Typische Grundschaltungen

Sicherheitshinweis:
Diese Projekte sind ausschließlich für Schutzkleinspannung (SELV – Safety Extra Low Voltage) ausgelegt, wie sie beispielsweise von Batterien, sicheren Steckernetzteilen, Solarpanels (typischerweise ≤ 25 V) oder Labornetzteilen (typischerweise ≤ 15 V) bereitgestellt wird. Obwohl Schutzkleinspannung nach DIN VDE 0100-410 bis 50 V AC beziehungsweise 120 V DC definiert ist, können auch Spannungen in diesem Bereich bereits gefährlich sein. Daher werden in den Versuchen ausschließlich Spannungen deutlich unterhalb dieser Grenzwerte verwendet. Der Betrieb an Netzspannung (230 V) oder anderen gefährlichen Spannungsquellen ist unzulässig.

Einleitung

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Kleine Schaltungsmuster treten in der Praxis immer wieder auf.

Viele dieser Schaltungen bestehen nur aus wenigen Bauteilen, erfüllen aber eine klar definierte Funktion: Ströme begrenzen, Spannungen stabilisieren, Signale filtern oder Lasten schalten.

Wer diese Grundschaltungen kennt, kann eigene Projekte schneller entwerfen und fremde Schaltpläne besser verstehen. Sie bilden den Baukasten, aus dem sich komplexere Schaltungen zusammensetzen.

Dieses Kapitel baut auf den Grundlagen zu Ohmsches Gesetz, Reihen- und Parallelschaltung sowie dem Spannungsteiler auf und zeigt, wie diese Prinzipien in typischen Anwendungen zusammenspielen.

Pull-up und Pull-down

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Digitale Eingänge benötigen einen definierten Pegel – sonst entstehen undefinierte Zustände.

Ein unbeschalteter Eingang kann einen beliebigen Zustand annehmen (floating input) und reagiert empfindlich auf Störungen. Pull-up- und Pull-down-Widerstände sorgen dafür, dass im Ruhezustand ein stabiler High- oder Low-Pegel anliegt.

Funktionsprinzip

Pull-up: Im Ruhezustand liegt der Eingang über \( R_\text{PU} \) auf High. Der Taster zieht ihn bei Betätigung auf Low.

Beim Pull-down ist die Schaltung spiegelbildlich aufgebaut: Der Widerstand liegt gegen Masse, der Taster schaltet nach \( +V \). Der Eingang ist im Ruhezustand Low und wird bei Betätigung High.

Dimensionierung

Typische Werte liegen zwischen \( 4{,}7\,\text{k}\Omega \) und \( 47\,\text{k}\Omega \). Der Widerstand ist ein Kompromiss:

Zu klein → hoher Strom bei gedrücktem Taster
Zu groß → störanfällig und langsames Umschalten

Der Strom bei geschlossenem Taster ergibt sich aus dem Ohmschen Gesetz:

\[ I = \frac{U_\text{CC}}{R_\text{PU}} \]

Beispiel: Bei \( U_\text{CC} = 3{,}3\,\text{V} \) und \( R_\text{PU} = 10\,\text{k}\Omega \) fließen etwa \( I = 0{,}33\,\text{mA} \).

Hinweis: Viele Mikrocontroller (AVR, ESP32, STM32) besitzen interne Pull-up-Widerstände. Diese reichen für kurze Leitungen meist aus. Bei längeren Leitungen oder störanfälliger Umgebung sind externe Widerstände mit kleinerem Wert empfehlenswert.

LED-Vorwiderstand

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LEDs benötigen eine Strombegrenzung – sonst werden sie sofort zerstört.

Eine LED ist ein nichtlineares Bauteil: Oberhalb ihrer Flussspannung \( U_F \) steigt der Strom sehr stark an. Ohne Begrenzung würde sie zerstört. Ein Vorwiderstand in Reihe übernimmt diese Aufgabe.

LED mit Vorwiderstand \( R_V \) in Reihe. Der Widerstand begrenzt den Strom auf den zulässigen Wert.

