2. Grundlagen der Elektronik

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

2 S p a n n u n g – S p a n n u n g s a b f a l l
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 + F s R I UR + _ Spannung liegt an Spannung fällt ab Spannung wird erzeugt durch: Spannungsabfall wird erzeugt durch: Induktion Elektrochemie Optoelektrik Thermoelektrik Strom durch einen Widerstand 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. Elektrische Ströme sind immer dann möglich, wenn frei bewegliche Ladungsträger existieren, also in Metallen oder Flüssigkeiten oder Gasen oder im Vakuum. Die Einheit der elektrischen Stromstärke ist das Ampere (A). 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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik

4 U  I 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“. Dabei ist der Widerstand R der Proportionalitätsfaktor und das Gesetz lautet in der üblichen Schreibweise: U  I Die Einheit des Widerstands ist das Ohm (). 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. 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. UO UR I + - Die Spannung Uo setzt als energetische Antriebsgröße einen Strom I (Strömungsgröße) in Bewegung. I strömt durch alle Teile eines Stromkreises und erzeugt an allen Widerständen R Spannungsabfälle UR. Wirkungsschema: Uo I UR 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! R U I W: Wird ein Widerstand von einem Strom durchflossen, so fällt über dem Widerstand ein Spannungsabfall ab. 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:) UO UR I + - A 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. 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. 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 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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik

8 Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen
UR1 UR2 UR3 Iges I3+ I2 I3+ I2+I1 Iges Uges I3 I2 I1 R3 R2 R1 UR3 UR1 UR2 Uges R3 R2 R1 Warum ist die Spannung bei Parallelschaltung an allen Widerständen gleich? Warum ist die Stromstärke bei Reihen-schaltung in jedem Punkt gleich? Sie sind direkt miteinander verbunden! Der Leitungswiderstand wird vernachlässigt. Für die elektrische Ladung gilt der Erhaltungssatz! Bei Parallelschaltung addieren sich die Leitwerte G. Bei Reihenschaltung verhalten sich die Widerstände wie die Spannungsabfälle. 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 U1:Gleichspannung mit konstantem Betrag u2 : veränderliche Gleichspannung u3: Gleichspannungsimpuls Konstante elektrische Größen werden mit Großbuchstaben bezeichnet (U, I, P). Sind die Größen zeitlich veränderlich und nicht periodisch, verwendet man Kleinbuchstaben (u, i, p) t Wechselspannungen +U U1 periodische Wechselspannung t Bei Wechselgrößen ändern sich periodisch oder nicht periodisch die Richtung der Spannung und damit die Richtung des Stromes. -U 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. 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:) UO UR I + - A 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. 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. 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 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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik

13 Integrierte Schaltkreise
2.2 Elektronische Bauelemente Definition: Elektronische Bauelemente sind funktionell und konstruktiv bestimmbare Grundglieder von elektronischen Funktionseinheiten (Baugruppen). Bauelemente Integrierte Schaltkreise Widerstände Kontakt- und Verbindungselemente Widerständ mit konstantem Widerstandswert Widerstände deren Wert von einer physikalischen Größe gesteuert wird Analog- Schaltkreise Digital- Schaltkreise Leiterplatten Schalter Steckverbindungen u.a. Analog- Digitalschaltkreise Digital-Analogschaltkreise WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik

14 Widerstände Ohmsche 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 Widerstand allgemein Drahtwiderstand U Kennlinie: I I und U sind zueinander proportional R3 R2 R1 Festwiderstand stetig verstellbarer Widerstand einstellbarer Widerstand 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: RF Einheit: 1  RF ist proportional zu E c: Materialkonstante -1  c  -0,5 E: Beleuchtungsstärke in lx (Lux) R E Schaltzeichen: Ausführungsformen: PbS (Bleisulfid) oder CdS (Kadmiumsulfid) im Kunststoffgehäuse. 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: RT Einheit: 1  RT = aktueller Widerstandswert bei T R0: Widerstandswert bei T = 20  C b : Energiekonstante R  Schaltzeichen - + Heißleiter Kaltleiter 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 IF UF UR IR IS:Sättigungsstrom: bis 10-6 A UT:Temperaturspannung, bei 20 C 25,84 V US IF: Strom in Flussrichtung im mA- bis A-Bereich UF: Spannung in Flussrichtung bis 1,5 V US: Schleusenspannung 0,7 V Si-Dioden, 0,3 V Ge-Dioden IR: Strom in Sperrrichtung im nA- bis A-Bereich UR: Spannung in Sperrrichtung bis einige 1000 V möglich Schaltzeichen: Anode Kathode WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik

18 rF: diff. Wid. in Flussrichtung
Betriebsarten: 1. Durchlassrichtung: UB IF UF UB 2. Sperrrichtung IR UR Um das Verhalten einer Diode zu erklären, eignet sich das folgende Ersatzschaltbild: rF: diff. Wid. in Flussrichtung US= 0,7V rR: diff. Wid. in Sperrrichtung 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. 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 Merke: Die Symbole von Stromstärken werden mit einem, die von Spannungsabfällen mit zwei Indizes angegeben. IB IC UBE UCE Gleichstromverstärkung B. für große Signale für kleine Signale WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik

20 Basis - Emitter - Spannung UBE : etwa 0,7 V
IB IC Ersatzschaltbild B C E  UBE UCE Eingangs- widerstand Re Ausgangs- widerstand Ra rBE  IB gCE Betriebsparameter Basis - Emitter - Spannung UBE : etwa 0,7 V Basisstromstärke IB einige 10A bis einige mA Kollektor - Emitter - Spannung UCE einige V bis einige 100 V Kollektorstromstärke IC einige mA bis einige A Kennlinie des Transistors RCE = f (IB) RCE IB IB IC UCE WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik

21 1948 Prototyp (Forschungsmodell) Bauelemente
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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik

22 2.3 Die elektronische Grundstruktur
Das Prinzip der Signalverarbeitung – Die Signalkette Eingangssignale Ausgangssignale optische akustische kinematische thermische chemische optische akustische kinematische thermische chemische elektrische Signal-verarbeitung elektrische Signaleingabe Signalausgabe elektrische Signal-speicherung Begriffe Signal: Physikalische Größe, die Bedeutung haben kann. Daten: Codierte Informationen. Information: Menschliche Wahrnehmung oder Idee. Maschinen verarbeiten Signale und Daten WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik

23 Prinzip der Signaländerung -
Spannungsteiler aus linearem und nichtlinearem Widerstand I UB: Betriebsspannung UB + _ RA RA: Arbeitswiderstand RV RV: Veränderlicher Widerstand Größe X, die den Wider-standswert ändert UA UA: Ausgangsspannung 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) URA R X X RV URV WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik

24 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. Funktion: Symbol: S R Q Vorgang 1 Setzen S R Q 1 Speichern 1 Rücksetzen 1 Speichern 1 Setzen RA1 T1 + _ UB RA2 T2 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. Q Q Q und Q immer entgegengesetzt belegt sein müssen. Das ist nicht zulässig, weil S R WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik

25 Wirkungsweise des RS-Flipflops
RA1 T1 RA2 T2 S R Q S R Q Vorgang RA1 T1 RA2 T2 S R Q 1 Setzen 1 Speichern 1 Rücksetzen IB1max IB1 1 Speichern 1 Setzen Q=L Setzen: S=H IC1max UCE1min Das Rücksetzen erfolgt in analoger Weise! R=L IB2min IC2min UCE2max Q=H Q=L S=L R=L IB1max IC1max IB2min IC2min UCE1min UCE2max Q=H Speichern: Was erfolgt, wenn an S und R ein H angelegt wird? WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik

26 Dimensionierung T1 T2 RA: 1k (Arbeitswiderstand) RA1 RA2 RK1 RK2
RS: 1k (Schutzwiderstand für die Basis-Emitterstrecke) RK: 50k (Koppelwiderstand zur Erhaltung des H-Pegels an der jeweiligen Basis beim Setzen oder Rücksetzen) RS1 RS2 Variante zur Anzeige eines Zustands mit LEDs Berechnung von RA +9V Betriebsspannung UB= 4,5V T1 T2 Betriebswerte der LED: IF=15 mA; UF=2V 160  160  50 k 50 k 1 k 1 k WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik

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

29 Signal-verarbeitung Signal-speicherung
Systeme zur Änderung elektrischer Signale Signaleingabe Signal-verarbeitung Signalausgabe optische akustische kinematische thermische chemische elektrische Eingangssignale Ausgangssignale Signal-speicherung UB + _ RA T IC UE UA IB UCE UA UE UBE WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik

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