McPrx-Logo

Mikrocontrollerpraxis

Grundlagen der Elektrotechnik

Bevor man sich mit Mikrocontroller-Schaltungen und Mikrocontroller-Software beschäftigt, sollte man sich einige Grundlagen aus den Gebieten der Elektrotechnik und Elektronik aneignen bzw. diese wiederholen. Eine kleine Grundausstattung an Experimentiermaterialien ist notwendig um sich die Zusammenhänge experimentell klarzumachen (siehe Bild 1).

Grundausstattung
Bild 1: Grundausstattung

Die Versuche sollen auf einem Steckbrett aufgebaut werden. Viele preiswerte Bausätze verwenden ein kleines Steckbrett mit nur 270 Kontakten. Ich empfehle die etwas größere Variante mit 840 Kontakten, die nur unwesentlich teurer ist. Für die Verdrahtung sollten verschiedenfarbig isolierte Schaltdrähte mit einem Querschnitt von 0,5mm² vorhanden sein. Weiter benötigen wir eine kleine Flachzange und einen Seitenschneider. Für das Abisolieren der Drahtenden ist eine Abisolierzange ganz praktisch. Zur messtechnische Untersuchung der Schaltungen ist eine preiswertes Multimeter sinnvoll, mit dem Gleichstrom und -spannung gemessen werden können. Daneben ist die Widerstandsmessung möglich, wodurch sich das fehleranfällige Dekodieren der Farbkodierung dieser Bauelemente erübrigt. Da im Lieferumfang des kleinen Multimeters häufig nur zwei Messleitungen mit Spitzen enthalten sind, ergänzen wir noch zwei Messleitungen mit Krokoklemmen.

Für unsere ersten Versuche benötigen wir natürlich noch eine kleine Auswahl an Bauteilen entsprechend folgender Auflistung.

  • 1 Widerstand 470Ω
  • 2 Widerstände 1kΩ
  • 4 Widerstände 10kΩ
  • 2 Widerstände 100kΩ
  • 1 Potentiometer 10kΩ
  • 2 Elektrolytkondensatoren (Elko) 100µF
  • 1 Blockbatterie 9V
  • 1 Batterieclip
  • 2 Leuchtdioden (LED)
  • 4 NPN-Transistoren BC547
  • 2 Mikrotaster

Für die Beschaffung des Arbeitsmaterials und der Bauteile können folgende Händler empfohlen werden: Pollin, Reichelt, Conrad. Es ist zu empfehlen, von den Bauteilen jeweils einige zusätzlich zu bestellen, da beim Experimentieren auch mal was kaputt gehen kann.

Die erste Schaltung ist ein einfacher Stromkreis, der entsprechend Bild 2 aus einer Spannungsquelle und einem Widerstand als Verbraucher besteht. Damit wir auch sicher sind, dass ein Strom fließt, schalten wir unser Multimeter als Strommesser dazwischen. Wir stellen dazu den Drehwahlschalter in die Position 20m im rechten Bereich A- (maximal messbarer Strom 20mA).

Ohmsches Gesetz
Bild 4: Ohmsches Gesetz

Wie in Bild 3 zu sehen, stellt sich ein Strom von etwa 9mA ein. Dieser ergibt sich aus dem Ohmschen Gesetz entsprechend der Formel in Bild 4. Der am Messgerät angezeigte Strom hat einen Wert von 8,88mA. Die Abweichung ergibt sich durch Widerstandstoleranzen, die je nach Bauteilgenauigkeit bis zu 20% betragen können sowie durch Abweichungen der Batteriespannung.

Parallel- und Reihenschaltung
Bild 5: Parallel- und Reihenschaltung

Mit den nächsten zwei Schaltungen wollen wir mit einem zweiten Widerstand den Strom in einer Parallelschaltung und einer Reihenschaltung messen (Bild 5). Während wir in der Parallelschaltung (links) nun etwa den doppelten Strom (18mA) messen, fließt in der Reihenschaltung nur der halbe Strom (4,5mA). Wie man sieht, ist es für die Messung des Stromes auch unerheblich, ob das Ampere-Meter links oder rechts der Widerstände in den Stromkreis geschaltet wird.

Spannungsmessung
Bild 6: Spannungsmessung

Nun wollen wir in der Reihenschaltung die Spannung an einem Widerstand messen (siehe Bild 6). Dazu wählen wir mit dem Drehwahlschalter im linken Bereich V- die Position 20. Das entspricht einem Messbereichsendwert von 20V.

Unser Messgerät zeigt nun ca. 4,5V an. Das entspricht etwa der Hälfte der Batteriespannung. Die Spannung teilt sich in der Reihenschaltung entsprechend den Widerstandswerten auf. Da unsere Widerstände gleich groß sind, ist auch der Spannunsabfall über jedem einzelnen gleich groß. Wäre ein Widerstand größer, so wäre auch der Spannungsabfall über diesem größer. Die Summe der Spannungsabfälle entspricht natürlich der Höhe der Spannung der Sapnnungsquelle.

Daraus folgen zwei wichtige Gesetzmäßigkeiten der Elektrotechnik, nämlich die Maschenregel und die Spannungsteilerregel, deren Formeln in Bild 7 und in Bild 8 dargestellt sind.

Während in der Reihenschaltung sich die Spannungen aufteilen, kann man in der Parallelschaltung die Aufteilung der Ströme beobachten, allerdings umgekehrt proportional zur Größe des jeweiligen Widerstandes. Das heißt je größer der Widerstand umso kleiner der Strom. Dieser Zusammenhang findet in der Stromteilerregel seinen Ausdruck (Bild 9).

Und analog zur Maschenregel gibt es auch für die Ströme an einem Knotenpunkt eine vierte Gesetzmäßigkeit nämlich die Knotenpunktregel. Diese besagt, dass die Summe aller in einen Knotenpunkt hineinfließenden Ströme gleich groß der Summe der Ströme sein muss, die aus diesem Knotenpunnkt herausfließen (Bild 10).

Strom- und Spannungsmessungen
Bild 11: Strom- und Spannungsmessungen

Diese Gesetze sollten wir nun experimentell noch etwas festigen, indem wir einen Widerstand durch einen größeren ersetzen und alle Ströme und Spannungungen jeweils in Reihen- und Parallelschaltung messen (Bild 11). Natürlich müssen wir die einzelnen Ströme und Spannungen nacheinander messen, da wir ja nur ein Multimeter besitzen.

Es empfiehlt sich die Messergebnisse in einem kleinen Laborbuch zu notieren, damit sie später auch noch nachvollzogen werden können.

© Heiko Böhmer, Stand: 18.08.15