Elektrische Grundlagen Teil 3: Transistoren und Motoren

Schaltungen mit Transistoren steuern

Manche Projekte wie die benötigt nur ein sehr simples Programm in der Form WENN - DANN - SONST. Für solche Fälle ist der Arduino eigentlich eine überdimensionierte Lösung - viel einfacher, jedenfalls in Bezug auf die Anzahl der Bauteile, ist die Umsetzung dieser Schaltung mithilfe eines Transistors. Dieser ist (unter anderem) ein elektronischer Schalter, mit dem sich das WENN - DANN - SONST - Verhalten ganz ohne Programm umsetzen lässt.

Frage: Wie verwendet man einen Transistor?

Ein Transistor hat drei Anschlüsse, die als Kollektor (C von engl. collector), Basis (B) und Emitter (E) bezeichnet werden. Wenn man auf die abgeflachte Seite des Transistors schaut, sind die drei Pins in der genannten Reihenfolge angeordnet. Im Folgenden geht es zunächst um deren Grundfunktionen.

Der Transistor

Ein Transistor hat drei Anschlüsse, die als Kollektor (C von engl. collector), Basis (B) und Emitter (E) bezeichnet werden. Wenn man auf die abgeflachte Seite des Transistors schaut, sind die drei Pins in der genannten Reihenfolge angeordnet.

Transistoren dienen als elektronische Schalter oder Verstärker (letzteres wird im Abschnitt zu Motoren genutzt). Als Schalter lassen sie sich nutzen, weil die Strecke vom Kollektor zum Emitter ohne Weiteres nicht leitet. Erst wenn zwischen Basis und Emitter eine Spannung \(U_{BE} \approx 0,6\, V\) anliegt, fließt zwischen Basis und Emitter ein schwacher Strom, der den Transistor mit Elektronen flutet und es dadurch ermöglicht, dass zwischen Kollektor und Emitter ein starker Strom fließen kann.
Die Möglichkeit, mit Transistoren automatisierte Schalter herzustellen und dadurch Programme physikalisch abzubilden, macht Transistoren zur Grundlage von Mikrocontrollern und Computern und damit zu einer der wichtigsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts. Schon auf dem kleinen integrierten Schaltkreis des Arduino, dem ATMEGA328P, sind Millionen von Transistoren verbaut. Wenn ein Digitalpin des Arduino auf HIGH gestellt wird, dann wird intern ein Transistor geschaltet.
Es gibt verschiedene Bauarten für Transistoren. Im hier verwendeten Starter Kit sind zwei npn-Transistoren (Pn2222) vorhanden, was bedeutet, dass darin zwei n-dotierte und eine p-dotierte Schicht in der Mitte verbaut sind. npn-Transistoren müssen mit einer n-Schicht (normalerweise der Emitter) mit GND verbunden sein.

Elektromotor und Diode

Bei vielen Projekten soll sich etwas bewegen - dies lässt sich mit Elektromotoren realisieren. Die Ansteuerung eines Elektromotors erfordert auf der Hardware-Seite ein wenig Vorbereitung, denn aufgrund der hohen Ströme, die Elektromotoren ziehen, sollte man sie nicht direkt an den Digitalpins des Arduino anschließen. Für die Steuerung greift man meistens auf einen Transistor zurück; eine brauchbare Alternative ist aber auch das Relais. Beide Steuerungsmöglichkeiten werden im Folgenden erarbeitet.

Frage: Wie betreibt man einen Elektromotor am Arduino?

Motor und Diode - ein Paar, das zusammen gehört

1. Bei der Verwendung von Elektromotoren benötigt man stets eine Diode, die parallel zum Elektromotor geschaltet wird. Lies im unten folgenden Hintergrundwissen nach, warum dies so ist.
2. Zeichne den unten abgebildeten Schaltplan zwei Mal ab. Zeichne zuerst den Stomfluss ein, wenn der Arduino unter Spannung steht (z. B. weil er per USB-Kabel am Computer angeschlossen ist). Zeichne in der zweiten Schaltung den Stromfluss ein, wenn die Spannung vom Arduino getrennt wird.
3. Erkläre die Funktion der Diode parallel zum E-Motor in eigenen Worten.

Es ist sehr wichtig, dass die Diode richtig, also in Sperrrichtung, eingebaut wird, da sonst der Arduino zerstört werden könnte!

