Projektbericht Arduino Lichtorgel

2014
Arduino-Lichtorgel
Projektbericht
Autor:
Klasse:
Fach:
Lehrer:
Julian Banz
Berufliches Gymnasium, 13d Elektrotechnik
Technologie, Q3
Herr Bersch
Julian Banz
HEMS
23.12.2014
Technologie
Q3
Projektbericht
Arduino Lichtorgel
Datum:
23.12.14
Inhaltsverzeichnis:
Kapitel
Thema
Seitenzahl
1
Vorwort
Seite 3
2
Aufgabenstellung
P
und Projekterklärung
Seite 4
3
Vorgehen beim Aufbau
Seite 5
3.1
Vorüberlegung
Seite 5
3.2
Problemstellung
Seite 8
3.3
Modifizierung der Taschenlampen
Seite 9
3.3.1
Berechnung der Bauteile
Seite 10
3.4
Aufbau
Seite 12
4
Schaltung
Seite 14
4.1
Vorverstärker
Seite 16
4.2
3-fach Frequenzfilter
Seite 17
4.2.1
Prinzip
Seite 17
4.2.2
Tiefpass 2.Ordnung (inverter)
Seite 18
4.2.3
Bandpass 2.Ordnung (inverter)
Seite 19
4.2.4
Hochpass 2.Ordnung (inverter)
Seite 20
4.2.5
Einweggleichrichter
Seite 21
4.3
Endstufe
Seite 22
5
Arduino
Seite 23
5.1
Analoge Eingänge
Seite 24
5.2
Digitale Verbindungen
Seite 24
5.3
Pulsweitenmodulation
Seite 25
6
Software
Seite 25
7
Fazit
Seite 27
8
Datenblätter
Seite 28
8.1
Transistor 2N1613
Seite 28
8.2
Operationsverstärker TL071
Seite 30
9
Quellen
Seite 33
Autor:
Julian Banz
Seite 2
Technologie
Q3
Kapitel 1
Projektbericht
Arduino Lichtorgel
Datum:
23.12.14
Vorwort:
Der folgende Projektbericht dient zur Erläuterung meines Projektes, welches ich im Jahr
2014/15, beziehungsweise im Jahrgang Q3, bearbeiten musste. Diese Projektarbeit ist ein
wesentlicher Bestandteil des Technologie Unterrichts in Q3. Mit dem Projekt werden wir
zur ersten praktischen Anwendung der Elektrotechnik geführt. Zur Realisierung dient uns
das Wissen, welches wir in den vorangegangenen Jahren auf dem Beruflichen Gymnasium
im Grundkurs Technologie und dem Leistungskurs Technik-Wissenschaft angeeignet haben.
Natürlich reicht das Wissen für manche komplexere Projekte nicht aus und man muss sich
somit näher mit noch unbekannten Bauteilen und Programmen auseinandersetzen. Dies
führt dazu, dass man die Elektrotechnik auf sehr viel tieferen Ebenen neu entdecken kann
und viel lernen kann. Durch die Unterstützung von Herr Bersch, der uns mit seinem
Fachwissen beim Verstehen der uns unbekannten Bauteilen geholfen hat, entstand bei mir
ein sehr großer Lernfaktor. Alles in allem kann ich sagen, dass das Projekt mir nicht nur
enormen Spaß gemacht hat, sondern mir auch geholfen hat die Elektrotechnik besser zu
verstehen. Außerdem war es mal eine schöne Abwechslung zu dem theoretischen
Unterricht.
Autor:
Julian Banz
Seite 3
Technologie
Q3
Kapitel 2
Projektbericht
Arduino Lichtorgel
Datum:
23.12.14
Aufgabenstellung und Projekterklärung:
Der Lehrplan für Technologie in Q3 sieht vor, dass jeder angehender ElektrotechnikAbiturient sich selbst ein Projekt aussuchen muss und dieses selbst bauen muss. Ich
entschied mich für eine Arduino basierte Lichtorgel, da ich mich für Beleuchtungstechnik
und Musik begeistere.
Eine Lichtorgel ist eine frequenzgesteuerte Beleuchtung. Sie besteht meist aus mehreren
LEDs, die von Frequenzen (Tief/Mittel/Hoch) angesteuert werden. In meinem Fall besteht
die Lichtorgel aus drei verschieden farbigen LEDs, die abhängig von Lautstärke und
Tonfrequenz unterschiedlich leuchten sollen. Die Lautstärke soll die Helligkeit der LEDs
regeln und der Frequenzbereich die Farbe auswählen. Die Ansteuerung gescheit bei diesem
Projekt über einen Arduino Mikrocontroller (s. Kapitel 5).
