Elektronik

Hier geht es um einfachste Lösungen für zunächst schwierige Probleme. Grundlagen werden auch für den Laien verständlich erklärt. Wenn es etwas tiefer in die Materie der Elektronik geht, sollten Sie vielleicht über etwas mehr Basiswissen verfügen. Ich versuche aber alles einfach zu beschreiben, so dass dies hier auch von erfahrenden Laien nachvollzogen werden kann.
Die hier beschriebenen Themen sind sehr speziell und werden eventuell nach Bedarf erweitert :

Spannungsversorgungen : Da gibt es 0 Volt, Ground, Masse, Minus/Plus Pol einer Batterie. Einige Schaltungen brauchen +/- Volt und dann auch noch 0Volt.
Schaltungskombinationen : Wie können Schaltungen kombiniert werden, die erst mal nichts voneinander wissen.
LED zum signalisieren des Zustandes vom Abreiskontakt : Ist der Kontakt nun geschlossen oder offen ?
LED zum signalisieren des Zustandes vom Abreiskontakt : Ist der Kontakt nun geschlossen oder offen (Version mit externer Elektronik) ?
Ansteuerung eines Servos : Mittels Timer oder sonstigen Elektroniken

Spannungsversorgungen


Da gibt es 0 Volt, Ground, Masse, Minus/Plus Pol einer Batterie. Einige Schaltungen brauchen +/- Volt und dann auch noch 0Volt.

Am Besten erst mal den Kopf frei bekommen und alles vergessen, was man glaubt darüber zu wissen. Dann nehmen wir mal eine einfache 1.5V Batterie in die Hand. Die hat 1.5V, einen + Pol und einen - Pol. Das bedeutet, dass zwischen dem + Pol und dem - Pol ein Potentialunterschied, also eine Spannung von 1.5V ist. Der + Pol ist der Pol, an dem ein Ladungsträger Überschuss gegenüber dem - Pol besteht. Also eigentlich ist es genau anders herum, aber das ist jetzt egal. Es geht also erst mal um Potentialunterschiede oder auch um eine Spannung zwischen zwei Polen. Wenn wir jetzt ein Spannungsmessgerät nehmen und das an die Batterie anschließen, werden wir etwas messen.

0 Volt -> Batterie leer
1.5V -> ok
-1.5V -> auch ok, denn man kann dann erkennen, dass die Messleitungen von Messgerät an der Batterie vertauscht sind.

Jetzt geht doch mal in einen Laden und sagt, Ihr wollt eine Batterie mit -1.5V kaufen. Als Beweis, dass es so etwas gibt, nehmt Ihr dann die Batterie und das Messgerät mit. Na ok, ist natürlich Unsinn.

Aber hier erkennt man, dass es von Standpunkt aus ankommt, ob eine Spannung, was ja eigentlich eine Spannungsdifferenz ist, positiv oder negativ ist. Wir messen also keine Spannung sondern eine Spannungsdifferenz. Und jeder wird die Frage nach einer Spannung trotzdem immer verstehen.
Je nachdem, wo nun der Bezugspunkt der Spannungsmessung ist, werden wir relativ zu diesem Punkt eine positive oder negative Spannung messen. Meistens ist der Pol mit dem geringerem Potential, bei einer Batterie der (-) Pol, der Bezugspunkt. Den Bezugspunkt nennt man auch GND oder Null Volt.
Braucht eine Schaltung nun eine Spannung von 9V so kann dazu z.B. ein 9V Block benutzt werden. Dieser hat zwar nur 8.4V, aber dies wissen die Entwickler der Schaltungen die mit einem 9V Block betrieben werden können. Dazu wird nun der (-) Pol an 0V/GND und der (+) Pol an + angeschlossen. Etwas komplizierter ist es, wenn eine Schaltung +/- 9 Volt braucht. Dann hat sie auch 3 Anschlüsse für die Spannungsversorgung. Ein (+) Pol, GND/0V und einen (-) Pol. So eine Schaltung kann nun nicht mehr nur mit einer Batterie versorgt werden. Denn die Schaltung benötigt folgende Spannungen:

- +9V / 0V / -9V oder
- +18V / +9V / 0V oder
- 0V / -9V / -18V

Alle diese Spannungsdifferenzen können gemessen werden, wenn die Schaltung richtig an 2 9V Batterien angeschlossen wird. Bei jedem Messvorgang wurde ein anderer Punkt als Bezugspunkt definiert. Üblich wird allerdings tatsächlich die erste Angabe sein. Die beiden Nachfolgenden dienen nur zu Verwirrung oder in spezial Fällen, bei denen diese Schaltung nicht alleine, isoliert betrachtet wird.

Schaltungskombinationen


Wie können Schaltungen kombiniert werden, die erst mal nichts voneinander wissen.

