Heimautomation und Elektronik für Anfänger (Leseprobe)
Heimautomation und Elektronik für Anfänger
Projekte mit Arduino, ESPHome, Home Assistant und Raspberry Pi & Co
2025 EDITION: ERWEITERT, VERBESSERT, AKTUALISIERT JETZT MIT ÜBER 70 NEUEN SEITEN!
Edi’s Techlab
Mein Name ist Thomas Edlinger, geboren in Österreich und ich lebe seit 2004 in der Schweiz. Als Ingenieur der Elektrotechnik bin ich hauptberuflich im Halbleiterbereich tätig. Im Juni 2019 entschied ich mich dazu, mit meinem YouTube-Kanal „Edi's Techlab“ zu starten. Dieser Kanal beschäftigt sich hauptsächlich mit der Heimautomation im DIY-Bereich. Aus eigener Erfahrung weiß ich, dass die Kombination aus Video und schriftlicher Anleitung unschlagbar ist und den Nachbau von Projekten um einVielfaches vereinfacht. Zu den meisten Projekten, welche ihr hier im Buch findet, werdet ihr auf meinem YouTube-Kanal auch ein entsprechendes Video finden. Das Buch behandelt alle Themen viel ausführlicher und vermittelt ergänzendes Hintergrundwissen. Als Hobby beschäftige ich mich schon seit vielen Jahren mit der Heimautomatisierung. Da meine Kollegen mich mehrfach zur Funktionsweise von Sensoren und Heimelektronik ansprachen, entschloss ich mich dazu mein Wissen mit Euch zu teilen. Der Entschluss YouTube-Videos zu drehen war schnell gefasst – die Umsetzung hingegen stellte sich nicht so leicht dar, speziell zu Beginn. Wie ich sehr schnell feststellen musste, ist das Drehen der Videos bei weitem nicht so trivial, wie ich es mir anfänglich vorstellte. Zudem fehlte es mir gänzlich an Erfahrungen, was das Schneiden der Videos betraf. So hieß es für mich erst einmal sehr viel dazuzulernen, was mit der Elektronik nichts zu tun hatte und es verstrich nicht wenig Zeit. Nach ein paar Anfangsschwierigkeiten ging es dann doch recht gut und ich hatte großen Spaß daran gefunden, vor wie auch hinter der Kamera zu stehen. Erste Kommentare und Lob zeigten mir auf dem richtigen Weg zu sein und motivierte mich dazu weiterzumachen. Eine anfänglich kleine und stetig größer werdende Community ist entstanden und wächst fortan. Ich hoffe, dass ich mit diesem Buch vielen Neueinsteigern und Hobbyelektronikern den Weg in die Heimautomatisierung ermöglichen kann und dass wir uns gemeinsam als Edi's Techlab-Community gegenseitig weiterhelfen und mit Projektideen bereichern.
Vielen Dank und …..JEDER KANN DAS!!!
Euer Edi.
Über das Buch
In diesem Buch erkläre ich in jedem Kapitel zuerst ein paar Grundlagen mit einfachen Beispielen und danach Anhand eines Projektes die praktische Anwendung. Wenn der Code etwas länger ist, findet ihr den Link zu Github, wo ihr ihn herunterladen könnt. Dieses Buch ist für absolute Einsteiger geschrieben und es werden keine Vorkenntnisse benötigt. Ich verwende verschiedene Hinweise in diesem Buch, um das Wichtigste optisch hervorheben zu können. Ich möchte euch hier alle Hinweise, die in diesem Buch verwendet werden, mit einer kurzen Beschreibung vorstellen.
Versionshinweise
Da es sich bei der Arduino IDE und den Library's um Bastel Projekte dreht, kommt es manchmal vor, dass nach einem Update der Sketch nicht mehr funktioniert. Deswegen überprüft bitte immer die Versionen, die ich angebe, weil die sind geprüft und funktionieren.
Hinweis
Zeigt euch kurz und bündig wie etwas funktioniert mit einer einfachen Erklärung.
ACHTUNG
Das wichtigste Zeichen im ganzen Buch, wenn ihr das was hier steht nicht befolgt, können Probleme auftreten oder es kann sogar gefährlich werden.
Aufgabe
Hier findet ihr weitere Beispiele und Übungen zum Thema.
Source Code
https://github.com/Edistechlab/
Hier findet ihr den Sketch für das aktuelle Thema, wenn der Code länger ist, dann findet ihr hier den link zu Github zum download.
