Projektmappe

Technik

Philip Wallrafen

Inhalt1. Kondensator

2. Diode

3. Gleichrichtung

4. Wechselspannung

5. Glättung

6. Transformator

7. Potiometer

8. Ätzvorgang

9. Spannungsregler

1. Der Kondensator

 Kondensatoren sind Bauelemente, welche elektrische Ladungen bzw. elektrische Energie speichern können.Die einfachste Form eines Kondensators besteht aus zwei gegenüberliegenden Metallplatten(Bild). Dazwischen befindet sich ein Dilektrikum, welches keine elektrische Verbindung zwischen den Metallplatten zulässt(Isolator).Legt man an einen Kondensator eine Spannung an, so entsteht zwischen den beiden metallischen Platten ein elektrisches Feld.

Ungepolter (links) und gepolter Kondensator

Die Kapazität eines Kondensators hängt von Abstand und Größe der Platten ab. Je größer die Fläche der Platten und/oder je kleiner der Abstand der Platten zueinander, desto größer ist die Kapazität des Kondensators.

Elektrische Ladung kann durch einen Kondensator nicht hindurch fließen, wenn man ihn aber an eine Spannungsquelle anschließt, fließt dennoch solange Strom, bis die Platten elektrisch aufgeladen sind und keine weitere Ladung annehmen. Dies tritt ein, wenn die Kondensatorspannung UC genauso groß wie die angelegte Spannung U0 ist.

Die eine Platte ist dann elektrisch positiv, die andere negativ geladen. Auf der negativ geladenen Seite herrscht also ein Elektronenüberschuss.Das Fassungsvermögen eines solchen Ladungsspeichers hängt von seinen Abmessungen und dem Material ab und wird als Kapzität (Formelzeichen: C) bezeichnet. Die Maßeinheit ist Farad.

Ladung und Entladung

Gesamtkapazität

Reihenschaltung: 1/C1 + 1/C2 + 1/Cx = 1/Cges.

Parallelschaltung: C1 + C2 + Cx = Cges.

Reale Kondensatoren können nicht bis zu einer beliebigen Spannung aufgeladen werden. Überschreitet man die zulässige Spannung bis zur Durchschlagspannung, so schlägt der Kondensator durch, das heißt, es fließt plötzlich ein erheblich größerer Strom über eine Funkenstrecke oder auf eine ähnliche Art ab. Meist führt das zur Zerstörung des Kondensators (z. B. durch Explosion oder Hitzewirkung) und zu weitergehenden Zerstörungen an den Geräten. Manche Kondensatoren besitzen in gewissen Grenzen die Fähigkeit zur Selbstheilung, wenn der Schaden nicht allzu groß ist.

Spannungsfestigkeit

2. Die Diode

Die Diode ist ein elektronisches Bauelement mit zwei Polen, das eine unsymmetrische und nichtlineare Kennlinie besitzt. Eine Diode ist für Strom, der in eine Richtung fließt, durchlässig und für Strom, der entgegengesetzt durch den Leiter fließt, unterhalb der Durchsbruchsspannung ein Isolator. Hierdurch ist eine Gleichrichtung des Stroms ermöglicht, da Strom die Diode nur in eine Richtung passieren kann.

Eine Diode in Durchlassrichtung geschaltet

Mehrere Dioden

Funktionsweise einer Halbleiterdiode

Halbleiterdioden sind sehr einfach aufgebaut und bestehen lediglich aus n- und p-dotiertem Halbleitermaterial, das wie in Bild 1 dargestellt angeordnet ist.

Man bringt also einfach n- und p-dotiertes Halbleitermaterial in Kontakt zueinander, und schließt an die beiden Halbleiterschichten jeweils ein Kabel an. Ohne äußere Spannung befinden sich im n-dotierten Material eine ganze Reihe von negativ geladene Stellen und in p-dotierten Material positiv geladene. Positiv geladene Stellen heißt hier, daß dort ein (negativ geladenes) Elektron fehlt. Man spricht man auch von Loch. Die Anzahl der freien Elektronen und der Löcher ist eine Materialkonstante und ändert sich nicht. Man kann daher nicht die Löcher mit Elektronen "zuschütten" oder die freien Elektronen aus dem Material entfernen. Man kann durch Anlegen von elektrischen Feldern lediglich ihre Position im Material beeinflussen.Ohne äußere Spannung passiert noch nichts. Legt man an die Diode eine Spannung derart gepolt an, daß das n-dotierte Material mit dem positven und das p-dotierte Material mit dem negativen Pol verbunden ist, so sperrt die Diode. Der Grund hierfür ist, daß sich ähnlich wie bei Magneten gleiche Ladungen abstoßen und unterschiedliche anziehen. Elektronen sind immer negativ geladen und stoßen sich daher ab. Verbindet man das n-dotierte Halbleitermaterial der Diode mit dem positiven Pol einer externen Spannungsquelle, so wandern die Elektronen wegen der Anziehung in Richtung dieses Pols. Gleichzeitig wandern die Löcher aus dem gleichen Grund in Richtung des negativen Pols. Dadurch gibt es in der Mitte der Diode überhaupt keine freien Ladungen, weder Elektronen noch Löcher. Ohne frei bewegliche Ladungen gibt es aber keinen Stromfluß. Somit kann in dieser Richtung kein Strom fließen. Dieser Sachverhalt ist in Bild 2 dargestellt.

