Grundschaltungen - Karl-Brachat

Grundschaltungen
Reihenschaltung
Eine Reihenschaltung von Widerständen ist dann gegeben, wenn durch alle
Widerstände der gleiche Strom fließt.
In der Reihenschaltung unterscheidet man zwischen der Spannung der
Spannungsquelle und den Spannungsabfällen an den Widerständen.
Strom
Der Strom ist an allen Stellen in der Reihenschaltung gleich groß.
Iges = 40 mA
I1 = 40 mA
I2 = 40 mA
Spannung
Die Summe der Teilspannungen ist gleich der Gesamtspannung.
Uges = 30 V
U1 = 20 V
U2 = 10 V
Widerstand
Die Summe der Teilwiderstände ist gleich dem Gesamtwiderstand.
Rges = 750 Ω
R1 = 500 Ω
R2 = 250 Ω
Verhältnisse
Die Spannungen verhalten sich wie die dazugehörigen Widerstände.
Parallelschaltung von Widerständen
Eine Parallelschaltung von
Widerständen liegt dann vor, wenn
die Ströme sich durch die
Widerstände aufteilen.
In hochohmigen Widerständen fließt
der kleinere Strom!
Die Ströme verhalten sich
umgekehrt zu ihren
Widerstandswerten!
Spannung
Die Spannungen sind an jedem Widerstand gleich.
Uges = 60 V
U1 = 60 V
U2 = 60 V
Strom
Der Gesamtstrom ist die Summe aller Teilströme.
Iges = 30 mA
I1 = 20 mA
I2 = 10 mA
Widerstand
Der Gesamtwiderstand ist kleiner als der kleinste
Einzelwiderstand.
R1 = 3 kΩ
R2 = 6 kΩ
Verhältnisse
R1 = 3 kΩ I1 = 20 mA R1 : R2 = 1 : 2
R2 = 6 kΩ I2 = 10 mA R2 : R1 = 2 : 1
Ohmsches Gesetz
Legt man einen Widerstand R an eine
Spannung U und bildet einen geschlossenen
Stromkreis, so fließt durch den Widerstand R
ein bestimmter Strom I.
In welchem Verhältnis die Werte zueinander
stehen, sollen folgende Messungen ergeben.
Messung 1
In einer Messschaltung wird bei gleichbleibendem Widerstand(100 Ω) die Spannung
erhöht. Wie verhält sich der Strom?
R in Ω 100 100 100
U in V 5
10
15
I in mA 50
100 150
Bei gleichbleibendem Widerstand R und bei gleichmäßiger Erhöhung der Spannung
U, steigt der Strom I mit der Spannung U.
Messung 2
In einer Schaltung wird bei gleichbleibender Spannung(5 Volt) der Widerstand
erhöht. Wie verhält sich der Strom?
R in Ω 50
100 150
U in V 5
5
I in mA 100 50
5
33
Bei gleichbleibender Spannung U und bei gleichmäßiger Erhöhung des
Widerstandes R, verringert sich der Strom I um 1/R.
Formeln des Ohmschen Gesetzes
Das Ohmsche Gesetz kennt drei Formeln zur Berechnung von Strom, Widerstand
und Spannung:
Liegt an einem Widerstand R die Spannung U, so fließt durch den
Widerstand R ein Strom I.
Fließt durch einen Widerstand R ein Strom I, so liegt an ihm eine
Spannung U an.
Soll durch einen Widerstand R der Strom I fließen, so muss die
Spannung U berechnet werden.
Praxis-Tipp: Das Magische Dreieck
Das magische Dreieck kann als Hilfestellung verwendet
werden um die verschiedenen Formeln des Ohmschen
Gesetzes zu ermitteln.
Den Wert, der berechnet werden soll, wird herausgestrichen.
Mit den beiden übrigen Werten wird das Ergebnis
ausgerechnet.
Widerstand R und Leitwert G
In einem Versuch wurde Kupfer- und ein Kohlestab dazu verwendet um den
Unterschied zwischen elektrischen Widerstand R und elektrischen Leitwert G zu
ermitteln.
Versuch
Kupfer
Kohlestab
Stromstärke
groß
sehr klein
freie Elektronen
viel
wenig
Leitereigenschaften guter Leiter Widerstandswerkstoff
Widerstandswert
klein
groß
Leitwert
groß
klein
Ein Verbraucher mit einem kleinen Widerstand leitet den Strom gut und hat deshalb
einen großen Leitwert.
