Operationsverstärker
Logikschaltungen

Grundschaltungen zur Sensor-Anpassung

Mikrocontroller

Elektrische Spannung, elektrischer Strom

Wasserleitung als Analogiemodell zum Stromkreis: Der Wasserdruck entspricht der elektrischen Spannung. Lange und dünne Rohre stellen dem Wasserstrom einen höheren Widerstand entgegen. Im elektrischen Stromkreis findet man anstelle von Rohren z.B. Drähte, leitende Schichten und Halbleiter als Widerstände. Ohm'sches Gesetz: U=R*I

Gleichspannung, Gleichstrom: Beispiel Taschenlampenbatterie. Wie aus einem Bierfaß mit Kohlensäuredruck fließt der Strom immer in eine Richtung (von PLUS nach MINUS) bis die Batterie / das Faß leer ist.
Exkurs:

Als Versorgung fast aller elektronischen Schaltungen dient eine Gleichspannung. Die meisten elektronischen Schaltungen arbeiten heute mit positiver Betriebsspannung. Das heißt der negative Pol der Versorgungsspannung dient als gemeinsames Bezugspotential aller Schaltungskreise, wird daher "Masse" genannt. Auf den meisten Schaltungsplatinen sind die "Masseleitungen" besonders dick ausgeführt und mit Gehäuse und Buchsen verbunden. Schlecht geführte Masseleitungen können zu Funktionsstörungen elektronischer Geräte und speziell zu Ungenauigkeiten von Sensordaten führen.

Wechselspannung,Wechselstrom: Der Wechselstrom fließt mit einer gewissen Frequenz "vorwärts" und "rückwärts", häufig sinusförmige Veränderung von Strom und Spannung mit der Zeit. Beispiel: 230-Volt Netzspannung.
Wechselspannung kann im Gegensatz zu Gleichspannung mit Hilfe eines Transformators auf andere Spannungswerte umgesetzt werden.

Impuls, Puls: Wechselspannung oder Überlagerung von Gleich- und Wechselspannung mit stark nichtsinusförmigem Verlauf. Die exakte Definition versteht unter "Impuls" ein einzelnes, singuläres Ereignis - etwa einen Stromstoß - und unter "Puls" eine periodische Wiederholung von Impulsen. Die Alltags-Sprache verwendet für beide Spannungstypen das Wort "Impuls"

digitaler Impuls: Impuls, dessen Spannung in ihrem zeitlichen Verlauf nur zwei Werte annehmen kann:
"High" oder "Low".

digitale Datenübertragung: die Informationen sind durch die zeitliche Abfolge "0" und "1" der Digitalimpulse eindeutig codiert ("Pulscodemodulation"). Bei einer "parallelen" Datenübertragung müssen die Impule auf mehreren Datenleitungen gleichzeitig ausgewertet werden. Bei einer "seriellen" Datenübertragung hingegen werden nach einem "Übertragungsprotokoll" formatierte Impulse zeitlich nacheinander auf einer Leitung übertragen. Bei einer "synchronen" seriellen Übertragung wird die Übertragung auf der "Datenleitung" begleitet von Synchronimpulsen auf einer zusätzlichen "Clockleitung". Bei einer "asynchronen" Übertragung hingegen sind die Impulse so formatiert, daß sie vom Empfänger ohne Synchronimpulse decodiert werden können, d.h. die Synchoniser- Information ist implizit im Formatierungsschema enthalten.

Die wichtigsten elektronischen Bauteile

Widerstand ("Ohm'scher Widerstand")

Ein Widerstand stellt anschaulich formuliert einen Engpaß oder Flaschenhals für den Stromfluß dar.
Im Ohm'schen Widerstand (was normalerweise als "Widerstand" verkauft wird) gilt das Ohm'sche Gesetz zu jedem Zeitpunkt, unabhängig davon, ob er von Gleichstrom oder von Wechselstrom durchflossen wird:

U = R * I (Spannung = Widerstand x Strom)
oder
R= U/I (Widerstand = Spannung/Strom)

Die Einheit des Widerstandes ist 1 Ohm = 1V / 1A.
1000 Ohm sind ein Kiloohm
1000 000 Ohm sind ein Megohm

Kondensator

Ein Kondensator ist anschaulich formuliert ein kleiner Speicher für elektrische Ladungen.

