Quelle: Elektronik-Fibel
Willkommen zu unserem Podcast, der sich auf eine Vertiefung der Grundlagen der Elektronik konzentriert. Basierend auf Auszügen aus der "Elektronikfiebel von Patrick Schnabel" ist es unsere Mission, die Essenz herauszufiltern und die Elektronik einfach zu erklären, denn das Verständnis der Basis ist entscheidend.
Wir beginnen mit der elektrischen Spannung U, die als eine Art Druck auf die Elektronen beschrieben wird. Dieser Druck entsteht durch einen Ladungsunterschied, zum Beispiel an den Polen einer Batterie, und ist die Ursache dafür, dass sich überhaupt Elektronen bewegen. Das Formelzeichen 'U' könnte dabei vom lateinischen 'urgere' (drängen oder drücken) abgeleitet sein. Darauf aufbauend erklären wir den elektrischen Strom I, der die gerichtete Bewegung dieser Ladungsträger ist. Dabei beleuchten wir den wichtigen Unterschied zwischen der technischen Stromrichtung (von Plus nach Minus), die historisch festgelegt und meist in Schaltplänen verwendet wird, und der physikalischen Stromrichtung (von Minus nach Plus), die den tatsächlichen Elektronenfluss beschreibt.
Ein weiteres fundamentales Konzept ist der elektrische Widerstand R, der als Bremse für den Stromfluss dient. Jedes Bauteil und jeder Draht besitzt einen gewissen Widerstand, der begrenzt, wie viel Strom bei einer gegebenen Spannung fließen kann. Diese drei Größen – Spannung, Strom und Widerstand – hängen eng zusammen und werden durch das Ohmsche Gesetz U = R * I verbunden, welches eine zentrale Formel in der Elektronik darstellt. Mit dieser Formel kann man eine Größe berechnen, wenn zwei andere bekannt sind.
Wir gehen jedoch über die idealen Fälle hinaus und betrachten, wann das Ohmsche Gesetz nicht immer perfekt gilt, insbesondere bei Halbleitern wie Silizium. Deren Leitfähigkeit liegt zwischen der von Leitern und Isolatoren und kann gezielt durch äußere Einflüsse wie Temperatur oder Licht, aber auch durch Dotierung beeinflusst werden. Dies ermöglicht die Erzeugung von N-leitenden Bereichen mit Elektronenüberschuss und P-leitenden Bereichen mit Elektronenmangel. Das Herzstück vieler elektronischer Bauteile ist der PN-Übergang, der entsteht, wenn diese P- und N-Bereiche zusammengebracht werden.
Als herausragendes Beispiel für einen solchen Bauteil wird die Diode ausführlich behandelt. Sie fungiert als "Einbahnstraße für Strom": In der Durchlassrichtung lässt sie den Strom passieren, allerdings erst, nachdem eine kleine Schwellspannung (bei Siliziumdioden etwa 0,7 Volt) überwunden wurde. In der Sperrrichtung hingegen blockiert sie den Stromfluss nahezu vollständig durch einen extrem hohen Widerstand. Das nicht-lineare Verhalten der Diode zeigt eindrucksvoll, wie die Grundprinzipien zusammenspielen und warum das Ohmsche Gesetz hier nicht immer einfach anwendbar ist.
Abschließend regt der Podcast zu einer Überlegung an: Wenn schon ein scheinbar einfaches Bauteil wie die Diode nicht perfekt linear funktioniert und sein Verhalten von Spannung und Temperatur abhängt, wie präzise lässt sich dann das Verhalten von komplexen integrierten Schaltungen mit Millionen oder Milliarden solcher Elemente vorhersagen und kontrollieren? Dies schlägt die Brücke von den idealisierten Grundlagen zur realen, oft sehr komplexen Welt der Mikroelektronik.
