Elektronik Seminar

Elektronik Seminar Mackeprang
Elektronik Seminar
Buchtipp: Glagla Josef, Lindner Gerd, Wege in die Elektronik
1. Grundlagen
a) Spannung:
-Spannung entsteht durch die Trennung von Ladung.
-Spannung liegt immer zwischen 2 Punkten.
Ladungstrennung, alle Elektronen auf eine Seite
Strip Strap Strull
b) Strom:
- Strom ist ein Maß für die Bewegung der Elektronen.
- Strom ist das Maß für die Anzahl der an einer Stelle vorbeifliesenden
Elektronen pro Sekunde.
- 1A ~ 6,25*1018 Elektronen pro Sekunde.
c) Freie Elektronen
-gehören zu einem Atom
-sind auf der äußersten Schale
- man benötigt wenig Energie, sie vom Atom zu trennen
d) Widerstand
- Der Widerstand ist der Kehrwert der Leitfähigkeit.
Abhängig von freien Elektronen
e)
Gesetz
R= U
I
2. Halbleiter
Halbleiter sind vierwertige Elemente: Auf der äußeren Schale befinden sich 4 Elektronen.
Jedes Atom ist mit den Nachbaratomen durch Elektronenpaare verbunden, so dass sich ein
sehr festes Kristallgitter ausbildet.
Nahe dem absoluten Nullpunkt (-273°C) sind Halbleiter Isolatoren, da dann alle
Elektronen im Kristallgitter gebunden sind. Bei Normaltemperatur werden durch die
Wärmebewegung der Atome im Kristall einige Elektronen aus der Bindung gerissen und
stehen als Ladungsträger zur Verfügung.
Es gilt: Je höher die Temperatur des Halbleiters, desto mehr Elektronen werden aus ihren
Bindungen gerissen, desto Leitfähiger wird der Halbleiterkristall. Daher werden diese
Materialien auch als Heißleiter bezeichnet.
Diese freigewordenen (freie) Elektronen hinterlassen eine Elektronenfehlstelle mit
fehlender negativer Ladung.
Man bezeichnet diese Elektronenfehlstellen als Defektelektronen oder Löcher.
Stefanie Bestler
Stephan Nonnenmacher
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Wird eine Spannung an einen Halbleiterkristall angelegt, so kommt es zur
Eigenleitfähigkeit des Halbleitermaterials. Eine geordnete Elektronenbewegung setzt ein:
Die freien Elektronen hüpfen von Loch zu Loch zum positiven Pol der Spannungsquelle
und somit wandern die positiven freien Ladungsträger (Löcher) zum negativen Pol.
Achtung: Ein Loch kann nicht wandern!!!! Daher sprechen wir bei der Lochwanderung von der
Bewegung von freien positiven Ladungsträgern!!
Loch: freier positiver Ladungsträger
Elektron: freier negativer Ladungsträger
Basismaterial für die Halbleiter ist heute fast ausschließlich das Silizium (Sand).
a) Heißleiter und Kaltleiter
Der Widerstand eines Heißleiters, kurz NTC (Negative Temperature Coeffizient),
vermindert sich bei steigender und erhöht sich bei fallender Temperatur. Bei einen
Kaltleiter, kurz PTC (Positive Temperature Coeffizient), ist das Temperaturverhalten
umgekehrt.
Temperaturabhängige Widerstände werden vorwiegend als Messfühler in
Temperaturreglern oder Überwachungsanlagen eingesetzt.
b) Fotowiderstand
Ein lichtabhängiger Widerstand, kurz LDR (Light Dependent Resistor), besitzt bei
Dunkelheit einen hohen Widerstand. Fällt Licht auf die wirksame Fläche, eine
Cadmiumsulfadschicht, so werden die Elektronen aus dem Halbleitermaterial frei gesetzt,
die als Ladungsträger zur Verfügung stehen. Je mehr Licht einfällt, desto leitender d.h.
desto niederohmiger wird der LDR.
LDR eigen sich wunderbar für Lichtschranken und Überwachungsanlagen.