/*
Project: DHT11 Temperatur und Luftfeuchte Sensor
Author: Thomas Edlinger for www.edistechlab.com
Date: Created 29.08.2020
Version: V1.0 */
void setup() { }
void loop() { }
Benötigte Teile
Hier findet ihr die Links zu den benötigten Teilen. Die Links sind mit einem Stern markiert was bedeutet, dass sie sogenannte Affiliate Links, bei einer Bestellung bekomme ich einen kleinen Anteil ohne das euch Mehrkosten entstehen. Damit könnt ihr auch Edi’s Techlab unterstützen.
Alle Inhalte dieses Buches, insbesondere Texte, Fotografien und Grafiken, sind urheberrechtlich geschützt. Das Urheberrecht liegt, soweit nicht ausdrücklich anders gekennzeichnet, bei Thomas Edlinger von Edlinger Consulting & Media. Bitte frage mich, falls du Teile der Inhalte dieses Buches verwenden möchtest. info@edistechlab.com
- Ich verwende in diesem Buch sehr oft dieAdfruit Librarys, wenn ihr sie Unterstützen wollt, könnt ihr von ihnen die Bauteile erwerben. https://www.adafruit.com
- Für meine Schaltplan Diagramme verwende ich die Software Fritzing. https://fritzing.org
- Das Buch und alle Grafiken habe ich mit Software von Affinity erstellt.
Diese Links sind NICHT gesponsert, aber ich finde diese Programme sind empfehlenswert.
Anschluss an einem Mikroprozessor..................................................................................................501
Wie steuert man einen SG-90 Servo Motor? .....................................................................................508
Wie schlisst man einen SG-90 Servomotor an?.................................................................................509
SG-90 Servomotor mit Poti an verschiedene Mikrocontroller ............................................................509
ESP8266 und Arduino mit dem SG90 Servomotor ............................................................................510
mit dem SG-90 Servomotor ...................................................................................................512
OLED Display .................................................................................514 SSD1306 OLED Display an einem Microcontroller............................................................................515 Der Source code für unser SSH1306 Display....................................................................................517
Schriftengrösse und Hintergrund........................................................................................................518
Wechseln der Schriftart......................................................................................................................518
Der elektrische Strom, mit der EinheitAmpere (A), ist der Fluss oder die gerichtete Bewegung von Elektronen. Der Strom kann nur dann fließen, wenn zwischen zwei unterschiedlichen elektrischen Ladungen genügend freie und bewegliche Ladungsträger zur Verfügung stehen. Zur besseren Vorstellung können wir uns den Stromfluss mit fließendem Wasser in einem Rohr vorstellen. Je mehr Wasser durch das Rohr fließt, desto grösser ist die Wassermenge. Strom verhält sich genauso: Je mehr Elektronen durch einen Leiter fließen, desto höher ist die elektrische Stromstärke.
Stromfluss
Strom im Stromkreis
Elektrische Ströme fließen in den meisten Fällen in einem geschlossenen Stromkreis, hierzu werden die folgenden drei Komponenten benötigt.
Spannungsquelle: Die Spannungsquelle wird benötigt, um auf die Elektronen einen „Druck“ auszuüben. Dieser Druck versetzt die Elektronen in Bewegung.
Verbraucher: Als „Verbraucher“ bezeichnen wir Bauteile oder Geräte, wie zum Beispiel Glühbirnen oder ein Föhn, welche durch den elektrischen Strom zu leuchten beginnen, bzw. warme Luft zum Trocknen der Haare erzeugen. Hier wird auch deutlich, dass Strom im eigentlichen Sinne nicht verbraucht, sondern lediglich umgewandelt wird. Die Annahme des „Stromverbrauchs“ hat, wie die der Stromrichtung auch, einen gleich gelagerten, geschichtlichen Ursprung – dazu jedoch gleich mehr.
Elektrische Leitungen: Damit sich die Elektronen frei bewegen können, wird die Spannungsquelle mit elektrischen Leitungen und dem Verbraucher zu einem Kreis verbunden – der Stromkreis. Diese Leitungen bestehen meistens aus Kupfer oderAluminium.
Stromrichtung
Bild 1.1.2: Einfacher Stromkreis mit einer Lampe
Bild 1.1.1: Model für den Strom in einem Leiter
Stromrichtung (technisch/physikalisch)
Wir unterscheiden zwischen der technischen und physikalischen Stromrichtung. Bei der technischen Stromrichtung verläuft der Elektronenfluss von Plus nach Minus, bei der physikalischen Stromrichtung ist es genau umgekehrt.