Wer Schaltungen miteinander kombinieren will oder muss, sollte heraus finden wo bei jeder Schaltung der Anschlusspunkt für GND/0V ist. Diese Punkte können dann schon zusammen geschaltet werden. Wenn die Schaltungen auch noch die gleiche Spannung brauchen, ist das kein größeres Problem. Auch diese Anschlusspunkte können dann zusammen geschaltet werden. Und schon haben diese, vielleicht mehr als zwei Schaltungen, wieder nur eine Spannungsversorgung. Wenn die Schaltungen nun unterschiedliche Spannungen brauchen, so wird man nicht herum kommen, eventuell 2 verschiedene Batterien zu verwenden. Bis hier hin ist es einfach.
Mehrere Schaltungen haben oder sollen ja Einfluss auf einander haben. So wird ein Vorverstärker für Audiosignale einen Leistungsverstärker speisen. Auf diese Anwendungsfälle in der Audio Signalverarbeitung wird hier aber nicht eingegangen. Wenn es hier nicht einfach durch bloßes verbinden von Ausgängen und Eingängen Funktioniert, wird es in der Regel für den Laien schwierig diese Schaltungen miteinander zu verbinden. Darum beschränke ich mich hier auf reine digitale Signale.
Um digital arbeitende Schaltungen und deren Aus- und Eingänge miteinander zu verbinden, muss man sich genau die Ausgänge und Eingänge ansehen.
Ausgänge:
Davon gibt es 3 Verschiedene Typen. Hier allerdings stark vereinfacht dargestellt mit Schaltern und Widerständen : Open Collector/Drain, Totempfahl, Open Collector/Drain mit Pull-up Widerstand.
Open Collector/Drain. Typisch für Ausgänge, die in der Lage sind größere Ströme zu verkraften. Die Last oder der Verbraucher wird bei der Aktivierung nach 0V/GND verbunden. Das dieser Ausgang einen digitalen Eingang steuert, ist meistens nicht mehr vorgesehen. Ist dieser Ausgang nicht aktiviert, so ist der Ausgang weder mit 0V/GND noch mit (+) verbunden. Was aber auf keinen Fall bedeutet, dass sie galvanisch getrennt sind. Bitte nicht vergessen : diese Ausgänge sind meistens mit Halbleiter realisiert worden. Dieser Ausgang kann nur Strom in der Richtung zu GND/0V aufnehmen.
Totempfahl : Typisch für Ausgänge, die keine größeren Ströme abgeben oder aufnehmen sollen/können. Der Ausgang ist immer entweder mit (+) oder GND verbunden, also nie Potentialfrei. Dieser Ausgang kann also sowohl Strom abgeben als auch aufnehmen.
Open Collector/Drain mit Pull-Up Widerstand. Jetzt fällt mir nicht so richtig ein, wofür diese Art von Ausgang eigentlich typisch sein soll. Aber es gibt sie. Dieser Ausgang kann meistens einen größeren Strom nach GND aufnehmen aber nur einen kleinen Strom von (+) abgeben. Dieser ist begrenzt durch den Widerstand. Der Wert sollte in dem Datenblatt mit angegeben sein, ist für uns aber nicht so wichtig.

Der Totempfahl Ausgang eignet sich am besten um einen digitalen Eingang anzusteuern. Diesen braucht man nur mit dem Eingang zu verbinden. Er kann den Eingang entweder nach 0V oder (+) legen. Der Open Collector Ausgang eignet sich überhaupt nicht dazu. Dieser kann den Eingang nur nach 0V legen. Ist der Ausgang nicht aktiviert, hängt der Eingang irgend wo herum und weis nicht was er eigentlich erkennen soll. Da muss unbedingt ein Pull-Up Widerstand mit eingebaut werden, sonst funktioniert hier nichts. Also R=U/I = Spannungsversorgung/1mA. Z.B. 5V/1mA = 5KOhm. Damit hat man sich seinen eigenen OpenCollector mit Pull-Up gebastelt. Damit hat sich dann auch die Erklärung des Open Collector Ausgangs mit Pull-Up schon erledigt.

Ein Problem gibt es immer noch : Wie erkennt man welchen Typ von Ausgang man vor sich hat ? Da könnte man eine 2mA LED + Vorwiderstand nehmen,
einmal vom Ausgang nach (+) einlöten und einmal vom Ausgang nach GND einlöten. Leuchtet die LED in beiden Fällen, So hat man es mit einem Totempfahl zu tun. Leuchtet die LED nur bei Ausgang gegen (+) so hat man es mit einen Open Collector Ausgang zu tun. Den Rest sollte man sich nun alleine ableiten können.

