Schnelleinstieg Elektronik - Leseprobe

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Christian Caroli/Philip Caroli
Von A wie Ampere bis Z wie zweistufiger Verstärker
Ein bisschen Physik gehört dazu, mit den richtigen
Erklärungen versteht sich das aber wie von selbst.
Die Caroli-Brüder erklären noch einmal ganz von
vorne, was Ampere, Volt und Co. eigentlich sind und
wie man sie berechnet. Das ist die perfekte Grundlage,
um gleich darauf in das Spezialgebiet Elektronik
einzusteigen. Erfahren Sie, wie Sie herausfinden,
welcher Widerstand für welche Schaltung der richtige
oder welcher Mikrocontroller für welches Projekt
geeignet ist.
Los geht es mit eigenen Projekten!
Elektronikwissen allein wäre ja langweilig! Richtig
spannend wird es erst, wenn man das Gelernte
anwendet und zum Lötkolben greift. Was sind die
wichtigsten Werkzeuge, die man braucht? Welche
Vorbereitungen muss man treffen? Und dann geht es
auch schon los: Einfache Schaltungen werden gebaut
und Kabel zusammengelötet. Und wer das ganze Buch
durchgearbeitet hat, der kann frohen Mutes jedes
Projekt angehen, das ihm in den Sinn kommt.
19,95 EUR [D] / 20,60 EUR [A]
ISBN 978-3-645-60350-8
Aus dem Inhalt:
• Volt, Watt, Ampere
und Ohm erklärt
• Erste praktische Schritte
• Analoger Temperatursensor
• Audioverstärker
• Servoansteuerung per N555
• Löten wie die Profis
• Fritzing – gut geplant ist
halbe Arbeit
SCHNELLEINSTIEG ELEKTRONIK
Keine Angst vor Elektronik! Auch wenn dahinter Fachwissen aus Physik und Mathematik lauert,
für die ersten Tüfteleien braucht man keinen Master of Science. Die Brüder Christian und Philip
Caroli erklären alles nötige Grundwissen so, dass es jeder versteht.
AUCH FÜR
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• Einführung Digitaltechnik
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DIE WICHTIGSTEN GRUNDBEGRIFFE AUS
PHYSIK UND ELEKTRONIK EINFACH ERKLÄRT
UND DIREKT IN DIE PRAXIS UMGESETZT.
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Christian Caroli/Philip Caroli
Schnelleinstieg
Elektronik
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Philip Caroli studiert Informatik am KIT in Karlsruhe und beschäftigt sich
schon seit vielen Jahren mit Elektronik und 3-D-Druck. Angefangen bei kleinen
elektronischen Schaltungen ¸ber Reparaturen von Haushaltsgeräten bis hin zur
Entwicklung von kleinen Robotern, hat Philip Caroli alles repariert, erweitert und
programmiert, was ihm in die Hände fiel.
Als Autodidakt hat er einen sehr praxisbezogenen Zugang zur Materie und
kann seine Freude am Thema gut vermitteln. In seiner Freizeit ist er im FabLab
Karlsruhe e.V. engagiert und hat dort unter anderem einen Lasercutter mit
aufgebaut.
Christian Caroli ist bereits seit seiner Jugend begeisterter Elektronik-Bastler.
Was zunächst mit dem Auseinanderschrauben und Wiederzusammenbauen
seines Computers begann, setzte er in späteren Jahren mit Zusatzmodulen für
seinen PC, diversen Mikrocontroller-Schaltungen und Kleingeräten bis zum
heutigen Bau von 3-D-Druckern fort.
Vor zwei Jahren hat der Bastler aus Leidenschaft den Verein FabLab Karlsruhe e.V.
mitgegründet und mitaufgebaut, dessen Ziel es ist, den Umgang mit modernen
Produktionsmitteln wie 3-D-Druckern und Lasercuttern zu lehren und zu
ermöglichen. Hauptberuflich entwickelt Christian Caroli Soft- und Hardware
in seiner eigenen Firma.
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Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.
Alle Angaben in diesem Buch wurden vom Autor mit größter Sorgfalt erarbeitet bzw. zusammengestellt und
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werden. Der Verlag folgt bei den Produktbezeichnungen im Wesentlichen den Schreibweisen der Hersteller.
Programmleitung: Dr. Markus Stäuble
Konzeption: Dr. Markus Stäuble, Jenny Pfeiffer
Lektorat: Christian Immler, Jenny Pfeiffer
Satz und Layout: DTP-Satz A. Kugge, München
art & design: www.ideehoch2.de
Druck: CPI-Books
Printed in Germany
ISBN 978-3-645-60350-8
VORWORT
Sie haben sich also entschlossen, sich mit dem Thema Elektronik auseinanderzusetzen. Dazu möchten wir Sie ganz herzlich beglückwünschen, denn Elektronik
ist ein faszinierendes Thema, das in der heutigen Zeit an jeder Ecke des Alltags
auftaucht, sei es im Computer, dem Handy, der Küchenmaschine oder schlicht
im Lichtschalter. Diese Geräte vereinfachen unser Leben, machen es komfortabler und angenehmer, aber nur dann, wenn sie so arbeiten, wie sie sollen. Sobald
einmal ein Gerät ausfällt, ist man ohne Elektronik-Kenntnisse auf einen Fachmann angewiesen, der erst einmal Zeit finden muss, Sie zu besuchen, und dann
auch noch Etliches an Geld kostet. Oft lassen sich solche Probleme mit wenigen
Handgriffen selbst beseitigen, wenn man nur weiß, wo man diese anbringen muss.