Polt man die Diode jedoch um, wirken ebenfalls Anziehung und Abstoßung. Dieses Mal werden die Elektronen im n-dotierten Material durch die Elektronen der Spannungsquelle in Richtung Mitte verdrängt, wo sie den positiv geladenen Löchern (Loch heißt fehlendes Elektron!) sehr nahe kommen und mit nur wenig Energie d.h. Spannungsdifferenz auf eine Lochposition springen und dieses ausfüllen. Im p-dotierten Material passiert das Gleiche: Die positiv geladenen Löcher werden in Richtung Mitte gedrückt, wo sie einfach verschwinden, weil die Lochstellen von Elektronen aus der n-dotierten Seite besetzt werden, wie in Bild 3 dargestellt.

Für jedes Paar aus Elektron und Loch, das in der Mitte, der sogenannten Sperrschicht, verschwindet, kann ein weiteres Elektron in das n-dotierte Material nachfließen und wird sofort in Richtung Mitte gedrückt. Auf der anderen Seite passiert das Gleiche mit einem Loch. Doch halt: Löcher können nicht einfach durch den metallischen Anschlußdraht fließen, so wie dies im obigen Bild dargestellt ist. Aber Löcher, d.h. fehlende Elektronen, die gedanklich im Bild nach rechts fließen, bedeuten nichts anderes, als daß Elektronen in der umgekehrten Richtung fließen. Die Löcherleitung findet somit nur im p-dotierten Material statt, so daß der Löcherfluß im Anschlußdraht nur ein Denkmodell ist. Die Anzahl der Elektronen im n-dotierten und die Anzahl der Löcher im p-dotierten Halbleitermaterial ist immer konstant. Dort, wo der Anschlußdraht mit dem p-dotierten Material verbunden ist, fließt ein Elektron in Richtung der positiven Spannungsquelle und hinterläßt im Halbleitermaterial daher ein Loch, wenn ein Loch in der Nähe der Sperrschicht verschwindet. Somit fließen Elektronen in das n-dotierte Material hinein. Aus dem p-dotierten Material fließen hingegen Elektronen in exakt der gleichen Anzahl hinaus. Dies

bedeutet, daß ein Stromfluß stattfindet und die Diode leitet.

Halbleiterdiode in Sperrrichtung

Halbleiterdiode in Flußrichtung

3. Gleichrichtung

Gleichrichtung bezeichnet die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom.Die Gleichrichtung wird insbesondere mit Röhren oder Halbleiterdioden durchgeführt.

Sie kann durch mehrere Schaltungen erfolgen:

1. Durch eine einfache Diodenschaltung entsteht ein Gleichstrom, bei dem jede zweite Halbwelle des Wechselstroms fehlt.

2. Durch die Gleichrichterbrücke werden diese Halbwellen in ihrer Polarität umgedreht und gelangen so ebenfalls in den Gleichstrom.

Um Gleichstrom mit konstanter Spannung zu erhalten, muss der durch Gleichrichtung erhaltene gepulste Gleichstrom, auch Mischstrom genannt, noch durch Kondensatoren geglättet werden.

Eine einfache Schaltung zur Gleichrichtung von Wechselstrom stellt die die Einweggleichrichtung (Bild links) dar. Die Ausgangsspannung ist eine stark pulsierende Gleichspannung (Bild rechts). Für viele Einsatzzwecke ist das Pulsieren störend, da z.B. in Spulen Störspannungen induziert werden können.

Günstiger sind die Verhältnisse bei der Zweiweggleichrichtung. Mit 4 Gleichrichterdioden (Bild unten) kann man eine  Brückenschaltung aufbauen, in der eine Zweiweggleichrichtung stattfindet. Die Ausgangsspannung ist hier nicht mehr so stark pulsierend wie bei der Einweggleichrichtung, da durch die spezielle Anordnung der Dioden bei jeder Halbwelle des Wechselstroms ein Strom durch den Widerstand R fließt, und zwar immer in der gleichen Richtung Mit Hilfe eines Kondensators kann man das immer noch störende Pulsieren weitgehend beseitigen.

