Elektronische Grundbauelemente

Wie funktionieren Widerstände?

Der elektrische Widerstand: Bremse für den Strom

Der elektrische Widerstand ist eine grundlegende Eigenschaft eines Materials, die bestimmt, wie stark es den Fluss von elektrischem Strom bremst. Stell dir vor, Strom ist Wasser, das durch ein Rohr fließt. Ein hoher Widerstand ist wie ein sehr enges Rohr – es lässt nur wenig Wasser (Strom) durch. Ein niedriger Widerstand ist wie ein weites Rohr, durch das viel Wasser fließen kann. Die Maßeinheit für den Widerstand ist Ohm (Ω).

Das Ohmsche Gesetz: Die Beziehung von Spannung, Strom und Widerstand

Das Ohmsche Gesetz beschreibt die grundlegende Beziehung zwischen Spannung (U), Strom (I) und Widerstand (R) in einem einfachen Stromkreis: R = U / I (Widerstand ist gleich Spannung geteilt durch Strom). Das bedeutet, bei einer gegebenen Spannung fließt umso weniger Strom, je höher der Widerstand ist. Ein alltägliches Beispiel ist der Heizdraht in einem Toaster: Er hat einen hohen Widerstand und wandelt den elektrischen Strom, der durch ihn fließt, in Wärme um.

Die Aufgaben von Widerständen: Schutz und Teilung

Widerstände sind unverzichtbare Bauelemente in elektronischen Schaltungen und erfüllen dort hauptsächlich zwei Aufgaben:

• Strombegrenzung: Sie schützen empfindliche Bauteile vor zu hohem Strom. Eine Leuchtdiode (LED) beispielsweise würde ohne einen vorgeschalteten Widerstand (Vorwiderstand) durch den zu hohen Strom sofort zerstört werden. Der Widerstand "bremst" den Strom auf ein für die LED verträgliches Maß.
• Spannungsaufteilung: Mit Widerständen lassen sich gezielt Spannungen innerhalb einer Schaltung aufteilen. Stell dir vor, du hast eine 9-Volt-Batterie, aber ein bestimmtes Bauteil in deiner Schaltung benötigt nur 3 Volt. Mit einem sogenannten Spannungsteiler, der aus zwei oder mehr in Reihe geschalteten Widerständen besteht, kannst du die Gesamtspannung so aufteilen, dass an dem gewünschten Punkt die benötigten 3 Volt anliegen.

Wie funktionieren Kondensatoren?

Kapazität: Der Speicher für elektrische Ladung

Ein Kondensator ist wie ein kleiner, sehr schneller Akku oder ein Wassereimer, der kurzzeitig elektrische Ladung speichern kann. Er besteht im Wesentlichen aus zwei leitenden Flächen (Platten), die durch ein isolierendes Material (Dielektrikum) voneinander getrennt sind. Legt man eine Spannung an den Kondensator an, sammelt sich auf der einen Platte positive und auf der anderen negative Ladung – der Kondensator lädt sich auf. Trennt man ihn von der Spannungsquelle und verbindet ihn mit einem Verbraucher, entlädt er sich wieder, indem er die gespeicherte Ladung abgibt. Die Fähigkeit, Ladung zu speichern, nennt man Kapazität, gemessen in Farad (F). Ein Kondensator mit einer hohen Kapazität kann bei gleicher Spannung mehr Ladung speichern als einer mit niedriger Kapazität.

Die Aufgaben von Kondensatoren: Puffern und Glätten

Kondensatoren sind Multitalente in der Elektronik:

• Energiespeicherung: Sie können kurzzeitig Energie speichern und bei Bedarf schnell wieder abgeben. Ein klassisches Beispiel ist das Blitzlicht einer Kamera: Der Kondensator lädt sich langsam auf und entlädt sich dann schlagartig, um den hellen Lichtblitz zu erzeugen.
• Spannungsglättung: In Netzteilen, wie dem deines Laptops oder Smartphones, spielen Kondensatoren eine wichtige Rolle. Sie helfen, die aus der Steckdose kommende, oft pulsierende oder schwankende Spannung (nach der Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom) zu "glätten". Sie wirken wie ein Puffer, der Spannungstäler auffüllt und Spannungsspitzen kappt, um eine möglichst konstante und saubere Gleichspannung für die empfindlichen elektronischen Bauteile zu liefern.

