Leseprobe - Ingenieur-Buch

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Elektronik
Zusammenfassung
Zur Elektronik, dem jüngsten Teilgebiet der Elektrotechnik, zählt man die Vorgänge
und Bauelemente, welche die Bewegung elektrischer Ladungsträger in Halbleitern und
Gasen technisch ausnutzen, außerdem die mit Halbleiterbauelementen und den klassischen Bauteilen Widerständen, Kondensatoren und Spulen gebildeten Schaltungen.
Durch die großen Fortschritte in der Halbleitertechnologie, die heute vom preiswerten
Einzelbaustein z. B. einer Diode bis zur hochintegrierten Schaltung in einem Gehäuse
eine fast unüberschaubare Vielzahl von Bauteilen bereitstellt, hat die Elektronik alle
Bereiche der Elektrotechnik erfasst. Der Schwerpunkt der Anwendung liegt jedoch in
der Informations- und Unterhaltungselektronik, der elektrischen Messtechnik, der Regelungstechnik und der Leistungselektronik. Ein weiter expandierendes Teilgebiet ist
ferner immer noch die elektronische Datenverarbeitung EDV mit der Mikroprozessortechnik.
Die nachstehenden Abschnitte sollen eine Einführung in das Gebiet der Elektronik
geben und damit auch dem Ingenieur nichtelektrotechnischer Fachbereiche das erforderliche Grundlagenwissen vermitteln. Dazu werden zunächst die wichtigsten elektronischen Bauelemente mit ihrer Wirkungsweise und ihren typischen Daten vorgestellt
und danach einfache Baugruppen, die häufig Bausteine umfangreicher Schaltungen
sind, behandelt, Lit. [1]–[6].
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2016
R. Fischer, Elektrotechnik für Maschinenbauer, DOI 10.1007/978-3-658-12515-8_2
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2.1
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Elektronik
Grundlagen und Bauelemente der Elektronik
2.1.1 Allgemeine elektrische Bauelemente
2.1.1.1 Widerstände
Ohmsche Widerstände sind mit die wichtigsten Bestandteile elektronischer Schaltungen.
Ihr Größenbereich umfasst etwa 102  bis 109 , wobei je nach zulässiger Belastung
sehr verschiedene Ausführungen üblich sind. Allgemein unterscheidet man zwischen Widerständen mit einem Festwert und verstellbaren Widerständen.
Bauarten von Festwiderständen Bei Drahtwiderständen (0,1  bis 105 ) wird ein Leiter aus einer Chrom-Nickel-Legierung über ein Keramikrohr gewickelt und mit einer
Schutzglasur abgedeckt. Bei Betriebstemperaturen bis ca. 400 ı C können dadurch auch
bei Verlustleistungen von über hundert Watt noch relativ kleine Baugrößen erreicht werden.
Bei Schichtwiderständen (10  bis 109 ) bringt man auf einem Keramikkörper eine
einige m starke leitfähige Schicht aus Metall, Kohle oder Metalloxid auf. Der Leistungsbereich liegt hier vorwiegend zwischen 0,1 W bis 2 W.
Massewiderstände werden durch Pressen einer homogenen Widerstandsmasse mit einem Bindemittel hergestellt, wobei man die Anschlussdrähte mit aufnimmt.
Widerstandsdaten Festwiderstände werden durch ihren Nennwiderstand mit einem zulässigen Toleranzbereich und die Belastbarkeit bestimmt. Die Abstufung der verfügbaren
Nennwiderstände erfolgt nach internationalen IEC-Normreihen, wobei meist die Stufungen E6 (˙20 %), E12 (˙10 %) und E24 (˙5 %) mit 6 bzw. 12 oder 24 Werten pro Dekade
und den in Klammern angegebenen Toleranzen ausreichen.
