Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte (Leseprobe)

Analoge Schaltungen und Mikrocontroller

Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte

Burkhard Kainka LEARN DESIGN SHARE

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Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte

Analoge Schaltungen und Mikrocontroller

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© 2019: Elektor Verlag GmbH, Aachen.

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Alle Rechte vorbehalten.

1. Auflage 2019

Die in diesem Buch veröffentlichten Beiträge, insbesondere alle Aufsätze und Artikel sowie alle Entwürfe, Pläne, Zeichnungen und Illustrationen sind urheberrechtlich geschützt. Ihre auch auszugsweise Vervielfältigung und Verbreitung ist grundsätzlich nur mit vorheriger schriftlicher Zustimmung des Herausgebers gestattet.

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Bei der Zusammenstellung von Texten und Abbildungen wurde mit größter Sorgfalt vorgegangen. Trotzdem können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag, Herausgeber und Autor können für fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen.

Für die Mitteilung eventueller Fehler sind Verlag und Autor dankbar.

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Erklärung

Der Autor und der Herausgeber dieses Buches haben alle Anstrengungen unternommen, um die Richtigkeit der in diesem Buch enthaltenen Informationen sicherzustellen. Sie übernehmen keine Haftung für Verluste oder Schäden, die durch Fehler oder Auslassungen in diesem Buch verursacht werden, unabhängig davon, ob diese Fehler oder Auslassungen auf Fahrlässigkeit, Unfall oder andere Ursachen zurückzuführen sind.

Umschlaggestaltung: Elektor, Aachen Satz und Aufmachung: D-Vision, Julian van den Berg | Oss (NL) Druck: WILCO, Amersfoort, Niederlande Printed in the Netherlands

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ISBN 978-3-89576-344-1

Elektor-Verlag GmbH, Aachen www.elektor.de

Elektor ist Teil der Unternehmensgruppe Elektor International Media (EIM), der weltweit wichtigsten Quelle für technische Informationen und Elektronik-Produkte für Ingenieure und Elektronik-Entwickler und für Firmen, die diese Fachleute beschäftigen. Das internationale Team von Elektor entwickelt Tag für Tag hochwertige Inhalte für Entwickler und DIY-Elektroniker, die über verschiedene Medien (Magazine, Videos, digitale Medien sowie Social Media) in zahlreichen Sprachen verbreitet werden. www.elektor.de

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Inhalt Teil 1 Analoge Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Kapitel 1 • Zurück zu den Wurzeln (1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Dioden und LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 LED + Vorwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Dimensionieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Halbleiter und Sperrschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 LED-Blinker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Kapitel 2 • Zurück zu den Wurzeln (2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Transistor in Aktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Erste Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Schaltungs-Planung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Nachlaufsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Dämmerungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Darlingtonschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 LED als Fotodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 TUP/TUN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Zeitschalter mit Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Kapitel 3 • Zurück zu den Wurzeln (3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Transistoren durchgemessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Praxistipps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Gegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Messungen mit dem Ohmmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Transistorprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Transistor-Grundfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Transistor-Prüfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Kapitel 4 • Zurück zu den Wurzeln (4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Strom-Stabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Die Konstantstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 ... mit JFET BF245 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 ... oder bipolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

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Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte Weicher LED-Blinker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Kapitel 5 • Zurück zu den Wurzeln (5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Stabile Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Dioden-Stabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Schnelle Lösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Längsregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Integrierte Spannungsregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Der Stromspiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Spannungsmonitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Kapitel 6 • Zurück zu den Wurzeln (6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Flipflops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Das Flipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 RS-Flipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Zünden und Löschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Monoflops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Schmitt-Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Vereinfachter Schmitt-Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Der Thyristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Dämmerungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Kapitel 7 • Zurück zu den Wurzeln (7) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Blinker und Oszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Vereinfachter Multivibrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 LED-Spannungswandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Tongeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Spannungs-Frequenz-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 NPN/PNP-Kippschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Energiesparendes LED-Blitzlicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Kippschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 NPN-Kippschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 U/f-Wandler mit dem Tiny13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

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Inhalt Kapitel 8 • Zurück zu den Wurzeln (8) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 NF-Vorverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Gegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Zwei Stufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Gleichstromgekoppelte Stufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Drei Stufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Der Emitterfolger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Ein NF-Millivoltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Kapitel 9 • Zurück zu den Wurzeln (9) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Sinus-Oszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 RC-Oszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Ringoszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Dreiphasen-LED-Blinker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Der Miller-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Dreiphasen-Blinklicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Kapitel 10 • Zurück zu den Wurzeln (10) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Hochfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 HF-Signale erzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 LC-Oszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Quarzoszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Kurzwellen-Audion mit Rückkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Schwingkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 AM-Generator mit Tiny13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Kapitel 11 • Operationsverstärker in der Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Teil 1: Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Opamp-Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Spannungsfolger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Invertierender Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Addierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Das Innenleben eines Opamps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

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Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte Kapitel 12 • Operationsverstärker in der Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Teil 2: Feldeffekt-Opamps und Breitbandanwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Spannungsrampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Breitband-Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Im elektor-shop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Kapitel 13 • Operationsverstärker in der Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Teil 3: Opamps mit PNP-Eingangsstufe und Leistungstypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Komparator LM339 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Klatsch-Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Leistungsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Im elektor-shop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Kapitel 14 • EMV-Grenzwerte und CE-Erklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Vereinfachte Messungen für Privatleute und kleine Firmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Gesetzliche Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Kennzeichnen oder nicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Behördenkontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 EMV-Grenzwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 EMV-Abschätzung mit einfachen Mitteln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Kapitel 15 • LED-LDR-Ringoszillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Kapitel 16 • Pico-Amperemeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Kapitel 17 • LC-Oszillator mit Poti stimmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Kapitel 18 • FET Strahlungsmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Kapitel 19 • Grüne Solarlampe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Kapitel 20 • Akku-Erfrischer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Kapitel 21 • 1-Transistor-Spannungswandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Kapitel 22 • Analoges LED-Lauflicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Kapitel 23 • Experimenteller Hall-Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Kapitel 24 • Minimalistisches Dipmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Kapitel 25 • Breitband-Funk(en)empfänger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 kapitel 26 • Ringoszillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

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Kapitel 27 • LED-Multi-Blitz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Links: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Kapitel 28 • Emitterfolger-Audion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Kapitel 29 • NPN-Kippschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Kapitel 30 • Fotodiode misst Gammastrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Strahlungsdetektor mit BPW34 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Diode als Detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Versuche und Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Radium-Leuchtfarbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Strahlung hörbar machen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Radon-Zerfallsprodukte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Literaturhinweise und Links: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Kapitel 31 • Kurzwellenaudion für AM und DRM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Kapitel 32 • DRM-Doppelsuper mit EF95/6AK5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Kapitel 33 • Transistor-Dipmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Kapitel 34 • DRM-Direktmischer mit EF95/6AK5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Kapitel 35 • Der Mittelwellen-Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Kapitel 36 • Der ewige Blinker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Kapitel 37 • Kurzwellen-Pendler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Kapitel 38 • Kurzwellenkonverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Teil 2 Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Kapitel 39 • Mikrocontroller für Einsteiger (1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Arduino und Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Zum Vergleich: Der Timer 555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Zeitsparendes Entwickeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Arduino und Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Ein erstes Programm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Software: Der Compiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 Einfachster Weg: Der Bootloader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

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Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte Hurra: Geht! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Kapitel 40 • Mikrocontroller für Einsteiger (2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Digitale Eingänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Ein digitaler Eingang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Schutzdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Eingangszustand lesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Wann ist ein An ein An? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Hin- und Herschalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Verzweigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Schalterabfrage und Pullup-Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Bits und Bytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Der Latchup-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Weblink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Kapitel 41 • Mikrocontroller für Einsteiger (3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Serielle Schnittstelle und AD-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Print-Ausgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Zuweisungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Der AD-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Rechenkünste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Eingangshysterese messen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Externer Brenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Kapitel 42

• Mikrocontroller für Einsteiger (4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

Benutzer-Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Anschluss des LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Ein Zweikanal-Voltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Helligkeit messen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 PWM-Ausgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Tastenabfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Liquid Crystal Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

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Der MCS-Bootloader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Kapitel 43 • Mikrocontroller für Einsteiger (5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Timer-Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Mikrosekunden messen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Messung von Periodendauern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Rechteckgenerator 125 Hz bis 4 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Timer-Interrupt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Gemittelte Analogwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Frequenzmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Externes Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Kapitel 44 • Mikrocontroller für Einsteiger (6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 Die SPI-Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 Porterweiterung mit Schieberegister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 Manuelle Datenübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Von Controller zu Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 Das SPI-EEPROM 25LC512 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 Ein Datenlogger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Unterprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 Tipps zum Arduino-Programmer in Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Kapitel 45 • Mikrocontroller für Einsteiger (7) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Der I2C-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Datenübertragung und Adressierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Der Portexpander PCF8574 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 16-Bit I/O-Port PCA9555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Analoge Ein-/Ausgabe beim PCF8591 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Kleiner Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 Weitere interessante I2C-Bus-Bausteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

