„Elektronik“ – Versionsunterschied
| [ungesichtete Version] | [gesichtete Version] |
K Flipflop |
AX29 (Diskussion | Beiträge) Änderung 257252282 von 89.246.103.41 rückgängig gemacht; unbegründete Entfernung Markierung: Rückgängigmachung |
||
| (867 dazwischenliegende Versionen von mehr als 100 Benutzern, die nicht angezeigt werden) | |||
| Zeile 1: | Zeile 1: | ||
{{Begriffsklärungshinweis}} |
|||
'''Elektronik''' ist ein Teilbereich der [[Elektrotechnik]], der sich mit dem Entwurf und der Anwendung von elektronischen Schaltungen befasst. Unter '''Elektronik''' versteht man auch die für diese Schaltungen genutzten Bauteile, wie bspw. [[Elektronenröhre]]n, [[Transistor|Transistoren]] oder [[integrierter_Schaltkreis|integrierte Schaltkreise]] (integrated circuits, IC), wie [[Operationsverstärker]], Analog-Digital-Wandler (ADC), Digital-Analog-Wandler (DAC), [[Multiplexer]], [[Flipflop]]s usw. Die Elektronik lässt sich in folgende Teilgebiete einteilen: Analogelektronik, Digitalelektronik und [[Hochfrequenz]]elektronik. |
|||
[[Datei:HitachiJ100A.jpg|mini|Elektronikbaugruppe eines [[Frequenzumrichter]]s]] |
|||
[[Datei:Arduino ftdi chip-1.jpg|mini|Oberseite einer [[Leiterplatte]] mit einem [[integrierter Schaltkreis|integrierten Schaltkreis]] (oben), Widerständen (rechts unten), zwei [[Leuchtdiode]]n (Mitte links) und einem Kondensator (hellbrauner Quader Mitte rechts)]] |
|||
Die '''Elektronik''' ist ein Teilgebiet der [[Elektrotechnik]]. Sie ist die Wissenschaft und Technik von der Steuerung des [[Elektrischer Strom|elektrischen Stromes]] durch [[elektronische Schaltung]]en – das sind Schaltungen, in denen mindestens ein [[aktives Bauelement]] (zum Beispiel eine [[Vakuumröhre]] oder ein [[Halbleiter]]-Bauelement) arbeitet. |
|||
Aktive elektronische Bauelemente verhalten sich prinzipiell hinsichtlich ihrer [[Kennlinie]] nichtlinear, während sich passive elektrische und elektronische Bauelemente meist eher linear verhalten. Elektronik befasst sich auch mit dem Entwurf, der Konstruktion und dem Funktionsprinzip [[elektronisches Bauelement |elektronischer Bauelemente]]. Die [[Mikroelektronik]] umfasst [[Integrierter Schaltkreis|integrierte Schaltkreise]], deren Strukturgrößen im [[Meter#Mikrometer|Mikrometer]]- und Nanometerbereich liegt und die zunehmend diskret (das heißt, aus einzelnen aktiven und passiven Elementen) aufgebaute elektronische Schaltungen ablösen. Dessen ungeachtet findet eine zunehmende Miniaturisierung der Bauteile und Baugruppen statt. |
|||
Elektronik erzeugt und verarbeitet [[Elektrisches Signal|elektrische Signale]] ([[Elektronische Datenverarbeitung|Informationsverarbeitung]], Signalverstärkung und -konditionierung, früher als Schwachstromtechnik bezeichnet). [[Leistungselektronik]] wandelt [[elektrische Energie]] hinsichtlich ihre [[Elektrische Spannung|Spannung]], ihres [[Elektrische Stromstärke|Strom]]es oder ihrer Schwingungsform und -frequenz. |
|||
Die Elektronik verwendet vorrangig [[Transistor]]en, [[Diode]]n sowie passive Bauelemente wie [[kondensator (Elektrotechnik)|Kondensatoren]] und [[widerstand (Bauelement)|Widerstände]]. |
|||
Elektronische Schaltungen werden meist auf [[Leiterplatte]]n aufgebaut ([[Leiterplattenbestückung]]) und zu elektronischen Baugruppen, Geräten und Apparaten zusammengebaut. |
|||
Die [[Optoelektronik]] ist ein Teilgebiet der Elektronik und erzeugt, verwendet und detektiert [[Licht]] im Zusammenhang mit der Funktion einer elektronischen Schaltung. |
|||
== Wortbildung == |
|||
Der Begriff Elektronik leitet sich von dem [[Griechische Sprache|griechischen]] Wort ''elektron'' (ἤλεκτρον) ab, das [[Bernstein]] bedeutet. Elektronik ist ein [[Kofferwort]], das aus den Begriffen ''[[Elektron]]'' (dem Elementarteilchen) und ''Technik'' zusammengefügt wurde. Die Elektronik ist sozusagen die ''Elektronen-Technik.'' |
|||
== Geschichte == |
== Geschichte == |
||
1873 entdeckte [[Willoughby Smith]], dass [[Selen]] in der Lage ist, bei Licht zu leiten ([[Photoeffekt]]).<ref>{{Internetquelle |url=https://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB110-02.htm |titel=Der Photoeffekt |werk=udo-leuschner.de |abruf=2022-02-13 |sprache=de}}</ref> Auf diese Erkenntnis hin entdeckte [[Karl Ferdinand Braun]] 1874 den [[Gleichrichter]]effekt. [[George Johnstone Stoney|Stoney]] und [[Helmholtz]] prägten den Begriff des [[Elektron]]s als Träger des [[Elektrischer Strom|elektrischen Stroms]]. 1883 erhielt [[Thomas Alva Edison]] ein Patent auf einen Gleichspannungsregler, der auf der Glühemission (dem [[Edison-Richardson-Effekt]]) beruhte, einer Voraussetzung für alle [[Elektronenröhre|Vakuumröhren]]. 1897 begann die Entwicklung der [[Kathodenstrahlröhre|Braunschen Röhre]] durch Karl Ferdinand Braun. Im Jahre 1899 begann daraufhin die Entwicklung der [[Spitzendiode]]. 1904 erlangte [[John Ambrose Fleming]] ein Patent auf eine Vakuumdiode. |
|||
{{Siehe auch|Elektronenröhre#Geschichte|titel1=Geschichte der Elektronenröhre}} |
|||
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war die Entwicklung von [[Elektronenröhre]]n bereits fortgeschritten. Die ersten Elektronenröhren wurden entwickelt und bereits in elektrischen Schaltungen genutzt. Mit der [[Triode]] stand zum ersten Mal ein brauchbares Bauelement zum Aufbau von [[Verstärker (Elektrotechnik)|Verstärkern]] zur Verfügung. Dadurch wurden Erfindungen wie [[Rundfunk]], [[Fernsehen]] und [[Radar]] möglich. |
|||
Im Jahr 1948 wurde der erste [[Transistor]] vorgestellt. Transistoren können wie Röhren als [[Verstärker (Elektrotechnik)|Verstärker]], [[Elektronischer Schalter|elektronische Schalter]] oder als [[Oszillatorschaltung|Oszillator]] eingesetzt werden. Jedoch lassen sich Transistoren im Gegensatz zu Vakuumröhren, die sehr viel Raum und elektrische Leistung brauchen, sehr klein fertigen, denn sie basieren auf [[Halbleiter]]technik, wodurch sehr viel höhere Stromdichten möglich sind. |
|||