Wichtig zu sagen ist noch, dass für dieses Projekt kein fertiger Bausatz, keine fertigen
Schaltungen o. ä. benutzt wurden. Das gesamte Projekt beruht auf selbst erarbeitetem
Wissen aus Fachliteratur und Kreativität.
Autor:
Julian Banz
Seite 4
Technologie
Q3
Kapitel 3
3.1
Projektbericht
Arduino Lichtorgel
Datum:
23.12.14
Vorgehen beim Aufbau:
Vorüberlegung:
Eigenschaften:




3 Kanal Lichtorgel
Frequenzbereich 25Hz - 10kHz
Frequenzbandanzeige über LED
Lautstärkeanzeige über LED mittels PWM*
PWM*= Pulsweitenmodulation (s. Kapitel 5.3)
 Eingang: Line-In, Kondensator Mikrophon
∟ Pegel einstellbar
 3fach Filter über externe Hardware
 Mikrocontroller Arduino UNO
Zuerst sollte das Eingangssignal über ein Mikrophon aufgenommen werden. Durch den
Vorverstärker wird dieses Signal verstärkt. Der 3fach Filter teilt dieses Signal nun anhand
der Frequenz auf in Tief-, Mittel- oder Hochpass. Diese 3 Signale werden zum
Mikrocontroller geleitet. Dieser sorgt dafür, dass sich zum Beispiel die Farbe der LEDs bei
steigender Frequenz ändert oder die Helligkeit der LEDs erhöht wird. Das Eingangssignal
sollte Musik aus einem Handy zum Beispiel sein. Die Musik sollte also die ganze Lichtorgel
steuern.
Mein Projekt sollte so konzipiert sein, dass es insgesamt 3 verschieden farbige LEDs gibt. Es
gibt somit auch 3 verschiedene Frequenzabschnitte (25Hz-150Hz; 150Hz-2kHZ; 2kHz10kHZ). Je nach Frequenz beginnen die LEDs zu leuchten. Die Helligkeit der LEDs ist mit der
Lautstärke verknüpft. Umso lauter der Ton ist, desto heller leuchtet die LED.
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Julian Banz
Seite 5
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Datum:
23.12.14
Erster Entwurf der Schaltungen:
Mikrophon-Vorverstärker:
3-fach Frequenzfilter:
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Datum:
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Endstufe:
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Seite 7
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Q3
3.2
Projektbericht
Arduino Lichtorgel
Datum:
23.12.14
Problemstellung:
Nach längerer Überlegung habe ich ein paar Nachteile und Defizite an meinem ersten
Entwurf erkannt. Der größte Nachteil lag am Eingangssignal. Zuerst sollte das Eingangssignal
über ein Mikrophon aufgenommen werden und durch einen Vorverstärker verstärkt
werden. Was ich aber nicht berücksichtigte zu Anfang war der große Störfaktor bei dieser
Übertragung. Durch die ganzen Hintergrundgeräusche würde ein Mikrophon nicht nur die
Signale der gewünschten Musik bekommen, sondern auch die der Hintergrundgeräusche,
was zu einem total falschen Ergebnis führen würde. Dieses Problem habe ich behoben,
indem ich das Mikrophon durch eine direkte Signalübertragung über ein Chinch-Kabel
ersetzt habe. Nun hat man ein Signal ohne Störung, aber man hört den Ton aus dem Handy
nicht mehr. Daher habe ich ein Kopfhörer-Splitter Adapter - 3,5mm dual Stereoweiche an
mein Handy angeschlossen um noch externe Lautsprecher mit anzuschließen zu können.
Ein weiteres Problem stellte ich fest, als ich die Endstufe zu Testzwecken schon mal
aufbaute und über den Arduino mit einem Testprogramm ansteuerte.
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Julian Banz
Seite 8
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Projektbericht
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Die normalen LEDS, mit einem Strom von 20mA waren nicht hell genug für eine gut
aussehende Lichtorgel. Daher kam ich auf die Idee die normalen LEDs durch Power-LEDs zu
ersetzen. Doch der Einbau von solchen Power-LEDs stellte sich als kompliziert heraus, da
die Spannungs- und Stromversorgung vom Arduino nicht ausreicht um die Power-LEDs mit
voller Leistung leuchten zu lassen. So kam ich auf die Idee eine kleine Power-LED
Taschenlampe, die man in jedem Elektronikladen kaufen kann, so umzubauen, dass ich sie
über den Mikrocontroller ansteuern kann.
