Night Jule Thief

Angetan von dem Colour-Changing-Jule-Thief wollte ich ebenfalls einen solchen Jule-Thief in der Hand halten. Das ganze kann man aus Amerika bestellen, kostet aber dafür irre viel Porto. Die Schaltung selbst benötigt nur wenige Komponenten, die Induktionsspule in der passenden Größe zu finden, ist eher die größte Herausforderung in diesem Projekt.

Nachgebaut kann man die Schaltung schnell. Man sollte nur nicht die LED WÄHREND des Betriebs auswechseln. In einem solchen Fall wird der Kondensator schnell mit ein paar Volt mehr geladen, die beim Anschluss der LED einen kleinen Lichtbogen zwischen den Kontakten veranlassen und die Störung der LED verkünden. Ohne dieses Wissen gerät man schnell in Verwunderung, warum jetzt alle LEDs kaputt sind, die man der Reihe nach ausgetauscht hat, weil keine von ihnen leuchten wollte. Daher immer alles ausschalten und den Kondensator durch Kurzschluss oder durch Widerstand auf 0 Potenzial bringen.

Ok, auf dem Steckbrett funktioniert alles sehr gut. Da Steckbrett und Kabelsalat auf Dauer nicht gerade schön sind und weniger als Give-Aways geeignet sind, sollte es schon eine kleine Platine sein. Man kann sogar die schönen Batterie-Clips im Conrad finden. Nach einigen Stunden Online-Recherche hatte ich alle notwendigen Teile aus dem Conrad oder Reichelt-Shop zusammen. Jetzt fehlte nur noch die passende Platine.

Platine

Die Platine ist die aufwendigste Sache auf diesem Planeten. Zunächst muss man sich über das Tool Gedanken machen. Denn alle verbauten Komponenten müssen vom Layout-Tool (Eagle, DesignSpark oder Fritzing) unterstützt werden. Ist das einmal geschafft, so muss man seinen Entwurf an den PCB-Hersteller seines Vertrauens übertragen. Dort beginnt eine nervige Rechnerei über die Produktionskosten. Größe, Anzahl Layers, Lötstoplack, Silk-Screen (oben/unten) usw...viele Optionen müssen gut überlegt sein, damit der Preis überschaubar bleibt. Mit den gewählten Optionen lag ich in der Regel bei 50 € für einen Prototypen. Das ist doch zuviel für 5cm Länge und 2cm Breite.

Letztendlich entschied ich mich für Fritzing. Das Ergebnis war bis jetzt immer tadellos. Da kann man nicht meckern. Auch der Preis ist okay: Zweilagig, Lötstoplack, Silk-Screen. Nur man muss die Fritzing-Software verwenden und die ist noch in der Entwicklung. Ich würde mich freuen, wenn man einfach Gerber-Dateien hoch laden könnte, dann wäre man nicht an dieses Tool gebunden. Die Software hat noch einige Probleme. Ab einer bestimmten Größe an Daten wird sie langsam. Copy & Paste von mehrere Elementen endet in der Regel in einem unbestimmten Zustand. Der Part-Editor ist eine Sache für sich.

Nach zwei Tagen Analyse, Forschung und Experimenten hatte ich endlich drei SVG-Dateien zusammen, so dass ich ein Layout für die Batterie-Clip (AA-Batterien) aufweisen konnte, das von Fritzing akzeptiert und korrekt dargestellt wird. Mannomann irgendwie übermäßig kompliziert die Bearbeitung von neuen Teilen. Aber es blieb mir nichts anderes übrig.

Nach einigen Tagen erhielt ich die Platine zugeschickt. So gleich lötete ich alle Bauteile zusammen, steckte die Batterie in die Klemmen, machte das Licht aus und es blieb dunkel...Mmm...MIST!

Komisch, merkwürdig, kann-doch-nicht-sein...Ich checke die Kontakte und stellte dann fest, dass ich alle Transistoren falsch herum eingelötet hatte. Hier narrte mich die Software wieder einmal. Der Transistor-Aufdruck passt nicht zu meinen Transistoren BC548 und BC558! Die Seiten sind verkehrt. D.h. flache und bauchige Seite müssen gespiegelt werden. Es gibt andere Transistoren wie z.B. den 2N3904, bei dem trifft dies zu. Ok! Die Designer der Transistoren-Teile für Fritzing verwenden scheinbar nur solche Transistoren. Alle Transistoren ausgelötet und neue rein. Wiederholung der letzten Schritte und die Rainbow-LED leuchtet...Hurra...Der Prototyp funktioniert.

