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Elektronik: Labornetzteil – Stromversorgung bei elektronischen Arbeiten

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Labornetzteile - www.michael-floessel.deBauen, löten, messen und experimentieren. Im Modellbau und in der Elektronik ist man eigentlich ständig irgendetwas am Fertigen, dass es vorher noch nicht gab. Oder man repariert Dinge, die einfach ihre Aufgabe nicht mehr erfüllen. In sehr vielen Fällen ist dazu eine Stromversorgung notwendig. Kann man sich bei kleinen Basteleien noch mit einer Batterie oder einem alten Eisenbahntrafo behelfen, wird der Anspruch bei größeren und auch teureren Projekten aber ansteigen.

 

Wenn man Monate Zeit und vielleicht eine nennenswerte Menge Geld in ein kleines Bauprojekt investiert hat, sollte man nicht riskieren dieses gleich zu ruinieren, weil vielleicht ein alter Trafo ohne Spannungsanzeige falsch eingestellt war. Oft werden auch gerne mal gar nicht vorhandene Fehler repariert, letztendlich hat eine Schaltung aber nur deshalb nicht funktioniert, weil die Batterien leer waren oder ein altes Steckernetzteil nicht annähernd die Werte eingehalten hat, die im besten Falle auf dem Typenschild standen. Fazit: Hat man oft mit elektronischen Schaltungen zu tun, sollte früher oder später ein Labornetzteil her.

Natürlich ist es auch hier problemlos möglich, eine Menge Geld zu versenken in dem man auf das falsche Gerät setzt. Vor allem eine falsche Dimensionierung ist schnell ein Geldfresser. Reicht die Leistung nicht aus, kauft man doppelt. Ist das Netzteil überdimensioniert, hat man Geld ausgegeben, dass an anderer Stelle sinnvoller investiert gewesen wäre. Sind die Kenntnisse dafür bereits vorhanden, kann durchaus auch ein Selbstbau in Frage kommen. Berücksichtigt man allerdings die Preise für Anzeigen, Gehäuse und die Elektronik wird man schnell feststellen, dass ein Eigenbau nur selten lohnt. Meistens nur dann, wenn ein Großteil der Bauteile bereits vorhanden ist. Auch spielt hier die Sicherheit ein große Rolle, schließlich kommt man nicht drum herum, mit Netzspannung zu arbeiten.

Welchen Bedarf habe ich?

Wer nicht gerade mit KFZ-Lampen oder High-Power Audioverstärkern experimentiert, kommt mit 2-3 Ampere bei max. 20 Volt eigentlich absolut aus. In der Regel kommt man auch mit max. 15V klar, aktuelle Elektronik arbeitet ja meist mit 3,3V, 5V oder 12 Volt. Die Spannung sollte aber auf jeden Fall einstellbar und stabilisiert sein. Gleiches gilt für eine Strombegrenzung, welche vorhanden sein sollte. Mit einer Strombegrenzung ist es möglich das Netzteil so einzustellen, das ein bestimmter Strom nicht überschritten werden kann. Das Gerät fährt bei erreichen dieses Punktes die Spannung herunter bzw. schaltet ab. Gerade bei ersten Inbetriebnahmen und der Fehlersuche kann man so mit geringem Strom starten, ein evtl. noch vorhandener Fehler fackelt einem dann nicht die halbe Schaltung ab. Bei Netzteilen die in der Lage sind, hohe Ströme zu liefern, kann ein Kurzschluss in einer Schaltung schnell Bauteile und komplette Leiterbahnen in Luft auflösen ;-)

Auswahl:

Bei Experimenten mit kleinen DC Motoren, LEDs, Microkontrollern oder Modellbahntechnik sind Netzteile mit einer einstellbaren Spannung bis 15V und max. 2 Ampere völlig ausreichend.

