Lufthansa B1 Lehrgang Unterrichtsmitschrift Modul M4 Electronic Fundamentals

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1 Halbleiter Halbleiter sind stark abhängig von : - der mechanischen Kraft (beeinflusst die Beweglichkeit der Ladungsträger) - der Temperatur (Zahl und Beweglichkeit der Ladungsträger) - Belichtung (Anzahl der Ladungsträger) - Zugefügt in Fremdstoffe ( Anzahl und Art der Ladungsträger) Bei Raumtemperatur ist die Leitfähigkeit sehr gering. Führt man Energie in Form von Wärme, Licht, Spannung oder magnetischer Energie hinzu, so ändert sich die Leitfähigkeit. Die Empfindlichkeit der Halbleiter auf Druck, Temperatur und Licht macht sie zu geeigneten Sensoren. Klassische Halbleiter: - Silizium, Germanium, Kristalle hergestellt aus Sand Auf der äußeren Schale besitzen Sie 4 Valenzelektronen, man nennt das Material 4- wertig. Ebenso gibt es aber Materialien die 3 oder 5-wertig sind. - 3-wertig: Gallium, Aluminium, Bor, Indium genannt Akzeptoren - 5-wertig: Phosphor, Arsen, Antimon genannt Donatoren Dotieren Unter dotieren versteht man das gezielte Verändern der Leitfähigkeit von Halbleitern, indem man in den reinen Halbleiterwerkstoff z.b. Silizium oder Germanium Fremdatome einbaut. N- Dotierung Wenn in reines Silizium Phosphor eingebaut wird, so steht pro Phosphoratom ein freies Elektron zur Verfügung. Da es sich bei den freien Elektronen um negativ geladene Ladungsträger handelt, spricht man von einem N-Leiter. Schließt man nun eine Stromquelle an den N-Leiter an, so entzieht der Pluspol dem N-Leiter die Elektronen und es entsteht Elektronenstrom von nach +. P- Dotierung Wenn in reines Silizium Aluminium eingebaut wird fehlt pro Aluminiumatom ein Elektron. Es entstehen Defektelektronen oder auch Löcher genannt. Da es sich bei den Löchern um positive Ladungsträger handelt, spricht man vom P-Leiter. Schließt man eine Stromquelle an den P-Leiter an, so fließen die Elektronen vom Minuspol in den P-Leiter und rekombinieren mit den Löchern. Der Pluspol entzieht nun dem P- Leiter die Elektronen und es fließt ein Löcherstrom von + nach -. Hartmann Seite

2 Eigenleitung von Halbleitermaterialien Lufthansa B1 Lehrgang Eigenleitfähigkeit nimmt mit der Temperatur quadratisch zu! Diffusionsschicht Schwellspannung Germanium: 0,3V Silizium: 0,7V Dioden Eine Diode ist eine Einbahnstraße für den Elektronenstrom In Durchlassrichtung gibt es eine gewisse Strombelastbarkeit, in Sperrichtung gibt es eine Spannungsbelastbarkeit. Zu hohe Spannung zerstört die Diode (höchst zulässige Sperrspannung) Die Spannung hängt vom Material ab. Um mehr Stropm zu bekommen benötigt man einen grösseren Querschnitt, für eine höhere Spannung eine längere Sperrschicht. Die meiste Anwendung von Dioden ist die Gleichrichtung, also aus Wechselspannung Gleichspannung erzeugen. R1 D1 R2 Blöde Schaltung (BÖSE!!!) R3 D2 R4 Gute Schaltung (SCHUTZSCHALTUNG) Hartmann Seite

3 Einweggleichrichter Bei der Einweggleichrichterschaltung fließt der Strom nur während der positiver Halbwelle und sperrt bei der negativen Halbwelle D1 R1 Mittelpunktschaltung Bei der Mittelpunktschaltung (M-Schaltung) benötigt man einen Trafo mit Mittelpunktanschluß (Anzapfung) Es werden beide Halbwellen der Wechselspannung gleich gerichtet. Tr1 D1 D2 R1 Brückengleichrichter Bei einem Brückengleichrichter wird die Gleichrichtung der positiven und negativen Wechselspannungshalbwellen mithilfe von 4 Dioden erreicht. In diesem Zusammenhang: In einer Schaltung wird meist ein ELKO (Elektrolytkondensator) verwendet. Dieser muss richtungsgebunden angeschlossen werden (+ an +, - an -) und dient nur zur Filterung der Spannungsspitzen. (glätten der Gleichstromlinie) Hartmann Seite

