Elektronik bietet enorme Möglichkeiten und ist heute in praktisch jedem Gerät mit Stromversorgung enthalten. Wie lässt sich das Potential von Elektronik umreißen und wie läuft eine Entwicklung in dieser Technologie überhaupt ab? Das ist besonders auch für Nutzer von Interesse, die eine Entwicklung nicht selbst durchführen können, sondern sich für eine Elektronik-Entwicklung auf einen professionellen Partner stützen möchten.
Was ist Elektronik?
Der Begriff wird so häufig verwendet, dass seine Bedeutung für viele in den zahllosen Anwendungen verschwimmt. Grundsätzlich umfasst Elektronik die Nutzung der Effekte, die in nichtmetallischen Stoffen durch elektrischen Strom entstehen. Solche Stoffe weisen ganz verschiedene elektrische Leitfähigkeiten auf, die entsprechend genutzt werden können. Häufig kommen Substanzen zum Einsatz, die als Halbleiter bekannt sind, womit schon etwas über ihre teilweise Leitfähigkeit angedeutet ist. Elektronik lässt sich in zwei große Bereiche gliedern.
1: Analoge Schaltungen
In analogen Schaltungen werden kontinuierlich veränderbare Stromstärken und Spannungen verarbeitet. Ein Beispiel für eine solche Schaltung ist ein Verstärker. Er hat die Aufgabe, eine geringe Spannung aus einem Mikrophon oder einem Abspielgerät für die Wiedergabe in einem Lautsprecher zu verstärken. Die Herausforderung liegt darin, dass jede Spannung mit genau demselben Faktor verstärkt werden muss, um keine Verzerrungen zu verursachen.
2: Digitale Schaltungen
In digitalen Schaltungen werden nur zwei Spannungsstufen verarbeitet, die den Zahlen Null und Eins zugeordnet werden. Das mag trivial erscheinen, aber die Möglichkeiten potenzieren sich buchstäblich, wenn viele solcher Elemente verwendet werden, von denen jedes Null oder Eins darstellt. Mittels Binärzahlen lassen sich auf diese Weise ganze und rationale Zahlen bis in sehr große Höhen darstellen und verarbeiten. Nachdem sich heute viele Elemente für die Darstellung von Null und Eins einfach und billig einsetzen lassen, können mit digitalen Schaltungen Werte mit hoher Genauigkeit dargestellt werden.
Weitere Möglichkeiten zur Gliederung von Elektronik
Die Verfahren und Möglichkeiten sind so zahlreich, dass sich der ganze Fachbereich noch auf andere Arten sinnvoll in Bereiche aufteilen lässt. Zum Beispiel gibt es Schwachstrom- und Starkstromelektronik für die Übertragung und Verarbeitung von schwachen Strömen als Träger von Information und Starkstrom als Träger von Leistung. Eine heute immer wichtigere Kombination dieser zwei Bereiche trifft sich in der Elektromobilität. Der Antrieb verwendet Starkstromelektronik, die Steuerung erfolgt mittels Schwachstrom.
Schwerpunkte in der Elektronikentwicklung
Ganz allgemein lässt sich feststellen, dass ein elektronisches Gerät Daten misst, sie verarbeitet und das Ergebnis wieder ausgibt. Das kann auch die Umformung von starken Strömen in der Leistungselektronik umfassen. Die Schwerpunkte in diesem Aufbau können aber sehr unterschiedlich gelegt sein. Die Messung von Daten durch Sensoren kann ein Hauptproblem darstellen, in anderen Anwendungen stehen die Daten bereits in einfach weiter zu verarbeitender Form zur Verfügung. Typisch ist auch ein Schwerpunkt auf der Verarbeitung der Daten, der den ganzen Computerbereich abdeckt. Diese Überlegungen machen deutlich, wie vielfältig elektronische Anwendungen sein können. In der so großen Flexibilität und weiten Anwendbarkeit liegt auch eine wesentliche Stärke dieser Technologie. Wir betrachten die drei Phasen im Detail.
Messung von Daten
Diese Messung hat die Erfassung von nichtelektrischen Größen oder nicht bereits in metallischen Leitern verfügbaren elektrischen Größen zum Ziel. Das Ergebnis der Messung ist dann ein elektrischer Strom, dessen Eigenschaften die Messwerte darstellen. Diese Erfassung von Daten erfolgt durch Sensoren. Sensoren gibt es für praktisch alle messbaren Größen wie Temperatur, Druck, Geschwindigkeit, Beschleunigung, chemische Daten wie der pH-Wert oder auch das ganze elektromagnetische Spektrum von langen Radiowellen über sichtbares Licht bis zur Gammastrahlung.
