Elektronik-Grundlagen in Experiment und Simulation

von Andreas Thaler

Elektronik-Labor  Projekte  Lernpakete  Grundschaltungen

Die Experimente sind dem Lernpaket “Grundschaltungen der Elektronik“ entnommen, verwenden aber nicht die dort enthaltene Platine, sondern eigene Bauteile und eine Steckplatine.

 

2 Leuchtdioden und Widerstände

2.1 Die LED im Stromkreis
2.2 Rot und Grün
2.3 Mehr Widerstand
2.4 Farbumschalter

 

3 Transistoren und Verstärker

3.1 Transistor-Schalter

3.2 Voll eingeschaltet?

3.3 Mehr Verstärkung

3.4 Alarmanlage

3.5 Gekoppelte Schalter

3.6 Alarmanlage mit Bereitschaftsanzeige


4 Kondensatoren und Zeitschalter
4.1 Laden und Entladen
4.2 Energie sammeln
4.3 Verstärkter Blitz
4.4 Der Blitz-Merker
4.5 Nachlaufsteuerung
4.6 Langsame Entladung


5 Verstärker und Sensoren
5.1 Der Berührungssensor
5.2 Elektrofeldsensor
5.3 Der Lichtsensor
5.4 Ausschalten bei Berührung


6  Arbeitspunkt und Stabilisierung
6.1 Gegenkopplung
6.2 Arbeitspunkt-Stabilisierung
6.3 Arbeitspunkt-Anpassung
6.4 Temperaturkompensation
6.5 Konstantstromquelle

7 Dimmer und Zeitsteuerung
7.1 Gutenacht-Licht
7.2 Ende-Abschaltung
7.3 Kino-Lichtsteuerung
7.4 Touch-Dimmer
7.5 Abend-Licht
7.6 Verzögerter Berührungsschalter


8 Stromspiegel und Temperatursensoren
8.1 Einstellung der LED-Helligkeit
8.2 Temperaturabhängigkeiten
8.3 Mehr Strom
8.4 Weniger Strom
8.5 Temperatur und Verlustleistung
8.6 Lampenstrom-Überwachung


9 Dioden und Sperrschichten
9.1 Die BE-Diode in Durchlassrichtung
9.2 Die BC-Diode leitet
9.3 Die BC-Diode in Sperrrichtung
9.4 Die BE-Diode in Sperrrichtung


10 Flipflops und Blinker
10.1 RS-Flipflop
10.2 Rot/Grün-Flipflop
10.3 Langsamer Blinker
10.4 Schneller Blinker
10.5 Wechselblinker
10.6 Start/Stop-Blinker
10.7 Langsamer Wechselblinker
10.8 Unsymmetrischer Wechselblinker
10.9 Der Bye-Bye-Blinker


„Der Transistor ist – so sagt man zumindest bei uns in Wien ‚a richtige Sau‘ …

… aber wenn man die einmal eingefangen hat, reitet es sich auf ihr gewinnbringend in weitere und aufregende elektronische Abenteuer ;-))“

 

Erst 2019 kam ich zur Elektronik als neues Interessensgebiet. Wie immer ist aller Anfang schwer, aber bei der Elektronik fand ich, trotz aller Bemühungen, einfach den Einstieg nicht. Ich suchte nach Erklärungen auf Wikipedia, las und hatte danach mehr Fragen als vorher. Ich gab Suchbegriffe und Fragen in Google ein, von denen ich annahm, dass ihre zugehörigen Artikel mir beim Verstehen helfen würden. Wie gehen Spannung Strom zusammen? Was ist ein Widerstand? Was bedeutet es, wenn hier „15 Kiloohm“ steht? Wie liest man einen Schaltplan und was wird da überhaupt gezeigt? Was versteht man unter einem Spannungsabfall? Und was ist Masse? Und vieles andere mehr. Aber es brachte mir noch mehr Fragen, Unklarheit, ja sogar Verwirrung und in Summe zu viele Fragezeichen.


Das Thema ließ mir jedoch keine Ruhe. Der Einstieg musste doch auch für mich als Laien zu schaffen sein! Also hin zu Amazon, dort gibt es ja zu allen Themen etwas zu lesen. Was auch stimmte – auf der Suche nach Büchern zur Elektronik kamen seitenweise Buchtitel, viele davon ließen mich auf Erkenntnisgewinn hoffen. Erwartungsvoll lud ich mir Leseproben in die Kindle-App meines iPhone. Die Ernüchterung folgte rasch. Wieder verstand ich Fachbegriffe und Zusammenhänge nicht, war mit unverständlichen mathematischen Formeln konfrontiert und fand letztlich keine Antwort auf die Frage „Wie funktioniert das nun mit dem Strom, wo fange ich an, wer erklärt es mir, Schritt für Schritt?“.