Berechnung

Am Widerstand fällt die Differenz zwischen Versorgungsspannung und LED-Flussspannung ab:

\[ R_V = \frac{U_\text{CC} - U_F}{I_F} \]

Beispiel

Gegeben:

\( U_\text{CC} = 5\,\text{V} \)
\( U_F = 2{,}0\,\text{V} \)
\( I_F = 10\,\text{mA} \)

\[ R_V = \frac{5 - 2}{0{,}01} = 300\,\Omega \]

Der nächsthöhere Normwert ist \( 330\,\Omega \). Dadurch wird der Strom leicht reduziert – das erhöht die Lebensdauer der LED.

Verlustleistung

Der Widerstand wandelt elektrische Energie in Wärme um:

\[ P_V = (U_\text{CC} - U_F) \cdot I_F \]

\[ P_V = 3\,\text{V} \cdot 0{,}01\,\text{A} = 30\,\text{mW} \]

Praxis: Standard-Widerstände (0207: \( 250\,\text{mW} \), SMD 0805: \( 125\,\text{mW} \)) sind hier mehr als ausreichend dimensioniert.

Typische Flussspannungen

LED-Farbe	\( U_F \)
Infrarot	\( 1{,}2 – 1{,}6\,\text{V} \)
Rot	\( 1{,}8 – 2{,}2\,\text{V} \)
Gelb / Orange	\( 2{,}0 – 2{,}4\,\text{V} \)
Grün	\( 2{,}0 – 3{,}2\,\text{V} \)
Blau / Weiß	\( 2{,}8 – 3{,}6\,\text{V} \)

Werte sind typisch – genaue Daten stehen im jeweiligen Datenblatt.

RC-Tiefpass

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Ein RC-Tiefpass filtert hohe Frequenzen heraus und lässt langsame Signalanteile passieren.

Ein RC-Tiefpass besteht aus einem Widerstand und einem Kondensator. Tiefe Frequenzen werden nahezu unverändert übertragen, während hohe Frequenzen gedämpft werden. Typische Anwendungen sind die Glättung von Signalen oder die Unterdrückung von Störungen.

RC-Tiefpass: Der Kondensator bildet für hohe Frequenzen einen niedrigen Widerstand und schließt sie nach Masse kurz.

Grenzfrequenz

Die Grenzfrequenz \( f_g \) ist die Frequenz, bei der die Ausgangsspannung auf etwa \( 70{,}7\,\% \) abgesunken ist (−3 dB).

\[ f_g = \frac{1}{2 \pi \cdot R \cdot C} \]

Merke: Unterhalb von \( f_g \) passiert das Signal fast ungedämpft, oberhalb wird es zunehmend abgeschwächt.

Beispiel

Gegeben:

\( R = 10\,\text{k}\Omega \)
\( C = 100\,\text{nF} \)

\[ f_g = \frac{1}{2 \pi \cdot 10{.}000 \cdot 100 \cdot 10^{-9}} \approx 159\,\text{Hz} \]

Frequenzen oberhalb von etwa \( 159\,\text{Hz} \) werden deutlich gedämpft, während langsam veränderliche Signale (inkl. Gleichspannung) nahezu unverändert bleiben.

Typische Anwendungen

PWM-Signal glätten → analoge Spannung erzeugen
Taster entprellen (in Kombination mit Pull-up/-down)
Störungen bei Sensorsignalen unterdrücken
Einfache Audiofilter (Höhen dämpfen)

RC-Hochpass

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Ein RC-Hochpass lässt schnelle Signaländerungen durch und blockiert langsame.

Beim RC-Hochpass sind Widerstand und Kondensator gegenüber dem Tiefpass vertauscht. Hohe Frequenzen werden übertragen, während tiefe Frequenzen und Gleichspannung gedämpft werden. Typische Anwendung ist die Trennung von Gleich- und Wechselanteilen (DC-Entkopplung).

RC-Hochpass: Der Kondensator blockiert Gleichspannung, nur Wechselanteile gelangen zum Ausgang.

Grenzfrequenz

Die Grenzfrequenz \( f_g \) entspricht der des Tiefpasses. Sie markiert den Übergang zwischen gedämpften und durchgelassenen Frequenzen:

\[ f_g = \frac{1}{2 \pi \cdot R \cdot C} \]

Merke: Unterhalb von \( f_g \) wird das Signal abgeschwächt, oberhalb passiert es nahezu ungehindert.

Interaktive Simulation

Verändere \( R \) und \( C \) – die Grenzfrequenz wird automatisch berechnet.

R: 10 kΩ C: 100 nF

f_g = ?

