HalbleiterDie elektrische Leitfähigkeit der Halbleiter liegt zwischen der von Metallen und Isolatoren.Sie ist jedoch stark abhängig von:• mechanische Kraft (beeinflusst die Beweglichkeit der Ladungsträger) • Temperatur (Zahl und Beweglichkeit der Ladungsträger) • Belichtung (Zahl der Ladungsträger) • zugefügten Fremdstoffen (Zahl und Art der Ladungsträger)

Bei Raumtemperatur ist die Leitfähigkeit der Halbleiter gering. Führt man Energie in Form von Wärme, Licht, Spannung, oder magnetischer Energie hinzu, so ändert sich die Leitfähigkeit.Die Empfindlichkeit der Halbleiter auf Druck, Temperatur und Licht macht sie zu geeigneten Sensoren.

Si, GaAs Fotozelle, Solarzelle

InSb, InAs Hallgenerator, Feldplatte

GaAs, InAs, InSb Laserdiode

SiC, GaP, GaAs, InAs, InSb LED, Display

Si, Ge, GaAs NTC-Widerstand

Ge, Si Dehnungsmessstreifen

Ge, Si, GaAs Diode, Transistor, integrierter Schaltkreis

Halbleiterwerkstoffe Anwendung/Bauelemente

Si = Silizium,Ge = Germanium,GaAs = Galliumarsenid,InAs = Indiumarsenid,InSb = Indiumantimon,GaP = Galliumphosphor,SiC = Siliziumcarbon

Begriffe

Wenn in reines Silizium Aluminium (Al) eingebaut wird, fehlt pro Aluminiumatom ein Elektron (Defektelektronen/Löcher p-Leiter).Schließt man eine Stromquelle an den p-Leiter an, so fließen Elektronen vom Minus-Pol in den p-Leiter und re-kombinieren mit den Löchern. Der Plus-Pol entzieht nun dem p-Leiter die Elektronen und es fließt ein Löcherstrom von Plus nach Minus.

P-Dotierung

Durch Wärmezufuhr oder Lichteinstrahlung können auch undotierte Halbleiter freie Ladungsträger erzeugen. Mit steigender Temperatur nimmt die Zahl der Elektronen-Loch-Paare im Quadrat zu.

Grenzen für die maximale Betriebstemperatur in elektronischen Geräten: Germanium (90...100 °C), Silizium (150...200 °C), Galliumarsenid (300..350 °C)

Eigenleitung

Wenn in reines Silizium Phosphor (P) eingebaut wird, stehen pro Phosphoratom ein freies Elektron zur Verfügung (freies Elektron n-Leiter).Schließt man eine Stromquelle an den n-Leiter an, so entzieht der Plus-Pol dem n-Leiter die Elektronen, und es entsteht ein Elektronenstrom von Minus nach Plus.

N-Dotierung

Einbau von Fremdatomen in den reinen Halbleiterwerkstoff (z.B. Silizium und Germanium)Dotierung

BeschreibungBegriff

Halbleiterdiode

Diode in DurchlassrichtungWird die Diode in Durchlassrichtung betrieben, so liegt die p-Schicht am Plus-Pol und die n-Schicht am Minus-Pol. Die Löcher der p-Schicht werden vom Plus-Pol abgestoßen, die Elektronen der n-Schicht werden vom Minus-Pol abgestoßen. Die Grenzschicht wird nun mit freien Ladungsträgern überschwemmt. Über den PN-Übergang hinweg fließt ein Strom durch die Diode.

Diode in SperrichtungWird die Diode in Sperrrichtung betrieben, so liegt die p-Schicht am Minus-Pol und die n-Schicht am Plus-Pol.Die Löcher der p-Schicht werden vom Minus-Pol angezogen, die Elektronen der n-Schicht werden vom Plus-Pol angezogen. Dadurch vergrößert sich die Grenzschicht und es können keine Ladungsträger durch sie hindurch.

