Elektronik

Unter Elektronik (Lehre von der Steuerung von Elektronen) wird zweierlei verstanden:

1. diejenige Disziplin der Physik, die sich mit dem Verhalten elektrischer Ladungen in Gasen, Leitern, Halbleitern und im Vakuum befasst;
2. den hierauf aufbauenden Teilbereich der Elektrotechnik.

Letztere befasst sich insbesondere mit der Entwicklung, Modellierung und Anwendung von elektronischen Bauelementen. Diese Gruppe von Bauelementen umfasst beispielsweise neben den Elektronenröhren und der damit verknüpften Vakuumtechnik auch Bauelemente wie die heute sehr bedeutsamen Transistoren, welche aus verschiedenen Halbleitermaterialien und Metallen bestehen. Die halbleiterbasierende Elektronik wird auch als Festkörperelektronik bezeichnet.

Die Liste elektronischer Bauteile ist sehr umfangreich. Einfache Bauelemente sind z. B. Dioden. Allen gemeinsam ist, dass die Bauteile durch Eingangssignale wie beispielsweise durch elektrische Spannungen, elektrischen Strom aber auch durch nichtelektrische Größen wie beispielsweise Licht beeinflusst werden. In Abhängigkeit dieser Beeinflussung verändern elektronische Bauelemente ihre Parameter wie den elektrischen Widerstand, elektrische Kapazität, geben unterschiedliches Licht wie bei Leuchtdioden ab, oder stellen sich auf einen bestimmen elektrischen Strom- oder Spannungswert ein. Daraus entwickelte sich das Teilgebiet Optoelektronik.

Wichtige Teilbereiche der Elektronik sind die Analogtechnik, die sich mit kontinuierlichen Signalverläufen und deren elektronischer Verarbeitung beschäftigt, die Digitaltechnik, die diskrete Zustände verarbeitet, die Mikroelektronik, die sich mit der Zusammenfassung einzelner elektronischer Bauelemente zu komplexen integrierten Schaltkreisen (IC) beschäftigt, die Leistungselektronik, die sich mit der Energieumwandlung und -verteilung beschäftigt, und die Hochfrequenztechnik, die vor allem im Bereich der drahtlosen Übertragung eingesetzt wird.

Elektronische Bauelemente auf einer Leiterplatte.

Geschichte

Der Begriff Elektronik leitet sich von dem griechischen Wort elektron (ήλεκτρον) 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.

Natürliche elektronische Phänomene sind den Menschen in Form von Plasmaentladungen seit alters her bekannt, auch wenn ihre Natur erst in der Neuzeit entdeckt und verstanden wurde. Hierzu gehören Blitze, Elmsfeuer und Polarlichter.

Erste wissenschaftliche Untersuchungen gab es im 18. Jahrhundert in Zusammenhang mit der Glimmentladung.^[1]

Im Jahre 1705 demonstrierte Francis Hauksbee erstmals das grundlegende Prinzip der späteren Gasentladungslampe^[2]. Um 1800 konstruierte Alessandro Volta die erste Primärbatterie (Voltasche Säule). Zwei Jahre später fand die Entdeckung des Lichtbogens durch Humphry Davy bzw. Vasily V. Petrov statt. Im Jahr 1857 entwickelte und baute Heinrich Geißler die nach ihm benannten Geißler'schen Röhren. 1873 entdeckte Willoughby Smith, dass Selen in der Lage ist, Licht zu leiten (Photoeffekt). Auf diese Erkenntnis hin entdeckte Karl Ferdinand Braun 1874 den Gleichrichtereffekt. Stoney und Helmholtz prägten den Begriff des Elektrons als Träger des elektrischen Stromes. 1883 erhielt Thomas Alva Edison ein Patent auf einen Gleichspannungsregler, der auf der Glühemission (dem Edison-Richardson-Effekt) beruhte, einer Voraussetzung für alle Elektronenröhren. 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, steuerbare 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 Halbleitertechnologie, 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“.

