Heimautomation und Elektronik für Anfänger (Leseprobe)

Heimautomation und Elektronik für Anfänger

Projekte mit Arduino, ESPHome, Home Assistant und Raspberry Pi & Co

MIT VIELEN VIDEOTUTORIALS booksbooks

Autor

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.

© Copyright 2023 –Urheberrechtshinweis

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.

Erstausgabe, Juli 2022

Änderungen:

Neu Hinzugekommen:

Diese Links sind NICHT gesponsert, aber ich finde diese Programme sind empfehlenswert.

1 Elektronik Grundlagen

In diesem Kapitel:

■ Strom und Spannung

■ Der Widerstand

■ Einfache Schaltungen

■ Kondensator / Halbleiterbauelemente

■ Diode / Transistor / MOSFET

■ Spannungsregler

■ Pulsweitenmodulation

Strom und Spannung

Elektrischer Strom I

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 1.1.1: Model für den Strom in einem Leiter

Bild 1.1.2: Einfacher Stromkreis mit einer Lampe

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.

Berechnung der Stromstärke - 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 R R

Strom = Leistung Spannung

I = P U

Strom = Elektrizitätsmenge Zeit I = Q t

Bild 1.1.3: Technische Stromrichtung (+ zu -)

Bild 1.1.4: Physische Stromrichtung (- zu +) Elektronenflussrichtung

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.

Je 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.

Stromfluss

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.

Bild 1.1.7: Schaltzeichen Spannungsquelle (Batterie)

Bild 1.1.6: Schaltzeichen Spannungsquelle

Gleich- und Wechselspannung

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.

Sinus Welle

0-180º

positive negative

Effektivwert

180-360º

Periodendauer (T)

Bild 1.1.8: Sinus Welle einer Wechselspannung

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

Spannung = Widerstand x Strom

Spannung = Leistung Strom

U = W Q

U = R x I

U = P I

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.

Widerstandsfarbcode-Tabelle

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 1.2.1: Widerstand nach EN

Bild 1.2.2: Widerstand nach ANSI

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%

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% Ringfarbe Ring 1 Ring 2

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.

Tabelle 1.2.1 Widerstand Farbcode Tabelle

Bild 1.2.3: Widerstand 4 Ringe

Bild 1.2.4: Widerstand 5 Ringe

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.

1.2.6:

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

Bild

Schaltzeichen NTC Widerstand

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“ heißt bekanntlich ziehen, „up“ heißt rauf und „down“ heißt runter. Ein Pull-up-Widerstand „zieht“ also etwas hinauf, der Pull-down-Widerstand zieht etwas hinunter. Ist doch super einfach, oder? Der eine zieht die elektrische Spannung hinauf und der andere zieht sie hinunter. Das Hinaufziehen geht dabei meistens bis zur Betriebsspannung und das Hinunterziehen auf GND, also 0V.

Wofür benötigen wir diese Pull-up / Pull-down Widerstände?

Raspberry Pi und Arduino verfügen über Ein- und Ausgänge, die sogenannten Pins. Diese müssen in einem definierten Zustand sein, um korrekt zu funktionieren, z.B. HIGH oder LOW. Jetzt können aber Spannungsschwankungen oder hochfrequente Einstreuungen umliegender Bauteile dazu führen, dass der Eingang kein eindeutiges HIGH oder LOW Signal anliegen hat und schaltet, obwohl er es noch gar nicht sollte. Um dem entgegenzuwirken, verwenden wir Pull-down- und Pullup-Widerstände.Aber schauen wir uns jetzt die verschiedenen Möglichkeiten genauer an.

Ohne Widerstand:

Pull-up Widerstand:

+5 Volt direkt

Bei diesem Beispiel verwenden wir keinen Widerstand und das birgt jetzt die Gefahr, dass am Eingang eine Spannung durch äußere Einflüsse anliegen könnte, die den Arduino schaltet. Der Kontakt hängt in der Luft.

Wenn der Taster gedrückt wird, liegen die +5 V an und der Arduino schaltet einwandfrei.

GND direkt

Hier ist dasselbe Beispiel, aber dieses Mal schalten wir gegen GND. Auch hier hängt der Kontakt in der Luft.

Wenn der Taster gedrückt wird, liegt GND an und der Arduino schaltet einwandfrei.

Pull-up

Bei offenem Taster zieht der Widerstand den Eingang gegen +5 V. Hier liegt definitiv “HIGH” an. Daher wird dieser Widerstand Pull-up-Widerstand genannt – der Widerstand zieht den Eingang auf die Betriebsspannung rauf

Bei geschlossenem Taster wird GND mit dem Eingang verbunden. Die Spannung fällt komplett am Pull-up-Widerstand ab und dadurch liegt am Eingang GND an – ein eindeutiges "LOW".