Eingänge :
Der Typ des Eingangs, ob also nun TTL oder CMOS, ist egal. Viel wichtiger ist die Frage, welches Potenzial der Eingang in Ruhe haben muss. Wenn der Eingang in Ruhe auf GND liegen muss und der Ausgang in Ruhe aber (+) liefert, hat man ein unüberwindbares Problem. Hier muss dann ein Inverter her. Dieser invertiert die logig des Ausgangs (oder des Eingangs). Dann liefert der Ausgang in Ruhe GND und der Eingang braucht ebenfalls GND in Ruhe. Wenn der Ausgang in Ruhe von Hause aus (+) liefert und der Eingang (+) braucht, können diese beiden auch direkt verbunden werden.

Ein einfacher Inverter:
Transistor BC...(npn). Von der Basis ein 10KOhm Widerstand zum Eingang (Inverter). Vom Eingang einen 5KOhm Widerstand nach (+). Der Emitter ist dann GND. Der Collector ist dann der Ausgang (Open Collector).

So, das war es ersteinmal zu den Ausgängen und Eingängen der digitalen Schaltungen.
Sollen nun Schaltungen in Reihe kombiniert werden, so sollten Sie diese nun verbinden können. Wollen Sie aber die Schaltungen parallel schalten, etwa 2 Schaltungen sollen auf einen Eingang wirken, so können Sie nicht einfach 2 Ausgänge zusammen schalten und auf einen Eingang geben. Dazu muss zuerst festgelegt werden, ob die Ausgänge logisch ein UND oder ein ODER darstellen.
ODER:
Dazu braucht man Open Collector Ausgänge. Hier kann man 4-5 Ausgänge zusammen schalten. Diese brauchen alle zusammen einen einzigen Pull-Up Widerstand. Egal wie viele Open Collector Ausgänge zusammen geschaltet werden. Wird ein Ausgang aktiv, so erkennt das dann der Eingang.
UND:
Hier gibt es zwei verschiedene Lösungen. Werden nur 2-3 Ausgänge zusammen geschaltet, bietet sind Variante A an. Sollen mehr als 3 Ausgänge zusammengeschltet werden, so kann nur Variante B helfen.
UND/Variante A:
Es handelt sich hier um ein NAND mit Open Collector Ausgang. Nur wenn alle Eingänge auf (+) liegen, sind alle Transistoren leitend und der Ausgang auf (GND). Die Widerstände entsprechen denen vom Inverter und können so übernommen werden.

UND/Variante B:
Sollen mehr als 3 Signale logisch UND zusammen geschaltet werden, so wird die Variante A nicht mehr funktionieren. Jetzt müssen alle Ausgänge invertiert werden, auf ein ODER gegeben werden und der Ausgang vom ODER wieder invertiert werden. Der Schaltungsaufbau ist also erheblich größer. Das hört sich erstmal etwas seltsam an, stimmt aber. Die logig kann von UND auf ODER oder umgekehrt, geändert werden, wenn alle Aus- und Eingänge invertiert werden.

So, das war es zu "kombinieren von Schaltungen". Jetzt sollte dazu eigentlich "fast" jeder in der Lage sein.
ABER : Immer auf die Größe der gemeinsamen Versorgungsspannung achten. Wenn beide Schaltungen mit 5V laufen hat man kein Problem. Wenn die erste Schaltung mit 9V läuft und die Nachfolgende nur mit 5V dann muss der Ausgang der ersten Schaltung unbedingt ein Open Collector Ausgang sein. Ein eventueller Pull-Up muss dann an die Versorgungsspannung der Nachfolgenden gelötet werden. Im extrem Fall wird man zwei Inverter hinter einander benutzen müssen.
Noch etwas : Es ist oft so, dass Schaltungen eine Versorgungsspannung von 9V brauchen aber intern nur mit 5V laufen. Genau nachsehen oder nachfragen (nee, nicht bei mir sondern beim Hersteller) !

Ist der Kontakt nun geschlossen oder offen ?
Diese Idee stammt von einem Freund, der gerne gesehen hätte, ob der Eingang eines Timers zum Fallschirmauswurf nun kurzgeschlossen ist oder nicht. Die Timer arbeiten alle meistens mit einem Abreißkontakt. Wird dieser unterbrochen, so startet der Timer. Um diesen Timereingang so umzubauen, dass eine LED dies signalisieren kann muss:
- Die Spannungsversorgung der Schaltung gemessen werden, nicht die von der Platine. Wenn man nicht so richtig aus dem Aufbau der Platine schlau wird kann auch die Spannung zwischen GND und dem Sensoreingang gemessen werden. Dies funktioniert eventuell ebenso.
- Eine LED durch Messung gefunden werden, die eine Forward Spannung von deutlich weniger als die Hälfte der Versorgungsspannung hat. Beträgt die Spannungsversorgung 5V so wird man kaum Probleme bekommen. Bei 3V wird es schon schwieriger.
- Ein Widerstand berechnet werden : R = (Us-Uf)/I. Z.B. R = (5-1.4)/2mA = 1800Ohm.

