Elemente der angewandten Elektronik

Das vorliegende Buch beschreibt den Aufbau und die Funktionsweise zahlreicher Bauelemente soweit, wie es für eine praktisch sinnvolle Anwendung erforderlich ist. In entsprechender Weise werden auch in der Praxis die Betriebseigenschaften durch Kenndaten und Kennlinien beschrieben, die der Hersteller im sogenannten Datenblatt zusammenstellt. Dieses Datenblatt enthält auch bestimmte Grenzwerte und Grenzlinien, deren Überschreitung entweder zu einer Beschädigung oder zu einem unsicheren Betrieb des jeweiligen Bauelementes führen kann. Bei der Dimensionierung von Schaltungen sind die Grenzwerte daher besonders zu beachten.

Eine elektrische Leitung wird im allgemeinen durch zwei metallische Leiter (meistens Drähte) gebildet, wovon der eine als Hinleiter, der andere als Rückleiter für den elektrischen Strom zwischen der Quelle und einem Verbraucher dient. Die einfachste Leitung wird dargestellt durch zwei parallele Drähte in Luft, deren charakteristische Eigenschaften hier betrachtet werden. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse lassen sich analog auf andere Leitungsformen übertragen. Auch die beiden Anschlußdrähte an einem Widerstand oder Kondensator bilden in diesem Sinne eine Leitung.

Halbleiter sind in der Regel kristalline Werkstoffe, deren Leitfähigkeit niedriger ist als die Leitfähigkeit der Metalle aber höher als die Leitfähigkeit der Nichtleiter. Dazu gehören Germanium, Silizium, Selen sowie eine Reihe von Verbindungshalbleitern wie Bleisulfid, Indiumantimonid und Siliziumkarbid.

Bringt man nach Bild 1 neutrales n- und p-Silizium zusammen, so diffundieren über den „pn-Übergang“ (engl, junction) Löcher in die n-Zone und Elektronen in die p-Zone (Ausgleichsbestreben). Durch den Zufluß von Löchern bzw. den Abfluß von Elektronen ergibt sich eine Potentialanhebung der n-Zone gegenüber der p-Zone. Die entstehende „Potentialschwelle“ wirkt mit ihrem elektrischen Feld dem Ausgleichsbestreben entgegen. Es bildet sich die Diffusionsspannung U_D über einem an freien Ladungsträgern verarmten Übergangsgebiet, der sog. Sperrschicht. Versehen mit beiderseitigen Metallkontakten, entsteht eine Diode¹).

Oszilloskop- und Bildröhren gehören zur Gruppe der Elektronenstrahlröhren, auch Katodenstrahlröhren genannt (engl, cathode ray tube, CRT). Sie sind Hochvakuumröhren, im wesentlichen bestehend aus einer geheizten Katode, einem Fokussierungs- und Ablenksystem sowie einem Leuchtschirm, der beim Aufprall von Elektronen Licht aussendet. Man unterscheidet dabei die Fluoreszenz (unverzögerte Licht-abstrahlung) von der Phosphoreszenz (verzögerte Lichtabstrahlung). Die Art des Leuchtens, insbesondere die spektrale Zusammensetzung des Lichtes, ist abhängig von dem jeweiligen Leuchtstoff, mit dem der Leuchtschirm beschichtet ist.

Unter Spule versteht man eine schraubenförmig aufgewickelte Draht- oder Bandleitung. Wird eine Spule von einem Strom I durchflossen, so entsteht ein magnetisches Feld mit dem Energieinhalt W. Das Spuleninnere wird von dem Bündelfluß φ durchdrungen. Bei einer offenen Zylinderspule nach Bild 1a streuen die Feldlinien stark in den Raum aus. Mit der Annahme, daß sie alle N Windungen durchsetzen, definiert man den verketteten Fluß ψ = N · φ. In Verbindung mit dem felderzeugenden Strom I gilt:

Nach Bild 1 sei eine Spule mit der Induktivität L₁ an einen Generator G angeschlossen. Von dem gesamten magnetischen Fluß φ soll der Anteil φ _h (Hauptfluß) eine Spule 2 mit der Induktivität L₂ durchdringen, so daß eine magnetische Kopplung der beiden Spulen vorliegt, deren Stärke durch die „Gegeninduktivität“ M ausgedrückt wird. In der offenen Spule 2 (Sekundärspule) tritt bei einer Stromänderung in der ersten Spule (Primärspule) die induzierte Spannung u_i2 auf: im Fall a bzw. .