Dann erst kontrolliert man wirklich die Geräte und wird nicht von ihnen kontrolliert.
Über die Reparatur und den richtigen Einsatz von elektronischen Geräten hinaus
bietet die Konstruktion von elektronischen Schaltungen außerdem das Potenzial
für große Freude und sehr viel Spaß – stunden-, tage- oder wochenlang. Und da
Sie sicherlich schon darauf brennen, richtig loszulegen, wollen wir Sie auch gar
nicht mehr lange aufhalten und wünschen Ihnen viel Spaß auf den folgenden Seiten!
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INHALTSVERZEICHNIS
VOLT, WATT, AMPERE UND OHM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1 Elektrischer Strom und Spannung. . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.1 Gefährliche Potenzialunterschiede. . . . . . . . . . . . . . 12
1.2 Stromstärke elektrischer Leiter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Batterien und Akkus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.1Alkaline-Batterien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.2Nickel-Metallhydrid-Akkus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.3Lithium-Ionen-Akkus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 Widerstand im Stromkreis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.1 Farbcodes für Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.2 Rechnen mit Volt, Watt, Ampere, Ohm . . . . . . . . . . 20
1.5 Dioden geben die Richtung an . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.6 Glühlampen leuchten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.7 Leuchtdioden leuchten effizienter . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.8 Kondensatoren speichern Energie. . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.8.1 Experiment mit Elektrolytkondensatoren. . . . . . . . . . 25
1.8.2 Ausführungen und Bauformen . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.9 Transistoren verstärken und schalten . . . . . . . . . . . . . . 26
1.10 MOSFET-Transistoren verstärken kraftvoller. . . . . . . . . 28
1.11 Spulen speichern Strom ¬ aber anders. . . . . . . . . . . . . 29
1.11.1Elektromotoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.11.2Freilaufdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.12 Integrierte Schaltkreise ändern alles. . . . . . . . . . . . . . . 33
1.13 Revolution im Kleinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.14 Reihen- und Parallelschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.14.1 Reihenschaltung von Widerständen . . . . . . . . . . . . 37
1.14.2 Reihenschaltung von Kondensatoren. . . . . . . . . . . . 38
1.14.3 Parallelschaltung von Kondensatoren. . . . . . . . . . . . 38
1.14.4 Parallelschaltung von Widerständen . . . . . . . . . . . . 39
1.15 Spannung gezielt reduzieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.15.1 Das Potenziometer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.16Steckverbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
1.17 Schaltpläne lesen und begreifen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.18 Datenblätter richtig lesen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
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ERSTE PRAKTISCHE SCHRITTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 Die Elektronik-Grundausrüstung. . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Das Breadboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2Drahtbrücken-Sortiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3Widerstands-Sortiment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.4Kondensator-Sortiment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.5Transistoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.6LEDs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.7Stromversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.8Multimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Unsere erste Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Einschub: Vorwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Das Multimeter ¬ Ihr bester Freund. . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1Durchgangsmessung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2Widerstandsmessung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.3Spannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.4Strommessung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.5 Tipps und Tricks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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ANALOGER TEMPERATURSENSOR. . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.1Thermistoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2 Praxis: Getränkekühlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4
AUDIOVERSTÄRKER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1 Simulation von Schaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1 Installation von LTspice unter Windows . . . . . . . . . .
4.1.2 Installation von LTspice unter Ubuntu. . . . . . . . . . . .
4.1.3 LTspice bedienen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.4 Hoch- und Tiefpassfilter simulieren. . . . . . . . . . . . .
4.2Transistor-Grundlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Praxis: Bau eines Schalters mit einem Transistor . . . .
4.2.2 Bau eines zeitverzögerten Schalters. . . . . . . . . . . . .
4.2.3 Aufbau eines Audioverstärkers mit Transistoren . . . .
4.3 Ein zweistufiger Verstärker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4Operationsverstärker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Inhalt
4.4.1 Der Impedanzwandler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.2 Der Spannungs-Strom-Wandler . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.3 Der nichtinvertierende Verstärker . . . . . . . . . . . . . .
4.4.4 Der invertierende Verstärker. . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.5 Bau eines Klasse-AB-Verstärkers mit
Operationsverstärkern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.6 Aufbau eines Verstärkers mit fertigen Bauelementen. .
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SERVOANSTEUERUNG PER N555. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.1 Ansteuern eines Servomotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6
LÖTEN WIE DIE PROFIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.1 Werkzeug zum Löten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.1.1 Der Lötkolben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
6.1.2 Das Lötzinn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.1.3Lötschwamm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.1.4Zangen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.1.5Seitenschneider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.1.6Löthilfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.1.7Stahlwolle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.1.8Kabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.1.9Schrumpfschlauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.2Vorsichtsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.3 Erste Schritte: Verbinden zweier Kabel. . . . . . . . . . . . . 110
6.4 Zweite Schritte: Lochrasterplatinen . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.4.1 Dann legen wir los . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.5 Entlöten von Bauteilen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.5.1Entlötsaugpumpe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.5.2Entlötlitze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.5.3Lötzange. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.5.4 Tipps und Tricks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
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FRITZING ¬ GUT GEPLANT IST HALBE ARBEIT. . . . . . . . .
