Elektronik Seminar Buchtipp: Glagla Josef, Lindner Gerd, Wege in die Elektronik 1. Grundlagen a) Spannung: -Spannung entsteht durch die Trennung von Ladung. -Spannung liegt immer zwischen 2 Punkten. Ladungstrennung, alle Elektronen auf eine Seite Strip Strap Strull b) Strom: - Strom ist ein Maß für die Bewegung der Elektronen. - Strom ist das Maß für die Anzahl der an einer Stelle vorbeifliesenden Elektronen pro Sekunde. - 1A ~ 6,25*10 18 Elektronen pro Sekunde. c) Freie Elektronen -gehören zu einem Atom -sind auf der äußersten Schale - man benötigt wenig Energie, sie vom Atom zu trennen d) Widerstand - Der Widerstand ist der Kehrwert der Leitfähigkeit. Abhängig von freien Elektronen e) Gesetz R= U I 2. Halbleiter Halbleiter sind vierwertige Elemente: Auf der äußeren Schale befinden sich 4 Elektronen. Jedes Atom ist mit den Nachbaratomen durch Elektronenpaare verbunden, so dass sich ein sehr festes Kristallgitter ausbildet. Nahe dem absoluten Nullpunkt (-273 C) sind Halbleiter Isolatoren, da dann alle Elektronen im Kristallgitter gebunden sind. Bei Normaltemperatur werden durch die Wärmebewegung der Atome im Kristall einige Elektronen aus der Bindung gerissen und stehen als Ladungsträger zur Verfügung. Es gilt: Je höher die Temperatur des Halbleiters, desto mehr Elektronen werden aus ihren Bindungen gerissen, desto Leitfähiger wird der Halbleiterkristall. Daher werden diese Materialien auch als Heißleiter bezeichnet. Diese freigewordenen (freie) Elektronen hinterlassen eine Elektronenfehlstelle mit fehlender negativer Ladung. Man bezeichnet diese Elektronenfehlstellen als Defektelektronen oder Löcher. Stephan Nonnenmacher 1
Wird eine Spannung an einen Halbleiterkristall angelegt, so kommt es zur Eigenleitfähigkeit des Halbleitermaterials. Eine geordnete Elektronenbewegung setzt ein: Die freien Elektronen hüpfen von Loch zu Loch zum positiven Pol der Spannungsquelle und somit wandern die positiven freien Ladungsträger (Löcher) zum negativen Pol. Achtung: Ein Loch kann nicht wandern!!!! Daher sprechen wir bei der Lochwanderung von der Bewegung von freien positiven Ladungsträgern!! Loch: freier positiver Ladungsträger Elektron: freier negativer Ladungsträger Basismaterial für die Halbleiter ist heute fast ausschließlich das Silizium (Sand). a) Heißleiter und Kaltleiter Der Widerstand eines Heißleiters, kurz NTC (Negative Temperature Coeffizient), vermindert sich bei steigender und erhöht sich bei fallender Temperatur. Bei einen Kaltleiter, kurz PTC (Positive Temperature Coeffizient), ist das Temperaturverhalten umgekehrt. Temperaturabhängige Widerstände werden vorwiegend als Messfühler in Temperaturreglern oder Überwachungsanlagen eingesetzt. b) Fotowiderstand Ein lichtabhängiger Widerstand, kurz LDR (Light Dependent Resistor), besitzt bei Dunkelheit einen hohen Widerstand. Fällt Licht auf die wirksame Fläche, eine Cadmiumsulfadschicht, so werden die Elektronen aus dem Halbleitermaterial frei gesetzt, die als Ladungsträger zur Verfügung stehen. Je mehr Licht einfällt, desto leitender d.h. desto niederohmiger wird der LDR. LDR eigen sich wunderbar für Lichtschranken und Überwachungsanlagen. Stephan Nonnenmacher 2
