Wir haben das Glück, in einer Zeit zu leben, in der es eine Fülle elektronischer Geräte gibt. Diese Geräte sind jedoch nur dank der erstaunlichen Komponenten einer Leiterplatte möglich. Wir fragen uns oft, was ein elektronisches Gerät so erfolgreich funktionieren lässt und wie es aufgebaut ist. Elektronische Geräte sind etwas Wunderbares, denn man sieht nie, wie etwas in ihnen passiert, aber man kann miterleben, was sie leisten können. In diesem Artikel besprechen wir die Wunder von Leiterplatten und wie sie durch die Komponenten einer Leiterplatte möglich werden.
1. Widerstände als Bauteile einer Leiterplatte
Wir verwenden häufig Widerstände in unseren PCB-Projekten und sind mit ihren Funktionen vertraut. Widerstände gehören zu den am häufigsten verwendeten Bauteilen einer Leiterplatte. Sie sind sehr beliebt und einfach zu handhaben. Ein Widerstand behindert grundsätzlich den Stromfluss. Daher trägt er dazu bei, elektrische Energie in Form von Wärme abzuleiten. Es gibt verschiedene Arten von Widerständen und deren Kategorisierung. Widerstände unterscheiden sich oft im Herstellungsmaterial, da wir für unterschiedliche Zwecke unterschiedliche Materialien verwenden.
Ein weiterer Unterschied zwischen Widerständen besteht in der Art und Weise, wie die Anschlüsse herausgeführt werden. Der häufigste Typ sind dabei Axialwiderstände. Elektronik-Enthusiasten, Anfänger und Bastler verwenden Axialwiderstände gerne, da sie sich leicht in jede Schaltung integrieren lassen. Jeder Widerstand ist von kreisförmigen Ringen umgeben. Diese Ringe stellen einen Farbcode dar, der den Widerstandswert des jeweiligen Widerstands angibt. Die Ringe geben auch Aufschluss über die mögliche Toleranz des jeweiligen Widerstands.
2. Kondensatoren als Bauteile einer Leiterplatte
Kondensatoren sind nach Widerständen wohl die am häufigsten verwendeten Komponenten einer Leiterplatte. Auch bei Leiterplatten-Enthusiasten zählen sie zu den beliebtesten Komponenten. Im Vergleich zu Widerständen werden Kondensatoren jedoch seltener eingesetzt. Die Grundfunktion eines Kondensators besteht darin, Ladung zu speichern. Ein Kondensator besteht aus zwei Metallplatten, zwischen denen sich ein Dielektrikum befindet. Die beiden Platten speichern entgegengesetzte Ladungen, während das Dielektrikum sie voneinander trennt. Platziert man den Kondensator in einem Stromkreis, gibt er die Ladungen frei. Dadurch fließt Strom durch den Stromkreis.
Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, Kondensatoren zu kategorisieren. Wir kategorisieren sie jedoch meist nach ihrem dielektrischen Material. Dies liegt daran, dass das dielektrische Material für die wichtigsten Eigenschaften eines Kondensators verantwortlich ist. Je dichter das dielektrische Material, desto mehr Ladungen kann ein Kondensator auf seinen Platten speichern. Deshalb verwenden wir tendenziell hochwertige Materialien zur Herstellung eines Kondensators, wenn wir eine höhere Kapazität erreichen wollen. Ein typischer Kondensator hat zwei Anschlüsse, die aus seinen Metallplatten herausführen. Wir nutzen diese Anschlüsse, um den Kondensator in einen Stromkreis zu integrieren.
3. Induktivitäten als Bauteile einer Leiterplatte
Induktivitäten sind neben Kondensatoren und Widerständen eines der drei passiven linearen Bauteile einer Leiterplatte. Induktivitäten dienen in erster Linie der Energiespeicherung. Sie speichern Energie jedoch durch die Erzeugung eines Magnetfelds, während Kondensatoren elektrostatische Energie speichern. Es gibt viele Arten von Induktivitäten, manche sind einfach, andere komplex. Eine Metallspule ist jedoch die gebräuchlichste und am einfachsten zu verstehende Induktivität. Das von der Spule erzeugte Magnetfeld hängt von ihrer Anzahl an Windungen ab. Je höher die Anzahl der Windungen, desto größer ist folglich die Induktivität.
Wir sehen oft Induktivitäten, die um einen Magnetkern gewickelt sind. Magnetkerne sind in verschiedenen Formen und Größen erhältlich. Der Hauptzweck dieses Kerns besteht darin, das Magnetfeld zu verstärken, wenn Strom durch den Leiter fließt. Daher ermöglicht uns dieser Magnetkern, bestimmte Signale abzuschirmen oder vollständig zu blockieren. Dies ist für uns sehr nützlich, da wir ihn für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzen können. Zu diesen Anwendungen gehören die Reduzierung von Störungen in Kommunikationsgeräten und die Verlängerung der Lebensdauer von Batterien usw.
