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DARC e.V. Offline-Lehrgang für die Klasse E |
Achtung! Dies ist die Offline-Version nur für Ausbilder des Amateurfunk-Lehrgangs für die Klasse E von Eckart K. W. Moltrecht, DJ4UF, einschließlich des Lehrgangs für Betriebstechnik und Vorschriften. Links ins Internet funktionieren natürlich nicht.
Sender und Empfänger bestehen außer aus Widerständen, Kondensatoren, Spulen und Filtern auch aus vielen elektronischen Bauelementen, den so genannten Halbleitern. Der nun folgende Teil dieses Lehrgangs stellt eine Einführung in die Elektronik dar. Beginnen wir mit dem einfachsten Bauteil, der Halbleiterdiode. Sie wissen aus dem ersten Teil dieses Lehrgangs, dass man grundsätzlich zwischen elektrischen Leitern und elektrischen Nichtleitern (Isolatoren) unterscheiden kann. Zu elektrischen Leitern gehören beispielsweise Metalle, zu den Nichtleitern zum Beispiel Glas, Porzellan und so weiter. Es gibt Nichtleiter-Werkstoffe, deren elektrische Leitfähigkeit unter bestimmten Bedingungen entsteht. Man nennt sie Halbleiterwerkstoffe. Im engeren Sinne versteht man unter Halbleitern die Werkstoffe, die für die Herstellung elektronischer Bauelemente verwendet werden. In der Halbleitertechnik hat der Werkstoff Silizium zurzeit die größte Bedeutung. Weitere technisch wichtige Werkstoffe sind Germanium, Selen, Galliumarsenid, Indiumphosphid und Indiumantimonid. Diese Werkstoffe haben Kristallstruktur, das heißt die Atome sitzen nach einem bestimmten Schema geordnet auf vorgegebenen Plätzen in einem Kristallgitter. Bei den wichtigsten Halbleiterwerkstoffen Silizium und Germanium hat dieses Schema eine Tetraeder-Struktur (Bild 12-1), so dass jedes Atom immer vier Nachbaratome hat.
Diese vier Bindungen (Vierwertigkeit) sind charakteristisch für die Halbleiter. Bei einer vollständig reinen Kristallstruktur sind alle Valenzelektronen (das sind die Elektronen auf der äußersten Elektronenschale eines Atoms) gebunden. Bei niedrigen Temperaturen sind diese Werkstoffe Nichtleiter. Auch bei Raumtemperatur ist die Leitfähigkeit außerordentlich gering. Dies gilt allerdings nur, wenn das Material sehr rein ist. Die geringste Beimengung von Atomen fremder Elemente stört den kristallinen Aufbau derart, dass die Leitfähigkeit erheblich ansteigt. Die Forderung an den Reinheitsgrad liegt bei 10-20 bei Silizium. Das heißt, es kommt ein Fremdatom auf 1020 Siliziumatome. Der geforderte Reinheitsgrad ist außerordentlich hoch. Ein Vergleich macht dieses deutlich: In einem Güterzug voller Erbsen dürfte nur eine einzige schlechte enthalten sein. Erhöht man die Temperatur eines Halbleiters, verstärken sich die Schwirrbewegungen der Atome und die Bindung der Valenzelektronen einiger Atome reißt auf. Es entstehen freie Elektronen - die Leitfähigkeit steigt (oder der Widerstand bei Anlegen einer Spannung sinkt). Dieses Verhalten entspricht dem NTC-Widerstand, also einem Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten. Man nennt diese Leitfähigkeit der Halbleiter Eigenleitfähigkeit. Die stark ansteigende Leitfähigkeit bei höheren Temperaturen ist beim Betrieb von Dioden und Transistoren sehr störend. In einem bestimmten Temperaturbereich schwillt der Strom lawinenartig an, was zu einer Zerstörung des Bauelementes führen kann. Aus diesem Grund sind für alle elektronischen Bauteile obere Grenzwerte der Betriebstemperaturen festgelegt.
Germanium- und Siliziumatome haben vier Valenzelektronen. Durch Einlegieren von Atomen mit fünf Valenzelektronen (zum Beispiel Arsen oder Antimon) erzeugt man Störstellen im Kristallgitter. Man nennt dieses gezielte Verunreinigen Dotieren. Weil das fünfte Valenzelektron dieses Störatoms keine Bindungsaufgabe im Kristallgitter erfüllt, löst es sich bereits bei sehr niedrigen Temperaturen vom Atom und ist im Gitter frei beweglich. Das Kristall ist somit ohne Wärmezufuhr bereits halbleitend. Da die Leitfähigkeit in diesem Fall durch freie Elektronen (negative Ladungen) hervorgerufen wird, spricht man von N-leitendem Halbleitermaterial.
