Kapitel 1

Grundbegriffe und die wichtigsten Bauelemente: IC, Transistor & Co

IN DIESEM KAPITEL

1. Bauelemente und deren Funktionen einfach erklärt
2. Aktive und passive Bauelemente
3. Die wichtigsten Bauteile und ihre Funktionen sowie Einsatzgebiete
4. Schaltzeichen der wichtigsten elektronischen Bauteile

In diesem Kapitel finden Sie Informationen darüber, was Gleich- und Wechselstrom ist, wie ein einfacher Stromkreis aufgebaut ist und wie elektronische Bauteile funktionieren und wozu sie eingesetzt werden. Sie lernen den Unterschied zwischen aktiven und passiven Bauteilen kennen und erfahren, wozu Sie Transistoren, Dioden, Widerstände und Kondensatoren einsetzen können. Die Erklärungen zu den einzelnen Bauteilen sind bewusst einfach gehalten, damit auch Sie als Nicht-Elektroniker diese problemlos verstehen können und später in der Lage sind, die Bauteile in Ihren eigenen Schaltungen einzusetzen. Es geht keineswegs darum, alle physikalischen Aspekte in sämtlichen Details darzustellen. Sie sollen einfach lernen, was Sie mit den jeweiligen Bauteilen anfangen können.

Vorweg ein paar Grundbegriffe

Bevor es losgeht, möchte ich Ihnen einige kurze Erklärungen zu wichtigen Grundbegriffen liefern, damit Sie die Inhalte der folgenden Abschnitte und Kapitel besser verstehen können.

Gleichstrom und Wechselstrom

Zunächst geht es um Gleichstrom und Wechselstrom. Beim Gleichstrom fließt der Strom immer in einer Richtung. Für Sie als Bastler interessant ist die technische Stromrichtung, nach der sich die elektrische Ladung vom Pluspol zum Minuspol einer Stromquelle bewegt. Der Strom fließt also von Plus nach Minus. Bei einer Wechselspannung ist dies anders. Wie der Name schon sagt, findet ein ständiger Wechsel statt, nämlich ein Wechsel der Stromrichtung. Nun fließt der Strom aber nicht auf einmal von Minus nach Plus und wieder umgekehrt. Vielmehr ist es so, dass es bei einer Wechselspannungsquelle keinen Plus- oder Minuspol gibt, da diese sich ständig vertauschen, wodurch sich wiederum die Stromrichtung ständig ändert.

Spannung

Die Spannung ist eine der wichtigsten elektrischen Größen und wird in der Einheit Volt (V) angegeben. Es kann eine Spannung vorhanden sein, ohne dass ein Strom fließt. Sie können das vergleichen mit einem vollen Eimer Wasser, aus dem kein Wasser herausfließt. Der volle Eimer ist vergleichbar mit der elektrischen Spannung, doch erst dann, wenn Wasser aus ihm herausfließt, fließt auch ein Strom. Damit ein Strom fließen kann, muss es einen geschlossenen Stromkreis geben. Der einfachste Stromkreis besteht aus einer Spannungsquelle mit angeschlossenem Verbraucher. Dies kann beispielsweise eine Batterie mit angeschlossener Glühlampe sein.

Stromstärke

Die Stromstärke bezeichnet die Menge an elektrischer Energie, die pro Zeiteinheit durch eine elektrische Leitung fließt. In unserem Beispiel wäre sie vergleichbar mit der Menge an Wasser, die pro Sekunde oder Minute aus dem Eimer herausfließt. Die Stromstärke wird in Ampere (A) angegeben.

Elektrische Leistung

Die elektrische Leistung kann in der Elektronik und Elektrotechnik unterschiedlich definiert sein. In diesem Buch geht es um das Produkt aus elektrischer Spannung und Stromstärke. Multiplizieren Sie die elektrische Spannung in Volt mit der Stromstärke, erhalten Sie die elektrische Leistung in Watt (W). Die elektrische Leistung steigt mit der Spannung oder der Stromstärke, ähnlich wie die Größe einer Fläche durch deren Länge und Breite bestimmt wird.

