Kategorie: Elektronik

Transistor

Ein Bauteil für alle Fälle. In der Elektronik ist der Transistor nicht wegzudenken. Für viele Anwendungen ist dieser Halbleiter immer eine Lösung. Transistoren kann man in zwei Gruppen aufteilen; bipolare und unipolare Transistoren. 
Die ersten Transistoren, die auf dem Markt erschienen sind, waren Sperrschichttransistoren. Die Elektronenröhre wurde so fast völlig verdrängt.
Es gibt zwei Typen von Transistoren: pnp und npn Transistoren. Sie unterscheiden sich in der Dotierung. N-dotiertes Material hat freie Elektronen, P– dotiertes Material hat freie Löcher, das heißt es fehlen Elektronen. Die mittlere Schicht ist sehr dünn und wird als Basis bezeichnet. Die beiden Außenschichten, werden Kollektor und Emitter genannt.

Schaltzeichen

Normalerweise läuft der Strom über die Kollektor – Emitter – Strecke. Die arbeitsweise des Transistors wird durch die Stromstärke über Basis – Emitter bestimmt.
Fließt durch die Basis kein Strom so ist der Transistor gesperrt. (Über die Kollektor – Emitter – Strecke fließt kein Strom.)
Fließt ein schwacher Strom über die Basis, so wird die Kollektor – Emitter – Strecke leitfähig. Es wird ein vielfaches an Strom durchgelassen. Je nach Art der Schaltung wirkt der Transistor als Schalter oder elektrisch verstellbarer Widerstand.
Die untere Grafik zeigt die Strom- Spannungsverhältnisse an einem npn- Transistor und pnp- Transistor.

    Spannungs- und Stromverteilung

Strom und Spannung am TransistorStrom und Spannung am Transistor

UCE = Kollektor-Emitter-Spannung
UBE = Basis-Emitter-Spannung (Schwellwert)
IC = Kollektorstrom
IB = Basisstrom

Transistor als Schalter
Transistor als Regler

Spannung, Strom, Widerstand

Was ist Strom?
„Strom kommt aus der Steckdose“, dieses hört man sehr oft, dann ist Pause.
Die Erklärung ist nämlich gar nicht so einfach. Als elektrischen Strom bezeichnet man Ladungsträger, die sich durch einen Stoff oder Vakuum bewegen. Ladungsträger können Elektronen oder Ionen sein. Wenn sie sich durch einen Leiter bewegen, redet man von einem Stromfluss. Nun benötigen wir noch eine Angabe; wie viel Strom fließt überhaupt? Salopp gesagt, ist die Stromstärke nichts anderes als die Menge der Ladungsträger in einer Zeit.
In eine Formel gebracht:  I = ΔQ / Δt.
Etwas abstrakt, aber richtig. Wenn das alles ist, wäre es nicht schwer zu verstehen. Die Physik tut uns aber nicht den gefallen.
Wir beschränken uns auf diese Aussagen. I wird in Ampere angegeben und t in Sekunden.
Fazit: in einem Leiter (Kupfer) befinden sich freie Elektronen. Durch deren Bewegung ein Stromfluss möglich ist. Freie Elektronen sind in jedem Material vorhanden. Mal mehr mal weniger.

Was ist Spannung.
Die Spannung gibt an, wie groß das Gefälle von einem Pol zum anderen ist. Daraus folgt: Der Pluspol hat Elektronen Mangel, der Minuspol hat Elektronen Überschuss. Beide sind mit diesem Zustand nicht einverstanden, denn es wiederspricht der Ausgleichsregel. In einem abgeschlossenem System, kommt nichts hinzu und es geht nichts verloren.
Definition: Elektrische Spannung U, ist gleich der Menge an Arbeit W, die bei der Ladungstrennung auf eine Ladungsmenge Q aufgewendet wird.
                                               U = \frac{W}{Q}

Was ist ein Widerstand.
Haben wir es mit einem idealen Leiter zu tun, dann können sich die freien Elektronen frei bewegen. In der Realität treten aber Wechelwirkungen auf. Es entsteht Reibung zwischen den Elektronen und den Atomteilen, dabei entsteht Wärme. Nun wissen wir, warum Widerstände heiß werden können. Widerstände werden mit dem griechischen Zeichen Ω bezeichnet.
So kommen wir zum ohmschen Gesetz:
                                                 I = U / R
                                                
R = U / I
                                                 U = R * I

.Der ohmsche Widerstand
Widerstände, die im Gleich und Wechselstrombereich gleich sind, nennt man ohmsche Widerstände. Jedes Bauteil hat einen Widerstand, der Einfluß auf die gesamte Schaltung nimmt. Ein Widerstand hemmt den Elektronenfluß.