In den 1960er Jahren gelang die Fertigung von kompletten, aus mehreren Transistoren und weiteren Bauelementen bestehenden Schaltungen auf einem einzigen [[Silizium]]kristall. Die dadurch eingeleitete Technik der [[Integrierter Schaltkreis|integrierten Schaltkreise]] (kurz IC von engl. {{lang|en|integrated circuit}}) hat seitdem zu einer stetigen [[Miniaturisierung]] geführt. Heute ist die [[Halbleiterelektronik]] der wichtigste Zweig der Elektronik. |
|||
Als Schlüsseltechnologie für die Zukunft wird zuweilen die [[Polytronik]] gesehen. Sie bezeichnet die Zusammenführung [[kunststoff]]<nowiki />basierter Systemfunktionen zu der Vision „intelligentes Plastik“. |
|||
== Bauelemente == |
|||
{{Hauptartikel|Liste elektrischer Bauelemente}} |
|||
[[Datei:Componentes.JPG|mini|Verschiedene elektronische Bauelemente]] |
|||
Zu den wichtigen Bauelementen zählen [[Widerstand (Bauelement)|Widerstand]], [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensator]], [[Transistor]], [[Diode]], [[Spule (Elektrotechnik)|Spule]] und die [[Integrierte Schaltung]] (kurz IC). Alle diese Bauelemente werden in einer großen Typenvielfalt angeboten.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.fbdi.de/der-fbd.html |titel=Der FBDi |abruf=2022-05-22}}</ref> Eine Bauteil-variante ist die [[Surface-mounted device|SMD]]-Bauelemente, die durch ihre meistens sehr kompakte Bauform, direkt an der Oberfläche der Leiterplatte angelötet werden. |
|||
Man spricht von ''passiven Bauelementen,'' wenn primär Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten gemeint sind. Unter den ''aktiven Bauelementen'' werden meist alle Arten von integrierten Schaltungen, Halbleiterbauelementen und Elektronenröhren verstanden. |
|||
Durch die exakt berechnete Zuordnung der [[Logik|logisch]] miteinander arbeitenden [[Liste elektronischer Bauteile|elektronischen Bauteile]] auf einer [[Leiterplatte|Platine]] entsteht ein elektronischer Schaltkreis. |
|||
Ein selbständig und logisch arbeitender [[Mikroprozessor|Rechnen-Operator-Chip]] ist der moderne [[Mikroprozessor|Prozessor]], der nicht nur auf dem [[Hauptplatine|Mainboard]] eines Computers zu finden ist, sondern ein Bestandteil moderner [[Maschinenbau|Industrie-]] und [[Fahrzeugtechnik]] ist. |
|||
== Entwurf von Leiterplatten und integrierter Schaltkreise == |
|||
{{Hauptartikel|Electronic Design Automation|Leiterplatte|Integrierter Schaltkreis}} |
|||
[[Datei:Lp3b.png|mini|CAD-Leiterplattenentwurf]] |
|||
„Entwurfsautomatisierung elektronischer Systeme“ ist die deutsche Bezeichnung rechnergestützter Hilfsmittel für den Entwurf von elektronischen Systemen, insbesondere der [[Mikroelektronik]]. Im Englischen wird dies „Electronic Design Automation“ genannt (abgekürzt EDA). EDA wird zumeist als Teilgebiet des ''[[computer-aided design]]'' (CAD) bzw. des ''[[computer-aided engineering]]'' (CAE) verstanden. Alternativ wird anstelle von EDA auch von ECAD (''electronic CAD'') gesprochen. |
|||
== Analogtechnik == |
|||
{{Hauptartikel|Analogtechnik}} |
|||
Die [[Analogtechnik]] beschäftigt sich vor allem mit der Verarbeitung von stetigen Signalen. Man nutzt dabei die physikalischen Gesetze aus, die das Verhalten der Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren, Transistoren, Röhren usw.) beschreiben. |
|||
Grundschaltungen sind zum Beispiel [[Stromquelle]]n, [[Stromspiegel]], [[Differenzverstärker]], [[Kaskadierung|Kaskaden]] oder die [[Bandabstandsreferenz]]. Es lassen sich z. B. [[Verstärker (Elektrotechnik)|Verstärker]], [[Operationsverstärker]], [[Oszillator]]en, [[Filter (Elektrotechnik)|Filter]] usw. aufbauen. Mit Operationsverstärker-Schaltungen lassen sich mathematische Operationen ausführen (zum Beispiel [[Subtraktion]], [[Addition]], [[Integralrechnung|Integration]], [[Differentiation]]) oder strenge [[Frequenzfilter]] bauen. Auch [[Diskriminator]]en sind der Analogtechnik zuzuordnen. |
|||
Früher löste man [[Differentialgleichung]]en mit [[Analogrechner]]n. |
|||
Die Analogtechnik bildet prinzipiell die Grundlage der [[#Digitaltechnik|Digitaltechnik]]. Diese ersetzt zunehmend die Analoge Signalverarbeitung, da sie weniger benachteiligt ist durch Bauteiltoleranzen und Signalstörungen. |
|||
== Digitaltechnik == |
|||
{{Hauptartikel|Digitaltechnik}} |
|||
[[Datei:Flipflop Impulsdiagramm.svg|mini|[[Flipflop]] Impulsdiagramm]] |
|||
Die Digitaltechnik beschäftigt sich mit der Verarbeitung von diskreten Signalen (ausgedrückt als Zahlen oder logische Werte). Die [[Diskretisierung]] betrifft dabei immer den Wertebereich und oft auch zusätzlich das zeitliche Verhalten. In der Praxis beschränkt man sich auf zweiwertige Systeme, d. h.: Spannungen oder Ströme sollen – abgesehen von Übergangsvorgängen – nur zwei Werte annehmen (an/aus, 1 oder 0, auch ''high/low,'' kurz H/L). Die Änderung der Werte kann bei zeitdiskreten Systemen nur zu bestimmten, meist äquidistanten Zeitpunkten stattfinden, die ein Takt vorgibt. [[Analog-Digital-Umsetzer]] setzen analoge Signale in [[Digitalsignal]]e um. Transistoren werden in der Digitaltechnik als [[Schaltverstärker]], zur Signalverknüpfung und als Speicherzelle eingesetzt. |
|||
Die Digitalisierung der Analogsignalverarbeitung (DSP) geht auf Kosten des Bauteilaufwandes. Ist z. B. eine analoge Schaltung mit einem Fehler von 0,1 % behaftet, so kann dieser Fehler ab ca. 10 [[Bit]] Datenbreite von digitalen Schaltungen unterboten werden (2<sup>10</sup> = 1024). Ein analoger Multiplizierer benötigt etwa zwanzig Transistoren, ein digitaler Multiplizierer mit derselben Genauigkeit mehr als die zwanzigfache Anzahl. Der Aufwand wächst durch die Digitalisierung also zunächst an, was aber durch die immer weiter vorangetriebene Miniaturisierung mehr als kompensiert wird. Auf einem [[Integrierter Schaltkreis|integrierten Schaltkreis]] kann eine sehr große Menge von Transistoren realisiert werden (zum Beispiel 10 Millionen). Deren Parameter dürfen jedoch ohne Funktionsverlust in erheblichem Maße variieren, wodurch wiederum der Kosten- und Flächen-Aufwand sinkt. Die Eigenschaften der Schaltung werden also weitgehend von den physikalischen Eigenschaften der Bauelemente entkoppelt. |