Diodenkennlinien

Normale Diode- Einsatz: Gleichrichter

Z-Diode- relative hohe Dotierung sehr dünne Sperrschichten- oberhalb einer bestimmten Sperrspannung (Durchbruch- oder Zener-

Spannung) steigt der Strom steil an (innere Feldemission, feldstärkebedingtes Ablösen der Valenzelektronen bzw. Stoßionisation, Lawineneffekt)

- Einsatz: Spannungsstabilisierung, Überlastschutz

Tunneldiode- wird Dotierung weiter erhöht extrem dünne Sperrschichten- Sperrspannung kann nun „durchtunnelt“ werden- Einsatz: Schwingungserzeugung

TemperaturabhängigkeitDie Durchlassspannung einer Diode ändert sich linear mit etwa -2mV pro Grad Celsius (°C).

Temperaturmessgerät

Spezielle Dioden

StromerzeugungSolarzellen sind wie Halbleiterdioden aufgebaut. Die p-Schicht liegt an der Oberfläche und ist sehr dünn, so daßdas Sonnenlicht bis in die Grenzschicht des pn-Überganges durchdringen kann. Durch das eindringende Licht werden Elektronen aus dem Halbleiterkristall herausgelöst und wandern im elektrischen Feld der Grenzschicht in die n-Schicht des Halbleiters.

Solarzelle

AnzeigeDie Leuchtdiode, auch LED (Light Emitting Diode) genannt, ist eine Halbleiterdiode, die beim Betrieb in Durchlassrichtung Licht erzeugt(emittiert). Dabei gibt ein Halbleiterkristall ein Lichtsignal ab, das durch die linsenförmige Form des Kopfes gebündelt bzw. gestreut wird.

Leuchtdiode

Lichtmessung, Lichtschranken, Positionierung und Fernsteuerung mit Infrarotstrahlung (Fernbedienung).

Die Fotodiode ist eine Halbleiterdiode die in Sperrrichtung betrieben und aus Silizium oder Germanium hergestellt wird. Der pn-Übergang der Fotodiode ist dem Licht besonders gut zugänglich. Bei einfallendem Licht entstehen freie Elektronen und Löcher. Die freien Löcher und Elektronen erhöhen den Sperrstrom proportional zur Lichtintensität.

Fotodiode

AnwendungBeschreibungTyp

MessgleichrichterEin Drehspulmesswerk arbeitet nur mit Gleichstrom !

Zur Messung von Wechselspannungen und Wechselströmen müssen diese zunächst gleichgerichtet werden. Prinzipiell kann dazu ein üblicher Vierweggleichrichter eingesetzt werden. Problematisch ist dabei allerdings das Verhalten bei kleinen Spannungen. Jede Diodenkennlinie zeichnet sich durch einen deutlichen Knick bei der Durchlassspannung aus. Auch bei kleinen Strömen gehen so an einer Si-Diode mindestens 0,5V verloren. Unterhalb dieser Spannung ist keine Gleichrichtung möglich. Mit einem Vierweggleichrichter ergibt sich ein Spannungsabfall von etwa 1V. Der Einsatz ist daher nur bei der Messung sehr hoher Spannungen sinnvoll. Bei einem Messbereich bis 250V ist der Fehler durch den Gleichrichter tolerierbar.

Vierweg-Messgleichrichter Spitzenwertgleichrichter(Ausgangsspannung auf Masse bezogen)

Messgleichrichter (aktiv)Durch den Einsatz eines Messverstärkers lässt sich der Einfluss des Messgleichrichters fast vollständig eliminieren

Transistor

Normale Transistoren haben eine npn- oder pnp-Schichtenfolge (bipolare Transistoren) und bestehen in der Regel aus Silizium (selten aus Germanium oder Mischkristallen).Jeder bipolare Transistor besteht aus drei dünnen Halbleiterschichten, die übereinander gelegt sind und mit metallischen Anschlüssen versehen sind.Die Anschlüsse heißen: Kollektor (C), Emitter (E) und Basis (B). Die Basis ist die Steuerelektrode und gegenüber den beiden anderen Schichten besonders dünn.

