First Kapitel Kapitel 4 Hier Mini IVZ eingeben! Elektronische Grundschaltungen Erstellen auf den Arbeitsseiten (siehe Muster) 4 Abstand untere Tabellenlinie zu Textanfang 1,8 cm -> also: manuell auf den Arbeitsseiten ziehen!!! Scope In diesem Kapitel werden wir folgende Themen behandeln: • Widerstandsschaltungen (Reihen- und Parallelschaltung) • Der unbelastete Spannungsteiler • Kondensatorschaltungen (Reihen- und Parallelschaltung) • Transistorschaltungen Da du jetzt die Grundlagen der Elektronik im vorangegangenen Kapitel kennengelernt hast, besteht der nächste logische Schritt im Zusammenfügen mehrerer Bauteile zu einer Schaltung. Damit es für den Anfang nicht zu schwierig wird, werde ich dir einige elektronische Grundschaltungen zeigen, für die meist nur sehr wenige Bauteile erforderlich sind. In den späteren Kapiteln zu den Arduino-Projekten wird die Komplexität natürlich etwas zunehmen, aber du kannst auf den hier gezeigten Grundlagen auf jeden Fall aufbauen. Dieses Kapitel soll kein Kompendium elektronischer Grundschaltungen darstellen, sondern der Fokus liegt auf dem Verständnis der Arduino-Projekte. Erforderlichenfalls findest du nähere Erläuterungen im Rahmen der entsprechenden Projekte. Keine Sorge, alles Notwendige wird stets erläutert. Widerstandsschaltungen Ein einzelner Widerstand in einem einfachen Stromkreis arbeitet als Strombegrenzer. Den Elektronen, die sich durch den Widerstand quälen, wird das Durchqueren dieses Bauteils mehr oder minder schwer gemacht. Das Prinzip ist recht einfach zu verstehen. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 97 Stelle dir eine große Menschenmenge vor, die sich für ein Musikkonzert durch einen kleinen 2 Meter breiten Eingang zwängen muss, um in das Innere der Veranstaltungshalle zu gelangen. Da reiben sich die Körper aneinander und es kommt zu einem verlangsamten Strom der Menschenmassen. Das ist natürlich eine recht schweißtreibende Angelegenheit und es wird viel Wärme abgegeben. Und auf jeden Fall geht es langsamer voran, als wenn der Eingang z.B. 10 Meter breit wäre. Reihen- und Parallelschaltungen Was passiert eigentlich, wenn wir mehrere Widerstände in einer bestimmten Konstellation zusammenschalten? Das muss ja in irgendeiner Weise einen Einfluss auf den Gesamtwiderstand haben. Schauen wir uns dazu ein paar Beispiele an. Die Reihenschaltung Wenn wir zwei oder mehrere Widerstände hintereinander schalten, dann sprechen wir von einer Reihenschaltung. Es liegt in der Natur der Sache, dass der Gesamtwiderstand umso höher wird, je mehr Einzelwiderstände sich hintereinander befinden. Der Gesamtwiderstand ist hierbei gleich der Summe der Einzelwiderstände. Nehmen wir einmal an, es wären die folgenden 3 Widerstände hintereinander geschaltet: Der Gesamtwiderstand errechnet sich dann wie folgt: Ich hätte gerne einmal deine Meinung bezüglich des Stromes gehört, der durch die Widerstände fließt. Was denkst Du, wie es sich mit diesem verhält? Gehen wir dabei einmal davon aus, dass der Strom von links nach rechts durch die Widerstände fließt. Nun, der Strom müsste hinter jedem Widerstand geringer werden. Je weiter rechts ich hinter jedem Widerstand messen würde, desto geringer ist der Strom. 