Und jetzt?

Ich hatte mehrere Tage Arbeit. Design der Platine, Beschaffung der Bauteile und natürlich das Löten. Die Kosten summiere ich lieber nicht. Bei der Beschaffung der Bauteile gab es natürlich noch andere interessante Bauteile, die ich gleich mit bestellte. Die Einstellpotentionmeter musste ich noch mal kaufen. Es waren nur 250 Ohm Widerstände und nicht 50k. Einige Teile bekam ich bei Reichelt und einige bei Conrad. Jedes Mal musste ich Porto und Verpackung bezahlen. Zu dem war ich noch in Dortmund bei Conrad Vorort. Dann habe ich einige der Rainbow-LEDs und andere LEDs reihenweise beim Wechseln im laufenden Betrieb getötet.

Jetzt gehe ich in die Produktion und stelle 20 Bausätze her, die ich dann als Geschenke verteile. Der Prototyp geht schon nach zwei Tagen raus...ich hoffe, der neue Besitzer ist es würdig!!!

Hochohmig

Oder niederohmig? In den bekannten Ressourcen der Elektronik ist immer wieder die Rede von hochohmig, niederohmig, hohe Ausgangsspannung, niedrige Ausgangsspannung etc...Doch kaum jemand erklärt, warum dies so wichtig ist. Ja, warum?

Der Hintergrund ist, dass die Elektronik in der Regel eine Sammlung von Standardschaltungen ist, die miteinander verbunden werden. IC-Bausteine verbergen ihre Schaltung. Schaltung basieren auf grundlegende Elemente wie Widerstand, Diode, Kondensator, Spule und Transistor. Die diskreten Bauelemente.

Doch wie verbindet man nun die Grundschaltungen miteinander, ohne jedesmal einen genauen Plan zu liefern? Man reduziert die Eingänge und Ausgänge auf einen bestimmten Wert oder Variable, wodurch relativ schnell klar wird, was man nun genau anschließen kann. Das geht mit dem Widerstand am besten.

Beispiel

Betrachten wir einen Spannungsteiler mit dem Verhältnis von 0,5. Z.B. nehmen wir 10k Widerstände und teilen damit einen Gesamtspannung von 10V auf 5V auf. Diese 5V sind unser Ausgang. Den Rest verstecken wir in einer Blackbox. Keiner weiss nun, dass wir nur zwei Widerstände in Reihe geschaltet haben. So weit so gut. Angenommen wir schalten nun einen Verbraucher an unseren Ausgang. Wir nehmen ebenfalls einen 10k Widerstand als Verbraucher. Wir schließen diesen Widerstand zwischen Masse und 5V Ausgang an und damit erhalten wir eine Parallelschaltung von zwei 10k Widerständen. Oh! Aber was passiert nun mit der Reihenschaltung? Die wird sich nun ändern. Der resultierende Widerstand ist nicht mehr 10K sondern nur noch 5k, wodurch das Verhältnis von 0,5 auf 0,3 reduziert wird. D.h. der Ausgang liefert nicht mehr 5V sondern nur noch 3,33V. Von Außen betrachtet, sieht es so aus, als würde die Spannung einbrechen. Nehmen wir einen größeren Widerstand als Lastwiderstand, sagen wir das 10fache, also 100k, dann können wir einen Gesamtwiderstand von 9,09090909090909K feststellen, wodurch das Verhältnis von ca 0,5 bestehen bleibt.

Damit der Anwender unserer Box das weiss, fügen wir zur Beschreibung unserer Box einen Wert hinzu: Der Ausgang ist hochohmig. Will man diesen als Stromquelle verwenden, d.h. schließt man einen kleinen Widerstand an, dann ändert sich aufgrund der Parallelschaltung der Geamtwiderstand und dadurch das Spannungsverhältnis der Reihenschaltung. Die Spannung bricht praktisch zusammen. Das Ding kann einfach keinen Strom liefern. Will man einen hochohmigen Ausgang mit einem niederohmigen Eingang verbinden, dann ist das nicht gut! Es wird nicht funktionieren. Man muss daher den Ausgang zuvor niederohmig machen, damit der neue Ausgang den Strom liefern kann, ohne dass die Spannung zusammenbricht. Dazu schaut man sich nun die Standardschaltungen an und liest die Eigenschaften dazu. Die Kollektorschaltung des Transistor bietet sich dafür an. Die Kollektorschaltung hat einen hohen Eingangswiderstand und einen niedrigen Ausgangswiderstand. Man kann auch einen Impedanzwandler mit Operationsverstärkern nehmen. Diese haben einen sehr hohen Eingangswiderstand und einen niedrigen Ausgangswiderstand.

