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Elektronik-Grundlagen

Das Wichtigste für deine Projekte

Modul 5
Spannung
Strom
Widerstand
PWM
1
Basics

Die drei Grundgrößen

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Spannung (U)

Einheit: Volt (V)

Der "Druck" der Elektronen. Wie der Wasserdruck in einer Leitung.

Arduino Uno: 5V

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Strom (I)

Einheit: Ampere (A)

Die "Menge" der fließenden Elektronen pro Zeit.

Typisch: mA (Milliampere)

🚧

Widerstand (R)

Einheit: Ohm (Ω)

Der "Engpass" der den Stromfluss begrenzt.

Typisch: 220Ω, 10kΩ

🌊 Die Wasser-Analogie

Stell dir einen Gartenschlauch vor: Die Spannung ist der Wasserdruck, der Strom ist die Wassermenge pro Sekunde, und der Widerstand ist wie ein Knick im Schlauch.

Das Ohmsche Gesetz

Die wichtigste Formel der Elektronik

U = R × I

Spannung berechnen

U = R × I

Beispiel: 220Ω × 0.02A = 4.4V

Strom berechnen

I = U / R

Beispiel: 5V / 220Ω = 22.7mA

Widerstand berechnen

R = U / I

Beispiel: 5V / 0.02A = 250Ω

💡 Merkhilfe: URI

Denke an "URI" - Spannung (U) = Widerstand (R) mal Strom (I)

2
Praxis

LED-Vorwiderstand berechnen

Warum ein Widerstand?

Eine LED braucht einen bestimmten Strom (typisch 20mA). Ohne Widerstand würde zu viel Strom fließen und die LED zerstören!

Die Formel

R = (Usupply - ULED) / ILED

Typische LED-Spannungen

  • Rot: ~2.0V
  • Gelb: ~2.1V
  • Grün: ~2.2V
  • Blau/Weiß: ~3.2V

Beispielrechnung (Arduino Uno)

Gegeben:

  • Versorgung: 5V
  • Rote LED: 2.0V
  • Gewünschter Strom: 20mA

Rechnung:

R = (5V - 2.0V) / 0.02A

R = 3V / 0.02A

R = 150Ω

Ergebnis:

Nächster Normwert: 150Ω oder 220Ω

(Größer ist sicher, LED leuchtet nur etwas dunkler)

3
Hardware

Das Breadboard

Aufbau verstehen

  • Stromschienen (+ und -) verlaufen längs am Rand
  • Steckfelder in der Mitte sind quer verbunden (5er-Gruppen)
  • Mittelsteg trennt die beiden Hälften

Regeln

  • Komponenten über den Mittelsteg setzen
  • Kurze Verbindungen bevorzugen
  • Farbcode: Rot = +5V, Schwarz = GND

Verbindungen im Breadboard

  + - - - - - - - - - - - +
  |                       | ← Stromschiene (+5V)
  + - - - - - - - - - - - +
  |                       | ← Stromschiene (GND)
  + - - - - - - - - - - - +

  A B C D E   F G H I J
  ═════════   ═════════
  │ │ │ │ │   │ │ │ │ │ ← Reihe 1
  │ │ │ │ │   │ │ │ │ │ ← Reihe 2
  │ │ │ │ │   │ │ │ │ │ ← Reihe 3
  ...         ...

  ↑ Diese 5 Löcher sind verbunden
4
Signale

Digital vs. Analog

Digital

Nur zwei Zustände:

  • HIGH (1) = 5V
  • LOW (0) = 0V

Beispiele:

  • LED an/aus
  • Taster gedrückt/nicht gedrückt
  • Relais schalten
pinMode(7, OUTPUT);
digitalWrite(7, HIGH); // AN
digitalWrite(7, LOW);  // AUS

Analog

Kontinuierlicher Wertebereich:

  • 0V bis 5V stufenlos
  • ADC wandelt in Zahl (0-1023)

Beispiele:

  • Potentiometer-Position
  • Lichtsensor (LDR)
  • Temperatur (NTC)
int wert = analogRead(A0);
// Gibt 0-1023 zurück
// 0 = 0V, 1023 = 5V
5
Signale

PWM - Pseudo-Analog

Pulse Width Modulation

Wie funktioniert PWM?

