Elektronische Bauelemente

Kein Elektronikbastler kommt ohne sie aus, denn in der Elektronik dreht sich alles nur um sie: Elektronische Bauelemente. Manche darunter sind richtig robuste Naturen und verarbeiten hohe Spannungen und Ströme. Andere wiederum sind ziemlich sensibel und nehmen manchmal die leiseste Berührung übel.

Weil diese Dinger wirklich interessant sind und weil man viel damit anstellen kann, werde ich mich in der nächsten Zeit hier in lockerer Folge immer wieder mal damit auseinandersetzen.

Zur Einstimmung befasse ich mich heute mit ein paar einfachen kurzgefassten Fakten, die man über elektronische Bauelemente wissen sollte.

Elektronische Schaltungen werden aus einzelnen elektrischen Bauteilen und Baugruppen zusammengesetzt, die man unter dem Namen elektronische Bauelemente zusammen fasst. Dazu gehören auch mechanische, nicht-elektrische Bauteile, wie etwa Lichtwellenleiter, Steckverbindungen und ähnliches.

Elektronische Bauelemente besitzen oft typische Gehäuseformen aus Metall, Keramik, Glas oder Kunststoff und sind meist mit kleinen Anschlussdrähten für die elektrischen Kontakte versehen. Oder wie die neuen SMD-Bauelemente ganz ohne Anschlussdrähte oder -beinchen. SMD-Bauteile tragen die Kontakte direkt auf der Gehäuseoberfläche. Dadurch besitzen Bauelemente dieser Art sehr geringe Abmessungen und können direkt auf den Leiterbahnen der Platine verlötet werden.

Elektronische Bauelemente übernehmen in einer Schaltung die Messung, Veränderung, Steuerung oder Regelung elektrischer Größen.

In der Elektronik-Praxis genügt es zu wissen, wie sich ein elektronisches Bauelement unter bestimmten Bedingungen verhält. Warum es sich so verhält ist zwar interessant aber für das Funktionieren der Schaltung unwichtig.

Elektronikbastler sollten mindestens wissen, zu welchem Zweck elektronische Bauelemente benutzt werden und benötigen zur Schaltungsentwicklung dann nur noch bestimmte Kenndaten.

Zu diesen Kenndaten gehört das Temperaturverhalten und der funktionale Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangssignal der Elektronikbauteile. Mit diesem Verhältnis allein lässt sich die typische Funktion eines elektronischen Bauteils innerhalb eines bestimmten Bereichs bestimmen.

Wer es dann etwas genauer wissen und hinter die Bühne schauen will, muss sich mit etwas mehr Theorie befassen, denn elektronische Bauelemente bestehen aus bestimmten Materialien, deren physikalische Eigenschaften man sich in der Elektronik zunutze macht. Für das genaue Verständnis der Funktionsweise ist deshalb die Kenntnis dieser Eigenschaften wichtig.

Statische Entladung

Manche Elektronik-Bauteile sind empfindlich für statische Entladungen. Davon betroffen sind meist Bauelemente (Feldeffekt-Transistoren, MOSFET, FET), die aufgrund ihres Aufbaus und der verwendeten Materialien einen sehr hohen Innenwiderstand oder Isolationswiderstand aufweisen.

Obwohl elektronische Bauelemente dieser Art heute durch interne Schutzschaltungen vor statischen Entladungen geschützt werden, empfiehlt es sich, vor der Berührung solcher Bauteile statische Aufladungen zu neutralisieren. Es kann schon reichen, gut geerdete Metallflächen an zufassen. Außerdem sollte durch eine leitende Verbindung für einen Potentialausgleich zwischen Arbeitsunterlage, dem eigenen Körper und allen berührenden  Werkzeugen gesorgt werden.

Passive und aktive elektronische Bauelemente

Zur besseren Übersicht teilt man elektronische Bauelemente in passive Bauelemente und aktive Bauelemente ein:

Passive Bauelemente übertragen ein Eingangssignal ohne Verstärkung. Dazu zählen etwa Dioden, Widerstände, Spulen und Kondensatoren und weitere Bauelemente.

Aktive Bauelemente verstärken ein Eingangssignal. Beispiele wären etwa Transistoren und eine Vielzahl Integrierter Schaltkreise (IC).

Außerdem unterscheidet man innerhalb dieser beiden Gruppen noch einmal danach, ob der funktionale Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangssignal linear oder nicht-linear ist. Ein ohmscher Widerstand ist zum Beispiel ein passives Bauelement mit linearem Verhalten: Erhöht man die angelegte Spannung, steigt der durchgelassene Strom im selben Verhältnis.

Ganz anders verhält sich da ein Transistor, wie gesagt, ein aktives elektronisches Bauteil, das ein Eingangssignal verstärken kann: Bleibt das Eingangssignal unter einem bestimmten Wert, ist alles in Ordnung. Das Signal erscheint um einen Faktor X verstärkt am Ausgang. Überschreitet das Eingangssignal allerdings einen bestimmten Wert, verliert der Transistor plötzlich sein lineares Verhalten. Der Verstärkungsfaktor ändert sich, das Ausgangssignal wird verzerrt.

