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In der Elektrotechnik und in der Elektronik sind passive Bauelemente oft unverzichtbar. Sie sorgen für genau begrenzten Strom, eine saubere Spannungsglättung, die richtige Versorgungsspannung oder die galvanische Trennung von Stromkreisen.
Lesen Sie hier, was passive Bauelemente sind, wie sie funktionieren und welche Typen und Bauformen es gibt.
Passive Bauelemente sind Komponenten in elektrischen und elektronischen Schaltkreisen, die keine aktive Verstärkung oder Generierung von elektrischer Energie vornehmen. Sie können elektrische Energie weder erzeugen noch für eine kontinuierliche Stromversorgung speichern.
Auch für die Verstärkung eines elektrischen Signals sind sie ungeeignet. Passive Bauelemente benötigen zudem keine externe Stromversorgung – und genau das unterscheidet sie von aktiven Bauelementen wie Transistoren und integrierten Schaltungen.
Passive Bauelemente bilden die Grundlage von Filtern, Schwingkreisen und zahlreichen anderen Schaltungen. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung von Strom und Spannung sowie bei der Steuerung der Frequenz- und Phasenbeziehungen in elektronischen Geräten.
Widerstände
Widerstände oder Resistoren begrenzen oder regeln den elektrischen Stromfluss in einem Schaltkreis. Sie erzeugen eine Spannung über ihren Anschlüssen, und zwar proportional zum durchfließenden Strom. Angegeben wird der Widerstandswert in Ohm.
Ein typisches Beispiel für die Strombegrenzung ist die Stromversorgung von LEDs. Mit Vorwiderständen lassen sich diese vor Überstrom schützen. Als Spannungsteiler – realisiert durch die Kombination von zwei oder mehr Resistoren in Serie – ermöglichen sie die gezielte Einstellung von Spannung an verschiedenen Punkten des Schaltkreises.
In Verbindung mit Kondensatoren oder Induktivitäten ist die Konstruktion von Filtern möglich, zum Beispiel zur Beeinflussung von Signalen in Abhängigkeit von ihrer Frequenz.
Widerstände lassen sich aber auch zur Wärmeerzeugung nutzen. Sie wandeln dabei elektrische Energie in Wärme um, in der Regel als Heizelement.
Typen und Bauformen von Widerständen
Festwiderstände wie beispielsweise Metallschicht-Widerstände oder SMD-Widerstände besitzen einen festgelegten Widerstandswert. Variable Widerstände wie Potentiometer und Trimmer ermöglichen dagegen die manuelle Einstellung des Widerstandswerts.
Bei Thermistoren ändert sich dieser Wert mit der Temperatur, bei Fotowiderständen mit der Lichtintensität und bei Varistoren mit der anliegenden Spannung. Varistoren finden sich häufig in elektronische Schaltungen zum Schutz vor überschüssiger transienter Spannung.
Die Auswahl von Widerständen hängt von deren Widerstandswert, der Belastbarkeit, der Größe und von speziellen Eigenschaften ab, dazu gehören unter anderem die Temperaturkoeffizienten.
Kondensatoren speichern elektrische Energie in einem elektrostatischen Feld. Sie bestehen typischerweise aus zwei leitenden Platten, getrennt durch ein isolierendes Material, das Dielektrikum. Wird eine Spannung über die Platten angelegt, sammelt sich positive elektrische Ladung auf der einen Platte und negative Ladung auf der anderen, das führt zur Speicherung von Energie im elektrischen Feld zwischen den Platten.
Die Kapazität eines Kondensators – also seine Fähigkeit, Ladung zu speichern – wird in Farad gemessen und hängt von der Fläche der Platten, dem Abstand zwischen ihnen und der Art des Dielektrikums ab. Ein Kondensator mit einer größeren Plattenfläche, einem kleineren Abstand zwischen den Platten oder einem Dielektrikum mit höherer Dielektrizitätskonstante wird im Allgemeinen eine größere Kapazität besitzen.
Typische Einsatzgebiete sind die kurzzeitige Energiespeicherung, die Signalfilterung In Kombination mit Widerständen oder Induktivitäten, die Entkopplung und Stabilisierung von Versorgungsspannungen, die Signalkopplung von Wechselstromsignalen zwischen Schaltungsstufen sowie Timing-Anwendungen in Kombination mit einem Widerstand.
