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Elektronik

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Die Elektronik (Lehre von den Elektronen und deren Bewegung im luftleeren Raum) ist ein Teilbereich der Elektrotechnik, in dem bevorzugt Bauelemente mit elektronischer Steuerung verwendet werden. Inzwischen findet die Steuerung der Elektronen allerdings nicht mehr nur im luftleeren Raum statt, sondern in gezielt zusammengesetzten Systemen von Halbleitern und Metallen. Die elektronische Steuerung geschieht nicht mit beweglichen Teilen, sondern ist eine reine Elektronen-Wechselwirkungssteuerung, die durch physikalische Veränderung innerhalb der Metalle und Halbleiter, die in den elektronischen Bauteilen wirkt. In den Bauelementen, die durch elektrische Schalt-Spannung und elektrischen Fluss beeinflusst werden, verändern diese ihre physikalischen Werte wie: elektrischen Widerstand, Kapazität (Elektronenspeichermenge) und Elektronen Flussmenge. Wegen des Fehlens der beweglichen Teile sind - in der Elektronik - die schaltbaren Veränderungen des Transistors eigenschaftsgleich mit dem Schaltrelais der Elektrotechnik. Daher wird der Transistor als Meilenstein der modernen Elektronik bezeichnet, weil der Transistor das Basis-Steuerelement der Elektronik ist.

Die Informatik ist die auf der formalen Logik basierende Kerndisziplin der Elektronik, da die reine Elektronik ohne variabel wirkende Informatik eingeschränkt ist in ihrem Arbeitsbereich. Die logischen Befehlsschritte dieser binären (booleschen) Informatik sind die programmierte Denkstruktur (theoretische Arbeitsanordnung) der Elektronik.

Mechanische Bestandteile wie zum Beispiel Schalter oder Relais fallen nicht unter die Bezeichnung Elektronik. Wichtige Teilbereiche der Elektronik sind die Analogtechnik, die Digitaltechnik und die Hochfrequenztechnik.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Elektronik (grie. elektron = Bernstein): Anfang des 20. Jahrhunderts wurden die ersten Vakuumröhren entwickelt und in ersten 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 dann der erste Transistor vorgestellt. Transistoren können wie Röhren als Verstärker, steuerbare Schalter oder als Oszillator eingesetzt werden. Jedoch im Gegensatz zu Vakuumröhren, die sehr viel Raum und elektrische Leistung brauchen, lassen sich Transistoren sehr klein fertigen, denn sie basieren auf Halbleitertechnologie. In den sechziger Jahren gelang dann die Fertigung von kompletten Schaltungen, bestehend aus mehreren Transistoren und weiteren Bauelementen, auf einem einzigen Siliziumkristall. Die dadurch eingeleitete Technik der Integrierten Schaltkreise (IC) hat seitdem zu einer stetigen Miniaturisierung geführt. Heute zählt die Halbleiterelektronik zu dem wichtigsten Zweig der Elektronik.

Logik der Elektronik

Digitale Schaltungen bestehen hauptsächlich aus Logikelementen, wie AND, NAND, NOR, OR, NOT-Gattern und anderen, mit denen digitale Ein/Aus-Informationen (0/1) miteinander verknüpft werden, z. B. im Rahmen von Zählern oder Flipflops. Theoretisch reicht eine einzige Art (NAND oder NOR) von Gattern aus, daher als „Basis“ bezeichnet, um alle anderen logischen Operatoren zusammenzusetzen. Bei der Digitaltechnik wird meist unter Verwendung der Schaltalgebra das Dualsystem (entsprechend der 0/1 bzw. ein/aus-Unterscheidung) zugrunde gelegt. So lässt sich für jedes Logikelement eine Schaltfunktion erstellen, die ihre Funktionsweise beschreibt.

Als logisch verwendbare elektronische Bauelemente werden beispielsweise Elektronenröhren, Transistoren, Widerstände, Kondensatoren und Spulen verwendet. Durch streng deterministisch arbeitende Verbindung dieser Elemente - insbesondere durch ihre Integration auf einem Chip (monolithische Schaltung) - entstehen komplexere Bauteile wie Multiplexer, Operationsverstärker, Analog-Digital-Wandler usw.

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 Kaskoden, 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 (hoch, niedrig, an aus, 1 oder 0). 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 vorne herein als diskrete Werte. Transistoren werden in der Digitaltechnik in der Regel als Schalter und nicht als Verstärker eingesetzt. Der große Vorteil der Digitalelektronik liegt in der Tatsache, dass im Anschluss an die Digitalisierung die bei der Analogelektronik erwähnten störenden Effekte bei genügend großem Aufwand keine Rolle mehr spielen. 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 20fache 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 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.