Durch das Anlegen einer Spannung UBE (z.B. 0,7V), ist die untere Diode (Prinzip) in Durchlassrichtung geschaltet. Die Elektronen gelangen in die p-Schicht und werden von dem Plus-Pol der Spannung UBE angezogen. Da die p-Schicht sehr klein ist, wird nur ein geringer Teil der Elektronen angezogen. Der größte Teil der Elektronen bewegt sich weiter in die obere Grenzschicht. Dadurch wird diese leitend und der Plus-Pol der Spannung UCE zieht die Elektronen an. Es fließt ein Kollektorstrom IC. Bei üblichen Transistoren fließen etwa 99% der Elektronen von Emitter zum Kollektor. In der Basisschicht wird etwa 1% der Elektronen abgeführt.

Funktionsweise eines NPN-Transistors

Eigenschaften

UCE Kollektor-Emitter-SpannungUBE Basis-Emitter-Spannung (Schellwert)IC KollektorstromIB Basisstrom

Eigenschaften des NPN-Transistors• Der Kollektorstrom IC fließt nur, wenn auch ein Basisstrom IB fließt. • Wird der Basistrom IB verändert, nimmt auch der Kollektorstrom IC einen anderen Wert an. Der Transistor

wirkt dabei wie ein elektrisch gesteuerter Widerstand. • Der Kollektorstrom IC ist um ein vielfaches von 20 bis 10000 mal größer als der Basisstrom IB. Diesen

Größenunterschied nennt man Stromverstärkung B, und lässt sich aus dem Verhältnis IC zu IB berechnen. • Ein Basisstrom kann erst dann fließen, wenn die Spannung an der Basis-Emitter-Strecke(-Diode) den

Schwellwert von 0,6V erreicht hat. • Die Stromverstärkung bleibt bei schwankender Kollektor-Emitterspannung UCE weithin konstant, sofern diese

Spannung über 4 V liegt. • Mittels einer Hilfsspannung UBE kann der Schwellwert vorab eingestellt werden. Dieses Vorgehen wird als

Arbeitspunkteinstellung bezeichnet. Um die eingestellte Spannung kann nun der Basisstrom den Kollektorstrom steuern.

Grundschaltungen

kleinmittelsehr großLeistungsverstärkung

10 ... 4000 fach

Operationsverstärker (1)Nicht jede Verstärkungsaufgabe lässt sich optimal mit einfachen Transistoren lösen. Operationsverstärker (OPV) sind integrierte Schaltungen (IC) mit mehreren Transistoren und Widerständen.

Prinzipschaltung eines Operationsverstärkers

Ein OPV besitzt zwei Eingänge und einen Ausgang. Die Differenz der beiden Eingangsspannungen wird sehr hoch verstärkt. Verstärkungen von 100000-fach sind üblich. Die Genauigkeit der Eingangsstufe ohne speziellen Abgleich ist bei einfachen Typen etwa 1mV. Intern besteht die Schaltung aus einem Differenzverstärker und einer Ausgangsstufe. Man kann also eine vergleichbare Schaltung auch aus Einzeltransistoren aufbauen.

Schaltsymbol OPV

Die Eingänge des OPV bezeichnet man als invertierenden Eingang (-) und als nicht-invertierenden Eingang (+). Ein guter Operationsverstärker soll einen großen Eingangsspannungsbereich haben und soll nicht auf die absolute Eingangsspannung, sondern nur auf die Differenz der Eingangsspannungen reagieren.

Operationsverstärker (2)

OPV als Verstärker

Ein OPV kann verwendet werden, um eine Eingangsspannung um den Faktor V zu verstärken. Dazu verwendet man eine Gegenkopplung mit Widerständen. Die Ausgangsspannung stellt sich automatisch so ein, dass die Eingangsspannungen praktisch gleich sind. Jede kleine Abweichung führt nämlich zu einer großen Änderung der Ausgangsspannung und wird durch die Gegenkopplung schnell ausgeglichen. Die Differenz der Eingangsspannungen ändert sich dabei wegen der hohen Verstärkung fast nicht. Man kann daher vereinfachend sagen, die Spannungen an den Eingängen sind gleich.Praktisch findet man jedoch eine konstante, kleine Differenz, die auf nicht exakt gleiche Eingangstransistoren zurückzuführen ist. Dieser Offset-(Nullpunkt)-Fehler beträgt z.B. 1mV.

