Bauelemente der Elektronik - iks.hs
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Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Bauelemente Bauelemente der der Elektronik Elektronik Inhalt: • Passive Bauelemente • Aktive Bauelemente Ö Halbleiterdiode Ö Bipolartransistor Ö Bipolartransistor als elektronischer Verstärker Ö Feldeffekttransistor Ö Feldeffektransistor als elektronischer Schalter • Leiterplatten Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 1 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Passive Bauelemente ¾ Leiter und Widerstände ¾ Kondensatoren ¾ Spulen C [F] L [H] R [Ω] Ohm (nach Ohm) Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Farad (nach Faraday) Henry (nach Henry) Prof. Dr. Tatjana Lange 2 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik 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 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik 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 Spannungsquelle I U b L L R=ρ· a·b Maßeinheit Ω (Ohm) a Ohm‘sche Gesetz: U=R · I Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 4 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik 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 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik elektrisches Schaltsymbol: Prof. Dr. Tatjana Lange 5 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik u1(t) u 2 (t ) = u1 (t ) ⋅ R1 R2 u2(t) R2 R1 + R2 u1 (t ) = U 0 = const. u 2 (t ) = U 0 ⋅ R2 R1 + R2 u1 (t ) = U 0 cos(2πf 0t ) Oszillograph zur Darstellung der elektrischen Signale u 2 (t ) = U 0 cos(2πf 0t ) ⋅ R2 R1 + R2 u1(t) u2(t) Das Verhalten der Schaltung ist frequenzunabhängig. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 6 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Kondensatoren und Spulen - elektrische Energiespeicher elektromagnetisches Feld Spulen Energiespeicher Kondensatoren elektrostatisches Feld Hauptanwendungen: Spulen: Elektromechanik Elektronik • Elektromagnet • Filter • Relais • Schwingkreise • HF-Drosseln Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Kondensatoren: Elektronik • Filter (z.B. Drehkondensator) • Schwingkreise • Speicher (z.B. im DRAM) Prof. Dr. Tatjana Lange 7 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Spule / Induktivität: elektrisches Schaltsymbol: oder typischer Aufbau: gewickelter Kupferdraht L Kern aus magnetischem Material (z.B. Ferritkern) i(t) • 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 u (t) L R u (t) t i(t) t Prof. Dr. Tatjana Lange 8 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Kondensator elektrisches Schaltsymbol: typischer Aufbau: Metallplatte C 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 C u (t) uc(t) R u (t) t uc(t) t Prof. Dr. Tatjana Lange 9 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik ¾ 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 fg durchlaufen den Tiefpass (nahezu) ungedämpft. • Sinusförmige Signale mit einer Frequenz größer einer bestimmten Grenzfrequenz fg werden vom Tiefpass unterdrückt. u1 (t ) = U 1 sin( 2πft ) u 2 (t ) = U 2 sin( 2πft ) Systembeschreibung: Übertragungsfkt. TP f<fg G= 1 f>fg Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik U2 U1 fg f Prof. Dr. Tatjana Lange 10 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Verhalten eines realen Tiefpass: u1 (t ) = U 1 sin( 2πft ) u 2 (t ) = U 2 sin( 2πft ) TP f<fg Systembeschreibung: U G= 2 U1 f>fg fg f Elementare reale Tiefpässe: u1(t) ZL R u2(t) Z L = ω ⋅ L = 2π ⋅ f ⋅ L Je größer die Frequenz, um so größer der (Blind-) Widerstand der Spule. