------------------------------------------------------------------------------------- Elektronik ab + und - 17.9.2002 ------------------------------------------------------------------------------------- Gerhard Paulus gp@gnomsoft.de Copyright (c) 2002 GNOM SOFT GmbH, Dresden Dieser Text könnte interessant sein für Leute, die Mikrocontroller programmieren wollen und in Sachen Elektronik ziemlich von vorne anfangen. OK, fangen wir ganz von vorne an: Big Bang. Wissenschaftler haben ein Modell entwickelt, nach der dieses unser Universum vor ca. 13 Milliarden Jahren in einem winzigen Raum mit einem virtuellen "großen Knall" entstanden ist. Und die sagen uns, daß nach einem sehr sehr kleinen Teil einer Sekunde nach Big Bang (genauer gesagt: 10 hoch -43 Sekunden) Elektronen entstanden sind. Angeblich war es zu diesem Zeitpunkt echt kuschelig warm, so um die 10 hoch 32 Grad Celsius. Kurze Zeit später entstanden aus noch kleineren Elementarteilchen (Quarks) Protonen und Neutronen, das war so nach 10 hoch -6 Sekunden, also nach einer Millionstel Sekunde. Und als es ca. 100 Sekunden nach Big Bang für damalige Verhältnisse schon bitter kalt war (nur noch eine Milliarde Grad Celsius) hatten sich diese Teilchen soweit beruhigt, daß sich je ein Proton und ein Elektron zu Wasserstoffatomen zusammentun konnten. Ob das jetzt wirklich so war, sei dahingestellt, vielleicht kommt irgendwann mal ein Herr Quadratstein und beweist was ganz anderes. Aber mit Elektronen und Protonen sind wir jetzt mitten im Elektronik-Geschäft, zumindest lassen sich viele elektro-magnetische Phänomene unsererer Umwelt mit diesen Teilchen erklären. Elektrische Felder: Elektronen mögen sich nicht ... Elektronen und Protonen sind Träger elektrischer Ladungen, und zwar sind Elektronen elektrisch negativ geladen und Protonen positiv geladen. Diese Ladung ist bei Elektron und Proton gleich und beträgt jeweils 1,602 mal 10 hoch -19 Coulomb. Was 1 Coulomb ist, das bleibt jetzt mal offen. Aber klar ist, daß die Ladung des Elektrons sehr klein ist, es ist die kleinste elektrische Ladung, die bis jetzt empirisch festgestellt werden konte. Elektrische Ladungen üben gegenseitig aufeinander Kräfte aus. Und zwar stoßen negative Ladungen andere negative Ladungen ab und ziehen positive Ladungen an. Und positive Ladungen stoßen positive Ladungen ab und ziehen negative Ladungen an. Das bedeutet konkret, daß Elektronen andere Elektronen abstoßen und Protonen anziehen. Sogesehen müßten Proton und Elektron des Wasserstoffatoms zusammenkommen weil sie sich gegenseitig anziehen. Das ist allerdings nicht der Fall, sondern zwischen Elektron und Proton bleibt ein vergleichsweise großer Abstand. Grund dafür ist die recht hohe kinetische Energie des Elektrons, das sich schnell vorwärts bewegt. Bei 20 Grad Celsius sind das immerhin ca. 100 Kilometer pro Sekunde. Auf der einen Seite würde das Elektron also aufgrund seiner Geschwindigkeit gerne irgendwo ins Universum abhauen, auf der anderen Seite wird es aber vom entgegengesetzt elektrisch geladenen Proton angezogen. Aus diesen Kräften resultiert dann ein Wasserstoffatom, bei dem sich das Elektron auf Kreis- bzw. Ellipsen-förmigen Bahnen um das Proton bewegt. Der Zentrifugalkraft aufgund der Kreisbewegungen steht dann die elektrische Anziehungskraft des Protons gegenüber. Ähnlich ist es auch bei den Atomen der anderen Elemente: der Kern besteht aus einer bestimmten Zahl von Protonen, die von einer gleich großen Anzahl von Elektronen umkreist wird. Bei den anderen Elementen kommen im Atomkern noch eine gewisse Zahl von Neutronen dazu (Wasserstoff hat keins davon). Diese sind aber elektrisch neutral (daher auch der Name) und interessierem im folgenden weniger. Elektrische Spannung: teile und herrsche ... Die Protonen und Elektronen eines Atoms sind in elektrischer Hinsicht normalweise voll mit sich selbst beschäftigt. Nach außen hin, gegenüber Atomen in der (weiteren) Nachbarschaft üben die Elektronen und Protonen eines Atoms keine bzw. minimalste elektrische Feldkräfte aus. Dieses idyllische Miteinander ändert sich, sobald Atome aus irgendwelchen Gründen Elektronen verlieren, denn dann haben sie mehr Protonen als Elektronen und wirken insgesamt positiv geladen. Und wenn Atome aus irgendwelchen Gründen Elektronen aus der Umgebung aufnehmen, dann haben sie mehr Elektronen als Protonen und wirken insgesamt negativ geladen. Und dann wird es interessant, denn dadurch entsteht eine elektrische Spannung. Diese Atome, die ein Ungleichgewicht zwischen Elektronen und Protonen aufweisen, üben auf ihre Umwelt elektrische Kräfte aus mit dem Ziel, zwischen überwiegend positiven und überwiegend negativen Ladungen wieder ein Gleichgewicht herzustellen. Elektrischer Strom: vagabundierende Elektronen ... Die zwischen elektrischen Ladungen ausgeübte Kraft ist auch noch von der Entfernung zwischen den Ladungen abhängig: je weiter der Abstand, desto weniger Kraft wird ausgeübt. Das ist insofern relevant, weil die Entfernung der Elektronen von den Protonen des Atomkerns unterschiedlich groß ist. Und zwar sieht das momentan in Mode stehende Atom-Modell so aus, daß sich die Elektronen eines Atoms entfernungsmäßig in konzentrischen Schalen um den Atomkern bewegen. Dabei ist die Zahl der Elektronen begrenzt, die sich in den einzelnen Schalen maximal aufhalten. In elektronischer Hinsicht sind die Elektronen der äußersten Schale am interessantesten, die auch als Valenz-Elektronen bezeichnet werden. Während die Elektronen der inneren Schalen dem jeweiligen Atom normalerweise fest verbunden bleiben, kommt es in der äußersten Schale schon eher vor, daß dort Elektronen mal fremd gehen. Oder es siedeln sich dort Elektronen an, die eigentlich in dem jeweiligen Atom nichts zu suchen haben. Offensichtlich hängt dies mit der Tatsache zusammen, daß Kräfte zwischen