Analogelektronik

Die Analogtechnik beschäftigt sich vor allem mit der Verarbeitung von kontinuierlichen Signalen. Man nutzt dabei die physikalischen Gesetze aus, die das Verhalten der Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren, Transistoren, Röhren, usw.) beschreiben, oder man schafft durch Schaltungsprinzipien günstige Voraussetzungen. Typische Grundschaltungen sind Stromquellen, Stromspiegel, Differenzverstärker und Kaskaden, sowie Referenzelemente wie die Bandgap. Daraus lassen sich kompliziertere Schaltungen aufbauen, wie z. B. Verstärker, mit dessen Hilfe sich weitere Funktionen aufbauen lassen (Oszillator, Filter, etc.). Der Operationsverstärker ist ein Verstärker mit einem Differenzeingang (Differenzverstärker). Sein Name rührt daher, dass mit ihm mathematische Operationen (Subtraktion, Addition, Integration, etc.) ausgeführt werden können. Operationsverstärker finden in der Analogelektronik breite Anwendung. Der Genauigkeit der Signalverarbeitung sind in der Analogelektronik durch die Herstellungstoleranzen der Bauelemente und deren Nichtidealitäten (z. B. Rauschen, Nichtlinearität, Hysterese) sowie durch weitere störende Effekte wie Übersprechen und Einkopplungen von Störsignalen Grenzen gesetzt. Es wurden sehr weit fortgeschrittene Verfahren entwickelt, die solche Fehler kompensieren oder minimieren und damit Genauigkeiten im Bereich von 0,1 % bis 0,001 % erlauben. Solch hohe Genauigkeit ist z. B. notwendig, um Analog-Digital-Wandler mit 20 Bit Auflösung zu realisieren.

Digitalelektronik

Die Digitalelektronik oder 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, den ein Takt vorgibt. Bei der Digitalelektronik werden analoge Signale entweder vor der Verarbeitung mit Hilfe von Analog-Digital-Wandlern digitalisiert (in Zahlen umgewandelt) oder existieren bereits von vornherein als diskrete Werte. Transistoren werden in der Digitaltechnik in der Regel als Schaltverstärker und nicht als analoge Verstärker eingesetzt.

Der Vorteil der Digitalelektronik liegt in der Tatsache, dass im Anschluss an die Digitalisierung die bei der Analogelektronik erwähnten störenden Effekte keine Rolle mehr spielen, jedoch auf Kosten des Bauteilaufwandes. Ist z. B. eine analoge Schaltung mit einem maximalen Fehler von 0,1 % behaftet, so kann dieser Fehler ab ca. 10 Bit Datenbreite von digitalen Schaltungen unterboten werden. Ein analoger Multiplizierer benötigt etwa 20 Transistoren, ein digitaler Multiplizierer mit derselben Genauigkeit mehr als die 20-fache Anzahl. Der Aufwand wächst durch die Digitalisierung also zunächst an, was aber durch die immer weiter vorangetriebene Miniaturisierung mehr als kompensiert wird. Heute lassen sich auf einem integrierten Schaltkreis eine sehr große Menge von Transistoren realisieren (die Anzahl geht typisch in die 10 Millionen). Siehe auch Digitaltechnik. Der Vorteil ist nun, dass z. B. die Spannungspegel in erheblichem Maße variieren können, ohne die korrekte Interpretation als 1 oder 0 zu behindern. Damit ist es möglich, dass die Bauelemente der integrierten Schaltungen sehr ungenau sein dürfen, was wiederum die weitere Miniaturisierung ermöglicht. 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 bei langsamen Schaltungen kann es Probleme geben, die nur durch analoge Betrachtungsweisen zu verstehen sind; als Beispiel sei das Problem der Metastabilität von Flip-Flops genannt.

Logik der Digitalelektronik

Digitale Schaltungen – auch Schaltsysteme oder logische Schaltungen genannt – bestehen hauptsächlich aus einfachen Logikelementen, wie AND, NAND, NOR, OR, NOT-Gattern und Komponenten, mit denen digitale Signale gespeichert werden können, z. B. Flipflops oder Zählern. Alle diese logischen Funktionen lassen sich mit im sogenannten Schalterbetrieb arbeitenden elektronischen Bauelementen (z. B. Transistoren) realisieren. Durch die Integration dieser Schaltungen auf einem Chip (monolithische Schaltung) entstehen komplexe elektronische Bauelemente wie beispielsweise Mikroprozessoren.

Hochfrequenzelektronik

Die Hochfrequenzelektronik oder Hochfrequenztechnik beschäftigt sich vorwiegend mit der Erzeugung und der Ausstrahlung, bzw. dem Empfang und der Verarbeitung von elektromagnetischen Wellen. Anwendungen davon sind z. B. die Funktechnik mit Rundfunk, Fernsehen, Radar, Fernsteuerung, drahtlose Telefonie, Navigation aber auch die Vermeidung unerwünschter Schwingungen (Störung, EMV) und unkontrollierter Abstrahlung (Abschirmung). Weitere Bereiche der Hochfrequenzelektronik sind Mikrowellentechnik, kabelgebundene Informationsübertragung oder Bereiche der Medizinelektronik. Der Übergang von der Niederfrequenz- zur Hochfrequenztechnik ist fließend.

