2. Bauteilkunde

2.1 Anschlussklemmen

Um die 230 V Netzspannung auf die Platine zu bringen und die 5 V Gleichspannung von der Platine nutzen zu können, benötigt man Anschlussklemmen. Gerade bei Netzteilen, die beweglich sein sollen, ist es wichtig, gut zugängliche und sichere Anschlussklemmen zu haben. Dies sind in diesem Lehrgang Schraubverbindungen, die die Kupferader mit Aderendhülse eines Kabels einklemmen können.

Es ist hierbei wichtig auf die Stromtragfähigkeit und Spannungsfestigkeit der Anschlussklemmen zu achten. Die unten dargestellte zweipolige Anschlussklemme ist beispielsweise nicht für 230 V ausgelegt. Auf dieser Seite der Platine wird die Verwendung einer dreipoligen Anschlussklemme empfohlen.

Abbildung: Schraubklemme für die Ausgangsspannung, Quelle: BBS 2 Wolfsburg

2.2 Transformator

Ein grober Einstieg in den Transformator lässt sich hier nachlesen.

Abbildung: Schaltzeichen eines Transformators, Quelle: BBS 2 Wolfsburg

Ein Transformator ist ein elektrisches Bauelement, dass in seiner einfachsten Ausführung aus zwei Spulen auf einem gemeinsamen Eisenkern besteht. Er soll eine Eingangsspannung, die an den Klemmen der Primärseite angelegt wird, zu einer beliebigen Ausgangsspannung an den Klemmen seiner Sekundärseite transformieren. Das Verhältnis der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung entspricht in etwa dem Verhältnis der Anzahl der Wicklungen der Primärspule zu der Anzahl der Wicklungen der Sekundärspule. Dieses Verhältnis wird im Allgemeinen auch als Übersetzungsverhältnis ü bezeichnet.

•    N₁: Anzahl der Wicklungen der Primärspule
  
•    N₂: Anzahl der Wicklungen der Sekundärspule
•    U₁: Spannung an der Primärseite
•    U₂: Spannung an der Sekundärseite
  

Eine weitere Eigenschaft eines Transformators ist, dass er eine sogenannte galvanische Trennung verursacht. Das heißt, dass der Transformator den Stromkreis an seiner Primärseite und den an seiner Sekundärseite nicht elektrisch verbindet, es jedoch trotzdem zum Signal oder Leistungsaustausch kommen kann.

Das passiert im Transformator indem der Stromfluss durch die Spule an der Primärseite ein Magnetfeld verursacht. Da der Wechselstrom seine Richtung immer wieder ändert, vertauscht sich auch die Polarität des Magnetfeldes im Eisenkern im gleichen Rhythmus. Das Magnetfeld im Eisenkern induziert dann eine Spannung an der Sekundärseite, welche die gleiche Frequenz wie die Spannung an der Primärseite hat.

Es ist sehr wichtig, die Primärseite und Sekundärseite nicht zu verwechseln, da sonst eine Spannung, die runter transformiert werden soll, auf einmal hoch transformiert wird. Dadurch kann aus den 230 V nicht die gewünschten 5 V sondern um die 2000 V entstehen, die äußerst gefährlich für Menschen und Bauteile sind.

Abbildung: Transformator mit einem Ausgang,  Quelle: BBS 2 Wolfsburg

Deswegen ist der Transformator, der in dem Lehrgang verwendet werden soll, eindeutig mit "0 - Pri - 230 V" für die Primärseite und "0 - Sec - 5 V" für die Sekundärseite beschriftet. Das Symbol neben der Frequenzangabe steht für die galvanische Trennung der Primär- und Sekundärseite.

2.3 Gleichrichter und Dioden

Gleichrichter sind Bauteile aus Dioden, die verhindern sollen, dass der Stromverlauf negative Anteile hat. Das einfachste Beispiel für einen Gleichrichter ist eine einzelne Diode. Man bezeichnet diese dann als Einweggleichrichter.

