In diesem Kapitel werden einige eher einfache Hacks vorgestellt. Dabei werden verschiedene Techniken und Bauweisen verwendet. Sie sollten dieses Kapitel wenigstens überfliegen und es sich gegebenenfalls später genauer ansehen, wenn Sie ehrgeizigere Projekte in Angriff nehmen möchten.
3.1 Erhitzen eines Widerstands
Manche Bauteile können beim Hacken elektronischer Geräte ziemlich heiß werden. Das ist normalerweise nicht weiter schlimm, wenn man es denn erwartet und es sich nicht um eine böse Überraschung handelt. Es lohnt sich daher, auf diesem Gebiet ein wenig zu experimentieren.
3.1.1 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge
|
Anzahl |
Objekt |
Code im Anhang |
|---|---|---|
|
1 |
Widerstand 100 |
K2 |
|
1 |
Batteriehalter für 4 AA-Batterien |
H1 |
|
1 |
Satz 4×AA-Batterien, am besten Akkus |
Abbildung 3.1 zeigt den Schaltplan.
3.1.2 Das Experiment
Wir werden nichts weiter tun, als den Widerstand mit den Anschlüssen des Batteriehalters zu verbinden, und dann überprüfen, wie heiß er wird.
Wir verwenden einen Batteriehalter, der 4 AA-Batterien aufnimmt, von denen jede eine Spannung von 1,5V liefert. Die Batterien sind eine nach der anderen miteinander verbunden und liefern insgesamt eine Spannung von 6V. Abbildung 3.2 zeigt den Verbindungsaufbau der Batterien im Inneren des Batteriehalters als Schaltplan. Man bezeichnet dieser Art der Verbindung als Reihenschaltu ng und sagt, dass die Batterien »in Reihe« geschaltet sind.
Abbildung 3.3 zeigt die Schaltung in Aktion. Berühren Sie den Widerstand vorsichtig mit einem Finger, um zu überprüfen, dass er warm geworden ist.
Ist das nun ein gutes oder ein schlechtes Zeichen? Geht der Widerstand irgendwann kaputt, wenn er warm wird? Nein, keine Sorge. Widerstände sind dafür ausgelegt, ein gewisses Maß an Wärme zu verkraften. Die Leistung, die der Widerstand aufnimmt, ergibt sich aus dem Quadrat der Spannung geteilt durch den Widerstandswert:
(6V × 6V) / 100
= 0,36W
Wenn es sich um einen 0,25-Watt-Widerstand handelt, überschreiten wir also die Belastbarkeit des Widerstands . Es wäre ziemlich töricht, eine solche Schaltung für ein Gerät zu verwenden, das in Massenproduktion geht. Das ist hier aber nicht der Fall, und die Chancen stehen nicht schlecht, dass der Widerstand unbegrenzt lange weiter funktioniert.
3.2 Verwenden von Widerständen zur Spannungsteilung
Manchmal sind die vorhandenen Spannungen zu hoch. Beispielsweise ist in einem UKW-Radio das Signal, das der Empfangsteil dem Verstärker zuführt, absichtlich zu groß dimensioniert, damit es durch den Lautstärkeregler vermindert werden kann.
Ein weiteres Beispiel: Nehmen wir an, Sie möchten einen Sensor, der eine Spannung zwischen 0 und 10V liefert, an einen Arduino-Mikrocontroller anschließen, der jedoch eine Spannung zwischen 0 und 5V erwartet. Es ist in der Elektronik in einem solchen Fall ein gängiges Verfahren, zwei Widerstände (oder einen einzelnen veränderlichen Widerstand) als Spannungsteiler zu verwenden.
3.2.1 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge
|
Anzahl |
Objekt |
Code im Anhang |
|---|---|---|
|
1 |
10k |
K1, R1 |
|
1 |
Steckplatine |
T5 |
|
Schaltdraht |
T6 |
|
|
1 |
Batteriehalter für 4 AA-Batterien |
H1 |
|
1 |
Satz 4×AA-Batterien |
|
|
1 |
Anschlusskabel für den Batteriehalter |
H2 |
|
1 |
Multimeter |
T2 |
Abbildung 3.4 zeigt den Schaltplan unseres Experiments. Es gibt hier einige neue Schaltzeichen. Zunächst ist da ein veränderlicher Widerstand (Poti), dessen Symbol wie dasjenige eines gewöhnlichen Widerstands aussieht, aber zusätzlich eine Linie mit einem Pfeil besitzt, die mit dem Widerstand verbunden ist. Dies stellt den beweglichen Schieber des veränderlichen Widerstands dar.
Das zweite neue Symbol ist ein Kreis, in dem ein »V« steht. Hierbei handelt es sich um ein Voltmeter bzw. in unserem Fall um das Multimeter, das auf einen Messbereich für Gleichspannung eingestellt ist.