Die Kennzeichnung der Widerstände geschieht entweder durch einen Aufdruck oder
mit Hilfe eines Codes mit umlaufenden Farbringen. Abbildung 2.1 zeigt als Beispiel die
Vierfarbberingung, die für die Normreihen E6 bis E24 verwendet wird. Zur Kennzeichnung von Widerständen ab E48 wählt man eine Fünffarbberingung mit drei Werteziffern.
Für die Belastbarkeit der Widerstände gibt es ebenfalls eine Stufung mit Nennwerten von
z. B. 0,05 W, 0,1 W, 0,25 W, 0,5 W usw. Der jeweilige Wert wird vom Hersteller bis zu
einer oberen Umgebungstemperatur z. B. 40 ı C garantiert.
Verstellbare Widerstände Schiebewiderstände oder Drehwiderstände werden als veränderliche Vorwiderstände oder als Potenziometer eingesetzt. Für geringere Ansprüche
und Belastungen verwendet man offene Kohleschichtpotenziometer (102  bis 107 ) mit
einem Kohlestift als Abgriff. Höherwertige Ausführungen haben einen Drahtwiderstand
(10  bis 104 ) und einen Metallschleifkontakt.
2.1 Grundlagen und Bauelemente der Elektronik
149
Abb. 2.1 Farbkennzeichnung von Widerständen (Farbcode mit 4 Ringen)
Farbe
schwarz
braun
rot
orange
gelb
grün
blau
violett
grau
weiß
gold
silber
keine
Widerstandswert in Ohm
1. Ring D
2. Ring D
1. Ziffer
2. Ziffer
0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
–
–
–
–
–
–
3. Ring D
Multiplikator
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
101
102
–
4. Ring D
Toleranz in %
–
˙1
˙2
–
–
˙0,5
–
–
–
–
˙5
˙10
˙20
Der über den Abgriff einstellbare Widerstand eines Potenziometers muss nicht linear
mit der Verstellung zunehmen. Durch Abstufungen des Leiterquerschnitts gibt es Ausführungen mit logarithmischem oder exponentiellem Verlauf des Ohmwertes in Abhängigkeit
vom Drehwinkel.
Beispiel 2.1
Aus einem Gerät wird ein defekter Schichtwiderstand mit der Belastbarkeit 0,5 W und
der Farbfolge braun – grün – orange – silber ausgebaut. Der Widerstand ist zu bestimmen und die maximal zulässige Betriebsspannung anzugeben. Nach Abb. 2.1 gilt die
Zuordnung:
braun grün orange silber
Ohmwert
1
5
103
˙10 % D 15 k ˙ 10 %
Nach Gl. 1.13b ist die Verlustleistung P D U 2 =R und damit
U D
p
P R D
p
0;5 W 15 103  D 86;6 V
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Elektronik
Abb. 2.2 Kernbleche nach
DIN 41302. a UI-Schnitt, b EISchnitt, c M-Schnitt
Aufgabe 2.1
Ein Widerstand hat die Farbringe gelb – rot – braun – silber. Es sind die Grenzwerte
der Ohmwerte anzugeben.
Ergebnis: Rmin D 378 , Rmax D 462 
Aufgabe 2.2
Zwei Widerstände R1 D 200  ˙ 10 % und R2 D 200  ˙ 10 % sollen eine
Spannung von 12 V auf 6 V teilen. Welche Grenzwerte entstehen unter Beachtung
der Toleranz?
Ergebnis: Umin D 5;4 V, Umax D 6;6 V
2.1.1.2 Spulen
Alle Spulen, die in vielfältigen Bauarten hergestellt werden, stellen keine reinen Induktivitäten dar, sondern besitzen entsprechend ihrem Drahtquerschnitt auch einen
Widerstand RL . Als Ersatzschaltung einer realen Spule entsteht damit die Reihenschaltung von L und RL mit den Beziehungen nach Abschn. 1.3.2.2.
