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Elektronik Elektronik 1 Elektrische Leitungsvorgänge 1.1 Elektrische Leitung in festen Körpern Seite 1 Elektronik Seite 2 Elektronik Antwort zu 1.): Antwort zu 2.): Antwort zu 3.): Antwort zu 4.): Antwort zu 5.): Seite 3 Elektronik 1.2 Elektrische Leitung in Flüssigkeiten Entsprechend dem allgemeinen Leitungsmodell müssen für einen elektrischen Leitungsvorgang zwei Voraussetzungen erfüllt sein: c d Der Verlauf des elektrischen Leitungsvorganges in Flüssigkeiten ist dadurch gekennzeichnet, dass ¾ ¾ ¾ Leitungsvorgänge in Flüssigkeiten können überall dort auftreten, wo sich Ionen in einer Flüssigkeit befinden. Das ist z. B. auch bei Mineralwasser oder Leitungswasser der Fall. Deshalb: Leitungsvorgänge in Flüssigkeiten werden z. B. bei der Elektrolyse, beim Galvanisieren oder beim Lackieren von Autoteilen genutzt. Seite 4 Elektronik Als Dissoziation bezeichnet man die Aufspaltung von Molekülen in kleinere Bestandteile. Dies können Atome, einfache Ionen oder Ionenverbindungen sein. Die Dissoziation von Molekülen wird durch verschiedene Vorgänge ausgelöst. Sie erfolgt beim Lösen von Stoffen in Wasser oder anderen Lösungsmitteln, kann aber auch durch hohe Temperaturen, elektrische Ströme, radioaktive oder elektromagnetische Strahlung hervorgerufen werden. Nachfolgend wird als Beispiel die Dissoziation von Kochsalzkristallen in Wasser näher betrachtet. Im Kristallgefüge werden die einzelnen Natrium- und Chlorionen durch die gegenseitige elektrostatische Anziehung an ihrem Platz gehalten. Dabei sind die Natriumionen positiv und die Chlorionen negativ geladen. Gelangt ein Kochsalzkristall in Wasser, dann treten die Ionen an seiner Oberfläche in Wechselwirkung mit den Wassermolekülen. Dabei wirkt sich besonders der Dipolcharakter der Wassermoleküle aus. Darunter versteht man folgende Eigenschaft: In den Wassermolekülen sind die Wasserstoffatome und die Sauerstoffatome mit ihren gemeinsamen Bindungselektronen so verteilt, dass ein Teil des länglichen Wassermoleküles positiv, der andere Teil negativ geladen ist. Die Wassermoleküle lagern sich daher so an die Kochsalzoberfläche an, dass ihr positiv geladener Abschnitt in Richtung Chlorionen zeigt und diese weitgehend umschließt. Andere Wassermoleküle lagern sich mit ihrem negativ geladener Teil um die Natriumionen an. Durch die Wassermoleküle werden die von den Ionen ausgehenden elektrostatischen Kräfte abgeschwächt. Die Ionen an der Oberfläche werden dadurch nicht mehr ausreichend an das Kochsalzgitter gebunden und verlassen es. Kurz darauf umschließen die Wassermoleküle die einzelnen freien Ionen vollständig. Sie bilden ein kleine Wasserhülle um sie, die man auch Solvathülle nennt. Schritt für Schritt wird nun der ganze Kristall gelöst - er dissoziiert. Die Dissoziationsgleichung lautet in diesem Fall: Die einzelnen Ionen sind mit ihren Solvathüllen