Grundlagen Elektrotechnik
Strom, Spannung und elektrische Ladung
Arduino
Der Arduino ist eine offene Elektronikplattform, die aus einer benutzerfreundlichen Hardware- und Softwareumgebung besteht. Es gibt verschiedene Varianten von Arduino-Platinen, darunter den Arduino Uno, Nano und Mega, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungen bieten. Eine breite Palette an Sensoren, Aktoren und Shields ermöglicht vielfältige Funktionen, wie die Messung von Temperatur und Feuchtigkeit, die Steuerung von Motoren oder die Ansteuerung von Displays
Die Programmiersoftware ist intuitiv und ermöglicht einen schnellen Einstieg in die Projektentwicklung. Die weltweite Arduino-Community ist aktiv und bietet zahlreiche Tutorials, Foren und Projekte, sodass Unterstützung stets nur einen Klick entfernt ist.
Link: Arduino-Community
Das Herzstück des Arduino und seiner Erweiterungen bilden die elektronischen Schaltungen. Diese Schaltungen ermöglichen die Steuerung elektrischer Energie und die Umsetzung von Aufgaben, die von einfachen bis hin zu komplexen Anwendungen reichen. Die Funktionsweise einer elektronischen Schaltung basiert auf dem Zusammenspiel ihrer Bauteile. Der Strom fließt von der Quelle durch die miteinander verbundenen Komponenten. Je nach Design der Schaltung können diese Bauteile den Stromfluss beeinflussen, Signale verstärken oder verarbeiten und letztendlich die gewünschte Funktion auslösen.
Im Folgenden sind die wesentlichen Elemente und wichtigsten Bauteile elektronischer Schaltungen sowie deren Zusammenspiel aufgeführt:
Strom, Spannung und elektrische Ladung:
Ein elektrischer Schaltkreis ist ein geschlossener Pfad, durch den elektrischer Strom, also die Bewegung von Elektronen, fließen kann. Die Hauptkomponenten eines Schaltkreises zur Nutzung elektrischer Energie sind die Spannungsquelle, typischerweise eine Batterie oder ein Netzteil, die Leitungen und die Verbraucher. Wesentliche Kenngrößen für die Analyse und Berechnung der Vorgänge im Schaltkreis sind elektrische Ladung, Strom, Spannung und Widerstand -> Elektrizitätslehre – Formeln
Leiter:
Für einen optimalen Stromfluss sind gute Leiter erforderlich, wie beispielsweise Kupfer, die den Elektronen einen effektiven Weg bieten.
Widerstände:
Regulieren den Stromfluss und reduzieren die Spannung in bestimmten Teilen der Schaltung
Kondensatoren:
Speichern elektrische Energie temporär und können zur Glättung von Spannungsschwankungen eingesetzt werden.
Transistoren:
Funktionieren als Schalter oder Verstärker und steuern den Stromfluss in der Schaltung.
Dioden:
Lassen den Strom nur in eine Richtung fließen und schützen vor Umkehrströmen.
Pulsweitenmodulation (PWM):
Bei der Pulsweitenmodulation (PWM) wird ein Signal in regelmäßigen Abständen ein- und ausgeschaltet. Das Verhältnis von Ein- zu Aus-Zeit, bekannt als Tastverhältnis, bestimmt die durchschnittliche Leistung. Ein höheres Tastverhältnis bedeutet, dass das Signal länger „ein“ ist, was zu einer höheren Energieabgabe führt, während ein niedrigeres Tastverhältnis weniger Energie liefert.
Modulation ist der Prozess, bei dem ein Signal in seiner Amplitude, Frequenz oder Phase verändert wird. Bei der Pulsweitenmodulation bezieht sich der Begriff „Modulation“ jedoch nicht auf die klassische Signalübertragung wie bei der Amplitudenmodulation (AM) oder Frequenzmodulation (FM), sondern ausschließlich auf die Pulsweite.
Integrierte Schaltungen (ICs), Mikrokontroller und Mikrokontrollerplatinen
Integrierte Schaltungen (ICs) sind elektronische Bauelemente, die eine Vielzahl von Schaltkreisen und Komponenten, wie Transistoren, Widerstände und Kondensatoren, auf einem einzigen Halbleiterchip vereinen. Sie finden Anwendung in Bereichen von einfachen Logikgattern bis hin zu komplexen Mikroprozessoren und Speicherchips. Analog-ICs verarbeiten kontinuierliche Signale und werden häufig in Anwendungen wie Verstärkern, Oszillatoren und Signalverarbeitungsgeräten eingesetzt. Digital-ICs hingegen arbeiten mit diskreten Signalen (0 und 1) und sind in Computern, Mikrocontrollern und digitalen Signalprozessoren zu finden.
Der Mikrokontroller ist eine spezielle Art von IC, der einen Mikroprozessor, Speicher (RAM und ROM) sowie Peripheriefunktionen wie Timer, ADCs und I/O-Ports auf einem einzigen Chip integriert und programmierbar ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ICs allgemeine elektronische Bauelemente sind, Mikrokontroller spezialisierte ICs mit programmierbaren Funktionen darstellen, und Mikrokontrollerplatinen Entwicklungsplattformen sind, die Mikrokontroller und zusätzliche Komponenten kombinieren, um die Entwicklung zu erleichtern.
Arduino UNO R4 vs. AZ-Delivery Mikrocontrollerplatine
Unterschiede in Mikrocontroller, Speicher, I/O-Pins, Erweiterbarkeit und Preis.
Arduino UNO R4:
- Verwendet in der Regel einen leistungsstärkeren Mikrocontroller (z.B. ARM Cortex-M0 oder ähnliches), was zu einer besseren Leistung und mehr Funktionen führt.
- Hat in der Regel mehr Flash-Speicher (z.B. 256 KB oder mehr) und RAM (z.B. 32 KB oder mehr), was es ermöglicht, komplexere Programme auszuführen.
- Bietet mehr digitale und analoge Pins, was die Flexibilität bei der Verbindung von Sensoren und Aktoren erhöht.
- Ist mit einer Vielzahl von Shields und Zubehörteilen kompatibel, die speziell für die Arduino-Plattform entwickelt wurden.
- Könnte teurer sein, bietet jedoch zusätzliche Funktionen und eine bessere Leistung.
AZ-Delivery Board mit ATMega328:
- Nutzt den ATMega328P, der auch im Arduino UNO (R3) verwendet wird. Er ist leistungsfähig, aber im Vergleich zu neueren Mikrocontrollern weniger leistungsstark.
- Hat typischerweise 32 KB Flash-Speicher und 2 KB RAM, was für viele einfache Projekte ausreichend ist, aber bei komplexeren Anwendungen begrenzt sein kann.
- Hat eine ähnliche Anzahl von Pins wie das Arduino UNO R3 (14 digitale I/O-Pins und 6 analoge Eingänge), was für viele Standardprojekte ausreichend ist.
- Ist ebenfalls mit vielen Arduino-Shields kompatibel, jedoch kann die Unterstützung für neuere Shields und Zubehörteile eingeschränkt sein. Ist in der Regel kostengünstiger, was es zu einer attraktiven Option für Einsteiger und Hobbyisten macht.
Beide Boards:
Nutzen die Arduino IDE, was die Programmierung und den Einstieg erleichtert. Die Community und die verfügbaren Bibliotheken sind für beide Boards umfangreich.