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Praktische Elektronik


Wir lernen logische Schaltungen, Schaltbilder, Versuchsaufbau, erste Bauelemente, Spannung und Strom kennen.


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Praktikum

Digitaltechnik

Schalter und LED

Inhalt

Zweiter Teil

UND NICHT nur mehr Logik


Schalter und Leuchtdiode - Zweiter Teil

Elektrisches Schaltbild

Meistens wird einfach Schaltbild gesagt.

Es ist natürlich aufwändig und umständlich, elektronische Schaltungen als Fotos mit einer Beschreibung wiederzugeben. Ein Elektroniker weiß, wie Bauelemente aussehen und wie sie auf einem Steckbrett aufgebaut werden. Wir lernen es hier. Deshalb gibt es eine Darstellung, die etwas mehr beinhaltet aus die logische Darstellung, aber die vielen Details des Aufbaus nicht darstellt: das Schaltbild. Dort werden die einzelnen Bauelemente durch Symbole dargestellt. Kurze Beschreibungen geben genauere Hinweise, welches Form des Bauteils gemeint ist oder welchen Wert es hat.

TasterUndLED1.png
Bild 10: Das Schaltbild unserer LED mit Taster

Das Bild entspricht weitgehend dem Aufbau auf dem Steckbrett. Allerdings wurden für die Bauelemente Symbole eingesetzt. Ganz links ist die Batterie dargestellt. Dann folgt der Taster, der normalerweise offen ist. Der Widerstand ist gut zu erkennen. Die LED wird durch einen Pfeil gekennzeichnet. Damit wird symbolisiert, dass die Richtung, in der die LED eingebaut ist, wichtig ist.

Batterie

Ohne Batterie oder Stromversorgung läuft keine Elektronik. Deshalb gehen wir auf die Batterie genauer ein.

Polarität

Die Anschlussrichtung der Batterie wichtig ist. Das wird durch die Symbole mit + und - dargestellt. Der rote Anschluss der Batterie ist (meistens) Plus. Der schwarze ist dann Minus. Manchmal ist Minus blau - Elektroniker wollen auch Spaß haben.

Spannung

Die Voltzahl der Batterie - wir nennen es Spannung - ist ebenso wichtig. Auf jeder einzelnen Zelle der Batterie ist der Plus-Pol mit + gekennzeichnet und angegeben (irgendwo ganz klein), welche Spannung eine Batterie hat: 1,5V. Es gibt Batterien mit anderen Spannungen, z.B. den 9V-Block. Wir haben in unserem Batterie-Halter 3 mal 1,5V hinter einander geschaltet: Unsere Batterie hat damit eine Spannung von 4,5V.

Spannung heißt nichts anderes, als welche Möglichkeit, Potenz die Batterie oder Spannungsquelle hat. Eine Spannungsquelle mit 1,5V kann beispielsweise keine LED zum leuchten bringen. Dazu sind mindestens 2 Zellen oder 3V nötig. Wir kennen sicherlich die 230V der Netzspannung und wissen auch, dass die Netzspannung einen Menschen töten kann (möglich). Fassen wir eine 1,5V Batterie an, merken wir nichts. Offensichtlich gibt es Spannungen die gefährlich sind.

Wir werden nicht unmittelbar mit der Netzspannung von 230V arbeiten, sondern Geräte verwenden, die ungefährliche Spannungen erzeugen, Netzgeräte. Ein USB-Netzgerät zum Laden eines Handys liefert 5V. Das ist die Spannung mit der wir am häufigsten arbeiten werden. 12V-Netzgeräte werden z.B. für den Betrieb von LED-Beleuchtung verwendet.

Regeln

  • Nur Fachleute mit einer entsprechenden Ausbildung dürfen an Spannungen über 60V arbeiten.
  • Wir arbeiten nur mit Spannungen von 1,5V bis 12V.
  • Meistens arbeiten wir mit 5V. Das sind in etwa die drei Batteriezellen oder das, was ein USB-Anschluss oder -Netzteil liefert.

Strom

Die Spannung ist nicht alles, was wir über die Stromversorgung wissen müssen. Wir haben oben die LED mit verschiedenen Widerständen betrieben. Der Widerstand bestimmt, wie viel Energie wir der Stromversorgung entnehmen. Dieses ist die Ampere-Zahl oder der Strom in Ampere - geschrieben A. Moderne Elektronik, mit der wir arbeiten, ist sehr genügsam. Wir arbeiten tausendstel von Ampere, Milliampere, geschrieben mA. Unsere LED wird mit 3mA betrieben. Elektrische Geräte, die am 230V-Netz betrieben werden, wie ein Föhn, brauchen schon mal 10A. Ein Computer begnügt sich an 230V mit etwa 1A. Ein Notebook kommt mit einer Batterie von 20V aus und braucht meistens weniger als 1A.