Ein digitales Signal (0 oder 1) wird sehr schnell ein- und ausgeschaltet. Der Duty Cycle bestimmt, wie lange es "an" ist.

  • 0% Duty (0): Immer aus
  • 50% Duty (127): Halb an, halb aus
  • 100% Duty (255): Immer an

Anwendungen

  • LED dimmen
  • Motor-Geschwindigkeit
  • Servo-Position
  • Töne erzeugen

PWM in Arduino C++

// PWM nur auf Pins mit ~
// D3, D5, D6, D9, D10, D11

const int LED = 9; // PWM-Pin

void setup() {
  pinMode(LED, OUTPUT);
}

void loop() {
  // LED von dunkel nach hell
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    analogWrite(LED, i);
    delay(10);
  }
}

analogWrite(pin, 0-255) - 8-bit PWM

6
Schaltung

Der Spannungsteiler

Was ist das?

Zwei Widerstände in Reihe teilen eine Spannung. Die Ausgangsspannung hängt vom Verhältnis der Widerstände ab.

Uout = Uin × R2 / (R1 + R2)

Anwendungen

  • LDR-Schaltung - Licht messen
  • NTC-Sensor - Temperatur messen
  • Level-Shifting - 5V → 3.3V

Schaltplan

     5V
       │
      [R1]  ← Widerstand 1
       │
       ├──────► A0 (Messung)
       │
      [R2]  ← Widerstand 2
       │
      GND

Beispiel: LDR

R1 = LDR (variabel, z.B. 1kΩ-100kΩ)

R2 = 10kΩ (fest)

Bei viel Licht: LDR klein → Uout hoch

Bei wenig Licht: LDR groß → Uout niedrig

7
Schaltung

Pull-up und Pull-down Widerstände

Pull-up (HIGH wenn offen)

   5V
     │
    [R]  ← Pull-up (10kΩ)
     │
     ├──► Pin 7 (liest HIGH)
     │
    [/]  ← Taster
     │
    GND

Taster offen: Pin = HIGH (5V)

Taster gedrückt: Pin = LOW (0V)

Pull-down (LOW wenn offen)

   5V
     │
    [/]  ← Taster
     │
     ├──► Pin 7 (liest LOW)
     │
    [R]  ← Pull-down (10kΩ)
     │
    GND

Taster offen: Pin = LOW (0V)

Taster gedrückt: Pin = HIGH (5V)

💡 Arduino hat interne Pull-ups!

// Interner Pull-up (kein externer Widerstand nötig!)
pinMode(7, INPUT_PULLUP);

// Taster lesen (LOW = gedrückt bei Pull-up!)
if (digitalRead(7) == LOW) {
  // Taster wurde gedrückt
}

Wichtige Werte zum Merken

Schnellreferenz für deine Arduino-Projekte

Spannungen

  • Arduino Uno GPIO: 5V
  • Arduino Uno 3.3V Pin: 3.3V
  • Rote LED: ~2.0V
  • Blaue/Weiße LED: ~3.2V

Ströme

  • Standard-LED: 20mA
  • GPIO max (Arduino): 40mA
  • Gesamt max (5V): 200mA
  • Servo: 100-500mA

Widerstände

  • LED-Vorwiderstand: 220Ω
  • Pull-up/Pull-down: 10kΩ
  • Spannungsteiler: 10kΩ

ADC / PWM

  • analogRead(): 0-1023 (10-bit)
  • analogWrite(): 0-255 (8-bit)
  • ADC Eingang: 0-5V
  • PWM Pins: D3,D5,D6,D9,D10,D11
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Grundlagen gemeistert!

Du bist bereit für die Praxis

✅

Ohmsches Gesetz

U = R × I verstanden

✅

Digital & Analog

Signaltypen unterscheiden

✅

PWM

LEDs dimmen, Servos steuern

Jetzt geht's los!

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