Der veränderliche Widerstand
besitzt drei Anschlüsse. Zwei davon sind an beiden Enden fest mit dem Widerstandselement verbunden. Der dritte Anschluss ist ein Gleitkontakt, der auch als Schleifer
bezeichnet wird, der über die gesamte Länge des Widerstandselements bewegt werden kann. Der Gesamtwiderstand des Widerstandselements beträgt 10k
.
Die eingehende Spannung wird vom Batteriehalter geliefert und beträgt rund 6V. Mit dem Multimeter messen wir die ausgehende Spannung, um festzustellen, in welchem Maße diese durch den Spannungsteiler vermindert wird.
Wie Sie aus Abbildung 1.2 b wissen, sind die dort grau unterlegten Bereiche auf der Steckplatine miteinander verbunden. Nehmen Sie sich beim Aufbau der Schaltung Zeit und vergewissern Sie sich, dass auch wirklich alle Bauteile wie im Schaltplan (Abbildung 3.4 ) miteinander verbunden sind.
Positionieren Sie das Trimmpoti wie dargestellt auf der Steckplatine (Abbildung 3.5 ) und schließen Sie den Batteriehalter an, indem Sie die Leitungen vorsichtig in die mit + und – gekennzeichneten Buchsenleisten einstecken. Wenn die Anschlusskabel Ihres Batteriehalters mehradrig sind und es Ihnen Schwierigkeiten bereitet, die Litze einzustecken, können Sie ein kleines Stückchen Schaltdraht an die Kabelenden anlöten.
Verbinden Sie die positive Spannungszuführung mit dem oberen und die negative Spannungszuführung mit dem unteren Anschluss des Trimmpotis. Schließen Sie nun das Multimeter an. Falls Ihr Multimeter Krokodilklemmen besitzt, sollten Sie lieber diese anstelle der normalen Messspitzen verwenden. Schließen Sie ein kleines Stückchen Schaltdraht an die Krokodilklemmen an und stecken Sie die freien Enden des Schaltdrahts dann – wie in Abbildung 3.5 gezeigt – in die Buchsen. Wenn Sie das alles erledigt haben, sollte Ihre Steckplatine etwa so aussehen wie in Abbildung 3.6 a und Abbildung 3.6 b.
Drehen Sie das Trimmpoti im Uhrzeigersinn bis zum Anschlag. Das Multimeter sollte jetzt 0V anzeigen (Abbildung 3.6 a). Drehen Sie das Trimmpoti nun entgegen dem Uhrzeigersinn bis zum Anschlag, sollte das Multimeter in etwa 6V anzeigen (Abbildung 3.6 b), also die gesamte vom Batteriehalter gelieferte Spannung. Drehen Sie das Trimmpoti zum Abschluss in eine mittlere Position; das Multimeter sollte daraufhin einen Wert von ca. 3V anzeigen (Abbildung 3.6 c).
Sie können sich den veränderlichen Widerstand so vorstellen, als ob er aus zwei einzelnen Widerständen R1 und R2 bestünde (siehe Abbildung 3.7 ).
Die Formel zur Berechnung der ausgehenden Spannung V Aus bei bekannten Werten von V Ein , R1 und R2 lautet:
V Aus = V Ein × R2 / (R1 + R2)
Wenn R1 und R2 einen Widerstand von jeweils 5k
besitzen und V
Ein
6V beträgt, dann gilt:
V
Aus
= 6V × 5k
/ (5k
+ 5k
) = 3V
Dieses Resultat stimmt gut mit dem gemessenen Wert bei einer mittleren Position des Trimmpotis überein. Tatsächlich verhält es sich dann genau so, als ob man zwei 5k
-Festwiderstände verwenden würde.
Für viele der in der Elektronik notwendigen Berechnungen gibt es im Internet praktische Hilfsprogramme. Geben Sie beispielsweise die Stichwörter »Spannungsteiler Rechner« bei einer Suchmaschine Ihrer Wahl ein, um diese aufzuspüren.
Viele dieser Rechner zeigen Ihnen außerdem die am besten passenden Standardwiderstände zu einer Berechnung an.
3.3 Umwandeln eines Widerstandswerts in eine Spannung (und Bau eines Belichtungsmessers)
Ein Fotowiderstand (engl. Light-Dependent Resistor , LDR ) ist ein Bauteil, dessen elektrischer Widerstand lichtabhängig ist. Wir wollen einen Widerstandswert in eine Spannung umwandeln, indem wir einen Fotowiderstand als einen der beiden Widerstände eines Spannungsteilers einsetzen.
3.3.1 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge
|
Anzahl |
Objekt |
Code im Anhang |
|---|---|---|
|
1 |
Fotowiderstand |
K1, R2 |
|
1 |
Steckplatine |
T5 |
|
Schaltdraht |
T6 |
|
|
1 |
Batteriehalter für 4 AA-Batterien |
H1 |
|
1 |
Satz 4×AA-Batterien |
|
|
1 |
Anschlusskabel für den Batteriehalter |
H2 |
|
1 |
Multimeter |
T2 |
Bevor wir zur Steckplatine greifen, wollen wir ein wenig mit dem Fotowiderstand herumexperimentieren. Abbildung 3.8
zeigt den direkt am Multimeter (Messbereich 20k
) angeschlossenen Fotowiderstand. Wie Sie sehen, beträgt der Widerstand 1,07k
. Wenn ich den Fotowiderstand mit meiner Hand bedecke, um das Licht abzuschirmen, steigt der Widerstand auf einige Dutzend k
. Der Widerstand ist also umso geringer, je heller es ist.
