runterladen - Medieninformatik an der FH Flensburg

FH Flensburg
Angewandte Informatik
Projektarbeit Elektronik
SS 2012
Marcus Pfingsten
XXXXXX
Bauteilkunde
26.03.2012 und 02.04.2012
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(Ort, Abgabedatum)
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(Unterschrift)
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(Ort, Datum)
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(Anerkannt, Unterschrift)

Inhaltsverzeichnis
1) Klassische Bauteile vom 26.03.2012
a) Widerstand
Versuch zur Widerstandsmessung
b) Spule
c) Kondensator
Versuch zum Kondensator
2) Halbleiterbauteile vom 02.04.2012
a) Diode
Versuch zur Diode
b) Transistor
c) IC – Integrated Circuits
d) OP - Operationsverstärker

1.Klassische Bauteile
a) Widerstand (R)
Formelzeichen: R
Einheit: Ω (Ohm)
Der Widerstand als Bauteil beeinflusst das Durchflussverhalten des Stroms in elektrischen Schaltungen.
Grundsätzlich lässt sich sagen, dass ein höherer Widerstandswert zu einem geringerem Stromfluss führt.
Der Einbau eines Widerstands erfolgt Stromrichtungsunabhängig.
Widerstände werden in unterschiedlichen Größen hergestellt und sind in den in der Normung festgelegten
Größenabstufungen erhältlich. Die elektrische Größe eines Widerstandes wird in Ohm angegeben. Die Ohmzahl
wird durch aufgedruckte Farbringe kenntlich gemacht, wobei der erste und zweite Ring einen Zahlenwert, der
dritte Ring den Multiplikator und der letzte Ring den Toleranzbereich wiedergibt. Da nicht alle erdenklichen
Widerstandswerte erhältlich sind, sind Kombinationen aus Widerständen notwendig um den gewünschten
Wert zu erreichen.
Dabei unterscheidet man Grundsätzlich zwischen der Reihen- und Parallelschaltung.
Reihenschaltung
Schaltung
Parallelschaltung
Schaltung
Berechnung:
Berechnung:
R Ges = R1 + R2
1/R Ges = 1/R1 + 1/R2
Wie zu erkennen ist, ist der Gesamtwiderstand einer Reihenschaltung so groß wie die Addition beider
Einzelwiderstände. In der Parallelschaltung ist der Gesamtwiderstand immer kleiner als der kleinste
Einzelwiderstand.
Versuch zur Widerstandsmessung
Verwendete Materialien: Verwendete Geräte:
1 Lochrasterplatine 1 Lötkolben
2 Widerstände 1 Multimeter „PeakTech“
div. Silberdraht
1 Einstellbare Spannungsquelle
div. Lötzinn
Als erstes bestimmten wir die Ohmzahl beider Widerstände anhand ihrer Beringung. Für den Widerstand R1
ergab sich eine Größe von 1.6KΩ +-5% für R2 3.9KΩ +-5%.
Im Folgenden löteten wir die Widerstände zuerst in Reihen- und dann in Parallelschaltung auf die
Lochrasterplatine. Bevor wir den Gesamtwiderstand der Schaltungen mit dem Multimeter gemessen haben,
berechneten wir die zu erwartenden Widerstandswerte nach o.a. Formeln.
Reihenschaltung
Parallelschaltung
Errechneter Wert: 5.5KΩ 1.1345…KΩ
Gemessener Wert: 5.454KΩ 1.124KΩ
Die gemessenen Werte stimmen mit den errechneten überein, die Abweichung liegt innerhalb des
Toleranzbereichs.