Elektronen und Protonen des Kerns aufgrund der relativ großen Entfernung an Stärke und Zwang nachlassen. Kupfer.jpg Interessant sind in diesem Zusammenhang vor allem Metalle. Ein Kupfer-Atom zB. hat 4 Schalen mit Elektronen, aber in der äußersten, vierten Schale saust nur ein Elektron um den Kern herum. Dieses eine Valenz-Elektron verläßt gerne mal die Elektronenhülle des Kupfer-Atoms und schaut mal bei einem anderen Kupfer-Atom rein, bei dem das Valenz-Elektron gerade auch auf Trebe ist. Diese vagabundierenden Elektronen bezeichnet man auch als "freie" Elektronen. Obwohl so in dem Kristallgitter des Kupfers ein reger Austausch von freien Elektronen stattfindet, wirkt das Stück Kupfer nach außen hin elektrisch neutral. Denn zu jedem Zeitpunkt haben die meisten Kupfer-Atome in der Elektronenhülle soviele Elektronen wie Protonen im Kern, also jeweils 29 Stück. Die freien Elektronen sind die Arbeitspferdchen der Elektronik. Denn wenn 2 Regionen, zwischen denen elektrische Spannung herrscht, mit zB. einem Kupferdraht verbunden werden, dann reagieren die freie Elektronen in diesem Kupferdraht extrem schnell. Von der negativ geladenen Region werden die freien Elektronen weggedrückt und sie wandern daher in Richtung positiv geladener Region, von der freie Elektronen angezogen werden. Auf diese Weise wird der Spannungsunterschied zwischen der positiv und der negativ geladenen Region ausgeglichen und es fließt elektrischer Strom. Es kommt also zu einem Ausgleich der beiden elektrischen Potentiale. Die Region mit den positiv geladenen Atomen zieht die sowieso gern vagabundierenden freien Elektronen des Leiters an. Gleichzeitig wird es den Elektronen in der Region mit den negativ geladenen Atomen zu eng, schließlich stoßen sich Elektronen ja gegenseitig ab. Auf dieser Seite werden also freie Elektronen des Leiters "weggedrückt". Über den Leiter kommt es dann irgendwann zum Ausgleich der Spannung. Am Schluß ist an beiden Enden dann das Gleichgewicht zwischen positiven Protonen und negativen Elektronen wieder hergestellt. Dabei werden kolossale Mengen an Elektronen bewegt: wenn ein Strom mit 1 Ampere Stärke 1 Sekunde lang fließt dann bewegen sich 6,25 mal 10 hoch 18 Elektronen (also 6,25 Milliarden Milliarden Elektronen). Das ist zB. der Fall wenn bei 220 Volt Spannung 2 Glühlampen mit jeweils 110 Watt 1 Sekunde lang eingeschaltet sind. Bei einem Gewitterblitz sind noch einige Elektronen mehr unterwegs; dort rechnet man mit ca. 100 000 Ampere Stromstärke. Anzumerken ist, daß sich die freien Elektronen einzeln betrachtet in einem Leiter relativ langsam bewegen (wenige Zentimeter pro Sekunde). Aber der Sog-Effekt bzw. Druck-Effekt ist an den Enden des Leiters quasi sofort wirksam (man unterstellt ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeit, das wären also immerhin 30 000 Kilometer pro Sekunde). kugeln.jpg Das ganze dürfte so ähnlich funktionieren wie das Experiment mit den direkt nebeneinander aufgehängten Kugeln, bei denen die linke Kugel nach rechts angestoßen wird. Jede Kugel bewegt sich minimal nach rechts. Aber der Stoß-Effekt kommt bei der rechten Kugel fast sofort an und sie wird nach rechts weggedrückt. Je mehr freie Elektronen ein Stück Materie aufweist und je ungestörter sich diese freien Elektronen zwischen den einzelnen Atomen bewegen können, desto besser ist die elektrische Leitfähigkeit dieses Stoffes. Metalle haben dabei die meisten freien Elektronen pro Kubikmeter und sind generell gute Leiter. Silber leitet am besten, ist aber teuer. Kupfer leitet fast genau so gut, ist preiswerter und deswegen bestehen elektrische Kabel meist aus Kupfer. Materialien wie Plastik oder Glas haben wesentlich weniger freie Elektronen (Glas hat zB. pro Kubikmeter ca. 8,5 mal 10 hoch 10 freie Elektronen). Wenn Plus und Minus einer Spannungsquelle mit einem solchen Material verbunden werden, dann werden relativ wenige freie Elektronen bewegt, sodaß fast kein Spannungsausgleich erfolgt. Diese Materialien bezeichnet man dann als Isolatoren, dem freien Elektronenfluß setzen sie einen hohen Widerstand entgegen. Isolatoren haben zwar auch freie Elektronen, aber elektrische Leiter haben halt wesentlich mehr freie Elektronen. Silber zB. hat pro Kubikmeter ca. 10 hoch 29 freie Elektronen, also ungefähr 10 hoch 18 (eine Milliarde Milliarde) mal so viel wie Glas. Auch die Temperatur eines Werkstoffes hat Auswirkung auf die Leitfähigkeit. Je wärmer der Stoff ist, desto mehr schwingen die Atome dieses Stoffes hin und her. Das macht es den freien Elektronen schwerer, sich zwischen den Atomen zu bewegen, da sie öfter mit Atomen zusammenstoßen und dort in der Elektronenhülle hängenbleiben. Dadurch sinkt die Leitfähigkeit. Wenn elektrische Leiter (insbesondere Metalle) auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden (0 Grad Kelvin entspricht etwa -273 Grad Celsius) dann verhalten sich die Atome mucksmäuschenstill und wackeln nicht mehr. Wenn an solch einen Leiter elektrische Spannung angelegt wird, so können sich freie Elektronen tatsächlich vollkommen frei bewegen, der Stromfluß wird durch keinen Widerstand gebremst und das ganze wird dann als Supraleiter bezeichnet. Bei Raumtemperatur setzen auch gute Leiter wie zB. Kupfer dem Stromfluß einen wenn auch kleinen, so doch meßbaren Widerstand entgegen. Magnetische Felder: die spinnen, die Elektronen ... Bei magnetischen Feldern ziehen sich ungleichnamige Pole gegenseitig an, gleichnamige Pole stoßen sich ab. Insofern läuft das ähnlich wie bei elektrischen Feldern, nur heißen die Pole nicht Plus und Minus sondern Nordpol und Südpol. Im Gegensatz zu elektrischen Feldern gibt es auch kein Ding, daß nur "nordpolige" oder nur "südpolige" Kräfte ausübt. Wenn von einem Stück Materie magnetische Feldkräfte ausgehen, dann läßt sich an diesem Stück Materie immer sowohl ein Nordpol