Im Wasserleitungsmodell würde er einem Eimer entsprechen: Der Strom durch ein dünnes Rohr (Widerstand) muß eine zeitlang fließen, um den Eimer zu füllen. Umgekehrt kann sich der Eimer nur langsam durch ein kleines Loch (Entladewiderstand) entleeren. Ist der Widerstand sehr klein, entlädt sich der Kondensator dagegen schlagartig (Analogie: Eimer auskippen). Im Gegensatz zur Batterie oder zum Kraftwerk erzeugt ein Kondensator jedoch keinen elektrischen Strom durch chemische Umwandlung oder eine Dynamomaschine. In der Wasserleitungs-Analogie verfügt das Wasserwerk über eine Pumpe, der Eimer nicht. Die im Kondensator gespeicherte Elektrizitätsmenge ist zudem um viele Größenordnungen kleiner als die einer Batterie entnehmbare Elektrizitätsmenge

dU/dt = I/C oder I = C * dU/dt (dU/dt lese man vereinfacht als "Änderung der Spannung pro Zeiteinheit")

Den Proportionalitätsfaktor C nennt man "Kapazität" des Kondensators. Die Einheit der Kapazität ist "Farad". Die praktisch eingesetzten Kondensatoren sind viel kleiner als ein Farad:
1 Mikrofarad = 1/1000000 Farad.
1 Nanofarad = 1/1000 Mikrofarad (10^-9 Farad).
1 Picofarad = 1/1000000 Mikrofarad (10^-12 Farad).

Das Schaltzeichen des Kondensators symbolisiert eine elementare Realisierungsform: den Plattenkondensator. Zwischen 2 Metallplatten befindet sich eine isolierende Schicht, das "Dielektrikum". In den heute üblichen Realisierungsformen von Kondensatoren besteht das Dielektrikum entweder aus hauchdünnen Kunststoff- Folien mit aufgedampften Metallschichten ("Mylar") oder aus mikroskopisch dünnen Karamikplättchen mit aufgedampften Metallschichten. Der Kondensator insgesamt besteht aus einem kompakten Stapel vieler solcher Teilkondensatoren. Andere Realisierungsformen - speziell für hohe Spannung - bestehen aus einer aufgerollten Mylarfolie, die in Kunstharz eingegossen ist.

Die Aufladung und Entladung eines Kondensators über einen Widerstand erfolgt in Form einer Exponentialfunktion:

Als Faustformel kann man sich merken: Ein Kondensator von 1 Mikrofarad braucht 1 Sekunde, um sich über einen Widerstand von 1 Megohm ungefähr zu 63% aufzuladen oder zu entladen. Die vollständige Aufladung oder Entladung (Abweichung kleiner als 1% vom Endwert) braucht die 5-fache Zeit. Durch Dreisatz-Rechnung kann man sich leicht die Zeitkonstanten für andere RC-Kombinationen ausrechnen, bzw. welche Bauteile man benötigt, um eine bestimmte Ladezeit zu erreichen.

Speist man obige Ladeschaltung mit einer Wechselspannung (oder einer Überlagerung von Gleich-und Wechselspannung wie in derZeichnung), so erhält man eine Filterschaltung:

Eine solche Filterschaltung nennt man Tiefpaß: sie läßt die Spannungsanteile mit tieferen Komponenten hindurch (hier den 50% Gleichspannungsanteil und siebt die höheren Frequenzen aus. Etwas uminterpretierend kann man sagen: ein Kondensator stellt für Ströme mit niedriger Frequenz, insbesondere für Gleichstrom einen sehr hohen Widerstand dar, für Ströme mit sehr hoher Frequenz dagegen einen Kurzschluß.

Durch geringfügige Modifikation der Schaltung bekommt man das umgekehrte Verhalten, einen Hochpaß:

Induktivität (Spule)

Die Induktivität (ihre praktische Ausführung ist eine "Spule") hat genau die entgegengesetzte Wirkung eines Kondensators: Wird an ihr eine Spannung angelegt, so beginnt der Strom erst langsam zu fließen.

dI/dt = U/L oder U= L * dI/dt (dI/dt lese man vereinfacht als "Änderung des Stroms pro Zeiteinheit")

Den Proportionaliätsfaktor L nennt man "Selbstinduktivität" der Spule. Die Einheit der Selbstinduktivität ist "Henry".

Im Laufe der Zeit wird bei konstanter Spannung U der Gleichstrom entsprechend obiger Formel immer stärker und kann die Spulenwicklung zerstören, wenn er nicht durch einen äußeren Widerstand (oder den Ohm'schen Widerstand der Spulenwicklung) begrenzt wird.
In Wechselstromkreisen, in denen sich die Stromrichtung periodisch umkehrt, wird dagegen das langsame Ansteigen des Stroms in einer Induktivität häufig als Strombegrenzung eingesetzt, z.B. als Vorschaltdrossel von Leuchtstofflampen.
Etwas uminterpretierend kann man sagen: die Spule stellt für Ströme mit niedriger Frequenz einen Kurzschluß dar, für Ströme mit hoher Frequenz einen sehr hohen Widerstand.
Umgekehrt geht aus obiger Formel hervor, daß bei einem großen dI/dt, etwa einem schlagartigen Unterbrechen des Stroms, eine sehr hohe Spannung U in der Spule "induziert" wird. Dieser Effekt wird bei der Zündung von Automotoren ausgenutzt. In der Schwachstrom-Elektronik muß man diesen Effekt unbedingt beachten, wenn der Stromfluß durch Spulen geschaltet wird (speziell bei Relais-Spulen). Die dabei entstehende Spannungs-Spitze kann Halbleiterbauteile zerstören und muß daher mit einer Diode (genannt "Löschdiode"oder "Freilaufdiode") vernichtet werden.