|||
Die vereinfachte Beschreibung digitaler Schaltungen mit den zwei Zuständen H und L reicht vor allem bei immer höheren Geschwindigkeiten und Frequenzen nicht immer aus, um sie zu charakterisieren oder zu entwerfen. Im Grenzfall befindet sich die Schaltung den überwiegenden Teil der Zeit im Übergang zwischen den beiden logisch definierten Zuständen. Daher müssen in solchen Fällen oft zunehmend analoge und [[Hochfrequenztechnik |hochfrequenztechnische]] Aspekte berücksichtigt werden. Auch die [[Metastabilität (digitale Schaltung)|Metastabilität]] von [[Flipflop]]s kann zu [[Jitter]] und Ungenauigkeiten führen. |
|||
'''Logikschaltungen''' |
|||
Digitale Schaltungen – auch [[Schaltsystem (Technische Informatik)|Schaltsysteme]] oder [[Digitaltechnik|logische Schaltungen]] genannt – bestehen hauptsächlich aus [[Logikgatter]]n, wie [[Und-Gatter|AND-]], [[NAND-Gatter|NAND-]], [[NOR-Gatter|NOR-]], [[Oder-Gatter|OR-]] oder [[Nicht-Gatter|NOT]]-Gattern und Speichern, z. B. [[Flipflop]]s oder [[Digitale Messtechnik#Zähler|Zählern]]. Durch die Realisierung dieser Schaltungen in einem [[Integrierter Schaltkreis|Integrierten Schaltkreis]] (monolithische Schaltung) entstehen einfache und immer komplexere Bausteine wie beispielsweise [[Mikroprozessor]]en und [[Field Programmable Gate Array|FPGA]]. |
|||
== Hochfrequenztechnik == |
|||
Die [[Hochfrequenztechnik]] beschäftigt sich vorwiegend mit der Erzeugung und der Ausstrahlung sowie dem Empfang und der Verarbeitung von elektromagnetischen Wellen. Beispiele sind die [[Funktechnik]] ([[Rundfunk]], [[Fernsehen]], [[Radar]], [[Fernsteuerung]], Funktelefone, [[Satellitennavigation]], [[Mikrowellentechnik]]), aber auch die Vermeidung unerwünschter Schwingungen (Störung, [[Elektromagnetische Verträglichkeit|EMV]]) und unkontrollierter Abstrahlung ([[Abschirmung (Elektrotechnik)|Abschirmung]]). |
|||
Die Hochfrequenztechnik ist auch zum Entwurf digitaler Schaltungen zunehmend nötig, da die [[Taktsignal |Taktfrequenzen]] im Gigahertz-Bereich liegen. Die [[Dispersion (Physik)|Dispersion]] bei der Signalausbreitung auf Leitungen und als Funkwelle stört zunehmend. Bauelemente und Leitungen zeigen bei [[Hochfrequenz]] zunehmend unerwünschte parasitäre Effekte (Eigenkapazität von Induktivitäten, Leitungen und Anschlüssen, Eigeninduktivität von Kondensatoren, Leitungen und Anschlüssen), wodurch die mathematische Modellierung ([[Schaltungssimulation]]) und der [[Electronic Design Automation|Schaltkreis- und Leiterplattenentwurf]] erschwert sind.<!--auskommentiert. see talk-- Der Übergang von der [[Niederfrequenz]]- zur Hochfrequenztechnik ist fließend. Er beginnt etwa dann, wenn die Frequenz f der elektromagnetischen Welle auf einer Verbindungsleitung der Länge L ein Produkt fL bildet, das zu einer merklichen Phasendrehung βL = 2π L/λ und somit zu stehenden Wellen führt. Dabei ist λ = λ<sub>0</sub>/(ε<sub>r eff</sub>)<sup>1/2</sup> die Wellenlänge auf der Leitung, λ<sub>0</sub> = c/f die Wellenlänge im freien Raum und c die Vakuumlichtgeschwindigkeit. Die Größe ε<sub>r eff</sub> errechnet sich im einfachsten Fall, je nach Feldverteilung, aus einer Gewichtung der verschiedenen Permittivitätswerte ε<sub>r</sub> in der Leitung. Selbst verlustlose Leitungen können daher nur für kleine Phasendrehung βL ≪ 1 (entspricht ca. 57,3°) vernachlässigt werden, also nur für fL ≪ c/[2π (ε<sub>r eff</sub>)<sup>1/2</sup>]. Bei einer elektronischen Schaltung mit Kabeln von L ≥ 3 m und ε<sub>r eff</sub> = ε<sub>r</sub> = 2,3 muss für βL < 5° dann etwa f < 1 MHz. bleiben. Die praktische Hochfrequenzelektronik beginnt somit etwa ab f = 1 MHz, sie ist eine tragende Säule der Informationstechnik. |
|||
Selbst im einfachsten Fall benötigt man zwei Angaben zur Beschreibung einer Leitung: |
|||
# Phasenlaufzeit τ<sub>ph</sub> = (ε<sub>r eff</sub>)<sup>1/2</sup> L/c |
|||
# Wellenwiderstand Z<sub>0</sub> |
|||
Dabei lassen sich Z<sub>0</sub> und ε<sub>r eff</sub> in einem quasistatischen Modell auf Platinen bis in den unteren GHz-Bereich noch aus der Leitungskapazität und Leitungsinduktivität pro Längeneinheit berechnen. Ab einigen Gigahertz verfeinert man die Näherung, indem aus den Maxwellschen Gleichungen, aus den Feldern und dem sog. Eigenwert β mit β = (ε<sub>r eff</sub>)<sup>1/2</sup> 2π/λ<sub>0</sub> verbesserte, frequenzabhängige Werte ε<sub>r eff</sub>(f) und Z<sub>0</sub>(f) ermittelt werden. Ab einigen 10 GHz sind die Maxwellschen Gleichungen vollnumerisch zu lösen, die Wellen breiten sich im Zick-Zack aus, und es tritt völlig analog zu [[Lichtwellenleiter]]n der Multimodebetrieb auf, etwa dann, wenn sich zusätzlich auch in transversaler Richtung stehende Wellen ausbilden können. Das gilt für ''jede'' Leitung, genauer, für jede Struktur bis hin zu Leitungsabzweigungen, Anschlussflächen für Bauelemente und für die Struktur der Bauelemente. |
|||
Die Bauelemente R, L und C verlieren selbst in SMD-Bauform schon ab ca. 0,1 GHz ihre idealen Eigenschaften U = RI, U = L dI/dt und I = C dU/dt zwischen Strom I und Spannung U. Ein Widerstand z. B. ist mit steigender Frequenz stets durch kapazitive und bei Stromfluss durch induktive Effekte gekennzeichnet. Elektronische Bauelemente misst man daher zuvor in einer Ersatzumgebung mit 50-Ω-Anschlusskabeln (NWA = Netzwerkanalysator), wobei der Aufbau des Elementes später in der wirklichen Schaltung genau nachgebildet werden muss. Die auf den Anschlussleitungen hinlaufenden, am Messobjekt reflektierten und durch das Objekt transmittierten Wellen stehen bei den passiven Elementen und bei nichtlinearen Elementen (z. B. Transistoren) mit nur kleiner Aussteuerung in einem linearen Zusammenhang: Bei einer 2-Tor-Messung liefert ein NWA dann für jede Frequenz eine 2×2-Streumatrix (s-Parameter),<ref>Timmermann: ''Hochfrequenzelektronik mit CAD, Band 1.'' (Lit.), S. 70 ff.</ref> die bei nichtlinearen Elementen noch vom Arbeitspunkt abhängt und das Strom-Spannungs-Verhalten selbst für f > 50 GHz realitätsnah beschreibt. Diese Daten spiegelt man dann in ein CAD-System ein, das die Kirchhoffschen Gesetze anwendet, um alle U und I zu ermitteln. Die Elemente L bzw. C lassen sich dabei für hohe Frequenzen durch eine Leitung mit βL ≪ 1 und Kurzschluss bzw. Leerlauf am Ende nachbilden und ein Widerstand R durch eine verlustbehaftete Leitung realisieren, in die eine Welle hineinläuft und wie in einem Sumpf versickert. |
