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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 1 2. Einfhrung in die Elektronik Der Begriff Elektronik Ursprnglich die Theorie und Praxis der Elektronenbewegungen und -steuerung in Gasen und im Vakuum Heute alle Zweige von Wissenschaft und Technik, die sich mit physikalischen Vorgngen und technischen Anwendungen der Elektronenleitung im Vakuum, in Gasen und in Festkrpern befassen Spezielle Richtungen: z.B. Mikroelektronik, Unterhaltungselektronik oder Leistungselektronik. Historisches Einer der wesentlichen Auslser der industriellen Revolution des vorigen Jahrhunderts war die Erfindung und Anwendung der Energie- oder Arbeitsmaschine. Die krperliche Arbeit reduzierte sich und nahm einen anderen Charakter an. Die Produktion von Gtern einschlielich von technisch nutzbarer Energie erfolgte in vllig neuen Dimensionen. Mit diesen neuen Dimensionen stellten sich neue Aufgaben - die Steuerung der Prozesse. Das war die Geburt der Me- Steuer- und Regelungstechnik. Zunchst wurden mechanische, hydraulische und pneumatische Steuerungen erfunden und genutzt. Die Anwendung der Elektrizitt war auf Beleuchtungs-, Antriebs- und Galvanisierungszwecke gerichtet. Bald jedoch stellte sich heraus, da elektrische Systeme schneller, billiger und zuverlssiger arbeiten konnten. Die Aufgabe der Elektronik war damit gestellt. Die nchste industrielle Revolution, die wir selbst als Computerisierung des gesamten Lebens erleben, war vorbereitet. Nach der bertragung der krperlichen Arbeit auf die Maschine in der ersten industriellen Revolution, bertragen wir der Maschine gegenwrtig groe Bereiche unserer geistigen Ttigkeiten. Ein Ende ist noch nicht abzusehen.

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 2 Die Entwicklung der technischen Mittel erfolgte etwa in folgenden Schritten: 1809: Smmering 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 Elektronenrhre. Mit diesem steuerbaren Widerstand legt er den Grundstein fr die Entwicklung der Elektronik fr etwa 45 Jahre. Die weitere Entwicklung der Elektronik lt sich an Hand ihrer Gerte gut verdeutlichen. 1. Generation elektronischer Gerte Einsatz der Verstrkerrhre 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 Elektronenrhre hlt dem Vergleich mit dem Transistor nur noch in wenigen speziellen Anwendungsbereichen Stand. Transistoren sind als steuerbare Festkrperwiderstnde zuverlssiger, kleiner, Energie sparender, mechanisch einfacher aufgebaut und in Massen billiger herzustellen. Es entfllt die bei der Rhre 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 Gert zeigten sich rumliche, thermische, wirtschaftliche und Zuverlssigkeitsprobleme. Ihre Lsung fhrte zur nchsten Gertegeneration

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 3 3. Generation Das angesprochene Problem begann Noyce zu lsen, 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 Normalitt. Wie diese Entwicklung weitergehen wird, lt sich nicht mit Sicherheit vorhersagen. In den Laboratorien der Industrielnder wird fieberhaft an der Erhhung des Integrationsgrades, an der Entwicklung neuer Bauelemente, Speichermedien usw. gearbeitet. Wir spren fast tglich, da neue technische Lsungen angeboten werden, oftmals allerdings ohne wirkliche Existenzchance.

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 4 Das Prinzip der Signalverarbeitung Die Signalkette Signaleingabe Signal- verarbeitung Signal- speicherung Signalausgabe optische akustische kinematische thermische chemische optische akustische kinematische thermische chemische elektrische Eingangssignale Ausgangssignale BegriffeSignal: Physikalische Gre, die Bedeutung haben kann. Daten: Codierte Informationen. Information: Menschliche Wahrnehmung oder Idee. Maschinen verarbeiten Signale und Daten

