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Über dieses Buch

Dieses Buch richtet sich an alle, die ein umfassendes Wissen über Herstellung, Aufbau, Eigenschaften, Funktionsweise und Einsatz passiver elektronischer Bauelemente benötigen. Bei deren Anwendung sind viele technische Daten zu beachten, welche dieses Buch zusammen mit Berechnungsgrundlagen zur Verfügung stellt. Theoretische und physikalische Grundlagen ergeben die Basis für Aufbauformen und Herstellungsverfahren. Die Eigenschaften von Bauelementen werden durch die angegebenen Größen und Charakteristiken verständlich, ihre Verwendung verdeutlichen Einsatzbeispiele, auch unter Betrachtung hochfrequenztechnischer Merkmale. Das Werk kann in der Lehre, im Studium sowie als Nachschlagewerk in der Praxis verwendet werden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Begriffsdefinitionen

Zusammenfassung
Elektronik
Die Elektronik ist ein Teilbereich der Elektrotechnik und befasst sich mit der Entwicklung und Fertigung von elektronischen Bauelementen sowie deren Anwendung in elektrischen Schaltkreisen und Netzwerken. Zur Elektronik gehören alle Zweige von Wissenschaft und Technik, die sich mit physikalischen Vorgängen und technischen Anwendungen der Elektronenleitung im Vakuum, in Gasen und in Festkörpern beschäftigen. Schwerpunkte der Elektronik sind beispielsweise die Nachrichtentechnik, Leistungselektronik und die elektronische Messtechnik. Die Mikroelektronik behandelt die Entwicklung und Herstellung integrierter Schaltkreise als monolithische Schaltungen auf einem Chip (z. B. Prozessoren, Sensoren) und miniaturisierter Komponenten und Systeme. Wichtige Teilbereiche der Elektronik sind die Analogtechnik, die Digitaltechnik, die Hochfrequenztechnik und die Optoelektronik.
Leonhard Stiny

2. Material: Eigenschaften und Klassifizierung

Zusammenfassung
Metalle und Metall-Legierungen sind in der Elektrotechnik die wichtigsten elektrisch leitfähigen Materialien. Bei metallischen Leitern kann man (grob und jeweils bei einer Umgebungstemperatur von ca. 20 \({}^{\circ}\)C) zwischen sehr gut leitenden Metallen mit einem spezifischen Widerstand kleiner 0,1 μΩm und schlecht leitenden Legierungen mit einem spezifischen Widerstand größer 0,3 μΩm unterscheiden. Aus sehr gut leitenden Metallen werden z. B. Drähte, Kabel, Steckverbindungen sowie Spulen von Transformatoren und elektrischen Maschinen hergestellt. Legierungen mit hohem Widerstand werden für die Herstellung von Widerstandsbauteilen, Heizdrähten usw. verwendet. Folgende Faktoren sind für die Wahl eines Leitermaterials zur technischen Weiterverarbeitung von Bedeutung:
  • Korrosionsverhalten
  • Oxidationsverhalten
  • Dauerfestigkeit
  • Widerstands-Temperaturkoeffizient
  • Beständigkeit gegen Chemikalien
  • Kosten.
Metalle können somit in gute und schlechte Leiter eingeteilt werden.
Gute Leiter haben einen kleinen elektrischen Widerstand, sie können entsprechende Energie bzw. Leistung führen, ohne dass in ihnen nennenswerte Verluste entstehen (Verlustleistung in Form von unerwünschter Wärme).
Selektionskriterien für Leiter sind:
  • elektrischer Widerstand des Materials
  • Widerstands-Temperaturkoeffizient
  • Beständigkeit gegen Korrosion
  • Oxidationscharakteristik
  • Verarbeitbarkeit beim Löten oder Schweißen
  • mechanische Eigenschaften und Verarbeitbarkeit
  • natürliches Vorkommen (ausreichende Verfügbarkeit)
  • Beständigkeit gegen Chemikalien und Umwelt
  • Kosten, Recycelbarkeit.
Leonhard Stiny