 

Drei Autoren kommen mit ihren Büchern zur Hilfe

Nach weiteren erfolglosen Versuchen, endlich einen Start in die Elektronik zu finden, hatte ich unverhofft ein erstes Erfolgserlebnis. Die Kindle-Leseprobe zum Buch „Elektronik für Dummies“1 von Gerd Weichhaus machte mir Mut. „Suchen Sie einen einfachen Einstieg in die Elektronik?“ las ich in der Buchbeschreibung auf Amazon. Auf jeden Fall! Ich kaufte das Buch und begann zu lesen. Und hurra! Ein Einstieg in das Thema war gefunden! Langsam, gründlich und ohne mich überanstrengen zu müssen, ging ich von Thema zu Thema, die einfache, anschauliche und auch humorvolle Darstellung half mir beim Verstehen und Lernen. Ich begriff zum ersten Mal, wie Strom, Spannung und Widerstand zusammengehen, erkannte das Ohm’sche Gesetz als genial, berechnete anhand einer einfachen Formel den Vorwiderstand für eine LED und wollte das alles nicht nur wissen, sondern auch in der Praxis ausprobieren. Die Experimente, die Gerd Weichhaus in seinem Buch bringt, konnte ich nachvollziehen und sie machten mir Appetit auf mehr.

Was folgte, war eine lange Einkaufsliste bei Conrad – elektronische Bauteile, Werkzeug, Steckbrett, sogar auch eine Lötstation, denn Löten wollte ich unbedingt lernen. Und weitere Bücher kamen in den darauffolgenden Monaten dazu, jetzt schon gezielter ausgewählt.

Eines davon war „Grundwissen Elektrotechnik und Elektronik “2 von Leonhard Stiny. Von allen Grundlagenbüchern zur Theorie, die ich zuvor gesehen hatte, sprach es mich durch seine klare, anschauliche Sprache, Verständlichkeit auch für mich als Laien, und ausführliche Erklärungen am meisten an. Der Autor versteht es, komplexe Inhalte anschaulich zu vermitteln und setzt dabei kein besonderes Vorwissen voraus. Das Buch hinterließ beim Lesen keine Lücken und machte mir auch kompliziertere Zusammenhänge deutlich, so dass ich begann, Elektronik auch theoretisch zu erfassen.  „Der Stiny“ wurde für mich zu einem ständigen Begleiter, den ich noch lange nicht zurück ins Buchregal stellen werde. Als Kindle-Buch erlaubt es - wie auch „Elektronik für Dummies“ - das Markieren und Hinzufügen von Notizen, was mir nicht zuletzt ein bequemes Studium auf der Couch sehr erleichterte.

Sehr viel habe ich auch von den zahlreichen Büchern von Autor Dieter Nührmann profitiert, die ich inzwischen – da nicht mehr aufgelegt - fast alle gesammelt habe. Dieter Nührmann kann durchaus als „Altvater“ aller Hobby-Elektroniker bezeichnet werden. Als Elektronik-Ingenieur publizierte er insbesondere in den 1970er- bis 1990er-Jahren zahlreiche Bücher für Einsteiger und Fortgeschrittene. Klassiker, die auch mir sehr viele Aha-Erlebnisse brachten, sind „Elektronik – leichter als man denkt“3 und „Der Weg zum Hobbyelektroniker“4, alle nur mehr gebraucht - zum Beispiel über ZVAB (Zentrales Verzeichnis Antiquarischer Bücher) - zu erwerben. Dieter Nührmann geht es als ehemaliger Berufsschullehrer praktisch und bildhaft aber auch sehr genau an. Er nimmt den Leser auch sprachlich bei der Hand.

 

Glückliche Zähmung der „Sau“

Nach dem Durcharbeiten aller genannten Bücher verstand ich endlich, wie ein Transistor funktioniert und auch, wie sich damit Verstärkerschaltungen aufbauen lassen, was in der Elektronik schon zum fortgeschrittenen Wissen zählt.


So gelang es mir, den Transistor - „die Sau!“ nach mehreren Anläufen und mit Hilfe kompetenter Autoren erfolgreich in Theorie und Praxis zu zähmen. Denn der Transistor war für mich seit Beginn meiner Beschäftigung mit Elektronik immer ein in der Ferne aufragender Berg, auf dessen Gipfel nur die steile Route durch sein unwirtliches Kennlinienfeld führt. Eine bequeme Abkürzung ihn und seine Funktionsweise zu verstehen, fand ich nicht. Aber es gibt – gerade für Einsteiger - verständliche Beschreibungen und Darstellungen, die dabei sehr helfen. Und die Mühe lohnt sich, denn der Transistor ist wohl das wichtigste Bauteil seit Elektronenbeginn, Voraussetzung und Basis aller modernen Elektronik.