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 5 Lebewesen und Maschinen sind in der Lage, die unterschiedlichsten Signale aus ihrer Umwelt wahrzunehmen und auf sie zu reagieren. Um Signale zu verstehen, mu man ihre Bedeutung kennen. Signale sind physikalische Gren mit Bedeutung. Als physikalische Gren besitzen sie Symbol, Wert und Einheit. Signale sind an stoffliche oder energetische Trger oder an beides gebunden. SignalTrgerphysikalische GreEinheitBeispiel fr Vorgang therm- isch WrmeTemperatur T K, CTemperatur messen optischLicht Wellenlnge, Beleuchtungsstrke E nm, lxAmpel schalten, Helligkeit steuern mecha- nisch Gas Nockenwelle Druck p, Radius r Pa, mDruck messen, Ventile steuern akus- tisch SchallFrequenz fHzSprache hrenelek- trisch ElektrizittSpannung U Stromstrke I V, ASpannung messen, Strom schalten che- misch StoffeKonzentration%Alkoholgehalt bestimmen

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 6 Signale besitzen einen Wertevorrat und sind unterschiedlich verfgbbar. Verfgbarkeit Wertevorrat kontinuierlich Der Wert des Signals wird stndig abgefragt diskontinuierlich Der Wert des Signals wird nur zu bestimmten Zeit- punkten abgefragt analog Innerhalb der ge- gebenen Grenzen kann das Signal jeden Wert an- nehmen digital Das Signal kann nur eine fest- gelegte Anzahl von Werten an- nehmen t E t U t T P t

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 7 Bauelemente Integrierte Schaltkreise Widerstnde Kontakt- und Verbindungselemente Analog- Schaltkreise Digital- Schaltkreise Widerstnde deren Wert von einer physikalischen Gre gesteuert wird Widerstnde mit konstantem Widerstandswert Analog- Digitalschaltkreise Digital- Analogschaltkreise Leiterplatten Schalter Steckverbindungen u.a. Definition: Elektronische Bauelemente sind funktionell und konstruktiv bestimmbare Grundglieder von elektronischen Funktionseinheiten (Baugruppen). 2.1 Elektronische Bauelemente

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 8 Widerstnde Definition: Widerstnde sind elektronische Bauelemente, die den elektrischen Energieflu in einem definierten Ma hemmen. D.h., sie begrenzen Strme und erzeugen Spannungsabflle, wobei sie elektrische Energie in Wrme umwandeln. Ohmsche Widerstnde Symbol: R Einheit: 1 V/A = 1 abgewandelte Einheiten: 1 M = 10 3 k = 10 6 = 10 9 m Festwiderstand U Kennlinie: I I und U sind zueinander proportional R3R3 R2R2 R1R1 stetig verstellbarer Widerstand einstellbarer Widerstand Widerstand allgemein Drahtwiderstand

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 9 Thermische Belastbarkeit Die von jedem Widerstand umgewandelte Elektroenergie in Wrme wird als Verlustleistung P v bezeichnet. Systemisch gesehen ergibt sich zur Funktion von Widerstnden folgendes Modell: R Q=Pv PePa

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 10 Widerstnde, deren Wert durch eine physikalische Gre gesteuert wird - Nichtlineare Widerstnde Temperaturabhngige Widerstnde - Thermistoren Heissleiter sind Widerstnde mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (TC), also kurz - einem NTC. Bei Kaltleitern liegen die Verhltnissen genau umgekehrt. Sie haben deshalb einen PTC, einen positiven TC. Symbol: R T Einheit: 1 R T = aktueller Widerstandswert bei T R 0 : Widerstandswert bei T = 20 C b : Energiekonstante Schaltzeichen - + Heileiter Kaltleiter R

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 11 Lichtabhngige Widerstnde Fotowiderstnde Fotowiderstnde sind Widerstnde, deren Wert von der Beleuchtungsstrke E abhngt. Symbol: R F Einheit: 1 Schaltzeichen: R E R F ist proportional zu E c: Materialkonstante -1 c -0,5 E: Beleuchtungsstrke in lx (Lux) Ausfhrungsformen: PbS (Bleisulfid) oder CdS (Kadmiumsulfid) im Kunststoffgehuse.

