Elektronische Schaltkreise sind ein wesentlicher Bestandteil fast aller technologischen Fortschritte, die wir heute in unserem Leben machen. Fernsehen, Radio, Telefone und Computer fallen mir sofort ein, aber Elektronik wird auch in Automobilen, Küchengeräten, medizinischen Geräten und industriellen Steuerungen eingesetzt. Das Herzstück dieser Vorrichtungen sind aktive Komponenten oder Komponenten der Schaltung, die den Elektronenfluss elektronisch steuern, wie Halbleiter. Diese Geräte könnten jedoch nicht ohne viel einfachere passive Komponenten funktionieren, die viele Jahrzehnte älter sind als Halbleiter. Im Gegensatz zu aktiven Komponenten können passive Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten den Elektronenfluss nicht mit elektronischen Signalen steuern.
Widerstand
Wie der Name schon sagt, ist ein Widerstand eine elektronische Komponente, die dem Stromfluss in einem Stromkreis widersteht.
In Metallen wie Silber oder Kupfer, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit und damit einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweisen, können Elektronen mit geringem Widerstand frei von einem Atom zum nächsten springen.
Der elektrische Widerstand einer Schaltungskomponente ist definiert als das Verhältnis der angelegten Spannung zum durch sie fließenden elektrischen Strom. Dies geht aus HyperPhysics hervor, einer Website für Physikressourcen, die vom Institut für Physik und Astronomie der Georgia State University gehostet wird. Die Standardeinheit für den Widerstand ist das Ohm, das nach dem deutschen Physiker Georg Simon Ohm benannt ist. Es ist definiert als der Widerstand in einem Stromkreis mit einem Strom von 1 Ampere bei 1 Volt. Der Widerstand kann unter Verwendung des Ohmschen Gesetzes berechnet werden, das besagt, dass der Widerstand gleich der Spannung geteilt durch den Strom ist, oder R = V / I (häufiger als V = IR geschrieben), wobei R der Widerstand ist, V die Spannung ist und I der Strom ist.
Widerstände werden im Allgemeinen entweder als fest oder variabel klassifiziert. Festwiderstände sind einfache passive Komponenten, die innerhalb ihrer vorgeschriebenen Strom- und Spannungsgrenzen immer den gleichen Widerstand haben. Sie sind in einem weiten Bereich von Widerstandswerten von weniger als 1 Ohm bis zu mehreren Millionen Ohm erhältlich.
Variable Widerstände sind einfache elektromechanische Geräte wie Lautstärkeregler und Dimmschalter, die die effektive Länge oder die effektive Temperatur eines Widerstands ändern, wenn Sie einen Knopf drehen oder einen Schieberegler bewegen.
Induktivität
Ein Induktor ist eine elektronische Komponente, die aus einer Drahtspule besteht, durch die ein elektrischer Strom fließt und ein Magnetfeld erzeugt. Die Einheit für die Induktivität ist der Henry (H), benannt nach Joseph Henry, einem amerikanischen Physiker, der die Induktivität ungefähr zur gleichen Zeit wie der englische Physiker Michael Faraday unabhängig entdeckte. Ein Henry ist die Induktivitätsmenge, die erforderlich ist, um 1 Volt elektromotorische Kraft (den elektrischen Druck von einer Energiequelle) zu induzieren, wenn sich der Strom mit 1 Ampere pro Sekunde ändert.
Eine wichtige Anwendung von Induktivitäten in aktiven Schaltkreisen besteht darin, dass sie dazu neigen, hochfrequente Signale zu blockieren, während niederfrequente Schwingungen passieren. Beachten Sie, dass dies die entgegengesetzte Funktion von Kondensatoren ist. Das Kombinieren der beiden Komponenten in einer Schaltung kann selektiv Schwingungen nahezu jeder gewünschten Frequenz filtern oder erzeugen.
Mit dem Aufkommen integrierter Schaltkreise wie Mikrochips werden Induktivitäten immer seltener, da 3D-Spulen in 2D-gedruckten Schaltkreisen äußerst schwierig herzustellen sind. Aus diesem Grund sind Mikroschaltungen ohne Induktivitäten ausgelegt und verwenden stattdessen Kondensatoren, um im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse zu erzielen, so Michael Dubson, Professor für Physik an der University of Colorado Boulder.
