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Elektrik und Elektronik: Basiswissen

Bauteile

Hier werden die wichtigeren elektrischen und elektronischen Bauteile beschrieben.

Die Übersichts–Skizzen zeigen die Symbole, wie sie in Schaltplänen verwendet werden, samt den typischen Kurzbezeichnungen.

Im Lauftext werden Aussehen, Bezeichnungen und Anschlussbelegungen der Bauteile vorgestellt. Die Aufzählung ist natürlich nur ein kleiner Auszug. Wo dies im Einzelfall nötig ist, wird gesondert auf weitere Bauelemente eingegangen.

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Widerstände

Widerstände: Kennzeichnung.
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Festwiderstände - also solche, deren Wert nicht einstellbar ist wie bei Potentiometern - werden in verschiedenen Leistungsbereichen und mit etlichen Werten angeboten. Die meisten sind mit vier Ringen gekennzeichnet, von denen der erste und zweite die Zehner– und Einerzahl des Werts bestimmen, der dritte die Anzahl der Zehnerpotenzen und der vierte die Toleranz in Prozent.

Die erste Abbildung dieses Abschnitts zeigt sowohl zwei Widerstände als auch die Farbcodes für die Zahlenwerte. Die abgebildeten Widerstände setzen sich zusammen aus einer 1 (braun) × 10, einer 0 (schwarz), zusammen also 10, einer 2 für die Zehnerpotenzen (also 10 × 10) = 10 × (10 × 10) = 1.000. Die Zahl des dritten Rings entspricht der Zahl der anzuhängenden Nullen (rot = 2). Die Widerstände haben also einen Wert von 1 k, wobei das „k” für Faktor 1.000 steht (kilo), ein „M” für Mega (1.000.000) und „m” für milli (1 ÷ 1000). Der vierte Ring bezeichnet die Toleranz: silber = 10%, gold = 5%, rot = 2%.

Zeichnung eines Potentiometers. Auf einem Widerstands–Ringausschnitt ist ein drehbarer Schleifer.
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Ein Potentiometer ist ein einstellbarer Widerstand. Auf einer Widerstandsbahn ist ein beweglicher Schleifer angebracht. Der Abgriff teilt den Gesamtwiderstand zwischen A und C in zwei Teilwerte (A–B und B–C). Ein „Poti” kann damit auch als einstellbarer Spannungsteiler verwendet werden.

Nicht durch der Widerstands–, sondern auch der Leistungswert von Widerständen muss stimmen. Die Leistung P entspricht dem Produkt aus dem Spannungsabfall U am Widerstand und dem Strom I und wird in Wärme umgesetzt. Es gibt Potis mit linearen und logarithmischen Widerstandskurven.

 

Kondensatoren

Bauformen von Kondensatoren.
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Kondensatoren werden nach dem Typ ihres Dielektrikums unterschieden (Papier, Folie, Keramik, Elektrolyt). Für größere Kapazitäten werden Elektrolyt–Kondensatoren benötigt. Diese dürfen jedoch nur an Gleichspannungen angeschlossen werden und haben relativ große Leckströme (Kapazitätsverlust durch Selbstentladung). Auf dem ersten Bild hier sind „Elkos” in stehender (radialer) und liegender (axialer) Ausführung zu sehen. Der Minuspol ist auf dem Kondensator in der Regel durch Pfeile oder Minuszeichen–Aufdrucke gekennzeichnet.

Kondensatoren müssen eine hinreichende Spannungsfestigkeit haben. Bei Wechselspannungen oder (noch ungeglätteten) Halbwellen ist dabei wegen der Spitzenwerte der Amplituden das 1,41fache (besser: 2fache) der Nennspannung zu verwenden.

Die Grundeinheit für Kapazität ist das Picofarad. 1 µF (mikroFarad) = 1.000 nF (nanoFarad) = 1.000.000 pF (picoFarad).

Sofern die Werte nicht im Klartext aufgedruckt sind, kommen oft Kennzeichnungen wie beim blauen Keramik–Kondensator links im Bild zum Einsatz. Dabei ist „10” die Grundzahl und „4” die Zahl der Zehnerpotenzen. An die 10 müssen bei einem Aufdruck von „104” also vier Nullen angehängt werden. Der Wert ist 100.000 pF = 100 nF. „103” entspricht daher 10 nF.

Größere „Elkos” erzeugen einen recht großen Ladestromstoß. Das kann dazu führen, dass die Sicherungen Ihrer Stromversorgung beim Einschalten des Stroms 'rausfliegen. Abhilfe schafft ein Ladewiderstand in der Zuleitung zum Kondensator mit einer parallel geschalteten Freilaufdiode (in Entladerichtung).

 

Dioden

Standard–Diode und Leuchtdiode.
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Dioden sind Halbleiter–Bauelemente. Sie lassen Strom nur in einer Richtung fließen (von der Anode zur Kathode). In der anderen Richtung sperren sie. Dioden beginnen allerdings erst bei Spannungen oberhalb ihrer eigenen Durchlass–Spannung zu leiten (bei Silizium–Dioden sind das etwa 0,6 Volt). Diese Spannung fällt immer an der Diode ab - unabhängig vom Strom.