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 12 Spannungsabhngige Widerstnde - Varistoren Kennlinie: +U-U +I -I I = KU K: geometrieabhngige Konstante in AV -1 : Nichtlinearittsexponent Schaltzeichen: U

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 13 Magnetfeldabhngige Widerstnde - Feldplatten R B R0R0 R 0 : Grundwiderstand Schaltzeichen B

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 14 Frequenzabhngige Widerstnde Kondensatoren Grundeigenschaft: Speicherfhigkeit von elektrischen Ladungen (elektrisches Feld) - Kapazitt C. Platten Dielektrikum (Isolator) Abgewandelte Einheiten:1F = 10 6 F = 10 9 nF = 10 12 pF Kapazitt allgemein: Kapazitt Plattenkondensator: Einheit: Strom-Spannungs-Beziehung: Durch einen Kondensator fliet nur ein Strom bei nderung der Spannung. Bei Gleichspannung fliet kein Strom. Je schneller die nderung, desto grer die Stromstrke.

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 15 X C : Blindwiderstand eines Kondensators f: Frequenz Blind- und Scheinwiderstand des Kondensators Durch Messung und Berechnung kann bei sinusfrmigen Wechselgren der Scheinwiderstand Z ermittelt werden. Die Beziehung beschreibt das frequenzabhngige Verhalten von Kondensatoren bei sinusfrmigen Wechselgren. Kennlinie Der Scheinwiderstand Z entsteht durch den ohmschen Widerstand R des Dielektrikums. XCXC f R XCXC

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 16 Frequenzabhngige Widerstnde Spulen Grundeigenschaft: Zeitlich begrenzte Speicherfhigkeit des magnetischen Feldes - Induktivitt L. Abgewandelte Einheiten:1H = 10 3 mH = 10 6 H In einer Spule entsteht nur eine Induktionsspannung, wenn sich die Stromstrke ndert. Die Induktionsspannung wirkt dem flieenden Strom wie ein Widerstand (X L ) entgegen. Bei Gleichstrom entsteht keine Induktionsspannung. Je schneller die Stromnderung, desto grer die Induktionsspannung. Induktivitt allgemein: Einheit: Strom-Spannungs-Beziehung: Induktivitt der Spule: gewickelter Draht Eisenkern

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 17 X C : Blindwiderstand einer Sule f: Frequenz Blind- und Scheinwiderstand der Spule Durch Messung und Berechnung kann bei sinusfrmigen Wechselgren der Scheinwiderstand Z ermittelt werden. Die Beziehung beschreibt das frequenzabhngige Verhalten von Spulen bei sinusfrmigen Wechselgren. XLXL f Kennlinie Der Scheinwiderstand Z entsteht durch den ohmschen Widerstand R des Spulendrahtes. R XLXL

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 18 Stromrichtungsabhngige Widerstnde - Dioden Dioden sind Widerstnde, deren Widerstandswert von der Stromrichtung abhngt. Sie sind in der Lage. sehr verschiedene Funktionen zu erfllen. Dioden besitzen einen pn - bergang, der je nach Funktion in seiner Ausfhrung variieren kann. Grundstzlich sind Dioden wie alle bisher betrachteten Widerstnde als Zweipolanordnungen mit Ventilverhalten aufzufassen. Kennlinie IFIF UFUF URUR IRIR I S :Sttigungsstrom: 10 -15 bis 10 -6 A U T :Temperaturspannung, bei 20 C 25,84 V I F : Strom in Flussrichtung im mA- bis A-Bereich U F : Spannung in Flussrichtung bis 1,5 V U S : Schleusenspannung 0,7 V Si-Dioden, 0,3 V Ge-Dioden I R : Strom in Sperrrichtung im nA- bis A-Bereich U R : Spannung in Sperrrichtung bis einige 1000 V mglich Schaltzeichen:

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 19 Betriebsarten: 1. Durchlassrichtung: UB IFIF UFUF 2. Sperrrichtung UB IRIR URUR Um das Verhalten einer Diode zu erklren, eignet sich das folgende Ersatzschaltbild: r F : diff. Wid. in Flussrichtung r R : diff. Wid. in Sperrrichtung U S = 0,7V Durchbrche: Dioden sind nicht grenzenlos belastbar. Das gilt fr den Betrieb in Sperr- und auch in Durchlassrichtung. Whrend bei berlastung in Durchlassrichtung die entstehende Stromwrme die Diode zerstrt, kann die in Sperrrichtung durch die intensiven elektrischen Felder hoher Spannungen geschehen. Solche Erscheinungen nennt man Durchbrche: Durchbruch 1. Art bedeutet, dass der Spannungsabfall ber der Diode bei sehr intensiver Erhhung des Sperrstromes nahezu konstant bleibt. Das Bauelement wird erst dann zerstrt, wenn der Sperrstrom ein bestimmtes Ma bersteigt. Der Vorgang ist also reversibel. Durchbruch 2. Art bedeutet, dass bei berschreitung einer bestimmten Sperrspannung die Diode zerstrt wird. Sie verliert ihren Sperrwiderstand, der Spannungsabfall ber ihr bricht zusammen.

