Title

class: center, middle

# Elektrotechnik und Elektronik Grundlagen:

Keine Angst vor Strom

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# Abgrenzung: Elektrotechnik

Elektrotechnik umfasst viele Bereiche.

Klassisch hauptsächlich Energietechnik und Antriebstechnik.

Heute aber vor allem auch Elektronik, Nachrichtentechnik, Automatisierungstechnik, Gebäudetechnik und Gerätetechnik.

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# Abgrenzung: Elektronik

Klassisch war die Elektronik eher die Arbeit mit elektronischen, analogen und digitalen Schaltkreisen.

Heute ist sie übergreifend in vielen Bereichen der Elektrotechnik enthalten.

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# Schaltplankunde

.center[![Reihenschaltung](reihen-parallel.svg)]

.license[CC0 1.0 by Saure]

* Beschriftung
* Spannungsquelle
* Widerstand

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class: split-40

# Strom, Ladung, Elektronen?

* elektrischer Strom ist der Transport elektrischer Ladungssträger
  * Stromstärke: `$I[A] = \frac{Q[C]}{t[s]}$`
  * Ist für sich kein Äquivalent zu Leistung/Energie

bedeutet:

Bewegen sich Teilchen mit einer Ladung von 5 Coulomb in 10 Sekunden durch einen Leiter, so fließt ein Strom von `$I = \frac{5\ C}{10\ s} = 0.5\ A$`

.column[
![Reihenschaltung](reihen-parallel.svg)
]
.column[
* Physikalisch gesehen bewegen sich Ladungsträger von - zu +
* Strom fließt durch einen Leiter
* Innerhalb eines unverzweigten Stroms ist die Stromstärke und Richtung überall gleich
* In einem Knoten ist die Summe aller Ströme 0:
  * `$I_0 - I_1 - I_2 = 0 \Longleftrightarrow I_0 = I_1 + I_2$`
]
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class: split-40

# Spannung, Potenzial

* elektrische Spannung ist die "Stärke" der Ladungsträger des Stromes
  * Spannung: `$U[V] = \frac{W[J]}{Q[C]}$`
  * Quasi der "Tritt in den Hintern der Ladungen"

bedeutet:

Haben die Teilchen mit der Ladung von 5 Coulomb die Fähigkeit, eine Arbeit von 10 Joule zu verrichten, so beträgt die Spannung `$U = \frac{10\ J}{5\ C} = 2\ V$`

.column[
![Reihenschaltung](reihen-parallel.svg)
]
.column[
* Spannung "liegt zwischen Knoten im Schaltkreis an"
* Wird in einem Schaltungselement Arbeit verrichtet, so verringert sich das Potential des Stromes
  * Spannung fällt ab
  * Man spricht von Potentialdifferenzen
* Die Summe aller Spannungen in einer Masche ist 0:
  * `$U_0 + U_1 + U_2 = 0 \Longleftrightarrow U_0 = -U_1 -U_2$`
]

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class: split-40

# Ladung, Zeit, Arbeit, Spannung und Strom?

... da gibts doch nen Zusammenhang!

Der Widerstand bestimmt den Zusammenhang zwischen Spannung und Strom in jedem Teil des Schaltkreises:
.column[
$$ R[\Omega] = \frac{U[V]}{I[A]} $$
$$ U[V] = R[\Omega] \cdot I[A] $$
$$ I[A] = \frac{U[V]}{R[\Omega]} $$
]
.column[
![](widerstand_strom_spannung.gif)

.license[Quelle: https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0201113.htm]
]

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# Widerstand als Eigenschaft von Bauelementen

elektrischer Widerstand eines Bauelementes hängt von physikalischen Eigenschaften ab:
* Materialstärke
  * Draht in verschiedenen Durchmessern
* Material
  * Leitfähigkeit
* Temperatur
  * Glühbirne
  * Temperatursensor
* Lichteinstrahlung
  * Lichtabhängiger Widerstand

... leider nicht bei modernen Bauelementen wie LEDs und komplexen Schaltungen wie "Handies", "Computer".

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# Exkurs: Messen von Strom und Spannung

![:scale 100%](VoltmeterSymbol.svg)

.license[CC BY-SA 3.0 Raster by Robert J. Rademacher
Vector by User:Booyabazooka]

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# Das Steckbrett (Breadboard)

![:scale 95%](breadboard-connections.png)

.license[CC BY-SA 3.0 Andreas B Mundt]

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# Die LED

Light Emitting Diode

![:scale 20%](leds.jpg)
![:scale 25%](Ledwhitecharcurp.png)

.license[links: CC BY-SA 3.0 Daniel Ryde, Skövde 2004-08-24]
.license[rechts: CC BY-SA 2.5 https://de.wikipedia.org/wiki/Benutzer:Anton]

![:scale 35%](led-fritzing.jpg)
![:scale 35%](led-schaltplan.png)

.license[links: http://www.kreativekiste.de]
.license[rechts: http://www.kreativekiste.de]

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# Vorwiderstand einer LED

![:scale 25%](Ledwhitecharcurp.png)
![:scale 35%](led-schaltplan.png)

.license[links: CC BY-SA 2.5 https://de.wikipedia.org/wiki/Benutzer:Anton]
.license[rechts: http://www.kreativekiste.de]