4. Wechselspannung

Spannung der ständig Höhe und Polarität wechselt nennt man Wechselspannung.Typischer Vertreter der Wechselspannung ist der im Haushalt

übliche "Strom aus der Steckdose".

Frequenz bei der Wechselspannung

In einer Reihe von Formeln zur Berechnung des Frequenzverhaltens von elektrischen und elektronischen Bauteilen muß jeweils die Kreisfrequenz w ( Omega ) der sinusförmigen Wechselspannung eingesetzt werden. Als Kreisfrequenz ist festgelegt:

 mit der Einheit 1/s = 1 Hzoder 

mit der Einheit 1/s = 1 Hz

Eine sehr wichtige Größe ist die Anzahl der Perioden, die in jeder Sekunde durchlaufen werden. Diese Größe ist die Frequenz einer Wechselspannung. Die Frequenz gibt die Anzahl der Perioden in einer Sekunde an. Frequenz f mit der Einheit Hertz (Hz)

Periodendauer und Frequenz verhalten sich umgekehrt proportional zueinander.

mit der Einheit 1/s = HzT =Periodendauer

Effektivwert bei der Wechselspannung

Als Effektivwert einer Wechselspannung ist diejenige Spannung festgelegt, die an einem Widerstand die gleiche Leistung erzeugt wie eine entsprechend hohe Gleichspannung. Besondere Bedeutung haben die Effektivwerte für die Wechselspannung mit sinusförmigem Verlauf. So werden alle Spannungen und Ströme für Geräte, welche mit Wechselspannung betrieben werden , mit Effektivwerten angegeben.

Effektivwert – tatsächlich verrichte Arbeit

Û =          · U

5. Glättung

Durch Gleichrichtung entstehen aufgrund der ursprünglichen Wellenform der Spannung Unregelmäßigkeiten. Geglättet werden können diese durch einen parallel zum Verbraucher geschaltete Kondensator, der die Wellentäler ausgleicht. Die ab hier vorhandene Restwelligkeit bezeichnet man als Brummspannung. Weiter reduziert werden kann die Brummspannung durch nachgeschaltete so genannte Siebglieder (Filter).

6. Transformator

Mit einem Transformator werden Wechselspannungen herauf- oder heruntertransformiert, also erhöht oder reduziert. Allerdings führt diese Änderung der Spannung auch zu einer Änderung des maximal entnehmbaren Stromes, am Ausgang(Sekundärseite) des Transformators.Wird die Spannung herunter transformiert steigt der zu entnehmbare Strom an. Wird die Spannung herauftransformiert sinkt der zu entnehmbare Strom. Das Verhältnis zwischen Spannung und Strom ist umgekehrt proportional zueinander.Der Transformator, kurz Trafo, wirkt auf der Eingangs-, der Primärseite, wie ein Verbraucher R für seine Wechselspannungsquelle, sofern der Trafo mit Nennlast belastet ist. Unbelastet wirkt der Trafo wie eine Induktivität. Die Ausgangseite, die Sekundärseite, wirkt als Wechselspannungsquelle mit

Quellenspannung U0 und Innenwiderstand Ri.

Für den elektrischenWiderstand R einer Baugruppe gilt das Ohmnische Gesetz:R = U / I .Wendet man dies auf die Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators an, so folgtR1 = U1 / I1 ,

R2 = U2 / I2 ,

Für das Verhältnis von Primär- und Sekundärwiderstand errechnet sich daher das quadratische Verhältnis der Windungszahlen:R1 / R2 = n1

2 / n22 .

Formeln beim Transformator

Unter Potentiometer versteht man einen stetig regelbaren elektrischen Widerstand.

8. Potentiometer

Potentiometer bestehen aus einem linearen (Schieberegler) oder kreissegmentförmigen Träger, auf dem ein Widerstandsmaterial aufgebracht ist. Ein beweglicher Schleifkontakt teilt den Gesamtwiderstand elektrisch in zwei Teilwiderstände. Drahtpotentiometer haben eine Wicklung aus Widerstandsdraht; bei Schichtpotentiometern besteht das Widerstandsmaterial aus einer Kohleschicht, Metallschicht oder leitendem Kunststoff. Potentiometer haben aber auch Nachteile:

•Bei Bedienelementen bewirkt das oftmalige Hin- und Herbewegen des Schleifers auf der Widerstandsschicht eine Abnutzung der Schicht, die Widerstandscharakteristik wird unstetig; wenn die Kraft der Andruckfeder nachlässt, dann "kratzt" das Potentiometer. Deshalb werden die Potentiometer durch andere Bauelemente ersetzt, z. B. "digitale" Drehgeber oder Taster.

