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workshopsundtutorials:grundlagen_elektronik_und_multimeter

Grundlagen Elektrizität

Eine Einführung zu Gleichstrom: Was ist Elektrizität? (4 Min. Video)
Elektronen befinden sich immer auf Atomaren Orbits. Je nach Werkstoff ist ein verlassen dieser Orbits schwierig (diese Werkstoffe beschreiben wir mit wir „Isolierend“ oder „schlecht Leitend“) oder einfach (diese Werkstoffe nennen wir „elektrisch leitfähig“).Springen sie wegen einem Spannungsunterschied von Atom zu Atom, wird diese koordinierte Bewegung Gleichstrom genannt und kann als Energieversorgung für unterschiedliche Verbraucher genutzt werden:Spannung schiebt Ladung durch einen Widerstand und erzeugt dabei einen Strom. (8:43 Min. Video)
Am Plus-Pol einer Batterie liegt die Spannung der negativ geladenen Teilchen an und die Bewegungsrichtung des Stroms ist hin zum Minus-pol einer Batterie (auch Masse genannt).

Schaltpläne lesen

Weil ich nicht alles ins Wiki malen will verlinke ich hier ein Video über Die Zeichen der Bauteile in einem Schaltplan. (6:10 Min. Video)
Die Grundsätzlichen Komponenten eines jeden Schaltplans:

  • Stromquelle
  • Masse
  • Verbraucher/Widerstand
  • Schalter

Wir werden neben diesen Komponenten einige Verbraucher mit besonderen Eigenschaften kennenlernen:

… das reicht für den Anfang. Mehr Infos über andere Komponenten findet ihr unter www.elektronik-kompendium.de

Multimeter-Crashkurs

Die wichtigsten Funktionen des Multimeters:
Ω Messen von Widerstand (Formelzeichen: R) in Ohm
Messen von Kontinuität (Widerstandsmessung mit Signalton bei 0Ω)
A Messen von Stromstärke (Formelzeichen I) in Ampère
V Messen von Spannung (Formelzeichen: U) in Volt

Tipp: Ergänzt die Einheiten (A, V und Ohm) am Multimeter mit den Formelzeichen U, R und I. Das erleichtert das Verständnis was gemessen wird und macht später das Einsetzen von Werten beim Rechnen mit Formeln einfacher. Die schwarze Messlanze ist für Masse, die rote Messlanze ist für den positiven Pol. Zum messen von Stromstärke muss die rote Messlanze umgesteckt werden.

Mit Multimetern lassen sich nicht schnell wechselnde Ströme messen, für diese Aufgabe werden Oszilloskope verwendet.

Ω Widerstand messen Ω

Während der Messung des Widerstands darf kein Strom durch den Stromkreis fließen. Widerstände werden verwendet um die Stromstärke zu regeln, indem mit ihnen die Spannung im Stromkreis reguliert wird. Hoher Widerstand im Draht deutet auf korrodiertes Kabel oder schlechte Lötverbindung hin. Der Widerstand von Bauteilen lässt sich nur im ausgebauten Zustand eindeutig feststellen. Bei Messung des gesamten Stromkreises mit dem Multimeter, den Widerstand der Kabel für exakte Widerstandsmessung berücksichtigen.

♫ Kontinuität messen ♫

Fehlersuche Widerstand und Kontinuität in parallelen Schaltungen. Ist ein Stromkreis nicht geschlossen, werden einzelne Abschnitte auf Kontinuität geprüft um die Stelle der Unterbrechung einzukreisen. Messung der Kontinuität in einem Stromkreis kann ihre Tücken haben, hier einige handwerkliche Tipps und Erklärungen. (8 Minuten Video)

A Stromstärke messen A

Dieser Simulationsaufbau in Tinkercad veranschaulicht das Messen von Stromstärke und Spannung. Um praktisch experimentieren zu künnen und die Komponenten neu zu verdrahten ist ein Account bei Autodesk notwendig.

Stromstärke ist die Menge des Stroms der fließt Die Bezeichnung der Stromstärke I ist von dem Wort „Intensität“ abgeleitet. Zur Messung der Stromstärke muss der Stromkreis durch das Multimeter fließen. Dazu muss die Leitung des Stromkreises aufgetrennt werden, um das Messgerät in den Stromkreis einfügen zu können. Dafür wird die rote Messlanze des Multimeters umgesteckt und bei starken Strömen sollte der Strom auch nur kurzzeitig gemessen werden. Beim Arduino fließen jedoch nur schwache Ströme unter 1 Ampère, da haben wir keine zeitliche Einschränkung.

