Elektronik. Elektronik FRANZIS. Der leichte Einstieg in die. Der leichte Einstieg in die Elektronik FRANZIS. Der leichte Einstieg in die EXPERIMENTE

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1 U1+U :39 Uhr Seite 1 Bo Hanus Der leichte Einstieg in die Elektronik Ein leicht verständlicher Grundkurs mit vielen interessanten Bauanleitungen Dieses ultimative Einsteigerbuch ermöglicht es Ihnen, sich ohne Vorkenntnisse schnell und leicht in der modernen Elektronik zurecht finden. Es hat den Anschein, dass sich die Elektronik im Computerzeitalter zu einer geheimnisvollen Branche entwickelt, die viele Outsider abschreckt, sich eingehend damit zu befassen. Viele Interessenten haben schon aufgrund der verwirrenden Fachwörter Angst vor der nur scheinbar komplizierten Materie. Dabei ist die Elektronik gar nicht so schwierig zu verstehen. Im Gegenteil! Viele interessante Schaltungen weisen Ihnen den Weg zum Verständnis und führen geradewegs zum befreienden Aha-Erlebnis. Der Autor hat bewusst auf theoretische Abhandlungen verzichtet, um den Leser direkt zum Erfolg zu führen. Maßgeschneiderte Bauanleitungen bieten dabei nicht nur entsprechende Erfolgserlebnisse, sondern auch praktische Nutzanwendungen im Alltag. Aus dem Inhalt: Das nötige Grundlagenwissen Wozu eignen sich die nötigen Bausteine der Elektronik? Wie können einfache, preiswerte und nützliche Schaltungen im Selbstbau erstellt werden? Was, wie und womit wird in der Elektronik gemessen? Entwickeln Sie eigene Schaltungen Wie können Schaltungen über den PC angesteuert werden ISBN EUR 29,95 [D] Der leichte Einstieg in die Elektronik FRANZIS EXPERIMENTE Bo Hanus FRANZIS EXPERIMENTE 6. Auflage Der leichte Einstieg in die Elektronik Ein leicht verständlicher Grundkurs mit vielen interessanten Bauanleitungen

2 7 Inhalt 1 Die elektrische Energie Die elektrische Spannung Der elektrische Strom Die elektrische Leistung Die Kilowattstunden Elektrische Leitungen Batterien und Akkus Batteriespannung Batteriekapazität Das Laden Selbstentladung Magnetismus Dauermagnete Zungenschalter (Reed-Kontakte) Elektromagnete Hubmagnete Elektromagnetisches Türschloss Elektromagnetisch bediente Glocke Elektromagnetischer Türgong Elektromagnetische Türklingel Zungenrelais (Reed-Relais) Elektromagnetische Relais Lautsprecher Elektrische Stromgeneratoren Strom aus dem öffentlichen Netz Energie erzeugende Mini-Generatoren Elektromagnetischer Gitarren-Tonabnehmer Elektromagnetisches Mikrofon Elektrodynamisches Mikrofon...64

3 8 Inhalt 6 Solarstrom Fotovoltaik & Solarzellen Temperaturabhängigkeit der Solarzellen Mechanische Eigenschaften der Solarzellen Kühlung der Solarzellen Schutzdioden (Bypass-Dioden) Solar-Wechselrichter Gleichspannung kontra Wechselspannung Messgeräte Voltmeter Amperemeter Ohmmeter Multimeter Richtig messen ist einfach Oszilloskope Der Ohmsche Widerstand Das Ohmsche Gesetz Kodierung von Widerständen Potentiometer Fotowiderstände Kondensatoren Spulen und Drosseln Transformatoren Halbleiterdioden Zenerdioden Gleichrichter Netzgeräte & Netzteile Elektrische Leuchtkörper Leuchtdioden (LEDs) Infrarot-Dioden (IR-Dioden) Elektrische Heizkörper...177