98 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Kapitel 4: Elektronische Grundschaltungen Tja Ardus, das stimmt nicht ganz. Der erste Teil deiner Aussage ist korrekt, denn jeder einzelne Widerstand verringert den Stromfluss. Dennoch wird im gesamten Stromkreis nur ein einziger Strom zu messen sein, der an jeder Stelle gleich ist. Schauen wir uns das in einer Schaltung an. Abbildung 4-1 Eine Reihenschaltung von 3 Widerständen in einem Stromkreis Welche Werte sind in dieser Schaltung bekannt und welche sind unbekannt, so dass sie berechnet werden müssen? Bekannt: U, R1, R2 und R3 Unbekannt: Iges, U1, U2 und U3 Da du jetzt weißt, dass in einer Reihenschaltung der Strom I an jeder Stelle konstant ist, kannst du die folgende Formel verwenden: Wenn du nun die Werte einsetzt, erhältst du folgendes Ergebnis: Da du jetzt einen Strom I=2mA ermittelst hast, der durch alle Bauteile fließt, kannst du auch den Spannungsabfall an jedem einzelnen Widerstand berechnen. Die allgemeine Formel hierfür lautet folgendermaßen: Die Lösungsgleichungen sehen dann wie folgt aus: Widerstandsschaltungen ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 99 Wenn du alle Teilspannungen (U1, U2, U3) addierst, muss wieder die Gesamtspannung U herauskommen. Der Spannungsabfall über einem Bauteil wird mit einem Pfeil gekennzeichnet und weist in Stromrichtung von Plus nach Minus. Das könnte für dich wichtig sein Am Widerstand mit dem höchsten Wert fällt auch die höchste Spannung ab. Die Parallelschaltung Bei einer Parallelschaltung befinden sich zwei oder mehr Bauteile nebeneinander. Der Strom, der an einer solchen Schaltung ankommt, teilt sich in mehrere Zweige auf. Es verhält sich hier wie bei einem Flusslauf, der sich an einer Stelle teilt und nach ein paar Kilometern wieder vereint wird. Der Gesamtwiderstand errechnet sich wie folgt: Das Ergebnis für den Gesamtwiderstand Rges lautet folgendermaßen: Rges = 666,67 Werden mehr als zwei Widerstände parallel geschaltet, dann musst du die Formel um die entsprechende Anzahl von Summanden erweitern: 100----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Kapitel 4: Elektronische Grundschaltungen Eine Schaltung mit zwei parallel geschalteten Widerständen sieht wie folgt aus: Abbildung 4-2 Eine Parallelschaltung mit zwei Widerständen Natürlich fließt in dieser Schaltung auch ein geringer Strom durch das Messgerät, das die Spannung über den Widerständen misst, doch das wollen wir hier vernachlässigen. Welche Werte sind in dieser Schaltung bekannt und welche sind unbekannt, so dass sie berechnet werden müssen? Bekannt: U, R1 und R2 Unbekannt: Iges, I1 und I2 Den Gesamtwiderstand haben wir mit 666,67 schon ermittelt. Auf dieser Grundlage kannst du auch den Gesamtstrom Iges vor der Verzweigung recht einfach berechnen. Hier noch einmal zur Erinnerung: Die Lösung lautet: Wie ermittelst du jedoch die Teilströme I1 und I2? Das ist recht simpel, denn du kennst den Widerstand jedes Teilzweiges und die Widerstandsschaltungen ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 101 Spannung, die an jedem Widerstand anliegt, nicht wahr? Wenn sich Bauteile parallel zueinander befinden, dann fällt an jedem einzelnen die gleiche Spannung ab. In unserem Fall die 9V der Batterie. Dann lass uns mal rechnen: Wenn du beide Teilströme I1 und I2 addierst, was mag dann wohl herauskommen? Richtig, der Gesamtstrom. Was sich vorne (also in der Abbildung links) verzweigt, wird am Ende wieder zusammengeführt und bildet die Summe der Teile. Das könnte für dich wichtig sein Sind mehrere Widerstände parallel geschaltet, dann ist der Gesamtwiderstand kleiner als der kleinste Einzelwiderstand. Hier ein Tipp hinsichtlich der Widerstandsgrößen. Wenn du zwei Widerstände mit gleichen Werten parallel anschließt, dann ist der Gesamtwiderstand genau die Hälfte des Einzelwiderstandes. Rechne es doch einfach mal nach. Der Spannungsteiler In vielen Fällen möchte man nicht unbedingt mit der vollen Betriebsspannung von +5V arbeiten, um diverse Bauteile mit Spannung zu versorgen. Da du ja jetzt gelernt hast, dass Widerstände dazu genutzt werden, um z.B. Ströme zu verringern, möchte ich dich mit einer Schaltung vertraut machen, die der Reihenschaltung von Widerständen gleicht. Die folgende Schaltung wird unbelasteter Spannungsteiler genannt. 