Vor der Messung ist folgendes am Multimeter einzustellen:

  1. Die richtige Stromart muss ausgewählt werden (AC/DC).
  2. Bei Gleichstrom (DC) muss die Polarität beachtet werden.
  3. Der richtige Messbereich muss eingestellt werden, ausser es ist ein „Autorange“-Multimeter.
  4. Der Stromkreis muss aufgetrennt werden.
  5. Der Strommesser muss in Reihe zu den stromführenden Bauteilen geschaltet werden. -

V Spannung messen V

Spannung ist der Ladungsunterschied (von lat. Urgerge: drängen/druck) zwischen 2 Messpunkten in einem geschlossenen Stromkreis. Die Spannung schiebt elektrische Ladung durch einen Widerstand und erzeugt dabei Strom. Spannungsmessung ist daher die Messung des elektrischen Druckunterschieds zwischen den Messpunkten. Als Analogiemodell ist Luftdruck geeignet, der sich in einem Ballon oder anderm Behälter befindet. Spannungsmessung ist nur im eingeschaltetem Stromkreis möglich. Messfehler werden angezeigt wenn sich die Kabel durch ein elektrisches Feld oder ein Magnetfeld bewegen. Berührt man die Kathoden, sollte die Skala auf 0 gehen.

Vor der Messung ist folgendes am Multimeter einzustellen:

  1. Die richtige Spannungsart muss ausgewählt werden (AC/DC).
  2. Der richtige Messbereich muss eingestellt werden (sofern es sich nicht um ein „Autorange“ Multimeter handelt).
  3. Bei einem unbekannten Messwert muss der größte Messbereich eingestellt und langsam in die niedrigeren Messbereich geschaltet werden.

Das Voltmeter kann 2 Dinge messen:
A) Spannung im Stromkreis B) Spannungsabfall im Stromkreis (Sehr anschauliches 20 Min. Video)

A) Messen von Spannung im Stromkreis:
Die schwarze Messlanze liegt am Massepol an.
messe ich 0V, habe ich einen Kurzschluß im Stromkreis.
messe ich Ghost voltage/kleine Spannungen, ist der Stromkreis nicht geschlossen
messe ich Spannung nach dem Verbraucher im Stromkreis wäre das schlecht.

B) Messen vom Spannungsabfall im Stromkreis:
Nur EIN Widerstand/Verbraucher befindet sich zwischen den Messpunkten und ich messe so den Energieverbrauch dieser Komponente. Über den gemessenen Spannungsabfall kann ich also in einem unter Strom stehenden System den Widerstand einer einzelnen Komponente ermitteln.
Berechnen des Widerstands oder der verbrauchte Stromstärke von Verbrauchern mit Hilfe des Ohm´schen Gesetzes (U/I=R, das behandeln wir im nächsten Kapitel).
Leitfähigkeit von Schaltern und Qualität von Lötstellen bei geschlossenem Stromkreis.

Es gibt 3 Fehlerquellen in einem Stromkreis:

  1. Bei sehr kleiner Spannung/Ghost Voltage: der Stromkreis ist nicht geschlossen
  2. Fließt zu viel Strom und bei Spannungsmessung im Stromkreis ist das Messergebnis genau 0: Kurzschluss
  3. Fließt zu wenig Strom: Der Verbraucher braucht mehr Strom/Widerstand ist zu groß

Ohm´sches Gesetz

Der Stromfluss pro Sekunde wird in Ampère gemessen.
Der elektrische Druck, der diesen Fluss verursacht, wird in Volt gemessen.
Der Widerstand gegen diesen Fluss wird in Ohm gemessen.
Diese 3 Faktoren beeinflussen sich gegenseitig.

Dieser Tinkercad-Simulationsaufbau veranschaulicht beim experimentieren die folgenden Zusammenhänge:
Ein größerer Widerstand verringert die Stromstärke.
Eine größere Spannung überwindet den Widerstand und erhöht die Stromstärke.
–>Stromstärke ist direkt proportional zur Spannung und umgekehrt proportional zum Widerstand.
Wenn ich die Spannung erhöhe und der Widerstand bleibt gleich, steigt die Stromstärke.
Wenn ich den Widerstand erhöhe und die Spannung bleibt gleich sinkt die Stromstärke.
Stromstärke=Spannung/Widerstand –> I=U/R
Davon lässt sich ableiten :
U=R*I
sowie R=U/I
Mit dem Ohm´schen Gesetz können also unbekannte Werte errechnet werden. (5 Min. Video)

Mann kann es sich auch einfach machen: Das Ohm´sche Gesetz kann man sich auch mit den Einheiten V, A und Ω merken, dann muss man lediglich das einsetzen was man mit dem Multimeter misst. Tipp: klebt einen Sticker mit A=V/Ω auf euer Multimeter, dann habt ihr die Formel griffbereit.