4 Inhalt 9 18 Elektrische Ventilatoren Elektrische Kühlkörper Elektromotoren Schalten in der Elektrotechnik Einfache Schalter Schalten mit Relais Bistabile Relais Kontroll-Glimmlampen Elektronische Lastrelais Sicherungen Drahtloses Schalten Transistoren Integrierte Schaltungen ICs...209

5 23 2 Batterien und Akkus Die Bezeichnung Batterie wird gegenwärtig ziemlich wahllos sowohl für aufladbare als auch für nicht aufladbare Batterien angewendet. Unter dem Begriff Akku (Akkumulator) ist dagegen nur eine aufladbare Batterie zu verstehen. In Batterien entsteht die elektrische Energie durch chemische Vorgänge. Wird z.b. in ein Gefäß mit verdünnter Schwefelsäure (als Strom leitende Flüssigkeit) eine Kupferplatte und eine Zinkplatte getaucht, entsteht zwischen diesen zwei Elektroden ein elektrisches Potential. Die Kupferplatte (Kupfer-Elektrode) ist der Pluspol, die Zinkplatte (Zink-Elektrode) der Minuspol dieser Batterie. Als Batterie-Elektroden werden auch andere Metalle bzw. Materialien verwendet, wie Aluminium, Eisen, Zinn, Gold, Silber, Quecksilber, Lithium, Wasserstoff, Natrium u.a. Eines haben die meisten normalen Batterien gemeinsam: sie sind nicht wieder aufladbar. Der elektrische Strom kann nur so lange bezogen werden, bis nach Ablauf der chemischen Reaktion eine der Elektroden chemisch zersetzt wird. Die Batterie liefert dann keine Spannung mehr (ist leer ). Batterie-Typ: Micro Mignon Baby Mono Block 9 V Abmessungen: H mm H mm H mm H mm mm

6 24 2 Batterien und Akkus Wieder aufladbare Batterien (Akkus) können die elektrische Energie nicht intern erzeugen, sondern nur speichern. Sie müssen daher bereits beim Hersteller aufgeladen, danach vom Anwender nach Bedarf nachgeladen werden. Die gängigsten Akkus sind: a) Bleiakkus (zu denen auch Autobatterien gehören) b) Nickel-Cadmium-(NiCd-) Akkus c) Nickel-Metallhydrid(NiMH-) Akkus d) Lithium-Knopfzellen Bleiakkus kennen wir vor allem als Autobatterien, die für eine Nennspannung von 12 Volt ausgelegt sind. Eine solche Batterie setzt sich aus sechs in Reihe geschalteten Blei-Einzelzellen zusammen, deren Nennspannung je 2 Volt beträgt (6 2 Volt = 12 Volt). Diese 2-Volt-Zellenspannung stellt eine typische Nennspannung eines Bleiakku-Gliedes dar. Kleinere Bleiakkus sind für 6-Volt- und 12-Volt-Spannungen ausgelegt. Die hier abgebildeten Blei-Gel-Akkus verfügen über Kapazitäten zwischen 1,2 Ah (bei 6-V-Nennspannung) und 42 Ah (bei 12-V-Nennspannung). (Foto: ELV.) Die Bezeichnung Nennspannung bezieht sich bei allen Batterien auf einen Spannungswert, der in Wirklichkeit nur stellvertretend für einen breiteren Spannungsbereich repräsentativ ist. So liegt z.b. in Wirklichkeit die tat-

