Das war's für heute.
Vielen Dank für's Zuhören!
Rein- und Parallelschaltung. Ergänzt um Ohmsches Gesetz und Kirchhofsche Maschenregel.
An Berechnungen braucht man für das Grundverständnis der Elektronik zunächst erstaunlich wenig.
Im Wesentlichen zwei Gesetze samt Formel. Das ist einmal das Ohmsche Gesetz.
Das Ohmsche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung und Strom.
Und da stellt man fest, dass Strom und Spannung zueinander proportionale Größen sind und die Proportionalitätskonstante ist der Widerstand, der elektrische Widerstand R, so dass man zum Ohmsche Gesetz in der bekannten Form kommt, URI, als Merkhilfe Spannung ist Strom mal Widerstand, USR mal I.
Mit diesem Gesetz kann man erstaunlich viele Berechnungen anstellen.
Und das trägt in der
Grundlagen der Elektronik erstmal sehr weit. Ergänzt man das Umschnittgesetz dann noch um eine der Kirchhoffschen Maschenregeln,
dann ist man mit dem Verständnis genauso gut bedient wie mit dem Großteil der Berechnung.
Was sagt die Kirchhoffschen Maschenregel? Ganz einfach, die Summe der auf einen Knoten zu fließenden Ströme ist gleich der aus dem Knoten ab fließenden Ströme.
Anders formuliert, zu fließende Ströme minus ab fließende Ströme ergibt Null.
Das ist nun nicht überraschend, denn Strom kann ja nicht einfach verschwinden.
Und nichts anderes besagt diese Maschenregel.
Das ist insbesondere dann wichtig, wenn es um komplexere Bauteile geht oder um Berechnung innerhalb von Reihen und Parallelschaltungen.
Als Bauteilbeispiel kann beispielsweise der Transistor hergenommen werden.
Wenn man sich da drei Ströme anschaut in die Basis, den Kollektor und den Emitter und die dazugehörigen Spannungen,
dann ist das manchmal hilfreich, wenn man die Maschenregel hernimmt und sich fragt, welcher Strom fließt da wohin und
warum ergeben sich gewisse Zusammenhänge, ob anschaulich oder formeltechnisch formuliert, ist dabei nicht so relevant.
Und da ist die Maschenregel sehr hilfreich.
Also, Umschussgesetz, URI und ...
Kirchhoffschen Maschenregel, Summe der zufließenden gleich Summe der abfließenden Ströme.
Dann kommen wir auch zu den beiden Arten, wie man Bauelemente in der Elektronik verschalten kann, nämlich per Reihen- oder Parallelschaltung.
Hier zunächst der Überblick.
Auf der Folie sehen Sie eine Reihenschaltung, eine Parallelschaltung.
Wichtig ist,
im Hinterkopf zu behalten, ist es, dass eine Reihenschaltung an Spannungsteilern darstellt und auf der Ebene der Logik
oder mit der Schalterschaltung visualisiert einem "und"-Gatter entspricht. Während die Parallelschaltung ein Stromteil darstellt und auf der Ebene der Logik
einem "oder"-Gatter entspricht.
Steigen wir in die Details ein, der Reihenschaltung.
Es ist sehr hilfreich in der Elektronik und der Digitaltechnik sich Zusammenhänge und manchmal auch Schaltungen selbst als Schalterschaltung darzustellen.
Eine Reihenschaltung entspricht dem Hintereinanderschalten von Bauelementen.
Sie sehen hier zwei Widerstände hintereinander geschaltet, in Reihe geschaltet, deswegen dann einmal Reihenschaltung.
Was zwei?
Hintereinander geschalteten offenen Schaltern entspricht, wenn man nun auf der Ebene der Logik sich bewegt.
Elektrisch, elektrotechnisch gesehen stellt die Reihenschaltung einen Spannungsteiler dar.
Und das ist jetzt wichtig, sich ganz klar zu machen, weil das praktisch in jeder Schaltung vorkommt.
Wenn wir die Schaltung betrachten, haben wir zwei Widerstände hintereinander geschaltet, das heißt, es ist klar,
wenn man auf der Ebene der Logik sich bewegt.
Wenn man auf der Ebene der Logik sich bewegt.
Das wenn von links der Strom i in die Schaltung, in die Reinschaltung hinein fließt, fließt er in gleichem Maße durch alle Bauelemente bis zum Ende durch.
Das heißt, der Strom teilt sich nicht auf. Die Spannung aber, wenn sie an den beiden Polen hier messen, also ganz links und ganz rechts, dann haben sie eine Spannung u anliegen, zum Beispiel 5 Volt.