Lediglich die gerne in der Modellbahn genutzte 16V Wechselspannung würde bei den genannten Werten etwas aus der Art schlagen. Labornetzteile die eine einstellbare Wechselspannung bieten sind in diesem Artikel hier nicht gemeint, sie sind im Vergleich eher unbezahlbar und werden doch verhältnismäßig selten benötigt. Ausnahmsweise würde ich hier einen alten Märklin-Trafo von Ebay empfehlen :mrgreen: Nebenbei gibt es nur wenige Schaltungen in der Modellbahnszene, die nicht auch mit 15V DC klarkommen, hier vor allem einige Motortypen.

Kommt man allerdings in den Genuss z.B. Audioverstärker aus dem KFZ-Bereich, Peltier-Elemente oder größere Modellbaumotoren versorgen zu müssen, können auch 10A Netzteile noch zu klein sein. In diesen Größenordnungen wird es allerdings recht teuer. Hier kann es hilfreich sein, sich eine Autobatterie oder andere Akkus unter den Arbeitstisch zu stellen, die man bei Nichtgebrauch nachlädt und die kleineren Arbeiten wieder mit einem normalen Netzteil zu versorgen. Meist werden derart hohe Ströme ja bei Geräten benötigt , die ohnehin mit 12V betrieben werden wollen. Eine zusätzliche Möglichkeit bieten Festspannungs-Schaltnetzteile. Im Verhältnis sind sie recht günstig,  aufgrund der etwas ‘verspikten’ Ausgangsspannung (ein Rest des Arbeitstaktes der Elektronik in der Ausgangsspannung) aber bei einigen Geräten vielleicht nicht nutzbar.

Hier übrigens einige Produkte, welche über meinen Werbepartner Reichelt-Elektronik bezogen werden können ;-)


PEAKTECH 6085: Labornetzgerät 0-15V / 0-2A DC
 Einfaches Netzteil welches mit den
meisten Aufgaben gut zurecht kommt. Analoge Anzeige, Strombegrenzung -
aktuell für unter 50€

EP 613: Labornetzgerät mit Digital-Anzeige, 0-30V / 0-2,5A
 Etwas luxuriöseres Gerät mit
digitalen Anzeigen. Zusätzlich folgende Festspannungsausgänge:5VDC-0,5A; 12VDC-0,5 A bei Bedarf in Reihe schaltbar. Ebenfalls unter
100€

SNT HRP 150 15: Schaltnetzt., geschlossen 150W, PFC 15V / 10A
 Wer doch mal etwas mehr Power
braucht und die Spannung nicht einstellen will! Derzeitiger Preis:
60,50€
Übersicht Labornetzteile
 Und hier mal eine Übersicht, was
Reichelt so bei Labornetzteilen anbietet!

Die Preise sind Stand Dezember 2012.

Ich habe seit langer Zeit zwei Selbstbau Netzteile in Benutztung. Beide liefern 1,2 – 24V DC bei max. 3 A. Zu der Zeit, als ich diese gebaut habe, waren käufliche Geräte irrsinnig teuer, da hat der Selbstbau auf jeden Fall gelohnt. Es war auch gar nicht so einfach, überhaupt verschiedene Bezugsquellen zu finden. Allerdings war dies zu Zeiten, in denen ich noch nicht im Internet vertreten war :-D Muss irgendwo vor 1994/95 gewesen sein. Mittlerweile sind aber dutzende Umbauten an beiden vorgenommen worden, vom LCD Display bis zur µController Überwachung der Kühlung. Wenn eines von denen mal das zeitliche segnet, wird es wohl auch durch ein käufliches Gerät ersetzt.

Eigenbau Netzteil

Gewinnt keinen Designpreis, funktioniert aber :-D

 

 

 

Für Anwendungen, die mehr Power benötigen habe ich das im Werbelink genannte Schaltnetzteil unter dem Tisch montiert. Das brauche ich allerdings so selten, dass ich es gelegentlich einfach ‘mal so’ einschalte um die Funktion zu prüfen :-)

 

Elektronik Tipp: Messen mit dem digitalen Multimeter

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Digital Multimeter Tipps auf www.michael-floessel.deIch hatte ja in einem vorherigen Artikel zum Thema Multimeter schon angedroht, dass dazu noch ein weiterer Beitrag folgen soll. Vielleicht auch noch mehrere, zu den analogen Messgeräten gibt es ja auch einiges zu erzählen.

