Grundlagen der Elektrizität

Spannung - Strom - Leistung - Diode - LED - Spannungsregler

Spannung und Strom sind physikalisch betrachtet Ladungen, die sich in einem Leiter ( z.B. Kabel ) bewegen. Sie werden durch eine Spannungs- oder Stromquelle, die an einen Leiter angeschlossen wird in Bewegung gesetzt.
Sie fließen von Minus (Elektronenüberschuss) zu Plus (Elektronenmangel). Dabei stoßen sie auf Atome, die ihnen im Wege sind, und regen diese zum Schwingen an. Da bekanntlich die Wärme ein Schwingen kleinster Teilchen ist, erhöht sich die Temperatur eines normalen Leiters (Metall und Halbleiter) durch einen Ladungsträgerfluss. Diese Wärme lässt sich durch Leistung beschreiben, die der elektrische Strom erzeugt. Beobachten kann man diese Energieumwandlung in einer ganz normalen Glühlampe. Sie erhitzt sich sehr stark, da durch ihren dünnen Glühfaden sehr viele Elektronen "gequetscht" werden, die dabei die Atome dieses Fadens sehr stark zum Schwingen anregen - folglich entsteht Wärme. 

Alle Ladungsträger fließen gleichzeitig mit gleicher Geschwindigkeit gemeinsam durch einen Leiter. 
Diese Allgemeine Geschwindigkeit verstehen wir als Spannung. Je höher die Spannung, desto höher die Geschwindigkeit der Ladungsträger. Bei einer Gleichspannung DC fließen alle Ladungsträger ausschließlich in eine Richtung - von Minus nach Plus. z.B. bei einer Autobatterie. Bei einer Wechselspannung AC wechselt die Polarität der Spannung kontinuierlich in einer bestimmten Frequenz. Hier fließen die Ladungsträger also abwechselnd in beide Richtungen. z.B. bei unserem öffentlichen Stromnetz zu 50Hz. 
Das Volt : Formelzeichen U : Einheit 1 V 

Hier gelten die gleichen Grundsätze wie bei der Spannungsdefinition, mit dem Unterschied, das die Stromstärke durch die Menge der in eine Richtung fließenden Ladungsträger bestimmt wird. 
Das Ampere : Formelzeichen I : Einheit 1 A 

Die Leistung ist die elektrische Energie umgewandelt in einer andere Energieform. 
Sie wird in Drehung, Licht, Elektromagnetische Wellen, Schallwellen, Wärme usw. gewandelt. 
Hierbei spielen die beiden Faktoren Spannung und Strom die Rolle des Energieträgers. 

Das Watt : Formelzeichen P : Einheit 1 W 
Spannung und Strom ergibt Leistung 
Aus dem Produkt Spannung und Strom ergibt sich die Leistung : 
P = U * I
1 W = 1 V * 1 A
Es folgt also, je größer einer der Faktoren U oder I, desto größer die Leistung P. 

Dioden sind Halbleiterelemente die den Strom nur in eine Richtung fließen lassen. Ähnlich einer Einbahnstrasse. Die Dioden können von ihrer Bauform sehr unterschiedlich aussehen. Die meisten sind allerdings in einem typischen runden, oft schwarzem Gehäuse, ähnlich dem eines Widerstandes, untergebracht. Es ist eigentlich fast immer ein Ring aufgemalt, der den Pluspol markiert. Die Diode muss also mit dem Ring in Richtung Pluspol zeigen wenn sie den Strom durchlassen soll. Ein manchmal sinnvoller Effekt einer Diode ist der sog. Spannungsabfall an einer Diode. Dieser beträgt aufgrund der verwendeten Halbleiter 0,7 Volt. Beispiel: an einer Spannungsquelle von 10V wird eine Diode in Flussrichtung betrieben. Die zu erwartende Ausgangsspannung liegt dann bei 9,3V. Eine Diode kann also auch als Spannungsbegrenzer eingesetzt werden. Dioden gibt es in unterschiedlichen Formen, Spannungsfestigkeiten, Stromstärken und Materialien (Silizium und Gallium), letztere wird allerdings nur für eine handvoll spezieller Schaltungen verwendet und spielen für unsere Zwecke keine Rolle.

