Elektronik lernen

Der erste Entwurf

Der erste Entwurf

Eigentlich wollte ich nur ein wenig die Elektronik verstehen. Was ist ein Transistor, wie funktioniert er und was kann man damit anstellen? Ein schöner Weg um in das Thema reinzukommen ist die Anschaffung eines Arduino-Kits, einem kleinen Microcontroller, der im Kit mit vielen Sensoren ausgeliefert wird. Doch schnell wurden mir die ersten Übungen zu langweilig. Eine LED zum blinken bringen? Geht, fertig. Einen Feuchtigkeitssensor ausprobieren? Aha, gibt ein Signal, wenn man ihn ins Wasser taucht. Fertig. War das alles? Und wo ist der Transistor?

Prompt wurde mir vom Sohn zu Weihnachten das (ziemlich dicke) Buch „Practical Electronics for Inventors“ von Paul Scherz und Simon Monk geschenkt. Da drin stand dann reichlich über Transistoren. Und über Kondensatoren, Widerstände, Spulen, Optokoppler, OpAmps und viele, viele ICs. Übrigens sehr zu empfehlen, das Buch. Dabei habe ich gelernt, dass die Elektronik in den meisten Fällen noch mit der simplen Formel R=U/I berechnet werden kann. Und – was für mich wichtig war –  dass ein Transistor eigentlich nicht mehr als ein Schalter ist. Damit war das Tor auf für mehr.

Als erstes habe ich mich daran gemacht, eine Steuerung für eine LED-Leiste zu basteln.  Nach den ersten Versuchen auf dem Breadbord wurde die Elektronik zusammen mit einem Arduino Nano ( Kantenlänge 2x5cm) auf eine Platine gelötet. Dumm nur, wenn man sich dabei versieht und mit einem Schalter den Strom vom Arduino direkt auf Masse zieht. Das quittiert der mit einem fröhlichen  Rauchkonzert und einem kurzen Fauchen und stellt danach die Zusammenarbeit ein. Allerdings erst, wenn man ihn mit 12V betreibt, bei 5V aus der USB-Verbindung sagt nur der USB-Bus, dass er keine Lust mehr hat, auch der am Laptop. Nach einigen Umbauten läuft die LED-Leiste inzwischen und wartet auf einen ernsthaften Einsatz. Der Laptop ist übrigens auch noch heile.

Mit den so gewonnenen Erfahrungen hab ich mich dran gemacht, eine eierlegende Wollmilchsau  – ich wollte sagen: eine „Ventile antreibende LED-Strip-Steuerung“ zu bauen. Hintergrund waren die Bilder von Fotokollegen, die mit Tropfen experimentieren. Außerdem hatte Hans gesagt, das sei ganz einfach. Ist es auch, wenn man weiß wie. Ich wußte es erst mal nicht aber als Techniker habe ich gelernt, im Zweifelsfall einen Anforderungskatalog zusammen zu stellen:

  • Schaltung von Kamera und Blitz ohne direkten elektronischen Kontakt mit dem Netz des Arduino.
  • Anschluß von Kamera und drei Blitzen
  • Anschluß von mindestens 3 Ventilen mit der Möglichkeit zu mehr
  • zusätzlich Steuerung von LED-Strips und (kleinen) Motoren
  • Fernauslösung der Steuereinheit
  • Bildschirm mit mehr als zwei Zeilen
  • Dateneingabe direkt in der Steuereinheit (also ohne Computer nutzbar)
  • Encoder für Dateneingabe
  • Batterie- und Netzbetrieb soll möglich sein
  • Anschluß für weitere Sensoren (z.B. Geräusch)

Der erste Punkt lässt sich einfach mit Optokopplern erledigen. Ein kleiner Chip enthält eine LED, die vom Arduino zum leuchten gebracht wird. Dies schaltet einen Phototransistor auf Durchlass. Das ganze geht in Bereich von einer tausendstel Millisekunde, schnell genug. Für die Blitze habe ich mir zwei Blitz-Synchron-Adapter beschafft. Nur leider synchronisierten diese Teile nicht, kein Mucks. Ich hatte TTL-Geräte erwischt, die noch eine eigene Elektronik im Gehäuse versteckt haben. Flugs wurden die Teile von dieser Elektronik enkernt und siehe da, die Blitze blitzten wie verrückt.