7 1.5 Elektrische Leitungen 25 sächliche Spannung einer aufgeladenen Autobatterie bei etwa 13,8 Volt und einer ziemlich leeren Autobatterie in der Nähe von 10 bis 10,5 Volt (typenabhängig). Dass man eine Autobatterie als ziemlich leer bezeichnen darf, obwohl ihre Spannung z.b. nur auf 10,5 Volt gesunken ist, hat folgende Gründe: Ein jeder Bleiakku ist sehr empfindlich auf die Entladung unterhalb einer so genannten Tiefentladeschwelle. Wenn seine Spannung einmal unter diese Schwelle (bei einem 12-Volt-Akku unterhalb von ca. 10 bis 10,5 Volt) sinkt, wird er intern stark beschädigt bzw. vernichtet. Eine solche Beschädigung ist zwar nicht nach außen sichtbar, aber der Akku hält nach dem Aufladen die in ihm gespeicherte Energie nur noch relativ kurze Zeit (wobei von dem Ausmaß der Beschädigung seine Speicherfähigkeit bzw. Selbstentladung abhängt). Als ziemlich irreführend wirkt sich dagegen der Anspruch auf den Umgang mit einem NiCd-Akku aus: Ein NiCd-Akku liebt es, wenn er mindestens einmal in drei Monaten bis in die Nähe von 0,9 Volt pro Zelle (= um ca. ¼ der Nennspannung) entladen und danach wieder aufgeladen wird. Geschieht dies nicht, wird dieser Akku im Laufe der Zeit faul und lässt sich nicht mehr ordentlich (auf seine volle Kapazität) nachladen. Verantwortlich für diesen Spleen ist bei den NiCd-Akkus ein so genannter Memory-Effekt: der Akku merkt sich, dass er nicht allzu sehr beansprucht wird und stellt sich darauf ein. Das hat so ein NiCd-Akku mit uns Menschen gemeinsam. Sowohl die NiCd- als auch die NiMH-Akkus sind für eine Spannung von 1,2 Volt pro Glied ausgelegt. NiMH-Akkus sind im Vergleich zu den NiCd-Akkus wesentlich strapazierfähiger, weisen eine höhere Kapazität wie auch eine längere Lebensdauer auf und leiden nicht unter dem erwähnten Memory-Effekt. Sie beinhalten zudem keine giftigen Stoffe und gelten daher als umweltfreundlich. Sie setzen sich trotzdem nur relativ langsam durch, da sie noch ziemlich teuer sind.

8 26 2 Batterien und Akkus Wieder aufladbare Lithium-Knopfzellen sind für die Energieversorgung diverser Kleingeräte wie Solar-Taschenrechnern, Armbanduhren, Film- und Fotogeräten zuständig und weisen eine hohe Energiedichte (= hohe Speicherkapazität bei geringem Platzbedarf) auf. Ihre Nennspannung beträgt 3 Volt und ihre Kapazität liegt (größenabhängig) zwischen ca. 25 und 1000 Milliamperestunden (mah). Eine aus dem Rahmen fallende Spezies stellen die limitiert aufladbaren alkalischen 1,5-Volt-Batterien der Type Rayovac dar (Anbieter: Conrad Electronic). Diese Zellen können etwa 25-mal neu aufgeladen werden bzw. verkraften bis zu 100 Ladevorgänge bei regelmäßiger Ladung, die mit einem speziellen Rayovac-Ladegerät vorgenommen wird. Diese Batterien sind vor allem durch die 1,5-V-Zellenspannung interessant, da sie anstelle von nicht wieder aufladbaren 1,5-V-Batterien angewendet werden können.

9 2.1 Batteriespannung Batteriespannung Wird eine höhere Batteriespannung benötigt, als eine einzige Zelle aufbringt, können beliebig viele Zellen in Reihe (in Serie) verschaltet werden. Der Pluspol der einen Batterie muss dabei jeweils mit dem Minuspol der nächsten Batterie verbunden werden. In den meisten Kleingeräten werden die einzelnen Zellen jeweils wie abgebildet gegengepolt eingesetzt, wodurch sich die einzelnen Verbindungen herstellungstechnisch einfacher bewerkstelligen lassen. Nicht nur einzelne Zellen, sondern auch beliebig große Batterien darunter z.b. Autobatterien können in Reihe geschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung zu erhalten. Für eine Reihenschaltung sollten grundsätzlich jeweils Batterien

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