Elektronik

Grundlagen und Bauelemente

Elektronik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik. Sie ist die Wissenschaft und Technik der Steuerung elektrischen Stromes durch elektronische Schaltungen. Eine elektronische Schaltung enthält mindestens ein aktives Bauelement, zum Beispiel eine Vakuumröhre oder ein Halbleiter-Bauelement. Aktive Bauelemente besitzen prinzipiell eine nichtlineare Kennlinie; passive elektrische und elektronische Bauelemente verhalten sich meist eher linear.

Elektronik erzeugt und verarbeitet elektrische Signale. Dazu gehören Informationsverarbeitung, Signalverstärkung und Signalaufbereitung (Signal-Konditionierung). Die Leistungselektronik wandelt dagegen elektrische Energie hinsichtlich Spannung, Strom, Schwingungsform oder Frequenz um. Die Optoelektronik erzeugt, verwendet und erkennt Licht im Zusammenhang mit elektronischen Schaltungen.

Zu den wichtigen Bauelementen gehören Widerstand, Kondensator, Transistor, Diode, Spule und integrierte Schaltung (IC). Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten werden meist als passive Bauelemente bezeichnet. Zu den aktiven Bauelementen zählen Halbleiterbauelemente, integrierte Schaltungen und Elektronenröhren. SMD-Bauelemente (Surface-Mount Devices) sind meist besonders kompakt und werden direkt auf die Oberfläche einer Leiterplatte gelötet.

Durch die berechnete Anordnung logisch zusammenwirkender Bauteile auf einer Platine entsteht ein elektronischer Schaltkreis. Elektronische Schaltungen werden meist auf Leiterplatten aufgebaut und zu Baugruppen, Geräten und Apparaten zusammengefügt. Ein moderner Prozessor ist ein selbstständig und logisch arbeitender Rechen-Operator-Chip. Er findet sich nicht nur auf dem Mainboard eines Computers, sondern auch in der Industrie- und Fahrzeugtechnik.

Analog- und Digitaltechnik

Die Analogtechnik verarbeitet stetige Signale. Grundlage sind die physikalischen Gesetze, die das Verhalten von Widerständen, Kondensatoren, Transistoren, Röhren und anderen Bauelementen beschreiben. Zu den Grundschaltungen gehören Stromquellen, Stromspiegel, Differenzverstärker, Kaskaden und Bandabstandsreferenzen. Mit ihnen lassen sich unter anderem Verstärker, Operationsverstärker, Oszillatoren und Filter aufbauen.

Operationsverstärker-Schaltungen können mathematische Operationen wie Addition, Subtraktion, Integration und Differentiation ausführen. Auch strenge Frequenzfilter und Diskriminatoren gehören zur Analogtechnik. Analogrechner wurden früher zum Lösen von Differentialgleichungen eingesetzt. Die Analogtechnik bildet prinzipiell die Grundlage der Digitaltechnik, wird bei der Signalverarbeitung aber zunehmend durch digitale Verfahren ersetzt, weil diese weniger durch Bauteiltoleranzen und Signalstörungen beeinträchtigt werden.

Die Digitaltechnik verarbeitet diskrete Signale, die als Zahlen oder logische Werte dargestellt werden. In der Praxis verwendet man meist zweiwertige Systeme: Spannungen oder Ströme nehmen – abgesehen von Übergangsvorgängen – die Zustände an/aus, 1/0 oder high/low (H/L) an. Bei zeitdiskreten Systemen dürfen sich die Werte nur zu bestimmten, meist gleichmäßig verteilten Zeitpunkten ändern; ein Takt gibt diese Zeitpunkte vor. Analog-Digital-Umsetzer wandeln analoge Signale in Digitalsignale um. Transistoren dienen dabei als Schaltverstärker, zur Signalverknüpfung und als Speicherzellen.

Die Digitalisierung kann zunächst den Bauteilaufwand erhöhen. Eine analoge Schaltung mit einem Fehler von 0,1 % kann ab ungefähr 10 Bit Datenbreite von einer digitalen Schaltung übertroffen werden, denn 2^{10} = 1024. Ein analoger Multiplizierer benötigt etwa zwanzig Transistoren, ein digitaler Multiplizierer mit derselben Genauigkeit mehr als die zwanzigfache Anzahl. Die Miniaturisierung gleicht diesen Mehraufwand jedoch zunehmend aus. Auf einem integrierten Schaltkreis können beispielsweise 10 Millionen Transistoren untergebracht werden. Ihre Parameter dürfen sich dabei erheblich unterscheiden, ohne dass die Funktion verloren geht; dadurch sinken Kosten- und Flächenaufwand.

Digitale Schaltungen, auch Schaltsysteme oder logische Schaltungen genannt, bestehen vor allem aus Logikgattern wie AND-, NAND-, NOR-, OR- und NOT-Gattern sowie Speichern wie Flipflops und Zählern. Als integrierte Schaltungen bilden sie unter anderem Mikroprozessoren und FPGAs. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten reicht die vereinfachte Beschreibung mit H und L jedoch nicht immer aus. Übergangsvorgänge, analoge Eigenschaften und die Metastabilität von Flipflops können Jitter und Ungenauigkeiten verursachen.

