Projektlabor Robotik MINTgrün

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Themen:
  * Elektronische Bauteile
    * Dioden
     * Gleichrichterdiode
     * Photodiode
     * Leuchtdiode
    * Transistoren
      * MOSFETS
      * Phototransistoren
    * Motoren 
      * Schrittmotoren(Stepper)
      * Servomotoren (-> Anleitung im ISIS Kurs)
      * Getriebemotoren
  * Messen mit einem Multimeter
  * Tipps für Hausaufgaben
    * Bei der Kondensatoraufgabe erst die Messwerte in ein Array schreiben und nach Ende der Messung ausgeben.

=====Elektronische Bauteile=====

====Dioden====
Eine Diode ist allgemein ein elektrisches Bauteil, welches Strom nur in eine Richtung leitet.
===Gleichrichterdiode===
Ist dafür gebaut in eine Richtung sehr gut zu leiten und in die andere möglichst garnicht. Sie lässt Strom also nur in eine Richtung durch.
===Photodiode===
Photodioden sind spezielle Dioden, welche einen Lichtabhängigen Widerstand haben. Der Widerstand von Photodioden verringert sich in beide Richtungen bei Lichteinstrahlung. Deswegen ist es bei der Schaltung zum messen von Helligkeit, welche ihr kennen gelernt habt, egal wie herum ihr die Diode einsteckt. Wobei ihr in der einen Richtung (Durchlassrichtung) eine höhere Empfindlichkeit festellen werdet als in die andere (Sperrrichtung).
===Leuchtdiode===
LEDs sind Dioden, welche Licht emittieren, wenn sie von Strom in Durchlassrichtung durchflossen werden. In Durchlassrichtung ist ihr Widerstand beinahe 0, sodass man aufpassen muss wenn man sie mit mehr Spannung als vorgegeben betreibt (Vorwiderstand). Um die Größe des Vorwiderstands zu berechnen Stellen wir folgende Gleichungen auf:
<code> Uges = U_L + U_R  (Formel für Reihenschaltung)</code>
wobei U_L die Spannung ist, welche an der LED abfallen soll (Typisch 1.7 bis 2 V) und U_ges die angelegte Spannung (zB. beim Arduino 5V).
Daraus können wir nun U_R berechnen:
<code> Uges-U_L = U_R (Uges und U_L sind bekannt)</code>
Wir setzen nun das Ohmsche Gesetz für U_R ein.
<code> Uges-U_L = R_R * I_R</code>
Wir Kennen I_R aus dem Datenblatt der Diode (Typisch 0,02 A, Maximal 0,5 A bei 5V-Pin bzw. 0,04 A bei Digitalpin) und können nun R_R berechnen. Beachtet, dass es Widerstände nur in bestimmten Größen gibt und ihr deshalb am besten einfach den nächst größeren Widerstand ausprobiert.
====Transistoren====
Transistoren sind Schalter welche durch eine Spannung steuerbar sind.
===Mosfet===
Mosfet steht für Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor und stellt lediglich eine bestimmte Bauform von Transistoren dar. Solche Transistoren besitzen drei Pins mit den Bezeichnungen Gate (G), Drain (D) und Source (S). Um herauszufinden welcher Pin welcher ist müsst ihr mithilfe des kleinen Codes auf dem Transistor das Datenblatt suchen und nachlesen, da die Pinbelegung unterschiedlich sein kann.\\
**Das übliche Usecase:**\\
Ihr wollt einen Verbraucher, welcher mehr Leistung benötigt als der Arduino Leisten kann anschliessen (Motor, Linearaktuator, Glühbirne usw.).
[[techniken:schalten|Transistor als Schalter]]
===Phototransistoren===
Dies ist ein Transistor der häufig nur zwei exponierte Pins hat (und zwar die analoga zu Drain und Source). Der dritte Pin welcher den Widerstand zwischen den anderen beiden steuert (analogon zu Gate) ist direkt dem Umgebungslicht ausgesetzt wodurch sich der Widerstand zwischen den exponierten Pins mit dem Umgebungslicht verändert. Ein Phototransistor ist also einer Fotodiode in der Funktion sehr ähnlich, der innere Aufbau unterscheidet sich jedoch.
====Motoren====
===Schrittmotoren(Stepper)===
Schrittmotoren bewegen sich wie der Name sagt: In Schritten. Dies hat den Vorteil, dass man sehr präzise Bewegungen ausführen kann und jederzeit weiß wo man sich befindet da man ja weiß wieviele Schritte man gemacht hat. Außerdem hält ein Schrittmotor seine aktuelle Position fest und lässt sich beliebig weit in eine Richtung drehen. Der Nachteil besteht darin, dass Stepper auch wenn sie stillstehen Strom verbrauchen und ein relativ begrenztes Drehmoment (~Kraft) haben.
===Servomotoren===
Ein Servomotor bewegt sich wie ein Schrittmotor in Schritten, kann aber nur in einem begrenzten Winkelbereich gedreht werden (typisch 0 bis 180 Grad). Der Vorteil gegenüber dem Schrittmotor besteht darin, dass man dem Servomotor über ein bestimmtes Signal einen Winkel mitteilt und er sich dann auf diesen ausrichtet, wohingegen man bei einem Schrittmotor darauf angewiesen ist, dass man die Schritte korrekt gezählt hat was schwierig sein kann, da es vorkommt dass ein Stepper Schritte überspringt. Außerdem sind Servomotoren zum Teil kleiner und leichter als Stepper. Servomotoren haben wie Stepper ein relativ begrenztes Drehmoment.
===Getriebemotoren===
Getriebemotoren sind in der regel übliche Gleichstrommotoren mit integriertem Getriebe um ein hohes Drehmoment zu erzeugen. Nachteilig hierbei ist, dass es schwer ist genau zu kontrollieren wie weit sich der Motor dreht und, dass er sich nicht feststellt wenn er nicht gedreht wird.

