Die innere Schönheit der Basiselektronik

Open Circuits zeigt die überraschende Komplexität passiver Komponenten

Eric Schlaepfer hat es versucht Er musste ein kaputtes Testgerät reparieren, als er auf die Ursache des Problems stieß – einen defekten Tantalkondensator. Die Komponente war irgendwie kurzgeschlossen und er wollte wissen, warum. Also polierte er es für einen Blick hinein. Er hat nie die Quelle des Kurzfilms gefunden, aber er und sein Mitarbeiter Windell H. Oskay haben etwas noch Besseres entdeckt: eine atemberaubende verborgene Welt in der Elektronik. Es folgten Stunden um Stunden des Polierens, Reinigens und Fotografierens, die zu Open Circuits: The Inner Beauty of Electronic Components (No Starch Press, 2022) führten, von dem hier ein Auszug folgt. Wie die Autoren schreiben, ist alles an diesen Komponenten bewusst darauf ausgelegt, bestimmte technische Anforderungen zu erfüllen, aber dieses Design führt zu „zufälliger Schönheit: der aufkommenden Ästhetik von Dingen, die man nie zu sehen erwartet hätte“.

Aus einem Buch, das die weite Welt der Elektronik abdeckt, fanden wir bei IEEE Spectrum das Innere von Dingen, über die wir nicht viel nachdenken, überraschend überzeugend: passive Komponenten. Transistoren, LEDs und andere Halbleiter mögen zwar im Mittelpunkt stehen, aber die einfache Physik von Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten hat ihre ganz eigene Pracht.

Alle Fotos von Eric Schlaepfer & Windell H. Oskay

Dieser hochstabile Filmwiderstand mit einem Durchmesser von etwa 4 Millimetern ist weitgehend auf die gleiche Weise wie sein kostengünstiger Carbonfilm-Widerstand hergestellt, jedoch mit höchster Präzision. Ein Keramikstab wird mit einer feinen Schicht eines Widerstandsfilms (dünnes Metall, Metalloxid oder Kohlenstoff) beschichtet und anschließend wird eine perfekt gleichmäßige spiralförmige Rille in den Film eingearbeitet.

Anstatt den Widerstand mit Epoxidharz zu beschichten, ist er hermetisch in einer glänzenden kleinen Glashülle eingeschlossen. Dadurch wird der Widerstand robuster und eignet sich ideal für Spezialfälle wie Präzisionsreferenzinstrumente, bei denen die Langzeitstabilität des Widerstands von entscheidender Bedeutung ist. Die Glashülle bietet eine bessere Isolierung gegen Feuchtigkeit und andere Umweltveränderungen als Standardbeschichtungen wie Epoxidharz.

Es sind 15 Umdrehungen einer Einstellschraube erforderlich, um ein 15-Gang-Trimmerpotentiometer von einem Ende seines Widerstandsbereichs zum anderen zu bewegen. Schaltkreise, die mit feiner Auflösungssteuerung angepasst werden müssen, verwenden diese Art von Trimmpotentiometer anstelle der Single-Turn-Variante.

Das Widerstandselement in diesem Trimmer ist ein Cermet-Streifen – ein Verbundwerkstoff aus Keramik und Metall – der im Siebdruckverfahren auf ein weißes Keramiksubstrat aufgebracht ist. Siebgedrucktes Metall verbindet jedes Ende des Streifens mit den Verbindungsdrähten. Es handelt sich um eine abgeflachte, lineare Version des hufeisenförmigen Widerstandselements in Single-Turn-Trimmern.

Durch Drehen der Einstellschraube wird ein Kunststoffschieber entlang einer Schiene bewegt. Der Schleifer ist ein Federfinger, ein federbelasteter Metallkontakt, der am Schieber befestigt ist. Es stellt den Kontakt zwischen einem Metallstreifen und dem ausgewählten Punkt auf dem Widerstandsfilmstreifen her.

Kondensatoren sind grundlegende elektronische Komponenten, die Energie in Form statischer Elektrizität speichern. Sie werden auf unzählige Arten eingesetzt, unter anderem zur Massenspeicherung von Energie, zur Glättung elektronischer Signale und als Speicherzellen in Computern. Der einfachste Kondensator besteht aus zwei parallelen Metallplatten mit einem Spalt dazwischen. Kondensatoren können jedoch viele Formen annehmen, solange zwei leitende Oberflächen, sogenannte Elektroden, vorhanden sind, die durch einen Isolator getrennt sind.

