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Suchen Sie einen einfachen Einstieg in die Elektronik? Dann sind Sie hier richtig. In diesem Buch werden zunächst die wichtigsten Utensilien und Werkzeuge aufgeführt, die Sie zur Ausübung Ihres neuen Hobbys brauchen. Nebenher erfahren Sie gleich am Anfang, welche Funktionen die verschiedenen elektronischen Bauteile haben und wie Sie sie beim Basteln und Experimentieren einsetzen. Von der Theorie wird nur das Nötigste vermittelt. Schnell geht es an die Praxis: Schritt für Schritt bauen Sie einfache elektronische Schaltungen auf, deren Komplexität im Verlaufe des Buches zunimmt. Und am Schluss kommt die Kür: Bauen Sie eine Zeitschaltung, ein Lauflicht oder eine Sprechanlage! Lehnen Sie sich zufrieden zurück und betrachten Sie Ihr Werk! Und genießen Sie Ihren Wissenszuwachs!
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Seitenzahl: 604
Elektronik für Dummies
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
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1. Auflage 2018
© 2018 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
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Coverfoto: Gerd WeichhausKorrektur: Isolde Kommer
Print ISBN: 978-3-527-71456-8ePub ISBN: 978-3-527-82190-7
Gerd Weichhaus ist seit mehreren Jahren als freiberuflicher Autor in den Bereichen Elektronik, technische Verfahren, wissenschaftliche Texte sowie Webseitentexte tätig. Die Elektronik gehörte schon seit seiner Kindheit zu seinen Hauptinteressengebieten. Schon seit damals zerlegt und untersucht er gerne Geräte aus den Bereichen Unterhaltungselektronik, Kommunikationselektronik sowie Funkelektronik. Diese Geräte sind stille Zeugen (und Opfer) der Interessengebiete und der Neugier auf deren Funktionsweise.
Die technischen Interessen waren auch Gründe dafür, später einen Beruf aus dem Bereich der Kfz-Technik beziehungsweise Kfz-Elektronik zu lernen und für mehrere Jahre auszuüben, ehe ein beruflicher Wechsel in die Selbstständigkeit mit Tätigkeit im Computerbereich folgte. Später folgte eine berufliche Umorientierung, bei der das besondere Bemühen des Autors im Vordergrund stehen sollte, technisch komplizierte Vorgänge in leicht verständlicher Form schriftlich zu vermitteln, was manchmal gar nicht so einfach ist. Zu diesem Zweck (und auch aus eigenem Interesse) betreibt er mehrere Webseiten. Eine davon beschäftigt sich mit dem Thema Elektronik (unter anderem alte und neue Unterhaltungselektronik sowie Musikelektronik), die andere mit einem weiteren Interessengebiet des Autors, der Tonbandtechnik.
Cover
Titelseite
Impressum
Über die Autor
Einführung
Über dieses Buch
Konventionen in diesem Buch
Was Sie nicht lesen müssen
Törichte Annahmen über den Leser
Wie dieses Buch aufgebaut ist
Symbole, die in diesem Buch verwendet werden
Teil I: Bauteile, Werkzeuge und was sonst noch benötigt wird
Kapitel 1: Grundbegriffe und die wichtigsten Bauelemente: IC, Transistor & Co
Vorweg ein paar Grundbegriffe
Aktive und passive Bauteile
Die wichtigsten Bauteile einzeln vorgestellt
Kapitel 2: Werkzeuge und wichtige Utensilien fürs Elektronikbasteln – frisch ans Werk
Vorweg ein paar Worte zu den Werkzeugen
Mit Multimeter und Oszilloskop messen, prüfen und testen
Weitere praktische Handwerkzeuge
Die wichtigsten Werkzeuge und Utensilien für den Anfang
Kapitel 3: Batterien, Netzteile und andere Stromquellen – denn ohne Saft läuft nichts
Die richtige Stromversorgung für Elektronikschaltungen
Kapitel 4: Kaufen kann jeder – hier werden auch Bauteile aus alten Schätzchen verwendet
Elektronische Bauteile einzeln und in Sortimenten kaufen
Andere Quellen für Bauteile, denn kaufen kann ja schließlich jeder
Teil II: Schaltzeichen, Spannung und Strom sowie etwas Theorie
Kapitel 5: Viel mehr als Hieroglyphen: Schaltzeichen in Schaltbildern
Schaltbilder – die Sprache der Elektroniker
Was sind eigentlich Schaltzeichen und wofür werden sie benötigt?
Wie Schaltbilder aufgebaut sind
Übung macht den Meister: Schaltbilder selber anfertigen
Kapitel 6: Der elektrische Stromkreis: Jetzt geht es rund
Was ist ein elektrischer Stromkreis?
Kapitel 7: Spannung, Strom und Widerstand
Auf oder ab: die elektrische Spannung und das Spannungsgefälle
Alles hängt zusammen: Strom, Spannung, Widerstand und Leistung
Kapitel 8: Einige Formeln und weitere wichtige Größen
Einheitlich und übersichtlich: die wichtigsten Einheiten und dazugehörigen Formelzeichen
Teil III: Jetzt geht es endlich an die Praxis –planen, aufbauen und messen
Kapitel 9: Erste einfache Stromkreise und Schaltungen aufbauen
Stromkreise im Schaltbild
Einige Grundschaltungen zum Ausprobieren und Experimentieren
Kapitel 10: Messen von Spannungen, Strömen und Widerständen in Schaltungen
Die wichtigsten elektrischen Größen durch Messungen feststellen mit analogen und digitalen Messgeräten
Mittel zum Zweck: analoge und digitale Messgeräte und ihre Eigenheiten
Weitere Messungen und Prüfungen, die Sie mit dem Multimeter durchführen können
Dinge, die Messungen und Bauteileprüfungen erleichtern können
Kapitel 11: Einfache Transistorschaltungen zum Nachbauen und Experimentieren
Zur Grundfunktion eines Transistors
Anwendungsbereiche und unterschiedliche Arten von Transistoren
Kapitel 12: Blinken, schalten und tönen mit Transistoren
Auf der Kippe: monostabile, bistabile und astabile Kippschaltung
en
Mit Licht und Transistoren schalten
Kapitel 13: Starke Sache: Signale und Ströme mit Transistoren verstärken
Vielseitig: verschiedene Anwendungsgebiete für Verstärkerschaltungen
Aufbau einer Verstärkerschaltung mit einem Transistor
Darf es etwas mehr Leistung sein? Gegentaktverstärker mit Transistoren
Kapitel 14: Tausendfüßler und Tausendsassa: integrierte Schaltungen
Zeitmaschine: das Timer-IC NE555
Kapitel 15: Digitaltechnik und Digitale ICs: an oder aus, entweder – oder
Und-, Oder-, Nicht-Schaltungen und deren buckelige Verwandtschaft
Bit
s und Byte
s: 1 und 0, an oder aus
IC-Logikgatter
: logische Funktionen in einem Gehäuse
Teil IV: Einige Projekte zum Nachbauen und Experimentieren
Kapitel 16: Ein paar Schaltungen mit dem Timer-IC NE555
Bezeichnungen und Gehäuseformen des NE555
Schaltungen
mit dem NE555 bauen
Kapitel 17: Strom und Magnetismus: Elektromagneten und die elektromagnetische Induktion
Anziehend und abstoßend: der Elektromagnetismus
Die elektromagnetische Induktion
: Strom aus Magneten
Allgegenwärtig: elektrischer Strom und Magnetismus
Der elektrische Schwingkreis
Kapitel 18: Einige interessante Schaltungen zum Nachbauen und Experimentieren
Lichtblick: Audiosignale mithilfe von Licht übertragen
Kommunikationsfreudig: Sprechanlage
für mehrere Teilnehmer
Musikalische Bastelei: Tonfolgegenerator
mit NE555 und Zählerbaustein 4017
Teil V: Weitere interessante Bauteile und Komponenten
Kapitel 19: Widerstände für spezielle Einsatzgebiete
Unscheinbar und unverzichtbar: »Normale« Widerstände
Ganz speziell: Widerstände mit besonderen Eigenschaften
Anwendungsbeispiele für Spezialwiderstände
Kapitel 20: Unterschiedliche Arten von Dioden und Transistoren und deren Einsatz
Zur Funktion der Diode als Gleichrichterbauteil
Stabile Sache: die Spannungsstabilisierung mithilfe einer Z-Diode
Schnelle Dioden: Schottky-Dioden und ihre speziellen Eigenschaften
Bauformen von Transistoren
Leistungsstark: Transistoren für hohe Leistungen
Kapitel 21: Diac, Triac und Co.: weitere wichtige Bauteile
Der Diac
: unscheinbar und oft nicht beachtet
Der Triac