Hintergrundinformationen:

Elektromotor

Ein Elektromotor besteht aus mehreren Spulen und Magneten. Wenn Strom durch die Spulen fließt, baut sich um die Spulen ein Magnetfeld auf, das mit dem Magnetfeld der eingebauten Magneten wechselwirkt (Anziehung/Abstoßung), sodass es zu einer Drehung des Motors kommt. Ein sogenannter Kommutator sorgt dafür, dass der Strom durch die Spulen ständig seine Richtung wechselt, sodass es immer wieder von Neuem zu Anziehung bzw. Abstoßung der Magnetfelder kommt und die Drehung nicht aufhört, solange eine Spannung anliegt.

Wenn keine Spannung mehr am Motor anliegt, wird sich der Motor aufgrund seiner Trägheit immer noch ein wenig weiterdrehen. Durch das Drehen der Spulen im Magnetfeld der eingebauten Permanentmagneten wird vom Motor eine Spannung induziert, die entgegengesetzt zur vorherigen Richtung ist. Dort, wo vorher der Minuspol gewesen ist, wird nun vom Motor ein Pluspol induziert und umgekehrt. Diese “falsch” gerichtete Spannung würde den Arduino zerstören. Aus diesem Grund schaltet man eine Diode parallel zum Motor.

Diode

Eine Diode ist wie ein elektrisches Ventil: Sie lässt den Strom nur in eine Richtung durch. Im Gegensatz zu Leuchtdioden wandeln “normale” Dioden die elektrische Energie in Wärme um. In Durchlassrichtung wird der negative Pol (bzw. GND) mit der Seite verbunden, an der der Ring angebracht ist, und der positive Pol mit der anderen Seite.

Die Diode wird jedoch Sperrrichtung eingebaut, also so, dass der Ring mit 5V und die andere Seite mit GND verbunden ist. Dadurch fließt im Normalbetrieb kein Strom durch die Diode. Wenn jedoch die entgegengerichtete Induktionsspannung des Motors auftritt, kann der dadurch hervorgerufene Strom durch die Diode abfließen, bis die verbleibende elektrische Energie vollständig in Wärme umgewandelt wurde.

Elektromotor mit Transistor steuern

Der 5 V-Pin des Arduino liefert zwar in vielen Fällen genügend Strom für den Motor, jedoch lässt er sich nicht programmieren. Dazu lässt sich ein Transistor einbauen.

Frage: Wie steuert man einen Elektromotor mit einem Transistor am Arduino?

Die unten abgebildete Schaltung zeigt, wie ein npn-Transistor eingebaut werden kann, um den Motor mithilfe von Digitalpin 9 zu schalten. Der Transistor lässt den Strom zwischen Emitter (E) und Kollektor (C) passieren, wenn die Spannung zwischen Basis (B) und Emitter (E) mehr als 0,7 V beträgt, anderenfalls sperrt er. Der Vorwiderstand mit \(R= 330\, \Omega\) sorgt dafür, dass der Basisstrom nicht zu groß wird.

Es ist ratsam, die Basis mit einem PWM-Pin (gekennzeichnet durch \(\sim\)) zu verbinden, da sich dadurch die Geschwindigkeit des Motors steuern lässt.

Schaltung mit externer Spannungsquelle

Wenn der verwendete Elektromotor größer ist und mehr Strom zieht bzw. größere Spannungen benötigt, muss für den Elektromotor eine eigene Spannungsquelle verwendet werden, die genügend Spannung und Strom bieten kann. Der unten abgebildete Schaltplan zeigt, wie der Aufbau dann vorzunehmen ist. Wichtig ist dabei, dass ein gemeinsames GND-Niveau hergestellt wird - vergleichbar einem “Normalnull” für die Höhenangaben, hier allerdings als “Normalnull” für das elektrische Potenzial.

Der Arduino kann über USB oder eine zweite Batterie mit Strom versorgt werden.

Elektromotor mit Relais steuern

Wie oben zu sehen, muss der Arbeitsstromkreis mit dem Motor und der Steuerstromkreis mit dem Arduino bei Verwendung eines Transistors immer miteinander verbunden bleiben - auch bei sehr großen Stromstärken. Damit verbleibt immer eine gewisse Gefahr, dass eine Spannungsspitze auf den Arduino durchschlägt und ihn zerstört. Mit einem Relais lässt sich dieses Risiko vermeiden. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Arbeitsstromkreis auch mit Wechselstrom betrieben werden kann, wenn ein Relais als Schalter genutzt wird.

Frage: Wie verwendet man ein Relais am Arduino?

Ein Relais (siehe unten, grau unterlegt) besteht im Wesentlichen aus einer Spule mit Eisenkern und einem Wechselschalter, an dem eine Feder angebracht ist.

