Elektronik für Ingenieure und Naturwissenschaftler

Dieser Abschnitt enthält die elektrotechnischen Grundlagen für die nachfolgenden Abschnitte. Zunächst sind die physikalischen Größen, ihre Formelzeichen und Einheiten zusammengestellt, die Grundbegriffe erläutert sowie deren Richtungssinn (Pfeilung) festgelegt. Im Anschluss daran werden die Kirchhoff’schen Gesetze in einem Stromkreis hergeleitet und Netzwerke mit der Maschen- und Knotenanalyse untersucht sowie grafische Verfahren zur Ermittlung der Werte für Spannung und Strom bei nichtlinearen Kennlinien vorgestellt. Der nächste Abschnitt erläutert die Grundlagen der Wechselstromlehre; es folgt eine Zusammenstellung der Messgeräte zur elektrischen Messung elektrischer und nichtelektrischer Größen. Schließlich werden die Grundlagen der Halbleiterphysik wiedergegeben und Hinweise zur Herstellung von Halbleiterbauelementen gegeben.

Transistoren sind aktive Halbleiterbauelemente zum Verstärken von elektrischen Signalen. Die unterschiedlichsten Anwendungsfälle haben zu einer großen Vielfalt verschiedener Transistortypen geführt. Selbst analoge und digitale integrierte Schaltungen (IC) sind aus Transistoren mit der erforderlichen Beschaltung zusammengesetzt. Abbildung 3.1 gibt eine Übersicht über die verschiedenen Transistortypen, den prinzipiellen Aufbau, die Schaltzeichen, die charakteristischen Kennlinien und zeigt einige wichtige Anwendungsfälle.

Transistorverstärker finden bis zu sehr hohen Frequenzen Verwendung. Beim Entwurf der Schaltung sind außer den Transistoreigenschaften bei hohen Frequenzen auch die HF-Eigenschaften von Bauteilen und Leitungen zu berücksichtigen. Bei HF-Schaltungen muss deshalb mit allen komplexen Vierpolparametern des Transistors gerechnet werden. Vernachlässigungen führen schnell zu groben Fehlern. Ebenso ist die Anordnung aller Bauteile genau zu durchdenken. In HF-Schaltungen soll die Energie nur in der erwünschten Richtung fließen; man erreicht dies durch eine geeignete Anpassung aller Elemente im Signalweg.

Die Leistungselektronik hat durch die Entwicklungen in der Mikroelektronik in den vergangenen Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. Heute ist sie auch in unserem alltäglichen Leben in vielfältiger Ausprägung zu finden. Die Schwerpunkte der Leistungselektronik finden sich beispielsweise in Die nachfolgenden Abschnitte zergliedern sich in zwei Hauptbereiche, in Passive Bauelemente der Leistungselektronik begegnen uns häufig in Schutzschaltungen zur Einhaltung der Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

Die Optoelektronik ist das Teilgebiet der Elektronik, das sich mit der Umwandlung von optischen Signalen in elektrische und umgekehrt sowie mit ihrer Koppelung befasst. Dieser Zusammenhang ist in Abb. 6.1 dargestellt; hierbei sind die wichtigsten Bauelemente genannt. Aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften der Festkörperbauelemente, wie z. B. kleine Bauform, mechanische Robustheit, hohe Lebensdauer und niedrige Betriebsspannung, stellt man die Wandler überwiegend aus Halbleitern her. In diesem Buch ist deshalb fast ausschließlich die Halbleiteroptoelektronik beschrieben. Stimuliert durch die Erfolge bei der Integration elektronischer Bauelemente zu komplexeren Systemeinheiten, wurden auch bereits integrierte optoelektronische Schaltungen entwickelt, bei denen sowohl optische als auch elektronische Bauteile auf einem Chip integriert sind.

