Make: Elektronik

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Wer die Elektronik-Grundlagen auf eine originelle Weise und mit viel Spaß lernen möchte, der muss zu Make: Elektronik greifen.

Von Anfang an wird durch praktische Beispiele in die große Elektronikwelt eingeführt, die Grundlagen werden dabei quasi nebenher vermittelt. Der Umgang mit Lötkolben und Multimeter wird dabei ebenso vermittelt wie die Programmierung eines Microcontrollers.

„Die unzähligen Farbfotos, Zeichnungen und Diagrammen machen das Lernen und Basteln zu einem Vergnügen.“ (c`t 5/2010)

Mehr Informationen finden Sie hier: http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/

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Make: Elektronik

  1. 1. Inhaltsverzeichnis Vorwort. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX 1. Elektrizität.erleben.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Einkaufszettel: Experimente 1 bis 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Experiment 1: Ein kleiner Vorgeschmack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Experiment 2: Wir missbrauchen eine Batterie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Experiment 3: Dein erster Stromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Experiment 4: Die Spannung verändern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Experiment 5: Wir bauen uns eine Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2. Grundlagen.des.Schaltens.und.mehr. . . . . 39 Einkaufszettel: Experimente 6 bis 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Experiment 6: Ganz einfaches Schalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Experiment 7: LED mit einem Relais schalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Experiment 8: Ein Relais-Oszillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Experiment 9: Zeit und Kondensatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Experiment 10: Transistor-Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Experiment 11: Ein modulares Projekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3. Es.wird.langsam.ernst. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Einkaufszettel: Experimente 12 bis 15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Experiment 12: Zwei Drähte miteinander verbinden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Experiment 13: Brate eine LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Experiment 14: Ein pulsierendes Glühen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Experiment 15: Zurück zur Alarmanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 VII
  2. 2.  4. Chip.Ahoi!. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Einkaufszettel: Experimente 16 bis 24. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Experiment 16: Erzeugen eines Impulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Experiment 17: Selbst erzeugte Töne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Experiment 18: Reaktions-Timer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Experiment 19: Logik lernen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Experiment 20: Eine starke Kombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Experiment 21: Einer wird gewinnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Experiment 22: Kippen und Prellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Experiment 23: Elektronische Würfel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Experiment 24: Die Alarmanlage wird fertiggestellt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 5. Was.kommt.jetzt?.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Einkaufszettel: Experimente 25 bis 36. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Richte deinen Arbeitsbereich ein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Experiment 25: Magnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Experiment 26: Stromerzeugung auf dem Tisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Experiment 27: Lautsprecher-Zerstörung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Experiment 28: So reagiert eine Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Experiment 29: Frequenzen filtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 Experiment 30: Fuzz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 Experiment 31: Ein Radio, kein Lötzinn, kein Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Experiment 32: Ein kleiner Roboterwagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Experiment 33: Fortbewegung schrittweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Experiment 34: Hardware trifft auf Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 Experiment 35: Verbindung zur Umwelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Experiment 36: Noch einmal zum Schloss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 Schlussworte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 A. Händlerliste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Index... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 VIII Inhaltsverzeichnis
  3. 3. Elektrizität erleben 1 Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 Ich will, dass du beim ersten Experiment in Sachen Elektrizität auf den Ge- In dIesem KapItel schmack kommst – und zwar im wahrsten Sinne des Wortes. Dieses erste Ka- pitel im Buch zeigt dir: Einkaufszettel: Experimente 1 bis 5 • wie man Elektrizität und Widerstand verstehen und messen kann Experiment 1: Ein kleiner Vorgeschmack Experiment 2: Wir missbrauchen • wie man Bauteile behandelt und verbindet, ohne sie zu überladen, zu be- eine Batterie. schädigen oder sie zu zerstören Experiment 3: Dein erster Stromkreis Auch wenn du schon Vorwissen auf dem Gebiet der Elektronik hast, solltest Experiment 4: Die Spannung verändern du diese Experimente ausprobieren, bevor du dich den weiteren Kapiteln des Experiment 5: Wir bauen uns Buches widmest. eine Batterie Einkaufszettel: Experimente 1 bis 5 Wenn du nicht mehrfach einkaufen oder online bestellen willst, sieh dir auch alle weiteren Einkaufszettel an und kaufe alles, was du brauchst, auf einmal. Werkzeuge Kleine Zange Sieh dich nach diesen Werkzeugen in Baumärkten um, die im Vorwort ge- nannt werden. Der Hersteller ist dabei egal. Wenn du die Zange einige Zeit lang benutzt hast, merkst du sicher, ob du damit gut arbeiten kannst. Insbesondere musst du selbst entscheiden, ob du eine Zange mit oder ohne Feder am Griff bevorzugst. Wenn du doch lieber ohne Rückstellfe- der arbeitest, brauchst du eine zweite Zange, um die Feder aus der ersten zu entfernen. Seitenschneider Benutze den Seitenschneider nur für Kupferdraht, nicht für härtere Metalle (Abbildung 1-4). 1
