WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Technisches Entwickeln und Gestalten – 2....
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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
WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – HeinTechnisches Entwickeln und Gestalten – 2. Elektronik 2
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+
_
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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Das Prinzip der Signalverarbeitung – Die Signalkette
SignaleingabeSignal-
verarbeitung
Signal-speicherung
Signalausgabe
optischeakustischekinematische
thermischechemische
optischeakustischekinematische
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
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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
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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
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.
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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
IB1max
IB1
RA1
T1
RA2
T2
S R
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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
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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
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Systeme zur Änderung elektrischer Signale
SignaleingabeSignal-
verarbeitungSignalausgabe
optischeakustischekinematische
thermischechemische
optischeakustischekinematische
thermischechemische
elektrische
elektrische
elektrische
Eingangssignale Ausgangssignale
Signal-speicherung
UB
+
_UBE
IB
RA
TUCE UA
IC
UE
UEUA
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