Widerstände können in Reihe oder Parallel geschaltet werden. Eine Mischung ist auch möglich.

gemischte Schaltung

Elektronische Bauteile

Spannungsquelle, Stromquelle

Spannungsquelle: Eine Spannungsquelle ist ein elektronisches Bauelement oder eine elektrische Schaltung mit zwei Anschlüssen, die eine elektrische Spannung liefert.

Stromquelle: Eine Stromquelle ist ein elektronisches Bauelement oder eine elektrische Schaltung mit zwei Anschlüssen, die einen elektrischen Strom liefert.

Klingt nach einer Binsenweisheit, ist es aber nicht.
Für die meisten Anwender ist es egal; Strom oder Spannung. Daraus folgen Missverständnisse und falsche Interpretationen. Um eine Schaltung betreiben zu können, muss immer eine konstante Spannung anliegen. Egal ob es zwei oder zehn Bauteile sind, die etwas mehr oder weniger Strom benötigen. Eine Spannungsquelle hat muss immer eine konstante Spannung liefern, egal was für eine Last betrieben wird.
Bei einer Stromquelle verhält sich die Sache umgekehrt. Der Strom soll nur geringfügig von der angelegten Spannung abhängen, im Idealfall unabhängig von dem angeschlossenen Verbraucher. Natürlich gibt es technische Grenzen.

Spannungsquelle - Stromquelle

Widerstand
Das Wort Widerstand hat in der Elektronik zwei Bedeutungen: einmal wirkt dem Strom eine bremsende Eigenschaft entgegen, zum Anderen wird das Bauteil so benannt. Sein Wert wird durch aufgedruckte Ringe angegeben. Der Wert wird in Ohm angegeben.
Berechnet werden diese Bauteile mit dem ohmschen Gesetz. Das ist die Grundlage aller Berechnungen in der Elektronik.
                                                 R = U / I
Es gibt verschiedene Arten von Widerständen:
PTC – Widerstände
NTC – Widerstände
Photowiderstände
Varistoren
Potentiometer

Widerstände

Kondensator
Ein Kondensator ist ein kleiner Ladungsspeicher. Er besteht im wesentlichen aus zwei Metallplatten, die sich im Bauteil – durch einen Isolator (Dialektrikum) voneinander getrennt – gegenüber liegen. Kondensatoren werden in elektrischen Schaltkreisen zu vielerlei Zwecken eingesetzt: Sie können beispielsweise elektrische Energie zwischenspeichern, Schwankungen in Gleichspannungs-Netzteilen ausgleichen, Frequenzen filtern oder das Verhalten von Kippschaltungen beeinflussen. Sie sind daher als elementares Bauteil in fast jeder Schaltung zu finden.

Ohne das eine Spannung anliegt verteilen sich die Elektronen gleichmäßig an den Platten. Wird eine Gleichspannung angelegt, so fließen kurzzeitig Elektronen auf die Minusseite der Metallplatte. Es werden Elektronen von der Plusseite weg gezogen. Die Platten laden sich elektrisch auf.
Wird ein Kondesator mit Wechselspannung betrieben, so fließt ein Entlade- bzw. Ladestrom. In einem Wechselstromkreis wirkt der Kondensator, wie ein Widerstand. Ich möchte an dieser Stelle nicht näher auf die Thematik eingehen, denn sie ist schon komplexer als es sich anhört.
Zwei Arten von Kondensatoren, werden hier vorgestellt;  bipolare und Elektrolytkondensatoren. Bei Letzeres muss auf die Polarität geachtet werden.

Schaltzeichen

Dioden
Eine Diode ist ein elektronisches Bauelement, das Strom in einer Richtung durch läßt und in der anderen Richtung den Stromfluss sperrt. Daher wird von Durchlassrichtung und Sperrrichtung gesprochen.

Eine Diode verfügt über zwei Anschlüsse, die als Anode und Kathode bezeichnet werden. Strom kann nur durch eine Diode fließen, wenn die Anode zum Plus- und die Kathode zum Minus-Pol zeigt; in der Gegenrichtung sperrt sie. Ab einer Spannung von ca. 0,7V beginnt in Durchlassrichtung Strom zu fließen. An einer Diode fällt, unabhängig von Stromduchfluss, eine relativ konstante Spannung von 0,7V ab. Somit kann das ohmsche Gesetz nicht angewendet werden. Auf die verschiedenen Diodentypen werde ich später näher eingehen.

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Digitale Bauteile
Eine wichtige Baugruppe in der Elektronik, sind die integrierten digitalen Schaltungen.
Logische Schaltungen bestehen aus einer Zusammenschaltung logischer Gatter. Aus denen lassen sich komplexe Funktionen erstellen.
Was sind Gatter?
Zuerst müssen einige Begriffe eingeführt werden.
AND, NAND, OR, NOR, EXKLUSIVE-OR

Das AND: Ein Und-Gatter ist ein Gatter mit mehreren Eingängen und einem Ausgang, bei dem der Ausgang genau dann eine 1 liefert, wenn an allen Eingängen 1 anliegt. Es entspricht dem logischen UND.