3.3
Modifizierung der Taschenlampen:
Die Taschenlampen waren nicht nur optisch viel schöner, sondern hatten auch um einiges
mehr Leistung. Ein weiterer Vorteil war auch, dass sie eine eigene Spannungsversorgung (3x
1,5V Batterien pro Taschenlampe) hatten. Nun musste man nur noch den Strom zur
Ansteuerung über den Transistor erhöhen. Durch Messungen und Berechnungen bin ich auf
die geeigneten Bauteile gekommen.
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Julian Banz
Seite 9
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Datum:
23.12.14
3.3.1 Berechnung der Bauteile:
2N1613:
B = 30
(gemessen in der Taschenlampe)
(gemessen in der Taschenlampe)
=> Power-LED: 3.2V/56mA
Da der BC548 nur Strom bis 2mA regeln kann ersetzte ich ihn durch einen 2N1613, der mit
sehr viel höheren Strömen betrieben werden kann (s. Kapitel 8.1)
Nun musste ich noch
gewährleisten.
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Julian Banz
und
anpassen um die max. Leistung an der Power-LED zu
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Berechnung von
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:
= 15Ω
=>
Berechnung von
:
=> praktisch liegt bei
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der max. Strom von 53mA an der Power-LED.
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3.4
Projektbericht
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23.12.14
Aufbau:
Nun da ich die Vorwiderstände berechnet hatte, konnte ich mit dem Umbau der
Taschenlampe beginnen. Zuerst überbrückte ich den Ein- und Ausschaltknopf der
Taschenlampe und ersetzte diesen durch das Signal aus dem Arduino.
Daraufhin überbrückte ich die integrierte Schaltung in der Taschenlampe mit dem von mir
vorher ausgerechneten
Widerstand.
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Julian Banz
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Q3
Projektbericht
Arduino Lichtorgel
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23.12.14
Dies machte ich für alle 3 Taschenlampen. Die Schaltungen für den Vorverstärker, den 3fach
Frequenzfilter und der Endstufe realisierte ich auf einem Steckboard. Letztendlich
befestigte ich die Schaltungen, die Taschenlampen und das Arduino-Board auf einem Brett
um dem ganzen noch die nötige Stabilität zu geben.
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Julian Banz
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Kapitel 4
Autor:
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Datum:
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Schaltung:
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Autor:
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Q3
4.1
Projektbericht
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Datum:
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Vorverstärker
Die Stromversorgung Uv wird über R1 entkoppelt und von C1 und C2 von hochfrequenten
Störungen befreit. Das Eingangssignal bekommt über R2 eine Vorspannung. Das Signal wird
über C3 zum Verstärkereingang vom Operationsverstärker U1 weitergeleitet. Dieser
Eingang liegt durch R3 und R4 auf halber Versorgungsspannung um mit dem
Wechselstromartigem Frequenzgang (nach oben und unten) fertig zu werden. Das Signal
wird also im Operationsverstärker verstärkt und über C5 zum Ausgang geleitet. Mit dem
Potentiometer R8 am Ausgang kann man noch den Pegel des Ausgangssignales einstellen.
Der Verstärkungsfaktor der Schaltung ergibt sich aus dem Verhältnis von R7 und der
Summe der Widerstände R5 und R6. Somit kann man die Verstärkung über den
Potentiometer R6 einstellen. Der Verstärkungsfaktor liegt zwischen 150 - 1500.
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Julian Banz
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4.2
Projektbericht
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3-fach Frequenzfilter:
4.2.1 Prinzip:
Das Prinzip der Schaltung ist aus der Fachliteratur Trietze/Schenk
Halbleiterschaltungstechnik, 6. Auflage (s. Kapitel 9 Quellen).
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Datum:
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4.2.2 Tiefpass 2.Ordnung (inverter):
Die Grenzfrequenz dieses Tiefpasses kann man über eine Formel berechnen.
Somit werden alle Frequenzen über 160Hz nicht durch diesen Filter gelassen.
