Station 2: Elektronikbauteile

1. Widerstände – Aufbau und Funktionsweise

Widerstände sind Bauteile, die den elektrischen Strom einschränken oder begrenzen. Sie werden überall dort eingesetzt, wo in einem Stromkreis eine kontrollierte Menge an Strom benötigt wird. Alltägliche Kohlenstofffilm-Widerstände, wie sie in Haushaltsgeräten und Spielzeugen verwendet werden, sind oft kostengünstig, aber weniger präzise und klein.

Abbildung 1: Der Widerstand ist auf der Platine befestigt. Die farbcodierten Streifen zeigen den Widerstandswert an.

Ein Kohlenstofffilm-Widerstand besteht aus einem keramischen Stab, der mit einer feinen Schicht aus Kohlenstofffilm beschichtet ist, der Strom mit einem bestimmten Widerstand leitet. Durch den Film wird eine spiralförmige Rille geschnitten, die einen langen, schmalen Pfad aus Kohlenstoff schafft, der von einem Ende des Stabs zum anderen führt. An beiden Enden werden Metallkappen befestigt, und dann kommen Drahtanschlüsse hinzu. Der Widerstand wird anschließend in eine schützende Beschichtung getaucht und mit farbcodierten Streifen bemalt, um seinen Widerstandswert anzuzeigen.

Abbildung 2: Widerstands-Farbcodetabelle.

Bei dem Widerstand oberhalb der Tabelle ist die Farbe des ersten Ringes Braun. Die Farbe des zweiten Ringes ist Schwarz. Der dritte Ring ist orange und die Farbe des vierten Ringes ist Silber. Nach der Farbtabelle entsprechen die ersten beiden Farben den Zahlen 1 und 0, also 10. Der Multiplikator-Wert beträgt 1.000. Deshalb handelt es sich um einen Widerstand mit einem Wert von 10.000 Ohm oder 10 Kilo-Ohm (kΩ) und einer Toleranz von 10%.

Der untere Widerstand hat die Farben von links nach rechts: Gelb, Lila, Grün, Rot und Braun. Nach der Farbtabelle entsprechen die ersten drei Farben den Zahlen 4, 7 und 5, also 475. Der Multiplikator-Wert beträgt 100. Deshalb handelt es sich um einen Widerstand mit 47.500 Ohm oder 47,5 Kilo-Ohm (kΩ) mit einer Toleranz von 1%.

Widerstände dieser Form werden als axiale Durchsteck-Widerstände bezeichnet. Das bedeutet, dass die Drahtanschlüsse (die durch Löcher in einer Platine gesteckt werden) entlang der Achse des Widerstands angeordnet sind.

Funktionsweise eines Kohlenstofffilm-Widerstands

Ein Kohlenstofffilm-Widerstand funktioniert, indem er den elektrischen Strom, der durch ihn fließt, einschränkt. Hier ist, wie das genau funktioniert:

• Keramischer Stab: Der Widerstand besteht zunächst aus einem keramischen Stab. Keramik ist ein Material, das nicht gut leitet, also bietet es eine Art von „Hindernis“ für den Strom.
• Kohlenstofffilm: Auf diesen Stab wird eine dünne Schicht aus Kohlenstoff aufgetragen. Kohlenstoff ist ein Material, das Strom leiten kann, aber nicht so gut wie Metall. Daher hat der Kohlenstofffilm einen bestimmten Widerstand, der dafür sorgt, dass nicht zu viel Strom hindurchfließt.
• Spiralförmige Rille: In den Kohlenstofffilm wird eine spiralförmige Rille geschnitten. Diese Rille schafft einen langen, schmalen Weg für den Strom, der durch den Kohlenstoff fließen muss. Je länger der Weg ist, den der Strom zurücklegen muss, desto mehr Widerstand erfährt er.

Abbildung 3: Schematische Darstellung eines Kohlenstofffilm-Widerstands und seiner Bestandteile.

Der Kohlenstofffilm auf dem Widerstand ist relativ dünn, und in Querschnittsansicht sind die Rillen nur als kleine Einkerbungen im Keramikstab sichtbar.