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Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte Kapitel 46 • Sensoren (1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Für Arduino und Co. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Übersicht Sensoren und Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Spannungsanzeige in Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 Spannungsmessung mit Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 Temperaturmessung mit dem NTC-Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 RGB-LED am Joystick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 Laser-Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 Kapitel 47 • Sensoren (2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 Für Arduino und Co. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 Sensoren mit Komparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 Software-Schmitt-Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Berührungssensor abfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 Aufbereitung des Schaltsignals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Schock-Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 Der Summer und weitere Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Bypass-Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 Oszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 Kapitel 48 • Sensoren (3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 Für Arduino und Co. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 Arduino-Software für den 18B20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 18B20 in Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 Temperatur und Luftfeuchte mit dem DHT11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 DHT11 und Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Infrarot-Fernbedienung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Arduino und IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 Das Eindraht-Protokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 Das RC5-Protokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

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Kapitel 49 • Sensoren (4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Für Arduino und Co. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Der Tracking-Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Die Gabellichtschranke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 Der Pulssensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 Pulsmessung mit Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 Der Drehencoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 Encoder in Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 Kapitel 50 • Mikrocontroller-Kits für Dummies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 Aller Anfang ist leicht! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 JOY-iT Nano V3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 Erste Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Der Buzzer am PWM-Ausgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 Analoge Signale plotten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 ISP-Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 Im Elektor-shop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 NodeMCU (Autor: Fabian Kainka) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 Die ersten Schritte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 Eine neue Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 Hello World – Lua-Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 Im Elektor-shop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 Kapitel 51 • Micro:bit für Elektroniker (1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 Einstieg mit mbed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 Kontaktierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 Die ersten Programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Spannung messen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 Alle Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 Statisches nummerisches Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

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Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte Im Normalfall wird man aber einen Vorwiderstand verwenden. . . . . . . . . . . . . . . . . 350 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 Kapitel 52 • Micro:bit für Elektroniker (2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 Datenlogger und Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 Ein USB-Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 Erhöhung der Abtastrate durch Zwischenspeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 Drahtlose Übertragung von Messdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 Kapitel 53 • Arduino als HF-Detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 In Bascom programmiert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 LED als Detektor-Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 Ein Integrierender Detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 Kapitel 54 • Widerstandsmessung mit Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 Feuchtesensor auswerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 Widerstandsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Schaltungsoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 Logarithmische Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 Kapitel 55 • AM-Sender mit Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 Induktiv auf Mittelwelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 HF-Quelle Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 Bedienung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 Kapitel 56 • Anti-Diebstahl-Etiketten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 Zugangskontrolle mit Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 Scharf gemacht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384

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Teil 1 Analoge Schaltungen

Teil 1 Analoge Schaltungen

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Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte

Kapitel 1 • Zurück zu den Wurzeln (1) Dioden und LEDs Die Elektronik wird immer komplexer, ein einzelner Stromkreis oder Transistor ist da nicht mehr im Blick. So wird es für Einsteiger immer schwieriger, den Anschluss zu bekommen.

In dieser Serie wollen wir daher zurück zu den Grundlagen. Und die sind in der Elektronik schön analog. Da sich viele Einsteiger aber auch für Digitaltechnik interessieren, wenden wir das Gelernte auch in einer Mikrocontroller-Schaltung an.

Zwei LEDs und ein Vorwiderstand.

Bei einem Grundlagenkurs könnte man natürlich ganz vorne anfangen. Strom, Spannung und Leistung, Ohmsches Gesetz, Parallel- und Reihenschaltung, mit anderen Worten der ganze Kram aus dem Physikunterricht, den man eigentlich schon kennt oder kennen sollte. Aber das macht keinen Spaß. Deshalb soll es lieber gleich mittenrein gehen, in kleine praktische Versuche.

Vielleicht fragen Sie sich, für wen ist dieser Kurs eigentlich gedacht? Ideal wäre es, wenn er helfen könnte, neue Leser an das übliche Elektor-Niveau heranzuführen. Vielleicht sind es ja die Söhne und Töchter langjähriger Elektor-Leser, die nun eine Chance erhalten. Dabei ist es sicher hilfreich, wenn erfahrene Elektroniker und Einsteiger den Kurs zusammen verfolgen.

Es mag auch den einen oder anderen Elektor-Leser geben, der schon viele Projekte aufgebaut hat, aber nie so ganz genau verstanden hat, wie das alles funktioniert. Natürlich kann so ein Kurs keine Wunder wirken, aber etwas Durchblick sollte sich schon einstellen.

Die Grundlagen gehören zu einem großen Teil in die „alte“ analoge Elektronik. Doch nur weil es eine Menge Digitales im Bereich der Elektronik gibt, sind diese Basics noch lange nicht unwichtig geworden. Auch wer sich für Mikrocontroller interessiert, kommt nämlich um die Analogtechnik nicht herum. Wir zeigen das an einfachen Beispielen aus der

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Kapitel 1 • Zurück zu den Wurzeln (1)

470R

„Embedded-Welt“. So werden die Controller unter anderem zur Messung analoger Größen eingesetzt. Damit ist der Kurs durchaus auch für Einsteiger in die Welt der kleinen Rechenknechte geeignet.

9V LED

Bild 1. Die Schaltung der LED-Lampe.

LED + Vorwiderstand Bauen Sie als Erstes einmal den Stromkreis in Bild 1 mit einer LED, einem Widerstand (470 Ω) und einer Batterie auf. Ganz egal wie, mit Luftlötungen frei auf dem Tisch, mit Krokoklemmen oder mit einer Steckplatine (nur eine speziell angefertigte Platine lohnt sich wohl nicht). Egal wie, Sie werden die LED sicher zum Leuchten bringen.

Bei LEDs muss immer die Polung beachtet werden. Der Plus-Anschluss ist die Anode. Der Minus-Anschluss heißt Kathode und liegt am kürzeren Anschlussdraht. Außerdem gibt es am Gehäuse eine abgeflachte Stelle auf der Kathodenseite. Im Inneren der LED erkennt man einen kelchartigen Halter für den LED-Kristall, der meist (aber nicht immer) an der Kathode liegt. Der Anodenanschluss ist über ein extrem dünnes Drähtchen mit einem Kontakt auf der Oberseite des Kristalls verbunden. Polen Sie die LED einmal um, dann leuchtet nichts mehr. So ist das bei jeder Diode, Strom fließt nur in einer Richtung hindurch, manchmal bezeichnet man sie deshalb auch als elektrisches Ventil.

LED

A

K

+ Anode - Kathode

Bild 2. Die Leuchtdiode.

Eine LED darf niemals direkt an die Batterie angeschlossen werden. Wenn man den Strom, der durch die LED fließt, über der Spannung aufträgt, sieht man, warum das so ist. Bild 3 zeigt diese Kennlinien für verschiedene LED-Typen. Allen Kennlinien gemeinsam ist der exponentiell ansteigende Strom. Wenn die Spannung noch unter der so genannten Durchlass-Spannung liegt, dann fließt so gut wie kein Strom. Wird die Spannung aber auch nur ein wenig zu hoch, ist der Strom gleich viel zu groß, die LED könnte überlastet werden. Man hat kaum eine Chance, genau die richtige Spannung einzustellen. Auch deshalb nicht, weil sich die Kennlinie bei steigender Temperatur mit ca. 2 mV/K etwas nach links verschiebt.

Aber einen bestimmten Strom einstellen, das ist einfach, und zwar über einen Vorwider-

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Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte

stand. Man muss nur den richtigen Wert aussuchen. Die korrekte Spannung ergibt sich dann ganz von allein.

25

I [mA]

20 15

1

2

3

4

10 5 0

0

2

1

3

U [V]

4

Bild 3. Kennlinien einer Si-Diode (1) sowie einer roten (2), grünen (3) und einer weißen LED (4).

Geht man von einem typischen Strom von 20 mA aus, dann findet man ungefähr die folgenden Durchlass-Spannungen: Si-Diode (z.B. 1N4148) Rote LED Grüne LED Blaue/weiße LED

0,7 V 1,8 V 2,1 V 3,5 V A 470R

15 mA

9V LED

V 1,8 V

Bild 4. Messungen in der Schaltung.

Messen Sie das bitte einmal nach (siehe Bild 4). Die genauen Spannungen können etwas abweichen. Zum Beispiel haben neuere, superhelle rote LEDs eine etwas größere Durchlass-Spannung als ältere rote LEDs. Dimensionieren Wenn Sie die Diodenspannung gemessen haben und die Batteriespannung kennen, brauchen Sie den Strom nicht mehr zu messen, denn Sie können ihn berechnen. Am Widerstand liegt nämlich in diesem Fall eine Spannung von 9 V – 1,8 V = 7,2 V. Das Ohmsche Gesetz liefert dann den Strom.

