Ist beim Aufbau von Schaltkreisen der Strom wichtiger als der Widerstand?

Was wichtiger ist , ist ein etwas subjektives Thema. Das Konzept der Dualität ist eine Möglichkeit, es zu formulieren: Jedes elektrische Ding hat ein duales . Eines der offensichtlicheren Beispiele: Kondensatoren sind das Dual von Induktivitäten. Alles, was für Induktivitäten gilt (zumindest für ideale), gilt auch für Kondensatoren, wenn Sie Spannung und Strom, in Reihe und parallel austauschen.

Es gibt auch viele elektrische Maschinen, die Duals haben. Beispielsweise wird der gewöhnliche Lautsprecher durch magnetische Anziehung oder Abstoßung zwischen einem Elektromagneten ( Schwingspule ) und einem Permanentmagneten angetrieben . Dies sind Lautsprecher mit niedriger Impedanz (normalerweise$4\Omega$oder$8\Omega$, was bedeutet, dass ein Verstärker, der dafür ausgelegt ist, sie anzutreiben, so ausgelegt ist, dass er einen großen Strom über eine kleine Spannung ausgibt. Es gibt aber auch elektrostatische Lautsprecher , die hochohmige Geräte sind ($>10M\Omega$, leicht), angetrieben mit kleinen Strömen bei hohen Spannungen. Anstatt eine hauptsächlich induktive Last zu sein, sind sie eine hauptsächlich kapazitive Last.

Die Welt ist voll von diesen Dualen. Soweit es die Theorie angeht, können Spannung und Strom größtenteils ausgetauscht werden, und Sie erhalten am Ende eine andere Schaltung oder Maschine, die dasselbe bewirkt.

Allerdings leben wir in einer voreingenommenen Welt. Spannungsquellen sind häufiger als Stromquellen . Wenn wir physikalische Größen elektrisch darstellen (wie Schalldruck), neigen wir dazu, sie als Spannungen und nicht als Ströme zu analysieren. Wenn wir an mechanische Aktuatoren denken, denken wir an magnetische Solenoide , bevor wir an elektrostatische denken. Ich bin mir nicht ganz sicher, warum das wahr ist, aber es ist so. Vielleicht hat es mit der praktischen Anwendbarkeit zu tun, Dinge mit den Materialien zu konstruieren, die wir kennen. Ich habe tatsächlich darüber nachgedacht, es als Frage auf dieser Seite zu formulieren, aber mir ist keine Möglichkeit eingefallen, die nicht zu subjektiv wäre.

Hier ist die Lektion zum Mitnehmen: Da Spannungsquellen so verbreitet sind, ist es üblich, nur den Strom zu berücksichtigen, da die Spannung bereits für Sie festgelegt wurde. Wenn Sie sagen, ein Arduino, der mit einer 5-V-Versorgung betrieben wird, denken Sie nicht an die Spannung. Die Spannung beträgt 5 V, und daran können Sie nichts ändern, wenn Sie diesen Arduino verwenden möchten. Alles, was Sie in Ihrem Design ändern können, ist, wie viel Strom Sie benötigen, um diese 5-V-Versorgung bereitzustellen.

Es gibt jedoch keinen theoretischen Bedeutungsunterschied zwischen Strom und Spannung. Sie sind zwei Seiten der elektrischen Medaille, die gleichermaßen wichtig sind. Und in vielen Fällen können Sie sie gegeneinander eintauschen. Berücksichtigen Sie beide gleichermaßen in Ihrem Denken.

Es ist nicht ganz so einfach wie "Strom zählt, Spannung nicht". Abhängig von den beteiligten Teilen gibt es verschiedene Ausfallarten:

Eines der häufigsten Probleme ist der Ausfall durch Überhitzung , was dazu führt, dass Bauteile einfach schmelzen oder verbrennen (interessante Videos von brennenden Widerständen finden Sie auf youtube). Überhitzung wird durch übermäßige Verlustleistung verursacht . Im Fall eines ohmschen Widerstands (wie ein Standardwiderstand oder in erster Näherung eine kleine Lampe) ist die Leistung$P = I^2*R$oder gleichwertig$U^2/R$, sodass Sie es sowohl von der Strom- als auch von der Spannungsseite betrachten können.

