Grundlagen der Elektronik

Was braucht man, um Elektrizität zu verstehen? Hier ein kleiner Crashkurs in die Grundlagen und die weiterführenden Fachbegriffe.

Das erste, was man für Elektrik und Elektronik verstehen sollte, ist, dass wir es hier mit dem Fließen von elektrischem Strom und mit elektrischen Spannungen zu tun haben. Diese beiden elektrischen Größen breiten sich entlang von elektrischen Leitern aus. Elektrische Leiter sind typischerweise Drähte aus Kupfer oder die Leiterbahnen auf Platinen. Elektrische Leiter werden durch Isolatoren voneinander getrennt. Isolatoren sind das Plastik, das den Draht umhüllt, oder das Basismaterial der Platine. Damit ein Strom fließen kann, muss es eine elektrische Spannung geben. Die Ursache für eine Spannung nennen wir Spannungsquelle. Das ist typischerweise eine Batterie oder ein Netzteil. Genutzt wird die Elektrizität in Verbrauchern. Das kann etwa eine Glühlampe oder ein Motor sein. Verbinden wir nun eine Batterie mit einem Draht mit einem Motor und vom Motor wieder zurück zur Batterie, dann haben wir den Stromkreis geschlossen und der Motor dreht sich. Das ist ein weiteres Grundprinzip in der Elektronik: Damit etwas passiert, muss der Stromkreis geschlossen sein.

Das Erste, was wir jetzt machen können, um die Schaltung zu erweitern, ist, das Schließen des Stromkreises einstellbar zu machen. Dazu dienen Schalter. Ein Schalter hat einen Hebel, mit dem der Stromkreis entweder geschlossen oder unterbrochen werden kann. Das ist jetzt unsere erste einfache Schaltung. Damit das so einfach funktioniert, muss die Spannung der Batterie zur Betriebsspannung des Motors passen. Diese einfache Schaltung funktioniert, weil die Batterie eine sogenannte eingeprägte Spannung liefert und der Motor genau mit dieser Schaltung arbeiten kann. Für den Strom bedeutet das: Der Motor lässt eine angemessene Menge Strom fließen und die Batterie kann diesen Strom liefern. Dieser Zusammenhang führt uns zu zwei weiteren wichtigen Größen in der Elektronik: Das rechnerische Produkt aus der Spannung und dem Strom gibt uns die Leistung an, die gerade umgesetzt wird. Die Batterie muss diese elektrische Leistung liefern und der Motor setzt sie in mechanische Leistung um. Das rechnerische Verhältnis von Spannung zu Strom gibt uns den Lastwiderstand des Motors an. Dieser Lastwiderstand muss deutlich größer sein als der Innenwiderstand der Batterie. Ein niedriger Innenwiderstand ist eine gute Eigenschaft einer Spannungsquelle. Je niedriger er ist, desto mehr Leistung kann die Spannungsquelle liefern.

Ein erstes einfaches Bauteil, mit dem das nicht mehr so einfach geht, ist die Leuchtdiode LED. Sie ist erheblich sparsamer als eine Glühlampe und wird heute daher bevorzugt genutzt. Während wir aber eine geeignete Glühlampe direkt an die Batterie anschließen können, geht das mit der LED nicht so einfach. Sie hat einen sehr niedrigen Innenwiderstand. Er ist so niedrig, dass der fließende Strom bei ihrer Betriebsspannung eine Leistung ergibt, die die LED zerstören würde. Wir müssen der LED also einen Lastwiderstand geben, der den Strom begrenzt. Damit die LED trotzdem noch ihre Betriebsspannung erhalten kann, muss die insgesamt anliegende Spannung höher sein. Die Funktion des Widerstands ist hier also eine Strombegrenzung. Das verschlechtert den Wirkungsgrad, erlaubt aber den Betrieb der LED an einer festen Spannung.

