Grundlagen elektronischer Bauteile und Schaltungen

Elektronische Schaltungen und Bauteile

Festwiderstände

Festwiderstände, oft aus Kohlenstoffverbindungen, erkennen Sie an den farbigen Ringen. Diese bestimmen den Widerstandswert. Der Widerstand erschwert den Durchgang von Elektronen, um den Stromkreis vor Beschädigung zu schützen. Er wird in Ohm (Ω) gemessen.

Messgeräte und Ohm'sches Gesetz

• Amperemeter: Wird in Reihe geschaltet, um die Stromstärke (Intensität) zu messen.
• Voltmeter: Wird parallel geschaltet, um die Spannung zu messen.

Ohm'sches Gesetz: Beschreibt die Beziehung zwischen Spannung (U), Stromstärke (I) und Widerstand (R): U = R * I. Bei größerem Widerstand ist die Stromstärke bei gleicher Spannung geringer.

Variable Widerstände (Potentiometer)

Ihr Widerstandswert kann zwischen 0 und einem Maximalwert, der vom Hersteller angegeben wird, eingestellt werden.

Spezielle Widerstandsarten (Sensorwiderstände)

LDR (Light Dependent Resistor / Fotowiderstand)

Der Widerstand nimmt mit zunehmender Lichtintensität ab und umgekehrt.

NTC (Negative Temperature Coefficient / Heißleiter)

Der Widerstand nimmt mit steigender Temperatur ab.

PTC (Positive Temperature Coefficient / Kaltleiter)

Der Widerstand steigt mit zunehmender Temperatur.

Kondensatoren

Kondensatoren speichern elektrische Ladung. Ihre Kapazität wird in Farad (F) gemessen.

Transistoren

Transistoren bestehen aus Halbleitermaterialien wie Silizium oder Germanium. Sie haben drei Anschlüsse: Basis (B), Kollektor (C) und Emitter (E).

Funktionsweise (Bipolartransistor)

• Sperrzustand: Wenn kein Strom an der Basis anliegt, können keine Elektronen vom Kollektor zum Emitter fließen. Der Transistor ist ausgeschaltet (gesperrt).
• Sättigungszustand: Wenn ein ausreichend hoher Strom an der Basis anliegt, können Elektronen ungehindert vom Kollektor zum Emitter fließen. Der Transistor ist vollständig eingeschaltet (in Sättigung).
• Aktiver Bereich (Verstärkerbetrieb): Liegt der Basisstrom zwischen diesen beiden Zuständen, befindet sich der Transistor im aktiven Bereich. Der Strom zwischen Kollektor und Emitter ist dann proportional zum Basisstrom.

Stromversorgung (Netzteil)

Transformator

Reduziert die hohe Wechselspannung aus dem Stromnetz auf eine niedrigere Wechselspannung.

Gleichrichter und Spannungsregler

Ein Gleichrichter wandelt die Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung um. Ein nachgeschalteter Spannungsregler (oft eine integrierte Schaltung) glättet diese Spannung und sorgt für eine stabile Ausgangs-Gleichspannung.

Typen von Spannungsreglern:

• Festspannungsregler: Liefern eine feste, vordefinierte Ausgangsspannung.
• Variable Spannungsregler: Ermöglichen die Einstellung der Ausgangsspannung innerhalb eines bestimmten Bereichs.

Glättungskondensator

Ein Kondensator nach dem Gleichrichter hilft, die Restwelligkeit (Spannungsschwankungen) der Gleichspannung zu reduzieren.

Relais

Ein Relais ist ein elektromagnetischer Schalter. Es besteht typischerweise aus zwei getrennten Stromkreisen:

• Steuerstromkreis: Wird mit kleinen Strömen betrieben. Enthält eine Spule (Elektromagnet mit Kern).
• Laststromkreis: Schaltet größere Ströme oder Spannungen.

Ein Relais kann als einfacher Schalter (Ein/Aus) oder als Umschalter (Wechsler) mit mehreren Kontakten fungieren.

