Dieses Kapitel ist vornehmlich zum Nachschlagen gedacht. Einigen der hier vorgestellten Verfahrensweisen sind Sie bei der Lektüre dieses Buches bereits begegnet.
11.1 Verwendung eines Multimeters
Abbildung 11.1 zeigt eine Großaufnahme des Drehschalters zur Auswahl des Messbereichs meines Multimeters. Die zur Verfügung stehenden Funktionen und Messbereiche sind für ein Multimet er dieser Preisklasse (um die 20 Euro) durchaus typisch. Wir haben im bisherigen Verlauf des Buches vielleicht vier oder fünf der verschiedenen Einstellungen verwendet. Es lohnt sich also, einen Blick auf die anderen Funktionalitäten solch eines Multimeters zu werfen.
Wenn Sie den Drehschalter mit dem Zifferblatt einer analogen Uhr vergleichen, müssen Sie ihn auf 6 Uhr drehen, um den Durchgangsprüfer-Modus einzustellen. Dort befinden sich ein Notensymbol sowie das Schaltzeichen einer Diode. In diesem Modus piept das Multimeter, wenn der Widerstand zwischen den Messspitzen sehr gering ist.
Das Diodensymbol weist darauf hin, dass dieser Modus gleichzeitig zum Testen von Dioden dient. Bei manchen Geräten funktioniert das sogar mit LEDs. Sie können dann deren Flussspannung messen.
Verbinden Sie die Anode der Diode (bei einer einfachen Diode den Anschluss ohne Ring, bei einer LED das längere der Beinchen) mit der roten Messspitze des Multimeters. Der andere Anschluss muss mit der schwarzen Messspitze in Kontakt gebracht werden. Das Multimeter zeigt Ihnen nun die Flussspannung der Diode an. Bei einer einfachen Diode beträgt diese rund 0,5V, bei einer LED hingegen, je nach Farbe, etwa 1,7V bis 2,5V. Eine LED glimmt möglicherweise sogar ein wenig.
11.1.2 Widerstand
Das Multimeter in Abbildung 11.1
besitzt sechs Widerstandsmessbereiche, die sich von 200M
bis zu 200
erstrecken. Falls man einen Messbereich ausgewählt hat, dessen maximaler Widerstandswert geringer ist als derjenige des gemessenen Widerstan
ds, zeigt das Multimeter dies an. Meines signalisiert mir durch die Anzeige einer einzelnen »1« ohne irgendwelche weitere Stellen, dass ich einen größeren Messbereich einstellen muss. Noch besser ist es, einfach mit dem größten Messbereich anzufangen und diesen so lange herunterzuschalten, bis das Gerät einen konkreten Messwert anzeigt. Den genauesten Wert erhalten Sie in dem Messbereich oberhalb desjenigen, in dem das Multimeter anzeigt, dass der gemessene Widerstand außerhalb des eingestellten Messbereichs liegt.
Beachten Sie beim Messen von hohen Widerstandswerten ab 100k
, dass Ihr eigener Körper ebenfalls ein großer Widerstand ist. Wenn Sie den Widerstand also an beiden Enden berühren (siehe Abbildung 11.2
), messen Sie nicht nur den Widerstandswert des Widerstands, sondern auch den Ihres Körpers.
Verwenden Sie lieber Messleitungen mit Krokodilklemmen oder drücken Sie die Widerstandsenden mit den Messspitzen gegen Ihre Arbeitsunterlage.
11.1.3 Kapazität
Manche Multimeter sind in der Lage, Kapazitäten zu messen. Das ist zwar nicht besonders nützlich, um die Kapazität eines Kondensators herauszufinden (Kondensatoren sind mit diesem Wert beschriftet), ermöglicht es aber, Kondensatoren zu überprüfen und herauszufinden, ob die tatsächliche Kapazität mit der angegebenen halbwegs übereinstimmt.
Die Kapazitätsmesswerte der meisten Geräte sind ziemlich ungenau, aber auch die angegebenen Toleranzen von Kondensatoren sind oft ziemlich hoch, insbesondere bei Elektrolytkondensatoren.
