Amateurfunklehrgang – Der Weg zur HB9-Lizenz/ Bauelemente

Widerstände

Die Materialauswahl und der Aufbau von Widerständen hat entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften. Die foglende Tabelle soll eine erste Übersicht bieten und als Auswahlhilfe für eigene Schaltungen dienen:

Widerstandstyp	Präzision	HF-Eigenschaften	Rauschen	Temperaturstabilität	Spannungsstabilität	Langzeitstabilität
Kohlenstoffwiderstände	±5% bis ±10%	Schlechte HF-Leistung	Relativ hoch	Gering (±1000 ppm/°C)	Mittel bis niedrig	Relativ niedrig
Metallfilmwiderstände	±5% bis ±10%	Gute HF-Leistung	Niedrig bis mittel	Hoch (±50 bis ±100 ppm/°C)	Gut	Sehr hoch
Metalloxidwiderstände	±1% bis ±0.1%	Gute HF-Leistung	Etwas höher	Mittel bis hoch (±100 bis ±200 ppm/°C)	Hoch	Hoch
Drahtwound-Widerstände	±1% bis ±0.1%	Eingeschränkte HF-Leistung	Sehr niedrig	Hoch (±5 bis ±50 ppm/°C)	Sehr hoch	Sehr hoch
SMD-Widerstände	Variiert, oft ±1% bis ±0.1%	Gute HF-Leistung	Niedrig	Hoch (ähnlich wie Metallfilm)	Gut	Hoch
Folie-Widerstände	±0.01% bis ±0.1%	Ausgezeichnete HF-Leistung	Extrem niedrig	Sehr hoch (±1 bis ±5 ppm/°C)	Sehr hoch	Exzellent

Legende:

Präzision: Die Genauigkeit des Widerstandswertes, oft angegeben als Toleranz.

HF-Eigenschaften: Wie gut sich die Bauform für den Einsatz bei hohen Frequenzen eignet.

Rauschen: Die Intensität an elektrischem Rauschen, das der Widerstand erzeugt.

Temperaturstabilität: Der Widerstandsänderung aufgrund von Temperaturschwankungen, angegeben als Temperaturkoeffizient.

Spannungsstabilität: Die Fähigkeit des Widerstands, den Widerstandswert bei verschiedenen Spannungen stabil zu halten.

Langzeitstabilität: Die Fähigkeit des Widerstands, seine Eigenschaften über lange Zeiträume zu behalten.

Kondensator

Kondensatoren sind passive elektronische Bauelemente, die elektrische Energie in einem elektrischen Feld speichern. Da Kondensatoren die elektrische Energie nicht, wie zum Beispiel in Akkus, chemisch speichern, können sie die Energie wesentlich schneller aufnehmen und wieder abgeben. Kondensatoren bestehen aus zwei leitenden Polen und einer isolierenden Schicht (Dielektrikum). Die verwendeten Materialien und der Aufbau bestimmen die Kapazität (Aufnahmevermögen für die Energie), das Verhalten bezüglich der Frequenz und der Empfindlichkeit gegenüber äusseren Einflüssen auf das elektrische Verhalten.

Aufbauarten und Verwendung

... für Netzteile und für alles was mit Leistungsstabilisierung zu tun hat

Elektrolytkondensatoren haben im Vergleich zu anderen Kondensatortypen eine sehr hohe Kapazität. Sie bestehen typischerweise aus einem leitenden Flüssigkeitselektrolyt auf einem porösen Träger (Papier) und einer Metallfolie. Sie werden in Netzteilen eingesetzt, um Wechselspannungs-Ripple (Störungen) zu glätten und somit eine stabilere Gleichspannungs-Ausgangsleistung zu liefern. Sie dienen auch als Energiereservoir, um Lastspitzen zu aufzufangen. Elektrolytkondensatoren müssen typischerweise mit korrekter Polung eingebaut werden, es gibt aber auch wechselstromfeste Ausführungen.

   

... für Oszillatoren und Filter**:

In Oszillatoren und Filtern werden oft Kondensatoren mit geringerer Kapazität und hoher Präzision verwendet. Kondensatoren sind integraler Bestandteil von LC-Oszillatoren. Sie arbeiten zusammen mit Spulen, um eine Resonanzfrequenz zu erzeugen, die bestimmt, wie schnell der Oszillator schwingt. In Kombination mit Widerständen oder Spulen werden Kondensatoren kleiner Kapazität verwendet, um Signalfrequenzen zu filtern.

   

Drehkondensatoren sind veränderbare Kondensatoren, deren Kapazität durch Drehen eines Knopfes oder einer Welle variiert werden kann. Das funktioniert, indem die Überlappung von zwei Satz von Platten verändert wird, wodurch sich die Kapazität ändert. Diese werden traditionell in Radioempfängern und -sendern verwendet, um die Resonanzfrequenz von LC-Schaltkreisen zu variieren und so die Abstimmung auf verschiedene Radiostationen oder Frequenzen zu ermöglichen. Oder auch zur fixen Abstimmung von der Frequenz eines Oszillators.

