Einführung in die Elektronik
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2. Einführung in die Elektronik Der Begriff Elektronik •Ursprünglich die Theorie und Praxis der Elektronenbewegungen und -steuerung in Gasen und im Vakuum • Heute alle Zweige von Wissenschaft und Technik, die sich mit physikalischen Vorgängen und technischen Anwendungen der Elektronenleitung im Vakuum, in Gasen und in Festkörpern befassen •Spezielle Richtungen: z.B. Mikroelektronik, Unterhaltungselektronik oder Leistungselektronik. Historisches •Einer der wesentlichen Auslöser der industriellen Revolution des vorigen Jahrhunderts war die Erfindung und Anwendung der Energie- oder Arbeitsmaschine. •Die körperliche Arbeit reduzierte sich und nahm einen anderen Charakter an. Die Produktion von Gütern einschließlich von technisch nutzbarer Energie erfolgte in völlig neuen Dimensionen. •Mit diesen neuen Dimensionen stellten sich neue Aufgaben - die Steuerung der Prozesse. Das war die Geburt der Meß- Steuer- und Regelungstechnik. •Zunächst wurden mechanische, hydraulische und pneumatische Steuerungen erfunden und genutzt. • Die Anwendung der Elektrizität war auf Beleuchtungs-, Antriebs- und Galvanisierungszwecke gerichtet. Bald jedoch stellte sich heraus, daß elektrische Systeme schneller, billiger und zuverlässiger arbeiten konnten. Die Aufgabe der Elektronik war damit gestellt. •Die nächste industrielle Revolution, die wir selbst als „Computerisierung des gesamten Lebens“ erleben, war vorbereitet. •Nach der Übertragung der körperlichen Arbeit auf die Maschine in der ersten industriellen Revolution, übertragen wir der Maschine gegenwärtig große Bereiche unserer geistigen Tätigkeiten. Ein Ende ist noch nicht abzusehen. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 1 Die Entwicklung der technischen Mittel erfolgte etwa in folgenden Schritten: 1809: Sömmering baut den ersten elektrochemischen Telegrafen 1820: Oerstedt entdeckt den Zusammenhang von elektrischen und magnetischen Erscheinungen 1832: Schilling v. Cannstedt stellt den ersten Nadeltelegrafen vor 1906: Robert v. Lieben entwickelt die Elektronenröhre. Mit diesem steuerbaren Widerstand legt er den Grundstein für die Entwicklung der Elektronik für etwa 45 Jahre. Die weitere Entwicklung der Elektronik läßt sich an Hand ihrer Geräte gut verdeutlichen. 1. Generation elektronischer Geräte Einsatz der Verstärkerröhre von Lieben und Forest als steuerbaren Widerstand, Entwicklung der Steuerungs- und Funktechnik 2. Generation Erfindung des bipoloren Transistors im Jahre 1948 von Bardeen, Brattain und Shokley in den USA. Die Elektronenröhre hält dem Vergleich mit dem Transistor nur noch in wenigen speziellen Anwendungsbereichen Stand. Transistoren sind als steuerbare Festkörperwiderstände zuverlässiger, kleiner, Energie sparender, mechanisch einfacher aufgebaut und in Massen billiger herzustellen. Es entfällt die bei der Röhre konstruktiv und energetisch aufwendige Heizung! 1960 konnten ATALLO und Khang mit der Entwicklung des unipolaren Transistors eine Idee aus den 20er Jahre verwirklichen. Dieser Transitortyp zog eine sprunghafte Entwicklung der Rechnetechnik nach sich. Insbesondere in der Raumfahrt wurden die Grenzen der diskreten Schaltungstechnik schnell sichtbar. Bei der Kombination von mehr als 10000 Transistoren zu einem Gerät zeigten sich räumliche, thermische, wirtschaftliche und Zuverlässigkeitsprobleme. Ihre Lösung führte zur nächsten Gerätegeneration WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 2 3. Generation Das angesprochene Problem begann Noyce zu lösen, als er 1959 auf einem Chip mehr als einen Transistor aufbrachte. Das war die Geburtsstunde der Mikroelektronik. Rasch erfolgte die Einbindung weiterer Bauelemente, eine beispiellose technische Evolution setzte ein. 4. Generation Diese Generation wird als Computergeneration bezeichnet. 