Der Hintergrund dieser zwei unterschiedlichen Stromrichtungen hat – wie auch die Annahme des „Stromverbrauchs“ – seinen Ursprung in der Geschichte. Als man den Strom entdeckte, legt man fest, dass der Strom vom Pluspol zum Minuspol fließt. Mit dem Erkenntnisfortschritt über die Elektrizität, insbesondere zu Beginn derAtomphysik, bemerkte man die zuvor getroffene „falsche“ Annahme. Man einigte sich auf die Bezeichnung physische Stromrichtung. Darüber hinaus entschied man sich dafür, die ursprüngliche Stromrichtung weiterhin zu verwenden und als technische Stromrichtung zu bezeichnen. In Schaltplänen, wenn nicht anders angegeben, wird immer die technische Stromrichtung verwendet.
Bild 1.1.3: Technische Stromrichtung (+ zu -)
Berechnung
der Stromstärke
Bild 1.1.4: Physische Stromrichtung (- zu +) Elektronenflussrichtung
- Ohmsche Gesetz
Um die Stromstärke berechnen zu können, möchte ich euch hier drei verschiedene Formeln vorstellen. Die erste Formel entstammt dem berühmten Ohmschen Gesetz. Abwandlungen des Ohmschen Gesetzes führen im Weiteren zu Berechnungen der Leistung und Elektrizitätsmenge.
Bitte beachtet, dass in mathematischen Formeln und Schaltplänen jedoch nicht die SI-Einheiten, sondern einheitlich festgelegte Formelbuchstaben Verwendung finden. So wissen wir, dass der elektrische Strom die SI-Einheit „A“ fürAmpere führt. In Formeln hingegen wird der Buchstabe „I“ (großes i) verwendet. Einzig, das Ergebnis der Stromberechnung führt dann wieder die physikalische Einheit „A“. So gilt gleichlautend für die Spannung, die wir ja bekanntermaßen in Volt (SI-Einheit „V“) messen, der Formelbuchstabe „U“. Für den Widerstand, nach dessen Namensgeber auch das Ohmsche Gesetz benannt ist, lautet der Formelbuchstabe „R“ und steht für das Ohm – hierfür wird zudem der griechische Buchstabe Omega „Ω“ als SI-Einheit verwendet.
Strom = Spannung Widerstand I = U R
Strom = Leistung Spannung I = P U
Strom = Elektrizitätsmenge Zeit I = Q t
Die Ergebnisse der vorstehenden Berechnungen führen alle die SI-EinheitAfürAmpere oder davon abzuleitende Potenzen wie z.B. „mA“ (Milli-Ampere =1/1000 A) oder „kA“ (Kilo-Ampere =1.000A).
Zur Vervollständigung des Ohmschen Gesetzes – dieses beschreibt die immer gleichen Zusammenhänge zwischen Strom (I), Spannung (U) und Widerstand (R) und lassen sich über ein „magisches Dreieck“ verbinden.
IRUJe nachdem, was Du berechnen möchtest, halte einfach den betreffenden Formelbuchstaben zu und lese die Übrigen als „Formel“. So siehst Du, wenn Du den Strom berechnen willst und entsprechend das I verdeckst, nur noch U/R, was Dir sagt, dass Du die gemessene Spannung (U) durch den Widerstand (R) dividieren sollst. Sinngemäß verfährst Du, um die Spannung zu berechnen:Also das U verdecken und RxI lesen und rechnen, also Stromstärke (I) mal den Widerstand (R). So einfach kann das Ohmsche Gesetz sein, was in der Elektrotechnik jedoch elementarer Bestandteil und Basiswissen ist.
Auf die Einzelheiten der Spannung und des Widerstands gehe ich in den folgenden Kapiteln noch weiter ein.
Elektrische Spannung U
Die elektrische Spannung U, mit der Einheit Volt (V), ist die Differenz zwischen zwei Potenzialen und unterschiedlichen Ladungen. Auf einer Seite ist der Plus-Pol mit einem Elektronenmangel, auf der anderen Seite ist der Minus-Pol mit einem Elektronenüberschuss.Verbindet man die beiden Pole mit einem elektrischen Leiter, so kommt es zu einer Entladung und ein elektrischer Strom fließt. Je höher die elektrische Spannung ist, desto höher ist der Druck oder die Kraft auf die freien Elektronen.
