Elektrizitätslehre für Hobby-Elektroniker - [Teil 2]

Teil 2

Elektrizitätslehre für Hobby-Elektroniker und solche, die es werden wollen. Warum wir manchmal eine externe Spannungsversorgung brauchen.

Mit der Diode/LED und dem Transistor haben wir im ersten Teil bereits elektronische Bauteile kennengelernt, die dem Ohm‘schen Gesetz nicht gehorchen wollen. Wir haben diese „nicht-linear“ genannt. Zu dieser Gruppe gehören auch die Kondensatoren (Kapazitäten, engl. capacitors) und die Spulen (Induktivitäten, engl. electromagnetic coil, inductor), die wir auch in Relais (engl. relay), Magnetventilen (engl. solenoid) und Transformatoren (engl. transformer) wiederfinden.

Kondensatoren und Spulen haben elektrische Eigenschaften, die wir zum einen nutzen wollen, zum anderen aber auch durch Vorsichtsmaßnahmen berücksichtigen müssen:

  1. An einem Kondensator kann die Spannung nicht „springen“. D.h.: Legen wir eine Spannung an einer Reihenschaltung aus Kondensator und Widerstand an, beobachten wir anfänglich einen hohen Strom, der nur durch den Widerstand begrenzt wird, jedoch nach kurzer Zeit gegen Null geht. Dann ist der Kondensator aufgeladen und speichert die elektrische Energie.

  2. An einer Spule kann der Strom nicht „springen“. Auch eine Spule ist eine Art Energiespeicher. Einerseits können wir hohe Einschaltströme mit einer „Drossel“ abschwächen, andererseits gibt es beim Abschalten elektromagnetischer Bauteile unerwünschte Rück-Ströme durch Selbstinduktion.

Die Eigenschaft von Kondensatoren machen wir uns zunutze, indem wir sie wie Akkumulatoren (aufladbare Batterien) als Zwischenspeicher für (kleine Mengen) elektrische Energie nutzen. Das kann z.B. bei Einschaltvorgängen helfen, einen Spannungseinbruch, hervorgerufen durch einen hohen Einschaltstrom, zu vermeiden.

Noch wichtiger ist diese Eigenschaft jedoch, wenn unsere Gleichspannung „unsauber“ ist, d.h. Spannungsspitzen oder -unterbrechungen eine Gefahr für unsere Bauteile darstellen oder zu unerwünschten Effekten wie Neustarts führen. Man sagt: die Spannung wird „geglättet“. Richtig schlimm können diese Spannungsspitzen bei Ein- und Ausschaltvorgängen oder Induktion (s.u.) sein, aber auch bei einem Gleichrichter sollte man auf einen Kondensator nicht verzichten.

Auf dem ersten Bild zunächst die sinusförmige Wechselspannung, in der Mitte die Gleichrichtung mit einer einfachen Diode und unten mit einem Brückengleichrichter wie in der Schaltung – noch ohne Kondensator - dargestellt. Mit einem Kondensator erhalten wir eine "saubere" Gleichspannung.


Mit der Spule als Drossel haben wir Maker eher nicht zu tun, und auch Transformatoren nutzen wir, ohne ihnen viel Aufmerksamkeit zu schenken. Aber wir wollen Relais schalten oder die Drehzahl von Motoren regeln. Und das erfordert einige Vorkehrungen, die wir jedoch ggf. auch den Herstellern von sogenannten Breakout-Boards überlassen können.

Die physikalischen Phänomene kann ich vielleicht am besten am Beispiel des Gleichstrommotors erklären. Hier zunächst das Funktionsprinzip:

Bild aus Kampert/Scherbeck: Elektronik verstehen mit Raspberry Pi

Das linke Bild zeigt die gegensätzlichen Pole, die aufgrund der Lorentzkraft den Rotor in die waagerechte Position bewegen. Das mittlere Bild zeigt diese waagerechte Position, in der der Stromfluss unterbrochen wird, der Rotor sich aufgrund der Massenträgheit jedoch weiterbewegt. Kurz darauf berühren die Schleifer die anderen Kontakte des Kommutators (rechtes Bild). Das magnetische Feld des Rotors wird umgepolt, und die gleichen Pole stoßen sich nun ab. Die Drehung wird fortgesetzt.

Um die Drehrichtung des Motors zu ändern, benötigen wir eine H-Brücke, die im nächsten Bild mit Schaltern dargestellt wird; tatsächlich werden Transistoren elektronisch geschaltet.

