Elektronikarchiv

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Sa

16

Feb

2013

LM317: Labornetzteil mit regulierbarer Ausgangsspannung

Ausführliche Informationen zum Spannungsregler LM317, der Berechnung der Ausgangsspannung und Verlustleistung und Schaltung für ein einfaches Labornetzgerät

Der LM317 ist ein Spannungsregler, genau wie die 78xx-Serie. Ein 7805-Baustein liefert eine konstante Spannung von 5 Volt, ein 7812-Baustein eine Spannung von 12 Volt, usw. Der LM317 tanzt diesbezüglich aus der Reihe: Er ist ein regulierbarer Spannungsstabilisator, bei dem die Ausgangsspannung verändert werden kann. Im folgenden Artikel werden Berechnungen zum LM317 durchgeführt. Um genaue und zuverlässige Daten zu erhalten, darf man sich aber keinesfalls nur auf die nachfolgenden Rechnungen berufen. Es sind unbedingt die Angaben des Herstellers zu beachten, da immer Abweichungen zwischen den Bausteinen verschiedener Hersteller auftreten können.

Berechnung der Ausgangsspannung

Der LM317 sorgt stets dafür, dass zwischen dem Adjust-Anschluss und dem Output immer eine Potentialdifferenz von 1.25 Volt gegeben ist. Legen wir also den Adjust-Anschluss auf 0 Volt, erhalten wir eine Ausgangsspannung von 1.25 Volt. Wenn wir nun den Adjust-Anschluss über einen Widerstand auf 0 Volt legen, liegt am Anschluss nicht mehr auf 0 Volt, sondern auf einigen Volt, abhängig davon, wie viel Strom durch den Widerstand fliesst. Wie wir aus dem Datenblatt erfahren, ist dieser Strom nur einige Mikroampere gross, weshalb sicherlich keine zuverlässigen Resultate zu erwarten sind. Um den Adjust-Pin auf eine konstante Spannung zu bringen, ist deshalb ein zusätzlicher Widerstand zwischen dem Adjust-Pin und dem Output unerlässlich. Nun können wir die Ausgangsspannung UO in Abhängigkeit von den beiden Widerständen berechnen: Sei R1 der Widerstand zwischen dem Adjust-Pin und dem Output. Der Spannungsabfall über diesem Widerstand wird wie gesagt vom LM317 auf UREF = 1.25 Volt geregelt. R2 sei der Widerstand zwischen dem Adjust-Pin und 0 Volt. Nach dem Ohmschen Gesetz gilt U = R * I. Wir können also folgende Gleichungen aufstellen:

  1. U = (R1 + R2) * I
  2. UREF = R1 * I

Mit der ersten Gleichung kann man die Ausgangsspannung berechnen. Was aber noch stört, ist der Strom I, der in der Gleichung vorkommt. I kommt aber auch in der Gleichung für UREF vor. Durch Umwandeln erhalten wir:

  • I = UREF / R1
  • I = UO / (R1 + R2)

Nun können diese beiden Gleichungen gleichgesetzt und umgewandelt werden:

  • UO = UREF * (R1 + R2) / R1
  • UO = UREF * (R1/R1 + R2/R1)
  • UO = UREF * (1 + R2/R1)

Wir kommen so auf die Rechnung, wie sie auch in den Datenblättern für den LM317 zu finden ist. Das heisst, eine kleine Abweichung gibt es: Wir haben in unserer Rechnung klangheimlich den Strom vernachlässigt, der vom Adjust-Pin durch den Widerstand R2 fliesst. Da dieser aber wie erwähnt nur wenige Mikroampere klein ist, kann man diesen oft vernachlässigen.

Wir haben hier übrigens mit den beiden Widerständen einen simplen Spannungteiler aufgebaut. Die resultierende Formel entspricht auch der allgemeinen Spannungsteilerformel, wie sie in den Lehrbüchern zu finden ist.

Die beiden Widerstände sorgen übrigens auch dafür, dass stets ein kleiner Strom durch den LM317 fliesst. Dies ist nötig, damit der Spannungsregler-Baustein richtig arbeitet.