Die Wahl des richtigen Kondensatortyps und seiner Spezifikationen (z. B. Kapazität, Spannungsfestigkeit, Toleranz) ist für den korrekten Betrieb einer Schaltung von entscheidender Bedeutung. Da wir uns Hauptsächlich mit Hochfrequenz beschäftigen, konzentrieren wir uns auf die Eigenschaften und Auswahlkriterien die für uns relevant sind. Einige der wichtigsten Kriterien für HF-Kondensatoren sind eine niedrige Dielektrikabsorption, hohe Spannungsfestigkeit, geringe Serie-Resonanzfrequenz (SRF) und geringe Verluste.

Keramikkondensatoren haben typischerweise sehr geringe Verluste und eignen sich gut für hohe Frequenzen. Sie haben eine hohe Temperatur- und Spannungsstabilität. Bestimmte Typen von Keramikdielektrika, wie NP0 (oder C0G), haben ausgezeichnete temperaturkompensierende Eigenschaften und sind nahezu frequenzunabhängig.

Mica-Kondensatoren sind für ihre hohe Präzision und Stabilität bekannt. Sie besitzen eine sehr geringe Dielektrikabsorption und eignen sich gut für HF-Anwendungen, bei denen Stabilität kritisch ist.

Tantal-Kondensatoren sind eher für ihre Einsatz in Stromversorgungsschaltungen bekannt, können aber auch in bestimmten Hochfrequenzanwendungen nützlich sein, insbesondere wenn eine hohe Kapazität in einem kleinen Gehäuse benötigt wird.

Folienkondensatoren haben im Allgemeinen eine gute HF-Leistung und sind in verschiedenen Dielektrika verfügbar. Sie haben eine stabile Kapazität über einen weiten Temperatur- und Frequenzbereich.

Polypropylen-Folienkondensatoren (PP):

Eigenschaften: Geringe Dielektrikverluste, hohe Isolationswiderstände und hervorragende Temperaturstabilität.

Anwendungen: Oft verwendet in HF-Resonanzschaltungen, Tuning-Netzwerken, als Koppel- und Bypass-Kondensatoren und in Filtern.

Polyester-Folienkondensatoren (PET oder Mylar):

Eigenschaften: Gut für eine allgemein höhere Spannungsfestigkeit und haben eine etwas höhere Temperaturtoleranz als Polypropylen. Sie haben jedoch höhere Dielektrikverluste als PP.

Anwendungen: Werden oft in Anwendungen eingesetzt, in denen eine hohe Kapazität benötigt wird, wie zum Beispiel als Bypass-Kondensatoren oder in HF-Filtern.

Polyphenylen-Sulfid-Folienkondensatoren (PPS):

Eigenschaften: Hohe Temperaturbeständigkeit und stabile Kapazität über den Temperaturbereich.

Anwendungen: Geeignet für Hochtemperaturanwendungen und HF-Filterschaltungen.

Polystyrol-Folienkondensatoren:

Eigenschaften: Extrem niedrige Dielektrikverluste und sehr stabile Kapazität.

Anwendungen: Wegen ihrer niedrigen Verluste und Stabilität werden sie oft in Präzisions-HF-Anwendungen und Oszillatoren eingesetzt.

Teflon-Folienkondensatoren (PTFE):

Eigenschaften: Außergewöhnliche Temperaturbeständigkeit und nahezu keine Feuchtigkeitsaufnahme.

Anwendungen: Ideal für extrem anspruchsvolle Anwendungen wie Hochtemperaturumgebungen, anspruchsvolle HF-Anwendungen oder da, wo minimale Kapazitätsänderungen kritisch sind.

Luftspalt-Kondensatoren sind oft in HF-Tuning-Anwendungen zu finden. Ihre Kapazität ändert sich durch physische Anpassung des Abstands oder der Überlappung von leitenden Platten. Luft als Dielektrikum hat nahezu keine Verluste, was sie ideal für Hochfrequenzanwendungen macht.

Gleischstromverhalten

Wechselstromverhalten

Kapazitativer Blindwiderstand

Spulen

Gleischstromverhalten

Beim Einschalten, resp. bei Stromänderungen: Beim Einschalten oder einer Erhöhung des Stromes in einem Schaltkreis mit einer Spule wirkt die Spule zunächst dem Stromfluss entgegen. Beim Aufbau des Stroms entsteht in der Spule ein magnetisches Feld, welches eine Spannung induziert, die der anliegenden Spannung entgegenwirkt (Selbstinduktion). Dieser Effekt ist nur vorübergehend und tritt während der Einschaltphase auf.

Stabiler Zustand: Nachdem der Strom stabil ist (konstant bleibt), verhält sich die Spule wie ein normaler elektrischer Leiter mit einem geringen Ohmschen Widerstand des Drahtes. Das magnetische Feld bleibt konstant, und es wird keine Spannung mehr induziert.

Abschalten des Stroms: Beim Abschalten des Gleichstroms wird die gespeicherte magnetische Energie in Form einer induzierten Spannung freigesetzt. Diese Spannung kann sehr hoch sein und eine Funkenbildung verursachen, wenn der Stromkreis mechanisch unterbrochen wird.