Mikrocontroller wie der Arduino können zwar Spannungen messen und darauf reagieren, sind aber nicht in der Lage, selbst direkt einen Widerstand zu messen. Um also den Widerstandswert unseres Fotowiderstands in eine leichter nutzbare Spannung umzuwandeln, können wir ihn als einen der beiden Widerstände eines Spannungsteilers einsetzen (Abbildung 3.9 ).
Beachten Sie, dass das Schaltzeichen des Fotowiderstands dem Symbol eines normalen Widerstands entspricht, jedoch zusätzlich zwei kleine zum Widerstand zeigende Pfeile auf die Lichtempfindlichkeit hinweisen.
Beim Aufbau der Schaltung auf der Steckplatine müssen wir am Multimeter den Messbereich 20V Gleichspannung einstellen. Nun kann man beobachten, wie sich die Spannung ändert, wenn der Fotowiderstand vom Umgebungslicht abgeschirmt wird (Abbildung 3.10 und Abbildung 3.11 ).
3.4 Mobile Kleinleuchte mit Dämmerungsschalte r
Batteriebetriebene Kleinleuchten gehören zu den vielen prächtigen Schnäppchen, die man in einem 1-Euro-Laden machen kann. Diese Leuchten sind eigentlich für Schränke oder andere dunkle Ecken gedacht, also Orte, an denen etwas mehr Licht praktisch wäre. Drücken Sie einmal auf den Schalter, geht das Licht an. Ein weiterer Druck, und das Licht geht wieder aus.
Es wird Sie kaum überraschen, dass wir stattdessen den Fotowiderstand zum Ein- und Ausschalten verwenden werden. Darüber hinaus kommt aber noch ein Transistor zum Einsatz.
Zunächst wollen wir die Schaltung auf der Steckplatine zum Laufen bringen. Dann verlöten wir unseren Entwurf in der Kleinleuchte. Wir werden anstelle der Leuchte sogar eine LED verwenden, bevor wir nicht sicher sind, dass alles funktioniert.
3.4.1 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge
Die mit einem Sternchen gekennzeichneten Bauteile werden nur für das Steckplatinen-Experiment benötigt.
|
Anzahl |
Name |
Objekt |
Code im Anhang |
|---|---|---|---|
|
1 |
R1 |
Fotowiderstand |
K1, R2 |
|
1 |
T1 |
Transistor 2N3904 |
K1, S1 |
|
1 |
R2 |
Widerstand 10k |
K2 |
|
1* |
R3 |
Widerstand 270 |
K2 |
|
1* |
D1 |
Rote LED oder Hochleistungs-LED |
K1 oder S2 |
|
* |
Schaltdraht |
T6 |
|
|
1 |
Mobile Kleinleuchte |
Der Fotowiderstand soll die LED steuern. Ein erster Schaltungsentwurf könnte wie derjenige in Abbildung 3.12 aussehen. Allerdings gibt es hier einen Denkfehler. Bei zunehmendem Lichteinfall wird der Widerstandswert des Fotowiderstands sinken, sodass durch die LED ein höherer Strom fließt und diese heller leuchtet. Das ist genau das Gegenteil dessen, was wir erreichen möchten. Die LED soll ja schließlich eingeschaltet werden, wenn es dunkel ist.
Wir müssen einen Transistor verwenden. Die grundlegende Funktionsweise eines Transistors ist in Abbildung 3.13 dargestellt. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Transistortypen, aber der wohl gebräuchlichste Typ (den wir ebenfalls verwenden werden) wird als NPN-Bipolartransistor bezeichnet.
Er besitzt drei Anschlüsse: Emitter , Kollektor und Basis . Ein kleiner Strom, der durch die Basis fließt, ermöglicht es, dass ein sehr viel größerer Strom zwischen Kollektor und Emitter fließen kann. Dies ist das Grundprinzip eines solchen Transistors.
Um wie vieles der Kollektorstrom den Basisstrom übertrifft, hängt vom Transistor ab; es handelt sich typischerweise um einen Faktor 100.
3.4.2 Steckplatine
Abbildung 3.14 zeigt die Schaltung, die wir auf der Steckplatine aufbauen werden. Lassen Sie uns zum besseren Verständnis der Schaltung die folgenden beiden Situationen betrachten:
Dunkelheit
Bei Dunkelheit besitzt der Fotowiderstand R1 einen sehr hohen Widerstandswert; Sie könnten sich beinahe vorstellen, er wäre gar nicht vorhanden. In diesem Fall fließt ein Strom durch R2, Basis und Emitter des Transistors, der es erlaubt, dass genügend Strom durch R3 und LED in den Kollektor und aus dem Emitter fließt: Die LED leuchtet. Wenn der Strom, der durch die Basis des Transistors fließt, ausreicht, um einen Strom durch Kollektor und Emitter fließen zu lassen, bezeichnet man das als den »leitenden Zustand« des Transistors.