Berechnung der Verlustleistung

Die Berechnung der Verlustleistung ist einfach. Die Leistung P ergibt sich aus der Spannung U multipliziert mit dem Strom I, also P = U * I. Die Spannung U ist hier der Spannungsabfall im LM317, d.h. die Differenz ΔU der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung, also ΔU = UI - UO. Der Strom setzt sich aus dem Ausgangsstrom IO verursacht durch die externe Last, und dem Strom IT durch den Spannungsteiler mit den Widerständen R1 und R2 zusammen. Die Verlustleistung beträgt also:

  • P = (UI - UO) * (IO + IT)

Die Verlustleistung macht sich in Wärmeentwicklung bemerkbar. Wir sehen also, dass die Verlustleitung (und somit die Wärmeentwicklung) umso grösser ist, je grösser der Strom und je grösser die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ist. Beim Aufbau einer Schaltung mit dem LM317 sollte man also darauf achten, dass die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung möglichst klein gehalten wird, da so bei gleicher Wärmeentwicklung ein grösserer Strom geliefert werden kann. Es ist also nicht sinnvoll den Spannungsregler mit 24 Volt zu betreiben, wenn man nur Ausgangsspannungen von 3 bis 6 Volt erreichen will.
An diesem Beispiel lässt sich gut erkennen, dass eine gewisse Wärmeentwicklung bei einem solchen Spannungsregler nicht zu verhindern ist. Die obige Rechnung der Verlustleistung lässt sich auch auf Festspannungsregler wie diese der 78xx-Reihe übertragen. Es lässt sich so erklären, wieso ein 7805-Baustein, der mit 24 Volt Eingangsspannung versorgt wird, gekühlt werden muss, obwohl "nur" Ströme weit unter dem maximalen Strom geliefert werden müssen.

Bau eines einfachen Labornetzteils

Aus den obigen Überlegungen kann geschlossen werden, dass für den Betrieb des LM317 theoretisch nur die erwähnten zwei Widerstände nötig sind. Dem ist aber nicht - oder nur beschränkt - so. Man sollte je nach Anwendung unbedingt noch die im Datenblatt empfohlenen Schutzdioden einbauen, um dem Baustein ein längeres Leben zu gewähren. Auch die empfohlenen Kondensatoren sind zu beachten.

Für ein sehr simples und praktisches Labornetzteil für niedrige Gleichspannung eignet sich die Schaltung, die dem Datenblatt zu entnehmen ist. Beachten Sie unbedingt das Datenblatt des Herstellers Ihres Bausteines, um die richtigen Informationen über Ihren Baustein zu erlangen!

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Sa

16

Feb

2013

Schaltungen aufbauen: Steckboard (Experimentierboard)

Steckboards sind sehr nützlich zum schnellen Aufbau von Schaltungen

Die meisten finden den Weg in die Elektronik mit irgendwelchen Baukästen. Wenn man dann aber die Experimente des Baukastens schon x-mal durchstudiert hat, packt einen die Faszination der Elektronik und man will weitere Experimente durchführen. Der Baukasten reicht dafür nicht mehr aus. Was nun? Ein Steckboard kaufen! Ein Steckboard bietet genügend Platz für die Experimente. Und wird einem auch das noch zu klein, kann man es ganz einfach mit weiteren Steckboards beliebig erweitern.

Das Steckboard stellt die Vorstufe zur Lochrasterplatine dar. Der Abstand der Löcher sind genormt. D.h. man kann das Steckboard auch gut zum Experimentieren mit ICs (Integrierten Schaltkreisen) verwenden.
Der Vorteil gegenüber den Lochrasterplatinen ist natürlich, dass man nicht löten muss. Die Komponenten können ganz einfach in die Löcher gesteckt werden.

 

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Sa

16

Feb

2013

bipolarer LED-Tester

Schaltung für einen bipolaren LED-Prüfer, der die Polarität der LED anzeigt

Ich habe auf dieser Seite schon zwei LED-Tester vorgestellt. Der eine basiert auf einer Konstantstromquelle. Der Nachteil dieser Schaltung: Man muss die Polarität der LED beachten, was bei mir üblicherweise dazu führt, dass man die LED noch wenden muss. Die zweite Schaltung, die ich vorgestellt habe, basiert auf einer Quarzuhr. Dort wechselt die Polarität bei jeder Sekunde. Nun haben wir einen bipolaren LED-Tester, bei dem wir die Polarität der LED ablesen können! Dass man aber eine Quarzuhr dafür braucht, ist - auch wenn gerade noch eine Schaltung rumliegt - etwas übertrieben. Zwar ist der Arbeitsaufwand zum Umbauen gering, doch für was braucht man bei einem LED-Tester ein quarzgenaues Signal?
Deshalb mache ich noch eine dritte Version ohne Quarzuhr.


