Table Of ContentMarco Winzker
Elektronik
für Entscheider
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vieweg
Marco Winzker
Elektronik
für Entscheider
Grundwissen für
Wirtschaft und Technik
Mit 120 Abbildungen, 6 Tabellen, 26 Beispielen,
16 Übungen und 82 Aufgaben
Vieweg Praxiswissen
Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
<http://dnb.d-nb.de> abrufbar.
1. Auflage 2008
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2008
Lektorat: Reinhard Dapper
Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media.
www.vieweg.de
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt.
Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes
ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt
insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen
und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Umschlaggestaltung:Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
Technische Redaktion: FROMM MediaDesign, Selters/Ts.
Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN 978-3-8348-0288-0
V
Vorwort
Bei der Entwicklung, Produktionund VermarktungelektronischerGüter arbeiten Personen
ausverschiedenenFachgebieteninterdisziplinärzusammen,umProduktezumrichtigenPreis,
mit den richtigen Eigenschaften und zum richtigen Zeitpunkt anbieten zu können. Jedoch
könnenKosten,QualitätundEntwicklungszeiteinesProduktesnichtunabhängigvoneinan-
der optimiert werden. Also müssen die Verantwortlichen eines Projektes miteinander über
Projektzielekommunizierenkönnen.
DarumvermittelnHochschulenindenIngenieurstudiengängenindeutlichemUmfangnicht-
technischeThemen,wieBetriebswirtschaftslehre,ProjektmanagementundRecht.Ingenieure
können so die Sichtweise von „Nicht-Technikern“verstehen und ihnen technische Zusam-
menhängebesservermitteln.
DiesesBuchsollder„anderenSeite“,denManagern,Betriebswirten,Juristen,PR-Fachleuten
und Journalisten, aber auch Ingenieurenaus anderenFachgebieten,die Möglichkeitgeben,
sicheinStückaufdasGebietderElektronikzubegeben,umsowohlAufgabenalsauchSpra-
che und Denkweise der Ingenieure verstehen zu können. Ziel ist es dabei nicht, dass Sie
nachdemLesendiesesBucheseineelektronischeSchaltungentwickelnkönnen.ImVorder-
grundstehtvielmehreingenerellesVerständnisfürdieZusammenhängeundGrundbegriffe
derElektronik.
GrundlagefürKommunikationisteinegemeinsameSprache,darumwerdendiewesentlichen
Fachausdrückeeingeführtunderläutert.FormelnhingegenbrauchenSienichtzulernen.An
den wenigenStellen, an denen danndoch eine Formelauftaucht,steht sie zusätzlich zu ei-
nem im Text erläuterten Zusammenhang und dient als Brücke zu einer ingenieurmäßigen
Darstellung.
EinWortzumAufbau.Ichwürdemichnatürlichfreuen,wennSiediesesBuchsospannend
finden,dassSieesohneinnezuhaltenvonvornebishintenlesen.Ichfreuemichabergenauso,
wennSiesichgenaudieInformationenheraussuchen,dieSiefürIhrespezielleFragestellung
benötigen.UndhierhatsicherderPR-LeitereinesIT-DienstleistersandereSchwerpunkteals
dieJuristinmiteinemMandantenausderElektronikfertigung.
DieeinzelnenKapitelkönnendarumrelativunabhängigvoneinandergelesenwerden.Bezüge
zwischendenKapitelnwerdenhergestellt;esistIhnenaberfreigestellt,diesenVerbindungen
zu folgen.Für Ihre Auswahl und ÜbersichtsorgenLernziele am Anfang der Kapitel sowie
eineZusammenfassungderwichtigstenAussagenamKapitelende.
DiezumVerständnisnotwendigenallgemeinenInformationenüberElektrizitätundelektro-
nischeBauelementewerdenimAbschnitt„Grundwissen“erläutert.DiesenAbschnittsollten
SiesichaufjedenFallansehen,wobeiIhnen,jenachVorwissen,dieseInformationenmögli-
cherweiseschonbekanntsind.