als auch ein Südpol feststellen. Wissenschaftler behaupten, daß Magnetismus letztendlich auf Elektronen zurückzuführen ist. Danach bewegen sich Elektronen nicht nur vorwärts, sondern drehen sich dabei auch noch um die eigene Achse (Eigendrehung = spin). Und dadurch wird jedes Elektron quasi zu einem Mini-Magneten wird mit eigenem Nordpol und Südpol. Daran scheint etwas wahres zu sein, denn wenn durch einen Metalldraht ein elektrischer Strom fließt, dann wird um diesen Draht herum ein meßbares Magnetfeld aufgebaut. Und wenn der Strom nicht mehr fließt, dann ist die magnetische Wirkung wieder weg. Jetzt gibt es natürlich auch Magneten, die magnetische Kräfte auch dann ausüben, wenn kein elektrischer Strom durch sie fließt. Offensichtlich "spinnen" dort eine größere Zahl von Elektronen immer in der gleichen Richtung, sodaß sich die magnetische Wirkung aggregiert und ein dauerhaftes Magnetfeld entsteht. Den Trick, wie das funktioniert, haben aber nur wenige Elemente herausgefunden (Eisen, Nickel und Kobalt, die sogenannten ferromagnetische Stoffe) und einige Metall-Legierungen. Bei höheren Temperaturen vergessen sie den Trick allerdings wieder; Eisen verliert bei 770 Grad Celsius seine permamagnetische Wirkung. Gravitation: Neben den Kräften in elektrischen und magnetischen Feldern ist die Schwerkraft (Gravitations-Feld) die dritte Kraft, die das Universum zusammenhält. Und was hat Schwerkraft mit Elektronen zu tun ? Keine Ahnung, aber das gemeine Elektron weist in der Tat eine Masse auf, genauer gesagt 0,9108 mal 10 hoch -27 Gramm. Das ist zwar pro Elektron nicht viel, aber Kleinvieh macht auch Mist und Elektronen gibt es eine Menge. Das positiv geladene Proton kommt übrigens auf eine Masse von 1,6724 mal 10 hoch -24 Gramm, wiegt also mehr als 1000 mal soviel wie ein Elektron. Dem Proton wird auch eine räumliche Ausdehnung zugemessen (0,8 mal 10 hoch -13 cm). Beim Elektron wird unterstellt, daß es überhaupt keine räumliche Ausdehnung hat (infinitesimaler Punkt ?). Elektron: So, was sind jetzt diese Elektronen eigentlich ? Normalerweise werden sie ja als kleine Kügelchen dargestellt, am besten noch mit einem schicken schwarzen Minus-Zeichen draufgemalt. emil.jpg Wohl wahrscheinlicher ist, daß Elektronen wie auch die anderen Elementarteilchen und damit die gesamte Materie dieses Universums verdichtete elektro-magnetische Felder darstellen, also Räume konzentrierter Energie. So richtig konkret ist von Elektronen also nur bekannt, daß sie eine negative Ladung haben, wie groß diese Ladung ist, daß Elektronen etwas wiegen und daß sie sich permant schnell auf konzentrischen Schalen um Atomkerne bewegen und sich dabei auch noch um die eigene Achse drehen. Spannungsquelle: Um mit diesen Elektronen etwas praktisches zu machen, braucht man zuerst mal eine Spannungsquelle mit Plus und Minus. Um eine solche elektrische Energie zu erzeugen, muß bei Atomen das natürliche Gleichgewicht zwischen Elektronen und Protonen zerstört werden, um ihnen Elektronen wegzunehmen. Dazu ist generell Energie zu investieren. Einige wenige Elektronen erhält man durch ordinäres Rubbeln, indem ein Stück Tuch lange genug mit einen Gegenstand zB. aus Plastik reibt. Dann reißt das Plastikmaterial Elektronen aus dem Tuchgewebe und wird elektrisch negativ geladen. Mit diesem aufgeladenen Stück Plastik lassen sich dann leichte Stoffe wir Federn oder Watte anziehen. Influenz heißt dieses Phänomen, bei dem die Elektronen des Plastiks die Elektronen der Watte wegdrücken, in der Watte Bereiche überwiegend positiver Ladung entstehen, die dann von dem überwiegend negativ geladenen Plastik angezogen werden. Es ist überliefert, daß die alten Griechen diesen Effekt schon kannten, wenn sie auch keine Erklärung dafür hatten. Allerdings benutzten sie zum Rubbeln kein Plastik, sondern Bernstein. "Elektron" ist übrigens das griechische Wort für "Bernstein". Batterien oder Akkus lassen sich als Spannungsquelle schon besser benutzen. Dort wird chemische energie in elektrischen energie umgesetzt. Ansonsten hat es lange gedauert, bis man einen Weg fand, Elektrizität im größeren Umfang zu generieren. Als Königsweg stellt sich der Zusammenhang zwischen freien Elektronen und Magnetismus heraus. Ein Herr namens Oersted konnt 1819 nachweisen, daß ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld um sich herum aufbaut. An der Umkehrung dieses Prinzips wurde dann lange gebastelt, um also einen Leiter in das Magnetfeld eines Permanentmagneten zu bringen und den freien Elektronen des Leiters Beine zu machen und dadurch elektrischen Strom zu erzeugen. Ein Herr namens Faraday konnte 1831 den notwendigen Trick zeigen: daß Strom nur erzeugt wird, wenn der Leiter im Magnetfeld bewegt wird, und das auch nur, wenn er in der richtigen Richtung bewegt wird. Dieses Prinzip dann im industriellen Maßstab umzusetzen dauerte auch eine Weile. Der Duchbruch kam wohl mit der Erfindung der Dynamomaschine, das war 1866 und der Erfinder war ein Herr Namens Werner von Siemens. Dabei wird ein aufgewickelter Leiter (Spule) in einem Permanentmagneten gedreht und Wechselspannung erzeugt. Dieses Prinzip wird beim Fahrrad-Dynamo genauso genutzt wie im Turbinen-getriebenen Generator eines Kraftwerks. Durch Gleichrichten der Wechselspannung erhält man dann eine Spannungsquelle mit gleichbleibendem Plus-Pol und Minus-Pol. Elektronenröhre: Elektronen bei 700 Grad Celsius Im Laufe der Zeit haben einige begnadete Tüftler mit Elektrizität die tollsten Sachen ausprobiert. Edison kam auf die Idee mit der Glühlampe, also ein Glaskolben mit eingeschmolzenem, elektrisch beheiztem Glühfaden, der zwar überwiegend Wärme aber auch Licht abstrahlt. Er probierte mal aus, in diese Glühlampe auch oben noch einen metallischen Anschluß einzuschmelzen. | --- + Anode . . . ... ... --- - Katode (Glühfaden) | edison.jpg Als