Dieses Verhalten wird in verschiedenen Schaltungen eingesetzt. Bei Schaltreglern (z.B. in DC-DC-Wandlern), wird die Speicherwirkung eingesetzt um den Stromfluss zu glätten und Spannungsschwankungen zu vermeiden. Diese Eigenschaft wird ebenfalls in Boost-, Buck- oder Buck-Boost-Konvertern eingesetzt um die Ausgangsspannung zu erhöhen oder zu verringern. Durch die Trägheit bei Stromänderungen werden Spulen auch zur Filterung von Störungen eingesetzt. In Kombination mit Kondensatoren filtern Spulen Hochfrequenzstörungen raus, indem sie diese blockieren, während sie den Gleichstrom ungehindert passieren lassen.

Wechselstromverhalten

Um Trafos oder Drosseln aufzubauen verwenden wir unterschiedliche Materialien.

Ferrite

Ferrite bestehen üblicherweise aus Nickel-Zink oder Mangan-Zink Mischungen. Die Mischung und die Herstellungsbedingungen bestimmen das Verhalten im magnetischen Wechselfeld und den Einfluss auf die Spulenparameter. Ferrite sind wie alle keramischen Werkstoffe hart und spröde, daher besteht Bruchgefahr beim Bewickeln der Ringkerne. Permeabilität ist die Durchlässigkeit von Materie für magnetische Felder und ist ein entscheidender Parameter für die Funktionalität des Materials. Der bekannteste Hersteller ist Amidon: Amidon-Materialien sind leicht verfügbar und bieten eine gute Qualität mit <20 % Toleranz. Ferrit-Ringkerne sind in vielen Größen (2,5 mm bis 127 mm Außendurchmesser) und Permeabilitäten (20 µi bis mehr als 15.000 µi) erhältlich.

Nickel-Zink-Ferrite haben einen hohen spezifischer Widerstand, geringe Verluste im Frequenzband 0,5 bis 100 MHz und eine mittlere Temperaturstabilität. Nickel-Zink Ferrite werden für Spulen hohen Induktivitäten bei geringen Leistungen und Breitbandtransformatoren verwendet. Permeabilität liegt zwischen 20 und 800.

Mangan-Zink-Ferrite werden aufgrund der hohen möglichen Permeabilität (2000 - 15000) primär bei Verdrosselungen von EMV-Problemen (elektromagnetische Verträglichkeit) zur Absorbtion von unerwünschten Hochfrequenzschwingungen eingesetzt.

Eisenpulverringkerne haben eine hohe Sättigungsflussdichte, das Material erreicht auch bei hohen Strömen keine magnetische Sättigung.

Bei Tiefpässen und Preselektoren ist diese Eigenschaft gefragt, aber ist im Gegenzug völlig ungeeignet für Übertrager. Eine Ausnahme bildet Carbonyleisen, ein hochreines Eisen, das durch Zersetzung von Eisenpentacarbonyl entsteht, wird zur Herstellung von Hochfrequenzspulen verwendet.

Drosseln

Eine Drossel (auch als Induktivität oder Spule bezeichnet) ist ein passives elektrisches Bauelement, das zur Steuerung des Stromflusses in einem Stromkreis verwendet wird. Drosseln bestehen aus einer Spule aus Draht, die auf einen Kern gewickelt ist, der aus Luft, Eisen oder einem anderen Material bestehen kann.

Drosseln blockieren hochfrequente Signale lassen niederfrequente oder Gleichstromsignale passieren. Sie wirken als Filter, um unerwünschte Hochfrequenzstörungen (EMI - elektromagnetische Interferenzen) zu unterdrücken.

In Netzteilen werden Drosseln eingesetzt, um Wechselstromkomponenten zu glätten und einen sauberen Gleichstrom zu erzeugen. Sie helfen, Spannungs- und Stromspitzen zu reduzieren und die Effizienz des Netzteils zu erhöhen.

Drosseln bilden in Kombination mit Kondensatoren Resonanzkreise. Sie selektieren oder filtern bestimmte Frequenzen.

Drosseln Begrenzung den Strom in einem Stromkreis. Dadurch wirken sie als Überstromschutz oder begrenzen Einschaltströme.

Balun

Der Begriff "Balun" steht für "Balanced to Unbalanced". Ein Balun ist ein Transformator um eine symmetrische (balancierte) Signalquelle oder Last mit einer unsymmetrischen (unbalancierten) Signalquelle oder Last zu verbinden. Baluns werden oft in Antennensystemen eingesetzt, um Koaxialkabel (unsymmetrisch) an symmetrische Antennen anzuschließen. Durch die Anpassung wird die Übertragung effizienter und reduziert unerwünschte Störungen und Reflexionen.

Unun

"Unun" steht für "Unbalanced to Unbalanced". Ein Unun ist ein Transformator, der eine unsymmetrische Impedanz in eine andere unsymmetrische Impedanz umwandelt. Ununs werden verwendet, um Impedanzanpassungen vorzunehmen, zum Beispiel zwischen einer Antenne und einem Transceiver, um eine bessere Leistungsübertragung zu erreichen und Verluste zu minimieren. Si werden für die Anpassung der Impedanz zwischen Antenne, Kabel und Gerätes eingesetzt.