  4. 4. Einkaufszettel: Experimente 1 bis 5 Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 abbildung 1-1. Eine herkömmliche abbildung 1-2. Eine Zange mit abbildung 1-3. Spitzzangen sind abbildung 1-4. Ein Drahtscheider Flachzange ist dein Grundwerk- längeren Backen vereinfacht bei der Schmuckherstellung oder Seitenschneider ist unver- zeug, mit dem du Dinge greifen, die Arbeit in Umgebungen, in beliebt, eignen sich aber auch zichtbar. biegen und aufheben kannst, denen nur sehr wenig Platz zur dazu, winzige Bauteile festzu- wenn sie dir mal heruntergefal- Verfügung steht. halten. len sind. Multimeter Strom ist unsichtbar, also brauchen wir ein spezielles Gerät, dass uns Stromdruck und Stromfluss sichtbar macht, und das geht nur mit einem Multimeter. Ein billiges Multimeter reicht für deine ersten Experimente. Wenn du ein solches Gerät im Internet kaufst, lies dir trotzdem die Bewer- tungen von anderen Käufern durch, da billige Multimeter nicht immer zu- verlässig funktionieren. Du kannst aber online durchaus zunächst immer nach dem besten Angebot Ausschau halten. Vergiss nicht, auch bei eBay zu suchen. Das Multimeter muss digital funktionieren – kaufe dir kein altmodisches Analoggerät, bei dem sich eine Nadel über einer Skala bewegt. In diesem Buch setze ich voraus, dass du auf eine Digitalanzeige schaust. Ich rate dir auch davon ab, ein Multimeter mit »Autorange«-Funktion zu kaufen, auch wenn das zunächst nützlich klingt: Wenn du zum Beispiel eine 9-Volt-Batterie überprüfst, merkt das Multimeter von selbst, dass du nicht im Bereich von mehreren Hundert Volt oder wenigen Millivolt messen willst. Das Problem dabei besteht darin, dass man leichter Fehler machen kann. Was könnte beispielsweise geschehen, wenn die Batterie fast leer ist? In diesem Fall besteht die Gefahr, dass du einen Wert misst, der nur einen Bruchteil von einem Volt beträgt, du dies aber wegen der »Autorange«-Funktion gar nicht bemerkst . Der einzige Hinweis im Dis- play, den man aber eben leicht übersieht, ist ein kleines »m« neben den deutlich größer dargestellten Zahlen im Display das für »Millivolt« steht. Bei einem Multimeter mit manueller Einstellung wählst du den Messbe- reich selbst aus. Falls die zu messende Quelle außerhalb dieses Bereiches liegt, zeigt das Gerät einen Fehler an. Ich finde das besser. Außerdem 2 Kapitel 1
  5. 5. Einkaufszettel: Experimente 1 bis 5 werde ich immer ungeduldig, wenn Autorange-Multimeter bei jeder Mes- sung erst versuchen, den Messbereich herausfinden. Am Ende ist es aber eine Frage der persönlichen Vorliebe. In Abbildungen 1-5 bis 1-7 sind eini- ge Multimeter abgebildet. Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 abbildung 1-5. Wie du am Grad der Abnutzung abbildung 1-6. Ein mittelpreisiges Multimeter abbildung 1-7. Ein Multimeter mit einem erkennen kannst, ist dies mein bevorzugtes zusätzlichen Temperaturfühler Multimeter. Es hat alle benötigten Grundfunk- tionen und kann auch Kapazität messen (der F-Bereich steht für Farad). Es ist außerdem zum Testen von Transistoren geignet. Der Messbereich muss manuell eingestellt werden. Material Batterien 9-Volt-Batterie. Anzahl: 1. Mignon-Batterien (AA), 1,5 Volt. Anzahl: 6. Bei den Batterien sollte es sich um normale Alkaline-Batterien handeln. Nimm die billigsten, weil wir vielleicht einige davon zerstören werden. Du solltest auf keinen Fall wiederaufladbare Batterien (Akkus) in den Ex- perimenten 1 und 2 benutzen. abbildung 1-8. Anschlussclip für eine 9-Volt-Batterie Batteriehalter und -anschlüsse Batterieclip für 9-Volt-Batterie (Abbildung 1-8). Anzahl: 1. Jeder Batterie- clip mit Drähten reicht aus. Batteriehalter für eine einzelne Mignon-Batterie, mit Anschlussdrähten. (Abbildung 1-9). Anzahl: 1. Jeder Batteriehalter mit Drähten reicht aus. abbildung 1-9. Batteriehalter für eine einzelne Mignonbatterie mit Anschlussdrähten. Elektrizität erleben 3
  6. 6. Einkaufszettel: Experimente 1 bis 5 Batteriehalter für vier Mignon-Batterien, mit Anschlussdrähten (Abbil- dung 1-10). Anzahl: 1. Krokodilklemmen Gummiisoliert. Anzahl: mindestens 6. Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 Bauteile Womöglich weißt du nicht, was einige dieser Artikel genau sind oder wozu sie gut sind. Schau einfach die Beschreibungen durch und achte auf die abgebilde- abbildung 1-10. Batteriehalter für vier ten Fotos. Sehr bald wirst du alles durch »Lernen durch Entdecken« verstehen. Mignonzellen in Reihe, liefert 6 Volt Sicherungen Spannung. KFZ-Flachsicherung, 3 Ampere. Anzahl: 3. Oder ein ähnliches Modell. Eine Flachsicherung lässt sich einfacher mit Krokodilklemmen fixieren als eine Rundsicherung. Potentiometer Einfache Umdrehung, 2 KΩ linear, Minimal 0,1 Watt. Anzahl: 2. Die »Watt«-Angabe gibt an, wieviel Leistung das Bauteil aushält. Du brauchst keinen Wert über 0,5 Watt. abbildung 1-11. Krokodilklemmen in Vinyl- hüllen, die versehentliche Kurzschlüsse Widerstände verhindern. Widerstandssortiment mit mindestens 1/4 Watt mit verschiedenen Werten, sollte aber 470 Ohm, 1 Kiloohm und 2 oder 2,2 Kiloohm enthalten. Anzahl: mindestens 100. Oder suche bei eBay nach »Widerstandssortiment«. Leuchtdioden (LEDs) Egal welche Größe oder Farbe (Abbildungen 1-14 und 1-15). Anzahl: 10. Für die ersten Experimente reicht so ziemlich jede LED. abbildung 1-12. Eine 3-Ampere-Sicherung, wie sie in Autos gebraucht wird, hier grö- ßer abgebildet, als sie tatsächlich ist. abbildung 1-14. Typische Leuchtdiode abbildung 1-15. Eine extragroße LED (1 cm Durch- (LED) mit 5 mm Durchmesser. messer) ist nicht unbedingt heller oder teurer. Für die meisten Experimente im Buch kannst du beliebige LEDs kaufen. abbildung 1-13. Potentiometer gibt es in verschienenen Formen und Größen, mit verschiedenen Schaftlängen für verschie- dene Drehknöpfe. Für unsere Zwecke ist die Bauart egal, aber die größeren Modelle sind einfacher zu handhaben. 4 Kapitel 1
  7. 7. Experiment 1: Ein kleiner Vorgeschmack Experiment 1: Ein kleiner Vorgeschmack Kann man Elektrizität schmecken? Möglicherweise nicht, aber es fühlt sich an, als ob es ginge. Nie mehr als 9 Volt Du brauchst: Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 Eine 9-Volt-Batterie wird dir nicht wehtun. Versuche dieses Experiment • 9-Volt-Batterie aber nie mit einer Batterie mit mehr • Anschlussclip für die Batteriekontakte Spannung oder einer größeren Bat- terie, die mehr Strom abgeben kann. • Multimeter Falls du eine Zahnspange trägst, achte darauf, dass die Metallbügel nicht die Batterie berühren. Ablauf Befeuchte deine Zunge und berühre mit der Spitze die Metallkontakte einer 9-Volt-Batterie. Du wirst sofort ein deutliches Prickeln spüren, das dadurch erzeugt wird, dass Elektrizität von einem Anschluss der Batterie durch die Feuchtigkeit in und auf deiner Zunge zum anderen Anschluss fließt (Abbil- dung 1-16). Da die Haut auf deiner Zunge sehr dünn ist (es ist ja eine Schleim- haut) und die Nerven sehr dicht unter der Oberfläche liegen, kann man so die Elektrizität sehr einfach spüren. Strecke deine Zunge heraus und trockne die Zungenspitze gut mit einem Tuch ab. Wiederhole das Experiment, ohne dass deine Zunge wieder feucht wird. Jetzt solltest du ein schwächeres Prickeln wahrnehmen. Was passiert hier? Wir brauchen ein Messgerät, um das herauszufinden. Werkzeuge Richte dein Multimeter ein Sieh in der mitgelieferten Anleitung nach, ob du erst eine Batterie einsetzen musst oder ob schon eine Batterie vorhanden ist. abbildung 1-16. Schritt Eins beim Lernen Die meisten Multimeter haben abnehmbare Prüfkabel, auch Messleitungen durch Entdeckung: Der 9-Volt-Zungentest. genannt. Die meisten Geräte haben außerdem drei Buchsen an der Vordersei- te. Die Buchse ganz links ist in der Regel für die Messung hoher Stromstärken (Strom ist der Fluss von elektrischer Ladung) vorgesehen. Zunächst werden wir diese nicht brauchen. Die Kabel werden vermutlich schwarz und rot sein. Der schwarze Stecker ge- hört in die Buchse, die mit »COM« oder »Common« beschriftet ist. Der rote Stecker kommt in die Buchse mit der Bezeichnung »VΩ« oder »Volt Ω«. Siehe Abbildung 1-17 bis 1-20. An den anderen Enden der Prüfkabel befinden sich Metallspitzen, auch Prüf- spitzen genannt. Mit diesen berührt man die Bauteile bei elektrischen Mes- abbildung 1-17. Das schwarze Kabel ge- hört in die Common-Buchse (COM) und sungen. Die Spitzen messen Elektrizität, sie geben aber keine großen Mengen das rote Kabel gehört in die rote Buchse, davon ab. Das bedeutet, dass man sich nicht daran verletzten kann, außer na- die fast immer auf der rechten Seite des türlich man piekst sich an den spitzen Enden. Multimeters liegt. Elektrizität erleben 5
