# Einführung in Elektrotechnik .bigger_font[ ## Handlungsziele 1. Sicherer Umgang mit Elektrizität 1. Den Unterschied zwischen Strom und Spannung beschreiben können 1. Zu wissen, wieso ein Stromkreis geschlossen sein muss ] --- # Elektrotechnik-Basics .bigger_font[ Ein Ausflug in die Grundlagen der Hardware und dessen Physik ## Inhalt 1. Grundbegriffe Spannung, Strom, Widerstand 1. Stromkreis 1. Erhaltungssätze (Kirchhoff) 1. Aktive und passive Bauelemente (Widerstand, LED, Transistor) ] ??? Keine Angst, wir werden dazu keine komplizierten Formeln behandeln --- # Elektrisches Potenzial und Spannung (U) Jeder Punkt im Raum hat ein elektrisches Potenzial (Vergleichbar mit Druck oder Temperatur) - Das Potenzial ist ein Mass für die Menge an einem Punkt vorhandener geladener Ladungsträger. - Ladungsträger sind Elektronen (negativ) oder Ionen (positiv geladen). - Ein einzelnes Elektron besitzt eine Ladung von -1,602 ⋅ 10
-19
C (Coulomb) - Herrscht an einem Punkt ein Überschuss von negativ geladenen Ladungsträgern, dann hat dieser Punkt ein niedriges Potenzial .row[ Der Unterschied zwischen zwei Potenzialen wird elektrische Spannung genannt. Spannung wird in der Einheit Volt (V) gemessen. ] --- # Elektrischer Strom (I) Unterschiedliche elektrische Potenziale (z. B. die beiden Pole einer Batterie) haben den Drang sich gegenseitig auszugleichen. - Dieser Ausgleich kann nur stattfinden, wenn ein Leiter diese Potenziale verbindet - Ein Leiter ist ein elektrisch leitfähiges Material wie z. B. Metall - Ist dazwischen ein Isolator (z. B. Luft, Glas, Kunststoff) findet kein Austausch statt - Im Leiter fliessen dabei Ladungsträger von einem Potenzial zum anderen (Vergleichbar mit Luftmolekülen beim Wind) - In den allermeisten Fällen fliessen dabei Elektronen .row[ Der Fluss von Ladungsträgern wird elektrischer Strom genannt. Strom wird in der Einheit Ampere (A) gemessen. ] --- # Elektrische Leistung (P) und Energie (E) .row[ Elektrische Leistung, gemessen in Watt (W), ist das Produkt von Spannung und Strom - P = U ⋅ I Leistungsangabe z. B. bei der Kaffeemaschine, Staubsauger, PC Netzteil ] .row[ Energie ist gleich Leistung mal Zeit. Gemessen in Wattstunden (Wh) oder Joule (J): - E = P ⋅ t = U ⋅ I ⋅ t Z. B. Energieverbrauch beim Stromzähler oder Energieinhalt von wiederaufladbaren Batterien ] --- # Elektrischer Widerstand (R) Die Materialeigenschaften eines Leiters bestimmen, wie viele Ladungsträger transportiert werden können. Diese Eigenschaft wird elektrischer Widerstand genannt. .row[ Der elektrische Widerstand ist definiert als das Verhältnis von Spannung zu Strom: - R = U / I ] → Je kleiner der Widerstand, je grösser der Strom Wenn dieses Verhältnis konstant ist, sagt man, dass dieses Material ein ohmscher Widerstand ist (z. B. alle Metalle) --- # Stromkreis und elektrische Schaltung Potenziale die sich einfach so ausgleichen, damit sie ausgeglichen sind, sind langweilig! Was uns in der Elektrotechnik interessiert ist, was wir mit diesem Stromfluss machen können. - Der Strom soll auf seinem Weg elektrische Arbeit verrichten. - Wir lassen ihn dazu durch eine elektrische Schaltung fliessen. Damit z. B. eine Batterie ihr Potenzial aufrecht erhalten kann, müssen die Ladungsträger wieder zu ihr zurückfliessen. - Wir müssen also einen **Stromkreis** aufbauen mit den beiden Potenzialen der Batterie und unserer Schaltung dazwischen. --- # Stromkreis und elektrische Schaltung [](../img/Elektrischer Stromkreis.jpg) Das elektrische Schema ist **die** Dokumentation einer Schaltung. --- # Erhaltungssätze (Kirchhoff) Aus dem physikalischen Grundgesetz der Energieerhaltung folgen zwei Erhaltungssätze: - Maschensatz - In jeder geschlossenen Masche ist die Summe der Spannungen 0 V - Knotzensatz - In jedem Knoten ist die Summe der Ströme 0 A --- # Maschensatz [](../img/kirchhoffs-law-voltage.jpg) --- # Knotensatz [](../img/kirchhoffs-law-current.png) --- # Bauelemente: Quellen Eine elektrische Quelle ist ein Bauelement, dass einen Potenzialunterschied erzeugt und über längere Zeit Ladungsträger bereitstellen kann. Dies geschieht immer durch Umwandlung einer physikalischen Energieform in elektrische Energie ## Beispiele von gebräuchlichen Quellen - Batterie und wiederaufladbare Batterie (Akkumulator) - Generator im Kraftwerk oder Dynamo am Fahrrad - Solarzelle - Brennstoffzelle - Peltieelement [](../img/Quellen-symbole.gif) --- # Bauelemente: Widerstand Ein Bauelement, der Widerstand, mit wohl definierter Eigenschaft, dem Widerstand. [](../img/Widerstand-symbol.jpeg) ## Folgende Bauelement sind gebräuchlich - Der Widerstand ist fix vorgegeben → Festwiderstand - Der Widerstand ist einstellbar → Potentiometer - Der Widerstand ist