der Glühfaden der Glühlampe dann aufgeheizt war und er an die obere Elektrode eine positive Spannung anlegte, konnte er dort einen elektrischen Stromfluß messen. Wenn er dort aber eine negative Spannung anlegte, dann floß kein Strom. Erst andere fanden heraus, daß dieser "Edison-Effekt" zum Gleichrichten von Wechselstrom genutzt werden konnte. Es war das Prinzip der Diode. Dabei kommt letztendlich der Effekt zum Tragen, daß Atome bei steigender Temperatur zusehends kinetische Energie gewinnen. Die Atome wackeln immer schneller bis es einigen Elektronen der äußersten Schale zu doof wird und sie aus der Elktronenhülle des Atoms abhauen. Wenn sie dann in ein elektrisches Feld geraten, wo sie von positiven elektrischen Kräften angezogen werden, dann bewegen sie sich dort hin und es fließt Strom. Wenn die obere Elektrode aber negativ geladen ist, dann werden die rausgeschleuderten Elektronen von dort abgestoßen und bleiben als Elektronenwolke in der Nähe des Glühfadens. Das ist das Prinzip der Elektronenröhre, die in stark modifizierte Form zB. als Bildschirmröhre nach wie vor im Einsatz ist. Aber noch interessanter als die Diode wurde die Elektronenröhre, als die Tüftler mitten zwischen oberer und unterer Elektrode auch noch ein Metallgitter einschmolzen. Damit war die Triode erfunden. | --- + Anode . . --- Gitter . . ... --- - Katode | Triode.jpg Mit der am Gitter angelegten Spannung ließ sich der Strom zwischen Anode und Katode auch steuern. Dabei reichten auch kleine Ströme am Gitter aus, um vergleichsweise große Ströme zwischen Katode und Anode fließen zu lassen: der Verstärker war entdeckt. Halbleiter: gestörte Kristalle ... Aber wie es so kommt, das Bessere ist der Feind des Guten. Und das Bessere waren in diesem Fall Halbleiter-Bauelemente. Halbleiter wie Silizium und Germanium leiten bei 20 Grad Celsius sehr schlecht. Beide haben 4 Elektronen auf der äußersten Elektronenschale und die sind fest in die Elektronenhülle eingebunden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Atome in einem Kristallgitter angeordnet sind und sich benachbarte Atome Elektronen auf der äußersten Schale teilen. Die äußerste Elektronenschale ist dann voll mit Elektronen besetzt und es gibt in dem Kristall dann so wenige freie Elektronen, daß das Halbleiterkristall als Isolator wirkt. Jetzt fanden einige Tüftler aber heraus, daß sich das grundlegend ändert, wenn zB. dem Silizium-Kristall einige Fremdatome hinzugefügt werden, die dann auch in das Kristallgitter eingebunden sind. Wenn Atome mit 5 Valenz-Elektronen hinzugefügt werden (zB. Antimon), dann ist jeweils ein Elektron mehr im Gitter, als für ein stabiles Kristall gebraucht werden. Dieses überschüssige Elektron wirkt wie ein freies Elektron. Die elektrische Leitfähigkeit des Halbleiters wird dadurch stark erhöht, das Kristall wird sozusagen zum "Ganzleiter". Wenn andererseits Atome mit nur 3 Valenz-Elektronen dem Silizium-Kristall hinzugefügt werden (zB. Indium), dann fehlt dem Kristallgitter pro Fremdatom jeweils ein Elektron (Defekt-Elektron), um stabil zu sein. Das normalerweise recht träge Silizium-Kristall bekommt dann Appetit auf zusätzliche Elektronen. halbleiter.jpg + + + + .. - - - - p pn n Dieses Hinzufügen (Dotieren) vom Fremdatomen läßt sich auch so durchführen, daß ein Teil des Kristalls viele freie Elektronen hat (Negativ-Schicht bzw. n-Schicht) und in einem anderen Teil des Kristalls viele Elektronen fehlen (Positiv-Schicht bzw. p-Schicht). An der Übergangsstelle zwischen p und n kommt es dann zu einem Ausgleich zwischen zu viel und zu wenig Elektronen. In dieser Übergangsstelle gleichen sich die elektrischen Anziehungskräfte dann aus, die Übergangsstelle wird elektrisch stabil und wirkt wie ein Isolator. In der n-Schicht sind dann zwar immer noch zu viele Elektronen und in der p-Schicht immer noch zu wenige Elektronen. Aber die von ihnen verursachten elektrischen Feldkräfte schaffen es nicht, über die isolierende Übergangsstelle hinweg zu wirken. Das ändert sich erst, wenn bei einem solcherart präparierten Silizium-Kristall an die n-Schicht eine negative Spannung angelegt wird und an die p-Schicht eine positive Spannung angelegt wird. Dann "drücken" nicht nur die freien Elektronen der n-Schicht, sondern es kommen auch noch die freien Elektronen von der Spannungsquelle dazu. Die isolierende Übergangsschicht wird dadurch kleiner und ab einer bestimmten Spannung (ca. 0,7 Volt) gibt es gar keine isolierende Zwischenschicht mehr. Dann leitet das Siliziumkristall wie ein ganz normaler Leiter. Es ist dann in Durchlaßrichtung geschaltet. Der umgekehrte Fall tritt ein, wenn p- und n-Schicht umgekehrt gepolt werden, also Plus der Spannungsquelle an n-Schicht und Minus der Spannungsquelle an p-Schicht. Dann werden von der n-Schicht erst mal freie Elektronen abgesaugt, die freien Elektronen in der n-Schicht nehmen ab. Die p-Schicht bekommt von Minus frische Elektronen und kann damit Defekt-Elektronen ausgleichen. Sowohl n-Schicht und p-Schicht werden also zusehends elektrisch stabiler und letztendlich wird der isolierende Übergang nicht kleiner sondern wesentlich größer. Bei dieser Schaltung sperrt das Silizium-Kristall. Abgesehen von kurzfristigen, minimalen Strömen zu Beginn erfolgt also kein Stromfluß. Ein solcherart präparierter Halbleiter ist eine Diode, die gegenüber der Elektronenröhre-Diode große Vorteile hat (man muß zB. die Katode nicht auf ca. 700 Grad Celsius aufheizen) und relativ wenig Nachteile (die Elektronenröhre schaltet schneller, was aber nur bei Anwendungen im Giga-Hertz-Bereich relevant ist). Bei so vielen Vorteilen mußte natürlich aussprobiert werden, ob auch die Triode zum Verstärken von Strömen mit Halbleiterkristallen realisiert werden kann. Und das kann der Transistor. Bei Einsatz von Silizium werden dabei 3 Schichten aufgebaut, die