Wir sehen gleich, dass es sich bei dieser Schaltung um einen Multivibrator handelt. Dieser wird als "Polaritätswechsler" gebraucht. Die Polarität wechselt so schnell, dass man das Leuchten einer LED nicht mehr als Blinksignal wahrnehmen kann, sondern die LED leuchtet scheinbar immer.
Durch das Einsetzen einer Test-LED leuchtet diese auf, zusätzlich leuchtet noch LED1 oder LED2, je nach dem, wie man die Test-LED eingesetzt hat.
Wenn man LED1 und LED2 nun richtig um die Anschlüsse für die Test-LED anordnet, kann man zB sichtbar machen, auf welcher Seite der LED sich die Anode befindet.
Das Ganze kann über einen Taster gestartet werden. Man braucht den Taster, da die Schaltung auch Strom verbraucht, wenn man keine Test-LED angeschlossen hat.

Optimierung
Ich habe auf dem Schaltplan für R4 und R1 Widerstände von 4.7kOhm eingezeichnet. Dies sollte man evtl. etwas nach unten korrigieren. Bei meinem Aufbau mit 4.7kOhm-Widerständen, leuchten die LEDs nur noch wenig, was ja auch klar ist, da zwei LEDs in Reihe über einen 4.7kOhm-Widerstand leuchten müssen.
Ausserdem kann man anstatt die eingezeichneten 39nF-Kondensatoren gut auch deutlich grössere nehmen. Man kann sogar Elkos mit zB 10µF einsetzen. Dann gibt es allerdings ein deutliches Blinksignal.

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Sa

16

Feb

2013

Lauflicht mit einem 4015

Lichteffekte, Experimente und ein Lauflicht mit einem IC MC14015 bzw. CD4015

Als mir kürzlich ein MC14015 (natürlich geht auch der CD4015) in die Finger kam, wollte ich einige Experimente mit ihm machen. Dazu braucht man zuerst einmal ein Datenblatt, um etwas mehr über den IC zu erfahren. Das findet man ganz einfach bei Google. Dort erfahren wir, dass es sich um ein "Dual 4-Bit Static Shift Register", also ein doppeltes 4-Bit Schieberegister handelt. Was ist nun ein 4-Bit Schieberegister? Ein Schieberegister ist ein logisches Schaltwerk. Dabei wird der Speicherinhalt (1 Bit; ist entweder 0 = kein Strom oder 1 = Strom) bei jedem Arbeitstakt weitergeschoben. Bei einem 4-Bit Schieberegister ist die "Speicherkapazität" also 4-Bit, das heisst man kann 4 Speicherinfomationen (0 oder 1) speichern.
Im Datenblatt steht auch noch "Serial to parallel data conversion". Also eine Umwandlung von Seriell zu Parallel. Seriell und Parallel findet man zum Beispiel auch bei Computeranschlussen und es bedeutet folgendes: Seriell heisst, dass die Daten nacheinander übermittelt werden. Parallel heisst, dass Daten eben parallel, also gleichzeitig auf mehreren Kanälen übermittelt werden. Der 4015 wandelt also Serielle Signale in Parallele um. Das heisst nun konkret, dass eine Anwendung dieses 4-Bit-Schieberegisters die Umwandlung von seriell nach parallel ist.

Schaltung
Was das Ganze mit Lichteffekten zu tun zeige ich am besten gleich anhand eines Schaltplans.
Hier wurde als Arbeitstakt bei dem Schieberegister A einen Takt von einem Multivibrator auf den Eingang CLKA gelegt. Weiter wurden an die vier Ausgänge Q1A bis Q4A je eine LED mit Vorwiderstand 3,3kOhm gelegt. Der Resetkanal A RSTA und der Dateneingang A DA wurden mit einem Widerstand auf Minus gelegt und mit einem Taster zum Plus versehen.

Was geschieht nun?
Schliesst man die Batterie an, passiert vorerst nichts, da am "seriellen" Eingang DA noch nichts gedrückt wurde. Legt man mit S2 (Prog.) den Eingang DA auf Plus leuchtetet die LED an Q1A auf. Also kann man sagen Q1A liegt auf 1. Das Leuchten wandert nun im Takt des Multivibrators zu Q2A usw. bis es nach Q4A verschwindet. Nun kann man natürlich auch mehrere LED gleichzeitig zum Leuchten bringen.


Lauflicht
Aus dieser Schaltung kann man ganz einfach ein Lauflicht bauen. Wie wir schon in der oberen Schaltung sehen, haben wir noch einen Widerstand von Q4A zu DA, was dazu führt, dass sich das Muster im Lauflicht immer wiederholt. Das Leuchten "verschwindet" also gar nicht nach Q4A sondern erscheint wieder bei Q1A.