Pull-down Widerstand:

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?

Wie groß der Widerstand sein soll, hängt ganz von der Anwendung ab. Im Normalfall eignen sich Werte von 10 bis 100 kΩ. Man muss also nicht zwangsläufig die oft empfohlenen 10 kΩ Widerstände verwenden.

Ein größerer Widerstand als 10 kΩ sollte insbesondere dann Anwendung finden, wenn der Arduino per Batterie betrieben wird. Allgemein kommt es bei Batteriebetrieb auf einen möglichst geringen Stromverbrauch an, weshalb dann möglichst hohe Widerstände zum Einsatz kommen sollten. Dank des Ohmschen Gesetzes wissen wir ja bereits: je kleiner derWiderstand, desto höher der Stromfluss. Dies geht zulasten des Stromverbrauchs und vermindert so die Laufzeit mit Batterie. Da aber bei höheren Strömen mehr Störimpulse von außen geschluckt werden können, kann es in einer „raueren Umgebung“ durchaus Sinn ergeben, einen kleineren Widerstand zu verwenden. Höhere Widerstände schonen dieAkkukapazität, machen die Schaltung jedoch anfälliger gegen Störimpulse – bei niedrigeren Widerstandswerten verhält es sich gegenläufig. Seht euch die nachfolgende Grafik als Richtwert an, welche euch zeigt, bei welcher Anwendung welche Widerstandswerte zum Einsatz kommen sollten. Es gilt die allgemeine Anforderung 1–10 kΩ und für Batterie betriebene Projekte eben 10–100 kΩ.

Allg. Batterie Ω

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 Batterie schonender ist.

Hinweis

Der Widerstandswert ist bei unseren DIY-Projekten nicht kritisch. Mit 10 kΩ liegt ihr in der goldenen Mitte. Alternativ nehmt ihr den nächst-größeren Widerstand, den ihr gerade verfügbar habt. Es spielt keine große Rolle, weshalb wir uns nicht unnötig den Kopf zerbrechen sollten.

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.

R1 R2 R3

U1 U2 U3

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. R3 I1 I2 I3

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.

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.

Aufbau eines Kondensators

Ein Kondensator ist ein elektrisches Bauelement, mit dem elektrische Ladung und damit elektrische Energie gespeichert werden kann. Die einfachste Form eines Kondensators ist ein Plattenkondensator, der aus zwei sich gegenüberstehenden, voneinander isolierten Metallplatten besteht, zwischen denen sich Luft als Dielektrikum befindet. Das Dielektrikum ist als Isolator zu verstehen.

Wird jetzt an dem Kondensator eine Gleichspannung angelegt, dann entsteht zwischen den beiden metallischen Platten ein elektrisches Feld, in dem Feldenergie gespeichert ist. Eine Platte nimmt positive und die anderen negative Ladungsträger auf, mit der gleichenVerteilung der Ladungsträger. Eingesetzt werden Kondensatoren zum Zwischenspeichern elektrischer Energie, zum Frequenzen filtern und um Schwankungen von Gleichspannung auszugleichen, um ein paar Beispiele zu nennen.

Dielektrikum

Elektrode

Anschluss

Anschluss

Plattenabstand

ACHTUNG

In einem Kondensator können teilweise beträchtliche Ladungsmengen gespeichert sein. Berühre deshalb niemals die Anschlüsse eines Kondensators, wenn du nicht sicher bist, dass er sich nicht im aufgeladenen Zustand befindet!

Die Kapazität eines Kondensators

Die Kapazität (C) ist das Speichervermögen eines Kondensators und es gibt das Verhältnis aus maximal speicherbarer Ladung (Q) bei einer bestimmten Spannung (U) an. Die Einheit für die Kapazität wird in Farad (F) angegeben.

Die Kapazität von einem Kondensator wird durch seine bauliche Grösse bestimmt. Sie ist abhängig davon, wie gross die Platten sind, welchen Abstand sie zueinander haben und welcher Stoff sich zwischen ihnen befindet.

Die Kapazität von Kondensatoren ist eher klein und die Werte werden meistens in µF (Mikro 1E-6) nF (Nano 1E-9) oder pF (Pico 1E-12) Farad angegeben.