|||
Gewisse Bauelemente und Strukturen können aber auch als fertige Modelle aus einem CAD-System übernommen werden, sofern den Modellen vertraut wird, was einer erheblichen Gewissensfrage gleichkommt, denn die gesamte Analyse steht und fällt mit den Modellen. Neben fertigen Modellen und NWA-Messungen kann bei passiven Strukturen durch die vollnumerische Lösung der Maxwellschen Gleichungen sozusagen eine „Software-Messung“ der s-Parameter vorgenommen werden. Um die dabei dramatisch ansteigende Rechenzeit in Grenzen zu halten, greift man in einer Struktur dafür nur die kritischsten Bereiche heraus: Anschlussflächen, Kreuze, Stecker, Antennen, Abzweigungen etc. |
|||
Bei Großsignalaussteuerung nichtlinearer Elemente kann bis zu einigen Gigahertz die aus der allgemeinen Elektronik bekannte Modellierung nach SPICE versucht werden. Dabei sind die SPICE-Parameter, die die physikalischen Gleichungen der Modelle „biegsam“ gestalten, so zu wählen, dass die s-Parameter von SPICE-Modell und NWA-Messung bei allen Arbeitspunkten und allen Frequenzen so gut wie möglich übereinstimmen: Bei nur 10 Testarbeitspunkten und 50 Frequenzpunkten mit je 4 s-Parametern ergäben sich bereits 2000 zu prüfende komplexe s-Parameterwerte. Der Aufwand ist enorm und die Modellierung extrem schwierig, selbst für einen einzigen Arbeitspunkt.<ref>Timmermann: ''Hochfrequenzelektronik mit CAD, Band 2.'' (Lit.), S. 100 ff.</ref> |
|||
Das Rauschen elektronischer Schaltungen ist schon bei mittleren Frequenzen nicht mehr gut durch SPICE-Modelle beschreibbar. Daher misst man analog zur NWA-Messung das Rauschverhalten in einer Ersatzumgebung (Rauschmessplatz). Mit den gewonnenen Rauschparametern (min. Rauschzahl bei optimaler Generatorimpedanz zuzüglich einem äquivalenten Rauschwiderstand) lässt sich im CAD-System umrechnen,<ref>Timmermann: ''Hochfrequenzelektronik mit CAD, Band 2.'' (Lit.), S. 150 und S. 12–30.</ref> wie das Bauelement in der tatsächlichen Schaltung rauscht. Ein Rauschmessplatz ist sehr komplex und erfordert a priori einen NWA. |
|||
Ohne die CAD-Systeme ist die Auswertung der vielen Gleichungen unmöglich. Eine sinnvolle Nutzung erfordert darüber hinaus aber tiefe Kenntnisse zu den programmierten Theorien und verwendeten Modellen.--> |
|||
== Leistungselektronik == |
|||
Anfang des [[20. Jahrhundert]]s wurden die ersten [[Vakuumröhre]]n entwickelt und in ersten Schaltungen genutzt. Mit der [[Triode]] stand zum ersten Mal ein brauchbares Bauelement zum Aufbau von [[Verstärker]]n zur Verfügung. Dadurch wurden Erfindungen wie [[Rundfunk]], [[Fernsehen]] und [[Radar]] möglich. Im Jahr [[1948]] wurde dann der erste [[Transistor]] vorgestellt. Transistoren können wie Röhren als [[Verstärker]], steuerbare [[Schalter]] oder als [[Oszillator]] eingesetzt werden. Jedoch im Gegensatz zu Vakuumröhren, die sehr viel Raum und Strom brauchen, lassen sich Transistoren sehr klein fertigen, denn sie basieren auf [[Halbleiter|Halbleitertechnologie]]. In den sechziger Jahren gelang dann die Fertigung von kompletten Schaltungen, bestehend aus mehreren Transistoren und weiteren Bauelementen, auf einem einzigen [[Silizium]]kristall. Die dadurch eingeleitete Technik der [[Integrierter Schaltkreis|Integrierten Schaltkreise]] ([[IC]]) hat seitdem zu einer stetigen [[Miniaturisierung]] geführt. |
|||
{{Hauptartikel|Leistungselektronik}} |
|||
[[Leistungselektronik]] bezeichnet das Teilgebiet der [[Elektrotechnik]], das die Umformung [[Elektrische Energie|elektrischer Energie]] mit elektronischen Bauelementen zur Aufgabe hat. Die Umformung elektrischer Energie mit Transformatoren oder mit rotierenden Maschinensätzen wird dahingegen nicht zur Leistungselektronik gerechnet. |
|||
== Mikro- und Nanoelektronik == |
|||
== Analogelektronik == |
|||
{{Hauptartikel|Mikroelektronik|Nanoelektronik}} |
|||
Die Analogelektronik beschäftigt sich vor allem mit der Manipulation von kontinuierlichen Signalen. Die wichtigste Schaltung der Analogtechnik ist der [[Verstärker]], mit dessen Hilfe sich weitere Funktionen aufbauen lassen (Oszillator, Filter, etc.). Der [[Operationsverstärker]] ist ein universelles Bauelement mit einem differenziellen Eingang. Sein Name rührt daher, dass mit ihm mathematische Operationen (Subtraktion, Addition, Multiplikation, etc.) ausgeführt werden können. Operationsverstärker finden in der Analogelektronik breite Anwendung. Der Genauigkeit der Signalverarbeitung sind in der Analogelektronik durch störende Effekte wie Rauschen oder Nichtlinearitäten Grenzen gesetzt. |
|||
[[Datei:80486dx2-large.jpg|mini|[[Integrierter Schaltkreis]]: [[Mikroprozessor]] aus dem Jahre 1989 mit mehr als 1 Million Transistoren, Strukturbreite um 1 µm (unverschlossenes Keramikgehäuse)]] |
|||
Die [[Mikroelektronik]] beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung [[integrierter Schaltkreis]]e mit Strukturgrößen bzw. Strukturbreiten typisch unter 100 [[Meter #Mikrometer|Mikrometern]]. Oft wird die 100-[[Nanometer]]-Grenze unterschritten, hier spricht man teilweise von [[Nanoelektronik]].<!--TF entfernt, das ist Spekulation, niemand weiß derzeit, dass das nicht geht-- Eine siliziumbasierte Pikoelektronik (< 100 [[Meter|Pikometer]]) wird nie realisiert, da z. B. bei einer Strukturbreite von 5 nm nur noch etwa 20–25 Siliziumatome (in <nowiki>[[110]]</nowiki> der [[Diamantstruktur]]) miteinander verbunden sind.--> |
|||