1969 entwickelte HOFF den ersten frei programmierbaren Mikroprozessorschaltkreis 1970 konnte man 1000 Bauelemente auf einem Chip unterbringen 1980 waren es bereits 100000 heute sind Millionen von Transistoren pro Schaltkreis bereits Normalität. Wie diese Entwicklung weitergehen wird, läßt sich nicht mit Sicherheit vorhersagen. In den Laboratorien der Industrieländer wird fieberhaft an der Erhöhung des Integrationsgrades, an der Entwicklung neuer Bauelemente, Speichermedien usw. gearbeitet. Wir spüren fast täglich, daß neue technische Lösungen angeboten werden, oftmals allerdings ohne wirkliche Existenzchance. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 3 Das Prinzip der Signalverarbeitung – Die Signalkette Ausgangssignale Eingangssignale optische akustische kinematische elektrische Signaleingabe thermische chemische Signalverarbeitung optische akustische kinematische elektrische Signalausgabe thermische chemische elektrische Signalspeicherung Begriffe Signal: Physikalische Größe, die Bedeutung haben kann. Daten: Codierte Informationen. Information: Menschliche Wahrnehmung oder Idee. Maschinen verarbeiten Signale und Daten WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 4 Lebewesen und Maschinen sind in der Lage, die unterschiedlichsten Signale aus ihrer Umwelt wahrzunehmen und auf sie zu reagieren. Um Signale zu verstehen, muß man ihre Bedeutung kennen. Signale sind physikalische Größen mit Bedeutung. Als physikalische Größen besitzen sie Symbol, Wert und Einheit. Signale sind an stoffliche oder energetische Träger oder an beides gebunden. Signal Träger physikalische Größe Einheit Beispiel für Vorgang thermisch Wärme Temperatur T K, °C Temperatur messen optisch Licht Wellenlänge , Beleuchtungsstärke E nm, lx Ampel schalten, Helligkeit steuern mechanisch Gas Nockenwelle Druck p, Radius r Pa, m Druck messen, Ventile steuern akustisch Schall Frequenz f Hz Sprache hören elektrisch Elektrizität Spannung U Stromstärke I V, A Spannung messen, Strom schalten chemisch Stoffe Konzentration % Alkoholgehalt bestimmen WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 5 Signale besitzen einen Wertevorrat und sind unterschiedlich verfügbbar. Verfügbarkeit kontinuierlich diskontinuierlich Der Wert des Signals wird ständig abgefragt Der Wert des Signals wird nur zu bestimmten Zeitpunkten abgefragt Wertevorrat analog T Innerhalb der gegebenen Grenzen kann das Signal jeden Wert annehmen digital P t t E U Das Signal kann nur eine festgelegte Anzahl von Werten annehmen WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente t t 6 2.1 Elektronische Bauelemente Definition: Elektronische Bauelemente sind funktionell und konstruktiv bestimmbare Grundglieder von elektronischen Funktionseinheiten (Baugruppen). Bauelemente Widerstände Widerstände deren Wert von einer physikalischen Größe gesteuert wird Integrierte Schaltkreise AnalogSchaltkreise Widerstände mit konstantem Widerstandswert WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente DigitalSchaltkreise AnalogDigitalschaltkreise DigitalAnalogschaltkreise Kontakt- und Verbindungselemente Leiterplatten Schalter Steckverbindungen u.a. 7 Widerstände Definition: Widerstände sind elektronische Bauelemente, die den elektrischen Energiefluß in einem definierten Maß hemmen. D.h., sie begrenzen Ströme und erzeugen Spannungsabfälle, wobei sie elektrische Energie in Wärme umwandeln. Ohmsche Widerstände U R I Symbol: R Einheit: 1 V/A = 1 abgewandelte Einheiten: 1 M = 103k = 106 = 109 m Kennlinie: R Widerstand allgemein l A Drahtwiderstand I R3 Festwiderstand R2 stetig verstellbarer Widerstand R1 einstellbarer Widerstand U I und U sind zueinander proportional WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 8 Thermische Belastbarkeit Die von jedem Widerstand umgewandelte Elektroenergie in Wärme wird als Verlustleistung bezeichnet. Pv 2 U PV U I I 2 R R Systemisch gesehen ergibt sich zur Funktion von Widerständen folgendes Modell: Q=Pv Pe Pa R Pe Pa Q Q Pv WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 9 Widerstände, deren Wert durch eine physikalische Größe gesteuert wird - Nichtlineare Widerstände Temperaturabhängige Widerstände - Thermistoren Heissleiter sind Widerstände mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (TC), also kurz - einem