Stefanie Bestler
Stephan Nonnenmacher
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c) Paarbildung
Paarbildung nennt man den Vorgang, bei dem ein Elektron aus der
Elektronenpaarbindung raus geschmissen wird.
Dabei entsteht:
- freie Elektron
- ein Loch
Elektronenpaarbildung
4+
4+
4+
4+
freies Elektron
Stefanie Bestler
Stephan Nonnenmacher
Loch, positiv geladen
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d) Rekombination
Ein Loch wird durch ein Elektron durch gegenseitige Anziehung gefüllt.
Paarbildung.
Dabei entsteht wieder eine Elektronenpaarbindung.
Gegenteil der
Die Bewegung der Löcher entsteht durch Paarbildung und die Rekombination.
Die Wanderung der der positiven freien Ladungsträger kann man mit einem zähfließenden Verkehr vergleichen.
Immer wenn ein Auto vorfährt entsteht an seinem alten Platz ein Loch.
Loch
Fahrtrichtung
Loch
e) Dotieren
Die Leitfähigkeit eines Kristalls aus einem vierwertigen Halbleiterelement wird durch
Einfügen (Dotieren, Verunreinigen) von dreiwertigen Elementen wie Indium, Bor oder
fünfwertigen wie Antimon, Phosphor oder Arsen verbessert.
Dotiert man mit dreiwertigen Atomen, so sind nicht alle Paarbindungen zu den
Nachtbaratomen besetzt. Bei Normaltemperatur kann jedoch ein Bildungselektron diesen
Platz besetzen, wobei es seinerseits ein Loch hinterlässt. Beim Anlegen einer Spannung
kommt es zur Bewegung positiver freier Ladungsträger. Man bezeichnet einen so dotierten
Kristall als p-Leiter.
1 zusätzliches Elektron, freies Elektron
Dotiert man einen Halbleiterkristall mit einem fünfwertigen Element, kann sich das fünfte
Elektron nicht an der Paarbindung beteiligen und stehen als Leitungselektronen zur
Verfügung. Bei angelegter Spannung setzt eine Elektronenwanderung ein. Ein solcher Kristall
heißt n-Leiter.
Ein Loch zusätzlich als ein positiver freier Ladungsträger
Stefanie Bestler
Stephan Nonnenmacher
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Allgemein gilt: Ein Stoff ist dann leitend, wenn es freie Ladungsträger gibt!!!
f) 2 leitfähige Stoffe (Kristalle)
p- dotiert
n- dotiert
Loch
Elektronen
Sperrschicht
Rekombination: In diesem Bereich sind keine
freien Ladungsträger mehr. Die Folge: Diese Stelle
ist nicht mehr leitend. Man nennt diese Schicht
Sperrschicht.
Auch die positiven Ladungsträger können in der Modellvorstellung bewegen. Sie bewegen sich durch Paarbildung
und Rekombination.
Die Antidiffusionsspannung verhindert, dass sich die Sperrschicht
Über den ganzen Kristall ausbreitet. Sie beträgt 0,7 Volt.
Entstehung: Wenn aus der n- dotierten Seite Elektronen difundieren,
wird die n- dotierte Seite immer positiver. Dadurch wird die Spannung
immer größer, es kommen keine Elektronen mehr weg.
p- dotiert
n- dotiert
Die Positiven LadungsTräger werden vom neg.Pol angezogen.
Die Elektronen werden
vom Plus- Pol angezogen.
+
Wenn die el. Quelle so angeschlossen ist, wird die Sperrschicht breiter, da die freien
Ladungsträger vom jeweiligen Pol der el. Energiequelle angezogen werden. Dabei ist die
Dicke der Sperrschicht von der Spannung abhängig. Je größer die Spannung, desto dicker die
Sperrschicht.
p- dotiert
n- dotiert
+
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Stephan Nonnenmacher
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Hier ist umgepolt worden. Ab 0,7 V wird die Sperrschicht durchlässig. Die Elektronen
können nun vom Minuspol zum Pluspol fließen.
g) Diode
Schaltzeichen:
Werden p und n- Schicht zusammengebracht, entsteht eine Diode.