C = Q U

Bild 1.4.1: Plattenkondensator

Bild 1.4.2: Schaltzeichen Kondensator

Kondensator im Gleichstromkreis

Um einen Kondensator komplett aufladen zu können, sind je nach der Kapazität des Kondensators und der Stärke vom Ladestrom oft nur ein paar Sekunden oder Bruchteile von Sekunden nötig. Der Ladevorgang beginnt in der Regel sehr schnell mit dem Aufbauen der Spannung zwischen den Kondensatorplatten und wird dann zunehmend langsamer. Der Ladevorgang ist dann beendet, wenn die Spannung UC der Ladespannung U0 entspricht und es kann kein Strom mehr durch den Kondensator fliessen.

U0

U I t t

laden entladen

Schaltzeichen von Kondensatoren

Hier möchte ich euch die vier am häufigsten verwendeten Schaltzeichen von Kondensatoren vorstellen.

Bild 1.4.4:

Benötigte

Teile

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Kondensator

Bild 1.4.3: Kondensator lade -entlade Kennlinien

Bild 1.4.5: Elektrolytkondensator

Bild 1.4.6: Drehkondensator

Bild 1.4.7: Trimmerkondensator

Kondensator Typen

Man unterscheidet Kondensatoren mit fester Kapazität und veränderbarer Kapazität wie den Drehkondensatoren und Trimmkondensatoren.

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist, ob der Kondensator gepolt oder ungepolt ist. Zu den gepolten Kondensatoren gehören Elektrolytkondensatoren, Aluminium-Elektrolytkondensatoren und Doppelschicht-Kondensatoren um nur ein paar zu nennen. Bei den ungepolten Kondensatoren haben wir Folienkondensatoren und Keramikkondensatoren, die am häufigsten eingesetzt werden.

Elektrolytkondensator

Ein Elektrolytkondensator, oft auch Elko genannt, hat meist einen hohen Kapazitätswert von 1 µF bis 10 mF oder sogar noch mehr. Der Elektrolytkondensator gehört zur Gruppe der gepolten Kondensatoren, was bedeutet, dass der Kondensator ein Plus und einen Minus-Anschluss hat und diese nicht vertauscht werden dürfen. Zu erkennen ist der Minus-Pol am aufgedruckten Minus Zeichen und bei den meisten Elkos ist der Pluspol mit einem längerenAnschlussdraht ausgeführt.

Bei den Elektrolytkondensatoren ist es wichtig zu Wissen, dass die Kapazität im Laufe der Zeit beachtlich abnehmen kann. Sie sollten deshalb nur dort eingesetzt werden, wo dieAbweichung des Kapazitätswertes für die Schaltung keine allzu grosse Rolle spielt.

Wegen der großen Kapazität der Elkos werden sie gerne zur Stromspeicherung verwendet oder als Stützkondensator bei der Versorgungsspannung.

Der Elko besteht aus zweiAluminiumelektroden, von denen eine Elektrode künstlich oxidiert wird. Diese Oxidschicht bei der Anode wirkt als Dielektrikum des Kondensators. Papierschichten oder isolierendes durchlässiges Gewebe trennen dieAnodenfolie von der Kathodenfolie. Das Papier oder Gewebe ist in ein Elektrolyt getränkt und wird zusammengerollt in einen Aluminiumbecher untergebracht.

Kathode Folie -

Bild 1.4.9: Elektrolytkondensator

Bild 1.4.8: Aufbau Elektrolytkondensator

Keramikkondensator

Ein Keramikkondensator, der auch Kerko genannt wird, verwendet, wie der Name schon sagt, für das Dielektrikum Keramik. Darauf werden die Elektroden des Kondensators auf-metallisiert und die Anschlüsse darauf angebracht. Darüber kommt eine Schutzhülle aus Kunststoff.

Keramikkondensatoren haben Kapazitäten von einigen Picofarad (pF) bis einige Nanofarad (nF) und sie werden als Zwischenspeicher oder zumAbschneiden von Spannungsspitzen eingesetzt. Die Polarität spielt bei diesem Kondensator keine Rolle.

Anschluss Anschluss

Schutzhülle Dielektrikum

Elektrode

Bild 1.4.10: Aufbau Keramik-Scheibenkondensator

Halbleiterbauelemente

Aufbau von Halbleiterbauelemente

Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleiter liegt zwischen Metallen wie Kupfer und Isolatoren wie Glas. Bei Metallen haben wir eine hohe Dichte an frei beweglichen Ladungsträger und bei Isolatoren sind die Ladungsträger fest an dieAtome gebunden.

