Bauelemente

Gesamtkurs E

Kondensator I

Wichtigste Eigenschaft des Kondensators: Ladung speichern
$\rightarrow$ Kapazität

$C = \dfrac{Q}{U}$

mit $Q$ als elektrische Ladung
Einheit: $As/V$ bzw. Farad $F$
Die Kapazität ist die elektrische Ladung pro Volt

Kapazität durch Bauart

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<p>Kurzfassung: Schematische 3D-Darstellung eines quaderförmigen Blocks mit mittigem blauem Streifen „Dielektrikum“ zwischen zwei grauen Schichten „Elektrode“, links und rechts je eine horizontale Anschlusslinie mit kleinem offenem Kreis.</p>
<p>Detaillierte Beschreibung: In der Bildmitte steht ein quaderförmiger Körper in perspektivischer Ansicht. Auf der Frontseite ist ein senkrechter blauer Mittelstreifen zu sehen, der beidseitig von dunkelgrauen Streifen flankiert wird; die übrigen sichtbaren Außenflächen des Quaders sind hellgrau. Oben zeigt ein Pfeil mit der Beschriftung „Dielektrikum“ auf den blauen Streifen; zwei weitere Pfeile mit der Beschriftung „Elektrode“ zeigen auf die beiden grauen Schichten. Aus der linken und rechten Seitenfläche des Quaders führt jeweils eine dünne horizontale Linie nach außen; an den äußeren Enden dieser Linien befindet sich jeweils ein kleiner offener Kreis. Der Hintergrund ist weiß; es gibt keine Achsen, Skalen oder weiteren Beschriftungen.">
<figcaption>Abbildung NE-8.1.1: Prinzipieller Aufbau eines Kondensators</figcaption></p>
</figure>
<ul>
<li>Die Kapazität kann durch die Bauart erreicht werden</li>
</ul>
<p>$C = \dfrac{\varepsilon_0 \cdot \varepsilon_r \cdot A}{d}$</p>
<ul>
<li>$\rightarrow$ Kapazität ist größer bei größerer Fläche, kleinem Abstand oder anderem Dielektrikum</li>
</ul>
</div>
<div class=

* Eine Platte ist feststehend, die andere Platte kann drehend bewegt werden * Nur dort, wo die Platten sich überlappen, wirkt der Kondensator * Die Fläche wird durch Drehung verändert $\rightarrow$ Änderung der Kapazität

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<p>Zusammenfassung: Isometrische Strichzeichnung eines offenen Drehkondensators mit ineinandergreifenden Platten und einer herausragenden Antriebswelle zwischen zwei rechteckigen Endplatten.</p>
<p>Details: Zwischen zwei rechteckigen, an den Ecken abgerundeten Endplatten sitzt ein Paket vieler dünner, parallel angeordneter Metallplatten. Ein Teil der Platten ist auf einer zylindrischen Achse in der Mitte befestigt; diese Achse ragt links durch die Frontplatte nach außen. Die übrigen Platten sind fest mit dem Rahmen/den Endplatten verbunden. Beide Plattensätze greifen in gleichmäßigem Abstand abwechselnd ineinander, ohne sich zu berühren. Auf der linken Frontplatte sind zwei runde Öffnungen sichtbar: eine große um die Achse und eine kleinere unten. Die rechte Endplatte erscheint geschlossen. Es sind keine Beschriftungen, Skalen oder Maße vorhanden.">
<figcaption>Abbildung NE-8.1.1: Drehkondensator</figcaption></p>
</figure>
</div>
<aside class=

* Spezielle Bauform * Ermöglicht große Kapazität * Nur für Gleichspannung * Polarität muss beachtet werden