Hochfrequenz, Leistung und Miniaturisierung

Die Hochfrequenztechnik befasst sich mit der Erzeugung, Ausstrahlung, dem Empfang und der Verarbeitung elektromagnetischer Wellen. Beispiele sind Rundfunk, Fernsehen, Radar, Fernsteuerung, Funktelefone, Satellitennavigation und Mikrowellentechnik. Außerdem behandelt sie die Vermeidung unerwünschter Schwingungen und Störungen (elektromagnetische Verträglichkeit, EMV) sowie die Abschirmung gegen unkontrollierte Abstrahlung.

Hochfrequenztechnische Kenntnisse werden auch für digitale Schaltungen wichtiger, weil deren Taktfrequenzen im Gigahertz-Bereich liegen. Dispersion bei der Signalausbreitung sowie parasitäre Effekte erschweren die Entwicklung. Dazu zählen die Eigenkapazität von Induktivitäten, Leitungen und Anschlüssen sowie die Eigeninduktivität von Kondensatoren, Leitungen und Anschlüssen. Dadurch werden Schaltungssimulation und der Entwurf von Schaltkreisen und Leiterplatten schwieriger.

Leistungselektronik ist das Teilgebiet der Elektrotechnik, das elektrische Energie mithilfe elektronischer Bauelemente umformt. Energieumformung mit Transformatoren oder rotierenden Maschinensätzen wird nicht zur Leistungselektronik gerechnet.

Die Mikroelektronik entwickelt und fertigt integrierte Schaltkreise mit typischen Strukturgrößen beziehungsweise Strukturbreiten unter 100 Mikrometern. Wird die Grenze von 100 Nanometern unterschritten, spricht man teilweise von Nanoelektronik. Die kleinsten Strukturbreiten integrierter Schaltkreise in Serienproduktion lagen laut Artikel 2018 bei 7 nm (Apple A12 Bionic) und 2020 bei 5 nm (Apple A14 Bionic). Die zunehmende Miniaturisierung lässt integrierte Schaltungen aus vielen Bauelementen an die Stelle diskret aufgebauter Schaltungen treten.

Entwurf, Fertigung und gesellschaftliche Bedeutung

Elektronische Systeme und Leiterplatten werden mit rechnergestützten Entwurfshilfen entwickelt. Die deutsche Bezeichnung lautet „Entwurfsautomatisierung elektronischer Systeme“, im Englischen Electronic Design Automation (EDA). EDA wird meist als Teilgebiet von computer-aided design (CAD) oder computer-aided engineering (CAE) verstanden; auch ECAD (electronic CAD) ist gebräuchlich. Bis zu einem gewissen Komplexitätsgrad können der professionelle Entwicklungs- und Fertigungsprozess elektronischer Baugruppen mit freier und Open-Source-Software (FOSS) wie KiCad durchgeführt werden.

Elektronik, ihre Miniaturisierung und ihre wachsende Funktionalität beeinflussen gesellschaftliches Leben und Warenproduktion. Sie ermöglichten unter anderem die Entwicklung des Computers zum Heimgerät und des Funktelefons zur Kommunikationsplattform. In industrieller Fertigung, Landwirtschaft und Medizintechnik führten sie zu großen Effizienz- und Qualitätssteigerungen. Entwicklung, Planung, Entwurf, Projektierung und Konstruktion sind ohne elektronische Datenverarbeitung kaum noch möglich.

Die kommerzielle Elektronikfertigung verlagerte sich zunehmend in die Asien-Pazifik-Region. 2007 kamen 38 % aller weltweit hergestellten Elektronikprodukte aus dieser Region; 1995 waren es 20 %. China steigerte seinen Anteil von 3 % im Jahr 1995 auf 16 % im Jahr 2007. Zu den zehn führenden Ländern gehörten außerdem Südkorea, Malaysia, Singapur und Thailand. Westeuropa hatte 2007 einen Anteil von 19 % an der globalen Produktion, entsprechend etwa 192 Milliarden Euro. Für Westeuropa galt 2006 bei der Größe der Elektronikfertigung die Reihenfolge Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Irland und Italien.

Berufliche Wege und Studium

Der Artikel beschreibt die beruflichen Bildungswege ausdrücklich am Beispiel Deutschlands. Eine Fortbildung zum Elektromeister findet an einer Meisterschule statt und dauert ein Jahr in Vollzeit oder zwei Jahre berufsbegleitend. Eine Fortbildung zum Elektrotechniker kann an einer Technikerschule in vier Semestern Vollzeit oder acht Semestern berufsbegleitend absolviert werden.

Elektronik wird an vielen Universitäten, Fachhochschulen und Dualen Hochschulen als Studiengang angeboten. An Universitäten steht die wissenschaftliche Arbeit im Vordergrund. An Fachhochschulen und Berufsakademien liegt der Schwerpunkt stärker auf der Anwendung physikalischer Kenntnisse. Zu konkreten Ausbildungsberufen enthält der vorliegende Artikelabschnitt keine näheren Angaben.