Ein Sensor (lat.: sensus, Sinn) ist ein Fühler, der die Messgrößen der Umwelt erfassen kann. Naturwissenschaftliche Effekte in Physik, Chemie, Biologie und Medizin ermöglichen eine große Vielfalt an Sensoren und Einsatzfeldern. Ein Sensor ist in der Lage, die erwähnten Gesetze ausnutzend, physikalische, klimatische, chemische, biologische und medizinische Größen zu erfassen, diese Informationen auszuwerten und entsprechende Maßnahmen zur Steuerung einzuleiten. In diesem Werk werden hauptsächlich physikalische Messgrößen betrachtet. In diesem Fall wandelt ein Sensor eine physikalische Größe (z. B. Kraft oder Temperatur) mit Hilfe eines physikalischen Effektes in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal (z. B. elektrischer Widerstand, Spannung oder Strom) um, wie dies Abb. 7.1 zeigt. Das Sensorelement erfüllt dabei die Funktion des Aufnehmers, eines Wandlers und eines Verstärkers bzw. einer Auswerte-Elektronik. Man entwickelt zunehmend integrierte Sensoren, die im Sensorelement bereits eine Signalvorverarbeitung mit Hilfe einer Auswerte-Elektronik ermöglichen (gestrichelte Linie in Abb. 7.1). Eventuelle Störgrößen, die den Messwert des Sensors beeinflussen (z. B. Temperatureinflüsse), können rechnerisch mit einem Mikroprozessor berücksichtigt werden. Hierbei können genormte Ausgangssignale erzeugt werden, die von Umgebungseinflüssen wie Temperaturdifferenzen oder Spannungsschwankungen unabhängig sind. In selteneren Fällen kann das Sensorsignal kann auch hydraulische und pneumatische Ausgangsgrößen liefern. Solche Messwertaufnehmer steuern dann die angeschlossenen Stellglieder direkt an.

Integrierte Schaltungen bestehen aus einer Vielzahl von passiven und aktiven Bauelementen (z. B. Widerstände, Dioden, Kondensatoren oder Transistoren), die durch eine entsprechende Schaltung miteinander verbunden sind. Aus diesen Bauelementen baut man größere und kompliziertere monolithische Schaltungen auf sehr kleinem Raum auf (z. B. in einem Chip der Kantenlänge 0,5 bis 2 mm). Auf einer Silicium-Scheibe lassen sich gleichzeitig sehr viele identische integrierte Schaltungen unterbringen. Durch die Massenproduktion der integrierten Schaltungen entfällt auf jede nur ein kleiner Teil der hohen Entwicklungs- und Fertigungskosten, so dass die integrierte Schaltung nicht nur wesentlich kleiner, sondern auch billiger und – wegen der geringen Anzahl an Lötverbindungen – auch zuverlässiger ist. Voraussetzung für eine hohe Zuverlässigkeit ist ein geeignetes Gehäuse, das schädliche Fremdstoffe, vor allem Wasserdampf, von den feinen und empfindlichen Halbleiterstrukturen fernhält. Weiterhin dürfen die Grenzwerte des erlaubten Arbeitsbereichs wie Spannungen, Ströme, Verlustleistung und Temperatur nicht überschritten werden.

In vielen Prozessen fallen die Daten in elektrischer Form an oder werden zuerst in ein elektrisches Analogsignal umgesetzt. Dieses Analogsignal steht für die weitere Verarbeitung zur Verfügung. Beispielsweise in einer Regelung, beim Telefon, Funk oder Fernsehen überträgt man es über große Entfernungen oder speichert es für eine spätere Nutzung, wie bei der Schallplatte oder dem Tonband. Bei dieser analogen Verarbeitung entstehen durch geringe Abweichungen der Übertragungselemente vom idealen Verhalten Fehler, die sich mit zunehmender Anzahl der beteiligten Elemente summieren. Diese zusätzlichen Fehler lassen sich mit hohem Aufwand in Analogsystemen nur verringern, in Digitalsystemen bei richtiger Auslegung jedoch verhindern oder korrigieren.

Mit einer Regelung werden in erster Linie Prozessgrößen in automatisierten Systemen eingestellt. Beispielsweise kann mit einer Temperaturregelung die Innentemperatur eines Raumes trotz einer sich ändernden Außentemperatur konstant gehalten oder mit einer Durchflussregelung der Durchfluss eines Mediums auch bei einem sich ändernden Gegendruck stabilisiert werden. Auch in elektronischen Schaltungen können geregelte Systeme sehr sinnvoll sein. Durch eine Regelung kann beispielsweise eine Spannung, ein Strom oder auch eine Frequenz mitunter besser stabilisiert werden, als es durch aufwändige Kompensationsschaltungen möglich wäre.