Es wird allerdings bei Außenbetrieb in der Sonne kaum die 2mA LED zu erkennen sein. Eine superhelle LED mit 10mA hat dabei mehr erfolg.

Achtung : keine ultra hellen LEDs! verwenden. Diese zerstören beim Blick in diese die Netzhaut von beiden Augen. An diesen Stellen geht die Netzhaut für immer kaputt und man sieht dort nix mehr (Blind).
Als ultrahell gilt alles ab ca. 200-250mcd. Für diese Angabe übernehme ich keine Verantwortung. Sollte es zu Netzhautverletzungen oder Ausfällen kommen, lehne ich jede Schadensersatzforderung oder ähnliche Forderrungen ab.

Man sieht sich ja auch nicht ohne Schutz eine Sonnenfinsternis an. Eine LED, die 200mcd bei einem Abstrahlwinkel von nur 15° liefert, ist viel heller als eine LED, die 200mcd bei einem Abstrahlwinkel von 120° liefert. Im allgemeinen werden ultra helle LEDs unter einer Streuscheibe betrieben. Hier rechts nun die Schaltung. Die beiden neuen Anschlüsse für den Abreißkontakt sind rot markiert. Es ist natürlich klar, dass die Akkus/Batterien nun den Strom für die LED (ca. 10mA) liefern müssen.

Ist der Kontakt nun geschlossen oder offen (Version mit externer Elektronik) ?

 Sollte die einfache Version nicht zur Zufriedenheit funktionieren, so kann diese hier Verwendet werden.
Diese erkennt eine anliegende Spannung von nur 1V bis 1.4V am Eingang und schaltet in dieser Abhängigkeit eine LED an oder aus. Wichtig sind die beiden Dioden in Eingang, die die Eingangsspannung auf 1.4V begrenzen. Dies sollte nachgemessen werden. Liegt die Spannung über den Dioden bei unter 1.0V, so muss, wie in der oben gezeigten Schaltung, ein zusätzlicher Widerstand in die Schaltung eingebaut werden. Dieser kann nur experimentell ermittelt werden. Ein guter Anfangswert wird 3.9KOhm sein. Über die anzusteuernde LED gilt natürlich auch der oben geschriebene Text. Die beiden neuen Anschlüsse für den Abreißkontakt sind rot markiert.

Ansteuerung eines Servos mittels Timer oder sonstigen Elektroniken

Es ist klar, dass ein Servo nicht einfach an einen Timer oder an einen gleichwertigen Ausgang angeschlossen werden kann. Die meisten Ausgaenge liefern einen kurzen Impuls, mit dem man einen Zuender ansteuern kann. Ein Servo braucht einen Takt. Also muss eine Elektronik her, die in Abhaengigkeit von der Ansteuerung 2 verschiedene Takte erzeugen kann. Damit koennen dann die Servos wenigstens 2 verschiedene Positionen anfahren. Mehr braucht man eigentlich fast nicht. Man kann sich hier also 2 Taktgeneratoren vorstellen, ein RS-FlipFlop und ein Gatter, dass je nach dem FlipFlop Zustand mal den einen Takt und mal den anderen Takt zum Servo weiterleitet.
Hier ist der Versuchsaufbau und die Schaltung zu sehen. Das Bild der Schaltung muss herunter geladen werden um angesehen werden zu koennen. Diese Lösung ist auch fuer den elektonischen Laien einfach nachzubauen, da sie ohne Microcontroller auskommt. Mit ihr können max zwei Servos gleichzeitig angesteuert werden. Beide fahren dann jeweils die gleiche Position an. Wird in einem Servo die Anschlüsse am Motor und am Positionspotentiometer getauscht, so fährt dieser Servo genau die entgegegesetzte Position an. Die Schaltung enthält zwei unabhängige Eingänge und einen Reseteingang.
Sollte der Servo nicht ruhig arbeiten, so muss zunaechst ein Kondensator von ca. 220uF in die Versorgungsleitung des Servos eingebaut werden. Sollte dann der Servo immer noch nicht richtig die Positionen ruhig anfahren, so kann versucht werden ob ein Ferritring in der Leitung Abhilfe schaft. Wenn auch dies nicht zum Erfolg fuehrt, dann wird sicherlich eine andere Elektonik die Stoerungen erzeugen. Dann kann nur durch Versuche herausgefunden werden, wer hier stoert.
Hier kann die Schaltung als Target-Datei heruntergeladen werden. Eine kostenlose Version des Layoutprogramms Target kann auf der Homepage des Anbieters heruntergeladen werden.
Layout Datei Layout Programm
Hier meine persönliche link Liste:
PIC Hersteller(Microchip)

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