Bauelemente der Elektronik
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- Astrid Adler
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1 Inhalt: Bauelemente der Elektronik Passive Bauelemente Aktive Bauelemente Halbleiterdiode Bipolartransistor Bipolartransistor als elektronischer Verstärker Feldeffekttransistor Feldeffektransistor als elektronischer Schalter Leiterplatten Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 1
2 Passive Bauelemente Leiter und Widerstände Kondensatoren Spulen C L R [Ω] [F] [H] Ohm (nach Ohm) Farad (nach Faraday) Henry (nach Henry) Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange
3 Elektrische Leiter und Widerstände: Stoffe reagieren unterschiedlich auf das Anlegen einer elektrischen Spannung: Bei bestimmten Stoffen erfolgt ein nahezu ungebremster Transport von elektrischen Ladungsträgern (z.b. Elektronen), d.h. diese Stoffe haben ein ausgeprägtes Vermögen, unter Einfluß eines elektrischen Feldes einen elektrischen Strom zu führen. Sie besitzen eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit. Diese Stoffe nennt man elektrische Leiter. Beispiele: Metalle wie Silber, Kupfer, Gold, Aluminium. Stoffe mit äußerst geringer elektrischer Leitfähigkeit nennt man Isolatoren oder Dielektrika. Beispiele: Keramik, Kunststoffe, Papier Stoffe mit einer mittleren Leitfähigkeit nennt man Halbleiter. Beispiele: Silicium, Germanium, unterschiedliche Legierungen Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 3
4 Jeder Stoff besitzt also eine spezifische elektrische Leitfähigkeit σ bzw. einen spezifischen elektrischen Widerstand ρ, wobei ρ=1/σ Der Widerstand eines leitfähigen Quaders mit der Länge L und einer Seitenfläche a b ergibt sich zu R=ρ L a b Maßeinheit Ω (Ohm) I Spannungsquelle U b a L Ohm sche Gesetz: U=R I Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 4
5 Das Bauelement Widerstand... besteht aus Material mit geringer Leitfähigkeit gewickelter Widerstandsdraht auf nichtleitendem Körper oder dünne Metall-/Metalloxid-/Metallglasschichten auf nichtleitender Trägermasse Der Widerstand ist das meistverwendete Bauelement der Elektronik. Hauptanwendungen: Spannungsteiler Referenzglieder Ableichwiderstände elektrisches Schaltsymbol: Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 5
6 u 1 (t) R 1 R u (t) u () t = u () t 1 R 1 R + R ( t) = U. u () t u = 1 0 const = U 0 R 1 R + R Oszillograph zur Darstellung der elektrischen Signale ( t) = U cos( πf t) u1 0 0 u () t = U cos( πf t) 0 0 R R + R 1 u 1 (t) u (t) Das Verhalten der Schaltung ist frequenzunabhängig. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 6
7 Kondensatoren und Spulen - elektrische Energiespeicher Spulen Kondensatoren Energiespeicher elektromagnetisches Feld elektrostatisches Feld Hauptanwendungen: Spulen: Elektromechanik Elektromagnet Relais Elektronik Filter Schwingkreise HF-Drosseln Kondensatoren: Elektronik Filter (z.b. Drehkondensator) Schwingkreise Speicher (z.b. im DRAM) Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 7
8 Spule / Induktivität: elektrisches Schaltsymbol: typischer Aufbau: oder L gewickelter Kupferdraht Kern aus magnetischem Material (z.b. Ferritkern) Fließt durch eine Spule, so wird ein elektromagnetisches Feld aufgebaut (Energiespeicher). Dieses elektromagnetische Feld kann sich nicht schlagartig ändern. Als Folge davon gilt: Der durch eine Spule fließende Strom kann sich nicht sprungartig ändern!!! Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 8 u(t) u(t) i(t) i(t) L R t t
9 Kondensator elektrisches Schaltsymbol: typischer Aufbau: C Metallplatte Dielektrikum (Papier, Keramik,...) Wird eine Spannung an die Platten des Kondensators angelegt, so wird ein elektrostatisches Feld aufgebaut (Energiespeicher). Dieses elektrostatische Feld kann sich nicht schlagartig ändern. Als Folge davon gilt: Die an einem Kondensator anliegende Spannung kann sich nicht sprungartig ändern!!! Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 9 u(t) u(t) u c (t) C u c (t) R t t
