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WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 1 2. Grundlagen der Elektronik 2.1 Elektrische.

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2 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches 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

3 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 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 _ + 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 I URUR + _

4 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 3 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). Elektrische Ströme sind immer dann möglich, wenn frei bewegliche Ladungsträger existieren, also in Metallen oder Flüssigkeiten oder Gasen oder im Vakuum. Umgerechnete Einheiten sind: 10 6 A = 10 3 mA = 1 A = kA Merke: Während das Vorhandensein einer elektrischen Spannung immer ein elektrisches Feld voraussetzt, ist jeder elektrische Strom von einem Magnetfeld begleitet.

5 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 4 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: Die Einheit des Widerstands ist das Ohm ( ). Umgerechnete Einheiten des Widerstands sind: 10 3 m = 1 = k = M 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.

6 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 5 Elektrischer Stromkreis Werden Spannungsquelle und Widerstand miteinander verbunden, entsteht ein elektrischer Stromkreis, der von einem Strom mit der Stromstärke I durchströmt wird. UOUO URUR 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 U R. Wirkungsschema: Uo I U R W: Wird ein Widerstand von einem Strom durchflossen, so fällt über dem Widerstand ein Spannungsabfall ab. R U I

7 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 6 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. UOUO URUR I + - A Der innere Widerstand R m eines Strommessgeräts soll möglichst klein sein; der Idealfall wäre mit R m = 0 erreicht! Solche Messgeräte gibt es nicht. Bei vielen Anwendungen kann man aber den Innenwiderstand eines Stromstärkemessgerätes vernachlässigen.

8 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 7 Messung der Spannung und des Spannungsabfalls Bei einer Spannungsmessung muss der Stromkreis nicht geöffnet werden! I UOUO + - 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 R m eines Spannungsmessers soll möglichst hoch sein; der Idealfall wäre mit R m = 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.

9 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 8 U ge s U R3 U R1 U R2 U R1 U R2 U R3 R3R3 R2R2 R1R1 R3R3 R2R2 R1R1 I ges I3+ I2I3+ I2 I3+ I2+I1I3+ 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. I ges I1I1 Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen I3I3 I2I2 Bei Parallelschaltung addieren sich die Leitwerte G.

10 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 9 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 U 1 :Gleichspannung mit konstantem Betrag u 2 : veränderliche Gleichspannung u 3 : Gleichspannungsimpuls Wechselspannungen t +U U 1 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

11 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 10 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 Vergleichszu­stände 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.

12 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 11 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. UOUO URUR I + - A Der innere Widerstand R m eines Strommessgeräts soll möglichst klein sein; der Idealfall wäre mit R m = 0 erreicht! Solche Messgeräte gibt es nicht. Bei vielen Anwendungen kann man aber den Innenwiderstand eines Stromstärkemessgerätes vernachlässigen.

13 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 12 Messung der Spannung und des Spannungsabfalls Bei einer Spannungsmessung muss der Stromkreis nicht geöffnet werden! I UOUO + - 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 R m eines Spannungsmessers soll möglichst hoch sein; der Idealfall wäre mit R m = 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.

14 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 13 Bauelemente Integrierte SchaltkreiseWiderständeKontakt- und Verbindungselemente Analog- Schaltkreise Digital- Schaltkreise Widerstände deren Wert von einer physikalischen Größe gesteuert wird Widerständ 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). 2.2 Elektronische Bauelemente

15 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 14 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 = 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

16 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 15 Lichtabhängige Widerstände – Fotowiderstände Fotowiderstände sind Widerstände, deren Wert von der Beleuchtungsstärke E abhängt. Symbol: R F Einheit: 1 Schaltzeichen: R E R F ist proportional zu E c: Materialkonstante -1 c -0,5 E: Beleuchtungsstärke in lx (Lux) Ausführungsformen: PbS (Bleisulfid) oder CdS (Kadmiumsulfid) im Kunststoffgehäuse.