  8. 8. Experiment 1: Ein kleiner Vorgeschmack Wenn dein Messgerät keine Autorange-Funktion hat, befindet sich an jeder Schaltstellung noch eine Zahl. Diese Zahl bedeutet »nicht über«. Wenn zum Beispiel eine Stellung auf der Volt-Skala mit 2 (»nicht über 2 Volt«) und die nächste mit 20 (»nicht über 20 Volt«) beschriftet ist und du eine 6-Volt-Batterie messen willst, musst du folglich die Einstellung auswählen. Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 Falls du einen Fehler machst und versuchst etwas zu messen, das nicht passt, zeigt das Multimeter eine Fehlermeldung wie »E« oder »L«. Stell dann einfach den Drehregler richtig ein und versuche es noch einmal. abbildung 1-18 abbildung 1-19 abbildung 1-20. Um Widerstand und Span- nung zu messen, steckt man das schwarze Kabel in die »COM«-Buchse und das rote Kabel in die Volt-Buchse. Fast alle Mess- geräte verfügen über eine Extrabuchse für das rote Kabel für die Messung von hohen Stromstärken in Ampere, aber darum kümmern wir uns später. GrundlaGen Ohm Man misst Entfernungen in Kilometern, Gewicht (korrekt: Ein Material, das eine sehr hohen elektrischen Widerstand- Masse) in Kilogramm, Temperatur in Grad Celsius – und den hat, nennt man Nichtleiter oder Isolator. Die meisten Kunst- elektrischen Widerstand in Ohm. Das Ohm ist eine internatio- stoffe, auch die farbigen Ummantelungen von Drähten, sind nale Einheit. Nichtleiter. Das griechische Schriftzeichen Omega (Ω) ist das Einheiten- Ein Material mit sehr niedrigem Widerstand bezeichnet man zeichen für Werte in Ohm, siehe die Abbildungen 1-21 und als Leiter. Metalle, z.B. Kupfer, Aluminium, Silber und Gold, 1-22. Der Buchstabe K (oder kΩ) bedeutet Kiloohm (ent- sind exzellente Leiter. spricht 1.000 Ohm). Der Buchstabe M (oder MΩ) bedeutet Megaohm (entspricht 1.000.000 Ohm). Wert in Ohm Gängige Abkürzung Schreibweise 1.000 Ohm 1 Kiloohm 1kΩ oder 1K 10.000 Ohm 10 Kiloohm 10kΩ oder 10K 100.000 Ohm 100 Kiloohm 100kΩ oder 100K abbildung 1-21. Der Buchsta- abbildung 1-22. Er wird in 1.000.000 Ohm 1 Megaohm 1MΩ oder 1M be Omega wird weltweit be- unterschiedlichen Varianten nutzt, um den Widerstand in geschrieben oder gedruckt. 10.000.000 Ohm 10 Megaohm 10MΩ oder 10M Ohm anzugeben. 6 Kapitel 1
  9. 9. Experiment 1: Ein kleiner Vorgeschmack Ablauf Wir benutzen das Multimeter nun, um den elektrischen Widerstand deiner Zunge zu messen. Stell zunächst das Gerät auf Widerstandsmessung ein. Wenn das Multimeter eine Autorange-Funktion hat, sieh nach, ob es ein K für Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 Kiloohm oder ein M für Megaohm anzeigt. Wenn du den Messbereich manuell einstellen musst, beginne nicht mit einem Wert unter 100.000 Ohm (100K). Siehe die Abbildungen 1-23 bis 1-25. Berühre mit beiden Messspitzen deine Zunge. Die Messspitzen sollten einen Abstand von zwei bis drei Zentimetern aufweisen. Notier dir das Messergeb- nis, dass bei ungefähr 50K liegen sollte. Lege die Prüfspitzen beiseite, strecke die Zunge heraus und trockne sie sorgfältig mit einem Tuch ab. Wiederhole den Versuch, ohne dass deine Zunge wieder feucht wird. Der gemessene Wert sollte höher sein. Drücke zum Abschluss die Spitzen an die Haut auf deiner abbildung 1-23 Hand oder deinem Arm: Dabei bekommst du vermutlich gar keinen Wert an- gezeigt oder nur, wenn du deine Haut anfeuchtest. Wenn deine Haut feucht ist (z.B. weil du schwitzt), nimmt ihr elektischer Widerstand ab. Dieses Prinzip wird bei Lügendetektoren angewandt, da jemand, der bewusst lügt, unter Belastung zum Schwitzen neigt. Eine 9-Volt-Batterie enthält Chemikalien, die Elektronen (elektrische Teilchen) freisetzen, die aufgrund einer chemischen Reaktion in der Batterie vom einen abbildung 1-24 Anschluss zum anderen fließen wollen. Du kannst dir die Zellen in der Batte- rie wie zwei Wassertanks vorstellen – einer davon ist voll und der andere leer. Wenn diese Tanks mit einem Rohr verbunden werden, fließt das Wasser solan- ge, bis beide gleich voll sind. Abbildung 1-26 zeigt dir, wie das gemeint ist. In gleicher Weise fließen Elektronen zwischen den beiden Enden einer Batterie, wenn man eine elektrische Verbindung zwischen ihnen herstellt, auch wenn diese Verbindung die Feuchtigkeit auf deiner Zunge ist. Elektronen fließen in einigen Stoffen (wie einer feuchten Zunge) leichter als in anderen (wie einer trockenen Zunge). abbildung 1-25. Um Ohm zu messen, stelle die Drehscheibe auf das Omega-Zeichen. Auf einem Multimeter mit Autorange- Funktion kannst du die »Range«-Taste abbildung 1-26. Stelle dir die Zellen wiederholt drücken, um verschiedene in einer Batterie wie zwei Zylinder Widerstandsbereiche anzuzeigen, oder du vor: Einer ist voll mit Wasser, hältst einfach die Messspitzen an einen der andere leer. Wenn man eine Widerstand und wartest darauf, dass das Verbindung zwischen den Zylin- Gerät automatisch einen Bereich wählt. Bei dern herstellt, fließt das Wasser einem manuellen Multimeter musst du erst solange, bis der Wasserpegel auf den Bereich mit dem Drehregler wählen. beiden Seiten gleich hoch ist. Je (Um den Hautwiderstand zu messen, soll- weniger Widerstand die Verbin- test du es auf 100 kΩ oder höher stellen). dung besitzt, desto schneller fließt Wenn du keinen sinnvollen Wert erhältst, das Wasser. versuche einen anderen Messbereich. Elektrizität erleben 7