c) Paarbildung Paarbildung nennt man den Vorgang, bei dem ein Elektron aus der Elektronenpaarbindung raus geschmissen wird. Dabei entsteht: - freie Elektron - ein Loch Elektronenpaarbildung 4 + 4 + 4 + 4 + freies Elektron Loch, positiv geladen Stephan Nonnenmacher 3
d) Rekombination Ein Loch wird durch ein Elektron durch gegenseitige Anziehung gefüllt. Paarbildung. Dabei entsteht wieder eine Elektronenpaarbindung. Gegenteil der Die Bewegung der Löcher entsteht durch Paarbildung und die Rekombination. Die Wanderung der der positiven freien Ladungsträger kann man mit einem zähfließenden Verkehr vergleichen. Immer wenn ein Auto vorfährt entsteht an seinem alten Platz ein Loch. Loch Fahrtrichtung Loch e) Dotieren Die Leitfähigkeit eines Kristalls aus einem vierwertigen Halbleiterelement wird durch Einfügen (Dotieren, Verunreinigen) von dreiwertigen Elementen wie Indium, Bor oder fünfwertigen wie Antimon, Phosphor oder Arsen verbessert. Dotiert man mit dreiwertigen Atomen, so sind nicht alle Paarbindungen zu den Nachtbaratomen besetzt. Bei Normaltemperatur kann jedoch ein Bildungselektron diesen Platz besetzen, wobei es seinerseits ein Loch hinterlässt. Beim Anlegen einer Spannung kommt es zur Bewegung positiver freier Ladungsträger. Man bezeichnet einen so dotierten Kristall als p-leiter. 1 zusätzliches Elektron, freies Elektron Dotiert man einen Halbleiterkristall mit einem fünfwertigen Element, kann sich das fünfte Elektron nicht an der Paarbindung beteiligen und stehen als Leitungselektronen zur Verfügung. Bei angelegter Spannung setzt eine Elektronenwanderung ein. Ein solcher Kristall heißt n-leiter. Ein Loch zusätzlich als ein positiver freier Ladungsträger Stephan Nonnenmacher 4
Allgemein gilt: Ein Stoff ist dann leitend, wenn es freie Ladungsträger gibt!!! f) 2 leitfähige Stoffe (Kristalle) p- dotiert n- dotiert Loch Elektronen Sperrschicht Rekombination: In diesem Bereich sind keine freien Ladungsträger mehr. Die Folge: Diese Stelle ist nicht mehr leitend. Man nennt diese Schicht Sperrschicht. Auch die positiven Ladungsträger können in der Modellvorstellung bewegen. Sie bewegen sich durch Paarbildung und Rekombination. Die Antidiffusionsspannung verhindert, dass sich die Sperrschicht Über den ganzen Kristall ausbreitet. Sie beträgt 0,7 Volt. Entstehung: Wenn aus der n- dotierten Seite Elektronen difundieren, wird die n- dotierte Seite immer positiver. Dadurch wird die Spannung immer größer, es kommen keine Elektronen mehr weg. p- dotiert n- dotiert Die Positiven Ladungs- Träger werden vom neg.- Pol angezogen. Die Elektronen werden vom Plus- Pol angezogen. - + Wenn die el. Quelle so angeschlossen ist, wird die Sperrschicht breiter, da die freien Ladungsträger vom jeweiligen Pol der el. Energiequelle angezogen werden. Dabei ist die Dicke der Sperrschicht von der Spannung abhängig. Je größer die Spannung, desto dicker die Sperrschicht. p- dotiert n- dotiert + - Stephan Nonnenmacher 5