Induktiver Blindwiderstand

Dioden

Eine Diode ist ein elektronisches Bauteil, das den Stromfluss in eine Richtung blockiert und in die andere Richtung erlaubt. Halbleiterdioden als diskrete Bauelemente sind üblicherweise mit einem aufgedruckten Ring versehen, der die Kathode markiert. Liegt an der Kathode eine negativere Spannung als an der Anode, befindet sich die Diode in Durchlassrichtung. Sobald die Durchlassspannung überschritten wird, setzt der Stromfluss ein. Bei umgekehrter Polarität sperrt die Diode den Stromfluss. Allgemein wird eine Durchlassspannung von etwa 0,7V angenommen, wobei dieser Wert je nach Diodentyp und Stromstärke zwischen 0,5V und 1,5V variieren kann.

Beim Betrieb von Dioden sind insbesondere drei wichtige Kenngrößen zu beachten:

• Maximaler Durchlassstrom in Durchlassrichtung
• Maximale Sperrspannung in Sperrrichtung
• Größte zulässige Verlustleistung aufgrund des Spannungsabfalls in Durchlassrichtung

Das Überschreiten dieser Grenzwerte kann zur Überlastung und Beschädigung der Diode führen.

Dioden finden in elektronischen Schaltungen vielfältige Anwendungen, darunter:

• Gleichrichtung: Um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln.
• Spannungsreferenz: Beispielsweise in Form von Z-Dioden.
• Elektrisch veränderliche Kapazität: Wie bei Varaktordioden.
• Schutz gegen falsche Polung und Überspannung: Ein typisches Beispiel ist die Freilaufdiode.

Die verwendete Halbleitermaterialien, der Aufbau und die Dotierung verändern die Eigenschaften so, dass es innerhalb der Dioden diverse Spezialformen (Typen) gibt.

• Gleichrichtung: Um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln.
• Spannungsreferenz: Beispielsweise in Form von Z-Dioden.
• Elektrisch veränderliche Kapazität: Wie bei Varaktordioden.
• Schutz gegen falsche Polung und Überspannung: Ein typisches Beispiel ist die Freilaufdiode.

Siliziumdioden ("normale" Gleichrichterdiode)

Aufbau

Siliziumdioden bestehen aus einem p-n-Übergang, der aus einer p-dotierten (positiven) und einer n-dotierten (negativen) Halbleiterschicht besteht. Dieser Übergang entsteht durch das Einbringen von Verunreinigungen (Dotieren) in das Silizium, wodurch die gewünschten elektrischen Eigenschaften erzeugt werden.

• Anode: Der positive Anschluss der Diode, der mit der p-dotierten Schicht verbunden ist.
• Kathode: Der negative Anschluss der Diode, der mit der n-dotierten Schicht verbunden ist, und meist durch einen Ring auf dem Bauteil gekennzeichnet ist.

Kennzahlen

• Durchlassspannung (Vf): Typischerweise etwa 0,7V für Standard-Siliziumdioden.
• Sperrstrom (Ir): Der geringe Strom, der in Sperrrichtung fließt. Er liegt meist im Bereich von Nanoampere (nA) bis Mikroampere (µA).
• Maximaler Durchlassstrom (Ifmax): Der maximale Strom, den die Diode in Durchlassrichtung sicher führen kann.
• Maximale Sperrspannung (Vr): Die höchste Spannung, die in Sperrrichtung angelegt werden kann, ohne dass die Diode zerstört wird.
• Leistung (Ptot): Die maximale Verlustleistung, die die Diode abführen kann.

Typische Vertreter

• 1N4148: Eine schnelle Schaltdiode mit einer Durchlassspannung von ca. 0,7V und einer maximalen Sperrspannung von 100V. Sie wird häufig in Hochfrequenz- und Digitalanwendungen eingesetzt.
• 1N4001 bis 1N4007: Eine Familie von Gleichrichterdioden mit Sperrspannungen von 50V bis 1000V und einem maximalen Durchlassstrom von 1A. Diese Dioden werden oft in Netzteilen und Gleichrichterschaltungen verwendet.

Verwendung

• Gleichrichtung: Wandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC), häufig in Netzteilen.
• Schutzschaltungen: Verhinderung von Schäden durch falsche Polung oder Überspannungen, z.B. in Freilaufdioden für Induktivitäten.

Zenerdioden

Aufbau

Zenerdioden sind spezielle Halbleiterdioden, die im Wesentlichen aus einem p-n-Übergang bestehen, ähnlich wie normale Siliziumdioden. Der Unterschied liegt in ihrer Fähigkeit, bei einer bestimmten Spannung, der sogenannten Zenerspannung (Vz), in Sperrrichtung zu leiten. Dies wird durch eine spezielle Dotierung des Halbleitermaterials erreicht.

• Anode: Der positive Anschluss der Diode, der mit der p-dotierten Schicht verbunden ist.
• Kathode: Der negative Anschluss der Diode, der mit der n-dotierten Schicht verbunden ist.