4. Potentiometer als Bauteile einer Leiterplatte
Potentiometer sind im Grunde eine Weiterentwicklung des einfachen Widerstands. Der einfache Widerstand hat einen festen Widerstandswert. Es ist jedoch möglich, den Widerstandswert eines Potentiometers nach Belieben zu ändern. Es gibt viele Arten von Potentiometern, die gängigsten sind jedoch lineare und rotierende Potentiometer. Der Widerstand des linearen Potentiometers lässt sich durch Ziehen des linearen Schiebereglers variieren. Beim rotierenden Potentiometer lässt sich der Widerstand durch Drehen des Knopfes variieren. Der Widerstand variiert, wenn sich der Schieberegler über einen halbkreisförmigen Grundwiderstand bewegt.
Drehpotentiometer werden häufig im Alltag eingesetzt. Besonders häufig werden sie in den Lautstärkereglern von Musikplayern und ähnlichen Audiogeräten verwendet. Sie regeln die Strommenge, die sie zu den Verstärkern durchlassen. Potentiometer kommen häufig bei der Entwicklung anspruchsvoller Geräte zum Einsatz, deren Leistung durch Feinabstimmung variiert werden muss.
5. Transformatoren als Komponenten einer Leiterplatte
Sie gehören zu den wichtigsten Komponenten einer Leiterplatte. Transformatoren dienen in erster Linie dazu, elektrische Energie von einer Anordnung zur anderen zu übertragen. Wenn wir elektrische Energie zwischen mehreren Anordnungen übertragen, nimmt sie entweder zu oder ab. Die Zunahme oder Abnahme ist oft an der Spannung erkennbar. Experten betrachten dies oft als eine Art Spannungstransformation. Transformatoren bestehen aus einem Metallkern, ähnlich denen in herkömmlichen Induktoren. Um den Metallkern herum befinden sich immer mehrere Spulen. Es gibt mindestens zwei Spulen, von denen eine als Sekundärspule und die andere als Primärspule dient. Die Sekundärspule bezeichnet die Anordnung, an die die elektrische Energie weitergeleitet wird. Die Primärspule bezeichnet jedoch die Anordnung, aus der die elektrische Energie stammt.
Transformatoren sind oft an großen Telegrafenmasten zu sehen. Diese sogenannten Industrietransformatoren dienen dazu, die Spannung in den Leitungen zu verringern. Diese Verringerung liegt oft im Bereich von Hunderttausenden. Durch den Einsatz von Transformatoren wird diese Spannung im Alltag und in Haushalten nutzbar.
6. Dioden als Bauteile einer Leiterplatte
Dioden gehören zu den wichtigsten Komponenten einer Leiterplatte. Ihr Hauptzweck besteht darin, den Stromfluss nur in eine bestimmte Richtung zuzulassen. Der Strom kann entweder vom Pluspol zum Minuspol oder umgekehrt fließen, jedoch niemals von beiden gleichzeitig. Eine Diode erreicht dies, indem sie in eine Richtung einen unendlichen Widerstand bietet, in die andere jedoch keinen Widerstand. Daher können wir diese Funktion nutzen, um den Stromfluss in die unerwünschte Richtung zu blockieren. Eine der beliebtesten Dioden ist die LED-Diode, allgemein bekannt als Leuchtdiode. Wir verwenden diese Dioden hauptsächlich zur Lichtemission. Sie sind sehr einfach zu löten. Wir müssen sie jedoch richtig ausrichten, da die LED sonst möglicherweise nicht leuchtet.
7. Transistoren als Bauteile einer Leiterplatte
Die meisten Elektronikexperten betrachten Transistoren als Grundbaustein der Elektronik, wie wir sie heute kennen. Sie sind wichtige Komponenten einer Leiterplatte. In einem einzigen IC finden sich Milliarden von Transistoren. Man sollte sie jedoch nicht als komplexe Instrumente betrachten. Vielmehr handelt es sich lediglich um gewöhnliche elektrische Schalter und einfache Verstärker. Transistoren gibt es in allen möglichen Formen und Größen. Die häufigste Art ist jedoch der Bipolartransistor. Weitere Kategorien sind PNP- und NPN-Varianten.
Ein Bipolartransistor hat drei Anschlüsse: Kollektor, Emitter und die wichtigste Basis. Fließt ein geringer Strom durch einen NPN-Transistor, fließt er von der Basis zum Emitter. Dies löst jedoch eine andere Einstellung aus, und der Strom wird deutlich größer. Dieser größere Strom fließt dann vom Emitter zum Kollektor.
Der PNP-Transistor verhält sich hingegen völlig entgegengesetzt zum NPN-Transistor. Ein weiterer beliebter Transistortyp ist der sogenannte FET oder kurz Feldeffekttransistor. Er lässt Strom durch, indem er das vorhandene elektrische Feld nutzt, um eine weitere Schaltungseinstellung auszulösen.