: anschlussfreudiger als ein Diac
Der Thyristor
als elektronischer Schalter
Teil VI: Der Top-Ten-Teil
Kapitel 22: Zehn Dinge und weitere Informationen für (Hobby-)Elektroniker
Entdeckungsreise: das Internet als Informations- und Ideenquelle nutzen
Simulant: Elektroniksimulationen helfen beim Verstehen
Die Klassiker: mit Elektronikbaukästen Theorie und Praxis lernen
Schnellstart für Ungeduldige: Bausätze und Elektronikkits nutzen
Ausschlachten
und (nicht nur) elektronische Bauteile gewinnen
Sichere Erkenntnis: Messungen helfen beim Verstehen von elektronischen Schaltungen
Bilder sagen mehr als 1000 Worte: Oszillogramme lesen (und) lernen
Für alle Fälle gewappnet: die Fehlersuche mit Signalgebern
Mikrocontroller verwenden
Zu guter Letzt: testen, testen, testen
Stichwortverzeichnis
End User License Agreement
Kapitel 1
Tabelle 1.1: Wichtige aktive und passive Bauelemente
Kapitel 4
Tabelle 4.1: Nachkommastellen und deren Bezeichnungen bei Kondensatorkapazitäten
Kapitel 7
Tabelle 7.1: Spezifische Widerstände einiger Metalle
Tabelle 7.2: Spezifische Widerstände von Nichtmetallen
Tabelle 7.3: Beim Versuch mit zwei verschiedenen Glühlampen gemessene Spannungen und Stromstärken
Kapitel 8
Tabelle 8.1: Wichtige elektrische Größen mit Formelzeichen, Einheiten sowie dazugehörigen Einheitenzeichen
Kapitel 10
Tabelle 10.1: Gemessene Spannungen an den vorgestellten Schaltungen
Kapitel 15
Tabelle 15.1: Die Wahrheitstabelle einer UND-Verknüpfung
Tabelle 15.2: Die Wahrheitstabelle einer ODER-Verknüpfung
Tabelle 15.3: Die Wahrheitstabellen der NAND- und NOR-Verknüpfung
Tabelle 15.4: Die Wahrheitstabellen der XOR- und XNOR-Verknüpfung
Tabelle 15.5: Die Dezimalzahlen 0 bis 15 im Dualsystem
Tabelle 15.6: Verschiedene Logikgatter und ihre Funktionen
Tabelle 15.7: Die Wahrheitstabelle für die Schaltung aus Abbildung 15.8 und 15.9
Kapitel 16
Tabelle 16.1: Verschiedene Bezeichnungen des NE555
Kapitel 17
Tabelle 17.1: Farbcodes für Festinduktivitäten
Kapitel 1
Abbildung 1.1: Widerstände in verschiedenen Formen mit Farbringen und Beschriftung
Abbildung 1.2: Schiebepoti (oben), Einstellregler und Trimmpotis (unten, von links nach rechts)
Abbildung 1.3: Kondensatoren mit verschiedenen Kapazitäten und Maximalspannungen
Abbildung 1.4: Elkos mit verschiedenen Kapazitäten und Spannungswerten
Abbildung 1.5: Siliziumdiode (oben) und Germaniumdiode (unten)
Abbildung 1.6: Kleinsignal- und Leistungstransistoren verschiedener Bauformen
Abbildung 1.7: Leuchtdioden in verschiedenen Farben und Formen
Abbildung 1.8: DIL-ICs (unten), IC-Sockel und IC im Transistorgehäuse TO-220
Abbildung 1.9: Spannungsregler im TO-220- und TO-92-Gehäuse
Abbildung 1.10: Beschaltung eines integrierten Spannungsreglers
Abbildung 1.11: Einige Schaltzeichen der wichtigsten Bauelemente
Kapitel 2
Abbildung 2.1: Schlitz-, Kreuzschlitz- und Torx-Schraubendreher
Abbildung 2.2: Seitenschneider, Kombizange, Spitzzange und Sicherungsringzange (von links nach rechts)
Abbildung 2.3: Eine Lötstation mit stufenlos einstellbarer Löttemperatur
Abbildung 2.4: Entlötpumpe zum Absaugen von flüssigem Lötzinn
Abbildung 2.5: Multimeter mit den wichtigsten Funktionen und Messleitungen
Abbildung 2.6: Einfaches Oszilloskop mit angeschlossener Signalquelle
Abbildung 2.7: Bauteiletester mit Batterie, Transistor im Prüfsockel und Messergebnis
Abbildung 2.8: Steckplatine mit Kontaktgruppen (links, siehe Markierung) und Lochrasterplatine (rechts)
Abbildung 2.9: Stromverlauf auf einer Steckplatine
Kapitel 3
Abbildung 3.1: Drei Batterien in einer Reihenschaltung. Die Einzelspannungen addieren sich.
Abbildung 3.2: Steckernetzteil mit verschiedenen Ausgangsspannungen
Abbildung 3.3: Wirkung eines Elektrolytkondensators auf gleichgerichtete Wechselspannung
Abbildung 3.4: Transformatornetzteil (links) und Schaltnetzteil (rechts)
Abbildung 3.5: Zitronenbatterie mit angeschlossenem Spannungsmessgerät
Kapitel 4
Abbildung 4.1: Die Farbcodierung bei Widerständen
Abbildung 4.2: Beispiele für Kondensatorkapazitäten in unterschiedlichen Schreibweisen
Abbildung 4.3: Kapazitätswerte auf Elektrolytkondensatoren
Abbildung 4.4: Großer Elko für hohe Spannungen in einem Schaltnetzteil
Abbildung 4.5: Digitalkamera mit deutlich sichtbarem Blitzelko (siehe Markierung mit Pfeil)
Abbildung 4.6: Bauteile in SMD-Technik auf einer Platine
Abbildung 4.7: Ein Anschluss wird erhitzt, gleichzeitig wird das Bauteil etwas aus der Platine herausgezogen.
Abbildung 4.8: Die Lötstelle direkt vor der gerade bearbeiteten wurde bereits vom Lötzinn befreit.
Kapitel 5
Abbildung 5.1: Widerstand, Fotowiderstand, Potentiometer, Trimmpotentiometer und temperaturabhängige Widerstände (von oben links nach unten rechts)
Abbildung 5.2: Kondensator, Elektrolytkondensator und einstellbare Kondensatoren (von links nach rechts)
Abbildung 5.3: Drehkondensator in einem Röhrenradio. Die beweglichen Platten sind oben am Bauteil zu sehen.
Abbildung 5.4: Diode, Leuchtdiode und Z-Diode (von links nach rechts)
Abbildung 5.5: NPN- und PNP-Transistor, Thyristor, Diac und Triac (von links nach rechts)
Abbildung 5.6: Schalter (Schließer, Öffner und Wechsler) und Lampe
Abbildung 5.7: Integrierte Schaltungen und mögliche Schaltsymbole
Abbildung 5.8: Batterie, Solarzelle und Sicherung
Abbildung 5.9: Mikrofon, (Kopf-)Hörer und Lautsprecher (von links nach rechts)
Abbildung 5.10: Voltmeter, Amperemeter, Widerstandsmessgerät und Multimeter (von links nach rechts)
Abbildung 5.11: Mögliche Darstellungen für Stromversorgungen in Schaltbildern
Abbildung 5.12: Einfache Stromkreise ohne und mit elektrischen Verbrauchern
Abbildung 5.13: Parallelschaltung, Reihenschaltung und Mischschaltung (von links nach rechts)
Abbildung 5.14: Leitungskreuzung ohne Verbindung, Abzweigung und Leitungskreuzung mit elektrischer Verbindung (von links nach rechts)
Abbildung 5.15: Widerstände (links) und Elektrolytkondensatoren (rechts) in verschiedenen Darstellungen
Abbildung 5.16: Beispielschaltbild eines Dreifach-Lauflichtes
Kapitel 6
Abbildung 6.1: Wasserkreislauf mit Wasserpumpe (links) und Turbine (rechts) als Vergleich mit dem Stromkreis
Abbildung 6.2: Einfacher Stromkreis mit Stromquelle, Schalter und Verbraucher
Abbildung 6.3: Testaufbau des Stromkreises mit Batterie, Schalter und Lampe (von links nach rechts) sowie Verbindungsleitungen und das Steckboard
Abbildung 6.4: Dieser Stromkreis enthält neben den Stromverbraucher ein zusätzliches Bauteil, den Widerstand.
Abbildung 6.5: Testaufbau des Stromkreises mit LED und (Vor-)Widerstand auf einem Steckboard
Abbildung 6.6: U-R-I und die drei Formeln zur Berechnung der Spannung, des Widerstandes und der Stromstärke (von links nach rechts)
Abbildung 6.7: Diode im Stromkreis in Durchlassrichtung (links) und Sperrrichtung (rechts)
Abbildung 6.8: Kleines Rätsel für zwischendurch: Welcher Schalter muss betätigt werden, damit die LED aufleuchtet?
Abbildung 6.9: Parallelschaltung, in der der Strom mehrere Wege nimmt
Abbildung 6.10: Nacheinander statt nebeneinander: Reihenschaltung zweier Lampen in einem Stromkreis
Abbildung 6.11: Abgesicherter Stromkreis mit Schmelzsicherung
Abbildung 6.12: Schmelzsicherung mit feinem Schmalzdraht in einem Glasröhrchen
Abbildung 6.13: Spannungsverläufe bei Sinus-, Rechteck-, Dreieck- und Sägezahn-Wechselspannungen (von links nach rechts)
Abbildung 6.14: Stromkreis mit Gleichspannung (links) und Wechselspannung (rechts)
Abbildung 6.15: Die Diode beeinflusst den Stromfluss im Wechselstromkreis.