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<p>Kurzfassung: Zwei liegende Elektrolytkondensatoren mit Drahtanschlüssen auf einer dunklen, rauen Arbeitsfläche.</p>
<p>Detailbeschreibung: Oben ein größerer, zylindrischer Kondensator mit schwarzem Gehäuse und grauem Ring am unteren Ende; in weißer Schrift steht mehrfach „6200 µF 16 V“, die beiden Anschlussdrähte ragen nach rechts heraus. Darunter ein etwas kleinerer, dunkelgrüner Kondensator mit gelb-goldener Aufschrift „2200 µF 25 V“ und zusätzlichen Markierungen auf einem olivfarbenen Streifen; auch hier führen zwei Drähte nach rechts. Die Oberfläche zeigt Kratzer und Staub, das Licht erzeugt glänzende Reflexe auf den Kondensatoren, die nahezu parallel zueinander liegen.">
<figcaption>Abbildung NE-8.1.1: Elektrolytkondensatoren mit Markierung des Minus-Pols</figcaption></p>
</figure>
</div>
</section>
<section></section>
<section><div class=

1) Kurzbeschreibung: Diagramm mit einer horizontalen Achse „t“ und einer vertikalen Achse „U“. Eine Kurve beginnt im Nullpunkt unten links, führt zunächst steil nach oben und nähert sich dann allmählich einem konstanten Wert an.
<ol start= — Abbildung NE-8.1.1: Ladekurve eines Kondensators

Im Gleichstromkreis lädt der Kondensator sich auf, wirkt dann aber wie ein unendlich großer Widerstand
Bei Wechselstrom wird der Kondensator ständig Auf- und Entladen
Je höher die Frequenz, umso geringer ist der Wechselstromwiderstand des Kondensators

Spule I

* Jeder stromdurchflossene Leiter hat eine Induktivität * Um einen stromdurchflossenen Leiter entsteht ein Magnetfeld * In einem Leiter entsteht ein Strom, wenn dieser durch ein Magnetfeld bewegt wird

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<p>Ein schwarzer Pfeil verläuft diagonal von links unten nach rechts oben. Um den Pfeil sind grüne ovale Linien, die ihn konzentrisch umschließen. An den Linien befinden sich kleine grüne Pfeile, die die Richtung andeuten. Neben dem schwarzen Pfeil steht der Buchstabe "I", neben einer der grünen Linien der Buchstabe "H".">
<figcaption>Abbildung NE-8.2.1: Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter</figcaption></p>
</figure>
</div>
</section>
<section><h2>Spule und Induktivität</h2>
<ul>
<li>Eine Spule optimiert die Induktivität eines Leiters</li>
<li>Wichtigste Eigenschaft der Spule: Energie speichern</li>
</ul>
<p>$L = \dfrac{N\cdot \Phi}{I}$</p>
<ul>
<li>mit $N$ Anzahl Windungen und $\Phi$ als magnetischer Fluss</li>
<li>Einheit: $Vs/A$ bzw. Henry $\henry$</li>
<li>Die Induktivität ist der magnetische Fluss pro Ampere</li>
</ul>
<aside class=

Induktivität durch Bauart

* Die Induktivität einer Ringspule kann durch die Bauart erreicht werden

$L = \dfrac{\mu_0 \cdot \mu_r \cdot N^2 \cdot A_S}{l}$

$\rightarrow$ Induktivität ist größer bei größerem Querschnitt, anderem Kern oder kleinerer Länge
$\rightarrow$ Induktivität ist viel größer bei höherer Windungszahl

* $\mu_0 = 1,2566e-6 \henry/m$: magnetische Feldkonstante * $\mu_r$: relative Permeabilität, abhängig vom Spulenkern (Luft $\approx 1$) * $N$: Windungszahl * $A_S$: Querschnittsfläche der Spule * $l$: Länge der Spule bzw. mittlere Feldlinienlänge

* Strom braucht länger durch die Spule * Erst leuchtet Lampe$_1$ * Später leuchtet Lampe$_2$

