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Grundwissen Elektronik

Beispiele:

230V AC oder alternativ „230 V~ „ bedeutet, dass es sich um eine

230-Volt-Wechselspannung handelt.

12V DC oder alternativ „12V bedeutet, dass es um eine 1 2-Volt-Gleichspannung geht.

Im Gegensatz zu der Gleichspannung, die sich vor allem in Batterien „konservieren“ lässt, kann man die Wechselspannung als solche nicht irgendwo aufbewahren. Wechselspannung hat aber wiederum den Vorteil, dass sie sich problemlos transformieren lässt (worauf wir später noch zurückkommen).

Dass bei der Wechselspannung wohl irgend et was wechselt, dürfte man ja schon in Hinsicht auf den Namen erwarten. Worum es sich da bei konkret handelt, bleibt vielen von uns ein Leben lang verborgen - womit wiederum die meisten von uns problemlos leben können.

Es wird Ihnen vieles leichter fallen, wenn Sie sich in Abb. 1.2 ansehen, wie eine Wechselspannung erzeugt wird. Aus der Zeichnung geht hervor, dass man sogar mit eigener Muskelkraft einen kleinen Wechselstromgenerator antreiben kann, der elektrische Wechselspannung und somit auch den elektrischen Wechselstrom erzeugt.

Ein „zivilisierter“ Mensch lässt sich zwar heutzutage nicht mehr so leicht dazu bewegen, so einen Generator mit eigener Muskel kraft anzutreiben. Dennoch: Bei einem Fahrraddynamo (der in Wirklichkeit ein kleiner Wechselstromgenerator ist) machen wir es noch — allerdings mit Treten.

Abb. 1.2 Funktionsprinzip eines einfachen elektrischen Generators: wenn hier der Magnet (Dauermagnet) gedreht wird, entsteht in der Spule eine sinusförmige elektrische Wechselspannung, die sowohl aus positiven, wie auch aus negativen „Spannungswellen“ (Spannungsimpulsen) besteht. Die „Spannungsmaximen“ liefert der Generator jeweils in dem Augenblick, in dem der Magnet gerade den ganzen „magnetischen Kreis“ schließt (wenn er in der Zeitlupe vertikal steht).

Wenn man sich den Magnet in Abb. 1.2 als einen leicht drehenden Rotor vorstellt, wird es klar, dass durch die Spule am Eisenkern der stärkste magnetische Fluss immer dann fließt, wenn der rotierende Magnet (in einer Zeitlupe) senkrecht steht. In dem Moment induziert das starke Magnetfeld in der Spule die höchste „Spannungsspitze“. Und umgekehrt: je weiter weg sich der rotierende Magnet von dem „magnetischen Anschluss“ wegdreht, desto schwächer wird der magnetische Fluss im Eisenkern der Spule — womit auch die Spulenspannung bis auf Null sinkt.

Die in Abb. 1.2 oberhalb des Spannungsverlaufs eingezeichneten drei Positionen des rotierenden Magneten zeigen, wie sich die Größe der Spulenausgangsspannung während des Drehens des „Rotors“ verändert. Pro Umdrehung des Rotors liefert die Spule zwei Spannungswellen, die man auch als zwei Spannungsimpulse bezeichnen kann — und zwar als einen positiven und einen negativen Spannungsimpuls.

Eine Fahrradglühlampe erhält also pro Umdrehung des Dynamos abwechselnd jeweils einen positiven und einen negativen Spannungsimpuls. Einer Glühlampe (bzw. ihrem Glühfaden) kommt es auf die Polarität der ihr gelieferten Spannung nicht an. Hauptsache die Anzahl der ihr gelieferten Spannungsimpulse (die Frequenz der Wechselspannung) ist hoch genug, um ihren Glühfaden glühend zu halten — andernfalls würde sie ja nur blinken.

Denselben sinusförmigen Spannungsverlauf, der in Abb. 1.2 eingezeichnet ist, hat auch unsere Netzspannung. Sie wird allerdings mit Generatoren erzeugt, die nicht mit der Muskelkraft, sondern mit anderen Kräften — wie z.B. mit Dampf-, Wasser- oder Windturbinen

— angetrieben werden, aber ansonsten auf die selbe Weise arbeiten. Die Frequenz unserer Netzspannung hat „geformt“ 50 Hertz (50 Hz). Das sind 50 volle „Wellen“, die aus 50 positiven und 50 negativen „Impulsen“ pro Sekunde bestehen.

Dass elektronische Netzgeräte immer einen Netzteil benötigen, in dem die 230 V Wechselspannung in eine Gleichspannung umgewandelt wird, Der Grund: Fast alle elektronischen Bausteine benötigen als Versorgungsspannung (Speisespannung) eine Gleichspannung. Batterien eignen sich zwar als Energieversorgung für kleinere oder transportable Geräte, sind aber für stationäre Anwendungen zu teuer.

Soweit also zu der eigentlichen „Nahrung“, ohne die kein elektronisches Gerät aus kommt. Zu dem „Elektroniklatein“ gehören natürlich auch noch verschiedene Namen der elektronischen Bausteine, von denen die gängigsten in den folgenden Kapiteln Schritt für Schritt vorgestellt und mit Hilfe von vielen Anwendungsbeispielen erklärt wer den.

 

Widerstände und Potentiometer

Unter dem Allgemeinbegriff „elektrischer Widerstand“ versteht man die Qualität der elektrischen Leitfähigkeit eines Materials. Es hat sich wohl herumgesprochen, dass z.B. die elektrischen Leitungen aus Kupfer sind, weil Kupfer ein guter elektrischer Leiter ist. Ein „guter elektrischer Leiter“ hat einen niedrigen Widerstand (Silber ist in der Hinsicht noch besser als Kupfer).

