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WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – HeinTechnisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 1

2. Grundlagen der Elektronik

2.1 Elektrische Grundgrößen

2.2 Elektronische Bauelemente

2.3 Elektronische Grundstruktur

2.4 Das Flip-Flop

2.5 Leiterplattenentwurf

2.6 Leiterplattenherstellung


2.1 Elektrische Grundgrößen

S p a n n u n g – S p a n n u n g s a b f a l l

Q

WU IRU

_

sFW

Q_ +F

s

Spannung liegt an Spannung fällt ab

Spannung wird erzeugt durch: Spannungsabfall wird erzeugt durch:

Induktion

Elektrochemie

Optoelektrik

Thermoelektrik

Strom durch einen Widerstand

R

IUR+

_


Elektrischer Strom

Elektrische Felder sind in der Lage Ladungsträgerströmungen auszulösen. Deren Größe bezeichnet man als elektrische Stromstärke I.

Die Einheit der elektrischen Stromstärke ist das Ampere (A).

dt

dQI

Elektrische Ströme sind immer dann möglich, wenn frei bewegliche Ladungsträger existieren, also in

• Metallen oder

• Flüssigkeiten oder

• Gasen oder im

• Vakuum.

Umgerechnete Einheiten sind: 106 A = 103 mA = 1 A = 10-3 kA

Merke: Während das Vorhandensein einer elektrischen Spannung immer ein elektrisches Feld voraussetzt, ist jeder elektrische Strom von einem Magnetfeld begleitet.


Elektrischer Widerstand

Ein elektrischer Strom setzt nicht nur eine Spannung voraus, sondern auch einen elektrischen Stromkreis. Ein solcher Stromkreis besteht aus elektrisch leitfähigem Material, das dem Strom einen Widerstand entgegensetzt. Die Spannung und die Stromstärke verhalten sich an elektrischen Widerständen proportional zueinander. Diesen Zusammenhang hat Ohm entdeckt. Deshalb nennt man ihn „Ohmsches Gesetz“.

U I

Dabei ist der Widerstand R der Proportionalitätsfaktor und das Gesetz lautet in der üblichen Schreibweise:

I

UR

Die Einheit des Widerstands ist das Ohm (). 11

1][

A

VR

Umgerechnete Einheiten des Widerstands sind: 103 m = 1 = 10-3k = 10-6M

Wie aus der Beziehung hervorgeht, ist der Widerstand als elektrische Größe zu deuten, denn immer, wenn bei einer Spannung oder einem Spannungsabfall ein Strom fließt, ist auch ein Widerstand vorhanden.

Andererseits ist der Widerstand auch eine Werkstoffeigenschaft, die sich z.B. in deren Einteilung in Nichtleiter (Isolator), Halbleiter und Leiter ausdrückt. Diese Werkstoffeigenschaft wird als spezifischer elektrischer Widerstand (Rho) oder umgekehrt auch als elektrische Leitfähigkeit (Sigma) bezeichnet.


Elektrischer Stromkreis

Werden Spannungsquelle und Widerstand miteinander verbunden, entsteht ein elektrischer Stromkreis, der von einem Strom mit der Stromstärke I durchströmt wird.

UO UR

I

+

-

Die Spannung Uo setzt als energetische Antriebsgröße einen Strom I (Strömungsgröße) in Bewegung.

Merke: Physikalische und technische Stromrichtung sind entgegengesetzt

Obwohl sich die Ladungsträger, in diesem Fall Elektronen; vom Minuspol (Ladungsträgerüberschuss) zum Pluspol (Ladungsträgermangel) bewegen, wurde als technische Stromrichtung die Bewegung von Plus nach Minus festgelegt. Diese Festlegung muss man bei der Erklärung elektrischer Zusammenhänge konsequent befolgen. Im anderen Fall sind Verwirrungen unvermeidbar!

I strömt durch alle Teile eines Stromkreises und erzeugt an allen Widerständen R Spannungsabfälle UR.

Wirkungsschema: Uo I UR

W: Wird ein Widerstand von einem Strom durchflossen, so fällt über dem Widerstand ein Spannungsabfall ab.

R

UI


Messen der Stromstärke

Um einen Strom zu messen, muß der Stromkreis grundsätzlich aufgetrennt werden!