1) Kurzbeschreibung: Reihenschaltplan in rechteckiger Leitungsführung mit Spannungsquelle links, oben im horizontalen Leiter ein Schalter, im vertikalen Leiter in der Mitte ein verstellbarer Widerstand und eine Lampe und parallel dazu in einem vertikalen Leiter rechts eine Spule und eine zweite Lampe. Beide Lampen sind im unteren, horizontalen Teil mit der Spannungsquelle verbunden.
<ol start= — Abbildung NE-8.2.1: Stromkreis mit Spule

* Eine Spule wird an Gleichspannung angeschlossen * Die Spannung nimmt steil ab und gleicht sich mit der Zeit 0 an

1) Kurzbeschreibung: Diagramm mit einer horizontalen Achse „t“ und einer vertikalen Achse „U“. Eine Kurve beginnt oben links, führt zunächst steil nach unten und nähert sich dann allmählich der „t“-Achse an.
<ol start= — Abbildung NE-8.2.1: Zeitlicher Verlauf einer Gleichspannung über eine Spule

Im Gleichstromkreis wirkt eine Spule erst wie ein unendlich großer Widerstand, wird dann aber nach dem Einschaltvorgang so groß wie der Widerstand des Leiters
Bei Wechselstrom wird das Magnetfeld in der Spule ständig umgepolt
Dadurch entsteht eine Selbstinduktionsspannung, die entgegengerichtet ist und stört
Je höher die Frequenz, umso höher ist der Wechselstromwiderstand der Spule

Übertrager I

Zwei Spulen auf gemeinsamen Kern magnetisch gekoppelt
Energie wird darüber übertragen
Ändern von Spannungen und Strömen ist möglich
Übertrager oder Transformator kurz Trafo

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan eines Transformators mit zwei Anschlüssen links, beschriftet mit „230 V“ und einer Wellenlinie, und zwei Anschlüssen rechts, beschriftet mit „a“ und „b“.
<ol start= — Abbildung NE-8.3.1: Schemazeichnung eines Übertragers

* Spannungen an den Anschlüssen des Übertragers verhalten sich wie zur Anzahl der Wicklungen

$ü = \dfrac{N_P}{N_S} = \dfrac{U_P}{U_S}$

* $N_P$: Wicklungen auf der Primärseite * $N_S$: Wicklungen auf der Sekundärseite * $U_P$: Spannung an der Primärseite * $U_S$: Spannung an der Sekundärseite

Diode I

* Eine Diode lässt den Stromfluss nur in eine Richtung durch * In die andere Richtung wirkt sie wie ein hoher Widerstand * Dioden werden u.a. zur Gleichrichtung von Wechselspannung eingesetzt

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<p>Das Bild zeigt vier LED-Komponenten unterschiedlicher Größe und Farbe: eine winzige SMD-LED, eine kleine grüne LED, eine mittelgroße gelbe LED und eine große rote LED. Links oben ist ein Schaltsymbol einer Diode mit Pfeil und Text "D" abgebildet. Horizontale und vertikale Linien messen Abstände mit Beschriftungen "1 cm" und "3 mm". Am oberen Rand stehen die Begriffe "Rot", "Gelb" und "Grün"; unten rechts "10 mm".">
<figcaption>Abbildung NE-8.4.1: Diverse LED in verschiedenen Bauformen und Farben</figcaption></p>
</figure>
</div>
<aside class=

* Damit eine Diode in Durchlassrichtung leitet, muss eine bestimmte Spannung – die Schwellenspannung oder Durchlassspannung – überschritten werden * Je nach Basis des chemischen Elements ist die Schwellenspannung unterschiedlich hoch

* Germanium: $0,2-0,4 V$ * Silizium: $0,6-0,8 V$ * LED (Rot): $1,6-2,2 V$ * LED (Gelb, Grün): $1,9-2,5 V$ * LED (Blau, Weiß): $2,7-3,5 V$