Reihen- und Parallelschaltung

Bei der Reihenschaltung oder Serienschaltung werden die Widerstände zueinander addiert. Zur Veranschaulichung siehe dieses Video mit Rechenbeispiel.
Ein praktisches Beispiel ist Ohm´sches Gesetz in der Praxis mit berücksichtigten Messfehlern.

Bei der Parallelschaltung kommt eine Formel zum Einsatz:
Rges = 1 / die Summe (1/R1 + 1/R2 + 1/R3 +…)
Die Anwendung wird in der 2. Hälfte des oben bei Reihenschaltung verlinkten Videos gezeigt. Merke: „der Gesamtwiderstand in einer Parallelschaltung ist immer kleiner als der kleinste Einzelwiderstand“. Mit dieser Regel lässt sich ein Rechenergebnis gut prüfen.

Vorwiderstand berechnen

Ist die Spannung in einem Stromkreis zu hoch für einen Verbraucher, fließt durch ihn ein zu starker Strom. Die Berechnung eines Vorwiderstands wird hier gezeigt am Praxisbeispiel LED. (Bitte entschuldigt das juvenile 6:45 Min. lange Video). Mit welcher Spannung die LED betrieben wird hängt von der Farbe ab in der sie leuchtet, genaueres dazu steht im Elektronik Kompendium.

Reihen- und Parallelschaltung:

Dieses Video erklärt den Unterschied. Bei der Reihenschaltung werden die Widerstände addiert, bei der Parallelschaltung kommt eine Formel zum Einsatz: Rges = 1 / die Summe (1/R1 + 1/R2 + 1/R3 +…) Details der Parallelschaltung und deren Formeln werden hier gut erklärt.Der Gesamtwiderstand in einer Parallelschaltung ist immer kleiner, als der kleinste Einzelwiderstand. Gut zum überprüfen.

Rekapitulation: Ohm´sches Gesetz in der Theorie: U=R*I,Werte berechnen Bauteile sind aus der Perspektive des Stroms alles Widerstände.

Recherche von Bauteileigenschaften

Die meisten Bauteile sind für 3,3V oder 5V ausgelegt. Wie finde ich heraus für welche Spannung mein Bauteil ausgelegt ist und was muss ich machen wenn ich Bauteile im Stromkreis habe die unterschiedliche Spannungen benötigen? Suche den Namen des Bauteils das dich interessiert in einem Online-Shop. Dann gib Artikelnummer und Herstellername in deine Suchmaschine ein. Im Datenblatt sind alle Grenzwerte eingetragen, zusätzlich zu den Grenzwerten empfiehlt es sich einen Sicherheitsfaktor mit einzuberechnen, da die Widerstände die wir verwenden im Betrieb wegen ihrer Erwärmung beginnen, besser zu leiten. Zum Beispiel 0,5V Sicherheitszugabe unter der Maximalspannung.

Watt berechnen

I(Volt)*U(Ampère)=P(Watt)

Spannungen regulieren mit einem Abwärtswandler

Bis jetzt kennen wir zum regulierung der Spannung lediglich den Vorwiderstand. Er passt die Spannung an indem er Strom in Wärme umwandelt, was sehr ineffizient ist. Da einige Komponenten mit 3,3V, andere mit 5V oder gar 12V betrieben werden, lernen wir in diesem Video "Buck Converter vs. linear voltage regulator" bessere Verfahren kennen.

weiterführende Literatur zur Vertiefung für Interessierte:

Man muss nicht alles wissen, aber man sollte wissen wo es steht.
Die Grundlagen braucht man nicht zwingend, jedoch dürfte ein Grundverständnis für Bauteile dabei helfen dass einige Bauteile nicht gegrillt werden. Aber keine Angst, die niedrigen Ströme von Controllern reichen nicht aus um Menschen Verbrennungen zuzufügen oder lebensgefährlich zu verletzen. Ein gutes Buch um die Grundlagen aufzufrischen oder sich im Selbststudium mit praktischen Experimenten erstmalig anzueignen ist "Elektronik lernen durch entdecken" aus dem Make Verlag. Neu kostet das Buch ca. 30 Euro, Büchereien oder der Online-Gebrauchtbuchhandel ermöglichen, günstiger an das Buch zu kommen. Die ersten 28 Seiten des englischen originals vermitteln einen guten Eindruck, wie die Funktionsweise elektronischer Bauteile und physikalische Gesetze erklärt werden.
Kostenlos und Online ist das Elektronik-Kompendium verfügbar.

ein kompletter Elektronikkurs (insgesamt 7 1/2 Stunden).

workshopsundtutorials/grundlagen_elektronik_und_multimeter.txt · Zuletzt geändert: 08.10.2020 06:12 von felix