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik oder u1(t) ZC = R ZC u2(t) 1 1 = ω ⋅ C 2π ⋅ f ⋅ C Je größer die Frequenz, um so kleiner der (Blind-) Widerstand des Kondensators. Prof. Dr. Tatjana Lange 11 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Oszillograph - Meßgerät zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs elektrischer Signale Experiment: Experiment: u1(t) t u1(t) R ZC u2(t) u1(t) t u1(t) t Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Bildschirm des Oszillographen zur Darstellung der Signale am Eingang und am Ausgang des Tiefpasses Prof. Dr. Tatjana Lange 12 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 13 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 14 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 15 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Der Hochpass (HP): Eigenschaften des idealen Hochpaßpass: • Sinusförmige Signale mit einer Frequenz kleiner einer bestimmten Grenzfrequenz fg werden vom Tiefpass unterdrückt. • Sinusförmige Signale mit einer Frequenz größer einer bestimmten Grenzfrequenz fg durchlaufen den Tiefpass (nahezu) ungedämpft. u1 (t ) = U 1 sin( 2πft ) u 2 (t ) = U 2 sin( 2πft ) Systembeschreibung: Übertragungsfkt. HP f<fg G= 1 f>fg Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik U2 U1 fg f Prof. Dr. Tatjana Lange 16 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Verhalten eines realen Hochpass: u1 (t ) = U 1 sin( 2πft ) Systembeschreibung: U G= 2 U1 u 2 (t ) = U 2 sin( 2πft ) HP f<fg f>fg fg f Elementare reale Hochpässe: u1(t) R ZL u2(t) Z L = ω ⋅ L = 2π ⋅ f ⋅ L Je größer die Frequenz, um so größer der (Blind-) Widerstand der Spule. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik oder u1(t) ZC = ZC R u2(t) 1 1 = ω ⋅ C 2π ⋅ f ⋅ C Je größer die Frequenz, um so kleiner der (Blind-) Widerstand des Kondensators. Prof. Dr. Tatjana Lange 17 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Oszillograph - Meßgerät zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs elektrischer Signale Experiment: Experiment: u1(t) t u1(t) ZC R u2(t) u1(t) t u1(t) t Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Bildschirm des Oszillographen zur Darstellung der Signale am Eingang und am Ausgang des Tiefpasses Prof. Dr. Tatjana Lange 18 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 19 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 20 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 21 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Der Bandpass (BP): Eigenschaften des idealen Bandpaßpass: • Sinusförmige Signale mit einer Frequenz kleiner einer bestimmten Grenzfrequenz fg1 werden vom Bandpass unterdrückt. • Sinusförmige Signale mit einer Frequenz größer einer bestimmten Grenzfrequenz fg2 werden vom Bandpass ebenfalls unterdrückt. • Sinusförmige Signale mit einer Frequenz größer fg1 und kleiner fg2 durchlaufen den Bandpass (nahezu) ungedämpft. u1 (t ) = U 1 sin( 2πft ) u 2 (t ) = U 2 sin( 2πft ) BP Systembeschreibung: Übertragungsfkt. G= f<fg1 1 U2 U1 fg1<f< fg2 fg1 fg2 f f>fg2 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 22 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Verhalten eines realen Bandpass: u1 (t ) = U 1 sin( 2πft ) u 2 (t ) = U 2 sin( 2πft ) Systembeschreibung: BP f<fg1 G= 1 U2 U1 fg1<f< fg2 fg1 fg2 f f>fg2 Z L = ω ⋅ L = 2π ⋅ f ⋅ L Elementarer realer Bandpaß: u1(t) R ZL „Kurzschluss“ für tiefe Frequenzen ZC u2(t) „Kurzschluss“ für hohe Frequenzen Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Je kleiner die Frequenz, um so kleiner der (Blind-) Widerstand der Spule. ZC = 1 1 = ω ⋅ C 2π ⋅ f ⋅ C Je größer die Frequenz, um so kleiner der (Blind-) Widerstand des Kondensators. Prof. Dr. Tatjana Lange 23 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 24 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 25 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 26 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Übertragungsfunktion Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 27 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Aktive Bauelemente ¾Die Diode / Halbleiterdiode (grundsätzliche Funktionsweise) • Zweipol-Bauelement mit einer asymmetrischen Strom-Spannungskennlinie I I + Durchbruchspannung _ I _ U U Durchlaßrichtung Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik elektrisches Schaltsymbol: U + Sperrrichtung Prof. Dr. Tatjana Lange 28 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik • 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 Ö pn-Übergang. p n Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 