  10. 10. Experiment 1: Ein kleiner Vorgeschmack HInterGrundwIssen Der Mann, der den Widerstand entdeckte Georg Simon Ohm, Abbildung 1-27, wurde Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 im Jahre 1787 in Erlangen, Bayern, gebo- ren und arbeitete den größten Teil seines Lebens ohne nennenswerten öffentlichen Bekanntheitsgrad. Er erforschte die Eigen- schaften von Elektrizität mit Metalldräh- ten, die er dafür selbst hergestellt hatte. (Anfang des 19. Jahrhunderts konnte man nicht einfach zum Elektrogroßhandel fahren und eine Rolle Draht kaufen.) Trotz seiner begrenzten Ressourcen und ungenügenden mathematischen Fähig- keiten konnte Ohm im Jahre 1827 zei- gen, dass sich der elektrische Widerstand in einem Leiter wie Kupfer proportional abbildung 1-27. Georg Simon Ohm zum Querschnitt veränderte, und dass nach der Auszeichnung für seine der darin fließende Strom proportional wegweisende Forschung, die er zu zur angelegten Spannung ist, wenn die weiten Teilen alleine, ohne wissen- Temperatur konstant bleibt. Erst 14 Jahre schaftliche Kontakte leistete. später erkannte die Royal Society in London die Bedeutung seiner Erkenntnis und verlieh ihm die Copley-Medaille. abbildung 1-28. Wir können den Zungentest Heute kennen wir seine Entdeckung als abwandeln, um zu zeigen, dass eine kür- das Ohmsche Gesetz. zere Distanz mit niedrigerem Widerstand einen größeren Stromfluss ermöglicht und damit stärker prickelt. Weitere Untersuchungen Stecke den Anschlussclip (siehe Abbildung 1-8) auf die 9-Volt-Batterie. Halte die beiden Kabel so, dass die offenen Enden nur einige Millimeter von einander entfernt sind und berühre damit deine Zunge. Dann halte die Kabelenden ei- nige Zentimeter voneinander entfernt und berühre noch einmal deine Zunge. (Siehe Abbildung 1-28). Spürst du einen Unterschied? Benutze dein Multimeter, um den elektrischen Widerstand deiner Zunge zu messen. Verändere dieses Mal den Abstand zwischen den zwei Spitzen. Wenn Strom eine kürzere Strecke fließt, stellt sich ihm insgesamt ein geringerer Wi- derstand entgegen. Das führt dazu, dass die Stromstärke (der Fluss der Ladun- gen pro Sekunde) ansteigt. Ein ähnliches Experiment kannst du auch an dei- nem Arm ausprobieren, wie Abbildung 1-29 zeigt. Benutze dein Multimeter, um den elektrischen Widerstand von Wasser zu mes- sen. Löse dann etwas Salz im Wasser auf und untersuche es noch einmal. Ver- abbildung 1-29. Feuchte deine Haut an, suche auch, den Widerstand von destilliertem Wasser (in einem sauberen Glas) bevor du versuchst, ihren Widerstand zu messen. Der Wert sollte höher liegen, zu messen. je weiter die Messspitzen von einander entfernt sind. Der Widerstand ist propor- Die Welt um uns herum ist reich an Stoffen, die Strom leiten und dabei unter- tional zum Abstand. schiedliche Widerstandswerte haben. 8 Kapitel 1
  11. 11. Experiment 2: Wir missbrauchen eine Batterie Aufräumen und Weiterverwendung Deine Batterie sollte bei diesem Experiment nicht beschädigt worden sein oder deutlich an Ladung verloren haben. Du kannst sie weiterhin benutzen. Vergiss nicht, dein Multimeter auszuschalten, bevor du es wegräumst. Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 Experiment 2: Wir missbrauchen eine Batterie Um ein besseres Gefühl für elektrischen Strom zu bekommen, wirst du jetzt das machen, wovor in den meisten Büchern gewarnt wird: Du wirst eine Batte- rie kurzschließen. Ein Kurzschluss ist eine direkte Verbindung zwischen beiden Enden einer Stromquelle. abbildung 1-30. Jeder, dem schon mal ein Schraubenschlüssel auf die ungeschütz- ten Pole einer Autobatterie gefallen ist, Kurzschlüsse kann dir sagen, dass ein Kurzschluss auch bei »nur« 12 Volt dramatisch sein Kurzschlüsse können gefährlich sein. Schließe niemals eine Steckdose bei dir zuhau- kann, wenn die Batterie stark genug ist. se kurz: Es wird einen lauten Knall und einen hellen Blitz geben. Der Draht oder das Werkzeug in deiner Hand werden möglicherweise zum Teil geschmolzen werden. Herumfliegende Teile von geschmolzenem Metall können dich verbrennen oder sogar erblinden lassen. Wenn du eine Autobatterie kurzschließt, ist die Stromstärke so hoch, dass die Batte- rie explodieren kann und du die Säure abbekommst (Abbildung 1-30). Lithiumbatterien sind ebenfalls gefährlich. Schließe niemals eine Lithiumbatterie kurz: Sie kann Feuer fangen und dir Verbrennungen zufügen (Abbildung 1-31). Benutze für dieses Experiment nur eine Alkaline-Batterie und nur eine einzige Mignonzelle. (Abbildung 1-32). Du solltest auch eine Schutzbrille tragen, falls deine abbildung 1-31. Der niedrige Innenwider- Batterie zufälligerweise defekt ist. stand von Lithiumbatterien (die oft in Laptops verwendet werden) ermöglicht, dass eine hohe Stromstärke fließt. Dies Dafür brauchst du: kann gefährlich werden. Spiele daher nie mit Lithiumbatterien herum! • 1,5-Volt-Mignonbatterie (AA) • Batteriehalter für eine Batterie • Sicherung mit 3 Ampere • Schutzbrille (eine normale Brille oder Sonnenbrille reicht auch) Ablauf Nimm eine Alkaline-Batterie. Benutze auf keinen Fall eine aufladbare Batterie (Akku). abbildung 1-32. Das Kurzschließen einer Stecke die Batterie in einen Batteriehalter, der für eine einzelne Batterie geeig- Alkaline-Batterie ist ungefährlich, wenn du dich genau an die Anleitung hältst. net ist und der zwei dünne, isolierte Drähte aufweist, wie in Abbildung 1-32 zu Auch dann wird die Batterie aber so heiß, sehen ist. Benutze keinen anderen Batteriehalter. dass man sie nicht mehr anfassen kann. Versuche das nie mit einem Akku. Elektrizität erleben 9
  12. 12. Experiment 2: Wir missbrauchen eine Batterie Verbinde mit einer Krokodilklemme die blanken Enden der Kabel, wie in Abbil- dung 1-32 gezeigt. Es wird keine Funken geben, da wir nur 1,5 Volt benutzen. Warte eine Minute ab, dann wirst du bemerken, dass die Drähte heiß werden. Warte noch eine Minute, dann wird auch die Batterie heiß sein. Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 Die Hitze wird durch den Strom erzeugt, der durch die Kabel und das Elek- trolyt (die leitfähige Flüssigkeit) in der Batterie fließt. Wenn du schon einmal mit einer Handpumpe Luft in einen Fahrradschlauch gepumpt hast, weißt du, dass die Pumpe warm wird. Strom verhält sich sehr ähnlich. Man kann sich dies so vorstellen, dass Strom aus kleinen Teilen (Elektronen) besteht, die den Draht erhitzen, während sie hindurchgedrückt werden. Das ist keine perfekte Analogie, aber für unsere Zwecke ausreichend. Im Inneren der Batterie erzeugen chemische Reaktionen den elektrischen Druck. Der korrekte Name für diesen Druck ist Spannung, die in Volt gemessen wird, benannt nach Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrizität. Kommen wir noch einmal auf die Analogie vom Wasser zurück: Die Höhe der abbildung 1-33. Stell dir die Spannung als den Druck und die Stromstärke als Fluss vor. Wassersäule in einem Tank steht in einem Verhältnis zum Wasserdruck und lässt sich mit der elektrischen Spannung vergleichen. Abbildung 1-33 hilft da- bei, sich das vorzustellen. HInterGrundwIssen Warum wurde deine Zunge nicht heiß? Als du die 9-Volt-Batterie an deine Zunge gehalten hast, konntest du ein Pri- ckeln spüren, aber keine spürbare Hitze. Als du eine Batterie kurzgeschlossen hast, wurde dabei eine deutlich wahrnehmbare Hitze erzeugt, obwohl du sogar abbildung 1-34. Ein größerer Widerstand mit geringerer Spannung gearbeitet hast. Wie lässt sich das erklären? ergibt einen reduzierten Stromfluss, aber wenn du den Druck erhöhst, kann er den Der elektrische Widerstand deiner Zunge ist sehr hoch, was den Fluss der Widerstand überwinden und den Fluss Elektronen reduziert. Der Widerstand eines Drahtes ist sehr niedrig. Wenn also vergrößern. nur ein Draht beide Pole einer Batterie verbindet, fließt ein Strom von höherer Stromstärke hindurch und erzeugt dabei mehr Hitze. Wenn alle anderen Fakto- ren gleich bleiben, gilt Folgendes: • Ein kleinerer Widerstand ermöglicht, dass ein größerer Strom fließt. (Abbil- dung 1-34). • Die durch den Strom erzeugte Hitze ist proportional zur Menge des flie- ßenden Stroms (die Stromstärke). Hier sind noch einige weitere Grundbegriffe: • Der Stromfluss pro Sekunde wird in Ampere gemessen. • Der elektrische Druck, der diesen Fluss verursacht, wird in Volt gemessen. • Der Widerstand gegen diesen Fluss wird in Ohm gemessen. • Ein größerer Widerstand verringert die Stromstärke. • Eine größere Spannung überwindet den Widerstand und erhöht die Stromstärke. 10 Kapitel 1