Eisenkernspulen Durch einen ferromagnetischen Kern mit seiner Permeabilität 0 , den man bei netzfrequenten Anwendungen meist aus Elektroblech ausführt, lässt sich
nach Gl. 1.54 die Induktivität wesentlich vergrößern. Wegen der gekrümmten Magnetisierungskennlinie infolge der Sättigung im Eisenweg wird L allerdings stromabhängig.
Gestalt und Abmessungen der 0,1 mm bis 0,5 mm dicken, isolierten Bleche sind in
DIN 41302 genormt. Hier werden für jede Schnittart und Baugröße Angaben über die
zulässige Belastung und Ausführung der Wicklung gemacht (Abb. 2.2).
Durch die periodische Ummagnetisierung und induzierte Wirbelströme in den Blechen
entstehen bei Wechselstrombetrieb mit den Anteilen Hystereseverluste und Wirbelstromverluste, sogenannte Eisenverluste. Sie betragen bei einer Wechselmagnetisierung mit
B D 1;5 T, 50 Hz je nach Blechqualität etwa 1 W/kg bis 10 W/kg.
2.1 Grundlagen und Bauelemente der Elektronik
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Abb. 2.3 Schaltzeichen für Kondensatoren. a allgemein, b gepolt, z. B. Elektrolyt-Kondensator,
c einstellbar
Ferritkernspulen Bei Frequenzen im kHz-Bereich werden bei aus Blechen geschichteten Kernen die Eisenverluste zu groß. Man verwendet daher bis zu Frequenzen von
10 MHz gesinterte Ferritkerne. Diese bestehen aus keramischen Werkstoffen hoher Permeabilität wie Eisen- oder Nickeloxid und sehr geringer elektrischer Leitfähigkeit, die in
die gewünschte Form gepresst werden.
Luftspulen Bei sehr hohen Frequenzen, wo meist Induktivitäten von nur wenigen H
erforderlich sind, kommen reine Luftspulen zum Einsatz. Das Gleiche gilt auch dann für
50 Hz-Anwendungen, wenn ein Induktivitätswert z. B. 100 mH völlig lastunabhängig eingehalten werden muss.
Aufgabe 2.3
Eine Induktivität benötigt bei f1 D 50 Hz einen Kern aus Elektroblech mit den
Daten m D 0;14 kg und den spezifischen Eisenverlusten pFe D 2 W/kg.
Bei konstanter Flussdichte sind die Verluste bei f2 D 10 kHz abzuschätzen, wenn
man die Eisenmasse mit mFe f1 =f2 und die spezifischen Verluste mit pFe .f2 =f1 /1;6 anzunehmen kann.
Ergebnis: PFe1 D 0;28 W bei 50 Hz, PFe2 D 6;73 W bei 10 kHz
2.1.1.3 Kondensatoren
Nach Abschn. 1.2.1.1 besteht ein Kondensator aus zwei leitenden Schichten oder Platten
mit den beiden Anschlüssen und einer Zwischenisolation, die Dielektrikum genannt wird.
Die technische Verwirklichung dieses einfachen Prinzips erfolgt in sehr unterschiedlichen
Ausführungsformen. Soweit erforderlich, kommt dies auch im Schaltzeichen (Abb. 2.3)
zum Ausdruck.
Wickelkondensatoren In der Bauform als Papierkondensator (bis 10 F) werden zwei
Metallfolien durch isolierende Papierzwischenlagen getrennt und zu einem Wickel aufgerollt (Abb. 2.4). Ersetzt man das Papier durch eine Kunststofffolie, so spricht man von
einem Kunststoff-Folienkondensator (bis 100 F). Anstelle der Metallfolien kann man die
leitende Schicht auch beidseitig auf das Dielektrikum aufdampfen, womit man besonders
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Elektronik
Abb. 2.4 Aufbau eines MPoder MK-Kondensators:
1 Papier- oder Kunststoffisolierung, 2 Metallbelag
kleine Abmessungen erhält. Kondensatoren mit einem auf die Papier- oder Kunststoffisolation aufgedampften Metallbelag (MP- oder MK-Kondensatoren) sind selbstheilend. Bei
einem inneren Durchschlag verdampft infolge der kurzzeitig sehr hohen Stromdichte der
Metallbelag an der Schadstelle, womit diese isoliert wird und der Kondensator betriebsbereit bleibt.