Wir haben aber ja noch ein zweites 4-Bit Schieberegister und das wollen wir ja nicht einfach so leerlassen, sonden wir können es auch noch einbeziehen, wodurch wir zu einem 8-Bit Schieberegister beziehungsweise zu einem 8-Kanal-Lauflicht kommen. Dazu müssen wir die obenstehende Schaltung so erweitern: Der Widerstand von Q4A zu DA fällt weg, da wir ja nicht mehr wollen, dass sich das Muster schon nach 4 Kanälen wiederholt. Anstelle dessen müssen wir das Muster zum zweiten Schieberegister weiterleiten. Wir müssen also Q4A direkt mit Pin 15 also mit DB verbinden. Wenn sich das Muster nach 8 Kanälen wiederholen soll, müssen wir noch Q4B mit einem Widerstand 3k3 mit DA verbinden. Und zum Schluss müssen wir noch CLKA mit CLKB und RSTA mit RSTB zusammenhängen. Ich hoffe diese schriftliche Anleitung genügt, denn wie man schon beim obigen Schaltplan sieht, habe ich das Zeichnen mit ICs noch nicht im Griff, deshalb auch das Chaos schon bei einem 4-Kanal-Lauflicht.
Aber hier zur Übersichtlichkeit noch einmal die Pinbelgung des ICs:

Pin - Funktion
1 - CLK (Eingang für Arbeitstakt bei Schieberegister B)
2 - Q4B (Ausgang 4 von Schiebereister B)
3 - Q3A (Ausgang 3 von Schieberegister A)
4 - Q2A (...)
5 - Q1A
6 - RSTA (Reset von Schieberegister A, mit Widerstand nach Minus, zum Reset -> Plus)
7 - DA (Dateneingang von Schieberegister A)
8 - Vss (gehört aufs Minus)
9 - CLKA (Eingang für Arbeitstakt bei Schieberegister A)
10 - Q4A
11 - Q3B
12 - Q2B
13 - Q1B
14 - RSTB (Reset von Schieberegister B, mit RSTA zusammenschliessen)
15 - DB (Dateneingang von Schieberegister B)
16 - Vcc (gehört auf Plus)

Aufbau auf einer Platine

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Sa

16

Feb

2013

LED-Fader

Schaltungen, die einen Fade-In- bzw. Fade-Out-Effekt oder beides für eine LED erzeugen

Irgendwann braucht man vielleicht eine Schaltung, bei der eine LED langsam zu leuchten beginnt und dann langsam wieder erlischt:

LED-Fade-IN
Zuerst eine kleine Schaltung, bei der die LED vorerst langsam zu leuchten beginnt, aber abrupt wieder erlischt:

Funktionsbeschreibung
Wenn eine Spannung angelegt wird, fliesst ein Strom über R2 zum Kondensator C1. Der Kondensator wird aufgeladen. Durch den Strom durch den Widerstand R2 gibt es auf R2 einen Spannungsabfall. Der Strom nimmt allerdings mit der zunehmenden Ladung auf C1 ab. Das heisst, dass der Spannungsabfall über dem Widerstand R2 kleiner wird. Anderst gesagt steigt die Spannung an der Basis des Transistors mit zunehmender Ladung des Kondesnators an. Dies führt zum gewünschten Fade-in-Effekt.


LED-Fader
Wir wollen jedoch nicht nur einen Fade-in-Effekt, sondern einen Fade-in- und einen Fade-out-Effekt. Dies erzielt man mit folgender Schaltung:

Wie man sehen kann, habe ich einen Widerstand und einen Schalter hinzugefügt. Der 100k-Widerstand wurde aufgespalten in einen 33k- und einen 47k-Widerstand. Ich weiss zwar, dass 33 + 47 ≠ 100, aber das ist nicht sehr relevant...

Funktionsbeschreibung
Der Fade-in-Effekt funktioniert noch genau so wie schon oben beschrieben.
Drückt man S1, wird C1 über R2 langsam entladen. Die Spannung an der Basis des Transistors sinkt. Dies führt zum Fade-Out-Effekt.

Nun fällt uns aber auf, dass die LED zu leuchten beginnt, wenn der Schalter nicht gedrückt ist, und wenn der Schalter gedrückt ist, erlischt die LED langsam wieder. Dies kann zwar bei manchen Situationen nützlich sein, meistens ist jedoch das Gegenteil erwünscht. Drückt man den Schalter, sollte die LED angehen, lässt man ihn los, soll sie erlischen. Genau das passiert bei der folgenden Schaltung.


Funktionsbeschreibung
An Fade-in- und Fade-out-Effekt wurde nichts verändert. Die Funktion des hinzugefügten Transistors sollte auch klar sein: Wird S1 nicht gedrückt, wird die Basis von T2 über R4 auf ein hohes Potential gelegt. T2 schaltet und löst so den Fade-out-Effekt aus. Wird S1 gedrückt, wird die Basis auf Null gelegt. T2 schaltet nicht und es beginnt der Fade-in-Effekt.