102----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Kapitel 4: Elektronische Grundschaltungen Abbildung 4-3 Der unbelastete Spannungsteiler Auf der linken Seite haben wir die Versorgungsspannung U = +5V an den beiden Widerständen R1 und R2 anliegen. Auf der rechten Seite befindet sich der Abgriff U2, der sich parallel zum Widerstand R2 befindet. Wir greifen quasi eine Spannung zwischen den beiden Widerständen ab. Ein Teil der Versorgungsspannung fällt über R1 und der andere über R2 ab. Zur Berechnung der Spannung an U2 kannst du folgende Formel nutzen: Hey stopp mal! Kannst du mir mal bitte erklären, wie du auf diese Formel gekommen bist? Das ist mir irgendwie überhaupt nicht klar. Ok, Ardus, kein Problem. Ich kann dir die Formel mittels einer Verhältnisgleichung plausibel machen. Ich stelle der anliegenden Spannung die entsprechenden Widerstände gegenüber. Die Spannung U liegt an den Widerständen R1 und R2 an und U2 lediglich am Widerstand R2. Demnach können wir folgende Verhältnisgleichung aufstellen: Wenn du diese Formel nach U2 umstellst, erhältst du die o.g. Formel. Unter Umständen wollen wir die Schaltung aber möglichst flexibel gestalten und nicht für jeden gewünschten Spannungswert U2 die Widerstände austauschen. Aus diesem Grund verwenden wir ein Bauteil, dass uns die Möglichkeit gibt, den Widerstandswert schnell nach unseren Vorstellungen anzupas- Widerstandsschaltungen ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 103 sen. Das Bauteil kennst du schon. Es heißt Potentiometer. Es verfügt über 3 Anschlüsse und einen Drehknopf in der Mitte, mit dessen Hilfe sich der Widerstandswert in den gegebenen Grenzen justieren lässt. Der mittlere Anschluss ist intern mit dem Schleifer verbunden. Je nach Potentiometereinstellung kann der Widerstand dort abgegriffen werden. Schau dir die folgende Abbildung an. Sie zeigt das Schaltbild eines Potentiometers, das der Schaltung des Spannungsteilers sehr ähnelt. Abbildung 4-4 Der variable Spannungsteiler mittels Potentiometer Abbildung 4-5 Der variable Spannungsteiler mittels Potentiometer Der Schleifer des Potentiometers ist Pin 2 in der Schaltung. Wenn der Schleifer nach oben wandert, verringert sich der Widerstandswert zwischen Pin 1 und Pin 2 in dem Maße, in dem er sich zwischen Pin 2 und Pin 3 vergrößert. Wir können das Potentiometer als zwei sich ändernde Widerstände ansehen, mit einem Schleifer als Teiler, der die beiden Widerstände aufteilt. Die beiden folgenden Schaltungen zeigen das Verhalten des Potentiometers und die resultierenden Wiederstände R1 und R2. 104----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Kapitel 4: Elektronische Grundschaltungen In der linken Schaltung siehst Du, dass der Widerstand R1 kleiner als R2 ist. Das bedeutet, dass wir an R2 die größere Spannung messen werden, die ja auch die Ausgangsspannung U2 ist. Das ist eigentlich ganz logisch, denn wenn der Schleifer des Potentiometers an Pin 2 immer weiter nach oben wandert, kommt er irgendwann mit der Versorgungsspannung +5V in Berührung, die dann am Ausgang zur Verfügung steht. Umgekehrt wird die Ausgangsspannung immer kleiner, wenn der Schleifer des Potentiometers weiter nach unten in Richtung Masse