  13. 13. Experiment 2: Wir missbrauchen eine Batterie Doch auch die Voltzahl ist nur ein Teilaspekt. Wenn Elektronen durch einen Draht fließen, nennt man diesen Fluss Stromstärke. Die Einheit hierzu ist Am- pere, benannt nach einem weiteren Elektrizitätsforscher, André-Marie Am- père. Diese Stromstärke erzeugt die Hitze. Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 Falls du dich fragst, wie viel Strom genau zwischen den Polen einer Batterie fließt, wenn diese kurzgeschlossen wird, gibt es darauf keine einfache Antwort. Wenn du dein Multimeter benutzt, um nachzumessen, könnte die Sicherung im Mess- gerät durchbrennen. Du könntest aber deine eigene 3-Ampere-Sicherung be- nutzen, die wir für dieses Experiment opfern können, weil sie nicht sehr teuer war. abbildung 1-35. Sobald du beide Drähte Sieh dir die Sicherung erst einmal ganz genau an. Benutze eine Lupe, falls vor- anschließt, schmilzt das kleine S-förmige handen. Im durchsichtigen Fenster in der Mitte solltest du ein ein kleines S- Teil fast sofort. förmiges Teil sehen. Dieses S ist ein dünnes Metallteil, das leicht schmilzt. Nimm die kurzgeschlossene Batterie aus dem Halter. Sie kann nicht mehr ver- wendet werden und du solltest sie daher zum Recycling abgeben. Setze eine unbenutzte Batterie in den Halter ein und verbinde die Sicherung so, wie in Abbildung 1-35 gezeigt. Sieh sie dir dann noch einmal an. Du müsstest eine Un- terbrechung in der Mitte der S-Form sehen, wo das Metall sofort geschmolzen ist. Abbildung 1-36 zeigt die Sicherung, bevor sie angeschlossen wurde und in Abbildung 1-37 siehst du eine durchgebrannte Sicherung. So funktioniert eine Sicherung: Sie schmilzt, um den restlichen Stromkreis zu schützen. Die winzige Unterbrechung in der Sicherung verhindert, dass der Strom fließen kann. GrundlaGen abbildung 1-36. Eine 3-Ampere-Sicherung, bevor der Sicherungsdraht durch eine Spannung einzelne 1,5-Volt-Batterie geschmolzen wurde. Der elektrische Druck wird in Volt gemessen. Das Volt ist eine internationale Ein- heit. Ein Millivolt ist 1/1000 eines Volts. Spannung Schreibweise Abkürzung 0,001 Volt 1 Millivolt 1 mV 0,01 Volt 10 Millivolt 10 mV 0,1 Volt 100 Millivolt 100 mV 1 Volt 1000 Millivolt 1V Stromstärke Den elektrischen Fluss messen wir in Ampere. Das Ampere ist eine internationa- le Einheit, in englischen Texten oft auch nur »amp« genannt. Ein Milliampere ist abbildung 1-37. Dieselbe Sicherung, nach- ein 1/1000 eines Amperes. dem sie durch den elektrische Strom geschmolzen ist. Stromstärke Schreibweise Abkürzung 0,001 Ampere 1 Milliampere 1 mA 0,01 Ampere 10 Milliampere 10 mA 0,1 Ampere 100 Milliampere 100 mA 1 Ampere 1000 Milliampere 1A Elektrizität erleben 11
  14. 14. Experiment 2: Wir missbrauchen eine Batterie HInterGrundwIssen GrundlaGen Der Erfinder der Gleichstrom und Wechselstrom Batterie Der Strom, der z.B. von einer Batterie erzeugt wird, wird als Gleichstrom bezeich- Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 Alessandro Volta (Abbildung 1-38) net (engl. direct current, DC). Wie beim Wasser aus dem Wasserhahn ist es ein wurde im Jahre 1745 in Italien durchgehend fließender Strom in gleichbleibender Richtung. geboren, lange bevor die Natur- Der Strom aus einer Steckdose bei dir zuhause unterscheidet sich diesbezüg- wissenschaften in Fachgebiete lich. Die so genannte Phase wechselt 50 mal in der Sekunde von positiv zu ne- aufgeteilt wurden. Nachdem er gativ. (In den USA und einigen anderen Ländern auch 60 mal in der Sekunde.) Chemie studiert (und 1776 Methan Dies wird als Wechselstrom bezeichnet (engl. alternating current, AC) und ähnelt entdeckt) hatte, wurde er Professor eher dem pulsierenden Wasserfluss eines Hochdruckreinigers. für Physik und begann, sich für die sogenannte galvanische Reaktion Für einige Zwecke ist Wechselstrom unentbehrlich, z.B. um die Hochspannung zu interessieren. Ein Beispiel hierfür über lange Strecken zu führen. Wechselstrom ist auch für Elektromotoren und ist das Zucken eines Froschschen- viele Haushaltsgeräte sinnvoll. Die Bestandteile einer in (West-)Europa üblichen kels, wenn er einem Impuls von sta- Steckdose sind in Abbildung 1-39 zu sehen. Weltweit sind verschiedene Arten tischer Elektrizität ausgesetzt wird. von Steckern und Steckdosen in Gebrauch. Mit einem Weinglas voller Salzwas- In diesem Buch gehe ich meistens von Gleichstrom aus, und zwar aus zwei ser zeigte Volta, dass die chemische Gründen: Erstens werden die meisten einfachen elektronischen Schaltungen Reaktion zwischen zwei Elektroden, mit Gleichstrom betrieben. Zweitens ist das Verhalten von Gleichstrom viel davon eine aus Kupfer, die andere einfacher zu verstehen. aus Zink, einen gleichmäßigen elek- Ich werde nicht immer wieder darauf hinweisen, dass wir mit Gleichstrom trischen Strom erzeugt. Im Jahre arbeiten. Du kannst also davon ausgehen, dass immer Gleichstrom gemeint ist, 1800 verbesserte er seine Vorrich- außer es wird explizit auf etwas anderes hingewiesen. tung, indem er Kupfer- und Zink- platten stapelte und dazwischen in Salzwasser getränkte Pappstücke B steckte. Diese »voltasche Säule« war die erste Batterie. A C abbildung 1-38. Alessandro Volta ent- abbildung 1-39. In den meisten europäischen Ländern sehen die Steckdosen so aus. deckte, dass chemische Reaktionen Weltweit werden verschiedene Arten von Steckdosen benutzt, aber das Prinzip ist Elektrizität erzeugen können. überall dasselbe. Eine der beiden Buchsen (A) führt die »Phase« und liefert einen Strom, der zwischen positiv und negativ wechselt, relativ gesehen zur anderen Buchse (B), die als »neutral« bezeichnet wird. Wenn ein angeschlossenes Gerät einen Defekt hat, z.B. einen losen Anschluss im Inneren, sollte die Spannung über die Erdung (C) abgeleitet werden, so dass der Benutzer immer geschützt ist. In Deutschland werden Steckdosen verwendet, wo die Erdung durch einen Schutz- leiter erfolgt. 12 Kapitel 1
  15. 15. Experiment 3: Dein erster Stromkreis Aufräumen und Weiterverwendung HInterGrundwIssen Die erste Mignon-Batterie, die du kurzgeschlossen hast, wurde vermutlich irre- parabel beschädigt. Du solltest sie entsorgen. Batterien gehören nicht in den Der Vater des Hausmüll, weil sie Schwermetalle enthalten, die nicht in die Umwelt gelangen Elektromagnetismus Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 sollten. Du kannst verbrauchte Batterien bei vielen öffentlichen Sammelstel- len abgeben, z.B. in vielen Supermärkten. André-Marie Ampère (Abbil- dung 1-40), 1775 in Frankreich Die durchgebrannte Sicherung ist nicht mehr verwendbar und kann wegge- geboren, war ein mathematisches worfen werden. Wunderkind und brachte es bis zum Lehrer der Naturwissenschaften, ob- Die zweite Batterie, die durch die Sicherung geschützt wurde, müsste in Ord- wohl er sich in der Bibliothek seines nung sein. Der Batteriehalter wird ebenfalls später noch benutzt. Vaters fast alles selbst beigebracht hatte. Sein bekanntestes Werk war im Jahre 1820 die Herleitung einer Experiment 3: Dein erster Stromkreis Theorie des Elektromagnetismus, Jetzt geht