Hier ist umgepolt worden. Ab 0,7 V wird die Sperrschicht durchlässig. Die Elektronen können nun vom Minuspol zum Pluspol fließen. g) Diode Schaltzeichen: Werden p und n- Schicht zusammengebracht, entsteht eine Diode. Die Diode ist ein elektrisches Bauelement welches den Strom in eine Richtung durchfließen lässt und den entgegengesetzt fließenden Strom sperrt. Sie wirkt wie ein elektrisches Ventil. Sie besteht aus Halbleiterwerkstoffen wie Silizium, Germanium und Selen, aus einer P- Schicht und einer N-Schicht, die an den Enden mit metallischen Kontakten versehen sind. Der Anschluss an der P-Schicht heißt Anode, der Anschluss an der N-Schicht Katode. Die Diode ermöglicht es einerseits eine große Sperrspannung zu erzeugen und anderseits bereits bei geringen Spannungen in Durchlassrichtung Strom fließen zu lassen. Sie können zur Gleichrichtung von Wechselspannung eingesetzt werden. Kennzeichnung: Die Katode einer Diode ist oft durch einen Ring gekennzeichnet. Des Weiteren ist sie mit Buchstaben und einer Nummer gekennzeichnet. Bsp.: B C 140 Der erste Buchstabe steht für den Halbleiterwerkstoff (B = Silizium; A= Germanium;...). Der zweite Buchstabe steht für die Art des Bauelements (C= NF-Transistor; A= Diode;...). Die Ziffernfolge steht für die laufende Nummerierung. Dioden gehören neben den Transistoren zu den wichtigsten Halbleiterbauteilen mit einem großen Anwendungsbereich. Sie werden häufig eingesetzt zur Gleichrichtung (Ventilwirkung: Sie lassen den Strom nur in einer Richtung durch.) und Begrenzung von Strömen, zur Stabilisierung von Spannungen, zum Schutz von Geräten vor Verpolung und Überlastung und als lichtaussendende Bauteile für Anzeigezwecke. Damit man weiß, in welcher Richtung eine Diode eingebaut werden muss, werden kleine Dioden an der Kathodenseite mit Farbringen gekennzeichnet. Der Ring wird an den negativen Pol der Spannungsquelle angeschlossen werden. Nur so ist die Diode in Durchlassrichtung geschaltet. Stephan Nonnenmacher 6
h) Leuchtdiode Leuchtdioden, kurz LED (Light Emitting Diode), sind lichtaussendende Dioden. Während des Elektronenstroms in Durchlassrichtung werden die Elektronen von Löchern eingefangen. Hierbei wird Energie in Form von Licht frei. Die Farbe des Lichtes ist vom Halbleitermaterial abhängig. Häufig sind die Gehäuse in der Farbe des Lichts eingefärbt. Zur Kennzeichnung der LED sind die Gehäuse an einer Kathodenseite abgeflacht, bzw. sind die Anschlussdrähte zur Kathode kürzer. Die Durchlassspannung der roten LED beträgt zwischen 1,6V und 1,8V, bei grünen und gelben liegt die Durchlassspannung bei 2,4V bis 3,2V. Bei der Berechnung nimmt man den max. Durchlassstrom von 20mA an. Grundsätzlich werden LED mit Vorwiderständen betrieben. Ob der Widerstand vor oder nach der LED liegt, spielt keine Rolle. Die Kennlinie einer Diode: Stephan Nonnenmacher 7
i) Gleichrichter Kennlinie Wechselspannung: U + - t Die Spannung ist an beiden Punkten gleich groß, aber die Polarität ist vertauscht! Beachte: - Die Wechselstrom entsteht durch die die Drehbewegung des Ankers. - Wechselstrom ist in der Technik so wichtig, da er sich ohne Probleme in höhere Spannungen transferieren lässt. Beim el. Energietransport geht weniger el. Energie in Form von Wärme verloren. - Ein Elektromotor läuft nicht mit Wechselstrom. Damit ein Elektromotor durch Wechselstrom betrieben werden kann, muss er in Gleichstrom verwandelt werden. Dies geschieht durch Gleichrichter. 