3. Festwiderstände

Zusammenfassung
Ohm‘sche Widerstände werden in elektronischen Baugruppen und Geräten als Bauelemente in verschiedensten Ausführungsformen verwendet. Eine Gliederung von Widerständen ist nach festen, mechanisch veränderbaren und durch physikalische Größen veränderlichen Widerstandswerten möglich. Weiterhin können Festwiderstände nach ihrer Aufbauform (bedrahtet, Chip für SMD-Montage, Dick- oder Dünnschicht) sowie ihrer Aufbauart (Widerstandsmaterial draht- oder schichtförmig und dessen Struktur und Gestaltung) eingeteilt werden. In einer integrierten Schaltung wird oft ein besonders beschalteter Transistor als Widerstandsersatz benutzt.
Die wichtigsten Kennwerte eines Widerstandes sind:
  • der Widerstandsnennwert (Sollwert) in Ohm (kurz: Widerstandswert)
  • die Toleranz des Widerstandswertes in Prozent vom Nennwert (herstellungsbedingte, maximale Abweichung vom Nennwert nach oben oder unten)
  • Belastbarkeit in Watt
  • Temperaturabhängigkeit (Temperaturkoeffizient TK, gibt die Temperaturabhängigkeit des Widerstandswertes an).
Ein Widerstand ist ein passives Bauelement. Die Einheit für den elektrischen Widerstand ist Ohm. Das Einheitenzeichen für Ohm ist „Ω“, das Formelzeichen ist „R“. Ein idealer ohmscher Widerstand weist einen linearen Zusammenhang zwischen den durch ihn fließenden Strom I und der an ihm anliegenden Spannung U auf. Dies ist das ohmsche Gesetz \(R=\frac{U}{I}\). Ein Ohm ist definiert als \(1\,\Omega=\frac{1\,\text{V}}{1\,\text{A}}\).
Leonhard Stiny

4. Veränderbare Widerstände, Potenziometer

Zusammenfassung
Drahtwiderstände kann man auch als einstellbare Widerstände herstellen. Eine mögliche Ausführung wird hier erläutert. Um den Widerstand zu verändern wird der Bedienknopf einer Spindelachse gedreht. Dadurch kann ein verschiebbarer Schleifkontakt (der „Schleifer“), der auf den Widerstandskörper drückt, sehr genau positioniert werden. Der Schleifer besteht meist aus einer Feder mit Silberkontaktstelle oder mit einem Kohlekontakt. Zwischen dem Schleifer, der als Abgriff auf der Drahtwicklung dient, und einem Ende der Widerstandswicklung entsteht auf diese Weise ein von der Position des Schleifers abhängiger Widerstandswert.
Das Prinzip der mechanischen Verstellung eines Schleifers auf einem Widerstandsmaterial ist nicht auf eine geradlinige Bewegung des Schleifers beschränkt. Der Träger des Widerstandsmaterials kann auch kreissegment- oder spiralförmig sein. Beim Drehwiderstand wird der Schleifer über eine ebene, kreisförmig angeordnete Bahn geführt, beim Spindelpotenziometer mit Hilfe einer Spindel über die gewendelte Widerstandsbahn gezogen. Die Einstellung des Widerstandes erfolgt in diesen Fällen durch die Drehbewegung einer Achse, die Bewegung des Schleifers ist nicht linear fortschreitend, sondern beim Drehwiderstand kreisförmig.
Anders als bei Drahtpotenziometern besteht bei Schichtpotenziometern das Widerstandsmaterial aus einer Kohle- oder Metallschicht oder einem leitenden Kunststoff.
Im Unterschied zu einem veränderbaren Widerstand (Stellwiderstand) mit zwei Anschlüssen hat ein Potenziometer drei Anschlüsse, es kann als einstellbarer Spannungsteiler verwendet werden.
Leonhard Stiny

5. Veränderliche, nichtlineare Widerstände

Zusammenfassung
Nachfolgend werden Widerstände besprochen, deren Widerstandswert durch physikalische Größen verändert werden kann.
Nichtlineare Widerstände sind Widerstände mit nichtlinearer, also gekrümmter I-U-Kennlinie. Bei dieser Art von Widerständen ist das ohmsche Gesetz nicht mehr gültig, da der Widerstand in jedem Punkt der Kennlinie einen anderen Wert hat. Er wird daher als differenzieller Widerstand r in einem bestimmten (Arbeits-) Punkt der Kennlinie ausgedrückt, er ist gleich dem reziproken Wert des Kennlinienanstiegs im Arbeitspunkt \(U_{1},I_{1}\) und kann aus der Steigung der Tangente an die nichtlineare I-U-Kennlinie im Punkt \(U_{1},I_{1}\) ermittelt werden.
$$\displaystyle r=\frac{\mathrm{d}U}{\mathrm{d}I}\approx\frac{\Delta U}{\Delta I}$$
(5.1)
Widerstände, deren ohmscher Wert sich in Abhängigkeit der Temperatur oder der elektrischen Spannung ändert, sind nichtlineare Widerstände.
Temperaturabhängige Widerstände bezeichnet man als Thermistoren. Bei den Thermistoren wird zwischen NTC-Widerstand (Heißleiter) und PTC-Widerstand (Kaltleiter) unterschieden. Mit steigender Temperatur wird der Widerstandswert beim Heißleiter kleiner, beim Kaltleiter größer.
Ein spannungsabhängiger Widerstand wird Varistor oder VDR-Widerstand genannt. Sein Widerstandswert fällt stark nichtlinear mit der angelegten Spannung.
Leonhard Stiny