Ein Verbraucher mit einem großen Widerstand leitet den Strom schlecht und hat
deshalb einen kleinen Leitwert.
Je größer der Widerstand R, desto kleiner der Leitwert G. Je besser der Leitwert G,
desto größer die Stromstärke I.
Maßeinheit: S(Siemens), mS(Millisiemens), µS(Mikrosiemens)
Formelzeichen: G
R = 1/G
G = 1/R
Der Leitwert G ist der Kehrwert des elektrischen Widerstandes R.
Elektrischer Strom / Stromstärke I
Unter elektrischem Strom versteht man
grundsätzlich die gerichtete Bewegung von
Ladungsträgern(Elektronen).
•
•
•
•
Die Ladungsträger können sowohl
Elektronen als auch Ionen sein.
Ein elektrischer Strom kann nur
fließen, wenn Ladungsträger in
genügender Anzahl vorhanden
und frei beweglich sind.
Zur zahlenmäßigen Beschreibung
des elektrischen Stromes dient
die elektrische Stromstärke I.
Je mehr Elektronen in einer Sekunde durch einen Leiter fließen, um so
größer ist die Stromstärke.
Formelzeichen für die Stromstärke: I
Maßeinheit: kA(Kiloampere), A(Ampere), mA(Milliampere), µA(Mikroampere),
nA(Nanoampere)
Zur Berechnung des elektrischen Stromes oder der Stromstärke werden die
folgenden Formeln verwendet:
Stromrichtung
Der Minus-Pol pumpt viele freie Elektronen zum Plus-Pol. Der Verbraucher, im Bild
links ist es eine Lampe, setzt den freien Elektronen einen Widerstand entgegen.
Physikalische Stromrichtung: (Elektronenstrom)
Da die negativen Ladungsträger den Stromfluss tragen, fließen die Elektronen von
Minus nach Plus.
Im äußeren Stromkreis fließt der physikalische Strom von Minus(-) nach Plus(+).
Technische Stromrichtung: (historische Festlegung)
Die historische Festlegung der Stromrichtung hat sich durch die Messung mit einem
Messgerät ergeben. Die Stromrichtung innerhalb einer Schaltung wird auch heute
noch von Plus(+) nach Minus(-) definiert.
Messen des elektrischen Stromes
Das Strommessgerät wird immer in Reihe zum
Verbraucher angeschlossen. Dazu muss die Leitung
des Stromkreises aufgetrennt werden um das
Messgerät in den Stromkreis einzufügen. Während der
Messung muss der Strom durch das Messgerät fließen.
Der Innenwiderstand des Messgerätes sollte möglichst
niederΩig sein, um den Stromkreis nicht zu
beeinflussen.
Beim Messen mit einem Strommessgerät sind folgende
Hinweise zu beachten: Auf die Stromart achten. Also,
ob Wechsel- oder Gleichstrom(AC/DC) durch die Schaltung fließt. Der Messbereich
sollte anfangs möglichst groß gewählt werden, um keine Zeigerwickelmaschine zu
erzeugen. Und bei Gleichstrom ist evt. auf die Polarität zu achten.
Praxis-Tipp:
Ist der Stromkreis nur schwer zugänglich oder darf nicht aufgetrennt
werden, so ist die Spannung an einem bekannten Widerstand im
Stromkreis zu messen. Danach kann mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes
der Strom berechnet werden.
Elektrische Spannung U
Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole, mit
unterschiedlicher Ladung. Auf der einen Seite ist der
Pluspol mit einem Mangel an Elektronen. Auf der anderen
Seite ist der Minuspol mit einem Überschuss an Elektronen.
Diesen Unterschied der Elektronenmenge nennt man
elektrische Spannung. Entsteht eine Verbindung zwischen
den Polen, kommt es zu einer Entladung. Bei diesem
Vorgang fließt ein elektrischer Strom I.
Über die elektrische Spannung kann folgende
Aussagen gemacht werden:
•
•
•
Die elektrische Spannung ist der Druck oder die Kraft auf freie Elektronen.
Die elektrische Spannung ist die Ursache des elektrischen Stromes.
Die elektrische Spannung(Druck) entsteht durch das Ausgleichsbestreben von
elektrischen Ladungen.
Bei Spannungen wird zwischen zwei Arten unterschieden:
•
•
Spannungserzeugern(Spannungsquellen oder Netzspannung), die die
Spannung Uges herstellen.
Verbrauchern(z.B. Widerstand R1 und R2), bei denen ein Spannungsabfall U1
und U2 entsteht.