Abbildung 6.16: Stromfluss der Halbwellen einer Wechselspannung im Wechselstromkreis links und rechts
Abbildung 6.17: Auch LEDs beeinflussen den Stromfluss im Wechselstromkreis.
Abbildung 6.18: Beide LEDs leuchten – aber nur bei Wechselspannung.
Kapitel 7
Abbildung 7.1: Zwei Batterien liefern eine höhere Spannung als nur eine, das Lämpchen leuchtet bei der Reihenschaltung zweier Batterien heller.
Abbildung 7.2: Verschiedene Schaltungsvarianten von Spannungsquellen
Abbildung 7.3: Spannung und Stromstärke in Reihen- und Parallelschaltungen von Spannungsquellen
Abbildung 7.4: Drei Schaltungsbeispiele zur Erklärung der ersten kirchhoffschen Regel
Abbildung 7.5: Zwei Reihenschaltungen mit Widerständen als Beispiele zur Erklärung der zweiten kirchhoffschen Regel
Abbildung 7.6: Spannungsquelle samt Innenwiderstand ohne (links) und mit Stromverbraucher (rechts)
Abbildung 7.7: Innenwiderstand bei voller, teilentladener und fast leerer Batterie (von links nach rechts)
Abbildung 7.8: Der Widerstand im Schaltbild rechts begrenzt die Stromstärke durch die Glühlampe, diese leuchtet mit verminderter Helligkeit.
Abbildung 7.9: Glühlampe ohne (links) und mit Vorwiderstand
Kapitel 8
Abbildung 8.1: In Reihenschaltungen addieren sich einzelne Widerstandswerte zu einem Gesamtwiderstand.
Abbildung 8.2: Parallelschaltung (links) und gemischte Schaltung (rechts) einzelner Widerstände
Abbildung 8.3: Parallelschaltungen von Widerständen mit unterschiedlichen Widerstandswerten
Abbildung 8.4: Zwei einfache Schaltungen mit Reihen- und Parallelschaltungen einzelner Widerstände
Abbildung 8.5: Verschiedene gemischte Schaltungen zum Üben
Abbildung 8.6: Spannungsmessung (links) und Strommessung (rechts) mit Voltmeter und Amperemeter
Kapitel 9
Abbildung 9.1: Einfacher geht es kaum: Batterie und Lampe als Stromkreis.
Abbildung 9.2: Genaue Angaben über die Spannungsquelle und den Verbraucher sind in einem Schaltbild sehr wichtig.
Abbildung 9.3: Zwei Möglichkeiten, eine Glühlampe zum Leuchten zu bringen
Abbildung 9.4: Unübersichtlich: die Verdrahtung elektronischer Schaltungen in alten Röhrengeräten aus den fünfziger und sechziger Jahren
Abbildung 9.5: Schaltungen auf Platinen in Geräten der siebziger (links) und achtziger Jahre (rechts)
Abbildung 9.6: Die wichtigsten Utensilien zum Basteln: Batterie, Steckboard, Leitungen, Widerstände, Lampe, LEDs, Schalter, Taster und Dioden
Abbildung 9.7: Eine Glühlampe mit geringer Spannung mithilfe eines Vorwiderstandes an einer 9-Volt-Batterie betreiben
Abbildung 9.8: Drei Einzelwiderstände in einer Reihenschaltung tun es auch.
Abbildung 9.9: Bei einer Parallelschaltung dreier gleicher Widerstände beträgt der Gesamtwiderstand nur noch ein Drittel.
Abbildung 9.10: Alle drei Varianten im Testaufbau mit dem Steckboard
Abbildung 9.11: Eine einfache Blitzlichtschaltung mit Elektrolytkondensator (Elko) und Glühlampe
Abbildung 9.12: Die Blitzlichtschaltung auf dem Steckboard
Abbildung 9.13: Eine Leuchtdiode erlischt langsam (links) oder leuchtet langsam auf und erlischt langsam (rechts).
Abbildung 9.14: Der Testaufbau der Schaltung aus dem Schaltbild in Abbildung 9.13 links
Abbildung 9.15: Lade- und Entladeschaltung für Elektrolytkondensatoren
Abbildung 9.16: Ein geöffnetes Relais mit beschrifteten Einzelteilen
Abbildung 9.17: Die Blinkerschaltung mit Relais, Elektrolytkondensator und LED
Abbildung 9.18: Der Probeaufbau der Blinkerschaltung mit Relais auf einem Steckboard. Während der Aufnahme hat das Relais angezogen, weshalb die LED aufleuchtet.
Abbildung 9.19: Einfache Schaltung mit einer Z-Diode zum Stabilisieren einer Spannung
Kapitel 10
Abbildung 10.1: Analoges (links) und digitales (rechts) Messgerät
Abbildung 10.2: Reihenschaltungen von Widerständen ohne und mit Spannungsquelle
Abbildung 10.3: Eine LED zeigt die Spannungsabfälle an den Widerständen an, oder etwa nicht?
Abbildung 10.4: Mittendrin: das Strommessgerät (Amperemeter) im Stromkreis
Abbildung 10.5: Strommessung an LED mit Vorwiderstand
Abbildung 10.6: Eine Diode wird auf ihre Funktion getestet.
Abbildung 10.7: Transistortest mit einem Multimeter. Rechts sehen Sie, wie der Transistor in den Sockel eingesetzt werden muss.
Abbildung 10.8: Selbst gebautes Prüfkabel zum Verbinden mit dem Steckboard (ein Poti wird durchgemessen)
Abbildung 10.9: Versuchsaufbau mit Batterie und veränderbarem Widerstand (Poti) als Spannungsteiler
Abbildung 10.10: Universal-Testgerät
für elektronische Bauteile beim Prüfen eines NPN-Transistors
Kapitel 11
Abbildung 11.1: Nicht angesteuerter (links) und angesteuerter Transistor (rechts)
Abbildung 11.2: Halbleiterschichten beim NPN- und PNP-Transistor sowie die zugehörigen Schaltsymbole
Abbildung 11.3: Gehäuseformen von links nach rechts: TO-92, TO-18, TO-220, ISOWATT218 und TO-3
Abbildung 11.4: Der Transistor als elektronischer Schalter
Abbildung 11.5: Die gleiche Schaltung mit einer LED statt der Glühlampe
Abbildung 11.6: Die LED kann auch in ihrer Helligkeit geregelt werden.
Abbildung 11.7: Der Transistor als verstärkendes Bauteil
Abbildung 11.8: Experimentieraufbau der Schaltung. Werden beide Drähte berührt, leuchtet die Leuchtdiode auf.
Abbildung 11.9: Die LED wird langsam ein- und ausgeschaltet.
Abbildung 11.10: Darlington-Schaltung (links) und deren Anwendung (rechts)
Abbildung 11.11: Einfache Schaltung mit einem PNP-Transistor
Abbildung 11.12: LED und Vorwiderstand sind am Kollektor angeschlossen.
Kapitel 12
Abbildung 12.1: Schaltung einer bistabilen Kippstufe
Abbildung 12.2: Monostabile Kippschaltung mit nur einem stabilen Schaltzustand
Abbildung 12.3: Wechselblinker mit astabiler Kippstufe aufgebaut
Abbildung 12.4: Blinklicht mit Glühlampe statt LED
Abbildung 12.5: Diese astabile Kippstufe erzeugt kurze Lichtblitze.
Abbildung 12.6: Statt der Glühlampe kann auch eine LED verwendet werden.
Abbildung 12.7: Höhere Ströme schalten mithilfe eines Relais
Abbildung 12.8: Astabile Kippstufe als Geber für Tonsignale
Abbildung 12.9: Einfacher Dämmerungsschalter mit lichtempfindlichem Widerstand
Abbildung 12.10: Dämmerungsschalter mit Relais zum Schalten höherer Ströme
Abbildung 12.11: Aufbau des Dämmerungsschalters mit Relais
Abbildung 12.12: Das Lauflicht mit drei Transistoren
Abbildung 12.13: Einfaches Schaltungsbeispiel mit NPN- (links) und PNP-Transistor (rechts)
Abbildung 12.14: Astabile Kippstufe mit PNP-Transistoren des Typs BC558
Kapitel 13
Abbildung 13.1: Einfache Verstärkerschaltung mit einem Transistor
Abbildung 13.2: Einfache Verstärkerschaltung mit Lautsprecher am Ausgang
Abbildung 13.3: Einfacher, aber sehr empfindlicher Mikrofonverstärker
Abbildung 13.4: Aufbau des Mikrofonverstärkers auf einer Steckplatine
Abbildung 13.5: Einfacher Schallanzeiger mit zwei Transistorstufen
Abbildung 13.6: Verstärker Klasse B mit NPN- und PNP-Transistor
Abbildung 13.7: Gegentaktverstärker als Endstufe einer Treiberstufe
Abbildung 13.8: Eine Verstärkerstufe
mit einem Feldeffekttransistor
Kapitel 14
Abbildung 14.1: DIL-ICs in verschiedenen Größen auf einer Platine
Abbildung 14.2: SIL-IC mit Kühlfahne auf einer Platine
Abbildung 14.3: Baugruppe mit SMD-ICs verschiedener Bauformen
Abbildung 14.4: DIL-ICs in verschiedenen Größen mit Kennzeichnung von Pin 1
Abbildung 14.5: Schaltsymbole von integrierten Schaltungen in DIL-Bauform
Abbildung 14.6: Einfache IC-Verstärkerschaltung mit dem LM386
Abbildung 14.7: Einfacher Mikrofonverstärker mit dem LM386
Abbildung 14.8: Das Gehäuse des NE555
Abbildung 14.9: Einfache Schaltung zum Testen des NE555
Abbildung 14.10: Monostabile Kippstufe mit dem NE555
Abbildung 14.11: Bistabile Kippstufe (RS-Flipflop) mit dem NE555
Abbildung 14.12: Astabile Kippstufe mit dem NE555 als Blinkerschaltung
Abbildung 14.13: Bei dieser Blinkerschaltung sind Leuchtdauer und Leuchtpausen gleich lang.