Kennzahlen

• Zenerspannung (Vz): Die Spannung, bei der die Diode in Sperrrichtung zu leiten beginnt. Diese Spannungen können von wenigen Volt bis hin zu mehreren Hundert Volt reichen.
• Zenerstrom (Iz): Der Strom, der durch die Diode fließt, wenn sie in Sperrrichtung leitet.
• Leistung (Ptot): Die maximale Verlustleistung, die die Diode abführen kann, typischerweise in Watt angegeben.
• Temperaturkoeffizient: Die Änderung der Zenerspannung in Abhängigkeit von der Temperatur.

Typische Vertreter

• 1N4728A: Eine Zenerdiode mit einer Zenerspannung von 3.3V und einer maximalen Verlustleistung von 1W.
• 1N4733A: Eine Zenerdiode mit einer Zenerspannung von 5.1V und einer maximalen Verlustleistung von 1W.
• 1N4742A: Eine Zenerdiode mit einer Zenerspannung von 12V und einer maximalen Verlustleistung von 1W.

Verwendung

• Spannungsregulierung: Zur Bereitstellung einer stabilen Referenzspannung in Stromversorgungen und Spannungsreglern.
• Überspannungsschutz: Schutz von empfindlichen Schaltungen vor Überspannungen, indem sie Spannungen über der Zenerspannung ableiten.
• Stabilisierung von Signalen: In Kommunikations- und Signalkonditionierungsschaltungen zur Stabilisierung von Spannungen.

LEDs (Light Emitting Diode)

Aufbau

Leuchtdioden (LEDs) bestehen aus einem Halbleiterchip, der in einem Gehäuse eingebettet ist. Dieser Chip ist der aktive Teil der LED und erzeugt Licht, wenn ein Strom durch ihn fliesst. Ähnlich wie bei herkömmlichen Dioden besteht der Halbleiterchip aus einem p-n-Übergang, der aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien dotiert ist.

Der Chip ist in einem transparenten oder durchscheinenden Gehäuse aus Epoxidharz oder Kunststoff eingekapselt, das auch als Linse fungiert. Es können auch mehrere Halbleiter in einem Gehäuse untergebracht sein, in einer Anordung die flexibel (Punktmatrix, Segmente) Zahlen und Buchstaben darstellen können, oder Symbolen (Pfeile, Operatoren, ...) aufleuchten lassen.

Die Leuchtdioden besitzen entweder zwei Anschlüsse, Anode (positiv) und Kathode (negativ), die den Stromfluss ermöglichen oder bei mehreren Dioden in einem Gehäuse auch gemeinsame Anoden oder Kathoden.

Kennzahlen

• Durchlassspannung (Vf): Die Spannung, die erforderlich ist, um die LED zum Leuchten zu bringen. Diese variiert je nach Farbe und Material.
• Strom (If): Der Betriebsstrom, der typischerweise durch die LED fließt, um die optimale Helligkeit zu erreichen.
• Leistungsaufnahme (P): Die elektrische Leistung, die die LED aufnimmt, üblicherweise in Milliwatt (mW) oder Watt (W).
• Lichtstärke (Iv): Die Helligkeit der LED, gemessen in Candela (cd) oder Lumen (lm).
• Wellenlänge: Die spezifische Wellenlänge des emittierten Lichts, gemessen in Nanometern (nm).

Farben und Durchlasspannung

• Infrarot (IR): 1.2V bis 1.4V
• Rot: 1.8V bis 2.2V
• Orange: 2.0V bis 2.1V
• Gelb: 2.1V bis 2.2V
• Grün: 2.0V bis 3.0V (abhängig vom spezifischen Material)
• Blau: 3.0V bis 3.5V
• Weiss: 3.0V bis 3.5V (erzeugt durch eine blaue LED mit einer Phosphorschicht)

• UV-A (365 nm): ca. 3,3V
• UV-B (310 nm): ca. 3,5V.
• UV-C (275 nm): ca. 3,7V - 4,0V.

Verwendung

• Anzeige- und Signallichter: In elektronischen Geräten, Anzeigen und Schaltungen.
• Beleuchtung: Von einfachen Taschenlampen bis hin zu komplexen Beleuchtungssystemen.
• Displays: In Bildschirmen und Anzeigen, von einfachen Segmentanzeigen bis hin zu komplexen LED-Bildschirmen.
• Optokoppler: In der Signalübertragung und -isolation.
• Sensoren und Detektoren: In Verbindung mit Fotodioden und anderen lichtempfindlichen Bauteilen.

Schottky-Dioden

Aufbau

Schottky-Dioden unterscheiden sich von herkömmlichen Halbleiterdioden durch ihren speziellen Aufbau, der aus einer Metall-Halbleiter-Verbindung besteht. Ein Metall (oftmals Aluminium oder Gold) wird mit einem n-dotierten Halbleitermaterial (meist Silizium) verbunden. Dieser Übergang ist der Ort, an dem der Gleichrichtereffekt auftritt.

