Elektronik Skript
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Skript zum Elektronikseminar von Herrn Prof. Mackeprang Erste überarbeitete Version Stand: August 2007 Lieber Leser, dieses Skript besteht hauptsächlich aus Mitschrieben von Steffi Bestler und Stephan Nonnenmacher. Da es sich hier um ein Skript handelt, beseht weder ein Anspruch auf Vollständigkeit noch auf die Richtigkeit der Inhalte. Das Skript ersetzt daher nicht den Besuch der Vorlesung. Es ist als Hilfestellung zum Lernen gedacht. Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 1 Elektronik Prof Mackeprang INHALTSVERZEICHNIS 1 Grundlagen.......................................................................................................... 4 1.1 Strom ............................................................................................................ 4 1.2 Spannung ..................................................................................................... 4 1.3 Wie messe ich Strom und Spannung? ......................................................... 4 1.4 Freie Elektronen ........................................................................................... 5 1.5 Widerstand ................................................................................................... 5 1.6 Ohmsche Gesetz.......................................................................................... 5 1.7 Parallelschaltung .......................................................................................... 6 1.8 Reihenschaltung........................................................................................... 6 1.9 Die Leistung ................................................................................................. 7 1.10 Schaltzeichen ............................................................................................... 7 2 Widerstände ........................................................................................................ 8 2.1 Festwiderstände ........................................................................................... 8 2.2 Veränderbare Widerstände .......................................................................... 8 2.3 Veränderliche Widerstände .......................................................................... 9 2.3.2 PTC-Widerstand (Kaltleiter) .................................................................. 9 2.4 LDR, Fotowiderstand .................................................................................. 10 3 Halbleiter ........................................................................................................... 10 3.1 Aufbau ........................................................................................................ 10 3.2 Eigenleitung................................................................................................ 11 3.3 Paarbildung ................................................................................................ 12 3.4 Rekombination ........................................................................................... 13 3.5 Dotieren ...................................................................................................... 13 3.5.1 N-Leiter ............................................................................................... 14 3.5.2 P-Leiter................................................................................................ 14 3.6 Zwei leitfähige Stoffe (Kristalle) .................................................................. 15 3.6.1 Die Sperrschicht entsteht .................................................................... 15 3.7 Die Sperrschicht wird durch das Anlegen einer Spannung breiter ............. 16 3.8 Die Sperrschicht wird durch das Anlegen einer Spannung aufgehoben..... 16 4 Dioden ............................................................................................................... 17 4.1 Leuchtdiode ................................................................................................ 19 4.1.1 Berechnung des Vorwiderstandes ...................................................... 19 4.2 Freilaufdiode............................................................................................... 20 5 Diode als Gleichrichter ...................................................................................... 20 5.1 Einweggleichrichter (E1): ........................................................................... 21 5.2 Zweiweggleichrichter (E2): ......................................................................... 21 5.3 Brückengleichrichter (B1): .......................................................................... 23 5.4 Glätten einer pulsierenden Gleichspannung .............................................. 23 6 Transistoren ...................................................................................................... 24 6.1 Stromverstärkungsfaktor B ......................................................................... 26 6.2 Bestimmung des Vorwiderstandes ............................................................. 26 Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 2 Elektronik Prof Mackeprang 7 Darlington-Schaltung ......................................................................................... 27 7.1 Funktionsweise der Schaltung:................................................................... 27 8 Lichtschrankenschaltung ................................................................................... 28 8.1 Hellschaltung .............................................................................................. 28 8.2 Dunkelschaltung ......................................................................................... 28 9 Alarmanlage ...................................................................................................... 29 10 Kondensator .................................................................................................. 