Was ist eine elektronische Schaltung?

Heutige Mikrochips in Computern und Handys sind so winzig, dass man die Bauteile und Schaltkreise darauf nicht von blossem Auge sehen kann. Sie funktionieren aber nach ähnlichen Prinzipien wie die Elemente in Elektronik-Bausätzen, mit denen du zum Beispiel Blinklicht-Schaltungen zusammensetzen kannst. Hier lernst du die wichtigsten Bauteile kennen und was sie in einer Schaltung bewirken.

Schaltkreis auf einer Platine

Elektronische Bauteile werden mit heissem, flüssigem Metall (meist eine Zinn-Legierung) auf eine sogenannte Platine gelötet. Wenn das Löt-Zinn abgekühlt und erstarrt ist, bildet es eine stromleitende Verbindung zwischen den Bauteilen der Schaltung. Bild: CanStockPhoto

Mikrochips in Computern oder in den Steuerungen elektronischer Geräte enthalten Millionen von Bauteilen. Diese können den Strom unterbrechen, verstärken, speichern oder umleiten – je nachdem, wie sie zusammengeschaltet sind. Dadurch erfüllt jeder Schaltkreis eine ganz bestimmte Funktion. Wenn du selbst schon einmal eine Schaltung zusammengebaut hast (z. B. in einem Tüftellabor), war diese Funktion wahrscheinlich recht übersichtlich: Vielleicht hast du damit ein Lämpchen zum Blinken gebracht. Der Mikrochip ist viel komplexer und leistungsfähiger, weil er enorm viele und sehr schnelle Schaltungen enthält, die sich gegenseitig steuern.

Elektrisch oder elektronisch?

Vereinfacht gesagt bezeichnet man als „elektrisch“ alles, was irgendwie auf elektrischer Ladung und Strom beruht. Elektrische Geräte funktionieren mit Strom (aus der Steckdose oder einer Batterie), z. B. ein Haarfön oder Wasserkocher.

Elektronik dient dazu, den Stromfluss zu steuern und zu regeln. Elektronische Geräte enthalten also eine integrierte Steuerung oder Rechnereinheit. Dazu gehören nicht nur Handys und Computer, sondern z. B. auch programmierbare Haushaltgeräte (wie Geräte mit Zeitschaltuhr).

Der Stromkreis

Damit Elektrizität etwas bewirkt, muss normalerweise ein Strom fliessen. Dieser fliesst, wenn zwei Punkte, zwischen denen eine Spannung besteht, durch ein leitendes Material verbunden werden. Die Spannung können wir uns als Druckunterschied zwischen diesen beiden Punkten vorstellen: Wird dieser Unterschied grösser, fliesst auch mehr Strom. Der Strom wird in Ampère (A), die Spannung in Volt (V) angegeben. Spannungen von mehr als 50 V können lebensgefährlich sein! Eine normale Steckdose stellt 230 V zur Verfügung.

Strom fliesst nicht durch jedes Material. Wir sprechen von Leitern und Nichtleitern (Isolatoren). Daneben gibt es noch die Halbleiter, durch welche der Strom nur unter bestimmten Bedingungen fliessen kann.

Die Stromquelle

Damit Strom fliesst, muss ein geschlossener Kreislauf von einem Pol der Stromquelle (Steckdose, Batterie, Solarzelle …) über den „Verbraucher“ zum anderen Pol der Quelle vorhanden sein. Wird dieser Stromkreis an einer Stelle unterbrochen, passiert nichts mehr – so funktioniert ein Schalter.

Eine Batterie wird immer schwächer, wenn wir sie benutzen. Die Spannung (der Unterschied zwischen den Batteriepolen) wird langsam ausgeglichen. Durch eine chemische Reaktion wird zwar immer wieder Ladung erzeugt, aber die Chemikalien sind irgendwann verbraucht. Bei Akkus kann dieser Vorgang wieder rückgängig gemacht werden, und bei der Steckdose arbeitet ein Kraftwerk dafür, dass uns der Strom nicht ausgeht.

Die wichtigsten elektronischen Bauteile

Widerstand (elektrisches Bauelement)

Elektrische Widerstände als einzelne Bauteile und auf einer Platine. Bilder: CanStockPhoto (1, 2)

Der Widerstand

Das einfachste Bauteil ist nichts anderes als ein genau eingestellter Stromengpass. Mit verschieden grossen Widerständen können wir Spannungen aufteilen und Stromstärken einstellen. Daneben bremst allerdings auch jeder andere Leiter und jedes Bauteil den Stromfluss, ist also gleichzeitig ebenfalls ein Widerstand.

LED (elektrisches Bauelement)

Leuchtdioden (LEDs) sind ein spezieller Typ von Dioden - hier als einzelne Bauteile und auf eine Platine gelötet. Bilder: CanStockPhoto (1, 2)

Die Diode

Die Diode ist ein Halbleiter. Sie leitet den Strom nur in eine Richtung, in die andere sperrt sie. Dioden werden oft zum „Gleichrichten“ von Wechselstrom oder als Schutz für andere Bauteile gebraucht. (Wechselstrom ist Strom, der dauernd die Richtung wechselt. Unsere Steckdosen liefern Wechselstrom, der jede Sekunde hundert Mal die Richtung wechselt.)

Eine spezielle Diode ist die Leuchtdiode (LED). Sie leitet auch nur in eine Richtung, gibt aber dabei Licht in einer bestimmten Farbe ab. Je nach Farbe braucht eine LED eine ganz bestimmte Spannung, und der Strom, der durch eine LED fliesst, darf nicht zu stark sein.

Kondensator (elektrisches Bauelement)

Kondensatoren - als einzelne Bauteile und auf einer Platine montiert. Bilder: CanStockPhoto (1, 2)

Der Kondensator

Ein Kondensator ist ein kleiner Energiespeicher. Wir können ihn als einen Akku ansehen, der sehr schnell geladen und entladen werden kann. Im Gegensatz zu einem Handyakku hat er aber eine sehr kleine Kapazität (er kann viel weniger Energie speichern). Dafür lässt er sich nicht nur ein paar tausend Mal laden: In einem Radioempfänger werden Kondensatoren jede Sekunde mehrere Millionen Mal geladen und wieder entladen!

Transistor (elektrisches Bauelement)

Transistoren als Einzelteile und auf einer Platine. Bilder: CanStockPhoto (1, 2)

Der Transistor

Wir können den Transistor als elektronischen Schalter oder als Verstärker betrachten (eigentlich ist er immer beides gleichzeitig). Ein Transistor hat drei Anschlüsse an den Stromkreis: „Basis“, „Emitter“ und „Kollektor“. Der Strom von der Basis zum Emitter steuert, ob zwischen den anderen beiden Anschlüssen (also vom Kollektor zum Emitter) ein Strom fliesst und wie stark dieser ist.

Quellen:
Tüftellabor Zürich (www.tuelab.ch)
Redaktion SimplyScience.ch

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