NTC. Bei Kaltleitern liegen die Verhältnissen genau umgekehrt. Sie haben deshalb einen PTC, einen positiven TC. Symbol: RT RT = aktueller Widerstandswert bei T Einheit: 1 R RT R0 e R0: Widerstandswert bei T = 20 C b ( 1 1 ) T0 T b : Energiekonstante Schaltzeichen RT R0 e cT - Heißleiter Kaltleiter + WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 10 Lichtabhängige Widerstände – Fotowiderstände Fotowiderstände sind Widerstände, deren Wert von der Beleuchtungsstärke E abhängt. Symbol: RF Einheit: 1 RF ist proportional zu E c: Materialkonstante -1 c -0,5 E: Beleuchtungsstärke in lx (Lux) R Schaltzeichen: E Ausführungsformen: PbS (Bleisulfid) oder CdS (Kadmiumsulfid) im Kunststoffgehäuse. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 11 Spannungsabhängige Widerstände - Varistoren Kennlinie: +I I = KU K: geometrieabhängige Konstante in AV-1 +U : Nichtlinearitätsexponent -U -I Schaltzeichen: U WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 12 Magnetfeldabhängige Widerstände - Feldplatten R R0: Grundwiderstand Schaltzeichen R0 B B WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 13 Frequenzabhängige Widerstände – Kondensatoren Grundeigenschaft: Speicherfähigkeit von elektrischen Ladungen (elektrisches Feld) - Kapazität C. Platten Kapazität allgemein: C Q C U Einheit: C 1As 1F V Abgewandelte Einheiten: Kapazität Plattenkondensator: A d Dielektrikum (Isolator) 1F = 106F = 109nF = 1012pF Strom-Spannungs-Beziehung: i C du dt Durch einen Kondensator fließt nur ein Strom bei Änderung der Spannung. Bei Gleichspannung fließt kein Strom. Je schneller die Änderung, desto größer die Stromstärke. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 14 Blind- und Scheinwiderstand des Kondensators Die Beziehung beschreibt das frequenzabhängige Verhalten von Kondensatoren bei sinusförmigen Wechselgrößen. XC Kennlinie XC 1 1 C 2 f C XC: Blindwiderstand eines Kondensators f: Frequenz f Durch Messung und Berechnung kann bei sinusförmigen Wechselgrößen der Scheinwiderstand Z ermittelt werden. Z U I Der Scheinwiderstand Z entsteht durch den ohmschen Widerstand R des Dielektrikums. R XC WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 15 Frequenzabhängige Widerstände – Spulen Grundeigenschaft: Zeitlich begrenzte Speicherfähigkeit des magnetischen Feldes - Induktivität L. Induktivität allgemein: Einheit: N L I gewickelter Draht Induktivität der Spule: L 0 r N 2 A l L 1Vs 1H A Abgewandelte Einheiten: Strom-Spannungs-Beziehung: Eisenkern 1H = 103mH = 106H u L di dt In einer Spule entsteht nur eine Induktionsspannung, wenn sich die Stromstärke ändert. Die Induktionsspannung wirkt dem fließenden Strom wie ein Widerstand (XL) entgegen. Bei Gleichstrom entsteht keine Induktionsspannung. Je schneller die Stromänderung, desto größer die Induktionsspannung. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 16 Blind- und Scheinwiderstand der Spule Die Beziehung beschreibt das frequenzabhängige Verhalten von Spulen bei sinusförmigen Wechselgrößen. X L L 2 f L Kennlinie XL XC: Blindwiderstand einer Sule f: Frequenz f Durch Messung und Berechnung kann bei sinusförmigen Wechselgrößen der Scheinwiderstand Z ermittelt werden. Z U I Der Scheinwiderstand Z entsteht durch den ohmschen Widerstand R des Spulendrahtes. R XL WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente Z R 2 X L2 17 Stromrichtungsabhängige Widerstände - Dioden Dioden sind Widerstände, deren Widerstandswert von der Stromrichtung abhängt. Sie sind in der Lage. sehr verschiedene Funktionen zu erfüllen. Dioden besitzen einen pn - Übergang, der je nach Funktion in seiner Ausführung variieren kann. Grundsätzlich sind Dioden wie alle bisher betrachteten Widerstände als Zweipolanordnungen mit Ventilverhalten aufzufassen. Kennlinie IF IS e IF U UT IS:Sättigungsstrom: 10-15 bis 10-6 A UT:Temperaturspannung, bei 20 C 25,84 V UF UR IF: Strom in Flussrichtung im mA- bis A-Bereich UF: Spannung in Flussrichtung bis 1,5 V US: Schleusenspannung 0,7 V Si-Dioden, 0,3 V Ge-Dioden IR: Strom in Sperrrichtung im nA- bis A-Bereich UR: Spannung in