Abbildung 14.14: Tonsignalgeber mit dem NE555
Abbildung 14.15: Verbesserter Tonsignalgeber mit dem NE555
Abbildung 14.16: LEDs an den NE555 anschließen
Abbildung 14.17: Nach diesem Schaltbild können beide LEDs abwechselnd vom NE555 geschaltet werden.
Abbildung 14.18: Höhere Lasten mit einem Transistor schalten
Abbildung 14.19: Ansteuerung eines Relais mit dem NE555 bei Verwendung einer Schutzdiode
Kapitel 15
Abbildung 15.1: Einfache UND-Verknüpfung mit Schaltzeichen (links) und Schalterdarstellung (rechts)
Abbildung 15.2: Einfache ODER-Verknüpfung mit Schaltzeichen (links) und Schalterdarstellung (rechts)
Abbildung 15.3: Schaltbild einer NICHT-Verknüpfung
Abbildung 15.4: Schaltzeichen einer NAND- und einer NOR-Verknüpfung
Abbildung 15.5: Schaltzeichen einer XOR- und einer XNOR-Verknüpfung
Abbildung 15.6: Anschlussbelegung für ein vierfaches NAND-Gatter (7400 oder 4011)
Abbildung 15.7: Vierfaches AND-Gatter mit Beschaltung eines der Gatter
Abbildung 15.8: Vier NAND-Gatter in einem Schaltbild
Abbildung 15.9: Vier miteinander verbundene NAND-Gatter mit einer logischen »0« an beiden Eingängen
Abbildung 15.10: Ein NAND-Gatter als Invertierer
Abbildung 15.11: Drei NAND-Gatter ergeben ein AND-Gatter.
Kapitel 16
Abbildung 16.1: Wechselblinker mit dem NE555
Abbildung 16.2: Berührungsempfindlicher Schalter mit dem NE555
Abbildung 16.3: Der CMOS-Zählerbaustein 4017 mit zehn Ausgängen
Abbildung 16.4: Zehnfach-Lauflicht mit NE555 und CMOS-IC 4017
Abbildung 16.5: Fünffach-Lauflicht mit NE555 und Transistoren
Abbildung 16.6: Mikrofonverstärker mit dem NE555
Abbildung 16.7: Einfache Schmitt-Trigger-Schaltung mit dem NE555
Abbildung 16.8: Dämmerungsschalter mit einem NE555 als Schmitt-Trigger
Abbildung 16.9: Pieptöne erzeugen mit zwei NE555
Abbildung 16.10: Zweiton-Signalgeber mit zwei N555
Abbildung 16.11: Schaltbild der Heulton-Sirene mit zwei NE555
Abbildung 16.12: Über eine Transistorstufe Glühlampen ansteuern
Abbildung 16.13: Stärkere Glühlampen mit dem NE555 blinken lassen
Abbildung 16.14: Astabile Kippstufe mit Relaisansteuerung mit Schutzdiode
Abbildung 16.15: Lautsprecher über eine Verstärkerstufe ansteuern
Kapitel 17
Abbildung 17.1: Aus isoliertem Kupferdraht und einer Schraube (links) wird ein Elektromagnet (rechts).
Abbildung 17.2: Der selbstgebaute Elektromagnet in Aktion
Abbildung 17.3: Einige Beispiele für elektromagnetische Bauteile
Abbildung 17.4: Ein Miniaturlautsprecher mit Anschlusskabel
Abbildung 17.5: Zerlegtes Mikrofon von einem Kassettenrekorder
Abbildung 17.6: Zwei kleine Transformatoren aus Netzteilen
Abbildung 17.7: Schaltzeichen von Transformatoren in Schaltbildern
Abbildung 17.8: Ein Elektromotor als Generator zur Stromerzeugung
Abbildung 17.9: Eine Spule erzeugt Spannungsspitzen durch Selbstinduktion
Abbildung 17.10: Schaltbild des Versuchs in Abbildung 17.9
Abbildung 17.11: Spannungswandler zum Betreiben einer LED an 1,5 Volt Batteriespannung
Abbildung 17.12: Testaufbau der Schaltung auf einer Steckplatine
Abbildung 17.13: Festinduktivitäten auf Platinen für Spannungswandler (Markierung)
Abbildung 17.14: Einfacher Schwingkreis, Kondensator wird geladen (links) und entladen (rechts).
Abbildung 17.15: Schwingungsverlauf in einem Schwingkreis ohne ständig von außen zugeführte Energie
Abbildung 17.16: Einfache Differenzverstärker-Oszillatorschaltung
Abbildung 17.17: Die aufgebaute Schaltung beim Probelauf mit angeschlossenem Oszilloskop
Abbildung 17.18: Energieübertragung des Oszillators auf eine zweite Spule
Kapitel 18
Abbildung 18.1: Schaltbild des Senders für die kabellose Signalübertragung
Abbildung 18.2: Der Empfänger wandelt die Lichtsignale wieder in hörbare Signale um.
Abbildung 18.3: Der Testaufbau der Schaltung zum Experimentieren
Abbildung 18.4: Aufbau einer Sprechanlage mit vier Teilnehmern mit Sternverteilung (1) und Bus (2)
Abbildung 18.5: Schaltbild eines Verstärkerteils
Abbildung 18.6: Die Verstärkerschaltungen für zwei Teilnehmer. Oben wird »gesendet«, unten »empfangen«.
Abbildung 18.7: Hier wird unten »gesendet« und oben »empfangen«.
Abbildung 18.8: Das Schaltbild des Tonfolgegenerators
Abbildung 18.9: Testaufbau des Tonfolgegenerators auf Steckboards
Abbildung 18.10: Erweiterung der Schaltung mit Leuchtdioden
Abbildung 18.11: Mit den Potis lassen sich die Frequenzen der Töne stufenlos einstellen.
Abbildung 18.12: So lässt sich die Abspielgeschwindigkeit einstellen.
Kapitel 19
Abbildung 19.1: Verschiedene Widerstände mit und ohne Farbringe
Abbildung 19.2: Stark erhitzter NTC mit relativ geringem Widerstand
Abbildung 19.3: NTC bei Zimmertemperatur. Der Widerstandwert ist deutlich höher.
Abbildung 19.4: LDR bei schwachem Lichteinfall
Abbildung 19.5: Der LDR bei starkem Lichteinfall
Abbildung 19.6: Spannungsabhängige Widerstände in charakteristischer Scheibenform
Abbildung 19.7: Strommesswiderstand (Shunt, siehe Markierung) in einem Messgerät
Abbildung 19.8: Strommessgerät mit Shunt-Widerstand
Abbildung 19.9: Zwei Widerstandsnetzwerke zwischen integrierten Schaltungen
Abbildung 19.10:
Temperaturschalter mit NTC (Negative Temperature Coefficient) und NE555
Abbildung 19.11: Geänderte Ausführung der Schaltung
Abbildung 19.12: VDR als Überspannungsschutz für einen elektrischen Verbraucher
Abbildung 19.13: VDR als Schutzbauteil für einen Transistor
Kapitel 20
Abbildung 20.1: Spannungsverlauf bei einem sinusförmigen Wechselstrom
Abbildung 20.2: Spannungsverlauf mit in den Stromkreis geschalteter Diode
Abbildung 20.3: Spannungsverlauf in einem Stromkreis mit Einweggleichrichter und Ladekondensator beziehungsweise Ladeelko
Abbildung 20.4: Stromkreis mit Brückengleichrichter aus vier Dioden und der Spannungsverlauf im Stromkreis
Abbildung 20.5: Gleichrichter zum Anschrauben an einem Kühlkörper
Abbildung 20.6: Typische Schaltung eines Netzteils mit Trafo (links), Gleichrichter (Mitte) und Elektrolytkondensator zur Glättung (rechts)
Abbildung 20.7: Netzteil mit Mittelpunktgleichrichter und Elektrolytkondensator
Abbildung 20.8: Z-Diode mit aufgedrucktem Spannungswert
Abbildung 20.9: Zwei Schaltungen mit einer Z-Diode ohne Lastwiderstand (oben) und mit Lastwiderstand (unten)
Abbildung 20.10: Spannungsstabilisierungsschaltung mit Z-Diode und passendem Vorwiderstand
Abbildung 20.11: Drei Optokoppler (Markierung) in einem Anrufbeantworter
Abbildung 20.12: Zwei Leistungstransistoren im TO-3-Gehäuse auf einem Kühlkörper
Abbildung 20.13: Leistungstransistoren (rechts) und Leistungs-IC. Das Blechgehäuse dient als Kühlkörper.