10 Passive elektronische Schaltungen (Beispiele für das Verhalten einfacher passiver Netzwerke bzw. Filter) Der Tiefpass (TP): Eigenschaften des idealen Tiefpass: Sinusförmige Signale mit einer Frequenz kleiner einer bestimmten Grenzfrequenz f g durchlaufen den Tiefpass (nahezu) ungedämpft. Sinusförmige Signale mit einer Frequenz größer einer bestimmten Grenzfrequenz f g werden vom Tiefpass unterdrückt. Systembeschreibung: f<f g u () t U sin(π ) = u() t = U sin(πft) 1 1 ft TP Übertragungsfkt. 1 U G = U 1 f>f g f g f Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 10
11 Verhalten eines realen Tiefpass: f<f g u ( t) U sin(π ) = u() t = U sin(πft) 1 1 ft TP Systembeschreibung: U G = U 1 f>f g Elementare reale Tiefpässe: f g f u 1 (t) Z L R u (t) oder u 1 (t) R Z C u (t) Z L = ω L = π f L Je größer die Frequenz, um so größer der (Blind-) Widerstand der Spule. Z C 1 = ω C 1 = π f C Je größer die Frequenz, um so kleiner der (Blind-) Widerstand des Kondensators. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 11
12 Experiment: u 1 (t) Oszillograph - Meßgerät zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs elektrischer Signale t u 1 (t) R Z C u (t) u 1 (t) t u 1 (t) t Bildschirm des Oszillographen zur Darstellung der Signale am Eingang und am Ausgang des Tiefpasses Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 1
13 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 13
14 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 14
15 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 15
16 Der Hochpass (HP): Eigenschaften des idealen Hochpaßpass: Sinusförmige Signale mit einer Frequenz kleiner einer bestimmten Grenzfrequenz f g werden vom Tiefpass unterdrückt. Sinusförmige Signale mit einer Frequenz größer einer bestimmten Grenzfrequenz f g durchlaufen den Tiefpass (nahezu) ungedämpft. Systembeschreibung: f<f g u () t U sin(π ) = u() t = U sin(πft) 1 1 ft HP Übertragungsfkt. 1 U G = U 1 f>f g f g f Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 16
17 Verhalten eines realen Hochpass: f<f g u ( t) U sin(π ) = u() t = U sin(πft) 1 1 ft HP Systembeschreibung: U G = U 1 f>f g Elementare reale Hochpässe: f g f u 1 (t) R Z L u (t) oder u 1 (t) Z C R u (t) Z L = ω L = π f L Je größer die Frequenz, um so größer der (Blind-) Widerstand der Spule. Z C 1 = ω C 1 = π f C Je größer die Frequenz, um so kleiner der (Blind-) Widerstand des Kondensators. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 17
18 Experiment: u 1 (t) Oszillograph - Meßgerät zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs elektrischer Signale u 1 (t) t u 1 (t) Z C R u (t) t u 1 (t) t Bildschirm des Oszillographen zur Darstellung der Signale am Eingang und am Ausgang des Tiefpasses Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 18
19 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 19
20 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 0
21 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 1
22 Der Bandpass (BP): Eigenschaften des idealen Bandpaßpass: Sinusförmige Signale mit einer Frequenz kleiner einer bestimmten Grenzfrequenz f g1 werden vom Bandpass unterdrückt. Sinusförmige Signale mit einer Frequenz größer einer bestimmten Grenzfrequenz f g werden vom Bandpass ebenfalls unterdrückt. Sinusförmige Signale mit einer Frequenz größer f g1 und kleiner f g durchlaufen den Bandpass (nahezu) ungedämpft. f<f g1 f g1 <f< f g u () t U sin(π ) = u() t = U sin(πft) 1 1 ft BP Systembeschreibung: Übertragungsfkt. 1 U G = U 1 f>f g f g1 f g f Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange
23 Verhalten eines realen Bandpass: f<f g1 f g1 <f< f g u ( t) U sin(π ) = u() t = U sin(πft) 1 1 ft BP Systembeschreibung: 1 U G = U 1 f>f g f g1 f g f Elementarer realer Bandpaß: u 1 (t) R Z L Z C u (t) Kurzschluss für tiefe Frequenzen Kurzschluss für hohe Frequenzen Z L Z C = ω L = π 1 = ω C f L Je kleiner die Frequenz, um so kleiner der (Blind-) Widerstand der Spule. 1 = π f C Je größer die Frequenz, um so kleiner der (Blind-) Widerstand des Kondensators. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 3
24 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 4
25 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 5
26 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 6
27 Übertragungsfunktion Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 7
28 Aktive Bauelemente Die Diode / Halbleiterdiode (grundsätzliche Funktionsweise) Zweipol-Bauelement mit einer asymmetrischen Strom-Spannungskennlinie elektrisches Schaltsymbol: Durchbruchspannung I U I + _ U I _ + U Sperrrichtung Durchlaßrichtung Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 8
29 Die Halbleiterdiode nutzt den sog. Halbleitereffekt, der auf der Wechselwirkung der Ladungsträger in den Halbleitermaterialien beruht. Für die Diode ist insbesondere der Halbleitereffekt an den Grenzflächen zwischen den unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien wichtig pn-übergang. p n p-halbleiter: Halbleiter, in denen die elektrischen Ladungen hauptsächlich durch positive Ladungsträger (Löcher im Kristallgitter) transportiert werden. n-halbleiter: Halbleiter, in denen die elektrischen Ladungen vorwiegend durch negative Ladungsträger (Elektronen) transportiert werden. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 9
30 Der Transistor (grundsätzliche Funktionsweise) Transistor = Transfer Resistor = Übertragungswiderstand steuerbares Halbleiterbauelement Die Ströme I und I 3 werden durch den Strom I 1 oder die Spannung U 1 gesteuert. steuernde Elektrode I 1 I U 1 I 3 gesteuerte Elektroden Man unterscheidet Transistoren nach der Art des Stromtransports: Bipolartransistoren Unipolartransitoren (z.b. Feldeffekttransistoren) Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 30
31 Bipolartransistor: pnp-transistor npn-transistor Kollektor Emitter Kollektor p n p n p n C E C B Basis B Basis Emitter E - C Stromrichtung C + Stromrichtung B B Stromrichtung + E Stromrichtung - E Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 31
32 Grundschaltungen: + U + U + U I C I C I E I B I B I E I C B N I B Emitterschaltung hohe Spannungsverstärkung hohe Stromverstärkung mittlerer Eingangswiderstand hoher Ausgangswiderstand I E ( BN ) I B 1+ Kollektorschaltung (Emitterfolger) Spannungsverstärkung 1 hohe Stromverstärkung großer Eingangswiderstand sehr kleiner Ausg.-widerstand I C B 1+ N E ( B ) N I Basisschaltung hohe Spannungsverstärkung Stromverstärkung 1 kleiner Eingangswiderstand hoher Ausgangswiderstand Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 3
33 Bipolartransistor als elektronischer Verstärker Einfache Verstärkerstufe in Emitterschaltung R C i C + U U = R I I C B N I B u 1 (t) i B u (t)=u-r C i C (t) maximale Spannung am Eingang maximaler Basisstrom maximaler Kollektorstrom maximaler Spannungsabfall an R C minimale Ausgangssapnnung minimale Spannung am Eingang minimaler Basisstrom minimaler Kollektorstrom minimaler Spannungsabfall an R C maximale Ausgangssapnnung Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 33
34 Feldeffekttransistor (FET) Grundprinzip (hier n-kanal FET): S - + G - + D Steuerelektrode (Gate) Halbleiterkanal Kontakt Stromrichtung (n-kanal) S = Source D = Drain G = Gate n-kanal: negative Ladungsträger (Elektronen) p-kanal: positive Ladungsträger (Löcher im Kristallgitter) Funktionsprinzip: Leitfähigkeit des Kanal hängt vom der Stärke des elektrischen Felds bzw. der angelegten Spannung zwischen der Steuerelektrode (Gate) und dem Halbleiterkanal ab. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 34