Leistungselektronik

Leistungselektronik bezeichnet das Teilgebiet der Elektrotechnik, welches 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.

Bauelemente der Elektronik

Verschiedene elektronische Bauelemente

Wichtige Bauelemente sind Elektronenröhre, Integrierte Schaltungen, Halbleiterdiode, Zener-Diode, Transistor, Thyristor, Widerstand, Kondensator und Induktivität. Aus wissenschaftlicher Sicht handelt es sich bei den letzten drei nicht um Anordnungen, die spezifisch elektronische Effekte darstellen oder nutzen, die klassische Elektrodynamik genügt hier vollauf. Da sie aber mit den tatsächlich elektronischen Bauelementen häufig zusammen verbaut und verkauft werden, hat sich dessen ungeachtet in der Praxis diese Zuordnung allgemein durchgesetzt.

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.

Alle diese Bauelemente werden in einer großen Typenvielfalt angeboten ^[3]. 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.

Bedeutung der Elektronik

Die Elektronik umfasst heute unzählige Gebiete, von der Halbleiterelektronik über die Quantenelektronik bis hin zur Nanoelektronik. Seit dem Siegeszug des Computers, der stetigen Entwicklung der Informationstechnologie und der zunehmenden Automation hat sich die Bedeutung der Elektronik beständig erweitert. Die Elektronik nimmt heute in unserer Gesellschaft einen großen Stellenwert ein und ist aus vielen Bereichen nicht mehr wegzudenken.

Elektronikfertigung

Im Jahre 2007 kamen 38 % aller weltweit hergestellten Elektronikprodukte aus der Asia-Pacific-Region. Im Jahre 1995 lag dieser Anteil noch bei 20 %. Allein China erhöhte seinen Anteil von 3 % im Jahre 1995 auf 16 % in 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 Mrd. Euro). In der Leistungsreihenfolge der Größe der Elektronikfertigung in Westeuropa herrscht folgende Rangliste (Stand 2006): Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien.^[4]

Siehe auch

•  Portal:Elektrotechnik – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Elektrotechnik
•  Portal:Mikroelektronik – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Mikroelektronik

Für freizeitmäßig betriebene Hobbyelektronik siehe Hobbyelektronik. Für Elektronik im KFZ siehe Automobilelektronik.

• Elektroindustrie
• Elektronikschrott
• Liste elektronischer Bauteile
• Nanoelektronik

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. 7. Auflage, Shaker Verlag, Aachen 2008, ISBN 978-3-8265-8825-9.
• 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. Bd. 1 Analogtechnik, Elektor-Verlag, ISBN 978-3-89576-024-2.
• P. Horowitz, W. Hill:: Die hohe Schule der Elektronik. Bd. 2 Digitaltechnik, Elektor-Verlag, ISBN 978-3-89576-025-9.
• K. Küpfmüller, G. Kohn: Theoretische Elektrotechnik und Elektronik, Eine Einführung. 16., vollst. neu bearb. u. aktualisierte Aufl., Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-20792-9.
• Patrick Schnabel, : Elektronik-Fibel, 4. vollständig überarbeitete Auflage, 320 Seiten, BoD GmbH, Norderstedt 2006, ISBN 978-3-8311-4590-4.
• U. Tietze, C. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. Springer, Berlin, ISBN 3-540-42849-6.

Einzelnachweise

1. ↑ Bernhard Bröcker: dtv-Atlas zur Physik. Deutscher Taschenbuch Verlag. München. ISBN 3-423-03009-7
2. ↑ Hauksbee, Francis Kurzbiographie, Universität Regensburg
3. ↑ Listen elektronischer Bauelemente und ihre Lieferanten: FBDi Directory 09 [1]
4. ↑ Yearbook of World Elektronik Data von Reed Electronics Research, Juni 2006

Weblinks

•  Wiktionary: Elektronik – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
• S.m.i.L.E. interaktives Lehr- und Lernprogramm der Professur für Elektronik an der Universität der Bundeswehr Hamburg
• Elektronik-Vorlesung, Uni Mainz 2002, Skripte, Übungsblätter
• Lehrbuch Elektronik, Prof. S. Gossner
• Elektronik für Physiker, Uni Kiel
• Das ELektronik-KOmpendium (das ELKO) (Minikurse, Lehrmaterial)