Elektronik Grundlagen
Um Elektronik und Mikrocontroller erfolgreich für Projekte einsetzen zu können ist es unumgänglich einige elektronische Begriffe, Grundlagen und Gesetze zu beachten. Dazu zählen:
Schaltkreis: Ein Schaltkreis ist eine Aneinanderreihung von elektronischen Komponenten. Dabei besteht der einfachste elektrische Schaltkreis aus einem Spannungserzeuger, dem Verbraucher und der Verbindungsleitung (Hin- und Rückleiter). Elektrischer Strom kann nur in einem geschlossenen Leiterkreis fliessen. In einem geschlossenen Leiterkreis fliest der Strom vom negativen Pol der Spannungserzeugers zum positiven Pol.
Elektronen: Elektronen sind negativ geladene Elementarteilchen welche die Eigenschaft besitzen, sich mit positiv geladenen Teilchen (Protonen) auszugleichen, dass ein Gleichgewicht (gleiche Anzahl von Elektronen und Protonen) entsteht. Diese Eigenschaft lässt sich in elektrisch leitfähigen Materialien gezielt nutzen.
Strom (gemessen in Ampere): Der Strom bezeichnet die Wanderung von Elektronen von einem Atom zum nächsten. Je höher die Anzahl der Elektronen, desto höher der Strom.
Spannung (gemessen in Volt): Spannung bezeichnet die Stärke, mit welcher die Elektronen in eine bestimmte Richtung “fliessen”. Es gibt dabei sowohl positive, wie auch negative Spannungen.
Widerstand (gemessen in Ohm): Widerstand bezeichnet die Eigenschaft von Materialien den Elektronenfluss gut oder weniger gut zu ermöglichen. Durch den Widerstand lässt sich also der Elektronenfluss auch beeinflussen.
Ohmsches Gesetz (U = R x I): Das Ohmsche Gesetz bezeichnet den Zusammenhang von Strom (I), Spannung (U) und Widerstand (R). Legt man einen Widerstand an eine Spannung und bildet damit einen geschlossenen Stromkreis, so fliesst durch den Widerstand ein bestimmter Strom. Die Stärke dieses Stromes hängt von der angelegten Spannung und dem Widerstand ab. Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzen lassen sich also die drei Grundgrössen in einem Stromkreis bestimmen, wenn zwei Grössen bekannt sind.
Reihenschaltung (Rges = R1 + R2 + R3 + …): Von einer Reihenschaltung wird gesprochen, wenn beim Anlegen einer Spannung derselbe Strom alle Widerstände nacheinander durchfliesst. Die Summe der Teilwiderstände ergibt den Gesamtwiderstand. Die Teilspannungen verhalten sich wie das Verhältnis der Teilwiderstände. Man spricht hier auch vom Spannungsteiler. Die Eigenschaften der Reihenschaltung macht man sich auch für den Vorwiderstand (beispielweise bei LED’s) zu eigen. Ein kleines
Beispiel Reihenschaltung:
Gegeben
R1 = 60Ω, R2 = 120Ω, U = 12V
Gesucht
Rges, I, U1, U2
Lösung
Rges = R1 + R2 = 60Ω + 120Ω = 180Ω
I = U / Rges = 12V / 180Ω = 0.067 A
U1 = I * R1 = 0.067A * 60Ω = 4V
U2 = I * R2 = 0.067A * 120Ω = 8V
Parallelschaltung: Im Gegensatz zur Reihenschaltung liegt an allen Elementen der Parallelschaltung die gleiche Spannung (U) an. Dagegen wird der Gesamtstrom auf die Verbraucher / Widerstände aufgeteilt. Man spricht hier auch vom sogenannten Stromteiler.
Gleichstrom: Gleichstrom bezeichnet einen elektronischen Strom, welcher sich nicht in Richtung und Stärke verändert.
Wechselstrom: Wechselstrom ist ein elektrischer Strom, welcher seine Richtung (Polung) in regelmässigen Abständen wechselt. Zu Wechselstrom zählt z.B. auch der mit ca. 50Hz schwingende Strom aus der Steckdose.
ACHTUNG: AUF KEINEN FALL WERDEN WIR DEN WECHSELSTROM AUS DER STECKDOSE VERWENDEN!
Gefahren
- Wenn an einer Schaltung gearbeitet wird, dann vorher die Spannungsversorgung unterbrechen!
- Wir verwenden nur Spannungen bis 12V, niemals darüber!
- Bei der Verwendung von Lötkolben ist besondere Vorsicht geboten!
Weitere Informationen:
- Elektronik Grundlagen - Im Elektronik Kompendium
- Electronic Basics - ITP Physical Computing
- Adventures in Science! - Sparkfun
- Resistor Basics - Sparkfun
- Voltage Divider - Sparkfun
- Ohms Law - Sparkfun