Elektronik

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. Diese elektronische Steuerung geschieht nicht mit beweglichen Teilen, sondern ist eine reine Elektronenwechselwirkungs-Steuerung, die durch physikalische Veränderung innerhalb der Metalle und Nichtmetalle (Halbleiter), die in den elektronischen Bauteile 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.

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 Strom (genau genommen Spannung) 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 in 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 Analogelektronik oder Analogtechnik beschäftigt sich vor allem mit der Verarbeitung von kontinuierlichen Signalen. Die wichtigste Schaltung der Analogtechnik ist der 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 störende Effekte wie Rauschen oder Nichtlinearitäten Grenzen gesetzt.

Digitalelektronik

Die Digitalelektronik oder Digitaltechnik beschäftigt sich mit der Verarbeitung von diskreten Signalen (ausgedrückt als Zahlen oder logische Werte). Bei der Digitalelektronik werden die Signale entweder vor der Verarbeitung mit Hilfe von Analog-Digital-Wandlern digitalisiert (in Zahlen umgewandelt) oder existieren bereits als digitale Signale. 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 keine Rolle mehr spielen. Bei der Signalverarbeitung können sich z. B. die Spannungspegel in bestimmten, vorgegebenen Bereichen ändern, ohne das entsprechende digitale Signal zu verändern. Die Digitaltechnik hat vor allem durch die immer weiter vorangetriebene Miniaturisierung weite Verbreitung erlangt. Heute lassen sich auf einem integrierten Schaltkreis eine Vielzahl von Funktionen realisieren. Siehe auch Digitaltechnik.

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: Elektronenröhren, Diode, Zener-Diode, Transistor, Thyristor, Widerstand, Kondensator, Spule

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 minimalste 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.

Weblinks

Weiterführende Angaben

Für freizeitmäßig betriebene Hobbyelektronik siehe Elektronikbasteln.

Siehe auch

Liste elektronischer Bauteile | Elektrotechnik | Mikroelektronik | Nanoelektronik | Elektroindustrie | Elektronikschrott |

Literatur

Horowitz, P., Hill, W., The Art of Electronics, Cambridge University Press, ISBN 0-521-37095-7
Übersetzung:
- Horowitz, P., Hill, W., Die hohe Schule der Elektronik, Elektor Verlag,
  - Bd. 1 Analogtechnik, ISBN 3-89576-024-2, Errata
  - Bd. 2 Digitaltechnik, ISBN 3-89576-025-0,
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, BoD GmbH, Norderstedt, 2003, ISBN 3-8311-4590-3
Goßner, Stefan, Grundlagen der Elektronik, Shaker-Verlag, Aachen, 6. Auflage, 2006, ISBN 3-8265-8825-8