Elektronik-Grundlagen für Anfänger & Elektronik-Kompendium

Edwin Robledo April 13, 2021

Die Grundlagen der Elektronik zu verstehen, kann für einige Menschen eine einschüchternde Aufgabe sein, während andere es sehr einfach finden, die Konzepte von Strom und Spannungen zu verstehen. Dieser Leitfaden inklusive Elektro-Kompendium wird Sie durch jedes der Grundkonzepte der Elektronik führen, ein Konzept nach dem anderen. Versuchen Sie jedes dieser Konzepte zu verstehen und erhalten Sie Einsichten über jedes Thema, ohne dass Sie sich langweilen. Also lassen Sie uns loslegen!

Grundlagen der Elektronik – Begriffe

Bevor wir in unserem Elektro-Kompendium in die grundlegenden Elektronik-Begriffe und die Elektronik-Grundlagen eintauchen, müssen Sie wissen, was Ladungen sind. Es gibt 2 Arten von Ladungen, positive und negative. Gleiche Ladungen stoßen sich ab, während ungleiche Ladungen sich anziehen.

Jedes Atom hat positive und negative Ladungen. Positive Ladungen sind im Nukleus und werden Protonen genannt, während negative Ladungen, die Elektronen genannt werden, in den Umlaufbahnen um den Nukleus herum schweben.

Diese Elektronen bleiben entweder in den Umlaufbahnen oder bewegen sich als freie/mobile Elektronen, abhängig vom Element zu dem sie gehören. Wenn Sie sich das Periodensystem anschauen, stellen Sie fest, dass die Elemente in drei Kategorien aufgeteilt sind: Metalle, Halbleiter und Nichtmetalle. Metallische Elemente haben mobile Elektronen, weswegen sie Leiter genannt werden, während Nichtmetalle ihre Elektronen nahe bei sich halten – dadurch sind sie schlechte Leiter.

Strom

Was ist also Strom? Es ist die Geschwindigkeit der Ladungsbewegungen, d.h. wenn man die Anzahl der Ladungen zählt, die durch einen Punkt innerhalb eines Drahtes in einer Sekunde hindurchgehen, dann erhält man die Menge des durch den Draht fließenden Stroms. 

In welche Richtung fließt der Strom in einem Stromkreis? Der Weg, auf dem Elektronen fließen, wird als elektrischer Strom bezeichnet, während der konventionelle Weg in die entgegengesetzte Richtung verläuft. Man kann sagen, dass es der Fluss der positiven Ladungen ist. Innerhalb eines Stromkreises verläuft der konventionelle Strompfad vom positiven Ende der Batterie zum negativen Ende, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Spannung

Der Unterschied bei den Ladungen zwischen zwei Punkten wird als Spannung definiert. Um es besser zu verstehen, eine Analogie zum Thema Energie: Wenn ein Ball auf einer Hügelspitze ist, hat er eine Menge potentieller Energie, verglichen mit dem, was davon noch übrig ist, wenn er herunter rollt und das Tal erreicht. Unterwegs verliert der Ball Energie im Austausch für einige Arbeit, die geleistet wurde. Ähnlich verhält es sich mit Elektronen, die eine Änderung in der Energie erfahren, während sie sich durch einen Schaltkreis bewegen. Der Unterschied in der Energie zwischen zwei Punkten wird als Spannung bezeichnet.

Das Ohmsche Gesetz setzt die Spannung in Relation zum Strom in einem Schaltkreis. Folgendes wird dort ausgesagt: 

V=IR

Dabei ist V die Spannung in Volt, I ist der Strom in Ampère, und R ist der Widerstand in Ohm.

Wir werden uns die Widerstände im nächsten Abschnitt im Detail ansehen. Der Schaltkreis unten demonstriert, wie die Spannung zwischen zwei Punkten über einen Widerstand gemessen wird.

Leistung

Im Allgemeinen wird Leistung als die Rate der Energieübertragung definiert. Wir alle wissen, dass Energie nicht zerstört werden kann, aber sie kann von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Beispielsweise wird potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt, wenn ein Stein einen Hügel hinunter rollt. Wie schnell diese Übertragung stattfindet, ist eine andere Art, Leistung zu messen.

In der Elektronik wird elektrische Energie in andere Energieformen umgewandelt und umgekehrt. Wenn zum Beispiel eine Batterie Strom liefert, wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. In ähnlicher Weise leuchtet eine Glühbirne als Ergebnis der Umwandlung von elektrischer Energie in Lichtenergie.                                                     

Um es zusammenzufassen, kann man sagen, dass die elektrische Leistung die Übertragungsrate der elektrischen Energie ist. Mathematisch gesehen ist die Leistung das Produkt aus Spannung und Strom und wird dargestellt als:

P=VI

Dabei ist P die Leistung in Watt, V ist die Spannung in Volt und, I ist der Strom in Ampère.