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. Prof. Dr. Tatjana Lange 29 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik ¾Der ¾DerTransistor Transistor(grundsätzliche (grundsätzlicheFunktionsweise) Funktionsweise) Transistor = Transfer Resistor = Übertragungswiderstand • steuerbares Halbleiterbauelement I2 • Die Ströme I2 und I3 werden durch den Strom I1 oder die Spannung U1 gesteuert. steuernde Elektrode I1 U1 gesteuerte Elektroden I3 Man unterscheidet Transistoren nach der Art des Stromtransports: • Bipolartransistoren • Unipolartransitoren (z.B. Feldeffekttransistoren) Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 30 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Bipolartransistor: Bipolartransistor: pnp-Transistor Kollektor p C npn-Transistor Emitter n p E Kollektor n C B Basis Emitter p n E B Basis C C + Stromrichtung B Stromrichtung B Stromrichtung Stromrichtung + E Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik E Prof. Dr. Tatjana Lange 31 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Grundschaltungen: +U IC +U +U IC IE IB IB I E ≈ (1 + BN ) ⋅ I B I C ≈ BN ⋅ I B Emitterschaltung •hohe Spannungsverstärkung •hohe Stromverstärkung •mittlerer Eingangswiderstand •hoher Ausgangswiderstand IE • • • • Kollektorschaltung (Emitterfolger) Spannungsverstärkung ≈ 1 hohe Stromverstärkung großer Eingangswiderstand sehr kleiner Ausg.-widerstand Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik IC ≈ BN ⋅ IE (1 + BN ) Basisschaltung • • • • hohe Spannungsverstärkung Stromverstärkung ≈ 1 kleiner Eingangswiderstand hoher Ausgangswiderstand Prof. Dr. Tatjana Lange 32 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik ¾Bipolartransistor als elektronischer Verstärker +U Einfache Verstärkerstufe in Emitterschaltung u1(t) RC U = R⋅I iB • maximale Spannung am Eingang Ömaximaler Basisstrom Ömaximaler Kollektorstrom Ömaximaler Spannungsabfall an RC Öminimale Ausgangssapnnung Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik iC I C ≈ BN ⋅ I B u2(t)=U-RCiC(t) • minimale Spannung am Eingang Öminimaler Basisstrom Öminimaler Kollektorstrom Öminimaler Spannungsabfall an RC Ömaximale Ausgangssapnnung Prof. Dr. Tatjana Lange 33 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik S = Source D = Drain G = Gate Feldeffekttransistor Feldeffekttransistor(FET) (FET) Grundprinzip (hier n-Kanal FET): - Steuerelektrode (Gate) Halbleiterkanal Kontakt + G S D - + Stromrichtung (n-Kanal) 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 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik 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 !!! Ö 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-KanalFET erfolgt die Verarmung durch Anlegen einer positiven Gatespannung. Ö 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 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Vorteile des Feldeffekttransistors: • sehr hoher Eingangswiderstand (1012 - 1016 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 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik MOSFET Schaltsymbole Schaltsymbole und undKennlinien Kennlinien selbstsperrend Anreicherungstyp Enhancement Type SFET n p D S G ID -UP n G -ID UGS UP UP - Schwellspanung p n D D S G selbstleitend Verarmungstyp Depletion Type S ID UGS UP D G S D G S -UP UGS D G ID -ID UGS p -UP S -ID UGS UP Für n-Kanal-FET gilt: FET leitend, wenn UGS> UP. Für p-Kanal-FET gilt: FET leitend, wenn UGS< UP. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 37 UGS Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik ¾Feldeffekttransistor als elektronischer Schalter Ersatzschaltbild +12 V G n D S U1=10 V +12 V n-Kanal-FET selbstsperrend U2 ≈ 0 V D G +12 V G U1=0 V +12 V ID D S U2= 12 V Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik S UP Prof. Dr. Tatjana Lange UGS 38 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik 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 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik ¾Leiterplatten • 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