Unter Verwendung des ohmschen Gesetzes können wir den Basisstrom berechnen. In diesem Zustand liegt an der Basis des Transistors eine Spannung von nur etwa 0,5V an. Wir dürfen also annehmen, dass über dem 10k
-Widerstand R2 nahezu die gesamten 6V anliegen. Da I = V / R ist, ergibt sich ein Strom von 6V / 10.000
= 0,6mA.
Helligkeit
Bei Helligkeit müssen wir den Widerstandswert des Fotowiderstands R1 berücksichtigen. Je heller es ist, desto geringer ist der Widerstandswert von R1 und umso mehr Strom, der ansonsten zur Basis des Transistors fließt, wird stattdessen durch R1 abgeleitet, wodurch verhindert wird, dass der Transistor den leitenden Zustand erreicht. Der Transistor befindet sich nun im »sperrenden Zustand«.
Ich denke, es ist höchste Zeit, die Schaltung auf der Steckplatine aufzubauen. Abbildung 3.15 zeigt den schematischen Aufbau und Abbildung 3.16 a bzw. Abbildung 3.16 b die fertige Schaltung.
Achten Sie beim Einstöpseln der LED in die Steckplatine auf die korrekte Polung. Das längere der beiden Beinchen ist der positive Anschluss und muss in Reihe 10 mit R3 verbunden werden (Abbildung 3.16 a).
Wenn alles in Ordnung ist, sollte die LED aufleuchten, sobald Sie den Fotowiderstand abdecken (Abbildung 3.16 b).
3.4.3 Schaltungsaufbau
Nun haben wir überprüft, dass die Schaltung funktioniert, und können uns der Modifizierung der Kleinleuchte zuwenden. Abbildung 3.17 zeigt die von mir umgebaute Kleinleuchte. Ihre Leuchte wird vermutlich etwas anders aussehen. Lesen Sie also den folgenden Abschnitt sorgfältig durch. Sie sollten dann in der Lage sein, herauszufinden, wie Sie beim Umbau Ihrer Leuchte vorgehen müssen. Tun Sie sich selbst den Gefallen und versuchen Sie, eine Leuchte zu finden, die mit einer Spannung von 6V (4 AA- oder AAA-Batterien) betrieben wird.
Auf der Rückseite der Leuchte werden Sie vermutlich Schrauben vorfinden. Entfernen und verwahren Sie diese Schrauben. Abbildung 3.18 zeigt das Innere der Leuchte. Die verschiedenen Verbindungen sind dort gekennzeichnet. Anhand dieser Verdrahtung können wir einen Schaltplan der Leuchte im jetzigen Zustand erstellen, bevor wir sie umbauen (Abbildung 3.19 ).
Die Leuchte verwendet eine altmodische Birne mit Glühfaden, die wir durch eine Hochleistungs-LED ersetzen werden. Falls Ihnen eine solche nicht zur Verfügung steht: Eine normale LED beliebiger Farbe funktioniert auch, ist aber nicht besonders hell. In Abbildung 3.20
ist zu sehen, dass die Glühlampe durch LED und 270
-Widerstand ersetzt wurde. Vergewissern Sie sich, dass das längere Anschlussbeinchen der LED mit dem Widerstand und das andere Ende des Widerstands mit dem Pluspol des Batteriefachs verbunden sind.
Betätigen Sie testweise den Schalter, um zu überprüfen, ob die LED funktioniert.
Nun können wir einen Schaltplan der Leuchte mit unserer Erweiterung zeichnen (Abbildung 3.21 ).
Tatsächlich müssen wir zu diesem Zweck lediglich den Schalter zum ursprünglichen LED-Schaltplan (Abbildung 3.14 ) hinzufügen. R3 und D1 wurden bereits beim Ersetzen der Glühlampe eingebaut. Der Schalter ist bereits vorhanden, wir müssen also nur noch Transistor, Fotowiderstand und R2 einbauen. Abbildung 3.22 zeigt die neue Verdrahtung der mobilen Leuchte.
Abbildung 3.23 zeigt die einzelnen Schritte beim Einlöten der zusätzlichen Bauteile in die Leuchte.
-
Entlöten Sie als Erstes den Anschluss des Schalters, der nicht mit dem Minuspol des Batteriefachs verbunden ist (der mit dem Batteriefach verbundene wird schließlich noch gebraucht, siehe Abbildung 3.23 a).
-
Verlöten Sie den 10k
-Widerstand R2 zwischen dem mittleren Anschluss des Transistors (der Basis) und dem Pluspol des Batteriefachs (Abbildung 3.23
b). -
Halten Sie den Transistor so, dass die Beinchen von Ihnen fortweisen und die flache Seite nach oben zeigt (Abbildung 3.23 b). Verlöten Sie nun den linken Anschluss des Transistors (den Kollektor) mit dem Kabel, das Sie soeben vom Schalter abgelötet haben.
