Schnelleinstieg Elektronik - Leseprobe · ISBN 978-3-645-60350-8 Keine Angst vor Elektronik! Auch wenn dahinter Fachwissen aus Physik und Mathematik lauert, für die ersten Tüfteleien

SCHNELLEINSTIEG

ELEKTRONIK

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IK SCHNELLEINSTIEG

160 SEITENDIE WICHTIGSTEN GRUNDBEGRIFFE AUS

PHYSIK UND ELEKTRONIK EINFACH ERKLÄRT UND DIREKT IN DIE PRAXIS UMGESETZT.

ELEKTRONIK

Christian Caroli/Philip Caroli

AUCH FÜRSCHÜLER GEEIGNET


19,95 EUR [D] / 20,60 EUR [A]ISBN 978-3-645-60350-8

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 PhilipCaroli erklären alles nötige Grundwissen so, dass es jeder versteht.

Von A wie Ampere bis Z wie zweistufiger VerstärkerEin bisschen Physik gehört dazu, mit den richtigen Erklärungen versteht sich das aber wie von selbst. Die Caroli-Brüder erklären noch einmal ganz vonvorne, was Ampere, Volt und Co. eigentlich sind undwie 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 richtigeoder welcher Mikrocontroller für welches Projekt geeignet ist.

Los geht es mit eigenen Projekten!Elektronikwissen allein wäre ja langweilig! Richtigspannend wird es erst, wenn man das Gelernte anwendet und zum Lötkolben greift. Was sind diewichtigsten Werkzeuge, die man braucht? Welche Vorbereitungen muss man treffen? Und dann geht esauch schon los: Einfache Schaltungen werden gebautund Kabel zusammengelötet. Und wer das ganze Buchdurchgearbeitet hat, der kann frohen Mutes jedes Projekt angehen, das ihm in den Sinn kommt.

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Car

oli

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• Einführung Digitaltechnik

60350-8 U1+U4 29.01.16 09:21 Seite 1

Christian Caroli/Philip CaroliSchnelleinstieg

Elektronik

60350-8 Titelei 29.01.16 09:22 Seite 1

Philip Caroli studiert Informatik am KIT in Karlsruhe und beschäftigt sichschon seit vielen Jahren mit Elektronik und 3-D-Druck. Angefangen bei kleinenelektronischen Schaltungen ¸ber Reparaturen von Haushaltsgeräten bis hin zurEntwicklung von kleinen Robotern, hat Philip Caroli alles repariert, erweitert undprogrammiert, was ihm in die Hände fiel.

Als Autodidakt hat er einen sehr praxisbezogenen Zugang zur Materie undkann seine Freude am Thema gut vermitteln. In seiner Freizeit ist er im FabLabKarlsruhe e.V. engagiert und hat dort unter anderem einen Lasercutter mitaufgebaut.

Christian Caroli ist bereits seit seiner Jugend begeisterter Elektronik-Bastler.Was zunächst mit dem Auseinanderschrauben und Wiederzusammenbauenseines Computers begann, setzte er in späteren Jahren mit Zusatzmodulen fürseinen PC, diversen Mikrocontroller-Schaltungen und Kleingeräten bis zumheutigen 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 modernenProduktionsmitteln wie 3-D-Druckern und Lasercuttern zu lehren und zu ermöglichen. Hauptberuflich entwickelt Christian Caroli Soft- und Hardware in seiner eigenen Firma.

60350-8 Titelei 29.01.16 09:22 Seite 2

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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

60350-8 Titelei 29.01.16 09:22 Seite 4

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VORWORT

Sie haben sich also entschlossen, sich mit dem Thema Elektronik auseinanderzu-setzen. 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 komfortab-ler und angenehmer, aber nur dann, wenn sie so arbeiten, wie sie sollen. Sobald einmal ein Gerät ausfällt, ist man ohne Elektronik-Kenntnisse auf einen Fach-mann 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 kont-rolliert.