Wundern Sie sich also nicht, wenn das Multimeter bei einem 100
F-Kondensator einen Messwert von 120
F oder nur 90
F anzeigt.
11.1.4 Temperatur
Falls Ihr Multimeter Temperaturen messen kann, dürfte auch ein spezieller Messfühler dazugehören (siehe Abbildung 11.3 ).
Bei dem Messfühler handelt es sich um ein Thermoelement , mit dem Sie die Temperatur an der Spitze messen können. Diese Art Thermometer ist sehr viel leistungsfähiger als ein normales Digitalthermometer. Schlagen Sie im Handbuch Ihres Multimeters den messbaren Temperaturbereich nach; er dürfte etwa zwischen -40°C und 1.000°C liegen.
Sie können damit messen, wie heiß die Spitze Ihres Lötkolbens wird, oder herausfinden, wie hoch die Temperatur eines fühlbar warm werdenden Bauteils einer Schaltung tatsächlich ist.
11.1.5 Wechselspannung
Bislang war Wechselspannung so gut wie gar nicht Thema dieses Buches. Diese Art elektrischer Spannung steht an einer normalen 230V-Steckdose zur Verfügung. (230 Volt sind der Nennwert. Da der tatsächliche Wert manchmal minimal abweicht, ist auf vielen Geräten 220V bis 240V angegeben.) Abbildung 11.4 zeigt den zeitlichen Verlauf einer solchen Wechselspannu ng.
Aus Abbildung 11.4 ist ersichtlich, dass die Spitzenwerte der Spannung tatsächlich 325V bzw. -325V betragen. Warum spricht man dann überhaupt von 230V? Nun, es gibt ja auch Zeitpunkte, zu denen die Spannung sehr niedrig ist und daher auch nur eine geringe Leistung bereitstellt. Die 230V sind eine Art Durchschnittswert, jedoch kein »normaler« Durchschnitt, denn der wäre (325V - 325V) / 2 = 0V, und außerdem ist die Spannung die Hälfte der Zeit negativ. Man bezeichnet diesen Wert als Effektivspannu ng .
Bei der Effektivspannung von 230V handelt sich um ein quadratisches Mittel
(engl. RMS
nach Root Mean Square
), das sich bei der sinusförmigen Kurve aus dem Wert der positiven Spitzenspannung geteilt durch die Wurzel aus 2 (
1,41) ergibt. Sie können sich die effektive Spannung als den Wert vorstellen, den eine Gleichspannung besitzen müsste, um an einem ohmschen Widerstand dieselbe elektrische Leistung umzusetzen. Beispielsweise leuchtet eine Glühlampe bei einer Effektivwechselspannung von 230V genauso hell wie bei einer Gleichspannung von 230V.
Es ist unwahrscheinlich, dass Sie jemals Wechselspannungen messen müssen, wenn Sie nicht etwas ziemlich Exotisches und möglicherweise sogar Gefährliches vorhaben. Sie sollten dann schon ganz genau wissen, was Sie tun. Das soeben Erläuterte dürfte Ihnen dann ohnehin schon bekannt sein.
11.1.6 Gleichspannung
Gleichspannungen haben wir schon mehrfach gemessen, meist im Bereich zwischen 0V und 20V.
Vielmehr gibt es an dieser Stelle nicht anzumerken, außer dass Sie stets mit dem größten Messbereich beginnen und sich dann allmählich nach unten vorarbeiten sollten.
11.1.7 Gleichstrom
Sie werden möglicherweise feststellen, dass Sie beim Messen von Strömen für jeden Messbereich eine andere Buchse zum Anschluss der positiven Messspitze am Multimeter verwenden müssen. Für gewöhnlich besitzen der Messbereich für niedrige und derjenige für hohe Ströme (bei meinem Multimeter bis zu 20A, siehe Abbildung 11.5 ) einen eigenen Anschluss.
Hier sind zwei wichtige Punkte zu beachten. Wenn Sie bei Strommessungen den Messbereich überschreiten, erhalten Sie unter Umständen nicht nur eine Warnmeldung des Geräts, es kann sehr wohl auch eine der internen Sicherungen durchbrennen.