Bei Raumtemperatur ist die Leitfähigkeit der Halbleiter gering. Führt man Energie in Form von Wärme, Licht, Spannung, oder magnetischer Energie hinzu, dann verändert sich die Leitfähigkeit. Halbleiterwerkstoffe haben eine Kristallstruktur und das bekannteste Halbleitermaterial ist Silizium. Silizium (Si) findet man in Sand und es kommt vielfach in der Natur vor.

Das Silizium-Atom

Silizium ist das am häufigsten verwendetet Halbleitermaterial und anhand diesem schauen wir uns das Prinzip der Halbleiter an. Das Silizium besitzt 14 Elektronen, vier von acht davon als Aussenelektronen (Valenzelektronen) und kann sich mit anderen Silizium Atomen zu einem Silizium Gitter verbinden. Bei dieser Bindung teilen sich die SiAtome jeweils ein Elektron, um die Valenzschale mit acht Elektronen zu füllen. Diese Bindung nennt man eine kovalente Bindung. Bei tiefen Temperaturen passiert mit diesem Halbleiter nichts und alle Elektronen sind festgebunden. Wird dieTemperatur erhöht, geraten die Silizium-Atome in Schwingung und die Elektronen können sich vom Gitterverbund lösen und sind nun frei beweglich.Am Platz, wo das Elektron war, entsteht nun ein positives Loch und durch die frei beweglichen Elektronen erhöht sich die Leitfähigkeit im Quadrat zur Temperatur.

14 28,09

Bild 1.5.1: Silizium Atom

Bild 1.5.2: Silizium im Periodensystem

Bild 1.5.3: Silizium als Gitter verbunden

Bild 1.5.4: Erhitztes Siliziumgitter mit Löcher und freien Elektronen

Bändermodell

Das Bändermodell ist ein physikalischesModell für die Energiezustände der Elektronen in einem Festkörper. Ein Halbleiter hat zwei energetische Bänder. Das Valenzband (p-Leitung) das mit Elektronen besetzt ist und das Leitungsband (n-Leitung) das mit übergesprungenen Elektronen besetzt ist. Dazwischen haben wir die Bandlücke die bei undotierten Halbleitern (Eigenhalbleiter) so klein ist, dass schon bei Raumtemperatur die Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband überspringen können. Bei diesem Model geht man davon aus, dass nur Elektronen im Leitungsband zum Ladungstransport beitragen.

Leitungsband

Energie E

Bandlücke

Valenzband

Dotierung von Halbleiter

Energie E

Bandlücke

Leitungsband - -+ -

Valenzband

Die Eigenleitung von reinen Halbleiterkristallen ist wegen der starken Temperaturabhängigkeit nicht erwünscht. Um Halbleiter technisch nutzbar zu machen, werden die Halbleiterkristalle mit Fremdatomen verunreinigt. Diesen Vorgang nennt man Dotieren und es kann wahlweise ein Elektronenüberschuss (n-Schicht) oder ein Elektronenmangel (p-Schicht) dotiert werden.

n-Dotierung

Bei der n-Dotierung wir ein Fremdatom eingesetzt mit mehr Aussenelektronen als Silizium. Typischerweise wird hier Phosphor (P) verwendet, dass ein freies Elektron zur Verfügung stellt. Es kann aber auch Arsen (As) oder Antimon (Sb) verwendet werden. Da ein Elektron ein negativ geladener Ladungsträger ist, spricht man hier von einem n-Leiter. Im Atomkern steht jedem Elektron ein Proton gegenüber was den Halbleiter selbst nach der Dotierung noch elektrisch neutral bleiben lässt.

p-Dotierung

Bei der p-Dotierung wir ein Fremdatom eingesetzt mit wenigerAussenelektronen als Silizium. Für eine p-Dotierung kann Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In) oder auch Bor (B) eingesetzt werden. Durch das fehlende Elektron entsteht ein Defektelektron das auch positives Loch genannt wird. Wird ein Elektron durch Wärmeeinwirkung frei, dann wird es von der offenen Bindung angezogen. Dadurch verschwindet das Loch, aber an einer anderen Stelle ist ein neues Loch entstanden.

Durch den Elektronenmangel respektive positiver Ladung spricht man hier von einem p-Leiter, der selbst nach der Dotierung noch elektrisch neutral bleibt, da den fünf Elektronen, fünf Protonen im Kern gegenüber stehen.