im Wasser nahezu frei beweglich. Ausreichend durch die geordneten Wassermoleküle ihrer Solvathüllen abgeschirmt beeinflussen sie sich - verglichen mit den Kräften im Kristallgitter - kaum noch gegenseitig. Seite 5 Elektronik NaCl (Kochsalz) wird in H2O (Wasser) aufgelöst. NaCl Cl− Na+ H2O Cl− + Na+ − Na Cl H2O Cl − Na + Cl− Na + Anode (verbunden mit dem Pluspol) und Katode (verbunden mit dem Minuspol) einer Spannungsquelle werden in die Flüssigkeit getaucht. Zur Kontrolle wird ein Ampèremeter, das den elektrischen Strom misst, in die Leitung eingeschalten. A Cl− + − Na Cl H2O Cl− Na+ Na+ Cl− Na+ A Na+ − Na+ Cl Cl− H2O Cl− Na+ Cl− Na+ A H+ H+ Cl− NaOH NaOH H2O Cl− + Cl− Na Cl− Na+ A − − − H2 NaOH NaOH H2O Cl− An der Anode (Pluspol) angekommen, gibt das negative Cl- - Ion sein Elektron an die Anode ab. Gleichzeitig reagiert das positve Na+ - Ion mit H2O, so dass H+ und NaOH entsteht. An der Katode (Minuspol) nimmt das positive H+ - Ion ein Elektron auf. C l2 + Cl− Na − Das Elektron, das an der Anode von dem Cl- - Ion abgegeben wird, fliesst also durch das Ampèremeter zum Pluspol der Spannungsquelle, geht innerhalb der Spannungsquelle zum Minuspol und fliesst dann zur Katode, wo das Elektron dann von dem H+ - Ion aufgenommen wird. Na+ Seite 6 Elektronik 1.3 Elektrische Leitung in Halbleitern 1.3.1 Eigenleitung Seite 7 Elektronik 1.3.2 Fremdleitung Seite 8 Elektronik 2 Die Halbleiterdiode 2.1 Aufbau und Funktion der Halbleiterdiode Bereits im Herstellungsprozess der Diode rekombinieren im Grenzbereich von n-Schicht und pSchicht kurzzeitig freie Elektronen und Defektelektronen (Löcher). Diese Sperrschicht (Rekombinationsschicht) ist zwar nur ca. 1/10mm stark, kann aber von weiteren beweglichen Ladungsträgern der beiden Halbleiter-Schichten zunächst nicht überwunden werden. Die Diode hat dabei einen verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstand. Seite 9 Elektronik Der Pluspol der Stromquelle saugt einige Elektronen aus der n-Schicht ab und der Minuspol der Stromquelle „presst“ gleichzeitig einige Elektronen in die p-Schicht, die in Rekombinationssprüngen zur Sperrschicht wandern (Sogwirkung des Pluspols) und die Sperrschicht noch weiter verbreitern. Der el. Widerstand der Diode hat sich dadurch vergrößert. Die Diode ist in Sperr-Richtung geschaltet. Seite 10 Elektronik Der Pluspol der Stromquelle saugt Elektronen aus der Sperrschicht ab, der Minuspol „presst“ Elektronen in die n-Schicht. Ab der Durchbruchspannung (Schwellenwert) von ca. 0,7 Volt ist die Sperrschicht vollständig aufgelöst. Elektronen wandern dann vom n-Anschluß in Rekombinationssprüngen durch die n-Schicht und die p-Schicht zum p-Anschluß der Diode. Der elektrische Widerstand der Diode ist dabei sehr gering geworden. Die Diode ist in Durchlaßrichtung geschaltet. Seite 11 Elektronik 2.2 Die Diode als Einweg-Gleichrichter Seite 12 Elektronik 2.3 Die Diode als