In diesem Artikel geht es um gebräuchliche Multimeter mit digitaler Anzeige, im allgemeinen eben Digitalmultimeter (DMM). Es gibt immer wieder Missverständnisse, wenn es um das Erfassen von Widerstandswerten geht, ebenso habe ich schon einige gekillte Geräte gesehen, welche einfach falsch benutzt wurden und eben darum (oft schon bei der ersten Benutzung) in den Elektronikhimmel befördert wurden. Leider muss ich zugeben, dass ich selber da keine Ausnahme bilde :mrgreen: Einmal unachtsam und es ist passiert.

 

Multimeter TippsAllgemeines

Die gängigen Messgeräte besitzen normalerweise mindestens ein Display, einen Auswahlschalter für die Messart und (min.) 3 verschiedene Eingangsbuchsen. Im weiteren Verlauf konzentriere ich mich auf das Messen von Widerstand, Spannung und Strom. Derjenige, der die vielleicht vorhanden weiteren Funktionen nutzt, ist im Normalfall ohnehin auf ‘Du & Du’ mit seinem Gerät (denke ich).

Für die Messungen von Widerständen, Spannungen und auch kleinen Strömen muss man meist die Messleitungen nicht umstecken. Hier ist für (-) die Buchse ‘GND’ oder ‘COM’ vorgesehen, die (+) Buchse ist meist mit V/mA/Ohm oder vergleichbaren Kennzeichnungen beschriftet. Bei Messungen an Wechselspannungen ist die Polung natürlich unerheblich. An dieser Stelle muss ich auch auf einen anderen Artikel im Blog hinweisen, es geht um die Informationen wie man bestimmte Messungen vornimmt und was man mit den resultierenden Werten anfangen kann. 

<<Link zum Teil 1>>  

<<Link zum Teil 2>> 

Das beste Messgerät nützt ja nichts, wenn man gar nicht weiß, was man tut.

Vorweg der Hinweis, dass bei der Buchsenbelegung für diese  Standardmessungen der Strommessbereich besonders gefährdet ist! Dieser Bereich ist meist für Ströme von einigen Hundert Milliampere gedacht. Darüber hinaus, kann die Gerätesicherung ansprechen, unter ungünstigen Umständen kann aber auch das komplette Multimeter zerstört werden! Das Messen von Strömen stellt für die Stromquelle einen Kurzschluss dar, es wird der maximale Strom fließen! Den mA Bereich IMMER mit ganz besonderer Vorsicht benutzen!



reichelt elektronik – Elektronik und PC-Technik


Messen von Widerständen

In der oberen Skizze ist ein Wahlschalter für die Messbereiche angedeutet. Dieser bietet für die Widerstandsmessungen verschiedene Stellungen, welche den maximalen Wert angeben, der in dieser Einstellung gemessen werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, eine höhere Genauigkeit der dargestellten Werte zu erhalten. Bei Widerständen von wenigen Ohm ist der genaue Widerstandswert eben aussagekräftiger als bei Werten von mehreren Kiloohm. Wird der Höchstwert überschritten, zeigt das Display Werte wie ‘OL’, ‘RANGE’ oder ‘Overload’ an. In diesem Falle ist einfach die nächsthöhere Einstellung notwendig. Werte von 20k kann man eben im ’2k Bereich’ nicht erfassen. Für das zu messende Bauteil und das Multimeter besteht dabei keine Gefahr. Stellt man fest, dass ein sehr kleiner Widerstandswert in einem sehr hohen Messbereich angezeigt wird, einfach in den passenden Bereich herunterschalten. Dabei geht es eben um die Genauigkeit. Möchte man nur Vorwiderstände für LEDs grob selektieren, spielt es meist keine Rolle, ob das nun 180 oder 182 Ohm sind, bei Bauteilen für A/D Wandler z.B. sollte man aber schauen, dass man möglichst genaue Werte erhält!