-
Verlöten Sie einen Anschluss des Fotowiderstands mit dem mittleren Anschluss des Transistors. Verlöten Sie dann den zweiten Anschluss des Fotowiderstands mit dem noch unbelegten Anschluss des Transistors (dem Emitter). Verlöten Sie nun den soeben frei gewordenen Anschluss des Schalters mit dem rechten Anschluss des Transistors (Emitter). Siehe Abbildung 3.23 c.
-
Richten Sie die verwendeten Bauteile sorgfältig aus und verbiegen Sie die Anschlussbeinchen gegebenenfalls so, dass die blanken Kontakte einander keinesfalls berühren können (Abbildung 3.23 d).
Na bitte! Sie haben gerade ein elektronisches Gerät gehackt.
3.5 Auswahl eines Bipolartransistors
Bei dem im vorhergehenden Abschnitt 3.4 verwendeten Transistor handelt es sich um einen praktischen Universal-Transistor. Es gibt jedoch eine Vielzahl anderer Transistortypen, die auch für vielfältige andere Aufgaben eingesetzt werden. Dieser Abschnitt soll Ihnen dabei helfen, den jeweils richtigen Transist or zu finden, und beschreibt, wie die verschiedenen Transistoren verwendet werden, ohne dass sie ihren Geist aufgeben und nur ein Rauchwölkchen hinterlassen.
3.5.1 Datenblätter
Transistoren besitzen eine Reihe von Kenngrößen, über die Sie Bescheid wissen müssen. Zu jedem Transistor gehört ein Datenblatt des Herstellers, auf dem Sie alle Angaben zu dem jeweiligen Bauteil finden, von den Maßen der Anschlüsse bis hin zu den elektrischen Eigenschaften.
In den meisten Fällen werden Sie nur einen von drei oder vier Transistortypen verwenden und müssen sich nicht weiter um die Einzelheiten des Bauteilverhaltens kümmern. Falls aber doch, finden Sie die nötigen Informationen auf dem Datenblatt. Vielleicht möchten Sie deswegen den nächsten Unterabschnitt überspringen, in dem wir uns einige der verschiedenen Transistortypen näher ansehen – jedoch nur die in der Praxis bedeutsamen, keine Exoten.
In Tabelle 3.1 finden Sie auszugsweise einige der Einträge für Maximalwerte auf dem Datenblatt des Transistors 2N3904.
|
Symbol |
Kenngröße |
Wert |
Einheit |
|---|---|---|---|
|
V CEO |
Kollektor-Emitter-Spannung |
40 |
V |
|
V CBO |
Kollektor-Basis-Spannung |
60 |
V |
|
V EBO |
Emitter-Basis-Spannung |
6,0 |
V |
|
I C |
Kollektorstrom (Dauerlast) |
200 |
mA |
Die Maximalwerte für Kollektor-Emitter- und Kollektor-Basis-Spannung von 40V bzw. 60V bedeuten, dass wir uns bei batteriebetriebenen Geräten keine Sorgen machen müssen, diese zu überschreiten. Wir müssen jedoch darauf achtgeben, die Emitter-Basis-Spannung nicht zu überschreiten.
Ein maximaler Kollektorstrom von 200mA besagt, dass der Transistor schon ziemlich robust ist. Theoretisch könnten wir damit zehn LEDs à 20mA gleichzeitig ansteuern. Wenn wir den Wert von 200mA jedoch überschreiten, wird der Transistor heiß werden und schließlich ausfallen.
Die Kenngröße, die uns am meisten interessiert, ist die Stromverstärkung, die im Datenblatt als h FE bezeichnet wird. Sie findet sich auf dem Datenblatt des Transistors im Abschnitt mit den elektrischen Eigenschaften.
Wie Sie bereits wissen, gibt die Stromverstärkung an, um welches Vielfache der Kollektorstrom größer ist als der Basisstrom . Tabelle 3.2 ist zu entnehmen, dass dieser Faktor bei einem Kollektorstrom (I C ) von 10mA und einer Kollektor-Emitter-Spannung (V CE ) von 1,0V (ganz typische Werte) 100 beträgt, was bedeutet, dass der Basisstrom nur 10mA / 100 = 100nA betragen muss, damit ein Kollektorstrom von 10mA fließen kann.
3.5.2 MOSFETs
Der 2N3904 ist ein Bipolartransistor, und dieses Bauteil ist im Wesentlichen ein Stromverstärker. Ein niedriger Basisstrom steuert einen sehr viel stärkeren Kollektorstrom. Aber in manchen Fällen ist eine Stromverstärkung in der Größenordnung von 100 nicht annähernd ausreichend.
Es gibt einen Transistortyp, für den diese Beschränkung nicht gilt, der als MOSFET (engl. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor , Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) bezeichnet wird. Es dürfte klar sein, warum man hier eine Abkürzung verwendet. Diese Transistoren werden nicht durch Strom, sondern durch Spannung gesteuert und sind hervorragend als Schalter geeignet.