) Spule (L)
Formelzeichen: X L
Einheit: Henry
Eine Spule ist ein gleichmäßig aufgewickelter Kupferdraht, durch den das leiterumgebende Magnetfeld weiter
verstärkt wird (Selbstinduktion). Die Spule als Bauteil einer elektrischen Schaltung verhält sich grundsätzlich
wie ein ohmscher Widerstand, allerdings bietet sie weitere Besonderheiten.
Der Widerstand einer Spule ist Frequenzabhängig und erhöht sich bei zunehmender Frequenz.
Durch die Selbstinduktion bzw. dem Energietransport durch das magnetische Feld entsteht im optimalen Fall
eine Phasenverschiebung um 90°. Spulen werden u.A. als kurzzeitige Energiespeicher, Drosseln und in
Transformatoren eingesetzt.
c) Kondensator
Formelzeichen: C
Einheit: Farad
Die technische Ausführung von Kondensatoren besteht aus zwei elektrisch leitenden Flächen in meist geringem
Abstand, den Elektroden, auch Kondensatorbeläge genannt. Dazwischen befindet sich immer ein Bereich mit
isolierender Eigenschaft, ein Dielektrikum. Bei den meisten Bauformen werden die Elektroden und das
Dielektrikum aufgerollt oder als Stapel angeordnet. Anders als bei der Spule wird der Widerstand mit
abnehmender Frequenz größer, der Einbau ist Stromrichtungsabhängig und der Strom „eilt“ der Spannung
voraus. Kondensatoren können zur Erhöhung der Kapazität parallel verschaltet werden. Kondensatoren
werden als u.A. als Energiespeicher eingesetzt, um einen Kondensator zu laden, wird dieser an Spannung
angeschlossen. Der Kondensator lädt sich in 5 tau auf, was ca. 5 x 63% der jeweiligen aktuellen Ladung
entspricht.
Versuch zum Kondensator
Verwendete Materialien: Verwendete Geräte:
1 Kondensator 1 Multimeter „PeakTech“
1 Einstellbare Spannungsquelle (10V)
Wir haben für 10sec 10VDC an den Kondensator angelegt und anschließend die Spannungsquelle durch ein
Voltmeter ersetzt. Wir konnten feststellen, dass der Kondensator mit ~95% (9.5V) der Ladespannung geladen
wurde. Beim längeren betrachten des Messwertes war eine stetige Abnahme der Spannung zu erkennen. Die
Entladung des Kondensators hängt in diesem Fall vordergründig mit dem Versuchsaufbau zusammen, da das
Voltmeter auch als Verbraucher wirkt.

2.Halbleiterbauteile
a) Diode
Formelzeichen: div./ allgemein D
Eine Diode ist ein elektrisches Bauelement, das Strom nur in einer Richtung passieren lässt und in der anderen
Richtung als Isolator wirkt. Der Aufbau ist dem Kondensator ähnlich, allerdings bestehen die durch ein
Dielektrikum getrennten Elemente aus dotiertem (verunreinigtem) Halbleitermaterial (Silizium, Germanium…).
Daher erfolgt der Einbau ebenfalls Stromrichtungsabhängig. Weil Dioden in Durchlassrichtung einen sehr
geringen Widerstand vorweisen, ist eine Strombegrenzung durch entsprechende Vorwiderstände zwingend.
Bei Wechselstrom bewirken Dioden aufgrund ihrer Eigenschaften (Wechsel von Sperren zu Durchlass) eine
Gleichrichtung, also eine Umwandlung in Gleichstrom, da die negativen Halbwellen in Sperrrichtung
abgefangen werden. Dioden werden u.A. in Gleichrichtern und als Leuchtdioden(LED) auch in der
Beleuchtungstechnik eingesetzt.
Versuch zur Diode
Verwendete Materialien: Verwendete Geräte:
1 Lochrasterplatine 1 Lötkolben
1 Diode 1 Multimeter „PeakTech“
1 Widerstand 1 Einstellbare Spannungsquelle (10V)
div. Silberdraht
div. Lötzinn
Bevor wir den Versuchsaufbau angefertigt haben, berechneten wir den erforderlichen Vorwiderstand. Der
maximale Stromfluss durch die vorgegebene Diode durfte einen Wert von 10mA nicht überschreiten. Der
Formel zur Berechnung liegt das ohmsche-Gesetz zu Grunde.
Die Berechnung lautet wie folgt: R = 10V / 10mA = 10V / 0.01A = 1000Ω = 1KΩ
Nun löteten wir die beiden Bauteile in Reihenschaltung auf die Lochrasterplatine und legten die
Spannungsversorgung in Durchlassrichtung an. Die Strommessung ergab einen Wert von 9.53mA und der
Spannungsfall über die Diode betrug 0.722V. Nach dem Umpolen der Versorgungsspannung auf Sperrrichtung
ergab eine erneute Messung folgende Werte, Gesamtstrom 0.00mA und 10V (=Betriebsspannung) über der
Diode. Anhand der Werte ließ sich die Funktionalität beider Bauteile herleiten.
b) Transistor (Bipolar)
Der Transistor ist ebenso wie die Diode ein Halbleiterbauelement. Die Funktion lässt sich mit der eines Relais
vergleichen. Die Kollektor-Emitter-Strecke (C->E) wirkt hierbei wie ein Schliesserkontakt, der Basiskontakt ist
ähnlich der Ansteuerung eines Relais. Der Bipolartransistor wird mittels Strom angesteuert, der
Feldeffekttransistor mittels Spannung. Der Pfeil in der Kollektor-Emitter-Strecke gibt die Stromrichtung an. Das
o.a. Schaltbild zeigt einen npn-dotierten Transistor. Bei einem pnp-dotiertem Transistor ist der Pfeil beginnend
vom Anschluss C in Richtung „Platte“ eingezeichnet. Es gibt unterschiedliche Arten von Transistoren die

