Schalter und Leuchtdiode - Zweiter Teil

Elektrisches Schaltbild

Meist wird einfach Schaltbild gesagt.

Natürlich ist es aufwendig und umständlich, elektronische Schaltungen als Fotos mit einer Beschreibung darzustellen. Ein Elektroniker weiß, wie Bauelemente aussehen und wie sie auf einem Steckboard aufgebaut werden. Das lernen wir hier.

Es gibt eine Darstellung, die etwas mehr enthält als die logische Darstellung, aber nicht die vielen Details des Aufbaus: das Schaltbild. Hier werden die einzelnen Bauelemente durch Symbole dargestellt. Kurze Beschreibungen geben genauere Hinweise, welche Form des Bauelements gemeint ist oder welchen Wert es hat.

Bild 10 entspricht weitgehend dem Aufbau auf dem Steckboard. Allerdings wurden die Bauelemente durch Symbole ersetzt. Ganz links ist die Batterie dargestellt. Dann folgt der Taster, der normalerweise offen ist. Gut zu erkennen ist der Widerstand. Die LED wird durch einen Pfeil dargestellt. Damit wird symbolisiert, dass es wichtig ist, in welche Richtung die LED eingebaut wird.

Schaltbild

In einem Schaltbild wird das Wesentliche einer elektronischen Schaltung symbolisch dargestellt.

Stromversorgung

Ohne Stromversorgung funktioniert keine Elektronik.

Anstelle des Begriffs Stromversorgung wird oft auch Spannungsquelle verwendet.

Häufig wird eine Batterie zur Stromversorgung von Elektronik verwendet.

Eine Batterie ist ein sehr gutes Beispiel für eine Stromversorgung.

Deshalb betrachten wir die Batterie etwas genauer.

Batterie

Polarität

• Die Anschlussrichtung der Batterie ist wichtig.

• Die Symbole mit + und - zeigen dies an.

• Der rote Anschluss der Batterie ist (meist) Plus.

• Der schwarze ist dann Minus.

Spannung

Die Volt-Zahl der Batterie ist ebenfalls wichtig. Wir nennen sie Spannung in Volt, geschrieben V. Auf jeder einzelnen Zelle der Batterie ist der Pluspol mit + gekennzeichnet und zeigt an, welche Spannung eine Batterie hat: 1,5 V. Es gibt Batterien mit anderen Spannungen, z. B. den 9 V-Block. Wir haben in unserem Batteriehalter dreimal 1,5 V hintereinander geschaltet: Unsere Batterie hat damit eine Spannung von 4,5 V.

Spannung bedeutet nichts anderes, als welche Möglichkeit, Potenz die Batterie oder Spannungsquelle hat.

• Eine Spannungsquelle mit 1,5 V kann beispielsweise keine LED zum Leuchten bringen.

• Dazu sind mindestens zwei Zellen oder 3 V nötig.

• Wir kennen sicher die 230 V der Netzspannung und wissen auch, dass die Netzspannung einen Menschen töten kann.

• Wenn wir eine 1,5 V-Batterie anfassen, merken wir nichts.

• Offensichtlich gibt es Spannungen, die gefährlich sind.

• Wir werden nicht direkt mit der Netzspannung von 230 V arbeiten, sondern verwenden Geräte, die ungefährliche Spannungen erzeugen, Netzgeräte.

• Ein USB-Netzgerät zum Aufladen eines Mobiltelefons liefert 5 V. Mit dieser Spannung werden wir am häufigsten arbeiten. 12 V-Netzgeräte werden z. B. für den Betrieb von LED-Beleuchtung verwendet.

Regel: Vorsicht

• Nur Fachkräfte mit entsprechender Ausbildung dürfen mit Spannungen über 60 V arbeiten.

• Wir arbeiten in der Regel mit Spannungen von 1,5 V bis 12 V.

• Meist arbeiten wir mit 5 V. Das sind ungefähr drei Zellen einer Batterie oder das, was ein USB-Anschluss, eine USB-Powerbank oder ein USB-Netzteil liefert.

230 V ist tabu

• Spannungen über 60 V sind für Menschen gefährlich!

• Wir arbeiten nur mit 5 V oder 12 V

• 230 V Netzspannung ist absolut tabu!

Strom

Mehr zu Stromversorgung

• Batterie und Stromversorgung

Die Spannung ist nicht alles, was wir über die Stromversorgung wissen müssen.

Wir haben LEDs mit unterschiedlichen Widerständen betrieben. Der Widerstand bestimmt, wie viel Energie wir der Stromversorgung entnehmen. Das ist die Ampere-Zahl oder der Strom in Ampere, geschrieben A.

