So,

im zweiten Teil unserer Komplett-Zusammenfassung geht es um die Hardware.  Denn was die Arbeit mit dem Arduino ausmacht, ist ja gerade die Kombination aus Programmierung und Schaltungstechnik. Heute gehen wir nochmal die ganzen elektronischen Bauteile durch, die in den bisherigen Projekten vorkamen.

 Schaltplan

Das wichtigste Mittel, um mit anderen Makern Ideen und Pläne auszutauschen ist der Schaltplan. Darin werden alle Bauteile und ihre Verbindungen in symbolischer Form aufgezeichnet. Mit etwas Erfahrung wirst du in den Schaltplänen bald lesen können wie in einem Buch. Du siehst, welche Teile verwendet werden und was sie machen, wie sie miteinander verschaltet sind. Das ist der Schlüssel zum Verständnis der Schaltung.

Dazu hat jedes Bauteil ein bestimmtes, eindeutiges Symbol.

In Lektion 2 haben wir die ersten Bauteile kennen gelernt und einen einfachen Stromkreis aus Spannungsquelle, Widerstand und Leuchtdiode aufgebaut. Hier sind nochmal die entsprechenden Schaltsymbole:

Die Schaltplan-Symbole der bisherigen Bauteile

Der einfachste Stromkreis zeigt, wie die LED und der Widerstand in Reihe an die +5V-Spannungsquelle des Arduino angeschlossen werden:

Schaltplan_LED

Als nächstes haben wir uns um die zusammenhänge zwischen Strom und Spannung gekümmert.

Das ohmsche Gesetz

Eine der wichtigsten Regeln, die jeder Maker und Schaltungsentwickler drauf haben muss ist das Ohmsche Gesetz. Es sagt aus, dass der Strom, der durch einen Widerstand fließt proportional zur Spannung ist und umgekehrt proportional zum Widerstand.

Stell dir eine Wasserleitung vor, dann steht der Wasserdruck für die Spannung und die Enge des Rohres für den Widerstand. Je enger das Rohr, desto weniger Wasser kann durchfließen. Und je höher der Druck auf dem Rohr, desto mehr Wasser geht hindurch. Ganz ähnlich verhält sich der Strom durch einen Widerstand auch.

Meistens haben wir in den Schaltungs-Projekten ja die Betriebsspannung U vorgegeben. Das ohmsche Gesetz sagt dir dann, wie groß du die Widerstände R in deinen Schaltungen wählen musst, um bestimmte Stromstärken I zu erreichen.

Allgemein können wir die Gleichung U=R*I umstellen, um entweder I oder R aus den beiden anderen Größen auszurechnen.

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Widerstand

Widerstände sind die mit Abstand am häufigsten eingesetzten Bauteile. Sie werden benötigt um Ströme zu begrenzen, oder bestimmte Spannungen in einer Schaltung zu liefern.  Das nennt man dann einen Spannungsteiler (siehe unten).

In technischer Ausführung gibt es die sehr günstigen Kohleschicht-Widerstände und die etwas teureren, aber genaueren Metallschicht-Widerstände. Die erhältlichen Größen sind in den sogenannten E-Reihen normiert.

Die bunten Ringe auf den Widerständen geben übrigens deren Ohm-Wert in codierter Form an. Um sie zu lesen kannst du eine Tabelle zu Rate ziehen oder auch ein Online-Tool benutzen.

Bridge

Reihenschaltung/Parallelschaltung

Im Bild oben ist nochmal die Widerstandsreihe aus dem Projekt von Lektion 12 zu erkennen. Das war der Digital-Analog Wandler, mit dem  unser Synthesizer aus einem Array von Einzelwerten eine  Audio-Signalform gemacht hat.

Das Ganze ist eine ausgeklügelte Vernetzung von Einzelwiderständen, die dafür sorgen, dass der Spannungsabfall über der gesamten Anordnung gerade so groß ist, wie es die Binärzahl angibt, die auf den digitalen Ausgabeports liegt.

Die Funktionsweise ist nicht schwer zu verstehen, wenn du die Grundlagen kennst, allerdings braucht es etwas Zeit und Muße, um sich hinein zu denken. Vielleicht etwas für einen verregneten Sonntagnachmittag, an dem du gerade kein anderes spannendes Bastelprojekt am Start hast? 🙂

Die notwendigen Grundlagen hatten wir in Lektion 2 bereits, nämlich wie sich Widerstände verhalten, wenn man sie in Reihe oder parallel schaltet:

Schaltet man zwei Widerstände in Reihe hintereinander, dann addieren sich ihre Widerstandswerte. Der Widerstand der gesamten Anordnung ist die Summe der Einzelwiderstände.