6. Durch Dehnung veränderbarer Widerstand

Zusammenfassung
Dehnungsmessstreifen (Kurzbezeichnung DMS) sind flächenhaft ausgebildete Messwertaufnehmer, sie werden durch einen elektrischen Widerstand charakterisiert. Erfahren diese Sensoren eine Deformation, so ändert sich ihr elektrischer Widerstand. Sie werden zur Messung von mechanischen Verformungen und Beanspruchungen (z. B. Kraft, Drehmoment, Druck, Dehnung, Stauchung) verwendet. Sie wandeln die mechanische Messgröße in ein elektrisches Ausgangssignal um.
Dehnungsmessstreifen sind auf einer nichtleitenden Trägerfolie aufgebrachte, dünne Leiterbahnen (z. B. 10 bis 30 \(\upmu\)\(\varnothing\)), die bei mechanischen Spannungen ihren Widerstand verändern. Sie werden mit speziellen Klebemitteln fest mit einer Werkstücksoberfläche (Maschinenteil) verklebt. Bei mechanischen Belastungen führen die vom Werkstück auf die Leiterbahnen übertragenen Verzerrungen zu einer Dehnung oder Stauchung des Widerstandsdrahtes und damit zu einer positiven oder negativen Widerstandsänderung. Ursachen für die Widerstandsänderung sind sowohl die geometrische Veränderung des Leiters, als auch eine Änderung des spezifischen Widerstandes ρ bzw. der elektrischen Leitfähigkeit des Leiterwerkstoffes infolge von Gefügeänderungen.
Eine Dehnungsmessung mit einem DMS ist also eine Widerstandsmessung. Für die sehr kleinen Widerstandsänderungen sind spezielle Schaltungen und Messgeräte erforderlich.
Leonhard Stiny

7. Magnetfeldabhängiger Widerstand

Zusammenfassung
Feldplatten werden auch magnetfeldabhängige Widerstände oder MDR (Magnetic Field Dependent Resistor) genannt, ihr Widerstandswert kann durch ein Magnetfeld gesteuert werden. Der Widerstandswert einer Feldplatte steigt mit der magnetischen Flussdichte.
Feldplatten bestehen aus sehr dünnen Halbleiterplättchen aus Indiumantimonid (InSb) mit einlegierten Nadeln aus Nickelantimonid (NiSb). Die Plättchen sind mäanderförmig auf eine Trägerplatte aufgebracht, in ihnen wird der zurückgelegte Weg der Elektronen und somit der Widerstandswert durch den Einfluss eines äußeren Magnetfeldes verändert.
Der Widerstandswert ohne Magnetfeld (Grundwiderstand R0) kann in einem weiten Wertebereich (\(10\,\Omega\leq R_{0}\leq 10\,\mathrm{k}\Omega\)) hergestellt werden.
Beispiele für wichtige Kenn- und Grenzwerte sind:
  • höchstzulässige Belastung \(P_{\mathrm{tot}}\approx 0{,}5\,\text{W}\)
  • Betriebstemperatur \(\vartheta_{\max}\approx-40\,^{\circ}\mathrm{C}\) bis \(+150\,^{\circ}\mathrm{C}\)
  • Grundwiderstand (Flussdichte B = 0) \(R_{0}\approx 10\,\Omega\) bis \(10\,\mathrm{k}\Omega\)
  • Temperaturbeiwert \(\alpha\approx-0{,}004\,\text{K}^{-1}\)
Vorteile: Geringe Kosten, großer Anwendungsbereich, hohe Magnetfeldempfindlichkeit
Nachteile: Bei Anwendungen sind Nichtlinearität, Temperaturabhängigkeit und Nullpunktsdrift zu beachten.
Hinweis: Man beachte den Unterschied zwischen Feldplatten und Hallgeneratoren. Feldplatten ändern ihren Widerstandswert durch den Einfluss eines Magnetfeldes. Hallgeneratoren erzeugen infolge von Stromfluss und einem äußeren Magnetfeld eine Spannung.
Leonhard Stiny