Platine

Ohne elektronische Bauelemente würde in der Elektronik überhaupt nichts funktionieren. Es handelt sich um die kleinen, bunten Bauteile, die auf den Platinen elektronischer Geräte in allen möglichen Farben, Formen und Größen zu finden sind und die Grundkomponenten eines jeden Stromkreises darstellen. Als Platine oder auch Leiterplatte wird der Träger für elektronische Bauteile bezeichnet. Fast alle elektronischen Geräte enthalten eine oder mehrere Platinen. Sie bestehen aus einem elektrisch nicht leitenden Material und besitzen sogenannte Leiterbahnen aus elektrisch leitenden Materialien (meist aus Kupfer), durch welche die Verbindungen zwischen den Bauteilen hergestellt werden. Um einfache elektronische Schaltungen aufbauen zu können, sind zumindest Grundkenntnisse über die Funktionen der jeweiligen Bauteile notwendig. Jedes elektronische Bauelement hat eine ganz bestimmte Funktion und kann in einem elektronischen Schaltkreis verschiedene Zwecke erfüllen. Transistoren beispielsweise lassen sich zum Verstärken elektrischer Signale ebenso einsetzen wie zum Schalten oder Steuern von Lampen, Motoren oder anderen Aktoren. Aktoren sind Bauteile, die Funktionen in Geräten ausführen. So kann zum Beispiel ein Motor in einem elektronischen Gerät eingebaut sein, der einen Plattenteller antreibt oder eine Schublade bei einem CD-Player öffnet oder schließt. Solch ein Motor ist ein Aktor, da er etwas bewegt beziehungsweise bewirkt.

Kurzschluss

Ein Kurzschluss ist weniger schön und die umgangssprachliche Bezeichnung für einen Stromfluss dort, wo er nicht stattfinden soll(te). Sicherlich haben Sie den Begriff schon einmal gehört. Ein Kurzschluss kann zum Beispiel dazu führen, dass die Sicherung im Sicherungskasten »herausfliegt«, also auslöst. Ein Kurzschluss kann allerdings noch viel gefährlicher werden. Wird beispielsweise eine Batterie oder ein Akku kurz geschlossen, dann können diese im schlimmsten Falle explodieren oder einen Brand auslösen. Was ist nun aber ein Kurzschluss eigentlich? Bei einer Batterie spricht man von einem Kurzschluss, wenn beide Pole der Batterie mit einem elektrischen Leiter direkt miteinander verbunden werden, also ohne das Anschließen eines elektrischen Verbrauchers wie beispielsweise einer Glühlampe. Ein Kurzschluss kann allerdings auch durch beschädigte Elektroleitungen entstehen, beispielsweise dann, wenn die Leitungen defekt sind und sich unbeabsichtigt berühren und dadurch eine ungewollte elektrische Verbindung darstellen.

Aktive und passive Bauteile

In der Elektronik unterscheidet man zwischen aktiven und passiven Bauelementen. Der Unterschied zwischen beiden Arten ist eigentlich recht einfach erklärt. Aktive Bauteile haben nach gängiger Definition eine die elektrischen Signale verändernde Wirkung, was bei passiven Bauelementen nicht der Fall ist. Dazu ein paar Erläuterungen: Passive Bauelemente wie zum Beispiel Widerstände oder Kondensatoren verhalten sich in einer elektronischen Schaltung, wie der Name schon sagt, passiv. Passiv heißt aber keineswegs, dass die Bauteile nicht wichtig wären. Passive Bauteile wie Widerstände können andere (meist aktive) Bauteile schützen, indem sie beispielsweise die Stromstärke begrenzen. Widerstände behalten ihren Widerstandswert, unabhängig davon, ob die angelegte elektrische Spannung verändert wird oder wie herum sie in die Schaltung eingesetzt werden. Doch dazu später mehr. Zu den aktiven Bauteilen gehören Transistoren, die häufig als signalverstärkende Bauteile eingesetzt werden. Transistoren können elektrische Signale mit einer größeren Signalstärke abgeben, als sie diese aufnehmen. Außerdem können Sie mit ihnen mithilfe kleiner Steuerströme wesentlich höhere Ströme steuern. In Verstärkerschaltungen eingesetzt, dienen Transistoren dazu, die nur sehr geringen Ausgangssignale von einem Mikrofon zu verstärken, an einen Lautsprecher abzugeben und somit hörbar zu machen. Aber auch Bauteile wie Dioden werden als aktive Bauelemente bezeichnet. Aktive Bauelemente können ihre elektrischen Eigenschaften abhängig von Dingen wie der angelegten Spannung, deren Polarität oder anderen äußeren Einflüssen ändern. Dazu ein paar kleine Beispiele: Eine Diode lässt den elektrischen Strom nur in einer Richtung passieren. Sie hat eine Wirkrichtung, kann also elektrische Signale beeinflussen. Fließt durch eine Diode ein Wechselstrom mit einer sich ständig ändernden Stromrichtung, so kann der Strom nur in einer Richtung passieren (dadurch kommt der sogenannte Gleichrichtereffekt zustande). Halbleiterbauteile gehören ebenfalls zu den aktiven Bauelementen. Halbleiter sind Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit weder als elektrischer Leiter noch als Nichtleiter eingestuft werden kann, weil sie entweder durch äußere Einflüsse verändert wird (zum Beispiel durch Temperatur oder Lichteinfall), sich chemisch beeinflussen lässt oder stromrichtungsabhängig ist. In Tabelle 1.1 finden Sie die wichtigsten aktiven und passiven Bauelemente.