../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik


Wir lernen logische Schaltungen, Schaltbilder, Versuchsaufbauten und erste Bauelemente kennen.


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Schalter und Leuchtdiode 2

UND NICHT nur mehr Logik


Schalter und Leuchtdiode - Zweiter Teil

Elektrisches Schaltbild

Meistens 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 Bauteils gemeint ist oder welchen Wert es hat.

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

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 ist.

Attention >

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 (meistens) 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 Plus-Pol mit + gekennzeichnet und zeigt an, welche Spannung eine Batterie hat: 1,5V. Es gibt Batterien mit anderen Spannungen, z.B. den 9V-Block. Wir haben in unserem Batterie-Halter dreimal 1,5V hintereinander geschaltet: Unsere Batterie hat damit eine Spannung von 4,5V.

Spannung bedeutet 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 zwei Zellen oder 3V nötig.
  • Wir kennen sicher die 230V der Netzspannung und wissen auch, dass die Netzspannung einen Menschen töten kann.
  • Wen wir eine 1,5V Batterie anfassen, merken wir nichts.
  • Offensichtlich gibt es Spannungen, die gefährlich sind.
  • Wir werden nicht direkt mit der Netzspannung von 230V arbeiten, sondern verwenden Geräte, die ungefährliche Spannungen erzeugen, Netzgeräte.
  • Ein USB-Netzgerät zum Aufladen eines Mobiltelefons liefert 5V. Mit dieser Spannung werden wir am häufigsten arbeiten. 12V-Netzgeräte werden z.B. für den Betrieb von LED-Beleuchtung verwendet.

Regel: Vorsicht

  • Nur Fachkräfte mit entsprechender Ausbildung dürfen mit Spannungen über 60V arbeiten.
  • Wir arbeiten in der Regel mit Spannungen von 1,5V bis 12V.
  • Meistens arbeiten wir mit 5V. Das sind ungefähr drei Zellen einer Batterie oder das, was ein USB-Anschluss, eine USB-Powerbank oder ein USB-Netzteil liefert.
Attention attention

230V ist tabu

  • Spannungen über 60V sind für Menschen gefährlich!
  • Wir arbeiten nur mit 5V oder 12V
  • 230V Netzspannung ist absolut tabu!

Strom

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 Tausendstel von Ampere, Milliampere, geschrieben mA. Unsere LED arbeitet mit 3mA.
  • Elektrische Geräte, die am 230V-Netz betrieben werden, wie z.B. ein Föhn, verbrauchen bis zu 10A.
  • Ein Computer kommt bei 230V mit etwa 1A aus.
  • Ein Notebook kommt mit einer Batterie von 20V aus und verbraucht meistens weniger als 1A.

Stromkreis

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

  • Der Strom fließt vom Plus-Pol der Batterie (das obere Plus) 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 spricht man oft vom Stromkreis.

Wir sparen 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, 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 auch 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.

LED_Symbol.png
Symbol einer LED

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 wird, leuchtet die LED nicht.

LED_3mm.png

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.

Widerstand_Symbol.png
Symbol eines Widerstands

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

  • Widerstände haben keine Polarität.
Widerstand1kOhm.png
1kΩ Widerstände mit fünf und vier Ringen

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

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

Widerstände sind meistens durch 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 meistens Widerstände mit fünf Ringen haben.

LEDs lieben Widerstände

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

  • Ein Widerstand von 1kΩ - LEDs Favorit - 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 ist ein Kurzschluss mit 0Ω).
  • Ein Widerstand von 100kΩ lässt eine LED kaum erkennbar glimmen.
  • Eine blaue oder weiße LED leuchtet bei 10kΩ 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.

  • 3mA bei 1kΩ,
  • 20mA bei 150Ω,
  • 0,3mA bei 10kΩ und
  • 0,03mA bei 100kΩ.
Attention attention

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 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.
  • Wenn die LED verkehrt herum angeschlossen ist, d.h. der Pfeil der LED zeigt auf Plus, können 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 Favoriten, den 1KΩ Widerstand, können wir an jede unserer üblichen Spannungen (12V oder weniger) anschließen, ohne Gefahr zu laufen, den Widerstand zu beschädigen.
  • Ein 100Ω Widerstand fühlt sich bei 4,5V richtig wohl, weil ihm etwas warm ums Herz wird.
  • Ein 100Ω Widerstand, der 4,5V mochte, wird 12V kaum überstehen.
  • Ein 10Ω Widerstand bei 4,5V wird heiß und er fängt an zu rauchen.
  • An einer Zelle mit 1,5V findet es ein 10Ω Widerstand ganz gemütlich.
  • Wenn wir einen 1Ω Widerstand an die 4,5V Batterie anschließen, wird es fatal.

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

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

Regeln

Die Begriffe Spannungsquelle, Stromquelle, Spannungsversorgung und Stromversorgung bedeuten dasselbe, sind synonym.

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

Natürlich gibt es auch Formeln, die das bestätigen, aber Regeln sind für Einsteiger anschaulicher und besser zu einprägsamer.

Schaltbild

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

Wir verwenden zunächst nur die 4,5V Batterie. Der Einfachheit halber zeichnen wir die einzelnen Zellen der Batterie nicht ein. Schließlich wissen wir jetzt, dass 4,5V drei 1,5V-Zellen sind. Wir verwenden ein Symbol mit einem Pfeil nach oben und der 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 sparsam und tolerant. Wir arbeiten meistens mit 5V und schreiben +5V. Wir können aber problemlos eine 4,5V Batterie anstelle der 5V verwenden.

Wir können unser Schaltbild noch weiter vereinfachen:

TasterUndLED.png
Bild 13: Vereinfachtes Schaltbild mit Taster und LED

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 dar.
  • Die elektronischen Bauteile sind komplizierter als das logische Symbol.
  • Eine elektronische Schaltung benötigt eine Stromversorgung.
  • Eine elektronische Schaltung wird durch ein Schaltbild beschrieben.
  • Eine logische 1 ist in unserer Schaltung Strom ein, eine logische 0 Strom aus.
Attention pin

Sicherungen

Eine Sicherung ist eine sinnvolle und notwendige Ergänzung zu einer Batterieversorgung. Auch andere einfache Stromversorgungen, wie 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 einfaches Bauelement mit zwei Anschlüssen, die beliebig herum angeschlossen werden können.
  • Sie schützt unsere ersten Schaltungen ausreichend.
  • Sie ist sofort nach Beseitigung des Fehlers 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.

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Stromversorgung mit Sicherung

Am besten wird die PTC-Sicherung auf einem Steckboard eingebaut.

PTC-Sicherung-LED.png
Steckboard mit PTC-Sicherung
  • 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.
  • Es verbindet die ankommende + (Plus) Leitung mit dem + (Plus) des Steckboards.
  • Die PTC-Sicherung darf keine anderen Bauteile 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 elektronische 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.