1) Einweggleichrichter: U U + + t + t - - - Die Diode lässt die Elektronen nur in eine Richtung fließen. Dadurch entsteht eine Pulsierende Gleichspannung. Problem: In der halben Zeit fließt kein Strom. Analogie zum Wechselstrom: Wenn man einen Kolben einer Luftpumpe hin und her bewegt, bewegt sich auch die Luft hin und her. Luftpumpe ~ Wechselstrom Das Fahrradventil entspricht der Diode im Stromkreis. Sie lässt die Elektronen nur in eine Richtung. Exkurs: Leistung= Drehzahl* Drehmoment 2) Zweiweggleichrichter: Er funktioniert auf dem Prinzip eines Trafos. + - + U U - + - t ~ + - t - + 1. Schritt /2. Schritt Das Selbe mit Hilfe eines Kondensators: Stephan Nonnenmacher 8
U U t ~ Je größer die der Kondensator ist, desto kleiner werden die Wellen. Man spricht hier auch vom Glätten von Energieströmen. Hier kann ein Vergleich mit einem Kompressor und seinem Druckbehälter gezogen werden. Je größer der Druckbehälter, desto gleichmäßiger fließt die Luft. Weiteres Analogon: Topf am Auspuff. 3) Brückengleichrichter U t + - U - + t Hier geht es nicht runter, da untern schon Elektronen fließen. In jedem Computer sind Brückengleichrichter eingebaut. j) Transistor man bezeichnet ihn auch als Schalter. Grundschaltung: Kollektor C Basis B Emitter E Sperrschicht Steuerstromkreis I B (Basisstromkreis) n- Schicht p- Schicht (ist sehr dünn) n- Schicht Arbeitsstromkreis I C (Kollektorstromkreis) Der untere pn- Übergang (Übergang Emitter- Basis) wird in Durchlassrichtung geschaltet. Dabei wird die Sperrschicht zwischen Emitter und Basis abgebaut. Dazu muss mindestens eine Spannung von 0,7V zwischen Basis und Emitter anliegen. Liegt diese Spannung an, fließen Elektronen vom Emitter zur Basis. Manche Elektronen sind zu schnell, um die Kurve zum Steuerstromkreis zu bekommen. Sie treffen auf die obere Sperrschicht (Basis- Kollektor). Dadurch wird Stephan Nonnenmacher 9
diese Sperrschicht dünner und dünner, bis sie ganz weg ist. Nun kann der Arbeitsstrom fließen. Der Steuerstromkreis hat die Aufgabe, den Arbeitsstromkreis zu steuern. Wird der Steuerstromkreis unterbrochen, fehlen die Löcher die unter Sperrschicht wird geschlossen. Der Arbeitsstromkreis wird unterbrochen. ein leitender Transistor benimmt sich wie ein Stück Draht. Es gibt 2 verschiedene Transistoren: npn pnp C C B B E E Transistor in Wirklichkeit Stromverstärkungsfaktor B I C = B * I B Beispiel: I B = 0,2 ma I C = 100 ma B = 200 B ist von Transistor zu Transistor unterschiedlich. (kann in Datenbüchern nachgelesen werden) Exkurs: Widerstandsbestimmung: B = 100 R I B 10V 0,7V I C = 1A Am Transistor liegen 0,7V an. Es folgt: I B = 0,01A R = 9,3V = 930 0,01A Stephan Nonnenmacher 10