Die Besonderheit im Widerstandsmessbereich ist die, dass hierbei Strom aus dem Multimeter in das Bauteil fließt. Nur so kann der Widerstand ermittelt werden. Deshalb ist es nicht möglich, Widerstände in Schaltungen zu messen, die noch unter Spannung stehen! Sind die Bauteile schon in einer Schaltung montiert (Fehlersuche etc.), sollte der zu messende Widerstand mit mindestens einem Anschluss ausgelötet werden. Es besteht immer die Gefahr, dass andere Bauteile die Messung beeinflussen. Nebenbei ist eine von außen zugeführte Spannung beim Messen von Widerständen dem Multimeter nicht zuträglich ;-) In sehr seltenen Fällen ist es auch möglich, dass der Strom aus dem Messgerät so hoch ist, dass das Messobjekt beschädigt werden kann. Ich habe mir angewöhnt, die Ströme in allen Widerstandsmessbereichen bei unbekannten Messgeräten einfach auszumessen und zu notieren.

Tipps zum DMMBei dem hier gezeigten Beispiel ist eine Umschaltung der Empfindlichkeit des Multimeters übrigens nicht notwendig, es wählt den optimalen Messbereich selber. Dieses Gerät kann in der gleichen Auswahl auch Durchgangs- und Diodenmessungen vornehmen. Im Kurzschlussfalle auch nicht wundern, wenn statt 0,00 Ohm Werte um 3-4 Ohm angezeigt werden, von den Messleitungen bis hin zum Auswahlschalter wird hier eben der gesamte Widerstand im Stromkreis mit gemessen. In der Regel haben hier qualitativ hochwertige Geräte und Messleitungen die Nase vorn.



Messen von Spannungen

Auch bei der Spannungsmessung kann es vorkommen, dass man sich zwischen verschiedenen Messbereichen entscheiden kann. Ist die Größe der Spannung absolut unbekannt, empfiehlt es sich, immer mit dem größten Bereich zu beginnen. Gängige Geräte messen Wechselspannungen bis 1000V. Ist die Auflösung zu grob und der nächst kleinere Messbereich ausreichend, einfach eine Stufe herunter schalten. Ist ebenfalls unbekannt, ob man eine Gleich- oder eine Wechselspannung messen wird, zunächst im AC/~/Wechselspannungsmodus beginnen. Ist in den Fall doch eine reine Gleichspannung vorhanden, zeigt das Multimeter wahrscheinlich 0,00V oder Blödsinn an, man kann nun einen geeigneten Bereich auswählen. Eine genaue Aussage ist hier schwierig, es kommt darauf an, wie der Eingangsbereich des Gerätes technisch realisiert ist. Auch digitale Signale oder Mischspannungen sind mit Vorsicht zu genießen. Viele Geräte sind auf eine Sinusschwingung bei 50Hz ausgelegt, andere Signalformen oder Frequenzen können deutlich falsche Ergebnisse produzieren. Viele Multimeter werten nur den Effektivwert einer Spannung aus! Ich verweise hier auf ein paar Wikipediaartikel, die diese Vorgänge näher erläutern.

Effektivwert/True RMS (Wikipedia)

Messverfahren bei Multimetern (Wikipedia)

Bei Standardmultimetern würde ich sicherheitshalber nur Messungen an Gleichspannungen und 50Hz Wechselspannungen mit annähender Sinusform als ausreichend genau betrachten. Wer den Luxus eines Oszilloskopes sein Eigen nennt, sollte ggf. prüfen, welche Signalform wirklich vorliegt. I.d.R. ist es immer von Vorteil zu wissen, welche Signalformen vorhanden sind und auch das Handbuch zum Messgerät zur Hand zu nehmen. Hat man den DC/=/Gleichspannungs Bereich gewählt und bekommt es mit einer Wechselspannung zu tun, wird das DMM wahrscheinlich einen wesentlich geringeren Spannungswert anzeigen oder eben auch Blödsinn bzw. sich nicht zwischen +/- im Display entscheiden. Besser ausgestattete Geräte können bei solchen Unklarheiten übrigens mit ‘Error’ oder ähnlichem darauf hinweisen.