Es ist zu beachten, dass die Reduktion auf nur zwei Zustände 1 und 0 eine grobe Vereinfachung der Verhältnisse darstellt, die vor allem bei immer höheren Geschwindigkeiten und Frequenzen nicht immer zulässig ist. Im Grenzfall befindet sich die Schaltung dann den überwiegenden Teil der Zeit über im Übergang zwischen den Endzuständen. Es ist daher zu beobachten, dass für solche Fälle immer mehr analoge Techniken des Entwurfs nötig sind. 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.

Hochfrequenzelektronik

Die Hochfrequenzelektronik oder Hochfrequenztechnik beschäftigt sich vorwiegend mit der Erzeugung bzw. dem Empfang von Funksignalen. Anwendungen davon sind z. B. Rundfunk, Fernsehen, Radar, Fernsteuerung, drahtlose Telefonie, Navigation. Weitere Bereiche der Hochfrequenzelektronik sind Mikrowellentechnik, kabelgebundene Informationsübertragung oder Bereiche der Medizinelektronik. Der Übergang von der Niederfrequenztechnik zur Hochfrequenzelektronik ist fließend.

Bauelemente der Elektronik

Wichtige Bauelemente sind: Elektronenröhre, Halbleiterdiode, Zener-Diode, Transistor, Thyristor, Widerstand, Kondensator, Spule. 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 oft durchgesetzt, man spricht dann von passiven Bauelementen (Spule, Widerstand, Kondensator), im Gegensatz zu den aktiven.

Diese Bauelemente werden in einer großen Typenvielfalt angeboten. Durch exakt berechnete Zuordnung der logisch miteinander arbeitenden elektronischen Bauteile auf einer Platine angeordnet, entstehen die, für die Elektronik so wichtigen Sammelträger für elektrische Schaltkreise. Die minimale Baugröße dieser Elemente sind die SMD-Technik Bauteile und die Gruppierung solcher Bau-Elemente sind die integrierten Schaltkreise auch Chip genannt. Der Träger von diesen Schaltkreisen besteht aus einem Teilelement eines aus Silizium bestehenden Wafers, auch Die genannt.

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 weg zu denken.

Elektronikfertigung

Derzeit werden 38% aller weltweit hergestellten Elektronikprodukte in der Asia-Pacific-Region hergestellt. Im Jahre 1995 war der Anteil noch 20%. Alleine China hat den Anteil im Jahre 1995 von 3% auf derzeit 16% erhöht. Unter den Top 10-Ländern befinden sich u.a. auch Südkorea, Malaysia, Singapore und Thailand. Der Anteil für Westeuropa liegt derzeit bei 19% der globalen Produktion (entspricht ca. 192 Mrd. Euro). In der Leistungsreihenfolge der Größe der Elektronikfertigung in Westeuropa ist derzeit folgendes Ranking: Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien. (Aus Yearbook of World Elektronik Data von Reed Electronics Research, Juni 2006)

Literatur

  • Horowitz, P., Hill, W., The Art of Electronics, Cambridge University Press, ISBN 0-521-37095-7
    Übersetzung:
  • Bohler, Kähler, Weigt, Bauelemente der Elektronik und ihre Grundschaltungen, Stam-Verlag, ISBN 3-8237-0214-9
  • Küpfmüller, K., Kohn, G., Theoretische Elektrotechnik und Elektronik, Eine Einführung, Reihe: Springer-Lehrbuch, 16., vollst. neu bearb. u. aktualisierte Aufl., 2005, XXI, 733 S. 372 Abb., Softcover, ISBN 3-540-20792-9
  • Tietze, U., Schenk, C.: Halbleiter-Schaltungstechnik. ISBN 3-540-42849-6
  • Hering, Bressler, Gutekunst, Elektronik für Ingenieure, Springer, Berlin, 2001, ISBN 3-540-41738-9
  • Schnabel, Patrick, Elektronik-Fibel, 3. vollständig überarbeitete Auflage, 320 Seiten, BoD GmbH, Norderstedt, 2006, ISBN 3-8311-4590-3
  • Goßner, Stefan, Grundlagen der Elektronik, Shaker-Verlag, Aachen, 6. Auflage, 2006, ISBN 3-8265-8825-8

Siehe auch

Für freizeitmäßig betriebene Hobbyelektronik siehe Elektronikbasteln. Für Elektronik im KFZ siehe ZKE.

Usenet-Newsgroups

Das Usenet stellt für die Diskussion rund um die Elektronik die folgenden Newsgroups bereit:

Weblinks

wikt:
Wiktionary
 Wiktionary: Elektronik – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme und Übersetzungen
Wikipedia
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