Abbildung: Schaltzeichen einer Diode, Quelle: BBS 2 Wolfsburg 

Abbildung: Diode, Quelle: BBS 2 Wolfsburg 

Man kann Dioden in "Durchlassrichtung" oder in "Sperrrichtung" in einen Stromkreis einbauen. Wie die Namen schon nahelegen, hat die Diode damit die Eigenschaft, den Strom in eine Richtung passieren zu lassen, während er in die andere Richtung nicht fließen kann.

Daher muss man, wenn man Dioden in einer Schaltung einbauen will, dringend auf die richtige Richtung achten. Denn wenn über der Sperrrichtung der Diode eine zu große Spannung anliegt, kann diese durchschlagen und auch in Sperrrichtung leitend werden. Für weitere Hinweise zum richtigen Verschalten von Dioden lesen Sie den Kurs zum Thema "Diode".

Durch so einen Einweggleichrichter kann der negative Anteil einer Sinusspannung einfach "abgehackt" werden. 

Abbildung: Schaltzeichen eines Gleichrichters, Quelle: BBS 2 Wolfsburg

Ein Brückengleichrichter bestehen aus 4 Dioden und kann den negativen Anteil von Spannungsverläufen so umlenken, dass dieser ebenfalls als positiver am Ausgang anliegt. Dadurch kann eine viel bessere Leistungsübertragung stattfinden als durch den Einweggleichrichter. 

Abbildung: Brückengleichrichter, Quelle: BBS 2 Wolfsburg

Deswegen werden wir für den Bau des Netzteils einen Brückengleichrichter verwenden. Er ist ein 4-poliges Bauteil. Jeder der Pole ist beschriftet. Zwei sind mit " ~ "  beschriftet. Diese sind die Eingänge für den Wechselstrom. Die beiden anderen Pole sind jeweils mit " + " und " - " beschriftet. Diese sind die Ausgänge für die ausschließlich positive pulsierende Spannung.

2.4 Kondensatoren

Abbildung: Schaltzeichen eines Kondensators, Quelle: BBS 2 Wolfsburg

Der Kondensator ist ein Bauteil, das Energie in Form eines elektrischen Feldes temporär speichern kann. Wegen dieser Eigenschaft wird er oft zur Glättung von pulsierenden Spannungen genutzt. Die gespeicherte Ladung pro Spannung wird Kapazität genannt und hat die Einheit Farad. Außerdem kann der Kondensator die Schaltung vor kurzzeitigen Leistungsspitzen schützen. 

Ein Kondensator besteht aus zwei leitfähigen Elektroden und einem isolierendem Dielektrikum. Das elektrische Feld entsteht zwischen den beiden Elektroden, also im Dielektrikum. Das Dielektrikum hat damit direkten Einfluss auf die Stärke des elektrischen Feldes und damit auf die Kapazität des Kondensators. Die genaue Funktionsweise des Kondensators kann in dem Kurs "Kondensator" nachgelesen werden. Dort wird auch besonders auf die Strom- und Spannungsverläufe bei verschiedenen Kapazitätswerten eingegangen. 

Für den Bau des Netzteils wird ein Elektrolytkondensator (kurz Elko) verwendet, der einen klar definierten positiven und negativen Pol hat. Es ist wichtig, dass der Elko mit richtiger Polung angeschlossen wird, da sonst dieGefahr besteht, dass das Dielektrikum beschädigt wird und der Kondensator damit unbrauchbar wird.

Abbildung: Kondensator, Quelle: BBS 2 Wolfsburg

Das Bild zeigt einen der zu verbauenden Elkos. Er ist dimensioniert für eine Betriebsspannung bis 50 V und hat eine Kapazität von 470 μF. Seine Kathode (Minuspol) ist an dem schwarzen Streifen mit den Minus-Symbolen zu erkennen. Neben dem abgebildeten Elektrolytkondensator wurde ebenfalls ein 47 μF Elektrolytkondensator und ein 100 nF Keramikkondensator verwendet. Der Keramikkondensator dient dazu kurzfristige Bedarfsspitzen, für die der lineare Spannungsregler zu träge ist, auszuregeln.