8. Siliziumgesteuerter Gleichrichter (SCR) als Komponenten einer Leiterplatte
Sie sind integrale Bestandteile einer Leiterplatte und werden deshalb gerne von Enthusiasten verwendet. Man nennt sie auch Thyristoren, da sie Dioden und Transistoren sehr ähnlich sind. Einige Experten vermuten, dass sie zwei Transistoren ähneln, die zusammenwirken. Sie bestehen aus vier Siliziumschichten und enthalten nur drei Anschlüsse. Sie fungieren nicht als Verstärker, sondern lediglich als Schalter.
Ein wichtiger Punkt ist, dass wir nur einen einzigen Impuls zum Aktivieren des Schalters benötigen. Andererseits müssen wir einen Transistor kontinuierlich mit Strom versorgen, damit er verstärkt wird. Daher eignen sie sich besser zum Schalten großer Leistungen.
9. Integrierte Schaltkreise als Komponenten einer Leiterplatte
Wir kennen sie auch als ICs und sie sind kritische Komponenten einer Leiterplatte. Wenn wir also einige elektronische Schaltungen und Komponenten verkleinern und sie dann auf dünne Halbleiterschichten einbetten, spricht man von ICs. Sie ermöglichen es uns, viele elektronische Komponenten auf einem einzigen Chip einzubetten. Diese erstaunliche Fähigkeit ermöglichte uns die Herstellung der allerersten Taschenrechner. Und jetzt ermöglichen sie uns die Herstellung hochmoderner intelligenter Geräte und revolutionärer Supercomputer. ICs dienen als zentrale Verarbeitungseinheit oder im Wesentlichen als Gehirn einer größeren Schaltung. Es gibt verschiedene Typen von ICs, aber sie sind meist in schwarzen Kunststoffgehäusen erhältlich. Sie haben in der Regel sichtbare Kontakte, wie z. B. Leitungen, die aus ihrer Struktur herausragen. Manchmal befinden sich an ihrer Unterseite auch Kontaktpads.
10. Quarzoszillatoren als Komponenten einer Leiterplatte
Dies sind die wichtigsten Komponenten einer Leiterplatte in komplexen Geräten. Wir verwenden sie hauptsächlich in Uhren, da sie uns die Herstellung kritischer Schaltkreise ermöglichen. Diese kritischen Schaltkreise ermöglichen uns eine stabile und dennoch genaue Zeitmessung. Sie enthalten ein Piezoelektrikum, das ein zyklisches elektronisches Signal erzeugt. Das Piezoelektrikum ist im Grunde ein kristallines Material, das bei seiner Schwingung Signale erzeugt. Wir konstruieren sie so, dass sie mit einer stabilen Frequenz schwingen. Ihre Schwingung ist an eine bestimmte Frequenz gebunden. Daher können wir mit ihnen kostengünstige und genaue Uhren herstellen. Daher verwenden wir sie auch in anderen wichtigen Geräten wie Quarzuhren und Mikrocontrollern.
11. Schalter und Relais als Komponenten einer Leiterplatte
Sie sind die grundlegendsten Komponenten einer Leiterplatte, doch wir vergessen oft ihre Bedeutung. Mit einem Schalter können wir den Stromfluss innerhalb eines Stromkreises steuern. Der Schalter ermöglicht uns, zwischen geschlossenen und offenen Stromkreisen zu wechseln. Schalter gibt es in allen möglichen Formen und Größen. Zu den gängigsten gehören Schieber, Hebel, Tasten, Druckknöpfe und Drehschalter. Ein elektronegativer Schalter hingegen wird als Relais bezeichnet. Ein Relais wird über eine Magnetspule betrieben. Fließt Strom durch die Spule, wirkt sie wie ein temporärer Magnet. Relais fungieren daher als Schalter und können kleinere Strommengen in größere umwandeln.
12. Sensoren als Komponenten einer Leiterplatte
Sensoren sind Komponenten einer Leiterplatte, die Veränderungen in ihrer Umgebung erfassen können. Sobald sie diese Veränderung erkennen, erzeugen sie ein entsprechendes Signal. Dieses elektronische Signal wird dann an verschiedene Komponenten einer Leiterplatte gesendet. Sensoren wandeln also grundsätzlich physikalische Energie in elektrische Energie um. Daher betrachten wir Sensoren oft als Wandler (da sie Energie von einer Form in die andere umwandeln können).
Es gibt verschiedene Arten von Sensoren, die jeweils unterschiedliche Zwecke erfüllen. Zu den bekanntesten Sensoren gehören Temperatursensoren, Feuchtigkeitssensoren, Drucksensoren, Lichtsensoren und Bewegungssensoren. Sie sind weit verbreitet und werden im Alltag häufig eingesetzt. Beispielsweise nutzen wir LEDs zur Erkennung von IR-Signalen in einer TV-Fernbedienung. Auch Feuer- und Feuchtigkeitssensoren kommen in Feuer- und Rauchmeldern zum Einsatz. Sensoren können also auch als Komponenten einer Leiterplatte eingesetzt werden, um verschiedene industrielle Prozesse zu optimieren.
Um mehr über PCB-Komponenten zu erfahren, lesen Sie bitte unseren anderen Blog-Beitrag: „Leiterplattenkomponenten: Ein umfassender Leitfaden."