RGesamt =R1+R2

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Schaltet man zwei  Widerstände parallel, dann ist der Widerstand der gesamten Anordnung

RGesamt =1/(1/R1+1/R2)

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Schaltplan_Reihe_Parallel

Spannungsteiler

Kommen wir zu einem weiteren Klassiker der Schaltungstechnik. Erinnerst du dich an die Verstärkerschaltung mit Transistor?

Der Schaltplan für die Verstärkerstufe

Der Schaltplan für die Verstärkerstufe

Damit sie funktioniert, musste der Eingang des Transistors konstant auf etwa der halben Betriebsspannung liegen. Das haben wir über einen Spannungsteiler gelöst:

Die Widerstände R1 und R2 dienen hier dazu, den Punkt, an dem das Signal eingespeist wird, auf eine konstante Spannung zu bringen.

Auf welche Spannung wir den Punkt zwischen R1 und R2 legen, hängt allein von den Werten der beiden Widerstände ab. Das kannst du also bei der Schaltungsentwicklung steuern, indem du passende Widerstandswerte auswählst. Denn aus dem ohmschen Gesetz wissen wir ja:

 Wenn durch einen Widerstand ein Strom fließt, dann liegt daran eine Spannung an, die so groß ist wie das Produkt aus Strom und Widerstand.

Wenn zwei Widerstände hintereinander an eine Spannungsquelle angeschlossen werden, dann teilt sich die Spannung zwischen ihnen im Verhältnis der Widerstandswerte auf.

Liegen Widerstände mit 10 Ω und 90 Ω hintereinander an einer Spannung von  1 V, dann misst man über dem 10 Ω Widerstand die Spannung 0,1 V und über dem 90 Ω Widerstand 0,9 V. Und bei der Tranistorschaltung hatten wir R1= 10kΩ und  R2= 10kΩ, deshalb teilt sich die Spannung gleichmäßig über ihnen auf. So einfach ist das.

Leuchtdiode

Die Leuchtdiode war das erste Halbleiter-Bauelement, das uns begegnet ist. Sie ist gerade bei Elektronik-Anfängern ein beliebtes Bauteil, weil auf einfache Weise nette Lichteffekte damit zu erreichen sind. In fortgeschrittenen Projekten dienen sie meistens als Kontroll-Leuchte, also zum Beispiel Einschaltkontrolle oder Zustandsanzeiger. Wir hatten in Lektion 4 ja eine Ampel aus einer grünen, gelben und roten LED gebaut. Es gibt ganze Arrays von LEDs, die auf einem Panel quadratisch angeordnet sind. Damit kannst du dann Laufschriften oder einfache Pixelgrafiken erzeugen,zum Beispiel dieses LED-Schieberigister.

Technisch ist die Leuchtdiode ähnlich aufgebaut wie die normale Diode, die wir auch schon kennengelernt haben. Dort hatten wir bereits kurz angerissen, dass die Funktion in einer dünnen Schicht von zwei verschieden behandelten Halbleiter-Materialien steckt, die für den elektrischen Strom wie eine Einbahnstraße wirken. Sie lassen den Strom nur in eine Richtung durch. Dies gilt auch für die Leuchtdiode, du musst daher beim Einbau immer auf die richtige Polung achten (Immer das kürzere Anschlussbeinchen zum Minuspol hin einbauen).

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LED_Schaltkreis

Potentiometer

Das Potentiometer hat uns immer dann gute Dienste geleistet, wenn analoge Werte eingestellt werden mussten. Es ist nichts anderes, als ein einstellbarer Widerstand. Du kannst sie in verschiedenen Widerstandsbereichen kaufen, manche haben bereits einen Drehknopf, andere nur einen Schlitz für den Schraubenzieher. Außerdem gibt es noch die Unterscheidung linear/logarithmisch.