Formelzeichen: U
Maßeinheit: MV(Megavolt), kV(Kilovolt), V (Volt), mV(Millivolt), µV(Mikrovolt)
Zur Berechnung der elektrischen Spannung U werden folgende Formeln
verwendet:
Potential
Das Potential phi eines Punktes ist gleich der
Spannung dieses Punktes gegenüber dem
Bezugspunkt 0 V (Masse).
Die Messung eines Potentials bezieht sich
immer auf einen Bezugspunkt. Dieser hat 0 V
und wird im allgemeinen als Masse bezeichnet.
Bei der Messung eines positiven Wertes, ist
das Potential positiver als der Bezugspunkt.
Bei der Messung eines negativen Wertes, ist
das Potential negativer als der Bezugspunkt.
Messen der elektrischen Spannung
Ein Spannungsmessgerät wird immer parallel
zum Verbraucher, Bauelement oder zur
Spannungsquelle angeschlossen. Bei der
Messung an der Spannungsquelle wird der
momentane Spannungswert gemessen. Am
Verbraucher wird der Spannungsabfall an
diesem einen Bauelementes gemessen. Das ist
die Teilspannung von der Gesamtspannung der
Spannungsquelle.
Um die zu messende Schaltung nicht zu
beeinflussen, sollte der Innenwiderstand des
Spannungsmessgerätes möglichst hochΩig sein.
Beim Messen mit dem Spannungsmessgerät sind die folgenden Hinweise zu
beachten: Die Spannungsart, also Wechsel- oder Gleichspannung(AC/DC) müssen
eingestellt werden. Der Messbereich sollte anfangs größer gewählt werden, damit
das Messgerät nicht zur Zeigerwickelmaschine wird. Und bei Gleichspannungen ist
evt. auf die Polarität zu achten.
Festwiderstände
Festwiderstände haben ihren Namen nach einen festen Widerstandswert, der nicht
einstellbar ist. Der Widerstandswert hat als Einheit Ω (Ω) und als Formelzeichen R für
Resistor(engl.).
Festwiderstände unterliegen einen internationalen Farbcode mit Vierfach- bzw.
Fünffachberingung. Die Beringung erlaubt die Bestimmung des Widerstandswertes in
Ω.
Festwiderstände unterscheiden sich in ihrer Bauform. Es gibt Schichtwiderstände
und Drahtwiderstände.
Schichtwiderstand
Bei Schichtwiderständen wird auf zylindrischem Keramik oder Hartglas eine dünne
Schicht Kohle, Metall oder Metalloxid aufgesprüht oder aufgedampft(im Vakuum).
Der Widerstandswert(Toleranz bis 5%) wird durch Schichtdicke und Aufsprühzeit
bestimmt.
Widerstandswerte mit geringerer Toleranz wird durch Einschliffe in den Schichten
hergestellt. Diese führen aber zu einer höheren Induktivität des Widerstandes.
Schichtwiderstände unterscheiden sich zwischen zwei Arten von Bauform und
Material.
•
•
Kohleschichtwiderstand
Sie eignen sich vor allem im HF-Bereich.
Metallfilmwiderstände
Diese Widerstandsart vereint die Eigenschaften des Draht- und
Kohleschichtwiderstandes in sich.
Die Widerstände haben eine geringe Toleranz.
Drahtwiderstand
Drahtwiderstände bestehen aus einem temperaturbeständigem Keramik- oder
Kunststoffkörper, auf dem ein Draht einer Metalllegierung aufgewickelt ist. Durch die
Drahtwicklung entsteht eine relativ hohe Induktivität. Der Grund liegt in der sehr
großen Ähnlichkeit zur Bauweise einer Spule. Um die Induktivität zu reduzieren wird
eine bifilare Wicklung verwendet. Dabei wird der Widerstandsträger doppelt
bewickelt. Die nebeneinander liegenden Wicklungen werden dann entgegengesetzt
vom Strom durchflossen. Die dabei auftretenden Magnetfelder heben sich
gegenseitig auf.
Eigenschaften:
•
•
•
hohes Alter möglich
hohe Belastbarkeit
Einsatz im NF-Bereich bis 200 kHz
Schaltzeichen
Heißleiter(NTC)
Heißleiter sich Halbleiterwiderstände, die temperaturabhängig sind.
Sie leiten bei höheren Temperaturen besser als bei niedriger Temperatur. Sie haben
einen stark negativen Temperaturkoeffizienten (TK). Deshalb werden sie auch
NTC-Widerstände genannt.