Prüfungsfrage:
Durch Einlegieren von Atomen mit nur drei Valenzelektronen (zum Beispiel Gallium oder Indium) treten ebenfalls Störstellen auf. An jeder Stelle eines Fremdatoms fehlt ein Valenzelektron zur vollständigen Bindung. Diese entstandenen Fehlstellen (Löcher) können aus der Umgebung mit Elektronen aufgefüllt werden, wodurch Löcher an anderen Stellen entstehen. Das Defektelektron (oder Loch) ist also gleichsam als frei beweglicher Ladungsträger aufzufassen. Da eine fehlende negative Ladung einer überschüssigen positiven Ladung entspricht, kann man die Defektelektronen als positive Ladungsträger auffassen. Man spricht hier von P-leitendem Halbleitermaterial. Prüfungsfrage:
Ein Vergleich macht vielleicht diese Defektelektronenbeweglichkeit deutlich. Ist zum Beispiel in einer Sitzreihe im Theater ein Platz in der Mitte frei (Fehlstelle, Loch), so können sich die Zuschauer (Elektronen) jeweils einen Platz weiter setzen (bewegen), wodurch sich der freie Platz in die entgegen gesetzte Richtung bewegt. Also: Defekt-elektronen bewegen sich immer in die entgegen gesetzte Richtung wie Elektronen.
Dotiert man einen Halbleiter von der einen Seite her mit einem dreiwertigen Stoff (P-leitend) und von der anderen Seite her mit einem fünfwertigen Stoff (N-leitend), so entsteht in der Mitte ein PN-Übergang.
In dieser Grenzschicht werden die Elektronen der N-Schicht durch Diffusion zu den freien Stellen (Löchern) der P-Schicht wandern und die Lücken ausfüllen. Dieses gleichzeitige Verschwinden je eines Elektrons und eines Loches nennt man "Rekombination". Die Grenzschicht verarmt damit an freien Ladungsträgern. Sie wird zu einer nicht leitenden Schicht oder Sperrschicht. In der Sperrschicht haben sich aber nun auf der P-Seite zusätzliche Elektronen (negativ) angesammelt, die auf der N-Seite fehlen (positive Ladungen im Überschuss). Die Sperrschicht ist elektrisch nicht mehr neutral, sondern elektrisch geladen (Bild 12-4). Diese unterschiedliche Ladung hat eine Spannung zur Folge, die man "Diffusionsspannung" oder Schwellspannung nennt. Die Schwellspannung beträgt bei Germanium etwa 0,2 bis 0,4 V und bei Silizium etwa 0,6 bis 0,8 Volt.
Legt man einen solchen dotierten Halbleiter an eine äußere Spannung derart, dass der Pluspol der Spannungsquelle mit der N-Schicht und der Minuspol mit der P-Schicht verbunden wird (Bild 12-5), so wandern die Löcher der P-Schicht zum Minuspol und die Elektronen der N-Schicht zum Pluspol (entgegen gesetzte Ladungen ziehen sich an). Dadurch verbreitert sich nun die ladungsträgerarme Zone (Verarmungszone). Der PN-Übergang sperrt. Es fließt ein ganz geringer Sperrstrom von wenigen Mikroampere (Germanium) bzw. Nanoampere (Silizium). Erst bei einer sehr hohen Spannung in Sperrrichtung steigt der Strom plötzlich an. Es kommt zum Durchbruch und das Bauteil kann zerstört werden.
Polt man die Spannungsquelle um, werden die Elektronen der N-Schicht und auch die Defektelektronen der P-Schicht durch die abstoßenden Kräfte in die Verarmungszone gedrängt. Die Verarmungszone wird von Ladungsträgern überflutet und dadurch abgebaut. Ist die äußere Spannung mindestens so groß wie die Diffusionsspannung, verschwindet die Sperrschicht völlig – das Bauelement leitet. Dieses Bauelement (PN-Übergang), das in einer Richtung den Strom sperrt und in der anderen Richtung leitet, nennt man Diode (Bild 12-6). Eine Diode leitet also, wenn man den Pluspol der Spannungsquelle an die Anode (P-Schicht) und den Minuspol an die Katode (N-Schicht) legt. Prüfungsfrage:
Ergebnis: In der einen Richtung der Diode leuchtet das Lämpchen (die Diode leitet), in der anderen bleibt es dunkel (die Diode sperrt). Die Durchlassspannung (Spannungsabfall über der Diode, wenn diese leitet) müssten Sie bei allen Dioden mit 0,7 Volt messen, wenn Sie wirklich Siliziumdioden verwendet haben. Wenn eine Diode in beiden Richtungen leitet ist sie kaputt.