Porzellan oder Plexiglas haben dagegen einen derartig hohen elektrischen Widerstand, dass sie den elektrischen Strom gar nicht leiten.

Wenn man elektrische Installationen in einem Haus anlegt, wird darauf geachtet, dass der Widerstand der Leitungen (der Drähte) nicht zu groß wird, denn das hat unerwünschte Energieverluste zufolge. Die meisten elektrischen Leiter der Innenbeleuchtung einer einfacheren Hausinstallation haben z.B. einen Widerstand von nur 1 Ohm pro 85 m Länge (bei einen Leiterquerschnitt von 1,5 mm

Der elektrische Widerstand wird sowohl bei einer elektrischen Leitung als auch bei einem Bauteil in Ohm

(Ω)

 angegeben.

In elektronischen Schaltungen setzt man zusätzliche Widerstände (als Komponente) gezielt dort ein, wo z.B. eine Art von „Bremswirkung“ oder „Strombegrenzung“ erwünscht ist.

Am leichtesten kann man sich die Funktion eines „Drahtwiderstandes“ folgendermaßen

vorstellen: Auf ein Keramikröhrchen wird von links nach rechts ein dünner Widerstand- draht aufgewickelt und an beiden Enden fest geklemmt. Somit ist bereits ein Widerstand fertig. Von dem „Ohmschen Widerstand“ und der Länge des angewendeten Widerstand- Drahtes hängt dann der Ohmsche Widerstand eines derartig erstellten Bauteiles ab.

Drahtwiderstände werden in der Elektronik jedoch nur dort angewendet, wo eine hohe Leistung in Wärme umgewandelt werden soll (was selten vorkommt). In gängigen Schaltungen setzt man normalerweise die preis werten Kohleschicht- Widerstände (oft nur als „Kohlewiderstände“ bezeichnet) ein, bei denen anstelle des Widerstandsdrahtes nur eine dünne Kohleschicht auf einem Keramikkörper (Röhrchen) aufgetragen ist.

Eine etwas teurere Alternative zu den Kohle Schichtwiderständen bilden die so genannten Metallschicht-Widerstände (auch als Metall- film- Widerstände bezeichnet), bei denen an stelle der Kohleschicht eine dünne spezielle Metallschicht verwendet wird. Sie sind wesentlich präziser als die „normalen“ Kohle- schicht- Widerstände und zudem rauscharm.

Beim Nachbau einer Schaltung muss man sich nicht den Kopf darüber zerbrechen, welche Widerstände angewendet werden sollten. Soweit in der Schaltung nicht speziell darauf hingewiesen wird, dass an der einen oder anderen Stelle ein Metallschicht-Widerstand eingesetzt werden muss, wendet man nur die einfachen Kohleschicht-Widerstände an.

Das in Schaltplänen verwendete Schaltzeichen eines Widerstandes oder eines Potentiometers

 ist einheitlich und berücksichtigt nicht die eigentliche technologische Ausführung der Komponenten. So kann man beim Nach bau einer Schaltung selber bestimmen, ob z.B. der angegebene Potentiometer als Dreh- oder als Schiebepotentiometer eingesetzt wird.

Wozu ein Widerstand gut sein kann, lässt sich am einfachsten mit Hilfe eines praktischen Beispiels erklären: Angenommen, wir möchten an eine 4,5 V-Batterie eine kleine Glühlampe anschließen, die für eine Betriebsspannung von 3 V ausgelegt ist. Schließt man sie direkt an die Batterie an, verbrennt durch die „Überspannung“ ihr Glühfaden. Wenn jedoch die zu hohe Batteriespannung mit Hilfe eines zusätzlichen Widerstandes (nach Abb. 3.2) entsprechend herabgesetzt wird, erhält die Glühlampe nur die benötigten 3 V. Die restlichen 1,5 V „frisst“ der Widerstand sozusagen in sich hinein und wandelt sie in Wärme um.

Von dem Spannungsbedarf und Stromverbrauch der angeschlossenen Glühlampe — oder eines anderen „Verbrauchers“ — hängt der Ohmsche Wert des Vorwiderstandes ab. Allerdings nur bei dieser Anwendungsart. Es gibt noch andere Anwendungsarten, bei denen der Widerstand eine völlig andere Aufgabe zu

Abb. 3.1 In Schaltplänen werden Widerstände und Potentiometer mit genormten Schaltzeichen dargestellt: a) Widerstand; b) Dreh- oder Schiebepotentiometer c) Einstellpotentiometer (auch Trimmer oder Einstellregler genannt); d) und e) Ausländische Schaltzeichen für Widerstände und Potentiometer.

bewältigen hat, als in diesem Beispiel auf geführt wurde. Was man darunter verstehen dürfte, lässt sich diversen Schaltbeispielen entnehmen, die noch schrittweise folgen werden.

In Schaltplänen wird der Ohmsche Wert der Widerstände in Ohm, Kilo Ohm oder Megaohm angegeben. Anstelle des Wortes „Ohm“ wird international das Zeichen „Ω“ (Omega) gebraucht. Wenn im Schaltplan neben einem Widerstand z.B. „15 Ω“ steht, bedeutet es also 15 Ohm.

     

Abb. 3.2 Der 1 5-kl-Widerstand (Vorwiderstand) reduziert die „Speisespannung“ für das 3-V- Lämpchen von der 4,5-V-Batteriespannung auf die erwünschten 3 Volt.

Wenn ein Widerstand tausend Ohm hat, benutzt man hier — ähnlich wie bei Kilometer oder Kilogramm — die Abkürzung „kilo“.

Elektronische Schaltsymbole