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 20 Strom- und Spannungsgesteuerte Widerstnde - Transistoren Transistoren werden in der Fachliteratur als aktive Bauelemente bezeichnet. Die Vorteile des Transistors gegenber der Elektronenrhre sind:Kleinheit geringe Betriebsspannung hhere Zuverlssigkeit lngere Lebensdauer geringer Preis Arten: bipolare und unipolare Transistoren Um technische Funktionen zu erfllen, bentigen Transistoren eine uere Beschaltung. Diese erst versetz den Transistor in Betriebsbereitschaft. Der Transistor als Vierpol Schaltzeichen Emitter Basis Kollektor U BE ICIC IBIB U CE Merke: Die Symbole von Stromstrken werden mit einem, die von Spannungsabfllen mit zwei Indizes angegeben. Gleichstromverstrkung B. fr groe Signalefr kleine Signale

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 21 Ersatzschaltbild BC EE U BE ICIC U CE IBIB r BE g CE I B Eingangs- widerstand R e Ausgangs- widerstand R a Betriebsparameter Basis - Emitter - Spannung U BE : etwa 0,7 V Basisstromstrke I B einige 10 A bis einige mA Kollektor - Emitter - Spannung U CE einige V bis einige 100 V Kollektorstromstrke I C einige mA bis einige A Kennlinie des Transistors R CE = f (I B ) R CE IBIB IBIB ICIC U CE

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 22 Aufnahme des Kennlinienfeldes 1. Eingangskennlinie I B =f(U BE ); U CE : Parameter 2. Ausgangskennlinienfeld I C =f(U CE ); I B : Parameter 3. Strombertragungskennlinie I C =f(I B ); U CE : Parameter U BE U CE IBIB I C U CE IBIB I B1 =0 I C /mA 10 8 6 4 2 0,2 0,4 0,6 0,8 U BE /V 2 4 6 8 10 U CE /V I B / A 120 100 80 60 40 20 I B2 I B5 I B4 I B3 I B6

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 23 Prototyp (Forschungsmodell) Bauelemente 1948 John Bardeen (1908 - 1991), hinten links Walter Brattain (1902 - 1987) rechts gehren zu den von William Shokley (1910 - 1989), sitzend, geleiteten Forschungsteam in den Bell Telephon Laboratories in den USA. Sie erhielten fr ihre Erfindung den Nobelpreis.

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WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein Elektronik/Elektrotechnik 2. Elektronik 2.1 Elektronische Bauelemente 24 4. Berechnen Sie fr die gegebene Schaltung alle Spannungsabflle, alle Stromstrken und die Verlustleistungen der Widerstnde. 5. Thermistoren werden u.a. als Sensoren verwendet. Dazu ist die folgende Schaltung geeignet. Die Temperatur des Thermistors ndert sich von 20C auf 80C. Entnehmen Sie der Kennlinie des Bauelements die zugehrige Widerstandsnderung. Berechnen Sie wie im ersten Beispiel alle Spannungsabflle fr den kalten und den Warmen Zustand. Geben Sie die nderung des Spannungsabfalls U A an! R in k 5 10 in C 50 100150 R 1 =10k NTC UB=12V R 1 =1,8k R 2 =500 UB=10V I ges I2I2 I1I1 U 1 = 10 V U 2 = 10 V I 1 = 20 mA I 2 = 5,56 mA I ges = 25,6 mA R ges = 390,6 - UAUA U R120 = 5,49 V U NTC20 = 6,51 V U R180 = 8,6 V U NTC80 = 3,4 V P R120 = 2,9 mW P NTC20 = 3,5 mW P R180 = 7,3 mW P NTC80 = 2,9 mW U A = 3,11 V Aufgaben