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guide:itt11:elektro_grundlagen_fuer_micocontrollertechnik [2023/01/10 10:55] – [Zusätzliche und alternative Materialien] dennisbuschguide:itt11:elektro_grundlagen_fuer_micocontrollertechnik [2023/01/11 23:10] (aktuell) – juergenhaas
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 Dieser Abschnitt ist Voraussetzung für die praktische Arbeit mit den Microcontrollern. Dieser Abschnitt ist Voraussetzung für die praktische Arbeit mit den Microcontrollern.
  
-===== Grundgrößen =====+===== Empfohlene Lernstrategie =====
  
-Für ein Grundverständnis der Elektrotechnik ist es notwendig, dass du die 4 elektrischen Grundgrößen Spannung, Widerstand, Stromstärke und Leistung kennst: +  - Frische deine Kenntnisse zu den 4 elektrischen Grundgrößen Spannung, Widerstand, Stromstärke und Leistung wieder auf. [[:elektro_grundlagen_fuer_micocontrollertechnik|Elektro-Grundlagen für Microcontrollertechnik#grundgroessen|Grundgrößen]] 
- +  - Rufe dir in Erinnerung, dass Stromfluss stets mit Wärmeentwicklung einhergeht und dass dies schädliche Folgen haben kann. [[:elektro_grundlagen_fuer_micocontrollertechnik#zusammenhaenge|Stromstärke und Wärmeentwicklung]] 
-{{ :guide:itt11:ohmsches_dreieck.png?direct&360|}} +  - Informiere dich darüber, wie sich elektrische Leistung und Stromaufnahme auf die Dimensionierung der Stromversorgung auswirken. [[:elektro_grundlagen_fuer_micocontrollertechnik#zusammenhaenge|Leistung und Stromverbrauch]]
-^  Größe  ^  Formelzeichen  ^  Einheit  ^  Abkürzung  ^ +
-|  Spannung  |  U  |  Volt  |  V  | +
-|  Widerstand  |  R  |  Ohm  |  Ω  | +
-|  Stromstärke  |  I  |  Ampere  |  A  | +
-|  Leistung  |  P  |  Watt  |  W  | +
- +
-==== Spannung, Widerstand und Stromstärke ==== +
- +
-Die Größen Spannung, Widerstand und Stromstärke sind dir bestimmt wegen des Ohm'schen Gesetzes (U = R * I) bekannt. Dieses besagt, dass Stromstärke, Spannung und Widerstand in einem Stromkreis voneinander abhängen. Zum Beispiel bestimmen die Spannung und der Wert eines Widerstandes, mit welcher Stärke der Strom fließt. Das oben abgebildete Ohm'sche Dreieck hilft dir dabei, die Formel bei Bedarf umzustellen. Decke einfach die Größe ab, die du berechnen möchtest. Die verbleibenden beiden Formelzeichen geben die Lösung an. +
-  * Spannung bestimmen: U abdecken, übrig bleibt R * I +
-  * Widerstand bestimmen: R abdecken, übrig bleibt U / I +
-  * Stromstärke bestimmen: I abdecken, übrig bleibt U / R +
- +
-==== Leistung ==== +
- +
-Die Leistung berechnet man mit dem Produkt aus Spannung mal Stromstärke. Wenn bei einer Spannung von 1 Volt der Strom mit einer Stärke von 1 Ampere fließt, dann entspricht das einer Leistung von 1 Watt. Die gleiche Leistung kann bei hoher Spannung und niedriger Stromstärke oder auch niedriger Spannung und hoher Stromstärke geliefert werden. +
- +
-  * 100 V * 2 A = 200 W +
-  * 2 V * 100 A = 200 W +
- +