Kenndaten elektronischer Bauelemente

Elektronische Bauelemente verarbeiten also in irgendeiner Weise Eingangssignale, die sie als verändertes Signal wieder ausgeben. Wie man an dem Beispiel des Transistors gut erkennt, ist man dabei oft gezwungen bestimmte Werte einzuhalten.

Damit sie das tun was man von ihnen erwartet, werden elektronische Bauelemente deshalb meistens innerhalb festgelegter Grenzwerte betrieben. Die Grenzwerte findet man in den Tabellen und Diagrammen der Hersteller-Datenblätter.

Welche Daten für die empfohlenen Betriebsbedingungen wichtig sind, ist natürlich von Bauelement zu Bauelement verschieden. Meistens handelt es sich aber um Grenzwerte für Spannung und Strom, das Frequenzverhalten, die Temperaturabhängigkeit und das zeitliche Verhalten eines Bauelements.

Je nach den Erfordernissen der elektronischen Schaltung findet man in den Datenblättern die Bauelemente-Typen mit den erforderlichen Leistungsdaten.

Oft kann man es sich bei der Schaltungsentwicklung aber recht einfach machen, denn für die meisten Anwendungsfälle gibt es Standardtypen. Das sind elektronische Bauelemente, die gewissen festgelegten Mindestanforderungen genügen und deshalb in sehr vielen Schaltungen eingesetzt werden können.

Das hat natürlich entscheidende Vorteile: Diese Bauteile sind in der Regel sehr einfach zu beschaffen und sehr preisgünstig. Solche Bauteile findet man in elektronischen Schaltungen sehr oft unter der Bezeichnung TUN (Transistor Universal Npn), TUP (Transistor Universal Pnp) oder DUG (Diode Universal Germanium) bzw. DUS (Diode Universal Silizium).

Normreihen

Elektronische Bauelemente sind normiert. Die erhältlichen Werte für Widerstände, Kondensatoren und Spulen sind in sogenannten E-Reihen aufgeteilt.

Heute gibt es sieben E-Reihen: E3, E6, E12, E24, E48, E96, E192

Die Zahlen hinter dem E gibt die Aufteilung der Werte innerhalb einer Dekade an.

Für die Elektronikbastelei gebräuchliche E-Reihen sind E12 und E24 mit folgenden Werten:

E12= 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2

E24= 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1

Wird bei der Dimensionierung einer elektronischen Schaltung beispielsweise ein rechnerisch ermittelter Widerstandswert von 350 Ohm benötigt, wählt man aus der Reihe E12/E24 einen vorhandenen Wert aus, der dem Benötigten am nächsten liegt. In diesem Fall 330 Ohm aus E12 oder 360 Ohm aus E24.

Die auf Elektronikbauteilen angegebenen Werte beziehen sich immer auf Normwerte. Jedes elektronische Bauteil weist jedoch Toleranzen auf. Das heißt, der tatsächliche Wert darf bis zu einem gewissen Prozentsatz vom angegebenen Wert abweichen.

Bei der E12-Reihe darf diese Abweichung bis zu 10% betragen, bei der E24-Reihe nur 5%. In der Praxis kann man damit aber gut leben. Müssen es wirklich mal ganz exakte Werte sein, kann man auf die anderen E-Reihen zurückgreifen, denn je feiner die Einteilung der Werte, umso enger werden natürlich die Toleranzen. Bis zu 0,5% bei E192.

Elektronische Bauteile aufbewahren

Durch die Normierung für elektronische Bauelemente wird die Bevorratung und die Aufbewahrung einfacher. Am zweckmäßigsten bewahrt man elektronische Bauelemente, Typ für Typ und Wert für Wert getrennt, in Sortierkästen auf. Das ist übersichtlich und sehr praktisch. Etwas das Sie nicht finden können besitzen Sie nämlich gar nicht ;)

Noch ein Tipp:

Wenn sie sich für Elektronikbastelei begeistern, decken Sie sich nicht gleich zu Anfang mit Widerständen, Kondensatoren und Spulen aller Werte einer E-Reihe ein. Die brauchen Sie nicht.

Im Laufe der Zeit werden Sie feststellen, dass Sie bestimmte Typen und Werte immer wieder und häufiger als andere benötigen. Das sind Ihre “Arbeitspferde”, damit sollten Sie sich nach und nach und zu günstigen Preisen eindecken.

Wie kommt man an elektronische Bauelemente zum Basteln?

Recht einfach ist dafür die Beschaffung elektronischer Bauteile. Elektronikbastler beziehen diese am einfachsten über den einschlägigen Onlinehandel. Die Zahl der Elektronik-Geschäfte in der realen Welt ist leider in den letzten Jahrzehnten mit dem sinkenden Interesse am Elektronik-Hobby drastisch zurückgegangen.

Der Elektronikbastler profitiert dagegen von der Vielfalt der Angebote und der bequemen Einkaufsmöglichkeit im Onlinehandel.