es darum, etwas mit Strom zu tun, dass immerhin ein wenig brauch- die beschreibt, wie elektrischer bar ist. Dafür wirst du jetzt Bauteile einsetzten, die man Widerstände nennt, au- Strom ein Magnetfeld erzeugt. Ampère baute außerdem das erste ßerdem eine Lumineszenz-Diode, auch als Leuchtdiode oder LED bezeichnet. Messinstrument für den elektri- Du brauchst dafür: schen Fluss (heutzutage als Galva- nometer bezeichnet) und entdeckte • 1,5-Volt-Mignonbatterien (»AA«). Anzahl: 4 das Element Fluor. • Vierer-Batteriehalter. Anzahl: 1 • Widerstände: 470 Ω, 1 kΩ und entweder 2 kΩ oder 2, 2 kΩ (der Wert 2,2 kΩ ist viel verbreiteter als 2 kΩ, aber für dieses Experiment ist es egal). Anzahl: Je 1 • Eine LED, egal was für eine. Anzahl: 1 • Krokodilklemmen. Anzahl: 3 Aufbau Jetzt lernen wir ein kleines, bescheidenes Bauteil kennen, das aber das grund- legendste ist, was wir in elektronischen Schaltkreisen verwenden werden: den Widerstand. Wie der Name schon sagt, widersteht er dem Fluss der Elektrizität. Erwartungsgemäß wird der betreffende Wert in Ohm angegeben. Wenn du ein billiges Sortiment von Widerständen gekauft hast, stellst du viel- abbildung 1-40. André-Marie Ampère entdeckte, dass ein elektrischer leicht fest, dass die Werte nirgendwo angegeben sind. Das ist nicht schlimm, es Strom, der durch einen Draht fließt, ist einfach herauszufinden. Abgesehen davon: Sogar wenn sie sauber beschriftet um diesen ein magnetisches Feld sind, möchte ich, dass du die Werte selbst überprüfst. Das geht auf zwei Arten: erzeugt. Er nutzte dieses Prinzip, um die ersten verlässlichen Messungen • Benutze dein Multimeter. Das ist auch eine sehr gute Übung, um zu ler- einer Größe durchzuführen, die spä- nen, wie man die Ziffern im Display richtig interpretiert ter als Stromstärke bekannt wurde. • Lerne die Farbcodes, die auf fast allen Widerständen aufgedruckt sind. Sie- he dazu den folgenden Abschnitt, »Grundlagen: Widerstände dekodieren« Es ist eine gute Idee, die Widerstände entsprechend in beschriftete Fächer in einer kleinen Plastikbox einzusortieren, nachdem du ihre Werte überprüft hast. Elektrizität erleben 13
  16. 16. Experiment 3: Dein erster Stromkreis GrundlaGen Widerstände dekodieren Bei manchen Widerständen ist der Wert direkt aufgedruckt. Die mikroskopisch Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 kleine Schrift kann man meistens nur mit einer Lupe lesen. Auf den meisten Widerständen ist jedoch ein Farbcode in Form von Streifen aufgedruckt. Bei dem Code kannst du die Grundfarbe des Widerstands ignorieren. Suche zunächst den silbernen oder goldenen Streifen. Dann dreh den Widerstand so, dass dieser Strei- fen rechts ist. Silber bedeutet, dass der Wert des Widerstands eine Genauigkeit von 10% hat; Gold steht für 5%. Wenn du weder einen silbernen noch einen gol- denen Streifen erkennst, halte den Widerstand so, dass sich die eng beieinander liegenden Streifen auf der linken Seite befinden. Auf jeden Fall solltest du dann am linken Ende drei farbige Streifen sehen. Einige Widerstände haben noch mehr Streifen, aber dazu kommen wir erst später. Siehe die Abbildungen 1-41 und 1-42. abbildung 1-41. Bei einigen modernen abbildung 1-42. Von oben nach unten Widerständen sind die Werte auch haben diese Widerstände die Werte direkt aufgedruckt. Man kann sie zum 56.000 Ohm (56 kΩ), 5.600 Ohm Teil nur mit einer Lupe lesen. Dieser (5,6 kΩ) und 560 Ohm. Die Größe weist 15-kΩ-Widerstand ist nur einen Zenti- darauf hin, wieviel Leistung der Wider- meter lang. stand aushalten kann, sie hat nichts mit dem Widerstandswert zu tun. Die kleineren Bauteile sind für 1/4 Watt ausgelegt, der große Widerstand in der Mitte für 1 Watt. Von links gelesen repräsentieren Der dritte Streifen wird anders der erste und der zweite Streifen die gelesen: Er zeigt an, wie viele Nullen Ziffern in dieser Tabelle. hinzugefügt werden müssen. Schwarz 0 Schwarz - Keine Nullen Braun 1 Braun 0 1 Null Rot 2 Rot 00 2 Nullen Orange 3 Orange 000 3 Nullen Gelb 4 Gelb 0000 4 Nullen Grün 5 Grün 00000 5 Nullen Blau 6 Blau 000000 6 Nullen Violett 7 Violett 0000000 7 Nullen Grau 8 Grau 00000000 8 Nullen Weiß 9 Weiß 000000000 9 Nullen 14 Kapitel 1
  17. 17. Experiment 3: Dein erster Stromkreis GrundlaGen Widerstände dekodieren (Fortsetzung) Beachte, dass die Farbcodierung einheitlich ist. Grün bedeutet z.B. entweder Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 einen Wert von 5 (bei den ersten zwei Streifen) oder 5 Nullen (beim dritten Strei- fen). Außerdem ist die Abfolge der Farben dieselbe wie bei einem Regenbogen. Daher hat ein Widerstand mit den Farben braun-rot-grün einen Wert von 1-2 und fünf Nullen, was 1.200.000 Ohm, also 1,2 MΩ entspricht. Ein Widerstand mit den Farben orange-orange-orange hat einen Wert von 3-3 und drei Nullen, was 33.000 Ohm, also 33 kΩ ergibt. Ein Widerstand mit den Farben braun-schwarz-rot hat einen Wert von 1-0 und zwei weiteren Nullen, das ergibt 1 kΩ. Abbildung 1-43 zeigt einige weitere Beispiele. abbildung 1-43. Um den Widerstand zu lesen, drehe ihn zuerst so, dass der silberne oder goldene Streifen auf der rechten Seite liegt, oder so dass die andern Streifen alle links liegen. Von oben nach unten: Der erste Widerstand hat einen Wert von 1-2 und fünf Nullen, also 1.200.000, d.h. 1,2 MΩ. Der zweite ist 5-6 und eine Null, also 560 Ω. Der dritte ist 4-7 und zwei Nullen, also 4.700, d.h. 4,7 kΩ. Der letzte ist 6-5-1 und zwei Nullen, also 65.100, d.h. 65,1 kΩ. Falls dir ein Widerstand mit vier anstelle von drei Streifen begegnet, stehen die ersten drei Streifen für Ziffern und der vierte Streifen für die Anzahl der Nullen. Mit dem dritten Zahlstreifen kann man einen Widerstand mit kleinerer Toleranz genauer angeben. Ist das verwirrend? Auf jeden Fall. Daher ist es einfacher, die Werte mit deinem Multimeter nachzumessen. Beachte nur, dass deine Messung leicht von dem auf- gedruckten Wert abweichen kann. Das kann daran liegen, dass dein Multimeter nicht ganz genau misst oder der Widerstand nicht genau den angegebenen Wert hat, oder an beidem. Solange man aber noch innerhalb der angegebenen 5% Toleranz liegt, ist es für unsere Zwecke egal. Elektrizität erleben 15