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Kapitel 1 • Zurück zu den Wurzeln (1)

I = U / R I = 7,2 V / 470 Ω I = 0,0153 A = 15,3 mA Um nun umgekehrt einen Vorwiderstand zu berechnen, muss man den gewünschten Strom festlegen und die Betriebsspannung und die LED-Spannung kennen. Man möchte z.B. mit einer grünen LED einen Strom von 20 mA fließen lassen. Die Spannung an der LED kann ausreichend genau mit 2,1 V angenommen werden. Die Batteriespannung ist 9 V. Der Widerstand bewirkt also einen Spannungsabfall von 9 V – 2,1 V = 6,9 V. Die Berechnung liefert 345 Ω. So etwas kann man aber leider nicht kaufen. In Ihrer Bastelkiste finden Sie aber vielleicht einen Widerstand mit 330 Ω oder mit 390 Ω. Nehmen Sie am besten den größeren, dann sind Sie mit dem Strom auf der sicheren Seite.

R=U/I R = 6,9 V / 0,02 A R = 345 Ω Versuchen Sie es auch mal mit sehr viel größeren Vorwiderständen. Messen Sie jeweils die LED-Spannung und bestimmen Sie den Strom. Allgemein gilt: Ob Sie nun 1 mA, 5 mA oder 10 mA durch die LED schicken, die Spannung ändert sich nur wenig. Und das liegt am exponentiellen Verlauf der Kennlinie.

470R 470R 4V

9V 1,8 V

Bild 5. Reihenschaltung von LEDs. Reihenschaltung Oft ist es günstig, zwei oder mehr LEDs nach Bild 5 mit einem gemeinsamen Vorwiderstand in Reihe zu schalten. Da sich nun beide Diodenspannungen addieren, wird der Spannungsabfall am Vorwiderstand entsprechend kleiner. Um trotzdem den erlaubten Strom von 20 mA zu erreichen, muss der Vorwiderstand verkleinert werden. Angenommen, Sie haben eine rote LED mit 1,8 V und eine grüne LED mit 2,2 V. Dann brauchen beide LEDs zusammen gerade 4 V. Am Vorwiderstand liegt dann noch eine Spannung von 5 V. Mit einem Vorwiderstand von 470 Ω kämen sie jetzt auf ca. 10 mA. Schalten Sie zwei gleiche Widerstände parallel, dann verdoppelt sich der Strom.

Wenn Sie mal genau nachrechnen, sollte ein Strom von 21 mA fließen.

● 19

Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte

Halbleiter und Sperrschichten Die Leitfähigkeit eines typischen Halbleiters wie z.B. Silizium steigt allgemein bei einer Erwärmung an, aber bei Raumtemperatur ist die Leitfähigkeit noch sehr gering. Das liegt daran, dass alle vier äußeren Elektronen im Kristallgitter gebunden sind (Bild 6). Sie lassen sich aber durch geringe Energiezufuhr befreien.

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

P

Si

Si

Al

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

frei, N

Bild 6. Kristallgitter des Siliziums.

Si

Loch, P

Bild 7. Mit Phosphor dotiertes n-Silizium.

Bild 8. Mit Aluminium dotiertes p-Silizium.

Als „Halbleiter“ bezeichnet man auch die Bauelemente, die aus Halbleitermaterial gefertigt sind, also z.B. Dioden und Transistoren. Man verwendet z.B. Silizium, das mit Fremdatomen gezielt verunreinigt (dotiert) wurde, um eine bestimmte Leitfähigkeit herzustellen.

Setzt man fünfwertige Stoffe (z.B. Phosphor) ein, dann erhält man freie Elektronen und damit eine negative (n-)Leitfähigkeit (Bild 7). Mit dreiwertigen Stoffen (z.B. Aluminium) erreicht man Elektronen-Fehlstellen, die zu einer p-Leitfähigkeit führen. Dabei wandern Elektronen-Löcher quasi als positive Ladungsträger durch den Kristall, indem benachbarte Elektronen ein Loch füllen und damit wieder ein neues Loch zurücklassen (Bild 8).

Dioden sind Halbleiter-Bauelemente, die den Strom nur in einer Richtung leiten. Man baut sie meist aus Schichten mit n-dotiertem und p-dotiertem Silizium. An der Berührungsfläche zwischen beiden Schichten bildet sich eine nicht leitende Sperrschicht geringer Dicke. Freie Elektronen füllen in diesem Bereich Löcher (Rekombination), sodass wie im reinen Silizium praktisch keine freien Ladungsträger mehr vorhanden sind. Die Diode ist damit zunächst ein Nichtleiter (Bild 9).

P

P

P

N

N

N

Bild 9. Schichtenaufbau einer Diode.

● 20

Bild 10. Diode in Durchlassrichtung.

Bild 11. Vergrößerung der Sperrschicht in Sperrrichtung.

Kapitel 1 • Zurück zu den Wurzeln (1)

Legt man an die äußeren Kontakte der Diode eine kleine Spannung, dann vergrößert oder verkleinert sich die Sperrschicht. Zunächst sollen der n-Anschluss mit dem Minuspol und der p-Anschluss mit dem Pluspol verbunden werden. Die Ladungen an den Anschlüssen stoßen dann ihre jeweiligen Ladungsträger in Richtung der Sperrschicht. Ab einer Spannung von ca. 0,5 V beginnen sich die n- und die p-Schicht zu berühren, und jetzt fließt auch ein Strom (Bild 10). Bei ca. 0,7 V ist eine gute Leitfähigkeit erreicht. Die Diode wird nun in Durchlassrichtung betrieben.

Polt man die Spannung um, tritt der gegenteilige Effekt auf: Ladungsträger werden zu den äußeren Anschlüssen hingezogen, so dass sich die Sperrschicht vergrößert. Die isolierende Wirkung der Sperrschicht wird also besser (Bild 11). An eine typische Diode vom Typ 1N4148 kann eine Sperrspannung von bis zu 75 V gelegt werden. Man kann die Diode als ein elektrisches Ventil bezeichnen, da sie den Strom nur in einer Richtung passieren lässt.

Sie kann daher als Gleichrichter eingesetzt werden. +5V

VCC

PB2

PB1

PB0

ATtiny13 PB3

PB4

470R

RES

470R

100n GND

Bild 12. Ein Mikrocontroller mit zwei LEDs. Die Sperrspannung sollte im Normalfall nicht größer werden als der Hersteller empfiehlt.

Legt man zu viel Spannung an, fließt ein Sperrstrom. Man spricht hier von einem Durchbruch (der Isolierung). Bei speziellen Dioden wie z.B. den Zenerdioden ist dieser Effekt gewünscht. Die Z-Diode hat eine genau definierte Durchbruchspannung und wird zur Spannungsstabilisierung eingesetzt. Quält man eine Si-Diode wie die 1N4148 mit zu hoher Sperrspannung, dann erlebt man den so genannten zweiten Durchbruch, und der ist endgültig. Der dann viel zu große Sperrstrom erwärmt nämlich die Sperrschicht bis zur Zerstörung. Es bildet sich dann ein dauerhafter und nicht mehr reparierbarer Kurzschluss.

LEDs sind auch Dioden, sie besitzen ebenfalls einen pn-Übergang. Das Halbleitermaterial ist z.B. Galliumarsenid. In Durchlassrichtung findet man eine höhere Spannung als bei Si-Dioden. Und bei der Rekombination von Elektronen und Löchern entsteht sichtbares Licht. Dieser Effekt existiert zwar auch bei Si-Dioden, aber dort entsteht nur sehr wenig Licht im Infrarotbereich.

● 21

Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte

LED-Blinker LEDs werden oft von Mikrocontrollern angesteuert. Auch in diesem Fall müssen Vorwiderstände verwendet werden. Die Schaltung nach Bild 12 zeigt zwei LEDs mit jeweils 470 Ω an zwei Ports des ATtiny13. Das zugehörige BASCOM-Mini-Programm schaltet PB3 permanent ein und PB4 immer wieder ein und aus, sodass ein LED-Blinker entsteht. Messen Sie einmal die Spannung direkt an PB3. Sie ist etwas geringer als 5 V und kann z.B. 4,9 V betragen, weil der Schalttransistor im Controller auch noch einen kleinen Widerstand hat.

Aus dem Spannungsabfall können Sie den Innenwiderstand des Ports berechnen. Und welcher Strom fließt nun durch die LED? Das können Sie leicht ausrechnen. Schauen Sie mal im Datenblatt des ATtiny13 (http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/doc2535. pdf) nach, welcher Strom für einen Port erlaubt ist... ‚ATtiny13 driving LEDs $regfile = "attiny13.dat" $crystal = 1200000 Config Portb = Output Do Portb.3 = 1 Toggle Portb.4 Waitms 500 Loop End

Listing 1.