2

21

RRRV +=

Verstärkung:

Invertierender OPV1

2

RRV −=

Ein OPV kann verwendet werden, um eine Eingangsspannung zu invertieren. Der nicht-invertierende Eingang des OPV wird dazu an Masse gelegt. Die Spannung am invertierenden Eingang stellt sich ebenfalls auf Null ein. Verwendet man zwei gleiche Widerstände im Gegenkoppelzweig, dann stellt sich bei einer Eingangsspannung von +1V eine Ausgangsspannung von -1V ein, so dass die Spannung am invertierenden Eingang gerade Null ist.

Operationsverstärker (3)

Die meisten OPV arbeiten in einem begrenzten Spannungsbereich mit einem gewissen Abstand zur Versorgungsspannung. Einige Typen sind durch besondere Eingangsschaltungen dafür optimiert, bis an die negative Versorgungsspannung heran zu arbeiten. Sie kommen daher mit einer einfachen Stromversorgung aus. So kann z.B. der doppelte OPV LM358 ebenso wie der vierfache OPV LM324 mit einer einzigen Versorgungsspannung von +3V betrieben werden und eignet sich daher für Batteriebetrieb.

Obwohl der OPV speziell als Gleichspannungsverstärker konzipiert ist, eignet er sich auch zur Verstärkung von Wechselspannungen, also z.B. als Mikrofonverstärker. Bei einfacher Versorgungsspannung legt man meist eine künstliche Mittenspannung z.B. mit der halben Betriebsspannung fest. Die Schaltung verhält sich dann so, als hätte sie eine positive und eine negative Versorgungsspannung.

Ein einfacher Messverstärker für Batteriebetrieb Ein Mikrofonverstärker mit OPV (NF-Vorverstärker)

Operationsverstärker (4)

Wie jeder Verstärker, so lässt sich auch der OPV zur Erzeugung von Schwingungen einsetzen. Dazu ist eine Rückkopplung auf den nicht-invertierenden Eingang erforderlich. Ohne besondere Maßnahmen wird der Verstärker übersteuern und ein Rechtecksignal liefern.

Mit OPVs lassen sich auch Lautsprecherverstärker aufbauen. Zwar ist der maximale Ausgangsstrom mit ca. 10mA nur für einfache Kopfhörerverstärker geeignet, mit zwei zusätzlichen Transistoren ergibt sich jedoch immer noch ein einfacher Aufbau. Die Transistoren bilden eine Gegentaktendstufe mit dem Ruhestrom Null. Kleine Signale werden direkt vom OPV geliefert. Erst bei Ausgangsströmen über 10mA beginnen die Endstufenstransistoren zu verstärken.

RechteckgeneratorSinusgenerator

Will man ein reines Sinus-Signal erzeugen, dann muss die Verstärkung begrenzt werden. Zwei Dioden im Gegenkoppelzweig verringern die Verstärkung, sobald ihre Schwellspannung von ca. 0,5V erreicht wird. Durch geeignete Hoch- und Tiefpassfilter im Rückkoppelzweig lässt sich die Frequenz festlegen.

Leistungsverstärker mit Komplementärstufe

Universalzähler

Einsatzgebiete:1. Frequenzmessung

• Impulsformer liefert aus den Eingangssignalen 1 und 2 eine Folge von Impulsen• Zeitbasisgenerator definiert Toröffnungsdauer (z.B. 1s)• Zähler zählt während dieser Zeit die vom Impulsformer gelieferten Impulse

2. Periodendauermessung3. Impulsdauermessung4. Zeitintervallmessung5. Phasenwinkelmessung

• Referenzsignal am Eingang 1, Messsignal am Eingang 2• Impulsformer leitet aus den (positiven und negativen) Nulldurchgängen Steuersignale ab• Steuersignale öffnen und schließen das Tor• Zähler zählt während der Toröffnungszeit die Zeitbasisimpulse (∆t)• Phasenverschiebung: φ=2π∆t/T

A/D-Wandler

A/D-Wandler (ADC) dienen der Umsetzung von Informationen aus dem analogen in den digitalen Wertebereich.

Analoge Außenwelt Digitale Rechnerwelt

Begriffe: Abtastung, Quatisierung

Bei A/D-Wandlern ist es im allgemeinen notwendig, den Messwert für die Dauer der Umwandlung zu speichern.