  18. 18. Experiment 3: Dein erster Stromkreis Eine LED leuchten lassen Sieh dir jetzt eine deiner LEDs an. Eine altmodische Glühbirne verschwendet sehr viel Energie, die in Hitze umgewandelt wird. LEDs sind da viel schlauer: Sie wandeln fast alle Energie in Licht um und sind fast unendlich lange halt- Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 bar – solange man sie gut behandelt. Eine LED ist etwas wählerisch, was die zugeführte Menge an Energie angeht, und im Bezug darauf, wie diese Energie ankommt. Folge immer den folgenden Regeln: • Das längere Beinchen der LED muss eine positivere Spannung erhalten als das kürzere Beinchen • Die Spannung zwischen dem langen und den kurzen Beinchen darf nicht über dem vom Hersteller angegebenen Limit liegen • Die Stromstärke, die durch die LED fließt, darf nicht über dem vom Her- steller angegebenen Limit liegen Aber was passiert, wenn man diese Regeln verletzt? Das finden wir jetzt mal heraus! Für diesen Zweck solltest du ganz volle Batterien benutzten. Dies kannst du überprüfen, indem du dein Multimeter für die Messung von Gleichspannung einstellst und mit den Messspitzen die Enden der Batterie berührst. Dabei soll- te jede Batterie eine Spannung von mindestens 1,5 Volt erzeugen. Wenn der Wert leicht darüber liegt, ist das auch noch völlig in Ordnung. Eine neue Batte- rie hat immer etwas mehr als die angegebene Spannung und liefert dann im Gebrauch nach und nach immer weniger. Batterien verlieren auch einen Teil ihrer Spannung, wenn sie ungenutzt im Regal liegen. Setze die Batterien in den Halter ein, achte darauf, die Batterien richtig herum einzusetzen. Die Minuspole liegen dabei jeweils an den kleinen Sprungfedern. Nimm dein Multimeter zur Hand und miss die Spannung, die an den Drähten anliegt, die aus dem Batteriehalter kommen. Es sollten mindestens 6 Volt sein. Nimm jetzt einen Widerstand mit 2 kΩ, das bedeutet »2000 Ohm«. Wenn dar- auf bunte Streifen aufgedruckt sind, sollten diese entsprechend rot-schwarz- rot sein, für »2-0 und zwei weitere Nullen«. Da 2,2-kΩ-Widerstände einfacher zu bekommen sind als 2-kΩ-Widerstände, kannst du auch einen solchen be- nutzen. Die Farbringe sind dann rot-rot-rot. Verbinde den Widerstand so mit dem Schaltkreis, wie in den Abbildungen 1-44 abbildung 1-44. Die Schaltung für Experi- und 1-45 dargestellt ist, benutze dafür die Krokodilklemmen. Die LED sollte sehr ment 3 mit den Widerständen mit 470 Ω, 1 kΩ und 2 kΩ. Benutze die Krokodilklem- schwach leuchten. men so wie abgebildet, um einen Kontakt Jetzt ersetze den 2-kΩ-Widerstand durch einen 1-kΩ-Widerstand, der braun- herzustellen. Probiere nacheinander die Widerstände durch und beobachte dabei schwarz-rot gestreift ist, für »1-0 und zwei weitere Nullen«. Die LED sollte jetzt die LED. etwas heller leuchten. 16 Kapitel 1
  19. 19. Experiment 3: Dein erster Stromkreis Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 abbildung 1-45. So sieht der Aufbau mit einer großen LED aus. Wenn du mit dem höchsten Widerstandswert anfängst, wird die LED nur sehr schwach leuchten, wenn du den Strom- kreis schließt. Der Widerstand vernichtet den Großteil der Spannung, daher bleibt für die LED nicht genügend Strom übrig, um hell zu leuchten. Nimm den 1-kΩ-Widerstand heraus und ersetze ihn durch einen 470-Ω-Wi- derstand, der gelb-violett-braun gestreift ist, was »4-7 und eine weitere Null« bedeutet. Die LED sollte noch heller als vorher leuchten. Dies klingt alles recht profan, ist aber eine wichtige Grundlage. Der Wider- stand blockiert einen Anteil der Spannung im Stromkreis. Du kannst ihn dir wie einen Knick oder eine Verstopfung in einem Schlauch vorstellen. Ein Wi- derstand mit höherem Wert blockiert mehr Spannung, so dass weniger für die LED übrig bleibt. Aufräumen und Weiterverwendung Die Batterien und die LED werden wir im nächsten Experiment wieder einset- zen. Die Widerstände können später wieder benutzt werden. Elektrizität erleben 17
  20. 20. Experiment 4: Die Spannung verändern Experiment 4: Die Spannung verändern Potentiometer gibt es in verschiedenen Formen und Größen, funktionieren aber alle gleich: Man kann mit diesem Gerät Spannung und Strom verändern, indem man den Widerstand verändert. Bei diesem Experiment wirst du mehr Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 über Spannung, Stromstärke und ihr Verhältnis zueinander erfahren. Du lernst außerdem, wie man das Datenblatt eines Bauteile-Herstellers liest. Du benötigst dieselben Gegenstände wie im letzten Experiment: Batterien, Batteriehalter, Krokodilklemmen und Leuchtdiode. Zusätzlich: • Potentiometer, 2 kΩ linear. Anzahl: 2. (Siehe Abbildung 1-46.) Große Po- tentiometer, die so aussehen, werden immer seltener eingesetzt, stattdes- sen kommen kleinere Versionen zum Einsatz. Ich möchte aber, dass du eine große Ausführung benutzt, weil man damit einfacher arbeiten kann. • Eine weitere LED • Multimeter Ein Blick ins Potentiometer Als erstes möchte ich, dass du herausfindest, wie ein Potentiometer funktioniert. Das bedeutet, dass du es öffnen musst. Aus diesem Grund waren auf deinem Einkaufszettel auch zwei aufgeführt, falls du das erste nicht wieder zusammen- setzen kannst. Die meisten Potentiometer werden mit kleinen Metallzungen zusammenge- halten. Diese müsstest du mit deinem Seitenschneider oder der Zange greifen können, um sie nach außen zu biegen. Nun sollte sich dein Potentiometer öff- nen lassen, wie in den Abbildungen 1-47 und 1-48 gezeigt. abbildung 1-46 abbildung 1-47 abbildung 1-48. Um das Potentiometer zu öffnen, biege zunächst die vier kleinen Metallzungen nach außen. (In Abbildung 1-47 kannst du sie links und rechts heraus- schauen sehen.) Im Inneren befindet sich eine Drahtspule, die um ein Kunststoffband gewickelt ist, und ein Federkontakt, der den Strom von jeder Position auf der Spule ab- oder dorthin hinleitet, wenn man an der Achse dreht. 18 Kapitel 1
  21. 21. Experiment 4: Die Spannung verändern Je nachdem, ob du ein billiges Potentiometer oder die etwas luxuriösere Ver- sion gekauft hast, siehst du jetzt eine kreisförmige Fläche von leitfähigem Kunststoff oder eine runde Spule aus Draht. Das Prinzip ist aber bei beiden dasselbe. Der Draht oder der Kunststoff hat einen gewissen elektrischen Wi- derstand (in diesem Fall insgesamt 2K). Wenn du die Achse des Potentiome- Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 ters drehst, schleift ein Kontakt über diese Widerstandsfläche. Das Resultat ist eine Verbindung mit jeder beliebigen Stelle auf der Fläche über den mittleren Anschluss. Du kannst das Potentiometer wieder zusammenbauen. Wenn dir das nicht ge- lingt, nimm stattdessen dein Ersatzpotentiometer. Um es zu testen, stelle dein Multimeter auf Widerstandsmessung (Ohm) und berühre das Potentiometer mit den Messspitzen wie in Abbildung 1-49, wäh- rend du die Achse hin und her drehst. Die Leuchtdiode dimmen Bevor du anfängst, drehe dein Potentiometer gegen den Uhrzeigersinn bis an abbildung 1-49. Miss den Widerstand den Anschlag, sonst brennt dir dir LED gleich als erstes durch. (Es gibt eine sehr, zwischen diesen zwei Anschlüssen des Potentiometers und drehe die Achse nach sehr kleine Menge an Potentiometern, bei denen man den Widerstand genau links und nach rechts. anders herum einstellt, aber wenn dein Potentiometer nach dem Öffnen etwa so aussieht wie in Abbildung 1-48, sollte meine Beschreibung stimmen.) Jetzt verbinde alles so wie in den Abbildungen 1-50 und 1-51 gezeigt. Achte darauf, dass das blanke Metall der Krokodilklemmen sich nirgends berührt. Dann drehe das Potentiometer sehr langsam. Du wirst sehen, wie die LED immer heller und heller und heller wird – ups, und auf einmal ganz ausgeht. Merkst du, wie einfach es ist, moderne Elektronikbauteile zu zerstören? Wirf die LED weg. Sie wird nie mehr leuchten. Ersetze sie durch eine neue LED. Dies- mal werden wir vorsichtiger sein. abbildung 1-50. Der Aufbau für Experiment 4. Über die Drehung an der Achse des 2-kΩ- abbildung 1-51. Die LED auf diesem Bild ist Potentiometers wird dessen Widerstand auf einen Wert zwischen 0 und 2000 Ω einge- erloschen, weil ich das Potentiometer ein stellt. Dieser Widerstand schützt die LED vor den vollen 6 Volt der Batterien. wenig zu weit aufgedreht habe. Elektrizität erleben 19