wandert. Wenn er dort angekommen ist, liegen am Ausgang 0V an. Wir werden dieses Verhalten nutzen, um z.B. die analogen Eingänge des Mikrocontrollers mit variablen Spannungswerten zu versorgen, die beispielsweise über einem LDR oder NTC abfallen. Wie, du weißt nicht mehr, was diese Abkürzungen bedeuten? Dann blättere noch einmal ein Kapitel zurück und mache dich schlau! Kondensatorschaltungen Kondensatoren dienen als Ladungsspeicher und wirken im Gleichstromkreis wie eine Unterbrechung. Es fließt nur während des Aufladezyklus ein Ladestrom, der umso mehr abnimmt, je mehr der Kondensator geladen ist. Dieser wiederum stellt am Ende dann eine nicht mehr zu überwindende Hürde für die Elektronen dar. Reihen- und Parallelschaltungen Genau wie Widerstände kannst du auch Kondensatoren in unterschiedlichen Konstellationen zusammenschalten. Wir werden uns hier, da wir im Moment ausschließlich mit Gleichstrom arbeiten, nur auf die Kapazität konzentrieren und nicht auf den Widerstand. Ja, ein Kondensator hat ebenfalls einen Widerstand, der bei Wechselstrom frequenzabhängig ist. Kondensatoren verhalten sich bezüglich ihrer Kapazitäten bei Reihen- bzw. Parallelschaltungen genau entgegengesetzt zu Widerständen mit ihren Werten. Die Reihenschaltung Wenn du zwei oder mehr Kondensatoren in Reihe schaltest und die Gesamtkapazität ermitteln möchtest, kannst du hierzu die Formel zur Berechnung des Gesamtwiderstandes in einer Parallelschaltung verwenden. Kondensatorschaltungen ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 105 Die Formel zur Berechnung der Gesamtkapazität lautet wie folgt: Die Parallelschaltung Werden zwei oder mehr Kondensatoren parallel geschaltet, dann kannst du die Formel für die Reihenschaltung bei Widerständen verwenden, um die Gesamtkapazität zu ermitteln. Die Formel zur Berechnung der Gesamtkapazität lautet folgendermaßen: Du kannst die Parallelschaltung dieser beiden Kondensatoren leicht verstehen, und du wirst sofort erkennen, warum sich die Gesamtkapazität aus der Summe der beiden Einzelkapazitäten zusammensetzt. Ich habe die Kondensatorplatten durch die blauen Punkte einfach miteinander verbunden. Dadurch wurden die Platten entsprechend vergrößert, so dass in der Summe eine Kapazität aus beiden Einzelkondensatoren entstanden ist. Das Ergebnis wäre in diesem Fall Cges = C1 + C2 = 22pF + 22pF = 44pF. Also, wenn wir nur eine Gleichstrombetrachtung bezüglich der Kondensatoren durchführen, ist mir aber nicht ganz klar, wo derartige Bauteile zum Einsatz kommen. 106----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Kapitel 4: Elektronische Grundschaltungen Vielleicht erinnerst du dich an die Stellen aus dem Elektronik-Kapitel, in denen ich erläutert habe, dass Kondensatoren u.a. zur Spannungsglättung und -stabilisierung eingesetzt werden. Kommen wir doch kurz auf die Spannungsstabilisierung zu sprechen. Wenn ein Mikrocontroller an seinen zahlreichen Ausgängen sehr viele Verbraucher wie z.B. Leuchtdioden oder Motoren versorgen muss, die möglicherweise alle zur gleichen Zeit aktiviert werden, dann kann es schon zu kurzen Einbrüchen der Versorgungsspannung kommen. Damit sich das nicht unmittelbar auf die Versorgung des Mikrocontrollers auswirkt und hier vielleicht eine Unterversorgung entsteht, so dass dieser seine Arbeit einstellt oder einen Reset durchführt, werden sogenannte Stützkondensatoren verwendet. Sie werden parallel zu den beiden Anschlüssen von VCC (Voltage of Common Collector = Positive Versorgungsspannung) bzw. Masse des Controllers direkt neben dem Pins platziert. Ein Elektrolytkondensator