Abbildung 4: Der Kohlenstofffilm ist relativ dünn. Im Querschnitt sind die Rillen nur als Einkerbungen im Keramikstab zu sehen.

Die spiralförmige Rille kann nach dem Entfernen der schützenden Beschichtung klar erkannt werden.

Abbildung 5: Die spiralförmige Rille ist deutlich sichtbar, nachdem die schützende Beschichtung entfernt wurde.

Zusammenfassung:

Durch die Kombination aus dem keramischen Stab und der spiralförmigen Rille im Kohlenstofffilm wird der Strom effektiv gebremst. Das bedeutet, dass der Widerstand die Menge an Strom, die durch den Stromkreis fließen kann, kontrolliert. Wenn der Widerstand höher ist, fließt weniger Strom, und umgekehrt.

2. Glasverkapselte Dioden

Siliziumdioden mit niedriger Leistung werden oft in glasverkapselten Gehäusen verpackt. Diese Dioden gibt es in vielen verschiedenen Ausführungen, wobei das eigentliche Stück Silizium im Inneren sehr klein ist und zwischen zwei Kontakten „eingesandwicht“ wird. Das bedeutet, dass das Silizium von zwei Metallanschlüssen eingeschlossen wird, die den Strom leiten.

In einigen Dioden wird eine Metallfederklemme verwendet, um die Verbindung zwischen dem Siliziumchip und einem der Anschlüsse herzustellen. Bei anderen Dioden sind beide Anschlussdrähte direkt mit dem Silizium verbunden. Typischerweise wird das äußere Glashäuschen mit einem vorinstallierten Draht geliefert.

Abbildung 1: Eine glasverkapselte 1N740-Diode, die auf einer Platine verlötet ist.

Bevor das Silizium in das Bauteil eingesetzt wird, wird auf einer Seite des Siliziums ein Lötpunkt mit einem speziellen elektrochemischen Verfahren aufgebracht. Die Diode selbst stellt sicher, dass der Strom nur in eine Richtung fließt, weshalb der Lötpunkt nur auf einer Seite des Siliziums entsteht.

Abbildung 2: In dieser 1N914-Diode ist der kleine quadratische Chip leicht versetzt eingebaut, möglicherweise ein Herstellungsfehler.

Nachdem der Siliziumchip mit dem vorinstallierten Draht durch Löten oder leitfähiges Epoxidharz verbunden wurde, kann der zweite Draht befestigt werden.

Abbildung 3: Das klare Glas dieser 1N5236B Zener-Diode wurde schwarz lackiert. Eine S-förmige Feder stellt den Kontakt zum Siliziumchip her.

Einige Dioden, wie die hier gezeigten, verwenden eine S-förmige Feder, um Kontakt mit dem Silizium herzustellen, während andere eine einfache Lötverbindung verwenden.

Abbildung 4: Ein kleiner Lötpunkt auf dem Siliziumchip dieser 1N1100-Diode verbindet den Chip mit der C-förmigen Feder.

Zusammenfassung: Glasverkapselte Dioden werden wegen ihrer Robustheit und Zuverlässigkeit oft in elektronischen Geräten verwendet. Sie ermöglichen eine schnelle Schaltung von Strom und verhindern, dass dieser in die falsche Richtung fließt. Die Kombination aus Silizium, Metallkontakten und Glasgehäuse schützt die Diode und sorgt für eine lange Lebensdauer in verschiedenen Anwendungen.

3. DIP-Sockel

Ein Dual-in-line package (DIP)-Sockel ermöglicht es, ein integriertes Schaltkreis-Bauteil (IC) in eine Platine einzustecken und leicht wieder zu entfernen, ohne dass Lötausrüstung benötigt wird. Stattdessen hat der Sockel selbst Pins, die auf die Platine gelötet werden.

Es gibt verschiedene Arten von DIP-Sockeln. Dual-Wipe-Sockel besitzen flache Metallfedern, die von beiden Seiten gegen die Pins des ICs drücken. Diese Art von Sockel ist kostengünstig herzustellen, da nur ein einziges gestanztes und geformtes Metallstück benötigt wird, um jeden Pin zu kontaktieren.