4 Die Z-Diode Eine Z-Diode wird immer in Sperrichtung betrieben! Sie wird als Stabilisierungsdiode verwendet.(regler) Bei erreichen des Sperrwertes wird Sie schlagartig leitend. Eine Z-Diode sorgt dafür, dass eine Spannung am Verbraucher konstant gehalten wird. Funktionsweise: Die Diode ändert durch Öffnen die Verteilspannung Die LED (Light Emitting Diode) Eine LED gibt in Durchlassrichtung Licht ab. Sie ist nicht als Gleichrichter geeignet und Lichtaussendende Halbleiterdioden. Die Farbe ist vom Halbleitermaterial abhängig. LED werden mit kleinem Strom betrieben, leuchten hell und haben einen hohen Wirkungsgrad. Eine LED muß immer mit einem Vorwiderstand betrieben werden. Fotowiderstand LDR (Light Dependent Resitor) Ein LDR ist ein Lichtabhängiger Widerstand. Er besteht aus Schwermetallen, ist also kein Halbleiter. Ein LDR besitzt keine Sperrschicht. LDR s werden in Wechsel und Gleichstromkreisen verwendet. Je mehr Licht, desto geringer der Widerstand LDR Hartmann Seite

5 Fotodiode Fotodioden werden in Sperrichtung betrieben Sie haben einen hohen Widerstand, erst durch Licht wird die Diffusionsschicht abgebaut. Je mehr Licht einwirkt desto leitender werden sei. Der Durchlassstrom ändert sich linear. Optokoppler Optokoppler funktionieren nach dem Prinzip der galvanischen Trennung Mehrschicht Halbleiter Haben zwei Betribszustände: - hochohmig und sperrend - niederohmig und leitend Thyristoren werden zur Spannungsstabilisierung verwendet arbeiten wie Schalter und sind Dioden mit Steueranschluss können mit geringem Strom als Steuerspannung durchlässig gehalten werden. Nachteil der Thyristoren: Er muß erneut entsperrt werden um Ihn durchgängig zu machen. Ein Thyristor entsperrt (wird leitend) bei hoher Spannung und kann durch geringen Strom auf die Steuerleitung auch bei abfallender Spannung leitend gehalten werden. Je höher die Spannung am Thyristor, desto weniger Strom muß am Steueranschluss fliessen. Ein Thyristor wird bei hoher Spannung leitend. Ein Thyristor hat außerdem eine Gleichrichterwirkung und lässt als gesteuertes Netzteil nur einen Teil einer jeden positiven Halbwelle durch. T1 Hartmann Seite

6 Triac Ein Triac sind zwei antiparallel geschaltete Thyristoren mit einem Steuerteil. Er wird zum steuern von Wechselspannungen verwendet. In einem Triac steht mir ein Thyristor für die positive und einer für die negative Halbwelle zur Verfügung. Es werden also beide Halbwellen verwendet. Es ist nur möglich die Amplitude in der Zeit zu begrenzen, nicht in der höhe. Ein Triac ist ebefalls wie ein Thyristor leitend oder nicht leitend T1 Transistoren Es gibt NPN und PNP Transistoren NPN Transistoren werden positiv angesteuert PNP Transistoren werden negativ angesteuert Transistoren können als Schalter oder Verstärker wirken Transistoren bestehen aus drei aufeinanderfolgenden Halbleiterschichten. Die erste Schicht sendet (emittiert) Ladungsträger aus, heißt deshalb Emitter Die Basis in der Mitte steuert die Emission der Ladungsträger Die Letzte Schicht (Kollektor) sammelt die Ladungsträger wieder ein Solange die Basisspannung 0,7V nicht überschreitet, ist auch die Basis/Emitter Diode gesperrt. Geht die Spannung über 0,7V, so wird diese Leitend. Da die Basiszone nur schwach dotiert ist, werden 99% der Ladungsträger von der Kollektorspannung erfasst und zum Kollektor gezogen. Hartmann Seite

7 T2 T3 Symbole: NPN Transistor PNP Transistor Ein Transistor kann als Gleichstromschalter für kleinere oder mittlere Ströme verwendet werden. Der Basisstrom hat Regelwirkung und ist geringer als der Ladestrom. Ohne Basisstrom gibt es keinen Ladestrom. Im Gegensatz zum Thyristor und Triac kann der Transistor jederzeit ein und ausgeschaltet werden. Transistor in der Emitter Schaltung als Schalter R1 IC IB B C T1 E UBE UCE Wenn am Eingang (Basis) keine Spannung vorhanden ist, so sperrt der Transistor und lässt keinen Strom durch. Dadurch hat der Widerstand keinen Strom, also auch keine Spannung. Diese liegt voll an Ausgang C an. Wenn am Eingang mehr als 0,7V anliegen schaltet der Transistor durch. Am Ausgang ist fast keine Spannung mehr. Bei OV zwischen B und E liegt am Verbraucher volle Spannung an, aber kein Strom. Bei 1V zwischen B und E wenig Spannung am Verbraucher, aber vollen Strom. Hat der Transistor durchgeschaltet, werden 0V gemessen. Ich messe Masse gegen Masse. Ein Transistor ist ein kontaktloser Schalter. Ein Transistor wird zwischen Basis und Emitter gemessen. Hartmann Seite

8 Hartmann Seite

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