Grundlagen der Elektrotechnik: Strom, Schaltungen und Bauelemente

Punkt 4: Elektrische Grundlagen und Komponenten

Elektrischer Strom und Schaltungen

Elektrischer Strom: Die Beförderung von Ladungsträgern durch einen Leiter. Elektrische Schaltung: Eine Menge von miteinander verbundenen Elementen oder Leitungen, die den Stromfluss ermöglichen.

Arten von Strom

• Dauerstrom (Gleichstrom, DC): Die Spannungsdifferenz (ddp) zwischen zwei Punkten ist konstant über die Zeit. Die Ladung bewegt sich immer in die gleiche Richtung, vom Pluspol (+) zum Minuspol (-). Er wird unter anderem von Batterien, Akkumulatoren und Batterien erzeugt.
• Wechselstrom (AC): Wiederholt sich zyklisch über die Zeit. Er beginnt bei Null, erreicht ein Maximum, sinkt auf Null zurück und geht dann in den negativen Bereich. Generatoren (Lichtmaschinen) erzeugen diesen Strom.

Wichtige elektrische Größen und Geräte

• Stromstärke (I): Der Betrag der elektrischen Ladung, die eine Leiterquerschnittsfläche pro Zeiteinheit durchquert. Sie wird in Ampere (A) gemessen und mit einem Amperemeter erfasst.
• Schalter (Switch): Ein Gerät zum Öffnen oder Schließen eines Stromkreises.
• Widerstand (Resistance): Eine Komponente, die in einen Stromkreis eingefügt wird, um die Stromstärke zu verringern.
• Diode (LED): Ein Element, das den Stromfluss nur in eine Richtung zulässt. Sie wandelt elektrische Energie in Licht einer bestimmten Wellenlänge um. Die optimale Stromstärke für eine LED beträgt 20 mA; ein Vorwiderstand ist notwendig, um den Strom zu begrenzen.
• Motor: Wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um.
• Taster (Push Button): Ein spezieller Schalter, der in zwei Arten unterteilt wird: Taster (temporär):
  • Normalerweise offen (NO): Unterbricht den Fluss, solange er gedrückt wird, und lässt ihn sonst passieren.
  • Normalerweise geschlossen (NC): Ermöglicht den Fluss, solange er gedrückt wird, und unterbricht ihn sonst.
• Sicherung (Fuse): Ein in Reihe geschalteter Schutzschaltkreis, der den Generator vor übermäßigem Verbrauch schützt.

Energieumwandler

• Dynamo: Wandelt mechanische Energie in elektrischen Gleichstrom um.
• Lichtmaschine (Generator): Wandelt mechanische Energie in Wechselstrom um.
• Batterien: Nutzen eine chemische Reaktion, bei der Energie umgewandelt wird (liefern Gleichstrom).
• Alternator: Wandelt mechanische Energie in Wechselstrom um.

Elektrotechnische Empfänger

Elektrotechnische Empfänger sind Elemente in einer elektrischen Schaltung, die elektrische Energie in eine andere Energieform umwandeln. Typen: Empfänger, Motoren, Lampen, LEDs, Summer, Lautsprecher, Widerstände, Elektromagnete.

Punkt 5: Halbleiter und passive Bauelemente

Die Diode und Halbleiter

Diode: Ein Element, das den Durchgang von elektrischem Strom nur in eine Richtung steuert. Sie besteht aus der Vereinigung von zwei Halbleiterkristallen: einem N-Typ (genannt Kathode, die Elektronen aufnimmt, -) und einem P-Typ (genannt Anode, die Elektronen abgibt, +).

Polung der Diode

• Rückwärtspolung (Reverse Bias): Die Diode verhält sich wie ein Isolator und lässt keinen Strom durch. Die Spannungsquelle wird so angeschlossen, dass die Anode (-) und die Kathode (+) verbunden sind. Ein Widerstand wird in Serie geschaltet.
• Durchlasspolung (Forward Bias): Die Diode wirkt wie ein Leiter. Die Anode wird an den Pluspol (+) der Stromversorgung und die Kathode an den Minuspol (-) angeschlossen. Ein Widerstand wird in Serie geschaltet.

Halbleiter

Bestandteile, die bei hohen Temperaturen als Leiter und bei niedrigen Temperaturen als Isolatoren fungieren.

• Nach ihrer Zusammensetzung: Intrinsisch: Reines Silizium oder Germanium. Extrinsisch: Silizium oder Germanium, dotiert mit Arsen oder Bor.

Anschlüsse (Sensoren)

Verbindungen: NTC und PTC (Temperatur), Potentiometer (Widerstandseinstellung), VDR (Spannung), LDR (Helligkeit), Drucksensoren (Gauges).

Passive Bauelemente

Kondensator (Capacitor)

Ein elektrisches Bauelement, bestehend aus zwei Metallplatten, die durch einen Isolator getrennt sind. Seine Funktion ist das Speichern elektrischer Ladung. Die Isolierung wird als Dielektrikum bezeichnet. Die Kapazität wird in Farad (F) gemessen, aber aufgrund der großen Werte werden üblicherweise Picofarad (pF), Nanofarad (nF) und Mikrofarad (µF) verwendet.

Spule (Coil/Inductor)

Eine Spule wird durch das Wickeln eines Leiters um einen zylindrischen Kern aus Luft, Metall oder Ferrit gebaut. Die Spule wirkt der Änderung des Stroms, der durch sie fließt (aufgrund des Magnetfeldes), entgegen. Je größer die Induktivität, desto stärker dieses Verhalten. Die Induktivität wird in Henry (H) gemessen, aber da dies ein sehr großer Wert ist, werden Millihenry (mH) oder Mikrohenry (µH) verwendet.

Integrierte Schaltungen und Fertigung

Integrierter Schaltkreis (IC)

Eine Kunststoffbasis mit Mustern und eingefügten Mikrochips, die in einen größeren Kreis integriert sind, um Verbindungen zu anderen elektronischen Komponenten herzustellen. Es gibt Millionen verschiedener ICs, die durch Buchstaben und Zahlen auf dem Träger identifiziert werden. Erfinder der Flachbautechnik: Robert Noyce.

Chip

Eine miniaturisierte elektronische Schaltung, die eine Vielzahl von miniaturisierten elektronischen Komponenten ersetzen kann.

Leiterplatte (PCB)

Dies ist die Trägerstruktur, auf der alle elektronischen Komponenten ordnungsgemäß platziert und deren Verbindungen hergestellt werden.

Flachbautechnik (Photolithographie)

Die Basis besteht aus dünnen Siliziumscheiben vom P-Typ, die photolithographischen Prozessen unterzogen werden. Mit dieser fotografischen Technik werden Masken erstellt, mit denen das Design auf den Chip gedruckt wird. Jede Maske wird über die vorherige gelegt, wodurch die verschiedenen Ebenen des Chips entstehen. Erster IC (Kilby-Jahr): Jack S. Kilby im Jahr 1958.