.. der Elektrotechnik Teil 2

Im zweiten Teil der Elektrotechnik-Grundlagen möchte ich ein sehr interessantes Thema aufgreifen, nämlich

Halbleiter

.. hört sich lustig an – ist aber hoch interessant. Als Halbleiter bezeichnet man Materialien (Metalle), die von Ihrer Leitfähigkeit genau zwischen Leitern und Nicht-Leitern liegen. Allerdings nimmt die Leitfähigkeit von Halbleitern bei steigender Temperatur stets zu – man nennt dieses Verhalten auch „Heissleiter“ oder NTC (Negative Temperature Coefficient). Der wohl bekannteste Halbleiterwerkstoff ist Sillicium.

Aus Halbleitern sind Bauteile gefertigt, die moderne Elektronik überhaupt erst möglich machen. Einige dieser Bauteile – und vor allem was man damit macht stelle ich euch hier vor.

(Leucht-) Diode

Eine Diode ist ein Halbleiterbauteil, dass Stromfluss nur in eine Richtung ermöglicht, daher finden Dioden z.B. in Sicherheitsschaltungen oder zur Gleichrichtung eine Aufgabe.

Die wohl bekannteste Bauform einer Diode ist die Leuchdiode – auch LED (das steht für Light emitting Diode) genannt. Grundsätzlich übernimmt die LED die gleiche Funktion wie eine herkömmliche Diode – darüber hinaus kann die LED auch Licht aussenden.

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Auf dem Bild sieht man drei klassische LEDs – ganz links blau emittierend, in der Mitte grün und rechts gelb. LEDs arbeiten mit sehr geringen Spannungen, in den meisten Schaltungen wird zum Betrieb einer LED ein Widerstand in Reihe geschaltet.

Ebenfalls sind die beiden unterschiedlich langen Füßchen der LED zu sehen – das Längere ist die Kathode (Plus), das Kürzere die Anode (Minus). Die LED leuchtet nur bzw. die Diode lässt die Elektronen nur passieren, sofern Kathode und Anode korrekt im Stromkreis angeschlossen sind. Vertauscht man Plus und Minus, sperrt die Diode. Diesen Weg nennt man auch Sperrrichtung.

Eine andere Bauform der Diode ist eine sog. Zehner-Diode (auch Z-Diode genannt). Das besondere an der Z-Diode ist, dass man diese auch in Sperrrichtung betreiben kann, denn ab einer gewissen Spannung (diese wird Schwellspannung genannt), lässt diese Bauform den Stromfluss auch quasi in die falsche Richtung zu.

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Transistor

Der Transistor ist ein weiteres Halbleiterbauteil. Transistoren haben in der Regel drei Anschlüsse

  • Basis
  • Emitter
  • Kollektor/Collector

und werden hauptsächlich in zwei „Bauformen“ unterschieden

  • NPN-Transistor
  • PNP-Transistor

Transistoren dieser Bauform nennen sich Bipolar.

NPNvsPNP

 

Das N steht hierbei für Negative bzw. Negativ, das P für Positive bzw. Positiv.

NPN steht also für Negative – Positive – Negative, doch was heißt das?

Der Transistor besteht quasi aus drei Teilen – jedes Teil davon ist anders, nennen wir es mal, beschichtet. Im Fall eines NPN Transistors ist die Basis – Positiv, Emitter und Kollektor – Negativ. Das ganze nennt man allerdings nicht beschichtet – sondern dotiert.

Hier ein Bild eines NPN Transistors vom Typ BC 546A.

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Das Besondere am Transistor ist, dass auf der Strecke zwischen Kollektor und Emitter so lange kein Strom fließt, wie an der Basis kein Potential anliegt. Ebenfalls spielt die Spannung an der Basis eine Rolle für die Strecke zwischen Kollektor und Emitter. An der Basis gibt es, wie bei der Z-Diode auch, eine Schwellspannung (abhängig vom Material des Transistors), diese liegt üblicherweise bei ca. 0,6 V.

Ab einer Spannung größer 0,6 V nimmt der Widerstand der Kollektor-Emitter Strecke ab – Strom fließt. Der Strom zwischen Basis-Emitter verstärkt den Strom zwischen Kollektor-Emitter.

Im Fall eines NPN-Transistors müsste an der Basis erstmal ein positives Potential (also Plus) angelegt werden, damit die Strecke leitend wird. Der Transistor hat also, genau wie ein Relais, einen Last-Stromkreis (zwischen Kollektor und Emitter) und einen Steuer-Stromkreis (zwischen Basis und Emitter).

Beispiel

Um das ganze einmal zu veranschaulichen habe ich meinen Node MCU mit ESP-Easy ausgepackt. LED und Transistor sind wie folgt angeschlossen

  • Node MCU, GPIO5 (D1)  -> BC 546A Transistor, Basis
  • Node MCU, 3V  -> LED, Kathode
  • LED, Anode -> BC 546A Transistor, Kollektor
  • BC 546A Transistor, Emitter -> Node MCU, Gnd

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Unter ESP-Easy habe ich unter Hardware den GPIO Status von D1 auf Output Low gesetzt – dementsprechend liegt kein positives Potential an der Basis Transistors an.

gpio

Als Device habe ich einen Normal-Switch ausgewählt

switch

Ändert man nun den Status des GPIO von „Low“ zu „High“, liegt eine (positive) Spannung an der Basis des Transistors an. Der Widerstand zwischen Kollektor und Emitter nimmt ab -> 3V fließen vom Node MCU durch die Kathode der LED -> kommen aus der Anode der LED wieder heraus -> fließen durch die Kollektor-Emitter Strecke -> zum GND zurück.

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Siehe da – es werde Licht.

Vorwiderstand

Inbesondere bei (Leucht-)Dioden muss zwingend auf die Betriebsspannung geachtet werden. Dies gilt natürlich auch für alle anderen Halbleiterbauteile – ein Blick ins Datenblatt ist daher vor der Inbetriebnahme immer am Besten.

Wenn ein Bauteil weniger Spannung als z.B. 3V oder 5V benötigt, muss ein passender Widerstand (in Reihe) verwendet werden.

Beispiel: Eine Blaue-LED hat eine Durchlassspannung von 2,9V, Imax ist 50mA. Die Spannungsquelle hat 5V.

Am Vorwiderstand müssen also 2,1 V abfallen. Mit der URI-Formel aus Teil 1 kann man den Widerstand jetzt leicht berechnen.

R = U / I

= 2,1 V / 0,05 A

= 42 Ω

Will man die selbe LED mit 12 V betreiben, so müssen 9,1 V am Widerstand abfallen:

= 9,1 V / 0,05 A

= 182 Ω

Hat die LED nur 1,5 V und wird an 12 V betrieben, müssen 10,5 V abfallen:

= 10,5 V / 0,05 A

= 210 Ω

Bei 5 V

= 3,5 V / 0,05 A

=  70 Ω

Leider kann man im Laden nicht immer den exakt passenden Widerstand erwerben (es sei denn man nimmt ein Potentiometer). Widerstände werden in entsprechenden Normen-Tabellen und Widerstandsreihen unterschieden. In dem Fall der obigen Beispiele nimmt man dann den nächst größeren Widerstand der entsprechenden Reihe.