Messen von Strömen

Ziemlich sicher der heikelste Punkt. Sehr oft funktioniert der mA Bereich nicht mehr, weil (zumindest) die Sicherung defekt ist, manchmal ist auch der ganze Eingangsbereich des Multimeters durch zu hohe Ströme ruiniert worden. Ich hatte es am Anfang des Artikels ja schon erwähnt: Technisch gesehen stellt die Strommessung einen Kurzschluss oder eine Überbrückung dar. Der Innenwiderstand des Messgeräts beträgt meist nur einige Milliohm, man will den Strom ja messen und nicht reduzieren. Akkus z.B. haben oft nur eine Nennspannung von ca. 1,2V. Möchte man nun eigentlich eben diese Spannung messen und hat irrtümlich noch einen Strommessbereich ausgewählt, wird unfreiwillig der komplette Kurzschlussstrom des Akkumulators fließen! Das können -zig Ampere sein! Aus diesem Grunde immer sicherstellen, dass nach Benutzung des digitalen Multimeters NIEMALS noch eine Strommessung eingestellt ist!  Buchsen am DMM

Fast alle Messgeräte verfügen über eine zusätzliche Buchse, die beim Messen von größeren Strömen benutzt wird. Das hier im Bild gezeigte Modell kann darüber max. 10A erfassen.

Ist unsicher, wie groß der zu messende Strom sein wird, immer mit diesem Bereich beginnen. Allerdings muss mann sich darüber im Klaren sein, dass in allen Fällen der ungefähr zu erwartende Strom bekannt sein sollte! Es hat schon Helden gegeben, die im 10A Bereich messen wollten, wie hoch der Kurzschlussstrom der normalen 230V Haushaltsversorgung ist… Bei einem solchen Versuch ist es gut möglich, dass auch keine Sicherung mehr hilft, die Leiterbahnen im DMM verdampfen einfach. Ganz davon zu schweigen, was dem Bediener alles passieren kann. Also VORSICHT! Sehr oft hat man auch Multimeter in der Hand, die Wechselströme nicht erfassen können, auch hier auf die Fähigkeiten des Modells achten. Möchte man aber nun einen bekannt kleinen Strom (z.B. einer LED) messen, kann der Benutzer den mA Bereich wählen. LEDs liegen irgendwo zwischen 2-20mA, das sollte jedes normale DMM schaffen. Vorausgesetzt natürlich, es hat überhaupt einen Ampere Messbereich. Es ist allerdings immer darauf zu achten, das Ströme eben innerhalb des Stromkreises gemessen werden, ein auftrennen der Leiterbahnen oder lösen der Verbindungen ist fast immer nötig. Es gibt auch Zangenmultimeter, diese werden um den Leiter gelegt um zu messen. Bei kleineren Strömen und vor allem innerhalb von gedruckten Schaltungen ist das aber schwierig bis unmöglich.

Zangenmultimeter bei Reichelt Elektronik (Partnerlink)

Der sicherste Weg ist in vielen Fällen die indirekte Strommessung. Also die Spannung (!) über einem bekannten Widerstand messen (z.B. Vorwiderstand einer LED) und dann das Ergebnis durch den Widerstandswert teilen (I=U/R).