Eigentlich sind Spannung und Strom gleichberechtigte Größen. Das eben Gesagte beschreibt den Betrieb einer Schaltung mit einer sogenannten eingeprägten Spannung. Das bedeutet, die Spannung wird als konstant angenommen. Man kann aber mit etwas schaltungstechnischem Aufwand auch einen eingeprägten Strom erzeugen. Man spricht dann von einer Stromquelle. Damit kann man dann LEDs ohne Vorwiderstand betreiben. Sie erhalten genau den Strom, den sie vertragen, und es wird keine Energie im Vorwiderstand verschwendet. Hier wird also eine bessere Effizienz mit einem höheren Schaltungsaufwand „erkauft“. Man kann wohl sagen, dass dies ein allgemeines Prinzip ist. Viele Schaltungen funktionieren auch mit einem einfachen Prinzip, aber es wird komfortabler und effizienter, wenn man mehr Aufwand treibt.

Zum Innenwiderstand einer Spannungsquelle ist noch zu sagen, dass er sich mit einem normalen Widerstandsmessgerät nicht messen lässt. Das Messgerät würde beim Versuch kaputtgehen. Um das zu verstehen, muss man sich klarmachen, was das Messgerät tut: Es legt eine Spannung an und misst, wie viel Strom dabei fließt. Nun liegt bei der Spannungsquelle aber schon eine Spannung an. Das funktioniert also nicht. Wir müssen etwas tiefer in die Trickkiste greifen. Als Nächstes sollte man verstehen, dass der Innenwiderstand kein Bauteil ist, das da in der Batterie oder im Netzteil versteckt ist. Der Innenwiderstand ist eine Modellvorstellung und beschreibt auf recht einfache Weise die Wirkung der Funktionsweise. Der fließende Strom belastet den inneren Aufbau und die Spannung gibt unter dieser Belastung etwas nach. Und dieses Verhalten kann beschrieben werden, indem man sich vorstellt, dass die reale Spannungsquelle aus einer perfekten Spannungsquelle ohne Innenwiderstand mit einem Widerstand in Serie geschaltet bestünde. Auf diese Weise müssen wir nicht wirklich verstehen, was in der Batterie oder im Netzteil vorgeht, und können dennoch das Verhalten beschreiben. Jetzt zurück dazu, wie man diesen Widerstand misst. Der Trick ist recht einfach: Das Messgerät für den Innenwiderstand enthält keine eigene Spannungsquelle, sondern misst sowohl die Spannung als auch den Strom. Was wir nun noch brauchen, ist eine Stromänderung. Diese erreichen wir am einfachsten, indem wir die Schaltung mit dem Schalter ein- und ausschalten. Wir messen also, um wie viel die Spannung an der Spannungsquelle abnimmt, wenn der Strom steigt. Genau dieses Verhältnis ist der gesuchte Innenwiderstand der Spannungsquelle. Er wird bei einem guten Labormessgerät fast unmessbar niedrig sein und bei einer kleinen Batterie einige Ohm betragen. Größere Batterien und einfache Netzteile liegen irgendwo dazwischen.

Wir wissen inzwischen grundsätzlich über Leiter und Isolatoren Bescheid. Wir wissen ungefähr, was Spannung und Strom sind und wie man Widerstand und Leistung berechnet. Das Konzept von Innenwiderstand einer Spannungsquelle und eines Verbrauchers ist uns vertraut. Um tiefer einzusteigen, schauen wir uns an, wie die Profis Pläne für Schaltungen zeichnen. Die ganzen Bauteile haben Symbole. Das ist so ähnlich wie eine Landkarte. Hier wird auch nicht jede Straße und jedes andere Detail so eingezeichnet, wie es wirklich aussieht, sondern man benutzt Symbole. Das reduziert den Schaltplan auf das Wesentliche und nach etwas Einarbeitung erleichtert es das Verständnis.

Bauteile

Beginnen wir mit den Bauteilen mit zwei Anschlüssen. Das einfachste Bauteil ist wohl der Widerstand. Seine Aufgabe ist es, einen konstanten Widerstand zu bieten, unabhängig davon, bei welcher Spannung oder bei welchem Strom er betrieben wird, und auch unabhängig von der Temperatur. Das hat seine Grenzen bei der Leistung. Wie alle Bauteile hat er eine maximale Verlustleistung, mit der er betrieben werden kann. Und auch wie alle Bauteile hat er eine maximale Spannung. Der Strom ergibt sich dann aus dem Leistungsgesetz.

