Elektronische Schaltungen
Ein Nachtlicht schaltet sich im Dunkeln ein. Ein Fahrradrücklicht leuchtet mit einer winzigen Leuchtdiode. In beiden steckt eine kleine Schaltung aus wenigen Bauteilen.
Wie liest du einen Schaltplan? Woher weißt du, welches Bauteil du für eine Aufgabe brauchst? Und wie kann ein kleiner Strom einen größeren Strom schalten? Das klärst du hier.
Schaltplan und Bauteile
Ein Schaltplan zeigt eine Schaltung mit genormten Schaltzeichen. Linien sind Leitungen, und jedes Bauteil hat einen Namen mit Nummer, zum Beispiel S1, R1, D1, Q1.
| Bauteil | Aufgabe | wichtige Größe |
|---|---|---|
| Schalter | öffnet oder schließt den Stromkreis | offen oder geschlossen |
| Widerstand | begrenzt den Strom und teilt Spannung | Widerstand R in Ω |
| Leuchtdiode (LED) | leuchtet, wenn Strom in Durchlassrichtung fließt | Durchlassspannung , größter Strom |
| Transistor | schaltet oder verstärkt Strom | Anschlüsse B, C, E, Stromverstärkung (siehe unten) |
Datenblatt
Der Hersteller beschreibt jedes Bauteil in einem Datenblatt. Wichtig sind die Grenzwerte, die man nie überschreiten darf, die typischen Werte, die man im Betrieb erwartet, und die Belegung der Anschlüsse. Auszug für eine rote 5-mm-Leuchtdiode (angenommene, aber übliche Werte):
| Größe | Wert |
|---|---|
| Durchlassspannung bei 20 mA | typisch 1,9 V |
| Dauerstrom | höchstens 30 mA |
| Sperrspannung | höchstens 5 V |
Vorwiderstand
Aus der Physik kennst du den Vorwiderstand: Eine Leuchtdiode hat fast eine feste Durchlassspannung. Der Vorwiderstand liegt in Reihe und nimmt den Rest der Batteriespannung auf. Durch beide fließt derselbe Strom :
Vorwiderstand für eine blaue LED
Vorwiderstand für eine blaue LED
Eine blaue Leuchtdiode ( = 3,1 V bei 20 mA, höchstens 30 mA) soll an einem 9-V-Block leuchten. Du hast nur Widerstände aus der E12-Reihe: 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68 und 82, jeweils mal 1, 10, 100 und so weiter. Welchen Widerstand wählst du, und wie groß ist dann der Strom?
Am Widerstand müssen 9 V − 3,1 V = 5,9 V abfallen. Rechnerisch ist R = 5,9 V : 0,020 A = 295 Ω.
Diesen Wert gibt es nicht. Man wählt den nächstgrößeren, damit der Strom höchstens 20 mA beträgt: 330 Ω. Dann fließen 5,9 V : 330 Ω ≈ 0,0179 A, also etwa 17,9 mA. Das liegt unter dem Grenzwert von 30 mA, und die LED leuchtet etwas schwächer.
Spannungsteiler
Zwei Widerstände und in Reihe an der Spannung bilden einen Spannungsteiler. Durch beide fließt . Die Spannung am zweiten Widerstand ist . Eingesetzt ergibt das:
Lichtsensor am Spannungsteiler
Lichtsensor am Spannungsteiler
Ein Fotowiderstand (LDR) ist ein Widerstand, der bei Licht kleiner wird. Er bildet mit = 10 kΩ einen Spannungsteiler an 5 V und ist . Angenommen, er hat bei Helligkeit 1 kΩ und im Dunkeln 100 kΩ. Welche Spannung liegt am LDR?
Hell: .
Dunkel: .
Die Spannung am LDR ist also ein Maß für die Helligkeit. Ein Mikrocontroller oder Transistor kann sie auswerten. Schließt man eine Last parallel zum zweiten Widerstand an, sinkt .
Halbleiterbauelemente: Diodenkennlinie
Die Kennlinie einer Diode zeigt, wie der Strom von der Spannung abhängt. Beispielwerte für eine rote Leuchtdiode (angenommen):
| Spannung in V | −5 | 0 | 1,0 | 1,7 | 1,8 | 1,9 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Strom in mA | fast 0 | 0 | fast 0 | 1 | 5 | 20 |
In Sperrrichtung (−5 V) und unterhalb der Schwellspannung fließt fast kein Strom. Bei Silizium-Dioden liegt sie bei etwa 0,6 bis 0,7 V. Darüber steigt der Strom steil: Von 1,8 V auf 1,9 V, also um nur 0,1 V, vervierfacht er sich. Darum stellt man den Strom einer LED nicht mit der Spannung ein, sondern mit dem Vorwiderstand.
Transistor als Schalter und Verstärker
Ein npn-Transistor hat drei Anschlüsse: Basis (B), Kollektor (C) und Emitter (E). Ein kleiner Basisstrom steuert einen größeren Kollektorstrom . Zwischen Basis und Emitter fallen bei Silizium etwa 0,7 V ab, wie bei einer Diode.
- Als Schalter: Ohne Basisstrom sperrt er, es fließt kein Kollektorstrom. Bei ausreichendem Basisstrom ist er durchgeschaltet und leitet gut. Zwischen C und E fallen nur etwa 0,2 V ab, und der Strom wird vom Widerstand im Kollektorkreis bestimmt.