Die kleinsten Strukturbreiten bei integrierten Schaltkreisen in Serienproduktion lagen 2018 bei 7 nm, siehe [[Apple A12 Bionic]], und 2020 bei 5 nm, siehe [[Apple A14 Bionic]].<ref>{{Internetquelle |autor=Hannes Brecher |url=https://www.notebookcheck.com/TSMC-beginnt-mit-der-Produktion-von-5-nm-Chips-Snapdragon-875-X60-5G-Modem-Apple-A14-AMD-GPUs.477135.0.html |titel=TSMC beginnt mit der Produktion von 5 nm-Chips |werk=notebookcheck.com |datum=2020-06-20 |abruf=2020-06-23}}</ref> |
|||
== Digitalelektronik == |
|||
== Bedeutung in der Gesellschaft == |
|||
Die Digitalelektronik beschäftigt sich mit der Verarbeitung von diskreten Signalen (ausgedrückt als Zahlen oder logische Werte). Bei der Digitalelektronik werden die Signale entweder vor der Verarbeitung mit Hilfe von Analog-Digital-Wandlern digitalisiert (in Zahlen umgewandelt) oder existieren bereits als digitale Signale. Transistoren werden in der Digitaltechnik in der Regel als Schalter und nicht als Verstärker eingesetzt. Der große Vorteil der Digitalelektronik liegt in der Tatsache, dass im Anschluss an die Digitalisierung die bei der Analogelektronik erwähnten störenden Effekte keine Rolle mehr spielen. Bei der Signalverarbeitung können sich z. B. die [[Elektrische Spannung|Spannungspegel]] in bestimmten, vorgegebenen Bereichen ändern, ohne das entsprechende digitale Signal zu verändern. Die Digitaltechnik hat vor allem durch die immer weiter vorangetriebene Miniaturisierung weite Verbreitung erlangt. Heute lassen sich auf einem [[integrierter Schaltkreis|integrierten Schaltkreis]] eine Vielzahl von Funktionen realisieren. Siehe auch [[Digitaltechnik]]. |
|||
Die Elektronik, ihre Miniaturisierung und ständig erweiterte Funktionalität hat einen zunehmenden Einfluss auf das gesellschaftliche Leben und die Warenproduktion. Sie ermöglichte unter anderem die Entwicklung des Computers zum [[personal Computer|Heimgerät]] oder des [[Mobiltelefon|Funktelefons]] zu einer Kommunikationsplattform. Die Elektronik führte zu einer großen Effizienz- und Qualitätssteigerung der industriellen Fertigung, der landwirtschaftlichen Produktion sowie der [[Medizintechnik]]. Ingenieurleistungen wie Entwicklung, Planung, Entwurf, Projektierung und Konstruktion sind ohne [[elektronische Datenverarbeitung]] kaum mehr möglich. |
|||
== Kommerzielle Elektronikfertigung == |
|||
== Hochfrequenzelektronik == |
|||
Im Jahr 2007 kamen 38 % aller weltweit hergestellten Elektronikprodukte aus der Asien-Pazifik-Region. 1995 lag dieser Anteil noch bei 20 %. Allein [[Volksrepublik China|China]] erhöhte seinen Anteil von 3 % 1995 auf 16 % 2007. Unter den Top-10-Ländern befinden sich auch [[Südkorea]], [[Malaysia]], [[Singapur]] und [[Thailand]]. Der Anteil von [[Westeuropa]] lag 2007 bei 19 % der globalen Produktion (entspricht ca. 192 Milliarden Euro). Für die Leistungsreihenfolge der Größe der Elektronikfertigung in Westeuropa gilt folgende Rangliste (Stand: 2006): Deutschland, [[Frankreich]], [[Vereinigtes Königreich|Großbritannien]], [[Irland]], [[Italien]].<ref>Yearbook of World Elektronik Data von Reed Electronics Research, Juni 2006.</ref> |
|||
== Elektronik und Elektrotechnik als Beruf == |
|||
Die Hochfrequenzelektronik beschäftigt sich vorwiegend mit der Erzeugung bzw. dem Empfang von Funksignalen. Anwendungen davon sind z. B. [[Rundfunk]], [[Fernsehen]], [[Radar]], [[Fernsteuerung]], drahtlose Telefonie, Navigation. Weitere Bereiche der Hochfrequenzelektronik sind [[Mikrowelle]]ntechnik, kabelgebundene Informationsübertragung oder Bereiche der Medizinelektronik. Der Übergang von der Analogelektronik zur Hochfrequenzelektronik ist fließend, traditionell spricht man ab Frequenzen von etwa 3MHz von Hochfrequenz. |
|||
=== Ausbildungsberufe === |
|||
== Bauelemente== |
|||
{{Hauptartikel|Liste der Ausbildungsberufe in der Elektrotechnik}} |
|||
=== Fortbildung === |
|||
Wichtige Bauelemente sind: |
|||
{{Deutschlandlastig}} |
|||
[[Diode]], [[Transistor]], [[Widerstand_(Bauelement)|Widerstand]], [[Kondensator_(Elektrotechnik)|Kondensator]], [[Spule_(Elektrotechnik)|Spule]] |
|||
Eine Fortbildung zum Elektromeister findet an einer [[Meisterschule (Deutschland)|Meisterschule]] statt und dauert ein Jahr Vollzeit bzw. zwei Jahre berufsbegleitend. |
|||
Eine Fortbildung zum Elektrotechniker kann an einer [[Technikerschule]] in vier Semestern Vollzeit bzw. acht Semestern berufsbegleitend absolviert werden. |
|||
Diese Bauelemente werden in einer großen Typenvielfalt angeboten. Darüber hinaus gibt es eine große Vielfalt an anderen Bauelementen, siehe dazu die [[Liste elektronischer Bauteile]]. In [[Integrierter_Schaltkreis|integrierten Schaltkreisen]] sind mehrere dieser Bauelemente auf einem Plättchen aus Halbleitermaterial zu einer Schaltung vereinigt. |
|||
=== Studienfach === |
|||
== Weiterführende Angaben == |
|||
Elektronik wird an vielen [[Universität]]en, [[Fachhochschule]]n und [[Duale Hochschule|Dualen Hochschulen]] als Studiengang angeboten. An Universitäten wird während des Studiums die wissenschaftliche Arbeit betont, an Fachhochschulen und Berufsakademien steht die Anwendung physikalischer Kenntnisse im Vordergrund. |
|||
=== Siehe auch === |
|||
== Siehe auch == |
|||
[[Liste elektronischer Bauteile]], [[Digitaltechnik]], [[:Kategorie:Elektronik]] |
|||
* {{Portal|Elektrotechnik}} |
|||
* {{Portal|Mikroelektronik}} |
|||
== Literatur == |
|||
* Karsten Block, Hans J. Hölzel, Günter Weigt: ''Bauelemente der Elektronik und ihre Grundschaltungen.'' Stam-Verlag, ISBN 3-8237-0214-9. |
|||
* Stefan Goßner: ''Grundlagen der Elektronik.'' 11. Auflage. [[Shaker Verlag]], Aachen 2019, ISBN 978-3-8440-6784-2 |
|||
* Ekbert Hering, Klaus Bressler, Jürgen Gutekunst: ''Elektronik für Ingenieure.'' Springer, Berlin 2001, ISBN 3-540-41738-9. |
|||
* P. Horowitz, W. Hill: ''Die hohe Schule der Elektronik.'' Band 1 ''Analogtechnik.'' Elektor-Verlag, ISBN 978-3-89576-024-2. |
|||
* P. Horowitz, W. Hill: ''Die hohe Schule der Elektronik.'' Band 2 ''Digitaltechnik.'' Elektor-Verlag, ISBN 978-3-89576-025-9. |
|||