A/D-Wandler Typen – Übersicht (1)

A/D-Wandler Typen – Übersicht (2)

Nachlauf-A/D-Wandler oder Inkremental-Wandler

Wandler die nach diesem Verfahren arbeiten (schrittweise Annäherung) gehören zu den seriellen Wandlern.

Einfachste und schnellste Methode (Bez. auch Flash-Converter)

Bemerkung

Umsetzgeschwindigkeit ist abhängig von der am Eingang anliegenden Amplitudenspannung. Ist diese groß, ist der Wandler langsam. Vorteile bei kontinuierlicher Umsetzung sich langsam ändernder Spannungsverläufe

mittlere bis schnelle Umsetzgeschwindigkeiten bis ca. 1 MHz Auflösung 12 bis 24 Bit.

PC-Karten zur Messwerterfassung

Hohe Umsetzgeschwindig-keit ca. 10 MHz, hoher Schaltungsaufwand, daher oft geringe Auflösung ( z.B. 4 bis 8 Bit) Videotechnik

Eigenschaften

Die zu wandelnde Spannung wird mit einer vom A/D-Wandler ausgegebenen Spannung verglichen. Entsprechend der Polarität der Differenz schaltet der Komparator so, dass die vom Taktgenerator kommenden Impulse einen Zähler auf- oder abzählen. Das digitale Ausgangssignal des Zählers wird vom A/D-Wandler umgesetzt und der sich ergebende Analogwert am Komparator mit der Eingangsspannung verglichen. Der Zähler zählt so lange auf bzw. ab bis die Gleichheit der analogen Spannungen erreicht ist.

Servo-Wandler

Im A/D-Wandler wird eine variable Vergleichs-spannung erzeugt und mit der umzusetzenden Spannung verglichen. Setzen des MSB (most significant bit, auf 1). Führt der Vergleich zwischenUref und Ue dann zu Uref

A/D-Wandler Typen – Übersicht (3)

relative langsam, Anwendung meist als Dual-Slope-A/D-Wandler

Funktioniert nach demselben Prinzip, nur dass anstelle der konstanten Referenzspannung zur Rampenerzeugung hier die Eingangsspannung Ue integriert und die Spannung Uxdann mit der Referenzspannung Uref verglichen wird.

Spannungs-Frequenz-Wandler (Charge-Balancing-A/D-Wandler)

Vielfachmeß-instrumente, Digitalvoltmeter

Der Integrationsvorgang wird in zwei Stufen durchgeführt: Zunächst wird die zu wandelnde Spannung an den Integrator gelegt und über eine feste Zeit aufintegriert. Danach wird der Integrator über eine negative Referenzspannung abintegriert und die Zeit derAbintegration bis zum Erreichen des Nullwertes gemessen. Dabei ergeben sich insbesondere in Bezug auf die Störgrößenunterdrückung bessere Eigenschaften als beim Rampenwandler.

Der "Zwei-Rampen-A/D-Wandler" ist eine Erweiterung des Rampenwandlers

Dual-Slope-A/D-Wandler

Das Rampenverfahren ist ein Grundprinzip der A/D-Umsetzung. Gemessen wird die Zeit, die ein Integrator benötigt, um die Amplitude der zu wandelnden Eingangsspannung zu erreichen.

Bemerkungrelative langsam, Anwendung meist als Dual-Slope-A/D-Wandler

EigenschaftenArbeitet mit einem Rampen-Generator. Solange dessen Ausgangssignal kleiner als die Eingangsspannung Ue ist, werden im Zähler die Oszillator-Impulse gezählt. Die sich ergebende Zeit T ist proportional zum Eingangssignal. Dieses Verfahren setzt voraus, dass sowohl Oszillatorfrequenz als auch das Signal des Rampengenerators sehr stabil sind.

Rampen-A/D-Wandler (Sägezahn-A/D-Wandler)

FunktionsweiseTyp

Wäge-Umsetzer

Programmablaufplan Spannungsverlauf der Referenzspannung

A/D-Wandler Typen

Paralleler A/D-Wandler

Dual-Slope-A/D-Wandler

Rampen-A/D-Wandler (Sägezahn-A/D-Wandler)

Spannungs-Frequenz-Wandler(Charge-Balancing-A/D-Wandler)

Wandlungszeit

D/A-WandlerD/A-Wandler setzen ein digitales Eingangssignal in ein quasi-analoges Ausgangssignal um. Oft sind sie Bestandteile von A/D-Wandlern.

