Ein einzelnes Bauteil wie eine Batterie, ein Widerstand oder eine LED ist für sich genommen schon faszinierend. Aber echte Elektronik ist ein Team-Sport. Bauteile müssen zusammenarbeiten.
Heute schauen wir uns die einfachste Art an, wie wir Bauteile verheiraten können: Die Reihenschaltung (auch Serienschaltung genannt). Stellt euch das vor wie eine Perlenkette. Der Strom hat nur einen einzigen Weg – er muss durch jedes einzelne Bauteil nacheinander hindurch. Keine Abzweigungen, keine Abkürzungen.
1. Die drei goldenen Regeln der Reihenschaltung 📜
Wenn wir Widerstände hintereinanderhängen (wie mehrere Knoten in einem langen Gartenschlauch), passieren drei faszinierende physikalische Dinge:
Regel 1: Der Strom ist überall gleich (Das Nadelöhr)
Da es keine Abzweigungen gibt, kann kein Elektron verloren gehen oder überholen. Die Menge an Elektronen, die pro Sekunde durch den ersten Widerstand fließt, muss exakt die gleiche Menge sein, die auch durch den zweiten fließt.
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Formel: $I_{ges} = I_1 = I_2 = I_3$
Regel 2: Die Widerstände addieren sich (Der lange Weg)
Wenn ihr durch einen zähen Sumpf watet und danach sofort noch einen Sumpf durchqueren müsst, wird es insgesamt nur noch anstrengender. Genau so ist es für den Strom. Schaltet ihr Widerstände in Reihe, dürft ihr ihre Ohm-Werte einfach zusammenrechnen!
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Formel: $R_{ges} = R_1 + R_2 + R_3$
Regel 3: Die Spannung teilt sich auf (Der große Kuchen)
Spannung ist der „Druck“ (oder die Energie), die eine Stromquelle wie die Batterie liefert. Jedes Hindernis in der Reihenschaltung verbraucht ein Stückchen dieser Energie, um die Elektronen hindurchzuquetschen. Die gesamte Spannung der Batterie teilt sich auf die einzelnen Widerstände auf.
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Formel: $U_{ges} = U_1 + U_2 + U_3$ (Das nennt man auch die Kirchhoffsche Maschenregel!)
2. Die Theorie: Wir rechnen das durch! 🧮
Stellt euch vor, ihr habt eine 9V-Batterie. Daran schließt ihr zwei Widerstände in Reihe an:
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$R_1 = 100 \ \Omega$
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$R_2 = 200 \ \Omega$
Frage 1: Wie groß ist der Gesamtwiderstand ($R_{ges}$)? Das ist einfach. Wir wenden Regel 2 an:
$$R_{ges} = 100 \ \Omega + 200 \ \Omega = \mathbf{300 \ \Omega}$$
Die Schaltung verhält sich für die Batterie exakt so, als hättet ihr einen einzigen 300-Ohm-Widerstand eingebaut.
Frage 2: Wie viel Strom ($I$) fließt durch die Kabel? Jetzt holen wir das URI-Dreieck ($I = U / R$) heraus. Wir nehmen die Gesamtspannung und den Gesamtwiderstand:
$$I = \frac{9\text{V}}{300\ \Omega} = \mathbf{0,03\text{ Ampere (oder 30 mA)}}$$
Wegen Regel 1 wissen wir: Diese 0,03 A fließen durch beide Widerstände.
Frage 3: Welche Spannung fällt an welchem Widerstand ab? Jetzt wird es magisch. Wir nutzen URI für jeden Widerstand einzeln ($U = R \cdot I$):
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Spannung an R1: $U_1 = 100\ \Omega \cdot 0,03\text{A} = \mathbf{3\text{ Volt}}$
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Spannung an R2: $U_2 = 200\ \Omega \cdot 0,03\text{A} = \mathbf{6\text{ Volt}}$
Probe mit Regel 3: 3V + 6V = 9V. Es passt perfekt! Die Batterie liefert 9V, und die Widerstände „verbrauchen“ diesen Druck im Verhältnis zu ihrer Größe. Je größer der Widerstand, desto mehr Spannung fällt an ihm ab. Wir haben einen Spannungsteiler gebaut!
