Grundlagen der Elektronik: Bauteile und Schaltungen

Grundlagen der Elektronik

Die Elektronik ist ein Fachgebiet, das sich mit der Steuerung des Verhaltens von Elektronen in speziellen Schaltungen, den sogenannten elektronischen Schaltungen, befasst. Ein Anwendungsbeispiel sind Alarmanlagen.

Man unterscheidet historisch drei Hauptentwicklungsstufen der Elektronik:

• Thermoionische Elektronik (Vakuumröhren)
• Transistor-Elektronik
• Elektronik integrierter Schaltungen

Was ist eine elektronische Schaltung?

Eine elektronische Schaltung ist die Verbindung verschiedener elektronischer Bauteile und Komponenten, die miteinander verbunden sind, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen.

Eine typische Schaltung besteht aus mehreren Teilen:

1. Eingang: Hier wird das elektrische Signal (z.B. Strom oder Spannung) eingespeist.
2. Signalverarbeitung: Das Signal wird innerhalb der Schaltung manipuliert oder umgewandelt.
3. Signalausgang: Das verarbeitete Signal wird ausgegeben oder weitergeleitet.

Die Art des Signals kann analog oder digital sein.

Elektronische Bauteile: Passive und Aktive Elemente

Elektronische Bauteile sind die Grundelemente, aus denen elektronische Schaltungen aufgebaut sind. Sie dienen der Verarbeitung und Übertragung von Signalen innerhalb der Schaltung bis zum Endsystem.

Sie werden grundsätzlich in passive und aktive Elemente klassifiziert.

Passive Elemente

Passive Elemente sind Bauteile, die die Form des Signals nicht aktiv verändern oder verstärken. Sie verbrauchen oder speichern Energie. Beispiele hierfür sind der Widerstand, der Kondensator und die Spule.

Der Widerstand

Ein Widerstand ist ein passives Bauteil, das einen bestimmten Widerstand gegen den Durchgang von elektrischem Strom bietet. Seine Hauptfunktion ist die Strombegrenzung oder Spannungsteilung.

Die charakteristischen Parameter eines Widerstandes sind:

• Nennwert: Angegeben in Ohm (Ω).
• Toleranz: Die maximale Abweichung vom Nennwert, vom Hersteller in Prozent (%) angegeben.
• Nennleistung: Die maximale Leistung, die der Widerstand ohne Beschädigung aufnehmen kann (in Watt).

Der Kondensator

Ein Kondensator ist ein passives Bauteil, das aus zwei Metallplatten (Elektroden) besteht, die durch ein isolierendes Material (Dielektrikum) voneinander getrennt sind. Er wird verwendet, um eine relativ große Menge an elektrischer Ladung auf kleinem Raum zu speichern.

Die beiden wichtigsten Parameter, die einen Kondensator definieren, sind:

• Kapazität: Angegeben in Farad (F).
• Betriebsspannung: Die maximale Spannung, die der Kondensator dauerhaft aushalten kann (in Volt, V).

Die Spule (Induktivität)

Eine Spule (auch Induktivität genannt) ist eine Anordnung aus leitfähigem Material (Draht), die die Eigenschaft besitzt, Energie in einem Magnetfeld zu speichern, wenn ein Strom variabler Intensität durch sie fließt.

Der entscheidende Parameter ist der Selbstinduktionskoeffizient (L), ausgedrückt in Henry (H).

Halbleitermaterialien

Halbleitermaterialien sind Stoffe, die eine elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Leitern und der von Isolatoren aufweisen.

Beispiele hierfür sind Silizium, Germanium und Galliumarsenid.

Reine Halbleiter werden als intrinsische Halbleiter bezeichnet. Halbleiter, die durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen (Dotierung) mit 3 oder 5 Valenzelektronen verändert werden, bezeichnet man als extrinsische Halbleiter.

Dioden

Dioden sind elektronische Bauteile, die den Stromfluss nur in eine Richtung zulassen. Sie werden häufig als Gleichrichter in Schaltkreisen verwendet, um ein Wechselstromsignal in ein Gleichstromsignal umzuwandeln.

Typen von Dioden:

• Leuchtdiode (LED): Eine Diode, die bei direkter Polarisation Licht emittiert, indem sie elektrische Energie in Licht umwandelt.
• Siebensegmentanzeige: Eine Anzeigevorrichtung, die aus sieben Leuchtdioden besteht, die zusammen Segmente bilden, um Ziffern oder Buchstaben darzustellen.
• Fotodiode: Eine Diode, die auf Lichteinfall reagiert und ihren Widerstand oder Stromfluss entsprechend ändert.
• Zener-Diode: Eine spezielle Diode, die in Sperrrichtung bei einer bestimmten Spannung (Zener-Spannung) leitend wird und zur Spannungsstabilisierung verwendet wird.

Der Transistor

Der Transistor ist ein fundamentales aktives Bauteil der modernen Elektronik und die Grundlage für integrierte Schaltungen und Mikroprozessoren, die in der Computerwelt von wesentlicher Bedeutung sind. Er wird hauptsächlich verwendet, um kleine elektrische Signale zu verstärken oder als elektronischer Schalter zu fungieren (z.B. in Audioverstärkern oder digitalen Schaltungen).

Die drei Hauptanschlüsse eines bipolaren Transistors sind:

• Emitter (E)
• Basis (B)
• Kollektor (C)

In der Kennlinie eines Transistors werden drei Betriebsmodi unterschieden:

• Sperrbereich (Cut-off)
• Aktiver Bereich (Active Region)
• Sättigungsbereich (Saturation Region)