Zweiweg-Gleichrichter Seite 13 Elektronik 3 Der Transistor 3.1 Aufbau und Funktion des Transistors Steuerstromkreis: Laststromkreis: Da der Schalter S geöffnet ist, fließt im Steuerstromkreis (zwischen B und E) kein Strom. (Die BE-Diode ist in Durchlaßrichtung geschaltet.) Im Laststromkreis (zwischen C, B und E fließt ebenfalls kein Strom, da die obere BC-Diode in Sperr-Richtung geschaltet ist. Die Lampe L leuchtet folglich nicht. Seite 14 Elektronik Steuerstromkreis: Laststromkreis: Da der Schalter S geschlossen ist, fließt im Steuerstromkreis (zwischen B und E) ein Strom, der vom Schutzwiderstand R begrenzt wird (die BE-Diode ist in Durchlaßrichtung geschaltet.) Im Laststromkreis (zwischen C, B und E) leuchtet die Lampe L auf und deutet darauf hin, dass in diesem Stromkreis ebenfalls ein Strom fließt, obwohl die obere BCDiode in Sperr-Richtung geschaltet ist. Dieses zunächst unerwartete Verhalten nennt man den Transistoreffekt. Transistoreffekt: Die mittlere Basisschicht des Transistors ist extrem dünn gebaut. Erreicht der Emitter-Basis-Elektronen-strom (in der Skizze grün gezeichnet), der vom Minuspol von SQ1 zum Pluspol von SQ1 fließt, eine gewisse Stärke, so reißen diese Elektronen weitere Elektronen vom Minuspol von SQ2 mit (in der Skizze magenta gezeichnet), die die obere Sperrschicht durchdringen und über den Kollektor zum Pluspol von SQ2 fliessen. Seite 15 Elektronik 3.2 Der Transistor als Schalter + L C A rbeitskreis B Ug = 9 V T + UBE = 0..1V − E UBE Steuerkreis − Steuerspannung U BE BE 0V 0,1 V - 0,6 V 0,7 V - 1 V Transistor IArbeitskreis Lampe Der Transistor ist im Arbeitskreis mit der Glühlampe in Serie geschaltet. Merksatz: Seite 16 Elektronik + L R1 U1 Steuerkreis C Arbeitskreis B T Ug = 9 V E R2 U2 UBE − R1 R2 U1 U2 U BE BE Transistor IArbeitskreis Lampe Merksatz: Seite 17 Elektronik 3.2.1 Hellsteuerung mit Transistor Schaltskizze: + L R1 U1 Steuerkreis C Arbeitskreis B T Ug 9V− E R2 U2 UBE − R1 : R2 : L : T : Photowiderstand Ω regelbarer Widerstand 10 kΩ Glühlampe 4V / 0,04A npn - Transistor Funktion: Wird der Photowiderstand im Steuerkreis beleuchtet, so leuchtet im Arbeitskreis die Lampe. Wird der Photowiderstand im Steuerkreis nicht beleuchtet, so leuchtet im Arbeitskreis die Lampe nicht. Aufbau: Die Schaltung besteht aus 2 zueinander parallelen Spannungsteilern: 1. Spannungsteiler (Arbeitskreis): Lampe und Transistor 2. Spannungsteiler (Steuerkreis): Photowiderstand R1 und Drehwiderstand R2 Bei verdunkeltem Photowiderstand wird der Drehwiderstand so eingestellt, daß der Transistor den Arbeitskreis sperrt und die Lampe nicht brennt. U2 < 0,7 V. Seite 18 Elektronik + Erklärung: L leuchtet nicht R 1 U1 = 8,5 V Steuerkreis C Arbeitskreis B Ug = 9 V T sperrt E R2 U2 = 0,5 V UBE = 0,5 V − A) Verdunklung Photowiderstand und Drehwiderstand teilen sich die Spannung von 9 V im Verhältnis ihrer Widerstandswerte. Der verdunkelte