Generell sagt man, dass Ausgangs- und Eingangswiderstand um das 10fache unterscheiden sollen. In der Parallelschaltung zweier Widerstände gewinnt der kleine Widerstand. Unterscheiden die sich um das 10 fache, wird das Verhältnis kaum verändert. D.h. der Einganswiderstand sollte 10x höher sein als der Ausgangswiderstand. Dann ist alles gut.

Operationsverstärker

Rail to Rail

Will man etwas über die Operationsverstärker erfahren, benötigt man früher oder später negative Spannung, also -V! So ein OpAmp benötigt eine Versorgungsspannung von +V und -V, damit negative Spannung ebenfalls verstärkt werden. In der Regel hat man eine "single rail" Versorgung in Form einer Batterie. In diesem Fall benötigt man einen virtuellen Bezugspunkt (virtual ground), den man zum Nullpunkt definiert. Man teilt also die vorhandene Spannung in zwei Bereiche und der Mittelpunkt ist dann der virtuelle Massebezugspunkt. Mit dieser Lösung erhält man seine beiden Bereiche, wobei die Spannung halbiert wird.

Es gibt natürlich auch Basisschaltungen, die auch mit Ground an -V leben können. Aber für das eigene Studium möchte man natürlich alle Grundschaltungen kennenlernen, daher benötigt man auch die notwendigen Spannungen. Und an dieser Stelle befinde ich mich gerade und habe dazu etwas im Netz recherchiert.

Achtung: Man spricht deutsch!

Die meisten deutschen Elektronikerseiten und die meisten Foren nerven!!! Die Arroganz und Unfreundlichkeit in den Foren scheinen eine Art Qualitätsmerkmal zu sein. Es besteht das Gefühl, als würde die feinen Herren Elektroniker lieber unter sich bleiben. Ohne abgeschlossenes Studium und die Erfahrung der letzten 30 Jahre erntet man nur Verachtung und Spott. Dafür sind die Leute jenseits von gutem HTML-Design und lieben die Foren mit animierten Gif-Bildern zu schmücken und erfreuen sich, Signaturen unter jedem ihrer Schmähveröffentlichen zu plazieren. Es gibt einige Ausnahmen, aber die sind sehr rar. Der Open-Source-Gedanke ist ihnen fremd. Wer also wirklich Antworten sucht und nicht belehrt werden möchte, der muss sich den amerikanischen Seiten zuwenden. Die Amerikaner sind wesentlich freundlicher und auskunftsfreudiger. Es gibt viele Seiten, in denen Aufbau und Funktionsweise deutlich erklärt wird. Hier ein Beispiel schöne, freundliche und nützliche Seiten:

• http://adafruit.com
• http://www.sparkfun.com
• http://www.instructables.com

Vergesst also die tollen deutschen Elektroniker.

Rail splitting

Einen recht guten Artikel dazu findet man hier: http://tangentsoft.net/elec/vgrounds.html. Im Grunde kann man einen solchen Bezugspunkt mit zwei Batterien schaffen. Aber in der Regel hat man nur eine Spannungsquelle. Die nächste Idee, die sich dazu ergibt, ist einen Spannungsteiler im Verhältnis 0,5.

Doch hier muss man die nachfolgende Schaltung beachten. Einige Schaltungen verwenden einen Spannungsteiler gefolgt von einer Gegentaktendstufe (bzw. push-pull current applifier) in diversen Variationen. Letztendlich hängt es davon ab, wie viel Strom die Schaltung benötigt. Anstelle einer Gegentaktendstufe kann man auch einen Impedanzwandler verwendet. Es gibt auch Präzisionsspannungsteiler (0,0035%), die anstelle der beiden Widerstände verwendet werden kann. Ich werde demnächst zwei oder drei Varianten vorstellen.