k) Lichtschrankenschaltung LDR (Photowider- Stand) Licht fällt ein Der LDR- Widerstand nimmt ab. Steuerstrom fließt Arbeitsstrom fließt, die Lampe kann leuchten. l) Dunkelschaltung Wenn Licht auf den LDR fällt, ist sein Innenwiderstand gering. Deshalb kann am Transistor die nötige Spannung zur Durchschaltung nicht aufgebaut werden. Sobald kein Licht mehr auf den LDR fällt, wird sein Innenwiderstand groß, am Transistor kann die nötige Spannung von 0,7V aufgebaut werden. Der Transistor wird leitend. m) Kondensator Kondensatoren sind elektronische Bauteile aus 2 voneinander isolierten Metallflächen. Wird eine der Metallflächen eine positive Spannung gelegt, an die andere eine negative Spannung, so fließt kurzzeitig ein Strom und lädt den Kondensator auf, bis zwischen den Metallflächen die Ladespannung herrscht. Die aufgebrachte el. Ladung bleibt erhalten, auch wenn die Spannungsquelle abgeschlossen wird. Der aufgeladene Kondensator wirkt nun wie eine kleine Spannungsquelle. Wird nun ein el. Gerät angeschlossen, so entlädt sich der Kondensator. Die Aufnahmefähigkeit der Kondensatoren hängt von der Größe der Metallflächen und vom verwendeten Isoliermaterial ab. Die Einheit der Kapazität C ist das Farad F. Das Schaltzeichen des Kondensators: Stephan Nonnenmacher 11
Einsatzmöglichkeiten von Kondensatoren: Siebkondensator: Glätten von welliger Gleichspannung Entstörungskondensator an Motoren/ Schaltern Schutzkondensator, sie schlucken Spannungsspitzen Gleichspannung sperren, Wechselspannung durchlassen Kopplung zwischen Verstärkerstufen Frequenzweiche; Trennen verschiedener Wechselspannungen Zeitschaltungen; Einschalt-, Ausschaltverzögerungen Elektronische Tonerzeugung; Radiotechnik Unfallgefahr: Mit hoher Spannung geladene Kondensatoren können lebensgefährliche Schläge erteilen. Überhöhte Spannung und falsche Polung führen zu Erhitzung und Explosion!! n) Treppenlichtautomat Ist der Kondensator entladen, dann liegt am Transistor 0,7V und am Widerstand 9,3V an. Der Kondensator lädt sich auf, z.b. 5V am Kondensator, 0,7V am Transistor uns somit 4,3V am Widerstand. Kondensator ist geladen. Zwischen Kondensator und Transistor liegt nur noch ein Volt. Sperrschicht entsteht zwischen Emitter und Basis. Es kann kein Arbeitsstrom mehr fließen. Durch den Drücker wird der Kondensator entladen. Der Prozess beginnt von vorne. o) Verzögertes Einschalten Stephan Nonnenmacher 12
Diese Lampe leuchtet so lange nicht, bis am Kondensator eine Spannung von 0,7V anliegt. Zu Beginn liegt am Kondensator 0V an UBE (Spannung zwischen Emitter und Basis) auch 0V. Der Kondensator wird nun geladen. Dabei steigt die Spannung am Kondensator sowie am Transistor UBE steigt. Die Sperrschicht wird dünner. Ab 0,7V wird der Transistor leitend. Der Arbeitsstrom kann fließen. Die Spannung am Kondensator steigt nicht weiter als 0,7V, da der Strom den Weg über den Transistor nimmt. Die Zeit, bis der Arbeitsstrom fließt ist von 2 Faktoren abhängig: o Von der Kapazität des Kondensators: o Von der Größe des Widerstands Unterschiedlich großer Ladungsstrom. p) Selbsthalteschaltung Einstellbarer Widerstand Reset Wenn ein externes Licht auf den LDR trifft, wird dieser leitend. Ein Basisstrom kann fließen. Dadurch wird der Transistor leitend, der Arbeitsstrom fließt Leuchtdioden leuchten. Das Licht der Leuchtdioden genügt, damit der LDR durchlässig bleibt. Um das Licht auszuschalten, muss man den Resetknopf drücken. Exkurs: Schließer: Öffner: q) Hinführung zur Flip Flop- Schaltung 1. Schritt: - + 0,7V Stephan Nonnenmacher 13