Kapazität
Die Kapazität ist die Fähigkeit eines Geräts, elektrische Ladung zu speichern, und als solche wird die elektronische Komponente, die elektrische Ladung speichert, als Kondensator bezeichnet. Das früheste Beispiel für einen Kondensator ist das Leyden-Gefäß. Diese Vorrichtung wurde erfunden, um eine statische elektrische Ladung auf einer leitenden Folie zu speichern, die die Innen- und Außenseite eines Glasgefäßes auskleidet.
Der einfachste Kondensator besteht aus zwei flachen leitenden Platten, die durch einen kleinen Spalt voneinander getrennt sind. Die Potentialdifferenz oder Spannung zwischen den Platten ist proportional zur Differenz der Ladungsmenge auf den Platten. Dies wird ausgedrückt als Q = CV, wobei Q Ladung ist, V Spannung ist und C Kapazität ist.
Die Kapazität eines Kondensators ist die Ladungsmenge, die er pro Spannungseinheit speichern kann. Die Einheit zur Messung der Kapazität ist der Farad (F), benannt nach Faraday, und ist definiert als die Kapazität zum Speichern von 1 Coulomb Ladung mit einem angelegten Potential von 1 Volt. Ein Coulomb (C) ist die Ladungsmenge, die von einem Strom von 1 Ampere in 1 Sekunde übertragen wird.
Um die Effizienz zu maximieren, werden Kondensatorplatten in Schichten gestapelt oder in Spulen mit einem sehr kleinen Luftspalt zwischen ihnen gewickelt. Dielektrische Materialien - Isoliermaterialien, die das elektrische Feld zwischen den Platten teilweise blockieren - werden häufig im Luftspalt verwendet. Dadurch können die Platten mehr Ladung speichern, ohne dass es zu Lichtbögen und Kurzschlüssen kommt.
Kondensatoren finden sich häufig in aktiven elektronischen Schaltkreisen, die oszillierende elektrische Signale verwenden, wie z. B. in Radios und Audiogeräten. Sie können fast augenblicklich geladen und entladen werden, wodurch bestimmte Frequenzen in Schaltkreisen erzeugt oder gefiltert werden können. Ein oszillierendes Signal kann eine Platte des Kondensators aufladen, während sich die andere Platte entlädt, und wenn sich der Strom umkehrt, lädt es die andere Platte auf, während sich die erste Platte entlädt.
Im Allgemeinen können höhere Frequenzen den Kondensator passieren, während niedrigere Frequenzen blockiert werden. Die Größe des Kondensators bestimmt die Grenzfrequenz, für die Signale blockiert werden oder durchgelassen werden dürfen. Kondensatoren in Kombination können verwendet werden, um ausgewählte Frequenzen innerhalb eines bestimmten Bereichs zu filtern.
Superkondensatoren werden unter Verwendung von Nanotechnologie hergestellt, um superdünne Materialschichten wie Graphen zu erzeugen, um Kapazitäten zu erzielen, die das 10- bis 100-fache der herkömmlichen Kondensatoren derselben Größe betragen. Sie haben jedoch viel langsamere Reaktionszeiten als herkömmliche dielektrische Kondensatoren, sodass sie nicht in aktiven Schaltkreisen verwendet werden können. Andererseits können sie in bestimmten Anwendungen, z. B. in Computerspeicherchips, manchmal als Stromquelle verwendet werden, um Datenverluste bei Stromausfall zu vermeiden.
Kondensatoren sind auch wichtige Komponenten von Zeitmessgeräten, wie sie beispielsweise von SiTime, einem in Kalifornien ansässigen Unternehmen, entwickelt wurden. Diese Geräte werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von Mobiltelefonen über Hochgeschwindigkeitszüge bis hin zum Handel an der Börse. Bekannt als MEMS (mikroelektromechanische Systeme), ist das winzige Zeitmessgerät auf Kondensatoren angewiesen, um richtig zu funktionieren. "Wenn der Resonator nicht über den richtigen Kondensator und die richtige Lastkapazität verfügt, startet der Zeitschaltkreis nicht zuverlässig und hört in einigen Fällen ganz auf zu schwingen", sagte Piyush Sevalia, Executive Vice President Marketing bei SiTime.
Dieser Artikel wurde am 16. Januar 2019 von Rachel Ross, einer Mitarbeiterin von Live Science, aktualisiert.