abhängig von einer anderen Grösse → Abhängiger Widerstand - Z. B. abhängig von der Temperatur → PTC, NTC - Z. B. abhängig vom Lichteinfall → LDR - Z. B. abhängig vom mechanischen Zug (Dehnung) → Dehnmessstreifen ??? Die deutsche Sprache kann hier etwas verwirrend sein. Auf englisch z. B. separate Wörter für die Eigenschaft (Resistance) und das Bauelement (Resistor) --- # Bauelemente: Kondensator Der Kondensator kann eine wohl definierte Menge elektrischer Energie (Kapazität) speichern. Er ist daher ein bisschen vergleichbar mit einer kleinen Batterie. ## Folgende Bauelement sind gebräuchlich - Die Kapazität ist fix vorgegeben → Kondensator - Tantal- und Elektrolytkondensatoren müssen mit korrekter Polung eingebaut werden - Die Kapazität ist einstellbar → Drehkondensator - Die Kapazität ist abhängig von einer anderen Grösse wie z. B. Luftdruck (die meisten Mikrofone) [](../img/Kondensator-symbole.png) --- # Bauelemente: Diode Durch eine Diode können Elektronen nur in eine Richtung fliessen (im Gegensatz z. B. zu Metallen) - So zu sagen ein "Einweg Ventil" .col6[ [](../img/diode-symbol.png) ] .col6[ [](../img/Diodenkennlinie.jpg) ] ??? Dioden werden aus Halbleitermaterialien wie Silizium gebaut. Wichtig zu sehen ist, dass die Spannung über der Diode fast konstant ist. Unabhängig vom Strom durch die Diode Die Baugrösse und Typ der Diode bestimmt den maximalen Strom. Sonst wird sie zerstört. --- # Bauelemente: Light Emitting Diode, LED Im Prinzip wie eine gewöhnliche Diode aber im Unterschied wird Licht abgestrahlt, wenn die LED von Strom durchflossen wird. [](../img/LED Kennlinie.jpg) --- # Bauelemente: Light Emitting Diode, LED LEDs senden nur Licht einer bestimmten Farbe (Wellenlänge) aus. Die Farbe hängt vom verwendeten Halbleitermaterial ab. [](../img/LED Wellenlänge.jpg) ??? Weisse LEDs bestehen meistens aus einer Blau leuchtenden LED und einer gelb leuchtenden Phosphorschicht. Die Phosphorschicht wird von der blauen LED zum Leuchten angeregt. --- # Bauelemente: Transistor Mit Transistoren kann ein Strom gesteuert werden → So zu sagen ein "Steuerbares Ventil". Beispiel NPN Transistor: - Dieser besitzt drei Anschlüsse: Basis (B), Collector (C), Emitter (E) - Der kleine Strom zwischen Basis und Emitter (Ib) Anschluss beeinflusst den grossen Strom zwischen Collector und Emitter (Ic) .col3[ [](../img/transistor-symbol-npn.png) ] .col9[ [](../img/transistor-kennlinie.png) ] ??? In Kennlinie zeigen wie - digital Betrieb (Schalter) - analog Betrieb (Verstärker) Wie bei den Dioden ist der maximale Strom durch Typ und Baugrösse bestimmt. Es gibt noch andere Transistoren die leicht anders anzusteuern sind. Integrierte Schaltungen (ICs, Chips, Käfer) bestehen so gut wie ausschliesslich aus Transistoren und Dioden. --- # Erste Schaltung planen: LED mit einer Batterie versorgen Zur Erinnerung: - Die Spannung über einer LED ist so gut wie konstant - Dioden (somit auch LEDs) werden zerstört wenn zu viel Strom durch sie hindurch fliesst Frage: Wie schliesse ich eine LED an eine Batterie, mit höherer Spannung als die LED, ohne sie zu zerstören? -- Antwort: Wir müssen den Strom durch die Diode begrenzen. - Wir benötigen also ein zusätzliches Bauelement, dass den Strom limitiert - Ein Festwiderstand erfüllt genau diese Aufgabe ??? So, genug mit der Theorie, jetzt wollen wir endlich etwas bauen! -- [](../img/LED Vorwiderstand Schema.png) --- # Erste Schaltung dimensionieren: Vorwiderstand für LED berechnen Wie gross muss der Widerstandswert für diesen Vorwiderstand sein? Das können wir mit dem Maschensatz herleiten: .col6[ [](../img/LED Vorwiderstand Schema.png) ] .col6[ [](../img/LED Vorwiderstand Formel.jpeg) ] .row[ Wie hoch der Strom durch die LED sein darf, können wir dem LED Datenblatt entnehmen. Übliche kleine LEDs können mit bis zu 20 mA betrieben werden. ] --- # Elektrische Sicherheit .center[ [](../img/Achtung-Hochspannung.jpg) ] .center[ **Strom kann töten!** ] ??? Jeder von ihnen wird gehört haben, dass man nicht in die Steckdose greifen soll. --- # Wirkung von elektrischem Strom im Menschlichenkörper [](../img/Auswirkungen von Berührungsstrom.jpg) --- # Die Gefahr von elektrischer Spannung .col6[ [](../img/Widerstand-Mensch.gif) ] .col6[ **Spannungen die höher als 50 V sind, können Ströme verursachen die für einen Mensch tödlich sein können!** Regel: - Ein elektrisches Gerät gilt als gefährlich, bevor nicht das Gegenteil gezeigt wurde ] .row[ - Wenn immer möglich, schalten sie ein Gerät aus, bevor sie Messungen durchführen. - Kontrollieren sie die Betriebspannung eines Gerät oder Messen sie vorsichtig nach - Arbeiten sie an einem Arbeitsplatz der durch einen Fehlerstromschutzschalter (FI) geschützt ist. ]