• Anode: Der Anschluss, der mit dem Metall verbunden ist.
• Kathode: Der Anschluss, der mit dem n-dotierten Halbleitermaterial verbunden ist.

Kennzahlen

• Durchlassspannung (Vf): Typischerweise sehr niedrig, im Bereich von 0,15V bis 0,45V. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb mit geringem Spannungsverlust.
• Sperrstrom (Ir): Der Strom, der in Sperrrichtung fliesst. Schottky-Dioden haben einen höheren Sperrstrom als herkömmliche Siliziumdioden.
• Maximaler Durchlassstrom (Ifmax): Der maximale Strom, den die Diode in Durchlassrichtung sicher führen kann.
• Maximale Sperrspannung (Vr): Die höchste Spannung, die in Sperrrichtung angelegt werden kann, ohne dass die Diode zerstört wird. Diese ist bei Schottky-Dioden in der Regel niedriger als bei herkömmlichen Dioden, typischerweise bis zu 100V.
• Reaktionszeit: Sehr kurze Schaltzeiten, ideal für Hochfrequenzanwendungen.

Typische Vertreter

• 1N5819: Durchlassspannung von ca. 0,2V bis 0,3V, maximale Sperrspannung von 40V und maximaler Durchlassstrom von 1A.
• BAT54: Durchlassspannung von ca. 0,2V, maximale Sperrspannung von 30V und maximaler Durchlassstrom von 0,2A.
• MBR160: Durchlassspannung von ca. 0,45V, maximale Sperrspannung von 60V und maximaler Durchlassstrom von 1A.

Verwendung

• Gleichrichtung: Aufgrund ihrer niedrigen Durchlassspannung und schnellen Schaltzeiten ideal für effiziente Gleichrichter in Netzteilen und Spannungswandlern.
• Schutzschaltungen: Schutz vor Rückstrom in Solarzellen und Batterieanwendungen.
• Hochfrequenzschaltungen: Wegen ihrer kurzen Erholungszeiten und niedrigen Durchlassspannung werden sie häufig in Hochfrequenz- und Mikrowellenanwendungen eingesetzt.
• Misch- und Detektorschaltungen: In Hochfrequenzempfängern und Kommunikationsgeräten.

PIN-Dioden

Aufbau

Der Aufbau einer Pindiode ähnelt dem einer herkömmlichen pn-Diode, jedoch gibt es einen entscheidenden Unterschied: Zwischen der p- und der n-dotierten Schicht befindet sich eine zusätzliche, schwach oder gar nicht dotierte Schicht. Diese Schicht hat eine intrinsische Leitfähigkeit und wird als i-Schicht bezeichnet. Da die p- und n-Schicht also nicht direkt miteinander verbunden sind, bildet sich bei Anlegen einer Sperrspannung eine größere Raumladungszone aus als bei einer klassischen pn-Diode. Die i-Schicht enthält nur wenige freie Ladungsträger und ist daher hochohmig.

• Anode: Der positive Anschluss der Diode, der mit der p-dotierten Schicht verbunden ist.
• Kathode: Der negative Anschluss der Diode, der mit der n-dotierten Schicht verbunden ist, und meist durch einen Ring auf dem Bauteil gekennzeichnet ist.

Kennzahlen

• Durchlassspannung: Die Durchlassspannung (Forward Voltage) liegt typischerweise im Bereich von 0,2 bis 0,5 V für Silizium-Dioden.
• Rückwärtsdiodenstrom (Reverse Leakage Current): Bei Pindioden kann der Rückwärtsstrom relativ hoch sein. Vorteilhaft bei Schutzschaltungen oder grossignalfesten Mischern oder Detektoren.
• Kapazität: Die Pindioden besitzen eine variable Kapazität, die von der angelegten Spannung abhängt. Diese Kapazität kann von wenigen Picofarad (pF) bis hin zu Nanofarad (nF) reichen.
• Schaltgeschwindigkeit: Sie haben eine hohe Schaltgeschwindigkeit und sind damit gut geeignet für Hochfrequenzanwendungen.

Typische Vertreter

• 1N4007: Zuverlässig und robust in Anwendungen, die eine hohe Durchbruchspannung und geringe Vorwärtsspannung erfordern.
• 1N4148: Schnellschalter, wird aber auch in vielen Hochfrequenzanwendungen eingesetzt. Besonders geeignet für schnelle Schaltvorgänge.
• BAT54: Schottky-Diode für hohe Schaltgeschwindigkeit und geringe Durchlassspannung. Sie wird häufig in Hochfrequenzanwendungen (Mischer, Detektoren) verwendet.

Verwendung

• Gleichstromgesteuerter Widerstand: Dämpfungsglieder oder Amplitudenregler, gleichspannungsgesteuerte HF-Schalter
• Photodiode: LWL-Detektor und position sensitive device. BPW34 in Bastelanwendungen auch als Gammastrahlendetektor.