Die Diode ist ein elektrisches Bauelement welches den Strom in eine Richtung
durchfließen lässt und den entgegengesetzt fließenden Strom sperrt. Sie wirkt wie ein
elektrisches Ventil .
Sie besteht aus Halbleiterwerkstoffen wie Silizium, Germanium und Selen, aus einer PSchicht und einer N-Schicht, die an den Enden mit metallischen Kontakten versehen sind.
Der Anschluss an der P-Schicht heißt Anode, der Anschluss an der N-Schicht Katode.
Die Diode ermöglicht es einerseits eine große Sperrspannung zu erzeugen und anderseits
bereits bei geringen Spannungen in Durchlassrichtung Strom fließen zu lassen. Sie können
zur Gleichrichtung von Wechselspannung eingesetzt werden.
Kennzeichnung:
Die Katode einer Diode ist oft durch einen Ring gekennzeichnet.
Des Weiteren ist sie mit Buchstaben und einer Nummer gekennzeichnet.
Bsp.: B C 140
Der erste Buchstabe steht für den Halbleiterwerkstoff (B = Silizium;
Germanium; ...).
Der zweite Buchstabe steht für die Art des Bauelements (C= NF-Transistor;
Diode; ...).
Die Ziffernfolge steht für die laufende Nummerierung.
A=
A=
Dioden gehören neben den Transistoren zu den wichtigsten Halbleiterbauteilen mit einem
großen Anwendungsbereich. Sie werden häufig eingesetzt zur Gleichrichtung (Ventilwirkung:
Sie lassen den Strom nur in einer Richtung durch.) und Begrenzung von Strömen, zur
Stabilisierung von Spannungen, zum Schutz von Geräten vor Verpolung und Überlastung und
als lichtaussendende Bauteile für Anzeigezwecke.
Damit man weiß, in welcher Richtung eine Diode eingebaut werden muss, werden kleine
Dioden an der Kathodenseite mit Farbringen gekennzeichnet. Der Ring wird an den negativen
Pol der Spannungsquelle angeschlossen werden. Nur so ist die Diode in Durchlassrichtung
geschaltet.
Stefanie Bestler
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h) Leuchtdiode
Leuchtdioden, kurz LED (Light Emitting Diode), sind lichtaussendende Dioden. Während des
Elektronenstroms in Durchlassrichtung werden die Elektronen von Löchern eingefangen.
Hierbei wird Energie in Form von Licht frei. Die Farbe des Lichtes ist vom Halbleitermaterial
abhängig. Häufig sind die Gehäuse in der Farbe des Lichts eingefärbt.
Zur Kennzeichnung der LED sind die Gehäuse an einer Kathodenseite abgeflacht, bzw. sind
die Anschlussdrähte zur Kathode kürzer.
Die Durchlassspannung der roten LED beträgt zwischen 1,6V und 1,8V, bei grünen und
gelben liegt die Durchlassspannung bei 2,4V bis 3,2V.
Bei der Berechnung nimmt man den max. Durchlassstrom von 20mA an. Grundsätzlich
werden LED mit Vorwiderständen betrieben. Ob der Widerstand vor oder nach der LED
liegt, spielt keine Rolle.
Die Kennlinie einer Diode:
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Stephan Nonnenmacher
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i) Gleichrichter
Kennlinie Wechselspannung:
U
+
t
Die Spannung ist an beiden Punkten gleich groß, aber die Polarität ist vertauscht!
Beachte:
- Die Wechselstrom entsteht durch die die Drehbewegung des Ankers.
- Wechselstrom ist in der Technik so wichtig, da er sich ohne Probleme in höhere Spannungen
transferieren lässt. Beim el. Energietransport geht weniger el. Energie in Form von Wärme
verloren.
- Ein Elektromotor läuft nicht mit Wechselstrom.
Damit ein Elektromotor durch Wechselstrom betrieben werden kann, muss er in Gleichstrom
verwandelt werden. Dies geschieht durch Gleichrichter.
1) Einweggleichrichter:
U
+
U
+
t
-
+
-
t
-
Die Diode lässt die Elektronen nur in eine Richtung fließen. Dadurch entsteht eine
Pulsierende Gleichspannung. Problem: In der halben Zeit fließt kein Strom.