von z.B. 100µ F speichert die Spannung und hält diese bei Einbrüchen eine Weile aufrecht. Es handelt sich quasi eine USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) im Millisekunden Bereich. Transistorschaltungen Transistoren können sowohl Schaltelement als auch als Verstärker sein. Die einfachste Transistorschaltung weist einen Basiswiderstand und einen Verbraucher mit Vorwiderstand im Kollektorstromkreis auf und arbeitet als kontaktloser elektronischer Schalter. Wir werden den Transistor vorwiegend als Schalter einsetzen, so dass ich auf eine entsprechende Erläuterung seiner Verwendung als Verstärker aus Platzgründen verzichte. Abbildung 4-6 Ein NPN-Transistor als Schalter Transistorschaltungen --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 107 Diese Schaltung hat sowohl einen Steuerstromkreis (links von der Basis) als auch einen Arbeitsstromkreis (rechts von der Basis). Sehen wir uns doch diese beiden Stromkreise einmal genauer an. C CE-Strom Abbildung 4-7 Steuer- und Arbeitsstromkreis fließen gemeinsam durch den Transistor B E BE-Strom Der Steuerstrom IB fließt über die Basis-Emitter-Strecke (BE) des Transistors, wohingegen der Arbeitsstrom IC über die KollektorEmitter-Strecke (CE) fließt. Zwar wollte ich auf die Verwendung des Transistors als Verstärker nicht eingehen, doch folgende Formel ist vielleicht interessant, denn mit ihrer Hilfe kannst du die Stromverstärkung berechnen, die hier mit dem Buchstaben B angegeben ist: Bei den in diesem Beispiel verwendeten Werten für Kollektor- bzw. Basisstrom wird der Stromverstärkungsfaktor B = 6000 ermittelt. In vielen Datenblättern wird der Stromverstärkungsfaktor B auch als hFE angeführt. Die Verstärkung schont quasi den Ausgangspin des Mikrocontrollers, der nur einen geringen Strom liefern muss, um dann eine größere Last (z.B. Relais, Motor oder Lampe) anzusteuern, die erheblich mehr Strom benötigt, damit das betreffende Bauteil korrekt arbeiten kann. Wenn du den Schalter schließt, liegen am Vorwiderstand ca. +5V Betriebsspannung an. Der Transistor schaltet durch und die Basis-Emitter-Spannung beträgt ca. +0,7V, so dass die zuvor im gesperrten Zustand hochohmige KollektorEmitter-Strecke niederohmig wird und der Arbeitsstrom fließen kann. Hmm, wenn ich mir diese Schaltung anschaue, dann frage ich mich, warum die Leuchtdiode über einen Transistor angesteuert wird und nicht direkt über den Schalter. Macht das denn Sinn? 108----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Kapitel 4: Elektronische Grundschaltungen Was soll ich sagen, Ardus. Du hast ja Recht, denn diese Schaltung soll dir lediglich zeigen, wie Steuer- und Arbeitsstromkreis zusammenarbeiten. Um lediglich eine Leuchtdiode anzusteuern, ist das hier alles ein wenig oversized und nicht unbedingt notwendig. Wenn du aber einen Verbraucher hast, der sehr viel Strom zieht, den der Ausgang des Mikrocontrollers jedoch nicht in der Lage ist zu liefern, dann benötigst du eine Schaltung ähnlich der hier beschriebenen. Erinnere dich an die Spezifikationen unseres Mikrocontrollers, der an einem einzigen Ausgang maximal 40mA zur Verfügung stellen kann. Alles, was darüber liegt, zerstört den Controller. Du hast in deiner Bastelkiste vielleicht ein Relais, das jedoch mit einer Spannung von 12V betrieben werden muss. Da das Arduino-Board jedoch maximal 5V liefern kann, gibt es hier ein Problem. Aber wer sagt uns denn überhaupt, dass wir lediglich eine einzige Stromquelle verwenden müssen? Du kannst mit zwei separaten Stromkreisen arbeiten. Hier ein Beispiel: Was fällt uns auf? Nun, wir