Elektrolytkondensatoren Der Aluminium-Elko besteht aus einem Wickel von zwei Alufolien, zwischen denen sich ein mit dem Elektrolyt getränktes Papier befindet. Bei der
Herstellung wird durch einen elektrolytischen Strom auf der Anodenfolie eine nicht leitende Schicht aus Aluminiumoxid erzeugt, welche dann das Dielektrikum bildet. Man
bezeichnet diesen Vorgang als Formierung. Der Elektrolyt mit der Katodenfolie wird zur
zweiten Kondensatorplatte. Aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstanten des Oxides mit
"r 8 und der geringen Schichtdicke < 1 m können Kapazitätswerte bis ca. 50.000 F
erreicht werden.
Tantal-Elkos entstehen im Prinzip nach der gleichen Technik. Sie haben bei derselben
Kapazität noch geringere Abmessungen, sind aber teurer.
Elektrolytkondensatoren gibt es bis zu Betriebsspannungen von etwa 500 V. Sie dürfen
nur mit Gleichspannung und richtiger Polung (Abb. 2.3b) betrieben werden, da sich andernfalls die Oxidschicht abbaut und der Kondensator dann zerstört wird. Falsch gepolte
Elkos können explodieren!
Drehkondensatoren Die Ausführung erfolgt meist so, dass ein bewegliches Al-Plattenpaket in ein feststehendes kammartig hereingedreht wird. Man ändert dadurch die wirksame Plattenfläche und kann durch passende Formgebung auch den Verlauf C D f .˛/
in Abhängigkeit vom Drehwinkel ˛ beeinflussen. Drehkondensatoren gibt es bis etwa
500 pF.
2.1 Grundlagen und Bauelemente der Elektronik
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Beispiel 2.2
Ein becherförmiger MP-Kondensator mit einem Aufbau nach Abb. 2.4 habe den äußeren Wickeldurchmesser D D 30 mm und eine Höhe h D 80 mm. Das Dielektrikum mit
"r D 4;5 sei d D 0;05 mm dick. Es ist die Kapazität des Kondensators zu berechnen,
wobei die Stärke der aufgedampften Metallbeläge vernachlässigt werden kann.
Bei einer Länge l der abgewickelten Papierisolation gilt für die Plattenfläche A D l h
und wegen der doppelten Schichtung für die Kapazität nach Gl. 1.27
C D "r "0 2l h
A
D "r "0 d
d
Für den zylindrischen Querschnitt des Wickels gilt bei 100 % Füllung die Bedingung
2
D D 2d l
4
Damit wird
C D "r "0 C D 0;9 F:
F .30 mm/2 80 mm
D2 h
D 4;5 8;85 1015
2
4d
mm
4 .0;05 mm/2
Aufgabe 2.4
Es ist die für einen Elektrolyt-Kondensator mit C D 0;1 F erforderliche Fläche A
zu bestimmen, wenn die Dicke des Dielektrikums aus Aluminiumoxid d D 5 nm
beträgt und "r D 8 ist.
Ergebnis: A D 7;1 m2
2.1.2
Grundbegriffe der Halbleitertechnik
Für den praktischen Einsatz von Halbleiterbauelementen ist es nicht unbedingt erforderlich, ihren teils komplizierten Leitungsmechanismus zu überblicken. Es genügt meist, die
Wirkungsweise des Bauteils zu kennen und bei Auslegung einer Schaltung die Kennwerte
und Belastungsgrenzen zu beachten. Trotzdem sollen nachstehend einige grundlegende Erscheinungen der Halbleitertechnik, die in den meisten Bauelementen gleichartig
auftreten, behandelt werden. Dies erleichtert es, einige typische Eigenschaften wie die
Empfindlichkeit gegen Überlastung oder das Temperaturverhalten zu verstehen.