* P. Horowitz, W. Hill: ''The Art of Electronics''. Third Edition. Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-80926-9. |
|||
* K. Küpfmüller, G. Kohn: ''Theoretische Elektrotechnik und Elektronik, eine Einführung.'' 16., vollst. neu bearb. u. aktualisierte Auflage. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-20792-9. |
|||
* Patrick Schnabel: ''Elektronik-Fibel.'' 4. vollständig überarbeitete Auflage. BoD, Norderstedt 2006, ISBN 3-8311-4590-3. |
|||
* U. Tietze, C. Schenk: ''Halbleiter-Schaltungstechnik.'' Springer, Berlin, ISBN 3-540-42849-6. |
|||
* [[Claus-Christian Timmermann]]: ''Hochfrequenzelektronik mit CAD, Band 1. Leitungen, Vierpole, Transistormodelle und Simulation mit numerischen und symbolischen CAD/CAE-Systemen.'' PROFUND Verlag, 2003, ISBN 3-932651-21-9. |
|||
* Claus-Christian Timmermann: '' Hochfrequenzelektronik mit CAD, Band 2. Rauschen, Schmal- und Breitbandverstärker, Oszillatoren, Koppler, Filter, PLL, Antennen- und Optoelektronik.'' PROFUND Verlag, 2005, ISBN 3-932651-22-7. |
|||
== Weblinks == |
|||
*[http://www.elektronik-kompendium.de Elektronik Kompendium] |
|||
{{Commonscat|Electronics|Elektronik}} |
|||
<!-- BITTE KEINE B A S T E L -LINKS EINFÜGEN, enzyklopädisch relevante Bastellinks gehören in den Artikel [[Elektronikbasteln]] --> |
|||
<!-- BITTE KEINE I N D U S T R I E -LINKS EINFÜGEN, enzyklopädisch relevante Industrie/News -Links (wie elektroniknet oder elektronikbranche) gehören in den Artikel [[Elektronikindustrie]] --> |
|||
{{Wiktionary|Elektronik}} |
|||
=== Literatur === |
|||
* {{DNB-Portal|4014346-6|TEXT=Literatur über}} |
|||
* [http://www.prof-gossner.de/Frameset1.html Lehrbuch Elektronik, Prof. S. Gossner] |
|||
* [http://www.ieap.uni-kiel.de/plasma/ag-piel/elektronik/index.html Elektronik für Physiker, Uni Kiel] |
|||
* [http://www.elektronik-kompendium.de/ Das ELektronik-KOmpendium (das ELKO)] (Grundkurse, Minikurse, Bauteile, Schaltungstechnik, Digitaltechnik, Lehrmaterial) |
|||
== Einzelnachweise == |
|||
* Tietze, U., Schenk, C.: Halbleiter-Schaltungstechnik, ISBN 3-540-42849-6 |
|||
<references /> |
|||
{{Normdaten|TYP=s|GND=4014346-6|LCCN=sh85042383|NDL=00561449}} |
|||
[[Kategorie:Elektrotechnik]] |
|||
[[Kategorie:Elektronik| ]] |
|||
[[ca:Electrònica]] |
|||
[[ |
[[Kategorie:Kofferwort]] |
||
[[en:Electronics]] |
|||
[[eo:Elektrotekniko kaj Elektroniko]] |
|||
[[es:Electrónica]] |
|||
[[et:Elektroonika]] |
|||
[[fi:Elektroniikka]] |
|||
[[fr:Électronique]] |
|||
[[fy:Elektroanika]] |
|||
[[he:אלקטרוניקה]] |
|||
[[id:Elektronika]] |
|||
[[ja:電子工学]] |
|||
[[la:Electronica]] |
|||
[[nds:Elektronik]] |
|||
[[nl:Elektronica]] |
|||
[[no:Elektronikk]] |
|||
[[pl:Elektronika]] |
|||
[[simple:Electronics]] |
|||
[[sv:Elektronik]] |
|||
[[zh-cn:电子学]] |
|||
[[zh-tw:电子学]] |
|||
Aktuelle Version vom 22. Juni 2025, 10:58 Uhr
Die Elektronik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik. Sie ist die Wissenschaft und Technik von der Steuerung des elektrischen Stromes durch elektronische Schaltungen – das sind Schaltungen, in denen mindestens ein aktives Bauelement (zum Beispiel eine Vakuumröhre oder ein Halbleiter-Bauelement) arbeitet.
Aktive elektronische Bauelemente verhalten sich prinzipiell hinsichtlich ihrer Kennlinie nichtlinear, während sich passive elektrische und elektronische Bauelemente meist eher linear verhalten. Elektronik befasst sich auch mit dem Entwurf, der Konstruktion und dem Funktionsprinzip elektronischer Bauelemente. Die Mikroelektronik umfasst integrierte Schaltkreise, deren Strukturgrößen im Mikrometer- und Nanometerbereich liegt und die zunehmend diskret (das heißt, aus einzelnen aktiven und passiven Elementen) aufgebaute elektronische Schaltungen ablösen. Dessen ungeachtet findet eine zunehmende Miniaturisierung der Bauteile und Baugruppen statt.
Elektronik erzeugt und verarbeitet elektrische Signale (Informationsverarbeitung, Signalverstärkung und -konditionierung, früher als Schwachstromtechnik bezeichnet). Leistungselektronik wandelt elektrische Energie hinsichtlich ihre Spannung, ihres Stromes oder ihrer Schwingungsform und -frequenz.
Die Elektronik verwendet vorrangig Transistoren, Dioden sowie passive Bauelemente wie Kondensatoren und Widerstände.
Elektronische Schaltungen werden meist auf Leiterplatten aufgebaut (Leiterplattenbestückung) und zu elektronischen Baugruppen, Geräten und Apparaten zusammengebaut.
Die Optoelektronik ist ein Teilgebiet der Elektronik und erzeugt, verwendet und detektiert Licht im Zusammenhang mit der Funktion einer elektronischen Schaltung.
Wortbildung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Der Begriff Elektronik leitet sich von dem griechischen Wort elektron (ἤλεκτρον) ab, das Bernstein bedeutet. Elektronik ist ein Kofferwort, das aus den Begriffen Elektron (dem Elementarteilchen) und Technik zusammengefügt wurde. Die Elektronik ist sozusagen die Elektronen-Technik.
Geschichte
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]1873 entdeckte Willoughby Smith, dass Selen in der Lage ist, bei Licht zu leiten (Photoeffekt).[1] Auf diese Erkenntnis hin entdeckte Karl Ferdinand Braun 1874 den Gleichrichtereffekt. Stoney und Helmholtz prägten den Begriff des Elektrons als Träger des elektrischen Stroms. 1883 erhielt Thomas Alva Edison ein Patent auf einen Gleichspannungsregler, der auf der Glühemission (dem Edison-Richardson-Effekt) beruhte, einer Voraussetzung für alle Vakuumröhren. 1897 begann die Entwicklung der Braunschen Röhre durch Karl Ferdinand Braun. Im Jahre 1899 begann daraufhin die Entwicklung der Spitzendiode. 1904 erlangte John Ambrose Fleming ein Patent auf eine Vakuumdiode.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war die Entwicklung von Elektronenröhren bereits fortgeschritten. Die ersten Elektronenröhren wurden entwickelt und bereits in elektrischen Schaltungen genutzt. Mit der Triode stand zum ersten Mal ein brauchbares Bauelement zum Aufbau von Verstärkern zur Verfügung. Dadurch wurden Erfindungen wie Rundfunk, Fernsehen und Radar möglich.