29 10.1 Treppenlichtautomat................................................................................... 30 10.2 Verzögertes Einschalten ............................................................................ 31 10.3 Selbsthalteschaltung .................................................................................. 31 11 Die Flip-Flop-Schaltung ................................................................................. 32 11.1 Hinführung .................................................................................................. 32 11.2 Die Flip Flop Schaltung in 5 Schritten ........................................................ 33 11.3 Die Flip Flop Schaltung .............................................................................. 35 11.4 Flip Flop ..................................................................................................... 36 12 Die Platinenbearbeitung ................................................................................. 37 12.1 Aufbau einer Platine ................................................................................... 37 12.2 Surface-mounted-Devices .......................................................................... 37 12.3 Additive Verfahren ...................................................................................... 37 12.4 Subtraktive Verfahren ................................................................................. 37 12.4.1 Ätzen mit Abdecklack/Isolierschicht .................................................... 38 12.4.2 Ätzen ................................................................................................... 39 Buchtipp: Glagla Josef, Lindner Gerd, Wege in die Elektronik Die Grenzlinie zwischen der Elektrotechnik und der Elektronik bilden die aktiven Bauteile, also die Halbleiter. Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 3 Elektronik Prof Mackeprang 1 Grundlagen 1.1 Strom Strom = Ladung pro Zeit Strom ist die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern z.B. Elektronenstrom 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*1018 Elektronen pro Sekunde. 1.2 Spannung Spannung = Arbeit pro Ladung Spannung entsteht durch die Trennung von Ladung je weiter man die Ladung „auseinander zieht“, desto höher ist die Spannung Spannung liegt immer zwischen 2 Punkten Ladungstrennung, alle Elektronen auf eine Seite Strip Strap Strull Durch Ladungstrennung erhält man einen Plus- und einen Minuspol. Der Minuspol hat einen Überschuss an negativer Ladung (Elektronenüberschuss) Der Pluspol hat einen Überschuss an positiver Ladung (Elektronenmangel) Wichtig: Zunächst muss ein Elektronenüberschuss und damit auch an anderer Stelle ein Elektronenmangel geschaffen werden, damit eine Spannung entsteht, wodurch die Elektronen angetrieben werden 1.3 Wie messe ich Strom und Spannung? a) Strom messen: Um den Strom zu messen, muss die Leitung aufgetrennt werden um das Messgerät in den Stromkreis zu schalten Der elektrische Strom (I) wird in Ampere (A) gemessen Das Messgerät wird deshalb mit Amperemeter bezeichnet A Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher Bei der Strommessung muss die Behinderung des Stromflusses so gering wie möglich sein! Das Messgerät hat einen niedrigen Innenwiderstand, idealerweise gleich Null 4 Elektronik Prof Mackeprang b) Spannung messen: Spannung liegt zwischen zwei Punkten an, d.h. zwischen den zwei Anschlüssen des Messgerätes muss mindestens ein Bauteil liegen Die elektrische Spannung (U) wird in Volt (V) gemessen Das Messgerät wird deshalb auch als Voltmeter bezeichnet V Bei der Spannungsmessung muss der Stromfluss durch das Messgerät so gering wie möglich sein! Das Messgerät hat einen hohen Innenwiderstand, idealerweise unendlich Achtung: Das Messgerät muss richtig eingestellt sein! Da ein Strommesser einen sehr geringen Innenwiderstand hat, gibt es einen Kurzschluss, wenn ich es als Spannungsmesser anschließe! 1.4 Freie Elektronen gehören zu einem Atom sind auf der äußersten Schale man benötigt wenig Energie, sie vom Atom zu trennen die Leitfähigkeit eines Stoffes hängt davon ab, wie viele freie Elektronen der Stoff hat. keine freien Elektronen Isolator 1.5 Widerstand Der Widerstand ist der Kehrwert der Leitfähigkeit. Abhängig von freien Elektronen 1.6 Ohmsche Gesetz R U I Beispiel: Widerstandsbestimmung bei einem Ohmschen Widerstand (Glühlampe) Formeln: - U = R*I P = U*I Annahme: Man möchte die Leistung halbieren: P = 230V* 0,5A P = 115W Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 5 Elektronik Prof Mackeprang Da aber gilt: U = R*I wenn R= konstant, die Stromstärke aber halbiert wird, halbiert sich zwangsläufig auch die Spannung! Das bedeutet für ohmsche Berechnungen: Doppelte Stromstärke doppelte Spannung, vierfache Leistung → P = (2*U)*(2*I) = 4*U*I Halbe Stromstärke halbe Spannung ein Viertel der Leistung → P = (0,5*U)*(0,5*I) = 0,25*U*I Damit ist für die Leistungshalbierung ein nur um √2 reduzierter Strom (und damit √2 reduzierte Spannung bei R = konstant) erforderlich 1.7 Parallelschaltung Bei der Parallelschaltung teilt sich der Strom auf, die Spannung ist überall gleich groß. Die Stromaufteilung erfolgt umgekehrt proportional zum Widerstand der Bauteile. 1.8 Reihenschaltung Bei der Reihenschaltung ist der Strom überall gleich groß, die Spannung teilt sich auf. Die Spannungsaufteilung ist proportional zum Widerstand der Bauteile. Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 6 Elektronik Prof Mackeprang 1.9 Die Leistung Leistung Spannung Strom Arbeit Ladung Ladung Zeit Arbeit Zeit P=U*I P [W] Watt Wenn man die Spannung verdoppelt, vervierfacht sich die Leistung 1.10 Schaltzeichen Batterie Widerstand Leitung Glühlampe Kreuzung ohne Verbindung Motor Kreuzung mit Verbindung Strommessgerät Schalter als Schließer Spannungsmessgerät Taster als Schließer Messgerät Relais Kondensator Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 7 Elektronik Prof Mackeprang 2 Widerstände Schaltzeichen: Hindernisse für den Strom im Stromkreis Die Größe des Widerstandes hängt vom „Querschnitt“ ab 2.1 Festwiderstände haben einen festgelegter Nennwert Widerstandswerte und Fertigungstoleranzen gekennzeichnet: 1. Ring: 2. Ring: 3. Ring: 4. Ring: 1. Ziffer 2. Ziffer Multiplikator Toleranz werden durch Farbringe Ringfarbe 1. Ring 2. Ring 3. Ring Nullen Toleranz schwarz - 0 0 - - braun 1 1 1 0 1% rot 2 2 2 00 2% orange 3 3 3 000 - gelb 4 4 4 0000 - grün 5 5 5 00000 0,5 % blau 6 6 6 000000 0,25 % violett 7 7 7 0000000 0,1 % grau 8 8 8 - - weiß 9 9 9 - - gold - - - × 0,1 5% silber - - - × 0,01 10 % 2.2 Veränderbare Widerstände Schaltzeichen: haben drei Anschlüsse: E Eingang S Schleifkontakt A Ausgang durch verändern von S kann der Widerstandswert verändert werden Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 8 Elektronik Prof Mackeprang 2.3 Veränderliche Widerstände Veränderliche Widerstände verändern ihren Wert aufgrund von physikalischen Einflüssen (z.B. Temperatur, Licht, Magnetfeld) 2.3.1.1 NTC-Widerstand (Heißleiter) Schaltzeichen: Der NTC (Negative Temperature Coeffizient) leitet im warmen Zustand besser als im kalten. Das bedeutet, dass der Widerstand mit zunehmender Temperatur sinkt. Eselbrücke: Je heißer, desto leiter Durch den Temperaturanstieg werden die Elektronen beweglicher, wodurch sich die Leitfähigkeit erhöht. Anwendung: Temperaturmessung, Temperaturregelung, … 2.3.2 PTC-Widerstand (Kaltleiter) Schaltzeichen: Bei einen Kaltleiter, kurz PTC (Positive Temperaturen Coeffizient), ist das Temperaturverhalten umgekehrt. Sie leiten im kalten Zustand besser als im warmen, d.h. der Widerstand nimmt mit zunehmender Temperatur zu. Bsp.: Eine Glühlampe hat bei 25°C einen Widerstand von ca. 70Ω, bei einer Temperatur von 2500°C einen Widerstand von 800Ω. Anwendung: Thermostat, Stromregelung, … Die Pfeile sagen aus, ob sich die Leitfähigkeit mit der Temperatur erhöht od. erniedrigt. Temperaturrichtung (oberer Pfeil) Leitfähigkeit (unterer Pfeil) Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 9 Elektronik Prof Mackeprang 2.4 LDR, Fotowiderstand Schaltzeichen: Ein lichtabhängiger Widerstand, kurz LDR (Light Dependent Resistor), besitzt bei Dunkelheit einen hohen Widerstand. Fällt Licht auf die lichtempfindliche Fläche, (z.B.: Cadmiumsulfid, Selen,…), so werden die Elektronen aus ihrer Bindung gelöst (Die Elektronen werden durch das Licht [Energiezufuhr] herausgerissen). Je mehr Licht einfällt desto leitender d.h. desto niederohmiger wird der LDR. Anwendung: Mackeprang: Lichtschranken, Luxmeter,… „Wenn man in den LDR Glühlampe wieder raus ;-)“ Überwachungsanlagen, mit der Taschenlampe reinleuchtet, Dämmerungsschalter, dann leuchtet es an der 3 Halbleiter Sind die wichtigsten Bauelemente in der Elektronik Der erste Transistor wurde von dem Amerikaner J. Bardeen im Jahre 1948 entwickelt Die Leitfähigkeit dieser Stoffe liegt zwischen der von Leitern (Kupfer, Silber, Eisen,…) und Nichtleitern (Kunststoffe, Glas, Keramik,…) → sie sind also „halb-leitend“ Der wichtigste Halbleiter ist das Silizium (ist das zweithäufigste Element der Erdrinde) 3.1 Aufbau Silizium besitzt auf seiner äußersten Schale 4 fest gebundene Elektronen Jedes Element will den Edelgaszustand (8 Elektronen auf der äußersten Schale) erreichen, dadurch erlangt es eine höhere Stabilität Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 10 Elektronik Prof Mackeprang Ein stabiles Kristallgitter entsteht dadurch, dass jedes Si-Atom seine 4 Außenelektronen „verleiht“ und sich gleichzeitig von den Nachbaratomen 4 Außenelektronen „leiht“ Bei dem absoluten Nullpunkt (-273,16°C) ist Silizium ein Isolator, da es keine freien Elektronen im Kristall gibt 3.2 Eigenleitung Erwärmt man das Kristallgitter so fangen die Atome an zu schwingen, dabei lösen sich einige Elektronen aus ihrer Bindung → Es entstehen freie Elektronen (● freies Elektron) An dieser Stelle fehlt nun die negative Ladung und es entsteht ein „Loch“ oder „Defektelektron“ (○ freies Loch) Mackeprang: „Das Wort Defektelektron ist zu vermeiden, da es sich erstens nicht um ein negativ geladenes Elektron, sondern um ein positiv geladenes Loch handelt und es nicht defekt ist!“ Die freien Elektronen wandern durch das Kristallgitter bis sie auf ein Loch treffen → Es kommt zur Rekombination (das Elektron füllt das Loch auf) Dadurch dass sich immer wieder Elektronen Rekombinationen kommt, wandern Elektronen Ladungsträger durch den Kristall Achtung: Ein Loch kann nicht wandern!!!! Daher sprechen wir bei der „Lochwanderung“ von der Bewegung von freien positiven Ladungsträgern!! Loch: Elektron: lösen und und freie es zu positive freier positiver Ladungsträger freier negativer Ladungsträger Wenn man eine Spannung an das Kristallgitter anlegt, wandern die Elektronen zum positiven Pol und die freien positiven Ladungsträger (Löcher) zum negativen Pol. Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 11 Elektronik Prof Mackeprang 3.3 Paarbildung Paarbildung nennt man den Vorgang, bei Elektronenpaarbindung „raus geschmissen“ wird. Grund: erhöhte Temperatur! dem ein Elektron Dabei entsteht: freies Elektron ein Loch Das freie Elektron und das Loch nennt man Ladungspaar. nach außen hin neutral aus der Elektronenpaarbindung 4+ 4+ Loch, positiv geladen 4+ 4+ freies Elektron Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 12 Elektronik Prof Mackeprang 3.4 Rekombination ─ Ein freies Elektron trifft auf ein Loch Das Loch zieht das freie Elektron an → Gegenteil von der Paarbildung Dabei entsteht wieder eine nach außen neutrale Elektronenpaarbindung o Loch: o Elektron: freier positiver Ladungsträger freier negativer Ladungsträger Die Bewegung der Löcher entsteht durch Paarbildung und die Rekombination Vgl.: Die Wanderung 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 Beachte bei der Aussprache: Es scheint so, als das Loch wandert. Doch was ist ein Loch? Ein Loch ist ein nichts mit etwas drum herum! 