IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 3/1998, Seite 61 ff.

ELEKTRONIK

Einführung in die Elektronik

Bauelemente der Elektronik

Ing. Günter E. Wegner Teil 5

In den vergangenen vier Folgen unserer Serie über Elektronik wurde notwendige Theorie abgehandelt. Jetzt aber geht es erst einmal in die Praxis - es sollen die in der Elektronik gebräuchlichen Bauelemente behandelt werden. Zu unterscheiden gilt es zwischen "passiven" Bauteilen wie etwa Widerstände, Kondensatoren oder Spulen, und den "aktiven" d.h. verstärkenden oder steuerbaren Bauelementen wie z.B. die Transistoren.

Umgang mit Zehnerpotenzen

In dieser Artikelserie wie auch in anderen Fachbeiträgen, ist es oft notwendig, mit sehr kleinen und sehr großen Zahlen zu "hantieren". Will man etwa Größen elektromagnetischer Schwingungen in Frequenzen oder Wellenlängen angeben oder die Kapazität von Kondensatoren, wäre es sehr unbequem, z.B. vom millionsten Teil eines Millionstel Meters zu sprechen oder eine lange Reihe von Nullen aufzuschreiben.

Bild 1: Ohmscher Widerstand als Spannungs- und Strombegrenzer für eine Glühlampe (HEA).

Zur Überwindung dieser Schwierigkeit wendet man die sog. Potenzschreibweise an, genauer, die Zehnerpotenzschreibweise. Bei dieser Schreibweise wird die Anzahl der Nullen, die einer bestimmten Zahl folgen oder vorausgehen, angegeben. Man stellt diese Zahl als "Potenz von 10" dar und schreibt die Anzahl der Nullen erhöht, also etwa:

10¹ = 10

10² = 100

10³ = 1000

und so weiter. So bedeuten 10⁶ = 1 Million oder 10¹² = 1 Billion. Auch Zwischenwerte kann man in der Potenzform schreiben, z.B. 3000 = 3 x 10³ oder Zahlen wie 186.000 = 1,86 x 10⁵.

Aber nicht nur ganze Zahlen, auch Dezimalbrüche, denen die Nullen vorausgehen, lassen sich als Zehnerpotenz schreiben:

10^-1 = 0,1

10^-2 = 0,01

10^-3 = 0,001

und so weiter.

Ohmsche Widerstände

Ohmsche Widerstände oder wie man auch sagt, Wirkwiderstände, sind wie in Teil 2 gesagt, solche die dem Ohmschen Gesetz folgen. Ohmsche- oder Wirkwiderstände begrenzen Ströme, teilen oder reduzieren Spannungen, verbinden elektronische Schaltstufen miteinander. Dazu ein Beispiel. Für die Speisung einer elektronischen Schaltung steht eine bestimmte Betriebsspanung U_B = 12 V zur Verfügung. Nicht alle der verwendeten Bauteile sind jedoch für diese Spannung geeignet.

Bild 2: Ohmsche Widerstände als Spannungsteiler (Grundig).

Liegt etwa bei einer Signallampe, dimensioniert für eine Spannung von U = 2,5 V, an dieser 12 V an, leuchtet die Lampe nur kurz auf und "verabschiedet" sich dann. Der Glühfaden würde den hohen Strom, den die zu hohe Spannung verursacht, nur sehr kurz aushalten und durchbrennen. Das verhindert das Vorschalten eines Widerstandes R_v, der den Lampenstrom begrenzt. Der Widerstand reduziert gleichzeitig die Spannung, weil er mit dem Widerstand des Glühfadens einen Spannungsteiler bildet. Rechnerisch findet man die erforderliche Größe des Widerstandes R_v wie folgt:

Einen Spannungsteiler bilden immer zwei oder mehr in Reihe liegende Widerstände, d.h. eine solche in der Praxis oft anzutreffende Schaltung teilt eine vorhandene größere Spannung U in zwei oder mehrere kleinere Spanungen U_T auf, siehe Teil 2. Dort wurde gesagt, daß sich die Größen der Teilspannungen wie die Größen der Widerstände verhalten, als Formel geschrieben.

Daraus mit der Gesamtspannung

oder durch Umformung die Teilspannung

Baut man einen Spannungsteiler aus zwei gleich großen Widerständen R₁ und R₂ auf, steht an jedem Widerstand die halbe Spannung U. Bildet man den Spannungsteiler aus zwei Widerständen mit dem Verhältnis 2 : 1, teilt sich die anliegende Spannung ebenso auf, z.B. U = 12 V, in die Teilspannungen 8 V und 4 V. Das gilt mit der Einschränkung, daß der Spannungsteiler unbelastet ist. In der Praxis liegt dem Spannungsteiler oft ein weiterer Widerstand parallel. Dieser verändert das Spannungsteilerverhältnis derart, daß die abgegriffene Teilspannung U_T kleiner wird als beim unbelasteten Spannungsteiler.

Bild 3: Aufbaubeispiele hochbelastbarer Drahtwiderstände.