(Die Stromstärke wird in einem Punkt gemessen:)

Ein Stromstärkemesser ist ein Gerät und besitzt deshalb auch Widerstandseigenschaften. Bei der Messung wird der Stromkreis gestört, weil sich durch das Einfügen des Messgerätes der Gesamtwiderstand erhöht. Dadurch wird das Messergebnis verfälscht. Über dem Strommesser selbst fällt, weil er einen Widerstand besitzt, eine Spannung ab.

UO UR

I

+

-

A

Der innere Widerstand Rm eines Strommessgeräts soll möglichst klein sein; der Idealfall wäre

mit Rm= 0 erreicht! Solche Messgeräte gibt es nicht.

Bei vielen Anwendungen kann man aber den Innenwiderstand eines Stromstärkemessgerätes vernachlässigen.


Messung der Spannung und des Spannungsabfalls

Bei einer Spannungsmessung muss der Stromkreis nicht geöffnet werden!

I

UO

+

-

A

V

Vielmehr wird der Spannungsmesser so geschaltet, dass die Spannung der Spannungsquelle oder der Spannungsabfall über dem Widerstand gemessen wird.

Auch Spannungsmesser stören den Stromkreis. Wie aus dem Bild zu erkennen ist, fließt nicht nur ein Strom durch den Widerstand, sondern auch durch den Spannungsmesser.

Der innere Widerstand Rm eines Spannungsmessers soll möglichst hoch sein; der Idealfall

wäre mit Rm = erreicht.

Zur Messung von Stromstärke und Spannung werden häufig sogenannte elektronische Vielfachmessgeräte oder Multimeter verwendet. Diese sind so ausgelegt, dass die durch ihre Eigenschaften bedingten Messfehler sehr klein sind und überwiegend vernachlässigt werden können. Darüber hinaus bieten sie fast immer die Möglichkeit der Widerstandsmessung.


UgesUges UR3

UR1UR2

UR1UR2UR3

R3 R2 R1

R3 R2 R1

IgesI3+ I2

321 IIII ges

321 RRRges UUUU

321 RRRRges

321 RIRIRIU ges

321 RRRges UUUU

321 R

U

R

U

R

UI gesgesgesges

321 IIII ges

GR

1

321 GGGGges

321

1111

RRRRges

I3+ I2+I1

Bei Reihenschaltung verhalten sich die Widerstände wie die Spannungsabfälle.

Warum ist die Stromstärke bei Reihen-schaltung in jedem Punkt gleich?Für die elektrische Ladung gilt der Erhaltungssatz!

Warum ist die Spannung bei Parallelschaltung an allen Widerständen gleich?

Sie sind direkt miteinander verbunden! Der Leitungswiderstand wird vernachlässigt.

Iges

I1

Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen

I3I2

Bei Parallelschaltung addieren sich die Leitwerte G.


Zeitliches Verhalten von Spannung und Stromstärke

Je nach Erzeugungsart können Spannungen und Ströme ihre Beträge und ihre Richtung ändern oder nicht. Grundsätzlich werden Gleich- und Wechselspannung bzw. Gleich- und Wechselstrom unterschieden. Diese Größen werden über der Zeit dargestellt. Die folgenden Diagramme zeigen Beispiele für das zeitliche Verhalten von Strömen und Spannungen.

Gleichspannungen

U

t

U1:Gleichspannung mit konstantem Betrag

u2 : veränderliche Gleichspannung

u3: Gleichspannungsimpuls

Wechselspannungen

t

+U

U1 periodische Wechselspannung

Konstante elektrische Größen werden mit Großbuchstaben bezeichnet (U, I, P).

Sind die Größen zeitlich veränderlich und nicht periodisch, verwendet man Kleinbuchstaben (u, i, p)

Bei Wechselgrößen ändern sich periodisch oder nicht periodisch die Richtung der Spannung und damit die Richtung des Stromes.

-U


Prüfen und Messen elektrischer Größen

Das Prüfen und Messen erfolgt zur Informationsgewinnung über den Betriebszustand, das Verhalten oder die Einsatzbereitschaft elektrotechnischer und elektronischer Systeme. Ebenso dient es der Qualitätskontrolle, Fehlersuche und experimentellen Bestimmung von Parametern.

Prüfen: Vergleichen eines vorhandenen Ist- Zustands mit einem festgelegten

Soll- oder Bezugszustand um feststellen, ob diese Vergleichszu stände im Rahmen einer vorgegebenen Toleranz übereinstimmen.

Prüfergebnisse sind daher grundsätzlich Ja - Nein - Entscheidungen.