Varactor- oder Varicap-Dioden

Varicapdioden, auch als Varactor-Dioden bekannt, sind spezielle Halbleiterbauelemente, deren Kapazität sich in Abhängigkeit von der angelegten Spannung ändert. Die Kapazität der Varicapdiode wird durch die Grösse der Raumladungszone des P-N-Übergangs beeinflusst. Diese Raumladungszone variiert mit der angelegten Sperrspannung. Die Kapazität ist umso grösser, je kleiner die angelegte Sperrspannung ist, und umgekehrt.

Aufbau

Varicapdioden bestehen in der Regel aus Silizium oder manchmal auch aus Galliumarsenid (GaAs). Die grundlegende Struktur ist ein P-N-Übergang, ähnlich wie bei Standard-Dioden.

Kennzahlen

• Kapazitätsbereich: Varicapdioden haben einen spezifischen Kapazitätsbereich, der durch die maximale und minimale Sperrspannung bestimmt wird. Typische Werte reichen von einigen Picofarad (pF) bis zu mehreren Nanofarad (nF).
• Kapazitätsfaktor (C/V): Der Kapazitätsfaktor gibt an, wie stark sich die Kapazität mit der angelegten Spannung ändert. Ein hoher Kapazitätsfaktor ist oft wünschenswert, da er eine präzisere Einstellung der Kapazität ermöglicht.
• Sperrspannung (Reverse Voltage): Die maximale Spannung, die an die Diode angelegt werden kann, ohne dass sie beschädigt wird. Typische Werte liegen oft im Bereich von 10 bis 50 Volt.
• Sperrstrom (Reverse Leakage Current): Der Strom, der bei Sperrspannung durch die Diode fließt, sollte möglichst gering sein, um die Genauigkeit der Kapazitätsänderung nicht zu beeinträchtigen.Kapazitätsbereich: Varicapdioden haben einen spezifischen Kapazitätsbereich, der durch die maximale und minimale Sperrspannung bestimmt wird. Typische Werte reichen von einigen Picofarad (pF) bis zu mehreren Nanofarad (nF).

Typische Vertreter

• 1N4148: Eine allgemeine Schottky-Diode, die in einigen Varicap-Anwendungen verwendet wird, obwohl sie primär nicht als Varicap-Diode ausgelegt ist.
• BB105: Eine Varicapdiode von Philips, die oft in FM-Tunern und anderen Hochfrequenzanwendungen verwendet wird.
• MV2109: Eine Varicapdiode von Motorola, bekannt für ihre Anwendung in Kommunikations- und Empfangsgeräten.

Verwendung

• Abstimm-Schaltungen: Varicapdioden werden häufig in Abstimmkreisen verwendet, z.B. in FM-Radios und Fernsehempfängern, um die Frequenz eines Schwingkreises präzise einzustellen.
• Frequenzmodulation: Sie werden in Frequenzmodulatoren eingesetzt, um die Frequenz eines Signals durch Variation der Kapazität zu ändern.
• Phasenregelung: In Phasenregelkreisen (Phase-Locked Loops, PLLs) werden Varicapdioden zur feinen Abstimmung der Frequenz verwendet.
• Filter-Designs: In Hochfrequenzfiltern helfen Varicapdioden dabei, die Bandbreite und andere Filterparameter dynamisch anzupassen.

Tunnel- oder Esaki-Dioden, Rückwärtsdioden

Aufbau

Halbleitermaterial: Tunneldioden bestehen typischerweise aus Germanium (Ge) oder Galliumarsenid (GaAs). Die Diode besitzt einen stark verarmten P-N-Übergang, bei dem die Dotierung sehr hoch ist. Dieser Übergang führt zu einer extrem dünnen Barriere, die für den Tunnel-Effekt verantwortlich ist. Durch die hohe Dotierung ist der P-N-Übergang so dünn, dass Elektronen durch die Energiebarriere „tunneln“ können, anstatt sie zu überwinden.

Kennzahlen

• Durchlassspannung (Forward Voltage): Die Durchlassspannung ist bei Tunneldioden sehr niedrig, oft im Bereich von 0,1 bis 0,3 Volt.
• Rückwärtsdiodenstrom (Reverse Leakage Current): In der Sperrrichtung kann ein signifikant hoher Rückwärtsstrom fliessen, da die Diode im Sperrmodus einen Tunnelstrom durch den Übergang leitet.
• Tunnelstrom: Der Tunnelstrom, der bei niedrigem Vorwärtsstromfluss durch den P-N-Übergang fliesst, ist eine charakteristische Kennzahl und entscheidend für die Anwendung der Diode.
• Negative Differenzierender Widerstand: Tunneldioden zeigen einen Bereich mit negativem Widerstand, was bedeutet, dass der Strom bei steigender Spannung abnimmt, bevor er wieder ansteigt.

Typische Vertreter

• 1N3716: Eine bekannte Tunneldiode, die häufig in Hochfrequenzanwendungen verwendet wird.
• 1N3820: Diese Diode wird oft in Hochfrequenzschaltungen und als Verstärker in bestimmten Anwendungen verwendet.
• MA558: Eine Tunneldiode von Motorola, die für Hochfrequenz- und Mischerschaltungen genutzt wird.