jweiles eigene Namen bekamen: Collector, Basis und Emitter (zu Deutsch wohl: Sammler, Basis und Aussender). transistor.jpg - - - - . + + + . - - - - n np p pn n C B E Collector Basis Emitter Dadurch entstehen 2 pn-Übergänge. Wenn die Basis nicht geschaltet ist (an B ist dann überhaupt keine Spannung), an Collector eine positive Spannung angelegt wird und an Emitter eine negative Spannung, dann fließt durch den Transistor kein Strom. Der pn-Übergang zwischen Collector und Basis wirkt als Isolator und sperrt. Der Bereich zwischen Collector und Basis wirkt letztendlich wie eine Halbleiter-Diode, die so geschaltet ist, daß sie den Stromfluß sperrt. Wenn jetzt an Basis eine positive Spannung angelegt wird, dann wird der pn-Übergang zwischen Basis und Emitter überwunden. Das funktioniert so, als wenn auch der Abschnitt Basis - Emittter eine Halbleiter-Diode sei. Es strömen vom Emitter her viele freie Elektronen in Richtung Basis. Die Basis ist recht klein dimensioniert und wird von freien Elektronen so sehr überschwemmt, daß die freien Elektronen in den Einflußbereich der positiven Spannung am Collector kommen. Und dann gibt es kein Halten mehr, dann wird auch der np-Übergang zwischen Collector und Basis überwunden mit dem Ergebnis, daß durch den Transistor Strom fließt. Und genau wie bei der Elektronenröhren-Triode reicht ein relativ kleiner Stromfluß zwischen Basis und Emitter, um einen wesentlich größeren Strom zwischen Collector und Emitter fließen zu lassen. Der Transistor kann also als Verstärker genutzt werden. Der Vollständigkeit sei noch erwähnt, daß Halbleiter von sich aus (ohne Dotierung mit Fremdatomen) auch etwas Strom leiten können. Und zwar sinkt der Widerstand, wenn sie erwärmt werden (damit verhalten sich Halbleiter genau umgekehrt wie Metalle). Je mehr die Atome zB. eines Siliziumkristalls erwärmt werden, desto mehr schwingen diese Atome. Reines Silizium hat keine bzw. relativ wenige freie Elektronen, die durch das heftigere Wackeln der Atome in ihrer Bewegungsfreiheit gestört werden. Dafür wird aber bei der heftigeren Bewegung der Atome der Zusammenhalt zwischen Protonen des Kerns und Valenz-Elektronen gelockert, einige Valenz-Elektronen wirken wie freie Elektronen und es fließt ein schwacher elektrischer Strom. Quanten-Effekt: die springen, die Elektronen ... Was Elektronen angeht, gibt es noch den Quanten-Effekt, der sich insbesondere auf den Aufenthalt von Elektronen auf den Schalen bezieht. Gemäß diesem Modell sind Elektronen in der Lage, ihre momentane Schale zu verlassen und sich in einer höheren bze. äußeren Schale zu bewegen, wenn ihnen von außen Energie zugeführt wird (zB. Wärmeenergie oder Lichtenergie). Dies wird zB. genutzt, um Elektrizität aus Lichtenergie (Sonnenenergie) zu genenerieren. Wenn Elektronen auf äußere Schalen springen, dann läßt die Bindung zum Atomkern nach und das Elektron neigt eher zu Vagabundieren. Solarzellen nutzen diesen sogenannten foto-elektrischer Effekt. Wenn der Energiezufluß aber aus irgendwelchen Gründen nachläßt, dann haben die vorher angeregten Elektronen das Bestreben, auf ihre alte Schale wieder zurückzukehren und dabei Energie abzugeben (zB. Lichtenergie). Dieser Effekt wird in LED's genutzt (light emitting diode). Die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts bestimmt dann seine Farbe. Kondensator: speichert Elektronen ... Ein oft genutzter elektronischer Baustein ist der Kondensator. Im einfachsten Fall besteht so ein Teil aus zwei Platten aus leitfähigem Material (Platte 1 und Platte 2), die durch einen schmalen Luftspalt getrennt sind. Zwischen den Platten ist der Stromkreis also unterbrochen. kondensator.jpg | | | | ---| |--- | | | | 1 2 Solange der Kondensator nicht mit einer Spannungsquelle verbunden ist, sind auf Platte 1 und Platte 2 des Kondensators die Atome hinsichtlich der elektrischen Kräfte insgesamt ausgeglichen. Die Zahl der Elektronen und Protonen sind gleich, nach außen wirken keine elektrischen Kräfte. Das ändert sich, wenn die beiden Platten mit einer Spannungsquelle verbunden werden. a --- C (+) -- ------| |-- ---- (-) 1 2 In obiger Schaltung steht a für einen Schalter, der zuerst offfen ist und C ist der Kondensator, der zwischen Plus und Minus der Spannungsquelle geschaltet ist. Was passiert nun, wenn Schalter a geschlossen wird ? a C (+) -----------| |-- ---- (-) 1 2 Am Plus-Pol der Spannungsquelle fehlen Elektronen und dort werden freie Elektronen "angesaugt". Diese Kraft ist größer als die Kraft der Kondensator-Atome, ihre Elektronen alle zu behalten. Deshalb wandern Elektronen des Kondensators von der Platte 1 in Richtung Plus-Pol und es fließt ein elektrischer Strom. Je mehr Elektronen zum Plus-Pol fließen, desto mehr Protonen sind auf Kondensatorplatte 1 zu viel und desto stärker werden die aggregierten Anziehungskräfte dieser Teile. Irgendwann gibt Kondensatorplatte 1 keine Elektronen mehr her, weil die Anziehungskräfte der Protonen genauso groß sind wie die Saugkräfte des Pluspols. Dann fließt kein elektrischer Strom mehr zwischen Plus-Pol und Kondensatorplatte 1. Ergebnis dieser Bemühung ist also ein mehr oder weniger kurzfristiger Stromfluß. Und danach ist die mit dem Plus-Pol verbundene Kondensatorplatte 1 selbst positiv geladen. Denn sie hat ja Elektronen an den Plus-Pol abgegeben und die Atome der Kondensatorplatte 1 haben deshalb mehr Protonen als Elektronen. Da die Kondensatorplatten einander eng gegenüberstehen, üben die mehrheitlich positiven Ladungen der Platte 1 elektrische Kräfte auf die Platte 2 aus. Und zwar werden dort negative Ladungen angezogen. Diese Kräfte stören das ursprüngliche Gleichgewicht der Kondensatorplatte 2 und die Atome der Platte 2 sind eher bereit, Elektronen aufzunehmen. Darüber freuen sich die Elektronen am Minus-Pol der Spannungsquelle, die sich dort eh auf die Füße