Mechatronische Systeme (Fach) / Hardware (Lektion)

Elektronik- bzw. Mikroelektronik-Hardware

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• Was ist der erste Schritt, um eine bestimmte Funktion hardwaremäßig elektronisch darzustellen ? Schaltung entwickeln oder auswählen
• Welche prinzipiellen Realisierungsmöglichkeiten gibt es, um aus einer elektronischen Schaltung ein Produkt zu machen (3) ? Leiterplatte, Hybrid und Integrierte Schaltung
• Nennen Sie 3 Beispiele für passive und 3 für weitere Bauelemente ! passiv: Widerstand, Kondensator, Spule, Diodeweitere : Schalter, Glühlampe, Stecker
• Welche Anforderungenn sind bei der Auswahl von elektronischen Bauelementen zu beachten (min. 5) ? Toleranz, Temperaturkoeffizient, Bauform: SMD, Leistung,Temperaturbereich, Langzeitstabilität, Preis
• In welchem Temperaturbereich können elektronische Bauteile im industriellen Bereich meist problemlos verwendet werden ? 0 bis ca. 70 ° C
• An einem Widerstand liegen 5V an, es fließt ein Strom von 60mA. Ist der Widerstand mit 0,5 W ausreichend dimensioniert ? Leistung P am Widerstand R = 5V . 0,06 A = 0,3 W. Dimensionierung O.K.
• Erklären Sie anhand einer Skizze mit Blockdarstellung, Ersatzschaltbild mit 2 Dioden und Schaltbild die Funktion eines bipolaren npn-Transistors !    
• Wie gros ist die Gleichstromverstarkung B des Transistors aus dem Datenblatt bei UCE = 5V und IB = 100ƒÊA ? B = IC/IB = 40 mA/100 ìA = 400
• Wie gros ist die differentielle Stromverstarkung in diesem Arbeitspunkt ? (Nehmen Sie IB = 100ƒÊA } 50 ƒÊA an!) â = λIC/λB = (56 - 20)mA/100μA = 360
• Was ist ein FET und welche vorteilhaften Eigenschaften hat er (min. 2) ? FET = FeldeffekttransistorVorteile: leistungslose Steuerung von Strömen möglich, für höhereFrequenzen geeignet, gut geeignet für Integration in ICs
• Zeichnen Sie die Kennlinie einer Diode auf und bezeichnen Sie Durchlass- und Sperrrichtung ! Wie hoch ist der Spannungsabfall in Durchlassrichtung ? Welche Leistung muss bei einem Strom von 2 A in Durchlassrichtung abgeführt werden ? Spannungsabfall in Durchlassrichtung ca. 0,7 V, Leistung = U . I =0,7 V . 2 A = 1,4 W. Dioden sind „stromrichtungsabhängige Widerstände“ und bestehenaus einem PN-Übergang
• Welche Vorteile (4) und welche Probleme (3) birgt die zunehmende Integrationsdichte elektronischer Schaltungen ? Vorteile: Miniaturisierung, Kostenreduktion, erhöhte Zuverlässigkeit,funktionelle Vorteile Probleme: wachsende Komplexität, geringere Flexibilität, hoheEntwicklungs- und Produktionskosten (Risiko!)
• Erstellen Sie die Funktionstabelle für ein And-Gatter ! Wie könnte das Schaltsymbol aussehen ? A     &=Y B  
• Erstellen Sie die Funktionstabelle für ein NOR-Gatter (NOT + OR) ! Wie könnte das Schaltsymbol aussehen ? A >=1oY B  
• Erstellen Sie die Funktionstabelle für ein OR-Gatter ! Wie könnte das Schaltsymbol aussehen ? A >=1 =Y B
• Erstellen Sie die Funktionstabelle für ein EXOR-Gatter! Wie könnte das Schaltsymbol aussehen ? A =1 =Y B
• Erstellen Sie die Funktionstabelle für ein NOTAND-Gatter (NOT + AND) ! Wie könnte das Schaltsymbol aussehen ? A &oY B
• Was sind Flip-Flops Speicherelement: Flip-Flop (bistabile Kippstufe) Flip-Flops können einen Zustand, also 1 bit, speichern, benötigendafür aber bis zu 20 Transistoren.