MOSFETs besitzen weder Emitter, Basis, noch Kollektor, sondern »Source« (Quelle), »Gate« (Steuerelektrode) und »Drain« (Abfluss). Sie erreichen den leitenden Zustand, wenn die Spannung am Gate einen Schwellenwert übersteigt, der typischerweise bei etwa 2,0V liegt. In diesem Zustand können ähnlich wie beim Bipolartransistor ziemlich große Ströme durch Drain und Source fließen. Da das Gate jedoch durch eine Glasschicht vom übrigen Transistor isoliert ist, kann dabei kaum ein Strom durch das Gate fließen. Es ist vielmehr die am Gate anliegende Spannung, die den Stromfluss steuert.
Im Abschnitt 3.6 und in Kapitel 7 (im Abschnitt Steuern der Motordrehzahl per Leistungs-MOSFET ) werden uns MOSFETs erneut begegnen.
3.5.3 PNP- und N-Kanal-Transistoren
Beim Dämmerungsschalter des vorhergehenden Abschnitts befindet sich der Transistor auf der »negativen Seite des Verbrauchers«. Wenn Sie einen Blick auf Abbildung 3.21 werfen, werden Sie feststellen, dass der »Verbraucher« (LED und Widerstand R3) nur über den Transistor mit dem Minuspol (Masse) der Spannungsquelle verbunden ist. Falls wir aus irgendeinem Grund (und das kommt durchaus vor) den Transistor auf der »positiven Seite« platzieren möchten, müssen wir das PNP-Pendant zum NPN-2N3904 verwenden, wie etwa den 2N39 06. NPN steht für Negativ-Positiv-Negativ und Sie können sich wohl denken, wofür PNP steht. Diese Bezeichnungen kommen zustande, weil ein Transis tor eine Art Halbleiter-Sandwich darstellt, bei dem die Brotscheiben aus einem Halbleitermaterial entweder mit N-Dotierung oder mit P-Dotierung bestehen. Sind die Brotscheiben vom N-Typ (das sind die meisten), muss die Basisspannung höher als die Emitterspannung sein (um ca. 0,5V), damit der Transistor den leitenden Zustand erreicht. Ein PNP-Transistor hingegen geht in den leitenden Zustand über, wenn die Basisspannung mehr als 0,5V niedriger als die Emitterspannung ist.
Soll sich der Transistor also auf der positiven Seite befinden, könnten wir wie in Abbildung 3.24 , der PNP-Alternative zu Abbildung 3.21 , einen PNP-Transistor verwenden.
MOSFETs besitzen ihr eigenes Gegenstück zu PNP-Transistoren, die als P-Kanal-MOSFETs bezeichnet werden. Die gängigere NPN-Version heißt N-Kanal-MOSFET .
3.5.4 Gebräuchliche Transistoren
Mit den in Tabelle 3.3 aufgeführten Transistoren wird ein breites Spektrum an Transistoranwendungen abgedeckt. Es gibt Abertausende anderer Transistoren, aber in diesem Buch verwenden wir Transistoren eigentlich nur zum Schalten. Mit den aufgeführten Transistoren sind Sie jedenfalls für alle grundlegenden Fälle gerüstet!
|
Name |
Code im Anhang |
Typ |
Maximal schaltbarer Strom |
Bemerkung |
|---|---|---|---|---|
|
2N3904 |
S1 |
NPN, bipolar |
200mA |
Stromverstärkung ca. Faktor 100 |
|
2N3906 |
S4 |
PNP, bipolar |
200mA |
Stromverstärkung ca. Faktor 100 |
|
2N7000 |
S3 |
N-Kanal-MOSFET |
200mA |
Gate-Source-Schwellenspannung 2,1V; erreicht leitenden Zustand, wenn die Gate-Spannung 2,1V höher als die Source-Spannung ist |
|
FQP30N06 |
S6 |
N-Kanal-MOSFET |
30A |
Gate-Source-Schwellenspannung 2,0V; erreicht leitenden Zustand, wenn die Gate-Spannung 2,0V höher als die Source-Spannung ist |
Tabelle 3.3: In der Praxis gebräuchliche Transistoren; die ersten drei dienen zum Schalten niedriger oder moderater Ströme, der letzte zum Schalten von Starkstrom.
Abbildung 3.25 zeigt Schaltzeichen und Pinbelegung des N-Kanal-MOSFETs FQP30N06.
Dieser MOSFET kann Lasten von bis zu 30A schalten. So weit werden wir nicht annähernd gehen, wir verwenden ihn zum Steuern eines kleinen Elektromotors mit einer Spitzenlast von vielleicht 1 oder 2A. Für einen Bipolartransistor wäre das schon zu viel, aber dieser MOSFET nimmt das kaum zur Kenntnis!
