Passive und aktive Bauelemente in der Elektronik

Lektion 4: Bauelemente

1. Passive Bauelemente

Passive Bauelemente leiten aktive elektrische Signale weiter und stellen eine Verbindung zwischen diesen her.

1.1. Widerstände

Widerstände sind elektrische Bauelemente aus Keramik oder Eisen, die verwendet werden, um Spannungsabfälle zu erzeugen oder die Stromaufnahme eines Verbrauchers zu verringern. Der Wert in Ohm wird durch einen Farbcode auf der Außenseite angegeben. Die Verlustleistung (die ein Widerstand aushalten kann, ohne durchzubrennen) hängt von seiner Größe ab.

• Lineare Widerstände: Der Widerstandswert ist konstant und wird vom Hersteller vorgegeben.

Anwendungsbeispiele für lineare Widerstände:

• Zweistufige Lüfterschaltung in der Elektrotechnik
• Spannungsreduzierung unter 12 V

• Variable Widerstände: Der Widerstandswert kann innerhalb bestimmter Grenzen variiert werden. Dazu besitzen sie einen dritten Anschluss, der mit einem beweglichen Kontakt verbunden ist. Dieser Kontakt gleitet über das Widerstandselement und verändert so den Widerstandswert. Der dritte Anschluss kann verschoben oder gedreht werden.
• Potentiometer: Ein Potentiometer ist ein variabler Widerstand, bei dem ein Schleifer den Widerstand in zwei Teilwiderstände teilt, deren Summe konstant ist. Der Widerstandswert zwischen dem Schleifer und einem Ende kann eingestellt werden. Durch die Variation des Schleifers wird die Ausgangsspannung verändert.

Anwendungsbeispiele für variable Widerstände:

• Regulierung des Kraftstoffflusses
• Einstellung der Helligkeit eines Bildes

1.1.1. Thermistoren

Thermistoren sind Widerstände, deren Widerstandswert sich stark mit der Temperatur ändert.

• PTC (Positive Temperature Coefficient): Der Widerstand steigt mit steigender Temperatur.

Anwendungsbeispiele für PTC-Thermistoren:

• Vorglühanlage bei Dieselmotoren
• Heizungsrohrverriegelung

• NTC (Negative Temperature Coefficient): Der Widerstand sinkt mit steigender Temperatur.

Anwendungsbeispiele für NTC-Thermistoren:

• Temperaturmessung von Motor- und Ansaugluft
• Außenlufttemperaturmessung

• VDR (Voltage Dependent Resistor): Der Widerstandswert ist spannungsabhängig. Bei niedriger Spannung hat der Varistor einen hohen Widerstand, bei steigender Spannung sinkt der Widerstand jedoch stark ab. Varistoren sind ohmsche Widerstände, deren Wert mit zunehmender Spannung an den Klemmen abnimmt. Sie werden zum Überspannungsschutz eingesetzt (z. B. in Bohrern).
• LDR (Light Dependent Resistor): Der Widerstandswert ist lichtabhängig. Ein LDR ist ein Halbleiter, dessen Widerstand mit zunehmender Lichtintensität abnimmt (+ Licht = - Widerstand).

1.2. Spulen

Spulen erzeugen ein stärkeres Magnetfeld als ein einzelner Leiter. Dazu wird ein Draht zu einer Schleife oder zu mehreren Schleifen geformt. Ein Kern aus ferromagnetischem Material erhöht die Induktivität der Spule.

• Transformator: Ein Transformator dient zur Energieübertragung oder zur Verbindung von Schaltungen mit unterschiedlichen Spannungs- und Stromwerten. Er besteht aus einem geschlossenen Eisenkern mit zwei verschiedenen Spulen: der Primärspule, an die die Energie angelegt wird, und der Sekundärspule, die die Energie abgibt.

1.3. Kondensatoren

Ein Kondensator stellt einen offenen Stromkreis dar, durch den kein Gleichstrom fließt. Er speichert elektrische Ladung, wenn die Spannung steigt (Ladevorgang), und gibt sie wieder ab, wenn die Spannung sinkt (Entladevorgang). Die Kapazität ist proportional zur Spannung und wird in Farad gemessen.

1.4. Relais

Ein Relais ist ein elektromechanisches Bauelement, das als Schalter fungiert. Es wird durch eine elektrische Schaltung gesteuert, in der eine Spule und ein Elektromagnet einen oder mehrere Kontakte betätigen, die andere, unabhängige Stromkreise öffnen oder schließen. Relais können verwendet werden, um hohe Spannungen oder Leistungen mit kleinen Steuerspannungen zu schalten.

2. Aktive Bauelemente

2.4. Dioden

Eine Diode ist ein Halbleiterbauelement, das den Stromfluss in einer Richtung ermöglicht und ähnliche Eigenschaften wie ein Schalter aufweist. Vereinfacht ausgedrückt besteht die Kennlinie einer Diode (I-V-Kennlinie) aus zwei Bereichen: Unterhalb einer bestimmten Schwellspannung verhält sie sich wie ein offener Stromkreis (nichtleitend), oberhalb wie ein geschlossener Stromkreis mit einem sehr kleinen Widerstand. Aufgrund dieses Verhaltens werden Dioden häufig als Gleichrichter eingesetzt, da sie den negativen Teil eines Signals unterdrücken können. Dies ist ein erster Schritt zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom.

• Zener-Diode: Eine Zener-Diode ist eine spezielle Diode, die in Sperrrichtung betrieben wird. In Durchlassrichtung verhält sie sich wie eine gewöhnliche Diode, in Sperrrichtung sorgt sie jedoch für eine konstante Spannung an ihren Anschlüssen.
• Varicap-Diode: Eine Varicap-Diode ist eine Diode mit variabler Kapazität, die sich wie ein spannungsgesteuerter Drehkondensator verhält.
• Fotodiode: Eine Fotodiode ist eine lichtempfindliche Diode. Die Intensität des Sperrstroms steigt mit zunehmender Lichtintensität, die auf den Halbleiter trifft. Ohne Lichteinfall fließt nur ein sehr geringer Strom in Sperrrichtung, bei Lichteinfall steigt der Strom jedoch stark an.
• LED (Light Emitting Diode): Eine LED ist eine lichtemittierende Diode, die in Durchlassrichtung betrieben wird. Wenn der Strom einen bestimmten Schwellwert überschreitet, emittiert die LED Licht. Die Helligkeit steigt mit zunehmendem Strom. LEDs haben eine niedrige Durchlassspannung.

2.5. Transistoren

Ein Transistor ist ein elektronisches Bauelement, das aus drei Halbleiterschichten besteht. Er kann verwendet werden, um mit einem kleinen Steuerstrom einen Verbraucher zu steuern, der einen hohen Strom benötigt. Ein Transistor kann als Schalter (ähnlich einem Relais) oder als Verstärker verwendet werden. Bei einem PNP-Transistor müssen Emitter und Kollektor leitend sein, und die Basis muss mit einem negativen Potenzial (N) angesteuert werden. Bei einem NPN-Transistor muss die Basis mit einem positiven Potenzial (P) angesteuert werden.

• Darlington-Schaltung: Eine Darlington-Schaltung besteht aus zwei Transistoren. Der Emitter von T1 steuert die Basis von T2. Dadurch kann mit einem sehr kleinen Strom an der Basis von T1 ein sehr großer Strom durch T2 gesteuert werden.