VI Vorwort
ImAnhangdesBuchesfindenSieWiederholungs-undTransferfragenzudenKapiteln.Au-
ßerdemsinddortzurVertiefungundalsweitererPraxisbezugmehrereausführlicheAnwen-
dungsbeispielefürelektronischeSchaltungenenthalten.
Das vorliegende Buch entstand aus der Vorlesung „Elektronik für Technikjournalisten“ an
der FachhochschuleBonn-Rhein-Sieg.Den Studentinnenund Studenten danke ich für ihre
FragenundskeptischenBlickeandenStellen,andenenichSachverhaltenochbessererklären
musste.
Für vielfältige Anregungenzu Inhaltund Formgeht mein Dank an Fachleute aus Industrie
undHochschule,vondenenichhierinsbesondereProf.Dr.-Ing.KlausGrüger,Prof.Dr.Irene
Rothe,Dr.-Ing.MirjamSchönfeldundDipl.-Ing.AndreaSchwandtnennenmöchte.Fürdie
BereitstellungvonaktuellemBildmaterialdankeichdenjeweilsangegebenenFirmen.Beson-
derserwähntseidieFirmaFreescalefürdieumfangreichen,imAnhangzitiertenUnterlagen.
Mein größterDankgehtan meineEltern undmeineFrau fürihre stete Unterstützung,weit
überdieErstellungdiesesBucheshinaus.
Königswinter,imNovember2007 MarcoWinzker
VII
Inhaltsverzeichnis
Vorwort .................................................................. V
Einleitung 1
1 BedeutungderElektronik ............................................... 1
1.1 KurzegeschichtlicheEinordnung ...................................... 1
1.2 GesellschaftlicheBedeutung .......................................... 3
1.3 WirtschaftlicheBedeutung............................................ 5
Grundwissen 8
2 ElektrischeLadung,Strom,Spannung .................................... 8
2.1 ElektrischeLadung.................................................. 8
2.2 StromundSpannung................................................. 9
2.3 ZusammenhangvonStromundSpannung............................... 10
2.4 DarstellungalsSchaltplan ............................................ 11
2.5 ÜbersichtüberFormelzeichenundEinheiten ............................ 12
3 BauelementederElektronik ............................................. 13
3.1 PassiveBauelemente................................................. 13
3.2 AktiveBauelemente ................................................. 15
3.3 IntegrierteSchaltungen............................................... 17
3.4 Platinen............................................................ 18
3.5 WeitereKomponenten ............................................... 21
Analog-und Digitaltechnik 23
4 AnalogeSignale ........................................................ 23
4.1 GrundformenanalogerSignale ........................................ 23
4.2 AmplitudeundFrequenz ............................................. 26
4.3 FrequenzbereichetechnischerSysteme.................................. 28
4.4 AnalogeDatenübertragung ........................................... 30
5 GrundschaltungenderAnalogtechnik ..................................... 32
5.1 SchaltungsdarstellunginderElektrotechnik ............................. 32
5.2 DiodenschaltungenzumGleichrichten.................................. 34
5.3 VerstärkerschaltungenmitTransistoren ................................. 36
VIII Inhaltsverzeichnis
6 DigitaleSignale ......................................................... 40
6.1 Digitaltechnik ...................................................... 40
6.2 ZahlendarstellungenundCodes........................................ 42
6.3 DarstellungundÜbertragungdigitalerDaten ............................ 45
6.4 Digitalisierung...................................................... 47
7 GrundschaltungenderDigitaltechnik ..................................... 50
7.1 VerarbeitungvondigitalenDaten ...................................... 50
7.2 Schaltungselemente.................................................. 52
7.3 Speicherelemente ................................................... 53
7.4 ImplementierungdigitalerSchaltungen ................................. 55
Halbleitertechnik 59
8 HalbleitertechnikundDotierung ......................................... 59
8.1 AufbauderMaterie.................................................. 59
8.2 Leiter,Isolator,Halbleiter............................................. 62
8.3 ElektrischeLeitunginHalbleitern...................................... 63
8.4 DotierungvonHalbleitermaterial ...................................... 66
9 DiodenundTransistoren ................................................ 69
9.1 pn-Übergang ....................................................... 69
9.2 Diode ............................................................. 72
9.3 Transistor .......................................................... 73
9.4 Schaltsymbole ...................................................... 75
10 OptoelektronikundSolartechnik ......................................... 77