Der zweite Punkt ist die Tatsache, dass der Widerstand zwischen den Messspitzen sehr gering ist, wenn sich der Anschluss der positiven Messspitze in der Buchse für Strommessungen befindet. Schließlich soll ja möglichst viel des zu messenden Stroms durch sie hindurchfließen. Wenn Sie nun nach der Messung vergessen, dass die Messspitze noch immer mit der Buchse für Strommessungen verbunden ist und versuchen, an einer anderen Stelle der Schaltung eine Spannung zu messen, schließen Sie die Schaltung quasi kurz – und vermutlich brennt gleichzeitig auch noch die Sicherung des Multimeters durch.
Ich kann es nicht oft genug wiederholen: Stecken Sie nach einer Strommessung den Anschluss der Messspitze IMMER wieder zurück in die für Spannungsmessungen vorgesehene Buchse, denn wahrscheinlich wird diese bei der nächsten Messung gebraucht. Wenn Sie versehentlich versuchen, einen Strom zu messen, während die Messspitze an der Buchse für die Spannungsmessung angeschlossen ist, passiert nichts weiter, als dass als Messwert 0 angezeigt wird.
11.1.8 Wechselstrom
Hier gelten die für Gleichstrommessungen ausgesprochenen Warnungen ebenfalls. Seien Sie äußerst vorsichtig.
11.1.9 Frequenz
Falls Ihr Multimeter einen Messbereich für Frequenzen besitzt, ist das manchmal sehr praktisch. Im Abschnitt Tonerzeugung mit dem Timer-Baustein 555 in Kapitel 9 hätten Sie beispielsweise die Frequenz des erzeugten Tons messen können. Die Möglichkeit, Frequenzen zu messen, ist außerdem sehr nützlich, wenn Ihnen kein Oszilloskop zur Verfügung steht.
11.2 Überprüfen eines Transistors mit dem Multimeter
Es gibt Multimeter mit einem speziellen Anschluss, in den Sie einen Transistor einstecken und überprüfen können. Das Multimeter stellt dann nicht nur fest, ob der Transistor defekt oder in Ordnung ist, sondern kann auch dessen Verstärkung (die im Datenblatt als h FE bezeichnet wird) ermitteln.
Falls Ihr Multimeter solch eine Funktion nicht besitzt, können Sie immerhin den Diodentest verwenden, um festzustellen, ob der Transistor noch intakt ist.
Abbildung 11.6 zeigt die zum Überprüfen eines bipolaren NPN-Transistors wie dem 2N3906 erforderlichen Schritte.
Stellen Sie bei Ihrem Multimeter den Diodentest ein und verbinden Sie die negative Messspitze mit der Basis des Transistors (normalerweise das mittlere Beinchen, sehen Sie im Zweifel auf dem Datenblatt nach) und die positive Messspitze mit einem der anderen Beinchen. Ob Emitter oder Kollektor, spielt keine Rolle. Ihnen sollte nun ein Wert zwischen 500 und 900 angezeigt werden. Der angezeigte Wert ist der Strom in mA, der zwischen Basis und dem anderen Anschluss (entweder Emitter oder Kollektor) fließt (Abbildung 11.6 a). Schließen Sie nun die positive Messspitze an den bislang unbelegten Anschluss des Transistors an (Abbildung 11.6 b). Nun sollte ein Wert in vergleichbarer Höhe angezeigt werden. Falls eine der Messungen einen Wert von 0 ergibt, ist der Transistor entweder defekt oder es handelt sich um einen PNP-Transistor. Führen Sie in diesem Fall die Überprüfung erneut durch, vertauschen Sie dabei jedoch die negative mit der positiven Messspitze.
11.3 Regelbare Labornetzgeräte
Ihnen ist in Kapitel 5 bereits ein regelbares Labornetzgerät begegnet. Nach der Beschaffung von Lötausrüstung und Multimeter sollten Sie als Nächstes in ein regelbares Netzgerät (Abbildung 11.7 ) investieren. Sie werden es gut gebrauchen können.