Abbildung 1: Ein IC-Sockel, in den ein integriertes Schaltkreis-Bauteil eingesetzt wurde. Die Pins des ICs werden fest in den Sockel gedrückt, um den Kontakt zu gewährleisten.

Ein präzisionsgefertigter Sockel ist komplexer aufgebaut. Die Metallkontakte werden einzeln mit einer speziellen Drehmaschine auf die richtige Form gebracht. Um die Pins des ICs zu greifen, wird ein winziges Set von geprägten und geformten Federfingern in jeden Sockel eingepresst.

Abbildung 2: Dual-Wipe-Sockel haben federnde Kontakte, die jeden Pin des integrierten Schaltkreisgehäuses fest greifen.

Die Pins der Sockel sind typischerweise zinnbeschichtet, aber bei hochqualitativen Sockeln wird oft eine Vergoldung verwendet, um Korrosion zu verhindern, die die elektrische Verbindung unterbrechen könnte.

Abbildung 3: Präzisionsgefertigte Sockel bieten eine höhere Genauigkeit als Dual-Wipe-Sockel. Sie verwenden eingepresste Federverbindungen, um jeden IC-Pin sicher zu greifen.

Zusammenfassung: DIP-Sockel sind nützlich, um integrierte Schaltungen in eine Platine einzubauen, ohne sie fest zu verlöten. Dual-Wipe-Sockel sind einfach und kostengünstig, während präzisionsgefertigte Sockel durch höhere Verarbeitungsqualität und bessere Materialien für eine längere Lebensdauer sorgen.

4. Trimmer Potentiometer

Ein Trimmer Potentiometer, oft auch als Trimpot bezeichnet, ist ein spezieller Potentiometer, der nicht für die regelmäßige Nutzung durch den Endbenutzer gedacht ist. Stattdessen wird er für die anfängliche Kalibrierung oder seltene Justierungen in präzisen elektronischen Geräten eingesetzt, die eine Feineinstellung erfordern.

Die Lebensdauer eines Trimmers ist auf nur einige Hundert Anpassungen begrenzt, da er nicht für häufige Verstellungen konzipiert ist.

Abbildung 1: Ein Trimmer-Potentiometer auf einer Platine montiert, das zur Feineinstellung der Schaltung genutzt wird.

Ein farbiger Trimmer besteht aus einer hufeisenförmigen Schicht aus resistivem Cermet-Film (einem Material, das aus Keramik und Metall zusammengesetzt ist). Dieser Film ersetzt die in vielen Potentiometern übliche Drahtspule. Mithilfe eines Kunststoffwerkzeugs oder eines Schraubendrehers kann der gelbe Rotor des Trimmers von außen verstellt werden. Im Inneren bewegt der Rotor eine flexible Metallfeder, die als Schleifer fungiert. Diese verbindet den mittleren Kontakt mit dem resistiven Film und verändert den Widerstand zwischen dem mittleren und den beiden äußeren Anschlüssen.

Abbildung 2: Schematische Darstellung eines Trimmer-Potentiometers und seiner Funktionsweise.

Ein orangefarbener O-Ring unter dem Rotor des Trimmers verhindert das Eindringen von Staub und Schmutz. Gleichzeitig sorgt er für die notwendige Reibung, um den Rotor nach der Einstellung in seiner Position zu halten.

Abbildung 3: Der orangefarbene O-Ring unter dem Rotor sorgt für Staubschutz und hält den Rotor stabil in der eingestellten Position.

Das Innere eines Trimmers zeigt eine flexible Metallfeder, die als Schleifer fungiert. Diese Konstruktion verändert den Widerstand zwischen den drei Kontakten des Potentiometers. Durch die Feineinstellung kann eine präzise Kalibrierung erreicht werden, die für die Funktion vieler elektronischer Geräte notwendig ist.

Abbildung 4: Dieser aufgeschnittene Trimmer zeigt die interne Metallfeder, die den Widerstand zwischen den Kontakten reguliert und somit die Feinjustierung des Geräts ermöglicht.