Zu Beginn fließen die Elektronen zum Kondensator, der unaufgeladen ist. Der Kondensator lädt sich auf 0,7V auf. damit liegt die Spannung am Transistor auch bei 0,7V. der Transistor wird leitend. Basis und Arbeitsstrom können fließen. das Lämpchen leuchtet. (Wird die Stromzufuhr von der Quelle unterbrochen, dann fließen die Elektronen vom Kondensator über den Transistor zum Pluspol. Dies geschieht aber nur äußerst kurz, bis die Spannung unter 0,7V abfällt.) 2. Schritt: a) b) - + + - 0,7V 5,3V Der Kondensator ist auf 0,7V aufgeladen. Wenn man ihn oben anschließt entlädt er sich. Danach lädt sich der Kondensator umgekehrt wieder auf 5,3V auf. Das Lämpchen leuchtet weiterhin???????????? 2. Schritt: + - 5,3V Nun wird der Pluspol des Kondensators an den Minuspol der Quelle angeschlossen. Der Kondensator entlädt sich. Der Transistor bekommt eine dicke Sperrschicht, da der falsche Pol an der Basis anliegt. Wenn der Kondensator spannungslos ist, fängt das Ganze von vorne an. r) Flip Flop R L2 R L1 L 2 L 1 R 2 R 1 C 2 T 2 C 1 T 1 Stephan Nonnenmacher 14
Bei der Flip- Flop- Schaltung ist zu Beginn einer der Kondensatoren geladen. Wir nehmen an das C 1 geladen ist. Somit kann vom Minuspol über T 1, C 1, L 2 und R L2 ein Basisstrom zum Pluspol fließen. Da der Basisstrom zu gering ist leuchtet L 2 nicht. Durch den Basisstrom wird der Transistor T 1 leitend und es fließt ein Arbeitsstrom durch T 1, L 1 und R L1. Die Lampe L 1 leuchtet. Außerdem fließt ein kleiner Strom vom Minuspol über T 1, C 2 und R 2 zum Pluspol, wodurch C 2 der eine Spannung von -9,3V hat auf 0,7V aufgeladen wird. Dadurch steigt die Basisspannung an T 2. Erreicht sie 0,7V wird T 2 leitend, dadurch fließt sofort ein Arbeitsstrom über T 2, L 2 und R L2 zum Pluspol. Die Lampe L 2 leuchtet. Zur selben Zeit entlädt sich der Kondensator C 1 und lädt sich anders herum gepolt auf -9,3V auf, da der Kondensator über T 2 mit dem Minuspol und über R L1 mit dem Pluspol verbunden ist. Jetzt liegt am Transistor T 1 eine Spannung von -9,3V an. Dadurch bekommt er eine riesige Sperrschicht und sperrt. Der Basisstrom von T 2 fließt über T 2, L 1 und R L1 zum Pluspol, allerdings ist er zu gering, so dass die Lampe L 1 nicht leuchtet. In dem Moment in dem der Transistor T 2 leitend wird, fängt der Kondensator C 1 wieder an sich von -9,3V auf 0,7V aufzuladen. Der Kondensator C 1 ist über den leitenden Transistor T 2 mit Minuspol und über R 1 mit dem Pluspol verbunden. Wenn der Kondensator C 1 auf 0,7V aufgeladen ist und somit am Transistor T 1 eine Basisspannung anliegt, wird dieser leitend und der ganze Vorgang beginnt von vorne. s) Platinenbearbeitung Die Bahnen auf den Platinen können unterschiedlich aufgebracht werden. In der Industrie galvanisch Stephan Nonnenmacher 15
Kosy Ätzen UV- Lichtbestrahlung Die Platinen sind mit 35µ dicken Kupferschicht bezogen. Bearbeitung: Die Bahnen werden mit wasserfesten Edding auf die Kupferschicht gezeichnet. Ätzen mit: Ammoniumperoxidsulfad Eisen Chlorid (Die Dämpfe lassen alles rosten, was in der Nähe ist.) Die Ätzmittel müssen auf ca. 60 C erwärmt werden. Platine reinigen mit Nitro Mit Lötlack einsprühen, es verhindert Korrosion. Wir wünschen euch viel Erfolg und Spaß in diesem Seminar!!!! Stephan Nonnenmacher 16