Der Unterschied zwischen den beiden ist, dass sich der Widerstand beim Drehen des Knopfes unterschiedlich stark ändert. Beim linearen Poti bedeutet gleicher Drehwinkel immer auch gleiche Widerstandsänderung. Anders beim logarithmischen:

Hier ändert sich der Widerstand im unteren Bereich der Skala stärker und nach oben hin immer weniger. (Oder eben umgekehrt, je nachdem wie du es einbaust, du musst also im Unterschied zum linearen Poti auch auf die Polung achten).

Das hat durchaus Sinn, denn viele physikalische Größen verhalten sich genauso. Zum Beispiel ist die Lautstärke, die das Gehör empfindet bei leisen Geräuschen viel empfindlicher als bei lauten. Der Lautstärke-Unterschied zwischen Presslufthammer und Jumbojet ist kaum hörbar, aber zwischen dem Zirpen einer Grille und  einem Windrascheln im Laub hören wir den Unterschied deutlich. Dabei sind diese absolut gesehen näher beisammen, als die beiden ersten, lauteren Beispiele. Genau diesen Unterschied kannst du mit dem logarithmischen Potentiometer ausgleichen, es wäre daher als Lautstärkeregler für unsere Verstärkerschaltung besser geeignet.

Ein Potentiometer im eingebauten Zustand.

Oben Trimm-Potentiometer für Schraubendreher. Unten ist rechts eines mit Drehknopf zu sehen.

Aufbau_mit_poti

Schalter und Taster

Zwei  weiteres Standard-Bauteile, die schnell erklärt sind. Ein Schalter behält seinen Zustand bei, während ein Taster meist von einer Feder oder einem anderen Mechanismus in die Ausgangsstellung zurück gedrückt wird. Die Abbildung zeigt den Aufbau mit Taster und Leuchtdiode aus Lektion 2

led_und_taster_komplett3

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LDR (Light Dependent Resistance)

Der lichtabhängige Widerstand ist ein weiteres Teil aus der großen Familie der Halbleiter-Bauelemente. Wir haben so einen bei der Ampel mit Tag- und Nachtschaltung in Lektion 4 benutzt. Innerhalb einer Schaltung wirkt der LDR wie ein Widerstand. Im Unterschied zum festen Widerstand sinkt aber der Widerstandswert, wenn Licht auf den Fotowiderstand fällt.

Du kannst also einen lichtabhängigen Spannungsteiler bauen! Damit haben wir den analogen Eingang des Arduino gefüttert, damit er immer über die Lichtverhältnisse informiert ist.

LCD-Display

Das LCD-Display HD44780 begleitete mehrere unserer Projekte. Es ist unverzichtbar als Datenausgabe und auch als Bildschirm für kurze Texte.

Wir hatten es erstmals bei der Weltzeituhr eingesetzt. Dort findest du die ausführliche Anleitung, wie dieser nützliche Baustein verschaltet und angesteuert wird.

Um es im Sketch zu verwenden, musst du am Anfang die entsprechende Bibliothek einbinden mit der Anweisung 
#include <LiquidCrystal.h>.

Schaltplan für den Aufbau

Es gibt übrigens noch eine alternative Anschlußmethode, die acht Datenleitungen verwendet, anstatt nur vier. Dadurch kannst du die Übertragungsrate verdoppeln. Für Textausgabe reicht normalerweise die 4-bit Version aus, aber theoretisch kannst du auch einzelnem Pixel des LCD-Display ein- und ausschalten und Grafiken darüber laufen lassen. Dafür sind dann schnellere Datenraten nötig.

Piezo-Töner

Zuletzt hatten wir den Arduino zum Musikinstrument gemacht. Für die Tonausgabe ist so ein Piezo-Töner die einfachste Möglichkeit.

Tipp: Falte  eine Pappkarte in der Mitte und stelle sie auf den Tisch. Wenn du in diese Karte einen Schlitz schneidest und den Piezo-Töner dort einsteckst, steigert das die Lautstärke ganz deutlich. Die Karte wirkt dann als Resonanzkörper, der die Schwingungen des Piezo-Kristalls verstärkt. So kannst du schon die Leistung eines kleinen Lautsprechers mit dem Piezo-Töner erreichen.

Vielleicht kennst du noch die klingenden Glückwunschkarten mit Happy-Birthday oder dergleichen, die mal eine Zeit lang in Mode waren. Sie bestehen genau aus dieser Kombination: Ein Mikrocontroller um die Melodie abzuspielen und einem Piezo-Töner mit Postkarte als Resonanzkörper.

