Ein Stromkreis ist ein System, das aus einer Reihe miteinander verbundener elektrischer Elemente besteht. Es verfügt über einen oder mehrere geschlossene Pfade, die von elektrischem Strom durchflossen werden können.
Ein elektrischer Strom ist die geordnete Bewegung freier elektrischer Ladungen. Normalerweise handelt es sich bei diesen Ladungen um Elektronen, die sich vom Minuspol zum Pluspol bewegen. Abhängig von der Bewegung, die elektrische Ladungen beschreiben, unterscheidet man zwei Arten von Strömen: Gleichstrom und Wechselstrom.
Die Stromstärke gibt die Menge an Elektronen an, die während einer bestimmten Zeit durch einen Abschnitt eines Leiters zirkulieren.
Zur Darstellung elektrischer Schaltkreise werden elektrische Diagramme oder Schaltpläne mit standardisierten elektronischen Symbolen verwendet.
Komponenten eines Stromkreises
Die Grundkomponenten eines Stromkreises sind wie folgt:
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Generator: Der elektrische Generator ist das Element, das für die Erzeugung des elektrischen Stroms verantwortlich ist und eine Potentialdifferenz zwischen den Enden des Stromkreises aufrechterhält. Zum Beispiel eine Batterie oder ein Photovoltaik-Panel.
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Leiter: Der Stromleiter ist der Ort, an dem sich die vom elektrischen Generator angetriebenen Elektronen bewegen. Das verwendete Material muss elektrisch leitfähig sein. Die leitfähigsten Elemente im Periodensystem sind Silber, Kupfer und Gold.
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Elektrischer Widerstand: Widerstände sind Elemente, die dem Durchgang von elektrischem Strom entgegenwirken. Sie sind die Schaltungselemente, die nach dem Jouleschen Gesetz die meiste Nutzenergie in Form von Wärme verlieren.
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Rezeptoren: Rezeptoren wandeln Elektrizität in eine andere Art von Energie um. Glühbirnen und Elektromotoren sind Beispiele für Rezeptoren.
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Steuerelemente: Die Funktion dieser Elemente besteht darin, den Stromfluss innerhalb des Stromkreises zu unterbrechen oder zu lenken. Einige Beispiele sind Drucktasten, Schalter und Kippschalter.
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Kondensatoren: Ein Kondensator ist ein Element mit der Fähigkeit, elektrische Energie zu speichern und später wieder abzugeben.
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Induktivitäten: Sie speichern Energie in Form eines Magnetfelds, wenn Strom durch sie fließt. Sie kommen häufig in Filterschaltungen und Zeitschaltkreisen vor.
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Dioden: Lassen den Strom nur in eine Richtung fließen. Sie werden in Gleichrichterschaltungen und zum Schutz polaritätsempfindlicher Bauteile eingesetzt.
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Transistoren: Sie fungieren als Schalter oder Verstärker elektrischer Signale. Sie sind in der digitalen Elektronik und in Audioverstärkern unverzichtbar.
Die Elemente eines Stromkreises können in Reihe und parallel geschaltet werden. Beispielsweise sind bei seriellen Empfängern die Empfänger einzeln miteinander verbunden.
Bei Reihenschaltungen ist die Stromstärke in allen Elementen gleich. In Parallelschaltungen, in denen Strom fließt, summieren sich die Ströme jedoch.
Arten von Stromkreisen
Es gibt verschiedene Arten von Schaltkreisen mit jeweils spezifischen Eigenschaften und Anwendungen. Nachfolgend sind einige der häufigsten Typen aufgeführt:
Reihenschaltung
Bei einer Reihenschaltung werden Komponenten nacheinander verbunden, sodass ein einziger Stromflusspfad entsteht. Der Strom ist im gesamten Stromkreis konstant, was bedeutet, dass derselbe Strom nacheinander durch alle Komponenten fließt.
Die Spannung wird auf die Komponenten aufgeteilt, was bedeutet, dass die Summe der Spannungsabfälle an jeder Komponente der Quellenspannung entspricht. Wenn eine Komponente in einer Reihenschaltung getrennt oder entfernt wird, wird der gesamte Stromfluss im Stromkreis unterbrochen.
