Elektrotechnik - Crashkurs
Die Wissenschaft der Elektronik ist sehr umfassend und komplex.
Um mit dem Raspberry Pi arbeiten können, reichen uns Allerding die wichtigsten Grundlagen aus.
Strom, Spannung und das ohmsche Gesetz
Die Grundvoraussetzung für jede elektronische Schaltung ist ein geschlossener Stromkreis. Ein Stromkreis ist geschlossen, wenn der Strom vom Pluspol zum Minuspol einer Stromquelle fließen kann.
Achtet auf die Wortwahl: Strom fließt, eine Spannung liegt an.
Eine Spannung bezeichnet die Differenz zwischen 2 Potenziale. Im einfachsten Beispiel sind das der Plus- und Minuspol einer Stromquelle. Wenn der Pluspol ein Potenzial von 5 V und der Minuspol ein Potenzial von 0 V hat, dann liegt die Potenzialdifferenz (Spannung) bei 5 V.
Für ein greifbares Beispiel stellen wir uns einen Wasserschlauch vor, der symbolisch für unseren Stromkreis steht. Die Spannung ist sozusagen der Wasserdruck, der in dem Wasserschlauch gepresst wird. Wenn das Wasser durch den Schlauch fließen kann, dann kann auch der Strom durch den Stromkreis fließen.
Strom beschreibt den Elektronenfluss innerhalb eines elektrischen Leiters. Je höher der Wasserdruck (Spannung), umso mehr Wasser (Strom) fließt durch den Schlauch.
Wenn jetzt jemand auf den Schlauch tritt, dann fließt bei gleichbleibendem Druck weniger Wasser durch den Schlauch. Dasselbe Prinzip wird durch einen elektrischen Widerstand erzeugt.
Damit haben wir die 3 wichtigsten Kennzahlen erläutert, die wir in einer Formel packen können.
U = R x I
| Name | Einheit | Formelzeichen |
|---|---|---|
| Spannung | Volt (V) | U |
| Strom | Ampere (A) | I |
| Widerstand | OHM (Ω) | R |
Die Formel kann beliebig umgestellt werden, wodurch wir alle notwendigen Werte errechnen können.
U = R x I
R = U / I
I = U / R
Die Leistung wird in Watt (W) angegeben und hat das Formelzeichen P. Die Leistung ist das Produkt aus Spannung und Strom. Ein Netzteil, welches für Smartphones üblich ist, hat oft eine Leistung von 5 W. Das ergibt sich durch die erzeugte Spannung von 5 V und des gelieferten Stroms von 1 A.
P = U x I bedeute 5V x 1A = 5W
Auch diese Formel kann je nach Anwendungsfall umgerechnet werden.
P = U x I
U = P / I
I = P / U
Grundschaltungen
Die Bezeichnung der Pins in den kommenden Schaltungen bezieht sich auf die physische Position des Pins auf dem Raspberry Pi.
Neben den Pins werden auch Bauteile wie Kondensatoren, Transistoren, Widerstände, Dioden oder Schalter auf dem Schaltplan gezeigt. Die folgenden Symbole bezeichnen die Bauteile:
Reihenschaltung
Die Reihenschaltung wird auch oft als Serienschaltung bezeichnet. Gemeint ist damit das gleiche. Alle Verbraucher, Widerstände usw. werden hintereinander geschaltet. Bei diesem Aufbau können die einzelnen Widerstände zusammengerechnet werden, um den Gesamtwiderstand zu ermitteln.
R1 + R2 = RGes
Der Strom verhält sich etwas anders, er ist an jeder Stelle gleich.
I1 = I2 = IGes
Nach jedem Widerstand ist eine Teilspannung messbar. Alle Teilspannungen zusammen ergeben wieder die Gesamtspannung.
UGes = U1 + U2
Parallelschaltung
Wenn die Widerstände nebeneinander und nicht hintereinander schalten, wird dies als Parallelschaltung bezeichnet.
Die Berechnung des Gesamtwiderstandes einer Parallelschaltung ergibt sich aus den Kehrwerten der Einzelwiderstände.
Der Gesamtwiderstand einer Parallelschaltung ist immer kleiner als der kleinste Teilwiderstand.
An allen Widerständen der Parallelschaltung liegt die gleiche Spannung an.
U1 = U2 = UGes
Schaltregler
Die Gesamtstromstärke ergibt sich in der Parallelschaltung durch die Summer der Einzelströme.
I1 + I2 = IGes
Kombinierte Schaltungen
Auch wenn die Reihenschaltung und die Parallelschaltung kombiniert werden, können wir den Gesamtwiderstand der Schaltung ermitteln. Dazu muss der parallel geschaltete Widerstand zu einem Ersatzwiderstand zusammengefasst werden.
Zuerst fassen wir den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung zusammen:
75*150 / 75+150 | 11250 / 225 = 50Ω
Jetzt können wir nach den Regeln der Reihenschaltung den Gesamtwiderstand der Schaltung ermitteln.
50Ω + 120Ω = 170Ω Gesamtwiderstand
Spannungsteiler
Im Umgang mit dem Raspberry Pi werden wir oft auf Module und Sensoren treffen, die 5V Signale ausgeben. Leider kann der Raspberry Pi nicht mit so viel Spannung auf den GPIO´s umgehen. Daher wird häufig ein Spannungsteiler eingesetzt, der in der einfachsten Form aus 2 in Reihe geschalteten Widerständen besteht.
Wenn ein Multimeter vor R1 und nach R2 angelegt wird, dann wird eine Spannung von 5V angezeigt.
Wenn das Multimeter zwischen R1 und R2 angelegt wird, dann wird nur die Hälfte der Spannung angezeigt. Das Verhältnis der beiden Widerstände zueinander bestimmt die Größe der Teilung.
U1 = (UGes x R1) / (R1 + R2)
U2 = (UGes x R2) / (R1 + R2)
Wenn wie im Beispiel, beide Widerstände die gleiche Größe haben, dann fällt an beiden Widerständen die gleiche Spannung ab. Demnach kann ja in der Mitte nur noch die Hälfte an Spannung anliegen. Ein Wert von 2,5V reicht dem Raspberry Pi aus, um das Signal als "High" zu erkennen.
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