17.01_Elektronik
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TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Bearbeitet durch: Niederberger Hans-Rudolf dipl. Elektroingenieur FH/HTL/STV dipl. Betriebsingenieur HTL/NDS Vordergut 1 8772 Nidfurn Telefon Telefax E-Mail Web Kapitel 17 ELEKTRONIK DIGITALTECHNIK PROGRAMMIERUNG 3 1 055 654 12 87 055 654 12 88 [email protected] www.ibn.ch P P 3. Auflage 14. Januar 2010 John Bardeen US-amerikanischer Physiker *23. 5. 1908 Madison, Wis. †30. 1. 1991 Boston Nobelpreisträger für Physik: 1956 zusammen mit W. Shockley und H. Brattain für Arbeiten über Transistoren; 2 Bild 14.6.1 1972 zusammen mit L. N. Cooper und J. R. Schrieffer für eine Theorie der Supraleitung. L. N. Cooper J.R. Schrieffer * 28. Februar 1930 New York *31. Mai 1931 Oak Park, Illinois © Wissen Media Verlag 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK Seite 2 Inhaltsverzeichnis 17 ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG 17.1 Elektronik 17.1.1 Einleitung 17.1.2 Halbleiterphysik 17.1.2.1 17.1.2.2 17.1.2.3 17.1.2.4 17.1.2.5 17.1.2.6 17.1.2.7 17.1.2.8 17.1.2.9 17.1.2.10 17.1.2.11 17.1.3 Geschichtliches Elektrizitätsleitung in Halbleitern Die wichtigsten Elemente der Halbleitertechnik Eigenleitung in einem Halbleiter Störstellenleitung p-Leitfähigkeit n-Leitfähigkeit pn-Übergang Polarisierung des pn-Übergang in Sperrichtung Polarisierung des pn-Übergang in Durchlassrichtung Zusammenfassung der Grundlagen Halbleiter-Dioden 17.1.3.1 17.1.3.2 17.1.3.3 17.1.3.4 17.1.3.5 17.1.3.6 17.1.3.7 17.1.4 Einführung Prinzipieller Aufbau Laborübung „Entdeckendes Lernen an der Diode“ Gleichstromverhalten der Dioden Einsatz der Dioden Zener-Dioden oder Referenzdioden Leuchtdiode Transistor, Thyristor, Diac und Triac 17.1.4.1 17.1.4.2 17.1.4.3 17.1.4.4 17.1.4.5 17.1.4.6 17.1.4.7 17.1.4.8 17.1.4.9 17.1.4.10 17.1.4.11 08. April 2017 www.ibn.ch Prinzipieller Aufbau Transistoren Berechnungen zum Transistor als Schalter Funktion in vereinfachter Darstellung Grundschaltungen des Transistors Kennlinien des Transistors Der Thyristor Der Diac Der Triac Transistor und Diodenanschlüsse Diodenanschlüsse Anwendungen mit Halbleiterbauteilen Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17 Seite 3 Elektronik, Digitaltechnik und Programmierung 17.1 Elektronik 17.1.1 Einleitung Die industrielle Elektronik ist ein Spezialgebiet aus den vielfältigen Anwendungsgebieten der Elektronik. Soweit wie möglich ersetzt man steuertechnische Vorgänge in industriellen elektrotechnischen Anlagen, die bis heute vorwiegend elektromechanisch (Endschalter, Schütze, Relais, und dgl.) gelöst wurden, durch, in der Elektronik entwickelte Schaltungen, die angepasst wurden auf den jeweiligen industriellen Einsatz. Früher: Heute: Rotierende Strom-Umformer Statische (ruhende) Umformer Kontaktlose Schütze und Relais, elektronische Schütze PTC-Widerstände NTC-Widerstände Optische Schalter, Fotozellen El.-mech. Schütze und Relais Mechanische Überwachungsschalter Endschalter mechanisch Vorteile der elektronischen Schaltungen: 1. 2. 3. 4. 5. 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17.1.2 Halbleiterphysik 17.1.2.1 Geschichtliches Seite 4 Die Bedeutung der Halbleiter wurde hauptsächlich durch die Erfindung des Transistors im Jahre 1948 durch J. Bardeen, W. Shockley und W.H. Brattain klar. In den Anfängen verwendete man Halbleiter vorwiegend in portablen Radios und in Hörgeräten. Es begann dann eine vollständige Umwälzung auf fast allen Gebieten der Elektrotechnik, besonders in der Konstruktion von Elektronenrechnern und Satelliten. Zu der grossen Auswahl von Transistoren wurde eine ganze Familie verwandter Komponenten entwickelt. Beispiele: Leiterplatte mit Integrierten Schaltelementen 5 2 5 1 Bild 14.8.1 Heute werden vollständige elektronische Schaltfunktionen auf einem winzigen Stück eines halbleitenden Materials produziert. 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17.1.2.2 Seite 5 Elektrizitätsleitung in Halbleitern Zwischen den Stoffen, die gute Stromleiter oder aber gute Isolatoren sind, liegt eine Gruppe von Stoffen. Diese Stoffgruppe ist in der heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken und sie wird als bezeichnet. Wie aus der nachstehenden Tabelle ersichtlich ist, sind typische Vertreter dieser Stoffgattung. [ mm 2 / m] 10 24 1022 1020 10 18 1016 1014 10 12 10 10 1 10 8 3 2 4 10 6 104 102 1 5 6 10 2 Bild 14.7.1 Abb. 1: Leitfähigkeit von Isolierstoffen Halbleitern und Leitern Halbleiter sind also schlechte oder eben „halbe“ Leiter, zu dem aber auch schlechte Isolatoren. Wie wir in früheren Kapiteln gesehen haben, hängt die Leitfähigkeit eines Materials von der Anzahl der sich im Material befindlichen ab, die aus den äussersten Schalen der Elektronenhülle stammen. In einem guten Leiter sind sehr viele freie Elektronen vorhanden, im Halbleiter und in einem Nichtleiter (Isolator) Erhöht man die Temperatur von 20°C auf beispielsweise 300°C, so rückt die Gruppe der Halbleiter (Abb. 1) nahe an die Gruppe der Leiter heran, während bei einer Temperaturerniedrigung, z.B. auf -30°C, die Gruppe der Halbleiter die Eigenschaften eines Isolators annehmen. 