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Arduino Lichtorgel
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4.2.3 Bandpass 2.Ordnung (Inverter):
Resonanztreu:
Bandbreite:
Somit ergibt sich ein Bandpass, der von 450Hz bis 1150Hz durchlässig ist.
Autor:
Julian Banz
Seite 19
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Q3
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Arduino Lichtorgel
Datum:
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4.2.4 Hochpass 2.Ordnung (inverter):
Grenzfrequenz:
(gilt für Hochpass 2. Ordnung)
Somit ist dieser Hochpass ab Frequenzen von 1800Hz durchlässig.
Autor:
Julian Banz
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Projektbericht
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4.2.5 Einweggleichrichter:
Pro Periode der eingehenden Wechselspannung entsteht am Gleichrichterausgang ein
Spannungsimpuls.
Die Diode D4 leitet nur, wenn das eingehende Signal positiv ist. Im Fall der Musik-Frequenz
die positive Halbwelle. Dadurch gelangt immer nur die positive Halbwelle auf den
Widerstand R23. Der Kondensator C9 dient als Glättungskondensator für das ausgehende
Signal.
Autor:
Julian Banz
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Technologie
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4.3
Projektbericht
Arduino Lichtorgel
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Endstufe:
Je nachdem wie hoch die Spannung ist, die von dem Mikrocontroller Arduino Uno über den
Widerstand R9 geleitet wird, desto weiter öffnet oder schließt der Transistor Q1. So wird
sehr schnell die Spannung an der LED in Abhängigkeit des Signales von dem Arduino
geregelt.
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Julian Banz
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Kapitel 5
Projektbericht
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23.12.14
Arduino:
Das Arduino-Board besteht aus mehreren digitalen und analogen Ein- und Ausgängen, aber
das Herzstück ist der eingebaute Mikrocontroller. Insgesamt gesehen ist dieser
Mikrocontroller ein funktionsfähiger Computer. Er besitzt einen 2KB RAM Arbeitsspeicher,
einen 32KB Flashspeicher und einen 1KB EEPROM (nicht flüchtiger Speicher) und einem
Prozessor ATmega328.
Die CPU ist das Gehirn des Mikrocontrollers. Die CPU holt die im Flash-Speicher
gespeicherten Programmanweisungen ab und führt sie aus. Dazu müssen z. B. Daten aus
dem Arbeitsspeicher abgerufen, bearbeitet und wieder im Arbeitsspeicher abgelegt
werden.
Der EEPROM-Speicher ist wie ein Flash-Speicher, nur dass die in ihm gespeicherten Dateien
bei einem Ausfall des Systems (Absturz der CPU oder Stromausfall) nicht verloren gehen.
Der Flash-Speicher wird zum Speichern der Programmanweisungen, den so genannten
Sketches, genutzt.
Der Arduino UNO wird mit einer Versorgungsspannung von 9V betrieben.
Autor:
Julian Banz
Seite 23
Technologie
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5.1
Projektbericht
Arduino Lichtorgel
Datum:
23.12.14
Analoge Eingänge:
Der Arduini UNO bietet 6 Analoge Eingänge A0-A5. Mit diesen sechs Pins lässt sich die
jeweils angelegte Spannung ermitteln. Jedoch kann man an diesen Eingängen nur die
Spannung ermitteln, da sie einen sehr hohen Innenwiderstand haben und somit nur ein
sehr kleiner Strom fließt. Den gemessenen Spannungswert kann man in einem Sketch
ermitteln und ausgeben lassen.
Diese Eingänge sind perfekt um die gefilterten Frequenzen in Form von Spannung aus dem
3fach-Frequenzfilter aufzunehmen und zu messen.
5.2
Digitale Verbindungen:
Der Arduino UNO besitzt 14 digitale Pins (0 bis 13). Diese Pins können entweder als Einoder Ausgänge verwendet werden. In der Funktion als Ausgang besitzt jeder dieser Pins
eine Spannung von 5V. Somit kann man in einem Sketch definieren, dass z. B auf Pin 7 eine
Spannung von 0V oder 5V liegen.
Die Pins 3, 5, 6, 9, 10 und 11 sind auch für PWM (s. Kapitel 5.3) geeignet.