3.5 Dotieren Um eine temperaturunabhängige Leitfähigkeit von Halbleitern zu bekommen, werden die Kristallgitter mit 3- bzw. 5-wertigen Fremdatomen verunreinigt. Dadurch werden zusätzliche freie Elektronen und freie Löcher erzeugt. Allgemein gilt: Ein Stoff ist dann leitend, wenn es freie Ladungsträger gibt!!! Es gilt: Je mehr freie Elektronen es gibt, desto höher ist die Leitfähigkeit. Der Widerstand solcher dotierter Stoffe kann genau bestimmt werden indem man mehr oder weniger 5- bzw. 3- wertige Stoffe zufügt. (Auf 1 Millionen Siliziumatome wird ungefähr ein Fremdatom zugefügt.) Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 13 Elektronik Prof Mackeprang 3.5.1 N-Leiter 1 freies Elektron zusätzlich 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. Dies Material nennt man auch p- leitfähig. Durch das Mischungsverhältnis kann man bestimmen wie die Leitfähigkeit des Stoffes sein soll. 3.5.2 P-Leiter Das Loch sollte an den Kern gemalt werden, das es ja der Kern ist, der ein Proton mehr hat als die Hülle an Elektronen. 1 Loch zusätzlich als ein positiver freier Ladungsträger 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. Dieses Material nennt man auch n- leitfähig. Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 14 Elektronik Prof Mackeprang 3.6 Zwei leitfähige Stoffe (Kristalle) 3.6.1 Die Sperrschicht entsteht p-dotiert n-dotiert (freie Löcher) (freie Elektronen) Rekombination Sperrschicht Rekombination: In diesem Bereich sind keine freien Ladungsträger mehr. Die n-dotierte Seite (negativ, also 5 wertige Atome) wird immer positiver, je mehr Elektronen in die Sperrschicht diffundieren. Die Elektronen werden dann von den positiven Ionen der n- Schicht regelrecht zurückgehalten, das heißt, sie wandern auf dem obigen Bild nach rechts. dasselbe gilt komplementär für die p- Schicht (positiv, also 3 wertige Atome). Folge: Diese Stelle ist nicht mehr leitend. Man nennt diese Schicht Sperrschicht. Dieses Phänomen (wenn man also leitende 2 Stoffe zusammenfügt und diese dann nicht mehr leiten) ist aus der Elektrotechnik bisher noch nicht bekannt. Da die n- Schicht nun positiv geladen und die p- Schicht negativ geladen ist, herrscht zwischen den beiden Schichten eine Spannung, die so genannte Antidiffusionsspannung. Diese Antidiffusionsspannung verhindert, das diffundieren der Ladungsträger und somit verhindert sie gleichzeitig die Ausbreitung der Sperrschicht über den ganzen Kristall. Sie beträgt 0,7 Volt. Die Entstehung in anderen Worten: Wenn aus der n- dotierten Seite Elektronen diffundieren, wird die n- dotierte Seite immer positiver. Dadurch wird die Spannung immer größer, es kommen keine Elektronen mehr von dieser Seite weg. Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 15 Elektronik Prof Mackeprang 3.7 Die Sperrschicht wird durch das Anlegen einer Spannung breiter p- dotiert n- dotiert Die Elektronen werden vom positiven Pol angezogen und vom negativen Pol abgestoßen. Die positiven Ladungsträger (Löcher) werden vom negativen Pol angezogen und vom positiven Pol abgestoßen. ─ + Wenn man die n-dotierte Seite mit dem Plus-Pol und die p-dotierte Seite mit dem Minus-Pol verbindet, wird die Sperrschicht breiter. Dies liegt daran, dass die freien Ladungsträger vom jeweiligen Pol angezogen werden. Dabei ist die „Dicke“ der Sperrschicht von der Spannung abhängig. Je größer die Spannung, desto „dicker“ die Sperrschicht. → je höher die Spannung, desto „nicht leitender“. Analogon Fahrradventil: Je größer der Fahrradschlauchinnendruck, desto größer ist der Sperrdruck am Ventil. 3.8 Die Sperrschicht wird durch das Anlegen einer Spannung aufgehoben p- dotiert n- dotiert + - Verbindet man die p-dotierte Seite mit dem Plus-Pol und die n-dotierte Seite mit dem Minus-Pol verbindet, wird die Sperrschicht immer kleiner, da die Antidiffusionsspannung durch die von außen anliegende Spannung kompensiert wird. Die Sperrschicht wird zusammengedrückt. Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher durch die außen anliegende Spannung regelrecht 16 Elektronik Prof Mackeprang In anderen Worten: Ab 0,7 V wird die Sperrschicht (Antidiffusionsspannung = außen anliegender Spannung) durchlässig. Die Elektronen können nun vom Minuspol zum Pluspol fließen. Die 0,7 V gelten nur für Silizium, für andere Halbleitermaterialen gelten andere Antidiffusionsspannungen. 4 Dioden Schaltzeichen: Eine Diode ist ein elektronisches Bauelement, welches aus einem PN-Übergang besteht. Die Funktion einer Diode ist sehr einfach zu beschreiben, da man sie mit einem Ventil vergleichen kann. Sie lässt den elektrischen Strom nur in eine Richtung durch (Durchlassrichtung) und in der anderen Richtung sperrt sie (Sperrichtung). Exkurs Ventil: Das Fahrradventil oder allgemein das Rückschlagventil sind in der Technik vergleichbar mit dem Wesen der Diode. All diese Systeme haben eines gemeinsam: Man muss erst einmal „Energie“ reinstecken, bis sie auslösen. Bei der Si-Diode wäre das die Schwellenspannung von 0,7V. Die Kennlinie einer Si-Diode: Die Kennlinie gibt den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung an dem Bauteil wieder. Hier kann man erkennen, dass nur ein Strom fließen kann, wenn eine gewisse Schwellenspannung überwunden wird. Die Schwellenspannung liegt bei den meisten Si-Dioden bei ca. 0,7V. Die Diode ermöglicht es einerseits eine große Sperrspannung zu erzeugen und anderseits bereits bei geringen Spannungen in Durchlassrichtung Strom fließen zu lassen. Sie können z.B. zur Gleichrichtung von Wechselspannung eingesetzt werden. Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 17 Elektronik Prof Mackeprang Kennzeichnung: Strich = Minus = Ring am Bauteil 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. Diode in Durchlassrichtung Diode in Sperrrichtung Zur „Verwirrung der Russen“ fließt der Strom bei der Diode entgegen der Pfeilrichtung. Grund: Es wird immer die technische Stromrichtung gezeichnet, welche der physikalischen Stromrichtung entgegensteht. Des Weiteren ist sie mit Buchstaben und einer Nummer gekennzeichnet: Bsp.: BC 140 Der erste Buchstabe steht für den Halbleiterwerkstoff (B = Silizium; A = Germanium; ...) Der zweite Buchstabe steht für die Art des Bauelements (A = Diode; C = NF-Transistor; ...) Die Ziffernfolge steht für die laufende Nummerierung. Voraussetzung, damit eine Diode leitet: 1. richtige Polung 2. 