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 Sei-ten!

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I INHALTSVERZEICHNIS

1 VOLT, WATT, AMPERE UND OHM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.1 Elektrischer Strom und Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.1.1 Gefährliche Potenzialunterschiede . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2 Stromstärke elektrischer Leiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.3 Batterien und Akkus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.3.1 Alkaline-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.3.2 Nickel-Metallhydrid-Akkus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.3.3 Lithium-Ionen-Akkus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.4 Widerstand im Stromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.4.1 Farbcodes für Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.4.2 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.8.1 Experiment mit Elektrolytkondensatoren . . . . . . . . . . 251.8.2 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 . . . . . . . . . . . . . 291.11.1 Elektromotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.11.2 Freilaufdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

1.12 Integrierte Schaltkreise ändern alles . . . . . . . . . . . . . . . 33

1.13 Revolution im Kleinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

1.14 Reihen- und Parallelschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.14.1 Reihenschaltung von Widerständen . . . . . . . . . . . . 371.14.2 Reihenschaltung von Kondensatoren . . . . . . . . . . . . 381.14.3 Parallelschaltung von Kondensatoren . . . . . . . . . . . . 381.14.4 Parallelschaltung von Widerständen . . . . . . . . . . . . 39

1.15 Spannung gezielt reduzieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401.15.1 Das Potenziometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

1.16 Steckverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

1.17 Schaltpläne lesen und begreifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

1.18 Datenblätter richtig lesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

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2 ERSTE PRAKTISCHE SCHRITTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.1 Die Elektronik-Grundausrüstung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482.1.1 Das Breadboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482.1.2 Drahtbrücken-Sortiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502.1.3 Widerstands-Sortiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.1.4 Kondensator-Sortiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.1.5 Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.1.6 LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.1.7 Stromversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.1.8 Multimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.2 Unsere erste Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562.2.1 Einschub: Vorwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.3 Das Multimeter ¬ Ihr bester Freund . . . . . . . . . . . . . . . 582.3.1 Durchgangsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592.3.2 Widerstandsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602.3.3 Spannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612.3.4 Strommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612.3.5 Tipps und Tricks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3 ANALOGER TEMPERATURSENSOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.1 Thermistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.2 Praxis: Getränkekühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4 AUDIOVERSTÄRKER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.1 Simulation von Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.1.1 Installation von LTspice unter Windows . . . . . . . . . . 694.1.2 Installation von LTspice unter Ubuntu . . . . . . . . . . . . 704.1.3 LTspice bedienen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.1.4 Hoch- und Tiefpassfilter simulieren . . . . . . . . . . . . . 71

4.2 Transistor-Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.2.1 Praxis: Bau eines Schalters mit einem Transistor . . . . 804.2.2 Bau eines zeitverzögerten Schalters . . . . . . . . . . . . . 814.2.3 Aufbau eines Audioverstärkers mit Transistoren . . . . 84

4.3 Ein zweistufiger Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.4 Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

8

Inhalt

4.4.1 Der Impedanzwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.4.2 Der Spannungs-Strom-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . 894.4.3 Der nichtinvertierende Verstärker . . . . . . . . . . . . . . 904.4.4 Der invertierende Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914.4.5 Bau eines Klasse-AB-Verstärkers mit Operationsverstärkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914.4.6 Aufbau eines Verstärkers mit fertigen Bauelementen . . 94

5 SERVOANSTEUERUNG PER N555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.1 Ansteuern eines Servomotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

6 LÖTEN WIE DIE PROFIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

6.1 Werkzeug zum Löten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026.1.1 Der Lötkolben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026.1.2 Das Lötzinn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1036.1.3 Lötschwamm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1056.1.4 Zangen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1056.1.5 Seitenschneider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1066.1.6 Löthilfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1066.1.7 Stahlwolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1076.1.8 Kabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1076.1.9 Schrumpfschlauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