Spannung
Bild 1.1.5: Model für die Spannung
Schaltzeichen für die Spannungsquelle
Je nach der Art der Spannungsquelle gibt es zwei unterschiedliche Schaltzeichen. Das allgemeine Schaltzeichen für eine Spannungsquelle oder, wenn es sich um eine Batterie handelt, kann man das dafür vorgesehene Schaltzeichen verwenden, um die Spannungsquelle genauer zu definieren.
Bei der Gleichspannung ist der Betrag und die Richtung der Spannung zu jedem Zeitpunkt gleich. Der Strom fließt in gleichbleibender Richtung. Abgekürzt wird die Gleichspannung oft DC (direct current) und ein Beispiel für eine Spannungsquelle dieserArt ist die Batterie.
Bei der Wechselspannung hingegen ändert sich der Betrag und die Richtung der Spannung ständig und zyklisch. Dementsprechend ändert sich auch die Richtung, in welche der Strom fließt. Abgekürzt wird die Wechselspannung mit AC (alternating current). Die Wechselspannung wird uns als elektrische Nutzenergie an den Steckdosen, mit einem Effektivwert der Spannung von 230 Volt bei 50 Hertz, bereitgestellt. Das heißt, dass die Spannung in einer Sekunden 50-mal von +325 Volt zu -325 Volt und zurück sinusförmig schwingt.
Bei unseren Elektronikprojekten verwenden wir zur Spannungsversorgung ausschließlich Gleichspannung, weshalb ich hier auch nicht weiter auf die Wechselspannung eingehen werde.
Amplitude
Sinus Welle positive negative
Periodendauer (T)
Bild 1.1.8: Sinus Welle einer Wechselspannung
Effektivwert
SpitzeTal-Wert Zeit (t)
Berechnung der elektrischen Spannung
Ich möchte euch drei der zahlreichen Formeln zur Berechnung der Spannung vorstellen. Die erste Formel entstammt wieder dem schon vorhin erwähnten Ohmschen Gesetz. Mit der zweiten Formel wird der Zusammenhang zwischen der Spannung zur Arbeit und Ladung beschrieben. Die letzte Formel dient der Spannungsberechnung über die Leistung und den Strom.
Spannung = Arbeit Ladung U = W Q
Spannung = Widerstand x Strom U = R x I
Spannung = Leistung Strom U = P I
Widerstand
Funktion von einem Widerstand
Bewegt sich die elektrische Ladung, dann erhält man elektrischen Strom, der durch die Ladung angetrieben wird. Ein Widerstand behindert das Fließen der elektrischen Ladung. Man kann sagen, dass fast jeder Leiter (Ausnahme Supraleiter) oder jedes Gerät ein Widerstand ist.
Widerstände werden sehr vielseitig eingesetzt, sei es zur Strombegrenzung z.B. für LEDs, als Spannungsteiler oder als Pull-up oder Pull-down Widerstand.
Der Widerstand hat das Formelzeichen R und wird in Ω (Ohm) angegeben. Den Widerstand können wir anhand des Ohmschen Gesetzes mit folgender Formel ermitteln.
Widerstand = Spannung Strom R = U I
„Normale“ Widerstände
Widerstände bestehen normalerweise aus einem isolierenden Porzellan-Körper, der mit einer dünnen Kohle- oder Metallschicht und einem Schutzlack überzogen ist. Kohleschicht-Widerstände sind meist ockerfarben, Metallschicht-Widerstände sind üblicherweise blau lackiert. Auf dem Schutzlack wird dann der Widerstandswert in Form von farbigen Ringen aufgedruckt, um ihn auch ohne Lupe und von allen Seiten gleichermaßen lesbar zu machen.
Das Schaltzeichen für einen Widerstand in Europa auf der linken Seite abgebildet, ist ein Rechteck, rechts seht ihr, wie das Schaltzeichen in der USA aussieht. Da sehr viele Schaltpläne von dort kommen, ist es wichtig auch dieses Zeichen zu kennen.
1.2.1: Widerstand nach EN
Widerstandsfarbcode-Tabelle
1.2.2: Widerstand nach ANSI
Bevor man mit derWertbestimmung derWiderständeanfängt,muss manzählen,wievieleFarbringe auf dem Widerstand aufgedruckt sind. Kohleschicht-Widerstände haben normalerweise 4 Ringe. Metallschicht-Widerstände haben 5 Ringe. Bei Widerständen mit 5 Ringen ist der Widerstandswert etwas genauer angegeben.