Stromkreis

Zurück zu unserer Schaltung. Sehen wir uns an, wie der Strom fließt.

Er fließt vom Plus-Pol der Batterie (das obere Plus) durch den geschlossenen Taster, durch den Widerstand und die LED in Pfeilrichtung zum Minus-Pol der Batterie. Wenn man es genau nimmt, fließt der Strom weiter bis zum oberen Puls-Pol. Er fließt im Kreis. Deshalb wird oft vom Stromkreis gesprochen. Wir schenken uns diese Spitzfindigkeit. Für uns fließt der Strom von Plus der Stromversorgung zu Minus. Wir schenken uns auch die Spitzfindigkeiten mit Elektronen usw.

Wenn der Stromkreis unterbrochen ist, der Taster nicht betätigt ist, die Batterie nicht angeschlossen, eine Drahtbrücke nicht gesteckt ist oder ... , fließt kein Strom und die LED leuchtet nicht.

LEDs

LEDs haben Polarität

Auch LEDs haben Polarität. In unseren ersten Versuchen haben wir festgestellt, dass eine LED nur leuchtet, wenn sie "richtig" herum eingesteckt wurde. Die Polarität einer LED wird im Schaltbild durch den Pfeil ausgedrückt.

LED_Symbol.png
Bild 11: Symbol einer LED

Die beiden Anschlüsse einer LED werden als Anode und Kathode bezeichnet. Der Strom fließt nur in der gezeichneten Richtung von der Anode zur Kathode. An der Anode muss eine positive Spannung liegen. An der Kathode negative. Wenn die Polarität vertauscht wird, leuchtet die LED nicht.

LED_3mm.png

1 - Kathode
2 - Anode

Bild 12: Anschlüsse einer LED

Die Anschlüsse einer LED sind unterschiedlich lang. Der lange Anschluss (2) ist die Anode der kurze (1) die Kathode.

LEDs lieben Widerstände

Eines müssen wir wissen: Wenn wir eine LED unmittelbar an 5V oder eine 4,5V Batterie anschießen, wird sie zerstört. Eine LED muss immer mit einem Widerstand betrieben werden. Wir können auch nicht jeden beliebigen Widerstand nehmen.

  • Ein Widerstand mit 1kΩ - LEDs Liebling - schützt jede LED an 5V.
  • Ein Widerstand von 150Ω ist schon grenzwertig, aber die LED leuchtet sehr hell.
  • Unter 150Ω kann die LED zerstört werden (eine Drahtbrücke, ein Kurzschluss ist 0Ω).
  • Ein Widerstand von 100kΩ lässt eine LED kaum erkennbar glimmen.
  • Eine blaue oder weiße LED leuchtet bei 10kΩ wesentlich heller als eine rote.
  • Wenn wir den Widerstand herausnehmen, fließt kein Strom und die LED ist aus.

Die Helligkeit einer LED hängt vom Strom durch die LED ab. Der Strom wird durch den Widerstand vor der LED bestimmt. 3mA bei 1kΩ, 20mA bei 150Ω, 0,3mA bei 10kΩ und 0,03mA bei 100kΩ.

Widerstände

Wir verwenden Widerstände, um den Strom durch LEDs einzustellen.

Wir werden später sehen, dass Widerstände für viele Zwecke verwendet werden.

An dieser Stelle haben wir es immer mit der gleichen Sorte von Widerständen zu tun. Sie haben unterschiedliche Werte, die in Ohm, Ω gemessen werden.

Wir arbeiten meistens mit Widerständen von 100Ω, 1kΩ, 10kΩ, 100kΩ. Mit 1kΩ sind 1000Ω, 1 Kiloohm gemeint. Es gibt noch Megaohm, 1MΩ, das sind 1000000Ω (6 Nullen). Oder ganz einfach für k 3 und für M 6 Nullen anhängen.

Widerstände sind meistens durch einen Farbcode gekennzeichnet. Leider gibt es ein wenig Chaos, weil es manchmal vier oder fünf Ringe sind. Wer sich dafür interessiert findet eine Beschreibung unter Farbcode für Widerstände.

Mit Widerständen kann man außer Elektronik interessante Dinge wie Modeschmuck oder Palindrome machen. Ein Palindrom ist beispielsweise der 100Ω Widerstand mit fünf Ringen.

Wer sich die Grundausstattung von Bauelementen beschafft hat, wird meistens Widerstände mit fünf Ringen haben.

Achtung Spannung

Fatale Spannungen für LEDs

Von eigenen Versuchen sollten wir absehen.