7.1 Herunterladen und Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2 Start von Fritzing und Einstellen der Sprache. . . . . . . . .
7.3 Der Bereich Steckplatine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4 Der Bereich Schaltplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Inhalt
7.5
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Der Bereich Leiterplatte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Der Bereich Code. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
EINFÜHRUNG DIGITALTECHNIK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
8.1 Bits und Bytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.2 Grundelemente der Digitaltechnik . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.2.1Inverter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.2.2Und-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
8.2.3Oder-Gatter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
8.2.4 Exklusives Oder-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
8.2.5Nicht-Und-Gatter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
8.2.6Nicht-Oder-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.2.7Flipflops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.2.8Schmitt-Trigger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.2.9Tristate-Treiber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
8.2.10Pegelwandler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
8.2.11 Multiplexer und Demultiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . 147
8.2.12 Encoder und Decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
8.2.13Binärzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
8.2.14Register. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
8.3Bauteile-Übersicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
8.4 Praxis: Handzähler mit LED-Anzeige. . . . . . . . . . . . . . . 150
8.4.1 Verwendete digitale Bauteile. . . . . . . . . . . . . . . . . .150
8.4.2 Aufbau der Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
8.5Taktgeber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
8.6Digital-Analog-Wandler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
8.7Analog-Digital-Wandler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.8Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
8.8.1 EEPROM (Electrically Erasable Programmable
Read-Only Memory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.8.2Flash-Memory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.8.3SRAM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.8.4DRAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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8.9Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
8.10Arduino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
INDEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
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ERSTE PRAKTISCHE SCHRITTE
2.1 Die Elektronik-Grundausrüstung
Kommen wir zu Dingen, die man auch anfassen kann. Wenn Sie sich mit dem
Thema Elektronik beschäftigen möchten, lohnt es sich, sich gewisse Werkzeuge
und Bauteile zuzulegen, sodass sie immer griffbereit sind.
Am einfachsten ist es natürlich, wenn Sie in Ihrer Umgebung einen ElektronikFachmarkt haben, der elektronische Bauelemente in einem Ladengeschäft anbietet. Hier können Sie die Waren anfassen, bevor Sie sie kaufen, können den Verkäufer um fachliche Auskunft bitten und finden schnell und unkompliziert die wichtigsten Bauteile.
Leider werden solche Geschäfte heutzutage immer seltener, sodass Sie eventuell
gezwungen sein werden, Ihre Ausrüstung im Internet zu bestellen. Hier gibt es
eine ganze Reihe von Anbietern, die eine große Auswahl von Bauteilen und Werkzeug bieten – zum Beispiel Conrad, ELV, Pollin, Reichelt und Voelkner, um nur
einige der größeren zu nennen.
Die Auswahl bei solchen Online-Versendern ist riesig – so groß, dass man nicht
selten in Schwierigkeiten kommt, die richtigen Bauteile für seine Schaltung auszuwählen. Dann kann ein Freund oder Bekannter, der sich beim Thema Elektronik
auskennt, vielleicht weiterhelfen, oder aber Sie suchen nach einem FabLab oder
Hackerspace in Ihrer Umgebung – das sind meist gemeinnützige Organisationen
oder Vereine, die sich mit Elektronik und anderen Techniken beschäftigen und im
Allgemeinen immer ein offenes Ohr für Einsteiger haben.
Neben den elektronischen Bauelementen brauchen Sie auch Werkzeuge, die Sie
sich entweder ebenfalls bestellen oder aber in einem Baumarkt besorgen können.
2.1.1 Das Breadboard
Auf keinen Fall fehlen sollte in ihrer Grundausrüstung ein sogenanntes Breadboard. Breadboards, auch als Steckbretter bezeichnet, bestehen zum Großteil aus
Plastik und weisen viele Löcher auf, in die man Bauteile stecken kann. Unterhalb
dieser Löcher befinden sich elektrisch leitende Kontakte aus Metall, die die Bauteile einklemmen, sodass ein guter elektrischer Leiter aufgebaut wird.
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Breadboards ermöglichen den einfachen Aufbau einer Schaltung.
Mehrere dieser Löcher sind elektrisch miteinander verbunden, sodass man zwei
Bauteile ganz einfach dadurch miteinander koppeln kann, dass man sie nebeneinander in dieselbe Spalte oder Reihe steckt. Die Art und Weise, wie die Zeilen und
Spalten der Breadboards elektrisch miteinander verbunden sind, können Sie der
Skizze in Bild entnehmen.
Die Löcher des Breadboards sind elektrisch miteinander verbunden.
Breadboards sind ungemein praktisch, denn sie bieten die Möglichkeit, Schaltungen ohne jegliche Lötarbeit schnell und einfach aufzubauen, indem einfach nur
die Drähte oder Beine der elektrischen Bauteile eingesteckt werden. Es ist auch
problemlos möglich, die Bauteile wieder zu entfernen, sodass Breadboards und die
verwendeten Bauteile lange Zeit und häufig wiederverwendbar sind.
Allerdings sollte man aufpassen, dass die elektrischen Leiter nur mit mäßigen
Stromstärken belastet werden, mehr als 1 A sollte es nicht sein. Breadboards
49
2 Erste praktische Schritte
haben normalerweise ein Rastermaß von 2,54 mm, was dem angloamerikanischen
1/10 inch entspricht. Damit passen die meisten elektronischen Bauteile und auch
DIL-Chipgehäuse problemlos in das Breadboard.
