Elektronik - Physik.

« Eine Vakuumröhre (auch Elektronenröhre genannt) besteht aus einem luftleeren Glaskörper, der mehrere Metallelektroden enthält.

Eine einfache zweielementige Röhre(Diode) besitzt eine Kathode und eine Anode, die mit dem positiven Pol der Stromversorgung verbunden ist ( siehe Elektrode).

Die Kathode, eine kleine Metallröhre, wird durch einen Heizfaden erhitzt.

Dadurch setzt man Elektronen frei, die zur Anode wandern, einem Metallzylinder rund um die Kathode.

Wenn an die Anode eineWechselspannung angelegt wird, fließen jeweils nur während der positiven Periode Elektronen.

In der negativen Periode der Wechselspannung (elektrische Spannung) weistdie Anode alle Elektronen ab, so dass kein elektrischer Strom durch die Röhre fließen kann.

Auf diese Weise lässt sich z.

B.

Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln ( siehe Elektrizität; Gleichrichtung). Bringt man ein Gitter aus Metalldrahtspiralen zwischen die Kathode und die Anode, kann durch Anlegen einer negativen Spannung an das Gitter der Elektronenflussgesteuert werden.

Wenn das Gitter negativ geladen ist, weist es Elektronen ab, und nur ein Bruchteil der von der Kathode ausgestrahlten Elektronen kann die Anodeerreichen.

Eine solche Röhre bezeichnet man als Triode.

Diese Röhren lassen sich beispielsweise als Verstärker einsetzen.

Leichte Schwankungen der Gitterspannung,insbesondere durch Funk- oder Audiosignale, verursachen starke Veränderungen im Elektronenfluss von der Kathode zur Anode und damit auch in der Schaltung, die mitder Anode verbunden ist. 3.2 Transistoren Transistoren auf einer PlatineIn elektronischen Schaltkreisen übernehmen Transistoren (auf dem Foto die kleineren, silberfarbigen Gehäuse) z.

B.

die Funktion vonVerstärkern oder Schaltern.

Neben den Transistoren sind natürlich auch andere Elektronikbauteile auf der Platine zu sehen.

Auffallendsind beispielsweise die mit farbigen Streifen gekennzeichneten Widerstände.H.

Schneebeli/Science Source/Photo Researchers, Inc. Transistoren werden aus Halbleitern gefertigt.

Das sind Materialien wie z.

B.

Silicium oder Germanium, die dotiert wurden (Hinzufügung winziger Mengen eines fremdenElements), so dass entweder ein Überschuss oder ein Mangel an freien Elektronen vorliegt (Bändermodell).

Im ersten Fall wird der Halbleiter als n-Leiter (negativ)bezeichnet, im anderen Fall als p-Leiter (positiv).

Durch die Kombination von Materialien beider Typen wird eine Diode realisiert.

Wenn diese Diode mit einer Stromquelle(z.

B.

einer Batterie) derart verbunden wird, dass der p-Leiter positiv und der n-Leiter negativ ist, werden die Elektronen von dem negativen Batteriepol abgestoßen undkönnen ungehindert in die p-Region vordringen, der es an Elektronen mangelt.

Wenn die Batterie umgekehrt angeschlossen wird, gelangen die Elektronen, die im p-Materialankommen, nur unter Schwierigkeiten zum n-Leiter, der bereits mit freien Elektronen angefüllt ist.

In diesem Fall fließt so gut wie kein Strom. Der bipolare Transistor wurde 1948 als Ersatz für die Vakuumröhre erfunden.

Er besteht aus drei Schichten dotierten Materials, die zwei p-n-Verbindungen (Bipole) in denKonstellationen p-n-p oder n-p-n bilden.

Eine Verbindung des Transistors ist an eine Stromquelle angeschlossen, um Strom fließen zu lassen (Durchlassrichtung), währenddie andere in der umgekehrten Richtung angeschlossen ist (Sperrrichtung).

Wenn der Strom in Durchlassrichtung durch ein anliegendes Signal verändert wird, reagiert derStrom in der Sperrrichtung entsprechend darauf.

Dieses Prinzip kann für den Bau von Verstärkern ausgenutzt werden, bei denen ein schwaches Signal in Durchlassrichtungeine starke Stromveränderung in der Sperrrichtung auslöst. Ein anderer Transistortyp ist der Feldeffekt-Transistor (FET).

Dieser Transistor arbeitet nach dem Prinzip der Anziehung oder Abstoßung von Ladungen in einemumgebenden elektrischen Feld.

Eine Stromverstärkung wird auf eine ähnliche Art erreicht wie durch die Gittersteuerung einer Vakuumröhre.

Feldeffekt-Transistoren arbeitenviel effizienter als bipolare Transistoren, da ein starkes Signal mit einem sehr kleinen Energieaufwand gesteuert werden kann.

Der FET ist der wichtigste Vertreter derunipolaren Transistoren. 3.3 Integrierte Schaltkreise ComputerschaltkreisErst durch die Entwicklung der integrierten Schaltkreise (Chips) wurden die heutigen leistungsfähigen Kompaktcomputer undNotebooks möglich.James Green/Robert Harding Picture Library Die meisten integrierten Schaltkreise sind kleine, etwa zwei bis vier Quadratmillimeter große Stücke („Chips”) aus Silicium, in die Transistoren eingearbeitet wurden.

MitHilfe der Photolithographie fertigen die Entwickler auf einem einzigen Chip Zehntausende von Transistoren, indem sie zahlreiche n- und p-dotierte Bereiche auf dem Chipplatzieren.

Diese wiederum werden während der Fabrikation durch winzige Leiterbahnen zu komplexen Spezialschaltkreisen verbunden.

Diese integrierten Schaltkreisebezeichnet man als monolithisch, weil sie auf einem einzigen Siliciumkristall angelegt werden.

Chips benötigen sehr viel weniger Platz und sind kostengünstiger zuproduzieren als entsprechende Schaltungen aus einzelnen Transistoren. 3.4 Widerstände Wenn eine Stromquelle mit einem leitenden Material verbunden wird, fließt Strom durch dieses Material.

Der Strom ist abhängig von der elektrischen Spannung, von denAbmessungen und der Leitfähigkeit des Materials.

Widerstände mit einem bekannten Widerstandswert werden zur Stromsteuerung in elektronischen Schaltungen eingesetzt.Diese Widerstände bestehen üblicherweise aus Kohlenstoffmischungen, Metallfilmen oder Widerstandsdraht und besitzen zwei Anschlüsse.

Regelbare Widerstände(Potentiometer) mit einem verstellbaren Kontaktschieber werden z.

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als Lautstärkeregler in Radios und Fernsehgeräten verwendet.. »