● 22

Kapitel 2 • Zurück zu den Wurzeln (2)

Kapitel 2 • Zurück zu den Wurzeln (2) Transistor in Aktion Die Elektronik wird stets komplexer, da wird es für Einsteiger immer schwieriger, den Anschluss zu bekommen. In dieser Serie wollen wir daher zurück zu den Grundlagen. Diesmal machen wir ein paar interessante Versuche mit Transistoren.

Zwei Versuche auf einer Platine.

Den Transistor darf man wohl zu den zehn wichtigsten Technik-Erfindungen aller Zeiten zählen. Ohne ihn wäre unser moderner Alltag – mit Computer, Handy, Internet – undenkbar. Mitte des letzten Jahrhunderts begannen die kleinen Halbleiterbauteile, die bis dahin vorherrschenden Elektronen-Röhren zu verdrängen. Am Anfang dominierten Germaniumtransistoren, später kamen die bipolaren NPN- und PNP-Siliziumtransistoren dazu, noch später die Feldeffekttransistoren. Noch einmal beschleunigt wurde der Fortschritt mit der Einführung von Integrierten Schaltkreisen (ICs), die gleich viele Transistoren enthalten.

Doch auch mit einem einzelnen Exemplar kann man schon eine Menge unterschiedlicher Funktionen realisieren, wie wir in dieser Folge beweisen.

Erste Versuche Bauen Sie einmal die Schaltung nach Bild 1 auf, zum Beispiel auf einer ELEX-Platine von Elektor (www.elektor.de/120002). Man kann so eine Platine gleich für mehrere Versuche benutzen und die durchgehenden Leitungen zur Stromversorgung einsetzen. Verwenden Sie am besten eine alte 9-V-Batterie. Sie muss nicht mehr sehr voll sein, es reicht schon eine, die aus einem Rauchmelder aussortiert wurde. So eine schlappe Batterie hat sogar Vorteile, sie bringt nämlich im Fehlerfall keinen Strom mehr zustande, der irgendetwas kaputt machen kann.

● 23

Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte

1k

100k

LED

9V

A B

C B

BC547B E

Bild 1. Der erste Versuchsaufbau.

Nun kommen einige einfache Versuche: 1. Die Kontakte A und B sollen noch offen sein, die LED sollte nicht leuchten.

2. Verbinden Sie A und B. Die LED leuchtet hell.

3. Verbinden Sie A und B nur mit einem nassen Finger, die LED leuchtet mehr oder weniger hell.

4. Lassen Sie A und B offen, verbinden Sie aber testweise den Emitter E und den Kollektor C des Transistors. Die LED leuchtet hell.

5. Verbinden Sie wieder A und B (LED ist an), schließen Sie dann aber die Basis B gegen E kurz. Die LED geht nun wieder aus.

100k

Alle diese Versuche erklären die Grundfunktion des Transistors: Ein kleiner Basisstrom (zwischen B und E) steuert einen größeren Kollektorstrom (C nach E). Der Basisstrom wird „verstärkt“, und ganz grob kann man sagen, dass der Verstärkungsfaktor konstant ist.

Beim sehr häufig verwendeten BC547B ist der Faktor ungefähr 300. Der Kollektorstrom ist also 300-fach größer als der Basisstrom (Bild 2). Dies aber nur, wenn er nicht wie in Bild 1 durch einen Kollektorwiderstand auf einen kleineren Wert begrenzt wird.

IC = 30 mA

C B IB = 0,1 mA

E

BC547B

Bild 2. Prinzip der Stromverstärkung.

Schaltungs-Planung Um eine Transistor-Schaltung zu planen, muss man genau wissen, was man erreichen will.

● 24

a) D er Transistor soll als Schalter arbeiten und ganz „aus“ (gesperrt) oder ganz „an“ (leitend) sein. b) Der Transistor soll als analoger Verstärker arbeiten und mehr oder weniger viel Strom fließen lassen.

Kapitel 2 • Zurück zu den Wurzeln (2)

In unserem Einstiegsexperiment haben wir schon beides ausprobiert. Bei geschlossener Verbindung A-B wurde der Transistor „ganz eingeschaltet“ (wobei „ganz“ trotzdem nicht ganz so „ganz“ ist wie bei einem echten Schalter mit zwei Metallkontakten, denn es fällt zwischen E und C immer eine kleine Spannung ab). Beim Nasse-Finger-Experiment war man eher auf der analogen Seite, man konnte nämlich durch mehr oder weniger starke Berührung die LED mehr oder weniger hell leuchten lassen. Außerdem spielt es eine Rolle, welche Flüssigkeit verwendet wird. Cola bringt zum Beispiel mehr Strom als Tee, was an der Säure liegt.

Eine kleine Schwierigkeit bei der Planung von Transistorschaltungen ist, dass man den Stromverstärkungsfaktor nicht genau kennt. Während Widerstände mit einer Toleranz von 1 % Standard sind, ist es bei der Produktion von Transistoren extrem schwierig, die Daten ganz genau festzulegen. Insbesondere der Stromverstärkungsfaktor zeigt eine erhebliche Streuung. Ein gerade produzierter BC547 kann irgendwo in einem Bereich von 110 bis 800 liegen. Dann wird er erst mal automatisch durchgemessen und in eine Gruppe A, B oder C einsortiert (siehe auch Paragraf „TUP/TUN“). Dass diese Bereiche immer noch sehr groß sind, damit muss der Elektroniker leben. Und seine Schaltung so planen, dass sie mit jedem Transistor aus der Gruppe gut arbeitet. Hierfür muss man manchmal etwas rechnen, einfach nur ausprobieren reicht oft nicht.

PNP

100k

1k

BC557

9V

Bild 3. Ein PNP-Transistor in Emitterschaltung.

Nun schauen wir uns einmal die Schaltung in Bild 3 an. Ein PNP-Transistor hat exakt die gleiche Funktion wie ein NPN-Transistor, aber mit umgekehrter Polarität. Der Emitter kommt also nun an den Pluspol der Batterie. Die Schaltung verwendet eine zusätzliche LED im Basisstromkreis. Sie soll nur zeigen, dass der Basisstrom viel geringer ist als der Kollektorstrom. Die grüne LED leuchtet deshalb nur sehr schwach.

Inverter Aus An wird Aus, aus Aus wird An. Invertieren nennt man das, und für Computer und Mikrocontroller gehört dies zu den leichtesten Übungen. Aber auch ein Transistor kann es.

Schon bisher wurde der Transistor wie ein gesteuerter Schalter verwendet. Das Einschalten des Basisstroms bewirkt auch ein Einschalten des Laststroms. Mit einem Transistor kann die Schaltfunktion jedoch auch umgekehrt (invertiert) werden. Bild 4 zeigt einen einfachen elektronischen Umschalter. Bei geschlossenem Schalter leuchtet die grüne LED, bei geöffnetem Schalter die rote. Erklärung: Bei geschlossenem Schalter wird zugleich der Stromkreis durch die grüne LED geschlossen und der Basisstrom eingeschaltet. Der Transistor

● 25

Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte

1k

leitet daher und schaltet die Spannung an der roten LED ab. Tatsächlich findet man eine Restspannung von rund 100 mV zwischen Emitter und Kollektor. Bei dieser kleinen Spannung fließt praktisch kein Strom mehr durch die LED, sie bleibt daher dunkel.

100k

1k

9V

BC547

Bild 4. Ein Transistor als Invertierer.

1k

Nachlaufsteuerung Die Stromverstärkung eines Transistors kann verwendet werden, um die Entladezeit eines Kondensators zu verlängern. Die Schaltung in Bild 5 nutzt einen Elko mit 100 µF als Ladekondensator. Nach einem kurzen Druck auf den Tastschalter ist er geladen und liefert nun für längere Zeit den Basisstrom der Emitterschaltung. Wegen des großen Basiswiderstands beträgt die so genannte Zeitkonstante etwa 10 Sekunden. Nach dieser Zeit reicht der Basisstrom aber noch für eine Teilaussteuerung des Transistors.

9V 100k

BC547 100u

Bild 5. Verzögerte Ausschaltung.

Die Zeitkonstante einer RC-Kombination ist die Zeit, in der sich der Kondensator bis auf den Bruchteil 1/e = 1/2,718… = 36,8 % der Anfangsspannung entladen hat.

Zur Berechnung verwendet man die einfache Formel: Zeitkonstante = Widerstand * Kapazität T = R * C T = 100 kΩ * 100 µF T = 10 s

● 26

Kapitel 2 • Zurück zu den Wurzeln (2)

In der Praxis ist nach einer Minute immer noch ein schwaches Leuchten zu erkennen. Tatsächlich geht die LED auch nach langer Zeit nicht ganz aus. Der Strom sinkt aber auf so kleine Werte, dass er keine sichtbare Wirkung mehr hat.

1k

100k

Wie man einen Zeitschalter mit einem Mikrocontroller realisiert, wird übrigens im Paragraf erklärt.

