Projektlabor Robotik MINTgrün

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=====Wie man eine Glühbirne An- und Ausschaltet=====
Eine wichtige Funktion des Arduino, ist das Schalten von elektronischen Komponenten. So ist das An- und Ausschalten einer LED eine leichte Übung. Bei dieser Schaltung ist der Arduino gleichzeitig Spannungsquelle und Schaltungslogik der LED. Möglich ist diese Schaltung, da eine LED mit 20-30mA zurechtkommt und der Arduino maximal 50mA liefern kann. Versucht man nun einen Verbraucher zu schalten, der einen höheren Laststrom benötigt (> 50mA), wird der Arduino zerstört.\\
Um dieses Ungemach zu verhindern sollte man eine sog. Schaltstufe verwenden um „große Lasten“ zu schalten. Die Schaltstufe trennt Spannungsquelle und Schaltlogik voneinander indem der „Schaltstrom“ des  Arduino benutzt wird um die größere Spannungsquelle über einen Transistor zu schalten.

<note important>Falls ihr einen Motor oder einen anderen Induktiven Verbraucher schalten wollt dann lest diesen Artikel bis zum Ende! Sonst passieren schlimme Dinge!</note>

==== Die Grundschaltung ====
Zum schalten verwenden wir einen n-Kanal-MOSFET Transistor, dieser wird im Schaltplan in Abb. {{ref>grundschaltung}} mit seinen drei Anschlüssen Gate, Drain und Source dargestellt. Die Belegung der drei Pins variiert je nach Bautyp und sollte durch lesen des jeweiligen Datenblattes überprüft werden. Außerdem könnt ihr dort feststellen welche Kennwerte der Transistor hat. Auf zwei Dinge müsst ihr achten: 1. Welche Spannung (Volt) und Strom (Ampere) kann der Transistor schalten ohne Schaden zu nehmen. 2. Wie groß muss die Kontrollspannung, welche z.B. vom Arduino kommt, sein um den Schalter auf Durchlass oder Sperren zu schalten. Im Labor haben wir zwei Arten solcher Transistoren solche die mit 3.3V (Teensy) auskommen und solche die 5V (Arduino) benötigen.

Ist die Spannung am Gate identisch mit der Spannung an Source dann sperrt der Transistor. In diesem Fall fließt zwischen Drain und Source  kein Strom, die Glühbirne ist aus. Damit man ein Spannungsunterschied erzeugen kann muss der Pin des Arduino welcher am Gate angeschlossen ist auf HIGH (+5V/+3.3V) gesetzt werden. Wichtig: Der Ground des Arduino muss mit dem Ground der Spannungsquelle verbunden sein, sonst kann der Transistor nicht "Vergleichen" ob die Spannung am Gate identisch ist mit der an Source oder nicht.

<figure grundschaltung>
{{ :Techniken:mosfet_schalter.jpg?500 |Grundschaltung eines MOSFET-Schalters}}
<caption>Grundschaltung eines Arduino-MOSFET-Schalters</caption>
</figure>


==== Guter Stil: Der Strombegrenzer ====
{{ :Techniken:mosfet_schalter_strombegrenzer.jpg?600 |}}
==== Noch besserer Stil: Der Pulldown ====
Eine Spannung von 0V am Gate ist so zu verstehen dass Gate und Source galvanisch verbunden sind. Dies kann man erreichen indem der Pin des Arduino auf LOW (0V) gesetzt wird, jedoch bedeutet dies nicht automatisch das die Ladung am Gate auch 0V ist. Vielmehr ist das Gate nun vom Rest der Schaltung isoliert und trägt im schlimmsten Fall die alte Ladung von 5V/3.3V und ist damit weiterhin auf Durchlass geschaltet. 
Wer solche Probleme vermeiden möchte sollte zwischen Gate und Source einen hochohmigen Widerstand (ca. 100 kOhm) einsetzen. Über den Widerstand kann sich das Gate bei einem Pin im Zustand LOW entladen und erreicht somit sicher den 0V-Pegel.

{{ :Techniken:mosfet_schalter_strombegrenzer_pulldown.jpg?600 |}}

==== Einen Motor an- und ausschalten ====

{{ :Techniken:mosfet_schalter_strombegrenzer_pulldown_induktiv.jpg?600 |}}

======= Ab hier, alter, stellenweise falscher Beitrag =========
:!:
=====Wie man eine Glühbirne An- und Ausschaltet=====
Eine wichtige Funktion des Arduino, ist das Schalten von elektronischen Komponenten. So ist das An- und Ausschalten einer LED eine leichte Übung. Bei dieser Schaltung ist der Arduino gleichzeitig Spannungsquelle und Schaltungslogik der LED. Möglich ist diese Schaltung, da eine LED mit 20-30mA zurechtkommt und der Arduino maximal 50mA liefern kann. Versucht man nun einen Verbraucher zu schalten, der einen höheren Laststrom benötigt (> 50mA), wird der Arduino zerstört.\\
Um dieses Ungemach zu verhindern sollte man eine sog. Schaltstufe verwenden um „große Lasten“ zu schalten. Die Schaltstufe trennt Spannungsquelle und Schaltlogik voneinander indem der „Schaltstrom“ des  Arduino benutzt wird um die größere Spannungsquelle über einen Transistor zu schalten.