Photowiderstand hat einen sehr hohen Widerstandswert. Der Drehwiderstand wird so eingestellt, daß an ihm eine Spannung U2 = 0,5 V liegt. Da Basis und Emitter des Transistors parallel zum Drehwiderstand geschaltet sind, liegt zwischen Basis und Emitter eine Spannung UBE = 0,5 V. Der Transistor sperrt den Arbeitsstromkreis. Die Lampe im Arbeitskreis leuchtet nicht. + L leuchtet R 1 U1 = 8,1V Steuerkreis C A rbe itsk reis B T öffnet Ug = 9 V E R2 U2 = 0,9 V UBE = 0,9 V − B) Beleuchtung Wird der Photowiderstand beleuchtet, so sinkt sein Widerstandswert. Da der Drehwiderstand nicht verändert wird, ist R2 unverändert. Das Verhältnis der Widerstandswerte hat sich verändert, daher verändern sich die Teilspannungen U1 und U2. U1 wird kleiner, dadurch wird U2 > 0,7 V. Zwischen Basis und Emitter des Transistors liegt eine Spannung UBE > 0,7 V. Der Transistor gibt den Arbeitskreis frei. Die Lampe im Arbeitskreis leuchtet. Seite 19 Elektronik 3.2.2 Dunkelsteuerung mit Transistor Schaltskizze: + L R1 U1 Steuerkreis C Arbeitskreis B T Ug = 9 V E R2 U2 UBE − R1 : regelbarer Widerstand 10 kΩ R2 : Photowiderstand L : Glühlampe 4 V/0,04 A T : npn − Transistor Funktion: Aufbau: Seite 20 Elektronik + Erklärung: R1 Steuerkreis C Arbeitskreis B Ug = 9 V E R2 − A) + R1 Steuerkreis C Arbeitskreis B Ug = 9 V E R2 − B) Seite 21 Elektronik 3.2.3 Feuermelder mit Transistor Schaltskizze: + ϑ L R1 U1 Steuerkreis C Arbeitskreis B T Ug 9V− E R2 U2 UBE − R1 : NTC − Widers tan d R2 : regelbarer Widerstand 10 kΩ L : Glühlampe 4 V/0,04 A T : npn − Transistor Funktion: Aufbau: Seite 22 Elektronik + Erklärung: ϑ R1 Steuerkreis C Arbeitskreis B Ug 9V− E R2 − A) + ϑ R1 Steuerkreis C A rbeitskreis B Ug 9V− E R2 − B) Seite 23 Elektronik 3.2.4 Frostmelder mit Transistor Schaltskizze: + L R1 U1 Steuerkreis C Arbeitskreis B ϑ T Ug 9V− E R2 U2 UBE − R1 : regelbarer Widerstand 10 kΩ R2 : NTC − Widers tan d L : Glühlampe 4 V/0,04 A T : npn − Transistor Funktion: Aufbau: Seite 24 Elektronik + Erklärung: R1 Steuerkreis C Arbeitskreis B ϑ Ug 9V− E R2 − A) + R1 Steuerkreis C A rb e itsk re is B ϑ Ug 9V− E R2 − B) Seite 25 Elektronik 3.2.5 Feuchtigkeitsmelder mit Transistor Schaltskizze: + L R1 U1 Steuerkreis C Arbeitskreis B T Ug 9V− E R2 U2 UBE − R1 : Berührungs − Sensor R2 : regelbarer Widerstand 10 kΩ L : Glühlampe 4 V/0,04 A T : npn − Transistor Funktion: Aufbau: Seite 26 Elektronik + Erklärung: R1 Steuerkreis C Arbeitskreis B Ug 9V− E R2 − A) + R1 Steuerkreis C A rb e its k re is B Ug 9V− E R2 − B) Seite 27 Elektronik 3.2.6 Trockenmelder mit Transistor Schaltskizze: + L R1 U1 Steuerkreis C Arbeitskreis B T Ug 9V− E R2 U2 UBE − R1 : regelbarer Widerstand 10 kΩ R2 : Berührungs − Sensor L : Glühlampe 4 V/0,04 A T : npn − Transistor Funktion: Aufbau: Seite 28 Elektronik + Erklärung: R1 Steuerkreis C Arbeitskreis B Ug 9V− E R2 − A) + R1 Steuerkreis C A rb e its k re is B Ug 9V− E R2 − B) Seite 29