Ein elektromagnetisches Relais besteht aus einem Elektromagneten und einem gegen eine Federkraft zu bewegenden Anker, der einen oder mehrere Kontakte betätigt. Für eine ausreichende Magnetkraft ist eine bestimmte Erregerdurchflutung erforderlich (Θ = I_E · N = 50...150 A bei mittlerer Baugröße). Von der Erregung her unterscheidet man Gleichstrom- und Wechselstromrelais. Die letzteren werden vor allem in der Energietechnik als „Schaltschütze“ mit „geblechtem“ Kern gebaut und sollen hier nicht betrachtet werden. Bei den Gleichstromrelais, die also für eine Gleichstromerregung vorgesehen sind, unterscheidet man nach Bild 1 und Bild 2 das ungepolte (neutrale) und das gepolte (polarisierte) Relais. Das ungepolte Relais arbeitet unabhängig von der Richtung des Erregerstromes, nach dessen Abschaltung der Anker in eine einseitige Ruhelage geht. Man bezeichnet das ungepolte Relais daher als monostabü. Beim gepolten Relais dagegen hängt die Ankerbewegung durch das Zusammenwirken eines Dauerflusses mit einem Steuerfluß von der Stromrichtung ab (Bild 2). Nach dem Abschalten des Erregerstromes behält es die vorher eingenommene Kontaktstellung bei, es arbeitet also bistabil. Unter Zuhilfenahme einer Rückstellfeder oder durch unsymmetrische Ausbildung der magnetischen Kreise läßt sich allerdings auch hier eine monostabile Arbeitsweise erreichen.

Die Hochvakuumtriode ist eine Elektronenröhre, die aus der Diode hervorgeht, indem nach Bild 1 zwischen Katode und Anode eine Drahtwendel als „Steuergitter“ eingefügt wird. Über die Spannung zwischen Gitter und Katode — üblicherweise mit „Gitterspannung“ U_g bezeichnet — läßt sich der Anodenstrom steuern. Dies zeigt sich eindrucksvoll an den I_a-U_g-Kennlinien, auch Übertragungskennlienien genannt, entsprechend Bild 2a. Wählt man anstelle der Anodenspannung U_a die Gitterspannung als Parameter, so ergibt sich durch bloßes Umzeichnen das Bild 2b mit den sog. Ausgangskennlinien (I_a-U_a-Kennlinien)¹).

Transistoren im üblichen Sprachgebrauch sind „bipolare“ Transistoren, bei denen Elektronen und Löcher gemeinsam am Ladungstransport beteiligt sind. Der Strom fließt über einander abwechselnde n- und p-Zonen. Bild 1a zeigt die Zonenfolge beim npn-Transistor, Bild 2a beim dazu „komplementären“ pnp-Transistor mit den Anschlüssen Emitter E, Basis B und Kollektor C. Die beiden pn-Übergänge kann man ersatzweise nach Bild 1b/2b als gegeneinander geschaltete Dioden darstellen mit dem gemeinsamen Punkt B’ im Inneren der Basiszone, der über den „Basisbahnwiderstand“ R_BB’ (Größenordnung einige Ohm) zum Anschluß B Verbindung hat. Dieses Bild mit getrennten Dioden erklärt schematisch den Transistoraufbau, nicht aber seine Funktion.

Operationsverstärker (häufig abgekürzt mit OP oder OV) sind im Prinzip nach Bild la aufgebaut. Sie bestehen aus einer Differenzeingangsstufe (T1 und T2), einem Zwischenverstärker (T3) und einer Endstufe mit möglichst niederohmigem Ausgang (T4). Die Schaltung hat zwei Eingänge, hier mit P und N bezeichnet, und einen Ausgang mit derselben Bezugsklemme (Masse), dargestellt durch den gemeinsamen Schaltungspunkt einer positiven und negativen Betriebsspannungsquelle. Die einzelnen Verstärkerstufen sind galvanisch gekoppelt, so daß auch Gleichspannungen verstärkt werden können (Gleichspannungsverstärker). Im Idealfall (Gleichtaktunterdrückung unendlich) wird jedoch nur die Differenzspannung U_D zwischen den Eingangsklemmen verstärkt. Die Differenzspannungsverstärkung bei offenem Ausgang wird als Leerlaufverstärkung V_D0 oder V₀ bezeichnet. Sie sollte möglichst hoch sein, z.B. V₀ > 10000 ≙ 80 dB. Dies wird erreicht in Verbindung mit einem normalerweise mehrstufigen Zwischenverstärker, dem außerdem die Aufgabe einer „Pegelverschiebung“ zwischen der Eingangs- und Ausgangsstufe zukommt mit dem Ziel, die Ausgangsspannung Null zu erreichen für U_P = U_N =0.