Es gibt auch Varianten von Widerständen, die gezielt von der Temperatur abhängig sind. Man nennt sie NTC und PTC, je nachdem, ob der Widerstand mit der Temperatur abnimmt oder zunimmt. Diese werden als Temperatursensoren benutzt. Oder sie heizen sich durch ihren Betriebsstrom selbst und können so zur Begrenzung des Einschaltstroms genutzt werden oder umgekehrt als Absicherung gegen Überlast. Und es gibt auch Bauteile, die ab einer bestimmten Spannung niederohmig werden. Diese werden als Überspannungsschutz eingesetzt.

In der Hochfrequenztechnik brauchen wir auch Bauteile, die auf Frequenzen reagieren. Die physikalischen Eigenschaften dafür nennt man Kapazität und Induktivität. Die Bauteile, die das leisten, Kondensator und Spule. Ihre zentrale Eigenschaft ist, dass sie die Phase zwischen Spannung und Strom verschieben. Und das tun sie eben frequenzabhängig. Damit ist dann auch ihr Widerstand von der Frequenz abhängig. Diese ist aber ein imaginärer Widerstand, der interessanterweise keine Verlustleistung erzeugt. Um hier tiefer einzusteigen, braucht man komplexe Wechselstromrechnung. Kondensatoren können recht leicht mechanisch so gebaut werden, dass ihre Kapazität veränderbar ist. Bei Spulen geht das mit ihrer Induktivität ebenfalls. Diese Bauteile werden für Schwingkreise, Hoch- und Tiefpässe genutzt und in Schaltnetzteilen auch zur kurzzeitigen Speicherung von Energie. Wichtig ist noch zu verstehen, dass genau betrachtet jeder Aufbau eine Induktivität und eine Kapazität hat, genauso wie er auch einen Widerstand hat.

Bauteile, bei denen der Widerstand von der Stromrichtung abhängig ist, nennt man Dioden. Der Name leitet sich noch aus der Röhrenzeit ab, als die aktiven Bauteile nach der Anzahl der für den Betrieb nötigen Anschlüsse benannt wurden. Die oft nötige Heizung wurde dabei nicht mitgezählt. Das Di steht also für zwei Anschlüsse, was kurz für Elektrode mit Ode abgekürzt wurde. Auch von den Dioden gibt es Varianten. Oben wurde schon die Leuchtdiode LED erwähnt. Umgekehrt gibt es Photodioden, die auf Licht reagieren. Und es gibt Kapazitätsdioden, bei denen ausgenutzt wird, dass sich die Sperrschichtkapazität mit der Betriebsspannung ändert. Sie können als spannungsgesteuerte variable Kondensatoren genutzt werden.

Bauteile mit drei Anschlüssen sind häufig Transistoren. Sie werden als Verstärker eingesetzt. Verstärker werden in der Elektrotechnik als Vierpole behandelt. Man stellt sich vor, dass ein Eingangssignal durch zwei der Pole eingespeist und durch die anderen zwei wieder entnommen wird. Diese beiden Paare nennt man auch Tore und kommt so zu einem anderen verbreiteten Namen Zweitor. Um nun den Transistor damit beschreiben zu können, betrachtet man Standardschaltungen, bei denen einer der drei Anschlüsse als Bezugspunkt sowohl für den Eingang als auch für den Ausgang genutzt wird. Beim “normalen” bipolaren Transistor nennt man diese Basisschaltungen entsprechend Basisschaltung, Emitterschaltung und Kollektorschaltung. Beim Feldeffekttransistor FET dann Gateschaltung, Drainschaltung und Sourceschaltung. Es gibt viele vereinfachende Beschreibungen, die besonders auf die Impedanz an Eingang und Ausgang und die getrennte Betrachtung von Stromverstärkung und Spannungsverstärkung eingehen. In der Elektrotechnik behandelt man das mit Matrizenrechnung und spricht beispielsweise von der Leitwertmatrix S. Das ist mathematisch anspruchsvoller, erlaubt aber zum einen eine elegante Betrachtung aller Parameter und dann auch die Simulation der Schaltung mit Programmen wie Spice.