Im Jahr 1948 wurde der erste Transistor vorgestellt. Transistoren können wie Röhren als Verstärker, elektronische Schalter oder als Oszillator eingesetzt werden. Jedoch lassen sich Transistoren im Gegensatz zu Vakuumröhren, die sehr viel Raum und elektrische Leistung brauchen, sehr klein fertigen, denn sie basieren auf Halbleitertechnik, wodurch sehr viel höhere Stromdichten möglich sind.
In den 1960er Jahren gelang die Fertigung von kompletten, aus mehreren Transistoren und weiteren Bauelementen bestehenden Schaltungen auf einem einzigen Siliziumkristall. Die dadurch eingeleitete Technik der integrierten Schaltkreise (kurz IC von engl. integrated circuit) hat seitdem zu einer stetigen Miniaturisierung geführt. Heute ist die Halbleiterelektronik der wichtigste Zweig der Elektronik.
Als Schlüsseltechnologie für die Zukunft wird zuweilen die Polytronik gesehen. Sie bezeichnet die Zusammenführung kunststoffbasierter Systemfunktionen zu der Vision „intelligentes Plastik“.
Bauelemente
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Zu den wichtigen Bauelementen zählen Widerstand, Kondensator, Transistor, Diode, Spule und die Integrierte Schaltung (kurz IC). Alle diese Bauelemente werden in einer großen Typenvielfalt angeboten.[2] Eine Bauteil-variante ist die SMD-Bauelemente, die durch ihre meistens sehr kompakte Bauform, direkt an der Oberfläche der Leiterplatte angelötet werden.
Man spricht von passiven Bauelementen, wenn primär Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten gemeint sind. Unter den aktiven Bauelementen werden meist alle Arten von integrierten Schaltungen, Halbleiterbauelementen und Elektronenröhren verstanden.
Durch die exakt berechnete Zuordnung der logisch miteinander arbeitenden elektronischen Bauteile auf einer Platine entsteht ein elektronischer Schaltkreis.
Ein selbständig und logisch arbeitender Rechnen-Operator-Chip ist der moderne Prozessor, der nicht nur auf dem Mainboard eines Computers zu finden ist, sondern ein Bestandteil moderner Industrie- und Fahrzeugtechnik ist.
Entwurf von Leiterplatten und integrierter Schaltkreise
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
„Entwurfsautomatisierung elektronischer Systeme“ ist die deutsche Bezeichnung rechnergestützter Hilfsmittel für den Entwurf von elektronischen Systemen, insbesondere der Mikroelektronik. Im Englischen wird dies „Electronic Design Automation“ genannt (abgekürzt EDA). EDA wird zumeist als Teilgebiet des computer-aided design (CAD) bzw. des computer-aided engineering (CAE) verstanden. Alternativ wird anstelle von EDA auch von ECAD (electronic CAD) gesprochen.
Analogtechnik
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Analogtechnik beschäftigt sich vor allem mit der Verarbeitung von stetigen Signalen. Man nutzt dabei die physikalischen Gesetze aus, die das Verhalten der Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren, Transistoren, Röhren usw.) beschreiben.
Grundschaltungen sind zum Beispiel Stromquellen, Stromspiegel, Differenzverstärker, Kaskaden oder die Bandabstandsreferenz. Es lassen sich z. B. Verstärker, Operationsverstärker, Oszillatoren, Filter usw. aufbauen. Mit Operationsverstärker-Schaltungen lassen sich mathematische Operationen ausführen (zum Beispiel Subtraktion, Addition, Integration, Differentiation) oder strenge Frequenzfilter bauen. Auch Diskriminatoren sind der Analogtechnik zuzuordnen.
Früher löste man Differentialgleichungen mit Analogrechnern.
Die Analogtechnik bildet prinzipiell die Grundlage der Digitaltechnik. Diese ersetzt zunehmend die Analoge Signalverarbeitung, da sie weniger benachteiligt ist durch Bauteiltoleranzen und Signalstörungen.
Digitaltechnik
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Die Digitaltechnik beschäftigt sich mit der Verarbeitung von diskreten Signalen (ausgedrückt als Zahlen oder logische Werte). Die Diskretisierung betrifft dabei immer den Wertebereich und oft auch zusätzlich das zeitliche Verhalten. In der Praxis beschränkt man sich auf zweiwertige Systeme, d. h.: Spannungen oder Ströme sollen – abgesehen von Übergangsvorgängen – nur zwei Werte annehmen (an/aus, 1 oder 0, auch high/low, kurz H/L). Die Änderung der Werte kann bei zeitdiskreten Systemen nur zu bestimmten, meist äquidistanten Zeitpunkten stattfinden, die ein Takt vorgibt. Analog-Digital-Umsetzer setzen analoge Signale in Digitalsignale um. Transistoren werden in der Digitaltechnik als Schaltverstärker, zur Signalverknüpfung und als Speicherzelle eingesetzt.
Die Digitalisierung der Analogsignalverarbeitung (DSP) geht auf Kosten des Bauteilaufwandes. Ist z. B. eine analoge Schaltung mit einem Fehler von 0,1 % behaftet, so kann dieser Fehler ab ca. 10 Bit Datenbreite von digitalen Schaltungen unterboten werden (210 = 1024). Ein analoger Multiplizierer benötigt etwa zwanzig Transistoren, ein digitaler Multiplizierer mit derselben Genauigkeit mehr als die zwanzigfache Anzahl. Der Aufwand wächst durch die Digitalisierung also zunächst an, was aber durch die immer weiter vorangetriebene Miniaturisierung mehr als kompensiert wird. Auf einem integrierten Schaltkreis kann eine sehr große Menge von Transistoren realisiert werden (zum Beispiel 10 Millionen). Deren Parameter dürfen jedoch ohne Funktionsverlust in erheblichem Maße variieren, wodurch wiederum der Kosten- und Flächen-Aufwand sinkt. Die Eigenschaften der Schaltung werden also weitgehend von den physikalischen Eigenschaften der Bauelemente entkoppelt.
Die vereinfachte Beschreibung digitaler Schaltungen mit den zwei Zuständen H und L reicht vor allem bei immer höheren Geschwindigkeiten und Frequenzen nicht immer aus, um sie zu charakterisieren oder zu entwerfen. Im Grenzfall befindet sich die Schaltung den überwiegenden Teil der Zeit im Übergang zwischen den beiden logisch definierten Zuständen. Daher müssen in solchen Fällen oft zunehmend analoge und hochfrequenztechnische Aspekte berücksichtigt werden. Auch die Metastabilität von Flipflops kann zu Jitter und Ungenauigkeiten führen.
Logikschaltungen
Digitale Schaltungen – auch Schaltsysteme oder logische Schaltungen genannt – bestehen hauptsächlich aus Logikgattern, wie AND-, NAND-, NOR-, OR- oder NOT-Gattern und Speichern, z. B. Flipflops oder Zählern. Durch die Realisierung dieser Schaltungen in einem Integrierten Schaltkreis (monolithische Schaltung) entstehen einfache und immer komplexere Bausteine wie beispielsweise Mikroprozessoren und FPGA.