Neben Standarddioden (oben im Bild) gibt es noch Zenerdioden. In Durchlassrichtung arbeiten Z–Dioden genau wie Standarddioden. In Sperrrichtung sperren sie jedoch nur, bis der aufgedruckte Spannungswert (die „Zenerspannung”) erreicht wird. Dann werden sie durchlässig und haben fortan bei einem sehr niedrigen Innenwiderstand stets einen Spannungsabfall in Höhe der Zenerspannung - was eine sehr praktische Eigenschaft ist. Leider gibt es keine Zenerdioden, die hohe Leistungen aufnehmen können.

Symbol: Brückengleichrichter.
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Bei Standard– und Zenerdioden ist die Kathode mit einem aufgedruckten Ring gekennzeichnet. Werden vier Standarddioden wie in dieser Abbildung zu einer Graetz–Brücke zusammen geschaltet, bilden sie einen Gleichrichter. Die negativen Halbwellen einer Wechselspannung am Eingang werden in positive umgewandelt. Wegen der Spannungsabfälle an den zwei dabei durchflossenen Dioden reduziert sich die Eingangsspannung um etwa 1,2 Volt. Bei Schaltplänen wird nur die Raute mit einem Diodensymbol in der Mitte gezeichnet.

Bei Dioden müssen die Spannungs– und Leistungswerte zur Aufgabe passen. Schottky–Dioden sind besonders schnell und haben einen geringeren Spannungsabfall, wodurch sie besonders geeignet für Freilauf–Anwendungen sind.

Die dritte wichtige Sorte von Dioden sind Leuchtdioden (kurz LED für englisch „Light Emitting Diode”). Es gibt sie in etlichen Ausführungen, so auch mit mehreren oder sogar mischbaren Farben und Infrarot–LED (IR–LED), deren Licht für das menschliche Auge nicht sichtbar ist.

Bei Leuchtdioden wird die Anode durch einen längeren und die Kathode durch einen kürzeren Anschluss gekennzeichnet. Wenn dem nicht so ist (zum Beispiel weil die LED schon einmal eingelötet war oder es noch ist), können Sie die Kathode bestimmen, indem Sie innen nach dem größeren Teil suchen (im ersten Bild des Abschnitts unten).

 

Transistoren

Räumliche Zeichnung: drei verschiedene Transistoren.
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Transistoren (kurz: Ts) sind ebenfalls Halbleiter. Sie haben jedoch meist drei Anschlüsse: Basis, Kollektor und Emitter. Der Strom kann zwischen Basis und Emitter nur in der durch den Pfeil bezeichneten Richtung fließen.

Die Wirkungsweise eines Transistors lässt sich mit der eines Wasserhahns vergleichen. Die Basis ist das Rad oder der Knauf. Der Kollektor ist der Wasserzulauf und der Emitter der –ablauf. Auch bei einem Wasserhahn braucht es nur wenig Kraft, um den Hahn zu öffnen oder zu schließen. Beim Transistor genügen kleine Ströme an der Basis, um große Ströme (Wasser mit hohem Druck) vom Kollektor zum Emitter fließen zu lassen. Das Verhältnis von Basis– zu Kollektorstrom wird „Verstärkung” genannt.

Zwei Transistor–Typen in Kollektor–Grundschaltungen.
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Es gibt zwei klassische Transistor–Typen: NPN– und PNP–Transistoren. Bei einem NPN–Transistor kann der Strom nur fließen, wenn die Basis positiver wird als der Emitter, dort also eine höhere Spannung anliegt. Beim PNP–Transistor ist es genau umgekehrt: Die Basis muss negativer werden als der Emitter, damit er „öffnet”. Hier sind beide Typen in der Kollektor–Grundschaltung zu sehen, wie sie zum Schalten verwendet wird. Transistoren können auch Spannungen regeln. Dann wird die Last am Emitter angeschlossen. Die Spannung am Emitter entspricht der an der Basis.

Für beide Beispiele gilt: Wird der Schalter geschlossen, kann ein Strom zwischen Basis und Emitter fließen, der einen Strom zwischen Emitter und Kollektor steuert.

 

Schaltbild: Emitter–Folgeschaltung.
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Wird der Kollektor eines NPN–Transistors direkt mit der Versorgungsspannung verbunden und die Last mit dem Emitter, handelt es sich um eine Emitter-Folgeschaltung (siehe Abbildung). Sie ist geeignet, um Spannungen zu regeln. Die Spannung am Emitter entspricht immer der an der Basis, nicht jedoch der Strom. Wird in diesem Schaltplan der Abgriff des Potentiometers (Spannungsteilers) nach oben bewegt, wird die Glühlampe immer heller leuchten - bis sie am Ende die Versorgungsspannung abzüglich 0,6 Volt erhält (Basis–Emitter–Übergang).

