Elektronik

Da wir für unser Projekt elektronische Bauteile verwenden, müssen wir uns auch mit Stromkreisen und Elektronik beschäftigen. Aber keine Panik! Du musst nichts auswendig lernen! 😮‍💨 Du kannst später immer auf diese Seite zurückkehren, um dir wieder etwas ins Gedächtnis zu rufen.

Hier sind also einige Begriffe, die dir bei der Arbeit mit Elektronik öfter über den Weg laufen werden:

Spannung (V)

Die (elektrische) Spannung ist eine grundlegende Größe der Elektrotechnik. Sie kann vorhanden sein, ohne dass Strom fließt und gibt einfach gesagt die “Stärke” einer Spannungsquelle an. Du kannst es dir wie eine gespannte Feder vorstellen, die darauf wartet, den Strom zum Fließen zu bringen, wenn man einen Schalter umlegt oder ein Gerät anschließt.

Stromstärke (A/mA)

Die (elektrische) Stromstärke gibt die Menge an elektrischer Energie an, die pro Zeit durch eine Leitung fließt. Das ist wie die Menge an Wasser, die durch einen Schlauch fließt, wenn man den Wasserhahn leicht oder sehr aufdreht.

Leistung (W/mW)

Mit der elektrischen Leistung ist hier das Produkt aus Spannung und Stromstärke gemeint und kann beispielsweise beschreiben, wie viel Hitze ein elektronisches Bauteil abgibt. Man kann die Leistung auch als Menge an Energie angeben, die pro Sekunde von einem Gerät umgewandelt oder übertragen wird.

Leiter

Damit Strom fließen kann, benötigt man einen Leiter. Dies ist meist ein Material aus Metall (z.B. Kupfer, Aluminium, Silber oder Stahl), oft in Form eines Kabels oder gedruckter Leiterbahnen auf einer Platine. Generell kann man jedes Material als Leiter bezeichnen, welches Strom in halbwegs ungehinderter Form durchlässt, ohne nennenswerte Leistung aufzunehmen.

Um den Stromfluss an bestimmten Stellen zu verhindern, werden isolierende Materialien verwendet, z.B. als Ummantlung eines Kabels. Ein nicht-isoliertes Kabel könnte bei Berührung mit der Haut oder anderen Metallen den Stromfluss unkontrolliert umleiten. Als Nichtleiter oder Isolator versteht man jeden Stoff, der den Strom nicht nennenswert durchfließen lässt, z.B. viele Kunststoffe, Keramik, Glas oder Porzellan.

Es ist wichtig, dass du darauf achtest, dass nicht-isolierte Teile eines Kabels oder Bauteils nicht mit anderen in Berührung kommt, da sonst unerwünscht Strom fließen kann.

Spannungsquelle

Obwohl die Begriffe der Stromquelle und Spannungsquelle in der Elektrotechnik unterschiedliche Bedeutung haben, wird der Begriff Stromquelle im Folgenden vereinfacht als die Quelle zur Lieferung des elektrischen Stromes mit einer bestimmten Spannung verwendet. Dies kann sowohl ein (Strom-)Generator, eine Solarzelle, eine Batterie, ein Akku aber auch das Stromnetz sein. Üblicherweise wird bei jeder Stromquelle die anliegende Spannung mit angegeben, z.B. 1,5V bei einer AA-Batterie. Stromspeicher wie Akkus oder Batterien werden oft zusammen mit ihrer Kapazität genannt, welche eigentlich die Ladungsmenge meint und oft in Amperestunden Ah (oder mAh) angegeben wird.

Wir verwenden in unserem Projekt den USB-Port des Computers als Spannungsquelle. Der USB-Port hat eine Spannung von 5V.

Stromkreis

Strom kann nur in einem geschlossenen Kreis fließen, d.h. eine Strecke, die beim Gleichstrom vom Pluspol zum Minuspol (auch Erde genannt) einer Stromquelle führt. Innerhalb dieses Stromkreises liegen ein oder mehrere elektrische Bauteile (z.B. Glühlampe, Motor), die eine bestimmte Funktion erfüllen. Ist ein Stromkreis an irgendeiner Stelle unterbrochen, fließt kein Strom mehr.

Aufbau einer Schaltung

Normalerweise werden die Bauteile von elektronischen Schaltungen möglichst robust miteinander verbunden, damit keine ungewollten Kurzschlüsse auftreten können. Dafür werden die Anschlussstellen meist mit weichem Metall (Silber- oder Bleilegierung) verlötet und ergeben somit eine leitende und sehr stabile Verbindung.

