Elektronik für Informatiker

Eine Einführung in Analoge und Digitale Systeme für Informatiker mit Elektronikgrundlagen und Signalverarbeitung

Prof. Dr. Stefan Bosse

Universität Koblenz - Praktische Informatik

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Stefan Bosse - ADS - Modul A Grundlagen Elektronik ::

Grundlagen Elektronik

Schaltzeichen

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Stefan Bosse - ADS - Modul A Grundlagen Elektronik :: Elektrischer Strom und Widerstand

Elektrischer Strom und Widerstand

Unter elektrischem Strom verstehen wir:

Gerichteter Transport elektrischer Ladung durch bewegliche Ladungsträger (z.B. Elektronen) in einem Medium. Die physikalische Einheit der Stromstärke ist Ampere (A).

Ein Medium setzt dem Stromfluss einen bestimmten Widerstand entgegen. Dieser lässt sich durch den spezifischen Widerstand ρ des jeweiligen Mediums ausdrücken.

Goßner, 2011 Wertebereich des spezifischen Widerstandes von Medien

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Stefan Bosse - ADS - Modul A Grundlagen Elektronik :: Elektrische Spannung

Elektrische Spannung

Unter elektrischer Spannung verstehen wir:

Vereinfacht: Die Differenz zwischen der "Menge" von Ladungsträgern, d.h. Ladungsüberschuß gegenüber Ladungsmangel. Eine Spannung kann aus einer Anziehung resultieren: Positive und negative Ladungen oder Ladungsdofferenz mit dem Bestreben diese auszugleichen. Daher ist die Spannung eine Kraft und der "Antrieb" für den Stromfluss. Die physikalische Einheit der el. Spannung ist Volt (V).

Zusammenfassend:

  • Die elektrische Spannung ist die Kraft auf freie Elektronen.
  • Die elektrische Spannung ist die Ursache des elektrischen Stroms.
  • Die elektrische Spannung entsteht durch einen Ladungsunterschied.
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Stefan Bosse - ADS - Modul A Grundlagen Elektronik :: Elektrische Spannung

Elektrische Spannung

Physikalisch

Schematisch

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Stefan Bosse - ADS - Modul A Grundlagen Elektronik :: Gleichstrom, Gleichspannung, Wechselstrom, Wechselspannung

Gleichstrom, Gleichspannung, Wechselstrom, Wechselspannung

  • Elektrischer Strom ist das Fließen von Elektronen.
    • Bewegen sich die Elektronen immer in die gleiche Richtung, so spricht man von Gleichstrom. Gleichstrom ist ein zeitlich konstanter Strom. Er wird durch eine Gleichspannung bewirkt.
    • Wechseln die Elektronen regelmäßig ihre Richtung der Fortbewegung, so spricht man von Wechselstrom. Bei Wechselstrom ist der Strom eine Funktion der Zeit.
    • Wechselstrom wird durch eine Wechselspannung bewirkt.

Ein Beispiel für eine Gleichspannungsquelle ist die Taschenlampenbatterie (Niedrigspannung). Die Steckdose im Haushalt stellt eine Wechselspannungsquelle dar (Hochspannung, nach VDE > 48V).

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Stefan Bosse - ADS - Modul A Grundlagen Elektronik :: Leiter und Isolatoren

Leiter und Isolatoren

Es ist eine Erfahrungstatsache, dass bestimmte Stoffe den elektrischen Strom nicht leiten und andere Materialien ihn mehr oder weniger gut leiten. Nach ihrer elektrischen Leitfähigkeit klassifiziert, unterscheiden wir:

  • elektrische Leiter,
  • Halbleiter und
  • Nichtleiter oder Isolatoren.

Damit ein elektrischer Strom in einem bestimmten Material fließen kann, muss dieses Material eine elektrische Leitfähigkeit besitzen. Voraussetzung für eine elektrische Leitfähigkeit ist das Vorhandensein von frei beweglichen Ladungsträgern in dem Material.

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Stefan Bosse - ADS - Modul A Grundlagen Elektronik :: Schaltungsnetzwerke

Schaltungsnetzwerke

Wir kennen aus der Mathematik oder Informatik Funktionen die ein Eingabe E auf eine Ausgabe A abbilden, d.h. ein Programm ist eine Funktion f(E): E → A.

  • Informatorische Systeme haben einen Ein- und einen Ausgang, man spricht auch vom Datenfluss.
  • In der Informatik unterscheiden wir zustandslose (rein funktionale) und zustandsbehaftete (speicherorientierte) Systeme.
  • Speicherorientierte Systeme haben einen Zustand S der auf historischen - also vergangenen - Daten beruht, und es gilt f(E,S): E × S → A × S'.