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17.1.2.3 Seite 6 Die wichtigsten Elemente der Halbleitertechnik Die nachstehende Tabelle (Abb. 2) gibt uns eine Übersicht über die in der Halbleitertechnik hauptsächlich verwendeten chemischen Elemente. Die wichtigsten davon sind das und das Germanium ein selten vorkommendes Metall. Abb. 2 Ausschnitt aus der Tabelle der chemischen Elemente Wertigkeit Gruppe Ordnungszahl Element Ordnungszahl Element Ordnungszahl Element Ordnungszahl Element Ordnungszahl Element Ordnungszahl Element 3 Valenzelektronen 5 Bor B 13 Aluminium Al 21 Skandium Sc 31 Gallium Ga 39 Yttrium Y 49 Indium In 4 Valenzelektronen V 6 Kohlenstoff C 14 Silizium Si 22 Titan Ti 32 Germanium Ge 40 Zirkon Zi 50 Zinn Sn 5 Valenzelektronen V 7 Stickstoff N 15 Phosphor P 23 Vanadium V 33 Arsen As 41 Niob Nb 51 Antimon Sb Akzeptoren Grundmaterial Donatoren Elektronenschalen K,L 2 K,L,M 3 K,L,M,N 4 K,L,M,N 4 K,L,M,N,O 5 K,L,M,N,O 5 Silizium dagegen steht auf der Grenze zwischen Nichtmetallen und Metallen und kommt in Form von Salzen, Kieselsäure und Siliziumoxid sehr häufig vor; ungefähr besteht aus Silizium. Um die Wirkungsweise der Halbleiterbauelemente zu verstehen, muss man das Verhalten der Elektronen kennen. Die Elektronen eines Atoms lassen sich in Gruppen gliedern (Abb. 2). Jede dieser Gruppen ist durch einen bestimmten Abstand vom Atomkern gekennzeichnet. Sie bilden eine sogenannte Elektronenschale. Die Elektronen der äussersten Schale sind sowohl für die chemische Verbindung, wie für den Zusammenhang der Halbleiterwirkung massgebend. Sie bestimmen die chemische Wertigkeit, also die des Elementes, zu dem das Atom gehört. Aus diesem Grunde nennt man die Elektronen der äussersten Schale auch 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK Seite 7 Halbleiter bestehen aus festen Stoffen, deren Atome oder Moleküle regelmässig angeordnet sind. Die Halbleiter haben kristallinen Aufbau. Dadurch ergibt sich für Silizium der gleiche Kristallgitteraufbau wie für Germanium. Abb. 3 Kristallgitter von Germanium und Silizium Ge +4 Ge +4 Ge +4 Ge +4 Si +4 Si +4 Si +4 Si +4 Ge +4 Ge +4 Ge +4 Ge +4 Si +4 Si +4 Si +4 Si +4 Kristallgitter von Germanium Kristallgitter von Silizium Aus obiger Tabelle ist ersichtlich, dass die Ordnungszahl von Germanium 32 und die Anzahl der Valenzelektronen 4 ist. Silizium hat die Ordnungszahl 14 und ebenfalls 4 Valenzelektronen. Ausgangsmaterial für die Herstellung von Halbleiterdioden und Transistoren sind Germanium und Silizium. Beide haben auf der äussersten Elektronenschale 4 Valenzelektronen. Die vier Valenzelektronen haben das Bestreben, sich mit je einem Elektron eines anderen Atomes aus dem gleichen oder anderen Stoff zu festen Paaren zu binden (Abb. 2) und jeweils den eigenen Kern und den des anderen Atoms gemeinsam zu umkreisen. Diese Paarbildung nennt man kovalente Bindung, sie ist für das Entstehen der Kristallform verantwortlich. Germanium und Silizium kristallisieren in der sogenannten Diamantstruktur. Die Germanium-Atome bilden ein Kristallgitter, in dem jedes Ge-Atom immer von vier anderen umgeben ist (Abb. 2). Abb. 4 Kovalente Bindung Abb. 5 Gitteraufbau des Ge-Kristalls Für die Herstellung von Halbleitern sind diejenigen chemischen Elkemente wichtig, die ein Valenzelektron mehr oder eines weniger haben, als das in Frage kommende Grundmaterial (Abb. 3). 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK Seite Schale Periode TG 17 1 Periodensystem der Atome 1 Tabelle 1 2 3 4 5 6 7 8 1 H 1 4 He Wasserstoff K 2 3 K 1 1 2 7 Li L 1 K 2 L 8 Helium Halbmetall 2 2 Berylium 3 23 Na 4 24 Mg 2 8 M 1 L 8 M 8 11 1a 39 K M 18 5 N 8 19 85 Rb 2 8 8 N 18 6 O 18 37 133 Cs 18 8 1 O 18 7 P 8 55 223 Fr 2 18 8 87 3 Nichtmetall 20 88 Sr 38 138 Ba 2 18 8 56 226 Ra O 8 9 88 3b 45 Sc 8 10 Scandium 2 18 9 2 18 10 Yttrium 2 18 9 39 139 La Lanthan 2 18 9 57 227 Ac Actinium 2 89 Lanthaniden 2 32 58 bis 71 10 2 32 90 bis 103 10 40 180 Hf 72 261 Ku 5b 51 V 18 12 23 93 Nb 1 32 11 41 181 Ta 2 32 10 73 161 Ha 2 5 27 Al 19 140 Ce 21 141 Pr 8 Cer 10 90 18 13 13 24 98 Mo 1 32 12 42 184 W 18 13 74 14 25 99 Tc 2 32 13 43 187 Re 56 Fe 8 15 Eisen 2 18 15 Technikum Wolfram 2 8 Mangan 2 Molybdän 26 102 Ru 32 14 Rhenium 44 192 Os 8 16 Kobalt 2 18 16 Rutherium 1 8 59 Co 27 103 Rh 32 15 Osmium 45 193 Ir 8 18 Nickel 2 18 18 Rhodium 1 58 Ni 28 106 Pd 32 17 Iridium 46 195 Pt 8 18 Kupfer 1 18 18 Palladium 0 1b 63 Cu 29 107 Ag 32 18 Platin 47 197 Au 8 18 Zink 2 18 18 Silber 1 2b 64 Zn 30 114 Cd 18 18 Cadmium 2 32 18 Gold 48 202 Hg 31 115 In 4 2 8 32 18 Quecksilber 49 205 Tl 6 28 Si 4 8 18 14 4a 74 Ge 7 31 P 5 2 8 5 8 18 18 18 32 120 Sn 32 18 Thallium 50 208 Pb 6 2 8 18 18 33 121 Sb 6 8 18 32 18 Blei 51 209 Bi 2 8 32 S 16 6a 80 Se 18 18 34 130 Te 9 35 Cl 7 2 8 32 18 Bismuth 52 210 Po 2 Neon 8 2 8 Chlor 7 8 18 17 7a 79 Br 18 18 35 127 I Argon 18 8 84 Kr 18 Krypton 8 18 18 Jod 7 32 18 Polonium 53 210 At 75 2 76 2 77 1 78 1 79 2 80 3 81 4 82 5 83 6 84 7 85 23 145 Pm 24 152 Sm 25 151 Eu 25 158 Gd 26 159 Tb 27 164 Dy 28 165 Ho 29 166 Er 31 169 Tm 32 174 Yb 32 177 Lu 36 132 Xe Xenon 8 32 18 Astat 2 10 40 Ar 8 Brom 7 Tellur 6 2 20 Ne Fluor Selen 6 Antimon 5 19 F Schwefel Arsen 5 Zinn 4 15 5a 75 As 16 O Sauerstoff Phosphor Germanium 4 2 Stickstoff Silizium Indium 3 2 Kohlenstoff Gallium 3 14 N 54 222 Rn Radon 8 86 106 22 8 Praseodym 2 20 9 Thorium 2 8 7b 55 Mn 13 3a 69 Ga 12 C 2 Hanium 105 (Uran-Metalle) 6b 52 Cr Chrom 1 Tantal 3 58 232 Th 13 Niob 104 9 8 Vanadium 2 2 18 08. April 2017 www.ibn.ch 22 90 Zr Kutschatowium O Q 11 Hafnium 2 Actiniden 8 Zirkon P P 4b 48 Ti Titan 21 89 Y (Metalle der seltenen Erden) 7 Leichtmetall 3 Radium 2 2 Aluminium N 6 Edelgase 8 Barium Francium Q 1 12 2a 40 Ca 11 B Bor Strontium Cäsium P 2 Kalzium 2 Rubidium O 1 Edelmetalle Magnesium Kalium N 1 Metalle Schwermetall 9 