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Synchronkabel für Aufsteckblitz

Bei der Kamera hab ich mit dieser Thematik aber erst mal Schiffbruch erlitten. Die Kamera sagte keinen Ton, obwohl sie genau so angeschlossene war, wie die Fernbedienung, die ich zu dem Zweck zerlegt habe. Ich hab die Steuerung auf dem Breadboard zig mal probiert, das Ergebnis war immer absolute Stille. Bis es plötzlich Klack machte. Uuuuupssss, warum jezt plötzlich? Nun ich hatte die Haltedauer für den Auslöser von 20 msek auf 100 msek hochgesetzt, das war die Lösung. Nach noch etwas rumprobieren zeigte sich, dass der Auslöser der Kamera mindestens 50 msek gedrückt sein muß, sonst tut sich gar nichts. Im Internet war die Rede von 13 mssek. 50msek sind  1/20 sek, und wir reden über Aufnahmezeiten von 1/8000 sek! Nach einigem Recherchieren im Internet habe ich dann noch herausgefunden, dass noch weitere 50-100 msek vergehen, bis der Spiegel hochgeklappt ist und die Kamera aufnahmebereit. Damit habe ich mich dann von zwei Dingen verabschiedet:

  • einen Arduino zu Steuerung für Aufnahmen von Gewitterblitzen zu benutzen. Der Blitz dauert etwa zwischen 80 bis 100 msek, die Kamera braucht aber zwischen 100 und 150msek zum Auslösen. Die Trefferquote dürfte gering werden
  • Für Tropfenaufnahmen die Kamera erst kurz vor dem Ereignis auszulösen. Da die Kamera ein statistisches Verhalten bis zum Auslösen hat, wären die Ergebnisse immer unterschiedlich. Folglich stell ich die Kamera jetzt in den Bulb-Modus, der Blitz leuchtet innerhalb von weniger als einer Millisekunde und beleuchtet so zur rechten Zeit. Allerdings braucht man dann auch einen dunklen Raum für die Tropfen
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Magnetventil

Um Magnetventile zu betreiben muß man eine Schaltung gegen die induzierten Spannungen in der Magnetspule absichern. Dazu fühlte ich mich zur damaligen Zeit für eine eigene Schaltung zu unsicher, so hab ich mir einen Bausatz mit 8 Kanälen zugelegt (hat schon mal jemand versucht, mit einem 5mm Lötkolben SMD-Bauteile aufzulöten? Und das mit meinen alterssichtigen Augen). Er lässt auch zu, dass man durch Zusammenschalten von zwei oder mehr Kanälen die die doppelte oder mehrfache Leistung schalten kann. In meiner Naivität bin ich allerdings davon ausgegangen, dass der Ausgang dieses Verstärkers ein Pluspol ist und die Leistung über die Last an Masse abgibt. Das führte zu ziemlich witzigen Effekten, unter anderem dem, dass das Ventil immer dann schaltete, wenn KEIN Signal anlag. Schaltung angesehen und wieder ein Aha-Effekt: Der Ausgang ist eigentlich der Eingang in einen Transistor, der die Leistung freischaltet richtung Masse. Man muß die Last also mit der geplanten Spannung (12V) versorgen, die der Transistor NACH der Last bei einem Signal freischaltet.

Ein Bildschirm mit mehr als zwei Zeilen hat sich schnell gefunden, er hat vier Zeilen und den gleichen Controller wie die Zweizeiligen, was die Sache sehr einfach macht. Allerdings hat er auch die gleichen 18 Anschlüsse, die vom Arduino versorgt werden wollen. Gut das der Arduino Mega 54 Pins hat. An einer Ansteuerung mit nur vier Kabeln muß ich noch üben.