Zusammenfassung: Trimmer Potentiometer sind für die Feineinstellung in elektronischen Geräten konzipiert. Sie sind nicht für häufige Nutzung gedacht, sondern bieten eine präzise und einmalige oder seltene Kalibrierung. Der hufeisenförmige Cermet-Film und der Rotor im Inneren ermöglichen eine einfache Einstellung der Widerstandswerte, um die gewünschte Funktion sicherzustellen.

5. Transistor

Ein Transistor wie der hier gezeigte 2N3904 ist ein kleines elektronisches Bauteil, das in vielen Schaltungen verwendet wird, um elektrische Signale zu verstärken oder zu schalten. Der 2N3904 ist in einem günstigen Kunststoffgehäuse verpackt, das als TO-92 bekannt ist.

Im Inneren des Transistors befindet sich ein winziger Siliziumchip mit drei Anschlüssen: dem Basisanschluss, dem Kollektoranschluss und dem Emitteranschluss. Die Basis steuert den Stromfluss zwischen Kollektor und Emitter. Man kann sich den Transistor wie ein elektronisches Ventil vorstellen: Durch eine kleine Spannung an der Basis wird ein größerer Strom zwischen Kollektor und Emitter gesteuert.

Abbildung 1: Ein Transistor auf einer Platine, umgeben von anderen elektronischen Bauteilen. Der Transistor dient hier als Schalter oder Verstärker in der Schaltung.

Das Gehäuse des Transistors besteht aus schwarzem Kunststoff, der aus einem Epoxidharz mit feinem Siliziumdioxid (auch als Quarz bekannt) besteht. Dieser Zusatz sorgt dafür, dass der Kunststoff und die Bauteile im Inneren bei Temperaturänderungen gleichmäßig ausdehnen oder zusammenziehen. Dadurch wird verhindert, dass der Transistor bei extremen Temperaturen Schaden nimmt.

Zusätzlich zu dem Siliziumchip im Inneren des Transistors ist ein Teil der feinen goldenen Anschlussdrähte, die den Chip mit den äußeren Anschlüssen verbinden, sichtbar.

Abbildung 2: Neben dem Siliziumchip im Inneren des Transistors ist einer der beiden goldenen Bond-Drähte sichtbar, der den Chip mit den äußeren Anschlüssen verbindet. Diese Drähte sind extrem fein und sorgen für die elektrische Verbindung zwischen dem Chip und der Schaltung.

Zusammenfassung: Transistoren sind grundlegende Bauteile in der Elektronik, die als Schalter oder Verstärker fungieren. Der 2N3904 ist ein kleiner Transistor im Kunststoffgehäuse, der durch eine kleine Spannung an der Basis den Stromfluss zwischen Kollektor und Emitter steuert. Dank des Epoxidharzes und der goldenen Anschlussdrähte bleibt der Transistor auch bei extremen Temperaturen stabil und funktionsfähig.

6. Elektrolytkondensator

Ein Aluminium-Elektrolytkondensator ist ein Bauteil, das elektrische Ladungen speichert und in vielen elektronischen Schaltungen eingesetzt wird. Er zeichnet sich durch eine hohe Kapazität im Vergleich zu seiner Größe aus, was ihn ideal für Anwendungen macht, bei denen eine glatte Gleichspannung benötigt wird, wie z.B. in Netzteilen.

Im Inneren eines Elektrolytkondensators befinden sich zwei Folien: die Anodenfolie und die Kathodenfolie, die durch einen flüssigen Elektrolyten getrennt sind. Die Anodenfolie ist mit einer dünnen Schicht Aluminiumoxid überzogen, die als Dielektrikum dient – also als Schicht, die den Stromfluss zwischen den beiden Folien verhindert und gleichzeitig die Speicherung von Ladungen ermöglicht.

Abbildung 1: Aufbau eines typischen radialen (einseitig bestückten) Aluminium-Elektrolytkondensators mit flüssigem Elektrolyten.

Im Querschnitt eines Elektrolytkondensators sieht man die komplexe innere Struktur. Die Anodenfolie ist mit einer Schicht Aluminiumoxid überzogen, die als Dielektrikum fungiert, während die Kathodenfolie durch einen Abstandshalter aus Papier vom Elektrolyten getrennt ist. Diese Schicht dient zur Stabilisierung der elektrischen Ladung und verhindert Kurzschlüsse zwischen den Folien.