Erlaubt eine hohe Schaltfrequenz
Nur eine sehr niedrige Schwellenspannung von $0,4 V$ bis unter $0,1 V$ ist nötig

* Eine Diode leitet immer dann, wenn die Spannung an der Anode um die Schwellenspannung positiver ist als an der Kathode * Gilt auch für negative Spannungen * In der Prüfung kommen nur Siliziumdioden mit $0,7 V$ Schwellenspannung vor

1) Kurzbeschreibung: Horizontale Linie mit dem Schaltzeichen für eine Diode (nach links zeigendes Dreieck mit einer vertikalen Linie an der Dreiecksspitze). Links der horizontalen Linie steht „0,6 V“, rechts davon „1,3 V“.
<ol start= — Abbildung NE-8.4.1: Spannungen an einer leitenden Siliziumdiode

* Eine LED dient als Leuchtanzeige

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan in rechteckiger Leitungsführung; im oberen horizontalen Leiter links Anschlusspunkt, rechts davon Schaltzeichen für einen Widerstand, anschließend vertikaler Leiter mit Schaltzeichen für eine Leuchtdiode; darunter unterer horizontaler Leiter mit Anschlusspunkt links.
<ol start= — Abbildung NE-8.4.1: LED mit Vorwiderstand

* Da die LED selbst kaum einen Widerstand hat, würde sie bei einem direkten Anschluss an eine Spannungsquelle wie ein Kurzschluss wirken * Mit einem Vorwiderstand wird der Durchlassstrom begrenzt

$U_q$: Spannungsquelle
$U_{\mathrm{LED}}$: Schwellenspannung LED
$I_D$: Durchlassstrom

* Normalerweise liegt die maximale Sperrspannung einer Diode bei ca. $1000 V$ * Bei Z-Dioden erfolgt ein Spannungsdurchbruch je nach Bauart zwischen $3 V$ und $100 V$ * Dienen zur Spannungsstabilisierung

1) Kurzbeschreibung: Horizontale Linie mit einem Schaltzeichen aus einem nach rechts zeigenden Dreieck in der Mitte und einer kurzen vertikalen Linie an der Dreiecksspitze. Die Linie hat am oberen Ende einen nach links zeigenden, kurzen Strich.
<ol start= — Abbildung NE-8.4.1: Schaltzeichen Z-Diode

* Z-Dioden werden mit Vorwiderstand in Sperrrichtung betrieben

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan in rechteckiger Leitungsführung mit einem Widerstand im oberen Leiter und einer Zener-Diode in einem vertikalen Abzweig zwischen oberem und unterem Leiter sowie je zwei Anschlussklemmen links und rechts.
<ol start= — Abbildung NE-8.4.1: Z-Diode korrekt in Sperrichtung eingesetzt

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan mit zwei parallelen horizontalen Leitern; der obere mit einem Schaltzeichen für einen Widerstand „R_V“. Rechts des Widerstands zweigt ein vertikaler Leiter mit einem Schaltzeichen für eine Zener-Diode (Z-Diode) ab. In diesem Leiter oberhalb der Z-Diode Beschriftung „I_Z“ mit Pfeil nach unten. Dieser Leiter führt auf den unteren horizontalen Leiter. Oberer horizontaler Leiter mit Anschlusspunkten links „+13,8 V“ und rechts „+5 V“. Unterer horizontaler Leiter mit Anschlusspunkten links „0 V“ und rechts ohne Beschriftung. Im linken Teil der Abbildung ein vertikaler Pfeil mit der Beschriftung „U_1“, im rechten Teil ein vertikaler Pfeil mit der Beschriftung „U_Z“.
<ol start= — Abbildung NE-8.4.1: Z-Diode zur Spannungsstabilisierung

* $U_Z$ ist die Spannung, auf die die Z-Diode stabilisiert * $U_V = U_1 - U_Z = 13,8 V - 5 V = 8,8 V$ * $R_V = \frac{U_V}{I} = \frac{8,8 V}{30 mA} \approx 293 Ω$