Abbildung 20.14: Helligkeitsregelung mit zwei Transistoren
Kapitel 21
Abbildung 21.1: Zwei aus Energiesparlampen ausgebaute Diacs
Abbildung 21.2: Schaltzeichen eines Diacs (links) und das Ersatzschaltbild (rechts)
Abbildung 21.3: Ersatzschaltbild der »Hälfte« eines Diacs
Abbildung 21.4: Schematischer Aufbau des Triacs (links) und Schaltzeichen (rechts)
Abbildung 21.5: Dies ist die Grundschaltung für den Betrieb eines Triacs.
Abbildung 21.6: Schaltbild einer Testschaltung für einen Triac
Abbildung 21.7: Ob die Schaltung auch mit einer Gleichspannung funktioniert?
Abbildung 21.8: Aufbau einer Testschaltung für einen Triac
Abbildung 21.9: Der Triac wird über Masse angesteuert
Abbildung 21.10: Halbleiterschichten eines Thyristors (links) und das Schaltzeichen (rechts)
Abbildung 21.11: Die Thyristor-Ersatzschaltung
Abbildung 21.12: Eine einfache Schaltung mit zwei Transistoren
Kapitel 22
Abbildung 22.1: Älterer Elektronikbaukasten mit Inhalt
Abbildung 22.2: Bauteile und Platine aus einem Bausatz
Abbildung 22.3: Sinusförmiger Spannungsverlauf auf einem Oszilloskop
Abbildung 22.4: Arduino Nano(links unten) mit angeschlossener LED-Matrix (rechts) als Laufschrift
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Inhaltsverzeichnis
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E1
Elektronik für Bastler, Elektronik für Interessierte oder einfach Elektronik ohne Ballast. Man könnte viele Umschreibungen für das nennen, worum es in diesem Buch geht – oder es an einem Beispiel beschreiben, das viele (Hobby-) Elektroniker sicherlich kennen: »Ich brauche eine einfache Schaltung, mit der ich zwei LEDs blinken lassen kann. Ich will die Schaltung für meine Modelleisenbahn verwenden.« Oder: »Für mein Auto brauche ich ein einfaches Lauflicht mit mehreren LEDs, das habe ich neulich erst gesehen, und das sieht einfach cool aus.«
Um es auf den Punkt zu bringen: Es geht um einfache Basteleien und Schaltungen, die mit möglichst geringem Aufwand und möglichst ohne vorheriges Studium aufgebaut werden sollen. Oder es geht einfach darum, elektronische Schaltungen aufbauen zu können und die Funktionen der wichtigsten Bauteile zu kennen, ohne gleich 20 Bücher mit jeweils 1200 Seiten wälzen zu müssen.
Elektronik für Dummies soll Ihnen als Interessiertem eine einfache und möglichst leicht verständliche Einführung in die interessante Materie zur Verfügung stellen und Ihnen erklären, was Widerstände, Kondensatoren oder Transistoren sind und – noch wichtiger – wie und wozu sie eingesetzt werden. Ein wenig theoretisches Grundwissen wird auch vermittelt, aber nur soviel wie unbedingt nötig.
Die Elektronik ist ein sehr interessanteres, für viele Menschen aber auch eher abschreckendes Gebiet, da es als kompliziert gilt und vieles falsch gemacht werden kann. Das stimmt auch. Allerdings können Sie ja mit einfachen Dingen anfangen. Keiner verlangt von Ihnen, dass Sie gleich einen vollautomatischen Roboter bauen, der abwaschen, staubsaugen und die Fenster putzen kann. Eine einfache Blinkerschaltung tut es für den Anfang auch. Je mehr Sie mit elektronischen Bauteilen basteln und Ihre eigenen Schaltungen aufbauen, desto mehr lernen Sie den Umgang mit den Bauteilen und vor allem deren Funktion.
Es gibt tatsächlich Bücher, für die Sie eigentlich eine Bedienungsanleitung brauchen, um überhaupt damit arbeiten zu können. Mit diesem Buch hier soll dies anders sein. Besonders wichtige Dinge und Hinweise werden Sie sofort als solche erkennen sein. Es handelt sich um solche Informationen, die beispielsweise zum ersten Mal erwähnt werden oder die eine besondere Bedeutung in der Elektronik haben.
In diesem Buch finden Sie einige Elemente, die Sie getrost überspringen können, sofern Sie nicht an geschichtlichen Details wie etwa Hintergrundinformationen zu Erfindern oder sonstigen geschichtlichen Gegebenheiten interessiert sind. In einigen Kästen finden Sie Hintergrundinformationen, die für die Materie selbst nicht unbedingt benötigt werden, Ihnen aber geschichtliche Informationen liefern und die manchmal auch ganz interessant sind.
In diesem Buch finden Sie eine grundlegende Einführung für Leser ohne Grundkenntnisse, wovon ich ausgehe. Aber auch die Leser mit Wissen und Kenntnissen werden sicherlich noch etwas Neues finden. Sie finden grundlegende Informationen über den Stromkreis oder die später in den Schaltungen verwendeten Bauteile. Ich nehme an, dass Sie kein Elektronikprofi (sonst bräuchten Sie dieses Buch auch nicht zu lesen) und Sie allzu theoretische Gegebenheiten (sofern diese für Sie als Elektronikbastler eher uninteressant sind) oder Details zu Molekularstrukturen oder sonstigen Feinheiten in elektronischen Bauteilen eher als uninteressant empfinden und Sie lieber möglichst schnell zum praktischen Teil der Elektronik kommen möchten. Natürlich geht es nicht ganz ohne Theorie. Diese wird aber in diesem Buch nur soweit vermittelt, wie es notwendig ist.
Die Elektronik ist ein sehr weites, dafür aber sehr interessantes Gebiet. Damit Sie einen möglichst guten Überblick behalten, ist dieses Buch in verschiedene Bereiche aufgeteilt worden. Diese einzelnen Bereiche beziehungsweise Teile behandeln verschiedene Teilgebiete der Elektronik wie beispielsweise Grundlagen des Stromkreises oder elektronische Bauteile.
Um überhaupt loslegen zu können, sollten Sie einige Informationen über die wichtigsten elektronischen Bauteile erhalten, Unterschiede zwischen aktiven und passiven Bauteilen kennen lernen und sich natürlich ein Grundsortiment an verschiedenen Werkzeugen sowie weiteren Utensilien fürs Basteln zusammenstellen. Außerdem geht es um unterschiedliche Stromquellen sowie Quellen für kostengünstige oder sogar kostenlose Bauteile.
Früher oder später werden Sie einmal in die Verlegenheit kommen, Schriftzeichen und Schaltbilder lesen zu müssen, wenn Sie sich ernsthaft mit der Elektronik beschäftigen wollen. Hier erfahren Sie, wie Schaltbilder aufgebaut sind und gelesen werden. Außerdem lernen Sie die Voraussetzungen kennen, die erfüllt sein müssen, damit überhaupt elektrischer Strom fließen kann. Weiterhin erfahren Sie einige Dinge über die wichtigsten elektrischen Größen und die Zusammenhänge zwischen diesen.
In diesem Teil geht es ans Eingemachte. Sie werden Ihren ersten Stromkreis aufbauen und verschiedene Messungen daran durchführen (sofern Sie dies nicht schon früher einmal gemacht haben). Sie werden einige elektronische Bauteile zum ersten Mal anwenden und einfache Schaltungen mit ihnen aufbauen. Außerdem erfahren Sie, was integrierte Schaltungen sind und welche Funktionen sie erfüllen können.
Was wäre die Hobbyelektronik ohne den Nachbau von elektronischen Schaltungen und natürlich das Experimentieren und Sammeln von praktischen Erfahrungen? Außerdem geht es hier um Elektrizität und Magnetismus sowie die elektromagnetische Induktion. Weiterhin lernen Sie einige Schaltungen kennen, die Sie gerne nachbauen können. Und Sie erfahren, wie sich mit diesen und anderen Schaltungen Experimente durchführen oder Schaltungen modifizieren lassen.
In Teil 5 lernen Sie weitere interessante Bauteile und Gerätekomponenten kennen und erfahren, wie Sie einige dieser Teile in eigenen Bastelprojekten einsetzen können. Außerdem lernen Sie verschiedene Widerstände für spezielle Einsatzzwecke und spezielle Dioden und Transistoren sowie deren Einsatzgebiete kennen. Weiterhin erfahren Sie, was Diacs und Triacs sind.
Im letzten Teil dieses Buches lernen Sie weitere Quellen aus dem Bereich der Elektronik kennen, mit deren Hilfe Sie Ihr Wissen erweitern können. Außerdem finden Sie einige interessante Webadressen und lernen die zehn Dinge kennen, die Sie über die Elektronik wissen sollten. Außerdem erfahren Sie noch, wie Sie häufige Anfängerfehler vermeiden können.