Selbst dann, wenn eine LED mit ihrem Liebling dem 1kΩ Widerstand betrieben wird, kann eine Spannung eine LED zerstören. Eine 12V Spannung wird eine LED über einen 1kΩ Widerstand zum Leuchten bringen und nicht zerstören. Wird die LED falsch herum angeschlossen, der Pfeil zeigt nach Plus, kann 12V eine LED zerstören. Eine verpolte Spannung von 5V übersteht jede LED. Über 5V ist Vorsicht geboten.

Fatale Spannungen für Widerstände

Von eigenen Versuchen sollten wir absehen.

Unseren Liebling, den 1KΩ Widerstand, können wir an jede unserer üblichen Spannungen (12V oder kleiner) anschließen, ohne Gefahr zu laufen, dass der Widerstand beschädigt wird. Ein 100Ω Widerstand an 4,5V fühlt sich richtig wohl, weil ihm etwas warm ums Herz wird. Einem 10Ω Widerstand an 4,5V wird heiß und er fängt an zu rauchen. An einer Zelle mit 1,5V findet es ein 10Ω Widerstand ganz gemütlich. Schließen wir einen 1Ω Widerstand an die 4,5V Batterie, wird es fatal. Wenn der Widerstand kräftig ist, geht die Batterie in die Knie. Meistens segnet der Widerstand das Zeitliche. Der 100Ω Widerstand, der 4,5V mochte, wird 12V kaum überstehen.

Und die Moral von der Geschichte: Vorsicht bei kleinen Widerständen und/oder hohen Spannungen.

Regeln

  • Die Spannung einer Stromquelle wird in Volt V gemessen. Wir arbeiten meistens mit 5V.
  • Der Strom fließt von Plus, + der Stromversorgung über die Schaltung zu Minus, -.
  • Eine LED wird immer über einen Widerstand angeschlossen.
  • Eine LED leuchtet nur, wenn die Anode an Plus und die Kathode an Minus angeschlossen ist.
  • Die Pfeilspitze der LED zeigt nach Minus.
  • In die Leitung nach Plus oder nach Minus muss ein Widerstand geschaltet sein.
  • Der Strom aus einer Spannungsquelle wird in Ampere A gemessen.
  • Wir arbeiten meistens mit tausendstel Ampere, Milliampere, mA.
  • Manchmal arbeiten wir mit sehr kleinen Strömen, die Mikroampere, µA millionstel Ampere angegeben werden.
  • Widerstände bestimmen den Strom aus einer Spannungsquelle. Sie werden in Ohm, Ω, (Kiloohm) oder gar (Megaohm) angegeben.
  • für k 3 Nullen anhängen
  • für M 6 Nullen anhängen
  • Widerstände unter 100Ω sollten nicht unmittelbar an 5V angeschlossen werden.
  • Vorsicht bei kleinen Widerständen und/oder hohen Spannungen.
  • Zu hohe Spannungen können Bauteile (LEDs) zerstören.
  • Für Mess- und Anzeigezwecke ist ein Widerstand von 1kΩ angebracht.

Es gibt natürlich auch Formeln, die das bestätigen, aber Regeln sind klarer und besser zu merken.

Schaltbild

Wir haben uns lange mit der Batterie aufgehalten und müssen dennoch eine paar Worte über sie verlieren.

Wir verwenden zunächst nur die 4,5V Batterie. Der Einfachheit halber zeichnen wir die einzelnen Zellen der Batterie nicht mit. Wir wissen schließlich inzwischen, dass 4,5V drei 1,5V Zellen sind. Wir verwenden ein Symbol mit einen Pfeil nach oben und er Bezeichnung U+ oder +4,5V oder +5V für den Puls-Pol. Minus wird durch einen Pfeil nach unten mit U- oder einen Strich für Masse oder 0V dargestellt.

Moderne Elektronik ist genügsam und tolerant. Wir arbeiten meistens mit 5V und schreiben 5V, wir können aber ohne weiteres anstelle der 5V eine 4,5V Batterie einsetzen.

Unser Schaltbild können wir noch vereinfachen:

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Bild 13: Vereinfachtes Schaltbild mit Taster und LED

Um das Schaltbild zu verstehen, waren die obigen Erklärungen nötig. Demnächst müssen wir uns um viele Details nicht mehr kümmern, weil wir sie schon kennen.

Zusammenfassung

Wir sind mit einer Logischen Schaltung begonnen und Spannung und Strom gelandet. Schrauben wir mal alles zusammen.

  • Logische Schaltungen kennen die logischen Werte 0 und 1
  • Logische Schaltungen stellen das Prinzip dar.
  • Die elektronischen Bauteile sind komplizierter als das logische Bild.
  • Eine elektronische Schaltung braucht eine Stromversorgung.
  • Eine elektronische Schaltung wird durch ein Schaltbild beschrieben.
  • Eine logische 1 ist in unserer Schaltung: Strom ein, eine logische 0 Strom aus.