Eine Elektronikschaltung ist ein Netzwerk aus elektronischen Komponenten (ein Graph) das weder Eingänge noch Ausgänge kennt. Diese werden durch eine Anwenung zugewiesen!

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Stefan Bosse - ADS - Modul A Grundlagen Elektronik :: Schaltungsnetzwerke

Schaltungsnetzwerke

Ein elektronische Netzwerk (Schaltung) besteht aus:

  • Komponenten, die Knoten des Graphens

    • Zweipole (also zwei Anschlüsse), wie Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten (Spulen), Dioden
    • Vierpole (mit drei oder vier Anschlüssen), wie Transistoren oder Transformatoren (zwei Spulen mit gemeinsamen Kern)

  • Verbindungen, die Kanten, die die Knoten verbindet.

  • Teilnetze: Kanten, Kanten mit einem Knotenpunkt (Masche)
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Stefan Bosse - ADS - Modul A Grundlagen Elektronik :: Schaltungsnetzwerke

Schaltungsnetzwerke

  • Teilnetze sind durch eine elektrische Spannung U (relativ zu einem Bezugspunkt) und einem fliessenden eletrischen Strom I gekennzeichnet.

Eine elektronische Schaltung (Ausschnitt) mit Komponenten (Zwei- und Vierpole), Kanten und Knotenpunkte, die die Teilverbindungsnetzwerke und Maschen bilden (nummeriert 1-4).

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Stefan Bosse - ADS - Modul A Grundlagen Elektronik :: Schaltungsnetzwerk

Schaltungsnetzwerk

Ein elektrisches Netzwerk

  • ist eine modellhafte Abbildung einer elektrischen Schaltung,

  • die aus einfachen, idealen Netzwerkelementen besteht und

  • der Beschreibung und Berechnung einer realen Schaltung oder eines Schaltungsentwurfs dient.

Elektrisches Netzwerk
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Stefan Bosse - ADS - Modul A Grundlagen Elektronik :: Schaltungsnetzwerk

Schaltungsnetzwerk

Für lineare Netzwerke gilt:

  • der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung bzw. zwischen den Eingangs- und den Ausgangsgrößen ist linear,
  • sie umfassen ausschließlich lineare Netzwerkelemente und
  • es gilt das Superpositionsprinzip.
Lineares Elektrisches Netzwerk
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Stefan Bosse - ADS - Modul A Grundlagen Elektronik :: Schaltungsnetzwerk

Schaltungsnetzwerk

Für nichtlineare Netzwerke gilt:

  • der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung bzw. zwischen den Eingangs- und den Ausgangsgrößen ist nichtlinear,
  • sie beinhalten mindestens ein nichtlineares Netzwerkelement (Halbleiter).
Nichtlineares Elektrisches Netzwerk
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Stefan Bosse - ADS - Modul A Grundlagen Elektronik :: Widerstände

Widerstände

Festwiderstände

Festwiderstände kommen in elektrischen Schaltungen sehr häufig vor, sie bestimmen (begrenzen) Strom- und Spannungswerte und dienen dazu, den Arbeitspunkt eines Transistors oder der ganzen Schaltung zu bestimmen.

Einstellbare Widerstände

Neben den Festwiderständen gibt es noch die einstellbaren Widerstände. Sie werden auch Potentiometer oder Trimmpoti genannt. Der Nennwert (Ω) ist fast immer in Zahlen aufgedruckt und ist der maximale Wert, der eingestellt werden kann.

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Stefan Bosse - ADS - Modul A Grundlagen Elektronik :: Widerstände

Widerstände

Lichtabhängige Widerstände

Fotowiderstände (LDR), sind Halbleiterbauelemente (siehe auch Halbleiter), deren Widerstand bei Lichteinfall abnimmt (Widerstand wird kleiner). Sie arbeiten stromrichtungsunabhängig und können sowohl für Gleichspannung als auch für Wechselspannung eingesetzt werden.

Temperaturabhängige Widerstände

Der Temperaturabhängige Widerstand verändert seinen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur. Er kann als Kaltleiter (PTC = positiver Temperatur-Coeffizient) oder Heißleiter (NTC = negativer Temperatur-Coeffizient) ausgelegt sein. Beispielsweise sind die meisten Metalle Kaltleiter.

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Stefan Bosse - ADS - Modul A Grundlagen Elektronik :: Widerstandsnetzwerke

Widerstandsnetzwerke

Reihenschaltung