treten. Ein Teil dieser Elektronen wandert also in Richtung Kondensatorplatte 2, die sich dadurch negativ auflädt. Der Kondensator ist damit in der Lage, elektrische Ladungen (und damit elektrische Energie) zu speichern. Die Spannung zwischen den Kondensatorplatten ist nach erfolgtem Aufladen genau so groß wie die Spannung der Spannungsquelle zwischen Plus und Minus. Diese Energie kann dann genutzt werden, indem zB. die Platten des Kondensators direkt miteinander über einen elektrischen Leiter verbunden werden. Dann sorgen die freien Elektronen des Leiters dafür, daß die überschüssigen Elektronen der Kondensatorplatte 2 abgegeben werden und die Kondensatorplatte 1 wieder soviel Elektronen erhält, daß auch ihre Atome wieder im elektrischen Gleichgewicht sind. Es fließt also wieder kurzfristig Strom. Spule: viel Leiter auf engem Raum ... Auch mit Spulen haben sich die Tüftler intensivst beschäftigt. Dabei wird besagter Effekt genutzt, daß um einen stromdurchflossenen Leiter ein Magnetfeld aufgebaut wird. Dieser Effekt wird durch eine zB. spiralförmige Aufwicklung des Leiters verstärkt. Und wenn in eine solche Spule auch noch ein Stück ferromagnetisches Material gesteckt wird (zB. ein Eisenkern), dann wird der magnetische Effekt um ein Vielfaches erhöht. Wenn dieser Elektromagnet dann geschickt mit den Magnetfeldern von Permanentmagneten kombiniert wird oder auch von anderer Elektromagneten, dann dreht sich etwas und kann andere Sachen antreiben (Elektromotoren). Oder es bewegt sich etwas hin und her und läßt zB. einen Membrane vibrieren und erzeugt Tonwellen (Lautsprecher). Oder es wird ein mechanischer Schalter bewegt, der zu einem anderen Stromkreis gehört, in dem wesentlich höhere Spannungen und Ströme herrschen (Relais). Mit hochfrequenter Wechselspannung und Spulen lassen sich auch elektro-magnetische Wellen erzeugen und damit analoge und digitale Informationen drahtlos übertragen. Aber das ist eine andere Baustelle, der folgende Text bezieht sich ausschließlich auf Gleichspannungsquellen. physikalische Größen und Gesetze: Ladung, Stromstärke, Spannung, Widerstand OK, jetzt kennen wir die Geschichte mit den freien Elektronen und das war ja auch ganz interessant. Aber das nützt relativ wenig, um mit einem Mikrocontroller zB. den aktuellen Wert eines Temperatursensors zu verarbeiten. Deshalb jetzt erst mal einiges zu physikalischen Größen und Gesetzen. Nachdem sich viele schlaue Leute seit mehr als 200 Jahren mit dem Phänomen "Elektronik" beschäftigt haben, ist klar, daß sie daraus eine Wissenschaft gemacht haben. Zum Glück ist es so, daß sich Elektronen nicht nach Menschen richten, sondern ihre eigenen Spielregeln haben. Diese Gesetze können nur entdeckt werden aber nicht erweitert werden (sonst hätten wird bald das Äquivalent zu Steuergesetzen und -bestimmungen, also administrative Krebsgeschwüre). An physikalischen Größen interessiert zuerst einmal Ladung, Stromstärke, Spannung, Widerstand und Energie. Diesen Größen ist jeweils ein Zeichen zugeordnet, mit dem sie in Formeln angesprochen werden. Und sie werden gemessen in Maßeinheiten, deren Namen üblicherweise dem Namen eines Herrn entsprechen, der sich mit dieser Größe intensiv beschäftigt hat und interessantes herausgefunden hat. Die physikalische Größe "elektrische Ladung" wird in Formeln mit "Q" bezeichnet und wird gemessen in Coulomb (abgekürzt: C). 1 C entspricht der Ladung von 6,25 mal 10 hoch 18 Elektronen (also 6,25 Milliarden Milliarden Elektronen). Die physikalische Größe "Stromstärke" wird in Formeln mit "I" bezeichnet und wird gemessen in Ampere (abgekürzt: A). Das ganze ist im Endeffekt so dimensioniert, daß 6,25 Milliarden Milliarden Elektronen bewegt werden, wenn ein Strom mit der Stärke 1 A eine Sekunde lang fließt. Und da dies der Definition des Coulomb entspricht, gilt ex definitione, daß ein Coulomb einer Amper-Sekunde entspricht. 1 C = 1 A * 1 s Die physikalische Größe "elektrische Spannung" wird in Formeln mit "U" bezeichnet und wird gemessen in Volt (abgekürzt: V). Wie groß die Spannung ist, hängt davon ab, wieviel Ladungsträger in der Spannungsquelle voneinander getrennt wurden und wieviel Arbeit bzw. Energie zur Ladungstrennung nötig war. 1 V = 1 J / 1 C = 1 Nm / 1 C Bei obigen Formeln steht J für Joule und N für Newton und m für Meter. Die physikalische Größe "elektrischer Widerstand" wird in Formeln mit "R" bezeichnet und wird gemessen in Ohm (abgekürzt: _O_ (Omega soll das sein)). 1 Ohm bedeutet, daß an diesen Widerstand eine Spannung von 1 Volt angelegt werden muß, damit ein Strom vom 1 A fließen kann. Die physikalische Größe "Arbeit bzw. Energie" wird in Formeln mit "W" bezeichnet und wird gemessen in Joule (abgekürzt: J), gleichbedeutend mit Wattsekunde (Ws). Übrigens, ein Mensch verbraucht am Tag Nahrungsmittel mit dem Energiegehalt von ca. 2000 Kilokalorien und verbraucht damit soviel Energie wie eine ordinäre 100 Watt-Birne in 24 Stunden. 1 Kalorie entspricht 4,18 Joule, damit sind 2000 Kilokalorien äquivalent zu ungefähr 2,4 Kilowattstunden. Die physikalische Größe "Leistung" wird in Formeln mit "P" bezeichnet und wird gemessen in Watt (abgekürzt: W). Dabei ist Leistung Arbeit pro Zeit: P = W / t Und elektrische Leistung ist Stromstärke mal Spannung: P = U * I Die Leistung 1 W wird also erbracht, wenn bei einer Spannung von 1 V ein Strom von 1 A fließt. Die Größen Stromstärke, Spannung und Widerstand lassen sich direkt mit Hilfe eines Multimeters messen (siehe Anhang). Ein fundamentales Gesetz ist in diesem Zusammenhang das Ohmsche Gesetz: U = R * I Dabei bezeichnet U die Spannung, die an einem stromdurchflossenen Leiter abfällt, R der elektrische Widerstand dieses Leiters und I die Stärke des elektrischen Stroms. Bei folgender Schaltung ist ein einziger Widerstand R zwischen Plus und Minus der Spannungsquelle