6.2 Vorsichtsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

6.3 Erste Schritte: Verbinden zweier Kabel . . . . . . . . . . . . . 110

6.4 Zweite Schritte: Lochrasterplatinen . . . . . . . . . . . . . . . 1136.4.1 Dann legen wir los . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6.5 Entlöten von Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1186.5.1 Entlötsaugpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1196.5.2 Entlötlitze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1196.5.3 Lötzange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1206.5.4 Tipps und Tricks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

7 FRITZING ¬ GUT GEPLANT IST HALBE ARBEIT . . . . . . . . . 122

7.1 Herunterladen und Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

7.2 Start von Fritzing und Einstellen der Sprache . . . . . . . . . 122

7.3 Der Bereich Steckplatine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

7.4 Der Bereich Schaltplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

9

Inhalt

7.5 Der Bereich Leiterplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

7.6 Der Bereich Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

8 EINFÜHRUNG DIGITALTECHNIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

8.1 Bits und Bytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

8.2 Grundelemente der Digitaltechnik . . . . . . . . . . . . . . . . 1418.2.1 Inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1418.2.2 Und-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1438.2.3 Oder-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1438.2.4 Exklusives Oder-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1448.2.5 Nicht-Und-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1448.2.6 Nicht-Oder-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1458.2.7 Flipflops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1458.2.8 Schmitt-Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1458.2.9 Tristate-Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1468.2.10 Pegelwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1478.2.11 Multiplexer und Demultiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . 1478.2.12 Encoder und Decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1488.2.13 Binärzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1488.2.14 Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

8.3 Bauteile-Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

8.4 Praxis: Handzähler mit LED-Anzeige . . . . . . . . . . . . . . . 1508.4.1 Verwendete digitale Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1508.4.2 Aufbau der Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

8.5 Taktgeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

8.6 Digital-Analog-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

8.7 Analog-Digital-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

8.8 Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1568.8.1 EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1578.8.2 Flash-Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1578.8.3 SRAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1578.8.4 DRAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

8.9 Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

8.10 Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

INDEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

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2 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 Elektronik-Fachmarkt haben, der elektronische Bauelemente in einem Ladengeschäft anbie-tet. Hier können Sie die Waren anfassen, bevor Sie sie kaufen, können den Verkäu-fer um fachliche Auskunft bitten und finden schnell und unkompliziert die wich-tigsten 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 Werk-zeug 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 auszu-wählen. 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 Bread-board. 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 Bau-teile 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 nebenein-ander 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, Schaltun-gen 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

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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 Wider-stände 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 auseinanderlie-gen, 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.


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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 Wider-stands-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 hochge-nauen 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 Wider-

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ständen, sodass man mit weniger Bauteilen auskommt – gegebenenfalls verwendet man einfach den nächsthöheren Wert.

Für Ihre Elektronik-Grundausrüstung sollten Sie sich die folgenden Kondensato-ren zulegen, jeweils drei bis fünf Stück:

U 10 nF (Ausführung als Keramik- oder Folienkondensatoren)

U 100 nF (Ausführung als Keramik- oder Folienkondensatoren)

U 1 µF (Ausführung als Elektrolytkondensatoren)

U 4,7 µF (Ausführung als Elektrolytkondensatoren)

U 200 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 Ausfüh-rung 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 MOS-FET-Transistor, der stattliche 28 A schalten kann.


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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. Leucht-dioden 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).

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2.1.7 Stromversorgung

Natürlich benötigen Sie für Ihre ersten Elektronik-Gehversuche auch eine geeig-nete Spannungsquelle. Das kann ein Netzteil sein, aber durchaus auch eine Bat-terie, abhängig von der Art der Experimente, die Sie durchführen möchten. Wir empfehlen die Verwendung eines USB-Netzteils, das an seinen Ausgängen nor-malerweise 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 Rück-seite des Netzteils nachsehen, ob es Ihren Anforderungen genügt.