Bild 1.5.9: n-Dotiertes Siliziumgitter

Bild 1.5.10: p-Dotiertes Siliziumgitter

Si Si

Si Si

Bild 1.5.7: Bor Atom

Bild 1.5.8: Bor im Periodensystem

Der pn-Übergang

Wird ein p-leitendes Material mit einem n-leitenden Material zusammengefügt, dann entsteht im Grenzbereich der sogenannte pn-Übergang. Dieser Bereich wird auch Grenz- oder Sperrschicht genannt. Ohne äußere Einwirkung durch Spannung wandern durch die Wärmeschwingung die freien Elektronen von der n-Schicht zu den Löchern in der p-Schicht und gehen dort eine Verbindung ein. Das Wandern der Elektronen nennt man Ladungsträgerdiffusion und es entsteht ein Ionengitter. In dieser an freien Ladungsträgern verarmten Sperrschicht entsteht ein starkes elektrisches Feld, das eine weitere Elektrodenwanderung verhindert. Bei steigender Temperatur wird die Sperrschicht breiter und das elektrische Feld grösser. Bei 20 °C entsteht in der Sperrschicht eine Diffusionsspannung (UDif) bei Silizium von 0,7 Volt.

AlsAnmerkung: Bei Germanium beträgt die Diffusionsspannung nur 0,3 Volt.

Bild 1.5.11: pn-Übergang bei Raumtemperatur

Bild 1.5.12: pn-Übergang im heissen Zustand

Dioden

Aufbau einer Diode

Die Halbleiterdiode besteht aus einer p- und einer n-Schicht, die in Harz gegossen ist. Wegen dem pn-Übergang ist eine Diode gepolt und sie lässt den Strom nur in eine Richtung fließen. Auf der Diode ist ein Ring aufgedruckt der die Kathode (n-Schicht) markiert.

Das Schaltzeichen besteht aus einem Dreieck, das ist die Anode (p-Schicht) und einem Balken der die Kathode (n-Schicht) symbolisiert. Die Spitze vom Dreieck zeigt die Durchlassrichtung für die technische Stromrichtung an.

Wenn man die Diode in Durchlassrichtung betreiben möchte, dann wird an der Anode der Pluspol angeschlossen. Will man sie in der Sperrrichtung betreiben, wird der Pluspol an die Kathode angeschlossen.

TypischeAnwendung für Dioden sind Gleichrichtung von Spannungen und der Verpolungsschutz.

Anode Kathode Anode Kathode

Diodenkennlinie

Mit der Diodenkennlinie können wir das Verhalten der Diode für einen Betrieb in Sperrrichtung und in Durchlassrichtung ablesen. Zwei wichtigeWerte beim Umgang mit Dioden sind der Schwellwert, der angibt, ab welcher Spannung eine Diode leitend wird und die Durchbruchspannung, die angibt wie hoch die maximale Spannung beim Betrieb in Sperrrichtung sein darf. Die Nennwerte findet ihr im Datenblatt der jeweiligen Diode. Die nachfolgende Kennlinie ist allgemein gehalten und dient nur zum besseren Verständnis der Dioden.

Durchbruchbereich: Wenn die Diode in Sperrrichtung betrieben wird, und die Spannung den Wert UBR (Durchbruchspannung / Zenerdurchbruch) überschreitet, steigt der Strom schlagartig an. Wird dieser Strom nicht begrenzt, dann wird die Diode so heiss, dass es zu einer Zerstörung der Diode kommt.Als Beispiel bei einer 1N4001 Diode liegt der Durchbruchbereich bei 50 Volt.

Sperrbereich: Wird die Diode in Sperrrichtung betrieben, dann fließt nur ein kleiner Sperrstrom durch die Diode. Das Sperren bleibt so lange bestehen, solange die Durchbruchspannung der Diode nicht überschritten wird.

Durchlassbereich: Die Schwellspannung US gibt an, ab welcher Spannung die Diode in Durchlassrichtung leitend wird. Eine Diode ist nicht immer leitend, sondern erst, wenn die Schwellspannung erreicht ist. Beim Überschreiten von US steigt der Strom, der durch die Diode fließt schnell an. Wie hoch die Schwellspannung (Diffusionsspannung) ist, hängt vom Halbleitermaterial der Diode ab. Bei Silizium liegt sie bei ~ 0,7 Volt und bei Germanium ungefähr bei ~ 0,3 Volt.

Die Schwellspannung fällt bei Stromfluss an der Diode ab, was ihr umbedingt bei eurem Design berücksichtigen solltet.