35 Man unterscheidet FET nach der Art des Kanal-Halbleiters n-kanal-fet (bzw. n-leitend), p-kanal-fet (bzw. p-leitend) Steuerprinzip bzw. Art der Steuerung Sperrschicht-FET (Steuerung durch Änderung des Querschnitts bzw. Sperrung des Halbleiterkanals) IGFET (FET mit isoliertem Gate - Steuerung durch Ladungsinfluenz, d.h. durch Änderung der Leitfähigkeit des Halbleiterkanals) -> MOSFET!!! Verarmungstyp oder selbstleitend -> Kanal ist bei einer Gatespannung = 0 bereits leitend. Durch Anlegen einer Gatespannung wird die Anzahl der Ladungsträger kleiner ( Verarmung ); die Leitfähigkeit sinkt. Beim n-kanal-fet erfolgt die Verarmung bei Anlegen einer negativer Gatespannung ; beim p-kanal- FET erfolgt die Verarmung durch Anlegen einer positiven Gatespannung. Anreicherungstyp oder selbstsperrend-> Kanal ist bei einer Gatespannung = 0 gesperrt. Durch Anlegen einer Gatespannung wird die Anzahl der Ladungsträger größer ( Anreicherung ); die Leitfähigkeit steigt. Beim n-kanal-fet erfolgt die Anreicherung bei Anlegen einer positiven Gatespannung ; beim p-kanal-fet erfolgt die Anreicherung durch Anlegen einer negativen Gatespannung. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 35
36 Vorteile des Feldeffekttransistors: sehr hoher Eingangswiderstand ( Ω) leistungslose Steuerung (defacto kein Steuerstrom) Unipolarbauelement -> kein Mitwirken relativ langsamer Minoritätsladungsträger bei Umschaltvorgängen - hohe Schaltgeschwindigkeit Unempfindlichkeit gegen thermische Schwankungen -> höhere Stabilität (beim FET sinkt die Leitfähigkeit mit wachsender Temperatur, beim Bipolartransistor wächst die Leitfähigkeit bei steigender Temperatur) Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 36
37 Schaltsymbole und Kennlinien SFET n p selbstsperrend Anreicherungstyp Enhancement Type MOSFET selbstleitend Verarmungstyp Depletion Type n p n p G D S G D S G D S G D S G D S G D S I D -I D I D -I D I D -I D U GS U GS -U P U P U P U GS U GS U GS U GS -U P -U P U P U P - Schwellspanung Für n-kanal-fet gilt: FET leitend, wenn U GS > U P. Für p-kanal-fet gilt: FET leitend, wenn U GS < U P. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 37
38 Feldeffekttransistor als elektronischer Schalter Ersatzschaltbild +1 V +1 V n-kanal-fet selbstsperrend U 1 =10 V G D S U 0 V G n D S +1 V +1 V I D U 1 =0 V G D S U = 1 V U P U GS Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 38
39 Schalttransistor - spezielle Transistoren mit guten Schalteigenschaften In Verstärkerschaltungen kommt es insbesondere auf eine hohe Linearität der Ausgangskennlinie an, die das Verhältnis zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal beschreibt. Bei elektronischen Schaltern kommt es insbesondere auf kleine Schaltzeiten und auf die Belastbarkeit des Ausgangs an. Grundsätzlich können sowohl Bipolartransistoren als auch FET als Schalttransistoren ausgelegt sein. Besonders gut eignet sich jedoch der FET als Schalttransistor mit grundsätzlich kleineren Schaltzeiten und höheren Belastbarkeit gegenüber dem Bipolartransistor. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 39
40 Leiterplatten unterste Ebene bzw. Träger für elektronische Aufbauten besteht aus glasfaserverstärkten Polymeren (z.b. Epoxidharz) Verbindungen zwischen den Bauelementen sind durch Leiterbahnen realisiert, die per Kupferbeschichtung auf den polymeren Träger aufgebracht werden unterschiedlichste Bauformen in Einlagen-/ Zweilagen und Mehrlagenverdrahtung Strukturierung der Metallisierung auf der Leiterplatte erfolgt auf Basis des rechnergestützten Schaltungsentwurfs (CAD) Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 40
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