* Kennlinie sehr steil, also kleine Spannungsänderung führt zu großer Stromänderung
* stabiles Einstellen des Arbeitspunktes: Vorwiderstand erforderlich
  * (Oder Betrieb mit Konstantstromquelle)

`$U_S = 12\ V$`
`$U_f = 2\ V$`
`$I = 0.02\ A$`

`$R = \frac{U}{I} = $`
--
`$ \frac{U_S - U_f}{I} = \frac{12\ V - 2\ V}{0.02\ A} = 500\ \Omega $`

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class: split-40
# Reihen- und Parallelschaltung

.column[
![:scale 105%](reihen-parallel.svg)
]
.column[
`$U_0 = 12\ V$`

`$R_1 = R_2 = 470\ \Omega$`

`$U_1 = ?\ V$`

`$U_2 = ?\ V$`

`$R_{Ersatz} = ? \Omega$`

`$I_1 = ?\ A$`

`$I_2 = ?\ A$`

`$I_0 = ?\ A$`

`$R_{Ersatz} = ? \Omega$`
]

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class: split-40
# Reihen- und Parallelschaltung

.column[
![:scale 105%](reihen-parallel.svg)
]
.column[
* Reihenschaltung
  * Widerstände werden addiert `$R_{ges} = R_1 + R_2$`

* Parallelschaltung
  * Gesamtwiderstand ist kleiner als der kleinste Widerstand
  * `$R_{ges} = \frac{1}{\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}}$`
  * Spezialfall: Widerstände sind gleich groß, N Stück parallel `$R_{ges} = \frac{R}{N}$`
]

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# Der Spannungsteiler (Potentiometer)

![](Potentiometer_with_load.svg)

.license[CC BY-SA 3.0  Wikimedia DesbWit, Omegatron]

`$U_{R_L} = \frac{R_2 \cdot R_L}{R_1 \cdot R_L + R_2 \cdot R_L + R_1 \cdot R_2} \cdot U_S \Longleftrightarrow U_{R_L} = \frac{1}{1 + \frac{R_1}{R_2} + \frac{R_1 \cdot R_2}{R_2 \cdot R_L}} \cdot U_S$`

`$\lim\limits_{R_L \to \infty} U_{R_L} = \frac{R_2}{R_1 + R_2} \cdot U_S$`

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# Wie sterbe ich durch Strom?

Töten tut die Stromstärke, nicht die Spannung
* Stromstärke ab ~25 mA (Wechselstrom) bzw. ~130 mA (Gleichstrom) kann Kammerflimmern auslösen

Es gibt keine genauen Grenzwerte. Gefahr steigt bei
* Implantaten
* Herzschrittmachen
* Frauen

Schutzkleinspannung: Per Definition "sichere" Spannung
* verschiedene Schutzklassen
* z.B. 120V Gleichspannung, 50V Wechselspannung

Sicher somit
* Hohe Spannung, niedriger Strom (Feuerzeugpiezo)
* Niedrige Spannung
* Hohe Spannung, hoher Strom, extrem kurze Zeit (wenige Mikrosekunden)

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class: split-40
# Lebensretter: Fehlerstromschutzschalter

* Auch RCD, oder RCCB (Residual Current operated Circuit-Breaker) oder älter, FI (Fehler-I, Fehler-Strom) Schutzschalter

.column[
![:scale 75%](rcd.JPG)

.license[CC BY-SA 3.0 Wikimedia Dmitry G]
]
.column[
* Löst aus, wenn herein- und herausfließender Strom sich nicht zu 0 addieren
* Typischer Auslöse-Differenzstrom: 30 mA
  * Vergleiche: Typischer Leitungsschutzschalter ("Sicherung"): 16000 mA
]
![:scale 60%](rcd-fault.png)

.license[Unknown - https://diy.stackexchange.com/questions/81075/rcd-tripping-with-fault-on-live-wire-only/81077]
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# Der Kondensator

![:scale 50%](2000px-Plate_Capacitor_DE.svg.png)

.license[CC BY-SA 3.0 Wikimedia Cepheiden]

* Kapazität Formelzeichen: C
* Einheit: F (Farad)
* Zusammenhang: `$C = \frac{Q[C]}{U[V]}$`

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# Kondensator: Lade- und Entladevorgang

![](400px-Schaltung_Kondensator_Entladevorgang_Bsp2.png)

.license[GNU Lizenz für freie Dokumentation, Wikibooks Benutzer Rfk]

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# Der Gleichrichter
![](Halfwave.rectifier.en.svg)

.license[Public Domain, Wikimedia Petr.adamek]

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# Der Transistor
![:scale 50%](Bipolartransistor.svg)

.license[GNU Free Documentation License, Cepheiden at wikimedia]

* Basis, Kollektor und Emitter
* NPN/PNP je nach Polarität
  * NPN: Basis- und Kollektor haben höheres Potential in Bezug auf Emitter
* Verstärker: kleiner Basis Strom führt zu großem Kollektorstrom
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# Transistorgrundschaltung: Emitterschaltung

![:scale 45%](Inverter.png)

.license[GNU Free Documentation License, Wikipedia SteveK]

* Verstärkungsfaktor: `$\beta$` oder `$h_{FE}$`
* Kollektorstrom: `$I_C = I_B \cdot \beta $`

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# Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung
![:scale 75%](Breitbandverstärker.GIF)

.license[Public Domain, Herbertweidner at de.wikipedia]