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Sa

16

Feb

2013

Infrarotempfänger und Infrarotsender aus zwei Infrarotdioden

Einen IR-Empfänger und IR-Sender mit zwei IR-Dioden und Anwendungen (zB Infrarot-Lichtschranke).

1. Experiment: IR-Dioden testen
Um die IR-Dioden zu testen kann man sie ganz normal so anschliessen, wie man eine LED anschliessen würde (zB bei einer 9V-Batterie einen Vorwiderstand von 470Ohm). Danach hält man eine Digitalkamera mit Display oder eine Handykamera über die Diode. Leuchtet die Diode auf dem Display auf, ist die Diode noch funktionstüchtig. (siehe dazu auch "Infrarot sehen"!).

2. Experiment: Infrarot empfangen; einfacher Infrarot-Empfänger

Treffen Infrarotstrahlen auf eine IR-Diode, lässt diese einen kleinen Strom in Sperrichtung fliessen, d.h. bei diesem Schaltplan: Es fliesst ein kleiner Strom über die Diode und über den 1k-Ohm-Widerstand zur Basis von Q1. Q1 und Q2 verstärken das Signal, so dass man damit eine LED steuern kann.
Dies ist nun ein einfacher Infrarot-Empfänger. Man kann nun bei der zweiten IR-Diode Strom anlegen und sie mit einem Abstand von 10-20cm vor die "Empfängerdiode" halten. Nun leuchtet die LED des Empfängers auf! Dies funktioniert auch mit einer beliebigen IR-Fernbedienung: Man zielt mit der Fernbedienung auf die Empfängerdiode und schon leuchtet die LED!

Die genannte Schaltung reagiert auch bei Sonnenlicht. Hält man die Empfängerdiode ans Sonnenlicht, leuchtet die LED ebenfalls auf. Dies liegt daran, dass auch Sonnenlicht infrarote Lichtstrahlen beinhaltet.
Man könnte die Empfindlichkeit mit weiteren Transistoren noch erheblich erhöhen. Jedoch ist ja die Empfindlichkeit des IR-Empfängers auch abhängig davon, wie hell es in der Umgebung ist. Würde man also die Empfindlichkeit erhöhen, müsste es in der Umgebung völlig dunkel sein. Dann kann man auch Infrarot-Licht auf beachtliche Distanzen erkennen.
Wenn man die Schaltung nicht abändert, eignet sie sich jedoch schon ganz gut für kleinere Lichtschranken. Eine Distanz von 10-20 cm sollte da schon problemlos drinliegen. Dies genügt ja zB für eine Modelleisenbahn-Lichtschranke...

Wenn man die Schaltung verbessern möchte, müsste man erreichen, dass nur das Signal der bestimmten IR-Diode herausgefiltert wird, und die Schaltung beispielsweise nicht auf das Umgebungslicht reagiert. Dies erreicht man, indem man das Signal moduliert. Ganz einfach könnte man das erreichen, indem man die Sende-Diode mit einer bestimmten Frequenz ein- und ausschaltet. Der Empfänger muss dann nur noch auf dieses Signal mit der genau definierten Frequenz reagieren. 

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Sa

16

Feb

2013

Konstantstromquelle (LED-Prüfer)

Konstantstromquelle 20mA für eine LED

Was man in den meisten Bastelecken auffindet, ist ein Bauplan für eine Konstantstromquelle. Die folgende Schaltung ist z.B. für einen LED-Tester geeignet. Die Funktion einer Konstantstromquelle besteht darin, dass sie mit einer variablen Eingangsspannung einen konstanten Ausgangsstrom hergibt.
Die Schaltung, die hier vorgestellt wird, ist so geplant, dass ein Strom von ca. 20mA durch die Schaltung fliesst, was genau richtig ist um eine LED zu betreiben. Die Eingangsspannung sollte zwischen 4 und 16 Volt liegen.

Ich habe die Schaltung an einen 9V-Batterieclip montiert und in einem Blechgehäuse geschützt. Unabhängig vom Zustand der Batterie leuchtet die zu testende LED immer gleich hell.

Schaltplan

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Sa

16

Feb

2013

Ein-/Ausschalten mit Taster (Selbsthaltung ohne Relais)

Hier wird eine Selbsthaltung vorgestellt, die ohne Relais funktioniert

Beschreibung
Natürlich könnte man eine Selbsthaltung auch mit einem Relais bauen, aber es geht auch mit Transistoren!
Diese Schaltung eignet sich auch gut, um eine andere Schaltung mittels zwei Taster ein bzw. auszuschalten.