Analogie zum Wechselstrom: Wenn man einen Kolben einer Luftpumpe hin und her
bewegt, bewegt sich auch die Luft hin und her. Luftpumpe ~ Wechselstrom
Das Fahrradventil entspricht der Diode im Stromkreis. Sie lässt die Elektronen nur in eine
Richtung.
Exkurs:
Leistung= Drehzahl* Drehmoment
2) Zweiweggleichrichter:
Er funktioniert auf dem Prinzip eines Trafos.
++
U
U
t~
-+
+-
t
-+
1. Schritt /2. Schritt
Das Selbe mit Hilfe eines Kondensators:
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Stephan Nonnenmacher
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U
U
t
~
Je größer die der Kondensator ist, desto kleiner werden die Wellen. Man spricht hier auch
vom Glätten von Energieströmen. Hier kann ein Vergleich mit einem Kompressor und
seinem Druckbehälter gezogen werden. Je größer der Druckbehälter, desto gleichmäßiger
fließt die Luft. Weiteres Analogon: Topf am Auspuff.
3) Brückengleichrichter
+
U
-
U
t
t
+
Hier geht es nicht runter, da untern schon Elektronen fließen.
In jedem Computer sind Brückengleichrichter eingebaut.
j) Transistor
man bezeichnet ihn auch als Schalter.
Grundschaltung:
Kollektor C
n- Schicht
Basis B
p- Schicht (ist sehr dünn)
Emitter E
n- Schicht
Sperrschicht
Steuerstromkreis IB
(Basisstromkreis)
Arbeitsstromkreis IC
(Kollektorstromkreis)
Der untere pn- Übergang (Übergang Emitter- Basis) wird in Durchlassrichtung
geschaltet. Dabei wird die Sperrschicht zwischen Emitter und Basis abgebaut. Dazu
muss mindestens eine Spannung von 0,7V zwischen Basis und Emitter anliegen. Liegt
diese Spannung an, fließen Elektronen vom Emitter zur Basis.
Manche Elektronen sind zu schnell, um die Kurve zum Steuerstromkreis zu
bekommen . Sie treffen auf die obere Sperrschicht (Basis- Kollektor). Dadurch wird
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Stephan Nonnenmacher
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diese Sperrschicht dünner und dünner, bis sie ganz weg ist. Nun kann der Arbeitsstrom
fließen.
Der Steuerstromkreis hat die Aufgabe, den Arbeitsstromkreis zu steuern.
Wird der Steuerstromkreis unterbrochen, fehlen die Löcher die unter Sperrschicht
wird geschlossen. Der Arbeitsstromkreis wird unterbrochen.
ein leitender Transistor benimmt sich wie ein Stück Draht.
Es gibt 2 verschiedene Transistoren:
npn
pnp
C
C
B
B
E
E
Transistor in Wirklichkeit
Stromverstärkungsfaktor B
I C = B * IB
Beispiel:
IB = 0,2 mA
IC = 100 mA
B = 200
B ist von Transistor zu Transistor unterschiedlich. (kann in Datenbüchern nachgelesen
werden)
Exkurs:
Widerstandsbestimmung:
B = 100
R
IB
10V
0,7V
IC = 1A
Am Transistor liegen 0,7V an.
Es folgt:
IB = 0,01A
R = 9,3V
= 930
0,01A
Stefanie Bestler
Stephan Nonnenmacher
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k) Lichtschrankenschaltung
LDR
(PhotowiderStand)
Licht fällt ein
Der LDR- Widerstand nimmt ab.
Steuerstrom fließt
Arbeitsstrom fließt, die Lampe kann leuchten.
l) Dunkelschaltung
Wenn Licht auf den LDR fällt, ist sein Innenwiderstand gering. Deshalb kann am
Transistor die nötige Spannung zur Durchschaltung nicht aufgebaut werden.
