Lektion 5.4

Elektronische Schaltungen

17 min Lesezeit

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.

Definition

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.

BauteilAufgabewichtige Größe
Schalteröffnet oder schließt den Stromkreisoffen oder geschlossen
Widerstandbegrenzt den Strom und teilt SpannungWiderstand R in Ω
Leuchtdiode (LED)leuchtet, wenn Strom in Durchlassrichtung fließtDurchlassspannung UFU_{\text{F}}, größter Strom
Transistorschaltet oder verstärkt StromAnschlüsse B, C, E, Stromverstärkung β\beta (siehe unten)
Definition

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):

GrößeWert
Durchlassspannung UFU_{\text{F}} bei 20 mAtypisch 1,9 V
Dauerstrom IFI_{\text{F}}höchstens 30 mA
Sperrspannunghöchstens 5 V
Definition

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 UBU_{\text{B}} auf. Durch beide fließt derselbe Strom IFI_{\text{F}}:

R=UB−UFIFR = \frac{U_{\text{B}} - U_{\text{F}}}{I_{\text{F}}}
Beispiel

Vorwiderstand für eine blaue LED

Eine blaue Leuchtdiode (UFU_{\text{F}} = 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.

Definition

Spannungsteiler

Zwei Widerstände R1R_1 und R2R_2 in Reihe an der Spannung UU bilden einen Spannungsteiler. Durch beide fließt I=U/(R1+R2)I = U / (R_1 + R_2). Die Spannung am zweiten Widerstand ist U2=I⋅R2U_2 = I \cdot R_2. Eingesetzt ergibt das:

U2=U⋅R2R1+R2U_2 = U \cdot \frac{R_2}{R_1 + R_2}
Beispiel

Lichtsensor am Spannungsteiler

Ein Fotowiderstand (LDR) ist ein Widerstand, der bei Licht kleiner wird. Er bildet mit R1R_1 = 10 kΩ einen Spannungsteiler an 5 V und ist R2R_2. Angenommen, er hat bei Helligkeit 1 kΩ und im Dunkeln 100 kΩ. Welche Spannung liegt am LDR?

Hell: U2=5 V⋅1/(10+1)=5 V/11≈0,45 VU_2 = 5 \text{ V} \cdot 1 / (10 + 1) = 5 \text{ V} / 11 \approx 0{,}45 \text{ V}.

Dunkel: U2=5 V⋅100/(10+100)=500 V/110≈4,55 VU_2 = 5 \text{ V} \cdot 100 / (10 + 100) = 500 \text{ V} / 110 \approx 4{,}55 \text{ V}.

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 U2U_2.

Definition

Halbleiterbauelemente: Diodenkennlinie

Die Kennlinie einer Diode zeigt, wie der Strom von der Spannung abhängt. Beispielwerte für eine rote Leuchtdiode (angenommen):

Spannung in V−501,01,71,81,9
Strom in mAfast 00fast 01520

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.

Definition

Transistor als Schalter und Verstärker

Ein npn-Transistor hat drei Anschlüsse: Basis (B), Kollektor (C) und Emitter (E). Ein kleiner Basisstrom IBI_{\text{B}} steuert einen größeren Kollektorstrom ICI_{\text{C}}. 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 β\beta heißt Stromverstärkung und liegt bei Kleinsignaltransistoren typisch bei 100 bis 400:
IC=β⋅IBI_{\text{C}} = \beta \cdot I_{\text{B}}
Beispiel

Transistor als Schalter

Ein Transistor mit β=100\beta = 100 schaltet an 9 V eine grüne Leuchtdiode (angenommen UFU_{\text{F}} = 2,1 V) mit einem Widerstand RCR_{\text{C}} = 330 Ω. Vor der Basis liegen ein Schalter S1 und RBR_{\text{B}} = 10 kΩ. Welche Ströme fließen bei geschlossenem Schalter?

Basisstrom: IBI_{\text{B}} = (9 V − 0,7 V) : 10 kΩ = 8,3 V : 10 000 Ω = 0,83 mA.

Nach β⋅IB\beta \cdot I_{\text{B}} wären es 100 · 0,83 mA = 83 mA. So viel lassen LED und Widerstand nicht zu. Am Widerstand RCR_{\text{C}} 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 IBI_{\text{B}} = 0, und die LED bleibt dunkel.

Ein Basisstrom von etwa 0,8 mA schaltet also einen Strom von etwa 20 mA.

Den Transistor schalten

Klicke auf den Schalter. Bei offenem Schalter fließt nirgends Strom, und die Leuchtdiode bleibt dunkel. Bei geschlossenem Schalter zeigt der Widerstand RB den kleinen Basisstrom (etwa 0,8 mA) und die Leuchtdiode den viel größeren Kollektorstrom (rund 20 mA).

Beispiel

Transistor als Verstärker

Ein Transistor mit β=100\beta = 100 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.

Definition

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.

Häufige Fehler

Die LED regelt ihren Strom selbst

„Die Batterie hat nur 5 V, also kann der LED nichts passieren.“

Richtig ist

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.

Häufige Fehler

Der Transistor erzeugt den großen Strom

„Ein Transistor macht aus einem kleinen Strom einen großen. Der Strom entsteht im Transistor.“

Richtig ist

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

Aufgabe 1Numerisch

Eine gelbe LED (2,0 V bei 10 mA) leuchtet an 5 V. Welchen Vorwiderstand erhältst du rechnerisch, in Ohm?

Aufgabe 2Numerisch

Ein Spannungsteiler liegt an 12 V. R1 = 2 kΩ, R2 = 6 kΩ. Wie groß ist die Spannung an R2, in Volt?

Aufgabe 3Multiple Choice

Wann sperrt ein Transistor, der als Schalter arbeitet?

Aufgabe 4Numerisch

Ein Transistor mit β = 150 arbeitet als Verstärker. Der Basisstrom beträgt 0,2 mA. Wie groß ist der Kollektorstrom, in Milliampere?

Aufgabe 5Multiple Choice

Eine Siliziumdiode liegt in Sperrrichtung an 5 V. Was gilt?

Aufgabe 6Freitext

Warum darf man eine LED mit 1,9 V Durchlassspannung nicht ohne Vorwiderstand an eine 5-V-Batterie anschließen?