• Die moderne Elektronik, mit der wir arbeiten, ist sehr sparsam.

• Wir arbeiten mit Tausendsteln von Ampere, den Milliampere, geschrieben mA. Unsere LED arbeitet mit 3 mA.

• Elektrische Geräte, die am 230 V-Netz betrieben werden, wie z. B. ein Föhn, verbrauchen bis zu 10 A.

• Ein Computer kommt bei 230 V mit etwa 1 A aus.

• Ein Notebook kommt mit einer Batterie von 20 V aus und verbraucht meist weniger als 1 A.

Stromkreis

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

• Der Strom fließt vom Pluspol der Batterie (das obere Plus), durch den Widerstand und die LED in Pfeilrichtung zum Minuspol der Batterie.

• Wenn man es genau nimmt, fließt der Strom weiter bis zum oberen Pluspol. Er fließt im Kreis. Deshalb spricht man oft vom Stromkreis.

Wir sparen uns diese Spitzfindigkeit. Für uns fließt der Strom vom Plus der Stromversorgung zum Minus. Wir schenken uns auch die Spitzfindigkeiten mit Elektronen usw.

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

LEDs

LEDs haben Polarität

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

Die beiden Anschlüsse einer LED heißen Anode und Kathode. Der Strom fließt nur in der eingezeichneten Richtung von der Anode zur Kathode. An der Anode muss eine positive Spannung anliegen. An der Kathode eine negative. Wird die Polarität vertauscht, leuchtet die LED nicht.

1 - Kathode
2 - Anode

Anschlüsse einer LED

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

Widerstände

Wir verwenden Widerstände, um den Strom durch die LEDs einzustellen.

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

Ein Widerstand hat zwei Anschlüsse und einen Wert, hier 1 kΩ. Die Anschlüsse eines Widerstands können vertauscht werden.

• Widerstände haben keine Polarität.

Widerstände haben unterschiedliche Werte, die in Ohm, Ω angegeben werden.

Wir arbeiten meist mit Widerständen von 100 Ω, 1 kΩ, 10 kΩ oder 100 kΩ. Mit 1 kΩ sind 1000 Ω, 1 Kiloohm gemeint. Es gibt auch Megaohm, 1 MΩ, das sind 1000000 Ω (sechs Nullen). Oder ganz einfach anstelle von k drei Nullen anhängen und anstelle von M sechs Nullen anhängen.

Widerstände sind meist farblich 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.

Wer sich die Grundausstattung an Bauelementen besorgt hat, wird meist Widerstände mit fünf Ringen haben.

LEDs lieben Widerstände

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

• Ein Widerstand von 1 kΩ – der Favorit von LEDs – schützt jede LED an 5 V.

• Ein Widerstand von 150 Ω ist schon grenzwertig, aber die LED leuchtet sehr hell.

• Unter 150 Ω kann die LED zerstört werden (eine Drahtbrücke ist ein Kurzschluss mit 0 Ω).

• Ein Widerstand von 100 kΩ lässt eine LED kaum erkennbar glimmen.

• Eine blaue oder weiße LED leuchtet bei 10 kΩ viel heller als eine rote.

• Wenn wir den Widerstand entfernen, fließt kein Strom und die LED ist aus.

Die Helligkeit einer LED hängt vom Strom ab, der durch die LED fließt. Der Strom wird durch den Widerstand vor der LED bestimmt.

• 3 mA bei 1 kΩ,

• 20 mA bei 150 Ω,

• 0,3 mA bei 10 kΩ und

• 0,03 mA bei 100 kΩ.

LEDs betreiben

• LEDs dürfen nicht ohne Widerstände betrieben werden.

• Oder mit spezieller Elektronik.

Achtung Spannung

Fatale Spannungen für LEDs

Von eigenen Versuchen sollten wir absehen.

• Selbst dann, wenn eine LED mit ihrem Favoriten, dem 1 kΩ-Widerstand, betrieben wird, kann eine Spannung eine LED zerstören.

• Eine 12 V-Spannung wird eine LED über einen 1 kΩ-Widerstand zum Leuchten bringen und nicht zerstören.

• Wenn die LED verkehrt herum angeschlossen ist, d. h., der Pfeil der LED zeigt auf Plus, können 12 V eine LED zerstören.

• Eine verpolte Spannung von 5 V übersteht jede LED. Über 5 V ist Vorsicht geboten.

Fatale Spannungen für Widerstände

Von eigenen Versuchen sollten wir absehen.

• Unseren Favoriten, den 1 kΩ-Widerstand, können wir an jede unserer üblichen Spannungen (12 V oder weniger) anschließen, ohne Gefahr zu laufen, den Widerstand zu beschädigen.