3.6.1 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge
Zum Testen des Leistungs-MOSFETs benötigen Sie die folgenden Dinge:
|
Anzahl |
Objekt |
Code im Anhang |
|---|---|---|
|
1 |
Steckplatine |
T5 |
|
Schaltdraht |
T6 |
|
|
1 |
Batteriehalter für 4 AA-Batterien |
H1 |
|
1 |
Satz 4×AA-Batterien |
|
|
1 |
Anschlusskabel für den Batteriehalter |
H2 |
|
1 |
10k |
K1 |
|
1 |
MOSFET FQP30N06 |
S6 |
|
1 |
6V-Gleichstrommotor (Getriebemotor) |
H6 |
Als Motor können Sie einen beliebigen Gleichstrommotor verwenden, der etwa 6V benötigt. Ein 12V-Motor sollte bei einer Spannung von 6V noch laufen. Schließen Sie den Motor einfach direkt am 6V-Batteriehalter an, um ihn zu testen.
3.6.2 Steckplatine
Abbildung 3.26 zeigt den Schaltplan für dieses Projekt. Der veränderliche Widerstand regelt die Spannung am Gate des MOSFETs. Wenn diese Spannung die Schwellenspannung übersteigt, erreicht der MOSF ET den leitenden Zustand und der Motor beginnt zu laufen.
Abbildung 3.27 zeigt den schematischen Aufbau des Projekts, Abbildung 3.28 außerdem ein Foto, auf dem das Experiment in vollem Gange ist.
Zum Verbinden des Motors mit der Steckplatine müssen Sie vermutlich zwei Anschlusskabel anlöten. Die Polung des Motors spielt hier keine Rolle, sie legt nur fest, in welche Richtung er sich dreht. Wenn Sie die beiden Leitungen vertauschen, dreht sich der Motor also in entgegengesetzter Richtung.
Drehen Sie nun den Knopf am veränderlichen Widerstand. Sie werden feststellen, dass Sie die Drehzahl des Motors kaum steuern können. Wenn Sie sich in der Nähe der Schwellenspannung bewegen, können Sie ein wenig Einfluss auf die Geschwindigkeit des Motors nehmen, aber Sie werden vermutlich einsehen, warum ein MOSFET vornehmlich als Schalter genutzt wird, der entweder an oder aus ist.
Diese Art MOSFET wird als Logic-Level- oder LL-MOSFET bezeichnet, denn die Gate-Schwellenspannung ist so niedrig, dass der digitale Ausgang eines Mikrocontrollers direkt zur Steuerung verwendet werden kann. Das trifft jedoch nicht auf alle MOSFETs zu, denn manche Modelle benötigen eine Gate-Schwellenspannung von 6V oder mehr.
In Kapitel 7 werden Sie einen MOSFET dazu verwenden, die Drehzahl des Motors ganz gezielt zu steuern.
3.7 Auswahl eines geeigneten Schalters
Oberflächlich betrachtet ist ein Schalter ein ziemlich simples Ding. Er schließt zwei Kontakte und stellt dadurch eine Verbindung her. Oft ist das auch schon alles, was erforderlich ist, aber gelegentlich braucht man doch etwas Raffinierteres. Stellen Sie sich beispielsweise vor, dass Sie zwei Dinge gleichzeitig schalten möchten.
Es gibt auch Schalter, die nur so lange einen Kontakt herstellen, wie sie betätigt werden, oder solche, die in einer bestimmten Position einrasten. Es gibt Taster, Wechsel-, Um- und Drehschalter. Es gibt eine riesige Auswahl und in diesem Abschnitt möchte ich die verschiedenen Möglichkeiten näher beleuchten. Abbildung 3.29 zeigt eine kleine Auswahl verschiedener Schalter.
3.7.1 Taster
Da heutzutage so viele Mikrocontroller im Einsatz sind, dürften einfache Taster zu den gebräuchlichsten Schalterarten gehören (Abbildung 3.30 ).
Der abgebildete Taster ist für direktes Verlöten auf einer Leiterplatte ausgelegt, passt aber auch auf die Steckplatine, was äußerst praktisch ist.
Das Verwirrende an diesem Taster ist, dass er vier Anschlüsse besitzt, nicht zwei, wie man erwarten würde. Beim Betrachten von Abbildung 3.30 werden Sie feststellen, dass sowohl B und C als auch A und D dauerhaft miteinander verbunden sind. Wenn der Taster betätigt wird, sind also alle vier Anschlüsse miteinander verbunden.
Sie müssen also auf die Pinbelegung achten, sonst ist Ihr »Schalter« dauerhaft eingeschaltet!
Sie müssen also auf die Pinbelegung achten, sonst ist Ihr »Schalter« dauerhaft eingeschaltet!
Falls es in irgendeiner Weise unklar ist, wie genau ein Taster funktioniert, können Sie das Multimeter im Durchgangsprüfer-Modus verwenden, um herauszufinden, welche Anschlüsse miteinander verbunden sind, und zwar zunächst ohne die Taste zu betätigen und dann mit gedrückter Taste.