Be Lihium Natrium 4 8 59 231 Pa 91 8 Neodym 2 21 9 Pratactinium 2 142 Nd 60 238 U Promethium 2 22 9 Uran 2 92 8 61 237 Np Samarium 2 24 8 Neptunium 2 93 8 62 242 Pu Europium 2 25 8 Plutonium 2 94 9 63 243 Am Gadolinium 2 25 9 Americium 2 95 9 64 247 Cm Terbium 2 27 8 Cerium 2 96 9 65 249 Bk Dysprosium 2 28 8 Berkelium 2 97 9 66 251 Cf Holmium 2 29 8 Californium 2 98 9 67 255 Es Erbium 2 30 8 Einsteinium 2 99 8 68 253 Fm Thulium 2 31 8 Fermium 2 100 8 69 256 Md Ytterbium 2 32 8 Mendelevium 2 101 9 70 251 No Lutetium 2 32 9 Nobelium 2 102 71 247 Lr Lawrencium 2 103 Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17.1.2.4 Seite Eigenleitung in einem Halbleiter Bei elektrisch Leitenden Stoffen wurden beim Aufbau des Kristallgitters nicht alle Elektronen benötigt, daher haben diese Stoffe freie Elektronen. Beim absoluten Nullpunkt sind in einem Halbleiter alle Valenzelektronen am Aufbau des Kristallgitters beteiligt. Somit sind keine freien Elektronen vorhanden, der Halbleiter ist bei dieser Temperatur ein Isolator. Da sich die Atome innerhalb eines solchen Kristalls nicht in Ruhe befinden, sondern je nach Höhe der Kristalltemperatur um ihren Standort herum schwingen, reisst der Atomverband an manchen Stellen auf. Dies bewirkt, dass da und dort ein Elektron frei wird. An diesen Stellen, an denen Elektronen aus dem Verband ausgebrochen sind, entstehen Löcher. Da hier Elektronen (negative Ladungsträger) fehlen, stellen diese Löcher oder Defektelektronen wie man auch sagt, ene Art positiver Ladungsträger dar. Abb. 6 Defektelektron oder Loch. Die abgesprungenen Elektronen behalten aber nur kurze Zeit ihre Freiheit. So schnell wie sie aus dem Atomverband herausgeschlüpft sind, schlüpfen sie an einer anderen Stelle wieder in den Verband hinein und zwar dort, wo sich zufällig ein Loch befindet (Rekombination). Dieser Vorgang wiederholt sich in ständigem Wechsel, d.h.: In jedem Kristall sind stets positive und negative Ladungsträger vorhanden. Aus diesem Aufbrechen von Valenzbindungen ergibt sich eine gewisse Leitfähigkeit des Materials. Man nennt sie Eigenleitfähigkeit. Bei Zimmertemperatur sind ca. 1013 Ladungsträgerpaare pro cm3 im Halbleitermaterial vorhanden. Mit zunehmender Temperatur erhöht sich die Eigenleitfähigkeit, denn bei höheren Temperaturen schwingen die Atome stärker, wobei mehr Elektronen frei werden. Bei allzu hohen Temperaturen würde das Kristallgitter zerstört (Tod des Transistors). Der Grenzwert bei Silizium liegt bei ca. 170 °C und bei Germanium liegt bei 100 °C. 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 9 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK Seite 10 Diese Eigenleitung der Halbleiter wird bei NTC-Widerständen nutzbringend angewendet. Bei Halbleiterdioden und Transistoren ist die Eigenleitung jedoch nicht erwünscht, weil sie die Daten der Bauelemente stark temperaturabhängig macht. Kühlung Schaltungsmassnahmen Durch und durch geeignete muss man in der Praxis den Temperatureinfluss kompensieren. 17.1.2.5 Störstellenleitung Die Leitfähigkeit von reinen Halbleiterwerkstoffen ist sehr gering (Abb. 1). Die Zahl der beweglichen Ladungsträgern im Kristall kann durch Einfügen von Fremdatomen wesentlich erhöht werden. Diese Verunreinigung geschieht mit Atomen, die ein Valenzelektron mehr oder weniger aufweisen als die Atome der Halbleiterkristalle (Abb. 3). Da Silizium und Germanium 4wertig ist, wird man also 3- oder 5-wertige Atome als Fremdatome in das Kristallgitter einbauen. Das Einbauen von Fremdatomen in einen Halbleiter, zur Veränderung seiner elektrischen Eigenschaften, nennt man Durch Einbauen von Störatomen (Störstellen) in das Kristallgitter wird die Anzahl der freien Ladungsträger erhöht, somit kann man den Halbleiter, unabhängiger von der Temperatur, leitend machen. 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17.1.2.6 Seite 11 p-Leitfähigkeit Werden in dem Germaniumkristall Fremdatome mit nur 3 Valenzelektronen, z.B. Aluminium (Al) oder Indium (In), eingebaut, so entsteht eine Bindungslücke. Von den vier Valenzelektronen des benachbarten Germaniums werden nur drei durch das Indium- oder Aluminiumatom gebunden. Abb. 7 Darstellung der p-Leitung. Das Fehlen des vierten Valenzelektrons bewirkt das Entstehen eines Loches. Man spricht in diesem Fall von p-Leitung bzw. p-Germanium. Das Zeichen p steht hier deshalb, weil die positiven Löcher die eigentliche Ursache der Leitfähigkeit sind. Das reine Germanium wird mit ca. 1015 bis 1019 Al-Atomen pro cm3 dotiert. Somit kommen zusätzlich zu den aus Ladungsträgerpaaren vorhandenen 10 13 Löcher noch weitere 1015 bis 1019 dazu. Merke In der p-Leitung sind die Löcher die Majoritätsträger. (Majoritätsträger = die im dotierten Halbleitermaterial in der Mehrzahl vorhandenen Ladungsträger) Die 1013 Elektronen, die von den Ladungsträgerpaaren der Eigenleitfähigkeit herrühren, sind hier in der Minderheit also Minoritätsträger. Merke Alle Stoffe, die infolge ihrer Wertigkeit 3 (3 Valenzelektronen) das reine Halbleitermaterial zu p-leitendem Material machen, nennt man Akzeptoren (Abb. 2). Sobald sich das Loch von dem Al-Atom, durch das es entstanden ist, entfernt hat, ist aus negatives Aluminium-Ion entstanden. dem elektrisch neutralen Al-Atom ein Es hat jetzt eine Elementarladung mehr als normal. Im gegensatz zu Flüssigkeits- und diese Al-Ionen nicht beweglich. Sie haben jedoch gleichwohl Gas-Ionen sind eine Bedeutung beim Entstehen der Sperrschicht. 