Eine Diode leitet, wenn die Spitze des Diodenschaltsymbols in Stromrichtung zeigt. In umgekehrter Richtung fließt praktisch kein Strom. Die Diode hat einen fast unendlich hohen Widerstand. Prüfungsfrage:
Zur Lösung: Bei dieser Aufgabe und auch bei der gleich zu bearbeitenden Aufgabe TC506 müssen Sie zuerst die Richtung der Diode betrachten und dann schauen, dass in Flussrichtung an der Anode eine um 0,6 bis 0,8 Volt positivere Spannung anliegt. Prüfungsfrage:
Kommentar: -2,0 ist um 0,6 positiver als -2,6. Zusammenfassung:
Jede Diode verträgt in Sperrrichtung nur eine von der Bauart abhängige Maximalspannung, bis auch Strom in umgekehrter Richtung fließt. Diese Sperrspannungen liegen meistens bei über 1000 V. Oberhalb dieser maximalen Sperrspannung ist die Diode gefährdet. Sie bricht durch und verursacht dann meistens einen Kurzschluss, weil das Silizium in der Sperrschicht zu Kohle verbrennt und Kohle leitet. Spezielle Dioden werden so hergestellt, dass der Durchbruch bereits bei sehr geringen Spannungen zwischen 3 und 100 V erfolgt. Weil beim Durchbruch der Strom stark ansteigt aber die Spannung über der Diode konstant bleibt, kann man diesen Effekt nutzen, um damit Spannungen zu stabilisieren. Man nennt diese Dioden Z-Dioden oder auch Zenerdioden. Damit der Strom nicht zu groß wird, muss man einen Strombegrenzungswiderstand in Reihe schalten.
Merke: Eine Z-Diode wird im Durchbruchsbereich (in Sperrrichtung) und immer mit Vorwiderstand betrieben. Prüfungsfrage:
Ein PN-Übergang hat, in Sperrrichtung geschaltet, einen sehr kleinen Sperrstrom. Lässt man auf die Sperrschicht Licht (ist auch eine Energieart) einwirken, werden zusätzliche Ladungsträgerpaare gebildet. Dadurch steigt der Sperrstrom an.
Schaltet man die Fotodiode mit einem Vorwiderstand als Spannungsteiler, so wird der Sperrstrom IP von der Beleuchtungsstärke abhängig (Bild 12-9 C). Die Spannung an der Fotodiode ändert sich. Damit kann mittels Transistor als Verstärker ein Schalter (Relais) betätigt werden. Zum Beispiel kann die Anodenspannung der Röhren-Senderendstufe unterbrochen werden, wenn die Anode wegen Überlastung rot glüht.
Wird eine Fotodiode ohne Hilfsspannung betrieben, so kann man an ihren Klemmen bei Belastung mit einem Widerstand einen Strom abnehmen und damit einen Verstär-ker steuern. Die Fotodiode arbeitet dann als Fotoelement. Das Schaltzeichen ist eine Spannungsquelle, auf die zwei Pfeile zu zeigen (Bild 12-10).
Eine besondere Fotodiodenart sind die so genannten Solarzellen. Es sind großflächige PN-Übergänge, die Spannungen bis etwa 500 mV und Ströme von einigen hundert Milliampere abgeben können. Zu Batterien zusammengeschaltet heißen sie auch Sonnenbatterien oder Sonnenkollektoren. Sie liefern zum Beispiel die Energie für Sender und Empfänger in Satelliten oder für den Portabelbetrieb (Bild 12-11). Bei Sonnenkollektoren für den Einsatz bei Portabelbetrieb zum Laden von 12-V-Akkumulatoren werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet, so dass man eine Leerlaufspannung von ungefähr 18 Volt bekommt. Mehrere solcher Reihen werden wiederum parallel geschaltet, um einen möglichst großen Strom zu erhalten.
Lösung:
Die Umkehrung der Fotodiode ist der Effekt bei der Leuchtdiode (LED = light emitting diode = Licht aussendende Diode). Bei der Rekombination der Ladungsträgerpaare innerhalb der Sperrzone einer in Durchlassrichtung geschalteten Diode wird Energie frei. Normalerweise wird diese Energie in Form von Wärme abgegeben. Bei einer bestimmten Dotierung wird diese Energie in Form von Licht frei. Das Grundmaterial der Leuchtdioden ist Galliumphosphid oder Gallium-Arsenphosphid. Je nach gewünschter Lichtfarbe wird mit Zink (grünes Licht) oder Zinksauerstoff (rotes Licht) dotiert. Der PN-Übergang wird durch Einlegieren von Zinn hergestellt. Die Spannung UF bei Leuchtdioden ist etwa doppelt so groß wie die der Siliziumdiode: etwa 1,5 Volt. Die Ströme IF liegen je nach Lichtstärke zwischen 5 und 50 mA. Prüfungsfrage:
Leuchtdioden werden zur Anzeige dann angewendet, wenn eine Lichtquelle mit kleiner Leistung und geringen Abmessungen sowie hoher Lebensdauer benötigt wird. Es gibt Leuchtdioden, bei denen in einem Gehäuse zwei oder mehr verschieden farbige LEDs in Kombination mit normalen Dioden integriert sind und die beispielsweise bei einer bestimmten Polarität grün oder bei der anderen Polarität rot leuchten.