===Einige einführende Worte zu Transistoren===
Transistoren gehören zu den Halbleiterbauelementen. Mit ihnen lässt sich der Strom zwischen zwei Elektroden mit Hilfe einer dritten Elektrode und einem, in Relation zum eigentlichen Nutzstrom, geringen Schaltstrom steuern. Entscheidend für die Theory des Transistors sind die „pn-Übergänge“. Zuerst beschrieben wurde der Transistoreffekt 1947 von den Physikern Bardeen, Brattain und Shockley. Wichtige Bausteine der Elektrotechnik, die diese Entdeckung ausnutzen, sind der „Feldeffekttransistor“ (FET), der „Spitzentransistor“, die „bipolaren Transistoren“ und „integrierte Schaltungen“ (eng. integrated circuit: IC). In der Analogtechnik sind die Einsatzgebiete von Transistoren die Signalverstärkung bzw. Leistungsverstärkung. Wohl bekannter ist der Einsatz in der Digitaltechnik, als Schalter der ein Signal elektronisch ein- oder ausschaltet. Zum Beispiel der Prozessor eines Computers, der nichts weiter als eine Sammlung von vielen Millionen Transistoren ist.

Bipolare Transistoren bestehen aus drei Halbleiterschichten, dem Emitter, der Basisschicht und dem Kollektor. Die Schichten sind abwechselnd dotiert, daher die Unterscheidung in p-n-p- und n-p-n-Transistoren. Vertiefende Informationen zu bipolaren Transistoren findet ihr z.B. hier: https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0201291.htm

Feldeffekttransistoren nutzen auch den Effekt des pn-Übergangs aus. Im Gegensatz zu den bipolaren Transistoren ist aber nur eine Halbleiterschicht für den Strom entscheidend. Man unterscheidet daher in n-Kanal- und p-Kanal-FET’s. Der Strom verläuft zwischen zwei Elektroden (Source und Drain) und wird durch die Spannung, die an der dritten Elektrode (Gate) anliegt, gesteuert. Weitere Informationen findet ihr hier: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0207011.htm

===Ohmsche Lasten===
Das Schalten unter einer Ohmschen Last, wie etwa einer Glühbirne, ist kein Problem für einen Transistor, solange die Kennwerte des Transistors entsprechend an den Aufbau eurer Schaltung angepasst werden. In der Elektrotechnik verwendet man Diagramme, sog. Kennlinienfelder, um zu sehen wann ein Transistor seinen "Wohlfühlbereich" verlässt. In Abb. 1 sehen wir wie sich der Arbeitspunkt eines Transistors, unter ohmscher Last, beim Abschalten verschiebt. Wichtig für den Transistor ist dass er sich nicht zu lange im Bereich von P<sub>tot</sub> aufhält, da er sonst zu heiß wird und schlimmstenfalls zerstört wird.



===Induktive Lasten===
Ist unser Verbraucher eine induktive Last, stehen wir vor einem neuen Problem. Beim Abschalten von Induktivitäten entstehen hohe Spannungen. Der Strom fließt durch euren Verbraucher (z.B. ein Elektromotor) und induziert ein Magnetfeld. Schaltet ihr den Strom nun ab, bricht das Magnetfeld schlagartig zusammen und induziert einen Strom. Dieser Strom würde euren Transistor zerstören, daher muss zur Spannungsbegrenzung eine Freilaufdiode (eine herkömmliche Silizium-Diode) parallel zu eurem Verbraucher geschaltet werden.
Der Widerstand zwischen Drain und Source wird durch die anliegende Spannung am Gate gesteuert. Der Widerstand im Transistor ist unendlich groß wenn die Spannung am Gate identisch ist mit der Spannung am Source. Das ist der Fall wenn 0V am Gate anliegen.

Wichtig! 0V ist nicht gleichbedeutend mit Verbindung Trennen (z.B. mit einem Schalter oder Kabel vom Arduino trennen). Das Gate wird bei einer solchen Behandlung in einen Zustand versetzt den man mit "float" bezeichnet. Das Gate hängt sozusagen frei in der Luft, es wird weder den Strom sperren noch durchschalten. Dabei entsteht eine höhere Verlustleistung am Transistor und dieser wird zerstört.

Der Pull-Down-Widerstand zwischen Source und dem Arduino-Pin, dient dem sichren Sperren des Transistors während der Arduino sich im Reset befindet. Der Widerstand entlädt, bei einem undefinierten Zustand wie etwa einem geöffneten Schalter, das Gate auf 0V.

Strom bei eingeschalteter Logikspannung:

{{ techniken:arduino_high5.jpg }}

Abklingen des induzierten Stroms über die Freilaufdiode, bei abgeschalteter Logikspannung:

{{ techniken:arduino_low3.jpg }}

Der Pull-Down-Widerstand zieht das Gate auf 0V runter, während der Arduino sich im Reset befindet bzw. das Kabel abgezogen wurde:

{{ techniken:arduino_float2.jpg }}
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