Noch zwei Tipps am Rande: Wenn Sie ein Breadboard bestücken, empfiehlt es
sich, zuerst die großen Teile einzustecken und dann erst kleinere Teile wie Widerstände oder Drahtbrücken. Größere Teile beanspruchen logischerweise mehr
Platz auf dem Breadboard und können leichter angeordnet werden, solange noch
keine kleinen Teile stören.
Falls Sie einmal einen integrierten Schaltkreis in einem DIL-Gehäuse auf ihrem
Breadboard verwenden möchten, werden Sie feststellen, dass die Beine des Chips
leicht schräg sind und nicht direkt ins Raster passen. Die einfachste Methode, sie
in die richtige Position zu bringen, besteht dann darin, den Chip seitlich auf eine
gerade, stabile Oberfläche zu legen und alle Pins gleichzeitig so zu verbiegen, dass
das Rastermaß erreicht wird.
2.1.2 Drahtbrücken-Sortiment
Will man Baugruppen verbinden, die auf dem Breadboard weit auseinanderliegen, so benötigt man Drahtbrücken. Diese bestehen aus einem wenige Zentimeter
langen Kabel, an dessen Enden feste Stifte angebracht sind, die problemlos in das
Breadboard passen.
Im Allgemeinen benötigen Sie Drahtbrücken, die an beiden Enden einen Stecker
aufweisen. Es schadet jedoch nicht, wenn Sie ein paar Drahtbrücken besitzen, die
je einen Stecker und eine Buchse haben, oder Drahtbrücken, die zwei Buchsen
aufweisen.
Glücklicherweise kann man diese Drahtbrücken schon für wenige Euro im Set
kaufen, 40 bis 50 Stück sollten in Ihrem Grundbaukasten mindestens enthalten
sein. Vorteilhaft ist es, wenn die Drahtbrücken unterschiedliche Farben haben, so
kann man leichter die Übersicht behalten.
Falls Sie aus irgendwelchen Gründen keine Drahtbrücken zur Verfügung haben,
können Sie sich auch behelfen, indem Sie ein isoliertes, dünnes Elektronikkabel
mit Drahtfüllung (keine Litze) an den Enden 5 bis 7 mm abisolieren. Die Kabel
halten nicht ganz so gut wie die Drahtbrücken, reichen aber häufig aus.
50
2.1 Die Elektronik-Grundausrüstung
2.1.3 Widerstands-Sortiment
Widerstände werden in elektronischen Schaltungen immer und überall benötigt,
und nach Murphys Gesetz ist grundsätzlich nie der Widerstand da, den Sie gerade
benötigen. Daher empfiehlt es sich, sich ein Widerstands-Sortiment zuzulegen, in
dem die wichtigsten Widerstände ordentlich sortiert enthalten sind. Solche Widerstands-Sortimente finden Sie bei den einschlägigen Online-Versendern, aber auch
auf eBay und anderen Handelsplattformen werden solche Sortimente angeboten,
und das oftmals viel günstiger. Es empfiehlt sich, Widerstände der E12-Reihe zu
bestellen, zehn Widerstände je Widerstandswert sollten vollkommen ausreichend
sein, und auch was die Toleranz angeht, müssen Sie nicht unbedingt die hochgenauen Widerstände bestellen.
Widerstände gibt es als Sortiment – sie
sind so sortiert, dass man die einzelnen
Werte leicht findet.
2.1.4 Kondensator-Sortiment
Auch Kondensatoren werden gerne und oft verwendet. Allerdings müssen die
Werte bei Kondensatoren meist nicht so genau eingehalten werden wie bei Wider51
2 Erste praktische Schritte
ständen, sodass man mit weniger Bauteilen auskommt – gegebenenfalls verwendet
man einfach den nächsthöheren Wert.
Für Ihre Elektronik-Grundausrüstung sollten Sie sich die folgenden Kondensatoren zulegen, jeweils drei bis fünf Stück:
U10 nF (Ausführung als Keramik- oder Folienkondensatoren)
U100 nF (Ausführung als Keramik- oder Folienkondensatoren)
U1 µF (Ausführung als Elektrolytkondensatoren)
U4,7 µF (Ausführung als Elektrolytkondensatoren)
U200 µF (Ausführung als Elektrolytkondensatoren)
Auch ein paar gängige
Kondensatoren
sollten in Ihrer
Grundausrüstung nicht
fehlen.
2.1.5 Transistoren
Auf keinen Fall fehlen sollten auch Transistoren. Wir empfehlen den BC546, einen
npn-Transistor, den man mit bis zu 100 mA belasten kann (egal, ob in Ausführung A, B oder C), sowie den BC556, der als PNP-Transistor ebenfalls bis 100 mA
belastbar ist.
Wenn Sie einmal höhere Ströme schalten müssen, empfiehlt sich der BUZ11 MOSFET-Transistor, der stattliche 28 A schalten kann.
52
2.1 Die Elektronik-Grundausrüstung
Auch Transistoren gibt es in
verschiedenen Ausfertigungen,
abhängig von Bauart oder Leistung.