Das in Abbildung 11.7 gezeigte Netzgerät ist ein einfach zu bedienendes Einsteigermodell. In der Abbildung lädt es einen Bleiakku auf. Sie werden jedoch feststellen, dass Sie auch beim Entwickeln Ihrer Projekte Verwendung dafür haben. Vergleichbare Geräte sind für weniger als 100 Euro erhältlich.
Nach dem Anschluss an die Steckdose stellt das Labornetzgerät bis zu 20V und 4A bereit, was für die meisten Aufgaben mehr als ausreichend ist. Der Bildschirm zeigt oben die Spannung und unten den aufgenommenen Strom an.
Hier sind einige der Gründe, warum ein Labornetzgerät so viel praktischer als die Verwendung von Batterien oder eines herkömmlichen Netzteils ist:
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Es zeigt den aufgenommenen Strom an.
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Sie können den Strom begrenzen.
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Sie können es beim Überprüfen von LEDs als Konstantstromquelle verwenden.
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Die Spannung lässt sich leicht regeln.
Als Bedienelemente gibt es einen Ein-/Ausschalter für den Spannungsausgang sowie zwei Drehregler für Spannung und Strom.
Beim erstmaligen Anschluss einer Schaltung führe ich häufig folgende Schritte aus:
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Ich begrenze den Strom auf den Minimalwert.
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Ich stelle den erwünschten Spannungswert ein.
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Ich schalte den Spannungsausgang ein.
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Ich regle den Strom langsam hoch und achte auf die steigende Spannung. Dabei vergewissere ich mich, dass der Strom keinen unerwartet hohen Wert annimmt.
11.4 Kurz vorgestellt: Das Oszilloskop
Beim Entwurf und Test elektronischer Schaltungen, die mit zeitlich veränderlichen Signalen arbeiten, ist ein Oszilloskop (Abbildung 11.8 ) unverzichtbar. Die Geräte sind relativ teuer (ab ca. 200 Euro aufwärts) und es gibt viele verschiedene Modelle. Die kostengünstigsten Modelle besitzen keinen eigenen Bildschirm, sondern werden über USB an den Computer angeschlossen. Falls Sie lieber keine Lötzinnkleckse auf der Tastatur riskieren möchten oder es Ihnen zu lange dauert, den Rechner zu starten, ist ein vollwertiges Oszilloskop wohl die bessere Wahl.
Über die erfolgreiche Verwendung eines Oszilloskops sind ganze Bücher geschrieben worden; außerdem besitzt jedes Oszilloskop andere Eigenschaften. Wir werden uns also hier nur die Grundlagen ansehen.
Wenn man genau hinsieht, ist in Abbildung 11.8 erkennbar, dass das Signal vor einem Raster dargestellt wird. Die einzelnen vertikalen Abschnitte dieses Rasters repräsentieren einen bestimmten Bruchteil der Spannung. In der Abbildung sind es 2V pro Abschnitt. Die Spannung der Rechteckwelle beträgt also insgesamt 2,5 × 2V = 5V.
Die Horizontale ist die Zeitachse. Hier repräsentieren die Abschnitte des Rasters eine Zeitspanne von 500 Mikrosekunden (
S). Die Dauer einer vollständigen Periode ist somit 1.000
S oder eine Millisekunde, was einer Frequenz von 1kHz entspricht.
Ein weiterer Vorteil des Oszilloskops ist dessen hohe Impedanz. Die Auswirkung einer Messung auf das Verhalten einer Schaltung ist dadurch vernachlässigbar klein.
11.5 Software
Neben den »richtigen« Werkzeugen wie Lötkolben und Seitenschneider gibt es auch eine Menge Software-Werkzeuge , die von großer Hilfe sind.
11.5.1 Simulation
Falls Sie es einmal ausprobieren möchten, den Entwurf einer Schaltung virtuell durchzuführen, sollten Sie sich einen der Online-Schaltungssimulatoren wie CircuitLab (www.circuitlab.com ) näher ansehen. Mit diesem Werkzeug (Abbildung 11.9 ) können Sie Ihre Schaltung auf dem Bildschirm zeichnen und deren Verhalten simulieren.
