Crashkurs "Elektronik für IoT-Anwendungen" (Teil 2 von 3)

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Crashkurs "Elektronik für IoT-Anwendungen"

Standen im ersten Teil dieses vorbereitenden Crashkurses für IoT-Architekten die Gesetze von Ohm und Kirchhoff im Vordergrund, beschäftigt sich der vorliegende zweite Teil mit Kondensatoren, Induktoren, Dioden und Transistoren.

Aus meinem gymnasialen Schülerdasein blieben mir vor allem die riesigen Kondensatoren in Erinnerung, die aus zwei Metallplatten bestanden. Einmal forderte uns der Physiklehrer auf, das Zimmer schnell zu verlassen, nachdem eine grüne Flüssigkeit vom Kondensator auf den Tisch tröpfelte. Es war ein kleiner Aprilscherz eines Mitschülers.

Ein älteres Modell eines Kondensators (Bild: wikipedia.org)

Sehr anschaulich waren die Messungen. Je größer der Abstand beider Platten, desto schwächer die aufgenommene Ladung. Je größer die Plattenflächen, desto höher die gespeicherte Ladung. Aber auch das Material zwischen den Platten war entscheidend für die Kapazität. Vielleicht erinnern Sie sich noch an die materialabhängige Dielektrizitätskonstante.

Wenn das Rücklicht einer per Dynamo angetriebenen Fahrradbeleuchtung trotz fehlender Bewegung noch ein bis zwei Minuten weiter leuchtet, steckt garantiert ein Kondensator dahinter. Platziert man einen Kondensator in eine geschlossene Stromschleife, schwillt dessen Spannung bis auf die Versorgungsspannung an. Danach kann der Kondensator als Energiespeicher für eine Zeit Strom liefern.

Die Kapazität errechnet sich als C = Q/U wobei Q die Ladung und U die Spannung ist. Die Einheit der Ladung ist Farad. Typische Kapazitäten bewegen sich im Pico- bis Nanobereich.

Verschiedene Varianten von Kondensatoren. Die dosenartigen sind Elektrolytkondensatoren, die man mit der richtigen Polung einbauen sollte (Bild: wikipedia.org)

Elektrolytkondensatoren schauen aus wie Cola-Dosen, müssen richtig gepolt werden, Keramikkondensatoren haben meist eine braune Tropfenform und lassen sich beliebig einsetzen. Das negative Ende von Elektrolytkondensatoren ist durch ein Minus auf dem Zylinder deutlich markiert. Wird ein solcher Baustein falsch herum eingebaut, kann es durchaus zu kleinen Stichflammen kommen.

Entladung eines Kondensators (Bild: wikipedia.org)

Die Zeit zur Ladung bzw. Entladung eines Kondensators in einem geschlossenen Stromkreis mit Stromversorgung, Widerstand und Kondensator ist direkt von der Zeitkonstante T = R x C bestimmt. In der Zeit T (ent)lädt sich der Kondensator zu 62,3 Prozent. In einer weiteren Zeitdauer T (ent)lädt sich der Rest zu weiteren 62,3 Prozent usw. Ist der Kondensator einmal geladen, fließt kein Strom mehr, weshalb der Widerstand gleichsam unendlich ist.

In der Zeitkonstante R x C erfolgen weitere 62.3% Ladung

Ganz nebenbei

An dieser Stelle möchte ich noch weitere Informationen zu Stromkreisen nachreichen:

  • Die Stromstärke I errechnet sich aus: I = dQ/dT. Es handelt sich um die transportierte Ladung pro Sekunde.
  • Für Gleichstrom ist die elektrische Leistung P = U x I. Wegen Ohm (U = R x I) gilt aber auch: P = R x I^2 beziehungsweise P = U^2 / R.
  • Die Energie W errechnet sich demzufolge aus P x T = U x I x T.
  • Bei Widerständen findet sich eine Leistungsangabe, meistens ein Achtel bis zu einem Watt. Diese Angabe spezifiziert die maximale Leistungsaufnahme des Widerstands. Bei 9 V und Widerstandswert 330 Ohm ergibt sich aus obiger Formel P = 9^2/330 W ~ 0.25 Watt. Ein konventioneller 330-Ohm-Widerstand mit einem Viertel Watt Leistungsangabe macht also beim Anschluss an eine 9-V-Blockbatterie keine Probleme. Bei einem Widerstand mit einem Achtel Watt würden wir den Widerstand und damit die Schaltung in gleicher Konstellation ruinieren.

Wofür, weshalb, warum

Wir wissen bereits, dass Kondensatoren als Puffer-Batterien eingesetzt werden könnten. Das ist aber bei weitem nicht alles. Wenn ein Signal mit hoher Frequenz (= mit einer weit unter der Zeitkonstante R x C liegenden Periodendauer) durch einen Kondensator und einen Widerstand transportiert wird, dann kann der Strom ungebremst fließen. Der Kondensator offeriert minimale Gegenwehr, weshalb die Spannung fast komplett am Widerstand abfällt. Entnimmt man das Ausgangssignal am Widerstand, bekommt man bei hohen Frequenzen das Eingangssignal durchgereicht. Bei kleinen Frequenzen schwillt der Widerstand des Kondensators auf nahezu unendlich an, weshalb an der Widerstandkomponente 0 V gemessen werden.

Mit anderen Worten: Eine RC-Schaltung mit Ausgangssignal am Widerstand lässt hohe Frequenzen passieren, fängt aber niedrige ab. Damit haben wir einen Hochpassfilter.

Kondensator und Widerstand als High Pass Filter (Bild: wikipedia.org)

Nehmen wir das Ausgangssignal hingegen am Kondensator ab, werden niedrigfrequente Signale durchgereicht, hohe Frequenzen aber nicht. Fertig ist der Tiefpassfilter.

Wozu das in einer Gleichstromanwendung wichtig ist: Wegen gegenseitiger Beeinflussung gibt es unter Umständen Zeiten, in denen ein Signal zwischen 0 und 1 fluktuiert. Deshalb könnten wir in einem Eingangspin 1 lesen, obwohl 0 anliegen soll, oder umgekehrt. Verwenden wir hier ein RC-Glied am Eingangspin, lässt sich dieses Fluktuieren unterbinden. Der Kondensator glättet insofern Signale.

Ein Kondensator hat des Weiteren einen dynamischen Widerstandswert, wie wir festgestellt haben, die sogenannte Impedanz.

Induktion

Es gibt eine weitere Komponente mit Impedanz, die Spule bzw. den Induktor. Wir wissen aus der Physik, dass ein fließender Strom ein Magnetfeld erzeugt. Wir wissen aber auch, dass durch Bewegen eines Leiters durch ein Magnetfeld ein Strom induziert wird.

Da wir weiter oben über Fahrradbeleuchtung gesprochen haben: Wir erzeugen den Strom für die Beleuchtung durch ein von uns bewegtes Dynamo. Während ein Kondensator ein elektrisches Feld erzeugt, erzeugt also der Induktor ein magnetisches Feld.

Induktoren gibt es ebenfalls in zahlreichen Varianten (Bild: wikipedia.org)

Spulen (= Induktoren) haben diverse Einsatzmöglichkeiten:

Animation eines Gleichstrommotors (Bild: wikipedia.org)
  • Schickt man Strom durch eine Spule, lassen sich durch das erzeugte Magnetfeld Motoren antreiben.
  • Im Dynamo erzeugen wir durch Bewegung eines Leiters durch ein Magnetfeld Strom.
  • In einem Relais können wir mittels Strom durch eine Spule ein Metallplättchen magnetisch anziehen, und so Schaltkreise öffnen bzw. schließen.
  • In einem Transformator lassen sich durch zwei getrennte, parallel positionierte Spulen abhängig von deren Windungszahlen Spannungen transformieren.