Heißleiter werden aus Eisenoxid(Fe2O3), ZnTiO4 und Magnesiumdichromat(MgCr2O4)
gefertigt.
Das Diagramm beschreibt den Widerstandsverlauf in Abhängigkeit der Temperatur
eines NTC-Widerstandes.
Wichtigster Kennwert eines NTCs ist der Widerstand R20, sein Widerstandswert bei
20 °C, also der Widerstand des NTC im kalten Zustan d.
Da die Widerstandswerte temperaturabhängig sind, werden sie nicht berechnet,
sondern von den Kennlinien aus den Datenblättern abgelesen.
Schaltzeichen
Anwendungen
•
•
•
•
•
Temperaturfühler bei Temperaturmessung
Temperaturstabilisierung von Halbleiterschaltungen als
Arbeitspunkteinstellung
Anzugsverzögerung(in Reihe zum Relais)
Abfallverzögerung(parallel zum Relais)
Reduzierung des Einschaltstromes in Stromkreisen
Kaltleiter(PTC)
Kaltleiter sind Halbleiterwiderstände, die temperaturabhängig sind. Der
Widerstandswert wird bei ansteigen der Temperatur größer.
Bei dieser Art von Halbleiter erhält man durch die Gitteranordnung der Atome je ein
freies Valenzelektron pro Atom. Diese Elektronen sind leicht beweglich. An einer
Stromquelle angeschlossen, bewegen sich die freien Valenzelektronen zum Pluspol
und bewirken die elektrische Leitfähigkeit.Kaltleiter haben einen positiven
Temperaturkoeffizienten und werden deshalb auch PTC-Widerstände genannt.
Nahezu alle Metalle sind Kaltleiter, da sie bei niedrigeren Temperaturen besser
leiten.
An einem Versuch kann das gezeigt werden:
Der Widerstandswert eines Drahtes wird über eine Strom- und Spannungsmessung
bestimmt. Anschließend wird der Draht erhitzt und die Widerstandsbestimmung
wiederholt.
Widerstandsbestimmung vor dem
Erhitzten:
Widerstandsbestimmung nach dem
Erhitzten:
U = 0,5 V
I=4A
R = 0,125 Ω
U=1V
I=3A
R = 0,33 Ω
Das Ergebnis dieses Versuches ergibt, dass Kaltleiter im kalten Zustand einen
kleinen Widerstand, also eine gute elektrische Leitfähigkeit haben. Beim Erhitzen
nimmt die Leitfähigkeit ab, der Widerstand wird größer(vgl. Messergebnisse).
Das Diagramm beschreibt den Widerstandsverlauf in Abhängigkeit der Temperatur
eines PTC-Widerstandes.
Der Widerstandswert beginnt bei der Anfangstemperatur TA zu steigen. Dieser Punkt
ist der Anfangswiderstand RA. Bis zur Nenntemperatur TN steigt der Widerstand
nichtlinear an. Ab dem Nennwiderstand RN nimmt der Widerstand stark zu. Bis zur
Endtemperatur TE erstreckt sich der Arbeitsbereich des PTC.
Der PTC hat bei einer Spannung über 1V eine relativ hohe Eigenerwärmung. Diese
macht man sich für Messungen und in der Regeltechnik zu nutze.
Schaltzeichen
Anwendungen
•
•
•
Flüssigkeitsniveaufühler(Flüssigkeit kühlt den eigenerwärmten PTC ab)
Temperaturregelung für eine Heizung
Leistungs-PTCs werden zum Schutz gegen Überstrom alternativ zu
Schmelzsicherungen eingesetzt. Vorteil: Leistung-PTCs sind reversibel
Fotowiderstand(LDR)
Ein Fotowiderstand ist ein Halbleiterwiderstand, der lichtabhängig ist. Er wird
auch LDR (Light Dependent Resistor) genannt. Durch das Licht(Photonen)
werden im Bauelement Kristallbindungen aufgelöst. Dadurch entstehen freie
Ladungsträger, die dazu führen, dass der Widerstandswert sinkt(bei
Lichteinfall).
Allerdings haben Fotowiderstände eine gewisse Trägheit, die ihre
Einsatzfähigkeit etwas einschränkt.
An einem Versuch kann das gezeigt werden:
Ein LDR wird an eine Stromquelle angeschlossen. Sein Widerstandswert wird bei
Abdunklung und bei Beleuchtung bestimmt.