Es gibt natürlich verschiedene Möglichkeiten, die Gefahr von zu großen Strömen zu reduzieren. Ist die Schaltung unkritisch, ist es eine gute Idee, eine Glühlampe oder einen ausreichend dimensionierten Widerstand für die ersten Annäherungen an den Messwert mit dem Multimeter in Reiche zu schalten. Hier spielt natürlich die Erfahrung mit der Materie eine große Rolle, sichere Allgemeintipps sind wieder mal schwierig.

Hier einfach eine (sicher unvollständige) Liste, der bekannten Strommesbereichskiller:

  • Netzspannung in jeder Art.
  • Anlasser und überhaupt Motoren im Auto.
  • KFZ Scheinwerfer.
  • Lade-/Entladeströme an (stärkeren) Akkus.
  • Übersehene/falsche Einstellung des Multimeters.

 

Dazu noch einige Punkte, die man beherzigen kann

  • Multimeter bei Nichtgebrauch immer auf den größten AC-Spannungsbereich stellen.
  • Messleitungen NIE in den Buchsen für die Strommessung belassen.
  • NIEMALS Widerstände in Spannungsführenden Schaltungen messen.
  • Sicherungen IMMER mit den passenden Werten erstezen.
  • Ausreichend volle Batterien im Multimeter um Fehlmessungen zu vermeiden.
  • Sichere, geeignete Messleitungen verwenden.
  • Anleitung lesen!
  • Bei unbekannten Messwerten in den höchsten Bereichen beginnen.

Eine Vielzahl der verfügbaren Multimeter hat recht unterschiedliche Fähigkeiten. Einige müssen auch für mA Messungen umgesteckt werden, andere regeln die Umschaltung der Messbereiche selber. Simple Varianten haben fest installierte Leitungen, Luxusvarianten mehr Schalter und Knöpfe als überschaubar. Es macht auf jeden Fall Sinn, sich mit seinem Modell umfassend auseinander zu setzen! Je besser man das Gerät kennt, desto sicherer sind die Ergebnisse und größer die Möglichkeiten, um an diese zu gelangen.

 

Elektronik Tipp: Messgeräte, Multimeter, Anschaffung

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mAngeregt durch ein Gespräch, welches ich zufällig beim Arzt mit einem ebenfalls im Wartezimmer wartenden Hobbyelektroniker geführt habe, möchte ich mal ein paar Zeilen zum Thema Messgeräte bzw. Multimeter schreiben.

Sobald man sich mit Elektronik im weitesten Sinne beschäftigt, wird es bei Zeiten notwendig, mal das eine oder andere elektrische Geschehen zu messen. Steht schon ein Multimeter oder ähnliches zur Verfügung, ist das eigentlich kein großes Unterfangen. Einschalten, anschließen und messen.

Wenn man jedoch vielleicht gerade ein neues Messwerkzeug sucht oder mit dem (Elektronik) Hobby beginnt, kommt manchmal die Frage auf, was für eine Variante es werden soll. Im Allgemeinen wird man wohl immer zu Multimetern greifen, da sie in der Lage sind, verschiedene Aufgaben zu erledigen. Meist geht es um Spannung, Strom und Widerstand, die aktuellen Geräte können aber dann doch mehr, je nachdem, was man ausgeben möchte.

Grundfunktionen

Folgende Funktionen sollte ein Multimeter auf jeden Fall besitzen:

  • Strom im Ampere Bereich (min. 10A).
  • Strom im mA Bereich (oft bis 500mA).
  • Spannung bis 500V DC/1000V AC.
  • Widerstand bis 10 Megaohm.
  • Diodentest.
  • Akustisch unterstützter Durchgangsprüfer.

Sinnvoll aber nicht unbedingt Pflicht, ich möchte allerdings nicht darauf verzichten:

  • Kapazität.
  • Induktivität.
  • Frequenz und Temperatur (Temp. über einen externen Messfühler).
  • Automatische Bereichsumschaltung.