Die 54 Pins wurden dann auch dringend benötigt: der Verstärker braucht acht, der Encoder braucht ebenfalls acht und die Steuertastatur noch einmal 7. Vor allem bei der Steuertastatur wollte ich eigentlich mit wesentlich weniger auskommen. Im Internet gab es den Hinweis, ein Widerstandsnetzwerk zu basteln und die Spannung dann am Arduino analog abzufragen. Leider ist der Widerstand der Tastatur selbst so stark am schwanken, dass sich dieses Verfahren als hoffnungslos herausstellte.

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Drehencoder

Hatte ich schon erwähnt, dass man den Angaben im Internet nicht trauen sollte? Das galt jedenfalls auch für die Schaltung des Encoders, die sich so falsch sogar bis in die Lehrunterlagen zum Arduino geschlichen haben. Wenn man nämlich einen Pin des Encoders auf Masse setzt und die beiden anderen zum Messen an den Arduino klemmt, wo kommt dann der Strom zum Messen her? Hätte ich auch gleich sehen können. Hab ich aber nicht. Mit ein paar von lautstarkem Fluchen eingeleiteten Umbauarbeiten funktioniert er jetzt einwandfrei.

Das Thema Batterie- und Netzbetrieb ließ sich zum Glück durch eine entsprechende Anschlußbuchse erledigen, an die sowohl ein 12V-Netzteil als auch ein 12V Akku angeschlossen werden kann. Verflucht habe ich dabei allerdings die austauschbaren Stecker des Netzteils, die nie richtig Kontakt bekamen und stänig rausrutschten. Jetzt ist der Stecker fest angelötet, wer braucht schon Flexibilität.

Bleibt noch das Thema Geräusch, das muß ich aber auf einen anderen Beitrag verschieben. Ich bin jetzt erst mal noch mit der Software beschäftigt. Tropfen gehen schon, als Timer für Timelapseaufnahmen lässt sich das ganze auch schon nutzen, jetzt kommt noch die Feinarbeit.

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Verkabelung

Und was habe ich nun gelernt? Also Optokoppler sind absolut genial und mit Transistoren (bipolar, npn) komme ich auch gut zurecht. Feldeffekttransistoren meide ich, weil meine Hemden immer Funken sprühen, die den Transistor dann zur Einstellung der Arbeit bewegen. Inzwischen weiß ich auch, dass man nach einem Schalter mindestens 1kOhm  hängen sollte,  wenn man Rauchzeichen von der Elektronik vermeiden will. Das ist auch der Grund, warum ich die kleinen Arduinos demnächst auf den Platinen sockeln werde, Kontaktprobleme hin oder her. Muß man das Teil mit seinen 36 Kontaktbeinchen wieder auslöten, ist Ende Gelände. Außderdem traue ich keiner Angabe im Internet mehr. Gelernt habe ich auch, wann jeder einzelne Elektronikladen in unserem Dorf von 130.000 Einwohnern auf hat (es gibt genau einen) und wo man alternativ etwas per Internet bestellen kann. Der Postbote kennnt mich schon beim Vornahmen und kaum war er da, stellt sich heraus, dass noch etwas anderes fehlt. Aber immerhin, auch als Maschinenbauer im Ruhestand kann man sich noch in eine neue Materie stürzen und wenn mich die Grippe wieder loslässt gibts die ersten Tropfenbilder.

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2 Kommentare zu Elektronik lernen

  1. Es ist interessant zu lesen was man sich im Alter alles noch antut wenn einen die Langeweile packt. Hält aber die grauen Zellen auf Trab. Die ersten Bilder hab ich gesehen, bin gespannt wie es weitergeht.
    Liebe Grüße
    Michael

  2. Martin sagt:

    Hallo Reinhard, super Bericht.

    Ich habe gleich ein solches Set gekauft, um mit meinen Kids auch mal Experimente ab Ostern (:-)) machen zu können.

    Gruß,
    Martin

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