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Elektrik und Elektronik: Basiswissen

Grundlagen

Manche Menschen haben eine gewisse Scheu vor elektrischen und elektronischen Dingen. Warum eigentlich? Vielleicht hat es der Lehrer in der Schule nicht gut erklärt, oder jemand hat schon einmal eine „gewischt” bekommen.

Das ist aber noch kein Grund, die Flinte ins Korn zu werden, besonders nicht für diejenigen, deren Hobby Modellbahn heißt - denn da sind Grundkenntnisse aus diesen Bereichen sehr nützlich.

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Spannung und Strom

Um elektrisch Arbeit verrichten zu können, werden Spannung, Strom und Stromkreis benötigt. Das lässt sich gut mit Wasser in der Leitung vergleichen. Die Spannung U mit der Einheit V (für Volt) entspricht der Geschwindigkeit, mit der das Wasser fließt (beziehungsweise die Elektronen im elektrischen Leiter), der Strom I mit der Einheit A (für Ampère) dem Wasserdruck beziehungsweise der Menge der Elektronen (grob vereinfacht).

Haben Sie schon einmal versucht, einen aufgedrehten Wasserhahn mit dem Finger zu zu halten?

Ein Stromkreis ist eine elektrisch leitende Verbindung zwischen beiden Polen einer Spannungsquelle. Ein Strom I fließt nur unter dieser Bedingung. Theoretisch ergibt die Spannungsquelle (zum Beispiel eine Batterie) dann die Leistung = U × I ab. Die Einheit für P ist bei Wechselspannungen VA, bei Gleichspannungen W (nach James Watt, einem der Erfinder der Dampfmaschine).

Damit gilt auch = P ÷ U und = P ÷ I oder, wenn die Einheiten verwendet werden, = V × A, = W ÷ V und = W ÷ A.

 

Gleich– und Wechselspannung

Gleichspannungen haben stets die gleiche Polarität, das heißt, der Strom fließt immer in der selben Richtung. Bei Wechselspannungen ändert sich die Polarität, in der Regel mit Link zum Glossar 50 Hz. Eine Periode ist die Zeit zwischen zwei benachbarten Zuständen (in diesem Fall dem Punkt, an dem die Spannung 0 Volt beträgt, B in der Skizze). Bei 50 Hz wird dieser Punkt alle 0,02 Sekunden erreicht: 1 ÷ 50 Hz = 0,02.

Der Verlauf (ungeglätteter) Wechselspannungen ist sinusförmig. Die Amplitude (der jeweils höchste Ausschlag der Kurve, A und C in der Skizze) entspricht der Wurzel aus 2 (1,4142). Die Spannungsspitzen betragen also 1,41 mal soviel wie der Effektivwert der Spannung. Daher lassen sich aus Wechselspannungen auch erheblich viel höhere Gleichspannungen gewinnen, zum Beispiel 19,8 Volt bei 16 Volt am Eingang. Warum das nur 19,8 Volt statt der zu berechnenden 22,6 Volt sind, wird später erklärt.

Wechselspannungen können durch Gleichrichter in ungeglättete Gleichspannungen umgewandelt werden. Dabei „kippen” die negativen Halbwellen nach oben.

Das Kürzel für Wechselspannungen ist VAC (Volt alternating current) und das für Gleichspannungen VDC (Volt directional current).

 

Widerstand

Strom leitende Materialien haben einen mehr oder weniger großen Widerstand. Nach dem Ohmschen Gesetz ist der Widerstand R das Verhältnis von Spannung und (fließendem) Strom: R = U ÷ I oder - eher aus der Schulzeit bekannt - U = R × I (und I = U ÷ R). Die Einheit ist Ohm, dargestellt mit dem griechischen Buchstaben Omega: . 1 = 1 Volt ÷ Ampère.

Mehrere in Serie - also hintereinander - geschaltete Widerstände ergeben die Summe der Widerstände: Rges = R1 + R2 [+ R3 ].

Der Kehrwert eines Widerstands (1 ÷ R) wird Leitwert genannt. Das kommt bei parallel - also nebeneinander - geschalteten Widerständen zum Tragen. Dort gilt 1 ÷ Rges = 1 ÷ R1 + 1 ÷ R2 [+ 1 ÷ R3 ], oder einfacher: Rges = (R1 × R2) ÷ (R1 + R2).

In Serie geschaltete Widerstände werden - bei bekanntem Strom - gerne benutzt, um Spannungsteiler aufzubauen. In Spannungsteilern ist der Strom überall gleich groß und die Gesamtspannung entspricht der Summe der Teilspannungen. Daher gilt: U1 = R1 × I und U2 = R2 × I.

Bei 12 Volt Versorgungsspannung und zwei Widerständen mit 100 Ohm und 50 Ohm ergibt sich ein Strom von 12 Volt ÷ 150  = 80 mA (milliAmpère, Tausendstel–Ampère). Die eine Hälfte des Spannungsteilers hat dann eine Spannung von U1 = 100  × 80 mA =V und die andere U2 = 50  × 80 mA =V.

Das nützt jedoch leider alles nichts, wenn der Strom nicht konstant ist, weil sich dann die Spannungswerte ebenfalls nicht konstant halten lassen.

Ein elektrischer Widerstand kann allerlei Formen annehmen: Das elektronische Bauteil, das Strom in Wärme umsetzt, eine Glühlampe (die vorwiegend auch nur das tut und nur ganz nebenher leuchtet) oder eine lange Leitung (ja, die gibt's tatsächlich ).

 

Kapazität und Kondensatoren

Die vorletzte wichtige elektrische Eigenschaft ist die Kapazität C mit der Einheit F für Farad. Ein Kondensator kann konstante Gleichspannungen entsprechend seiner Kapazität speichern, indem zwei Teile sich solange aufladen, bis die Ladespannung gleich der Versorgungsspannung ist, und (geregelt) wieder abgeben, wenn die beiden Pole elektrisch miteinander verbunden werden.

Bei parallel geschalteten Kondensatoren summiert sich deren Kapazität bei unveränderter Spannungsfestigkeit. Der Kehrwert der Gesamtkapazität in Serie geschalteter Kondensatoren entspricht der Summe der Kehrwerte (1 ÷ C1 + 1 ÷ C2 + […]). Dabei addiert sich die Spannungsfestigkeit.

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Induktivität

Ein Stromfluss erzeugt in seiner Umgebung ein Magnetfeld - sofern er nicht abgeschirmt wird. Modellbahner kennen Elektromagnete als Antrieb für Weichen und Signale, bei denen Strom in Wicklungen von schutzlackiertem Draht um eine Hülse fließt, in der sich ein Weicheisenkern befindet. Diese Spulen können in gewisser Weise auch Strom speichern, was zum Beispiel zu unangenehmen Funkenbildungen führen kann (und damit zum Abbrand von Kontaktflächen). Das gilt auch für Motoren und Relais, die ja auch mit Spulen arbeiten. Die Einheit für die Induktivität L ist Henry (H).

 
 
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