In diesem Buch finden Sie einige Symbole, die bestimmte Arten von Informationen kennzeichnen. Es handelt sich um folgende Symbole:
Die mit diesem Symbol gekennzeichneten Informationen können Ihnen sehr nützlich sein, beispielsweise beim Umgang mit elektronischen Bauteilen oder beim Verstehen von Funktionen elektronischer Bauteile oder Schaltungen.
Wenn Sie dieses Symbol sehen, ist auf jeden Fall Vorsicht angesagt. Hier finden Sie Informationen, wie Sie häufige Fehler vermeiden können oder worauf Sie beim Umgang mit elektronischen Schaltungen, deren Bauteilen oder Messungen achten sollten. Außerdem finden Sie hier wichtige Sicherheitshinweise.
Hier finden Sie Informationen, die Sie sich merken sollten. Es sind solche Informationen, die Ihnen immer wieder nützlich sein können oder die Sie auch für spätere Projekte benötigen.
Hier wird es technisch. Sie finden unter diesem Symbol technische Hinweise und Gegebenheiten, die Sie sich am besten merken sollten. Es sind meistens technische Erläuterungen, die Ihnen beim Verstehen von Funktionen elektronischer Bauteile oder Schaltungen helfen können.
Teil I
IN DIESEM TEIL …
lernen Sie die wichtigsten elektronischen Bauteile und ihre Funktionen kennen
entdecken Sie die Unterschiede zwischen aktiven und passiven Bauteilen
stellen Sie sich ein Grundsortiment an Werkzeugen und weiteren Utensilien fürs Elektronikbasteln zusammen
erfahren Sie mehr über verschiedene Stromquellen wie Akkus, Batterien und Netzgeräte
finden Sie heraus, welche Stromquellen für Ihre Zwecke am besten geeignet sind
lernen Sie, wie Sie kostengünstig oder sogar kostenlos an wertvolle Bauteile kommen
Kapitel 1
IN DIESEM KAPITEL
Bauelemente und deren Funktionen einfach erklärt
Aktive und passive Bauelemente
Die wichtigsten Bauteile und ihre Funktionen sowie Einsatzgebiete
Schaltzeichen der wichtigsten elektronischen Bauteile
In diesem Kapitel finden Sie Informationen darüber, was Gleich- und Wechselstrom ist, wie ein einfacher Stromkreis aufgebaut ist und wie elektronische Bauteile funktionieren und wozu sie eingesetzt werden. Sie lernen den Unterschied zwischen aktiven und passiven Bauteilen kennen und erfahren, wozu Sie Transistoren, Dioden, Widerstände und Kondensatoren einsetzen können. Die Erklärungen zu den einzelnen Bauteilen sind bewusst einfach gehalten, damit auch Sie als Nicht-Elektroniker diese problemlos verstehen können und später in der Lage sind, die Bauteile in Ihren eigenen Schaltungen einzusetzen. Es geht keineswegs darum, alle physikalischen Aspekte in sämtlichen Details darzustellen. Sie sollen einfach lernen, was Sie mit den jeweiligen Bauteilen anfangen können.
Bevor es losgeht, möchte ich Ihnen einige kurze Erklärungen zu wichtigen Grundbegriffen liefern, damit Sie die Inhalte der folgenden Abschnitte und Kapitel besser verstehen können.
Zunächst geht es um Gleichstrom und Wechselstrom. Beim Gleichstrom fließt der Strom immer in einer Richtung. Für Sie als Bastler interessant ist die technische Stromrichtung, nach der sich die elektrische Ladung vom Pluspol zum Minuspol einer Stromquelle bewegt. Der Strom fließt also von Plus nach Minus. Bei einer Wechselspannung ist dies anders. Wie der Name schon sagt, findet ein ständiger Wechsel statt, nämlich ein Wechsel der Stromrichtung. Nun fließt der Strom aber nicht auf einmal von Minus nach Plus und wieder umgekehrt. Vielmehr ist es so, dass es bei einer Wechselspannungsquelle keinen Plus- oder Minuspol gibt, da diese sich ständig vertauschen, wodurch sich wiederum die Stromrichtung ständig ändert.
Die Spannung ist eine der wichtigsten elektrischen Größen und wird in der Einheit Volt (V) angegeben. Es kann eine Spannung vorhanden sein, ohne dass ein Strom fließt. Sie können das vergleichen mit einem vollen Eimer Wasser, aus dem kein Wasser herausfließt. Der volle Eimer ist vergleichbar mit der elektrischen Spannung, doch erst dann, wenn Wasser aus ihm herausfließt, fließt auch ein Strom. Damit ein Strom fließen kann, muss es einen geschlossenen Stromkreis geben. Der einfachste Stromkreis besteht aus einer Spannungsquelle mit angeschlossenem Verbraucher. Dies kann beispielsweise eine Batterie mit angeschlossener Glühlampe sein.
Die Stromstärke bezeichnet die Menge an elektrischer Energie, die pro Zeiteinheit durch eine elektrische Leitung fließt. In unserem Beispiel wäre sie vergleichbar mit der Menge an Wasser, die pro Sekunde oder Minute aus dem Eimer herausfließt. Die Stromstärke wird in Ampere (A) angegeben.
Die elektrische Leistung kann in der Elektronik und Elektrotechnik unterschiedlich definiert sein. In diesem Buch geht es um das Produkt aus elektrischer Spannung und Stromstärke. Multiplizieren Sie die elektrische Spannung in Volt mit der Stromstärke, erhalten Sie die elektrische Leistung in Watt (W). Die elektrische Leistung steigt mit der Spannung oder der Stromstärke, ähnlich wie die Größe einer Fläche durch deren Länge und Breite bestimmt wird.
Ohne elektronische Bauelemente würde in der Elektronik überhaupt nichts funktionieren. Es handelt sich um die kleinen, bunten Bauteile, die auf den Platinen elektronischer Geräte in allen möglichen Farben, Formen und Größen zu finden sind und die Grundkomponenten eines jeden Stromkreises darstellen. Als Platine oder auch Leiterplatte wird der Träger für elektronische Bauteile bezeichnet. Fast alle elektronischen Geräte enthalten eine oder mehrere Platinen. Sie bestehen aus einem elektrisch nicht leitenden Material und besitzen sogenannte Leiterbahnen aus elektrisch leitenden Materialien (meist aus Kupfer), durch welche die Verbindungen zwischen den Bauteilen hergestellt werden. Um einfache elektronische Schaltungen aufbauen zu können, sind zumindest Grundkenntnisse über die Funktionen der jeweiligen Bauteile notwendig. Jedes elektronische Bauelement hat eine ganz bestimmte Funktion und kann in einem elektronischen Schaltkreis verschiedene Zwecke erfüllen. Transistoren beispielsweise lassen sich zum Verstärken elektrischer Signale ebenso einsetzen wie zum Schalten oder Steuern von Lampen, Motoren oder anderen Aktoren. Aktoren sind Bauteile, die Funktionen in Geräten ausführen. So kann zum Beispiel ein Motor in einem elektronischen Gerät eingebaut sein, der einen Plattenteller antreibt oder eine Schublade bei einem CD-Player öffnet oder schließt. Solch ein Motor ist ein Aktor, da er etwas bewegt beziehungsweise bewirkt.
Ein Kurzschluss ist weniger schön und die umgangssprachliche Bezeichnung für einen Stromfluss dort, wo er nicht stattfinden soll(te). Sicherlich haben Sie den Begriff schon einmal gehört. Ein Kurzschluss kann zum Beispiel dazu führen, dass die Sicherung im Sicherungskasten »herausfliegt«, also auslöst. Ein Kurzschluss kann allerdings noch viel gefährlicher werden. Wird beispielsweise eine Batterie oder ein Akku kurz geschlossen, dann können diese im schlimmsten Falle explodieren oder einen Brand auslösen. Was ist nun aber ein Kurzschluss eigentlich? Bei einer Batterie spricht man von einem Kurzschluss, wenn beide Pole der Batterie mit einem elektrischen Leiter direkt miteinander verbunden werden, also ohne das Anschließen eines elektrischen Verbrauchers wie beispielsweise einer Glühlampe. Ein Kurzschluss kann allerdings auch durch beschädigte Elektroleitungen entstehen, beispielsweise dann, wenn die Leitungen defekt sind und sich unbeabsichtigt berühren und dadurch eine ungewollte elektrische Verbindung darstellen.