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17.1.2.7 Seite 12 n-Leitfähigkeit Beim Einbau 5-wertiger Fremdatome können nur vier der fünf Valenzelektronen durch die Valenzelektronen der vier benachbarten Germaniumatome gebunden werden. Das fünfte Elektron ist ein überflüssiges, es findet keinen Bindungspartner und Abb. 8 Darstellung der n-Leitung. es entsteht ein freies Elektron. Als 5-wertige Fremdatome verwendet man Antimon (Sb), Arsen (As) oder Phosphor (P). Die elektrische Leitfähigkeit eines durch ein 5-wertiges Fremdatom verunreinigten Germaniumkristalls beruht auf der Beweglichkeit seiner überschüssigen negativen Elektronen. Aus diesem Grunde nennt man diese Art der Leitung n-Leitung und ein Germaniumkristall dieser Art n-Germanium. Das reine Germanium wird mit ca. 1015 bis 1019 Arsen-Atomen pro cm3 dotiert. Somit stehen pro cm3 1015 bis 1019 freie Elektronen zur Verfügung. Dazu kommen noch je cm 3 1013 Elektronen der infolge der thermischen Bewegung entstandenen Ladungsträgerpaare. Merke In der n-Leitung sind die Elektronen die Majoritätsträger. (Majoritätsträger = die im dotierten Halbleitermaterial in der Mehrzahl vorhandenen Ladungsträger). Die 1013 Löcher pro cm3, die ebenfalls von den Ladungsträgerpaaren herkommen, sind hier in der Minderheit also Minoritätsträger. Merke Alle Stoffe, die infolge ihrer Wertigkeit 5 (5 Valenzelektronen) das reine Halbleitermaterial zu n-leitendem Material machen, nennt man Donatoren (Abb. 2). Sobald sich das Elektron vom Arsen-Atom gelösst hat, entsteht aus dem Arsen-Atom ein positives Arsen-Ion. Es besitzt ein Elektron weniger als normal. Arsen-Ionen sind nicht beweglich. Auch diese Bildung der Sperrschicht bei. 08. April 2017 www.ibn.ch Sie tragen ebenfalls zur Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17.1.2.8 Seite 13 pn-Übergang Ein p- oder n-leitender Halbleiter wirkt allein nur wie ein ohmischer Widerstand. Erst mit dem Aneinandersetzen von p- und n-leitenden Halbleitern erhält man besondere Eigenschaften. Dies geschieht nicht durch das Zusammenfügen zweier Germaniumstückchen, sondern durch verschiedene In der nächsten Umgebung der Grenzfläche spielen sich Vorgänge ab, die für die technische Anwendung eines solchen pn-Überganges ausschlaggebend sind. Abb. 9: Halbleiter mit p- und n-Dotation negatives Ion positives Ion Loch Elektron Von besonderer Bedeutung ist die Zone (Grenze), wo die beiden Schichten aneinander grenzen. Abb. 10 Darstellung mit den Majoritätsträgern in p- und n-dotiertem Halbleiter 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK Seite 14 An der Grenzschicht können die Elektronen in die p-Schicht und die Löcher in die n-Schicht Gelangen. Diese Verschiebung Treffen die Elektronen in der p-Schicht auf Löcher oder die Löcher in der n-Schicht auf Elektronen, so vereinigen sie sich mit diesen, was man als bezeichnet. Sperrschicht Abb. 11 Spannungsverlauf an der Sperrschicht p n negatives Ion positives Ion Loch Elektron + 0 - Spannungsverlauf Durch diesen Vorgang wird die Grenzschicht immer ärmer an beweglichen Ladungsträgern. Wenn alle Ladungsträger durch die Rekombination verschwunden sind, wirken in der Grenzschicht nur noch die Ladungen der Diese Ionen sind nicht beweglich. Die Ionen in der p- bzw. n-Schicht verhindern, dass weitere Elektronen bzw. Löcher diffundieren. Die Grenzschicht wird so zur da sie mangels beweglicher Ladungsträger nicht mehr leitfähig ist. Zwischen beiden Zonen ist ein Spannungsunterschied entstanden, dieser wirkt nun einer weiteren Diffusion von Ladungsträgern entgegen. Diese Spannung nannt man 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17.1.2.9 Seite 15 Polarisierung des pn-Übergang in Sperrichtung Legt man an die p-Schicht den Minuspol und an die n-Schicht den Pluspol einer Gleichspannungsquelle, so werden in beiden Schichten die beweglichenLadungsträger von der Sperrschicht weg zu den Anschlüssen hin gezogen. Die Polarität ist derjenigen der Majoritätsladungsträger entgegengesetzt. Minoritätsträger p n - Abb. 12 pn-Übergang in Sperr-Rrichtung + negatives Ion positives Ion Loch Elektron Sperrschicht Majoritätsträger Wirkung der angelegten Spannung auf die Minoritätsladungsträger Majoritätsladungsträger Merke Die Majoritätsladungsträger werden von den Polen angezogen. Die Sperrschicht verbreitert sich. Zwischen den Anschlüssen herrscht ein gosser Widerstand. Die Minoritätsträger bestimmen diesen Widerstand, sie fliessen durch die Sperrstrom. Sperrschicht hindurch und verursachen den Es entsteht eine 08. April 2017 www.ibn.ch Stromsperre. Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK Seite 16 17.1.2.10 Polarisierung des pn-Übergang in Durchlassrichtung Legt man an die p-Schicht den Pluspol und an die n-Schicht den Minuspol einer Gleichspannungsquelle, so werden die Löcher vom Pluspol zur n-Schicht und die Elekktronen vom Minuspol zur p-Schicht gestossen. Die Polarität ist derjenigen der Majoritätsladungsträger gleichgesetzt. Minoritätsträger p n Abb. 13 pn-Übergang in Durchlass-Richtung - + negatives Ion positives Ion Loch Elektron Sperrschicht Majoritätsträger Wirkung der angelegten Spannung auf die Minoritätsladungsträger Majoritätsladungsträger Merke Ist die angelegte Spannung grösser als die Diffusionsspannung, so schwindet die Sperrschicht. Die Majoritätsladungsträger werden von den Polen Abgestossen. Die Minoritätsladungsträüger sind in Bewegung. Sie fliessen durch die Durchlassstrom. Sperrschicht hindurch und verursachen den Stromleitung. Stromventil bzw Stromschalter. Es entsteht eine Der pn-Übergang wirkt wie ein Merke Der pn-Übergang bildet die Grundlage der bipolaren Halbleiterbauelemente wie: Dioden, Transistoren und Thyristoren. 