Das NAND:  Ein NAND-Gatter gibt am Ausgang genau dann 0 aus, wenn alle Eingänge 1 sind. In allen anderen Fällen, d. h., wenn mindestens ein Eingang 0 ist, wird eine 1 ausgegeben.

Das OR: Ein Oder-Gatter ist ein Gatter mit mehreren Eingängen und einem Ausgang, bei dem der Ausgang genau dann eine 1 liefert, wenn an einem Eingang eine 1 anliegt.

Das NOR: Ein NOR-Gatter gibt am Ausgang genau dann 1 aus, wenn alle Eingänge 0 sind. In allen anderen Fällen, d. h. wenn mindestens ein Eingang 1 ist, wird eine 0 ausgegeben.

Das XOR: Ein Exklusiv-Oder-Gatter, auch XOR-Gatter genannt, ist ein Gatter mit zwei Eingängen und einem Ausgang, bei dem der Ausgang genau dann logisch „1“ ist, wenn an nur einen Eingang „1“ anliegt und an dem anderen „0“.

Diese Erklärungen sollten zunächst genügen.

Schaltzeichen
Wahrheitstabelle

Operartionsverstärker

Neben Widerständen und Kondensatoren sind Operationsverstärker oder OPV, wie sie auch allgemein genannt werden, einer der Grundbausteine analoger elektronischer Schaltungen.
Operationsverstärker sind lineare Geräte und besitzen alle Eigenschaften, die für eine ideale Gleichstromverstärkung erforderlich sind. Daher werden sie in der Signalaufbereitung, Filterung oder zur Durchführung mathematischer Operationen wie Addieren, Subtrahieren, Integration und Differenzieren eingesetzt.
Der OPAmp ist im Grunde ein Spannungsverstärker. Durch die Rückkopplungskomponenten, wie Widerstand und Kondensator, zwischen Ausgang und Eingang, können verschiedene Operationen ausgeführt werden. Das brachte ihn den Namen Operationverstärker ein. Der OPV ist ein dreipoliges Bauteil. Es besteht aus zwei hochohmigen Eingängen und ein niederohmigen Ausgang. Kennzeichnend ist das Plus und Minus -Zeichen an den Eingängen. Das Plus steht für nichtinvertierenden und das Minus für invertierenden Eingang. Der dritte Pol stellt den Ausgang dar. Operationsverstärker werden meistens mit einer symmetrischen Spannung betrieben.

Schaltzeichen

Nicht invertierender OPV

Bei einem nicht invertierender OPV wird die Eingangsspannung direkt an den Eingang mit dem Pluszeichen gelegt. Das hat zur Folge, dass das verstärkte Ausgangssignal „positiv“ also gleichphasig ist. Die Rückkopplungssteuerung erfolgt über einen Spannungsteiler R2, R1 an den invertierende Eingang, die eine negative Rückkopplung erzeugt. Diese Closed-Loop-Konfiguration erzeugt eine nicht-invertierende Verstärkerschaltung mit sehr guter Stabilität, einer sehr hohen Eingangsimpedanz, RIN annähernd unendlich, da kein Strom in die positive Eingangsklemme fließt (ideale Bedingungen) und eine niedrige Ausgangsimpedanz, ROUT wie unten gezeigt.

nicht invertierneder OPV

Invertierender OPV

Da die Verstärkung eines Operationsverstärkers extrem hoch ist, können wir es uns leisten, einen Teil dieser hohen Verstärkung zu verlieren, indem wir einen geeigneten Widerstand über den Verstärker von der Ausgangsklemme zurück zur invertierenden Eingangsklemme schalten, um die Gesamtverstärkung des Verstärkers zu reduzieren und zu steuern. Dies erzeugt und wirkt sich dann bekanntermaßen negativ auf die Rückkopplung aus und erzeugt so ein sehr stabiles Operationsverstärkersystem. In dieser Schaltung wird der OPV mit einer Rückkopplung zu einem geschlossenen Regelkreis verbunden.

Invertierter OPV

.Multivibrator

 Eine sehr einfache und äußerst nützliche Operationsverstärkerschaltung, die auf einem universellen Operationsverstärker basiert, ist der astabile OPV Multivibrator. Die OPV Multivibrator-Schaltung kann mit nur vier Komponenten, drei Widerständen und einem Timing-Kondensator ein gutes Rechtecksignal liefern. Jede andere Schaltung benötigt wesentlich mehr Bauteile, auch der Timer NE555.

Multivibrator