Bild aus Kampert/Scherbeck: Elektronik verstehen mit Raspberry Pi

Für die eine Drehrichtung werden die Schalter S1 und S4 geschlossen, für die andere S3 und S2.
Was passiert, wenn alle Schalter geöffnet werden?
Der Strom will aufgrund der gespeicherten „elektromagnetischen Energie“ weiterfließen. Verschlimmert wird die Situation noch, wenn der Motor durch die Schwungmasse weiterdreht. Dann wirkt er wie ein Generator. Damit dieser „Rückstrom“ die elektronischen Bauteile nicht zerstört, benötigen wir die dargestellten Freilaufdioden.

Wie bereits angedeutet, können wir uns die Sorgen der aufwendigen elektronischen Schaltung mit Transistoren und Freilaufdioden ersparen, wenn wir ein fertiges Breakout-Board z.B. mit dem IC L293D verwenden.

Bei diesem Arduino-Shield können bis zu vier Motoren angeschlossen werden. Unten links im Bild erkennt man die Anschlussklemmen für die externe Spannungsversorgung. Vergleichbare Treiber-Boards gibt es auch für den Raspberry Pi, z.B. motozero in der Baugröße des Raspberry Pi Zero. 

 


Eine besondere Form von Gleichstrommotoren sind die Schrittmotoren (engl. step(per) motor), die man häufig in Verbindung mit einem Getriebe und/oder Umlenkung auf eine Zahnstange von den Schubladen von CD/DVD-Laufwerken und von 3D-Druckern kennt. Hier kommt es auf die grad- oder millimetergenaue Einstellung an.
Auch für Schrittmotoren gibt es meist passende Treiber-Module, z.B. für 3D-Drucker das DRV8825 Schrittmotor-Treiber-Modul oder das A4988 Schrittmotor-Treiber-Modul.

Oder für Modellbauer, die einen Kran bauen wollen, gibt es den Step Motor 28BYJ-48 gleich mit der Modulplatine ULN2003.



Neues Thema, die gleichen Probleme: Galvanische Trennung mit Relais

Der italienische Arzt Galvani hatte mit seinem Neffen die Froschschenkel-Versuche durchgeführt, aber das ist hier nicht gemeint. Es soll erreicht werden, dass zwei Stromkreise elektrisch nicht verbunden sind (auch nicht an GND) und dennoch eine Art Verbindung da ist. Bestes Beispiel ist ein Trenn-Trafo (nicht Spartrafo!).

Für uns Maker darf es aber eine Nummer kleiner sein. Wir wollen z.B. einen Verbraucher an einer Autobatterie oder die Kaffeemaschine im Stromkreis zu Hause (Achtung: 230V Netzspannung kann lebensgefährlich sein) mit unserem Arduino oder Raspberry Pi schalten. Deshalb entscheiden wir uns für ein Relais, bei dem die Schaltkontakte nicht mit der Elektronik verbunden sind.

Auch hier benötigen wir eine Freilaufdiode (engl. free-wheeling diode oder self-induction recuperation diode) für den Ausschaltvorgang. Und deshalb entscheiden wir uns am besten wieder für ein Fertigbauteil. Die gibt es mit einem, zwei, vier, acht oder sechzehn Relais. Wer einem alten Flipper-Spieltisch neues Leben einhauchen möchte, ist damit gut bedient. 


Tatsächlich haben diese Module eine doppelte galvanische Trennung: einmal die Trennung vom Stromkreis, der geschaltet werden soll. Zum zweiten jeweils einen Optokoppler, die Kombination aus einer Leuchtdiode (LED) oder Laserdiode (LD) als optischem Sender und einer Fotodiode oder einem Fototransistor als optischem Empfänger, um keine Rückwirkungen beim Schalten des Relais durch Magnetismus zu haben.

Auf den Bildern sind jeweils die kleinen schwarzen Chips die Optokoppler und darüber liegen die Dioden. Für die galvanische Trennung innerhalb von elektronischen Schaltungen ist übrigens immer der Optokoppler zu bevorzugen, da hier keine mechanischen Teile bewegt werden und die Reaktionszeit dadurch viel schneller ist.

Mit diesem zweiten Teil wollte ich Hintergrundwissen für die ersten Versuche mit elektronischen Schaltungen vermitteln. Schuldig geblieben bin ich das Thema Pulsweitenmodulation (PWM, engl. pulse width modulation), die wir für das Dimmen von LEDs, die Drehzahlregelung von Motoren oder für Servo-Motoren benötigen. Dieses umfangreiche Thema werden wir im dritten Teil behandeln.

Auf vielfachen Wunsch hier der Download des Blog-Beitrags als pdf-Dokument.

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