Elektronische Bauelemente: Widerstände, Halbleiter, Dioden & Relais

Variable Widerstände

Variable Widerstände sind elektronische Bauelemente, deren elektrischer Widerstand sich unter bestimmten Bedingungen ändert.

Arten von variablen Widerständen:

• Fotowiderstände (LDR)

  Fotowiderstände (LDR) sind lichtempfindliche Zellen, deren elektrischer Widerstand vom Licht abhängt, das sie empfangen.

• Thermorwiderstände

  Thermorwiderstände bestehen aus einem Metalldraht, dessen Widerstand mit der Temperatur variiert. Die Beziehung wird oft durch die Formel Rt = Ro (1 + αΔT) beschrieben.

• Thermistoren

  Thermistoren sind variable Widerstände, deren Widerstand sich mit der Temperatur ändert, die jedoch nicht aus metallischen Leitern, sondern aus Halbleitern bestehen.

• Varistoren (VDR)

  Varistoren (VDR) sind Komponenten, deren Widerstand von der angelegten Spannung abhängt. Die Beziehung zwischen Spannung und Stromstärke ist dabei nicht linear, oft beschrieben als I = ±(k · U^α).

Halbleiter

Halbleiter sind Festkörper, die eine Zwischenstellung zwischen Leitern und Isolatoren einnehmen. Während sie bei niedrigen Temperaturen Isolatoren sind, werden sie bei hohen Temperaturen zu guten Leitern.

Die speziellen Eigenschaften von Halbleitern lassen sich mit der Bändertheorie erklären. Zwischen den Bändern gibt es Lücken, sogenannte verbotene Energiebänder, die nur überwunden werden können, wenn genügend Energie zugeführt wird.

Bei Isolatoren ist das energieärmere Valenzband vollständig mit Elektronen der Atome besetzt, während das obere Leitungsband leer ist und durch eine sehr breite Bandlücke getrennt ist. In Isolatoren befinden sich alle Leitungselektronen im Valenzband, das voll ist und keine Bewegung zur Erzeugung eines Stroms zulässt.

Halbleiter haben eine Bandstruktur, die der von Isolatoren sehr ähnlich ist, jedoch mit dem Unterschied, dass die Breite der Bandlücke sehr klein ist. Halbleiter sind normalerweise Isolatoren, aber eine Temperaturerhöhung verleiht den Elektronen genügend Energie, um die Bandlücke zu überwinden und in das Leitungsband zu springen, wodurch sie das Valenzband verlassen und eine entsprechende Lücke (Loch) hinterlassen.

Intrinsische Halbleiter

Die Löcher können sich durch den Kristall unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes bewegen. Dies wird als intrinsische Leitfähigkeit bezeichnet, da sie auf den Elektronen im Halbleiter selbst beruht, wobei zwei Arten von Ladungsträgern, Elektronen und Löcher, vorhanden sind.

Extrinsische Halbleiter (Dotierung)

Eine andere Methode, die Leitfähigkeit zu erhöhen, ist das Hinzufügen von Verunreinigungen, bekannt als Dotierung. Die durch Fremdatome erzeugte Leitfähigkeit wird als extrinsische Leitfähigkeit bezeichnet.

• N-Typ-Halbleiter

  Wenn ein freies Elektron ohne ein Loch abgegeben wird, spricht man von einem N-Typ-Halbleiter, dessen elektrische Leitfähigkeit auf negativ geladenen Leitungselektronen beruht.

• P-Typ-Halbleiter

  Man kann auch einen Elektronenakzeptor hinzufügen, der eine unvollständige Bindung eingeht und einen Überschuss an Löchern erzeugt. Ein auf diese Weise dotierter Halbleiter wird als P-Typ-Halbleiter bezeichnet, da die Löcher sich wie positive Ladungsträger verhalten.

PN-Übergang

An einem PN-Übergang diffundieren Löcher aus dem P-Gebiet in das N-Gebiet und Elektronen aus dem N-Gebiet in das P-Gebiet.

• Sperrpolarisierung (Reverse Bias)

  Hierbei fließt nur ein geringer Strom durch Minoritätsladungsträger. Dieser Strom wird als Leckstrom bezeichnet.

• Durchlasspolarisierung (Forward Bias)

  Hierbei fließt ein hoher Strom durch Majoritätsladungsträger.

Halbleiterdioden

Halbleiterdioden sind elektronische Bauteile, die den Stromfluss nur in eine Richtung ermöglichen. Das heißt, sie leiten Strom, wenn sie in Durchlassrichtung polarisiert sind, und blockieren ihn, wenn die Polarisation umgekehrt wird.

• Zener-Diode

  Eine Diode, die speziell für den Betrieb im Sperrbereich entwickelt wurde. Sie hält eine bestimmte Sperrspannung (Zener-Spannung) aufrecht, auch wenn der Strom variiert.

• LED (Leuchtdiode)

  Emittiert Licht, wenn sie von einem bestimmten Strom durchflossen wird.

• Schottky-Diode

  Eine Diode, die aus einem Übergang zwischen einem N-Typ-Halbleiter und einem Metall besteht. Sie zeichnet sich durch hohe Schaltgeschwindigkeiten aus.

• Photodiode

  Zeigt im Sperrbetrieb eine erhöhte Leitfähigkeit unter Lichteinwirkung.

• Leistungsdiode

  Muss in der Lage sein, hohe Ströme mit geringem Spannungsabfall in Durchlassrichtung zu führen und hohe Sperrspannungen mit geringem Leckstrom in Sperrrichtung zu widerstehen.

Relais

Ein Relais ist ein elektromechanischer Schalter, der einen hochleistungsfähigen Stromkreis mittels eines viel kleineren Steuerstroms schaltet. Es wird durch einen Elektromagneten geöffnet oder geschlossen.

Funktionsweise

Während manche Relais nur aktiv bleiben, solange ein Taster gedrückt wird, gibt es in einigen Schaltungen auch Relais, die nach dem Loslassen des Tasters weiterhin eingeschaltet bleiben. Dies wird als Rastfunktion oder Selbsthaltung bezeichnet und wird oft durch eine Triggerschaltung realisiert, bei der das Drücken eines Tasters den Stromfluss durch die Relaisspule aufrechterhält.

Relais-Typen

• Apolare Relais

  Funktionieren unabhängig von der Stromrichtung.

• Polare Relais

  Abhängig von der Richtung des Erregerstroms.

• Quecksilber-Schaltrelais

  Mit Quecksilberkontakten.

• Verzögerungsrelais

  Schalten mit einer bestimmten Zeitverzögerung.

• Intermittierende Relais

  Kontakte werden periodisch geöffnet oder geschlossen.

• Resonanzrelais

  Funktionieren bei einer bestimmten Frequenz.

• Schutzrelais

  Dienen dem Schutz elektrischer Anlagen.

Anwendungsgebiete

• Aufzüge
• TV-Fernbedienungen
• Garagentore
• Industrielle Steuerungen
• Automobiltechnik