Sobald kein Licht mehr auf den LDR fällt, wird sein Innenwiderstand groß, am
Transistor kann die nötige Spannung von 0,7V aufgebaut werden. Der Transistor
wird leitend.
m) Kondensator
Kondensatoren sind elektronische Bauteile aus 2 voneinander isolierten Metallflächen. Wird
eine der Metallflächen eine positive Spannung gelegt, an die andere eine negative Spannung,
so fließt kurzzeitig ein Strom und lädt den Kondensator auf, bis zwischen den Metallflächen
die Ladespannung herrscht.
Die aufgebrachte el. Ladung bleibt erhalten, auch wenn die Spannungsquelle abgeschlossen
wird. Der aufgeladene Kondensator wirkt nun wie eine kleine Spannungsquelle. Wird nun ein
el. Gerät angeschlossen, so entlädt sich der Kondensator.
Die Aufnahmefähigkeit der Kondensatoren hängt von der Größe der Metallflächen und vom
verwendeten Isoliermaterial ab.
Die Einheit der Kapazität C ist das Farad F.
Das Schaltzeichen des Kondensators:
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Stephan Nonnenmacher
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Einsatzmöglichkeiten von Kondensatoren:
Siebkondensator: Glätten von welliger Gleichspannung
Entstörungskondensator an Motoren/ Schaltern
Schutzkondensator, sie schlucken Spannungsspitzen
Gleichspannung sperren, Wechselspannung durchlassen
Kopplung zwischen Verstärkerstufen
Frequenzweiche; Trennen verschiedener Wechselspannungen
Zeitschaltungen; Einschalt- , Ausschaltverzögerungen
Elektronische Tonerzeugung; Radiotechnik
Unfallgefahr:
Mit hoher Spannung geladene Kondensatoren können lebensgefährliche Schläge erteilen.
Überhöhte Spannung und falsche Polung führen zu Erhitzung und Explosion!!
n) Treppenlichtautomat
Ist der Kondensator entladen, dann liegt am Transistor 0,7V und am Widerstand 9,3V
an.
Der Kondensator lädt sich auf, z.B. 5V am Kondensator, 0,7V am Transistor uns somit
4,3V am Widerstand.
Kondensator ist geladen. Zwischen Kondensator und Transistor liegt nur noch ein
Volt. Sperrschicht entsteht zwischen Emitter und Basis. Es kann kein
Arbeitsstrom mehr fließen.
Durch den Drücker wird der Kondensator entladen. Der Prozess beginnt von vorne.
o) Verzögertes Einschalten
Stefanie Bestler
Stephan Nonnenmacher
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Diese Lampe leuchtet so lange nicht, bis am Kondensator eine Spannung von 0,7V
anliegt.
Zu Beginn liegt am Kondensator 0V an UBE (Spannung zwischen Emitter und
Basis) auch 0V.
Der Kondensator wird nun geladen. Dabei steigt die Spannung am Kondensator sowie
am Transistor UBE steigt. Die Sperrschicht wird dünner.
Ab 0,7V wird der Transistor leitend. Der Arbeitsstrom kann fließen.
Die Spannung am Kondensator steigt nicht weiter als 0,7V, da der Strom den Weg
über den Transistor nimmt.
Die Zeit, bis der Arbeitsstrom fließt ist von 2 Faktoren abhängig:
o Von der Kapazität des Kondensators:
o Von der Größe des Widerstands Unterschiedlich großer Ladungsstrom.
p) Selbsthalteschaltung
Einstellbarer Widerstand
Reset
Wenn ein externes Licht auf den LDR trifft, wird dieser leitend. Ein Basisstrom kann
fließen.
Dadurch wird der Transistor leitend, der Arbeitsstrom fließt Leuchtdioden
leuchten.
Das Licht der Leuchtdioden genügt, damit der LDR durchlässig bleibt.
Um das Licht auszuschalten, muss man den Resetknopf drücken.
Exkurs:
Schließer:
Öffner:
q) Hinführung zur Flip Flop- Schaltung
1. Schritt:
-
+
0,7V
Stefanie Bestler
Stephan Nonnenmacher
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Zu Beginn fließen die Elektronen zum Kondensator, der unaufgeladen ist.
Der Kondensator lädt sich auf 0,7V auf. damit liegt die Spannung am Transistor
auch bei 0,7V. der Transistor wird leitend. Basis und Arbeitsstrom können fließen.
das Lämpchen leuchtet.