9V

LDR

BC547

Bild 6. Der Dämmerungsschalter.

Dämmerungsschalter In Bild 6 wird ein Fotowiderstand (Light Dependent Resistor, LDR) als Lichtsensor verwendet. Das Bauteil besitzt eine lichtempfindliche Widerstandsschicht aus Cadmium-Sulfid (CdS). Der Widerstand ändert sich je nach Lichteinfall von ca. 100 Ω bei vollem Sonnenlicht bis auf 1 MΩ bei Dunkelheit. Eine Beleuchtungsstärke von ca. 1000 Lux (gut beleuchteter Arbeitsplatz) entspricht zum Beispiel einem Widerstand von etwa 1 kΩ.

Der veränderliche Widerstand des LDR bildet zusammen mit dem Festwiderstand von 100 kΩ einen Spannungsteiler. Wenn die Teilspannung zwischen Basis und Emitter (UBE) zu klein wird, sperrt der Transistor. Vereinfachend kann man von einer „Schaltschwelle“ bei ca. 0,6 V sprechen. Dieser Wert gilt für alle Siliziumtransistoren; hier findet man wieder die bekannte Diodenkennlinie.

Testen Sie das Verhalten der Schaltung bei unterschiedlicher Beleuchtung. Bei großer Helligkeit ist die LED ausgeschaltet, bei abgedunkeltem Lichtsensor leuchtet sie. Man findet ein relativ abruptes Umschalten bei einer gewissen Helligkeitsschwelle. Nur ein kleiner Helligkeitsbereich führt zu einer Teilaussteuerung des Transistors.

Darlingtonschaltung Die Stromverstärkungsfaktoren zweier Transistoren lassen sich multiplizieren, wenn man den verstärkten Strom des ersten Transistors als Basisstrom des zweiten Transistors noch einmal verstärkt (siehe Bild 7). Wenn man von einem Verstärkungsfaktor 300 für jeden der Transistoren ausgeht, hat die Darlington-Schaltung eine Verstärkung von 90000. Für die volle Aussteuerung genügt ein Basiswiderstand von 10 MΩ. So erhält man einen wirksamen Berührungsschalter: Zwei blanke Drähte werden dabei mit zwei Fingern berührt.

Ein Befeuchten der Finger ist nicht mehr erforderlich, da sogar die trockene Haut noch genügend Strom leitet, um die Schaltung durchzusteuern. Ein zusätzlicher Widerstand mit

● 27

Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte

100 kΩ schützt die Transistoren vor zu viel Basisstrom, wenn beide Drähte direkt verbunden werden.

1k

100k

Eine Darlingtonschaltung mit gleich drei Transistoren (Bild 8) ermöglicht einen interessanten Versuch zum Nachweis statischer Ladungen. Dazu berührt man nur mit einem Finger die Basis der Darlington-Schaltung und bewegt die Füße auf dem Boden. Je nach Bodenbeschaffenheit und Material der Schuhsohlen kommt es dann zu mehr oder weniger starken Ladungsverschiebungen, die an einem Flackern der LED sichtbar werden. Oft reicht bereits eine Annäherung ohne direkte Berührung des Eingangs, um die LED einzuschalten.

9V

BC547 BC547 BC547

1k

100k

Bild 8. Dreifach-Darlingtonschaltung.

9V

BC547 BC547

Bild 9. Verstärkung des LED-Sperrstroms.

LED als Fotodiode Eine LED kann nicht nur Licht erzeugen, sondern auch als Sensor für das Umgebungslicht dienen. Eigentlich fließt durch eine Diode kein Strom, wenn sie in Sperrrichtung betrieben wird. Tatsächlich findet man jedoch einen sehr kleinen Sperrstrom (im Bereich weniger Nanoampere), der im Normalfall zu vernachlässigen ist. Die hohe Verstärkung der Darlingtonschaltung erlaubt jedoch Experimente mit solch extrem kleinen Strömen. So ist der Sperrstrom einer Leuchtdiode von der Beleuchtung abhängig, eine LED fungiert auf diese Weise als Fotodiode. Der äußerst kleine Fotostrom wird mit den zwei Transistoren so weit

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Kapitel 2 • Zurück zu den Wurzeln (2)

verstärkt, dass die zweite LED leuchtet. Bei solchen Versuchen muss man beachten, dass die Sperrspannung einer Leuchtdiode viel kleiner ist als der einer normalen Diode. Die maximale Sperrspannung einer LED wird in den Datenblättern meist mit 5 V angegeben; in unserem Fall liegen aber ca. 8 V an der LED. Tatsächlich gelangen die meisten roten, gelben und grünen LEDs erst bei einer wesentlich höheren Spannung in die Nähe des ersten Durchbruchs, im Gegensatz zu weißen und blauen, deren mögliche Sperrspannung sehr niedrig liegt. Der 100-kΩ-Widerstand schützt die LED aber in jedem Fall vor einem Schaden.

TUP/TUN Es gibt ja so viele unterschiedliche Transistoren, welchen soll man da nehmen? Früher gab es bei Elektor die Bezeichnung TUP (Transistor Universal PNP) und TUN (Transistor Universal NPN). Aber damals konnte man unbedruckte Transistoren auch etwas preiswerter erstehen als die Markenware. TUN sollte heißen: einfach nur ein x-beliebiger NPN-Transistor.

C B E C B E

C

C

PNP

NPN B

B

E

E

NPN- und PNP-Transistor.

Heute nimmt man hier am besten einen BC547B, er passt fast immer und ist sozusagen der aktuelle TUN (man sollte immer eine Tüte davon bereitliegen haben, was nicht allzu viel kostet). Und der TUP wäre dann der PNP-Transistor BC557B. Hier die Kurzdaten des BC547B: • Maximale Kollektorspannung: 45 V • Maximaler Kollektorstrom: 100 mA • Stromverstärkungsfaktor: 200- bis 450-fach (typisch 290) Beim BC547A liegt die Stromverstärkung zwischen 110 und 220 (typisch 180), beim BC547C im Bereich 420 bis 800 (typisch 520). Wenn man es genauer betrachtet, dann ist die Stromverstärkung eines Transistors nur bei mittleren Kollektorströmen recht konstant.

Bei sehr kleinen und bei sehr großen Strömen nimmt sie deutlich ab.

Zeitschalter mit Mikrocontroller Ein zeitgemäßer Zeitschalter verwendet einen Mikrocontroller. Damit erreicht man eine hohe Genauigkeit ohne besondern Abgleich. Bye bye, RC-Glied. Aber eines kann der Mikrocontroller nicht: Große Ströme schalten! Dazu braucht man einen Transistor. Ein einfacher NPN-Transistor eignet sich als Leistungstreiber zum Schalten externer Lasten. Der etwas schlappe Port eines Mikrocontrollers bekommt damit mehr Muskeln. Beliebt für diesen Zweck ist der BC337, der bis zu 800 mA schalten kann. Das Bild zeigt einen Zeitschalter, bei dem der Mikrocontroller weniger als 5 mA schalten muss. Der Transistor verstärkt den Portstrom so-

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Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte

weit, dass eine Glühlampe geschaltet werden kann. Bei dieser Gelegenheit findet auch gleich noch eine Pegelanpassung statt: Der Mikrocontroller arbeitet mit 5 V, die Lampe mit 12 V. Das kleine BASCOM-Beispielprogramm realisiert einen Zeitschalter. Nach dem Tastendruck beginnt die Zeit (1 Minute) abzulaufen. Wenn man während der laufenden Minute noch einmal drückt, hat das im Gegensatz zur analogen Schaltung in Bild 5 keine verlängernde Wirkung. Wie müsste das Programm wohl aussehen, wenn man auch das Nachtriggern erlauben möchte? +5V

+12V

VCC

PB2

RES

PB3

PB1

PB0

ATtiny13 100n

PB4

12V 100mA

GND

1k

BC337

START

Eingabetaster und Lampentreiber. ‚Timer 60 s $regfile = „attiny13.dat“ $crystal = 1200000 Config Portb.4 = Output Portb.3 = 1

‚Pullup

Do Do Loop Until Pinb.3 = 0 Portb.4 = 1 Waitms 60000 Portb.4 = 0 Loop End

Listing 1.

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Kapitel 3 • Zurück zu den Wurzeln (3)

Kapitel 3 • Zurück zu den Wurzeln (3) Transistoren durchgemessen Die Elektronik wird immer komplexer, ein einzelner Stromkreis ist da nicht mehr im Blick.

So wird es für Einsteiger immer schwieriger, den Anschluss zu bekommen. In dieser Serie wollen wir daher zurück zu den Grundlagen! In Teil 3 führen wir verschiedene Messungen an einem Transistor durch. Schon mit einem einfachen analogen Multimeter kann man viel über so ein Bauteil herausfinden!