10.1 EigenschaftenvonLicht.............................................. 77
10.2 Optoelektronik...................................................... 77
10.3 Solartechnik........................................................ 79
Entwicklung und Fertigung 83
11 EntwicklungelektronischerSysteme ...................................... 83
11.1 Produktentwicklung ................................................. 83
11.2 SpezifikationundSchaltungskonzept ................................... 85
11.3 Schaltungsentwurf................................................... 88
11.4 Verifikation ........................................................ 90
11.5 RechnergestützterSchaltungsentwurf................................... 91
12 Fertigung .............................................................. 94
12.1 BeschaffungelektronischerKomponenten............................... 94
12.2 Fertigungsschritte ................................................... 96
12.3 AuslagerungvonArbeitsschritten......................................100
12.4 LebensdauerundumweltverträglicheFertigung ..........................101
Inhaltsverzeichnis IX
13 Inbetriebnahme ........................................................104
13.1 Methodik ..........................................................104
13.2 AusstattungderArbeitsplätze .........................................106
13.3 Messgeräte.........................................................108
14 WirtschaftlicheBetrachtungen ...........................................112
14.1 MarkteinführungvonProdukten .......................................112
14.2 InvestitionenundProfit...............................................114
14.3 DisruptiveTechnologien..............................................116
14.4 PatenteundihreBedeutung ...........................................118
Mikro-und Nanoelektronik 122
15 IntegrierteSchaltungen .................................................122
15.1 Überblick ..........................................................122
15.2 AufbauintegrierterSchaltungen .......................................126
15.3 Entwicklung........................................................128
16 Chip-Technologie .......................................................131
16.1 CMOS-Technologie .................................................131
16.2 FunktionsprinzipderCMOS-Technologie ...............................132
16.3 PhysikalischerAufbau ...............................................134
16.4 Herstellung.........................................................137
17 Halbleiterspeicher ......................................................140
17.1 Grundstruktur ......................................................140
17.2 FlüchtigeSpeicher...................................................141
17.3 NichtflüchtigeSpeicher ..............................................143
Automobilelektronik und Embedded System 145
18 ElektronikimKraftfahrzeug .............................................145
18.1 Überblick ..........................................................145
18.2 AnforderungenanAutomobilelektronik.................................147
18.3 SteuerungundRegelung..............................................149
18.4 Anwendungsgebiete .................................................150
19 BussystemeinderAutomobiltechnik ......................................152
19.1 GrundlagenvonBussystemen .........................................152
19.2 EigenschaftenaktuellerBussysteme....................................155
20 EmbeddedSystemundMikrocontroller ...................................157
20.1 Anwendungsgebiete .................................................157
20.2 Begriffsbestimmung .................................................158
20.3 Software-EntwicklungfürEmbeddedSystem ............................160
X Inhaltsverzeichnis
Anhang 163
A FragenzurSelbstkontrolle ...............................................163
B RechneninderElektronik ...............................................168
C AusführlicheAnwendungsbeispiele .......................................173
C.1 Analogtechnik–Dämmerungsschalter..................................173
C.2 Digitaltechnik–ElektronischerWürfel .................................175
C.3 Fertigung–USB-Stick ...............................................179
C.4 EmbeddedSystem–Stoppuhr.........................................184
Literaturverzeichnis .......................................................190
Abbildungsverzeichnis .....................................................192
Tabellenverzeichnis ........................................................195
Sachwortverzeichnis .......................................................196