Als ersten Schritt müssen wir herausfinden wo, vorne und wo hinten ist.Als Faustregel gilt, bei den blauen Metallschicht-Widerständen suchen wir den braunen (manchmal roten) und bei den ockerfarbenen Kohleschicht-Widerstände den goldenen (manchmal silberfarbenen) Streifen. Dieser gibt jeweils die Toleranz an. Dieser Ring befindet sich dann hinten und wir können nun starten von vorne zu lesen. Es gibt natürlich noch andere Farben für die Angabe der Toleranz, dies sind dann eher speziellere Widerstände und finden bei den Heimelektronikprojekten üblicherweise keine Anwendung. Auch gibt es Widerstände, bei denen ist der Toleranzring von den übrigen Farbringen etwas abgesetzt und dadurch leichter zu erkennen. Danach beginnt man von vorne, den Widerstandswert zusammenzusetzen. Die einzelnen Farben sind bestimmte und eindeutige Werte zugewiesen. Diese entnehmen wir den nachfolgenden Tabellen. Der Dritte bzw. der vierte Ring (bei 5 Ringen) ist der Multiplikator. Aber lasst uns das anhand zweier Beispiele einmal in der Praxis versuchen.
Bild
Bild
Bild 1.2.3: Widerstand 4 Ringe
Beispiel 1:
Ring 1: braun=1
Ring 2: schwarz = 0
Ring 3: orange = x1000 (Multiplikator)
Ring 4: gold 5% (Toleranz)
10 x 1000 = 10k Ohm ± 5%
Ringfarbe
Bild 1.2.4: Widerstand 5 Ringe
Beispiel 2:
Ring 1: rot = 2
Ring 2: rot = 2
Ring 3: schwarz = 0
Ring 4: braun = x10 (Multiplikator)
Ring 5: braun 1% (Toleranz)
220 x 10 = 2.2k Ohm ± 1%
(Multiplikator)
5 (Toleranz)
Tabelle 1.2.1 Widerstand Farbcode Tabelle
Beachtet bitte, dass bei Kohleschicht-Widerstände – also jenen, die nur vierte Ringe aufgedruckt haben und ockerfarben sind – der dritte Ring bereits der Multiplikationsfaktor ist. Ihr überspringt in der vorstehenden Tabelle die Spalte mit der Beschriftung „3. Ring“ – diese Spalte ist explizit und ausnahmslos nur für die Metallschicht-Widerstände.
Temperaturabhängige Widerstände
Fast alle elektrischen Bauteile weisen bei höheren Temperaturen meist auch einen geringfügig höheren Widerstand auf. Es gibt aber auch Halbleiter-Materialien, bei denen diese Temperaturabhängigkeit sehr stark ausgeprägt ist und gezielt genutzt wird. Als spezielle Widerstände werden diese besonderen Materialien häufig als Temperatur-Sensoren eingesetzt.
Nachfolgend eine Übersicht der unterschiedlichen Widerstände und deren Einsatzmöglichkeiten.
PTC-Widerstände
Als Kaltleiter oder PTC-Widerstand „Positive Temperatur Koeffizient“ werden Stoffe bezeichnet, deren Widerstand bei steigenden Temperaturen zunimmt. Meist verwendet der PT100 oder PT1000. Das „PT“ kommt hierbei jedoch nicht von der Widerstandsart (PTC), sondern wird hier vom Widerstandsmaterial abgleitet – der chemischen Elementbezeichnung für Platin.
Bild 1.2.5: Schaltzeichen PTC Widerstand
NTC-Widerstände
Anwendung
Temperaturregelung
Flüssigkeitsniveaufühler
Als Heißleiter oder NTC-Widerstand „Negative Temperatur Koeffizient“ werden Stoffe bezeichnet, deren Widerstand bei steigenden Temperaturen abnimmt.
Bild 1.2.6: Schaltzeichen NTC Widerstand
Fotowiderstände
Anwendung
Temperaturfühler
Temp. Stabilisierung von Halbleiterschaltungen
Neben den temperaturabhängigen Widerständen gibt es auch solche, die belichtungsabhängig sind. Der Fotowiderstand oder LDR-Widerstand „Light Dependent Resistor“ genannt, hat bei voller Beleuchtung einen Widerstand von einigen hundert Ohm. Bei sinkender Lichtintensität steigt der Widerstand und kann bis auf einige Mega Ohm ansteigen. Die Widerstandsänderung von einem LDR ist, im Vergleich zu den zuvor beschriebenen temperaturabhängigen Widerständen, sehr langsam.