Widerstandsbestimmung bei
Abdunklung:
Widerstandsbestimmung bei
Beleuchtung:
U = 5,5 V
I = 0,001 A
R = 5,5 kΩ
U = 5,5 V
I = 0,1 A
R = 55 Ω
Bei einem LDR steigt die elektrische Leitfähigkeit mit zunehmender Beleuchtung, d.h.
je stärker der Lichteinfall ist, desto kleiner ist der Widerstand, desto größer der
Strom.
Aufbau
Bei einem LDR sind zwei Kupferkämme auf einer isolierten Unterlage angebracht.
Dazwischen liegt eine dünne Cadmiumsulfidschicht (CdS) in Form eines
gewundenen Bandes.
Cadmiumsulfid ist ein Halbleitermaterial, bei dem die elektrische Leitfähigkeit von der
einfallenden Lichtmenge abhängt. Je mehr Licht auf das CdS fällt, desto größer ist
die Paarbildung (Rekombination zwischen Löchern und Elektronen), desto größer ist
auch der elektrische Strom.
Weitere Halbleitermaterialien für Fotowiderstände sind z. B. CdSe, PbS, PbSe,
CdTe, ZnO, Se, InSb, InAs, Germanium(Ge) oder Silizium(Si).
Schaltzeichen
Anwendung
Der Fotowiderstand befindet sich in Gleich- und Wechselstromkreisen im Einsatz.
Er wird als Beleuchtungsstärkemesser, Dämmerungsschalter und als Sensor in
Lichtschranken verwendet.
Kondensatoren
Kondensatoren sind Bauelemente, welche elektrische Ladungen bzw.
elektrische Energie speichern können.
Die einfachste Form eines Kondensators besteht aus zwei
gegenüberliegenden Metallplatten. Dazwischen befindet sich ein
Dilektrikum, welches keine elektrische Verbindung zwischen den
Metallplatten zulässt(Isolator).
Legt man an einen Kondensator eine Spannung an, so entsteht zwischen den beiden
metallischen Platten ein elektrisches Feld.
Die gespeicherte Energie W und die elektrische Ladung Q sind abhängig von
der Kapazität C und der anliegenden Spannung U.
Elektrolytkondensatoren
Die meisten Kondensatoren haben feste Kondensatorbeläge.
Meistens sind es Folien aus metallischen Werkstoffen.
Das Elektrolyt ist ebenfalls ein Kondensatorbelag. Es ist eine
leitende Flüssigkeit. Dieses Elektrolyt hat den Vorteil, das damit
sehr hohe Kapazitäten erreicht werden können. Allerdings hat es
wie andere Flüssigkeiten den Nachteil, das es trotz fest
verschlossenem Kondensatorgehäuse im laufe der Jahrzehnte
austrocknet oder ausläuft. Außerdem ist die Toleranz der
Kapazität sehr hoch. Der aufgedruckte Kapazitätswert auf einem
Elektrolytkondensator stellt ein ungefährer Schätzwert dar.
Aluminium-Elektrolytkondensatoren
Eine Aluminiumfolie wird mit einer Oxidschicht überzogen.
Diese Oxidschicht stellt das Dielektrikum dar, welches auch
bei einer geringen Dicke eine hohe Spannungsfestigkeit
hat. Die Aluminiumfolie ist der eine Kondensatorbelag. Das
Elektrolyt, eine elektrisch leitende Flüssigkeit, ist der andere
Kondensatorbelag.
Um die Kapazität zu erhöhen, wird die Aluminiumfolie
aufgeraut. Die Kapazität hat dann jedoch eine Toleranz von -20% bis +100%.
Der Aluminium-Elektrolytkondensator muss gepolt betrieben werden. Die
Aluminiumfolie ist der positive Pol, das Elektrolyt der negative Pol.
In der Regel ist der Kondensatorbecher an einer Seite mit einem Plus
gekennzeichnet, woran man die Polung erkennen kann.
Wird der Aluminium-Elektrolytkondensator oberhalb von 2V falsch herum gepolt, baut
sich die Oxidschicht ab. Das Elektrolyt erwärmt sich. Es kommt zur Gasbildung, und
dann zur Explosion des Kondensators.
Anwendung findet er als Ladekondensator im Gleichstromkreis und zur Entkopplung
elektronischer Baugruppe.
Die Funktion eines Elkos kann man am besten mit einem Widerstandsmeßgerät
überprüfen. So steigt der Widerstandswert am Meßgerät langsam bis unendlich.