Autor:
Julian Banz
Seite 24
Technologie
Q3
5.3
Projektbericht
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23.12.14
Pulsweitenmodulation:
"PWM", wie es abgekürzt heißt, dient zur Feinjustierung der Spannung vom Arduino. Die
digital Pins besitzen eine Spannung von 5V (an) und 0V (aus). Jedoch die Pins 3, 5, 6, 9, 10
und 11 können sich durch den richtigen Sketch auch einen Wert dazwischen wählen. Es
funktioniert über einen Parameter. Es gibt einen so genannten "Duty-Cycle" für diese Digital
Pins der von 0 bis 255 geht. Wobei 255 die 5V Spannung ist und 0 die 0V sind.
So kann man sehr fein und genau die Spannung in Abhängigkeit von dem sich ständig
verändertem Musik Signal an den analogen Eingängen anpassen.
Kapitel 6
Software:
* Author: Julian Banz
Programm: Arduino-Lichtorgel
Date: 25.10.14
*
int ledPinG = 9; //LED connected to digital Pin 9
int ledPinO = 10; //LED connected to digital Pin 10
int ledPinR = 11; //LED connected to digital Pin 11
int analogPinG = 2; //Highpass connected to analog pin 2
int analogPinO = 3; //Bandpass connected to analog pin 3
int analogPinR = 4; //Lowpass connected to analog pin 4
int valG = 0; // variable to store the read value
int valO = 0;
int valR = 0;
void setup()
Autor:
Julian Banz
Seite 25
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Q3
Projektbericht
Arduino Lichtorgel
Datum:
23.12.14
{
pinMode(ledPinG, OUTPUT); //set the pin as output
pinMode(ledPinO, OUTPUT);
pinMode(ledPinR, OUTPUT);
}
void loop()
{
valG = analogRead(analogPinG); // read the input pin
valO = analogRead(analogPinO);
valR = analogRead(analogPinR);
analogWrite(ledPinG, valG / 4); // analogRead values go from 0 to 1023, analogWrite values from 0 to 255
analogWrite(ledPinO, valO / 4);
analogWrite(ledPinR, valR / 4);
}
Autor:
Julian Banz
Seite 26
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Kapitel 7
Projektbericht
Arduino Lichtorgel
Datum:
23.12.14
Fazit:
Schlussendlich kann man sagen, dass das Projekt durch seine Komplexität sehr Zeitintensiv
war. Jedoch habe ich meine fachlichen Kenntnisse der Elektrotechnik dadurch intensiv
verbessen können. Der Umbau der Taschenlampe gehörte zu dem zeitintensivsten Teil der
Projektarbeit. Dort war das Umbauen der in der Taschenlampe integrierten Schaltung eine
große Herausforderung, da das Arbeiten auf diesem engen, begrenzten Raum der Schaltung
außerordentlich mühselig war. Aber trotz alledem hat es eine Menge Spaß gemacht und es
ist immer ein tolles Gefühl, wenn das gebaute am Ende, genauso funktioniert wie man es
sich vorgestellt hat.
Autor:
Julian Banz
Seite 27
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Q3
Kapitel 8
8.1
Autor:
Projektbericht
Arduino Lichtorgel
Datum:
23.12.14
Datenblätter:
Transistor 2N1613:
Julian Banz
Seite 28
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Autor:
Julian Banz
Projektbericht
Arduino Lichtorgel
Datum:
23.12.14
Seite 29
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8.2
Autor:
Projektbericht
Arduino Lichtorgel
Datum:
23.12.14
Operationsverstärker TL071:
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Seite 30
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Autor:
Julian Banz
Projektbericht
Arduino Lichtorgel
Datum:
23.12.14
Seite 31
Technologie
Q3
Autor:
Julian Banz
Projektbericht
Arduino Lichtorgel
Datum:
23.12.14
Seite 32
Technologie
Q3
Kapitel 9
Projektbericht
Arduino Lichtorgel
Datum:
23.12.14
Quellen:
 Simon Monk: "30 Arduino Selbstbau-Projekte" (Franzis-Verlag)
 U. Tietze * Ch. Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik" (Springer-Verlag, 6. Auflage,
Seite 376-513)
 "Arduino Projects Book" von Arduino.cc
 "Elektrotechnik für berufsbildende Schulen" (Verlag Handwerk und Technik)
 http://arduino.cc/en/pmwiki.php?n=Main/arduinoBoardUno
 http://arduino.cc/en/pmwiki.php?n=Reference/AnalogWrite
 Datenblätter:
- 2N1613: http://html.alldatasheet.com/htmlpdf/15063/PHILIPS/2N1613/995/4/2N1613.html
- TL071:
http://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/5779/MOTOROLA/TL071.html
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Julian Banz
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