Ein Keramikscheibenkondensator ist ein kostengünstiger Kondensator, der häufig in Geräten und Spielzeugen zu finden ist. Ihr Isolator ist eine Keramikscheibe, und ihre beiden parallelen Platten sind extrem dünne Metallbeschichtungen, die auf die Außenflächen der Scheibe aufgedampft oder aufgesputtert werden. Verbindungsdrähte werden mit Lot befestigt und die gesamte Baugruppe wird in ein poröses Beschichtungsmaterial getaucht, das hart trocknet und den Kondensator vor Beschädigungen schützt.

Folienkondensatoren finden sich häufig in hochwertigen Audiogeräten wie Kopfhörerverstärkern, Plattenspielern, grafischen Equalizern und Radiotunern. Ihr Hauptmerkmal ist, dass das dielektrische Material eine Kunststofffolie, beispielsweise Polyester oder Polypropylen, ist.

Die Metallelektroden dieses Folienkondensators werden im Vakuum auf die Oberflächen langer Kunststofffolienstreifen aufgebracht. Nachdem die Leitungen angebracht wurden, werden die Folien aufgerollt und in ein Epoxidharz getaucht, das die Baugruppe zusammenhält. Anschließend wird die fertige Baugruppe in eine robuste Außenbeschichtung getaucht und mit ihrem Wert gekennzeichnet.

Andere Arten von Folienkondensatoren werden durch Stapeln flacher Schichten metallisierter Kunststofffolie hergestellt, anstatt Folienschichten aufzurollen.

Das Herzstück dieses Kondensators ist ein poröses Pellet aus Tantalmetall. Das Pellet wird aus Tantalpulver hergestellt und bei hoher Temperatur zu einem dichten, schwammartigen Feststoff gesintert oder komprimiert.

Genau wie ein Küchenschwamm hat das resultierende Pellet eine große Oberfläche pro Volumeneinheit. Anschließend wird das Pellet eloxiert, wodurch eine isolierende Oxidschicht mit ebenso großer Oberfläche entsteht. Dieser Prozess packt viel Kapazität in ein kompaktes Gerät und verwendet eine schwammartige Geometrie anstelle der gestapelten oder gerollten Schichten, die die meisten anderen Kondensatoren verwenden.

Der Pluspol oder die Anode des Geräts ist direkt mit dem Tantalmetall verbunden. Der Minuspol oder die Kathode wird durch eine dünne Schicht aus leitfähigem Mangandioxid gebildet, die das Pellet überzieht.

Induktoren sind grundlegende elektronische Komponenten, die Energie in Form eines Magnetfelds speichern. Sie werden beispielsweise in einigen Arten von Netzteilen verwendet, um Spannungen umzuwandeln, indem sie abwechselnd Energie speichern und abgeben. Dieses energieeffiziente Design trägt dazu bei, die Akkulaufzeit von Mobiltelefonen und anderen tragbaren Elektronikgeräten zu maximieren.

Induktoren bestehen typischerweise aus einer Spule aus isoliertem Draht, die um einen Kern aus magnetischem Material wie Eisen oder Ferrit, einer mit Eisenoxid gefüllten Keramik, gewickelt ist. Der um den Kern fließende Strom erzeugt ein Magnetfeld, das als eine Art Schwungrad für den Strom fungiert und Änderungen im Strom beim Fluss durch die Induktivität glättet.

Dieser axiale Induktor besteht aus mehreren Windungen aus lackiertem Kupferdraht, die um eine Ferritform gewickelt und an seinen beiden Enden mit Kupferleitungen verlötet sind. Es verfügt über mehrere Schutzschichten: einen Klarlack über den Wicklungen, eine hellgrüne Beschichtung um die Lötstellen und eine auffällige grüne Außenbeschichtung, um das gesamte Bauteil zu schützen und eine Oberfläche für die bunten Streifen zu bieten, die seinen Induktivitätswert anzeigen.

Dieser Transformator verfügt über mehrere Wicklungssätze und wird in einem Netzteil verwendet, um mehrere Ausgangswechselspannungen aus einem einzigen Wechselstromeingang, beispielsweise einer Wandsteckdose, zu erzeugen.

Die kleinen Drähte näher an der Mitte sind Magnetdrahtwindungen mit „hoher Impedanz“. Diese Wicklungen führen eine höhere Spannung, aber einen geringeren Strom. Sie sind durch mehrere Lagen Klebeband, eine elektrostatische Abschirmung aus Kupferfolie und noch mehr Klebeband geschützt.

Die äußeren Wicklungen mit „niedriger Impedanz“ bestehen aus dickerem isoliertem Draht und weniger Windungen. Sie verarbeiten eine niedrigere Spannung, aber einen höheren Strom.

Alle Wicklungen sind um einen schwarzen Kunststoffspulenkörper gewickelt. Zwei Stücke Ferritkeramik werden miteinander verbunden, um den Magnetkern im Herzen des Transformators zu bilden.

Dieser Artikel erscheint in der Printausgabe Februar 2023.