Messen: Vergleichen einer Messgröße X mit ihrer Einheit E, um festzustellen,

wie oft E in X einhalten ist.

Messen bedeutet also, in der Gleichung X = x E die Zahl x (Maßzahl) zu bestimmen.


Messen der Stromstärke

Um einen Strom zu messen, muss der Stromkreis grundsätzlich aufgetrennt werden!

(Die Stromstärke wird in einem Punkt gemessen:)

Ein Stromstärkemesser ist ein Gerät und besitzt deshalb auch Widerstandseigenschaften. Bei der Messung wird der Stromkreis gestört, weil sich durch das Einfügen des Messgerätes der Gesamtwiderstand erhöht. Dadurch wird das Messergebnis verfälscht. Über dem Strommesser selbst fällt, weil er einen Widerstand besitzt, eine Spannung ab.

UO UR

I

+

-

A

Der innere Widerstand Rm eines Strommessgeräts soll möglichst klein sein; der Idealfall wäre

mit Rm= 0 erreicht! Solche Messgeräte gibt es nicht.

Bei vielen Anwendungen kann man aber den Innenwiderstand eines Stromstärkemessgerätes vernachlässigen.


Messung der Spannung und des Spannungsabfalls

Bei einer Spannungsmessung muss der Stromkreis nicht geöffnet werden!

I

UO

+

-

A

V

Vielmehr wird der Spannungsmesser so geschaltet, dass die Spannung der Spannungsquelle oder der Spannungsabfall über dem Widerstand gemessen wird.

Auch Spannungsmesser stören den Stromkreis. Wie aus dem Bild zu erkennen ist, fließt nicht nur ein Strom durch den Widerstand, sondern auch durch den Spannungsmesser.

Der innere Widerstand Rm eines Spannungsmessers soll möglichst hoch sein; der Idealfall

wäre mit Rm = erreicht.

Zur Messung von Stromstärke und Spannung werden häufig sogenannte elektronische Vielfachmessgeräte oder Multimeter verwendet. Diese sind so ausgelegt, dass die durch ihre Eigenschaften bedingten Messfehler sehr klein sind und überwiegend vernachlässigt werden können. Darüber hinaus bieten sie fast immer die Möglichkeit der Widerstandsmessung.


Bauelemente

Integrierte SchaltkreiseWiderstände Kontakt- undVerbindungselemente

Analog- Schaltkreise

Digital- Schaltkreise

Widerstände deren Wert von einer physikalischen Größe gesteuert wird

Widerständ mit konstantem Widerstandswert

Analog- DigitalschaltkreiseDigital-Analogschaltkreise

LeiterplattenSchalter

Steckverbindungenu.a.

Definition: Elektronische Bauelemente sind funktionell und konstruktiv bestimmbare Grundglieder von elektronischen Funktionseinheiten (Baugruppen).

2.2 Elektronische Bauelemente


Widerstände

Definition: Widerstände sind elektronische Bauelemente, die den elektrischen Energiefluß in einem definierten Maß hemmen. D.h., sie begrenzen Ströme und erzeugen Spannungsabfälle, wobei sie elektrische Energie in Wärme umwandeln.

Ohmsche Widerstände

Symbol: R

Einheit: 1 V/A = 1

abgewandelte Einheiten: 1 M = 103k = 106 = 109 m

Festwiderstand

U

Kennlinie:

I

I und U sind zueinander proportional

R3

R2

R1

stetig verstellbarer Widerstand

einstellbarer Widerstand

A

lR

I

UR

Widerstand allgemein

Drahtwiderstand


Lichtabhängige Widerstände – Fotowiderstände

Fotowiderstände sind Widerstände, deren Wert von der Beleuchtungsstärke E abhängt.

Symbol: RF

Einheit: 1

Schaltzeichen:

R

E

RF ist proportional zu Ec: Materialkonstante -1 c -0,5E: Beleuchtungsstärke in lx (Lux)

Ausführungsformen: PbS (Bleisulfid) oder CdS (Kadmiumsulfid) im Kunststoffgehäuse.


Temperaturabhängige Widerstände - Thermistoren

Heissleiter sind Widerstände mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (TC), also kurz - einem NTC.

Bei Kaltleitern liegen die Verhältnissen genau umgekehrt. Sie haben deshalb einen PTC, einen positiven TC.