Betrachten Sie den obenstehenden Schaltkreis. Wir können die von der Ladung aufgenommene Leistung mit Hilfe der oben erwähnten Gleichung berechnen. Wir benötigen die Werte der Spannung und des Stroms. Um den Strom zu berechnen, werden wir das Ohmsche Gesetz nutzen. Wenn wir die Gleichung neu ordnen, erhalten wir:

I= V/R

= 9V/10Ω =0,9 A

Jetzt können wir die Leistung berechnen, die durch den Widerstand läuft:

P=VI

=(9)(0,9)

P=8,1 W

Die Leistung, die durch den 10Ω Widerstand umgewandelt wird, ergibt 8,1 Watt, was die Transfergeschwindigkeit der elektrischen Energie in diesem Schaltkreis ist.

Schaltkreise: Gleichstrom- und Wechselstromkreise (AC & DC)

Sie haben bestimmt schon von diesen zwei Arten von Schaltkreisen gehört: AC und DC. Was sind AC und DC? Wie können Sie diese beiden Begriffe unterscheiden?

AC steht für „Alternating Current“ (Wechselstrom), während DC für „Direct Current“ (Gleichstrom) steht. In Gleichstromkreisen fließt der Strom nur in eine Richtung, während er in Wechselstromkreisen seine Richtung nach einer festen Zeitspanne ändert. Dadurch können beide Stromkreise unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und verschiedenen Anwendungen dienen. 

Gleichstrom wird hauptsächlich in digitalen und logischen Elektronik-Schaltungen verwendet, während Wechselstrom im elektrischen Stromkreis unserer Häuser vorhanden ist. Da Wechselstrom seine Richtung periodisch ändert, wird er als Sinuswelle mit einer bestimmten Frequenz und Amplitude dargestellt. Gleichstrom wird als ein konstanter Pegel, eine gerade Linie, beschrieben, da er nicht variiert.

Elektronische Bauteile

Nun, da Sie den Grundwortschatz der Elektronik verstanden haben, wollen wir uns einige gängige elektronische Bauelemente von Schaltkreisen ansehen und sehen, wie sie funktionieren. 

Elektronik-Widerstände und das Ohmsche Gesetz

Ein Widerstand ist ein wesentliches Element einer elektronischen Schaltung. Er bietet einen Widerstand gegen den Stromfluss, der durch das Ohmsche Gesetz geregelt wird, und diese entgegengesetzte Kraft hilft den Entwicklern, die Stromwerte in der Schaltung gemäß ihren Anforderungen einzustellen. Wenn Sie zum Beispiel an einem Elektronik-Schaltplan arbeiten, der weniger Strom benötigt, sollten Sie einen hohen Widerstandswert in Ihrer Schaltung einführen.                                                                                                                                                                                                                                          

Schematische Symboldarstellungen

Arten von Widerstandsgehäusen

SMD-Widerstände unterschiedlicher Gehäusetypen

Es gibt Elektronik-Widerstände in verschiedenen Gehäusetypen. Man kann sie in SMD- (Surface Mount Device) und Axial-Widerstände unterteilen. SMD-Widerstände werden häufig in Leiterplatten und bei der Konstruktion elektronischer Geräte verwendet. Diese Widerstände werden durch einen numerischen Code unterschieden, der als imperialer Code bezeichnet wird, welcher sich auf die Abmessungen des SMD-Widerstands bezieht.                                                                                                                              

Einige gängige Beispiele für SMD-Widerstände sind 0603 und 0805. 0603 wird in eine Länge von 0,06 Zoll und eine Breite von 0,03 Zoll umgewandelt. In ähnlicher Weise wird der Code 0805 in eine Länge von 0,08 Zoll und eine Breite von 0,05 Zoll umgewandelt. Die Größen der SMD-Widerstände werden in verschiedene Leistungsstufen umgerechnet, z.B. hat der Widerstand 0603 eine Nennleistung von 0,10 Watt, während 0805 eine Nennleistung von 0,125 Watt hat. Andere imperiale Codes umfassen 0201, 0402, 1206, 1210, 1812, 2010 und 2512.Auf der anderen Seite sind die von Studenten und Bastlern üblicherweise verwendeten zylinderförmigen Elektronik-Widerstände, die axialen Widerstände. Sie haben ein Farbkodierungsschema, das es uns erlaubt, den Widerstandswert zu bestimmen, ohne ihn mit einem Multimeter messen zu müssen. Axial-Widerstände gibt es in verschiedenen Typen, einschließlich Kohleschicht, Metallschicht, Runddraht und als Kohlenstoff- Zusammensetzung.