In den Datenblättern der Hersteller findet man alle möglichen Kennlinien, die beschreiben, wie sich ein Transistor in welcher Situation verhält. Am besten ist es aber, wenn man selbst einmal zum Messgerät greift und so viel wie möglich selbst misst. Das vermittelt ein Gefühl für das Bauteil, und man versteht den Transistor besser, nicht nur in der Theorie.

Man sollte den Basisstrom IB, den Kollektorstrom IC, die Basis-Emitter-Spannung UB und die Kollektor-Emitter-Spannung UCE messen. Wenn man alle Messungen mit demselben Multimeter durchführen möchte, ist es günstiger, nur Spannungen zu messen und den Messbereich möglichst nicht zu wechseln. Die Ströme lassen sich dann aus den Spannungen und den Widerständen in der Schaltung leicht berechnen.

1k

Bild 1 zeigt unseren Messaufbau. Mit dem Poti am Eingang der Schaltung soll die Eingangsspannung in kleinen Schritten zwischen Null und 5 V verändert werden. Bei jeder Einstellung werden die vier Spannungen U1 bis U4 gemessen und notiert. Daraus lassen sich dann die Ströme und der Verstärkungsfaktor V ableiten. Die Tabelle zeigt ein Beispiel. Hier wurde ein BC547B durchmessen, wobei für U1, U2 und U3 eigene Digitalmultimeter fest angeklemmt blieben. U4 wurde aus U3 berechnet. Die Ströme und der Verstärkungsfaktor wurden dann aus den gemessenen Spannungen abgeleitet.

U4

5V

U1 U3

100k 10k

U2

Bild 1. Der Messaufbau.

Praxistipps In welchen Schritten sollte man bei der Messung vorgehen? Günstig ist es, den Kollektorstrom zuerst auf 0,1 mA einzustellen (U4 = 0,1 V). Dann verdoppelt man diesen solange bei jeder neuen Messung, bis er nicht mehr weiter ansteigt (U4 wird also auf 0,1 V, 0,2 V, 0,4 V, 0,8 V usw. eingestellt). Dabei kommt nämlich eine interessante Gesetzmäßigkeit zum Vorschein: Jede Verdoppelung des Kollektorstroms wird zwar ungefähr durch eine

● 31

Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte

Verdoppelung des Basisstroms erreicht. Die Basis-Emitter-Spannung vergrößert sich aber jeweils um einen konstanten Betrag von ungefähr 20 mV. Tabelle: Messwerte für einen Transistor BC547B U1

IB

U2=UBE

U3=UCE

U4

IC

V = IC/IB

1

0V

0 µA

0 mV

5V

0V

0 mA

0

2

0V

0 µA

400 mV

5V

0V

0 mA

0

3

0,07 V

0,7 µA

573 mV

4,9 V

0,1 V

0,1 mA

143

4

0,15 V

1,5 µA

595 mV

4,8 V

0,2 V

0,2 mA

133

5

0,26 V

2,6 µA

612 mV

4,6 V

0,4 V

0,4 mA

153

6

0,47 V

4,7 µA

629 mV

4,2 V

0,8 V

0,8 mA

170

7

0,90 V

9,0 µA

646 mV

3,4 V

1,6 V

1,6 mA

177

8

1,77 V

17,7 µA

665 mV

1,8 V

3,2 V

3,2 mA

181

9

2,63 V

26,3 µA

679 mV

0,3 V

4,7 V

4,7 mA

179

10

3,54 V

35,4 µA

681 mV

0,15 V

4,85 V

4,85 mA

137

11

4,32 V

43,2 µA

683 mV

0,13 V

4,87 V

4,87 mA

113

Durch Teilen von IC durch IB erhält man den Stromverstärkungsfaktor. Wie die Tabelle zeigt, liegt der maximale Verstärkungsfaktor bei unserem Versuch bei rund 180. Das ist etwas wenig, denn eigentlich sollte mindestens eine 200-fache Verstärkung erreicht werden. Es gibt allerdings einige Fehlerquellen, so wie der endliche Innenwiderstand des Messgeräts (10 MΩ). Dies bedeutet, dass zum Beispiel bei der Messung von U2 ein kleiner Teil des Basisstroms für das Messgerät abgezweigt wird. Messfehler sind normal. Wenn man alle Fehlerquellen und Toleranzen (auch die der Widerstände) berücksichtigt, könnte dieser Transistor gerade an der unteren Verstärkungsgrenze von 200 liegen. Probieren Sie es einmal selbst, vielleicht bringt Ihr Transistor mehr.

Bei so vielen Messdaten sollte man sich auch gleich einmal an eine grafische Auswertung machen. Das geht z.B. mit Bleistift und Papier oder am PC mit einer Tabellenkalkulation.

Und dabei kommt folgendes heraus: IC [mA] 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0

200

400

600

UB [mV]

800

Bild 2. Basisstrom aufgetragen gegen die Basis-Emitter-Spannung.

● 32

Kapitel 3 • Zurück zu den Wurzeln (3)

Bild 2 (IC über UB) zeigt die typische exponentielle Kennlinie einer Silizium-Diode. Im linearen Maßstab sieht man einen Knick bei ca. 0,6 V. Darüber steigt der Strom immer steiler (exponentiell) an. Die Messdaten zeigen, dass sich bei einer Basisspannung von beispielsweise 400 mV noch kein messbarer Basisstrom zeigt – und damit auch kein Kollektorstrom.

Man kann sich also merken: Die Basisspannung liegt meist irgendwo zwischen 0,6 V und 0,7 V. 6 IC [mA] 5 4 3 3 3 0 1

0

2

3

IB [µA]

4

5

Bild 3. Kollektorstrom in Abhängigkeit vom Basisstrom.

Bild 3 (IC über IB) zeigt, dass der Kollektorstrom in erster Näherung linear mit dem Basisstrom ansteigt, bis er dann bei knapp 5 mA nicht mehr weiter zunimmt, d.h. „in die Sättigung“ geht. Mehr als 5 mA können ja gar nicht gemessen werden, weil der Kollektorwiderstand den Strom auf 5 mA begrenzt (5 V / 1 kΩ = 5 mA). Und man sieht nun deutlich, dass sich auch die 5 mA nicht ganz erreichen lassen. Der Transistor ist eben nur „fast ganz“ eingeschaltet; es bleibt eine Kollektor-Emitter-Restspannung von knapp über 0,1 V. Die Kurve zeigt auch eine geringere Steilheit (also eine kleinere Stromverstärkung) bei sehr kleinen Strömen. Da ist tatsächlich was dran, denn bei sehr kleinen und sehr großen Kollektorströmen nimmt die Verstärkung etwas ab. Aber dahinter versteckt sich auch ein Messfehler, der diesen Effekt noch verstärkt. Bei der Messung von U2 fließt ein kleiner Messstrom, der den Basisstrom gerade im unteren Bereich größer erscheinen lässt als er tatsächlich ist.

6

UCE [V]

5

4

3

3 3

0 0

1

2

3

4

5

UIN [V]

6

Bild 4. Ausgangsspannung als Funktion der Eingangsspannung.

● 33

Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte

Bild 4 zeigt schließlich die Ausgangsspannung (UCE) in Abhängigkeit von der Eingangsspannung (U1 + U2) am Schleifer des Potis. Hier sieht man auf den ersten Blick: Mehr Eingangsspannung führt zu weniger Ausgangsspannung. Der Grund ist klar. Wenn der Kollektorstrom steigt, erhöht sich der Spannungsabfall am Kollektorwiderstand.

220k

1k

+5V

V = 100...400

Bild. 5. Arbeitspunkteinstellung mit Gegenkopplung.

Gegenkopplung Wenn man eine Schaltung plant und den Verstärkungsfaktor nicht genau kennt, dann muss man sich darauf einstellen. Wenn es um eine Schaltstufe geht, ist die Sache einfach. Man muss den Basisstrom einfach nur so auslegen, dass die Schaltung auch noch mit dem geringstmöglichen Stromverstärkungsfaktor gut funktioniert. Also im Zweifel etwas mehr Basisstrom, dann passt es für alle Transistoren eines Typs.

Anders sieht die Sache aus, wenn eine analoge Größe verstärkt werden soll. Ein zu großer Basisstrom kann dann gerade verkehrt sein, weil der Transistor leicht in die Sättigung kommt. Man möchte aber möglichst oft einen mittleren Kollektorstrom haben, der nach unten und nach oben verändert werden kann. Eine Möglichkeit, dies mit unterschiedlichen Transistoren zu erreichen, ist die Gegenkopplung. Dazu legt man den Basiswiderstand nicht an die Versorgungsspannung, sondern an den Kollektor (siehe Bild 5). Ein Transistor mit besonders hoher Verstärkung würde einen größeren Spannungsabfall am Kollektorwiderstand bewirken. Damit sinken die Kollektorspannung und zugleich auch der Basisstrom.

Umgekehrt erhalten Transistoren mit geringerer Stromverstärkung automatisch etwas mehr Basisstrom. Im Endeffekt passt es dann für alle Transistoren.