 

Lernpakete und Elektronik-Bausätze helfen weiter

So kam ich im Laufe des letzten und dieses Jahres zu Wissen und praktischer Erfahrung. Nachdem ich die Experimente von Gerd Weichhaus am Steckbrett durchgearbeitet hatte, suchte ich nach weiteren Schaltungen. Rasch entdeckte ich die Lernpakete des Franzis Verlages und damit auch Burkhard Kainkas drei Pakete „Einstieg in die Elektronik“, „Elektronik“ und „Grundschaltungen der Elektronik“5. Neben ausführlichen Anleitungen in Form eines Handbuches kamen alle für die Experimente benötigten elektronischen Bauteile mit. Ich profitierte von meinem bereits erworbenen Wissen und beschäftigte mich über Monate mit den Schaltungen, von denen einige recht knifflig sind, was ich aber als Herausforderung zu lernen, wahrnahm. Ich lernte dazu, lötete daneben Elektronik-Bausätze von Velleman zusammen und wiederholte meine Schulmathematik, um für das Berechnen von Schaltungen und das Einfangen noch kommender Formelmonster fit zu werden. Aktuell bin ich ca. in der Mitte der „Grundschaltungen“ von Burkhard Kainka, die ich hier untersuche und über meine Erfahrungen dabei berichte.

 

Siehe auch Andreas Thaler, Grundlagen des Timers 555: https://www.photrio.com/forum/threads/break-in-the-workshop-focus-on-electronics.207010/post-2807985


Literatur

 

1 Weichhaus, Gerd: Elektronik für Dummies, 1. Aufl., Weinheim: WILEY-VCH, 2018




2 Stiny, Leonhard: Grundwissen Elektrotechnik und Elektronik. Eine leicht verständliche Einführung, 7. Aufl., Wiesbaden: Springer Fachmedien, 2018




3 Nührmann, Dieter: Elektronik – leichter als man denkt. Experimente mit Bauelementen, Strom und Spannung, 1. Aufl. München: Franzis Verlag, 1977

4 Nührmann, Dieter: Der Weg zum Hobby-Elektroniker. Dioden und Transistoren – Halbleiterpraxis leicht gemacht. 3., neu bearb. u. erw. Aufl. München: Franzis, 1984

 


 

Lernpakete von Burkhard Kainka5






www.franzis.de

www.b-kainka.de

 

 

Werkzeug und Material für den Einstieg in die Elektronik

 

Verfügbares Werkzeug und Material für das Arbeiten mit Elektronik sind nahezu unüberschaubar vorhanden. Für den Anfang braucht man aber nicht viel zu beschaffen. Auf dem Bild mein Einstiegsset (von links nach rechts):

·        Batterie mit Anschlusskabel (hier eine 9-Volt-Blockbatterie)
·        Drahtbrückenset zur sicheren Verbindung von Bauteilen auf dem Steckbrett
·        Flachrundzange zum Biegen und Einstecken von Bauteiledrähten in das Steckbrett
·        Seitenschneider zum Kürzen von Bauteiledrähten
·        Steckbrett
·        Pinzette zum Fassen von Bauteilen
·        optional: Pinzette zum Ziehen von Bauteilen (manchmal nützlich, um Bauteile aus dem Steckbrett zu entfernen ohne die Bauteile zu verbiegen)
·        Elektronische Bauteile (je nach Experiment)
·        Unterlage zum Arbeiten


Nicht auf dem Bild zu sehen aber empfehlenswert:

·        Ein stabilisiertes, kurzschlussfestes Labornetzgerät mit einstellbarer Spannungsabgabe und Strombegrenzung ist eine lohnende Anschaffung. Es liefert eine stabile und zuverlässige Spannungsversorgung. Daneben erspart es die Batteriebeschaffung und -entsorgung.

·        Multimeter zum Messen von Spannungen, Strömen und Widerständen. Denn was man berechnet, sollte man zur Prüfung auch nachmessen.

Labornetzgeräte und Multimeter gibt es von sehr preisgünstig bis ordentlich teuer. Ich würde mir zu Beginn solide Geräte zulegen, deren Funktionen man versteht und überblickt. Später kann man immer noch aufrüsten, wobei die bereits vorhandenen Geräte sinnvoll weiterverwendet werden können, zum Beispiel für eine zweite Spannungsversorgung oder gleichzeitige Spannungs- und Strommessung in einer Schaltung.