Bild 1.2.7: Schaltzeichen Fotowiderstand
Varistoren
Anwendung
Beleuchtungsstärke messen
Dämmerungsschalter Flammenwächter
Als Varistor oder VDR-Widerstand „Voltage Dependent Resistor“ bezeichnet man elektrische Widerstände, deren Wert von der anliegenden Spannung abhängig ist. Der Widerstandswert eines Varistor verhält sich zur anliegenden Spannung gegenläufig. Das heißt: bei zunehmender Spannung sinkt der Widerstand, bei sinkender Spannung steigt dieser an.
Bild 1.2.8: Schaltzeichen Varistor U
Anwendung
Spannungsbegrenzung
Spannungsstabilisierung
Überspannungsschutz
Regelbare Widerstände
Ein regelbarer Widerstand ist ein Widerstand, dessen Widerstandswert mechanisch über einen Schleifkontakt, durch Drehen oder Verschieben, geändert werden kann.
Ein einstellbarer Widerstandswert hat einen Tief- und einen Höchstwert. Der Kleinstwert kann z.B. 0 Ω sein. Der Höchstwert ergibt sich aus der Widerstandsbezeichnung. Jedes Potenziometer, auch kurz „Poti“ genannt, hat drei Anschlüsse, wobei zwischen den beiden äußeren Anschlüssen der auf dem Potenziometer angegebene Widerstandswert in voller Höhe auftritt.
Wird einer der Endkontakte und der mittlere Abgriff vom Potenziometer mit dem Stromkreis verbunden, so kann derWiderstand mithilfe von einem Drehknopf oder Schieberegler zwischen null und dem maximalen Wert eingestellt werden.
Anwendung
Variable Spannungsteiler
Stellwiderstände
Abschließend sollte auch nicht unerwähnt bleiben, dass auch jede elektrische Leitung an sich einen gewissen Widerstand in sich birgt. So kann auch ein solcher in Abhängigkeit des Leitungsquerschnitts, der Leitungslänge und dem jeweiligen Leitungsmaterial ermittelt werden. Eine Überlastung der elektrischen Leitungen führt zu einer Erwärmung dieser, welche bis hin zum Kabelbrand führen kann. Die Gefahren, welche vom Strom ausgehen können, sollten daher keineswegs unterschätzt werden.
Wenn ihr schon Erfahrung mit der Arduino IDE habt, dann könnt ihr hier dieses kleine Beispiel nachbauen, dass den Wert vom Poti alle 0,5 Sekunden in den Serial Monitor schreibt.
Source Code
https://github.com/Edistechlab/
int potpin = 0; //Analog pin A0 für das Potenziometer void setup() { Serial.begin(115200); }
void loop() { Serial.println(analogRead(potpin)); // (Wert zwischen 0 und 1023) delay(500); }
Bild 1.2.9: Schaltzeichen Poti
Bild 1.2.10: Aufbau Node-MCU mit Poti
Pull-up / Pull-down Widerstände
„Pull“ bedeutet bekanntlich ziehen, „up“ heißt hinauf, und „down“ heißt hinunter. Ein Pull-upWiderstand „zieht“ also etwas hinauf, während ein Pull-down-Widerstand etwas hinunterzieht. Das Prinzip ist ganz einfach: Der eine Widerstand zieht die elektrische Spannung nach oben, der andere nach unten. Dabei wird die Spannung in der Regel entweder bis zur Betriebsspannung hinaufgezogen oder bis auf GND (0V) hinuntergezogen.
Warum brauchen wir Pull-up- und Pull-down-Widerstände?
Ein Raspberry Pi oder Arduino verfügt über sogenannte Pins, die als Ein- und Ausgänge genutzt werden. Damit diese korrekt arbeiten, müssen sie sich in einem definierten Zustand befinden –entweder HIGH oder LOW. Ohne diese Definition können jedoch Störungen auftreten: Spannungsschwankungen oder hochfrequente Einstreuungen umliegender Bauteile können dafür sorgen, dass der Pin kein klares Signal empfängt. In solchen Fällen könnte ein Eingang ungewollt zwischen HIGH und LOW wechseln und unerwünschte Schaltungen auslösen.
Um dieses Problem zu vermeiden, setzen wir Pull-up- und Pull-down-Widerstände ein. Diese Widerstände sorgen dafür, dass der Zustand eines Pins immer eindeutig ist – selbst dann, wenn kein Signal angelegt ist.
Schauen wir uns nun die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten und Funktionsweisen dieser Widerstände genauer an.