• Ein 100 Ω-Widerstand fühlt sich bei 4,5 V richtig wohl, weil ihm etwas warm ums Herz wird.

• Ein 100 Ω-Widerstand, der 4,5 V mochte, wird 12 V kaum überstehen.

• Ein 10 Ω-Widerstand bei 4,5 V wird heiß und fängt an zu rauchen.

• An einer Zelle mit 1,5 V findet ein 10 Ω-Widerstand es ganz gemütlich.

• Wenn wir einen 1 Ω-Widerstand an die 4,5 V-Batterie anschließen, wird es fatal.

Wenn der Widerstand kräftig ist, geht die Batterie in die Knie. Meist segnet der Widerstand das Zeitliche.

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

Schaltbild

Wir haben uns lange mit der Batterie aufgehalten und müssen doch noch ein paar Worte darüber verlieren.

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

Moderne Elektronik ist sparsam und tolerant. Wir arbeiten meist mit 5 V und schreiben +5 V. Wir können aber problemlos eine 4,5 V Batterie anstelle der 5 V verwenden.

Wir können unser Schaltbild noch weiter vereinfachen:

Die obigen Erklärungen waren notwendig, um das Schaltbild zu verstehen. Im Folgenden brauchen wir uns um viele Details nicht mehr zu kümmern, da wir sie bereits kennen.

Zusammenfassung

Wir haben mit einer logischen Schaltung begonnen und sind bei Spannung und Strom gelandet.

• Logische Schaltungen kennen die logischen Werte 0 und 1

• Logische Schaltungen beschreiben das Prinzip.

• Die elektronischen Bauelemente sind komplizierter als das logische Symbol.

• Eine elektronische Schaltung benötigt eine Stromversorgung.

• Eine elektronische Schaltung wird durch ein Schaltbild beschrieben.

• Eine logische 1 bedeutet in unserer Schaltung Strom ein, eine logische 0 Strom aus.

Sicherungen

Eine Sicherung ist eine sinnvolle und notwendige Ergänzung zu einer Batterieversorgung. Auch andere einfache Stromversorgungen, wie z. B. eine USB-Powerbank mit dem USB-Adapter, sollten damit ergänzt werden.

PTC-Sicherung

Eine PTC-Sicherung ist sehr einfach und effektiv.

• Es handelt sich um ein einfaches Bauelement mit zwei Anschlüssen, die beliebig herum angeschlossen werden können.

• Sie schützt unsere ersten Schaltungen ausreichend.

• Nach Beseitigung des Fehlers ist sie sofort wieder einsatzbereit.

• Für empfindliche elektronische Bauelemente ist sie leider viel zu langsam.

• Wir verwenden die

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Die Sicherung wird einfach in die + (Plus)-Leitung geschaltet.

Die PTC-Sicherung wird am besten auf ein Steckboard eingebaut.

• Die beiden Leitungen links kommen von der Stromversorgung, einer Batterie oder einer USB-Powerbank.

• Die rote Leitung ist die + (Plus)-Leitung.

• Die schwarze Leitung ist die - (Minus)-Leitung.

• Die PTC-Sicherung ist das gelbe Bauelement oben links.

• Sie verbindet die ankommende + (Plus)-Leitung mit dem + (Plus) des Steckboards.

• Die PTC-Sicherung darf keine anderen Bauelemente berühren.

• Die schwarze - (Minus)-Leitung wird direkt mit der des Steckboards verbunden.

• Ganz rechts befinden sich zwei Drahtbrücken, die die oberen Versorgungsleitungen des Steckboards mit den unteren verbinden.

• In der Mitte befindet sich eine LED mit einem Vorwiderstand.

• Die LED zeigt an, dass die Versorgungsspannung anliegt.

• Diese Anordnung mit PTC-Sicherung und LED mit Vorwiderstand sollten wir immer verwenden, wenn wir Versuche durchführen.

Elektronische Sicherung

Eine elektronische Sicherung ist besser und zuverlässiger als eine PTC-Sicherung und sollte so früh wie möglich eingebaut werden.

Labornetzgeräte können auch auf kleine Ströme eingestellt werden. Sie reagieren oft zu langsam, um bei kleinen Strömen einen guten Schutz zu bieten. Auch hier ist der Einsatz einer elektronischen Sicherung sinnvoll.

In Bau einer elektronischen Sicherung bauen wir eine einfache elektronische Sicherung.

Im Praktikum Einfache elektronische Sicherung lernen wir, wie eine elektronische Sicherung funktioniert.