Funktionsbeschreibung
Was wir im obenstehenden Schaltplan sehen, wird bistabile Kippstufe genannt. Dies deshalb, weil die Schaltung zwei Zustände annehmen kann, wie wir gleich nachvollziehen werden. Um die Schaltung zu verstehen, nehmen wir zunächst an, wir seien im Zustand, in dem die LED1 brennt, das heisst Q1 durchschaltet: An der Basis von Q1 liegt über R1 eine positive Spannung an, die dazu führt, dass Q1 durchschaltet. Dadurch wird die Basis von Q2 über R3 auf ein tiefes Potential gebracht. Q2 sperrt also. Dieser Zustand ist einer der beiden stabilen Zustände, denn der Zustand bleibt erhalten, wenn wir die Schaltung nicht verändern.
Wird nun aber der Schalter S2 gedrückt, wird die Basis von Q1 auf Null Volt gelegt, so dass Q1 sperrt. Die Basis von Q2 liegt nun über R3, LED1 und R2 auf einer positiven Spannung. Q2 schaltet also durch. Die Basis von Q1 bleibt nun auch auf 0 Volt, wenn wir den Schalter loslassen. Die LED erlischt also. Dieser Zustand bleibt wiederum so lange erhalten, bis S1 gedrückt wird. Dadurch wird die Basis von Q2 wieder auf Null Volt gebracht und Q2 sperrt. Der erste Zustand wird so wiederhergestellt.

Diese Schaltung spielt übrigens eine wesentliche Rolle in der Digitaltechnik. Was wir hier gebaut haben ist nämlich ein 1-Bit-Speicher! Wenn wir nämlich die Schaltung entsprechend ansteuern, bleibt der letzte Zustand erhalten, sprich gespeichert. In der Digitaltechnik werden solche Schaltungen, die als 1-Bit-Speicher dienen, auch als Latch bzw. Flip-Flop bezeichnet.

Bemerkungen zur Komponentenwahl

Der Schaltplan ist nicht sehr gut gezeichnet, aber sie soll auch nur das Prinzip illustrieren. Eigentlich sollte die Schaltung für ein einwandfreies Funktionieren möglichst "symmetrisch" aufgebaut sein. Das heisst R3 kann man weglassen, oder man kann auch bei der Basis von Q1 noch einen gleichen Vorwiderstand hinzufügen. Auch R2 sollte den gleichen Wert haben wie R1, für das Betreiben der LED wurde aber ein etwas kleinerer Widerstand verwendet. Wenn man genaue Werte der Widerstände ermitteln möchte, müsste man berücksichtigen, welche Transistoren man verwendet. Für das Funktionieren der Schaltung spielt es aber gar nicht eine so grosse Rolle.

Die Schaltung ist gerade ideal, um eine LED zu betreiben. Wenn man eine grössere Last schalten möchte, müsste man einen zusätzlichen Transistor einbauen, um die Last zu schalten. Denn wenn die Widerstände R1 und R2 zu stark voneinander abweichen, kann es sein, dass die Scahltung nicht mehr funktioniert.

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Sa

16

Feb

2013

Was ist ein Quarz? (am Bsp. Quarzuhr)

Kurze Erklärung, was ein Quarz in Zusammenhang mit Elektronik alles zu bieten hat

Das Herz einer Quarz-Uhr ist ein Quarz-Kristall. Dieser Kristall ist speziell geschliffen, beidseitig metallisiert und kontaktiert. Er ist luftdicht und vor Beschädigungen geschützt in einem Metallgehäuse verschlossen.

Quarze haben die Eigenschaft, dass sie sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung dehnen und stauchen. Es entstehen also Schwingungen.
Auch umgekehrt funktioniert es: Wird ein Quarz gestaucht, entsteht elektrische Spannung (piezoelektrischer Effekt). So funktioniert zB ein Feuerzeug. Mit dem Drücken auf das Feuerzeug öffnet man einerseits das Ventil, aus dem Gas strömt und andererseits spannt man eine Feder, die nach einer gewissen Stärke des Drückens losgelassen wird. Diese Feder stösst mit grosser Kraft auf einen Piezokristall. Dieser gibt eine so hohe Energie ab (bis zu 15kV), dass zwischen den beiden Anschlüssen, die am Kristall montiert sind, ein Funke entsteht und das Gas entzündet.
Zurück zur Quarzuhr: Ein Quarz in einer Uhr hat eine Frequenz von 1,8432MHz. Der Quarz schwingt also mit 1 843 200 Schwingungen pro Sekunde. Man verwendet deshalb Quarze, weil sie die Eigenschaft haben, dass sie ihre Frequenz mit hoher Genauigkeit immer beibehalten.
Ausser dem Quarz ist noch eine elektronische Schaltung in einer Quarzuhr enthalten. Diese Schaltung sorgt dafür, dass die hohen Schwingung auf einen Takt pro Sekunde heruntergeteilt wird. Also aus 1 843 200 Schwingungen pro Sekunde macht die Elektronik eine Schwingung pro Sekunde.
Dieser Takt treibt einen kleinen Elektromotor an, welcher der Sekundenzeiger antreibt. Über ein Untersetzungsgetriebe werden dann auch Minuten- und Stundenzeiger angetrieben.