Bei einem Umsetzer mit n Bit sind 2n verschiedene Werte möglich. Es bleibt nur noch die Information über die Zugehörigkeit zu einer bestimmten Spannungsstufe übrig. Die Auflösung des Spannungsbereichs U durch einen n-Bit Umsetzer beträgt U/(2n) (bei einem 8-Bit Umsetzer für einen Spannungsbereich von 5V steht eine Stufe für 5V/256= 19.5mV). Die Genauigkeit eines Umsetzers ist geringer als diese berechnete Stufenhöhe, da diese in der Praxis nicht konstant ist (besonders auch die unterste und die oberste).

Zur Umsetzung eines Digitalsignals in ein (gestuftes) Analogsignal werden Spannungen addiert, die in Zweierpotenzen gestuft sind.

Elektronische Störungen (1)Allgemeine Hinweise:• Masseleitung erden• Abschirmung (Metallgehäuse, Eisen gegen Magnetfelder)• Kurze Leitungslängen, Signalleitungen nicht parallel zu Versorgungsleitungen verlegen• Einsatz von Filtern

• getrennte Masseleitungen• Verwendung von Instrumentenverstärkern• Einsatz von Optokopplern zur Signalübertragung• Masseleitungen des Analog- und Digitalteils einer

Schaltung müssen getrennt ausführen

Spannungsabfälle auf Masseleitungen führen dazu, dass in verschiedenen Teilen einer Schaltung unterschiedliche 0V -Potentiale vorliegen.

Spannungsabfälle auf Masseleitungen

• Abschirmung, z.B. durch Verwendung von Koaxialkabel

• Verdrillen von Hin - und Rückleiter• Vermeidung von Masseschleifen bzw. Erdschleifen.

Überall gegenwärtige elektromagnetische Felder (z.B. vom Netz oder Rundfunksendern) können zu elektromagnetischen Einstreuungen führen.

Elektromagnetische Einstrahlung

• Abschirmung durch Masseleitungen zwischen den Signalleitungen.

• Anordnung des Stromrückleiters nah am Signalleiter• Verdrillen von Signalleiter und Stromrückleiter

Übersprechen bezeichnet man die ungewollte Übertragung einer Wechselgröße zwischen zwei benachbarten Leitungen durch elektrische und magnetische Felder.

Kapazitives und Induktives "Übersprechen"

GegenmaßnahmenErklärungStörung

Elektronische Störungen (2)

• kleine Widerstände in Reihe und große Widerstände parallel zur Signalquelle verwenden.

• Geringe Bandbreite wählen.• Schaltung bei möglichst niedriger Temperatur

betreiben.• Rauscharme Widerstände verwenden.

Jeder Wirkwiderstand R liefert eine thermische Rauschspannung.

Rauschen

• breite Leiterbahnen und Abblockkondensatoren direkt am Verbraucher

Treten in Schaltungen große Stromänderungen auf, sinkt, wegen der Leitungsinduktivitäten, kurzzeitig die Spannung am Verbraucher.

Störungen über die Gleichspannungsversorgung

• Geeignete Wahl der Materialien• Gleichmäßige Temperatur in kritischen Bereichen• Verwendung von Trägerfrequenzverfahren, um

Gleichspannungseinflüsse durch Hochpassfilterung eliminieren zu können.

An den Verbindungsstellen zwischen verschiedenen Metallen, z.B. bei Bauelementen, Steckern oder Messfühlern, entstehen Thermospannungen. Liegen verschiedene Verbindungsstellen in einem Stromkreis auf unterschiedlichen Temperaturen, so resultieren daraus Thermospannungen, die bis zu 100 µV/°Temperaturdifferenz betragen können.

Thermospannungen

• Netzfilter am GeräteeingangAuf der Netzleitung liegen Störungen vor, die z.B. durch elektromagn. Einstrahlung und Schaltvorgänge hervorgerufen werden.

Störungen über die Netzversorgung (230 V)

GegenmaßnahmenErklärungStörung

Symbole