Transistor I

Von der Diode zum Transistor

Die Funktion kann man sich so vorstellen: * Mittels eines Steuerkanals wird der Durchfluss eines Wehrs geregelt * Fließt kein Wasser im Steuerkanal ist das Wehr geschlossen

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<ol>
<li>
<p>Kurzzusammenfassung: Isometrische Zeichnung eines länglichen, halbrund geöffneten Kanals mit einer drehbaren, halbkreisförmigen Platte an einer Querachse und einer rechteckigen, blau gefüllten Abdeckung auf der rechten Seite.</p>
</li>
<li>
<p>Detailbeschreibung: Das Bild zeigt einen langen, trogförmigen Körper mit halbkreisförmigem Querschnitt und nach außen gerollten oberen Rändern; die linke Hälfte ist weiß dargestellt, die rechte Hälfte ist oben durch eine rechteckige Fläche vollständig abgedeckt und flächig blau eingefärbt. Etwa im Übergang zwischen linker und rechter Bildhälfte verläuft eine horizontale Achse quer über den Trog, die an zwei kleinen blockartigen Lagern auf einem Bügel/Steg gelagert ist; oben auf der Achse sitzt ein kleiner zylindrischer Körper. An der Achse ist eine dünne Stange befestigt, die nach rechts unten führt und eine halbkreisförmige Platte hält, deren gekrümmter Rand der Innenkontur des Trogs folgt; der gerade Rand der Platte steht annähernd vertikal. Links der Achse sind zwei schmale, parallele Schienen oder Leisten sichtbar, die über den Trog führen. Die blaue rechteckige Fläche liegt rahmenartig auf den oberen Rändern des Trogs auf und deckt den rechten Teil vollständig ab. Es gibt keine Beschriftungen, Skalen oder Textangaben; Konturen sind schwarz, die Fläche rechts ist blau, der Rest ist weiß."></p>
<figcaption>Abbildung NE-8.5.1: Steuerkanal schließt Wehr komplett</figcaption>
</li>
</ol>
</figure>
</div>
</section>
<section><h2>Von der Diode zum Transistor</h2>
<div class=

Dieser Alt-Text wurde noch nicht überprüft.
<ol>
<li>
<p>Kurze Zusammenfassung: Isometrische Zeichnung eines offenen, halbrunden Kanals mit blau dargestelltem Wasser und einer quer montierten Mechanik mit löffelförmigem Bauteil im Wasser; links oben ein kleiner seitlicher Zulauf.</p>
</li>
<li>
<p>Detaillierte Beschreibung: Ein U‑förmiger, nach rechts verlaufender offener Kanal ist bis über die Hälfte mit Blau ausgefüllt; am linken Schnittende ist die Wasserfüllung dunkler schattiert. Die Kanalränder sind als nach außen gebördelte Kanten gezeichnet. Links oben mündet ein schmaler, rechteckiger Nebenkanal mit ebenfalls blauem Wasser auf den Hauptkanal zu. Auf der linken Kanalwand ist eine Halterung mit Band-/Schellenbefestigung montiert; darauf sitzen ein kleiner Zylinder sowie ein Gelenkblock, aus dem ein gerader Hebelarm über die Wasseroberfläche ragt. Am Ende des Hebelarms hängt ein löffel- bzw. schaufelförmiges Element, das in das Wasser eintaucht. Unter diesem Element sind zwei halbkreisförmige, nach oben gewölbte Einbauten im Kanalboden zu sehen. Es sind keine Achsen, Maße oder Textbeschriftungen vorhanden."></p>
<figcaption>Abbildung NE-8.5.1: Steuerkanal öffnet Wehr halb</figcaption>
</li>
</ol>
</figure>
</div>
</section>
<section><h2>Von der Diode zum Transistor</h2>
<div class=