0,7V mehr Spannung erhöht die Durchlässigkeit der Diode nicht! 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. Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 18 Elektronik Prof Mackeprang 4.1 Leuchtdiode Schaltzeichen: 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. LED`s gibt es auch noch in weiteren Farben, z.B. blau oder weiß. 4.1.1 Berechnung des Vorwiderstandes Leuchtdioden dürfen nicht ohne Vorwiderstand betrieben werden (der Strom darf einen bestimmten Wert nicht überschreiten), wobei es keine Rolle spielt, ob der Vorwiderstand an der Anode oder an der Kathode angeschlossen wird. R LED Beispiel: 9V R U I UB = 9 V ULED = 2,2 V ILED = 20 mA (gewünschter Durchlassstrom) U = UB - ULED U = 9 V – 2,2 V = 6,8 V 6,8V R 340 Ω 0,02 A Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 19 Elektronik Prof Mackeprang 4.2 Freilaufdiode Bei induktiven Lasten (Verbraucher mit Spule z.B. Relais, Motor) werden Freilaufdioden benötigt, um die Bauteile vor der großen Induktionsspannung zu schützen. Beim Abschalten des Relais bleibt das Magnetfeld noch kurz erhalten, da der Strom versucht weiterzufließen. Es entsteht dadurch eine kurze Störspannung die mehrere 100V erreichen kann. Da die Polarität der Störspannung andersherum ist, wird die Freilaufdiode parallel zur Spule geschaltet. So ist sie in Sperrrichtung und hat keinen Einfluss auf die Schaltung, allerdings wird die Störspannung über diese Diode kurz geschlossen. Damit wird verhindert, dass angeschlossene Bauteile, durch die Störspannung beschädigt werden. 5 Diode als Gleichrichter Ein wichtiges Anwendungsgebiet Wechselspannung in Netzgeräten. der Diode ist das Gleichrichten von Denn beim Wechselstrom bewegen sich die Elektronen dauernd hin und her (in der Regel 50-mal pro Sekunde; also mit 50 Hertz), während beim Gleichstrom die Elektronen alle in eine Richtung fließen. Kennlinie Wechselspannung: U Die Spannung ist an beiden roten Punkten gleich groß, aber die Polarität ist vertauscht! t Beachte: Der Wechselstrom entsteht durch die die Drehbewegung des Ankers Wechselspannung ist in der Technik so wichtig, da sie sich ohne Probleme transformatorisch in höhere Spannungen transferieren lässt → Beim el. Energietransport geht mittels hoher Spannung weniger el. Energie in Form von Wärme verloren, da der Strom kleiner ist (PV = I² * R) Ein Elektromotor läuft nicht mit Wechselstrom Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 20 Elektronik Prof Mackeprang 5.1 Einweggleichrichter (E1): Damit ein Elektromotor mit Wechselstrom betrieben werden kann, muss er in Gleichstrom verwandelt werden. Dies geschieht durch Gleichrichter. U -+ t U M t +- Bei dem Einweggleichrichter wird nur eine Diode verwendet. Die Diode lässt die Elektronen nur in eine Richtung fließen, in der anderen Richtung sperrt sie. Von den beiden Halbwellen des Wechselstroms bleibt nur noch die positive Halbwelle übrig. Wenn man die Diode umdreht, werden nur die negativen Halbwellen durchgelassen. Dadurch entsteht eine Pulsierende Gleichspannung. Da in der halben Zeit kein Strom fließt, entspricht diese Form von Gleichstrom noch nicht dem Gleichstrom einer Batterie. Eine elektrische Schaltung könnte man so nicht betreiben. Analogie zum Wechselstrom: Wenn man einen Kolben einer Luftpumpe hin und her bewegt, bewegt sich auch die Luft hin und her. Luftpumpe ~ Wechselstrom Beispiel aus der Technik: Ein Fön hat 2 Heizstufen: Bei der niedrigen Stufe ist eine Diode mit in den Stromkreis geschalten (pulsierender Gleichstrom nur die halbe Leistung), die höheren Stufe wird mit Wechselstrom betrieben, die Diode wird überbrückt. 5.2 Zweiweggleichrichter (E2): Der Zweiwegglieichrichter funktioniert auf dem Prinzip eines Trafos, mit Mittelanzapfung. Ein sich änderndes Magnetfeld übt eine Kraft auf Elektronen aus, die dadurch verschoben werden. → Spannung wird induziert (entsteht). Da es sich um Wechselspannung handelt, ändern sich die Pole. U Der Trafo erzeugt eine Wechselspannung t Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 21 Elektronik Prof Mackeprang + Während der positiven Halbwelle fließt der Strom von der Mittelanzapfung, über den Widerstand (grün). - Während der positiven Halbwelle fließt der Strom von der Mittelanzapfung, über den Widerstand (rot). + U Da beide Halbwellen in der „gleichen Richtung“ durch den Widerstand fließen, liegt hier eine pulsierende Gleichspannung an. t Analogon: (Betrachte die Mitte am Trafobereich) Analogon Luftpumpe: Kolben läuft rauf und runter und saugt und drückt dabei → also arbeitet das System mit Unter- und Überdruck Der Zweiweggleichrichter wird immer dann verwendet, wenn größere Ströme fließen. Exkurs: Beispiel für eine Verlustrechnung am Zweiweggleichrichter: - Schwellenspannung der Diode: 0,7V Annahme Stromstärke: 100A (zum Vergleich: Eine Haushaltssicherung brennt bei 16A durch) P = U*I → P = 0,7V* 100A P= 70W An den Dioden wird eine Leistung von 70W in thermische Energie umgewandelt!! Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 22 Elektronik Prof Mackeprang 5.3 Brückengleichrichter (B1): +- Ein Brückengleichrichter besteht aus 4 Dioden, von denen 2 Dioden bei der positiven Halbwelle und die anderen 2 Dioden beider negativen Halbwelle in Durchlassrichtung geschalten sind. Dadurch erhält man am Verbraucher eine pulsierende Gleichspannung, die aus lauter positiven Halbwellen besteht. AC -+ Damit kann Wechselspannung direkt ohne Trafo und Mittelanzapfung gleichgerichtet werden. Da der el. Strom durch 2 Dioden fließt, fällt die Spannung um 1,4V ab, d.h. im Brückengleichrichter sind die Verluste doppelt so hoch. Nahezu in jedem elektronischem Gerät, z.B. Computer, sind Brückengleichrichter eingebaut. 5.4 Glätten einer pulsierenden Gleichspannung Da eine pulsierende Gleichspannung in der Elektronik nicht brauchbar ist, muss sie geglättet werden. Die einfachste Möglichkeit, eine pulsierende Gleichspannung zu glätten, ist das Parallelschalten eines Kondensators zum Verbraucher. Der Kondensator lädt sich auf die maximale Spannung auf und gleicht das Abfallen der Halbwellen aus. -+ AC +- U Je größer die Kapazität des Kondensators ist, desto kleiner werden die Wellen, d.h. umso besser Glättet er die Gleichspannung. t 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. Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 23 Elektronik Prof Mackeprang 6 Transistoren Schaltzeichen: Da die Transistoren aus drei Halbleiterschichten (n-leitend und p-leitend) aufgebaut sind, gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten die Schichten zu kombinieren. Deshalb unterscheidet man zwei Typen, den NPN und PNP Transistor. BC 547 Transistor 1) Nichtleitender Transistor: n-Schicht + p-Schicht - n-Schicht Ist der Transistor so angeschlossen, ist er nicht leitend, da er eine „dicke“ Sperrschicht hat. 2) Grundschaltung für einen leitenden Transistor: C n-Schicht B p-Schicht + - + - n-Schicht E Steuerstromkreis/ Basisstromkreis Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher Arbeitsstromkreis/ Kollektorstromkreis 24 Elektronik Prof Mackeprang Der untere pn- Übergang (Übergang Emitter- Basis) wird in Durchlassrichtung geschaltet. Dabei wird die Sperrschicht zwischen Emitter und Basis abgebaut, besser gesagt, so lange zusammen gedrückt, bis sie verschwunden ist. Dazu muss mindestens eine Spannung von 0,7V zwischen Basis und Emitter anliegen (für Si-Transistoren). Liegt diese Spannung an, fließen Elektronen vom Emitter zur Basis. Manche Elektronen sind zu schnell, um „die Kurve zum Emitter zu bekommen“ und geraten somit in die obere Sperrschicht (Basis- Kollektor) hinein. Dadurch wird diese Sperrschicht dünner und dünner, bis sie ganz weg ist (Eine Sperrschicht, in der sich freie Elektron befinden, ist keine Sperrschicht mehr). der Arbeitsstrom fließt Der Basisstromkreis hat die Aufgabe, den Kollektorstromkreis zu steuern Wird der Steuerstromkreis unterbrochen, fehlen die Löcher die untere Sperrschicht wird geschlossen. Der Arbeitsstromkreis wird unterbrochen. ein leitender Transistor benimmt sich wie ein „Stück Draht“, er hat praktisch keinen Innenwiderstand. Eine Transistorschaltung mit zwei Stromquellen Eine Transistorschaltung mit einer Stromquelle Wenn man an die linke Stromquelle eine Spannung von mindestens 0,7V anlegt, dann wird die Sperrschicht zwischen Basis und Emitter aufgehoben und der Transistor wird leitend. Es kann ein Kollektorstrom fließen und die Lampe leuchtet. Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 25 Elektronik Prof Mackeprang 6.1 Stromverstärkungsfaktor B Der Stromverstärkungsfaktor gibt das Verhältnis von Basisstrom zu Kollektorstrom an. IC = B * IB Beispiel: IB = 0,2 mA IC = 100 mA 100 B 200 0,2 B ist von Transistor zu Transistor unterschiedlich (kann in Datenbüchern nachgelesen werden) 6.2 Bestimmung des Vorwiderstandes Es folgt: R → IB = 0,01A IB UBE = 0,7 V B = 100 10V R 9,3V 930 Ω 0,01A IC = 1A Bedeutung in der Elektronik: Wenn man in den Basisstromkreis einen doppelt so großen Widerstand einbaut, fließt nur noch halb soviel Strom → dann beträgt die Leistung an der Lampe nur noch ein Viertel. Beispiel: An der Lampe liegen (Beispiel 10V Quellenspannung) nur noch 5V an. → die anderen 5V liegen am Transistor an, da die Sperrschichten nicht vollständig zusammengedrückt wird. → Dadurch wird der Transistor heiß und muss gekühlt werden. Aber: Wenn der Transistor leitend ist, ist er leitend, leitender als leitend gibt es nicht! (→ Der Transistor wird als gesättigt bezeichnet.) d.h. wird der Basisstrom erhöht, fließt kein größerer Arbeitsstrom! (eigener Stromkreis, eigener Widerstand) Wird aber der Basisstrom halbiert, so halbiert sich auch der Arbeitsstrom → so rum muss man mit dem Stromverstärkungsfaktor rechnen! Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 26 Elektronik Prof Mackeprang 7 Darlington-Schaltung Wenn man zwei Transistoren hintereinander schaltet, so dass der Basisstrom des ersten der Emitterstrom des zweiten ist, erhöht man den Stromverstärkungsfaktor. B = 100 B = 100 0,7V 1,4V 10V 0,7V Um den Gesamtverstärkungsfaktor Bges zu berechnen, Verstärkungsfaktoren der beiden Transistoren multiplizieren. muss man die Bges = B1 * B2 = 100 * 100 = 10000 Bei Darlington-Transistoren ist darauf zu achten, dass die Schwellenspannung doppelt so groß ist wie bei einzelnen Transistoren. → UBE = 1,4V Mit einer Darlingtonschaltung lassen sich mit kleinen Basisströmen große Kollektorströme steuern. 7.1 Funktionsweise der Schaltung: Der Kondensator ist zu Beginn noch leer, aus diesem Grund fehlen die benötigten 1,4V um den Darlington-Transistor leitend zu machen. Beim Anlegen einer Spannung lädt sich der Kondensator langsam auf In dem Moment, in dem der Kondensator auf 1,4V aufgeladen ist, liegt am ersten Transistor auch eine Spannung von 1,4V, so dass dieser leitend wird Es fließt ein Kollektorstrom und damit ein Basisstrom für den zweiten Transistor Es fließt ein Kollektorstrom durch den zweiten Transistor und das Relais zieht an Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 27 Elektronik Prof Mackeprang Wenn man das Relais mit dem Schalter verbindet (grüne Linie) wird dieser geschlossen sobald das Relais anzieht Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator kurz geschlossen, d.h. er wird entladen, dadurch fehlen die 1,4V Spannung und die Transistoren werden nicht leitend und das Relais öffnet wieder. Der Ladevorgang des Kondensators startet wieder von vorne Wenn man in Reihe zum Relais eine Lampe schaltet, hätte man eine Blinkschaltung 8 Lichtschrankenschaltung 8.1 Hellschaltung Die Lampe leuchtet, wenn Licht auf den LDR fällt → Sobald Licht auf den LDR fällt, kann ein Basisstrom fließen → Transistor wird leitend → Kollektorstrom kann fließen → Die Lampe leuchtet 8.2 Dunkelschaltung Die Lampe leuchtet, wenn kein Licht auf den LDR fällt 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 Will man die Dämmerungsempfindlichkeit einstellen, dann muss der Widerstand regelbar sein Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 28 Elektronik Prof Mackeprang 9 Alarmanlage 1. Fall: Der Arbeitsstrom kann nicht fließen, da der Transistor nicht leitend ist. (der el. Strom nimmt den einfacheren Weg durch den roten Draht und UBE = 0,7V wird nicht erreicht. 