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Sa

16

Feb

2013

Was ist Infrarot? Wie kann man Infrarot sehen?

Erklärung des Begriffs Infrarotstrahlung; Tipp, wie man mit einfachsten Mitteln Infrarot sehen kann


Als Licht bezeichnet man den für den Menschen sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung. Dieser liegt etwa zwischen 380 und 780 Nanometer (nm) Wellenlänge, was einer Frequenz von etwa 789 bis herab zu 385 THz entspricht. Was wir als Infrarot bezeichnen, heisst in der Physik Infrarotstrahlung, kurz IR-Strahlung, oder auch Ultrarotstrahlung. Diese Strahlung umfasst den Bereich der elektromagnetischen Strahlung zwischen dem für uns sichtbaren Licht und der so genannten Tetrahertzstrahlung. In Zahlen ausgedrückt entspricht das dem Bereich zwischen 780 nm und 1 mm Wellenlänge.

Per Zufall habe ich folgendes entdeckt: Mit einer Digitalkamera oder Handykamera lässt sich Infrarotstrahlung von IR-Dioden sichtbar machen!
Infrarot-Dioden haben üblicherweise Wellenlängen um 900 nm, was nicht allzu weit vom sichtbaren Licht (ca. 780 nm) entfernt ist. Das Spektrum von Digitalkameras ist offenbar so ausgelegt, dass es die Wellenlängen von Infrarotdioden gerade noch umfasst. Bei einer Kamera mit Display genügt es schon, durch den Display zu schauen und schon sieht man Infrarot.

Nützlich ist dies auch um IR-Dioden zu testen: Meistens leuchten Infrarotdioden gut, wenn sie wie eine Standard-LED betrieben werden, d.h. 2V, 20mA. Falls aber die genaue Bezeichnung der IR-Diode vorhanden ist, sollten die Kennzahlen unbedingt im Datenblatt überprüft werden, damit man sicher nichts kaputt macht. Dann kann einfach durch die Handy-Cam geschaut werden und schon sieht man die IR-Diode leuchten.
So lässt sich auch testen, ob eine Fernbedienung überhaupt noch Signale von sich gibt.

Versuch mit einer Fernbedienung:

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Sa

16

Feb

2013

LED-Batteriezustandsanzeige

LED-Anzeige, um den Zustand einer Batterie zu ermitteln

In diesem Beitrag geht es um das Grundprinzip zum Aufbau eines einfachen analogen Spannungsmessers. Nachbau erfolgt wie immer auf eigene Gefahr. Ich übernehme keine Haftung für irgendwelche Schäden.


Teile


  • 4 Transistoren, NPN, möglichst 4 gleiche Typen

  • 3 Dioden, siehe Beschreibung

  • 5 LEDs

  • 9 Widerstände, 1kOhm

  • 1 Trimpotentiometer, ca. 5kOhm



Beschreibung

Diese Schaltung basiert auf dem nichtlinearen Verhalten von Dioden. Anders als bei einem ohmschen Widerstand ist bei einer Diode der Strom in Vorwärtsrichtung nicht proportional zur Spannung. Während bei kleinen Spannungen kaum ein Strom auftritt, steigt der Strom ab einer bestimmten Schleusenspannung exponentiell zur Spannung an. Bei gewöhnlichen Si-Dioden liegt diese Schleusenspannung bei rund 0.7V. Bei Schottky- und Germanium-Dioden liegt sie tiefer, bei rund 0.4V. Das ergibt dann die typische Strom-Spannungs-Kennlinie für Dioden in Vorwärtsrichtung. Diese Tatsache, dass bei Dioden im Durchlassbereich eine Spannung abfällt, kann man sich für einen einfachen Spannungsmesser zu Nutze machen. Natürlich ist die Näherung relativ schlecht, dass an der Diode eine konstante (d.h. vom Strom unabhängige) Spannung abfällt. Aber für einen einfachen Batterietester ist diese Näherung trotzdem zu gebrauchen.

