Grundlagen der Elektronik: AC, Widerstände, Dioden & ICs

Wechselstrom (AC) Grundlagen

Wechselstrom (AC) ist eine variable Größe, bei der die Richtung des Elektronenflusses und die Spannungswerte periodisch wechseln. Er wird typischerweise in Haushaltssteckdosen verwendet.

Vorteil: Minimale Verluste bei der Energieübertragung.

Wichtige AC-Begriffe

• Zyklus (Cycle): Ein Teil des Signals, der sich im Laufe der Zeit wiederholt.
• Periode (Period): Die Dauer eines kompletten Zyklus.
• Frequenz (Frequency): Die Anzahl der Zyklen, die in einem bestimmten Zeitintervall auftreten (gemessen in Hertz).
• Momentanwert: Der Wert, den das Signal zu jedem Augenblick der Zeit annimmt.
• Effektivwert: Das Äquivalent zu einem Gleichstrom, der die gleiche elektrische Leistung an einem Verbraucher erzeugt.

Widerstand und Widerstandsarten

Ein Widerstand ist ein passives Bauelement, das den Stromfluss in einem Stromkreis begrenzt. Der Begriff Widerstand beschreibt die Eigenschaft, die geordnete Bewegung der Elektronen entlang eines Leiters zu behindern.

• Ohmscher Wert: Der Nennwert, den ein Widerstand besitzt (gemessen in Ohm, Ω).
• Toleranz: Die zulässige Abweichung zwischen dem theoretischen Nennwert und dem tatsächlichen Istwert.
• Leistung (Power): Die Energie, die als Wärme abgestrahlt wird (Verlustleistung).

Arten von Widerständen

• Standard (Festwiderstände): Feste, unveränderliche Werte.
• Spezialwiderstände (Variabel):
  • Potentiometer (einstellbarer Widerstand)
  • LDR (lichtabhängiger Widerstand)
  • NTC/PTC (temperaturabhängige Widerstände)

Widerstands-Farbcode

Der Farbcode dient zur Kennzeichnung des Widerstandswertes und der Toleranz.

• Schwarz: 0 | Multiplikator x 1
• Braun: 1 | Multiplikator x 10
• Rot: 2 | Multiplikator x 100
• Orange: 3 | Multiplikator x 1.000
• Gelb: 4 | Multiplikator x 10.000
• Grün: 5 | Multiplikator x 100.000
• Blau: 6 | Multiplikator x 1.000.000
• Violett: 7
• Grau: 8
• Weiß: 9
• Gold: Toleranz (±5%)
• Silber: Toleranz (±10%)

Kondensatoren (Capacitors)

Der Kondensator ist ein passives Bauelement, das zur vorübergehenden Speicherung elektrischer Ladungen dient.

• Maßeinheit: Farad (F).
• Da Farad eine sehr große Einheit ist, werden in der Praxis meist Submultiple verwendet, wie Mikrofarad (µF) oder Nanofarad (nF).

Dioden und Halbleitertechnik

Dioden sind elektronische Bauteile, die den Stromfluss nur in eine Richtung zulassen (Ventilfunktion).

• Dotierung (Doping): Der Prozess, bei dem gezielt Verunreinigungen in ein Halbleitermaterial eingebracht werden, um dessen elektrische Eigenschaften zu verändern.
• Durchlassrichtung (Direkte Polarisation): Wenn der positive Pol einer Spannungsquelle mit der Anode und der negative Pol mit der Kathode verbunden wird, leitet die Diode und ermöglicht den Stromfluss.

Dioden werden häufig in Netzteilen verwendet, um Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umzuwandeln (Gleichrichtung).

Die LED (Light Emitting Diode)

Die LED ist eine spezielle Diode, die Licht emittiert, wenn elektrischer Strom in Durchlassrichtung durch sie fließt.

Vorteile von LEDs

• Hohe Energieeffizienz
• Geringe Wärmeentwicklung
• Sehr hohe Lebensdauer
• Geringe Größe und robustes Gehäuse
• Verfügbarkeit in verschiedenen Farben
• Niedriger Stromverbrauch

Der Transistor

Der Transistor ist ein aktives elektronisches Bauteil aus Halbleitermaterial, das aus drei Hauptteilen besteht: Emitter, Basis und Kollektor.

Es gibt zwei Haupttypen von Transistoren: NPN-Transistoren und PNP-Transistoren.

In einem Transistor lassen sich zwei Stromkreise unterscheiden: der Steuerkreis (Basis) und der Hauptschaltkreis (Kollektor-Emitter).

Betriebsmodi des Transistors

Transistoren können in zwei Hauptmodi betrieben werden:

1. Nichtlinearer Modus (Schaltbetrieb): Hierbei werden nur zwei Zustände verwendet (AN/AUS).
   • Sperrbetrieb (Offener Schalter): Der Kollektor-Emitter-Widerstand ist sehr hoch. Der Transistor dient als offener Schalter.
   • Sättigungsbetrieb (Geschlossener Schalter): Der Kollektor-Emitter-Widerstand ist praktisch Null. Der Transistor dient als geschlossener Schalter.
2. Linearer Modus (Verstärkerbetrieb): Die Ausgangsspannungen und -intensitäten sind eine Funktion der Eingangsspannungen und -intensitäten und können viele Werte annehmen.

   Anwendung: Diese Methode ermöglicht beispielsweise die graduelle Steuerung der Helligkeit einer Glühbirne (Dimmen).

Integrierte Schaltungen (ICs)

Integrierte Schaltungen, auch bekannt als Chips, sind kleine elektronische Bauelemente. Sie bestehen aus einer Vielzahl von Elementen (wie Transistoren, Dioden und Kondensatoren), die permanent und eng auf einem Halbleitermaterial verbunden sind und eine miniaturisierte Schaltung bilden.

Vorteile von Integrierten Schaltungen

• Niedrigere Herstellungskosten
• Höheres Maß an Miniaturisierung
• Erhöhte Zuverlässigkeit und Effizienz
• Geringerer Energieverbrauch