(Wird die Stromzufuhr von der Quelle unterbrochen, dann fließen die Elektronen vom
Kondensator über den Transistor zum Pluspol. Dies geschieht aber nur äußerst kurz,
bis die Spannung unter 0,7V abfällt.)
2. Schritt:
a)
b)
-
+
0,7V
+
5,3V
Der Kondensator ist auf 0,7V aufgeladen.
Wenn man ihn oben anschließt entlädt er sich.
Danach lädt sich der Kondensator umgekehrt wieder auf 5,3V auf.
Das Lämpchen leuchtet weiterhin????????????
2. Schritt:
+ 5,3V
Nun wird der Pluspol des Kondensators an den Minuspol der Quelle angeschlossen.
Der Kondensator entlädt sich.
Der Transistor bekommt eine dicke Sperrschicht, da der falsche Pol an der Basis
anliegt.
Wenn der Kondensator spannungslos ist, fängt das Ganze von vorne an.
r) Flip Flop
RL2
L2
RL1
L1
R2
C2
R1
T2
C1
Stefanie Bestler
Stephan Nonnenmacher
T1
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Bei der Flip- Flop- Schaltung ist zu Beginn einer der Kondensatoren geladen. Wir
nehmen an das C1 geladen ist. Somit kann vom Minuspol über T1, C1, L2 und RL2 ein
Basisstrom zum Pluspol fließen. Da der Basisstrom zu gering ist leuchtet L2 nicht.
Durch den Basisstrom wird der Transistor T1 leitend und es fließt ein Arbeitsstrom
durch T1, L1 und RL1. Die Lampe L1 leuchtet. Außerdem fließt ein kleiner Strom vom
Minuspol über T1, C2 und R2 zum Pluspol, wodurch C2 der eine Spannung von -9,3V
hat auf 0,7V aufgeladen wird. Dadurch steigt die Basisspannung an T2. Erreicht sie
0,7V wird T2 leitend, dadurch fließt sofort ein Arbeitsstrom über T2, L2 und RL2 zum
Pluspol. Die Lampe L2 leuchtet.
Zur selben Zeit entlädt sich der Kondensator C1 und lädt sich anders herum gepolt
auf -9,3V auf, da der Kondensator über T2 mit dem Minuspol und über RL1 mit dem
Pluspol verbunden ist.
Jetzt liegt am Transistor T1 eine Spannung von -9,3V an. Dadurch bekommt er eine
riesige Sperrschicht und sperrt.
Der Basisstrom von T2 fließt über T2, L1 und RL1 zum Pluspol, allerdings ist er zu
gering, so dass die Lampe L1 nicht leuchtet.
In dem Moment in dem der Transistor T2 leitend wird, fängt der Kondensator C1
wieder an sich von -9,3V auf 0,7V aufzuladen.
Der Kondensator C1 ist über den leitenden Transistor T2 mit Minuspol und über R1
mit dem Pluspol verbunden.
Wenn der Kondensator C1 auf 0,7V aufgeladen ist und somit am Transistor T1 eine
Basisspannung anliegt, wird dieser leitend und der ganze Vorgang beginnt von
vorne.
s) Platinenbearbeitung
Die Bahnen auf den Platinen können unterschiedlich aufgebracht werden.
In der Industrie galvanisch
Stefanie Bestler
Stephan Nonnenmacher
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Kosy
Ätzen
UV- Lichtbestrahlung
Die Platinen sind mit 35µ dicken Kupferschicht bezogen.
Bearbeitung:
Die Bahnen werden mit wasserfesten Edding auf die Kupferschicht gezeichnet.
Ätzen mit:
Ammoniumperoxidsulfad
Eisen Chlorid (Die Dämpfe lassen alles rosten, was in der Nähe ist.)
Die Ätzmittel müssen auf ca. 60°C erwärmt werden.
Platine reinigen mit Nitro
Mit Lötlack einsprühen, es verhindert Korrosion.
Wir wünschen euch viel Erfolg und Spaß in diesem Seminar!!!!
Stefanie Bestler
Stephan Nonnenmacher
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