2.1.6 LEDs
Da man Strom leider nicht sehen kann, ist es auch wichtig, das eine oder andere
Element zu haben, das ein für Menschen sichtbares Signal ausgeben kann. Leuchtdioden sind hierfür sehr gut geeignet, da sie wenig Strom verbrauchen, sehr schnell
reagieren und zudem in allen Farben des Regenbogens zu haben sind. Zehn bis
zwanzig Leuchtdioden, optimalerweise in unterschiedlichen Farben, sollten auf
keinen Fall in Ihrer Elektronik-Grundausrüstung fehlen.
Leuchtdioden gibt es in verschiedenen Farben, mit Draht und in letzter Zeit auch immer
öfter als SMD-Version (oben).
53
2 Erste praktische Schritte
2.1.7 Stromversorgung
Natürlich benötigen Sie für Ihre ersten Elektronik-Gehversuche auch eine geeignete Spannungsquelle. Das kann ein Netzteil sein, aber durchaus auch eine Batterie, abhängig von der Art der Experimente, die Sie durchführen möchten. Wir
empfehlen die Verwendung eines USB-Netzteils, das an seinen Ausgängen normalerweise eine 5-V-Spannung ausgibt, welche sich für unsere Zwecke vorzüglich
eignet.
Sie können aber auch einmal in Ihrer Rumpelkiste nachsehen, ob Sie noch das
Netzteil eines mittlerweile „verstorbenen“ Rasierapparates oder anderen Gerätes
finden, und es für Ihre Zwecke verwenden. Wichtig ist aber, dass Sie auf der Rückseite des Netzteils nachsehen, ob es Ihren Anforderungen genügt.
Üblicherweise können Sie auf dem Etikett eines Geräts nachlesen, welche Spannung dieses hat (Gleich- oder Wechselspannung) und wie stark das Netzteil belastet werden darf (Angabe in Ampere).
Angaben auf einem Netzteil können sehr
verwirrend sein, bieten aber oft viele Informationen.
Dieses bietet zwei Spannungen an, einmal
32 V mit 700 mA und einmal 16 V zu 625 mA –
jeweils als ungeglätteter Gleichstrom. Sogar die
Steckerbelegung wird angegeben.
In diesem Buch werden wir die Schaltungen meistens auf 5 V auslegen, für einige
Projekte kommen auch 12 V zum Einsatz. Wenn Sie in die Digitalelektronik einsteigen wollen, sind ab und an auch 3,3 V gebräuchlich.
54
2.1 Die Elektronik-Grundausrüstung
Wenn Sie ganz sichergehen möchten, können Sie sich auch ein Labornetzteil zulegen, bei dem Sie die Spannung und auch den maximal fließenden Strom variabel
einstellen können. Dazu müssen Sie aber je nach Qualität und Ausstattung 50 bis
150 Euro investieren.
Bei einem Labornetzteil können Sie Spannung und maximal fließenden Strom genau
einstellen
2.1.8 Multimeter
Auch ein Multimeter, auf das wir noch gesondert eingehen werden, sollte auf keinen Fall in Ihrer Grundausrüstung fehlen. Es muss kein teures Gerät sein, oftmals findet man schon für zehn bis 15 Euro ein solches Gerät, das in der Lage
ist, Ströme, Spannungen und elektrische Widerstände zu messen. Solange Sie sich
noch nicht sicher sind, wie stark Sie in das Hobby der Elektronik einsteigen möchten, empfehlen wir ein günstiges Gerät. Wenn Sie mehr Zeit investieren und sich
intensiver mit Elektronik auseinandersetzen wollen, werden Sie Ihre ganz speziellen eigenen Anforderungen an das Gerät haben und sich dann sicherlich ein besseres und für Sie passendes Gerät zulegen.
55
2 Erste praktische Schritte
2.2 Unsere erste Schaltung
Lassen Sie uns mit unserer ersten Schaltung beginnen. Wir fangen ganz gemütlich
an und lassen eine LED leuchten. Dazu benötigen wir folgende Bauteile:
U1 Breadboard
U1 rote Leuchtdiode
U1 Widerstand mit 220 Ω (bei 5 V Spannungsversorgung)
U1 Spannungsquelle mit 5 V
U1 Drahtbrücke
Beginnen Sie mit dem Widerstand und stecken Sie seine Enden in die entsprechenden Löcher des Breadboards. Auf die Anschlussrichtung müssen Sie bei
einem Widerstand nicht achten, und wenn Ihnen die Drähte zu lang sind, können
Sie sie mit einem Seitenschneider kürzen.
Unsere erste Schaltung: Eine Leuchtdiode mit Vorwiderstand wird an die
Spannungsquelle angeschlossen.
Stecken Sie anschließend die Drahtbrücke ein. Bei der LED müssen Sie auf die
Polung achten – wenn sie falsch herum angeschlossen wird, leuchtet sie nicht. Die
richtige Polung können Sie an der Länge der Anschlussdrähte sehen, denn es gibt
bei LEDs einen kürzeren und einen längeren Draht. Der kürzere muss zum Minus-
56
2.2 Unsere erste Schaltung
pol, der längere zum Pluspol zeigen – in unserem Beispiel muss also der kürzere
Draht an den Widerstand angeschlossen werden, der längere an die Drahtbrücke.
Übrigens: Wenn Sie einmal die Drähte einer LED gekürzt haben und nicht mehr
wissen, welcher ursprünglich der längere war, können Sie auch durch einen scharfen Blick in die Leuchtdiode die Polung erkennen – die Seite, die einen halbkugelförmigen Kelch aufweist, ist der Anschluss des Minuspols, auch Kathode genannt.