• Wie ist eine Multilayer-Leiterplatte aufgebaut ? leitende Schicht mit Leiterbahnen zur Verbindung der Bauelementeoder für Masse, Versorgungs-Spannung Isolierschichten Zwischen den leitenden Schichten
• Vorteile und Nachteile von Multilayer-Platinen: Vorteile: •kompaktere Bauweise• bessere EMV-Eigenschaften möglich (Masselayer, günstigereLeitungsführung) Nachteile:• teurer in der Herstellung
• Nennen Sie typische Leiterbahnbreiten für Leiterplatten-, Dickschicht- und Dünnschicht-Technik ! Typisch sind Leiterbahnbreiten und -abstände von 0,3-0,5mm. Die Kupferschicht ist z.B. 17 μm dick.
• Was ist SMT ? Nennen Sie mindestens 4 Vorteile gegenüber bedrahteten Bauelementen ! SMT Surface Mounted Technology Vorteile: • größere Packungsdichte der Bauelemente möglich• automatische Bestückung erleichtert bzw. erst möglich• Anschlußdrähte der Bauelemente entfallen, ebenso Biegen undAbschneiden• auf der Leiterplatte müssen keine Löcher gebohrt werden
• Beschreiben Sie stichwortartig den Herstellungsprozess für eine Platine, die mit bedrahteten und SMD-Bauelementen mischbestückt ist ! 1.Leiterplatte einlegen 2.Kleber aufbringen 3.SMD bestücken 4.Aushärten des Klebers 5.Leiterplatte wenden 6.bedrahtete Bauteile bestücken 7.Flußmittel abwaschen  
• Was ist EMV ? Welche Unterscheidungen gibt es ? Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) • Keine Funktionsstörung durch leitungsgebundene Störquellen z.B.Übersprechen von Kabeln • Keine Funktionsstörung durch elektromagnetische Einstrahlung von außenz.B. durch Radiosender. • Keine Störung anderer Geräte durch eigene Störaussendung.
• Die Bedeutung der EMV steigt auf Grund von? • zunehmendem Elektronikeinsatz, insbesondere digitaler Elektronik • zunehmender „elektromagnetischer Umweltverschmutzung“ z.B. durchMobiltelefone. Relevanter Frequenzbereich 20kHz bis mehrere GHz.
• Beschreiben Sie mit einer Skizze das Wellenlöten ! 1. Die Lötseite der Leiterplatte wird zunächst  mit einem Flußmittel benetzt. 2. Vorheizen um den Lösungsmittelanteil des Flußmittels zu verdampfen 3. Nun wird die Baugruppe über eine oder zwei Lotwellen gefahren  
• Was ist eine Schichtschaltung, was ein Hybrid ? Schichtschaltungen sind integrierte Schaltungen, bei denen wesentlicheTeile der Schaltung (Leiterbahnen, Widerstände, Kondensatoren) ausaufgetragenen Schichten auf einem Träger (Substrat) bestehen.   Ein „Hybrid“ besteht aus einer integrierten Schichtschaltung, die zusätzlich mit diskreten Bauelementen wie Widerständen, Kondensatoren und ungekapselten ICs bestückt ist. Wird manchmal auch Multi-Chip-Modul(MCM) genannt.
• Was sind Dünnschichtschaltungen? Bei Dunnschichtschaltungen werden die Schichten vorzugsweise durchVakuumbeschichtungsverfahren auf Tragern aus Keramik oder Glasaufgebracht und evtl. galvanisch verstärkt. Schichtdicke 0,002 - 5 μm, min.Leiterbahnbreite > 2μm.
• Was sind Dickschichtschaltungen? Bei Dickschichtschaltungen werden die Schichten im Siebdruckverfahren auf keramischen Tragern aufgebracht und anschliesend eingebrannt. Oft werden Bauelemente noch mit dem Laser abgeglichen. Schichtdicke 10-20μm, min. Leiterbahnbreite 200 μm.  
• Reihenfolge bei Leiterplattenfertigung für kleine Stückzahlen? 1 Schaltplan erstellen und auslegen, evtl. simulieren z.B. mit dSpice2 ICs auswahlen auf Grund von Datenblättern (meist im Internet)3 Layout erstellen (Entflechtung) mit Layout-Programmen4 Leiterplatte fertigen5 Leiterplatte sichtprüfen/testen6 Leiterplatte bestücken/Bauteile loten7 Komplett bestückte Leiterplatte testen
• Was ist die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) Als Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) bezeichnet man diemechanische und elektrische Integration der elektronischenBauelemente auf einem Träger sowie die Einbindung in dieGerätekonstruktion.
• Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) nennen Sie die wichtigsten Technologien . 1 Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB)2 Hybrid3 Integration mehrerer unterschiedlicher Chips in ein Gehause
• Wozu werden analoge ICs benötigt ? Analoge ICs verarbeiten Signale mit beliebigen Zwischenwerten Operationsverstärker
• Was ist bei der Verschiedene Realisierung der Hardware gleich ? Gleich: • Funktion (näherungsweise) • Grundelemente der Schaltung (Widerstände, Transistoren, etc.)
• Was ist bei der Realisierung der Hardware verschieden? Verschieden: • Abmessungen, Gewicht, Verpackung• Hardwarekosten, Stückzahl• Entwicklungszeit, -kosten• Umgebungsbedingungen (elektrisch, Vibration, Temperatur,..)• Anforderungen an Zuverlässigkeit (Konsumgut, Industrie, Kfz)
• Anforderungen und Anwendungsklassen von Bauelementen •Elektrische Sicherheit (VDE-Vorschriften)•Max. elektrische Belastbarkeit (Spannung, Strom, Leistung, Impulsform,Frequenz)•Umgebungstemperatur, insbesondere bei Halbleitern unterscheidet man:• Industrieller Bereich 0 °C bis + 70°C• Erweiterter industrieller Bereich, z.B. Kfz - 40°C bis + 130° (Getriebe)• Militärischer Bereich - 55°C bis + 125 °C•Temperaturkoeffizient, d.h. Veränderung des Nennwertes über Temperatur•Langzeitstabilität der elektrischen Kennwerte (Alterung)•Feuchtigkeit, Staub, Einstrahlung•max. Schwingungsbelastbarkeit•Genauigkeit/Toleranzen, Qualität, Preis
• Funktion:(Ohm‘scher) Widerstand? Strom begrenzen, Spannungsabfall erzeugen
• Funktion:Bauelement Kondensator? Ladung speichern (wie Batterie, jedoch weniger und schneller),Spannungen filtern/glätten, frequenzabhängiger Widerstand: fällt mit steigender Frequenz der Wechselspannung, sperrt Gleichstrom nach dem Laden..
• Was sind und Wozu dienen halbleiter? Halbleiter dienen zum Schalten, Verstärken und (Gleich)richten vonStrömen (z.B. Dioden, Transistoren). Darüber hinaus liegt ihre Bedeutungin der Sensorik und Energiewandlung (z.B. LED, Photovoltaik)
• Nennen Sie 3 Halbleitermaterial? Als Halbleitermaterial sind vor allem Silizium (Si), aber auch Germaniumoder Galliumarsenid von Bedeutung.
• Was ist Dotierung? Durch Einbau von Fremdatomen ins Kristallgitter (Dotierung) von Silizium(4 Bindungselektronen) entstehen zusätzliche freie Ladungsträger:
• Was ist P-Dotierung P-dotiert: z.B. Bor B, Indium In (3 = 4 – 1 Bindungselektronen)-> Defektelektronen („Löcher“) als positive Ladungsträger
• Was ist N-Dotierung? N-dotiert: z.B. Phosphor P, Antimon Sb (5 = 4 +1 Bindungselektronen)-> je 1 Zusatzelektron als negativer Ladungsträger.
• Funktion:Bauelement Diode? Stromrichten (nur eine Richtung), z.B. Wechsel inGleichstrom wandeln, Verpolschutz
• Funktion:Bauelement Transistor? - Strom und/oder Spannung verstärken (analog)- Strom und/oder Spannung schalten (digital)
• Die reale physikalische Welt ist meist analog (= werte- und zeitkontinuierlich). D.h. Messaufnehmersignale sind zunächst analog und müssen oft vor der Digitalisierung verstärkt werden. Auch Aktoren (z.B. Gleichstrommotor) werden oft analog angeste Mess-Element AnalogeSignale DigitaleSignalverarbeitung Analogeod. digitale Signale Aktor

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