EP Basics: Grundlagen der Elektrotechnik Widerstand, Kondensator, Spule und Diode: Die wichtigsten Bauelemente

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In unserer Reihe „ELEKTRONIKPRAXIS Basics“, kurz „EP Basics“, erklären wir wichtige Grundlagen der Elektrotechnik. Dabei unterstützt uns Tobias Tippelt mit seinem Youtube-Kanal „Elektrotechnik einfach erklärt“. So wollen wir Einsteigern die faszinierende Welt der Elektronik näherbringen. Wir sind sicher: In vielen steckt das Potenzial für innovative Entwickler von morgen.

Los geht es mit den vier wichtigsten Bauelementen für elektronische Schaltungen: Elektrischer Widerstand, Kondensator, Spule und Diode. Im Video am Ende dieses Beitrags zeigt euch Tobias das Verhalten der vier Bauelemente bei Gleichspannung in einem praktischen Versuch mithilfe eines einfachen Stromkreises.

Zunächst beschreiben wir die grundlegenden Eigenschaften und typische Einsatzzwecke der Bauteile. Auch lernt ihr ihre aktuellen Schaltzeichen nach der offiziellen Europanorm EN-60617 kennen.

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Der elektrische Widerstand: Begrenzt den Stromfluss

Der elektrische Widerstand ist – nach einem Stück Draht – das wohl grundlegendste Bauteil für elektrische Schaltungen. Seine physikalische Größe ist – nomen est omen – der elektrische Widerstand. In Formeln taucht er mit dem Zeichen R auf, sein Wert hat die Einheit Ohm.

Verbindet man die Anschlüsse eines Widerstands mit dem Plus- und dem Minuspol einer Gleichspannungsquelle, etwa einer Batterie, erhält man den denkbar einfachsten Stromkreis. Ist der Stromkreis geschlossen, fließt ein Strom. Die Stromstärke verhält sich proportional zur anliegenden Spannung und dem Widerstandswert. Die Formel U = R * I beschreibt diesen linearen Zusammenhang.

Löst man nun einen Anschluss und klemmt ein Strommessgerät in Reihe in den Schaltkreis, lässt sich daran der fließende elektrische Strom ablesen. Der Wert dieser Stromstärke hat die Einheit Ampere, kurz A. Die Stromstärke ist unabhängig von der Polung stets positiv, es ist also egal, an welchem Anschluss des Widerstands die positive Spannung anliegt.

Ein parallel zum Widerstand angeklemmtes Multimeter zeigt hingegen die am Bauteil abfallende Spannung. Diese hat die Einheit Volt, kurz V. In einem einfachen, aber realen Stromkreis ist sie stets etwas niedriger als die sogenannte Leerlaufspannung der Spannungsquelle – sofern diese ungeregelt ist. Der Grund: Der Widerstand und der durch ihn fließende Strom bilden eine elektrische Last, die die ansonsten unbelastete Quelle – genau: belasten.

Stellt euch einen kräftigen, aber doch flexiblen Ast an einem Baum vor, an dem ein Seil hängt. Sobald sich ein Kind an das Seil hängt, biegt sich der Ast leicht nach unten, trägt die Last aber problemlos. Hängen sich zwei Kinder an das Seil, gibt der Ast weiter nach, trägt aber auch sie. Erst wenn die Last zu groß wird – etwa wenn sich fünf Kinder gleichzeitig an das Seil hängen – würde der Ast brechen.

In unserer Stromkreis-Analogie würde dies der Überlastung der Spannungsquelle durch einen Kurzschluss entsprechen. Ohne Schutzschaltung würde die Quelle zerstört werden. Warum, zeigt ein Blick auf die Formel. Umgeformt nach I = U / R wird klar: Je kleiner der Widerstand, desto größer der Strom (solange die Spannung annähernd gleichbleibt). Bei einem Wert von R nahe Null geht der Strom gegen unendlich – das hält ungeschützt keine Schaltung aus.

Der Kondensator: Speichert elektrische Ladungen

Ein Kondensator ist eine Art Speicher für elektrische Ladungen. Seine charakteristische Größe ist die elektrische Kapazität. Sie steht für das elektrische Speichervermögen und hat das Formelzeichen C, die Maßeinheit ist Farad.

Ein idealer Kondensator besteht aus zwei parallel stehenden, leitfähigen Platten (Elektroden), die durch ein nicht leitendes Dielektrikum getrennt sind. Bei anliegender Spannung baut sich zwischen den Elektrodenbelägen ein elektrisches Feld auf. Dieses bleibt nach dem Öffnen des Stromkreises bestehen, da die Elektrodenplatten die aufgebrachte elektrische Ladung gespeichert halten. Wichtig: Die aufgenommene Ladung ist direkt proportional zur angelegten Spannung. Je größer die Platten (Fläche A) und je kleiner der Plattenabstand (d), desto höher die Kapazität. Diese hängt zudem proportional von den Eigenschaften Ɛr des Dielektrikums ab.

Der Zusammenhang lässt sich mathematisch ausdrücken als: C = Ɛ0 * Ɛr * A / d, wobei Ɛ0 die Feldkonstante des elektrischen Felds im Vakuum, also eine feste Größe ist.