Üblicherweise können Sie auf dem Etikett eines Geräts nachlesen, welche Span-nung dieses hat (Gleich- oder Wechselspannung) und wie stark das Netzteil belas-tet 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 ein-steigen wollen, sind ab und an auch 3,3 V gebräuchlich.


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Wenn Sie ganz sichergehen möchten, können Sie sich auch ein Labornetzteil zule-gen, 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 kei-nen Fall in Ihrer Grundausrüstung fehlen. Es muss kein teures Gerät sein, oft-mals 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 möch-ten, empfehlen wir ein günstiges Gerät. Wenn Sie mehr Zeit investieren und sich intensiver mit Elektronik auseinandersetzen wollen, werden Sie Ihre ganz speziel-len eigenen Anforderungen an das Gerät haben und sich dann sicherlich ein bes-seres und für Sie passendes Gerät zulegen.

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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:

U 1 Breadboard

U 1 rote Leuchtdiode

U 1 Widerstand mit 220 Ω (bei 5 V Spannungsversorgung)

U 1 Spannungsquelle mit 5 V

U 1 Drahtbrücke

Beginnen Sie mit dem Widerstand und stecken Sie seine Enden in die entspre-chenden 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-

2.2 Unsere erste Schaltung

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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 schar-fen Blick in die Leuchtdiode die Polung erkennen – die Seite, die einen halbkugel-förmigen 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 endgül-tig in das Breadboard stecken. Hat sie hingegen nicht geleuchtet, ist Ihnen vermut-lich 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 ver-wendet 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.

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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 Vorwider-stand.

Da unterschiedliche Hersteller bei LEDs einer Farbe auf die gleichen Materialien zurückgreifen müssen, kann man allein anhand der Farbe einer LED den passen-den Vorwiderstand bestimmen. Hier finden Sie einige Werte für die gebräuch-lichsten LEDs und Spannungen:

FARBE VORWÄRTS-SPANNUNG

WIDERSTAND FÜR 5 V, 20 mA

WIDERSTAND FÜR 3,3 V, 2 mA

Rot 1,6 V 180 Ω 910 ΩOrange 1,8 V 180 Ω 820 ΩGelb 2,2 V 150 Ω 560 ΩGrün 2,1 V 150 Ω 680 ΩBlau 2,9 V 100 Ω 220 ΩWeiß 3,4 V 80 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 Span-nung 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.


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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 Glüh-birne 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 Bau-teil fließt, ertönt aus dem Multimeter ein Ton. Kann hingegen kein Stromkreis auf-gebaut werden, bleibt das Gerät stumm.

Dieser funk-tionierende Strom-verschwender, die Glühlampe, wird uns noch eine Weile erhalten bleiben.

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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 Strom-richtung gleichgültig, bei einem Transistor oder einer Diode hingegen kann der Strom in die falsche Richtung fließen und damit das Bauteil theoretisch sogar zer-stören. 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 Widerstandsmes-sung 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.


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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 Span-nung ausgesetzt werden, und mit Stromschlägen ist nicht zu spaßen – schon Span-nungen 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 Prü-fung 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 Messleis-

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tung eines Multimeters übersteigen. Bessere Multimeter haben daher eine Schutz-schaltung 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 Gebrauchsanwei-sung. 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.


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2.3.5 Tipps und Tricks

Im Zusammenhang mit Messungen gibt es ein paar Tipps, die wir Ihnen nicht vor-enthalten 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 ach-ten, 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.

