Erik Bartmann - Mit Arduino die elektronische Welt entdecken

Fehler schleichen sich schnell ein, auch wenn du glaubst, dich genau an meine Texte und Abbildungen zu halten. Aus eigener Erfahrung weiß ich, dass die Suche nach Fehlern in einem Programm oder einer Schaltung oft das Zeitaufwendigste überhaupt ist. Deshalb gebe ich dir auch immer in jedem Bastelprojekt Hinweise auf mögliche Fehlerquellen. Sollte dein Bastelprojekt also zunächst nicht das tun, was du von ihm erwartest, dann geh die Punkte durch, die ich an dieser Stelle immer aufliste.

Falls die LED‌‌ nicht leuchtet, kann es mehrere Gründe dafür geben.

Erinnere dich noch einmal an die beiden unterschiedlichen Anschlüsse einer LED mit der Anode‌ und Kathode‌.

Die LED ist vielleicht defekt und durch Überspannung aus vergangenen Bastelprojekten durchgebrannt. Teste sie mit einem Widerstand an einer 5V-Spannungsquelle.

Kontrolliere noch einmal die Steckleistenbuchsen, die mit der LED und dem Widerstand verbunden sind. Sind es wirklich GND und Pin 13?

Überprüfe noch einmal den Sketch, den du in den Editor der IDE eingegeben hast. Hast du möglicherweise eine Zeile vergessen oder falsch geschrieben und ist der Sketch wirklich korrekt übertragen worden? Hast du die geschweiften Klammerpaare zu Beginn und Ende der setup - und loop -Funktion gesetzt? Hast du auch immer das Semikolon am Ende einer Befehlszeile gesetzt? Das ist übrigens der häufigste Einsteigerfehler.

Wenn die auf dem Board befindliche LED blinkt, sollte die eingesteckte LED ebenfalls blinken, da dann der Sketch korrekt arbeitet.

Grundlagen zur Berechnung des Widerstandes

Ich habe in unserem Blink-Bastelprojekt einfach einen Widerstand von 220Ω verwendet, der für solche Schaltungen vollkommen ausreichend ist. Dennoch kommt sicherlich die Frage auf, warum das so ist und was dabei beachtet werden sollte. Die folgende Schaltung zeigt uns eine Leuchtdiode mit einem Widerstand, die an eine Spannungsquelle angeschlossen wurde.

Abb. 5:Eine LED mit Widerstand

Zusätzlich habe ich noch ein paar Pfeile für Spannungswerte sowie den Gesamtstrom eingezeichnet. Um den Wert eines Widerstandes zu ermitteln, greifen wir auf das sogenannte Ohmsche Gesetz‌ zurück. Das Ohmsche Gesetz beschreibt die Zusammenhänge zwischen Spannung, Strom und dem Widerstand. Legen wir an einem Bauteil eine Spannung U an, dann verändert sich der hindurchfließende Strom I proportional zur Spannung. Der Quotient zwischen den beiden Größen, also Spannung und Strom, ist konstant und definiert den elektrischen Widerstand‌ R . Wir können folgende Formel aufschreiben:

Bringe ich die Formelbuchstaben jetzt in die richtige Reihenfolge, so ergibt sich zum Bestimmen des elektrischen Widerstandes die folgende kurze Formel:

Doch ein wichtiger Aspekt scheint noch nicht angesprochen zu sein. Was ist überhaupt ein Widerstand? Die Elektronen, die sich durch einen Leiter bewegen, haben es mehr oder weniger leicht, ihn zu durchqueren und müssen sich gegen einen bestimmten vorherrschenden Widerstand zur Wehr setzen. Es gibt unterschiedliche Kategorien, die Aufschluss über die Leitfähigkeit eines Stoffes geben.

Isolatoren‌ (sehr hoher Widerstand, zum Beispiel Keramik)

Schlechte Leiter (hoher Widerstand, zum Beispiel Glas)

Gute Leiter (geringer Widerstand, zum Beispiel Kupfer)

Sehr gute Leiter (Supraleitung bei sehr niedrigen Temperaturen, bei der der elektrische Widerstand auf 0 sinkt)

Halbleiter‌ (Widerstand kann gesteuert werden, zum Beispiel Silizium‌ oder Germanium‌‌)

Damit habe ich schon zwei entscheidende elektrische Größen ins Spiel gebracht, die in einem gewissen Zusammenhang zueinander stehen: den Widerstand R und die Leitfähigkeit G . Je höher der Widerstand, desto geringer der Leitwert‌ und je geringer der Widerstand, desto höher der Leitwert. Folgender Zusammenhang besteht:

Der Widerstand ist der Kehrwert des Leitwertes. Ein erhöhter Widerstand ist mit einem Engpass vergleichbar, den die Elektronen überwinden müssen. Es bedeutet, dass der Stromfluss gebremst und im Endeffekt geringer wird. Stell dir vor, du läufst über eine ebene Fläche. Das Gehen bereitet dir keine großen Schwierigkeiten. Jetzt versuch, bei gleichem Kraftaufwand durch hohen Sand zu gehen. Das ist recht mühsam. Du gibst Energie in Form von Wärme ab und deine Geschwindigkeit sinkt. Ähnlichen Schwierigkeiten sehen sich die Elektronen gegenüber, wenn sie statt durch Kupfer plötzlich zum Beispiel durch Glas müssen.

Dieser zu überwindende Widerstand hat natürlich Auswirkungen. Aufgrund der verstärkten Reibung der Elektronen, beispielsweise an der Außenwand oder untereinander, entsteht Reibungsenergie‌ in Form von Wärme, die der Widerstand nach außen abgibt.

In den meisten elektronischen Schaltungen werden spezielle Bauteile verwendet, die den Stromfluss künstlich verringern, wobei der Widerstandswert R in Ohm ( Ω‌ )‌ angegeben wird. Es handelt sich dabei um extra angefertigte Widerstände (zum Beispiel Kohleschicht- oder Metallschichtwiderstände) mit unterschiedlichen Werten, die mit einer Farbcodierung versehen werden, die auf ihren jeweiligen Widerstandswert schließen lässt. Wir kommen gleich näher darauf zu sprechen.

Abb. 6:Ein Widerstand, der den Elektronenfluss bremst

Wenn du dir Abbildung 6mit dem Elektronenfluss ansiehst, dann könnte man zu dem Schluss kommen, dass die Elektronen auf der linken Seite eine höhere Geschwindigkeit haben als die auf der rechten Seite. Doch dem ist nicht so. Der Strom in einem geschlossenen Kreis ist immer gleich! Er wird natürlich durch den hier gezeigten Widerstand entscheidend beeinflusst, doch im Endeffekt ist der Stromfluss vor und hinter einem Widerstand immer gleich. An jeder Stelle passiert pro Zeiteinheit immer dieselbe Anzahl von Elektronen den Leiter beziehungsweise den Widerstand.

Kommen wir zurück zu unserer Schaltung, um den Widerstand zu berechnen. Wir müssen uns überlegen, wie die Werte von Spannung und Strom ermittelt werden. Das ist nicht weiter schwer. An Widerstand und LED (zwischen den Punkten A und C in Abbildung 5) liegen +5V an, denn das ist die Betriebsspannung des Arduino und sie liegt am Ausgang des jeweiligen digitalen Pins an, wenn er mit einem HIGH-Pegel angesteuert wird. An der LED, also zwischen den Punkten B und C fallen in der Regel 2V ab, was aber an der LED und deren Farbe liegt. Die Spannung am Widerstand zwischen den Punkten A und B ist demnach die Differenz von 5V und 2V, ergibt also 3V