Sperrrichtung bis einige 1000 V möglich IR Schaltzeichen: WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 18 Betriebsarten: 1. Durchlassrichtung: 2. Sperrrichtung UR IF UF IR UB UB Um das Verhalten einer Diode zu erklären, eignet sich das folgende Ersatzschaltbild: rF: diff. Wid. in Flussrichtung US= 0,7V rR: diff. Wid. in Sperrrichtung Durchbrüche: Dioden sind nicht grenzenlos belastbar. Das gilt für den Betrieb in Sperr- und auch in Durchlassrichtung. Während bei Überlastung in Durchlassrichtung die entstehende Stromwärme die Diode zerstört, kann die in Sperrrichtung durch die intensiven elektrischen Felder hoher Spannungen geschehen. Solche Erscheinungen nennt man Durchbrüche: Durchbruch 1. Art bedeutet, dass der Spannungsabfall über der Diode bei sehr intensiver Erhöhung des Sperrstromes nahezu konstant bleibt. Das Bauelement wird erst dann zerstört, wenn der Sperrstrom ein bestimmtes Maß übersteigt. Der Vorgang ist also reversibel. Durchbruch 2. Art bedeutet, dass bei Überschreitung einer bestimmten Sperrspannung die Diode zerstört wird. Sie verliert ihren Sperrwiderstand, der Spannungsabfall über ihr bricht zusammen. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 19 Strom- und Spannungsgesteuerte Widerstände - Transistoren Transistoren werden in der Fachliteratur als aktive Bauelemente bezeichnet. Die Vorteile des Transistors gegenüber der Elektronenröhre sind: Kleinheit geringe Betriebsspannung höhere Zuverlässigkeit längere Lebensdauer Arten: bipolare und unipolare Transistoren geringer Preis Um technische Funktionen zu erfüllen, benötigen Transistoren eine äußere Beschaltung. Diese erst versetz den Transistor in Betriebsbereitschaft. Der Transistor als Vierpol Schaltzeichen Kollektor IB IC Basis UBE Emitter Gleichstromverstärkung B. I B c I B für große Signale WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente UCE Merke: Die Symbole von Stromstärken werden mit einem, die von Spannungsabfällen mit zwei Indizes angegeben. dI B dI C für kleine Signale 20 B Ersatzschaltbild Eingangswiderstand Re UBE IB rBE IC IB C Ausgangs- UCE gCE E widerstand Ra E Betriebsparameter Basis - Emitter - Spannung UBE : etwa 0,7 V Basisstromstärke IB einige 10A bis einige mA Kollektor - Emitter - Spannung UCE einige V bis einige 100 V Kollektorstromstärke IC einige mA bis einige A Kennlinie des Transistors RCE IC RE RCE = f (IB) IB WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente IB UCE U CE IC 21 Aufnahme des Kennlinienfeldes 1. Eingangskennlinie IB=f(UBE); UCE: Parameter IC/mA IB6 10 2. Ausgangskennlinienfeld IC=f(UCE); IB: Parameter IB5 8 IB4 6 3. Stromübertragungskennlinie IC=f(IB); UCE: Parameter IB3 4 IB2 2 IB1=0 IB/A 120 100 80 60 40 20 2 4 6 8 10 UCE/V 0,2 IC 0,4 0,6 UCE IB 0,8 UBE UBE/V WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 22 1948 Prototyp (Forschungsmodell) Bauelemente John Bardeen (1908 - 1991), hinten links Walter Brattain (1902 - 1987) rechts gehören zu den von William Shokley (1910 - 1989), sitzend, geleiteten Forschungsteam in den Bell Telephon Laboratories in den USA. Sie erhielten für ihre Erfindung den Nobelpreis. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 23 Aufgaben 4. Berechnen Sie für die gegebene Schaltung alle Spannungsabfälle, alle Stromstärken und die Verlustleistungen der Widerstände. Iges I2 R2=500 I1 R1=1,8k UB=10V U1= 10 V U2= 10 V I1= 20 mA I2= 5,56 mA Iges= 25,6 mA Rges= 390,6 5. Thermistoren werden u.a. als Sensoren verwendet. Dazu ist die folgende Schaltung geeignet. R in k UB=12V R1=10k Die Temperatur des Thermistors ändert sich von 20°C auf 80°C. Entnehmen Sie der Kennlinie des Bauelements die zugehörige Widerstandsänderung. 10 5 NTC - UA 50 100 150 in °C Berechnen Sie wie im ersten Beispiel alle Spannungsabfälle für den kalten und den Warmen Zustand. Geben Sie die Änderung des Spannungsabfalls UA an! PR120= 2,9 mW UA= 3,11 V UR120 = 5,49 V PNTC20= 3,5 mW UNTC20= 6,51 V PR180= 7,3 mW PNTC80= 2,9 mW UR180= 8,6 V UNTC80= 3,4 V WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2. Elektronik – 2.1 Elektronische Bauelemente 24