Grundlage für das Funktionieren dieser Sensoren sind Eigenschaften, die von der Physik beschrieben und insbesondere auch quantifiziert werden.
Als praktisch verwendbare Bauteile liegen Sensoren einfach erhältlich vor. Ihr Ausgang stellt ein Analogsignal zur Weiterverarbeitung bereit. Heute wird oft eine digitale Verarbeitung bevorzugt. Dafür muss das analoge in ein digitales Signal umgewandelt werden. Digitale Bauelemente werden dazu von Stromstärken angesteuert.
Verarbeitung der Daten
Analoge Datenverarbeitung stützt sich auf Transistoren. Ihr Eingang besteht aus einer Spannung, die ihrerseits eine Spannung in einem stärkeren Stromkreis steuert.
Auch digitale Datenverarbeitung verwendet Transistoren, oft in der Form von integrierten Schaltungen. Der Input ist allerdings auf nur zwei Spannungsniveaus beschränkt.
In der Praxis steht in der digitalen Verarbeitung die Frage im Vordergrund, ob man eine Lösung in Hardware oder Software umsetzen soll. Eine Hardwarelösung besteht aus einer Schaltung, die für eine Anwendung speziell entworfen wird.
Eine Softwarelösung stellt die Programmierung eines Mikroprozessors dar. Hier ist ein Problem klar erkennbar, das sich aus der Vielfalt der elektronischen Möglichkeiten ergibt. In manchen Fällen wird es klar sein, welcher Typ Lösung verwendet werden wird. Oft sind aber Zwischentöne vorhanden. Sie führen zur unter Elektronikern sprichwörtlichen Frage, ob man 5.000 Zeilen programmieren oder lieber ein Bauteil im Gerät verlöten möchte.
Die Datenausgabe
Je nach Aufgabe gibt es auch hier zahlreiche Möglichkeiten. Soll das Ergebnis für Menschen ablesbar sein, ist die technische Lösung mit dem Einsatz einer analogen oder digitalen Anzeige beendet. Anspruchsvoller wird es, wenn das Ergebnis automatisch weiterverarbeitet werden soll. Dann kann es sein, dass wieder eine Umwandlung eines digitalen in ein analoges Signal erforderlich wird und eine Verstärkung notwendig ist wie zum Beispiel zur Ansteuerung eines Elektromotors.
So läuft die Elektronikentwicklung mit einem Dienstleister ab
Der erste Schritt besteht daraus, zu klären, was gebraucht wird. Ein Kunde wird darüber oft nur recht vage Vorstellungen haben. Er benötigt nicht nur in der Umsetzung professionelle Unterstützung, sondern schon bei der Erstellung der Liste der Anforderungen. Diese Phase eines Projekts ist ausgesprochen wichtig. Es ist nicht übertrieben festzustellen, dass mit der Erstellung eines Pflichtenhefts ein wesentlicher Schritt zu einem Erfolg oder zu einem Fehlschlag gesetzt wird.
Sobald das Pflichtenheft fertig ist, geht es an die Umsetzung. Die Entwickler müssen nun einen Schaltplan entwerfen. Um diesen später auf die Platine zu bringen, wird ein Leiterplattenlayout entwickelt. Dies geschieht heutzutage über coomputergestützte Programme.
In der Entwicklung selbst ist es oft sinnvoll, zuerst einen Prototyp zu bauen. Dieser kann nicht nur technisch getestet werden, sondern auch wertvolle Aufschlüsse über die Einsatzmöglichkeiten geben. Die Bauweise einer Schaltung kann einzelne Bauteile verwenden, sofern davon nicht zu viele notwendig ist. Gerade für größere Produktionsserien wird es auf die Verwendung von integrierten Schaltungen hinauslaufen. Nach etwaigen Anpassungen mit anschließender Freigabe des Prototypen geht es in die Serienfertigung des elektronischen Produkts. Vor der Auslieferung werden alle Baugruppen funktionsgeprüft, um sicherzustellen, dass die Angaben aus dem Pflichtenheft korrekt umgesetzt wurden.
Fazit
Die Entwicklung eines elektronischen Geräts ist ein anspruchsvoller Prozess. Um erfolgreich zu sein, sollte diese Entwicklung in enger Abstimmung mit den Anwendern stattfinden. Dann ist die Chance am besten, die für die gestellte Aufgabe optimalen technischen Mittel zu wählen. Diese erfüllen nicht nur die Aufgabe, sondern sind darüber hinaus zuverlässig und effizient.