Im Prinzip kann man mit Induktivitäten ähnliche Filterfunktionen aufbauen, wie mit Kondensatoren. Da Spulen aber größer und teurer sind, werden sie nur selten verwendet.

Die Kombination einer Spule mit einem Kondensator ergibt einen Schwingkreis.

Diode

Eine Diode ist ein Ventil für elektrische Ströme. Sie sperrt, wenn eine positive Spannung am Strich des Diodensymbols (bzw. an der Seite der realen Diode, wo ein Strich aufgedruckt ist) angelegt wird. Bei umgekehrter Polarität leitet die Diode.

In Sperrichtung ist der Stromfluß praktisch = 0. Dabei darf die anliegende Spannung einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten. Je nach Diodentyp beträgt die maximale Sperrspannung etwa 50 bis 1000 Volt.
In Leitrichtung ist die abfallende Spannung fast unabhängig vom Strom etwa 0,7 Volt.

Eine Diode in Kombination mit einem großen Kondensator ergibt eine Siebschaltung:

Wenn die Versorgungsspannung höher wird als die momentane Spannung am Kondensator, dann schaltet die Diode in Leitrichtung und lädt den Kondensator auf. Wenn die Versorgungsspannung wieder unter den Wert der Spannung am Kondensator sinkt, dann sperrt die Diode und verhindert, daß die Ladung im Kondensator zurück in die Versorgungsquelle fließt. Stattdessen entlädt sich der Kondensator über den angeschlossenen Verbraucher (hier ein simpler Widerstand).

Derartige Siebschaltungen sind in Netzteilen vorhanden, sie verwandeln die Wechselspannung, die mit einem Transformator="Trafo" von 230 Volt auf den gewünschten Wert "transformiert" wird, in eine technisch verwertbare "gesiebte" Gleichspannung.

Transistor

Der Transistor ist das elementare Verstärkerbauteil für elektrische Ströme. Jeder Transistor hat 3 Anschlüsse: Emitter,Basis und Kollektor.

Die wichtigste Eigenschaft des Transistors ist seine Stromverstärkung B:

• Der Strom durch den Kollektor ist infolge des Transistoreffekts B mal so groß wie der Strom durch die Basis. Beide Ströme fließen gemeinsam durch den Emitter wieder aus dem Transistor hinaus, d.h. der Emitterstrom ist (B+1) mal so groß wie der Basisstrom. Daher nennt man B die "Stromverstärkung" des Transistors. Bei den meisten Transistortypen liegt B etwa zwischen 100 und 500, nur bei großen Leistungstransistoren und bei speziellen Hochfrequenz-Transistoren ist B deutlich kleiner.

• Der Kollektorstrom bzw. die Stromverstärkung ist annähernd unabhängig von der Spannung zwischen Kollektor und Emitter. Nur bei sehr kleinen Kollektor-Emitter-Spannungen (unter 1 Volt) wird der Kollektorstrom, d.h. auch B sehr klein ("Sättigung").

• Die zweite wichtge Eigenschaft eines Transistors: seine interne Basis-Emitter-Verbindung weist alle Eigenschaften einer Diode auf: in Leitrichtung (d.h. Basisspannung positiver als Emitterspannung) beträgt die Basis- Emitterspannung nahezu unabhängig von allen anderen Betriebsparametern etwa 0,7 Volt. Wird die Basis-Emitter-Spannung kleiner als diese 0,7 Volt oder gar negativ, dann sperrt diese Diode und der Basisstrom (und damit auch der Kollektorstrom) wird praktisch=0, der Transistor SPERRT. Versucht man die Basis- Emitterspannung künstlich höher als 0,7 Volt zu machen, dann wird der Basisstrom extrem hoch und der Transistor wird zerstört. Daher muß immer ein Widerstand in der Basis- Zuleitung sein, der den Basisstrom auf den gewünschten Wert begrenzt.
  Bei einigen Transistorschaltungen - speziell beim Emitterfolger - wird der Basisstrom begrenzt durch einen Widerstand in der Emitterleitung ("Stromgegenkopplung": der verstärkte Stromfluß erhöht die Emitterspannung und verringert dadurch die Basis-Emitterspannung, was zur Stabilisierung des Emitterstroms führt). Daher ist beim Emitterfolger ausnahmsweise kein Basiswiderstand notwendig.

Neben den "bipolaren" npn und pnp-Transistoren gibt es noch die Bauart der Feldeffekt-Transisioren (FET und MOSFET),aus denen die meisten integrierten Schaltungen und Computerchips aufgebaut sind. Als einzelne Bauelemente sind sie jedoch weniger verbreitet und werden daher an dieser Stelle nicht weiter betrachtet.