Messungen mit dem Ohmmeter Gerade bei Bauteiletests und bei der Fehlersuche haben analoge Zeigerinstrumente immer noch ihre Vorteile. Man kann nämlich Ergebnisse viel schneller als bei einem Digitalmultimeter ablesen, zumindest einen groben Wert. Das Digitalmultimeter ist dagegen unverzichtbar, wenn es um hochgenaue Messungen geht.

Einfache analoge Vielfachmessgeräte bieten meist auch einen oder mehrere Widerstands-Messbereiche, und mit etwas Übung lassen sich mit einem einfachen Ohmmeter nicht nur Widerstände, sondern auch Transistoren, Dioden, Kondensatoren und viele andere Bauelemente überprüfen. Zur Widerstandsmessung benötigen die Multimeter eine

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Kapitel 3 • Zurück zu den Wurzeln (3)

Batterie, die oft für alle anderen Messbereiche ohne Funktion ist. Die Messung beruht im Prinzip auf einer Strommessung bei konstanter Spannung. Die Widerstandsanzeige ist daher nicht linear. Der Endausschlag bei null Ohm muss mit einem Potentiometer abgeglichen werden, um die unterschiedliche Batteriespannung auszugleichen (siehe Bild 6). Am anderen Ende der Skala reicht die Messung in jedem Bereich bis Unendlich.

Rm

A

Bild 6. Prinzipschaltung eines analogen Ohmmeters.

Die übliche Beschaltung einfacher Analog-Multimeter bringt es mit sich, dass die Spannung an den Anschlussklemmen in den Ohmmessbereichen anders gepolt ist, als es die Bezeichnungen der Anschlüsse für Strom- und Spannungsmessungen vermuten lassen.

Am Minusanschluss des Vielfachmessgeräts liegt also der Pluspol des Ohmmeters. Dies ist zu beachten, wenn man ein Ohmmeter zur Überprüfung von Dioden oder Transistoren verwenden will.

Bei der Messung an Diodenstrecken muss man im Kopf behalten, dass einer Sperrschicht kein konstanter Widerstand zugeordnet werden kann. Der angezeigte Wert hängt vielmehr vom Messstrom und damit vom gewählten Messbereich ab. Trotzdem lassen sich Aussagen machen. Beobachtet man bei einem Ohmmeter mit einer internen Spannung von 1,5 V einen Zeigerausschlag von etwa der Hälfte der Skala, dann muss der Spannungsabfall am Messobjekt etwa 0,75 V betragen. Der Ausschlag ändert sich wegen der exponentiellen Kennlinie einer Diode nur geringfügig, wenn man den Bereich umschaltet. Es wird daher in jedem Messbereich ein anderer Widerstand angezeigt, der Zeigerausschlag ist dagegen ähnlich, da der Spannungsabfall immer um 0,6 V beträgt. Die Diodenspannung lässt Rückschlüsse auf den Diodentyp zu. In Bild 7 dürfte es sich um eine Si-Diode handeln.

15mA

70 Ω 10mA 5mA

640 Ω 5800 Ω

0 0

200mV

400mV

600mV

800mV

Bild 7. Gleichstromwiderstand einer Si-Diode bei verschiedenen Messströmen.

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Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte

Transistorprüfung Bei der Prüfung eines Transistors lassen sich nur mit einem Ohmmeter verschiedene Aussagen über den Typ und den Zustand des Messobjekts machen. Auch bei einem völlig unbekannten Transistor kann man so wenigstens die Anschlussbelegung herausfinden.

Mit drei typischen Messungen lässt sich ein Transistor vollständig prüfen. Zunächst werden die Basis-Emitter- und die Basis-Kollektor-Diode (siehe Paragraf: Transistor-Grundfunktion) vermessen, womit sich bereits Si- und Ge-Transistoren unterscheiden lassen und mögliche Kurzschlüsse verraten (Bild 8, Teil 1 und 2). Danach misst man den Widerstand zwischen Emitter und Kollektor ohne und mit Basisstrom (3). Bei offener Basis zeigt ein intakter Transistor keinen Strom, also einen unendlichen Widerstand. Bei leitender Verbindung der Basis mit dem Kollektor muss sich ein etwas größerer Strom zeigen als bei der Basis-Emitter-Diode allein.

Der letzte Test (4) sollte mit einem kleinen Basisstrom über einen Basis-Kollektor-Widerstand durchgeführt werden. Den Basisstrom kann man auch durch Berühren von Kollektor und Basis mit dem angefeuchteten Finger generieren. Der erzielte Ausschlag am Ohmmeter vermittelt einen groben Eindruck von der Stromverstärkung des Transistors. Auch bei vertauschtem Emitter und Kollektor zeigt sich aber noch eine geringe Stromverstärkung, so dass man den Transistor im Zweifelsfall noch einmal umdrehen sollte, wenn die Anschlüsse nicht sicher bekannt sind.

A

1. B-E

2. C-B

3. C-E

4. C-E

Bild 8. Messungen an einem Transistor.

Digitalvoltmeter verwenden im Ohmmessbereich meist eine völlig andere Innenschaltung.

Hier beruht die Widerstandsmessung auf einer Messung des Spannungsabfalls bei konstantem Strom. Damit ergibt sich eine lineare Anzeige und eine eindeutige Messbereichsgrenze.

Ein Abgleich des Nullpunkts ist hier nicht erforderlich. Ein weiterer Unterschied gegenüber Zeigerinstrumenten ist, dass die Polung bei der Spannungs-/Strommessung sowie der Widerstandsmessung gleich ist.

Mit einem Digitalmultimeter im Ohmbereich lassen sich im Prinzip die gleichen Tests an Bauteilen durchführen wie mit einem analogen Gerät. Oft gibt es zusätzlich einen Messbereich speziell zur Messung an Diodenstrecken. Er arbeitet zwar wie der Widerstandsmessbereich, angezeigt wird jedoch der Spannungsabfall in Millivolt oder ein Messwert, der proportional zur Diodenspannung ist.

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Kapitel 3 • Zurück zu den Wurzeln (3)

Transistor-Grundfunktion Der Transistor ist ein Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen, das überwiegend als Stromverstärker eingesetzt wird. Wie eine Diode besteht der Transistor aus n- und p-dotiertem Halbleitermaterial. Er hat aber drei Schichten mit zwei dazwischen liegenden Sperrschichten. Die Schichtenfolge kann N-P-N oder P-N-P sein. Hier soll zunächst der NPN-Transistor betrachtet werden, dessen Aufbau und Ersatzschaltbild man in Bild 9 sieht.

Die einzelnen Schichten des Transistors bezeichnet man als Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C). Entscheidend für die Funktion ist, dass die Basisschicht sehr dünn ist. Der Transistor soll zunächst mit freiem Basisanschluss an eine Stromquelle gelegt werden, wobei der Emitter mit dem Minuspol verbunden ist (Bild 10). Es fließt kein Strom, weil die Basis-Kollektor-Sperrschicht in Sperrrichtung liegt.

C

C

C

N P

B

B

B

N E

E

E

Bild 9. NPN-Aufbau.

I=0 C N P

B

N E

Bild 10. Gesperrter Transistor.

I C = 100mA C N I B = 1mA B

+6V

P

+ 0,6V

N E

Bild 11. Leitender Transistor.

Nun soll eine zweite Stromquelle zwischen Basis und Emitter angeschlossen werden, wobei der Pluspol an der Basis liegt und die Spannung mit etwa 0,6 V so gering ist, dass nur ein kleiner Strom durch die Basis-Emitter-Diode fließt. Dabei kann man zwischen Emitter und Kollektor einen wesentlich größeren Strom beobachten. Die Erklärung dafür findet sich in der sehr dünnen Basisschicht. Treten nämlich n-Ladungsträger in die Basis ein, gelangen sie sofort in das starke elektrische Feld der Basis-Kollektor-Sperrschicht. Die meisten der

● 37

Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte

Ladungsträger werden zum Kollektor hin abgesaugt. Nur etwa ein Prozent der Ladungsträger, die vom Emitter ausgehen, gelangen zum Basisanschluss (Bild 11). Umgekehrt ist also der Kollektorstrom etwa 100 Mal größer als der Basisstrom. Der Kollektorstrom wird über die Basis-Emitter-Spannung bzw. über den Basisstrom gesteuert. Doch auch wenn sich die Elektronen vom Emitter zum Kollektor bewegen: Aus Gründen der Tradition (Strom fließt von Plus nach Minus) sagt man, dass der Strom „vom Kollektor zum Emitter“ fließt.

Transistor-Prüfer Ein Mikrocontroller mit internem A/D-Wandler eignet sich hervorragend als Messgerät. Wie wäre es z.B. mit einem Transistor-Prüfer? Es soll dabei einfach die Stromverstärkung bestimmt werden. Ein ATtiny13 reicht für diese Aufgabe, wenn das Endergebnis seriell an einen PC geschickt und dort in einem Terminalprogramm angezeigt wird.

