Einfuehrung Elektronik by 99984FN

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									                            Einführung in die
                               Elektronik
                      Vortragender: Prof. Laabs
                      Datum:        26. April 2006



Design/Bearbeitung : Andreas Vogler - 2006
                 Schaltungen der Elektronik



                           Miniverstärker    Baustellenwarnanlage




                               Kofferradio   Wechselsprechanlage
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Einführung in die Elektronik
Folie: 2
                 Grundbegriffe der Elektronik


                                  Ladung …
                                   Wasser im Vorratsbehälter
                                  Spannung …
                                   Höhe des Wasserstandes
                                  Strom …
                                   Durchfluss des Wassers
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Folie: 3
                 Stromkreis




                                                  Schaltplan
                                                  Standardisierte Symbole

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                   Ladungsträger: Elektronen
                   Physikalische und technische Stromrichtung
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Einführung in die Elektronik
Folie: 4
                 Wassermodell
       In Schul-, Bastel- und Hobbybüchern wird zur
       Erklärung der Elektrizität gern die Analogie zum
       Verhalten von Wasser genutzt. Die Elektronen
       entsprechen darin den Wasserteilchen. Die
       Zulässigkeit dieser Modelle ist in der Elektronik
       umstritten. Positionieren Sie sich dazu!

         1.      Welche didaktischen Vereinfachungen liegen
                 diesen Modellen zu Grunde?
         2.      Formulieren Sie Grenzen und Möglichkeiten für
                 den Einsatz der Wassermodelle!

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Folie: 5
                 Grundlegende Bauelemente


                                    Widerstände
                                    Kondensatoren
                                    Spulen
                                    Dioden
                                    Transistoren
                                    Schaltkreise



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Folie: 6
                 Bauelemente – Einteilung

                               Bauelement



                                            elektrisch
        nicht elektrisch
                                          (elektronisch)



                                 passiv                    aktiv

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Folie: 7
                 Widerstand - Definition
  Bauelemente, an denen ein Spannungsabfall auftritt, wenn sie von
  einem Strom durchflossen werden.


                                   Widerstand in Ohm (Ω)
          • elektrische Energie
            kann in eine andere       1 kΩ   = 1000 Ω
            Energie umgesetzt         1 MΩ   = 1000 kΩ
            (Wirkenergie) oder
                                      1 GΩ   = 1000 MΩ
            gespeichert werden
            (Blindenergie)
                                        U V
          • Parallel- und
            Reihenschaltung          R   Ω
                                        I A
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Folie: 8
                 Widerstand - Bauformen
                                    Widerstand



                   Fest-                                       veränderbarer
                widerstand                                      Widerstand

                                 stufig            stetig
                                                                     einstellbar
                               verstellbar       verstellbar


                                      Schiebe-           Dreh-
                                                                    Einstellregler
                                     widerstand        widerstand




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Folie: 9
                 Kondensator - Definition
     Bauelement, das elektrische Ladungen speichern kann.
     Die Ladungsspeicherung bewirkt eine
     Energiespeicherung.          Kapazität in Farad (F)
         Parallel- und             1F     = 1000 mF
          Reihenschaltung           1 mF   = 1000 µF
         Leckströme                1 µF   = 1000 nF
          (Selbstentladung)
                                    1 nF   = 1000 pF
         Lade- und
          Entladekennlinien
                                    Q As
         Blindwiderstand in
          Wechselstromkreisen     C    F
                                    U V
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Folie: 10
                 Kondensator - Bauformen
                                            Kondensatoren



                          Fest-                              verstellbare
                      kondensatoren                         Kondensatoren



                                                       stetig
                                                                       einstellbare
         ungepolte                gepolte           verstellbare
                                                                      Kondensatoren
                                                   Kondensatoren

                                 Elektrolyt-           Dreh-
                                                                            Trimmer
                               kondensatoren       kondensatoren


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Folie: 11
                 Spule - Definition
       Bauelement, das elektrische Energie im Magnetfeld, das sich
       in der Umgebung der Spule bildet, speichert. Die
       charakteristische Größe ist die Induktivität.

        • Zusammenhang von
          Induktionsfluss  und
          Stromfluss I                     Vs
        • Maßeinheit ist Henry        L     H
        • Induktivität abhängig von
                                        I  A
          Konstruktion und
          Materialeigenschaft
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Folie: 12
                 Spule - Bauformen
                                                        Spule



                               mit Eisen                                   ohne Eisen




          kompakt                          lamelliert            Ferrite            Masseeisen



                                      Relais, Magnet,
     Relais, Magnet,
                                      Motor, Drossel,           Übertrager
          Motor
                                      Transformator

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Einführung in die Elektronik
Folie: 13
                 Schaltplan




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Einführung in die Elektronik
Folie: 14
                 Leiterplatte und Bestückung
                 Kurzzeitwecker




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Folie: 15
Leiter
  Halbleiter
     Nichtleiter
   Grundlagen
                 Aufbau der Materie –
                 Atommodell von Niels Bohr




                    Grundbausteine der Materie: Proton, Elektron und Neutron.