Anschluss eines Relais

a) Wie aus dem obigen Schaltplan ersichtlich wird, hat ein Relais fünf Anschlüsse, die jedoch nicht beschriftet sind. Suche im Internet nach “Datasheet 'Gerätebezeichnung des Relais'” (Bezeichnung vom Relais ablesen) und entnimm dem Datenblatt, welche Anschlüsse zum Steuer- bzw. Arbeitsstromkreis gehören.

Achtung: Auf dem Relais ist angegeben, dass damit bis zu \(250\, V\) Wechselspannung und \(10\, A\) geschaltet werden können. Das sollte man mit solch billigen Bastelmodulen aber niemals machen! Generell gilt: Nur ausgebildete Fachleute sollten mit Spannungen von mehr als 24 V hantieren!

b) Baue die Schaltung entsprechend des unten abgebildeten Schaltplans auf. Nutze dazu das “Power Module” auf dem Steckbrett (Erklärung unten). Probiere die Schaltung des Relais aus, indem du die Stromzufuhr der Spule unterbrichst und wieder herstellst.

c) Ordne in einer Skizze des Relais die Anschlüsse ihrer Bezeichnung (A1, A2, C, NO, NC) zu.

Das “Power Supply Module”

Das Power Supply Module dient zur Spannungsversorgung auf einem Steckbrett. Dazu kann eine Batterie mit \(6,5\, V\) bis \(12\, V\) oder ein USB-Kabel angeschlossen werden. Die Spannung wird auf dem Modul je nach Einstellung der Jumper auf \(5\, V\) oder \(3,3\, V\) heruntergeregelt. Dazu verbindet man mithilfe der Jumper die Anschlüsse 5V und OFF bzw. 3.3 und OFF.
Die Spannung kann entlang der langen äußeren Leisten abgegriffen werden, wenn der Taster neben der Hohlbuchse gedrückt ist. Die Zuordnung zu Pluspol und Minuspol ist auf dem Power Supply Module mit + bzw. - markiert.

Anschluss eines Relais am Arduino

Der Schaltplan oben zeigt, wie man ein Relais mit dem Arduino steuert.

1. Erkläre die Funktion der in Sperrrichtung geschalteten Diode parallel zur Spule des Relais.
2. Erkläre die Funktion des Transistors.
   Hinweis: Der 5V-Pin und der GND-Pin vertragen bis zu \(200\, mA\). Die Digitalpins vertragen dagegen maximal \(40\, mA\); normalerweise sollten \(20\, mA\) nicht überschritten werden (s. Pin Current Limitations).
3. Baue die Schaltung auf und teste sie mit einem Blink-Programm.

Waschmaschinensteuerung

Baue die oben abgebildete Schaltung zur Steuerung eines Elektromotors mit einem Relais am Arduino auf. Achte auf die in Sperrrichtung geschaltete Diode parallel zum Motor.

Schließe dann drei Taster an (mit Widerstand! - vgl. den Abschnitt zu Tastern).

Programmiere nun einen einfachen steuerbaren Waschmaschinenprototypen!

Dieser gibt solange auf dem seriellen Monitor die aktuell gesetzte Waschzeit aus, bis der mittlere Taster gedrückt wurde, was bedeutet, dass der Waschvorgang startet (der Motor dreht sich für die angegebene Zeit). Wenn der linke Taster gedrückt wird, wird die Waschzeit verringert (aber nicht niedriger als eine Sekunde). Wenn der rechte Taster gedrückt wird, wird die Waschzeit vergrößert (aber nicht größer als 30 Sekunden). Nach dem Waschen fragt der Waschmaschinenprototyp wieder nach der Waschzeit.

Relais

Relais sind elektronisch steuerbare Wechselschalter, bei denen Steuerstromkreis und Arbeitsstromkreis komplett voneinander getrennt sind. Im Steuerstromkreis ist eine Spule, die ein Magnetfeld aufbaut, wenn der Strom eingeschaltet wird. Dadurch wird ein Wechselschalter im Arbeitsstromkreis angezogen, sodass er seine Position wechselt und einen anderen Teil des Arbeitsstromkreises anschaltet. Wenn der Strom durch die Spule im Steuerstromkreis abgeschaltet wird, baut sich das Magnetfeld ab und der Wechselschalter im Arbeitsstromkreis wird durch eine Feder zurück in die Standardstellung (NC) gezogen, sodass der erste Teil des Arbeitsstromkreises angeschaltet wird.

Die Anschlüsse der Spule werden in der Regel mit A1 und A2 bezeichnet; die Anschlüsse am Wechselschalter mit NO (normally open), NC (normally closed) und C (common ground) bezeichnet.