Der Widerstand als Bauelement

Widerstand - dieser Begriff ist in der Elektronik zweideutig. Zum einen kennzeichnet er das Bauteil, das die bremsende Wirkung auf den Strom technisch ausnutzt - das man in die Hand nehmen kann - zum anderen ist damit die elektrische Grundgröße gemeint, die den Strom beim Ladungsausgleich begrenzt. Die letzte Eigenschaft wird in Ohm gemessen und um hier keine Irrtümer aufkommen zu lassen, spricht man bei der in Ohm gemessenen Eigenschaft vom Wert des Widerstandes oder kurz vom Widerstandswert.

Das Bauteil Widerstand wird als Festwiderstand oder als veränderbarer Widerstand hergestellt. Festwiderstände haben einen bei der Fabrikation bestimmten Widerstandswert, der in Normreihen festgelegt ist. Der Wert veränderbarer Widerstände ist einstellbar. Festwiderstände werden nach ihrer Form und der Art des Widerstandsmaterials unterschieden. Man nennt sie Schichtwiderstände, wenn als eine dünne Schicht aus Kohle oder Metalloxyd, aufgetragen auf einen Keramikkörper, verwendet wird. Schellen, Kappen oder Drähte dienen als Anschluß und ein Überzug aus Lack oder Kunststoff schützt das Bauteil gegen Feuchte und mechanische Beschädigung.

Bild 4: Widerstandsverlauf in Abhängigkeit vom Drehwinkel für veränderbare Widerstände.

Die moderne Technik benötigt oft sehr kleine Bauformen der Widerstände, um sie in gedruckte Schaltungen oder dergleichen einzusetzen. Man spricht dann von "Chip-Widerständen". Andere Bauformen der Festwiderstände sind Metallfilm- oder Metallschichtwiderstände. Sie zeichnen sich durch hohe Lebensdauer und enge Toleranzen aus. Für höhere Belastungen werden Drahtwiderstände eingesetzt. Hier wird ein Widerstandsdraht mit einem möglichst hohen spezifischen, d.h. arteigenen Widerstand, auf einen Keramikkörper aufgewickelt. Auch Drahtwiderstände sind meist zum Schutz mit Lack, Glas oder ähnlichem überzogen.

Veränderbare Widerstände werden "Potentiometer" genannt und ihr Wert ist durch einen Schleifkontakt einstellbar. Der Widerstand hat drei Anschlüsse, er läßt sich als Spannungsteiler wie auch als veränderbarer Vorwiderstand verwenden. Veränderbare Widerstände können als Schiebewiderstand oder Drehwiderstand ausgeführt sein und wieder sind Schichtwiderstände und Drahtwiderstände zu unterscheiden. Der Widerstandswert des Drehwiderstandes hat, in Abhängigkeit vom Drehwinkel, einen linearen oder logarithmischen Verlauf. Im zweiten Fall bedeutet das, der Widerstand nimmt bei kontinuierlich verlaufendem Drehwinkel zunächst schnell und dann immer langsamer bis zu seinem Endwert zu.

Bild 5: Internationale Farbkennzeichnung von Widerständen (Grundig).

Es sind noch die Sicherungswiderstände zu nennen. Sie wirken wie Schmelzsicherungen, d.h. sie brennen bei einer bestimmten Belastung durch oder öffnen einen Schaltkontakt. Im ersten Fall sind es z.B. Kohleschichtwiderstände, im zweiten Fall handelt es sich um Drahtwiderstände mit einem gelöteten Schaltkontakt. Dieser kann nach dem Ansprechen zumeist nach den Vorschriften des Herstellers wieder zusammengelötet werden.

Bild 6: NTC und PTC sind strom- und temperaturabhängige Widerstände. Unten gezeichnet der Thermistor als Sensor für Temperaturmessung.

Daten der Wirkwiderstände

Bei der Auswahl eines ohmschen oder Wirkwiderstandes für einen bestimmten Einsatz sind bestimmte Kenndaten zu berücksichtigen und ähnliches gilt, wenn etwa im Servicefall ein Widerstand ersetzt werden soll - er muß dem Original entsprechen. Da ist als erstes der Widerstandswert, der in Ohm (W) angegeben wird. Seine Größe hängt von den elektrischen Gegebenheiten ab. Oft ist die Grundgröße 1 zu klein, weshalb man gern mit den größeren Werten Kiloohm (kW) oder Megaohm (MW) rechnet. Es gilt:

1 k = 1 000 = 10³

1 M = 1.000.000 = 10⁶

Die Hersteller bauen Wirkwiderstände in verschiedenen Wertabstufungen, die national oder international genormt sind. Die Werte werden mit Toleranzbereichen eingehalten, die je nach Normreihe 5%, 10% oder 20% betragen. Bei Widerständen größerer Bauart ist es leicht, Widerstands- und Toleranzwert auf den Widerstandskörper aufzudrucken.

Bild 7: PTC als "Startrelais" für einen Wechselstrommotor.