Und die teilt sich in Abhängigkeit von
einigen Faktoren, insbesondere den Widerstand der einzelnen Bauelemente auf die einzelnen in der Reinschaltung verschalteten Bauelemente.
In dem Fall hier sind die beiden Widerstände. Am ersten Widerstand fällt die Spannung U1 ab und am zweiten Widerstand die Spannung U2.
Und es gilt der Zusammenhang, dass die Teilspannung als Summe betrachtet die Gesamtspannung ergeben.
Also hier entsprechend U gleich U1 plus U2.
Ja.
In der Elektrotechnik oder Elektronik besser gesagt, da haben Sie es immer mit Schaltplänen zu tun und das ist gar nicht so ohne, wenn Dinge rotiert sind.
Auf der rechten Seite finden Sie die übliche Darstellung als Spannungsteiler.
Und zwar haben Sie entweder am oberen oder unteren Widerstand an eine Last hängen.
Stellen Sie sich hier zum Beispiel eine Lampe vor oder ein Relais oder irgendwas anderes, halt an eine Last.
Wenn Sie da ein Ersatzschaltbild schalten, haben Sie eine Parallelschaltung.
Hier ist eine Reihenschaltung und wenn das einfach nur als Last gilt, dann liegt für die Last am Widerstand die Spannung U2 an,
während in der kompletten Reihenschaltung die Gesamtspannung U anliegt.
Das heißt, Sie greifen hier über den Widerstand eine Teilspannung U2 von der Gesamtspannung U ab.
Weil das vielleicht für die Last gerade so sinnvoll ist.
Bei der Parallelschaltung verhält es sich genau andersrum zur Reinschaltung.
Dort sind Zweige, wie der Name schon sagt, parallel zueinander geschaltet.
In der Zeichnung haben Sie zwei Widerstände parallel zueinander geschaltet.
Und es sind nicht die Spannungen, die sich hier aufteilen, sondern die Ströme.
Die Spannung, Gesamtspannung U, liegt sowohl an dem oberen Zweig als auch im gleichen Maße unverändert am unteren Zweig an.
Hier nochmal rotiert dargestellt, dann sieht man das vielleicht besser. Solche Rotationen haben große Auswirkungen für das Verständnis.
Es ist aber auch unmittelbar klar, dass an diesen Zweigpunkten hier...
...die Strommenge, die reinfließt oder rausfließt, sich aufzweigt, sich verteilt auf die einzelnen Zweige.
Das heißt, hier fließt die Gesamtstrommenge I hinein und dann geht ein Teil des Stroms nach oben, I1, und ein Teil des Stroms nach unten, I2.
I1 läuft hier über den oberen Zweig, kommt am Knoten wieder an. I2 läuft über den unteren Zweig, kommt am Knoten an.
Und I1 und I2 fließen im Knoten zusammen und dann geben wir die Gesamtstrommenge I, die ursprünglich in die Schaltung, in die Parallelschaltung hineingeflossen ist.
Also I ist gleich I1 plus I2. Ja, das ist die Kirchhoffschen Maschenregel. Nichts anderes besagt hier.
Also, eine Parallelschaltung ist ein Stromteiler, eine Reinschaltung ist ein Spannungsteiler.
Auf Ebene der Logik ist die Reinschaltung ein Ungratter, die Parallelschaltung ein Ungratter.
Oder Gatter. Im wirklichen Leben haben Sie selten reine Reihen oder Parallelschaltungen,
sondern einen Mix. In diesem Beispiel haben wir drei Reinschaltungen vorliegen. Einmal
die beiden Widerstände im Eingangsbereich, Widerstand und Schalter im Ausgangsbereich.
Und Widerstand und Leuchttiode im oberen Zweig sind hintereinander, also in Reihe geschaltet.
Der obere Zweig und der untere Zweig mit dem Widerstand sind aber zueinander parallel geschaltet.
Wenn Sie da jetzt ein Ersatzscheibbild zu bauen würden, würden Sie hier raus einen,
aus dem linken Zweig einen Widerstand machen.
Hier wird es so bleiben und aus dem oberen da können Sie, das würden Sie auch so lassen.
Das heißt, Sie haben hier Parallelschaltung, Reinschaltung, Reinschaltung, Reinschaltung.
Das ist der Normalfall und Ersatzschaltbilder helfen oftmals die Komplexität zu reduzieren
und die Grundstrukturen wieder zu erkennen.