Legt man an die Elektroden des Kondensators eine Gleichspannung an, verteilen sich Ladungsträger im Moment des Anschaltens auf die Platten, danach wirkt der Kondensator wie eine Sperre, es fließt kein Gleichstrom. Dieses Verhalten ist unabhängig von der Polarität der Spannung, man kann also Plus- und Minuspol vertauschen und erhält dasselbe Ergebnis. Das gilt zumindest für den idealen Plattenkondensator. In der Praxis ist bei Elektrolytkonsatoren (Elkos) Vorsicht geboten: Diese haben einen Plus- und einen Minuspol, die Polarität der anliegenden Spannung ist unbedingt zu beachten. Falsch angeschlossen, hauchen Elkos explosionsartig ihr Leben aus.

Die Diode: Rückschlagventil im Stromkreis

Eine Halbleiterdiode ist ein zweipoliges Bauteil, dass aus einem p- und einem n-dotierten Halbleiterkristall besteht. Dotieren bedeutet, dass in den zunächst elektrisch neutralen Halbleiter – meist ein homogener Silizium-Einkristall – durch das gezielte Injizieren von Ionen ein Überschuss an positiven Ladungen (p, „Löcher“) oder negativen Ladungen (n, Elektronen) geschaffen wird. Das hat Auswirkungen auf die Leitfähigkeit und das elektrische Verhalten des Siliziumsubstrats.

Die Kontaktfläche zwischen den beiden Regionen ist der p-n-Übergang. Hier bildet sich eine Raumladungszone (auch Verarmungszone oder Sperrschicht genannt) aus, die der Diode besondere Eigenschaften verleiht. Je nach Polarität der angelegten Spannung sperrt sie elektrischen Strom oder lässt ihn passieren. Eine Diode verhält sich wie ein Rückschlagventil in einer Wasserleitung, das sich je nach Flussrichtung öffnet oder schließt.

In Sperrrichtung, also wenn die Kathode (der mit einem Ring markierte Anschluss) mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden ist, verhindert eine Diode den Stromfluss. Jede reale Diode hat eine Durchbruchspannung. Überschreitet die Sperrspannung diesen Wert, gibt die Diode ihren Widerstand auf und lässt den Strom durch. Dabei haucht sie in der Regel auch ihr Leben aus. Für Silizium-Kleinsignaldioden liegt dieser Wert typisch bei etwa 100 V – den konkreten Wert verrät das Datenblatt.

Wechselt man die Polarität, gibt die Diode den Weg für die Ladungsträger frei, sobald die sogenannte Durchlass- oder Schwellenspannung überschritten wird. Das ist vergleichbar mit dem am Ventil anliegenden Wasserdruck: Ein leichter Druck ist nötig, um das Ventil zu öffnen. Ist dieser Druck überschritten, kann das Wasser fast ungehindert fließen. Bei Siliziumdioden liegt die Schwellenspannung bei etwa 0,6 V. Bei höheren Werten steigt die Stromstärke überproportional an, da praktisch kein Widerstand mehr vorhanden ist.

Die Diode ist das Grundbauelement jedes Halbleitertransistors – und damit auch jedes Prozessors.

Die Spule: Koppelt Energie ein und aus

Eine Spule ist ein weiteres wichtiges passives elektrisches Bauteil, seine physikalische Größe ist die Induktivität mit der Einheit Henry. In Formeln steht der Buchstabe L für Induktivität. Die Bezeichnung Spule leitet sich aus dem Aufbau ab: Ein elektrischer Leiter – meist aus Kupfer – wird aufgewickelt, oft über einen Spulenkern aus einem eisenhaltigen Werkstoff (Ferrit).

Im Gleichspannungsstromkreis bildet die Spule einen elektrischen Kurschluss, sie verhält sich also nicht anders als ein Stück Draht. Über dem Bauteil fällt so gut wie keine Spannung ab, da er kaum elektrischen Widerstand hat. Dafür lässt die Spule den Strom praktisch ungehindert fließen. Ohne weitere Schutzelemente würde die Spannungsquelle zusammenbrechen und mit hoher Wahrscheinlichkeit zerstört werden (siehe oben).

Mathematisch lässt sich die Induktivität einer Spule mit der Formel L = N2 * AL berechnen, wobei N die Wicklungszahl angibt und AL als Kernfaktor bezeichnet wird, der für einen magnetischen, nicht linearen Leitwert steht.

Ihre wahre Natur zeigt eine Spule – ähnliche wie ein Kondensator – im Moment des Auf- und Abschaltens der Spannung durch kurze Lade- und Entladevorgänge. Sie verhält sich dann nicht mehr statisch, sondern dynamisch. Ihre mathematische Beschreibung ist dann sehr komplex.

Als induktives Koppelelement sind Spulen Grundbauelemente zum Beispiel für Elektromotoren – und daher für die Elektromobilität essenziell. Auch drahtlose Ladevorrichtungen etwa für Smartphones basieren auf dem Prinzip der Induktion per Spule. Weitere wichtige Einsatzgebiete sind zudem Hochpass-, Tiefpass- und Bandpass-Filter in signalverarbeitenden Elektronikschaltungen. So lassen sich mithilfe von LC-Schwingkreisen sinusförmige Signale in bestimmten Frequenzbereichen gezielt verstärken oder herausfiltern. Das ist jedoch Stoff für einen weiteren Grundlagenartikel.

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