Bei kleineren Bauformen gibt es dafür keinen Platz. Die Werte werden dann in einem genormten Farbcode aufgebracht, der aus einer Reihe von Farbringen oder Farbpunkten besteht. Ein weiterer, wichtiger Kennwert ist die zulässige Belastung des Widerstandes. Jeder Widerstand erwärmt sich als Folge des hindurchfließenden Stromes. Je größer die Oberfläche des Widerstandskörpers, desto besser kann die entstehende Wärme abgeführt werden und um so größer ist die in Watt angegebene Belastbarkeit.

Unlineare Widerstände

Die bisher besprochenen ohmschen Widerstände heißen auch "lineare Widerstände", weil der Quotient U/I immer gleich ist. Es gibt aber auch Widerstände, die dieser Gesetzmäßigkeit nicht folgen. Sie verändern beispielsweise ihren Widerstandswert in starker Abhängigkeit von Temperatur, Strom oder Spannung oder sogar unter der Einwirkung von Feuchte oder Licht. Es ist normal, daß alle Leiter ihren Widerstandswert mit der Temperatur verändern, üblicherweise liegt dieser sog. Temperaturbeiwert für reine Metalle bei ca. 0,4% je Grad.

Bild 8: Der Thermistor als Motorschutz - hier in einer Kälteanlage.

Es gibt aber Materialien, bei denen dieser Wert erheblich größer ist bzw. bewußt größer gemacht wird. Daraus hergestellte Widerstände heißen "Thermistoren" und je nachdem, ob der Widerstand mit der Temperatur steigt oder fällt, spricht man differenzierter vom Kaltleiter oder Heißleiter. Kaltleiter oder kurz PTC-Widerstände (PTC = Positiver Temperatur Coeffizient) sind Bauteile, die im kalten Zustand besser leiten, einen niedrigeren Widerstand haben. Bei Erwärmung durch den hindurchfließenden Strom oder durch Fremdbeheizung erhöht sich der Widerstandswert des PTC.

Praktische Anwendung findet der Kaltleiter beispielsweise zur Spannungsstabilisierung oder als Überlastungsschutz empfindlicher Bauteile. Dazu schaltet man den PTC in Reihe mit dem zu schützenden Bauteil. Steigt jetzt, etwa weil sich die Betriebsspannung erhöht, der Strom an, vergrößert der PTC seinen Widerstand und reduziert den Stromfluß wieder. Kaltleiter können beispielsweise das Anlaufrelais beim Einphasen-Wechselstrommotor ersetzen. Nach dem Einschalten des Motors fließt der Strom durch die Anlaufwicklung und den vorgeschalteten PTC. Der Motor startet, der PTC wird warm und nach einer Zeit von 2 - 3 Sek. ist sein Widerstand so groß geworden, daß die Verbindung zur Hilfswicklung praktisch unterbrochen ist. Der Motor läuft nun über die Hauptwicklung und der geringe Reststrom, der über die Reihenschaltung PTC / Anlaufwicklung weiterfließt, hält den Widerstand des Kaltleiters ausreichend groß.

Bild 9: Lichtempfindlicher Widerstand als "Flammenwächter" in einem Feuerungsautomaten (Danfoss).

Schließlich findet der PTC Anwendung als Temperaturfühler bei elektronischer Temperaturregelung, wo die Widerstandsänderung in analoge Spannungsänderung zur Ansteuerung der Elektronik umgesetzt wird und auch als Motorwicklungsschutz wird der Kaltleiter gern eingesetzt.

Ein gerade umgekehrtes Verhalten zeigt der NTC-Widerstand. Dieses Bauteil hat einen mit ansteigender Temperatur kleiner werdenden Widerstandswert. Anders gesagt, der NTC leitet heiß besser, weshalb er auch "Heißleiter" genannt wird. Auch der NTC wird in der Elektronik vielseitig eingesetzt, etwa zum Ausgleich von Temperaturschwankungen in Transistorstufen, zur Temperaturmessung- und Regelung, zur Relaisschaltverzögerung oder zur Begrenzung von Einschaltströmen, z.B eines Elektromotors.

Bild 10: Prinzip zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten über eine NTC-Brückenschaltung.

Auch zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten von Gasen oder Flüssigkeiten kann der Heißleiter eingesetzt werden. Das geschieht in einer Brückenschaltung und das Kriterium ist die unterschiedliche Abführung der Stromwärme zweier NTC-Widerstände (Bild 10). Als weiterer nichtlinearer Widerstand soll der Varistor oder VDR (Voltage Dependent Resistor) angesprochen werden. Es handelt sich um ein Bauteil, dessen Widerstandswert in weiten Grenzen von der anliegenden Spannung abhängt. Der Widerstand wird kleiner, wenn die Spannung ansteigt und das Einsatzgebiet des Varistors ist u.a. der Überspannungsschutz. Auch lichtabhängige Halbleiterwiderstände gibt es - Fotowiderstände also - und der Praktiker kennt sie z.B. vom Feuerungsautomat her. Kondensator und Spule sind ebenfalls nichtlineare Widerstände. Sie werden ab der nächsten Folge behandelt Fortsetzung folgt

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