3. Praxis-Mission: Messen ist Wissen! 🕵️♂️
Genug gerechnet, holt die Breadboards und die Multimeter raus. Wir beweisen jetzt, dass die Mathematik nicht lügt.
Was ihr braucht:
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1x Breadboard
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1x 9V-Batterie oder Netzteil
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2x Unterschiedliche Widerstände (z.B. $1\text{k}\Omega$ [Braun-Schwarz-Rot] und $2,2\text{k}\Omega$ [Rot-Rot-Rot])
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Jumper-Kabel
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1x Multimeter
Der Aufbau (Die Perlenkette auf dem Steckbrett):
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Verbindet die Batterie mit den blauen und roten Stromschienen eures Breadboards.
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Steckt ein Beinchen von $R_1$ (dem 1k-Widerstand) in die Plus-Schiene (Rot). Das andere Beinchen steckt ihr in die horizontale Reihe
10(z.B. 10a). -
Jetzt kommt die Reihenschaltung: Steckt das erste Beinchen von $R_2$ (dem 2,2k-Widerstand) ebenfalls in Reihe
10(z.B. 10c). Damit haben sie Kontakt! Das zweite Beinchen von $R_2$ steckt ihr in Reihe15(z.B. 15a). -
Verbindet Reihe
15(z.B. 15c) mit einem schwarzen Kabel mit der Minus-Schiene (Blau). Eure Perlenkette ist geschlossen!
Die Messung (Der Spannungs-Check):
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Stellt das Multimeter auf Gleichspannung (Bereich
20V). -
Messt zuerst die Gesamtspannung: Rote Messspitze an die Plus-Schiene, schwarze an die Minus-Schiene. Notiert den Wert (er sollte bei ca. 9V liegen).
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Messt jetzt den Spannungsabfall an $R_1$: Haltet die rote Spitze an das Beinchen von $R_1$, das in der Plus-Schiene steckt, und die schwarze Spitze an das Beinchen in Reihe 10. Was seht ihr?
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Messt den Spannungsabfall an $R_2$: Rote Spitze an Reihe 10, schwarze Spitze an Reihe 15.
Addiert die beiden gemessenen Werte. Sie sollten (bis auf winzige Messtoleranzen) exakt eure Gesamtspannung ergeben. Ihr habt soeben das Kirchhoffsche Gesetz live bewiesen!
4. Blick in die Zukunft: Warum Spannungsteiler die Welt regieren 🤖
Vielleicht denkt ihr jetzt: „Schön, ich habe 9 Volt in 3 Volt und 6 Volt zerschnitten. Wozu brauche ich das?“
Ein Mikrocontroller (wie z.B. der KIPR-Controller, ein Arduino oder ein Raspberry Pi Pico) besitzt sogenannte ADC-Pins (Analog-to-Digital Converter). Diese können nur Spannungen messen (meistens zwischen 0 und 3.3 Volt). Wenn ihr eurem Roboter einen Lichtsensor (einen LDR = Fotowiderstand) verpasst, ändert dieser bei Dunkelheit seinen elektrischen Widerstand. Aber der Controller kann keine Ohm messen, er kann nur Volt messen!
Der Trick der Ingenieure: Wir bauen einen Spannungsteiler aus einem normalen, festen Widerstand und unserem Lichtsensor-Widerstand. Wenn sich nun das Licht ändert, ändert sich der Ohm-Wert des Sensors. Dadurch verschiebt sich sofort die Aufteilung der Spannung (wie beim Kuchen-Beispiel oben). Die Spannung in der Mitte des Spannungsteilers steigt oder fällt. Und genau diese schwankende Spannung führen wir in den ADC des Controllers. So merkt der Roboter: „Aha, die Spannung fällt – es wird dunkel, ich mache das Licht an!“
Ohne die Reihenschaltung wäre die moderne Robotik taub, blind und gefühllos!