Die Schaltung in Bild 12 ist sehr einfach. Nur die Kollektorspannung wird gemessen. Der Transistor wird in Gegenkopplung betrieben, deshalb können sehr unterschiedliche Verstärkungsfaktoren gemessen werden. Das Programm muss dann etwas mehr rechnen, aber dafür ist ein Mikrocontroller ja da. ‚Transistor tester $regfile = „attiny13.dat“ $crystal = 1200000 $hwstack = 8 $swstack = 4

' 16

$framesize = 4

Dim UC As Word Dim U1 As Word Dim U2 As Word Dim I1 As Word Dim I2 As Word Dim V As Word Config Adc = Single , Prescaler = Auto Start Adc Open „comb.1:9600,8,n,1,INVERTED“ For Output As #1 Do UC = Getadc(3)

' PB3=ADC3 -> UC = 0..1023

UC = UC * 50

' max 51150 -> 5115 mV

U2 = UC - 6000

' 6000 <- U_BE = 600 mV

U1 = 51150 - UC

● 38

I1 = U1

' 1 k

I2 = U2 / 100

' 100 k

Kapitel 3 • Zurück zu den Wurzeln (3)

V = I1 / I2 Print #1 , V

' --> RXD

Waitms 1000 Loop End

Listing 1.

Das Programm berechnet den Spannungsabfall U1 am Kollektorwiderstand und den Spannungsabfall U2 am Basiswiderstand. Daraus ergeben sich der Kollektorstrom I1 und der Basisstrom I2. Die Verstärkung V ist dann I1 / I2. Damit alles in den kleinen Mikrocontroller passt, wird ausschließlich mit Ganzzahlen vom Typ Word gearbeitet. Dabei wurde darauf geachtet, dass weder ein Überlauf passieren kann noch durch zu kleine Zwischenergebnisse Genauigkeit verloren geht.

RXD

1k

RS232 PC

GND

+5V

PB2

PB1

PB0

U1

1k

VCC

ATtiny13 RES

PB3

PB4

GND

100k 100n

NPN

U2

Bild 12. NPN-Test.

RXD

1k

RS232 PC

GND

+5V

VCC

PB2

PB1

PB0

100n

PB3

PB4

GND

100k

RES

1k

ATtiny13

PNP

Bild 13. PNP-Test

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Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte

Der Mikrocontroller kann mit demselben Programm auch Messungen an einem PNP-Transistor durchführen. Man muss diesen nur etwas anders anschließen, wie Bild 13 zeigt.

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Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte

Index

Index Symbolen

E

18B20 302 25LC512 252 4094 243

EEPROM 252 EF95 165 Emitterfolger 78 EMV-Grenzwerte 124 Entprellung 296 ESP12E 333

A ADC 201 AD-Wandler 344 Amplitude 91 AM-Sender 371 Analog-Digital-Wandler 198 Analoge Eingänge 185 Analogrechne 99 Arduino 174 Audion 88, 142, 147 Aussteuerbereich 74 Avalanche-Effekt 50

B Bandbreite 108 Bascom 174 BF245 133 Bit 194 Bootloader 181, 225 BPW34 150 Bypass-Kondensator 289, 299 Byte 194

C CA3140 104 CE-Zeichen 121 CMOS 186 Compiler 180

D Dämpfung 93, 95 Darlingtonschaltung 27 Darlington-Transistor 294 Datenrichtungsregister 188 Detektor-Diode 360 DHT11 305 Differenzverstärker 103 Digitale Eingänge 185

● 384

F Feldeffekttransistor 42 Festinduktivität 66 FET 46 Flipflop 57 Fotowiderstand 27 Frequenzgang 103

G Gabellichtschranke 315 Gegenkopplung 34, 75, 99 Gegentaktverstärker 118 Grenzfrequenz 86 Güte 96

H Halbleiter 20 Hall-Sensor 139 HEX-Datei 181 Hochpassfilter 318 Hysterese 61, 291

I I2C 260 Infrarot 308 Interrupt 233 Inverter 25 Invertierender Eingang 99 IR-Empfänger 308 IR-Sendediode 308 ISP 211, 331 ISP mkII 211

Index

J JFET

P 42, 47, 104, 133

K Kennlinie 33, 129 Kennlinien 18 Kippgenerator 135 Kippschaltungen 145 Kippschwingungen 70, 71, 148 Komparator 113 Konstantstromquelle 41

L L272 119 Latchup-Effekt 196 LCD 215, 223 LC-Oszillator 90 LDR 27 Leistungs-Opamp 119 LM339 113 LM358 104 LM386 118 LM393 288 Luftfeuchtesensor 365

M Meißner-Oszillator 91

Micro:bit 340 Miller-Effekt 86 Modulation 372 Monoflop 60 MOSFET 47, 59 Multivibrator 65, 82, 167

PCA9555 266 PCF8574 264 PCF8591 269 Pentode 159 Phase 82 Phasenschieber 83 Piezo 67 PNP 29, 70 PNP-Eingangsstufen 111 Programmer 211 Pullup-Widerstand 192 PWM 220, 324, 328

Q Quarzoszillator 93

R Radioaktivität 150 RC5 313 RC-Filter 329 RC-Oszillator 82 Reed-Schalter 296 Referenz 206 Regelkreis 98 Reihenschaltung 19 Resonanz 378 Resonanzfrequenz 95 Ringoszillator 84, 128, 138, 143 Röhre 159 RoHS 121 RS-Flipflop 58 Rückkopplung 60, 91, 94, 100, 160, 300 Ruhestrom 74

N NE555 175 Nichtinvertierender Eingang 99 NPN 70 NTC 281, 288

O Ohmmeter 34 Ohmsche Gesetz 18 Operationsverstärker 98 Oszillator 65, 300

S Schieberegister 243 Schmitt-Trigger 60, 290 Schwingkreis 89, 95, 136, 141, 159, 163 SCL 261 SDA 261 serielle Schnittstelle 198 Solarzelle 134 Spannungsregler 49, 53 Spannungsverstärkung 98 Spannungswandler 136

● 385

Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte

Sperrschicht 20, 35 SPI 243 Stromspiegel 55 Stromverstärkungsfaktor 25

T Temperaturkoeffizient 50 Temperatursensor 55, 206 Thyristor 62 Tiefpassfilter 86, 329 Timer 227 TL072 104 TLC272 129 Transistor 23 TS914 109 TUN 29

U UART 198 Übersteuerung 114

V VCO 68 Verarbeitet 162 Verzerrungen 74, 75 Voltage Controlled Oszillator 68 Vorwiderstand 19

W WEEE 121 Wirkungsgrad 51

Z Zeitkonstante 26 Zenerdiode 43, 49

● 386

Analoge Schaltungen und Mikrocontroller

Elektronik-Grundlagen und Einsteiger-Projekte Burkhard Kainka, Jahrgang 1953, Funkamateur mit dem Rufzeichen DK7JD, langjährig tätig als Physiklehrer, ab 1996 selbstständiger Entwickler und Autor im Bereich Elektronik und Mikrocontroller mit dem Schwerpunkt Bausätze und Lernpakete, betreibt die Internetseiten www.elektronik-labor.de und www.b-kainka.de, u.a. mit der Bastelecke und einer Vorliebe für die Grundlagen der Elektronik.

Die Hobbyelektronik ist reizvoll, macht Spaß und bringt nützliche Erfahrungen, die auch im Beruf oder bei der Berufswahl entscheidend sein können. Wer die Elektronik von den Wurzeln her kennt, kann auch eigene Schaltungen entwerfen und Projekte entwickeln. Entscheidend ist, dass man sich auch den kleineren Problemen widmet, die ja auch in größeren Projekten immer wieder wichtig werden können.

Alles beginnt mit der analogen Elektronik. Man sollte die einfachsten Bauteile und Schaltungen genau kennen und ihr Verhalten sowie mögliche Probleme verstehen. Der beste Weg dazu sind reale Experimente, die Theorie allein reicht nicht. Dieses Buch bietet eine große Zahl praktisch nutzbarer Einsteigerschaltungen, mit denen jeder die nötigen Erfahrungen sammeln kann.

Mit der breiten Einführung von Mikrocontrollern wurde ein neues Kapitel der Elektronik aufgeschlagen. Immer mehr Aufgaben, die ursprünglich mit diskreten Bauelementen oder konventionellen ICs gelöst wurden, erledigt inzwischen ein Mikrocontroller. Der Einsteig ist dank Bascom, Arduino, micro:bit und Co. immer einfacher geworden. Das Buch zeigt zahlreiche überschaubare Mikrocontroller-Anwendungen. Ab jetzt wird weniger gelötet und mehr programmiert.

ISBN 978-3-89576-344-1

Elektor-Verlag GmbH 52072 Aachen www.elektor.de

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