Elektronik für Entscheider (eBook)

Dr. Marco Winzker ist Professor an der Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg und lehrt dort Elektrotechnik und Digitaltechnik.

Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 8
Einleitung 12
1 Bedeutung der Elektronik 12
1.1 Kurze geschichtliche Einordnung 12
1.2 Gesellschaftliche Bedeutung 14
1.3 Wirtschaftliche Bedeutung 16
2 Elektrische Ladung, Strom, Spannung 19
2.1 Elektrische Ladung 19
2.2 Strom und Spannung 20
2.3 Zusammenhang von Strom und Spannung 21
2.4 Darstellung als Schaltplan 22
3 Bauelemente der Elektronik 24
3.1 Passive Bauelemente 24
3.2 Aktive Bauelemente 26
3.3 Integrierte Schaltungen 28
3.4 Platinen 29
3.5 Weitere Komponenten 32
4 Analoge Signale 34
4.1 Grundformen analoger Signale 34
4.2 Amplitude und Frequenz 37
4.3 Frequenzbereiche technischer Systeme 39
4.4 Analoge Datenübertragung 41
5 Grundschaltungen der Analogtechnik 43
5.1 Schaltungsdarstellung in der Elektrotechnik 43
5.2 Diodenschaltungen zum Gleichrichten 45
5.3 Verstärkerschaltungen mit Transistoren 47
6 Digitale Signale 51
6.1 Digitaltechnik 51
6.2 Zahlendarstellungen und Codes 53
6.3 Darstellung und Übertragung digitaler Daten 56
6.4 Digitalisierung 58
7 Grundschaltungen der Digitaltechnik 61
7.1 Verarbeitung von digitalen Daten 61
7.2 Schaltungselemente 63
7.3 Speicherelemente 64
7.4 Implementierung digitaler Schaltungen 66
8 Halbleitertechnik und Dotierung 70
8.1 Aufbau der Materie 70
8.2 Leiter, Isolator, Halbleiter 73
8.3 Elektrische Leitung in Halbleitern 74
8.4 Dotierung von Halbleitermaterial 77
9 Dioden und Transistoren 80
9.1 pn-Übergang 80
9.2 Diode 83
9.3 Transistor 84
9.4 Schaltsymbole 86
10 Optoelektronik und Solartechnik 88
10.1 Eigenschaften von Licht 88
10.2 Optoelektronik 88
10.3 Solartechnik 90
11 Entwicklung elektronischer Systeme 94
11.1 Produktentwicklung 94
11.2 Spezi.kation und Schaltungskonzept 96
11.3 Schaltungsentwurf 99
11.4 Veri.kation 101
11.5 Rechnergestützter Schaltungsentwurf 102
12 Fertigung 105
12.1 Beschaffung elektronischer Komponenten 105
12.2 Fertigungsschritte 107
12.3 Auslagerung von Arbeitsschritten 111
12.4 Lebensdauer und umweltverträgliche Fertigung 112
13 Inbetriebnahme 115
13.1 Methodik 115
13.2 Ausstattung der Arbeitsplätze 117
13.3 Messgeräte 119
14 Wirtschaftliche Betrachtungen 123
14.1 Markteinführung von Produkten 123
14.2 Investitionen und Profit 125
14.3 Disruptive Technologien 127
14.4 Patente und ihre Bedeutung 129
15 Integrierte Schaltungen 133
15.1 Überblick 133
15.2 Aufbau integrierter Schaltungen 137
15.3 Entwicklung 139
16 Chip-Technologie 142
16.1 CMOS-Technologie 142
16.2 Funktionsprinzip der CMOS-Technologie 143
16.3 Physikalischer Aufbau 145
16.4 Herstellung 148
17 Halbleiterspeicher 151
17.1 Grundstruktur 151
17.2 Flüchtige Speicher 152
17.3 Nicht.üchtige Speicher 154
18 Elektronik im Kraftfahrzeug 156
18.1 Überblick 156
18.2 Anforderungen an Automobilelektronik 158
18.3 Steuerung und Regelung 160
18.4 Anwendungsgebiete 161
19 Bussysteme in der Automobiltechnik 163
19.1 Grundlagen von Bussystemen 163
19.2 Eigenschaften aktueller Bussysteme 166
20 Embedded System und Mikrocontroller 168
20.1 Anwendungsgebiete 168
20.2 Begriffsbestimmung 169
20.3 Software-Entwicklung für Embedded System 171
Anhang 174
A Fragen zur Selbstkontrolle 174
B Rechnen in der Elektronik 179
C Ausführliche Anwendungsbeispiele 184
C.1 Analogtechnik – Dämmerungsschalter 184
C.2 Digitaltechnik – Elektronischer Würfel 186
C.3 Fertigung – USB-Stick 190
C.4 Embedded System – Stoppuhr 195
Literaturverzeichnis 201
Abbildungsverzeichnis 203
Tabellenverzeichnis 206
Sachwortverzeichnis 207

12 Fertigung (S. 94-95)

In diesem Kapitel lernen Sie, . die wichtigsten Arbeitsschritte bei der Fertigung elektronischer Baugruppen kennen, . die Bedeutung der Beschaffung für die Fertigung, . Nutzen und Probleme der Auslagerung von Fertigungsschritten.

