand des Spulendrahtes. X L Z = 2 + X 2 L 13 Stromrichtungsabhängige Widerstände - Dioden Dioden sind Widerstände, deren Widerstandswert von der Stromrichtung abhängt. Sie sind in der Lage. sehr verschiedene Funktionen zu erfüllen. Dioden besitzen einen pn - Übergang, der je nach Funktion in seiner Ausführung variieren kann. Grundsätzlich sind Dioden wie alle bisher betrachteten Widerstände als Zweipolanordnungen mit Ventilverhalten aufzufassen. Kennlinie F F = S F T e S :Sättigungsstrom: bis 10-6 A T :Temperaturspannung, bei 20 C 25,84 V S F F : Strom in Flussrichtung im ma- bis A-Bereich F : Spannung in Flussrichtung bis 1,5 V S : Schleusenspannung 0,7 V Si-Dioden, 0,3 V Ge-Dioden : Strom in Sperrrichtung im na- bis µa-bereich : Spannung in Sperrrichtung bis einige 1000 V möglich Schaltzeichen: Anode Kathode 14 7

8 Betriebsarten: 1. Durchlassrichtung: 2. Sperrrichtung F F B B m das Verhalten einer Diode zu erklären, eignet sich das folgende Ersatzschaltbild: r F : diff. Wid. in Flussrichtung S = 0,7V r : diff. Wid. in Sperrrichtung Durchbrüche: Dioden sind nicht grenzenlos belastbar. Das gilt für den Betrieb in Sperr- und auch in Durchlassrichtung. Während bei Überlastung in Durchlassrichtung die entstehende Stromwärme die Diode zerstört, kann die in Sperrrichtung durch die intensiven elektrischen Felder hoher Spannungen geschehen. Solche Erscheinungen nennt man Durchbrüche: Durchbruch 1. Art bedeutet, dass der Spannungsabfall über der Diode bei sehr intensiver Erhöhung des Sperrstromes nahezu konstant bleibt. Das Bauelement wird erst dann zerstört, wenn der Sperrstrom ein bestimmtes Maß übersteigt. Der Vorgang ist also reversibel. Durchbruch 2. Art bedeutet, dass bei Überschreitung einer bestimmten Sperrspannung die Diode zerstört wird. Sie verliert ihren Sperrwiderstand, der Spannungsabfall über ihr bricht zusammen. 15 Strom- und Spannungsgesteuerte Widerstände - Transistoren Transistoren werden in der Fachliteratur als aktive Bauelemente bezeichnet. Die Vorteile des Transistors gegenüber der Elektronenröhre sind: Kleinheit geringe Betriebsspannung höhere Zuverlässigkeit Arten: bipolare und unipolare Transistoren längere Lebensdauer geringer Preis m technische Funktionen zu erfüllen, benötigen Transistoren eine äußere Beschaltung. Diese erst versetz den Transistor in Betriebsbereitschaft. Schaltzeichen Kollektor Basis Emitter Der Transistor als Vierpol B C BE CE Merke: Die Symbole von Stromstärken werden mit einem, die von Spannungsabfällen mit zwei ndizes angegeben. Gleichstromverstärkung B. B = c B β = d d C B für große Signale für kleine Signale 16 8

9 B Ersatzschaltbild B C C Eingangswiderstand e BE r BE β B β g CE CE Ausgangswiderstand a E E Betriebsparameter Basis - Emitter - Spannung BE : etwa 0,7 V Basisstromstärke B einige 10µA bis einige ma Kollektor - Emitter - Spannung CE einige V bis einige 100 V Kollektorstromstärke C einige ma bis einige A Kennlinie des Transistors CE CE = f ( B ) B C CE CE = CE C B 17 Aufnahme des Kennlinienfeldes C /ma 10 8 B6 B5 1. Eingangskennlinie B =f( BE ); CE : Parameter 2. Ausgangskennlinienfeld C =f( CE ); B : Parameter 6 4 B4 B3 3. Stromübertragungskennlinie C =f( B ); CE : Parameter B /µa B2 B1 = CE/V 0,2 0,4 C 0,6 0,8 B BE CE BE /V 18 9

10 Prototyp (Forschungsmodell) 1948 Bauelemente John Bardeen ( ), hinten links Walter Brattain ( ) rechts gehören zu den von William Shokley ( ), sitzend, geleiteten Forschungsteam in den Bell Telephon Laboratories in den SA. Sie erhielten für ihre Erfindung den Nobelpreis