2. Fall: Wenn der rote Draht durchbrochen wird, kann ein Basisstrom (UBE = 0,7V) fließen und somit ein Arbeitstrom fließen und die Alarmanlage wird ausgelöst. Hier: die Warnleuchte geht an. 10 Kondensator Kondensatoren sind elektronische Bauteile die aus 2 voneinander isolierten Metallflächen in geringem Abstand bestehen. Wird an 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 abgetrennt wird. Der aufgeladene Kondensator wirkt nun wie eine kleine Spannungsquelle (Batterie). Wird nun ein el. Gerät angeschlossen, so entlädt sich der Kondensator. Die Aufnahmefähigkeit (Kapazität) der Kondensatoren hängt von der Größe der Metallflächen, deren Abstand zueinander und vom verwendeten Isoliermaterial ab. Die Einheit der Kapazität C ist das Farad F. Das Schaltzeichen des Kondensators: Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 29 Elektronik Prof Mackeprang Einsatzmöglichkeiten von Kondensatoren: Siebkondensator: Glätten von welliger Gleichspannung (gleichgerichtete Wechselspannung) Entstörungskondensator an Motoren/ Schaltern Schutzkondensator, sie schlucken Spannungsspitzen Gleichspannung sperren, Wechselspannung durchlassen Kopplung zwischen Verstärkerstufen Frequenzweiche; Trennen von Wechselspannungen verschiedener Frequenzen Zeitschaltungen; Einschalt- , Ausschaltverzögerungen Elektronische Tonerzeugung; Radiotechnik Energiequelle Blitz am Photo, man benötigt in kurzer Zeit viel Energie. Ein Akku kann das nicht leisten, da sein Innenwiderstand zu groß ist. Unfallgefahr: Mit hoher Spannung geladene Kondensatoren können lebensgefährliche Schläge erteilen Bei zu hoher Spannung kann es zu starker Erhitzung kommen Bei gepolten Konensatoren (z.B. Elekrolytkondensatoren (Elkos)) muss auf die Richtige Polung geachtet werden, da diese bei falscher Polung zur Explosion kommen kann 10.1 Treppenlichtautomat Die Lampe geht aus, wenn der Kondensator geladen ist. → durch die Kapazität des Kondensators kann die Zeit variiert werden 6V In dem Moment in dem die Schaltung eingeschalten wird, ist der Kondensator leer. Es kann so lang ein Basisstrom fließen, solang sich der Kondensator lädt, d.h. an dem Transistor liegt eine Spannung (UBE = 0,7V) an und somit fließt auch ein Kollektorstrom, die Lampe leuchtet. Wenn der Kondensator voll ist (d.h. auf 5,3V aufgeladen ist), fließt kein Basisstrom mehr und der Kondensator sperrt, da die 0,7V zwischen Basis und Emitter fehlen. Die Lampe geht aus, da kein Kollektorstrom mehr fließt. Die Lampe leuchtet nur so lange bis der Kondensator voll ist, d.h. über die Kapazität des Kondensators und den Basiswiderstand, kann man die Zeit bestimmen die die Lampe leuchten soll. Durch betätigen des Schalters wird der Kondensator entladen und das ganze fängt von vorne an. Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 30 Elektronik Prof Mackeprang 10.2 Verzögertes Einschalten Zu Beginn ist der Kondensator leer, ein leerer Kondensator hat eine Spannung von 0V, d.h. an dem Transistor liegt eine Basis Emitter Spannung von 0V an und dieser sperrt. Während der Kondensator geladen wird, wird die Spannung immer größer. Wenn sie 0,7V erreicht hat wird der Transistor leitend. An dem Transistor liegen UBE = 0,7V an, wodurch ein Basisstrom fließen kann und somit auch ein Kollektorstrom und die Lampe leuchtet. 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. Beachte: Rede entweder über Ströme oder über Stromkreise. Die Aufgabe des Lehrers ist es zu schauen, wo die Schüler Verständnisprobleme haben. 10.3 Selbsthalteschaltung Wenn ein externes Licht auf den LDR trifft, wird dieser leitend. Wodurch ein Basisstrom fließen kann. Dadurch wird der Transistor Kollektorstrom fließt. Leuchtdiode leuchtet leitend, der Die LED beleuchten den LDR, so dass dieser leitend bleibt. Um das Licht auszuschalten, muss man den Resetknopf drücken, d.h. die Spannungsquelle abtrennen. Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 31 Elektronik Prof Mackeprang 11 Die Flip-Flop-Schaltung 11.1 Hinführung Schalter offen 10V Schalter geschlossen 0V 10V 10V 10V 0V Wenn der Transistor leitend ist, dann ist der rote Punkt mit dem Minus-Pol verbunden Wenn der Transistor nicht leitend ist, dann ist der rote Punkt mit dem Plus-Pol verbunden 1. Fall :Transistor nicht leitend:^ (benimmt sich als ob er nicht da ist) UA = 10 V UBE = 0 V 2. Fall :Transistor leitend: (benimmt sich wie ein Stück Draht) UBE UA UA = 0 V UBE = 0,7 V UB = 2,1 V UB → UA und UBE arbeiten gegensätzlich! In dieser Schaltung ist UB = 2,1 V, da an jeder leitenden Diode 0,7 V liegen: 0,7V 0,7V 0,7V → Wenn man 2 Dioden einbaut, wird die Zeitverzögerung größer, da der Kondensator auf eine höhere Spannung aufgeladen werden muss, bevor der Transistor leitend wird. 2,1V Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 32 Elektronik Prof Mackeprang 11.2 Die Flip Flop Schaltung in 5 Schritten Zum Erklären fängt man am Besten immer beim ungeladenen Kondensator an! 1. Verbindung nach „unten“ - + UBE Der Kondensator wird mit verkehrter Polarität aufgeladen (roter Stromkreis) Wenn der Kondensator auf 0,7 V aufgeladen ist, liegt am Transistor eine Basis-Emitter-Spannung von UBE = 0,7 V an Der Transistor wird leiten und es kann ein Basisstrom fließen (pinker Stromkreis) Der Kollektorstrom kann fließen und das Lämpchen leuchtet (hellblauer Stromkreis) 2. Verbindung auftrennen aufgetrennt + 0,7V UBE Wenn man den Stromkreis auftrennt, bleibt die im Kondensator gespeicherte Ladung erhalten (Ein aufgeladener Kondensator verbindet (Kurzschluß) kann nur entladen werden, wenn man seine Enden miteinander Die Lampe leuchtet weiterhin, da ein Basisstrom (Pink) und ein Kollektorstrom (Hellblau) fließen Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 33 Elektronik Prof Mackeprang 3. Verbindung nach „oben“ Der Kondensator ist auf 0,7V aufgeladen, wenn man die Verbindung nach oben schließt, verbindet man die negative Seite des Kondensators mit dem Plus-Pol, wodurch der Kondensator sofort entladen wird (roter Stromkreis) - + 0,7V UBE Der Kondensator wird nun wieder auf 5,3V aufgeladen, wobei sich seine Polarität geändert hat. (blauer Stromkreis) + 5,3V UBE Während des Vorgangs fließt weiterhin ein Basisstrom (Pink) und ein Kollektorstrom (Hellblau) → das Lämpchen leuchtet 4. Verbindung auftrennen Der Kondensator speichert seine Ladung + Die Lampe leuchtet weiterhin, da ein Basisstrom (Pink) und ein Kollektorstrom (Hellblau) fließt 5,3V UBE 5. Verbindung nach „unten“ Nun wird der Minus-Pol des Kondensators mit der Basis verbunden, wodurch der Transistor eine „dicke“ Sperrschicht bekommt. (roter Stromkreis). + 5,3V UBE Die Lampe geht aus, da kein Basisstrom und somit auch kein Kollektorstrom fließen können. Wenn der Kondensator vollständig entladen ist, fängt das ganze wieder von vorne an! Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 34 Elektronik Prof Mackeprang 11.3 Die Flip Flop Schaltung R2 L2 R1 + T2 + +C 1 C2 L2 T1 T2 Wir nehmen an C1 ist auf -9,3V geladen, so liegt an T1 eine Spannung (UBE = 0,7V) an und ein Basisstrom kann fließen (grün). Die Lampe L2 leuchtet nicht, da der Strom zu gering ist. Somit fließt auch ein Arbeitsstrom (rot) und die Lampe L1 leuchtet. L2 T2 R2 + - + C2 R1 + C1 L1 T1 In dem Moment in dem C2 auf 0,7V aufgeladen ist, wird T2 leitend und es kann ein Basisstrom fließen (grün). Die Lampe L1 leuchtet nicht, da der Strom zu gering ist. Somit fließt auch ein Arbeitsstrom (rot) und die Lampe L2 leuchtet. Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher R2 L1 R1 + + C2 + C1 L1 T1 Gleichzeitig wird C2 der eine Spannung von -9,3V (T2 ist nicht leitend, da der Kondensator mit der negativen Polarität mit der Basis verbunden ist) hat über den leitenden T1 entladen und anschließend mit anders entgegengesetzter Polarität wieder aufgeladen. Wenn C2 auf 0,7V aufgeladen ist wird T2 leitend. L2 T2 R2 R1 + C2 + - + C1 L1 T1 Gleichzeitig wird C1 der eine Spannung von -9,3V (T1 ist nicht leitend, da der Kondensator mit der negativen Polarität mit der Basis verbunden ist) hat über den leitenden T2 entladen und anschließend wieder mit entgegengesetzter Polarität geladen. 35 Elektronik Prof Mackeprang 11.4 Flip Flop L2 T2 R2 R1 + C2 + C1 L1 T1 Bei der Flip-Flop-Schaltung ist zu Beginn einer der Kondensatoren geladen. Wir nehmen an dass C1 geladen ist. Somit kann vom Minuspol über T1, C1, und L2 ein Basisstrom zum Pluspol fließen. Da der Basisstrom zu gering ist leuchtet L 2 nicht. Durch den Basisstrom wird der Transistor T1 leitend und es fließt ein Arbeitsstrom durch T1, und L1. Die Lampe L1 leuchtet. Außerdem fließt ein kleiner Strom vom Minuspol über T1, C2 und R2 zum Pluspol, wodurch C2 der eine Spannung von -9,3V hat auf 0,7V aufgeladen wird. Dadurch steigt die Basisspannung an T 2. Erreicht sie 0,7V wird T2 leitend, dadurch fließt sofort ein Arbeitsstrom über T 2, und L2 zum Pluspol. Die Lampe L2 leuchtet. Zur selben Zeit entlädt sich der Kondensator C1 und lädt sich anders herum gepolt auf -9,3V auf, da der Kondensator über T 2 mit dem Minuspol und über R1 mit dem Pluspol verbunden ist. Jetzt liegt am Transistor T1 eine Spannung von -9,3V an. Dadurch bekommt er eine riesige Sperrschicht und sperrt. Der Basisstrom von T2 fließt über T2, und L1 zum Pluspol, allerdings ist er zu gering, so dass die Lampe L1 nicht leuchtet. In dem Moment in dem der Transistor T 2 leitend wird, fängt der Kondensator C1 wieder an sich von -9,3V auf 0,7V aufzuladen. Der Kondensator C1 ist über den leitenden Transistor T2 mit Minuspol und über R1 mit dem Pluspol verbunden. Wenn der Kondensator C1 auf 0,7V aufgeladen ist und somit am Transistor T 1 eine Basisspannung anliegt, wird dieser leitend und der ganze Vorgang beginnt von vorne. Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 36 Elektronik Prof Mackeprang 12 Die Platinenbearbeitung 12.1 Aufbau einer Platine Bauteil Platine Kupfer Lötstelle 12.2 Surface-mounted-Devices Lötstelle Bauteil Kupfer Platine 12.3 Additive Verfahren Kupferbahnen werden auf die Platine aufgetragen. 12.4 Subtraktive Verfahren Das Basismaterial (Material aus dem die Platinen hergestellt werden) ist mit einer 35µ dicken Kupferschicht überzogen. Cu-Schicht Basismaterial: - Pertinax - Hartpapier - GFK (Glasfaserkunstoff) Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 37 Elektronik Prof Mackeprang 12.4.1 Ätzen mit Abdecklack/Isolierschicht Achtung: Leiterbahnen dürfen sich nicht kreuzen! Freiräume unter den Bauteilen ausnutzen! a. mit Siebdruck: Sieb mit offenen Maschen an denen die Farbe durch soll b. mit Edding: Auftragen der Leiterbahnen und Lötpunkte mit Ätzfesten Materialien (z.B. Edding) auf die Platine Leiterbahn (abgedeckt) c. mit Fotolack 1. Layout auf eine Folie zeichnen oder drucken + R L R LED B LDR C B E - 2. Die Folie mit Layout auf die Platine legen und anschließend mit UVLicht oder Sonnenlicht (ca. einen halben Tag) belichten UV-Licht Fotolack Cu-Schicht Platine An der Stelle an der die schwarzen Striche auf der Folie waren, kommt kein UV-Licht hin Leiterbahnen Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 38 Elektronik Prof Mackeprang 3. Ätznatron-Bad (Natriumhydroxid): Fotolack wird an der Stelle „weggewaschen“ an die UV-Licht gekommen ist Dieses Verfahren eignet sich besonders für hohe Stückzahlen Dieses Verfahren wird auch in der Industrie verwendet Märklin stellt mit diesem Verfahren die kleinen Eisenbahnbauteile her. 12.4.2 Ätzen 1. Vorbereiten des Ätzbades: Ätzflüssigkeit: o Ammoniumperoxidsulfad o Eisen III Chlorid (Achtung: Die Dämpfe lassen alles rosten, was in der Nähe ist!) Ätzflüssigkeit muss auf ca. 60°C erwärmt werden 2. Platine in das Ätzbad tauchen (ca. 20 min), durch bewegen der Platine wird das Ätzen beschleunigt 3. Wenn das Kupfer vollständig weggeätzt ist, die Platine aus dem Ätzbad nehmen und gründlich mit Wasser abspülen 4. Anschließend den Edding mit Spiritus, Nitro,… entfernen Cu-Bahn 5. Platine zum Schutz vor Korrosion lackieren (z.B. mit Lötlack) WIR WÜNSCHEN EUCH VIEL ERFOLG UND SPAß IN DIESEM SEMINAR!!! Stefanie Bestler Stephan Nonnenmacher 39
