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: 
  - Welche Spannung (V<sub>(BR)DSS</sub> Drain-to-Source Breakdown Voltage) und Strom (I<sub>D</sub> Continuous Drain Current, Angabe ist Temperaturabhängig) kann der Transistor schalten ohne Schaden zu nehmen. 
  - Wie groß muss die Kontrollspannung, welche z.B. vom Arduino kommt, sein um den Schalter auf Durchlass oder Sperren zu schalten. Im Datenblatt in der Regel zu finden als V<sub>GS(th)</sub> (Gate Threshold Voltage)
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. Der Spannungsunterschied wird erzeugen indem der Pin des Arduino eine Spannung am Gate anlegt (Pin HIGH), die Glühbirne leuchtet. 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.

<note important>Zusammengefasst: Ein MOSFET ist wie ein variabler Widerstand, dessen Widerstand zwischen Drain-Source abhängig ist von der Spannungsdifferenz zwischen Gate-Source. Ist die Differenz null, dann ist der Widerstand sehr groß und der Schalter geöffnet (Abb. {{ref>grundschaltung}} links). Ist die Differenz groß genug zwischen Gate-Source, dann wird der Widerstand zwischen Drain-Source klein und es kann Strom fließen (Abb. {{ref>grundschaltung}} rechts). Überlegt euch, warum man Glühbirne und MOSFET nicht in ihrer Position tauschen darf! Welche Spannung müsste das Gate annehmen, wenn man es dennoch tut?</note>

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

{{ :Techniken:mosfet_schalter_ein.jpg?500 |Grundschaltung eines MOSFET-Schalters, ein}}
<caption>Grundschaltung eines Arduino-MOSFET-Schalters</caption>
</figure>
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==== Der Strombegrenzer ====

Das Gate eines MOSFET-Transistors kann sich wie einen Kondensator vorstellen, es hat eine gewisse Kapazität. Wenn der Pin auf HIGH gesetzt wird lädt er das Gate auf +5/+3.3V und schaltet somit auf Durchlass. Normalerweise ist das Gate entladen und stellt daher im ersten Moment einen Kurzschluss da. Indem man einen Widerstand in Reihe zum Pin setzt wird der Strom beim Kurzschluss begrenzt. Die Formel zum berechnen des Widerstands findet ihr in Abb. {{ref>strombegrenzer}}

<figure strombegrenzer>
{{ :Techniken:mosfet_schalter_strombegrenzer.jpg?500 |}}
<caption>Arduino-MOSFET-Schalter mit Strombegrenzer</caption>
</figure>
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==== 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, das Gate wird über den Pin mit Ground verbunden. Jedoch gibt es fälle, z.B. Arduino noch nicht eingeschaltet aber Verbraucher-Spannungsversorgung, bei denen der Zustand des Gate nicht definiert ist. Schlimmstenfalls führt dies zum Abbrennen des Transistors. 
Wer solche Probleme vermeiden möchte sollte zwischen Gate und Source einen Pull-Down-Widerstand (ca. 100 kOhm) einsetzen. Über den Widerstand kann sich das Gate bei einem Pin im undefinierten Zustand entladen und erreicht somit sicher den 0V-Pegel.

<figure pulldown>
{{ :Techniken:mosfet_schalter_strombegrenzer_pulldown.jpg?500 |}}
<caption>Arduino-MOSFET-Schalter mit Pulldown-Widerstand</caption>
</figure>
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==== Einen Motor an- und ausschalten ====

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 kann nicht entkommen da der Transistor bereits sperrt. Um schaden am Transistor und anderer Komponenten zu verhindern setzt man eine  Freilaufdiode (eine herkömmliche Silizium-Diode) parallel zum Verbraucher. Jetzt kann der induzierte Strom so lange im Kreis fließen bis er sich über Verlustleistungen am Motor verflüchtigt hat.

<figure motorschalter>
{{ :Techniken:mosfet_schalter_strombegrenzer_pulldown_induktiv.jpg?500 |}}
<caption>Arduino-MOSFET-Schalter für induktive Lasten</caption>
</figure>
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======= 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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