Einführung in die Elektronik

Weitere passive Bauelemente

Ing. Günter E. Wegner · Teil 8

Neben den bisher aufgezeigten elektronischen Bauteilen, gibt es eine Reihe weiterer Elemente über die der Praktiker informiert sein muß und die in diesem Teil der IKZ-HAUSTECHNIK-Serie beschrieben werden.

Bild 1: Schaltbeispiel für eine Verstärkerstufe mit Fotowiderstand.

Fotoelemente

Aufgezeigt wurden bereits die Thermistoren, d.h. Kalt- und Heißleiter als temperaturabhängige Widerstände und solche, deren Größe von der angelegten Spannung abhängt (siehe Teil 6). Es gibt aber auch Widerstände, deren Wert sich bei Lichteinfall verändert. Gemeint ist der Fotowiderstand, der aus bestimmten Halbleiterverbindungen besteht und dessen Leitfähigkeit mit stärker werdender Beleuchtung zunimmt. Lichtstrahlen führen dem Halbleitermaterial Energie zu und setzen dadurch eine größere Anzahl Ladungsträger frei. Die Folge: Der Widerstand nimmt ab. Solche Fotowiderstände haben die Kurzbezeichnung LDR (Light Dependent Resistor). Der Praktiker kennt sie z.B. als Flammenwächter bei Öl-Gebläsebrennern oder als Dämmerungsschalter in der Hausinstallation.

Bild 2: Fotowiderstand in einem lichtgesteuerten Schwellwertschalter.

Der sog. Dunkelwiderstand des LDR beträgt mehrere Mio. Ohm (), der Hellwiderstand bei einer definierten Beleuchtungsstärke liegt bei weniger als 1 . Neben dem sichtbaren Spektrum spricht der LDR auch auf infrarote Strahlung an, so daß er als Sensor für "unsichtbares" Licht dienen kann. Nachteilig für manche Anwendungen ist die Trägheit des Halbleiters: schnelle Lichtänderungen werden nicht getreu in Widerstandsänderungen umgesetzt. Dafür benötigt man Spezial-Fotowiderstände bzw. Hochvakuum-Fotozellen. Auch bei Dioden und Transistoren, selbst bei Thyristoren, wie sie später ausführlich beschrieben werden, kann man den Fotoeffekt ausnutzen. Bei üblichen Halbleiterbauelementen ist das allerdings unerwünscht weil störend, sie sind daher in lichtundurchlässigen Gehäusen untergebracht.

Bild 3: Strompfade innerhalb einer Feldplatte.

Magnetfeldabhängige Bauelemente

Es gibt Halbleiterwerkstoffe, die ihre elektrischen Eigenschaften unter dem Einfluß von Magnetfeldern verändern. Sie ändern unter der Einwirkung eines Magnetflusses ihren Widerstand oder geben eine von der Magnetfelddichte abhängige Spannung ab. Man spricht dann von magnetfeldabhängigen Widerständen - kurz MDR (Magnetical Dependent Resistor) - oder Feldplatten. Im zweiten Fall von Hallgeneratoren, so benannt nach dem amerikanischen Physiker Herbert Hall, der den Effekt um 1890 entdeckte. Feldplatten oder MDRs sind dünne Halbleiterplättchen oder -schichten. Legt man sie an eine elektrische Spannung, fließt ein Strom. Dieser aber teilt sich innerhalb der Feldplatte in einzelne Strompfade auf, von denen jeder wie ein stromdurchflossener Leiter wirkt und um sich herum ein magnetisches Feld aufbaut. Als Folge der abstoßenden Wirkung verteilen sich die einzelnen Strombahnen über die ganze Breite des Plättchens und wirken im Prinzip wie die Parallelschaltung einer großen Anzahl Einzelwiderstände. Läßt man nun senkrecht zur Strombahn ein magnetisches Feld wirken, werden die einzelnen Strompfade aus ihrer Ruhelage abgelenkt wie es bei jedem anderen stromdurchflossenen Leiter auch der Fall ist. Sie drängen sich auf einer Seite des Plättchens zusammen, auf der anderen Seite nimmt ihre Dichte ab. In der Wirkung kommt dies einer Verminderung des wirksamen Querschnitts gleich und damit einer Widerstandszunahme. Durch die ungleichmäßige Verteilung der Strompfade wird das elektrische Gleichgewicht gestört. Zwischen den Kanten der Platte entsteht eine Potentialdifferenz, eine "Hallspannung", wie sie nach ihrem Entdecker genannt wird. Ihre Größe hängt ab von der Magnetfelddichte, der Stärke des hindurchfließenden Stromes und den Abmessungen der Halbleiterplatte. Feldplatten und Hallgeneratoren werden u.a. verwendet zur Magnetfeldmessung, zur indirekten Strommessung in der Stromzange oder bei magnetisch gesteuerten prellfreien Schaltern.

Bild 4: Schema des Hallgenerators.

Bild 5: Aufbau und Schaltung der LED (Siemens).

Opto-elektronische Bauelemente

In opto-elektronischen Bauelementen wird Licht in elektrischen Strom umgewandelt oder umgekehrt. Hierbei unterscheidet man zwischen den lichtempfangenden und den lichtaussendenden Bauteilen. Zu den erst genannten gehören u.a. die Fotowiderstände. Auch Leucht- oder Lumineszenzdioden, kurz LED (Light Emitting Diode) gehören dazu. Sie finden Anwendung als Signallampen für die Zustandsanzeige in elektronischen Schaltungen, in Anzeigenfeldern und als optische Koppelelemente. Es gibt die LEDs in unterschiedlichen Farben; auch zwei verschieden leuchtende Dioden in einem Gehäuse sind möglich. Zum Betrieb der Leuchtdioden ist ein Vorwiderstand (Rv) erforderlich, der zur Strombegrenzung dient.