geschaltet. +--------+ (+) -----| R |----- (-) +--------+ Wenn also zwischen (+) und (-) eine Spannung von +5 Volt herrscht und ein Strom von 0,050 Ampere fließt, so ist der Widerstand des Leiters R = U / I = 5 / 0,050 = 5 / 5 * 100 = 100 Ohm Daraus kann man folgern, daß der Strom eine Stärke von 0,1 Ampere hätte, wenn der Widerstand nur 50 Ohm groß wäre. I = U / R = 5 / 50 = 0,1 Ampere Wenn zwei der drei Größen bekannt oder vorgegeben sind, läßt sich also die dritte Größe errechnen. Das ganze ist echt praktisch und ich kann mir gut vorstellen, wie sich der alte Ohm gefreut hat, als er 1826 diese Entdeckung machte. Jetzt lassen sich auch Schaltungen konstruieren, bei denen 2 Widerstände (bzw. Verbraucher) in den Stromkreis geschaltet werden. Denkbar ist eine Parallelschaltung oder eine Serienschaltung. Für jeden Widerstand x kann man das Ohmsche Gesetz einzeln anwenden Ux = Rx * Ix Dazu kommen aber noch 2 weitere Gesetze, die Herr Kirchhoff entdeckt hat: 1) Parallelschaltung: der Gesamtstrom Iges ist so groß wie die Summe der Teilströme. 2) Serienschaltung: die Gesamtspannung Uges ist so groß wie die Summe der Teilspannungen. Parallelschaltung: +--------+ +--| R1 |--+ + +--------+ + (+) --+ +--- (-) + +--------+ + +--| R2 |--+ +--------+ Iges = I1 + I2 (1. Kirchhoffsches Gesetz) Uges = U1 = U2 1/Rges = 1/R1 + 1/R2 Es gibt eine nette Erleichterung für die parallele Schaltung, wenn exakt 2 Widerstände involviert sind. Der Gesamt-Widerstand läßt sich dann auch berechnen nach der Formel: Rges = (R1 * R2) / (R1 + R2) Serienschaltung: +--------+ +--------+ (+) -----| R1 |--------| R2 |---- (-) +--------+ +--------+ Uges = U1 + U2 (2. Kirchhoffsches Gesetz) Rges = R1 + R2 Iges = I1 = I2 Werden mehr als 2 Verbraucher in einen Stromkreis geschaltet, so läßt sich dieser sukzessive in kleine Happen zerlegen und berechnen. +--------+ +---------+ +--| R1 |--| R3 |--+ + +--------+ +---------+ + (+) --+ +--- (-) + +--------+ + +--| R2 |---------------+ +--------+ U1.3 = U1 + U3 R1.3 = R1 + R3 I1.3 = I1 = I3 Es werden also zuerst die in Serie geschalteten Widerstände R1 und R3 kalkuliert. Das Ergebnis ist ein fiktiver Widerstand R1.3, der zusammen mit R2 eine Parallelschaltung ergibt. +--------+ +--| R1.3 |--+ + +--------+ + (+) --+ +--- (-) + +--------+ + +--| R2 |--+ +--------+ Iges = I1.3 + I2 Uges = U1.3 = U2 1/Rges = 1/R1.3 + 1/R2 So kann man sukzessive auch komplexe Schaltungen durchrechnen. Ist möglicherweise etwas mühsam, aber es geht. Und wozu braucht man diese Formeln jetzt konkret ? Antwort: damit läßt sich zB. ein Vorwiderstand und ein Spannungsteiler berechnen. Ein Vorwiderstand ist zB. in folgendem Fall nötig: 5V (+) ------ R ---- LED ------ (-) 0V Eine rote LED (Light Emitting Diode) soll an an eine 5 Volt Spannungsquelle angeschlossen werden. Von der LED ist bekannt, daß sie für 1,6 Volt ausgelegt ist und einen Strom in der Stärke von 0,04 A durchläßt. Die darüber hinausgehenden 3,4 Volt müssen in einem Vorwiderstand verbraucht werden, damit die LED nicht durchbrennt. Dieser Vorwiderstand berechnet sich nach Ohmschen Gesetz mit U = R * I R = U / I = 1,6 / 0,04 = 1,6 * 100 / 4 = 40 Ohm Wenn also ein Vorwiderstand von 40 Ohm vor (bzw. nach) die LED geschaltet wird, dann leuchtet die LED schön rot und sie brennt nicht durch. Ein Spannungsteiler ist üblicherwiese bei Sensoren nötig, deren Widerstand sich abhängig von der zu messenden Größe ändert. Analog-Digital-Konverter werden normalerweise nicht mit Widerstandswerten gefüttert, sondern mit Spannungswerten. Damit ist die folgende Schaltung des Sensors recht nutzlos, wenn die am Sensor abgefallene Sapnnung an den Punkten 1 und 2 abgegriffen bzw. gemessen wird. 1 2 (+) --.-- S --.-- (-) Es wird immer die volle Spannung gemessen, die zwischen (+) und (-) anliegt. Dumm gelaufen. Mit einem Spannungsteiler funktioniert das schon besser und das sieht dann so aus: 1 2 (+) --- R -----.-- S --.-- (-) Letztendlich wird wieder ein Vorwiderstand dazugeschaltet. Aber wenn jetzt der Widerstand des Sensors sehr klein ist (weil der zu messende Wert sehr klein ist), dann fällt am Sensor an den Meßpunkten 1 und 2 auch eine sehr kleine Spannung ab. Der größte Teil der Versorgungsspannung wird dann von dem Vorwiderstand verbraucht. Und wenn der Widerstand des Sensors groß ist (und damit der zu messende Wert), dann fällt am Sensor an den Meßpunkten 1 und 2 auch eine große Spannung ab. Wenn der Maximalwert des Sensor-Widerstands so groß ist wie der Vorwiderstand, dann ist die zwischen 1 und 2 gemessene Spannung maximal die Hälfte der Versorgungsspannung. Dieserart läßt sich der am Sensor angefallene Meßwert indirekt über die an 1 und 2 abgegriffene Spannung messen. elektronische Bauteile : An elektronischen Bauteilen zum KOnstruieren von Schaltungen werden hier kurz dargestellt Widerstand, Kondensator und Spule. Widerstände: Widerstände sind insbesondere durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet: Nennwiderstand (meist von 1 Ohm bis 1 Mega) Toleranz (meist von +- 1 & bis +- 20%) Belastbarkeit (meist 0,1 Watt oder 0,25 Watt oder 0,5 Watt oder 1 Watt) Belastbarkeit (meist 0,25 Watt, möglich sind 0,05|0,1|0,25|0,5|1|2|3|6|10|20 Watt) Der elektrische Widerstand der meisten Widerstands-Bauteile wird durch einen Farbcode angegeben, bei dem 4 Farbringe auf das Bauteil gemalt sind : 1 2 3 4 +-------------+ | | | | | | +-------------+ Ring 1 und 2 geben die beisten ersten Ziffern des Widerstandswertes an. Ring 3 bezeichnet den Multiplikator, bezogen auf 1 Ohm. Ring 4 gibt die Toleranz an Als erster Ring gilt derjenige, der dem Ende des Widerstandskörpers am nächsten liegt. Farbe: 1. 2. 3. 