Diode

Wie bei Kondensatoren gilt auch für Induktoren, dass das erzeugte Feld immer der Änderung entgegenwirkt. Stoppen wir zum Beispiel einen Elektromotor, wird Strom induziert, um der Änderung entgegenzuwirken. Der erzeugte Strom bewegt sich also in Gegenrichtung. Ähnliches gilt für das Starten des Motors. Ohne ein weiteres Bauelement könnte dies zum Defekt von Bauteilen führen. Deshalb setzt man gerne Dioden ein, weil sie Strom nur in einer Richtung passieren lassen.

Dioden haben einen deutlich markierten negativen Pol (Bild: wikipedia.org)

Bei Wechselspannung dienen Dioden als Gleichrichter. Auf diese Weise lässt sich Wechselstrom in Gleichstrom transformieren. Dioden sind übrigens pn-dotierte Halbleiterkomponenten. Willkommen in der Welt der Halbleiter. Die Arbeitsweise einer Diode lässt sich am besten anhand ihrer Kennlinie nachvollziehen – es handelt sich um eine Strom-Spannungs-Kennlinie.

Eine Diodenkennlinie mit Durchbruchbereich, Durchlassbereich, und Sperrbereich

Ist die Diode durchlässig, fließt bei kleineren Spannungen zunächst kaum Strom. Erst ab der Schleusenspannung schnellt die Stromstärke in die Höhe.

Bei Benutzung in Sperrrichtung bleibt die Diode zunächst undurchlässig. Es fließt allenfalls ein geringer Leckstrom. Ab der Durchbruchspannung brechen alle Dämme und Strom fließt dann auch in der Sperrrichtung.

Transistoren – Bausteine moderner Elektronik

Transistoren sind das wichtigste Element integrierter Schaltkreise und der Digitaltechnik. Man kann sie grob als variable Widerstände oder Schalter betrachten. Bipolare Transistoren treten entweder als npn-dotierte oder pnp-dotierte Halbleiterkomponenten auf. Röhren bzw. Trioden gelten als ihre Vorfahren.

Auch von Transistoren gibt es zahlreiche Varianten (Bild: wikipedia.org)

In einem bipolaren npn-Transistor legt man an die Basis einen meist kleinen Strom an, wodurch ein Durchgang zwischen Kollektor und Emitter leitend wird. Dabei tritt gleichzeitig eine Verstärkung der Ausgangsstromstärke auf. In einer Darlington-Schaltung werden zwei bipolare Transistoren hintereinander geschaltet, um diesen Verstärkungseffekt zu erhöhen.

Zwischen Kollektor und Emitter kann durchaus eine wesentlich hohe Stromstärke fließen als durch die Basis, weshalb ein Elektronikbaustein mittels Transistor hohe Stromstärken schalten kann.

Liegt an der Basis eines bipolaren Transistors Strom an, wird die Grenzschicht von Collector & Emittier durchlässig => Strom fließt (Bild: wikipedia.org)

Bei Feldeffekttransistoren spricht man übrigens stattdessen von Gate (Basis), Drain (Collector) und Source (Emitter). Im Unterschied zu bipolaren Transistoren schalten Feldeffekttransistoren durch Spannung statt Strom. Sie werden gelegentlich auch als unipolare Transistoren bezeichnet, weil sie nur eine Art geladener Teilchen beeinflussen statt zwei wie bipolare Transistoren. Feldeffekttransistoren bauen ein elektrisches Feld auf, das den Strom von Elektronen verengt oder verbreitert.

Fazit

In diesem Teil haben wir die Grundbausteine kennengelernt, die wir für IoT-Schaltungen benötigen. Der dritte vorbereitende Teil wird den ein oder anderen nützlichen IC-Baustein vorstellen, bevor wir dann das Gelernte in konkreten IoT-Beispielen umsetzen.