Die Kathode können Sie außerdem an der Gehäuseabflachung erkennen, die an
dem kleinen Rand am Plastikgehäuse der LED zu finden ist.
Die Kathode (Minuspol) einer LED können
Sie an verschiedenen Merkmalen erkennen.
Als Letztes schließen Sie die Spannungsversorgung an. Auch dabei müssen Sie
natürlich sehr darauf achten, dass die Stromrichtung korrekt ist – der Pluspol
sollte in der obersten Lochreihe anliegen, der Minuspol in der darunter. Schließen
Sie zuerst den Minuspol an. Dann nehmen Sie den Pluspol in die Hand, stecken
ihn ganz schnell in die oberste Lochreihe und ziehen Sie ihn sofort wieder heraus.
Hat die LED in diesem kurzen Moment geleuchtet, können Sie den Draht endgültig in das Breadboard stecken. Hat sie hingegen nicht geleuchtet, ist Ihnen vermutlich ein Fehler unterlaufen oder ein Kontakt ist nicht richtig hergestellt.
Gratulation, damit haben Sie Ihre erste Schaltung mit dem Breadboard hergestellt!
2.2.1 Einschub: Vorwiderstände
Es gibt LEDs auch mit anderen Lichtfarben. Die Lichtfarbe wird ausschließlich
über die unterschiedlichen Materialien bestimmt, die beim Bau der LED verwendet werden. Unterschiedliche Materialien benötigen aber unterschiedliche
Betriebsspannungen, die über dieser LED in Durchlassrichtung abfallen sollten.
Diese Spannung nennt man Vorwärtsspannung. Keine LED arbeitet mit exakt 5 V
Vorwärtsspannung, üblicherweise liegen die Spannungen zwischen 1,6 und 3,4 V.
57
2 Erste praktische Schritte
Da wir normalerweise nicht mit diesen Spannungen arbeiten, muss immer ein
Widerstand verwendet werden, der die Spannung der Stromversorgung auf die
Vorwärtsspannung der LED absenkt. Diesen Widerstand nennt man Vorwiderstand.
Da unterschiedliche Hersteller bei LEDs einer Farbe auf die gleichen Materialien
zurückgreifen müssen, kann man allein anhand der Farbe einer LED den passenden Vorwiderstand bestimmen. Hier finden Sie einige Werte für die gebräuchlichsten LEDs und Spannungen:
FARBE
Rot
Orange
Gelb
Grün
Blau
Weiß
VORWÄRTSSPANNUNG
1,6 V
1,8 V
2,2 V
2,1 V
2,9 V
3,4 V
WIDERSTAND FÜR 5 V,
20 mA
180 Ω
180 Ω
150 Ω
150 Ω
100 Ω
80 Ω
WIDERSTAND FÜR
3,3 V, 2 mA
910 Ω
820 Ω
560 Ω
680 Ω
220 Ω
10 Ω
2.3 Das Multimeter ¬ Ihr bester Freund
Wann immer Sie in unbekannten Gefilden unterwegs sind, ist ein guter Freund das
Beste, was Sie mitnehmen können. Wenn Sie in der Elektronik unterwegs sind, ist
dieser Freund das Multimeter.
Wie schon dem Namen zu entnehmen ist, können Sie mit einem Multimeter sehr
viele Dinge messen: von der einfachen Durchgangsprüfung über Strom und Spannung bis zum Ohm'schen Widerstand – und etliche Multimeter bieten darüber
hinaus weitere Messungen wie Temperatur- und Frequenzmessungen an.
Einfache Multimeter gibt es dank Versand aus Fernost schon für unter fünf Euro
– es lohnt sich aber, etwas mehr zu investieren, damit die Geräte nicht schon beim
Auspacken direkt in der Hand zerbröseln oder nur Zufallszahlen anzeigen. Schon
ab zehn bis 15 Euro kann man sich seinen neuen besten Freund kaufen und mit
ihm viele Jahre verbringen.
58
2.3 Das Multimeter ¬ Ihr bester Freund
Ein Multimeter
ist eines der
wichtigsten
Werkzeuge – vor
allem bei der
Fehlersuche.
2.3.1 Durchgangsmessung
Wenn Sie einmal überprüfen möchten, ob ein Kabel gebrochen oder eine Glühbirne defekt ist, eignet sich eine Durchgangsmessung des Multimeters. Sie müssen
es nur auf den entsprechenden Modus stellen und die beiden Messspitzen an die
Anschlüsse des zu messenden Teils halten – sobald der Prüfstrom durch das Bauteil fließt, ertönt aus dem Multimeter ein Ton. Kann hingegen kein Stromkreis aufgebaut werden, bleibt das Gerät stumm.
Dieser funk­
tionierende Strom­
verschwender, die
Glühlampe, wird
uns noch eine
Weile erhalten
bleiben.
59
2 Erste praktische Schritte
Bei dieser Messung ist das Multimeter aktiv, es verwendet eine eigene Spannung,
die es durch das zu prüfende Bauteil schickt. Bei einer Glühlampe ist die Stromrichtung gleichgültig, bei einem Transistor oder einer Diode hingegen kann der
Strom in die falsche Richtung fließen und damit das Bauteil theoretisch sogar zerstören. Das wird in der Praxis aber nur sehr selten passieren, da das Multimeter
normalerweise hier nur mit sehr wenig Strom arbeitet.