Verschiedene elektronische Komponenten, Elektronik-Widerstände, Close-Up Serie auf weißem Hintergrund.

Farbkodierung 

Das Farbkodierungsschema der Widerstände könnte zu Anfang vielleicht etwas kompliziert für Sie sein, aber wenn Sie tiefer in die Elektronik-Grundlagen eintauchen, werden Sie feststellen, dass es sehr einfach aufzuschlüsseln ist. Jeder Axial-Widerstand hat vier Farbringe; drei davon zeigen Ihnen den Widerstandswert an und der vierte zeigt den Toleranzwert des Widerstands an und dieser hat entweder eine silberne oder goldene Farbe.

Während Sie den Widerstandswert ablesen, sollten Sie den Toleranzring immer auf Ihrer rechten Seite halten und die Farben von links nach rechts lesen. Die untenstehende Tabelle zeigt den Wert an, den jede Farbe repräsentiert.


Farbe

Zahl
Multiplikator
Toleranz (%)
Schwarz0100
Braun11011
Rot21022
Orange3103
Gelb4104
Grün51050.5
Blau61060.25
Violett71070.1
Grau8108
Weiß9109
Gold10-15
Silber10-210
Keine20

Betrachten Sie einen Widerstand, der einen braunen, schwarzen, orangenen und goldfarbenen Ring hat. Um den Widerstandswert zu dekodieren, lassen Sie uns die obenstehende Tabelle ansehen. Braun korrespondiert mit der ersten Zahl, z.B. 1, Schwarz wird als 0 übersetzt, welches die zweite Zahl ist. Dies macht 10. Dann repräsentiert Orange den Multiplikator, 103 und Gold repräsentiert 5% Toleranz. Dies erzeugt einen Widerstandswert von 10kΩ mit 5% Toleranz.

Parallel- gegenüber Reihenschaltung bei Widerständen

Es gibt zwei Hauptarten über die Sie zwei oder mehr Widerstände anschließen: in Reihe und parallel. Bei einer Reihenschaltung werden zwei Widerstände hintereinander geschaltet, bei einer Parallelschaltung werden die Enden eines Widerstandes mit den Enden eines anderen Widerstandes verbunden. Die folgenden Schaltbilder zeigen, wie Sie zwei Widerstände in Reihe und parallel schalten können.

Bei einer Parallelschaltung wird der von der Batterie kommende Strom I in zwei Ströme I1 und I2 aufgeteilt. Nachdem diese getrennten Ströme die parallelen Widerstände durchlaufen haben, vereinigen sie sich wieder zu dem Strom I, der zurück in die Batterie fließt. Die Spannung an beiden Widerständen bleibt gleich. Sie sollten also bedenken, dass sich bei Parallelschaltung von Widerständen der Strom teilt, während die Spannung gleich bleibt. 

Der Gesamtwert des Widerstandes bei Parallelschaltung von Widerständen wird mit folgender Formel berechnet:

R(gesamt)= (1/R1+1/R2)^-1

In der obigen Abbildung haben wir Widerstände R1 und R2 mit den Werten 10kΩ bzw. 1kΩ. Wir können den Gesamtwiderstand berechnen als:

R(gesamt)= (1/110k+1/11k)^-1

R(gesamt)= ((10k+1k)/10k)^-1

R(gesamt)= (11k/10k)^-1

R(gesamt)= (10k/11k)

R(gesamt)= 0,9kΩ

Bei einer Reihenschaltung bleibt jedoch der durch die Widerstände fließende Strom gleich, während sich die Spannung teilt. Der Gesamtwert des Widerstandes in Reihe lässt sich durch einfaches Addieren der einzelnen Widerstandswerte berechnen. 

R(gesamt)=R1+R2

Mit den im Schaltplan vorhandenen Werten können wir den folgenden Gesamtwiderstand berechnen:

R(gesamt)=10k+1k

R(gesamt)=11kΩ

Kondensatoren

Das zweithäufigste Element in elektronischen Schaltungen ist ein Kondensator. Dies ist ein Ladungsspeicher, der aus zwei parallelen Metallplatten besteht, die durch eine dielektrische Schicht getrennt sind. Die Metallplatten sind entgegengesetzt geladen und haben die Kapazität, Ladungen zu speichern. Kondensatoren werden häufig für Kopplungs- und Entkopplungszwecke, als Ladungsspeicher und zur Erzielung eines Glättungseffekts bei Spannungswellenformen verwendet. 