Symbol: RT

Einheit: 1

)11(

00 TTb

T eRR

cTT eRR 0

RT = aktueller Widerstandswert bei T

R0: Widerstandswert bei T = 20 C

b : Energiekonstante

Schaltzeichen

-

+

Heißleiter

Kaltleiter

R


Stromrichtungsabhängige Widerstände - Dioden

Dioden sind Widerstände, deren Widerstandswert von der Stromrichtung abhängt. Sie sind in der Lage. sehr verschiedene Funktionen zu erfüllen.

Dioden besitzen einen pn - Übergang, der je nach Funktion in seiner Ausführung variieren kann.Grundsätzlich sind Dioden wie alle bisher betrachteten Widerstände als Zweipolanordnungen mit Ventilverhalten aufzufassen.

T

F

U

U

SF eII Kennlinie IF

UFUR

IR

IS:Sättigungsstrom: 10-15 bis 10-6 AUT:Temperaturspannung, bei 20 C 25,84 V

IF: Strom in Flussrichtung im mA- bis A-BereichUF: Spannung in Flussrichtung bis 1,5 VUS: Schleusenspannung 0,7 V Si-Dioden, 0,3 V Ge-DiodenIR: Strom in Sperrrichtung im nA- bis A-BereichUR: Spannung in Sperrrichtung bis einige 1000 V möglich

Schaltzeichen:

Anode Kathode

US


Betriebsarten:

1. Durchlassrichtung:

UB

IFUF

Um das Verhalten einer Diode zu erklären, eignet sich das folgende Ersatzschaltbild:

rF: diff. Wid. in Flussrichtung

rR: diff. Wid. in SperrrichtungUS= 0,7V

Durchbrüche: Dioden sind nicht grenzenlos belastbar. Das gilt für den Betrieb in Sperr- und auch in Durchlassrichtung. Während bei Überlastung in Durchlassrichtung die entstehende Stromwärme die Diode zerstört, kann die in Sperrrichtung durch die intensiven elektrischen Felder hoher Spannungen geschehen. Solche Erscheinungen nennt man Durchbrüche:

Durchbruch 1. Art bedeutet, dass der Spannungsabfall über der Diode bei sehr intensiver Erhöhung des Sperrstromes nahezu konstant bleibt. Das Bauelement wird erst dann zerstört, wenn der Sperrstrom ein bestimmtes Maß übersteigt. Der Vorgang ist also reversibel.

Durchbruch 2. Art bedeutet, dass bei Überschreitung einer bestimmten Sperrspannung die Diode zerstört wird. Sie verliert ihren Sperrwiderstand, der Spannungsabfall über ihr bricht zusammen.

UB

2. Sperrrichtung

IR

UR


Strom- und Spannungsgesteuerte Widerstände - Transistoren

Transistoren werden in der Fachliteratur als aktive Bauelemente bezeichnet.Die Vorteile des Transistors gegenüber der Elektronenröhre sind: Kleinheit

geringe Betriebsspannunghöhere Zuverlässigkeitlängere Lebensdauergeringer Preis

Arten: bipolare und unipolare Transistoren

Um technische Funktionen zu erfüllen, benötigen Transistoren eine äußere Beschaltung. Diese erst versetz den Transistor in Betriebsbereitschaft.

Der Transistor als VierpolSchaltzeichen

Emitter

Basis

Kollektor

UBE

ICIB

UCE

Merke:Die Symbole von Stromstärken werden mit einem, die von Spannungsabfällen mit zwei Indizes angegeben.

Gleichstromverstärkung B.B

c

I

IB

C

B

dI

dI

für große Signale für kleine Signale


Ersatzschaltbild B C

E E

UBE

IC

UCE

IB

rBE gCE IB

Eingangs-

widerstand Re

Ausgangs-

widerstand Ra

Betriebsparameter

Basis - Emitter - Spannung UBE : etwa 0,7 VBasisstromstärke IB einige 10A bis einige mAKollektor - Emitter - Spannung UCE einige V bis einige 100 VKollektorstromstärke IC einige mA bis einige A

Kennlinie des Transistors

RCE = f (IB)

RCE

IB

C

CEE I

UR

IB

IC

UCE


Prototyp

(Forschungsmodell)

Bauelemente

1948

John Bardeen (1908 - 1991), hinten links

Walter Brattain (1902 - 1987) rechts gehören zu den von William Shokley (1910 - 1989), sitzend, geleiteten Forschungsteam in den Bell Telephon Laboratories in den USA.