Dieser Alt-Text wurde noch nicht überprüft.
<p>Kurz: Isometrische Zeichnung einer langen, halbrunden Rinne mit blau markierter Innenfläche und einer darüber an einem Gelenk befestigten, löffelförmigen Klappe.</p>
<p>Detail: Die Rinne verläuft diagonal von links unten nach rechts oben; am linken Ende ist der halbrunde Querschnitt sichtbar, innen dunkelblau schattiert, die restliche Innenfläche ist hellblau eingefärbt. Die oberen Kanten der Rinne sind nach außen eingerollt. Entlang der linken oberen Rinnenkante befindet sich eine querliegende Trägerleiste mit einer kleinen, rechteckigen Halterung und einem zylindrischen Lager. Daran ist ein dünner Arm befestigt, der eine weiße, tropfen- bis löffelförmige Klappe trägt; diese hängt über der blauen Innenfläche der Rinne und ist nahe der oberen Kante mit einem kleinen Gelenkpunkt verbunden. Auf der rechten Seite setzt sich die Rinne perspektivisch fort; es sind keine Skalen, Texte oder Beschriftungen zu sehen.">
<figcaption>Abbildung NE-8.5.1: Steuerkanal öffnet Wehr komplett</figcaption></p>
</figure>
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</section>
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1) Kurzbeschreibung: Schaltzeichen mit einem Kreis, einem Anschluss links und zwei Anschlüssen rechts.
<ol start= — Abbildung NE-8.5.1: Schaltbild NPN-Transistor

Die Ansteuerung kann so eingestellt werden, dass der Transistor sperrt oder voll durchsteuert, dann spricht man von einem Schalttransistor.
Die Ansteuerung kann so eingestellt werden, dass der Transistor stufenlos gesteuert wird, dann spricht man von einem Verstärker.

Je Art des bipolaren Transistor hat man verschiedene Polaritäten.

Bei einem NPN-Transistor benötigt man zum Durchschalten eine positive Steuerspannung.
Bei einem PNP-Transistor benötigt man zum Durchschalten eine negative Steuerspannung.

Die Steuerspannung liegt wie bei einer Siliziumdiode bei etwa $0,6 V$.

Wann schaltet der NPN Transistor durch?

Ist die Basis-Emitter-Spannung ausreichend und liegt sie im positiven Potential vor? Hier muss man auf die Vorzeichen achten und bei negativen Vorzeichen umdenken, Beispiele:

Basis $+2 V$ und Emitter $+1,4 V \rightarrow$ Die Basis-Emitter-Spannung ist positiv und beträgt $+0,6 V$
Basis $-5,6 V$ und Emitter $-6,2 V \rightarrow$ Die Basis-Emitter-Spannung ist positiv und beträgt $+0,6 V$

$U_{ BE } = U_{ B } - U_{ E }$

Wann schaltet der PNP Transistor durch?

Ist die Basis-Emitter-Spannung ausreichend und liegt sie im negativen Potential vor? Hier muss man auf die Vorzeichen achten und bei negativen Vorzeichen umdenken, Beispiele:

Basis $+5,6 V$ und Emitter $+6,2 V \rightarrow$ Die Basis-Emitter-Spannung ist negativ und beträgt $-0,6 V$
Basis $-2 V$ und Emitter $-1,4 V \rightarrow$ Die Basis-Emitter-Spannung ist negativ und beträgt $-0,6 V$

$U_{ BE } = U_{ B } - U_{ E }$

Die bisher behandelten Transistoren nennt man Bipolare Transistoren. Sie sind die Art der Transistoren, die in den 50er Jahren eine technische Revolution einläuteten und die Elektronenröhre ablösten. Im Gegensatz zu den stromgesteuerten Bipolartransistoren sind Feldeffekttransistoren (FET) spannungsgesteuert, es fließt also kein Steuerstrom in ihn hinein. Mit diesen werden wir uns im Klasse A Kurs intensiver auseinandersetzen.

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