Verwendung

• Oszillatoren: Tunneldioden werden oft in Hochfrequenzoszillatoren eingesetzt, die präzise und stabile Frequenzen in den oben genannten Bereichen erzeugen. (Mikrowellen, UHF)
• Verstärker: Hochfrequenzverstärker, die Tunneldioden verwenden, können Signale in den genannten Frequenzbereichen verstärken. (UHF)
• Mischerschaltungen: Sie finden auch Anwendung in Mischerschaltungen, wo sie Signale unterschiedlicher Frequenzen kombinieren und verarbeiten. (VHF)
• Frequenzmodulation: In FM-Transmitter und -Empfänger können Tunneldioden zur Modulation und Demodulation von Signalen verwendet werden. (VHF)

Gunn-Diode

Gunn-Dioden haben einen negativen differentiellen Widerstands in ihrer IV-Kurve. Wenn eine ausreichend hohe Spannung an die Diode angelegt wird beginnt sie im GHz Bereich an zu schwingen. Frequenzen im Mikrowellenbereich sind mit anderen Oszillatortypen schwer zu erreichen.

Germaniumdiode

Vor der breiten Verfügbarkeit von Silizium-Halbleitern wurden Dioden oft aus Germanium hergestellt. Germanium hat eine geringere Durchlassspannung als Silizium (ca 0,3 V, Silizium: 0,6-0,7 V). Aufgrund ihrer geringen Durchlassspannung und der Tatsache, dass sie bei niedrigeren Spannungen leiten, wurden Germaniumdioden oft in Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf eine geringe Spannung ankam, wie z.B. in Kristallradios als Detektordioden. Mit der Weiterentwicklung der Silizium-Halbleitertechnologie in den 1960er Jahren und den Vorteilen von Silizium in Bezug auf Temperaturstabilität und Fertigungskosten wurden Germaniumdioden weitgehend durch Siliziumdioden ersetzt. Trotz ihres Rückgangs in der modernen Elektronik haben Germaniumdioden eine wichtige Rolle in der Entwicklung der Elektronik und Funktechnik gespielt und werden auch heute noch in einigen spezialisierten Anwendungen und von Hobbyisten geschätzt.

Integrierte Schaltkreise

Operationsverstärker

Operationsverstärker (Opamps) sind elektronische Bauteile, die Analogsignalen verstärken können. Es sind Integrierte Schaltungen, die ein sehr hohes Verstärkungsverhältnis aufweisen. Operationsverstärker werden eingesetzt in der Signalverarbeitung, Filter, Oszillatoren, Spannungsregler etc.

Abhängig von der Schaltung besitzen sie bevorzugte Einsatzgebiete

Rauscharme (Low-Noise) Opamps werden eingesetzt in Empfangsverstärkern, Vorverstärkern und Mixern, wo das Eingangssignal verstärkt wird und das Rauschen minimal gehalten werden muss.

High-Speed Opamps werden bei der Verarbeitung von hochfrequenten Signale und der schnellen Signalverarbeitung, besonders bei digitalen Modulationsverfahren, verwendet. Desweiteren werden sie in Zwischenfrequenzverstärkern (IF-Verstärkern), Frequenzumsetzern und Modulatoren, wo schnelle Reaktionszeiten auf Signaländerungen wichtig sind, eingesetzt

Präzisions-Opamps werden in Frequenzgeneratorschaltungen, Messgeräten und Steuerungsschaltungen, die präzise, stabile und von geringer drift betroffene Signalverarbeitung erfordern, verwendet.

Rail-to-Rail und Low-Power Opamps bieten maximale Ausnutzung der Versorgungsspannung, was in Low-Power-Schaltungen vorteilhaft ist. In batteriebetriebenen, tragbaren Funkgeräten, wo eine geringe Versorgungsspannung effizient genutzt werden muss.,sind diese Typen erst Wahl.

Differenzverstärker Opamps verstärken Differenzsignalen können in Konvertern (Baluns bis etwa 100 kHz) und Signalaufbereitungsstufen eingesetzt werden.

In eher speziellen Anwendungsfällen verwenden wir Instrumentation Opamps, sie haben eine hohe Gleichtaktunterdrückung und sind äusserst präzise, werden also in Mess- und Steuerungsanwendungen (Antennenanalyzer, HF-Leistungsmessern) eingesetzt.

Wichtige Merkmale von Operationsverstärkern

Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt (GBW): Gibt an, wie gut der Verstärker hohe Frequenzen bei hohen Verstärkungen verarbeiten kann.

Slewrate (SR): Die maximale Geschwindigkeit, mit der der Ausgang eines Operationsverstärkers auf eine Änderung des Eingangssignals reagieren kann.

Eingangs-Offsetspannung: Die Differenz der Eingangsspannung, die erforderlich ist, um den Ausgang auf null zu setzen.

Eingangs-Biasstrom: Der durchschnittliche Strom, der in die Eingänge des Operationsverstärkers fließt.

Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR): Ein Maß dafür, wie gut der Verstärker Gleichspannungssignale unterdrückt, die an beiden Eingängen anliegen.

Versorgungsspannungsbereich: Der Bereich der Spannungen, innerhalb derer der Operationsverstärker korrekt funktioniert.