8. Kondensatoren

Zusammenfassung
Abgesehen von Widerständen und Halbleitern sind Kondensatoren die meist verwendeten Bauelemente der Elektronik. Kondensatoren sind die wichtigsten Energie speichernden Bauelemente in der elektronischen Schaltungstechnik, sie werden wegen der besseren elektrischen Eigenschaften und der wesentlich günstigeren Fertigung klar gegenüber Induktivitäten (Spulen) bevorzugt.
Kondensatoren finden Anwendung zur Glättung elektrischer Spannung, zum Sperren von Gleichspannung bei gleichzeitiger Übertragung von Wechselspannung, sowie zur Entstörung elektrischer Anlagen. Zusammen mit Spulen werden sie in Schwingkreisen zum Trennen von unterschiedlichen Frequenzen (früher z. B. zur Sendereinstellung bei Radios) benutzt. In Verbindung mit Widerständen können Filter zur Unterdrückung oder Hervorhebung bestimmter Frequenzen realisiert werden (z. B. Entstörung eines Gerätes oder Klangeinstellung bei Verstärkern).
Neben den als Bauelemente erhältlichen Kondensatoren müssen häufig Kapazitäten beachtet werden, die sich durch die mechanische Konstruktion bzw. die Anordnung von Komponenten im Schaltungsaufbau ergeben. Kondensatoren werden als Bauelemente gezielt in Schaltungen eingesetzt, Kapazitäten können aber auch als parasitäre Elemente auftreten. So führen z. B. die kapazitiven Eigenschaften von pn-Übergängen in Halbleiterbauelementen zu einer unerwünschten Verzögerung von Schaltflanken und parallele Leitungen ergeben ein störendes Übersprechen auf benachbarte Leitungen.
Leonhard Stiny

9. Induktivitäten

Zusammenfassung
Eine Spule, auch Induktivität genannt, ist prinzipiell nichts anderes als ein leitender, aufgewickelter Draht. Sie besitzt zwei Anschlüsse. Ein Spulenkörper (Wickelkörper) aus Kunststoff kann aus wickeltechnischen Gründen und zur mechanischen Fixierung des Drahtes verwendet werden. Eine frei in der Luft gewickelte Spule ohne Wickelkörper wird als Luftspule bezeichnet. Eine Spule mit einem Eisenkern wird auch Drossel genannt.
Um die Wirkungsweise einer Spule zu verstehen, sind Grundkenntnisse des Magnetismus und des magnetischen Feldes erforderlich.
Ein Magnet ist ein Stahlstück, welches Eisen und Stahl anzieht. Die Anziehungskraft heißt Magnetismus. Die zu den Metallen gehörenden Elemente Eisen, Nickel und Kobalt zeigen deutliche magnetische Eigenschaften. Der Magnetismus dieser Stoffe wird daher Ferromagnetismus (von lat. ferrum \(=\) Eisen) genannt, die Stoffe sind ferromagnetisch. Im Gegensatz hierzu sind z. B. Kupfer und Aluminium keine magnetischen Stoffe.
Außer natürlichen Magneten (Eisenerzstücke) gibt es künstliche Magnete aus Stahl oder bestimmten Legierungen in Form von z. B. Stabmagneten, Hufeisenmagneten oder Magnetnadeln.
Magnete üben aufeinander anziehende und abstoßende Kräfte aus. Ähnlich wie bei der elektrischen Ladung gibt es zwei Pole. Die Pole eines Magneten sind die Gebiete der stärksten Anziehung bzw. Abstoßung an den beiden Enden des Magneten.
Leonhard Stiny

10. Transformatoren und Übertrager

Zusammenfassung
Der Transformator (kurz Trafo) hat als Umspanner in der elektrischen Energietechnik die Aufgabe, elektrische Energie mit gegebener Spannung U1 und Frequenz f unter Beibehaltung der Frequenz in elektrische Energie mit einem größeren oder kleineren Spannungswert U2 zu übertragen. Die Umwandlung der elektrischen Wechselstromenergie erfolgt über ein magnetisches Wechselfeld.
Beim Einsatz als Trenntransformator zur Schutztrennung erfolgt eine galvanische Trennung eines Verbrauchers vom öffentlichen Stromnetz.
In der Messtechnik dient der Trenntransformator zur Potenzialtrennung von Messgeräten und als Spannungswandler oder Stromwandler zur Anpassung der zu messenden Signale an den Messbereich eines Messgerätes.
In der Nachrichtentechnik kommen spezielle Transformatoren zum Einsatz. Sie werden als Übertrager bezeichnet und dienen zur breitbandigen Anpassung eines Verbrauchers an eine Quelle. Die Eigenschaft der Widerstandsübersetzung eines Transformators wird bei Übertragern genutzt, wenn Widerstände an Wechselspannungsquellen angepasst werden müssen. Ein Beispiel ist die Kopplung von zwei Verstärkerstufen durch einen Übertrager, um eine Leistungsanpassung zu erreichen.
Leonhard Stiny