Sie werden vermutlich noch etwas mehr als das in diesem Buch behandelte theoretische Hintergrundwissen benötigen, aber ein Werkzeug wie dieses kann Ihnen wirklich eine Menge Arbeit ersparen.
11.5.2 Fritzing
Fritzing (www.fritzing.org ) ist ein quelloffenes Softwareprojekt, das es Ihnen ermöglicht, Schaltungen zu entwerfen. Es ist vornehmlich dazu gedacht, Schaltungen auf der Steckplatine aufzubauen, und verfügt über Bibliotheken mit verschiedenen Bauteilen und Modulen (wie z.B. dem Arduino), die Sie dann virtuell miteinander verbinden können (Abbildung 11.10 ).
11.5.3 EAGLE
Wenn Sie für die von Ihnen entworfenen Schaltungen Leiterplatten erstellen möchten, sollten Sie sich das beliebteste Programm dafür näher ansehen, das den Namen EAGLE trägt (Abbildung 11.11 ). Sie können damit einen Schaltplan zeichnen, den das Programm in eine Ansicht der Leiterplatte umrechnet. In dieser Ansicht können Sie die Verbindungen zwischen den Bauteilen bearbeiten, bevor die CAM-Datei en (engl. Computer-Aided Manufacturing , rechnerunterstützte Fertigung) erstellt werden, die Sie dann dem Dienstleister zukommen lassen, der die Leiterplatten herstellt. Eine kostenlose Light-Version, die auf eine Platinengröße von 100mm × 80mm, zwei Signal-Lagen und eine Seite beschränkt ist, können Sie unter http://www.cadsoft.de/download-eagle/?language=de herunterladen (für Mac OS X, Linux und Windows).
Der Entwurf von Leiterplatten ist ein Thema für sich. Wenn Sie mehr dazu erfahren möchten, werfen Sie einen Blick auf mein Buch Make Your Own PCBs with EAGLE: From Schematic Designs to Finished Boards .
11.5.4 Online-Rechner
Die verschiedenen Online-Rechner erleichtern viele elektronische Berechnungen ungemein. Hier sind zwei Vorschläge:
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http://www.led-rechner.de Berechnen des Vorwiderstands einer LED, Schaltung vieler LEDs
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http://www.dieelektronikerseite.de/Tools/NE555.htm Verschiedene Berechnungen zum Timer-Baustein 555
Ein eigenständiges, deutschsprachiges und kostenloses Programm zum Berechnen von Widerstandswerten (und einigem mehr) anhand der Farbringe für Mac OS X 10.5 oder neuer ist Seafoid , das Sie unter http://seafoid.org/applications/seafoid/ herunterladen können.
Unter Windows können Sie sich den ebenfalls kostenlosen »Widerstandsrechner « unter http://www.ab-tools.com/de/software/widerstandsrechner/ herunterladen.
11.6 Zusammenfassung
Dies ist das letzte Kapitel des Buches und ich hoffe, dass es Ihnen beim Einstieg ins »Hacken« elektronischer Geräte hilft. Es kann eine sehr erfüllende Erfahrung sein, etwas mit den eigenen Händen anzufertigen oder ein Gerät so umzubauen, dass es den eigenen Wünschen gemäß funktioniert.
Die Grenzziehung zwischen Hersteller und Konsument fällt heutzutage zunehmend schwerer, denn immer mehr Leute bauen sich ihre eigenen elektronischen Geräte.
Im Internet ist eine Unmenge nützlicher Ressourcen verfügbar. Eine kleine Auswahl erwähnenswerter Websites in wahlloser Reihenfolge:
-
www.watterott.com (Große Auswahl an Arduino-Zubehör)
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www.conrad.de (Elektronische Bauteile, Arduino-Zubehör)
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www.reichelt.de (Elektronische Bauteile, Arduino-Zubehör)
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www.voelkner.de (Elektronische Bauteile, Arduino-Zubehör)
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www.sparkfun.com (Elektronische Bauteile, Arduino-Zubehör)
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www.adafruit.com (Elektronische Bauteile, Arduino-Zubehör)
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www.ebay.de (Alles Mögliche)
Siehe auch die verschiedenen Anbieter im Anhang.