17 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 16 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: R T Einheit: 1 R T = aktueller Widerstandswert bei T R 0 : Widerstandswert bei T = 20 C b : Energiekonstante Schaltzeichen - + Heißleiter Kaltleiter R

18 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 17 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. Kennlinie IFIF UFUF URUR IRIR I S :Sättigungsstrom: bis 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 möglich Schaltzeichen: Anode Kathode USUS

19 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 18 Betriebsarten: 1. Durchlassrichtung: UB IFIF UFUF Um das Verhalten einer Diode zu erklären, eignet sich das folgende Ersatzschaltbild: r F : diff. Wid. in Flussrichtung r R : diff. Wid. in Sperrrichtung U S = 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 IRIR URUR

20 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 19 Strom- und Spannungsgesteuerte Widerstände - Transistoren Transistoren werden in der Fachliteratur als aktive Bauelemente bezeichnet. Die Vorteile des Transistors gegenüber der Elektronenröhre sind:Kleinheit geringe Betriebsspannung höhere Zuverlässigkeit längere Lebensdauer geringer 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 Vierpol Schaltzeichen Emitter Basis Kollektor U BE ICIC IBIB U CE Merke: Die Symbole von Stromstärken werden mit einem, die von Spannungsabfällen mit zwei Indizes angegeben. Gleichstromverstärkung B. für große Signalefür kleine Signale

21 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 20 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 Basisstromstärke I B einige 10 A bis einige mA Kollektor - Emitter - Spannung U CE einige V bis einige 100 V Kollektorstromstärke I C einige mA bis einige A Kennlinie des Transistors R CE = f (I B ) R CE IBIB IBIB ICIC U CE

22 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 21 Prototyp (Forschungsmodell) Bauelemente 1948 John Bardeen ( ), hinten links Walter Brattain ( ) rechts gehören zu den von William Shokley ( ), sitzend, geleiteten Forschungsteam in den Bell Telephon Laboratories in den USA. Sie erhielten für ihre Erfindung den Nobelpreis.

23 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 22 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 Größe, die Bedeutung haben kann. Daten: Codierte Informationen. Information: Menschliche Wahrnehmung oder Idee. Maschinen verarbeiten Signale und Daten 2.3 Die elektronische Grundstruktur

24 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 23 Prinzip der Signaländerung - Spannungsteiler aus linearem und nichtlinearem Widerstand RARA R A : Arbeitswiderstand RVRV R V : Veränderlicher Widerstand U B : Betriebsspannung UBUB + _ UAUA U A : 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 RVRV U RV U RA I I

25 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 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 1010Setzen 0010Speichern 0101Rücksetzen 1010Setzen SRQQVorgang 0001Speichern R A1 T1T1 R A2 T2T2 + _ UB S R Q Q Die beiden Eingänge S und R dürfen nicht gleichzeitig mit einer 1 (H-Pegel) belegt werden, weil beide Ausgänge eine 0 (L-Pegel) führen würden. Das ist nicht zulässig, weil Q und Q immer entgegengesetzt belegt sein müssen.

26 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 25 Wirkungsweise des RS-Flipflops 1010Setzen 0010Speichern 0101Rücksetzen 1010Setzen SRQQVorgang 0001Speichern Setzen: S=H R=L I C1max I B2min I C2min U CE1min U CE2max Q=L Q=H Speichern: Q=L S=L R=L I B1max I C1max I B2min I C2min U CE1min U CE2max Q=H Das Rücksetzen erfolgt in analoger Weise! Was erfolgt, wenn an S und R ein H angelegt wird? R A1 T1T1 R A2 T2T2 S R Q Q I B1max I B1 R A1 T1T1 R A2 T2T2 S R Q Q

27 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 26 R A : 1k (Arbeitswiderstand) Dimensionierung T1T1 T2T2 R S2 R K : 50k (Koppelwiderstand zur Erhaltung des H-Pegels an der jeweiligen Basis beim Setzen oder Rücksetzen) R A1 R A2 R K2 R K1 R S1 R S : 1k (Schutzwiderstand für die Basis-Emitterstrecke) Variante zur Anzeige eines Zustands mit LEDs +9V Betriebsspannung UB= 4,5V Berechnung von R A k 1 k 50 k Betriebswerte der LED: I F =15 mA; U F =2V T1T1 T2T2

28 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 27

29 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 28 XRVRV U RV U RA I 2. Variante: Der nichtlineare Widerstand hat eine positive Charakteristik wie z.B. PTC – Thermistoren, Feldplatten oder Spulen. R X I R V : Veränderlicher Widerstand RVRV RARA R A : Arbeitswiderstand UB: Betriebsspannung UBUB + _ UAUA U A : Ausgangsspannung Größe X, die den Wider- standswert ändert

30 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 29 Systeme zur Änderung elektrischer Signale Signaleingabe Signal- verarbeitung Signalausgabe optische akustische kinematische thermische chemische optische akustische kinematische thermische chemische elektrische Eingangssignale Ausgangssignale Signal- speicherung UB + _ U BE IBIB RARA T U CE UAUA ICIC UEUE UEUE UAUA

31 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 30

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