2.3.2 Widerstandsmessung
Um einen Widerstand zu messen, muss man das Multimeter auf Widerstandsmessung stellen und die beiden Messspitzen an das elektronische Bauteil halten. Dabei
muss man nur beachten, dass man den passenden Messbereich wählt. Der Strom,
der durch das Bauteil fließt, ist sehr gering, sodass man keine Angst haben muss,
das Bauteil durch die Messung zu zerstören.
Sie sollten übrigens auch darauf achten, die blanken Metallenden der Messspitzen
während der Prüfung nicht zu berühren, da sonst auch der Ohm'sche Widerstand
Ihres eigenen Körpers in die Messung einfließt und diese verfälscht.
Widerstände müssen zur Messung nur zwischen die Messspitzen des Geräts gehalten
werden.
60
2.3 Das Multimeter ¬ Ihr bester Freund
2.3.3 Spannungsmessung
Will man eine Spannung messen, muss man das Multimeter auf die maximal zu
erwartende Spannung einstellen. Die meisten Multimeter unterscheiden dabei
zwischen Gleich- und Wechselspannung, achten Sie also darauf, die entsprechende
Einstellung zu wählen. Zur Spannungsprüfung selbst müssen Sie die Messspitzen
des Multimeters an die beiden Pole der Spannungsquelle halten.
Vor allem bei hoher Wechselspannung sollten Sie ganz besonders darauf achten,
die Metallenden der Messspitzen nicht zu berühren, da Sie sonst selbst der Spannung ausgesetzt werden, und mit Stromschlägen ist nicht zu spaßen – schon Spannungen ab 50 V bei Wechselspannung und 120 V bei Gleichspannung können das
Herz schädigen. Dabei muss nicht einmal viel Strom fließen, schon 50 mA können
tödlich sein!
Die Spannung einer Batterie kann man auf diese Weise messen.
2.3.4 Strommessung
Die Strommessung mit einem Multimeter ist etwas komplizierter, denn zur Prüfung einer Stromstärke muss das Messgerät selbst in den Stromkreis eingebaut
werden. Der gesamte Strom fließt also durch das Multimeter und muss von diesem
ausgehalten werden. Verbraucht das Gerät zu viel Strom, kann das die Messleis61
2 Erste praktische Schritte
tung eines Multimeters übersteigen. Bessere Multimeter haben daher eine Schutzschaltung oder eine Sicherung verbaut, die das Gerät vor solchen Strömen schützt
– bei billigeren Messgeräten ist das nicht unbedingt der Fall.
Konsultieren Sie also vor einer Strommessung unbedingt die Gebrauchsanweisung. Bei hochwertigen Multimetern sind separate Anschlüsse zur Messung von
Strömen beziehungsweise von Spannungen und Widerständen vorhanden, sodass
das Multimeter auch geschützt ist, wenn Sie eine Spannung messen wollen und
den Messmodus auf Stromstärke eingestellt haben. In diesem Fall müssen Sie das
Messkabel für eine Strommessung umstecken.
Bei einer Strommessung muss das Messgerät in den Stromkreis eingebunden sein.
62
2.3 Das Multimeter ¬ Ihr bester Freund
2.3.5 Tipps und Tricks
Im Zusammenhang mit Messungen gibt es ein paar Tipps, die wir Ihnen nicht vorenthalten möchten:
UWenn Sie Batterien messen, sollten Sie beachten, dass ihre Spannung deutlich
variiert, je nachdem, ob sie unter Belastung gemessen werden oder ohne. Wenn
Sie einen geeigneten Widerstand in Ihren Messstromkreis einbauen, werden
die Ergebnisse zuverlässiger.
UAuch Ihr Multimeter hat eine interne Batterie, die zwar lange, aber nicht
ewig hält. Achten Sie auf das Batteriesymbol: Wenn es leuchtet, sind die
Messergebnisse vermutlich ungenau.
USollten Sie keine Strommessung durchführen können, ist vermutlich die interne
Sicherung durch eine vorherige Messung zerstört worden. Ein Austausch
dieser Sicherung wirkt dann Wunder.
U Eine sichere Methode, sein Messgerät oder zumindest die interne Sicherung
zu zerstören, ist, das Multimeter auf Strommessung zu stellen und dann direkt
ohne Verbraucher eine Spannungsquelle anzulegen. Dann nämlich hat man
einen Kurzschluss produziert, dessen Leistung nur noch vom Widerstand
des verwendeten Drahts abhängt – und es fließt der maximale Strom, den die
Spannungsquelle liefern kann. Also bei der Strommessung immer darauf achten, dass auch ein Verbraucher mit im Stromkreis hängt.
U Große Ströme sollten Sie generell nur kurze Zeit messen, da sie Ihr Multimeter
sehr stark belasten.