11. Elektrische Leitungen

Zusammenfassung
Die Informationsübermittlung (Nachrichtenübertragung) erfolgt mit Hilfe physikalischer Signale. Beispiele hierfür sind elektrische Spannung, elektrischer Strom, elektromagnetische Welle, Lichtwelle. Die physikalischen Signale sind an physikalische Medien gebunden, welche wiederum verschiedene Ausführungsformen haben:
  • Metallische Leiter
    • Zweidrahtleitung
    • verdrillte Adernpaare, mit/ohne Abschirmung
    • Koaxialleitung
    • Freileitung
    • Hochspannungsleitungen
  • Lichtwellenleiter
    • Multimodefasern
    • Monomodefasern
    • Infrarotstrecken
  • Freier Raum
    • Terrestrischer Rundfunk, Satellitenrundfunk
    • Mobilfunkstrecken
    • Richtfunkstrecken
    • Satellitenstrecken.
Elektrische Leitungen sind der einfachste Fall zur Weiterleitung von Information, die als elektrische Größe vorliegt. Die drahtlose Übertragung durch freie Wellenausbreitung (Funkverbindung) wird z. B. für mobile Anwendungen verwendet. Lichtwellenleiter finden ihren Einsatz in der optischen Übertragungstechnik bei Bedarf an hoher Bandbreite.
Nachfolgend werden die leitungsgebundenen Übertragungsmedien besprochen.
Elektrische Leitungen sind die ältesten und einfachsten Transportmedien für Daten in elektrischer Form. Die Leitungen können elektrisch direkt mit der Schaltung verbunden werden. Normalerweise werden keine speziellen Sende- oder Empfangsbausteine benötigt, außer evtl. Leitungstreiber. Bei hohen Signalfrequenzen haben bestimmte Leitungseigenschaften einen wesentlichen Einfluss auf die schnelle Übertragung von Informationen, sie können zu Störungen führen.
Zur Informationsübertragung werden verschiedene Arten von Leitungen verwendet.
Leonhard Stiny

12. Lichtwellenleiter

Zusammenfassung
Der Begriff Lichtwellenleiter ist in der DIN 47002 und VDE 0888 genormt und besagt, dass es sich um einen Leiter handelt, in dem moduliertes Licht übertragen wird. Glasfasern (optical fibers) werden aus Kunststoff oder Glas hergestellt. Lichtwellenleiter (LWL) oder optische Fasern sind kaum teurer als Kupferleitungen und haben zudem, insbesondere auf längeren Übertragungsstrecken, erhebliche Vorteile.
Leonhard Stiny

13. Hohlleiter

Zusammenfassung
Mikrowellen sind elektromagnetische Strahlen im Bereich der Wellenlänge von 30 cm bis 0,3 mm bzw. im Frequenzbereich von 1 GHz bis 1 THz. Bauteile von üblichen elektrischen Schaltungen wirken wegen der Wellenlänge der Mikrowellen als Antennen, deshalb können Mikrowellen nicht über gewöhnliche Drähte als Leiter transportiert werden. In Koaxialleitungen steigen die Verluste mit zunehmenden Frequenzen so stark an, dass auch kurze Distanzen nicht wirtschaftlich überbrückt werden können. Statt Drahtleitungen werden Hohlleiter verwendet, die nach außen keinerlei Strahlung abgeben. Mit Hohlleitern ist eine dämpfungsarme Fortleitung (z. B. ca. 0,2 dB\(/\)m bei 10 GHz) hochfrequenter elektromagnetischer Wellen möglich, z. B. zwischen Sender und Richtstrahlantenne. Hohlleiter besitzen auch eine größere Spannungsfestigkeit als Koaxialleitungen, dies ist bei der Übertragung großer Leistungen (Radar) von Bedeutung.
Hohlleiter werden im Höchstfrequenzbereich (\(f> 1\,\mathrm{GHz}\)) in der Nachrichtentechnik (Fernsehen, Richtfunk), in Mikrowellen- und Radargeräten sowie in der Satellitenkommunikation eingesetzt.
Leonhard Stiny

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