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Folie: 17
                 Atomverbindungen
       Jeder Zustand strebt einem
       Minimum an Energie zu.
                                        Für ein einzelnes Atom ist der
       Beispiele in der Natur:          energetisch günstigste Fall
         Bei Windstille ist die        verwirklicht, wenn die
          Wasseroberfläche glatt.       Elektronen die gleiche
          - Oberflächenspannung         Konfiguration aufweisen, wie
                                        das im Periodensystem am
         Heiße Getränke kühlen sich
                                        nächsten gelegene Edelgas.
          ab.
          - Wärmeenergie
                                        Bei Edelgasen ist die
         Das Laub der Bäume fällt zu
                                        äußerste Schale des Atoms
          Boden.                        mit acht Elektronen
          - potentielle Energie         vollständig gefüllt (Ausnahme:
         Eine Batterie entlädt sich.   Helium mit zwei Elektronen).
          - elektrische Energie
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Folie: 18
                 Elektronen
                     Die Atomhülle ist aus Elektronen aufgebaut.
                     Elektronen sind elektrisch negativ geladene Teilchen.
                     Die Elektronen auf der äußersten Schale des Atoms
                      werden Valenzelektronen genannt.
                     Das Fließen des elektrischen Stroms in leitendem
                      Material besteht in der Bewegung der
                      Valenzelektronen.
                     Ein Atom ist nach außen hin elektrisch neutral.
                     Der Atomkern und die Atomhülle haben die gleiche
                      Anzahl elektrischer Ladungen (Protonen und
                      Elektronen).

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Folie: 19
                 Ionen
    Atome mit mehr Elektronen als Protonen oder mehr Protonen als
    Elektronen werden Ionen genannt.
                                         Werden einem neutralen Atom
                                         Elektronen entnommen, so besitzt
                                         das Atom mehr positive als
                                         negative Ladungen. Das Atom
                                         zieht negative Ladungen an und
                                         stößt positive Ladungen ab.

                                         Werden einem neutralen Atom
                                         Elektronen zugeführt, so besitzt
                                         das Atom mehr negative als
                                         positive Ladungen. Das Atom
                                         zieht positive Ladungen an und
                                         stößt negative Ladungen ab.
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Folie: 20
                 Bindungsbestreben

                     Die Elektronensind hauptsächlich für die
                      chemischen und elektrischen Eigenschaften
                      des Atoms verantwortlich.
                     Um dem Idealzustand (Edelgas) näher zu
                      kommen, gehen die meisten Elemente
                      Bindungen ein:
                              Metallische Bindungen
                              Kovalente Bindungen
                              Ionische Bindungen

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Folie: 21
                 Nichtleiter                        10 cm 10


           Bei einem Nichtleiter (Isolator) sind alle Elektronen fest
            an den Atomkern gebunden oder als Bindungselektron
            fest in eine kovalente Bindung eingebaut.
           Da sich die Elektronen nicht frei bewegen können, kann
            auch kein Strom fließen, es sei denn, die angelegte
            Spannung übersteigt den Grenzwert, die
            Durchbruchsspannung.

            Beispiel: Salze
           Salze sind Isolatoren.
           Im Wasser gelöst kann sie eine schwache Spannung
            ionisieren. Ein Strom fließt.
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Folie: 22
                 Leiter                               10 cm 4



                    In Metallen (Kristallgitter) verlieren die
                     Valenzelektronen ihre Bindung zum ursprünglichen
                     Atom und bewegen sich als freie Elektronen im
                     Metallgitter.
                    Die Elektronen sind gleichmäßig im Metall verteilt,
                                               F
                     ohne jedoch das Metall verlassen zu können.
                    Wenn entlang dem Metall ein elektrisches Feld
                     anliegt, erfahren die Elektronen eine Kraft und
                     beginnen sich in eine Richtung zu bewegen. Ein
                     elektrischer Strom fließt.



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Folie: 23
                 Halbleiter 10 4 cm    1010 cm
           Halbleiter sind Isolatoren, die durch Erwärmung elektrisch
            leitfähig werden.
           Ihre Leitfähigkeit ist stark variierbar.