63
I
INDEX
A
Alkaline-Batterie 15
Ampere 13
Analog-Digital-Wandler
155
Anode 23
Arduino 158
Elektronik 10
Audioverstärker 68
Autorouting 134
B
Basis 27
Binärzähler 148
Bit 139
Blei 104
Bleifreies Löten 121
Breadboard 48
Byte 139
C
Chip 33
D
Darlington-Transistor 83
Datenblätter 46
Decoder 148
Demultiplexer 147
Digital-Analog-Wandler
154
DIL 34
Diode 21
Dotierung 77
Drahtbrücken 50
Drain 28
DRAM 158
Durchbruchspannung 78
Durchgangsmessung 59
Exklusives Oder-Gatter 144 Lötkolben 102
Lötschwamm 105
Lötstation 103
F
Lötwasser 121
Farad 26
Lötzange 120
Farbcode, Widerstand 18
Lötzinn 103
Flash-Memory 157
LTspice 69
Flipflop 145
Luftdruck 10
Flussmittel 121
Freilaufdiode 32
Fritzing 122
M
Memory-Effekt 16
Mikrocontroller 158
G
Milliampere 13
Gate 28
MOSFET 28
Grundausrüstung 48
Multimeter 55, 58
Multiplexer 147
H
Hysterese 146
I
IC 33
Impedanzwandler 87
Induktivität 31
Integrierter Schaltkreis
(siehe IC)
Inverter 141
Isolierung 108
K
Kabel 107
kalte Lötstelle 121
Kathode 23, 57
Kollektor 27
Kondensator 24
Parallelschaltung 38
Reihenschaltung 38
Konstantstromquelle 89
Kupferlitze 108, 119
L
LDR 87
Leiterplatte 133
EEPROM 157
Lichtabhängiger Widerstand
Elektrischer Leiter 13
87
Elektrolytkondensatoren 25
LiIon-Akkus 16
Elektromotoren 31
Litze 108
Elektroniklötzinn 103
Lochrasterplatine 102, 113
Emitter 27
Löten 102
Encoder 148
Vorsichtsmaßnahmen 109
Entlötlitze 119
Lötfett 121
Entlötsaugpumpe 119
Löthilfe, helfende Hand 106
Evaluation Board 158
E
160
S
Nicht-Oder-Gatter 145
Nicht-Und-Gatter 144
NiMH-Akkus 15
npn-Transistor 28
Schaltplan lesen 43
Schaltungssimulation 68
Schmitt-Trigger 145
Schrumpfschlauch 108
Schukostecker 42
Seitenschneider 106
Servo 96
Silberdraht 108
Source 28
Spannung 10
einstellen 61
Spannungsmessung 61
Spannungsteiler 40
Speicher 156
Spule 29
SRAM 157
Stahlwolle 107
Strom 10
Stromkreis 17
Strommessung 61
Sub-D-Stecker 43
O
T
N
Oder-Gatter 143
Ohm 17
Ohm'sches Gesetz 20
Omega 17
P
Parallelschaltung 38
Pegelwandler 147
Peltier-Element 66
Platinen-Steckverbinder 43
pnp-Transistor 28
Potenzialausgleich 11
Potenziale 11
Potenziometer 41
Pulsweitenmodulation 154
R
Rechnen
Ohm'sches Gesetz 20
Spannung 20
Stromstärke 20
Register 148
Reihenschaltung 37
RoHS 104, 121
ROM 157
Rückschlagventil 21
Temperatursensor 64
Thermistor 64
Transistor 26
gesättigter 80
Tristate-Treiber 146
Tuple. Siehe Tupel
U
Und-Gatter 143
USB-Stecker 43
V
Verstärker 28
Vorwärtsspannung 58
Vorwiderstand 57
W
Widerstand 16
Farbcode 18
lichtabhängiger 87
Parallelschaltung 39
Reihenschaltung 37
Widerstandsmessung 60
Z
Zange 105
60350-8 U1+U4 29.01.16 09:21 Seite 1
K
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N
O
R
T
K
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L
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AUCH FÜR
SCHÜLER
GEEIGNET
Caroli
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SCH
Christian Caroli/Philip Caroli
Von A wie Ampere bis Z wie zweistufiger Verstärker
Ein bisschen Physik gehört dazu, mit den richtigen
Erklärungen versteht sich das aber wie von selbst.
Die Caroli-Brüder erklären noch einmal ganz von
vorne, was Ampere, Volt und Co. eigentlich sind und
wie man sie berechnet. Das ist die perfekte Grundlage,
um gleich darauf in das Spezialgebiet Elektronik
einzusteigen. Erfahren Sie, wie Sie herausfinden,
welcher Widerstand für welche Schaltung der richtige
oder welcher Mikrocontroller für welches Projekt
geeignet ist.
Los geht es mit eigenen Projekten!
Elektronikwissen allein wäre ja langweilig! Richtig
spannend wird es erst, wenn man das Gelernte
anwendet und zum Lötkolben greift. Was sind die
wichtigsten Werkzeuge, die man braucht? Welche
Vorbereitungen muss man treffen? Und dann geht es
auch schon los: Einfache Schaltungen werden gebaut
und Kabel zusammengelötet. Und wer das ganze Buch
durchgearbeitet hat, der kann frohen Mutes jedes
Projekt angehen, das ihm in den Sinn kommt.
Aus dem Inhalt:
• Volt, Watt, Ampere
und Ohm erklärt
• Erste praktische Schritte
• Analoger Temperatursensor
• Audioverstärker
• Servoansteuerung per N555
• Löten wie die Profis
• Fritzing – gut geplant ist
halbe Arbeit
SCHNELLEINSTIEG ELEKTRONIK
Keine Angst vor Elektronik! Auch wenn dahinter Fachwissen aus Physik und Mathematik lauert,
für die ersten Tüfteleien braucht man keinen Master of Science. Die Brüder Christian und Philip
Caroli erklären alles nötige Grundwissen so, dass es jeder versteht.
AUCH FÜR
SCHÜLER
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SCHNELL
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ELEK
• Einführung Digitaltechnik
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