Wie funktionieren Transistoren?

Die Alleskönner der Elektronik: Schalten und Verstärken

Transistoren sind winzige elektronische Bauelemente, die als die fundamentalen Bausteine der modernen Elektronik gelten – von einfachen Schaltungen bis hin zu komplexen Mikroprozessoren in Computern und Smartphones. Man kann sich einen Transistor vereinfacht als einen elektronisch steuerbaren Schalter oder ein Ventil vorstellen. Er hat typischerweise drei Anschlüsse: Basis (oder Gate), Kollektor (oder Drain) und Emitter (oder Source). Durch Anlegen einer kleinen Spannung oder eines kleinen Stroms am Basis-Anschluss kann ein wesentlich größerer Stromfluss zwischen Kollektor und Emitter gesteuert werden.

Transistoren als Schalter

In ihrer Funktion als Schalter können Transistoren einen Stromkreis sehr schnell öffnen (Strom fließt nicht) oder schließen (Strom fließt). Dies ist die Grundlage der digitalen Elektronik und der Funktionsweise von Computern.

• Logische Schaltungen: In deinem Computer stecken Milliarden von Transistoren, die ständig ein- und ausschalten. Diese Schaltzustände repräsentieren die binären Werte 0 (aus) und 1 (ein). Durch geschickte Verschaltung von Transistoren lassen sich logische Gatter (AND, OR, NOT etc.) realisieren, die wiederum die Basis für alle Berechnungen und Datenverarbeitungen im Prozessor bilden.
• Beispiel: Ein einfaches Beispiel ist das Ansteuern einer LED mit einem Mikrocontroller. Der Mikrocontroller liefert nur einen sehr kleinen Steuerstrom. Dieser kleine Strom reicht aus, um einen Transistor zu "öffnen" (leitend zu machen), der dann einen größeren Stromkreis schließt und die LED zum Leuchten bringt.

Transistoren als Verstärker

Neben dem Schalten können Transistoren auch als Verstärker eingesetzt werden. Hierbei wird ein schwaches Eingangssignal, das an die Basis angelegt wird, dazu genutzt, ein in seiner Form ähnliches, aber in seiner Amplitude (Stärke) deutlich größeres Ausgangssignal zwischen Kollektor und Emitter zu erzeugen.

• Analogie: Stell dir einen Wasserhahn vor. Eine kleine Drehbewegung am Griff (schwaches Eingangssignal an der Basis) steuert einen potenziell viel größeren Wasserfluss (starkes Ausgangssignal zwischen Kollektor und Emitter).
• Beispiel: In einem Audiosystem, wie deiner Stereoanlage oder deinem Smartphone, wird das sehr schwache elektrische Signal, das von einem Mikrofon erzeugt wird, durch mehrere Transistorstufen verstärkt, bis es stark genug ist, um einen Lautsprecher anzutreiben und hörbaren Schall zu erzeugen.

Lernziele

• die Funktion von Kondensatoren erklären, indem die Begriffe Kapazität, Lade- und Entladevorgang sowie die Bedeutung von Kondensatoren für die Glättung von Spannungen und die Speicherung von Energie in Schaltungen erläutert werden.
• die Funktion von Widerständen erklären, indem die Begriffe elektrischer Widerstand, Ohmsches Gesetz (R = U/I) und die Bedeutung von Widerständen für die Strombegrenzung und Spannungsaufteilung in Schaltungen erläutert werden.
• die Funktion von Transistoren erklären, indem die Begriffe Verstärkung, Schalten und die Bedeutung von Transistoren als grundlegende Bauelemente für die Realisierung von logischen Schaltungen und Verstärkerschaltungen erläutert werden.