Bild 1.6.1: Diode Schaltzeichen

Bild 1.6.2: Diode - Aufbau der Schichten p

Diode

Durchbruchbereich

Der

Sperrbereich

Durchlassbereich

UF

Legende

UR - Spannung Sperrrichtung

UF - Spannung Durchlassrichtung

UBR - Durchbruchspannung

US - Schwellspannung

IF - Strom in Durchlassrichtung

IR - Strom in Sperrrichtung

pn-Übergang in der Diode

Zum besseren Verständnis sehen wir uns den PN-Übergang anhand von ein paar unterschiedlichen Spannungen an einer Silizium-Diode an. Zur Erinnerung, bei einer Silizium-Diode ist die Durchlassspannung ~ 0,7 Volt.

Legen wir an dieAnode den Pluspol und an die Kathode den Minuspol mit einer Spannung von 0,3 Volt an, dann wird der pn-Übergang etwas verkleinert. Wird die Spannung weiter auf 0,5 Volt erhöht, so wird dadurch der pn-Übergang weiter verkleinert. Legen wir die Durchlassspannung von 0,7 Volt an die Diode an, dann wird die Diode leitend und wir haben keine Sperrschicht mehr.

Wird die Spannung umgekehrt, also der Minuspool an die Anode und der Pluspol an die Kathode angeschlossen, so wird der pn-Übergang vergrössert. Diese Spannung können wir bis maximal zur Durchbruchspannung erhöhen, ansonsten wird die Diode zerstört.

Spannung: 0,3 Volt

Spannung: >0,7 Volt

Spannung: 0,5 Volt

Spannung: -x Volt

Bild 1.6.3: Diodenkennlinie

Die Z-Diode

Die Z-Diode ist eine Silizium-Halbleiterdiode und sie besteht aus einer p- und einer n-Schicht, die dauerhaft in Sperrrichtung betrieben wird. Wird sie in Durchlassrichtung betrieben, funktioniert sie wie eine normale Diode.

Die wichtigste Kenngröße bei Z-Dioden ist die klar definierte Durchbruchspannung UBR ab der die Diode den elektrischen Strom durchlässt und anders als bei normalen Dioden dabei nicht zerstört wird.

Über einen weiten Bereich von Stromstärken entspricht der Spannungsabfall an der Z-Diode genau der Durchbruchspannung. Um die Diode vor hohen Strömen und Überhitzung zu schützen, wird ein Vorwiderstand benötigt.

Eine typische Anwendung von Z-Dioden ist die Spannungsstabilisierung in Schaltungen mit kleinem Stromverbrauch, der Einsatz zur Spannungsbegrenzung von Spannungsspitzen oder als Referenzspannung in Schaltungen.

Anode Kathode

Zener-Diode und Avalanche-Diode

Das Z bei der Diode steht nicht für Zener, sondern symbolisiert den Verlauf der typischen Kennlinie einer Z-Diode. Zener-Dioden dürfen nur so genannt werden, wenn die Durchbruchspannung bei 1,5 V bis 5 Volt liegt. Liegt die Durchbruchspannung darüber, spricht man von einerAvalanche-Diode.

Zener-Effekt:

Der Zener-Effekt wird durch das elektrische Feld ausgelöst, sobald die Durchbruchspannung erreicht ist. Dadurch werden Elektronen aus ihren Kristallbindungen der p-dotierten Schicht herauslöst und sie tunneln zu der n-dotierten Schicht. Dadurch entstehen freie Ladungsträger und es kommt zu einem Stromfluss in Sperrrichtung.

Avalanche oder Lawinen-Effekt:

Beträgt die Spannung über 5 Volt dominiert der Avalanche-Effekt oder auch Lawinen-Effekt genannt. Die Ladungsträger, die durch den Zener-Effekt frei wurden, werden durch das elektrische Feld sehr stark beschleunigt und das führt dazu, dass weitere Elektronen aus ihren Kristallbindungen herausgelöst werden und in die Sperrschicht wandern. Auf dem Weg dorthin können sie weitere gebundene Ladungsträger herausschlagen und dadurch steigt in einem sehr kurzen Zeitraum die Stromstärke stark an.

Beide Effekte treten im Bereich von 5 Volt gleichzeitig auf. Unterhalb von 5 Volt dominiert der Zener-Effekt und oberhalb derAvalanche-Effekt.

Bild 1.6.4: Z-Diode Schaltzeichen

Bild 1.6.5: Z-Diode alternatives Schaltzeichen

Z-Diode

Durchlasskennlinie

3.3 V - Z-Diode

4.7 V - Z-Diode

6.8 V - Z-Diode

Sperrbereich

Bild 1.6.6: Z-Diodenkennlinie

Spannungsstabilisierung

Durchlassbereich

mit einer Z-Diode

Wenn wir eine konstante Spannung von zum Beispiel 3,3 Volt benötigen, wir aber die Schaltung mit 12 Volt versorgen, bietet es sich an, für kleine Leistungen im mW Bereich oder als Referenzspannung eine Z-Diode zu benutzen. Die Z-Diode 1N4728 hat eine Durchbruchspannung von 3,3 Volt. Machen wir ein Rechenbeispiel für diese Spannungsstabilisierung mit einer Z-Diode.