haben auf der linken Seite die +5V Spannungsversorgung des Arduino-Boards und auf der rechten Seite die des Relais mit +12V. Beide sind eigenständige und unabhängige Stromquellen, die jedoch ein gemeinsames Massepotential haben müssen. Die beiden in der Schaltung gezeigten GND (Ground)-Punkte sind miteinander verbunden. Abbildung 4-8 Der Arduino-Mikrocontroller steuert über einen Transistor ein Relais an (Treiberschaltung). Transistorschaltungen --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 109 Achtung Du darfst auf keinen Fall – ich wiederhole – auf keinen Fall die beiden Versorgungsspannungspunkte +5V und +12V miteinander verbinden! Das kracht auf jeden Fall und es wird mindestens der Mikrocontroller zerstört. Diese Diode, die sich parallel zum Relais befindet und sich Freilaufdiode nennt, bereitet mir noch ein paar Kopfschmerzen. Wozu ist die denn gut? Da muss ich ein wenig ausholen, Ardus. Damit ein Relais arbeiten kann und die Kontakte bei einem Stromfluss geschlossen werden, bedarf es einer Spule, die ein Magnetfeld erzeugt und einen Anker bewegt. Eine Spule wird in der Elektronik auch als Induktivität bezeichnet. Diese Induktivität hat eine besondere Fähigkeit. Wenn durch den sehr langen Draht der Spule ein Strom fließt, wird dadurch ein Magnetfeld erzeugt. Soweit nichts Neues. Dieses Magnetfeld bewirkt jedoch nicht nur das Anziehen des Ankers, sondern induziert in der Spule selbst eine Spannung. Dieser Vorgang wird Selbstinduktion genannt. Die Spule zeigt uns dabei ein gewisses Maß an Widerspenstigkeit, denn die Induktionsspannung ist so gerichtet, dass sie einer Änderung immer entgegen wirkt. Wenn ich eine Spule mit Strom versorge, versucht die Selbstinduktionsspannung, der eigentlichen Spannung entgegen zu wirken. Die eigentliche Spulenspannung baut sich erst langsam auf. Schalten wir dagegen den Strom wieder ab, dann bewirkt die Änderung des Magnetfeldes eine Induktionsspannung, die dem Spannungsabfall entgegen wirkt und um ein vielfaches höher sein wird, als die ursprüngliche Spannung. Das ist nun genau das Problem, dem wir uns gegenüber sehen. Das Einschalten mit der leichten Verzögerung stellt kein Risiko für die Schaltung und dessen Bauteile dar. Beim Abschalten jedoch muss dem extrem unerwünschten Nebeneffekt der überhöhten Spannungsspitze (>100V) in irgendeiner Weise entgegengewirkt werden, damit die Schaltung anschließend noch zu gebrauchen ist. Die Überlebenschancen für den Transistor sind anderenfalls wirklich winzig. Aus diesem Grund wird eine Diode parallel zum Relais platziert, um die Spannungsspitze zu blocken bzw. den Strom in Richtung Spannungsquelle abzuleiten. 110----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Kapitel 4: Elektronische Grundschaltungen Abbildung 4-9 Die Freilaufdiode schützt den Transistor vor Überspannung. Wird der Transistor im linken Schaltbild durchgesteuert, dann zieht das Relais ein wenig verzögert an, so dass sich die gezeigten Potentiale an der Diode einstellen, Plus an Kathode und Minus an Anode. Das bedeutet, dass die Diode in Sperrrichtung arbeitet und sich die Schaltung so verhält, als wenn die Diode nicht vorhanden wäre. Wenn wir jedoch den Transistor mit Masse anschalten, fungiert er als Sperre, und durch die Änderung des Magnetfeldes der Spule stellen sich die gezeigten Potentiale ein, Plus an Anode und Minus an Kathode. Die Diode arbeitet in Durchlassrichtung und leitet den Strom in Richtung Spannungsversorgung ab. Der Transistor bleibt verschont. Transistorschaltungen --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 111