LEDs sind Licht-emittierende Dioden die in der Praxis mittlerweile in den Farben rot, grün, gelb, blau und 
weiß vorkommen. LEDs sind eigentlich leuchtende Halbleitermixturen. Dadurch ergeben sich mehrere Vorteile:
- geringe Stromaufnahme,
- geringe Hitzeentwicklung,
- extrem hohe Betriebsstunden (<10.000 Std)
- viele Farben erhältlich
- etc.
Es gibt sicher noch ein paar mehr Vorteile wie Größe, Form, usw. aber darauf will ich jetzt nicht eingehen.

LEDs sind also Dioden die leuchten. D.h. für uns in der Praxis, dass Sie auf jeden Fall richtig herum angeschlossen werden müssen, sonst leuchten sie nicht. Hat vielleicht der ein oder andere schon gemerkt *g*. Eine LED hat demzufolge eine Anode (Pluspol) und eine Kathode (Minuspol). Im Normalfall hat eine Diode zwei Kennzeichnungen zur Unterscheidung der Polung. Das erste ist der längere Anschlussdraht der Kathode. Zum anderen ist das Gehäuse der LED an der Kathode zusätzlich abgeflacht. Mann kann aber auch bei klaren LEDs (die verwenden wir mit Vorliebe) mit dem Auge die beiden Pole erkennen: eines ist ein relativ großer Kelch, das andere sieht hingegen sehr verkümmert aus und mehr wie ein Steg. Möglichkeiten die Pole zu erkennen gibt es also reichhaltig. Ich kann hier an dieser Stelle den ein oder anderen Beruhigen: eine LED wird durch Verpolung nicht zerstört! Durch den Diodeneffekt sperrt sie einfach in eine Richtung.

LEDs haben sich mittlerweile einen festen, wichtigen Platz in der Elektronikindustrie geschaffen. Hifi Bausteine, Autos, Küchengeräte, Bürogeräte, etc. Alle werden mit den kleinen Leuchtquellen ausgestattet.

LEDs gibt es in unterschiedlichen Formen, Farben und Leuchtstärken. Die Spannung ist halbleiterbedingt (je nach Farbe) unterschiedlich. Bei den klassischen roten, grünen und gelben LEDs sind es rund 1,7 Volt. Die blauen und weißen LED brauchen mehr Saft. Die sind mit ungefähr 3,5 bis 5 Volt betrieben.

Spannungsregler sind elektronische Schaltungen in einem Gehäuse. Diese können eine relativ genaue Spannung ausgeben. Die Eingangsspannung kann dabei, je nach Type, bis zu 30 Volt betragen. Allerdings benötigen die Spannungsregler eine Regelspannung oder Referenzspannung. Sie liegt ungefähr bei 1,25-1,7 Volt. D.h. die minimale Eingangsspannung muss also um diese Differenz höher liegen. Beispiel: Bei einer Ausgangsspannung von 12V muss die Eingangsspannung bei einem Spannungsregler mindestens 13,25-13,7 Volt betragen damit er einwandfrei funktioniert. Die Spannungsregler verbrauchen die nicht benötigte Leistung. D.h. sie müssen unter Umständen entsprechend gekühlt werden. 
Ein Beispiel: wir wollen einen Lüfter mit einem verstellbaren Regler betreiben. Betriebsspannung 12V (Eingang). Die minimale Spannung liegt bei 5 Volt, der Lüfter nimmt 500mA Strom auf. Die Differenz beträgt also: 12V-1,7-5= 5,3 Volt. Die abzuführende Verlustleistung beträgt demnach: 5,3V * 0,5A=2,65 Watt. Klingt nicht nach viel, kann aber auf Dauer zu einer Zerstörung des Spannungsreglers führen wenn dieser nicht ausreichend gekühlt wird. Oft genügt ein kleiner Fingerkühlkörper oder eine Montage an das PC Gehäuse zur Temperaturstabilisierung.