Ströme berechnen:

Den maximalen Strom, der durch die Z-Diode fließen kann, berechnet man über die Leistung und der Spannung mit nachfolgender Formel. (Daten aus dem Dioden Datenblatt)

IZmax = P U2

IZmax = 0,5 W 3,3 V

IZmax = 151 mA

Um den Gesamtstrom der Schaltung berechnen zu können, benötigen wir den minimalen Strom von der Z-Diode, der benötigt wird, um die Diode sauber durchbrechen zu lassen. Das sind ungefähr 10% vom maximalen Strom, die genauen Daten können aus dem Datenblatt entnommen werden. Um etwas Sicherheit einzurechnen, nehmen wir für IZ = 20 mA an, und für den Laststrom IL verwenden wir auch 20 mA. Die Ströme können addiert werden, um den Gesamtstrom Iges zu erhalten. I ges = IZ + IL = 40 mA.

Berechnung vom Lastwiderstand:

Den Lastwiderstand RL können wir mit dem ohmschen Gesetz berechnen. R = U / I (3,3 V / 20 mA) und als Ergebnis erhalten wir 165 Ω. Da es keinen 165 Ω Widerstand gibt, verwenden wir für RL einen Widerstand mit 160 Ω.

Berechnung vom Vorwiderstand:

Der Vorwiderstand begrenzt den Strom auf den Gesamtstrom und schützt somit die Z-Diode. Berechnet wird er mit folgender Formel.

mA RV = 217,5 Ω

Da es keinen Widerstand mit 217 Ω gibt, nehmen wir den nächstgelegenen Standard mit 220 Ω.

Berechnung der Leistungen:

Die Leistungen können wir jetzt mit den angepassten Widerständen berechnen, um sicherzustellen, dass sich die eingesetzten Bauteile innerhalb der Spezifikation befinden. Starten wir mit dem Vorwiderstand. PV = (Uges - UZ) x Iges = (12 V - 3,3 V) x 39.5 mA= 344 mW

Die Leistung der Diode berechnet sich folgendermaßen. PZ = 3,3 V x 20 mA = 66 mW und der Lastwiderstand hat eine Leistung von PL = 3,3 V x 20,6 mA= 68 mW

∑

Tabelle 1.6.1: 0.5 W Z-Dioden Beispielwerte = RV U ges - UZ I ges = RV 12 V - 3,3 V

ACHTUNG

Es können sehr hohe Leistungen entstehen und die Bauteile könne sehr heiß werden. Es muss sichergestellt werden, dass die Bauteile für die Leistungen ausgelegt sind. Beim Vorwiderstand haben wir eine Leistung von 344 mW, das heißt, dass wir einen Widerstand mit mindestens 500 mW Leistung verwenden sollen und der Standard Widerstand mit 1/4 Watt nicht ausreicht.

Tabelle 1.6.2: 1 W Z-Dioden Beispielwerte

Die Schottky Diode

Die Schottky Diode unterscheidet sich im Aufbau zu einer Silizium-Halbleiterdiode dadurch, dass dieAnode kein p-dotierter Halbleiter ist, sondern eine kapazitätsarme Metallelektrode. Dadurch hat die Schottky Diode anstelle vom pn-Übergang einen Metal-Halbleiter-Übergang. Dieser an Elektronen verarmte Bereich wird als Schottky-Sperrschicht bezeichnet. Schottky Dioden zeichnen sich durch einen geringen Spannungsabfall von ca. 0,4 Volt in Durchlassrichtung aus. Ein weiterer Vorteil ist das sehr schnelle Schalten vom Durchlassbereich in den Sperrbereich und umgekehrt, mit Schaltzeiten von ein bis drei Nanosekunden. Wegen der geringen Durchlassspannung und der kurzen Schaltzeit haben Schottky Dioden eine wesentlich geringere Verlustleistung gegenüber einer Silizium-Diode

Eingesetzt wird die Schottky Diode, wo schnelles Schalten erforderlich ist oder ein niedriger Spannungsabfall benötigt wird. Es gibt deswegen zwei Typen von Schottky Dioden, eine mit verringerter Leistungsaufnahme sowie eine mit extrem kurzen Schaltzeiten.