In der Elektronik unterscheidet man zwischen aktiven und passiven Bauelementen. Der Unterschied zwischen beiden Arten ist eigentlich recht einfach erklärt. Aktive Bauteile haben nach gängiger Definition eine die elektrischen Signale verändernde Wirkung, was bei passiven Bauelementen nicht der Fall ist. Dazu ein paar Erläuterungen: Passive Bauelemente wie zum Beispiel Widerstände oder Kondensatoren verhalten sich in einer elektronischen Schaltung, wie der Name schon sagt, passiv. Passiv heißt aber keineswegs, dass die Bauteile nicht wichtig wären. Passive Bauteile wie Widerstände können andere (meist aktive) Bauteile schützen, indem sie beispielsweise die Stromstärke begrenzen. Widerstände behalten ihren Widerstandswert, unabhängig davon, ob die angelegte elektrische Spannung verändert wird oder wie herum sie in die Schaltung eingesetzt werden. Doch dazu später mehr. Zu den aktiven Bauteilen gehören Transistoren, die häufig als signalverstärkende Bauteile eingesetzt werden. Transistoren können elektrische Signale mit einer größeren Signalstärke abgeben, als sie diese aufnehmen. Außerdem können Sie mit ihnen mithilfe kleiner Steuerströme wesentlich höhere Ströme steuern. In Verstärkerschaltungen eingesetzt, dienen Transistoren dazu, die nur sehr geringen Ausgangssignale von einem Mikrofon zu verstärken, an einen Lautsprecher abzugeben und somit hörbar zu machen. Aber auch Bauteile wie Dioden werden als aktive Bauelemente bezeichnet. Aktive Bauelemente können ihre elektrischen Eigenschaften abhängig von Dingen wie der angelegten Spannung, deren Polarität oder anderen äußeren Einflüssen ändern. Dazu ein paar kleine Beispiele: Eine Diode lässt den elektrischen Strom nur in einer Richtung passieren. Sie hat eine Wirkrichtung, kann also elektrische Signale beeinflussen. Fließt durch eine Diode ein Wechselstrom mit einer sich ständig ändernden Stromrichtung, so kann der Strom nur in einer Richtung passieren (dadurch kommt der sogenannte Gleichrichtereffekt zustande). Halbleiterbauteile gehören ebenfalls zu den aktiven Bauelementen. Halbleiter sind Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit weder als elektrischer Leiter noch als Nichtleiter eingestuft werden kann, weil sie entweder durch äußere Einflüsse verändert wird (zum Beispiel durch Temperatur oder Lichteinfall), sich chemisch beeinflussen lässt oder stromrichtungsabhängig ist. In Tabelle 1.1 finden Sie die wichtigsten aktiven und passiven Bauelemente.
Aktive Bauelemente
Passive Bauelemente
Dioden
Widerstände
Transistoren
Kondensatoren
Integrierte Schaltungen (ICs)
Potentiometer (Potis)
Gleichrichter
Spulen
Leuchtdioden (LEDs)
Elektrolytkondensatoren (Elkos)
Tabelle 1.1: Wichtige aktive und passive Bauelemente
Elektronische Bauelemente können ihre elektrischen Eigenschaften temperaturabhängig verändern, egal, ob es sich um aktive oder passive Bauteile handelt.
Zum Basteln sollten Sie natürlich die Funktionen der verschiedenen elektronischen Bauelemente kennen. Keine Angst: Sie werden hier keine streng wissenschaftlichen Erklärungen über den inneren Aufbau der Bauteile finden. Es geht vielmehr um den praktischen Einsatz der Bauteile in eigenen Schaltungen und deren Funktionen, sofern Sie diese dafür kennen sollten. Die am einfachsten aufgebauten Bauteile wie Widerstände finden Sie am Anfang dieser Auflistung. Später folgen Halbleiterbauteile wie Dioden und Transistoren.
Widerstände gehören zu den günstigsten und einfachsten elektronischen Bauelementen. Sie bremsen den elektrischen Strom sozusagen aus. Werden gezielt bestimmte Widerstandswerte in elektronischen Schaltungen eingesetzt, so lässt sich die Stromstärke auf ein gewünschtes Maß begrenzen. Widerstände können somit eingesetzt werden, um Beschädigungen an anderen Bauteilen durch eine zu hohe Stromstärke zu verhindern. In Gruppen lassen Sie sich auch verwenden, um innerhalb eines Stromkreises bestimmte Spannungswerte bereitzustellen. Die Widerstandswerte werden in Ohm angegeben und sind bis auf eine gewisse Toleranz konstant. Widerstände besitzen Toleranzwerte von beispielsweise 1, 2, 5 oder 10 Prozent. Ein Widerstand mit einem Nennwert (auf dem Bauteil angegebenen Widerstandswert) von beispielsweise 100 Ohm und einer Toleranz von 5 Prozent kann also einen tatsächlichen Widerstandswert zwischen 95 und 105 Ohm besitzen. In den meisten elektronischen Schaltungen werden Widerstände mit einer Toleranz von 5 oder 10 Prozent eingesetzt. In bestimmten Fällen kann allerdings ein Widerstand mit einer nur sehr geringen Toleranz erforderlich sein, beispielsweise als Bauteil in Messgeräten.
Abbildung 1.1: Widerstände in verschiedenen Formen mit Farbringen und Beschriftung
Potentiometer, kurz Potis, sind einstellbare bzw. veränderbare Widerstände (englisch: variable resistor). Im Gegensatz zu den gewöhnlichen Widerständen ist der elektrische Widerstand eines Potentiometers veränderbar. Mittels eines Dreh- oder Schiebeknopfes lässt sich der Widerstand durch mechanische Betätigung innerhalb gewisser Grenzen einstellen. Ein Potentiometer besitzt eine Widerstandsbahn mit festem Widerstandswert und zwei Anschlüssen an deren Enden, auf der ein beweglicher Gleitkontakt (der sogenannte Schleifer) aufgebracht wurde. Dieser Kontakt ist mit dem dritten Anschluss des Bauteils verbunden. Durch den Schleifkontakt kann jeder Widerstandswert zwischen null und dem maximalen Widerstandswert der gesamten Widerstandsbahn abgegriffen werden. Potentiometer werden häufig eingesetzt, um elektronische Geräte zu steuern. Ein gutes Beispiel ist die Lautstärkeeinstellung eines Radios, die mithilfe eines solchen veränderbaren Widerstandes erfolgen kann.
Abbildung 1.2: Schiebepoti (oben), Einstellregler und Trimmpotis (unten, von links nach rechts)
Kondensatoren können elektrische Energie speichern, ähnlich wie dies bei einer Batterie der Fall ist. Sie bestehen aus zwei elektrisch leitenden Materialien, den Elektroden. An diesen Elektroden wird die elektrische Spannung angelegt. Dazwischen befindet sich elektrisch isolierendes, also den Strom nicht leitendes Material. Wird eine elektrische Spannung am Kondensator angelegt, so speichert er die elektrische Energie auch über das Abklemmen der Spannungszufuhr hinaus. Die speicherbare Menge an elektrischer Energie wird als Kapazität bezeichnet. Sie wird in der Einheit Farad angegeben. Kondensatoren werden unter anderem eingesetzt, um kurze Spannungsimpulse aufzunehmen (sie erfüllen somit eine Filterfunktion) oder elektrische Ladungen für kurze Zeit zwischenzuspeichern.
Abbildung 1.3: Kondensatoren mit verschiedenen Kapazitäten und Maximalspannungen
Elektrolytkondensatoren (siehe Abbildung 1.4), auch Elkos genannt, können im Vergleich zu herkömmlichen Kondensatoren ein Vielfaches an elektrischer Energie speichern. Sie haben eine höhere Kapazität. Es gibt verschiedene Arten von Elektrolytkondensatoren, die sich hauptsächlich durch den Einsatz der in ihnen verwendeten Materialien voneinander unterscheiden. Beim Einsatz der Elektrolytkondensatoren sollten Sie darauf achten, wie herum sie mit der Spannungsquelle verbunden werden, da sie zu den gepolten Bauelementen gehören. Plus und Minus dürfen keinesfalls verwechselt werden, sonst können Elkos explodieren. Herkömmliche Elektrolytkondensatoren dürfen auch nicht mit einer Wechselspannung verbunden werden. Die Kapazität von Elektrolytkondensatoren wird ebenfalls in Farad angegeben. Elektrolytkondensatoren werden beispielsweise in Netzgeräten eingesetzt, um Schwankungen der elektrischen Spannung zu kompensieren, also zu verringern.
Abbildung 1.4: Elkos mit verschiedenen Kapazitäten und Spannungswerten
Dioden könnte man als elektrische Ventile bezeichnen, da sie den Strom nur in einer Richtung fließen lassen. Werden sie in Sperrrichtung eingesetzt, so sind sie elektrisch nicht leitend, haben also einen hohen elektrischen Widerstand. Man sagt auch, sie sind hochohmig. Dioden lassen sich sehr gut als Gleichrichter einsetzen. Gleichrichter dienen in der Elektrotechnik zum Umwandeln von Wechselstrom in Gleichstrom. Da die Diode den Strom nur in einer Richtung passieren lässt, bei einem Wechselstrom jedoch ein Stromfluss in beiden Richtungen erfolgt, kann nur ein Teil des Wechselstroms fließen, nämlich nur in einer Richtung.
Es gibt Germaniumdioden und Siliziumdioden. Diese werden aus unterschiedlichen Materialien hergestellt. Wichtig beim Einsatz der Dioden beider Typen ist deren sogenannte Schwellspannung in der Durchlassrichtung. Es handelt sich hierbei um die Höhe der Spannung, ab der die Diode in Durchlassrichtung elektrisch leitend wird. Bei einer Germaniumdiode ist diese Spannung mit etwa 0,3 Volt etwas geringer als bei einer Siliziumdiode, bei der sie etwa 0,7 Volt beträgt.