=====Messen mit einem Multimeter=====
Heutzutage benutzt man um einfache Schaltungen zu messen Multimeter. Diese haben Ihren Namen dadurch, dass sie die Funktionen von einem Voltmeter, Amperemeter und einem Ohmmeter vereinen. Häufig haben sie auch noch weitere Funktionen. Unter folgendem Link findet ihr eine recht ausführliche Erklärung zu diesem Thema : [[https://de.wikihow.com/Ein-Multimeter-benutzen|https://de.wikihow.com/Ein-Multimeter-benutzen]]

###################################ALT######################################


====Kondensator====
Ein Kondensator ist ein elektrisches Bauteil welches im Wesentlichen aus zwei sich gegenüberliegenden Leiterplatten(Elektroden) besteht. Legt man nun eine Spannung an diese Platten an so entsteht ein elektrisches Feld zwischen diesen Platten. Mikroskopisch wird dies dadurch hervorgerufen, dass sich die Ladungsträger in einer der Platten ansammeln und im anderen ein Ladungsträgermangel erzeugt wird. Auf diese Weise speichern Kondensatoren Energie. Wir benutzen Kondensatoren üblicherweise zum Glätten von Spannungen.\\
Z.B. wenn wir einen Motor über den Arduino mit Strom versorgen kann es sein, dass der Motor für kurze Zeit mehr Leistung benötigt als der Arduino liefern kann. In so einem Fall würde der Motor sich nicht wie gewollt drehen sondern stottern oder einfach nichts tun. Wir können nun einen Kondensator Parallel zur Spannungsversorgung schalten (vgl. Abbildung 1). Dieser wird nun in Phasen in denen der Motor die Stromversorgung nicht auslastet geladen, in Phasen in denen der Motor nun mehr Leistung benötigt als der Arduino liefern kann entläd sich der Kondensator und fungiert als eine Kurzzeitbatterie und verhindert so ein absacken der Spannung.\\
Kondensatoren sind geeignet große Ströme in kurzer Zeit abzugeben. Dafür können sie nur wenig Energie Speichern im Vergleich zu einer Batterie und sind deshalb nicht geeignet dauerhaft einen Verbraucher zu versorgen.\\ \\
ACHTUNG: Wir benutzen Elektrolykondensatoren. Diese können explodieren wenn sie verpolt werden. Achtet deshalb darauf, dass der Minuspol immer an GND ist.\\
{{ :start:skript:tut2_kondensator.png?500 |Abbildung 1: Schaltbild eines Kondensators zur Spannungsstabilisierung.}}
Skizze Eines Kondensators: https://de.wikipedia.org/wiki/Kondensator_(Elektrotechnik)#/media/File:Plate_Capacitor_DE.svg\\
In der Skizze befindet sich ein Elektrolyt zwischen den Platten, dies ist ein dielektrisches Material welches die Kapazität des Kondensators erhöht.
====Spule====
Eine Spule ist prinzipiell nichts anderes als ein aufgewickelter Draht. Wenn dieser Draht von einem Strom durchflossen wir ensteht ein magnetisches Feld um ihn herum. Dieses Feld wirkt immer dem Strom, durch den es induziert wird, entgegen. Spulen sind in fast jedem elektronischen Gerät vorhanden und werden vielseitig eingesetzt (Wechselstromwiderstand, Elektromagnete, Spannungswandler, ... ). Bei uns im Labor werdet ihr aber vermutlich nicht direkt mit Spulen arbeiten, deshalb reicht es eine Idee davon zu haben was eine Spule ist.
====Widerstände====
Widerstände sind einfach Leiterbahnen aus bestimmten Materialien mit einem bestimmten Widerstand, der unter möglichst allen Bedingungen (z.B. Wechselstrom, Gleichstrom) den gleichen Widerstand hat.
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