-Ein Begriff, den du im Zusammenhang mit elektrischer Leistung bestimmt schon gehört hast, ist die **Wattstunde** oder **Kilowattstunde**. Damit wird angegeben, welche Menge an elektrischer Leistung verbraucht wurde. Nehmen wir an, du hast einen elektrischen Verbraucher, der genau 1.000 W Leistung aufnimmt. Wenn du diesen eine Stunde laufen lässt, hast du eine Kilowattstunde verbraucht. Wenn du 10 dieser Verbraucher laufen lässt, allerdings nur 6 Minuten lang, hast du ebenfalls eine Kilowattstunde verbraucht. +
- +
- +
-===== Zusammenhänge ===== +
- +
-In der Microcontrollertechnik sind verschiedene Aspekte von Bedeutung, die mit den obigen Größen zusammenhängen. +
- +
-==== Stromstärke und Wärmeentwicklung ==== +
-Je mehr Strom durch einen Leiter fließt, umso heißer wird dieser. Bei einer Glühbirne war das erwünscht, damit durch den heißen glühenden Draht Licht entsteht. In einem elektronischen Schaltkreis möchte man das selbstverständlich nicht, sonst geht dieser kaputt. Meist können elektronische Schaltkreise nur wenige Milliampere verkraften, bevor sie durchbrennen. +
- +
-Weil bei Microcontrollern meist mit einer vorgegebenen Spannung (z. B. 3,3V oder 5V) gearbeitet wird, muss stets darauf geachtet werden, dass der Widerstand des Stromkreises so hoch ist, dass die Stromstärke klein bleibt. +
- +
-=== Rechenbeispiel === +
- +
-<code > +
-Mit einem 5V-Anschluss eines Microcontroller-Boards soll ein Relais geschaltet werden. Über den Anschluss dürfen maximal 20 mA Strom fließen. +
-Es muss deshalb mit Hilfe eines zusätzlichen Widerstandes dafür gesorgt werden, dass nicht zu viel Strom fließt. +
- +
-Mit Hilfe der Formel R = U / I kann man berechnen, wie groß der Widerstand sein muss: +
-R = 5 V / 0,02 A +
-R = 250 Ω +
- +
-Es muss ein Widerstand mit eingebaut werden, der einen Wert von mindestens 250 Ohm hat. +
-</code> +
- +
-==== Leistung und Stromverbrauch ==== +
-Microcontroller werden häufig mit Batterien oder Akkus betrieben, welche ggf. mit Solarzellen aufgeladen werden. Das bedeutet, dass nur eine begrenzte Menge an elektrischer Leistung zur Verfügung steht. Um die Stromversorgung geeignet dimensionieren zu können, müssen Berechnungen angestellt werden. +
- +
-=== Rechenbeispiel === +
- +
-Ein Microcontroller wird mit 5 V Spannung betrieben. Dabei fließt ein Strom von 200mA. Wie viel Kapazität muss ein Akku haben, damit eine Betriebsdauer von 48 Stunden gewährleistet ist? +
- +
-<code> +
-Leistungsaufnahme des Microcontrollers in Watt +
-5 V * 0,2 A = 1 W +
- +
-Kapazität des Akkus +
-1 W * 48 h = 48 Wh +
-</code> +
- +
-Der Akku muss mindestens 48 Wh (Wattstunden) groß sein. +
- +
-Oft wird die Kapazität eines Akkus nicht in Wattstunden sondern in Amperestunden angegeben. In diesem Fall muss man dann umrechnen und ggf. Spannungsunterschiede beachten. +
- +
-<code> +
-1.) +
-Ein 5V-Akku, an dem man den Microcontroller direkt anschließen kann: +
- +
-48 Wh / 5 V = 9,6 Ah +
- +
-Der Akku muss mindestens 9,6 Amperestunden enthalten. +
- +
- +
-2.) +
-Eine 12V-Autobatterie (Verluste bei der Spannungswandlung auf 5V werden nicht berücksichtigt) +
- +
-48 Wh / 12 V = 4 Ah +
- +
-Die Autobatterie muss mindestens 4 Amperestunden enthalten. +
-</code> +
- +
-Dabei ist zu bemerken, dass durch die höhere Spannung weniger Stromstärke von der Batterie fließen muss um die gleiche Leistung bereitzustellen wie am 5V-Akku. Dadurch darf der Wert für Amperestunden kleiner sein.+