  22. 22. Experiment 4: Die Spannung verändern Um Messungen am Stromkreis, der durch die Batterien gespeist wird, durchzu- führen, stelle zunächst dein Multimeter auf die Messung von Gleichspannung (Volt DC) ein. Berühre nun mit den Messspitzen die beiden Beinchen der LED. Versuche dabei, die Spitzen nicht zu bewegen, während du das Potentiometer ein wenig hin und her drehst. Du solltest beobachten, dass die Spannung um Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 die LED sich dabei entsprechend verändert. Das nennt man Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen der LED. Der gesamte Messvorgang ist in den Abbildungen 1-52 bis 1-54 dargestellt. Wenn du an dieser Stelle eine kleine altmodische Glühbirne anstelle einer LED benutzen würdest, dann wäre diese Potentialdifferenz viel stärker. Eine Glüh- birne verhält sich in diesem Fall wie ein »echter« Widerstand, eine LED dage- gen passt sich selbst etwas an. Sie verändert ihren Widerstand, wenn sich die abbildung 1-52 Spannung verändert. Halte nun die Messspitzen an die zwei Anschlüsse des Potentiometers. So messen wir die Potentialdifferenz, die zwischen beiden vorliegt. Das Poten- tiometer und die LED teilen sich die insgesamt verfügbare Spannung. Wenn also die Potentialdifferenz (der Spannungsabfall) um das Potentiometer steigt, dann sinkt die Potentialdifferenz um die LED und umgekehrt. Siehe dazu Ab- bildungen 1-55 bis 1-57: Worauf du achten solltest: • Wenn man die Spannungsabfälle über den Bausteinen im Schaltkreis ad- diert, ergibt sich genau die Spannung, die von den Batterien geliefert wird. • Spannung wird relativ gemessen, zwischen zwei Punkten in einem Schalt- abbildung 1-53 kreis. • Setze dein Multimeter wie ein Stethoskop an, ohne die Verbindungen im Schaltkreis zu stören oder zu lösen. abbildung 1-54. Bei jedem Multimeter misst man Gleichspannung etwas anders. Beim manuellen Gerät (oben) muss man den Schalter auf »DC« (Gleichstrom) stellen und dann die höchste zu messen- de Spannung einstellen: In diesem Fall ist 20 ausgewählt (da 2 zu wenig wäre). Bei dem Autorange-Messgerät stellt man den Schalter einfach auf »V« und das Multimeter findet den Messbereich selbst heraus. abbildung 1-55. So misst man die Spannung in einem einfachen Stromkreis. 20 Kapitel 1
  23. 23. Experiment 4: Die Spannung verändern Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 abbildung 1-56. Das Multimeter zeigt an, wie viel Spannung abbildung 1-57. Das Multimeter zeigt, wie viel Spannung am Poten- an der LED abfällt. tiometer abfällt. Miss den Stromfluss Jetzt möchte ich, dass du eine andere Messung vornimmst. Ich will, dass du den Stromfluss, d. h. die Stromstärke im Schaltkreis misst. Stelle dazu dein Multimeter auf mA (Milliampere). Wenn du die Stromstärke misst, dann achte auf Folgendes: • Du kannst den Strom nur messen, wenn er durch das Messgerät fließt. • Du musst das Multimeter in den Stromkreis einsetzen. • Eine zu hohe Stromstärke wird die Sicherung in deinem Multimeter durchbrennen. Achte darauf, dass dein Multimeter auf die Messung von mA, nicht Volt, einge- stellt ist, bevor du die Messung beginnst. Bei einigen Multimetern muss man ein Messkabel in eine andere Buchse stecken, um die Stromstärke zu messen, siehe Abbildungen 1-58 bis 1-61. Elektrizität erleben 21
  24. 24. Experiment 4: Die Spannung verändern Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 abbildung 1-58. Bei jedem Multimeter wird abbildung 1-59 abbildung 1-60 die eingebaute Sicherung durchbrennen, wenn du damit eine zu große Stromstär- ke misst. In unserer Schaltung besteht das Risiko nicht, wenn das Potentiometer im mittleren Bereich bleibt. Stelle »mA« (Milliampere) ein und vergiss nicht, dass die angezeigte Zahl ein Tausendstel eines Amperes bedeutet. abbildung 1-61. Bei einem manuellen Multimeter wie diesem hier musst du eventuell den ro- ten Anschluss in eine andere Buchse stecken, um Milliampere zu messen. Bei den meisten modernen Geräten ist das aber nur nötig, wenn du sehr große Stromstärken messen willst. Setze dein Multimeter so in den Schaltkreis ein, wie in Abbildung 1-62 zu se- hen ist. Drehe das Potentiometer nicht mehr als halb auf. Der Widerstand des Potentiometers schützt sowohl das Multimeter als auch die LED. Wenn das Multimeter zu viel Strom abbekommt, musst du sicher später die eingebaute Sicherung auswechseln. Drehe das Potentiometer ein wenig hin und her. Sicher merkst du, dass die Veränderung des Widerstandes im Stromkreis die Stromstärke verändert. Des- halb ist die LED im vorherigen Experiment auch durchgebrannt: Ein zu hoher Strom hat sie erhitzt und dadurch ist im Inneren etwas durchgeschmolzen, genaus so wie bei der Sicherung im Experiment davor. Ein höherer Widerstand begrenzt den Stromfluss, also die Stromstärke. Setze dein Multimeter jetzt an einer anderen Stelle im Schaltkreis ein, wie in Abbildung 1-63 dargestellt ist. Wenn du das Potentiometer hin und her drehst, solltest du genau dieselben Auswirkungen wie in Abbildung 1-62 sehen. Das liegt daran, dass die Stromstärke an allen Punkten im Schaltkreis gleich ist. Das muss so sein, da die fließenden Elektronen nirgendwo anders hin können. 22 Kapitel 1
  25. 25. Experiment 4: Die Spannung verändern Zum Schluss sollten wir das noch einmal in nackten Zahlen ausdrücken. Lege die LED beiseite und setze stattdessen einen 1-kΩ-Widerstand ein, wie in Ab- bildung 1-64 zu sehen ist. Der Gesamtwiderstand im Schaltkreis beträgt nun 1 kΩ plus den Widerstandswert des Potentiometers, den du selbst einstellen kannst. (Das Multimeter hat selbst auch einen Innenwiderstand, der aber so Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 klein ist, dass wir ihn ignorieren können.) abbildung 1-62. Um Ampere zu messen, wie hier und in Abbildung abbildung 1-63 1-63 dargestellt wird, muss der Strom durch das Multimeter fließen. Wenn du den Widerstand erhöhst, begrenzt du die Stromstärke, und dieser geringere Stromfluss lässt die LED weniger hell leuchten. Elektrizität erleben 23
  26. 26. Experiment 4: Die Spannung verändern Dieser Auszug unterliegt dem Urheberrecht. © O’Reilly Verlag 2009 http://www.oreilly.de/catalog/elektronikger/ Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Make: Elektronik", ISBN 978-3-89721-601-3 abbildung 1-64. Wenn du die LED durch einen Widerstand ersetzt, kannst du dich vergewis- sern, dass die Gesamtstromstärke, die im Stromkreis fließt, sich mit dem Gesamtwider- stand im Stromkreis verändert, solange die Spannung gleich bleibt. Wenn du das das Potentiometer ganz bis an den linken Anschlag drehst, dann beträgt der Gesamtwiderstand im Stromkreis 3 Kiloohm. Dein Multimeter soll- te einen Stromfluss von etwa 2 mA anzeigen. Jetzt drehe das Potentiometer bis zur Mittelstellung, das ergibt etwa 2 Kiloohm Gesamtwiderstand. Du soll- test ungefähr 3 mA messen. Drehe das Potentiometer bis an den rechten An- schlag, dann ergibt sich ein Gesamtwiderstand von 1 Kiloohm und du solltest etwa 6 mA messen. Vielleicht fällt dir auf, dass immer 6 herauskommt, wenn wir den Widerstand mit der Stromstärke multiplizieren – und das sind genau die angelegten 6 Volt. Siehe die folgende Tabelle. Gesamtwiderstand Stromstärke Spannung (kΩ) (mA) (V) 3 2 6 2 3 6 1 6 6 24 Kapitel 1

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