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK Seite 17 17.1.2.11 Zusammenfassung der Grundlagen Die elektrische Leitfähigkeit der Halbleiterwerkstoffe ist als die der Leiter, aber als die der Nichtleiter. In den Halbleitern treten nebst den negativen auch noch als Ladungsträger auf. Bei Temperaturzunahme erhöht Sich die , da immer mehr Valenzelektronen aufbrechen. Da dadurch weitere Ladungsträgerpaare entstehen, ist im Halbleiter die Anzahl der immer gleich gross wie die Anzahl der Wird das Halbleitermaterial mit 5-wertigem Stoff dotiert, so überwiegt die Zahl der Demzufolge entsteht eine Schicht aus Wird das Halbleitermaterial mit 3-wertigem Stoff dotiert, so überwiegt die Zahl der Demzufolge entsteht eine Schicht aus An der Grenzschicht zwischen entsteht durch eine Diese Grenzschicht wird fast und dadurch zur Der Spannungsunterschied zwischen der p-Schicht und der n-Schicht nennt man Diese Spannung muss überWunden werden, damit der pn-Übergang leitend wird. 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17.1.3 Halbleiter-Dioden 17.1.3.1 Einführung Seite 18 Halbleiterdioden sind zweipolige Bauelemente, deren Widerstand von der Polung der angelegten Spannung abhängt. Als Halbleitermaterial wurde früher für Dioden Kupfer-Oxydol (Cu2O) und Selen (Se) verwendet und heute vorallem: Die Diode besteht aus zwei Schichten. Einer p- und einer n-Schicht. Sperrschicht n-Schicht p-Schicht Kathode Anode Löcher A K Elektronen Abb. 14 pn-Übergang einer Diode Merke Die Diode wirkt als d.h. sie ist leitend, wenn die Spannung in anliegt. In der anderen Richtung wirkt sie als Stromsperre. Aus diesem Grund wird sie häufig zur 08. April 2017 www.ibn.ch und zur eingesetzt. Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17.1.3.2 Seite 19 Prinzipieller Aufbau Abb. 16 Reale Dioden Abb. 15 Prinzip einer Diode Unterstes Bild Brückengleichrichter Bei anlegen der Spannung Symbol der Diode: 08. April 2017 www.ibn.ch Bei anlegen der Spannung Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17.1.3.3 20 Seite Laborübung „Entdeckendes Lernen an der Diode“ Auftrag Untersuchen Sie die Diode in Sperr- und Durchlassrichtung. Es sind die Spannungen und die Ströme in einer Tabelle festzuhalten. (Bauteile: Laborspeisung, 1,0 kΩ-Widerstand, Diode 1N4007, Voltmeter, Ampère-Meter). Um welchen Diodentyp handelt es sich hier. Vollständiges Mess-Schema Mess-Tabelle 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17.1.3.4 Seite 21 Gleichstromverhalten der Dioden Die nachfolgenden Kennlinien zeigen den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung bei Dioden. Abb. 17 Diodenkennlinien Bestimmung des dynamischen Widerstandes : 1 6 2 3 4 5 Bild 14.10.1 Die Kennlinien zeigen, dass die Silizium- und Germaniumdioden einen grösseren Sperrwiderstand und einen kleineren Durchlasswiderstand als Selen- und Kupfergleichrichter haben. Ein grösserer Durchlasswiderstand verursacht einen schlechteren Wirkungsgrad, dadurch werden diese Dioden stark erwärmt. 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17.1.3.5 Seite 22 Einsatz der Dioden Die Germanium-Dioden sind für kleine Leistungen und hohe Frequenzen geeignet. Sie wird verwendet für: Maximale Betriebstemperatur Die Siliziumdioden wird für die Gleichrichtung grosser Leistungen verwendet. Sie sind weniger Temperaturempfindlich als Ge-Dioden. Sie werden verwendet für: Maximale Betriebstemperatur Achtung! Halbleiterbauteile sind sehr empfindlich auf Überspannungen und Überströme. Sie können selbst durch statische Entladungen beim Berühren zerstört werden. Vor Überströmen sind sie gegebenenfalls mit superflinken Sicherungen zu schützen. Halbleiterbauteile stellen keine galvanischen Trennung dar! Neben der einfachen Diode gibt es eine Reihe von speziellen Halbleiterdioden für unterschiedliche Einsatzzwecke: Laserdiode Leistungsgleichrichter (p+sn+-Diode) LED Leuchtdiode Photodiode Schottky-Diode Solarzelle Step-Recover-Diode Supressordiode Thyristor Tunnel-Diode Varaktor (variable Reaktance) Kapazitätsdiode Vierschichtdiode Zener-Diode oder Z-Diode 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17.1.3.6 Seite 23 Zener-Dioden oder Referenzdioden 17.1.3.6.1 Grundlagen Zener-Dioden sind Siliziumdioden mit besonderen Eigenschaften. In Durchlassrichtung unterscheidet sich ihr Verhalten nicht von dem der normalen Dioden. Auch der Sperrstrom ist normal, d.h. sehr klein und unabhängig von der Sperrspannung, solange diese einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Dann aber steigt der Sperrstrom plötzlich so stark an, dass man die Diode wieder als leitend betrachten kann. Die Spannung bei der das geschieht, heisst Durchbruchspannung. Das starke Ansteigen des Stromes wird dadurch hervorgerufen, dass Elektronen in der Sperrschicht unter dem Einfluss der äusseren Spannung aus ihren Bindungen gerissen werden. Nach dem amerikanischen Physiker Zener, der sich mit Untersuchungen solcher Vorgänge befasste, nennt man dies den Zener-Effekt. Die Z-Diode wird auch Zenerdiode und die Durchbruchspannung auch Zenerspannung genannt. Ausser dem Zenereffekt tritt auch noch der Avalanche-Effekt (Lawineneffekt) auf. Im elektrischen Feld der Sperrschicht werden die Elektronen so stark beschleunigt, dass sie beim Auftreffen auf andere Atome weitere Elektronen befreien. Die Zahl der freien Elektronen nimmt dadurch