Für die Erzeugung von Sinusschwingungen im Frequenzbereich von 1 Hz bis 100 kHz spielt der Wien-Brücken-Oszillator eine dominierende Rolle. Seine Grundschaltung zeigt Bild 1a. Der Schalter S sei zunächst offen. Die äußere Beschattung des OPs bildet eine RC-Brückenschaltung, bestehend aus dem Teiler R_f – R_N einerseits und einem Wien-Spannungsteiler andererseits¹). Denkt man sich die Schaltung an der gestrichelten Stelle aufgetrennt und mit einer Spannung u_1~ angesteuert, so erscheint am Ausgang eine gleichphasige Spannung u_2~ (nichtinvertierender Betrieb) und an der Trennstelle (Ausgang des Wien-Teilers) eine in der Regel phasenverschobene Spannung u’_2~. Für \({\rm{f}}\;{\rm{ = }}\;{{\rm{f}}_{{\rm{0}}}} = \frac{1}{{2\pi {\rm{RC}}}}\) wird u’_2~ gleich- phasig mit u_1~. Dann gilt: als Schleifenverstärkung der aufgeschnittenen Schaltung.

Kippschaltungen haben die Eigenschaft, daß sie aufgrund einer Mitkopplung sprunghaft ihren Betriebszustand ändern können. Bei einem Operationsverstärker läßt sich Kippverhalten erreichen mit Hilfe eines Spannungsteilers R₁ – R₂, über den ein Teil der Ausgangsspannung auf den nichtinvertierenden Eingang rückgekoppelt wird (Bild 1a). Diese Rückkopplung ist im Sinne einer Mitkopplung wirksam und führt auf eine positive Schleifenverstärkung V_S. Sofern V_S > 1 ist, tritt Instabüität im aktiven Bereich auf, die je nach Ansteuerung zu einem Kippen in die negative oder positive Sättigung führt. Das Auslösen des Kippvorganges bezeichnet man als triggern, die Schaltung selbst als Trigger oder Schwellwertschalter¹).

Gatterschaltungen oder Torschaltungen sind Übertragungsglieder mit mehreren Eingängen und einem Ausgang. Je nach Betriebszustand des Gatters kann der Übertragungsweg für ein Signal vom Eingang zum Ausgang freigegeben oder gesperrt werden. Bild 1 zeigt zwei Ausführungsformen mit nur 2 Eingängen. Als unabhängige Eingangssignale (Eingangsvariable) sind die eingetragenen Spannungen u₁ und u₂ anzusehen, als davon abhängiges Ausgangssignal (Ausgangsvariable) wird die Spannung u_a betrachtet. Bei offenen Klemmen wird durch den Widerstand R im ersten Fall der Ausgang A auf Massepotential, im zweiten Fall auf ein positives Potential + U_B gezogen.

Digital-Analog-Umsetzer haben die Aufgabe, ein binäres Datenwort — normalerweise eine Dualzahl — in eine analoge Größe (Spannung oder Strom) umzusetzen. Die Aufgabe wird verdeutlicht mit Bild 1. Die Ausgänge eines 3 Bit-Dualzählers werden einem DA-Umsetzer zugeführt, der analog zum jeweiligen Zählerstand, entsprechend der Dualzahl D, eine Ausgangsspannung u_A bildet. Gemäß der schrittweisen Änderung der Dualzahl kann sich auch die Spannung u_A nur schrittweise um jeweils eine Spannungsstufe ΔU ändern (Bild 1b). Beim Durchlauf des Zählers ergibt sich also ein treppenförmiger Anstieg in Abhängigkeit von der Zahl D. Die eigentliche Kennlinie des Umsetzers besteht jedoch nur aus einzelnen diskreten Punkten, die auf einer Geraden durch den Nullpunkt liegen. Der höchste Punkt ist nach 2ⁿ-1 Stufen erreicht und liegt um eine Stufe unter dem mit Bild 1b definierten Bereichsendwert U_E (z.B. 10V).