2.5 Spannungsregler

Auch "Linearregler"

Abbildung: Schaltzeichen eines Spannungsreglers, Quelle: BBS 2 Wolfsburg

Der Spannungsregler ist das komplexeste Bauteil der Schaltung. Er besteht zum größten Teil aus mehreren Transistoren, die so verschaltet sind, dass die Spannung so konstant wie möglich gehalten wird. 

Der in dem Kurs verwendete Spannungsregler hat drei Anschlüsse. Wenn man von der Beschriftung aus auf die Anschlüsse sieht, sind diese 1. Input - 2. GND und 3. Output. Zwischen dem Input und dem GND-Anschluss soll die Eingangsspannung liegen und zwischen dem Output und dem GND Anschluss soll die Ausgangsspannung liegen.

Abbildung: Spannungsregler, Quelle: BBS 2 Wolfsburg

Für einen genauen inneren Aufbau kann man das Datenblatt online einsehen. Im Datenblatt sind auch die minimale und maximale Ein- und Ausgangsspannung vermerkt.

2.6 Widerstand

Für einen Überblick über den inneren Aufbau des Widerstandes und die genaue Funktionsweise des Widerstands ist der Kurs "Widerstand" empfehlenswert.

Abbildung: amerikanisches und europäisches Schaltzeichen eines Widerstands , Quelle: BBS 2 Wolfsburg

Widerstände sind eines der einfachsten und meist verbreiteten elektrischen Bauteile. Ihre Haupteigenschaft ist, dass sie bei einer Spannungsversorgung den Strom, der durch sie fließen kann, reduzieren. Deswegen bietet es sich an für sensible Bauteile einen Vorwiderstand zu dimensionieren, damit auf keinen Fall ein zu hoher Strom fließen kann, der das Bauteil eventuell beschädigen könnte.

Abbildung: Widerstand, Quelle: BBS 2 Wolfsburg

Der Wert des Widerstandes kann bei solchen verdrahteten Widerständen den Farbringen entnommen werden. Dieser Widerstand hat zum Beispiel den Wert von 1000 Ω ± 5% Abweichung.

2.7 Leuchtdiode

auch "LED"

Abbildung: Schaltzeichen einer LED, Quelle: BBS 2 Wolfsburg

Eine LED (englisch: Light emitting diode) ist ein einfaches, jedoch sehr sensibles Bauteil. Als Diode hat sie auch eine Durchlass- und eine Sperrrichtung. LEDs haben einen festgelegten Arbeitspunkt für Spannung und Strom und sollten deshalb bei Gleichspannung betrieben werden.  Da LEDs, wenn sie einer zu hohen Stromstärke ausgesetzt sind, sehr schnell kaputt gehen können, dimensioniert man sehr oft einen passenden Vorwiderstand. Das kann man sehr einfach durch die Werte des Arbeitspunktes der Diode (Spannung U_LED und Strom I_LED aus dem Datenblatt) und der Versorgungsspannung U ausrechnen.

Da die LED aus einer Diode besteht, ist es auch hier sehr wichtig, sie mit der richtigen Polung in den Stromkreis zu bauen. Man kann herausfinden, welcher der Pole die Kathode (Minus-Pol) und die Anode (Plus-Pol) ist, indem man in die LED hinein guckt. Dort erkennt man, wie die Pole zu einer größeren Platte und einer kleineren Platte laufen. Der Pol der mit der größeren Platte ist die Kathode und der Pol mit der kleineren Platte die Anode. 

Abbildung: LED, Quelle: BBS 2 Wolfsburg

Alternativ, wenn man die LED noch nicht gekürzt hat, sind die Anschlüsse auch unterschiedlich lang. Der kürzere Anschluss ist dann die Kathode und der längere die Anode.