lawinenartig zu. Beide Effekte sind für die starke Zunahme des Sperrstromes massgebend. Abb.18 Symbole für Zenerdioden Zenerdioden zwischen 5...7 V haben den kleinsten dynamischen Widerstand. Abb. 19 Kennlinien von Zenerdioden Abb. 20 Reale Zenerdiode Bild 14.11.1 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK Seite 24 17.1.3.6.2 Berechnungsbeispiel mit einer Zenerdiode Aufgabe Die Eingangsspannung einer Netzspeisung nach der Gleichrichtung und Glättung kann zwischen 10….15V schwanken. Wie muss der Vorwiderstand einer Stabelisierungsschaltung mit Zenerdiode gemäss der gegebenen Schaltung gewählt werden, wenn der Lastwiderstand 1000 beträgt. Wir überprüfen den Strom in der Z-Diode mit dem gewählten Widerständen 500Ω: Anwendungen mit Z-Dioden Abb. 21 Spannungsbegrenzung Mit Z-Diode Abb. 22 Spannungsstabilisierung Mit Zenerdiode Abb. 23 Symetrische Stabilisierung Abb. 24 Prinzip der Spannungsbegrenzung 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17.1.3.7 Seite 25 Leuchtdiode Eine Leuchtdiode (auch Lumineszenz-Diode, kurz LED für Light Emitting Diode bzw. lichtemittierende Diode) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement. Fließt durch die Diode Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht, Infrarotstrahlung (als Infrarotdiode) oder auch Ultraviolettstrahlung mit einer vom Halbleitermaterial abhängigen Wellenlänge ab. Abb. 25 Symbol Leuchtdiode Leuchtdiode 5 mm Gehäuse 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17.1.4 Transistor, Thyristor, Diac und Triac 17.1.4.1 Prinzipieller Aufbau Transistoren Seite 26 Der Transistor besteht aus zwei p-n-Übergängen, d.h. aus Schichten (2 Dioden). Es sind zwei Schichtfolgen möglich. Abb. 26 Reale Transistoren Symbol der Transistoren: Die Schichten sind verschieden dotiert; die Dotierung nimmt vom Emitter zum Kollektor ab. Es ist ein Gefälle in der der Majoritäts- träger. Die Basis ist sehr dünn, 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK 17.1.4.2 Seite Berechnungen zum Transistor als Schalter In der nachfolgenden Schaltung soll der Widerstand R 2 bestimmt werden, damit die Lampe H1 optisch max. brennt. Versuchsschaltung: Gegeben R1 1000 U 8 V Messungen U BE 08. April 2017 www.ibn.ch V IB mA IC A Version 3 27 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK 17.1.4.3 Seite 28 Funktion in vereinfachter Darstellung Der Transistor ist ein VERSTÄRKERELEMENT, er lässt sich er ist . Bei Basisstrom IB = 0 ist die Basis-Emitter-Spannung Es fliesst kein durch den Transistor. Bei Basisstrom IB > 0 ist die Basis-Emitter-Spannung Es fliesst ein durch den Transistor. Bei Basisstrom IB >> 0 ist die Basis-Emitter-Spannung Es fliesst ein durch den Transistor. Die Steuerung des Transistors erfolgt an Feststellung Der Transistorstrom (Kollektor-Emitter) hängt vom ab. 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK Seite 29 17.1.4.4 Grundschaltungen des Transistors Die Grundschaltungen sind auf die Elektroden benannt, welche für den Ausgang und den Eingang verwendet werden. Emitterschaltung Stromverstärkung hoch 100 Eingangswiderstand 500Ω - 2kΩ Spannungsverstärkung hoch 250 Ausgangswiderstand 500Ω - 100kΩ Leistungsverstärkung 100 - 1000 Einsatzgebiet Kleinsignalverstärker Elektronische Schalter Mit Basisvolger für HF Anwendungen geeignet Kollektorschaltung (Emitterfolger) Stromverstärkung hoch 100 Eingangswiderstand 3kΩ - 1MΩ Spannungsverstärkung 0,95 Ausgangswiderstand 0,5Ω - 30Ω Leistungsverstärkung ca. 1000 Einsatzgebiet Impedanzwandler Christall-Tonabnehmer Piezo-Schallaufnehmer Kondensator-Mikrofon Elektret-Mikrofon Audio-VerstärkerEndstufen Basisschaltung Stromverstärkung niedrig unter 1 Eingangswiderstand klein 25Ω - 500Ω Spannungsverstärkung hoch 200 Ausgangswiderstand hoch 100kΩ - 1MΩ Leistungsverstärkung ca. 1000 Einsatzgebiet HF-Stufen HF-Oszillatoren bis 50MHz 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK 17.1.4.5 Seite Kennlinien des Transistors (Diode in Durchlassrichtung) (Diode in Sperrichtung) Eingangswiderstand Ausgangswiderstand Stromübertragungs-Kennlinie Hybrid-Übertragungskennlinie 08. April 2017 www.ibn.ch 30 Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK 17.1.4.6 Seite 31 Der Thyristor 17.1.4.6.1 Der Aufbau eines Thyristors 17.1.4.6.2 Wirkungsweise eines Thyristors Durch das Aneinanderreihen von vier abwechslungsweisen p- und n-Schichten haben wir drei pn-Übergänge erhalten. Verbinden wir die Anode des Thyristors mit dem negativen Pol und die Kathode mit dem positiven Pol einer Batterie, so finden Ladungsverschiebungen statt. Bei der angegebenen Polung werden pn1 und pn3 zur Sperrschicht, da die Ladungsträger zur Anode bzw. zur Kathode hingezogen werden und somit die Übergänge ladungsträgerarm werden. Der Übergang pn2 wird mit Ladungsträgern angereichert und somit leitend. Da pn1 und pn3 sperren, fliesst kein Strom durch den Thyristor. vor. Es liegt deshalb der Zustand Ist die der Kathode 08. April 2017 www.ibn.ch des Thyristors gegenüber der Thyristor. Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK Seite 32 Verbinden wir die Anode mit dem Pluspol und die Kathode mit dem Minuspol der Batterie, so werden die Löcher von der positiven Anode abgestossen, und die Elektronen werden von der negativen Kathode abgestossen. Der Übergang pn2 ist an Ladungsträgern verarmt und wird zur Sperrschicht. Da pn2 bei positiver Anode keinen Strom durch den Thyristor lässt, wird dieser Zustand als bezeichnet. Durch Änderung der Polung an den äusseren Elektroden Anode und Kathode kann man den Thyristor nicht leitend machen, dies ist aber mit der Der Übergang vom Zustand Blockieren in Durchlassen wird möglich. des Thyristors genannt. Für das Zünden ist die Steuerelektrode mittels eines gesonderten Stromkreises an die Zündoder Steuerspannung zu legen. Durch die Teilung des Thyristors erhalten wir einen pnp-Transistor T1 und einen npnTransistor T2. Aus der Abb. Geht hervor, dass jeweils die Basis des einen Transistors mit dem Kollektor des anderen Transistors fest verbunden ist. Der Emitter von T1 ist mit der Anode und der Emitter von T2 ist mit der Kathode des Thyristors identisch. Die Steuerelektrode S entspricht der Basis von T2. Der Hauptstromkreis entspricht in der Polung dem Blockierzustand des Thyristors. Wird nun der Schalter S geschlossen, spielen sich folgende Vorgänge ab: Durch den Steuerstrom I gelangen Löcher in die Basis des T 2; dies löst im Emitter einen verstärkten Elektronenstrom aus, der zum Kollektor des T 2 fliesst. Nun ist aber der Kollektor des T2 mit der Basis des T1 verbunden, so dass der Kollektorstrom von T2 zum Basisstrom von T1 wird. Im Transistor T1 erregt dieser Basisstrom im Emitter einen Kollektorstrom. Der Kollektor von T1 ist mit der Basis von T2 verbunden. Der Kollektorstrom von T 1 fliesst als verstärkter Basisstrom nach T2 zurück. Der Vorgang beginnt nun von vorne. Er wiederhohlt sich so lange, bis die sperrende Schichten B-C der Transistoren T1 und T2 ganz mit Ladungsträgern überschwemmt sind und leitend werden. Der Thyristor ist 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK Seite 33 17.1.4.6.3 Steuerung des Thyristors Der Thyristor ist nun gezündet, d.h. er ist durchlässig. Wir wollen nun untersuchen, wie der durchlässige Zustand wieder rückgängig gemacht werden kann oder wie es gelingt, den Durchlassstrom wieder zu löschen. Um das zu erreichen, müssen die Ladungsträgerüberschwemmungen im Innern des Thyristors beseitigt werden. Die erste Möglichkeit, den Thyristor zu löschen, besteht im Unterbrechen des Hauptstromkreises. Die Ladungsträger im Innern des Thyristors verschwinden durch Rekombination, d.h. indem sich jeweils ein Loch und ein Elektron vereinigen. Die zweite Möglichkeit besteht darin, den Thyristor zu sperren (z.B. durch Umpolen der Batterie im Hauptstromkreis). Der größte Teil der Ladungsträger wird dann aus dem Innern des Thyristors abgesaugt, und der Rest verschwindet durch Rekombination. Der Thyristor kann jedoch nicht durch den Steuerkreis gelöscht werden. Im Durchlaßzustand ist der Steuerstrom sogar überflüssig. Bei den üblichen Leistungsthyristoren kann durch den Steuerkreis der Durchlasszustand herbeigeführt werden. Beendet werden kann er aber nur durch einen Eingriff in den Hauptstromkreis. Um den Thyristor zu zünden, wird nur ein kurzer Steuerstromstoss benötigt. Es ist also möglich, den Thyristor mit einem Impuls zu steuern. Die Impulssteuerung ist ein wesentliches Merkmal des Thyristors. Ein Vergleich mit dem Transistor zeigt deutlich den Unterschied. Beim Transistor kann mit dem Basisstrom der Kollektorstrom gesteuert werden. Die Größe des Kollektorstromes ist also abhängig von der Größe des Basisstromes. Der Transistor ist durch den Basisstrom stufenlos steuerbar. Beim Thyristor kann die Grösse des Durchlassstromes jedoch nicht beeinflusst werden. Im gezündeten Zustand führt der Thyristor immer den vollen Strom. Der Thyristor hat eine Impulssteuerung, im Gegensatz zum Transistor also keine stetige Steuerung. 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK Seite 34 17.1.4.6.4 Der Thyristor an Wechselpannung Fall a) Thyristor an Wechselspannung mit GateAnschluss an Gleichspannung. 100 100 90 90 80 80 70 70 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 10 0 0 -10 -10 -20 -20 -30 -30 -40 -40 -50 -50 -60 -60 -70 -70 -80 -80 -90 -90 -100 -100 0 08. April 2017 www.ibn.ch 0 30 60 9 0 12 0 1 50 18 0 2 10 240 27 0 3 00 330 36 0 3 90 42 0 4 50 480 51 0 5 40 570 60 0 6 30 66 0 6 90 720 75 0 7 80 810 84 0 8 70 90 0 9 30 30 60 9 0 12 0 1 50 18 0 2 10 240 27 0 3 00 330 36 0 3 90 42 0 4 50 480 51 0 5 40 570 60 0 6 30 66 0 6 90 720 75 0 7 80 810 84 0 8 70 90 0 9 30 P h a s e n w in k e l [ ° ] P h a s e n w in k e l [ ° ] Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK Seite 35 Fall b) Thyristor an Wechselspannung mit GateAnschluss an einer Wechselspannung. (2V, 50..100 Hz) 100 100 90 90 80 80 70 70 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 10 0 0 -10 -10 -20 -20 -30 -30 -40 -40 -50 -50 -60 -60 -70 -70 -80 -80 -90 -90 -100 -100 0 08. April 2017 www.ibn.ch 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 P has enw ink el [ °] P has enw ink el [ °] Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK 17.1.4.7 Seite 36 Der Diac 17.1.4.7.1 Aufbau und Wirkungsweise des Diac Der Diac ist ein Halbleiter-Bauelement mit fünf Schichten, abwechslungsweise p und n. Sein Verhalten gleicht zwei parallelen gegeneinander geschalteten Vierschicht-Dioden. Er wird häufig zum Steuern von Triacs gebraucht. Ersatzschaltung des Diacs: Abb. 33 Symbol Triac Strom-Spannungskennlinie des Diacs: Beim Diac sind beide Vierschicht-Dioden im gleichen Kristall untergebracht. Vergrössert man die Spannung U von 0 V an, so fliesst zuerst nur ein kleiner Sperrstrom. Erreicht die Spannung einen bestimmten Wert, so kippt der Diac. Die Spannung fällt zusammen, und der Strom steigt rapid an. Der Diac ist in seinen Eigenschaften praktisch symetrisch. Die Werte der positiven und negativen Kippspannungen weichen nicht viel voneinander ab. 