Beim Einsatz der Bauteile ist auf die maximal zulässigen Spannungswerte und Stromstärken zu achten. Eine Diode besitzt die Anschlüsse Anode und Kathode. Die Kathode ist auf dem Gehäuse der Diode durch einen Strich markiert. Bei der Verwendung einer Diode in einem Gleichstromkreis stellt die Anode quasi den Eingang des Bauteils dar, während die Kathode der Ausgang ist.
Abbildung 1.5: Siliziumdiode (oben) und Germaniumdiode (unten)
Zener-Dioden bzw. Z-Dioden sehen genauso aus wie herkömmliche Dioden und funktionieren auch so – mit dem Unterschied, dass sie in Sperrrichtung betrieben werden und eine sogenannte Durchbruchspannung besitzen. Ab dieser Durchbruchspannung steigt die Stromstärke in Sperrrichtung um ein Vielfaches an, die Z-Diode wird also ab einer bestimmten Spannung auch in Sperrrichtung elektrisch leitend. Ein wichtiger Wert bei diesem Bauteil ist die Durchbruchspannung, die auch auf dem Bauteil angegeben wird. Auch diese Arten von Dioden besitzen die Anschlüsse Anode und Kathode. Sie werden eingesetzt in Netzgeräten, die auch bei großen Änderungen der Stromstärke eine möglichst konstante Ausgangsspannung liefern sollen.
Transistoren (siehe Abbildung 1.6) sind Halbleiterbauelemente und die wichtigsten aktiven Bauteile. Sie lassen sich als Schalter, Regler oder Verstärker einsetzen. Transistoren bestehen aus drei Halbleiterschichten, die in zwei unterschiedlichen Reihenfolgen angeordnet sein können. Solche Transistoren werden auch als bipolare Transistoren bezeichnet. Wird an die äußeren Halbleiterschichten eine elektrische Spannung angelegt, so kann zunächst kein Strom fließen, da der Transistor den Strom sperrt. Erst durch eine Ansteuerung der Basis mithilfe eines elektrischen Stroms wird der Übergang zwischen den äußeren Halbleiterschichten elektrisch leitend. Man unterscheidet zwischen NPN- und PNP-Transistoren. Sie bestehen meist aus Silizium. Die Anschlüsse eines Transistors werden Basis (B), Kollektor (C) und Emitter (E) genannt. Die Basis ist der sogenannte Steuereingang. Er dient dazu, den Stromfluss zwischen den beiden äußeren Halbleiterschichten, also Kollektor und Emitter, zu steuern. Fließt ein kleiner Strom über die Basis zum Emitter, so bewirkt dieser einen wesentlich stärkeren Stromfluss zwischen Kollektor und Emitter. Der relativ hohe Strom zwischen Kollektor und Emitter kann also erst fließen, sobald ein kleiner Basisstrom fließt. Dieser Vorgang wird als Stromverstärkung bezeichnet. NPN-Transistoren werden mit einem positiven, PNP-Transistoren mit einem negativen Steuerstrom angesteuert. Man unterscheidet zwischen Kleinsignaltransistoren und Leistungstransistoren. Kleinsignaltransistoren dienen dazu, sehr geringe Eingangssignale aufzubereiten, also zu verstärken. Diese Eingangssignale können beispielsweise von einem Mikrofon stammen, dessen in elektrische Signale umgewandelte Schallwellen um ein Vielfaches verstärkt werden müssen, bevor sie einem Lautsprecher zugeführt werden können. Um einen Lautsprecher anzusteuern, werden Leistungstransistoren benötigt, also solche Transistoren, die auch höhere Stromstärken verarbeiten können. Neben den bipolaren Transistoren gibt es noch die unipolaren Feldeffekttransistoren (kurz FETs), die häufig zum Steuern von hohen Strömen eingesetzt werden. Bei der Auswahl der richtigen Transistoren spielen die maximalen Schaltspannungen und Schaltströme eine wichtige Rolle, ebenso die maximalen Schaltfrequenzen (Schaltvorgänge pro Sekunde).
Abbildung 1.6: Kleinsignal- und Leistungstransistoren verschiedener Bauformen
Neben dem Transistor gibt es noch den sogenannten Thyristor. Auch er ist ein elektronischer Schalter und besitzt drei Anschlüsse, von denen einer den Steueranschluss darstellt, während über die anderen beiden Anschlüsse der Laststrom fließt. Man kann sich den Thyristor vorstellen wie eine Diode mit zusätzlichem Steueranschluss. Auch er besitzt eine Anode sowie eine Kathode. Der zusätzliche Steueranschluss wird als Gate (Steueranschluss, den es an verschiedenen Halbleiterbauelementen gibt) bezeichnet. Der Thyristor ist zunächst in beiden Stromrichtungen sperrend. In der Durchlassrichtung ist er ebenfalls bis zu der sogenannten Zündspannung hochohmig, also nicht leitend. Gelangt unterhalb dieser Spannung an den Gate-Anschluss ein Stromimpuls, so schaltet er in den leitenden Zustand um. In Sperrrichtung bleibt er dagegen sperrend wie eine herkömmliche Diode. Im Gegensatz zu einem Transistor benötigt der Thyristor nur einen kurzen Stromimpuls am Steuereingang, um durchzuschalten, also den Arbeitsstrom fließen zu lassen. Er bleibt dann in Durchlassrichtung so lange elektrisch leitend, bis der Arbeitsstrom (quasi der Hauptstrom) abgeschaltet wird. Dies kann entweder durch Unterbrechung des Stromkreises geschehen oder durch Überbrücken der Arbeitsstrecke (Anode und Kathode, Eingang und Ausgang) des Thyristors. Es gibt unter anderem N-Gate-Thyristoren und P-Gate-Thyristoren. Am häufigsten zum Einsatz kommen die P-Gate-Thyristoren, die einen positiven Steuerstrom zum Durchschalten benötigen. Thyristoren gibt es mit unterschiedlichen Gehäusetypen. Unter anderem werden sie in solchen Gehäusen hergestellt, die auch Leistungstransistoren besitzen. Thyristoren werden für die Drehzahlregelung von elektrischen Motoren oder in Dimmern eingesetzt.
Ein Diac ist eine Art Zweirichtungs-Diode. Der Begriff Diac ist eine Abkürzung und steht für »Diode alternating Current«, was auf Deutsch übersetzt so viel heißt wie »Diode für Wechselstrom«. Die Polarität, also die Anschlussrichtung des Plus- oder Minuspols, spielt bei diesem Bauteil tatsächlich keine Rolle. Der Diac hat wie eine Z-Diode eine sogenannte Durchbruchspannung, bei der er in beide Stromflussrichtungen elektrisch leitend wird. Wird eine gewisse Spannung, die sogenannte Haltespannung, unterschritten, so wird das Bauteil wieder hochohmig und sperrt den Stromfluss. Ein Diac lässt sich auch an einer Wechselspannung betreiben. Es wird oft verwendet, um eine allmählich ansteigende Spannung in einen plötzlichen Spannungsimpuls, also einen abrupten Spannungsanstieg, umzuwandeln. Zum Einsatz kommt das Bauteil häufig in der Steuerelektronik von Energiesparlampen. Ein Diac wird oft auch als bidirektionaler Schalter bezeichnet. Er hat die Anschlüsse Anode 1 und Anode 2 (A1 und A2).
Der Triac ist ähnlich aufgebaut wie der Diac. Er besitzt aber einen zusätzlichen Anschluss, das Gitter bzw. Gate. Der Begriff Triac ist eine Abkürzung für den englischen Begriff »Triode alternating Current«, also Triode für Wechselstrom. Diese Bezeichnung deutet auf die Verwendung der Bauteile im Wechselstrombereich hin. Im Gegensatz zu einem Thyristor wird der Triac in beide Stromflussrichtungen elektrisch leitend, wenn am Gate ein Stromimpuls erfolgt. Auch er bleibt so lange elektrisch leitend, bis die Betriebsspannung unter die Haltespannung absinkt.
Leuchtdioden sind im Grunde nichts anderes als herkömmliche Dioden, die Licht abgeben, wenn sie von einem elektrischen Strom durchflossen werden. Sie arbeiten in Durchlassrichtung wie herkömmliche Dioden. Allerdings muss der Stromfluss durch einen Vorwiderstand begrenzt werden, da die Leuchtdiode sonst sehr schnell überlastet und damit zerstört wird. Leuchtdioden gibt es in vielen Farben und mit sehr hohen Lichtstärken. Sie sind heute aus der Beleuchtungstechnik kaum noch wegzudenken. Leuchtdioden, kurz LEDs (Light Emitting Diodes), besitzen ebenfalls eine Anode (Pluspol) sowie eine Kathode (Minuspol). Der Anschlussdraht für die Anode ist meist etwas länger als der für die Kathode, sofern es sich um ein neues Bauteil handelt, das noch nicht eingesetzt wurde. Außerdem ist die Kathodenseite bei runden LEDs meist etwas abgeflacht.
Abbildung 1.7: Leuchtdioden in verschiedenen Farben und Formen
Die integrierte Schaltung, kurz IC