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IAAlkaline-Batterie 15Ampere 13Analog-Digital-Wandler

155Anode 23Arduino 158

Elektronik 10Audioverstärker 68Autorouting 134

BBasis 27Binärzähler 148Bit 139Blei 104Bleifreies Löten 121Breadboard 48Byte 139

CChip 33

DDarlington-Transistor 83Datenblätter 46Decoder 148Demultiplexer 147Digital-Analog-Wandler

154DIL 34Diode 21Dotierung 77Drahtbrücken 50Drain 28DRAM 158Durchbruchspannung 78Durchgangsmessung 59

EEEPROM 157Elektrischer Leiter 13Elektrolytkondensatoren 25Elektromotoren 31Elektroniklötzinn 103Emitter 27Encoder 148Entlötlitze 119Entlötsaugpumpe 119Evaluation Board 158

Exklusives Oder-Gatter 144

FFarad 26Farbcode, Widerstand 18Flash-Memory 157Flipflop 145Flussmittel 121Freilaufdiode 32Fritzing 122

GGate 28Grundausrüstung 48

HHysterese 146

IIC 33Impedanzwandler 87Induktivität 31Integrierter Schaltkreis

(siehe IC)Inverter 141Isolierung 108

KKabel 107kalte Lötstelle 121Kathode 23, 57Kollektor 27Kondensator 24

Parallelschaltung 38Reihenschaltung 38

Konstantstromquelle 89Kupferlitze 108, 119

LLDR 87Leiterplatte 133Lichtabhängiger Widerstand

87LiIon-Akkus 16Litze 108Lochrasterplatine 102, 113Löten 102

Vorsichtsmaßnahmen 109Lötfett 121Löthilfe, helfende Hand 106

Lötkolben 102Lötschwamm 105Lötstation 103Lötwasser 121Lötzange 120Lötzinn 103LTspice 69Luftdruck 10

MMemory-Effekt 16Mikrocontroller 158Milliampere 13MOSFET 28Multimeter 55, 58Multiplexer 147

NNicht-Oder-Gatter 145Nicht-Und-Gatter 144NiMH-Akkus 15npn-Transistor 28

OOder-Gatter 143Ohm 17Ohm'sches Gesetz 20Omega 17

PParallelschaltung 38Pegelwandler 147Peltier-Element 66Platinen-Steckverbinder 43pnp-Transistor 28Potenzialausgleich 11Potenziale 11Potenziometer 41Pulsweitenmodulation 154

RRechnen

Ohm'sches Gesetz 20Spannung 20Stromstärke 20

Register 148Reihenschaltung 37RoHS 104, 121ROM 157Rückschlagventil 21

SSchaltplan lesen 43Schaltungssimulation 68Schmitt-Trigger 145Schrumpfschlauch 108Schukostecker 42Seitenschneider 106Servo 96Silberdraht 108Source 28Spannung 10

einstellen 61Spannungsmessung 61Spannungsteiler 40Speicher 156Spule 29SRAM 157Stahlwolle 107Strom 10Stromkreis 17Strommessung 61Sub-D-Stecker 43

TTemperatursensor 64Thermistor 64Transistor 26

gesättigter 80Tristate-Treiber 146Tuple. Siehe Tupel

UUnd-Gatter 143USB-Stecker 43

VVerstärker 28Vorwärtsspannung 58Vorwiderstand 57

WWiderstand 16

Farbcode 18lichtabhängiger 87Parallelschaltung 39Reihenschaltung 37

Widerstandsmessung 60

ZZange 105

INDEX

SCHNELLEINSTIEG

ELEKTRONIK

SCH

NEL

LEIN

STIE

GEL

EKT

RON

IK SCHNELLEINSTIEG

160 SEITENDIE WICHTIGSTEN GRUNDBEGRIFFE AUS

PHYSIK UND ELEKTRONIK EINFACH ERKLÄRT UND DIREKT IN DIE PRAXIS UMGESETZT.

ELEKTRONIK

Christian Caroli/Philip Caroli


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halbe Arbeit• Einführung Digitaltechnik

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Schnelleinstieg Elektronik - Leseprobe · ISBN 978-3-645-60350-8 Keine Angst vor Elektronik! Auch wenn dahinter Fachwissen aus Physik und Mathematik lauert, für die ersten Tüfteleien