Die hohe Grenzfrequenz der Leuchtdioden erlaubt die Übertragung von optischen Signalen bis zu Frequenzen von zirka 10 MHz. LEDs dienen als Sender in so genannten optischen Koppelelementen (Optokoppler). Hierbei werden elektrische Signale in optische umgewandelt und von einer Fotodiode oder einem Fototransistor wieder in elektrische zurückverwandelt. Solch ein Optokoppler wird gern zur Ankopplung von Modemsignalen an den Modulator verwendet, um Brummeinflüsse der Netzteile zu verhindern.
Halbleiterbauelemente werden in Europa mit zwei bis drei Buchstaben plus einer Zahl gekennzeichnet. Der erste Buchstabe gibt das Ausgangsmaterial an (z.B. A = Germanium, B = Silizium), der zweite Buchstabe die Anwendung (z.B. A = Diode, B = Kapazitätsdiode, E = Tunneldiode, X = Vervielfacherdiode, Y = Leistungsdiode, Z = Z-Diode). Ein eventuell vorhandener dritter Buchstabe (W, X, Y oder Z) deutet auf professionelle Anwendung hin, wobei geringere Streuwerte zu erwarten sind als bei den Typen mit zwei Buchstaben für die so genannte Unterhaltungselektronik (Radio, Fernsehen usw.). Die Ziffern haben nur die Bedeutung einer laufenden Kennzeichnung. Beispiele:
Amerikanische und asiatische Hersteller kennzeichnen ihre Dioden durch die Zahlen-Buchstaben-Kombination 1 N... und einer zwei- bis vierstelligen laufenden Zahl, zum Beispiel 1N4148 für eine Universal-Siliziumdiode.
Die typische Eigenschaft der Halbleiterdioden in einer Stromrichtung zu sperren und in der anderen zu leiten wird in der Technik mannigfaltig angewendet. Die wichtigste Anwendung ist die Gleichrichtung von Wechselspannung.
Schaltet man einen Lastwiderstand über eine in Reihe geschaltete Diode an eine Wechselspannungsquelle, leitet die Diode den Strom nur, wenn die Anode positiver ist als die Katode (Bild 12-14 a: positive Halbwelle der Wechselspannung wird durchgelassen). In der anderen Halbwelle sperrt die Diode. Durch den Lastwiderstand RL fließt ein pulsförmiger Strom immer in der gleichen Richtung. Man sagt, der Strom ist gleichgerichtet worden. Da nur eine Halbwelle der sinusförmigen Wechselspannung ausgenutzt wird, nennt man diese Schaltung Einweggleichrichterschaltung. Schaltet man einen genügend großen Kondensator parallel zum Lastwiderstand (Bild 12-14 b), wird sich dieser in der einen Halbwelle schnell über die Diode aufgeladen und in der anderen Halbwelle (Sperrzeit der Diode) langsam über den Widerstand entladen. Die Gleichspannung am Lastwiderstand beträgt also fast Maximalwert der Wechselspannung. Bei Leerlauf bleibt der Maximalwert erhalten. Prüfungsfrage:
Lösungshinweis: Der Transformator setzt die Netzwechselspannung von 230 V im Verhältnis 5:1 herunter. 230 geteilt durch 5 ergibt 46. Damit beträgt die Spannung auf der Sekundärseite 46 V. Die Diode lässt nur die positive Halbwelle durch, wie dies in Bild 12-14 gezeigt wird. Der Spitzenwert dieser Spannung ist Auf diese Spannung lädt sich der Kondensator maximal auf. Wenn kein Laststrom entnommen wird, bleibt der Kondensator auf den Maximalwert aufgeladen. Prüfungsfrage:
Lösungshinweis: 230 : 8 = 28,75, diesen Wert mal (ca.) 1,4 = 40,25, also zirka 40
© Eckart K. W. Moltrecht, aus dem Buch 411 0064 5.Auflage 2007 nach HTML konvertiert
Anhang Formelsammlung zur Prüfung zum Amateurfunklehrgang Klasse E
Hinweis *) Dies ist eine Lektion aus dem Buch Amateurfunk-Lehrgang für das Amateurfunkzeugnis Klasse E von Eckart K. W. Moltrecht, 5. Auflage 2007.
Letztes Update dieser Seite: 28.3.2007 (by DJ4UF) |
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