            Beispiel Silizium
           Silizium ist ein Element der vierten Hauptgruppe, besitzt
            also vier Valenzelektronen und befindet sich genau
            zwischen den zwei Edelgasen Neon und Krypton.
           Dank den vier Valenzelektronen kann sich das Silizium mit
            vier Nachbaratomen verbinden. Dies gibt eine sehr stabile
            räumliche Anordnung, in der die Si-Atome die Eckpunkte
            eines Tetraeders besetzen.
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Folie: 24
                 Aktivierungsenergie  Eigenleitung
              Erforderliche Energie, um einen freien Ladungsträger zu erzeugen.


       Jeweils 2 Atome
        teilen sich 4
        Elektronenpaare.
       Durch Energiezufuhr
        können Bindungen
        aufgebrochen
        werden. Es
        entstehen freie
        Ladungsträger.



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Folie: 25
                 Donatoren (n-Halbleiter)
       Da die Halbleiter in der IV.
        Gruppe des Periodensystems
        stehen, muss man 5-wertige
        Fremdatome einbauen.
       Donatoren
        (donare … abgeben):
            • Phosphor P,
            • Arsen As,
            • Antimon Sb
            • u.a.m.



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Folie: 26
                 Phosphorionen im n-Halbleiter




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Folie: 27
                 Akzeptoren (p-Halbleiter)
        Man muss für die Erzeugung von p-
         Halbleitern bei einem 4-wertigen
         Grundkristall 3-wertige Fremdatome
         einbauen.
        Akzeptoren
         (acceptere … aufnehmen):
                   •   Bor B,
                   •   Aluminium Al,
                   •   Gallium Ga,
                   •   Indium In
                   •   u.a.m.
        Die eingebrachten Störstellen
         besitzen eine Akzeptorendichte NA.


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Einführung in die Elektronik
Folie: 28
                 Borionen im p-Halbleiter




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Einführung in die Elektronik
Folie: 29
  Rahmenplananalyse
in Bezug auf Elektronik
     Analyse: Jens Schütz
                Anforderungen zum Schwerpunkt Elektronik im
                Rahmenlehrplan WAT, Sekundarstufe 1




                  Der Rahmenlehrplan unterteilt die Themen
                  und Aufgaben des WAT – Unterrichts in
                  zwei Bereiche:
                        1. Pflichtbereich
                        2. Wahlpflichtunterricht


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Einführung in die Elektronik
Folie: 31
                Explizit ausgewiesen Anforderungen


               Themenfeld 4, Klasse 9 und 10 im Pflicht und Wahlpflichtbereich:
               Infrastrukturen – Information und Kommunikation – Energie (S. 56)

               Inhalte: Digitalisierung, Signaltechnik, Messen, Steuern, Regeln,
               digitale Schaltungen
                 …
               Anforderungen: „Wesentliche technische Entwicklungen
               identifizieren und deren Funktionsprinzip erklären.“

          Durch die Funktions-, Werk-, System- und technische Analyse, der
           Herausarbeitung des Funktionsprinzips und dem
           fächerübergreifenden Bezug zur Elektronik in der Physik wird ein
           direkter Zugang zur Elektronik geschaffen.

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Einführung in die Elektronik
Folie: 32
                Implizit ausgewiesene Anforderungen - Pflichtbereich (1)



              Themenfeld 2, Klasse 7 und 8: Haushalt und Konsum  Technik im
              Alltag (S.48)
                       Inhalte: „Produktanalyse exemplarischer Konsumgüter
                       anhand der Kriterien : …, Aufbau – Funktion,…, Reparatur-
                       und Entsorgungsmöglichkeiten“
               Anforderungen: Stoff-, Energie- und Informationsflüsse
               technischer Konsumgüter untersuchen, mit einfachen
               technischen Skizzen darstellen und mit einer Produktanalyse
               nach vorgegebenen Kriterien bewerten

          Hier kann man mit technischen Zeichnungen und dem Modellbau
          einen Zugang zur Elektronik erzielen und fächerübergreifend eine
          Testwerkstatt nutzen.
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Einführung in die Elektronik
Folie: 33
                Implizit ausgewiesene Anforderungen – Pflichtbereich (2)


              Themenfeld 3, Klasse 9 und 10: Produktion und Unternehmen 
              Der Betrieb als technisch-organisatorisches System (S.53)

              Inhalte: Steuerkette, Regelkreis; Grundvorgänge: Messen,
              Vergleichen, Stellen; Komponenten eines gesteuerten Prozesses;
              Steuerung der Zeit, Temperatur, Bewegung, Drehzahl; Typen und
              Anwendungen der Robotertechnik
              Anforderungen: Steuerungs- und Regelungsprozesse für die
              Automatisierung analysieren und beschreiben, Anwendungen mit
              dem Computer simulieren und auf Fabriksysteme übertragen

         Durch Modellierung konkreter Steuerungen kann ein Zugang zur
          Elektronik erreicht und fächerübergreifend ein Bezug zur Mess-,
          Steuer-, Regeltechnik geschaffen werden.