Ohne Widerstand:
Bei diesem Beispiel verwenden wir keinen Widerstand, was die Gefahr birgt, dass am Eingang durch äußere Einflüsse eine Spannung anliegt, die den Arduino ungewollt schalten lässt. Der Kontakt ist somit undefiniert.
Wird der Taster gedrückt, liegen die +5 V an, und der Arduino schaltet wie gewünscht einwandfrei.
GND direkt
Hier ist dasselbe Beispiel, aber dieses Mal schalten wir gegen GND. Auch in diesem Fall bleibt der Kontakt undefiniert.
Wird der Taster gedrückt, liegt GND an, und der Arduino schaltet wie gewünscht einwandfrei.
Pull-up Widerstand:
Pull-up
Pull-down Widerstand:
Bei offenem Taster zieht der Widerstand den Eingang auf +5 V. Dadurch liegt ein eindeutiges „HIGH“ an. Dieser Widerstand wird daher Pull-upWiderstand genannt, da er den Eingang auf die Betriebsspannung hinaufzieht.
Bei geschlossenem Taster wird der Eingang mit GND verbunden. Die Spannung fällt dabei vollständig am Pull-up-Widerstand ab, wodurch am Eingang ein klares „LOW“ anliegt.
Pull-down
Bei offenem Taster zieht der Widerstand den Eingang gegen GND. Hier liegt definitiv 0 V, also "LOW" an. Deswegen wird dieser Widerstand als Pull-down Widerstand bezeichnet. Der Eingang wird auf GND heruntergezogen.
Bei geschlossenem Taster wird +5 V mit dem Eingang verbunden. Die Spannung fällt komplett am Pull-down-Widerstand ab, wodurch am Eingang +5 V und somit ein eindeutiges "HIGH" anliegt.
Welche Werte sollten Pull-up und Pull-down Widerstände haben?
Die Wahl des Widerstandswertes hängt stark von der jeweiligen Anwendung ab. Im Normalfall eignen sich Werte zwischen 10 kΩ und 100 kΩ. Es ist also nicht zwingend erforderlich, die oft empfohlenen 10 kΩ zu verwenden.
Ein größerer Widerstand (z. B. 100 kΩ) ist besonders dann sinnvoll, wenn der Arduino oder das System mit einer Batterie betrieben wird. Hier spielt ein niedriger Stromverbrauch eine zentrale Rolle, und höhere Widerstandswerte tragen dazu bei, die Batterie zu schonen. Dank des Ohmschen Gesetzes wissen wir: Je kleiner der Widerstand, desto höher der Stromfluss – was den Stromverbrauch erhöht und die Batterielaufzeit verkürzt.
Allerdings bietet ein kleinerer Widerstand (z. B. 10 kΩ oder weniger) den Vorteil, dass er empfindlicher gegenüber Störimpulsen ist. In „raueren Umgebungen“, in denen viele elektromagnetische Einstreuungen auftreten, können niedrigere Widerstandswerte sinnvoll sein, da sie mehr Störungen kompensieren.
Zusammengefasst:
Höhere Widerstände (z. B. 100 kΩ): Geringer Stromverbrauch, ideal für Batterieprojekte, aber anfälliger gegenüber Störungen.
Niedrigere Widerstände (z. B. 10 kΩ): Bessere Störsicherheit, höherer Stromverbrauch.
Die folgende Grafik dient als Richtwert und zeigt, welche Widerstandswerte sich für verschiedene Anwendungen eignen.Allgemein gilt:
1–10 kΩ für allgemeineAnwendungen.
10–100 kΩ für batteriebetriebene Systeme.
Allg. Batterie
0
1k 10k 100k ∞
Kurzschluss Kontakt offen
Pull-up oder Pull-down Widerstand, welchen nehme ich jetzt?
Es spielt eigentlich keine Rolle, ob wir einen Pull-up- oder Pull-down-Widerstand verwenden.Wenn man dieWahl hat, ob man gegen GND oderVCC schaltet, dann ist das eine Frage der Störsicherheit. Die bessere Wahl ist hier der Pull-up-Widerstand, da er auch batteriefreundlicher ist.
Hinweis
Bei DIY-Projekten ist der Widerstandswert meist nicht kritisch. Mit 10 kΩ liegt ihr in einem soliden Mittelwert, der für die meisten Anwendungen geeignet ist. Alternativ könnt ihr auch den nächstgrößeren Widerstand verwenden, den ihr gerade zur Hand habt. Der genaue Wert ist in der Regel nicht entscheidend, sodass ihr euch darüber keine großen Gedanken machen müsst.