Elektromotoren mit einem Motortreiber steuern (inkl. Drehrichtung)

Die Steuerung von Motoren erfordert in den oben beschriebenen Fällen stets mehrere Bauteile und einige Überlegungen zum Aufbau der Schaltung. Außerdem kann dabei nicht die Drehrichtung geändert werden. Integrierte Schaltkreise wie der L293D oder der L298N, auch Motortreiber genannt, vereinfachen den Aufbau der Schaltung für gleich zwei Motoren und ermöglichen zusätzlich die flexible Steuerung der Drehrichtung. Beide basieren auf der Schaltung mit einer H-Brücke bzw. einem Vierquadrantensteller.

Frage: Wie steuert man einen Motor inkl. Drehrichtung mit einem Motortreiber?

Funktionsweise einer H-Brücke

Aufbau einer H-Brücke - der Vierquadrantensteller

Um die Drehrichtung des Motors kontrollieren zu können, braucht man eine spezielle Anordnung von Transistoren, die als H-Brücke oder Vierquadrantensteller bezeichnet wird. Dieser Aufbau befindet sich auch im L293D und im L298N.

1. Die Drehrichtung des Motors hängt davon ab, in welcher Richtung der Strom durch den Motor fließt. Notiere, welche Transistoren / Schalter eingeschaltet und welche Transistoren / Schalter ausgeschaltet sein müssen, damit der Strom von links nach rechts durch den Motor fließt. Notiere danach die Kombination für die Stromrichtung von rechts nach links.
2. Erkläre, wie sich der Motor mithilfe der vier Transistoren bzw. Schalter bremsen lässt.
3. Welche Schaltkombinationen der Transistoren müssen unbedingt vermieden werden?

Hinweis: Die Freilaufdioden dienen dazu, die vom Motor induzierten Ströme abfließen zu lassen.

Da stets zwei Transistoren gemeinsam eingeschaltet werden müssen, könnten diese beim Anschluss an den Arduino über einen gemeinsamen Digitalpin gesteuert werden. Zudem ist es im Allgemeinen sinnvoll, für den Motor und den Arduino verschiedene Spannungsquellen zu verwenden, die über einen gemeinsamen GND-Anschluss geerdet werden, damit die möglicherweise hohen Ströme des Motors den Arduino nicht zerstören.

Bei der oben dargestellten Schaltung muss jedoch immer noch genau darauf geachtet werden, dass nicht versehentlich alle vier Transistoren leitend geschaltet werden. Daher ist die Steuerung mit dem L293D bzw. dem L298N noch ein wenig komplexer - die oben angestellten Überlegungen verdeutlichen aber gut den prinzipiellen Aufbau.

Steuerung mit dem L293D

Der Motortreiber L293D

Der L293D ist ein integrierter Schaltkreis (IC von engl. integrated circuit), das heißt, in das schwarze Gehäuse sind Schaltkreise mit Transistoren, Widerständen, Dioden etc. integriert. Genauer gesagt, enthält der L293D zwei H-Brücken oder Vierquadrantensteller, die sich mit den Pins an beiden Seiten steuern lassen. Bei der Nummerierung der Pins ist darauf zu achten, dass die kleine Kerbe nach oben gehalten wird.

Im Folgenden wird die Belegung der Pins für die linke Seite beschrieben (vgl. Abbildung unten). Die Belegung auf der rechten Seite verläuft analog.

Der Motor wird an Pin 3 und 6 (Out1 und Out2) angeschlossen. Der jeweilige Zustand der Out-Pins kann über Pin 2 und 7 (In1 und In2) geregelt werden. Wenn an In1 der Zustand HIGH und an In2 LOW anliegt, wird das auf Out1 und Out2 übertragen, sodass durch den Motor ein Strom fließen kann. Diese Übertragung wird jedoch durch Pin 1 (En1,2 für enable pin 1, 2) gesteuert. Wenn an En1,2 HIGH anliegt, wird die Input-Konfiguration übertragen, bei LOW nicht. Durch ein PWM-Signal an En1,2 kann die Leistung des Motors entsprechend gedrosselt werden.

Die vier GND-Anschlüsse dienen zur Stromversorgung und zur Wärmeableitung, falls hohe Ströme auftreten. An Vmotor wird der Pluspol der Versorgungsspannung für den Motor angeschlossen; an Vcc der Logik-Pegel von 5V für die Schaltung des IC.

Betrieb des L293D

1. Baue die oben beschriebene Schaltung auf. Nutze dazu das Power Supply Module (siehe oben).
2. Experimentiere mit verschiedenen Input-Konfigurationen und PWM-Werten für den En1,2-Pin.