entsprechend ihrer Eigenschaften in unterschiedlichen Normen beschrieben werden. Weltweit gibt es keine
einheitliche Normung.
c) IC (Integrated Circuits)
Ein sogenannter IC ist ein Baustein der aus mehreren einzelnen Transistoren, Dioden und Widerständen
aufgebaut ist. Durch die entsprechende Schaltung bzw. Beschaltung von außen lassen sich die Grundfunktionen
der Digitaltechnik realisieren. Die heutige Technik erlaubt eine Herstellung von IC’S mit mehreren Milliarden
Transistoren.
Man unterscheidet Grundsätzlich zwischen folgenden Integrationsstufen:
SSI (Small Scale Integration)
Bis zu 100 Funktionselemente auf einer Chip-Fläche von 3 mm 2 .
Anwendungen: digitale Gatter (Logikelemente)
MSI (Medium Scale Integration)
Bis zu 1.000 Funktionselemente auf einer Chip-Fläche von 8 mm 2 .
Anwendungen: analog-digital kombinierte Schaltungen
LSI (Large Scale Integration)
Bis zu 100.000 Funktionselemente auf einer Chip-Fläche von 20 mm 2 .
Anwendungen: analog-digital kombinierte Schaltungen, Speicher, Mikroprozessoren
VLSI (Very Large Scale Integration)
Über 100.000 Funktionselemente auf einer Chip-Fläche von 30 mm 2 .
Anwendungen: Speicher, Mikroprozessoren
ULSI (Ultralarge Scale Integration)
1.000.000 bis 10.000.000 Funktionselemente
IC’s sind aus der heutigen Welt nicht mehr wegzudenken, da sie in nahezu jedem elektronischem Bauteil
Anwendung finden.
d) OP (Operationsverstärker)
Der Operationsverstärker (OP) lässt sich Grundsätzlich mit einem Transistor vergleichen dient allerdings zur
Verstärkung eines analogen Signals. Der OP besitzt in der Regel 5 Anschlüsse, wobei Vs+ und Vs- zur
Versorgung des Bauteils belegt werden, die Anschlüsse V+ und V- werden mit dem zu verstärkendem Signal
belegt und der Anschluss VOut liefert letztendlich das verstärkte Signal. Grundsätzlich ist zu beachten, dass ein
Signal nicht über den Pegel der Versorgungsspannung verstärkt werden kann. Die Abbildung zeigt einen
Spannungsverstärker, es sind aber auch stromverstärkende (CC-)OP’s realisiert.