Experimentiert man aber viel oder will eine Schaltung öfter umbauen, so ist ein Verlöten umständlich und mit erhöhtem Zeitaufwand verbunden und so kann man sich einer lötfreien Technik bedienen: dem Steckbrett (=Breadboard). Hier werden die Bauteile in ein Raster von teilweise verbundenen Leitungen gesteckt.

Wichtig: Die Stromquelle sollte immer erst dann angeschlossen werden, wenn der restliche Aufbau der Schaltung fertig und geprüft ist!

Kurzschluss

Als Kurzschluss wird ein Zustand bezeichnet, in welchem der Stromfluss dort stattfindet, wo er nicht stattfinden sollte. Dies kann vor allem bei hohen Spannungen und Stromstärken zu sehr gefährlichen Situationen führen, z.B. elektrischer Schock beim Menschen oder Explosionen und Brände bei Anlagen oder Geräten.

Wasser in Verbindung mit gelösten Salzen (Leitungswasser und v.a. Meerwasser) kann ebenfalls zu einem recht guten Leiter werden, daher sollte jegliche offene Elektrik und Elektronik von Feuchtigkeit und Wasser ferngehalten werden.

Es ist aber wichtig zu wissen, dass wir hier mit maximal 5 Volt arbeiten und keine Gefahr für den Menschen besteht. Dennoch sollte man bei Projekten mit Strom vorsichtig sein. Wenn es zum Beispiel durch falsches Anschließen der Bauteile zu einem Kurzschluss kommt, dann können Bauteile anfangen zu brennen und womöglich eine größeren Schaden anrichten.

Wichtig: Niemals beide Pole einer Stromquelle direkt miteinander verbinden, da dies zu einem Kurzschluss führt!

Elektronische Bauelemente

Elektronische Bauelemente (auch Komponente genannt) sind zentraler Bestandteil einer elektrischen Schaltung, die verschiedene Eigenschaften und Funktionen besitzen. Jedes Bauelement besitzt meist genau eine Funktion, kann aber aus unterschiedlichen Bauteilen zusammengesetzt sein. Jedes Bauteil gibt es oft in unzähligen verschiedenen Ausprägungen und Varianten. Manche der Komponenten sind direkt beschriftet, jedoch sind sie meist zu klein, um alle Eigenschaften darauf abzubilden. Dafür wird oft ein sogenanntes Datenblatt vom Hersteller zur Verfügung gestellt, welches in umfangreicher Form über Zweck, Verwendungsarten, Leistungspotential und Eigenschaften informiert. Datenblätter sind für Laien oft nicht leicht zu lesen, stellen aber z. T. essentielle Daten zur Verfügung, die ausschlaggebend für das Gelingen einer elektronischen Schaltung sind.

Die Bauteile, die wir verwenden, haben meist mehrere Anschlüsse, die wir hier kurz erklären möchten. Diese Anschlüsse können als Anschlussstift (elektronische Metallstifte) oder als Stecker vorliegen:

• der Pluspol wird mit ”+” gekennzeichnet
• der Minuspol wird mit ”-” oder G gekennzeichnet
• Anschlüsse für Analog- und oder Digitalsignale (werden im nächsten Abschnitt erklärt)

Multimeter

Bei Multimetern handelt es sich um universell einsetzbare Messgeräte für ganz unterschiedliche Arten von elektrischen Messungen. Man kann damit beispielsweise Spannungsmessungen, Widerstandsmessungen und Strommessungen durchführen.

Ein Multimeter besteht aus:

• einem Display zum Ablesen des Messwertes
• einen Drehschalter: Zur Auswahl der Messgröße
• zwei oder mehr Buchsen zum Anschluss der Leitungen mit Prüfspitzen
• zwei Leitungen mit Prüfspitzen (rot und schwarz), diese werden in die Buchsen gesteckt, die Prüfspitzen stellen die elektrische leitende Verbindung vom Gerät zum Testobjekt her

Mehr Informationen zur Verwendung des Multimeters findest du unter Debugging mit dem Multimeter.

Analog- und Digitalsignal

Ein Analogsignal kann stufenlos veränderliche Werte annehmen, während ein Digitalsignal nur eine begrenzte Anzahl von diskreten Werten annehmen kann, in der Regel 0 und 1.

Ein wichtiger Unterschied zwischen analogen und digitalen Signalen ist die Art der Übertragung. Analogsignale werden durch eine stufenlose, kontinuierliche elektrische Welle übertragen, während digitale Signale diskrete, elektrische Impulse verwenden.

Wir werden mit beiden Arten von Signalen in unserem Projekt arbeiten.

Die Erklärungen wurden zum Teil übernommen von elektro.turanis.de.