Betrachten Sie als einfaches Beispiel ein Widerstandsgerät, das 1 W Leistung verbrauchen kann und einen Widerstand von 100 Ohm hat. Das bedeutet, dass Sie höchstens 10 V darüber haben können. Sie könnten dieses Gerät mit einer 100-V-Spannungsquelle betreiben, benötigen jedoch einen 900-Ohm-Widerstand in Reihe, an dem 90 V anliegen und der daher 9 W Leistung verbraucht. Dies senkt nicht nur den Wirkungsgrad Ihrer Schaltung auf 10 %, sondern erfordert möglicherweise auch eine ziemlich gute Kühlkörperlösung. Wenn Sie es mit einer 1-V-Stromquelle betreiben, wird es nicht überhitzen, aber Sie haben nur eine Ausgangsleistung von 10 mW - das reicht möglicherweise nicht für die beabsichtigten Zwecke. Selbst bei einem wirklich einfachen Gerät können Sie die Spannung Ihres Netzteils also nicht beliebig auswählen.

Dann gibt es Schäden, die durch elektrischen Durchschlag von Isolatoren verursacht werden. Dies liegt an starken elektrischen Feldern. Normalerweise denken wir an Luft/Kunststoff/Epoxid als Isolatoren, aber sie können nur einem bestimmten elektrischen Feld standhalten. Beispielsweise beträgt die Durchschlagsspannung für Luft etwa 3000 V/mm. Dies (und andere elektrochemische Effekte) führen dazu, dass Kondensatoren sterben, wenn sie einer zu hohen Spannung ausgesetzt werden.

Halbleiter wie Dioden und Transistoren sind komplizierter und es müssen mehr Effekte berücksichtigt werden. Beispielsweise lassen die meisten LEDs bei 1 V keinen Strom fließen. Sie benötigen eine Mindestspannung, damit sie überhaupt leiten (und Licht emittieren).

Wenn Sie in Bezug auf Halbleiterbauelemente wie LEDs und Mikroprozessoren (auf dem Arduino) über "Widerstand" sprechen, werden Sie in die Irre geführt, da sie sich nicht wie Widerstände verhalten. Stattdessen haben diese Gerätetypen eine Spannungsschwelle und verhalten sich oberhalb und unterhalb der Schwelle unterschiedlich.

Bei roten LEDs sind das etwa 2V. Wenn Sie also z. B. eine LED an ein variables Tischnetzteil anschließen und allmählich aufwickeln, können Sie Folgendes beobachten (Werte sehr ungefähr):

• 1,5 V kein Licht, Strom nahe Null
• 1,7 V schwaches Licht, wenige ma fließen
• 1,9 V normale Helligkeit, Stromfluss nahe Datenblattwert
• 2,1 V hell, beginnt etwas warm zu werden
• 2,3V sehr hell, Farbverschiebungen, LED nach kurzer Zeit zerstört

Durch das Hinzufügen eines Widerstands erhalten Sie ein System mit zwei Komponenten, die unterschiedlich auf Spannung und Strom reagieren. Der Widerstand verhält sich streng linear - Strom und Spannung exakt proportional zueinander - und so stabilisiert sich das System bei einem bestimmten, für ihn sinnvollen Strom durch die LED.

Ähnliches gilt für die Basis-Emitter-Spannung von Bipolartransistoren, die über einen weiten Strombereich im Allgemeinen etwa 0,7 V beträgt.

Was Mikroprozessoren tötet, wenn sie einer Überspannung ausgesetzt werden, ist eine ähnliche Nichtlinearität: Der Strom, der bei erhöhter Spannung fließt, wird an einer internen Stelle viel größer sein, die dann durchbrennt.

(Dieser Effekt kann innerhalb eines Geräts selektiv ausgenutzt werden: Einige Geräte haben programmierbare Sicherungen in sich, die absichtlich ausgelöst werden können, um Sicherheitsfunktionen zu aktivieren oder die Seriennummer festzulegen.)

Halbleiterbauelemente können tatsächlich so gebaut werden, dass sie mit sehr hohen Spannungen umgehen können (Leistungs-MOSFETs, IGBTs), aber das macht sie groß und teuer.