Bild 6: Prinzip des Optokopplers.

Ein anderes lichtaussendendes Element ist die Lumineszenz-Platte. Sie ist eine großflächige Lichtquelle, die durch ein elektrisches Feld zum Leuchten angeregt wird. Große Bedeutung haben die Flüssigkristallanzeiger. Ihre Kurzbezeichnung lautet LCD (Liquid Cristal Display). Sie sind für viele Anwendungen den LEDs überlegen. Ihre Stromaufnahme ist sehr gering, so daß sie sich auch für transportable Geräte anbieten. Aber LCDs haben einen großen Nachteil: Es sind passive Bauelemente, die nicht von selbst leuchten. Sie müssen von Fremdlicht bestrahlt werden.

Bild 7: Signalübertragung mit Optokoppler und Lichtwellenleiter (Siemens).

Ein breites Anwendungsfeld finden die Flüssigkristalle in elektronischen Rechnern, in Uhren oder für zahlreiche andere alphanumerische Darstellungen. Ebenfalls eine große Bedeutung haben sog. optische Koppler. Man versteht darunter Bauelemente, die zwei Stromkreise galvanisch trennen und dabei Licht als Übertragungsmedium benutzen. Ein solcher Optokoppler besteht aus einem elektrischen Lichtsender und -empfänger, zumeist untergebracht in einem Gehäuse. Als Sender werden LEDs, als Empfänger Fotodioden, Fototransistoren oder auch Fotothyristoren verwendet. Mit letzteren kann man den Optokoppler Schaltereigenschaften geben.

Bild 8: Schema und Wirkungsweise des Peltierelementes (Electrolux Siegen).

Zwischen Eingangs- und Ausgangsstromkreis besteht ein extrem hoher Widerstand, so daß eine vollkommene Potentialtrennung sichergestellt ist. Optokoppler werden eingesetzt in der Datenverarbeitung und in der Fernsprechtechnik. Dann auch in Verbindung mit sog. Lichtwellenleitern, also Leitern, die anstelle magnetischer oder elektrischer Größen optische Größen, d.h. Licht, übertragen. Das erlaubt eine Übertragungsbandbreite, die weit über herkömmlichen Systemen liegt und von magnetischen Störfeldern unbeeinflußt bleibt.

Bild 9: Mehrere Peltier-Elemente werden, um die Leistung zu erhöhen, zu einer Batterie zusammengeschaltet (Electrolux Siegen).

Peltier-Elemente

Ein interessantes elektronisches Bauteil ist das Peltier-Element. Man kann damit sowohl Kälte als auch Wärme erzeugen. Die Erscheinung beruht auf dem thermoelektrischen Effekt, der auf eine Entdeckung von Thomas Johann Seebeck zurückgeht. Erhitzt man die Verbindungsstelle zweier verschiedener Metalle, entsteht über den Anschlüssen eine elektrische Spannung. Die Höhe dieser Spannung ist abhängig von der Höhe des Temperaturunterschiedes und der gewählten Materialien. Eine praktische Anwendung dieser Erscheinung findet man in den Thermoelementen, wie sie zur Temperaturmessung oder in Gasgeräten zur Flammenüberwachung eingesetzt werden. Der französische Physiker Jean Charles Athanase Peltier machte im Jahre 1834 die umgekehrte Beobachtung: Er schickte einen Gleichstrom über die Lötstelle zweier verschiedener Metalle, wobei sich die eine Seite abkühlte, die andere Seite erwärmte und zeigte damit, daß mit jedem elektrischen Stromfluß auch ein thermischer Fluß verbunden ist. Welche der beiden Seiten kalt oder warm wurde, hing von der Richtung des hindurchfließenden Gleichstromes ab. Physikalisch kann man sich den Vorgang wie folgt vorstellen: Bei Stromdurchgang bewegen sich die Ladungsträger von der Verbindungsstelle weg und transportieren dabei eine bestimmte Energiemenge in Wärmeform. Die Ladungsträger wandern unter dem Einfluß der anliegenden Spannung zur Gegenseite, wo sie sich rekombinieren* und die vorher aufgenommene Wärme wieder abgeben.

Bild 10: Transportable Kühlbox, gekühlt mit Peltier-Elementen (Electrolux Siegen).

Die Höhe der Temperaturdifferenz ist abhängig von der Höhe des Gleichstromes, der elektrischen Leitfähigkeit und einer als Thermokraft bezeichneten Materialkonstante. Die moderne Halbleitertechnik stellt heute geeignete Werkstoffe zur Verfügung, die eine praktische Ausnutzung des Peltier-Effektes erlauben. So werden im Handel z.B. kleine Camping-Kühltaschen angeboten, die zudem durch einfaches Umpolen der Betriebsspannung auch als Warmhaltebox betrieben werden können. Die darin eingesetzten Peltier-Elemente werden mit einer Gleichspannung von 0,1 Volt (V) versorgt, der Betriebsstrom beträgt bis zu 20 Ampere (A), dabei können Temperaturdifferenzen bis zu 60 Kelvin (K) erreicht werden.

Fortsetzung folgt.

*) Rekombination: Wiedervereinigung der durch Trennung gebildeten, entgegengesetzt elektrisch geladenen Teile eines Moleküls bzw. eines positiven Ions mit einem Elektron zu einem neutralen Gebilde.

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