Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik: Komponenten und Konzepte

Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik

Elektrotechnik

Elektrische Phänomene, Grundschaltungen, Produktion und Erzeugung von Strom.

Elektronik

Das Studium der Elektronen und ihre Anwendungen in der Verarbeitung und Übermittlung von Informationen.

Historische Entwicklung und Vorteile moderner Bauelemente

Historische Stufen der Elektronik

Elektronische thermionische Vakuumröhren, elektronische Transistoren und integrierte Schaltungen.

Vorteile von Dioden und Transistoren

• Sie sind solide und robust.
• Widerstandsfähig gegen Stöße.
• Viel kleineres Volumen.
• Längere Lebensdauer.
• Verbesserte Signalverarbeitung.

Stromarten: Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC)

Gleichstrom (DC)

Verschiebung von Elektronen in die gleiche Richtung mit konstanter Spannung und Stromstärke über die Zeit.

Wechselstrom (AC)

Strom mit variablen Größen (Spannung und Strom), die sich ständig ändern. Gilt als das beste System aufgrund seiner Vorteile bei:

• Erzeugung
• Transport
• Verteilung
• Verwendung

Klassifizierung elektronischer Komponenten

Passive Elektronische Komponenten

Sie sind nicht in der Lage, elektrische Signale zu verstärken. Sie können die elektrischen Ladungen im Signal reduzieren oder speichern.

Aktive Elektronische Komponenten

Sie sind in der Lage, den Wert des elektrischen Signals zu generieren, zu ändern und zu verstärken.

Spezifische Passive Bauelemente

Widerstände

Passive Komponenten, die dem Durchgang von elektrischem Strom einen bestimmten Widerstand entgegensetzen.

Nicht-lineare Widerstände (Variable Widerstände)

• LDR (Light Dependent Resistor): Der Widerstand hängt von der Lichtintensität ab. Mehr Licht bedeutet weniger Widerstand.
• NTC (Negative Temperature Coefficient): Negativer Temperaturkoeffizient. Mit steigender Temperatur sinkt der Widerstand.
• PTC (Positive Temperature Coefficient): Positiver Temperaturkoeffizient. Der Widerstand steigt mit zunehmender Temperatur.

Kondensator

Eine Komponente, die zur temporären Speicherung elektrischer Ladungen auf einer relativ kleinen Oberfläche verwendet wird.

Spule (Induktivität)

Eine Komponente, die aus einem isolierten elektrischen Leiter besteht, der auf einer zylindrischen Oberfläche aufgewickelt ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, wenn ein elektrischer Strom fließt.

Relais

Ein Netzschalter, der durch einen Elektromagneten aktiviert wird. Eine Spule wird aktiviert, wenn ein elektrischer Strom zirkuliert, und zieht eine Folie an, die einen Kontakt betätigt.

Dioden und Leuchtdioden (LED)

Diode (Allgemein)

Eine elektronische Komponente, die den Stromdurchgang nur in eine Richtung ermöglicht.

Polarisation

• Direkte Polarisation: Die positive Klemme ist mit der Anode und die negative Klemme mit der Kathode verbunden. Die Diode leitet und erlaubt den Stromdurchgang.
• Sperrpolarisation (Reverse Polarisation): Die positive Klemme ist mit der Kathode und die negative Klemme mit der Anode verbunden. Die Diode sperrt und verhindert den Stromdurchgang.

LED (Light Emitting Diode)

Ein elektronisches Bauelement, das Licht aussendet, wenn ein elektrischer Strom hindurchfließt.

Transistoren: Aufbau und Betriebsmodi

Transistor (BJT)

Ein elektronisches Bauteil aus Halbleitermaterial, das aus drei Teilen besteht: Emitter, Basis und Kollektor.

Funktionsweise (NPN-Schaltung)

• Der Steuerstrom tritt in die Basis ein und verlässt den Emitter.
• Der Hauptstrom kommt über den Kollektor und geht durch den Emitter.

Stromverstärkung (Gain)

Die Kapazität des Transistors, den Strom für eine bestimmte Aufgabe zu verstärken.

Betriebsmodi

• Schaltmodus: Der Transistor hat nur zwei Zustände (offen und geschlossen).
• Linear-Modus: Gekennzeichnet durch Ausgangsstrom und -spannung als Funktion der Eingangsspannungen und -ströme. Es können mehrere Werte und Arbeitspunkte eingestellt werden.

Integrierte Schaltungen und Mikrocontroller

Chip (Integrierte Schaltung)

Ein elektronisches Gerät, bestehend aus einer kleinen Gruppe von Elementen, die eng und dauerhaft auf einem Halbleitermaterial verbunden sind und eine miniaturisierte Schaltung bilden.

PIC (Peripheral Interface Controller)

Eine Familie von Mikrocontroller-Chips von Microchip Technology. Sie enthalten einen Mikroprozessor und Speicher zur Speicherung des Steuerprogramms und der Daten.

PICAXE

Eine didaktische Version der PIC-Chips. Diese umprogrammierbaren Chips sind sehr wirtschaftlich und können als „Gehirn“ in Projekten verwendet werden.