Elektronische Grundbauteile
Diode
Eine Diode ist ein elektronisches Bauteil, welches man sich wie eine Einbahnstraße vorstellen kann. Wird die Diode in Flussrichtung verbaut, lässt sie Strom durch. Wenn die Diode gedreht wird und damit in Spreerichtung liegt, fließt kein Strom durch die Diode. Daran erkennen wir, dass die Einbaurichtung bei Dioden entscheidend ist. Die Anschlüsse der Diode werden Anode (+) und Kathode (-) genannt.
Bei der Verwendung von Dioden ist unbedingt darauf zu achten, dass die Diode selber eine gewisse Flussspannung benötigt, um zu leiten. Häufig werden in kleinen Schaltungen Dioden aus Silizium verwendet, welche ungefähr eine Durchlassspannung von 0,7V haben. Diese 0,7V müssen bei dem Aufbau berücksichtigt werden. Eingesetzt werden Dioden für die Gleichrichtung von Wechselspannung oder als Überspannungsschutz.
Leutdioden
Eine besondere Diode ist die Leuchtdiode, die auch als LED bekannt ist. LED ist die englische Abkürzung für Light Emitting Diode. Also eine lichtausstrahlende Diode. Im Gegensatz zu Glühlampen glüht die LED nicht. Eine LED erzeugt Licht durch die Beschleunigung von Elektronen einer bestimmten Wellenlänge. Die LED verfügt wie auch die normale Diode über eine Anode (+) und eine Kathode (-). Dabei wird die Anode in der einfachen Bauform durch ein etwas längeres Beinchen gekennzeichnet.
Die LED benötigt eine konstante Stromquelle oder einen Vorwiderstand zur Strombegrenzung. Wenn die LED ihre Durchlassspannung erreicht hat, beginnt sie zu leuchten. Bekommt die LED zu viel Strom, kann es schnell passieren, dass sie durchbrennt. Deshalb ist die Verwendung eines Vorwiderstandes so wichtig. Um einen geeigneten Vorwiderstand zu ermitteln, greifen wir auf das Ohm’sche Gesetz zurück. R=U/I
Nehmen wir an, wir haben eine Stromquelle mit einer Spannung von 5V. Die LED, die wir leuchten lassen möchten, hat eine Durchlassspannung von 3,2V und verträgt bis zu 20mA. Von der bekannten Spannungsquelle (5V) rechnen wir die Durchlassspannung runter: 5 - 3,2 = 1,8 Also müssen am Vorwiderstand 1,8V Spannung abfallen. Auch bekannt sind die 20mA welche durch die LED durchfließen sollen. 1,8V / 0,02A = 90Ω
Damit haben wir den besten Vorwiderstand errechnet. Nicht immer ist gerade der passende Widerstand zur Hand. In diesem Fall kann einfach der nächstgrößte Widerstand verwendet werden.
Die Durchlassspannung von LED´s unterscheidet sich auch an den Farbwerten.
| LED-Farbe | Typische Flussspannung |
|---|---|
| Weiß | 3,0V - 4,0V |
| Rot | 1,6V – 2,2V |
| Grün | 1,9V – 2,6V |
| Blau | 3,0V – 4,0V |
| Gelb | 2,0V – 2,2V |
| Infrarot | 1,2V – 1,8V |
Die genauen Werte sind dem jeweiligen Datenblatt zu entnehmen.
LED´s werden gerne als signalgebendes Licht eingesetzt, aber am häufigsten ist wohl der Einsatz extrem kleiner LED´s in Displays von Smartphones oder TV-Geräten.
Kondensator
Ein Kondensator ist ein Energiespeicher. Die einfachste Bauform besteht aus 2 gegenüberliegenden Metallplatten, die im inneren des Bauteils durch eine isolierende Schicht (Dilektrikum) getrennt werden.
Die Ladungsmenge des Kondensators wird in Farad (F) angegeben. Der Abstand und die Fläche der Platten sowie das Material, welches als Trennschicht (Dilektrikum) eingesetzt werden, bestimmen die Ladungskapazität. Kondensatoren gibt es in unterschiedlichen Bauformen und Ausführungen. Die häufigsten Kondensatoren sind die Keramikkondensatoren, Folienkondensatoren oder Elektrolytkondensatoren.
Der Kondensator verhält sich im ungeladenen Zustand in einer Gleichspannungsschaltung wie ein Kurzschluss. Der Strom fließt solange in den Kondensator, bis er seine volle Ladungsmenge erreicht hat. Zum Anfang der Stromaufnahmen nimmt er viel Energie auf, die im weiteren Ladevorgang abschwächt. Ist der Kondensator voll aufgeladen, trennt er die beiden Potenziale voneinander.