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Elektronik
Abb. 2.5 Schema eines reinen
Si-Kristalls mit Eigenleitfähigkeit: 1 freies Elektron,
2 Fehlstelle oder Defektelektron
2.1.2.1
Trägerbewegung in Halbleitern
Eigenleitfähigkeit Halbleiterwerkstoffe haben meist einen kristallinen Aufbau mit einer
regelmäßigen Anordnung der Atome in einer Gitterstruktur. Bei den wichtigsten jeweils
vierwertigen Elementen Silizium und Germanium stellt jedes der vier Valenzelektronen
die Bindung zu einem Nachbaratom her und ist damit zunächst im Kristallgitter gebunden.
In der Ebene dargestellt, ergibt dies ein Schema nach Abb. 2.5 mit einer Elektronenpaarbindung nach allen vier Seiten. Der reine Kristall besitzt in diesem Zustand keine freien
Ladungsträger und ist daher ein idealer Isolator.
Bei Temperaturen > 0 K brechen nun durch die Wärmeschwingungen der Atome einzelne Paarbindungen auf, womit die betreffenden Elektronen als frei bewegliche negative
Ladungsträger zur Verfügung stehen. Jedes freie Elektron hinterlässt an seinem Platz
eine Fehlstelle (Loch, Defektelektron), die als positive Elementarladung wirkt. Durch
die Bewegung der Elektronen werden einige Fehlstellen wieder besetzt (Rekombination) und an anderer Stelle entstehen so neue Löcher. Auf diese Weise wandern sowohl
positive wie negative Ladungsträger und es besteht eine Eigenleitfähigkeit, die bei 20 ı C
den Wert Si D 5 104 S/m hat und mit der Temperatur stark ansteigt (Kupfer etwa
Cu D 5 107 S/m). Man bezeichnet die Bildung der freien Ladungsträger durch die Wärmeenergie als thermische Generation (Abb. 2.5).
2.1.2.2
Störstellenleitfähigkeit
Dotieren Durch kontrollierte Verunreinigung des reinen Si-Kristalls mit dreiwertigen
Elementen wie Indium, Aluminium oder fünfwertigen wie Arsen, Phosphor lässt sich die
Leitfähigkeit des Halbleitermaterials stark verändern. Je nach den gewünschten Eigenschaften dotiert man Fremdatome zu Eigenatome in einem Verhältnis 1 zu 104 bis 108 ,
wodurch die Leitfähigkeit in weiten Grenzen eingestellt werden kann. Man bezeichnet
die fünfwertigen Elemente, die ein überschüssiges Elektron in das Kristallgitter einbringen, als Donatoren (Spender) und die dreiwertigen, denen ein Bindungselektron fehlt, als
Akzeptoren.
2.1 Grundlagen und Bauelemente der Elektronik
155
Abb. 2.6 Schema eines dotierten Si-Kristalls. a N-Leitung: 1 fünfwertiges Fremdatom (Arsen),
2 Elektron, freie negative Ladung. b P-Leitung 1 dreiwertiges Fremdatom (Aluminium), 2 Defektelektron, freie positive Ladung, 3 vervollständigte Bindung
N-Leitung Die Wirkung eines fünfwertigen Fremdatoms im vierwertigen Si-Kristall ist
in Abb. 2.6a dargestellt. Das fünfte Valenzelektron findet in der vierwertigen Gitterstruktur
keine feste Bindung, kann sich daher von seinem Atom (Donator) lösen und steht als
freier Ladungsträger zur Verfügung. Das Gleiche erfolgt bei den anderen Fremdatomen,
so dass insgesamt eine Vielzahl freier negativer Ladungsträger (N-Leitung) vorhanden
sind.