- Als Verstärker: Im Bereich dazwischen ist der Kollektorstrom proportional zum Basisstrom. Der Faktor heißt Stromverstärkung und liegt bei Kleinsignaltransistoren typisch bei 100 bis 400:
Transistor als Schalter
Transistor als Schalter
Ein Transistor mit schaltet an 9 V eine grüne Leuchtdiode (angenommen = 2,1 V) mit einem Widerstand = 330 Ω. Vor der Basis liegen ein Schalter S1 und = 10 kΩ. Welche Ströme fließen bei geschlossenem Schalter?
Basisstrom: = (9 V − 0,7 V) : 10 kΩ = 8,3 V : 10 000 Ω = 0,83 mA.
Nach wären es 100 · 0,83 mA = 83 mA. So viel lassen LED und Widerstand nicht zu. Am Widerstand liegen 9 V − 2,1 V − 0,2 V = 6,7 V, also fließen 6,7 V : 330 Ω ≈ 20,3 mA. Der Transistor ist durchgeschaltet. Mit offenem Schalter ist = 0, und die LED bleibt dunkel.
Ein Basisstrom von etwa 0,8 mA schaltet also einen Strom von etwa 20 mA.
Transistor als Verstärker
Transistor als Verstärker
Ein Transistor mit arbeitet an 9 V mit einem Kollektorwiderstand von 1 kΩ im verstärkenden Bereich. Der Basisstrom steigt von 0,05 mA auf 0,06 mA. Wie ändern sich Kollektorstrom und Spannung zwischen C und E?
Kollektorstrom: erst 100 · 0,05 mA = 5 mA, dann 100 · 0,06 mA = 6 mA. Am Widerstand fallen erst 5 mA · 1 kΩ = 5 V und dann 6 V ab. Zwischen C und E bleiben erst 9 V − 5 V = 4 V und dann 9 V − 6 V = 3 V. Eine Änderung des Basisstroms um 0,01 mA ändert den Strom um 1 mA und die Spannung um 1 V.
Schaltungen entwickeln und realisieren
Eine Schaltung entwickelst du in Schritten: Aufgabe festlegen, Schaltplan skizzieren, Bauteilwerte berechnen und im Datenblatt die Grenzwerte prüfen, die Schaltung aufbauen, messen und testen. Zum Probieren steckst du die Bauteile ohne Löten auf eine Steckplatine, später lötest du sie auf eine Platine.
Sicherheit: Baue nur mit Batterien oder Netzgeräten für Kleinspannung. Berühre nie Netzspannung (230 V). Ein Lötkolben ist mehrere hundert Grad heiß, löte nur mit Einweisung und Aufsicht. Schließe eine Batterie nie kurz.
Die LED regelt ihren Strom selbst
Die LED regelt ihren Strom selbst
„Die Batterie hat nur 5 V, also kann der LED nichts passieren.“
Die Kennlinie ist so steil, dass schon wenige Zehntel Volt zu viel den Strom vervielfachen. Ohne Vorwiderstand fließt ein viel zu großer Strom, und die LED wird zerstört. Den Strom legt der Vorwiderstand fest.
Der Transistor erzeugt den großen Strom
Der Transistor erzeugt den großen Strom
„Ein Transistor macht aus einem kleinen Strom einen großen. Der Strom entsteht im Transistor.“
Der Transistor erzeugt weder Strom noch Energie. Die Energie kommt aus der Spannungsquelle im Kollektorkreis. Der Basisstrom steuert nur, wie viel davon durch den Transistor fließen kann.
Zusammenfassung
Ein Schaltplan zeigt Bauteile mit genormten Schaltzeichen. Das Datenblatt nennt Grenzwerte und typische Werte.
Der Vorwiderstand einer LED beträgt R = (U_B − U_F) : I_F. Man wählt den nächstgrößeren Wert der Normreihe.
Ein Spannungsteiler aus R1 und R2 liefert U2 = U · R2 : (R1 + R2). Mit einem Sensor als Widerstand hängt U2 vom gemessenen Wert ab.
Eine Diode sperrt in Sperrrichtung und leitet oberhalb der Schwellspannung (Silizium etwa 0,7 V) mit steil steigendem Strom.
Ein Transistor schaltet mit kleinem Basisstrom einen größeren Kollektorstrom. Als Verstärker gilt I_C = β · I_B.
Schaltungen entwickelst du in Schritten und baust sie nur mit Kleinspannung auf.
Übungen
Eine gelbe LED (2,0 V bei 10 mA) leuchtet an 5 V. Welchen Vorwiderstand erhältst du rechnerisch, in Ohm?
Ein Spannungsteiler liegt an 12 V. R1 = 2 kΩ, R2 = 6 kΩ. Wie groß ist die Spannung an R2, in Volt?
Wann sperrt ein Transistor, der als Schalter arbeitet?
Ein Transistor mit β = 150 arbeitet als Verstärker. Der Basisstrom beträgt 0,2 mA. Wie groß ist der Kollektorstrom, in Milliampere?
Eine Siliziumdiode liegt in Sperrrichtung an 5 V. Was gilt?
Warum darf man eine LED mit 1,9 V Durchlassspannung nicht ohne Vorwiderstand an eine 5-V-Batterie anschließen?