Tantal-Elektrolytkondensatoren
Das Tantal eignet sich sehr gut zur Herstellung von Elektrolytkondensatoren. Das
Dielektrikum Tantalpentoxid ist sehr Spannungsfest, und baut sich auch bei längerer
Lagerung nicht ab.
Die Kapazität bei Tantal-Elektrolytkondensatoren bewegt sich im Mikrofarad-Bereich.
Abweichungen liegen zwischen -20% und +20%.
Sie finden überall dort Anwendung, wenn große Kapazitäten mit kleiner Bauform
gefordert sind.
Vorsicht ist beim Laden und Entladen von Tantal-Elektrolytkondensatoren geboten.
Sie sind sehr empfindlich gegen hohe Stromstärken.
Das Laden und Entladen sollte immer über Vorwiderstände erfolgen.
Halbleiterdioden
Die Eigenschaften des PN-Überganges werden in Halbleiterdioden genutzt. Die pund n-Schicht befinden sich einem verschlossenen
Gehäuse mit zwei Anschlussbeinen.
Das Bild links zeigt den Prinzip-Aufbau, das
Schaltzeichen und das Bauteil(achsial) mit
Markierungsring(Kathode). Das Dreieck stellt die pSchicht dar. Der Balken die n-Schicht. Die
Dreiecksspitze zeigt die technische Stromrichtung in
Durchlassrichtung an.
Das Bauteil besitzt eine Ringmarkierung auf der Kathodenseite. Dadurch können die
Seiten voneinander unterschieden werden.
Die Diode wird mit dem Plus-Pol an der
Anode in Durchlassrichtung betrieben.
Die Diode wird mit dem Plus-Pol an der
Kathode in Sperrichtung betrieben.
Ermittlung der Diodenkennlinie
Um die Abhängigkeit zwischen Strom und Spannung eines elektronischen
Bauelementes zu ermitteln wird eine Schaltung zur Aufnahme der Strom- und
Spannungswerte aufgebaut. Diese Schaltung kann zum Beispiel auf die
Halbleiterdiode angewendet werden.
Die Messschaltung besteht aus einer Spannungsquelle, einen Vorwiderstand zur
Strombegrenzung, ein Strommessgerät, ein Spannungsmessgerät und die
Halbleiterdiode selber.
UF = Durchlassspannung,
Schwellspannung(Schwellwert)
UR = Sperrspannung
IF = Durchlassstrom
IR = Sperrstrom
Messung
Die Messwerte beziehen sich auf die Diode in Durchlassrichtung. Um die
Durchlassspannung UF zu erhöhen, wird die Spannung UGes des Netzgerätes erhöht.
UF / V
0,3 0,4
IF / mA 0
0,5 0,6 0,7 0,75
0,02 0,2 1,5 10
30
Ab einem bestimmten Durchlassspannungswert UF beginnt der Strom stark
anzusteigen. Diesen Spannungswert nennt man Schwellspannung.
Die Halbleiterdiode zeichnet sich durch diese Charakteristik als
spannungsabhängiger Widerstand aus.
Diodenkennlinie
Im Kennlinienfeld sind die Spannungs- und Stromverhaltensweisen einer
Germanium-(Ge) und einer Silizium-Diode(Si) dargestellt.
Der Durchlassbereich, in dem die Kennlinien der Dioden in Durchlassrichtung
betrieben werden liegt rechts oben. Der Sperrbereich, in dem die Kennlinien der
Dioden in Sperrrichtung betrieben werden, liegt links unten. Die beiden anderen
Felder spielen bei der Kennlinienaufnahme keine Rolle.
Die Kennlinie ergibt sich z.B. aus der Messung weiter oben. Dazu werden die
Messwerte in die richtige Koordinate gesetzt. Die Punkte werden dann miteinander
verbunden. Daraus ergibt sich eine grafische Darstellung der Messwerte: die
Kennlinie.
Alternativ gibt es die Möglichkeit die Kennlinie mit Hilfe eines Oszilloskopes
darzustellen.
Die Kennlinie kann z.B. dazu verwendet werden um die Schwellspannung oder den
differentiellen Widerstand rF zu bestimmen.
Schwellspannung ~ Diffusionsspannung
Es spielt keine Rolle, in welchem Spannungsbereich sich eine Diode befindet. Die
Anode der Diode muss in Durchlassrichtung nur um die Schwellspannung positiver
sein als die Kathode.