Durch den Verlust eines Valenzelektrons wird das Arsenatom in Abb. 2.6a zu einem
Ion mit einer positiven Elementarladung, die allerdings im Kristallgitter ortsgebunden
ist. Insgesamt ist der Halbleiter aber nach wie vor elektrisch neutral, da sich die negativen Ladungen der freien Elektronen und die positiven der Gitterionen gegenseitig
aufheben.
P-Leitung Im Falle der Dotierung mit Akzeptoren wie z. B. Aluminium in Abb. 2.6b
können, da nur drei Valenzelektronen vorhanden sind, nicht alle Paarbindungen im Kristallgitter erzeugt werden. In der einen unvollständigen Bindung bleibt ein Loch oder
Defektelektron übrig.
Kommt ein infolge der Wärmebewegung freies Elektron an so eine unvollständige
Bindung, so kann es diese schließen, reisst aber damit an seiner ursprünglichen Stelle
ein Loch auf. Unter der Wirkung einer äußeren elektrischen Spannung wird die Elektronenbewegung in Richtung zum Pluspol erfolgen, womit die Löcher zwangsläufig in die
Gegenrichtung und damit zum negativen Pol wandern. Sie verhalten sich also wie positive
Ladungen. Das Dotieren mit Akzeptoren führt damit zu freien positiven Ladungsträgern
(P-Leitung), während entsprechend das dreiwertige Fremdatom nach Vervollständigung
seiner Bindungspaare eine ortsfeste negative Ladung trägt. Insgesamt ist der Halbleiter
nach außen hin wieder elektrisch neutral.
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Abb. 2.7 Verhalten eines PN-Übergangs. a Keine äußere Spannung: positive freie Ladung, ı negative freie Ladung, b Spannung UB in Sperrrichtung, c Spannung UB in Durchlassrichtung
2.1.2.3 PN-Übergang
Raumladungszone In eine dünne Siliziumscheibe sollen durch Einwirkung geeigneter
Gase von der einen Seite fünfwertige, von der anderen dreiwertige Fremdatome eindringen, so dass sich in der Mitte an ein Gebiet mit N-Leitung unmittelbar eines mit P-Leitung
anschließt (Abb. 2.7a). In dieser Grenzschicht, dem PN-Übergang, stehen sich damit freie
Ladungsträger unterschiedlicher Polarität gegenüber und können sich als sogenannter Diffusionsstrom gegenseitig neutralisieren. Zurück bleiben auf beiden Seiten die ortsfesten
Ionen des Kristallgitters, womit auf der N-Seite eine positive Raumladung und auf der
P-Seite eine negative Raumladung mit der Gesamtdicke d0 entsteht.
Wie bei einem geladenen Kondensator bilden diese einander gegenüberliegenden
Raumladungen der Grenzschicht wie in Abb. 2.7a skizziert ein elektrisches Feld EE0 aus.
Auf Ladungsträger in diesem Bereich wirken dann nach Gl. 1.2 mit F D qE Kräfte, so
dass sich ein dem Diffusionsstrom entgegengerichteter sogenannter Feldstrom ausbilden
kann. Resultierend kommt es zu einem Gleichgewicht, d. h. im Bereich des PN-Übergangs
fließt kein Strom mehr, was einem hochohmigen Zustand gleichkommt. Dem elektrischen
Feld EE0 entspricht nach der Grundgleichung U D El entlang der PN-Zone eine Potenzialdifferenz, die man Diffusionsspannung UD nennt. Sie beträgt bei Silizium als
Grundmaterial etwa 0,7 V, bei Germanium ca. 0,3 V.
2.1.2.4 Eigenschaften des PN-Übergangs
Sperrrichtung Wird die PN-dotierte Siliziumscheibe nach Abb. 2.7b mit dem Pluspol
auf der N-Seite an eine Gleichspannung UB angeschlossen, so überlagert sich dem Feld