Es gibt zwei Arten von Kondensatoren, gepolte und ungepolte. Die gepolten Kondensatoren müssen Sie so anschließen, dass die Polarität beachtet wird. Einer ihrer Schenkel ist mit einem „+“-Zeichen markiert, während der andere mit einem „-„-Symbol gekennzeichnet ist. Den positiven Schenkel eines Kondensators müssen Sie immer mit dem positiven Ende einer Stromversorgung verbinden. Den negativen Schenkel müssen Sie mit dem Minuspol des Netzteils verbinden. 

Parallel- vs. Reihenschaltung von Kondensatoren

Genauso wie die Widerstände können Sie auch Kondensatoren in Reihe oder parallel schalten, was von der Anwendung abhängt. Die Kapazität wird in Farad gemessen, und der Gesamtwert der Kapazität variiert in beiden Konfigurationen unterschiedlich. Schauen wir uns jede der Einstellungen einzeln an. 

Um die Gesamtkapazität von parallel geschalteten Kondensatoren zu berechnen, rechnen  wir einfach die Werte zusammen. 

C(gesamt)=C1+C2

C(gesamt)=100μF+10μF

C(gesamt)=110μF

Nehmen wir aber mal an, dass die Kondensatoren in Reihe geschaltet sind. In diesem Fall werden ihre Kapazitätswerte erst invertiert, dann addiert und dann wiederum hin- und her geschaltet, genau wie wir den Widerstand von Widerständen in einer Parallelschaltung berechnen.

C(gesamt)= (1/C1+1/C2)^-1

C(gesamt)= (1/100μF+1/10μF)^-1

C(gesamt)= (11μ/100μ)^-1

C(gesamt)= 100/11

C(gesamt)=9,09uF

Steckgehäuse gegenüber SMD

Elektronische Komponenten gibt es in verschiedenen Gehäusetypen, dabei sind die wichtigsten die Steck- und SMD-Gehäuse. Durchsteck-Bauteile können Sie auf Steckplatinen und Protoboards befestigen, da sie lange leitende Beine haben, die sich leicht einsetzen lassen. Deshalb nennt man sie auch Steckteile. Auf der anderen Seite werden Surface Mount Devices (SMD) auf Leiterplatten und elektronischen Geräten wie Mikrocontroller-Platinen verwendet.  SMD-Bauteile sind in der Regel sehr viel kleiner als die Steckteile und nehmen nur eine Seite der Leiterplatte ein. Daher können S

Elektronik-Schaltpläne für Anfänger: Was ist ein Schaltkreis?

Fügt man mehrere elektronische Komponenten zusammen und schließt sie an eine AC- oder DC-Stromversorgung an, erhält man einen Schaltkreis. Das bedeutet nicht, dass Sie anfangen sollten, Elemente von Schaltungen zu verbinden, ohne ihre Leistungswerte zu kennen, denn auf diese Weise werden Sie höchstwahrscheinlich in eine explosive Situation geraten. Verständlich gesprochen ist ein Schaltkreis eine Kombination von elektronischen Komponenten, die durch leitende Drähte verbunden sind und in denen ein elektrischer Strom fließen kann. Dieser wird auch Elektronikschaltung genannt.

Elektronik für Anfänger: Einen Schaltkreis bauen

Welche Grundlagen der Elektronik benötigen Sie, um als Anfänger eine einfache elektronische Schaltung zu bauen? Brauchen Sie dafür ein Ingenieurdiplom? Nein, natürlich nicht! Sie können in wenigen, einfachen Schritten lernen, wie man einen einfachen Schaltkreis baut. 

Als Erstes müssen Sie sich entscheiden, welche Stromquelle Sie verwenden möchten. Danach müssen Sie Ihre elektronischen Bauelemente auswählen und herausfinden, wie Sie sie zusammenfügen wollen.                                                                                                   

Lassen Sie uns beispielsweise eine Verstärkerschaltung bauen, die einen LM386-IC zusammen mit einigen Widerständen und Kondensatoren verwendet. Eine 9V-Gleichstrombatterie versorgt die Schaltung mit Strom. Das Ausgangssignal wird über den Lautsprecher empfangen, der eine verstärkte Version des Eingangssignals ist. Die Kondensatoren in dieser Schaltung werden für viele Zwecke verwendet. An einigen Stellen sperren sie die Gleichspannung und koppeln das Signal vom Eingang zum Ausgang, an anderen Stellen liefern sie zusätzlichen Strom, um ein Absinken der Versorgungsspannung zu verhindern und die 9V auch bei starker Belastung zu halten. In manchen Fällen werden sie zur Filterung unerwünschter Frequenzen verwendet. 

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