Leider habe ich den Schaltplan ziemlich unübersichtlich gezeichnet, man kann aber trotzdem sehen, dass an den Dioden D1 bis D3 jeweils (näherungsweise) eine konstante Spannung abfällt und somit an den Transistoren jeweils verschiedene Spannungen anliegen. Die Spannungen an den Basen der Transistoren ist also abhängig von der angelegten Spannung der Batterie. Je grösser die Batteriespannung, desto mehr Transistoren arbeiten im Sättigungsbereich (d.h. sie "schalten durch") - je tiefer die Spannung, desto mehr Transistoren arbeiten im Sperrbereich.

An den Dioden D1 bis D3 fällt jeweils rund 0.7 Volt ab. Um also Spannungen von 0-9V zu messen wären also wesentlich mehr solche Stufen nötig. In der Schaltung wurde noch ein zusätzlicher Potentiometer eingebaut, der gewissermassen zu einem einstellbaren zusätzlichen Spannungsabfall führt. Man kann also den Messbereich der Schaltung verändern. Man sieht aber auch sofort, dass dies eigentlich eine sehr schlechte Lösung ist, den Spannungsmesser einzustellen. Der Spannungsabfall am Potentiometer ist nämlich vom Strom durch denselben bestimmt. Dieser Strom, der von der Batterie über den Potentiometer und die Dioden zu den Basen der Transistoren fliesst, ist seinerseits wieder von der Eingangsspannung an der Batterie abhängig - was wir ja eigentlich nicht wollen! Aber zum Messen von 9V-Batterien ist es trotzdem mal interessant, diese Schaltung aufzubauen.

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Sa

16

Feb

2013

LED-Grundlagen, LED-Schaltungen

Minischaltungen, um LEDs zu betreiben

LEDs (Abk. für engl. Light Emitting Diode = "lichtaussendende Diode", auch Leuchtdiode oder Lumineszenz-Diode genannt) sind bei Bastlern sehr beliebt um Experimente durchzuführen. Das hat mehrere Gründe: Erstens sind LEDs leicht zu bekommen, da Bastler in der Regel immer alte Geräte zu Hause haben, welche LEDs beinhalten. Zweitens sind sie andernfalls relativ billig und drittens eignen sie sich gut für Experimente, da sie wenig Strom verbrauchen.

Allgemein
Es existieren unzählige verschiedene Sorten von Leuchtdioden. Vor allem bei den so genannten SMD-LEDs (SMD = engl. surface-mounted device = "Bauelement für die Oberflächenmontage") gibt es unglaublich viele. Zu Experimentierzwecken eignen sich die so genannten Standard-LEDs ganz gut.
Die Versorgungsspannung einer Standard-LED liegt bei ca. 2V (je nach Farbe). Der Maximalstrom beträgt 20mA. Wie es der Name schon sagt sind LEDs Dioden und deshalb kann der Strom nur in eine bestimmte Richtung fliessen, d.h. man muss beim Benützen einer LED auf die Polarität achten. Der Minusanschluss ( = Kathode, K) liegt auf dem kurzen Draht und somit der Plusanschluss ( = Anode, A) auf dem langen Draht.


Reihenschaltung (Serieschaltung)
LEDs kann man in Reihe schalten, d.h. man schaltet die LED "hintereinander" in einen Stromkreis.

Wie schon erwähnt braucht eine Standard-LED eine Versorgungsspannung von 2V. In einer Serienschaltung verteilt sich nun die Spannung gemäss der "Kirchhoff′schen Maschenregel" auf die einzelnen Verbraucher. Die Spannung (9V) wird auf 5 identitische LEDs aufgeteilt. So existiert für jede LED noch eine Spannung von 1.8V (9V / 5 = 1.8V). 
Dies ist eine Lösung, um LEDs ohne Vorwiderstand an einer 9V-Batterie zu betreiben.

Vorwiderstand
Wenn man eine LED einzeln zum Leuchten bringen will, muss man bei einer Spannung über 2V einen Vorwiderstand benützen.
Wenn wir eine Batteriespannung von 9V annehmen, muss diese also von 9V auf 2V gebracht werden. Mit dem Ohm′schen Gesetz U = R*I lässt sich nun der Vorwiderstand berechnen:
9V - 2V = 7V ("Spannungsabfall über dem Widerstand", Potenzialdifferenz)
7V / 0.02A = 350Ohm (Widerstand = Potenzialdifferenz / Strom)
Man müsste also einen Vorwiderstand von 350Ohm hineinsetzen. Da es diesen aber nicht gibt, nimmt man den nächstgrösseren, also 360Ohm. Wenn man jedoch keinen solchen in der Nähe hat kann man problemlos auch einen Widerstand von 560 Ohm oder 1kOhm nehmen, sofern die LED nicht extrem hell leuchten soll.

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