4. keine - - - +- 20 % silber - - 0,01 +- 10 % gold - - 0,1 +- 5 % schwarz 0 0 1 braun 1 1 10 +- 1 % rot 2 2 100 +- 2 % orange 3 3 1000 gelb 4 4 10.000 grün 5 5 100.000 blau 6 6 1000.000 violett 7 7 10.000.000 grau 8 8 100.000.000 weiß 9 9 1000.000.000 Beispiel: Farbringe seien braun-schwarz-orange-silber Nennwert ist 10 * 1000 Ohm, also 10 Kiloohm. Toleranz ist 10 %. Damit liegt der faktische Wert des Widerstands irgendwo zwischen 9 Kiloohm und 11 Kiloohm. Kondensator: Charakteristisch für einen Kondensator ist seine Fähigkeit, elektrischen Ladungen zu speichern. Dies wird als "Kapazität" des Kondensators bezeichnet und gemessen in Farad (was eigentlich eine Kurzform für "Faraday" ist). Kennwerte sind insbesondere Nennkapazität Toleranz Verlustfaktor Nennkapazität und Toleranz sind entweder auf den Bauteil als Zahlen aufgedruckt oder mit Farbringen angegeben. 1 2 3 4 5 +--------------+ | | | | | | | +--------------+ Ring 1 und 2 geben die beisten ersten Ziffern des Widerstandswertes an. Ring 3 bezeichnet den Multiplikator, bezogen auf 1 picoFarad. Ring 4 gibt die Toleranz an Ring 5 gibt die Nennspannung an. Als erster Ring gilt derjenige, der dem Ende des Widerstandskörpers am nächsten liegt. Farbe: 1. 2. 3. 4. 5. keine - - - +- 20 % 5000 V silber - - 0,01 +- 10 % 2000 V gold - - 0,1 +- 5 % 1000 V schwarz 0 0 1 braun 1 1 10 +- 1 % 100 V rot 2 2 100 +- 2 % 200 V orange 3 3 1000 300 V gelb 4 4 10.000 400 V grün 5 5 100.000 500 V blau 6 6 1000.000 600 V violett 7 7 10.000.000 700 V grau 8 8 100.000.000 800 V weiß 9 9 1000.000.000 900 V Beispiel: Farbringe seien braun-schwarz-orange-silber-braun Nennwert ist 10 * 1000 pF, also 10 nF (nanoFarad) Toleranz ist 10 %. Damit liegt der faktische Wert des Widerstands irgendwo zwischen 9 nF und 11 nF. Nennspannung ist maximal 100 Volt. Auch Kondensatoren lassen sich parallel und in Serie schalten. Parallelschaltung: +--|C1|--+ (+) --+ +--- (-) +--|C2|--+ Cges = C1 + C2 Serienschaltung: (+) ----|C1|-----|C2|---- (-) 1/Cges = 1/C1 + 1/C2 bzw. für nur 2 Kondensatoren: Cges = (C1 * C2) / (C1 + C2) Wird der Kondensator mit einer Gleichspannungsquelle verbunden, so lädt er sich in meist kurzer Zeit auf und hat dann an den Platten die gleiche Spannung wie die der Spannungsquelle. Bei gleichbleibender Spannungsversorgung ändert sich bei dem Kondensator danach nichts mehr. Wenn es allerdings bei der Versorgungsspannung zu kleinen Schwankungen kommt, dann werden die auf dem Kondensator gespeicherten Ladungen aktiv. Wenn zB. die Versorgungsspannung kurzfristig schwächelt und weniger Elektronen in den Stromkreis drückt, dann wird der Kondensator Elektronen in den Stromkreis abgeben und dadurch ebenfalls kurzfristig den Spannungsabfall ausgleichen. In folgender Schaltung ist also an Punkt A immer + 5 V, auch wenn es an (+) manchmal zu kleinen und kurzfristigen Schwankungen nach oben und unten kommt. Das setzt natürlich voraus, daß der Kondensator C richtig dimensioniert ist. (+) -----+------ A --- --- (-) -----+------ B +5 V 0 V (+) (-) : : : : :---| C |---: : : : : A B Spule: Charakteristisch für eine Spule ist ihre Induktivität. Diese wird in Formeln bezeichnet mit L und gemessen in Henry (abgekürzt: H). Auch Spulen lassen sich parallel und in Serie schalten: Parallelschaltung: +--|L1|--+ (+) --+ +--- (-) +--|L2|--+ 1/Lges = 1/L1 + 1/L2 bzw. für nur 2 Spulen: Lges = (L1 * L2) / (L1 + L2) Serienschaltung: (+) ---|L1|--|L2|---- (-) Lg = L1 + L2 Spannungsquellen: Auch Spannungsquellen lassen sich in Serie und parallel schalten. Serie: U1 U2 U3 I1 I2 I3 A--(+) (-)------(+) (-)------(+) (-)--B Damit läßt sich die zur Verfügung stehende Spannung vergrößern. Zwischen den Punkten A und B liegt dann die Summe aller Einzelspannungen an, der Stromfluß ist bei allen Spannungsquellen gleich: Uges = U1 + U2 + U3 Iges = I1 = I2 = I3 Parallel: U1 I1 A--(+) (-) | | | U2 | | I2 | (+) (-) | | | U3 | | I3 | (+) (-)--B Hier sind ist die an A und B anliegende Spannung gleich den Teilspannungen. Falls die Teilspannungen U1, U2 und U3 anfangs unterschiedlich sind, dann gleichen sie sich sofort aus. Durch diese Schaltungsart wird die mögliche Stromstärke größer: Uges = U1 = U2 = U3 Iges = I1 + I2 +I3 Hier noch eine Umrechnungstabelle für Maßeinheiten: 1 pico = 1 p = 1 / 1000000000000 = 10 hoch -12 1 nano = 1 n = 1 / 1000000000 = 10 hoch -9 1 mikro = 1 µ = 1 / 1000000 = 10 hoch -6 1 milli = 1 m = 1 / 1000 = 10 hoch -3 1 kilo = 1 K = 1 * 1000 = 10 hoch 3 1 mega = 1 M = 1 * 1000000 = 10 hoch 6 Wie messen ? Spannung wird jeweils an 2 Punkten eines Stromkreises gemessen mit einem Voltmeter (bzw. Multimeter in Volt-Stellung). +---(V)---+ 1 2 (+)----.-- R --.----(-) Stromstärke wird nur an einem Punkt eines Stromkreises gemessen mit einem Amperemeter (bzw. Multimeter in Ampere-Stellung). Der usprüngliche Stromkreis muß aufgetrennt werden. (+)----(A)-- R ------(-) Der Widerstand eines Bauteils wird gemessen mit einem Ohmmeter (bzw. Multimeter in Ohmstellung). Dabei darf das Bauteil nicht mit einer Sapnnungsquelle verbunden sein. +---(O)---+ 1 2 .-- R --. Die Kapazität eines Kondensators wird gemessen mit einem Kapazitätsmesser. Alternativ läßt sich annähernd auch ein Voltmeter einsetzen in folgender Schaltung: S --- +---- ----+-----+------+ | | | | (+) 9 V C =? R =10K | (-) 0 V | | (V) | | | | +-----------+-----+------+ Erst wird der Schalter gedrückt und der Kondensator C lädt sich auf. Am Voltmeter müßte dann nach einer Weile die 9 Volt zu messen sein. Dann läßt man den Schalter wieder los und drückt gleichzeitig eine Stoppuhr. Der Kondensator ist dann nicht mehr verbunden mit der Spannungsquelle und entlädt sich nach rechts über den Widerstand R. Die am Voltmeter gemessene Spannung nimmt ab und sobald nur noch ein Drittel der Ursprungsspannung anliegt, dann ist die per Stoppuhr gemessene Zeit festzuhalten. Falls der Widerstand 10 Kiloohm beträgt und die gemessene Zeit 33 Sekunden, dann ist die Kapazität des Kondensators annähernd 3.3 mF (milliFarad). C = 33 / 10000 F = 33 * 0,0001 F = 0,0033 F = 3.3 mF