Die Schwellspannung ist abhängig vom Halbleitermaterial und entspricht nur einem
Circa-Wert. Ein paar Beispiele häufiger Halbleitermaterialien:
•
•
Germanium ~ 0,3V
Silizium ~ 0,7V
Eigenschaften einer Halbleiterdiode
•
•
•
•
•
große Sperrspannung
kleine Durchlassspannung
kleine Baugröße, dadurch empfindlich gegen Überlast
großer Durchlassstrom
Gleichrichterwirkung
Anwendungen
•
•
Spannungsbegrenzung auf ca. 0,7V(Silizium-Diode)
Gleichrichtung von Wechselspannung
Leuchtdioden (LED)
Die Leuchtdiode, auch LED (Light Emitting Diode) genannt, ist eine Halbleiterdiode,
die beim Betrieb in Durchlassrichtung Licht erzeugt(emittiert). Dabei gibt ein
Halbleiterkristall ein Lichtsignal ab, das durch die
linsenförmige Form des Kopfes gebündelt bzw.
gestreut wird.
Leuchtdioden gibt es in verschiedenen Farben,
Größen und Bauformen. Deshalb werden sie als
Signallampen verwendet.
Dieses Bauteil ist je nach Farbe aus
unterschiedlichen Halbleiterkristallen aufgebaut. Sie
funktioniert dabei wie jede andere Halbleiterdiode
auch.
Funktionsweise einer LED
Wie bei der normalen Diode wird die
Grenzschicht mit freien Ladungsträgern
überschwemmt. Die Elektronen rekombinieren
mit den Löchern. Dabei geben die Elektronen ihre
Energie in Form eines Lichtblitzes frei. Da die pSchicht sehr dünn ist, kann das Licht entweichen.
Leuchtdioden zeichnen sich dadurch aus, dass
sie mit wenigen Milliampere Strom sehr hell
leuchten können.
Besonders die roten Leuchtdioden haben einen
hervorragenden Wirkungsgrad.
Schaltzeichen
Berechnung des Vorwiderstandes
Eine Leuchtdiode muss immer mit einem
Vorwiderstand beschaltet werden. Er dient dazu,
um den Strom IF, der durch die Leuchtdiode fließt
zu begrenzen.
Für die Widerstandsbestimmung sollte die
jeweilige Durchlassspannung UF berücksichtigt
werden.
Die Spannung Uges entspricht der Betriebsspannung von 3 bis 5 V Gleichspannung.
Die Spannung ULed entspricht der gewollten Spannung UF. Der Strom ILed ist der Strom
IF. Dieser Wert ist abhängig von der gewünschten Leuchtstärke der LED.
Solarzellen
Solarzellen sind photovoltaische Scheiben, die zu Solarmodulen mit
Stromanschlüssen und Schutzschicht zusammengefaßt werden. Als
Halbleiterwerkstoff werden Silizium(Si), Germanium(Ge), Galiumarsenid(GaAs) oder
Cadmiumsulfid(CdS) eingesetzt.
Solarzellen sind wie Halbleiterdioden aufgebaut.
Die p-Schicht liegt an der Oberfläche und ist sehr
dünn, so dass das Sonnenlicht bis in die
Grenzschicht des pn-Überganges durchdringen
kann. Durch das eindringende Licht werden
Elektronen aus dem Halbleiterkristall
herausgelöst und wandern im elektrischen Feld
der Grenzschicht in die n-Schicht des Halbleiters
Die n-Schicht erhält einen negativen
Ladungsüberschuss, die p-Schicht erhält einen
positiven Ladungsüberschuss.
Durch die Ladungstrennung entsteht eine
Spannungsquelle, die einem angeschlossenem Verbraucher Strom liefern kann. Die
Größe der Spannung steht im Zusammenhang mit der Grenzschichtspannung.
Bei ausreichendem Lichteinfall liefert eine Siliziumsolarzelle etwa 0,5V. Je cm² kann
sie eine Stromentnahme von ca. 20 mA aufrechterhalten ohne das die Spannung
einbricht.
Schaltzeichen
Ersatzschaltbild
Bipolarer Transistor
Normale Transistoren haben eine npn- oder pnpSchichtenfolge und werden bipolare Transistoren
genannt.
Bipolare Transistoren bestehen aus Silizium. Sie gibt
es
auch in Germanium(veraltet) oder aus
Mischkristallen, die nicht sehr häufig verbreitet sind.
Alle weiteren Ausführungen beziehen sich auf den
Silizium-Transistor mit npn-Schichtenfolge.