Transistoren: Anschlussbelegung.
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Bei Transistoren müssen Typ, Spannung, Strom und Verstärkung zur Aufgabe passen. Daher gibt es sehr viele Sorten bis hin zu wahren Monstern, die sehr große Ströme verarbeiten können. Wichtig ist natürlich auch die Anschluss–Belegung. Diese wird stets für die Ansicht der Unterseite eines Transistors angegeben, wenn die flache, Beschriftungs– oder nicht–metallische Seite nach oben zeigt (Ausnahme: TO–3–Gehäuse, das einfach von unten gesehen wird). Die Belegung ist bei gleichen Gehäuse–Typen meist identisch (siehe Abbildung).

Die Basis eines Transistors darf nicht direkt mit der Versorgungs–Spannung (NPN) oder Minus (PNP–Typen) verbunden werden, da der Basisstrom sonst zu groß würde. Daher müssen normaler Weise geeignete Vorwiderstände (Rv) vorgeschaltet werden.

Werden Transistoren zur Regelung verwendet, müssen sie ausreichend gekühlt werden, da sie Ströme in Wärme umwandeln. Dafür werden Kühlkörper benutzt. Das gilt nur bedingt, wenn an Stelle des Ts auch ein Schalter eingesetzt werden könnte. Ist die Schaltfrequenz sehr hoch (bei entsprechenden Strömen) empfiehlt sich doch eine Kühlung.

 

Spannungsregler

Spannungsregler sind überaus nützliche Helferlein, weil mit ihnen und nur wenigen weiteren Bauteilen eine feste (konstante) oder regelbare Spannung stabilisiert (und geglättet) bereit gestellt werden kann, wie sie zum Betrieb anderer elektronischer Schaltungen benötigt wird.

Spannungsregler haben meist drei Anschlüsse: Eingang (in), Regelung (adjust, kurz adj.) und Ausgang (out). Der gängigere Typ ist die positive Ausführung, bei der die Regelung an Minus angeschlossen und am Ein– und Ausgang Plus liegt.

Hier ist eine Schaltung zu sehen, die mit 3 Ampère auch zum Betrieb Leistungs–hungriger elektronischer Schaltungen geeignet ist. Die Wechselspannung von 14 Volt am Eingang wird über einen Brückengleichrichter in Gleichspannung verwandelt und über einen großen Elko zwischen Plus und Minus vorgeglättet.

Die Regelung des Eingangs ist mit Minus verbunden, am Ausgang wird das Ergebnis mit einem zweiten Elko geglättet. Der kleine Kondensator zwischen Steuereingang und Ausgang sollte möglichst nahe beim Regler liegen.

Die Spannung am Ausgang des Reglers darf nie höher sein als am Eingang. Die oben zwischen out und in eingezeichnete „Freilauf–Diode” stellt dies sicher.

Bei einstellbaren positiven Festspannungsreglern wird die Regelung über ein Potentiometer mit Minus verbunden, an die Stelle des 100 nF–Kondensators zwischen Regeleingang und Ausgang tritt ein Festwiderstand. Die beiden Bauteile bilden miteinander einen Spannungsteiler für die Regelung.

Der besseren Übersicht wurden hier (ausnahmsweise) die Plus–Leitung rot und die Minus–Leitung blau eingezeichnet. Informationen zu den Gehäuseformen und Anschlussbelegungen finden Sie zum Beispiel im Katalog von oder online bei Conrad.

 

Integrierte Schaltungen

Integrierte Schaltungen (IC für englisch „Integrated Circuit”) werden in Schaltplänen als Rechteck oder Dreieck (je nach Typ), meist mit den Nummern der Anschlüsse, eingezeichnet. Physikalisch präsentieren sich sich meist als Plastik–Kästchen mit zwei Reihen von Anschlussstiften („Chip”).

Integrierte Schaltungen - daher auch der Name - vereinigen auf kleinstem Raum bereits komplette elektronische Schaltungen mit einer Vielzahl von Bauelementen. Zwei wesentliche Typen werden unterschieden: digitale Schaltungen, die nur mit 0 und 1 arbeiten (genauer müsste es heißen: „nicht irgendwas” und „irgendwas”) und lineare (analoge) Schaltungen, die Spannungen und Ströme unterschiedlicher Größe verarbeiten können.

Besonders bei teuren Schaltungen oder solchen mit sehr vielen Anschlüssen empfiehlt sich die Verwendung eines Sockels zur Aufnahme der Bauteile.

ICs sind sehr nützlich, weil sie Aufgaben auf kleinen Raum erledigen, die sonst viele - und meist insgesamt wesentlich teurere - Bauteile erfordern würden. Daher kann es sich eventuell auch lohnen, nur einen winzigen Teil der Möglichkeiten eines IC zu benutzen.

Die Anschlüsse von integrierten Schaltkreisen im DIL–Gehäuse werden stets von oben dargestellt. Das Gehäuse hat an einer Schmalseite meist eine runde Einkerbung. Wenn sie nach oben zeigt, ist der erste Anschluss links davon die Nummer 1, meist zusätzlich mit einem Punkt auf dem Gehäuse markiert. Die darunter liegenden Pins werden von oben nach unten durchgezählt, dann wird die Seite gewechselt und von unten nach oben weiter gezählt.

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