Unsere Version aus Lektion 11 konnte sogar noch die Tonhöhe der Melodie verändern.

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Piezo-Lautsprecher

Piezo-Lautsprecher

DHT 11 Wettersensor

Dieses nützliche Halbleiter-Bauelement war das Herzstück unserer Wetterstation. Er bietet eine Koplett-Lösung für die Messung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Der Baustein rechnet die Messwerte schon selbstständig in gängige Einheiten um und schickt diese über einen 1-bit großen Datenbus an einen digitalen Eingang des Arduino. Die Kommunikation übernimmt die Bibliothek DHT.h, die du mit
#include <DHT.h>  in den Code einfügst.

Der DHT11 (links) in Aktion

Der DHT11 (links) in Aktion

Wir kennen es auch anders. Bei der Lüftersteuerung in Lektion 9 haben wir auch Temperaturen gemessen, dort aber mit einem anderen Bauelement, dem  TMP36 Temperatursensor. Der gibt nur eine temperaturabhängige Spannung aus und es bleibt dir als Entwickler überlassen, daraus einen sinnvollen Temperaturwert zu berechnen. Der Vorteil des DHT11 und seines großen Bruders DHT22 ist, dass diese Messwertumrechnung bereits im Baustein selber erfolgt. Er hat einen kleinen Controller an Bord, der diese Berechnungen vornimmt und die Kommunikation mit dem Arduino regelt.

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Servo

Kommen wir nun zu den Bauelementen, die Bewegung ins Spiel bringen!

Mit dem Servo haben wir ein Bauteil kennengelernt, das äußerlich wie ein Motor aussieht, aber ein wenig unterschiedlich angewendet wird. Es kann gezielte Drehungen ausführen. Die Achse des Servo kannst du an eine genau festgelegte Winkelposition fahren und dort auch halten.

Das ist im Roboterbau und Modellbau unverzichtbar. Denke zum Beispiel an die Klappen eines Flugzeugs, die Radstellung bei einem Modellauto oder die Stellung der Arme und Gelenke eines Roboterarms. All das lässt sich mit dem Servo ansteuern.

Wir haben damit in Lektion 8 eine Analoganzeige für die Wetterstation gebaut. Um ihn anzusteuern, brauchst du nur die Bibliothek
Servo.h  in den Sketch einzubinden.

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 Servo

DC-Motor

Im Gegensatz zum Servo vollführt der DC-Motor eine konstante Drehbewegung der Welle. Er ist daher für den Antrieb von Fahrzeugen geeignet oder allem anderen, was sich dreht. Zum Beispiel hatten wir ihn ja verwendet, um den Lüfter anzutreiben bei der Lüftersteuerung aus Lektion 9.

dcmotor

Diode

Nachdem wir die Leuchtdiode ja oben schon angeschaut haben, kommt ihr kleiner Bruder unspektakulär daher. Der einzige Unterschied zur LED ist, dass die Diode nicht leuchtet. 🙂

Aber genau wie die LED lässt auch die Diode den Strom nur in einer Richtung durch, und genau dafür wird sie in der Elektronik verwendet:

Eine ganz typische Anwendung ist etwa der Gleichrichter, eine Anordnung aus 4 Dioden, die Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. So etwas ist in allen Geräten vorhanden, denn aus der Steckdose kommt ja Wechselstrom, aber weitaus die meisten elektronischen Geräte arbeiten mit einer Gleichspannung.

Auch bei der Motorsteuerung haben wir die Sperr-Eigenschaft der Diode benutzt. Sie sollte Spannungsspitzen blockieren, die beim plötzlichen Ausschalten des DC-Motors entstehen können.

Man kann Dioden auch als eine Art elektrisches Überdruckventil benutzen. Sie sperren zwar den Strom in einer Richtung, aber nicht beliebig lange. Irgendwann, wenn die Gegenspannung zu groß wird ist Schluß mit lustig: Die Diode bricht durch und wird leitend. Diese Durchbruchspannung ist ein wichtiger Parameter, sie liegt aber üblicherweise so weit jenseits der Betriebsspannung der Schaltung, dass du darauf nicht achten musst.

Bei den sogenannten Zener-Dioden (kurz Z-Diode) ist es aber anders. Sie haben niedrige Durchbruchspannungen und werden als Sicherung  oder als Konstant-Sspannungsquelleverwendet:

Wenn die anliegende Spannung den kritischen Wert erreicht hat, dann bricht die Z-Diode durch und bildet einen Kurzschluss nach Masse. Dadurch steigt die Spannung dann nicht weiter an.