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Einführung in die Elektronik
Folie: 34
                Implizit ausgewiesene Anforderungen – Wahlpflichtbereich (1)



              Themenfeld: Testwerkstatt, Klasse 7 und 8 (S.63)

              Inhaltlich-fachliche Anforderungen:

                  • Gestaltung/Design technischer Geräte
                  • Form, Material im Zusammenhang mit dem Verwendungszweck
                  • Stoff-, Energie- und Informationsflüsse technischer Konsumgüter

          Bei der Auswahl der Testobjekte und der Aufstellung der Kriterien für
           den Test kann ein besonderes Augenmerk auf die Elektronik
           geworfen werden und bei der Vorbereitung, Durchführung und
           Auswertung der Tests berücksichtigt werden.



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Einführung in die Elektronik
Folie: 35
                Implizit ausgewiesene Anforderungen – Wahlpflichtbereich (2)




               Themenfeld: Produktgestaltung und Vermarktung, Klasse 7 und 8
               (S.64)

               Inhaltlich-fachliche Anforderungen:

                   • Produktauswahl und Produktanalyse (Textilien, Lebensmittel,
                     Stoffprodukte, Print- und elektronische Produkte)
                   • Technische Skizze, Modellentwürfe

               Bei der technischen Skizze, den Modellentwürfen und bei der
                Präsentation der Produkte kann die Elektronik eine zentrale Rolle
                spielen.


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Einführung in die Elektronik
Folie: 36
                Implizit ausgewiesene Anforderungen – Wahlpflichtbereich (3)



               Themenfeld: Ökologisches Bauen, Klasse 9 und 10 (S.73)

               Inhaltlich-fachliche Anforderungen:

                     • Alternativen zum herkömmlichen Bauen: solar, naturnah,
                       energiesparend, Ressourcen schonend
                     • Einsatz der IUK-Techniken bei der Weiterentwicklung und
                       Integration der Haustechnik
                     • Zukünftige Tendenzen der Bautechnik

                 Im Modellbau kann die Elektronik beispielsweise durch die Mess-
                 , Steuer-, Regeltechnik exemplarisch nachvollzogen werden.


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Einführung in die Elektronik
Folie: 37
  Analog- und
Digitalelektronik
     Grundlagen
                 Analog- und Digitaltechnik

   Analoge Größen sind          Digitale Größen sind
   physikalische Größen,        physikalische Größen,
   die innerhalb eines          die innerhalb eines
   bestimmten Bereiches         bestimmten Bereiches
   jeden Wert annehmen          nur diskrete Werte
   können.                      annehmen können.




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Einführung in die Elektronik
Folie: 39
                 Analog- und Digitaltechnik

              Analogelektronik
             Alle schaltungstechnischen Lösungen zur
             Verarbeitung kontinuierlicher Signale.



              Digitalelektronik
             Verfahren zur Verarbeitung nichtkontinuierlicher,
             also digitaler Signale und ihre
             schaltungstechnischen Lösungen.

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Einführung in die Elektronik
Folie: 40
                 Elektronische Schaltungen
                 = Netzwerke
                    Gesamtschaltungen werden meistens durch
                     Kombinationen von Grundschaltungen
                     realisiert.
                    Die Kenntnis universell einsetzbarer
                     Baublöcke gehört zum wichtigsten
                     Handwerkszeug eines Schaltungstechnikers.
                    Für alle wichtigen Funktionseinheiten
                     existieren zahlreiche Realisierungsvarianten.
                    Durch Zusammenschalten von
                     Funktionseinheiten lassen sich komplexe
                     Schaltungen in Form von Netzwerken
                     verwirklichen.

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Einführung in die Elektronik
Folie: 41
                 Ausgewählte Funktionseinheiten
  Funktion                     Schaltung

  Signalverstärkung            Spannungsverstärker, …
  Signalerzeugung              Oszillator, Signalgenerator, …
  Signalverknüpfung            Addierer, Modulator, …
  Signalformung                Filter, Differenzierer, Logarithmierer, …
  Signalwandlung               A/D- und D/A-, U/I- und I/U-Wandler, …
  Signalaufnahme               Sensoren
  Signalausgabe                Aktoren
  Spannungsversorgung          Gleichrichter, Spannungsregler, …

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Einführung in die Elektronik
Folie: 42

								
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