Typen und Bauformen von Kondensatoren
Kondensatoren gibt es in vielen verschiedenen Typen und Bauformen. Sie unterscheiden sich in Materialien, Größe, Kapazität und spezifische Anwendung. Zu den gängigen Typen gehören Elektrolytkondensatoren, Keramikkondensatoren, Tantal-Kondensatoren und Folienkondensatoren, jeder Typ verfügt über spezifischen Eigenschaften und Einsatzgebiete.
Induktivitäten
Induktivitäten, oft auch als Spulen oder Drosseln bezeichnet, gehören ebenfalls zu den passiven Bauelementen. Sie sind darauf spezialisiert, Energie in einem Magnetfeld zu speichern. Das grundlegende Prinzip basiert auf dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion:
Ändert sich der Strom, der durch die Spule fließt, induziert dies eine Spannung, die der Stromänderung entgegenwirkt. Die Stärke dieser induzierten Spannung ist proportional zur Änderungsrate des Stroms und zur Anzahl der Windungen in der Spule. Dieser Effekt wird in Transformatoren genutzt: Zwei oder mehr Induktivitäten sind hier miteinander gekoppelt. Der Wechselstrom überträgt sich von einer Spule zur anderen und transformiert dabei die Spannung und den Strom, je nach Ausführung aufwärts oder abwärts. Die Fähigkeit einer Induktivität, Energie in ihrem Magnetfeld zu speichern, wird in Henry ausgedrückt.
Das Induktivitätsvermögen hängt von mehreren Faktoren ab, neben der Anzahl der Windungen gehören dazu die Querschnittsfläche der Spule, die Länge und das Material des Kerns, um den der Draht gewickelt ist. Ein Kern aus ferromagnetischem Material kann den Induktivitätswert erheblich erhöhen.
Im Einsatz als Filter können diese passiven Bauelemente Hochfrequenzstörungen eliminieren, bei der Energiespeicherung ähnlich wie Kondensatoren agieren und bei der Strombegrenzung die Änderungsrate des Stroms in einem Kreis limitieren. In Verbindung mit Kondensatoren lassen sich induktive Bauteile zu einem Schwingkreis schalten. Diese Kreise dienen in der Funktechnik zur Erzeugung oder zum Empfang von Radiowellen einer bestimmten Frequenz.
Eine besondere Form induktiver passiver Bauelemente sind sogenannte Klappferrite. Es handelt sich dabei um elektronische Komponenten zur Unterdrückung hochfrequenter elektromagnetischer Interferenzen oder kurz EMI auf Kabel. Sie bestehen aus einem Ferritmaterial, das hochfrequente Energie absorbiert und in Wärme umwandelt. Klappferrite leisten damit einen Beitrag zur elektromagnetischen Verträglichkeit beziehungsweise EMV. Klappferrite sind zweiteilig konstruiert und lassen sich über einen Klickverschluss am Kabel fixieren.
Typen und Bauformen von Induktivitäten
Induktive passive Bauteile sind in vielen elektronischen Geräten und Systemen zu finden, von einfachen Filtern und Stromversorgungen bis hin zu komplexen Kommunikationssystemen und Schaltreglern.
Sie sind essenziell für die Gestaltung von Schaltkreisen, die auf zeitabhängige Strom- und Spannungseigenschaften reagieren. Zu den gängigsten Typen zählen Zylinderspulen. Sie bestehen aus Windungen eines isolierten Drahtes, die in Form einer Zylinderspirale gewickelt sind.
Ringkernspulen besitzen einen ringförmigen Kern, meist aus Ferrit oder gepresstem Eisenpulver. Luftspulen verfügen dagegen über keinen magnetischen Kern und sind für Anwendungen geeignet, bei denen geringe Verluste und keine Kernsättigung erforderlich sind.
Schichtinduktivitäten wiederum enthalten geschichtete, aufeinander gestapelte Spulenwindungen. Extrem klein sind induktive Komponenten für SMD-Anwendungen, typische Verwendungsbereiche sind Mobilgeräte und andere tragbare Elektronikgeräte.