Kenndaten (Beispiel):

• Spulenspannung (z.B. 6V DC): Die Spannung, die zum Betätigen des Elektromagneten benötigt wird.
• Spulenwiderstand (z.B. R = 75 Ω): Der Widerstand der Spule.
• Schaltspannung (z.B. 250V AC/DC): Die maximale Spannung, die die Kontakte im Laststromkreis schalten können.
• Schaltstrom (z.B. 6A): Die maximale Stromstärke, die die Kontakte im Laststromkreis schalten können.

Dioden

Eine Diode ist ein Halbleiterbauelement mit einer Anode und einer Kathode. Sie lässt den Strom im Wesentlichen nur in einer Richtung (von Anode zu Kathode) passieren (Durchlassrichtung) und sperrt ihn in der Gegenrichtung (Sperrrichtung).

Taster

Ein Taster öffnet oder schließt einen Stromkreis nur solange, wie er betätigt (gedrückt) wird.

Arten von Tastern:

• Schließer (NO - Normally Open): Schließt den Stromkreis beim Drücken.
• Öffner (NC - Normally Closed): Öffnet (unterbricht) den Stromkreis beim Drücken.

Schalter

Ein Schalter leitet den Stromfluss dauerhaft auf einen oder mehrere Wege oder unterbricht ihn. Im Gegensatz zum Taster behält er seine Position nach der Betätigung bei.

Elektronische Systeme (Grundstruktur)

Ein elektronisches System besteht typischerweise aus drei Stufen:

• Eingangsstufe (Sensorik): Erfasst Daten aus der Umgebung.
• Verarbeitungsstufe: Interpretiert die Eingangsdaten.
• Ausgangsstufe (Aktorik): Gibt das Ergebnis aus oder steuert einen Prozess.

Eingangsstufe (Sensoren)

Sensoren wandeln physikalische oder chemische Größen (wie Licht, Temperatur, Druck) in elektrische Signale um. Sie ändern ihre elektrischen Eigenschaften (z.B. Widerstand, Spannung) abhängig von der gemessenen Umgebungsgröße.

Oft werden Sensoren in Schaltungen wie Spannungsteilern eingesetzt, um die Änderung ihrer Eigenschaften (z.B. Widerstand) in eine messbare Spannungsänderung umzuwandeln. Sensoren sind eine Art von Wandlern.

Ausgangsstufe (Aktoren)

Aktoren sind die Elemente, die eine Aktion ausführen, basierend auf dem Signal der Verarbeitungsstufe (z.B. eine Lampe, ein Motor, ein Lautsprecher).

Manchmal ist eine Leistungsverstärkung (z.B. mit einem Transistor oder Relais) notwendig, wenn der Aktor mehr Strom oder Spannung benötigt, als die Verarbeitungsstufe direkt liefern kann.

Verarbeitungsstufe

Diese Stufe (z.B. mit Mikrocontrollern, Logikgattern) verarbeitet die Eingangssignale und steuert die Ausgangsstufe entsprechend.

Digitalelektronik

Die Digitalelektronik arbeitet mit Signalen, die nur zwei Zustände annehmen können: EIN/AUS, HIGH/LOW, 1/0.

Wahrheitstabelle

Eine Wahrheitstabelle listet alle möglichen Kombinationen der Eingangszustände einer digitalen Schaltung und die daraus resultierenden Ausgangszustände auf. Üblicherweise werden die Zustände mit 0 (LOW/AUS) und 1 (HIGH/EIN) dargestellt.

Logische Gatter

Logische Gatter sind grundlegende digitale Bausteine, die einfache logische Operationen durchführen.

NICHT-Gatter (Inverter)

Ein NICHT-Gatter hat einen Eingang und einen Ausgang. Der Ausgang ist immer der invertierte (umgekehrte) Zustand des Eingangs (aus 1 wird 0, aus 0 wird 1).

ODER-Gatter (OR)

Der Ausgang eines ODER-Gatters ist 1 (HIGH), wenn mindestens einer der Eingänge 1 (HIGH) ist. Der Ausgang ist nur dann 0 (LOW), wenn alle Eingänge 0 (LOW) sind.

UND-Gatter (AND)

Der Ausgang eines UND-Gatters ist 1 (HIGH) nur dann, wenn alle Eingänge 1 (HIGH) sind. Ist mindestens ein Eingang 0 (LOW), ist der Ausgang 0 (LOW).