\( f_g = \frac{1}{2 \pi R C} \)

Kleinere Kondensatoren oder Widerstände erhöhen die Grenzfrequenz.

Transistor als Schalter

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Ein Transistor ermöglicht es, mit einem kleinen Steuerstrom große Lasten zu schalten.

Mikrocontroller-Pins liefern typischerweise nur wenige Milliampere (oft maximal etwa \( 20\,\text{mA} \)). Das reicht nicht für Relais, Motoren oder leistungsstarke LEDs. Ein Bipolartransistor (NPN) verstärkt den Basisstrom und schaltet einen größeren Strom im Kollektorkreis.

NPN-Transistor als Schalter: Der Mikrocontroller steuert die Basis über \( R_B \), der Transistor schaltet die Last gegen Masse.

Funktionsprinzip

Aus-Zustand

Kein Basisstrom → Transistor sperrt → kein Laststrom

Ein-Zustand (Sättigung)

Ausreichender Basisstrom → Transistor leitet → Last aktiv

Dimensionierung des Basiswiderstands

Damit der Transistor sicher schaltet, wird der Basisstrom bewusst größer gewählt als theoretisch notwendig:

\[ I_B \geq \frac{I_C}{\beta} \cdot k_\text{sicher} \]

mit Stromverstärkung \( \beta \) (typisch 100…300) und Sicherheitsfaktor \( k_\text{sicher} \approx 5\ldots10 \).

\[ R_B = \frac{U_\text{Steuer} - U_{BE}}{I_B} \]

Beispiel

Gegeben:

\( I_C = 100\,\text{mA} \)
\( U_\text{Steuer} = 5\,\text{V} \)
\( \beta = 200 \)
\( U_{BE} \approx 0{,}7\,\text{V} \)
Sicherheitsfaktor \( k = 10 \)

\[ I_B = \frac{0{,}1}{200} \cdot 10 = 5\,\text{mA} \]

\[ R_B = \frac{5 - 0{,}7}{0{,}005} \approx 860\,\Omega \]

Der nächstliegende Normwert ist \( 820\,\Omega \). Dieser liefert etwas mehr Basisstrom und sorgt für sichere Sättigung.

Wichtig: Bei induktiven Lasten (Relais, Motoren) ist immer eine Freilaufdiode parallel zur Last erforderlich, um Spannungsspitzen beim Abschalten zu vermeiden.

Freilaufdiode

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Induktive Lasten erzeugen gefährliche Spannungsspitzen – die Freilaufdiode schützt davor.

Relaisspulen und Motoren speichern Energie im Magnetfeld. Wird der Strom plötzlich abgeschaltet, versucht die Induktivität den Stromfluss aufrechtzuerhalten und erzeugt dabei eine hohe Spannung. Diese kann Transistoren oder ICs zerstören.

Freilaufdiode: Die Diode ist in Sperrrichtung zur Versorgungsspannung geschaltet und leitet nur, wenn die Spule eine Gegenspannung erzeugt.

Funktionsweise

Normalbetrieb

Die Diode ist in Sperrrichtung geschaltet und beeinflusst die Schaltung nicht.

Abschalten

Die Spule erzeugt eine Gegenspannung mit umgekehrter Polarität. Dadurch wird die Diode leitend.

Energieabbau

Der Strom fließt nun im Kreis über die Diode weiter, bis die gespeicherte Energie abgebaut ist.

Wichtig: Ohne Freilaufdiode können Spannungsspitzen von mehreren hundert Volt entstehen – ausreichend, um Halbleiter sofort zu zerstören.

Diodenwahl

Langsame Anwendungen (Relais)

Standarddioden wie 1N4001–1N4007 sind ausreichend.

Schnelle Anwendungen (PWM, Motorsteuerung)

Schnelle Dioden (z. B. 1N4148) oder Schottky-Dioden verwenden.

Dimensionierung

Sperrspannung ≥ Versorgungsspannung
Durchlassstrom ≥ Laststrom

Die Diode wird immer antiparallel zur Last geschaltet – nicht zum Transistor.

Entkopplungskondensator

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Entkopplungskondensatoren stabilisieren die Versorgungsspannung direkt am IC.