Hochfrequenztechnik
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Hochfrequenztechnik beschäftigt sich vorwiegend mit der Erzeugung und der Ausstrahlung sowie dem Empfang und der Verarbeitung von elektromagnetischen Wellen. Beispiele sind die Funktechnik (Rundfunk, Fernsehen, Radar, Fernsteuerung, Funktelefone, Satellitennavigation, Mikrowellentechnik), aber auch die Vermeidung unerwünschter Schwingungen (Störung, EMV) und unkontrollierter Abstrahlung (Abschirmung).
Die Hochfrequenztechnik ist auch zum Entwurf digitaler Schaltungen zunehmend nötig, da die Taktfrequenzen im Gigahertz-Bereich liegen. Die Dispersion bei der Signalausbreitung auf Leitungen und als Funkwelle stört zunehmend. Bauelemente und Leitungen zeigen bei Hochfrequenz zunehmend unerwünschte parasitäre Effekte (Eigenkapazität von Induktivitäten, Leitungen und Anschlüssen, Eigeninduktivität von Kondensatoren, Leitungen und Anschlüssen), wodurch die mathematische Modellierung (Schaltungssimulation) und der Schaltkreis- und Leiterplattenentwurf erschwert sind.
Leistungselektronik
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Leistungselektronik bezeichnet das Teilgebiet der Elektrotechnik, das die Umformung elektrischer Energie mit elektronischen Bauelementen zur Aufgabe hat. Die Umformung elektrischer Energie mit Transformatoren oder mit rotierenden Maschinensätzen wird dahingegen nicht zur Leistungselektronik gerechnet.
Mikro- und Nanoelektronik
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Die Mikroelektronik beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung integrierter Schaltkreise mit Strukturgrößen bzw. Strukturbreiten typisch unter 100 Mikrometern. Oft wird die 100-Nanometer-Grenze unterschritten, hier spricht man teilweise von Nanoelektronik.
Die kleinsten Strukturbreiten bei integrierten Schaltkreisen in Serienproduktion lagen 2018 bei 7 nm, siehe Apple A12 Bionic, und 2020 bei 5 nm, siehe Apple A14 Bionic.[3]
Bedeutung in der Gesellschaft
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Elektronik, ihre Miniaturisierung und ständig erweiterte Funktionalität hat einen zunehmenden Einfluss auf das gesellschaftliche Leben und die Warenproduktion. Sie ermöglichte unter anderem die Entwicklung des Computers zum Heimgerät oder des Funktelefons zu einer Kommunikationsplattform. Die Elektronik führte zu einer großen Effizienz- und Qualitätssteigerung der industriellen Fertigung, der landwirtschaftlichen Produktion sowie der Medizintechnik. Ingenieurleistungen wie Entwicklung, Planung, Entwurf, Projektierung und Konstruktion sind ohne elektronische Datenverarbeitung kaum mehr möglich.
Kommerzielle Elektronikfertigung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Im Jahr 2007 kamen 38 % aller weltweit hergestellten Elektronikprodukte aus der Asien-Pazifik-Region. 1995 lag dieser Anteil noch bei 20 %. Allein China erhöhte seinen Anteil von 3 % 1995 auf 16 % 2007. Unter den Top-10-Ländern befinden sich auch Südkorea, Malaysia, Singapur und Thailand. Der Anteil von Westeuropa lag 2007 bei 19 % der globalen Produktion (entspricht ca. 192 Milliarden Euro). Für die Leistungsreihenfolge der Größe der Elektronikfertigung in Westeuropa gilt folgende Rangliste (Stand: 2006): Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien.[4]
Elektronik und Elektrotechnik als Beruf
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Ausbildungsberufe
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Fortbildung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Eine Fortbildung zum Elektromeister findet an einer Meisterschule statt und dauert ein Jahr Vollzeit bzw. zwei Jahre berufsbegleitend.
Eine Fortbildung zum Elektrotechniker kann an einer Technikerschule in vier Semestern Vollzeit bzw. acht Semestern berufsbegleitend absolviert werden.
Studienfach
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Elektronik wird an vielen Universitäten, Fachhochschulen und Dualen Hochschulen als Studiengang angeboten. An Universitäten wird während des Studiums die wissenschaftliche Arbeit betont, an Fachhochschulen und Berufsakademien steht die Anwendung physikalischer Kenntnisse im Vordergrund.
Siehe auch
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Literatur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Karsten Block, Hans J. Hölzel, Günter Weigt: Bauelemente der Elektronik und ihre Grundschaltungen. Stam-Verlag, ISBN 3-8237-0214-9.
- Stefan Goßner: Grundlagen der Elektronik. 11. Auflage. Shaker Verlag, Aachen 2019, ISBN 978-3-8440-6784-2
- Ekbert Hering, Klaus Bressler, Jürgen Gutekunst: Elektronik für Ingenieure. Springer, Berlin 2001, ISBN 3-540-41738-9.
- P. Horowitz, W. Hill: Die hohe Schule der Elektronik. Band 1 Analogtechnik. Elektor-Verlag, ISBN 978-3-89576-024-2.
- P. Horowitz, W. Hill: Die hohe Schule der Elektronik. Band 2 Digitaltechnik. Elektor-Verlag, ISBN 978-3-89576-025-9.
- P. Horowitz, W. Hill: The Art of Electronics. Third Edition. Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-80926-9.
- K. Küpfmüller, G. Kohn: Theoretische Elektrotechnik und Elektronik, eine Einführung. 16., vollst. neu bearb. u. aktualisierte Auflage. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-20792-9.
- Patrick Schnabel: Elektronik-Fibel. 4. vollständig überarbeitete Auflage. BoD, Norderstedt 2006, ISBN 3-8311-4590-3.
- U. Tietze, C. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. Springer, Berlin, ISBN 3-540-42849-6.
- Claus-Christian Timmermann: Hochfrequenzelektronik mit CAD, Band 1. Leitungen, Vierpole, Transistormodelle und Simulation mit numerischen und symbolischen CAD/CAE-Systemen. PROFUND Verlag, 2003, ISBN 3-932651-21-9.
- Claus-Christian Timmermann: Hochfrequenzelektronik mit CAD, Band 2. Rauschen, Schmal- und Breitbandverstärker, Oszillatoren, Koppler, Filter, PLL, Antennen- und Optoelektronik. PROFUND Verlag, 2005, ISBN 3-932651-22-7.
Weblinks
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
- Literatur über Elektronik im Katalog der Deutschen Nationalbibliothek
- Lehrbuch Elektronik, Prof. S. Gossner
- Elektronik für Physiker, Uni Kiel
- Das ELektronik-KOmpendium (das ELKO) (Grundkurse, Minikurse, Bauteile, Schaltungstechnik, Digitaltechnik, Lehrmaterial)
Einzelnachweise
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- ↑ Der Photoeffekt. In: udo-leuschner.de. Abgerufen am 13. Februar 2022.
- ↑ Der FBDi. Abgerufen am 22. Mai 2022.
- ↑ Hannes Brecher: TSMC beginnt mit der Produktion von 5 nm-Chips. In: notebookcheck.com. 20. Juni 2020, abgerufen am 23. Juni 2020.
- ↑ Yearbook of World Elektronik Data von Reed Electronics Research, Juni 2006.