3.7.2 Mikroschalter
Eine weitere praktische Art von Schaltern sind Mikroschalter , die normalerweise nicht mit der Hand betätigt werden, sondern oft in Geräten wie Mikrowellen Verwendung finden, um festzustellen, ob die Tür geschlossen ist. Sie werden auch in der Sicherheitstechnik eingesetzt, etwa um zu erkennen, wenn sich jemand an der Alarmanlage zu schaffen macht und deren Abdeckung entfernt.
Abbildung 3.31 zeigt einen Mikroschalter mit drei Anschlüssen. Damit man ihn auch als Wechselschalt er verwenden kann, besitzt er nicht nur zwei, sondern drei Anschlüsse. Der gemeinsam verwendete Anschluss C ist stets mit einem der Anschlüsse A oder B verbunden, aber nie mit beiden gleichzeitig. Die normalerweise geöffnete (engl. Normally Open , N.O.) Verbindung wird nur dann geschlossen, wenn der Mikroschalter betätigt wird. Die normalerweise geschlossene (engl. Normally Closed , N.C.) Verbind ung ist – Überraschung! – normalerweise geschlossen und wird nur dann geöffnet, wenn der Schalter betätigt wird.
Wenn sich in Ihrem Sortiment ein Mikroschalter befindet, können Sie das Multimeter im Durchgangsprüfer-Modus verwenden, um den N.C.-Kontakt zu ermitteln. Schließen Sie eine der Messspitzen am gemeinsam genutzten Anschluss C an und verwenden Sie die andere, um den N.C.-Anschluss zu finden. Wenn das Multimeter piepst, können Sie den Taster betätigen, um das Piepsen zu unterbrechen.
3.7.3 Wechselschalter
Wenn Sie in einem Bauteilkatalog stöbern (was selbstredend zu den üblichen Beschäftigungen eines Elektronikhackers gehört), werden Sie ein verblüffend umfangreiches Angebot an Wechselschaltern vorfinden. Manche davon tragen Bezeichnungen wie DPDT, DPST, SPDT, SPST usw.
Lassen Sie uns dieses technische Kauderwelsch entwirren. Die einzelnen Buchstaben bedeuten:
-
D = Double (Zweifach-)
-
S = Single (Einzel-)
-
P = Pole (Pol bzw. Kontakt)
-
T = Throw (Umlegen des Schalters)
Ein DPDT-Wechselschalter besteht also im Grunde genommen aus zwei Wechselschaltern mit eigenen Schaltwegen und besitzt sechs Anschlüsse. Das Wort Pol bzw. Kontakt bezieht sich dabei auf die Anzahl der Kontakte, die durch den einzigen Schalthebel gesteuert werden. Ein DP-Wechselschalter mit zwei Polen/Kontakten kann also zwei Leitungen unabhängig voneinander schalten. Ein ST-Wechselschalter kann eine Verbindung nur entweder öffnen oder schließen (oder zwei Verbindungen, wenn er zwei Kontakte besitzt). Jedenfalls kann ein DT-Wechselschalter eine Verbindung mit einem oder zwei der Anschlüsse und dem gemeinsam genutzten Anschluss herstellen. Ein Mikroschalter ist daher ein DT-Wechselschalter, da er sowohl einen normalerweise geschlossenen als auch einen normalerweise geöffneten Anschluss besitzt. Kompliziert? Ja, aber in Abbildung 3.32 ist alles noch einmal aufbereitet.
Beachten Sie in Abbildung 3.32 , dass in einem Schaltplan, der einen zweifach-umlegenden Schalter enthält, üblicherweise zwei einfache Schalter gezeichnet werden (S1a und S1b), die mittels einer gestrichelten Linie verbunden werden, um darauf hinzuweisen, dass die beiden Schalter mechanisch gekoppelt sind.
Es kann sogar noch komplizierter werden, weil es Schalter mit drei oder mehr schaltbaren Anschlüssen gibt, und mechanische Schalter manchmal »ausleiern« und dann die Schaltzustände nicht zuverlässig beibehalten. Möglicherweise gibt es auch undefinierte Zustände, in denen der gemeinsam genutzte Anschluss mit keinem der anderen Anschlüsse verbunden ist.
Es gibt auch Wechselschalter, bei denen es eine »Mittelstellung« gibt, bei der keine Verbindung zwischen dem gemeinsam genutzten Anschluss und den schaltbaren Anschlüssen besteht. Im Ausgangszustand ist der gemeinsam genutzte Anschluss mit bestimmten Kontakten verbunden. Wenn Sie nun den Schalter betätigen, wird kurzzeitig eine Verbindung zu den anderen Kontakten hergestellt. Danach nimmt der Schalter automatisch die Mittelstellung ein, was es Ihnen erlaubt, eine nur kurze Zeit vorhandene Verbindung herzustellen. Viele der genannten Begriffe werden Ihnen auch bei anderen Schaltertypen begegnen.
3.8 Zusammenfassung
Sie haben nun einiges über Spannung, Strom, Widerstand und Leistung erfahren. Im nächsten Kapitel werden Sie das gesammelte Wissen beim Einsatz von LEDs anwenden können.