Jeder bipolare Transistor besteht aus drei dünnen
Halbleiterschichten, die übereinander gelegt sind. Sie sind
mit metallischen Anschlüssen versehen, die aus dem
Gehäuse herausführen. Die Außenschichten des bipolaren
Transistors werden Kollektor(C) und Emitter(E) genannt. Die
mittlere Schicht hat die Bezeichnung Basis(B), und ist die
Steuerelektrode, oder auch der Steuereingang des
Transistors. Diese mittlere Schicht ist gegenüber den beiden
anderen Schichten besonders dünn.
Das Schaltzeichen links wird gerne verwendet um den
Prinzipaufbau des Transistors darzustellen: zwei
gegeneinander geschaltete Halbleiterdioden.
Die Funktionsweise eines Transistors kann so in der Realität nicht nachgestellt
werden. Der Grund liegt in dem veränderten Verhalten aufgrund der sehr dünnen pSchicht des Transistors.
Funktionsweise eines Transistors
Durch das Anlegen einer Spannung UBE von
0,7 V, ist die untere Diode(Prinzip) in
Durchlassrichtung geschaltet. Die
Elektronen gelangen in die p-Schicht und
werden von dem Plus-Pol der Spannung UBE
angezogen.
Da die p-Schicht sehr klein ist, wird nur ein
geringer Teil der Elektronen angezogen.
Der größte Teil der Elektronen bewegt sich
weiter in die obere Grenzschicht. Dadurch
wird diese leitend und der Plus-Pol der
Spannung UCE zieht die Elektronen an. Es
fließt ein Kollektorstrom IC.
Bei üblichen Transistoren rutschen etwa 99% der Elektronen von Emitter zum
Kollektor durch. In der Basisschicht bleibt etwa 1% der Elektronen hängen.
Eigenschaften des bipolaren Transistors
UCE = Kollektor-Emitter-Spannung
UBE = Basis-Emitter-Spannung (Schellwert)
IC = Kollektorstrom
IB = Basisstrom
•
•
•
•
•
•
Der Kollektorstrom IC fließt nur, wenn auch ein Basisstrom IB fließt.
Wird der Basistrom IB verändert, nimmt auch der Kollektorstrom IC einen
anderen Wert an. Der Transistor wirkt dabei wie ein elektrisch gesteuerter
Widerstand.
Der Kollektorstrom IC ist um ein vielfaches von 20 bis 10000 mal größer als
der Basisstrom IB. Diesen Größenunterschied nennt man Stromverstärkung B,
und lässt sich aus dem Verhältnis IC zu IB berechnen.
Ein Basisstrom kann erst dann fließen, wenn die Spannung an der BasisEmitter-Strecke(-Diode) den Schwellwert von 0,6 V erreicht hat.
Die Stromverstärkung bleibt bei schwankender Kollektor-Emitterspannung UCE
weithin konstant, sofern diese Spannung über 4 V liegt.
Mittels einer Hilfsspannung UBE kann der Schwellwert vorab eingestellt
werden. Dieses Vorgehen wird als Arbeitspunkteinstellung bezeichnet. Um die
eingestellte Spannung kann nun der Basisstrom den Kollektorstrom steuern.
Spannungsverteilung
Aufbau
Der NPN-Transistor besteht aus zwei Nleitenden Schichten. Dazwischen liegt
eine dünne P-leitende Schicht.
Der PNP-Transistor besteht aus zwei Pleitenden Schichten. Dazwischen liegt
eine dünne N-leitende Schicht.
Dotierungsfolge
N
P
N
P
N
P
Schaltzeichen und
Potentialverteilung
Darlington-Transistor
Der Darlington-Transistor ist eine Darlington-Schaltung, die
aus zwei Transistoren zusammengesetzt ist. Sie können
getrennt oder in einem Gehäuse zusammengeschaltet
sein.
Ein Darlington-Transistor ist im Prinzip ein EinzelTransistor mit einer sehr hohen Stromverstärkung, die aus
dem Produkt der einzelnen Stromverstärkungen berechnet
wird.
Der Darlington-Transistor wird dort eingesetzt, wo eine
Spannung, die nicht belastet werden darf, eine große Last steuern/schalten soll.
Den Darlington-Transistor gibt es auch als fertiges Bauelement in NPN-NPN- und
PNP-PNP-Form.
Stromfluss durch die Darlington-Schaltung
IC = Arbeitsstrom
IB = Steuerstrom