Arduino: Grundlagen und Elektronik-Bauteile

Vorwort

Da folgender Artikel nur kurz die Grundlagen der Elektrotechnik und die verschiedenen Elektronikbauteile erklärt, ist vielleicht für eine absoluten Laien besser mit folgenden Seiten beraten. Diese erklären die Elektrotechnik viel ausführlicher. Eine gute Fundgrube ist das "elektronik-kompendium.de" von Patrick Schnabel. Dort gibt es zu sehr vielen Themen Artikel. Eine weitere gute Sammlung bietet die Seite mikrocontroller.net .

Wer allerdings lieber Filme schaut, ist bei Youtube auf dem EEVblog (englisch) gut aufgehoben.

Grundlagen Elektrotechnik

Spannung

Formelzeichen:    U
Einheitszeichen:  V

Die Spannung kann als Kraft bezeichnet werden, die die Freien Elektronen in eine Richtung drückt. Wird ein Stromkreis geschlossen, kommt es zu einen Stromfluss.

Strom

Formelzeichen:   I
Einheitszeichen: A

Mit den Strom kann einfach gesagt die freien Elektroden bezeichnet werden. Je nach Höhe der Spannung und des Widerstands können unterschiedlich viele Elektronen in Bewegung versetzt werden.

Widerstand

Formelzeichen:   R
Einheitszeichen: Ω

Der Widerstand setzt den Strom etwas entgegen. Je höher der Widerstand, desto kleiner der Strom bei gleicher Spannung. Je kleiner der Widerstand desto größer der Strom bei gleicher Spannung. Strom und Widerstand sind immer gegensätzlich. Steigt der eine sinkt der andere. Strom und Spannung verhalten sich immer proportional zueinander. Steigt die Spannung, steigt auch der Strom wenn der Widerstand gleich bleibt. Sinkt die Spannung, sinkt auch der Strom wenn der Widerstand gleich bleibt.

Ohmsches Gesetz

I = U : R
Strom = Spannung : Widerstand
Ampere = Volt : Ohm

Das Ohmsche Gesetz ist eine Formel die den Zusammenhang zwischen den drei Grundgrößen Strom, Spannung und Widerstand zeigt.

Elektrische Leistung

Formelzeichen:   P
Einheitszeichen: W

Die Elektrische Leistung ist Energie die auf eine Zeitspanne umgesetzt wird.

Die Formel für die elektrische Leistung ist

P = U x I
P = I² x R
P = U² : R

Diese Formel gilt aber nur bei Gleichspannungen oder rein ohmschen Wechselspannungskreisen.

Elektrische Arbeit

Formelzeichen: W
Einheitszeichen: Wh

Die Elektrische Arbeit ist die elektrische Leistung die über eine bestimmte Zeitspanne einfach ausgedrückt da war.

W = P x t
P = W : t
t = W : P

Von Wattstunden (Wh) auf Kilowattstunden kommen? (Rechnung aus Einheitszeichen)

Wh = kWh : 1000
kWh = Wh x 1000

Kabel & Leitung

In der Elektrotechnik wird hauptsächlich zwischen Kabel und Leitungen unterschieden, diese sind aber nicht gleich.

Kabel

Kabel sind erstmal deutlich dicker als Leitungen, was an einer zusätzlichen Ummantelung liegt um sie gegen physikalische Einwirkungen zu schützen. Kabel werden im Boden oder auf hoher See (Meeresboden) verlegt. Einfach ausgedrückt, wenn Kabel in Verwendung bzw. verlegt sind, kann man diese nicht sehen. Ausnahme bildet hier eine unterputz verlegte Leitung in der Wohnung. Diese ist kein Kabel, obwohl man sie nicht sehen kann.

Leitung

Leitungen werden meist in Innenräumen verwendet, da sie für draußen nicht gedacht sind. Leitungen findet man fast überall im Haushalt, die fälschlicherweise als Kabel bezeichnet werden z.B. an Haushaltsgeräten, unterputz Verlegung, usw. Diese werden auch in Schaltschränken und Verteileranlagen genutzt. Dafür werden Kunststoffaderleitungen mit einfacher Isolierung verwendet.

Strombelastbarkeit

Die Strombelastbarkeit eines Kabels legt fest, wie viel das Kabel nach DIN VDE maximal belastet werden darf bzw. wie lief Strom maximal über das Kabel/Leitung fließen soll. Der Grund, warum eine Leitung nicht mehr als nach Norm belastet werden soll ist ganz einfach: Die Wärme und wenn es zu warm wird besteht Brandgefahr. Je mehr Strom durch ein Kabel fließt umso wärmer wird das Kabel, wenn der Durchmesser bzw. der Leiterquerschnitt gleich bleibt, weil auch ein Kabel einen Widerstand hat (Ausnahme sind Supraleiter. Wird ein Kabel zu warm, dann kann die Isolierung ausdampfen und brüchig werden. Im schlimmsten Fall gibt es dann Überschläge die zu einen Brand führen können. Bei der Strombelastbarkeit wird

Will man aber z.B. eine größere Leistung an einen entfernten Punkt hinbringen, aber die Leitung soll trotzdem dünn bleiben, dann muss die Spannung erhöht werden. Bei Wechselspannung geht das ohne Probleme mit Transformatoren und an den gewünschten Ort wieder runter transformieren.

Es gibt auch Strombelastbarkeit für Leiterbahnen.