Abbildung 2: Querschnitt durch einen Aluminium-Elektrolytkondensator, der die Anodenfolie, das Oxid (Dielektrikum), den Papier-Abstandshalter und die Kathodenfolie zeigt.

Die Folien und der Elektrolyt werden in einer spiralförmigen Struktur, dem sogenannten Wickel, zusammengewickelt. Dieser Wickel wird dann in ein zylindrisches Gehäuse eingebettet. Die Struktur des Wickels ermöglicht eine kompakte Bauweise, bei der viel Kapazität auf kleinem Raum untergebracht werden kann.

Abbildung 3: Der Wickel eines Aluminium-Elektrolytkondensators, bestehend aus den Aluminiumfolien und dem Elektrolyten.

In einem Querschnitt durch den Kondensator kann man die einzelnen Schichten der Folien und des Elektrolyten erkennen. Diese Anordnung sorgt für die hohe Kapazität, die typisch für Elektrolytkondensatoren ist. Sie sind besonders nützlich, wenn es darum geht, hohe Spannungen zu glätten oder Energie über kurze Zeiträume zu speichern.

Abbildung 4: Querschnitt eines Elektrolytkondensators, der die Schichten der Aluminiumfolie und des Elektrolyten zeigt.

Bei axialen Elektrolytkondensatoren ist die Wickelstruktur länglich, und die Anschlüsse befinden sich an beiden Enden des Kondensators. In einem aufgeschnittenen axialen Kondensator kann man die Schichten der Aluminiumfolie und den Elektrolyten sehen, die zur Speicherung der elektrischen Ladung genutzt werden.

Abbildung 5: Aufgeschnittener axialer Aluminium-Elektrolytkondensator, der die inneren Folienlagen und den Elektrolyten zeigt.

Zusammenfassung: Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind Bauteile, die für das Speichern von elektrischer Ladung verwendet werden. Sie bestehen aus Aluminiumfolien, einem flüssigen Elektrolyten und einer dünnen Schicht Aluminiumoxid als Dielektrikum. Durch ihre hohe Kapazität und kompakte Bauweise sind sie in vielen elektronischen Schaltungen zu finden, insbesondere in Netzteilen und Spannungsstabilisierungen.

7. Integrierter Schaltkreis - NE555P Timer

Der NE555P Timer, oft einfach 555-Timer genannt, ist ein sehr altes, aber immer noch häufig verwendetes Bauteil in der Elektronik. Er wurde 1972 von dem Ingenieur Hans R. Camenzind entwickelt und hat sich seitdem als ein extrem vielseitiger integrierter Schaltkreis erwiesen, der in unzähligen Anwendungen zu finden ist.

Obwohl der 555-Timer relativ simpel ist, besteht er aus einer Vielzahl von Transistoren, Widerständen und Kondensatoren, die auf einem kleinen Siliziumchip untergebracht sind. Der ursprüngliche Timer enthielt um die 20 Transistoren, aber über die Jahrzehnte wurde das Grundprinzip erweitert, und immer mehr Transistoren wurden in integrierte Schaltungen integriert. Heute findet man in modernen Mikroprozessoren und CPUs Millionen, wenn nicht sogar Milliarden von Transistoren, die auf dem gleichen Grundprinzip basieren. Die Entwicklung dieser integrierten Schaltungen hat die Grundlage für moderne Computer und elektronische Geräte gelegt.

Abbildung 2: Der NE555P Timer sowohl aufrecht stehend als auch auf der Rückseite liegend. Die Pins sind gut sichtbar, die zur Verbindung mit der Schaltung dienen.

Der NE555P Timer wird häufig in einem sogenannten Dual-in-line package (DIP) geliefert, das in den meisten Schaltungen einfach auf eine Platine gelötet wird. Dieses Gehäuse schützt den Siliziumchip und ermöglicht die Verbindung mit einer Schaltung über die Pin-Anschlüsse.

