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Leiter und Leiterplatten

Die Fähigkeit von Elektronen, durch einen Leiter zu fließen, beruht auf den spezifischen Eigenschaften und der Struktur leitender Materialien, insbesondere Metallen. Die wichtigsten Faktoren, die diese Bewegung erklären, sind:

  • Freie Elektronen:
    In metallischen Leitern sind die äußeren Elektronen der Atome nicht fest an ihr jeweiliges Atom gebunden. Stattdessen bilden sie ein „Elektronengas“, das sich frei zwischen den Atomen bewegen kann. Diese delokalisierten Elektronen sind entscheidend für den elektrischen Transport.
  • Kristalline Struktur:
    Metalle besitzen eine regelmäßige, kristalline Struktur, in der die Atomkerne in einem festen Gitter angeordnet sind. Die freien Elektronen sind in diesem Gitter eingebettet und können sich relativ leicht bewegen, ohne mit den Atomkernen in Konflikt zu geraten.
  • Elektrische Felder:
    Wird an einem metallischen Leiter eine Spannung angelegt, entsteht ein elektrisches Feld, das die freien Elektronen in eine bestimmte Richtung lenkt. Dies führt zu einem gerichteten Fluss von Elektronen, den wir als elektrischen Strom bezeichnen.

Leiter
Die Auswahl des richtigen Leiters hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich der elektrischen Leitfähigkeit, der mechanischen Eigenschaften, der Umgebungsbedingungen und der Kosten. Bei der Planung und Ausführung von elektrischen Schaltungen ist es wichtig, die spezifischen Anforderungen jedes Projekts zu berücksichtigen. Es gibt verschiedene Arten von Leitern, die je nach Anwendung und Anforderungen verwendet werden. Einige der häufigsten Typen sind:

  • Kupferleiter
    • Kupfer ist der am häufigsten verwendete Leiter in elektrischen Schaltungen aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit und Flexibilität.
  • Aluminiumsleiter
    • Aluminium ist leichter und kostengünstiger als Kupfer, hat jedoch eine geringere Leitfähigkeit. Es wird oft für Hochspannungsleitungen und Kabel verwendet, wo geringes Gewicht wichtig ist.
  • Edelstahlleiter
    • Edelstahl bietet Korrosionsbeständigkeit, hat jedoch eine geringere Leitfähigkeit als Kupfer und Aluminium.
  • Silberleiter  
    • Silber hat die beste elektrische Leitfähigkeit aller Metalle, ist aber teuer und wird daher selten verwendet.
  • Kunststoffisolierte Leiter  
    • Hochwertige Kunststoffisolierungen werden verwendet, um Leiter vor Kurzschlüssen und Umwelteinflüssen zu schützen.
  • Flachbandkabel 
    • Diese Leitungen sind in flacher Form angeordnet und oft mit mehreren Adern ausgestattet. Sie werden häufig in Computern und für Verbindungen zwischen verschiedenen Komponenten in der Elektronik genutzt.
  • Koaxialkabel  
    • Dies ist ein spezieller Kabeltyp, der eine zentrale Leitung hat, die von einem Isolator und einer äußeren leitenden Schicht umgeben ist.
  • Rundahtdrähte
    • Runde Drähte werden für allgemeine elektrische Verkabelungen, in der Stromverteilung und in Schaltkreisen verwendet.
  • Litzendraht 
    • Dieser besteht aus vielen dünnen Drähten, die miteinander verflochten sind, um die Hochfrequenzeigenschaften zu verbessern, z.B. in Transformatoren.

Platinen – Leiterplatten
Die Auswahl der richtigen Platine hängt von den Anforderungen der spezifischen Anwendung, der Komplexität der Schaltung, den Kosten und anderen praktischen Überlegungen ab. Bei der Entwicklung von elektronischen Geräten ist es entscheidend, die geeignete Platinenart für die jeweilige Anwendung zu wählen. Für elektrische Schaltungen gibt es verschiedene Arten von Platinen, jede mit spezifischen Eigenschaften und Anwendungen. Die gängigsten Typen sind:

  • Leiterplatten – PCB oder Printed Circuit Boards
    • Diese Platinen sind mit Kupferleitungen beschichtet, um elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Bauteilen herzustellen. Leiterplatten können ein- oder zweiseitig sein und werden in nahezu allen elektronischen Geräten, von einfachen Schaltungen bis hin zu komplexen Baugruppen in Computern und Smartphones, genutzt.
  • Einseitige Platinen
    • Diese Platinen sind nur auf einer Seite mit Leiterbahnen versehen. Sie sind einfach zu designen und kostengünstig in der Herstellung und ideal für einfache Schaltungen, Prototypen und Low-Cost-Produktionen.
  • Zweischichtige Platinen  
    • Diese Platinen haben auf beiden Seiten Leiterbahnen, die durch Durchkontaktierungen (Vias) verbunden sind. Sie werden in komplexeren Schaltungen verwendet, die mehr Platz für Verbindungen benötigen, sind jedoch kostengünstiger als Multilayer-Platinen.
  • Multilayer-Platinen 
    • Diese bestehen aus mehreren Schichten von Leiterbahnen, die durch Vias miteinander verbunden sind. Sie ermöglichen eine kompakte Bauweise bei komplexen Schaltungen und werden in Hochleistungs-Elektronik, Computern und Kommunikationsgeräten eingesetzt, wo Platz und Leistungsfähigkeit entscheidend sind.
  • Flexible Platinen – FPC oder flex PCB
    • Diese bestehen aus dünnen, flexiblen Materialien, die Leiterbahnen enthalten. Sie können gebogen und gefaltet werden und finden Anwendung in tragbaren Geräten, flexiblen Displays und in Situationen, in denen der Platz begrenzt ist.
  • Starre-flexible Platinen  
    • Diese kombinieren starre und flexible Platinen und enthalten sowohl starre als auch bewegliche Teile, z.B. in Geräten, die eine komplexe Bauweise erfordern, wie Mobiltelefonen, Kameras und medizinischen Geräten.
  • Breadboards
    • Ein Breadboard, auch als Steckbrett bekannt, ist ein Werkzeug für das Prototyping elektronischer Schaltungen. Es besteht aus Kunststoff, integrierten metallischen Leitern und ist mit Löchern versehen, die in einem Raster angeordnet sind. In der oberen Zone des Breadboards befinden sich in der Regel zwei horizontale Reihen, die als Stromversorgungsleitungen fungieren. Diese werden mit „+“ (VCC) und „-„ (GND) gekennzeichnet, um die positive und negative Stromversorgung deutlich zu kennzeichnen. Unterhalb davon sind vertikale Reihen in Gruppen von fünf Löchern angeordnet. Diese Gruppen sind elektrisch miteinander verbunden, was die Verbindung von Bauteilen, die in diese Löcher gesteckt werden, erleichtert.
  • Geneigte Platinen 
    • Diese Platinen haben schrägen oder gewölbten Oberflächen und werden oft in speziellen Anwendungen für Automatisierungssysteme oder spezielle Geometrien verwendet.
  • Kupferplatten
    • Dies sind ungerasterte Platinen, die mit einer oder mehreren Schichten aus Kupfer beschichtet sind und häufig für experimentelle Schaltungen verwendet werden.