Elektronik

1

Einleitung

Elektronik, ein Teilgebiet der Technik und der angewandten Physik, das sich nach einer allgemeinen Definition mit der Steuerung von Elektronen befasst. Im Mittelpunkt dieses Zweiges stehen u. a. der Entwurf und die Anwendung von elektronischen Schaltungen in Geräten – umgangssprachlich bezeichnet man diese Schaltungen ebenfalls als Elektronik. Die Funktionsweise elektronischer Schaltungen basiert auf dem Fluss von Elektronen zur Erzeugung, Übertragung oder Speicherung von Signalen, beispielsweise zum Empfang von Informationen. Informationen wie Text, Musik oder Bilder werden mit Hilfe entsprechender elektronischer Vorrichtungen in elektrische Signale umgewandelt und anschließend in unterschiedlicher Weise an die jeweiligen Zielgeräte weitergeleitet – z. B. Radioempfänger (siehe Funk), Fernseher oder Computer.

Elektronische Schaltungen realisieren verschiedene Funktionen zur Informationsverarbeitung, wie z. B. die Verstärkung von schwachen Signalen auf ein verwertbares Niveau oder die Erzeugung von Radiowellen (siehe Spektrum; Mikrowellen), und zur Informationsgewinnung, wie z. B. die Wiederherstellung eines Audiosignals aus einer Funkwelle (Demodulation). Außerdem werden Steuerungsfunktionen, wie die Überlagerung eines Audiosignals auf Funkwellen (Modulation), und logische Operationen, wie z. B. die elektronischen Abläufe in einem Computer, durch elektronische Schaltungen verwirklicht.

2

Geschichtlicher Hintergrund

Die Erfindung der Vakuumröhren Anfang des 20. Jahrhunderts bildete praktisch den Startpunkt des schnellen Wachstums der modernen Elektronik. Erst Vakuumröhren ermöglichten die Manipulation von Signalen, was mit den frühen Telegraphen- und Telefonschaltungen oder den ersten Sendern noch nicht möglich war. Letztere verwendeten Hochspannungsfunken zur Erzeugung von Radiowellen. Mit Vakuumröhren konnten beispielsweise schwache Funk- und Audiosignale verstärkt werden, und Audiosignale wie Musik und Stimmen konnten auf Funkwellen übertragen werden. Die Entwicklung einer großen Vielfalt verschiedener Röhren für ganz spezielle Aufgaben sorgte für den raschen Fortschritt in der Kommunikationstechnik (speziell im Bereich Funk) vor dem 2. Weltkrieg und die Erstellung der ersten Computer während und kurz nach dem Krieg.

Der Transistor wurde 1948 erfunden und hat inzwischen die Vakuumröhre aus den meisten Anwendungsgebieten verdrängt. Mit seiner Zusammensetzung aus Halbleitermaterialien und elektrischen Kontakten übernimmt ein Transistor die gleichen Funktionen wie die Vakuumröhre, allerdings zu erheblich niedrigeren Kosten, mit geringerem Gewicht und Stromverbrauch, aber einer größeren Zuverlässigkeit. Weitere Fortschritte in der Halbleitertechnik, besonders die Leistungen in der Weltraumforschung, führten zur Entwicklung des integrierten Schaltkreises. Integrierte Schaltkreise können auf einem kleinen Stück speziellen Materials mehrere hunderttausend Transistoren enthalten und ermöglichen so die Konstruktion komplexer elektronischer Schaltungen, die in vielen Bereichen eingesetzt werden (z. B. in Mikrocomputern, Audio- und Videoanlagen, Kommunikationssatelliten, der Nachrichtentechnik).

3

Elektronische Bauteile

Elektronische Schaltungen bestehen aus miteinander verbundenen elektronischen Bauteilen. Diese Bauteile werden in zwei Kategorien unterteilt: in aktive und passive Bauteile. Die Kategorie der passiven Bauteile umfasst Widerstände, Kondensatoren und Spulen. Als aktiv werden Batterien, Generatoren, Vakuumröhren und Transistoren bezeichnet.

3.1

Vakuumröhren

Eine Vakuumröhre (auch Elektronenröhre genannt) besteht aus einem luftleeren Glaskörper, der mehrere Metallelektroden enthält. Eine einfache zweielementige Röhre (Diode) besitzt eine Kathode und eine Anode, die mit dem positiven Pol der Stromversorgung verbunden ist (siehe Elektrode). Die Kathode, eine kleine Metallröhre, wird durch einen Heizfaden erhitzt. Dadurch setzt man Elektronen frei, die zur Anode wandern, einem Metallzylinder rund um die Kathode. Wenn an die Anode eine Wechselspannung angelegt wird, fließen jeweils nur während der positiven Periode Elektronen. In der negativen Periode der Wechselspannung (elektrische Spannung) weist die Anode alle Elektronen ab, so dass kein elektrischer Strom durch die Röhre fließen kann. Auf diese Weise lässt sich z. B. Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln (siehe Elektrizität; Gleichrichtung).

Bringt man ein Gitter aus Metalldrahtspiralen zwischen die Kathode und die Anode, kann durch Anlegen einer negativen Spannung an das Gitter der Elektronenfluss gesteuert werden. Wenn das Gitter negativ geladen ist, weist es Elektronen ab, und nur ein Bruchteil der von der Kathode ausgestrahlten Elektronen kann die Anode erreichen. Eine solche Röhre bezeichnet man als Triode. Diese Röhren lassen sich beispielsweise als Verstärker einsetzen. Leichte Schwankungen der Gitterspannung, insbesondere durch Funk- oder Audiosignale, verursachen starke Veränderungen im Elektronenfluss von der Kathode zur Anode und damit auch in der Schaltung, die mit der Anode verbunden ist.