Parallelschaltung
Eine Parallelschaltung bedeutet, dass Komponenten auf mehreren Pfaden verbunden sind, damit Strom fließen kann. Die Spannung ist an allen Komponenten der Parallelschaltung gleich, der Strom wird jedoch zwischen ihnen aufgeteilt.
Wird in einer Parallelschaltung eine Komponente abgeklemmt oder entfernt, funktionieren die anderen ohne Unterbrechung weiter.
gemischter Kreislauf
Eine gemischte Schaltung ist eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltungen.
Es können mehrere parallel geschaltete Zweige vorhanden sein, und innerhalb jedes Zweigs können in Reihe geschaltete Komponenten vorhanden sein.
Gemischte Schaltkreise werden häufig in Anwendungen verwendet, bei denen eine Kombination von Funktionen erforderlich ist, beispielsweise bei komplexen Stromkreisen.
Schaltung in Gleichstrom (CC oder DC)
Ein Gleichstromkreis bedeutet, dass der Strom nur in eine konstante Richtung fließt.
Diese Art von Schaltung findet sich häufig in Batterien, tragbaren elektronischen Geräten und Gleichstromversorgungssystemen.
Schaltung in Wechselstrom (AC)
In einem Wechselstromkreis wird die Richtung des Stroms periodisch umgekehrt und schwankt zwischen positiven und negativen Werten.
Die meisten privaten und geschäftlichen Stromnetze verwenden Wechselstrom zur Stromverteilung.
Dreiphasenstromkreise
Dreiphasige Stromkreise werden in industriellen und kommerziellen Anwendungen zur effizienten Bereitstellung elektrischer Energie eingesetzt.
Sie bestehen aus drei Phasen Wechselstrom, die um 120 Grad zueinander phasenverschoben sind, was eine ausgewogenere und effizientere Energieübertragung ermöglicht.
Digitale Schaltungen
Digitale Schaltkreise dienen in der Elektronik der Verarbeitung digitaler Signale, die durch diskrete Werte (0 und 1) dargestellt werden.
Gängige Beispiele sind Logikgatter, Flip-Flops, Mikrocontroller und digitale integrierte Schaltkreise.
Analoge Schaltungen
Analoge Schaltungen dienen der Verarbeitung analoger Signale, die in ihrer Darstellung kontinuierlich sind.
Beispiele hierfür sind Audioverstärker, Funkschaltungen und Sensoren.
Stromkreise
Diese Schaltkreise werden in elektrischen Hochleistungssystemen wie Stromverteilungssystemen und Motorsteuerungssystemen verwendet.
Grundgesetze elektrischer Schaltkreise
Die Grundgesetze elektrischer Schaltkreise sind Prinzipien, die das Verhalten von elektrischem Strom und Spannung in elektrischen Schaltkreisen bestimmen. Diese Gesetze sind für die Analyse und den Entwurf elektrischer Schaltkreise von wesentlicher Bedeutung.
Unter den Grundgesetzen stechen folgende hervor:
Ohm'sches Gesetz
Dieses Gesetz legt den grundlegenden Zusammenhang zwischen Strom (I), Spannung (V) und Widerstand (R) in einem Stromkreis fest. Das Ohmsche Gesetz wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
V=I⋅R
Wobei:
Das Ohmsche Gesetz besagt, dass der Strom in einem Leiter direkt proportional zur angelegten Spannung und umgekehrt proportional zum Widerstand des Leiters ist.
Kirchhoffs Gesetze
Gustav Kirchhoff formulierte für die Analyse von Strömen und Spannungen zwei Grundgesetze, die für komplexe elektrische Schaltkreise gelten:
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Kirchhoffs Stromgesetz (Gesetz der Knoten): An jedem Knoten in einem Stromkreis (einem Verbindungspunkt, an dem mehrere Leiter zusammenlaufen) ist die algebraische Summe der in den Knoten eintretenden Ströme gleich der algebraischen Summe der den Knoten verlassenden Ströme. Dies basiert auf dem Prinzip der Ladungserhaltung.
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Kirchhoffs Spannungsgesetz (Maschengesetz): In jeder geschlossenen Schleife oder Masche in einem Stromkreis ist die algebraische Summe der Spannungsabfälle um die Masche gleich der algebraischen Summe der an der Masche angelegten Spannungen. Dies basiert auf dem Prinzip der Energieerhaltung.