Transistor

Der Transistor ist eines der wichtigsten Halbleiter-Bauelemente überhaupt. Er ist aus der modernen Elektronik nicht mehr wegzudenken und bildet die Grundlage der Digitaltechnik. Dank moderner Technologie lassen sich Milliarden von Transistoren auf einer fingernagelgroße Fläche anordnen.

Sie arbeiten dort als kleine Schalter.  Liegt die Basis auf HIGH, dann ist der Schalter geöffnet und sonst geschlossen. So werden die if-Abrfragen aus dem Sketch letztlich in der Hardware ausgeführt: Der Transistor erlaubt es, abhängig von Bedingungen einen Zustand zu ändern.

Natürlich gibt es auch heute noch Transistoren als einzelne Bauelemente zu kaufen und er findet nicht nur im digitalen Bereich Verwendung, sondern kann auch kontinuierliche Größenveränderungen steuern. Da sind wir bei den analogen Schaltkreisen angelangt:

Transistoren arbeiten als Verstärker in Messgeräten, Radios, Akku-Ladegeräten usw…

Wir haben bereits beide Anwendungsfelder kennengelernt: Als Schalter in Lektion 9 (Motorsteuerung) und als Verstärker in Lektion 11 (Audio-Verstärker).

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Ein NPN-Transistor mit Schaltsymbol

Ein NPN-Transistor mit Schaltsymbol

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Das Grundprinzip ist immer das Gleiche: Wie ein Ventil steuert ein winziger Strom durch die Basis einen größeren Strom durch den Kollektor. Es gibt Transistoren in unterschiedlicher Polung, die als NPN und PNP-Typen bezeichnet werden. Beim PNP-Transistor ist alles genau andersherum gepolt, ansonsten ist die Funktion die Gleiche.

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Kondensator

Der Kondensator ist in der analogen Elektronik allgegenwärtig. Daher kamen wir auch zum ersten Mal mit ihm in Berührung, als der Arduino Pause hatte und wir eine analoge Verstärkerstufe gebaut haben. Seine nützlichen Eigenschaften spielt er als Kurzzeit-Ladungsspeicher und als frequenzabhängiger Wechselstrom-Widerstand aus. Wie ein winziger Akku wird er wenn Strom durch ihn fließt aufgeladen und kann dann die kurz gespeicherte Energie beim Entladen wieder abgeben.

Gemessen wir die Kapazität in der Einheit Farad, wobei in der Praxis meistens sehr kleine Werte vorkommen, man hat es fast ausschließlich mit nF, pF oder µF- Angaben zu tun.

Diese Abkürzungen bedeuten folgendes:

  • 1 pF = 1 Picofarad = 10-12 Farad (= Ein Billionstel Farad))
  • 1 nF = 1 Nanofarad = 10-9 Farad  (= Ein Milliardstel Farad)
  • 1 µF = 1 Mikrofarad = 10-6 Farad (= Ein Millionstel Farad)

Dies sind in der Praxis gängige Einheiten, woran du schon siehst, dass die Kapazitäten in Farad ziemlich kleine Werte haben.

Der Kondensator  kommt immer dann zum Einsatz, wenn schnell veränderliche Signale durch eine Schaltung laufen, Musiksignale, Radio, Funk, aber natürlich auch digitale Streams.  Bei Gleichstrom sperrt der Kondensator den Stromkreis, nachdem er aufgeladen wurde. Klar, dass er deshalb in Gleichstrom-Schaltungen eher seltener anzutreffen ist.

Im Wechselstromkreis wird er durch wechselnde Stromrichtung ständig aufgeladen und wieder entladen. Dadurch hat er vielfältige Effekte auf das Signal, man kann durch den geschickten Einsatz von Kondensatoren ein verrauschtes Signal glätten, es in der Zeit verschieben, bestimmte Frequenzen herausfiltern und vieles mehr.

Verschiedene Bauformen von Kondensatoren

Verschiedene Bauformen von Kondensatoren

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So, nach dieser umfangreichen Zusammenfassung bist du gerüstet für neue Bastelprojekte.

Nächstes Mal wird es dann nochmal ein spannendes Projekt aus der Audiowelt geben. Bis dann!

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