Kondensatoren werden häufig als Puffer oder Schutz vor Spannungsspitzen verwendet. Der Raspberry Pi hat einen Elektrolytkondensator direkt hinter dem USB-Anschluss, welcher den Raspberry Pi vor Spannungsspitzen des Netzteils schützt und auch bei Spannungseinbrüchen die fehlende Energie aus seinem Speicher abgeben kann.
Spule
Eine Spule kann ebenfalls als Energiespeicher verwendet werden. Allerdings verhält sich eine Spule anders als ein Kondensator in einer Gleichspannung.
Eine einfache Spule besteht aus einem Eisenkern der mit Kupferdraht umwickelt wurde. Fließt Strom durch die Spule, so baut sie ein Magnetfeld auf. Dieses Magnetfeld sorgt dafür, dass der Strom einige Zeit braucht, bis er wieder aus der Spule raus kann. Wenn die Spannung von der Spule genommen wird, baut sich das Magnetfeld ab. Dadurch wird ein Stromfluss erzeugt, der noch nach der Entfernung der Spannung für kurze Zeit aufrechterhalten bleibt.
Einsatzgebiet der Spulen sind etwa Transformatoren, Elektromagneten oder Schwingkreise.
Transistor
Ein Transistor ist vom Prinzip her ein Schalter, der von einem Strom geschalten wird. Er hat 3 Beinchen, die als Basis, Kollektor und Emitter bezeichnet werden. Wenn an der Basis ausreichend Strom ankommt, schaltet der Transistor die Strecke zwischen Kollektor und Emitter durch. Fällt der Strom an der Basis weg, wird auch die Strecke zwischen Kollektor und Emitter wieder getrennt.
An den Bildern ist zu erkennen, dass sich die Transistoren noch unterscheiden. Der Unterschied bei den bipolaren Transistoren liegt in der Polarität. Ein Transistor besteht aus 3 unterschiedlich dotierten Schichten. Entweder ist die Reihenfolge Negativ – Positiv – Negativ (NPN) oder Positiv – Negativ – Positiv (PNP).
Beim NPN-Transistor liegen der Kollektoranschluss und der Basisanschluss an einer positiven Spannung an. Der Emitter wird an die Masse angeschlossen. Im geschalteten Zustand fließt der Strom von der Basis und vom Kollektor in Richtung Emitter ab.
Beim PNP-Transistor liegen die Basis und der Kollektor an der Masse an. Der Emitter wird hingegen an die positive Spannung angeschlossen. Beim PNP-Transistor fließt ein großer Strom vom Emitter zum Kollektor und nur eine kleiner Strom an der Basis raus.
Eine weitere Arte der Transistoren ist der Feldeffekttransistor (FET). Beim Ansteuern des FET ist nicht der Strom entscheidend, der am Eingang fließt, sondern die Spannung, die dort anliegt. Die Anschlüsse des FET werden zudem anders bezeichnet. Am Steuereingang (Gate) wird die Strecke zwischen Source (Quelle) und Drain (Abfluss) geschalten.
Transistoren werden in fast allen Elektrogeräten eingebaut. Eine moderne CPU besteht gleich aus mehrere Milliarden davon.
Relais
Relais werden verwendet, um mit einem kleinen Steuerstrom eine große Last zu schalten.
Man kann sie sich sozusagen wie eine Mischung aus einem mechanischen Schalter und Transistor vorstellen. Im Inneren eines Relais ist ein Magnet, der durch den Steuerstrom angezogen werden kann, damit wird mechanisch eine Schaltstrecke verbunden, womit eine große Last geschaltet werden kann. Wenn der Magnet abfällt, wird die Schaltstrecke getrennt.
Weil im inneren eines Relais eine mechanische Bewegung stattfindet, ist die Reaktionszeit im Vergleich zu einem Transistor langsam. Der Steuerstrom und der zu schaltende Strom sind galvanisch voneinander getrennt, weil nur der Magnet die Schaltung durchführt. Dadurch ist es auch möglich, Gleichstrom zu schalten. Sollte es im Versuchsaufbau mit dem Raspberry Pi als Steuergerät zu einem Kurzschluss in einer Gleichspannung kommen, so ist der Raspberry Pi durch das Relais geschützt.
Wenn Relais schalten, ist das an einem Klacken zu hören, je nach Hersteller und Bauform ist auch eine optische Erkennung möglich. Die verschiedenen Ausführungen betreffen funktionell meist nur die Tatsache, ob es sich um Öffner oder Schließer handelt. Öffner oder Schließer sind darauf zurückzuführen, ob ein Arbeitsstrom offen oder geschlossen ist, wenn sich das Relais im Ruhezustand befindet. Ein Schließer schließt die Verbindung bei Betätigung des Schalters. Beim Öffner genau umgekehrt.
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