Sie erhielten für ihre Erfindung den Nobelpreis.


Das Prinzip der Signalverarbeitung – Die Signalkette

SignaleingabeSignal-

verarbeitung

Signal-speicherung

Signalausgabe

optischeakustischekinematische

thermischechemische


thermischechemische

elektrische

elektrische

elektrische

Eingangssignale Ausgangssignale

Begriffe Signal: Physikalische Größe, die Bedeutung haben kann.

Daten: Codierte Informationen.

Information: Menschliche Wahrnehmung oder Idee.

Maschinen verarbeiten Signale und Daten

2.3 Die elektronische Grundstruktur


Prinzip der Signaländerung -

Spannungsteiler aus linearem und nichtlinearem Widerstand

RA

RA: Arbeitswiderstand

RV

RV: Veränderlicher Widerstand

UB: Betriebsspannung

UB

+

_

UA

UA: Ausgangsspannung

Größe X, die den Wider-standswert ändert

1. Variante: Der nichtlineare Widerstand hat eine negative Charakteristik wie z.B. Thermistoren, Fotowiderstände und – dioden, Transistoren aber auch Kondensatoren (bei C ist die Schaltung mit Wechselspannung zu betreiben)

R

X

X RV

URV

URA

I

I

RVRAB UUU


2.4 Das RS-Flipflop

Ein Flipflop ist eine Speicherschaltung, die in der Lage ist, 1 Bit zu speichern.

Das bedeutet, dass sich diese Schaltung entweder eine 1 oder eine 0 merkt.

Symbol: Funktion:

S

R

Q

Q

1 0 1 0 Setzen

0 0 1 0 Speichern

0 1 0 1 Rücksetzen

1 0 1 0 Setzen

S R Q Q Vorgang

0 0 0 1 Speichern

RA1

T1

RA2

T2

+

_

UB

S R

QQ

Die beiden Eingänge S und R dürfen nicht gleichzeitig mit einer 1 (H-Pegel) belegt werden, weilbeide Ausgänge eine 0 (L-Pegel) führen würden.Das ist nicht zulässig, weil Q und Q immer entgegengesetzt belegt sein müssen.


Wirkungsweise des RS-Flipflops

1 0 1 0 Setzen

0 0 1 0 Speichern

0 1 0 1 Rücksetzen

1 0 1 0 Setzen

S R Q Q Vorgang

0 0 0 1 Speichern

Setzen: S=H

R=L

IC1max

IB2min IC2min

UCE1min

UCE2max

Q=L

Q=H

Speichern: Q=LS=L

R=L

IB1maxIC1max

IB2min IC2min

UCE1min

UCE2max Q=H

Das Rücksetzen erfolgt in analoger Weise!

Was erfolgt, wenn an S und R ein H angelegt wird?

RA1

T1

RA2

T2

S R

QQ

IB1max

IB1

RA1

T1

RA2

T2

S R

QQ


RA: 1k (Arbeitswiderstand)

Dimensionierung

T1 T2

RS2

RK: 50k (Koppelwiderstand zur Erhaltung des H-Pegels an der jeweiligen Basis beim Setzen oder Rücksetzen)

RA1 RA2

RK2RK1

RS1

RS: 1k (Schutzwiderstand für die Basis-Emitterstrecke)

Variante zur Anzeige eines Zustands mit LEDs

+9VBetriebsspannung UB= 4,5V

Berechnung von RA

16610166,01015

5,2

15

25,4 33 A

V

A

V

mA

VV

I

UUBR

F

FA

160 160 50 k

1 k1 k

50 k

Betriebswerte der LED: IF=15 mA; UF=2V

T1 T2



X RV

URV

URA

I

RVRAB UUU

2. Variante: Der nichtlineare Widerstand hat eine positive Charakteristik wie z.B. PTC – Thermistoren, Feldplatten oder Spulen.

R

X

I

RV: Veränderlicher Widerstand

RV

RA

RA: Arbeitswiderstand

UB: Betriebsspannung

UB

+

_

UA

UA: Ausgangsspannung

Größe X, die den Wider-standswert ändert


Systeme zur Änderung elektrischer Signale

SignaleingabeSignal-

verarbeitungSignalausgabe


thermischechemische


thermischechemische

elektrische

elektrische

elektrische

Eingangssignale Ausgangssignale

Signal-speicherung

UB

+

_UBE

IB

RA

TUCE UA

IC

UE

UEUA





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