•Abgleichvorgänge in der Fertigung versucht man heute durch konstruktive Maßnahmen zu vermeiden, so dass Trimmpotentiometer überflüssig werden.

8. Ätzvorgang

Vorbereitung:Die Schutzfohlie vom Print abziehen. Von nun an sollte er keinem starkem Licht ausgesetzt werden, solange nicht das Layout auf ihm liegt. Ausserdem sollte die oberseite nicht mit den Fingern berührt werden, damit sie fettfrei bleibt.

Das Layout wird auf den Print gelegt, und mit einer Glasplatte beschwehrt.

BelichtenDie UV-Lampe sollte nun in einem Abstand von ca 50 cm senkrecht von oben auf den Print gerichtet werden. Mit den Belichtungszeiten muss etwas experimentiert werden, da sie mit jeder Lampe anders sind. Je nach dem dauert es etwa zwischen 4 und 12 Minuten. Wenn ma nach dem Belichten bei genauerem hinschauen bereits die Umrisse der Leiterbahnen erkennt, ist das bereits ein gutes Zeichen (muss aber nicht unbedingt so sein).

EntwickelnDie Platine wird in die Schale mit dem Entwickler gelegt. Mit dem Pinsel streicht man nun darüber, bis der Fotolack dort weg ist wo belichtet wurde und das Kupfer zum Vorschein kommt. Der Fotolack mus aber unbedingt vollständig weg sein. Die Hände sollten mit Gummihandschuhen geschützt werden.Die Platine und den Pinsel mit Wasser abspülen.

ÄtzenDie Platine wird in die Schlae mit dem Ätzmittel gelegt. Dieses sollte auf ca 30 Grad erhitzt werden. Und nun wird mit dem Pinsel das Kupfer Schicht für Schicht weggestrichen bis die Leiterbahnen erscheinen. Die Hände müssen unbedingt mit Gummihandschuhen geschützt werden.

Anschliessend die Platine wieder mit Wasser abspülen, und den Fotolack der noch auf den Leiterbahnen liegt mit etwas Brennsprit wegwischen.

Bevor das Ätzmittel versorgt ist sollte es mittels eines Kaffefilters vom aufgenommenem Kupfer getrennt werden.

Nützliche Tipps und Hinweise:

Der Entwickler wird schlecht,wenn er zu lange an der Luft steht. Der Entwicklungsvorgang sollte daher rasch ausgeführt werden und der Entwickler in einer absollut luftdichten Flasche aufbewahrt werden.

Handschuhe, Pinsel, Platinen, Schalen und andere Gegenstäne die mit einer der beiden Chemikalien in Berührung kamen müssen gut

gewaschen werden bevor sie mit der zweiten Flüssigkeit in Kontkt treten. Da sonst die Chemikalien an Wirkung verlieren.

Das Ätzmittel erwärmt man am besten indem man die Flasche in der es aufbewahrt wird in heisses Wasser legt.

Eisen III Chlorid verursacht Flecken die beinehe nicht mehr weg gehen. Unbedingt Unterlage benützen und alte Kleidung tragen.

Wenn es beim ersten mal nicht funktioniert, nicht entmutigen lassen. Ich selbst musste es das erste mal 6 Versuche durchführen bis ich einen

halbwegs brauchbaren Print geätzt habe.

Beispiele einer Platine und eines Layouts

Layout Platine

9. Spannungsregler Spannungsregler sind Bauteile zum Regeln von

elektrischen Spannungen. In elektronischen Schaltungen werden verschiedene stabile Spannungen benötigt. Dazu werden Spannungsregler oder Stabilisatorschaltungen verwendet.

Es gibt die Parallelstabilisierung und die Serienstabilisierung mit Längstransistor. Bei der Parallelstabilisierung liegt der Lastwiderstand (Verbraucher) parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors. Diese Schaltung wird kaum benutzt, da sie nur einen kleinen Ausgangsstrom für den Verbraucher zur Verfügung stellt. Bei der Serienstabilisierung liegt die Kollektor-Emitter-Strecke in Serie mit dem Verbraucher. Diese Schaltung ermöglicht einen hohen Laststrom bei guter Stabilisierung der Ausgangsspannung und wird dadurch häufig in der Elektronik eingesetzt.Man unterscheidet

•Festspannungsregler (Ausgangsspannung ist fix)

•einstellbare Spannungsregler (Ausgangsspannung ist nach eigenen Wünschen einstellbar, werden zum Beispiel in Labornetzteilen eingesetzt)

1. www.google.de

2. @encarta

3. www.wikipedia.de

4. www.zum.de

5. www.uni-potsdam.de

6. www.elektronik-kompendium.de

7. www.energieinfo.de

8. www.elektronik-fachwissen.de

Quellen