Fototransistoren sind lichtempfindliche Transistoren. Ihrer hohen Empfindlichkeit wegen bei relativ kleinem Bauvolumen sind sie heute die meistgebrauchten Optosensoren. Es gibt sowohl bipolare als auch unipolare Ausführungen. Die letzteren, normalerweise als Foto-FET bzeeichnet, haben bis heute nur eine sehr geringe Bedeutung erlangt¹). Bipolare Fototransistoren dagegen sind sehr verbreitet und zwar praktisch ausschließlich als npn-Transistoren. Bild 1 zeigt zwei verschiedene Ausführungsformen, nämlich mil und ohne Basisanschluß. Von normalen Bipolartransistoren unterscheiden sie sich eigentlich nur dadurch, daß sie ein Fenster besitzen, durch das Licht auf die Kollektor-Basis-Sperrschicht treffen kann. Diese Sperrschicht wirkt dabei als Fotodiode mit einem durch das Licht steuerbaren Fotostrom, der seinerseits im Transistor mit der Stromverstärkung B_N verstärkt wird. Bild 1b macht die Verhältnisse deutlich mit einem Ersatzbild²). Parallel zu der Stromquelle entsprechend dem hauptsächlich thermisch erzeugten Sperrstrom I_CBO tritt eine weitere Stromquelle entsprechend dem zusätzlich überlagerten Fotostrom I_p. Der Fotostrom I_p und der Störstrom I_CBO haben also die gleiche Wirkung. Gemäß Bild lb erscheinen sie zusammen am Kollektor, vervielfacht um den Faktor B_N + 1. Im Dunkelzustand ist dort bei offener Basis nur die Komponente I_CBO · (B_N + 1) vorhanden. Bei zusätzlicher Basissteuerung kommt noch der verstärkte Basisstrom hinzu. Praktisch ergeben sich die gleichen Verhältnisse wie bei einem normalen Transistor, dem man eine Fotodiode zwischen Kollektor und Basis extern vorschaltet. Die statischen I_C-U_CE-Kennlinien haben bei reiner Fotosteuerung die im Bild 1c angegebene Form. Das Maximum der spektralen Fotoempfindlichkeit liegt überlicherweise im nahen Infrarotbereich.

Leistungstransistoren sind ausgelegt für relativ große Ströme und Verlustleistungen (> 10 W). Ihr „thermischer Innenwiderstand“ ist kleiner als 15 K/W. Die dem Transistor zugeführte und in Wärme umgesetzte (Verlust-)Leistung P muß notfalls über einen Kühlkörper nach außen so abgeleitet werden, daß eine übermäßige Erwärmung des Kristalls vermieden wird. Bei Ge-Transistoren darf die Sperrschichttemperatur T_j höchstens auf 75 ... 90 °C ansteigen, bei Si-Transistoren auf 150 ... 200 °C. Im stationären Zustand gilt für die „totale“ Verlustleistung eines Bipolartransistors:. Damit erält man: für die Temperatur der besonders beanspruchten Kollektor-Basis-Sperrschicht.

Unter Leistungsthyristoren versteht man Thyristoren für Dauergrenzströme von mehr als 1 A²). Bild la zeigt einige Ausführungen für noch relativ kleine Stromwerte, und Bild 1b zeigt die Montageweise von Schraubthyristoren in Verbindung mit einem Kühlkörper. In der Regel ist die Anode leitend mit dem Gehäuse verbunden, gelegentlich stattdessen die Katode. In Anlehnung an die heute üblichen Bezeichnungen sollen im folgenden die Ströme und Spannungen gemäß Bild 1c bezeichnet werden. Damit läßt sich der Thyristor als ein steuerbares Ventil beschreiben, das im Ausgangszustand nach beiden Richtungen hochohmig ist, durch Einspeisung eines Gatestromes I_G aber bei positiver Spannung U_T in den Durchlaßzustand umgeschaltet werden kann (Zündung). Der Thyristor geht dabei vom „Blockierzustand“ in den Durchlaßzustand über, in dem er sich im wesentlichen wie eine leitende Diode verhält. Die Spannung steigt nur geringfügig mit dem Strom auf etwas mehr als 1 V an³).

Mit dem Baustein TAA 861 hat die Fa. Siemens 1970 einen besonders einfachen Operationsverstärker in monolithischer Ausführung herausgebracht, der in Konkurrenz zu dem bereits international eingeführten Standard-OP 741 trat. Bild 1 stellt die Schaltung vor, ausgelegt für symmetrische Betriebsspannung mit ±U_B ⩽ 10 V bzw. 18 V bei der Variante TAA 761. Die Eingangsschaltung wird gebildet durch das Transistorpaar Tl – T2 als Differenzverstärker in Verbindung mit Transistor T5 als hochohmige Stromsenke. Bei ausschließlicher Gleichtaktsteuerung fließt der vom Transistor T5 aufgenommene Strom je zur Hälfte über Tl und T2. Über die Transistoren T3 und T6 schließt sich dabei eine Regelschleife, die im Sinne einer Stromkonstantschaltung wirkt und damit für eine hohe Gleichtaktunterdrückung sorgt.