3. Halte die Wirkung auf den Motor tabellarisch fest. Hier genügt es, wenn für den En1,2-Pin nur zwischen ein / 255 und aus / 0 unterschieden wird.

   In1	In 2	En1,2	Wirkung
   1	0	255	…

Steuerung mit dem L298N

Der Motortreiber L298N

Das Motortreibermodul L298N ist ein beliebtes Bauteil, weil es den Anschluss von Motoren sehr einfach macht und weil es zudem über einen Spannungsregler verfügt, den man in einigen Fällen für die Stromversorgung von weiteren Bauteilen verwenden kann. Der Motortreiber-IC ist an ein Kühlelement geschraubt, um die entstehende Wärme abzuleiten. In dem schwarzen Kasten sind zwei H-Brücken bzw. Vierquadrantensteller verbaut, sodass sich die Motoren in beide Richtungen drehen lassen.

Zur Motorsteuerung
Ein Motor wird an Out1und Out2 angeschlossen. Der jeweilige Zustand der Out-Pins kann über die Pins In1 und In2 geregelt werden. Wenn an In1 der Zustand LOW und an In2 der Zustand HIGH anliegt, wird dies auf Out1 bzw. Out2 übertragen, sodass durch den Motor ein Strom fließen kann und er sich vorwärts dreht. Diese Übertragung wird jedoch durch den Pin En1,2 (für Enable 1, 2) gesteuert. Wenn an En1,2 HIGH anliegt, wird die Input-Konfiguration übertragen, bei LOW nicht. Durch ein PWM-Signal an En1,2 kann die Leistung des Motors entsprechend gedrosselt werden.

Die Steuerung des Motors an Out3 und Out4 erfolgt analog über In3 und In4, deren Konfiguration übertragen wird, wenn En3,4 auf HIGH steht.

Hinweis: Durch den Jumper auf dem En1,2-Pin wird dieser mit dem 5V-Potential (HIGH) verbunden, sodass die Input-Konfiguration immer direkt übertragen wird. Dann ist aber kein PWM-Signal mehr möglich, weshalb die Jumper in der Anleitung oben entfernt werden. Stattdessen werden die En1,2-Pins mit einem PWM-Pin des Arduino verbunden.

Zur Spannungsversorgung
Am Vin-Pin muss der Pluspol einer Batterie mit 7V bis 12V angeschlossen werden. Der Minuspol muss mit GND verbunden werden. Diese Spannung wird vom Spannungsregler auf ein stabiles 5V-Potential heruntergeregelt, welches für die Schaltlogik benötigt wird. Über den 5V-Pin (in Kombination mit dem GND-Pin) kann dieses Potential auch für weitere Bauteile genutzt werden. In dieser Anleitung geschieht dies jedoch nicht, weil die Stromstärke der Batterie dann nicht mehr ausreicht, um eine stabile Spannungsversorgung für alle Bauteile zu gewährleisten.

Betrieb des L298N

1. Baue die oben beschriebene Schaltung auf. Nutze als Spannungsquelle eine 9V-Batterie an VIN und GND des L298N.
2. Experimentiere mit verschiedenen Input-Konfigurationen und PWM-Werten für den En1,2-Pin.

3. Halte die Wirkung auf den Motor tabellarisch fest. Hier genügt es, wenn für den En1,2-Pin nur zwischen ein / 255 und aus / 0 unterschieden wird.

   In1	In 2	En1,2	Wirkung
   1	0	255	…

Einfachere Steuerung mit Funktionen

In der folgenden Abbildung ist festgehalten, wie sich die Motorsteuerung in eine Funktion auslagern lässt, um das Programm aussagekräftiger und kürzer zu machen, wenn die gleichen Blöcke immer wieder genutzt werden.

1. Implementiere das abgebildete Programm selbst und erkläre den Ablauf. Gehe auch darauf ein, welche Werte für die Leistung übergeben werden dürfen.
2. Passe die Funktion ggf. an, sodass sich dein Motor ebenfalls vorwärts dreht, wenn die Funktion ausgeführt wird (je nach Verkabelung kann es sein, dass dies bereits der Fall ist).
3. Implementiere selbst die folgenden Funktionen:
   • stoppe: Hält den Motor an.
   • dreheRueckwaertsMitLeistung ( leistung ): Dreht den Motor rückwärts mit der angegebenen Leistung.
   • dreheVorwaertsMitLeistungInProzent ( leistung ): Dreht den Motor vorwärts, wobei eine Leistung von 100 die höchstmögliche Geschwindigkeit bedeutet und eine Leistung von 0 einen Stopp bedeutet.