Passive Bauelemente

Widerstand

Der Widerstand ist das wichtigste Bauteil. Es begrenzt den el. Strom. Dies wird z.B. bei Vorwiderständen bei LED benutzt. Eine LED braucht (je nach Type auch andere Spannungshöhen) 2V und 20mA sie hat allerdings die Eigenschaft, schon bei 2,2V bereits kaputt zu gehen und bei 1,8V noch nicht zu leuchten. Wenn die Spannung etwas schwankt ist das für eine LED sehr schlecht. Daher werden LEDs mit Vorwiderständen betrieben. Der Wert errechnet sich aus dem Ohmschen Gesetz . Bei einer Versorgungsspannung von z.B. 5 V müssen an dem Vorwiderstand 3 V abfallen. Der Widerstand ist dann R = U/I = 3 V / 0,02 A = 150 Ohm.

Kondensator

Ein Kondensator kann el. Energie speichern. Wie viel Energie er speichern kann wird mit der Kapazität angegeben. Die Einheit dazu ist Farad (F). Die 2. wichtige Kenngröße beim Kondensator ist die Spannungsfestigkeit.
Beim Arduino werden die meisten Kondensatoren zur Stabilisierung der Versorgungsspannung eingesetzt. Dabei sind Kondensatoren > 1µF dazu da, kurze hohe Stromverbräuche auszugleichen und kleine Kondensatoren (<100nF) filtern Störspannungsspitzen heraus. Dies gilt aber nur bei Gleichspannung (DC).

Bei Wechselspannung (AC) verursacht der Kondensator eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. Man sagt auch der "Strom eilt der Spannung voraus". Kondensatoren werden in Wechselstromkreisen hauptsächlich zur Kompensation von induktiven Verbrauchern benutzt.

Spule

Spulen werden beim Arduino häufig bei Step Up / Step Down Wandlern als Zwischenenergiespeicher eingesetzt.

Bei der Wechselspannung (AC) verursacht die Spule eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. Man sagt auch der "Strom eilt der Spannung nach". Die Spule ist ein Induktiver Verbraucher, diese findet man in Motoren oder Transformatoren.

Aktive Bauteile

Dioden

Dioden sind Bauteile, die den Strom nur in eine Richtung durchlassen . Ähnlich eines Rückschlagventils. Sie werden im Arduino z.B. eingesetzt um die 5V von der USB Spannung zu entkoppeln.

Transistor

Transistoren können mit kleinen Spannungen / Leitungen große Spannungen / Leistungen schalten.

Bipolar

Bipolare Transistoren können auch mit sehr kleinen Spannungen bereits schalten. Eine Übersicht gibt es hier Hierbei unterscheidet man zwischen zwei verschiedene Transistoren, diese heißen einmal NPN-Transistor und PNP-Transistor.

LED

LED (eng. light-emitting diodes) sind Bauteile die Licht abstrahlen. Sie sind gepolt. Das bedeutet, bei ihnen muss Plus und Minus richtig herum angeschlossen werden. Da LEDs keine lineare Kennlinie haben müssen sie immer mit Vorwiderstand betrieben werden. Je nach Farbe benötigen sie eine andere Spannung.

LEDs mit Controller Chip

Die am verbreitetsten sind die WS2812b. Sie haben 4 Anschlüsse

• 1 VDD Power supply LED
• 2 DOUT Control data signal output
• 3 VSS Ground
• 4 DIN Control data signal input

und benötigen an VDD 5V. Sie werden in Reihe geschaltet und über den ersten DIN mit Daten gespeist.

Optokoppler

Optokoppler dienen zur Kopplung elektronischer Schaltungen mit Hilfe von Lichtenergie. In einem Optokoppler befindet sich ein Lichtsender (LED, meist Infrarot) und ein Lichtempfänger (z. B. Fototransistor), welche durch einen sehr kurzen Lichtleiter verbunden sind. Die elektrische (galvanische) Trennung zwischen Eingang und Ausgang ermöglicht Kopplung von Schaltungen sehr unterschiedlichen Spannungsniveaus.

Integrierte Schaltungen

Schieberegister

Beim Arduino werden gerne Schieberegister eingesetzt um mehr Ausgänge zu bekommen. Dabei werden über einen Pin die Daten in den Baustein (z.B. 74HC495) nacheinander geschoben, die er dann am mehreren Ausgängen ausgeben kann.

Porterweiterungen

Porterweiterungen dienen wie die Schieberegister zur Erweiterung der Ein- und Ausgänge. Ein Vertreter für 8 Bit der PCF8574 und für 16 bit der PCF8575. Hier ist die Schnittstelle zum µC I2C. Über SPI lässt sich der PCA9502 ansteuern.

Spannungsregler

Es gibt 2 Typen: Linear Regler und Schaltregler. Linearregler z.B. 7805 "verbraten" die Differenzspannung zwischen Ein- und Ausgang. Sie haben normalerweise ein sauberes Ausgangssignal aber einen schlechten Wirkungsgrad. Schaltregler haben einen besseren Wirkungsgrad, die Ausgangsspannung muss aber gefiltert werden. Daher werden manchmal Kombinationen eingesetzt: Schaltregler für z.B. 24 --> 7 V und Linearregler dann auf 5V

Relaistreiber

Weit verbreitet ist die ULN200x Serie. Diese kann 8 Relais ansteuern. .

Mechanische Bauteile

Taster

Mit einen Taster wird ein Schalter bezeichnet, der nach dem Drücken wieder in die Ausgangsposition zurück geht. Also nur solange er gedrückt wird den Stromkreis schließt. Das sind z.B. Klingeltaster oder Bedienelemente von Maschinen. In ihnen befindet sich eine Feder, die den Schaltkontakt wieder in die Ausgangsposition zurück drückt.

Sonstige Bauteile

Varistor

Bei Varistoren handelt es sich um elektrische Bauelemente, die ihren Widerstand anhand der anliegenden Spannung verändert. Dieser wird überwiegend dafür eingesetzt als Überspannungsschutz oder um Induktionsspannungen von Spulen z.B. Relais oder Schützen abzuleiten und damit Elektronikbauteile zu schützen.