Anode

Kathode

Anode

Kathode

Bild 1.6.8: Schottky Diode - Aufbau der Schichten n

Bild 1.6.7: Schottky Diode Schaltzeichen

Schottky-Diode

Sperrbereich

Durchlassbereich

Bild 1.6.9: Schottky-Diodenkennlinie

Benannt ist der Schottky-Effekt nach dem deutschen Physiker Walter Schottky (1886-1976).

Die Leuchtdiode – LED

LED ist die Abkürzung für Light Emitting Diode, was so viel wie Licht emittierende Diode bedeutet. Sie sind eine spezielle Art von Diode, die elektrische Energie in Licht umwandelt. Sie haben fast identische elektrische Eigenschaften wie eine Silizium-Halbleiterdiode. Deswegen ähnelt das Symbol der LED, mit der Ausnahme, dass es Pfeile enthält, die anzeigen, dass die Diode Licht aussendet.

LEDs sind sehr weit verbreitet und es gibt eine große Vielfalt an Formen, Größen und Farben. Der Aufbau einer LED unterscheidet sich stark von dem einer gewöhnlichen Diode. Der PNÜbergang einer LED ist von einer transparenten, starren Kunststoffhülle aus Epoxidharz umgeben. Die Hülle ist so konstruiert, dass die von der Sperrschicht emittierten Lichtphotonen durch die gewölbte Oberseite der LED, die selbst wie eine Linse wirkt, nach oben fokussiert werden. Demzufolge erscheint das emittierte Licht oben auf der LED am hellsten.

Bei der LED hat dieAnode einen längerenAnschluss als die Kathode und wenn man genau hinsieht, dann ist dieAnode um einiges dünner als die Kathode.

Anode Kathode

KATHODE

Anode Kathode

Licht / Photonen

p n pn

Funktionsweise einer LED

Die LED hat eine sehr dünne p-Schicht mit großer Löcherdichte und sie kann nur in Durchlassrichtung betrieben werden. Die freien Elektronen durchqueren den PN-Übergang und rekombinieren mit den Löchern. Da diese Elektronen von einem hohen auf ein niedrigeres Energieniveau fallen, strahlen sie Energie in Form von Photonen (Licht) ab. Da die p-Schicht sehr dünn ist, kann das Licht entweichen.

Leuchtdioden sind in einer breiten Palette von Farben erhältlich, die durch unterschiedliche Einsatz von Materialien im Halbleiterkristall erzeugt werden können.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Dioden, die aus Germanium oder Silizium bestehen, werden LEDs aus Elementen wie Gallium, Arsen und Phosphor hergestellt. Durch Mischen dieser Elemente in unterschiedlichen Anteilen können LEDs hergestellt werden, die verschiedene Farben ausstrahlen, wie in der folgenden Tabelle dargestellt. ANODE

Bild 1.6.11: LED - Aufbau der Schichten

Bild 1.6.10: LED Schaltzeichen

Ultraviolet

Aluminiumnitrid(ALN)

Aluminiumgalliumnitrid (AIGaN)

Indiumgalliumnitrid (InGaN)

Indiumgalliumnitrid (InGaN)

Siliziumkarbid (SiC)

Galliumphosphid (GaP)

Aluminiumgalliumphosphid (ALGaP)

Galliumarsenidphosphid (GaAsP)

Galliumphosphid (GaP) Orange

Rot

Galliumarsenidphosphid (GaAsP)

Galliumphosphid (GaP)

Aluminiumgalliumarsenid (AIGaAs)

Galliumarsenidphosphid (GaAsP)

Galliumphosphid (GaP) Infrarot

Galliumarsenid (GaAs)

Aluminiumgalliumarsenid (AIGaAs)

Tabelle 1.6.3: Dioden-Farben Übersicht - Details bitte dem Datenblatt der LED entnehmen.

Vorwiderstand berechnen

Damit die LED nicht zerstört wird, weil sie zu viel Strom zieht, ist es nötig, einen Vorwiderstand zu verwenden, um den Strom I zu begrenzen. Im Beispiel verwenden wir eine orange LED und eine Versorgungsspannung von 5Volt.Als Durchflussspannung der LED nehmen wir 2Volt und da LEDs schon mit wenig Strom hell leuchten, nehmen wir als I = 20 mA.

Hinweis

Wenn ihr die Werte eurer LED nicht genau kennt, dann könnt ihr als Faustregel 2 Volt als Durchflussspannung und 20 mA Strom verwenden. Ab 10 mA leuchten die meisten LEDs schon recht stark und ihr könnt prüfen, ob sie überhaupt noch heller leuchten soll.