Abbildung 1: Schematische Darstellung einer integrierten Schaltung. Solche Schaltungen bestehen aus vielen winzigen Transistoren, die auf einem Siliziumchip untergebracht sind.

Der 555-Timer besteht aus drei Hauptfunktionen: ein Flip-Flop, ein Spannungsteiler und ein Komparator. Diese einfache Schaltung kann als Timer, Oszillator oder Kippschalter verwendet werden. Die Pin-Belegung des 555-Timers zeigt, wie jede dieser Funktionen zu verschiedenen Anwendungen in einer Schaltung beitragen kann.

Abbildung 3: Blockschaltbild des 555-Timers, das zeigt, wie der Timer intern aufgebaut ist und welche Funktion jeder Pin hat.

Der 555 Timer wird verwendet, um LEDs in verschiedenen Geschwindigkeiten blinken zu lassen. Im Monoflop-Modus erzeugt er einen einzelnen Ausgangsimpuls, der durch ein externes Trigger-Signal aktiviert wird. Der Output Driver steuert den Ausgang, sodass die LED bei Aktivierung leuchtet. Im Astabilen Modus hingegen erzeugt der Timer kontinuierliche Rechteckimpulse, die die LED schnell ein- und ausschalten. Der integrierte Flip-Flop speichert den Zustand der Schaltung und ermöglicht den Wechsel zwischen „ein“ und „aus“. Wichtige Anschlüsse sind der Trigger, der den Timer aktiviert, sowie die Threshold- und Control Voltage-Anschlüsse, die den Spannungspegel zur Bestimmung der Blinkgeschwindigkeit steuern. Der Discharge-Anschluss ermöglicht die Entladung, um den Timer zurückzusetzen.

In integrierten Schaltungen werden Transistoren entweder als NMOS (n-Kanal Metall-Oxid-Halbleiter) oder PMOS (p-Kanal Metall-Oxid-Halbleiter) gebaut. Der Unterschied zwischen NMOS und PMOS liegt in der Art, wie sie den Strom leiten. NMOS-Transistoren leiten, wenn eine positive Spannung anliegt, während PMOS-Transistoren leiten, wenn eine negative Spannung anliegt. Diese Kombination aus NMOS- und PMOS-Transistoren ist das Grundprinzip der CMOS-Technologie, die in modernen CPUs verwendet wird.

Abbildung 4: Schematische Darstellung des Vergleichs zwischen NMOS- und PMOS-Transistoren. Diese beiden Transistortypen sind grundlegende Bausteine in integrierten Schaltungen.

In einem Querschnitt durch ein Dual-in-line package sieht man, wie der Siliziumchip auf einem Kupferträger sitzt. Feine Bond-Drähte verbinden den Chip mit den Pin-Anschlüssen, die dann in die Platine eingelötet werden.

Abbildung 5: Querschnitt durch ein Dual-in-line package. Der Siliziumchip sitzt auf einem Kupferträger und winzige Drähte verbinden ihn mit den äußeren Pins. In dieser Abbildung ist nur ein kleiner Teil eines solchen Drahts zu sehen.

Der Siliziumchip, der sich in der Mitte des Gehäuses befindet, wird durch winzige Verbindungsdrähte mit den verschiedenen Pins verbunden. Diese Drähte sind extrem fein und stellen die elektrische Verbindung zwischen dem Chip und den äußeren Anschlüssen her.

Abbildung 6: Der Siliziumchip im SOIC (Small Outline Integrated Circuit) ist auf einem Kupferträger befestigt. Die winzigen Verbindungsdrähte verbinden den Chip mit den Anschlüssen.

Zusammenfassung: Der NE555P Timer ist ein einfacher, aber vielseitiger integrierter Schaltkreis, der für viele grundlegende elektronische Schaltungen verwendet wird. Er wurde in den 1970er Jahren entwickelt und hat seitdem die Entwicklung moderner integrierter Schaltungen beeinflusst. Obwohl der 555-Timer relativ einfach ist, basiert die Funktionsweise moderner Mikroprozessoren, wie z.B. CPUs, auf denselben Grundprinzipien – nur dass diese heutzutage Milliarden von Transistoren enthalten.