12.1 Beschaffung elektronischer Komponenten

Verfügbarkeit

Die Vorbereitung der Fertigung beginnt bereits während der Schaltungsentwicklung. Für alle verwendeten Bauelemente müssen Verfügbarkeit und Kosten überprüft werden. Schließlich ist es nicht ausreichend, dass ein Bauelement prinzipiell existiert, wenn es in einem Produkt eingesetzt werden soll. Es muss auch in ausreichender Stückzahl und zu kalkulierbaren Kosten für eine Produktion zur Verfügung stehen.

Bei einfachen Bauelementen ist die Verfügbarkeitmeist kein Problem.Widerstände und Kondensatoren werden von mehreren Herstellern angeboten. Falls ein Bauelement von einem Hersteller zeitweise nicht verfügbar ist, kann fast immer ein anderer Hersteller gewählt werden. Um eine Auswahl an Herstellern zu haben, sollten bei der Entwicklung möglichst nur Bauelemente mit Werten aus Normreihen verwendet werden. Diese sind außerdem kostengünstiger, da sie in größeren Stückzahlen produziert und nachgefragt werden.

Beispiel: Für eine Schaltung wird ein Kondensator mit 20 pF (Pikofarad) benötigt. In der Normreihe E6 sind jedoch nur dieWerte 10, 15 und 22 pF verfügbar. Darum sollte bei der Entwicklung geprüft werden, ob die Schaltung auch mit einem Wert von 22 pF funktioniert. Ist dies nicht möglich, ist es eventuell sinnvoll, zwei Kondensatoren mit je 10 pF zu kombinieren.

Auch bei Transistoren und Dioden sind vielfach vergleichbare Bauelemente von anderenHerstellern einsetzbar.Wenn die Bauelemente die gleichen Parameter haben, bezeichnetman den zweiten Hersteller als „Second Source". Sind die Parameter des alternativen Bausteins nicht exakt gleich, aber für die typischen Anwendungen fast übereinstimmend, spricht man von einem Ersatztyp. Für die meisten integrierten Schaltungen sind allerdings keine alternativen Hersteller oder Ersatztypen verfügbar. Dies liegt daran, dass die Hersteller ihre Entwicklungen nicht mit der Konkurrenz teilen wollen. Zwar gibt es manchmal vergleichbare Produkte mit ähnlichem Leistungsumfang, ein Ersatz in der Produktion ist jedoch nicht möglich, da sich die ICs in der konkreten Ausführung voneinander unterscheiden.

Beispiel: Ein Computer kann prinzipiell mit einem Prozessor von Intel oder AMD aufgebaut werden. Allerdings muss die Hauptplatine zu dem Prozessor passen. Es ist nicht möglich, in einem Computer einfach den Prozessor eines Herstellers durch einen Prozessor des anderen Herstellers auszutauschen.

Auch eher unscheinbare Bauelemente wie Steckverbinder können in den Mittelpunkt eines Projektes rücken, wenn sie für die Fertigung nicht verfügbar sind. Steckverbinder können sehr fortschrittliche Bauelemente sein, bei denen viele Leitungen auf kleinem Platz untergebracht sind, ohne dass sich die Leitungen gegenseitig stören. Darum muss generell bei allen Bauelementen die Verfügbarkeit sichergestellt werden.

Fertigungsplanung

Zur Vermeidung von Lieferengpässen ist eine gute Kommunikation zwischen Fertigung und Lieferanten nötig. Prinzipiell sollte die Fertigung möglichst rechtzeitig und möglichst genau den Bauteilbedarf an die Hersteller melden. In der Praxis ist dies natürlich nicht so einfach, da der Bedarf abhängig vom Markterfolg eines Produktes ist. Fertigung als Kunde und Bauteilhersteller als Lieferant sind normalerweise an langfristigen Geschäftsbeziehungen interessiert, haben jedoch auch unterschiedliche Interessen. Der Kunde möchte Zugriff auf möglichst hohe Stückzahlen haben, ohne sich zu verp.ichten, diese auch abzunehmen.

Der Lieferant hingegen möchte seinen Lagerbestand gering halten und möglichst genau so viel produzieren, wie von seinen Kunden bestellt wird. Für einen Betrieb, der elektronische Bauelemente verwendet, ist auf jeden Fall eine rechtzeitige Produktionsplanung erforderlich, denn oft kann ein Hersteller seine Produktion nicht kurzfristig steigern, so dass die Lieferzeit von Bauelementen mehrereMonate betragen kann.