Digitale Schaltungen ziehen ihren Strom nicht gleichmäßig, sondern in kurzen Impulsen bei jedem Schaltvorgang. Diese Stromspitzen führen auf realen Leitungen (mit Widerstand und Induktivität) zu kleinen Spannungseinbrüchen.

Ein Entkopplungskondensator stellt diese Energie lokal bereit und hält die Versorgungsspannung stabil.

Entkopplungskondensator direkt an den Versorgungspins des ICs — je kürzer die Leitungen, desto besser die Wirkung.

Funktionsprinzip

Stromspitze entsteht

Beim Umschalten benötigt das IC kurzfristig viel Strom.

Versorgung bricht ein

Ohne Kondensator fällt die Spannung lokal ab.

Kondensator puffert

Der Kondensator liefert sofort Strom und stabilisiert die Spannung.

Dimensionierung

Standardwert

\( 100\,\text{nF} \) Keramik direkt am IC – Standard für fast alle digitalen Schaltungen.

Zusätzlicher Puffer

\( 10\,\mu\text{F} \) bis \( 100\,\mu\text{F} \) für langsame Laständerungen (z. B. Mikrocontroller, Treiber).

Platzierung (entscheidend!)

Direkt an jeden VCC-Pin des ICs setzen
Leitungen so kurz wie möglich halten
Jeder Versorgungspin bekommt einen eigenen Kondensator
So nah wie möglich am IC platzieren

Bedeutung

Praxis: Fehlende Entkopplung ist eine der häufigsten Ursachen für:

unerklärliche Resets
instabile Signale
EMV-Probleme
sporadische Fehlfunktionen

Ein 100-nF-Kondensator pro IC ist keine Option – sondern Pflicht.

Zusammenfassung

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Diese Grundschaltungen bilden den Werkzeugkasten der Elektronik.

Jede der folgenden Schaltungen erfüllt eine klar definierte Aufgabe und taucht in nahezu jedem Projekt wieder auf:

Pull-up / Pull-down

Definierter Pegel an digitalen Eingängen

LED-Vorwiderstand

Strombegrenzung für LEDs und Dioden

RC-Tiefpass

Glätten, Filtern und Entstören von Signalen

RC-Hochpass

DC-Entkopplung und Durchlass hoher Frequenzen

Transistor als Schalter

Kleine Steuerströme schalten große Lasten

Freilaufdiode

Schutz beim Abschalten induktiver Lasten

Entkopplungskondensator

Stabilisierung der Versorgungsspannung

Merksatz:
Wer diese sieben Grundmuster beherrscht, kann die meisten Schaltungen verstehen, analysieren und selbst entwickeln.

Formelzeichen

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Übersicht der wichtigsten Formelzeichen aus diesem Kapitel.

Symbol	Bedeutung	Formel / typischer Wert
\( U_\text{CC} \)	Versorgungsspannung der Schaltung	abhängig von Anwendung (z. B. 3,3 V / 5 V)
\( R_\text{PU} \)	Pull-up-Widerstand	typisch: 4,7 – 47 kΩ
\( U_F \)	Flussspannung einer LED	typisch: 1,6 – 3,6 V
\( I_F \)	LED-Durchlassstrom	typisch: 2 – 20 mA
\( R_V \)	Vorwiderstand der LED	\( \dfrac{U_\text{CC} - U_F}{I_F} \)
\( P_V \)	Verlustleistung im Vorwiderstand	\( (U_\text{CC} - U_F) \cdot I_F \)
\( f_g \)	Grenzfrequenz eines RC-Filters	\( \dfrac{1}{2 \pi \cdot R \cdot C} \)
\( \beta \)	Stromverstärkung (BJT)	typisch: 100 – 300
\( U_{BE} \)	Basis-Emitter-Spannung (Silizium)	ca. 0,7 V
\( I_B \)	Basisstrom (für Sättigung)	\( \dfrac{I_C}{\beta} \cdot k_\text{sicher} \)
\( I_C \)	Kollektorstrom (Laststrom)	abhängig von Last
\( R_B \)	Basiswiderstand	\( \dfrac{U_\text{Steuer} - U_{BE}}{I_B} \)

Werte sind typische Richtgrößen – im Zweifel immer das Datenblatt verwenden.

Quelle: https://lessat.net/technik/elektronik/projekte/grundschaltungen
Titel: Typische Grundschaltungen
Druckdatum: 07.09.2026
Domain: www.lessat.net

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