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK 17.1.4.8 Seite 37 Der Triac 17.1.4.8.1 Aufbau und Wirkungsweise des Triac Der Nachteil von Thyristoren ist, daß man sie nur in einer Richtung schalten kann. Sie werden nur durchlässig, wenn die Anodenspannung positiv ist. Wenn man zwei Thyristoren parallel gegeneinander schaltet, entsteht ein Bauelement, das bei positiver und auch bei negativer Anodenspannung durchlässig ist. Diese Schaltung wird mit Triac bezeichnet. Ersatzschaltung des Triacs: Abb. 33 Symbol Triac Strom-Spannungskennlinie des Triacs: Beim Triac sind diese beiden Thyristoren in einem einzigen Bauelement vereinigt. Von den beiden Toren der Thyristoren wird nur eines herausgeführt. Der Name Triac kommt von TRI = 3 Elektroden AC = alternating current = Wechselstrom Die Strom-Spannungs-Kennlinie des Triacs setzt sich aus den Blockier- und DurchlaßKennlinien der beiden Thyristoren zusammen. Ist kein Torstrom vorhanden, so blockiert der Triac in beiden Richtungen. Mit Hilfe eines Torimpulses kann der Triac gekippt werden, und zwar bei positiver oder bei negativer Anodenspannung. Der Triac hat den großen Vorteil, daß bei Überschreiten der Nullkippspannung kein Schaden entsteht. 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK Seite 38 17.1.4.8.2 Anwendung des Triacs Der Triac wird fast ausnahmslos zur Leistungsregelung in Wechselstromkreisen eingesetzt. Wegen seiner einfachen Steuerbarkeit ist nur ein geringer Schaltungsaufwand zur Impulssteuerung notwendig. Die Impulssteuerung kann durch Kippschaltungen mit Glimmlampen oder eine Doppelbasisdiode oder durch einen Diac erfolgen. (z.B. Leistungsregelung durch Phasenanschnittsteuerung) 17.1.4.8.3 Steuerung des Triacs Die Nullkippspannung des Triacs (d.h. die zum Zünden erforderliche Spannung, wenn kein Steuerimpuls zugeführt wird) muß so hoch liegen, daß er ohne Steuerimpuls nicht etwa durch die Spannungsspitzen der Wechselspan-nung gezündet werden kann. Das bedeutet für die Anwendung in 230Volt-Netzen, daß die Nullkippspannung über 325 V liegen muß. Praktisch wählt man dafür Triacs mit etwa 400 V Nullkippspannung. Zur Steuerung nützt man das Verhalten einer Kapazität und eines Diacs aus. Steigt die angelegte Spannung, so lädt sich der Kondensator auf. Der zeitliche Anstieg der Kondensatorspannung hängt dabei von der Größe des Vorwiderstandes und der Kapazität des Kondensators ab. Der Diac kann erst einen Steuerimpuls für den Triac abgeben, wenn die Ladespannung des Kondensators ihren Zündspannungswert von ca. 30 Volt erreicht hat. Der Vorgang wiederholt sich für die entgegengesetzte Richtung der angelegten Spannung. Mit dem Regelwiderstand R1 kann man die Zeitkonstante beeinflussen. Je größer R1 ist, desto langsamer lädt sich der Kondensator auf, und um so später wird auch der Zündspannungswert des Diacs erreicht. Der Widerstand Rv soll den Steuerstrom begrenzen, damit der Diac und der Triac nicht überlastet werden. Triac und Diac werden heute vielfach zusammen in einem Gehäuse eingebaut. («Ditriac ,Quadrac») 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK Seite 39 17.1.4.8.4 Bezeichnungen für Halbleiter 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK 08. April 2017 www.ibn.ch Seite Version 40 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK 17.1.4.9 Seite 41 Transistor und Diodenanschlüsse 17.1.4.9.1 Transistoranschlüsse 17.1.4.10 Diodenanschlüsse 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK Seite 42 17.1.4.10.1Bauformen von Halbleitern 08. April 2017 www.ibn.ch DO-35 Dioden-Gehäuse (Glas) für schnelle Schaltdioden und Zenerdioden DO-7 Dioden-Gehäuse (Epoxy) für Dioden und Zenerdioden DO-27 Dioden-Gehäuse für Leistungsdioden DO-4 Dioden-Gehäuse für Leistungsdioden Brückengleichrichter TO-18 Gehäuse für Transistoren und Thyristoren TO-5 Gehäuse für Transistoren und Thyristoren TO-105 Gehäuse für Transistoren (Epoxy) TO-3 Gehäuse für Leistungstransistoren TO-48 Gehäuse für Leistungsthyristoren und Triacs TO-99 Gehäuse für integrierte Schaltungen (IC) DIL-Gehäuse (DIL=DUAL-IN-LINE) für integrierte Schaltungen (Keramik) DIL-Gehäuse für integrierte Schaltungen (Epoxy oder Plastic) Flat-pack für integrierte Schaltungen Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK 08. April 2017 www.ibn.ch Seite Magnetfeldabhängige Bauelemente (Hallgeneratoren,Feld platten) Fotowiderstände Vergrösserung der Leitfähigkeit durch Lichteinfall Solarzelle Wandelt Lichtenergie in elektrische Energie um Lumineszenzdioden sind Lichtaussendende Halbleiterdioden Version 43 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK Seite 44 17.1.4.11 Anwendungen mit Halbleiterbauteilen 17.1.4.11.1Drehzahlregulierung von Haushaltkleingeräten 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK Seite 45 17.1.4.11.2Elektronisch gesteuerter Universalmotor (Haushaltkleingeräte) 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK Seite 46 17.1.4.11.3 Lichtregler „Wissen Sie Bescheid?“ 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK 17.1.4.11.4 08. April 2017 www.ibn.ch Seite 47 Stromrichter Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK 17.1.4.11.5 08. April 2017 www.ibn.ch Seite 48 Wirkungsweise und Schaltungstechnik von Mikrowellenherd Version 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK 08. April 2017 www.ibn.ch Seite Version 49 3 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG ELEKTRONIK 08. April 2017 www.ibn.ch Seite Version 50 3