Einfache Schaltungen
Reihenschaltung von Widerständen
Die Schaltung von Bauteilen in Reihe wird auch als Reihen- oder Serienschaltung bezeichnet. Bei dieser Schaltung bleibt der Strom bei allen Widerständen gleich. Der Gesamtwiderstand in einer Reihenschaltung ist die Summe der Einzelwiderstände. Da der Strom in der Reihenschaltung überall gleich groß ist, verursachen die ungleichen Widerstände unterschiedliche Spannungsabfälle. Die Spannung verteilt sich anteilig auf die jeweiligenWiderstände. Deswegen fällt in der Reihenschaltung am größtenWiderstand, der höchste Spannungsanteil ab.
Hinweis
In der Reihenschaltung bleibt der Strom bei allen Widerständen gleich und die Spannung teilt sich auf.
R ges = R1 + R2 + R3
U ges = U1 + U2 + U3
U ges = R ges x I I ges
Parallelschaltung von Widerständen
Bei der Parallelschaltung von Widerständen bleibt, im Gegensatz zur Serien- bzw. Reihenschaltung, die Spannung bei allen Widerständen gleich und der Strom teilt sich auf. Der Gesamtwiderstand der Parallelschaltung ist kleiner als der kleinste Einzelwiderstand. Wir können uns den Widerstand als Tür vorstellen. Je mehr Türen wir nebeneinander haben, desto mehr Menschen können gleichzeitig durch die Türen gehen. Das Gleiche gilt für die Ladungsträger in einer Parallelschaltung. Berechnet wird der Gesamtwiderstand als Kehrwert der Summe aller Kehrwerte der Einzelwiderstände. Da die Spannung in der Parallelschaltung überall gleich groß ist, verursachen die unterschiedlichen Widerstände unterschiedliche Teilströme. Die Ströme verhalten sich umgekehrt zu ihren Widerständen. Deswegen fällt an hochohmigen Widerständen ein kleiner Strom ab.
Hinweis
In der Parallelschaltung bleibt die Spannung bei allen Widerständen gleich und der Strom teilt sich auf.
Gemischte Schaltungen von Widerständen
Reihen- und Parallelschaltungen kommen in Geräten/Schaltungen regelmäßig auch gemeinsam vor, weshalb man dann von einer gemischten oder Gruppenschaltung spricht. Es gibt sowohl erweiterte Reihen- als auch erweiterte Parallelschaltungen. In beiden Fällen werden die Widerstände zusammengefasst, wodurch eine immer einfacher werdende Schaltung entsteht. Man sagt auch, die Schaltung löst sich auf.
Zum besseren Verständnis machen wir Beispiele mit der Berechnung von unterschiedlichen Gruppenschaltungen.Außerdem zeige ich euch noch eine vereinfachte Rechenform, die angewandt werden kann, wenn eine Parallelschaltung aus nur zwei Widerständen besteht.
Erweiterte Reihenschaltung
Diese Schaltung besteht aus einer Parallelschaltung der Widerstände R2 und R3, die wiederum in Serie mit dem Widerstand R1 geschalten sind. Um den Gesamtwiderstand dieser Schaltung berechnen zu können, wird zuerst der Widerstand R23 berechnet. Da es sich hier um eine Parallelschaltung von nur zwei Widerständen handelt, können wir die vereinfachte Formel verwenden. Nach der Berechnung ergibt sich eine Serienschaltung derWiderstände R1 und R23, die wir einfach addieren können, um den Gesamtwiderstand zu ermitteln. R1 R2 R3 U I 1 1 2 2 R1 U I R23 = R23 R2 x R3 R2 + R3 R ges = R1 + R23
Erweiterte Parallelschaltung
Die erweiterte Parallelschaltung besteht aus einer Reihenschaltung mit den Widerständen R2 und R3, die wiederum parallel geschaltet sind zu R1. Hier starten wir mit der Berechnung von R23, indem wir die beiden Widerstände R2 und R3 addieren. Danach können wir wieder mit der vereinfachten Formel die Parallelschaltung mit den Widerständen R1 und R23 berechnen.
Egal, wie komplex eine Schaltung aufgebaut ist, das Vorgehen ist immer identisch. Indem wir die Reihen- und Parallelschaltungen zusammenfassen und berechnen, wird die Schaltung immer weiter vereinfacht – aufgelöst.