Luxus, aber auch diesen möchte ich nicht mehr vermissen:

  • USB Anschluss mit geeigneter Messsoftware für den PC
  • Transistor Verstärkungsfaktor Messung

Analoges MultimeterAnaloge Varianten

Ehe jetzt jemand ‘diese alten Dinger’ schreit sei erwähnt, dass die Ausführungen mit Zeiger durchaus ihre Berechtigung haben. Einer der größten Vorteile ist eben der, dass die Strom- und Spannungsmessungen bei vielen Geräten keine eigene Stromversorgung benötigen und sich deshalb nicht aus Energiespargründen abschalten müssen. Ebenso werden, durch die Trägheit des Meßwerkes, u. U. Störungen bzw. Spitzenwerte ausgeglichen und recht stabile Werte angezeigt. Dies kann von Vorteil, aber auch von Nachteil sein. Es ist einfach davon abhängig, was man messen möchte. Ich nutze meine Analogmultimeter z. B., wenn ich Ladeströme und/oder Akkuspannungen über einen längeren Zeitraum erfassen möchte und das Loggen via PC nicht möglich ist.

Display MMDigitale Ausführungen

Die Masse der benutzten Multimeter wird allerdings digital sein. Bei präzisen Messungen ist bei diesen ein Ablesefehler eher die Ausnahme, die Messwerte sind i. d. R. präzise bis hinter das Komma. Eigentlich sind hier nur die Qualität und die Auflösung der Werte, dass Zünglein an der Waage. Von der Ausstattung her gibt es einfache Varianten mit den Grundfunktionen bis hin zu kompletten Messlaboren incl. Oszilloskop.

Da Reichelt ja nun mein Werbepartner ist, habe einfach mal einige Links zu dem Thema zusammengestellt. Die einfachste Variante unter 10€, eine Tischversion für unter 170€:


PEAKTECH 1070 Digital-Multimeter 9,95€

PEAKTECH 3430U Digital-Multimeter 84,95€

UT 804 UNI-T Tischmultimeter 169,95€

Die sind natürlich nur Beispiele, es gibt unzählige Varianten an Multimetern bei den unterschiedlichsten Anbietern. Wie schon erwähnt ist die Grundfrage, was will ich machen?

Bei gelegentlichen Niederspannungsmessungen an Leuchtdioden, Batterien oder ähnlichem, muss man sich sicherlich nicht die teuersten Geräte auf den Tisch legen. Wer sich aber täglich an 230V Leitungen begeben muss, sollte doch schon darauf achten, dass vor allem die Sicherheitsrelevanten Eigenschaften seines Messgerätes stimmen. Wer professionell mit Strom und Spannung zu tun hat, wird aber meist ohnehin auf andere Geräteklassen zurückgreifen :-)

Eigentlich wollte ich hier auch noch ein paar Tipps zum Umgang mit diesen Geräten geben, merke aber beim Schreiben, dass dieses Thema zu umfangreich ist, um ‘mal eben’ abgehandelt zu werden. Dazu werde ich wohl einen eigenen Beitrag erstellen.

Messen...

 

Natürlich geht’s auch so :mrgreen:

 

 

Möchte man ununterbrochen Messungen über einen längeren Zeitraum vornehmen, sollte das Messgerät Unterstützung durch den Computer anbieten. Auf diese Weise lassen sich u.a. Entladekurven von Akkus oder die Stabilität einer Stromversorgung aufzeichnen. Leider habe ich viele Multimeter erlebt, die sich auch bei angeschlossenem PC nicht davon abbringen lassen, sich nach einigen Minuten abzuschalten. Einer Langzeitmessung ist das natürlich eher abträglich. Zusätzlich sollte auch vorher ein Blick auf die mitgelieferte Software geworfen werden, oft ist diese nicht mehr, als die Verlagerung des Displays auf den Computermonitor, die Schnittstelle sollte dann ggf. verfügbare Alternativsoftware unterstützen.





Wer sein Hobby schon längere Zeit betreibt, hat sehr oft mehrere DMM (Digital Multi Meter) im Einsatz. Meist ein teureres, welches am Arbeitstisch verbleibt und ein mobil genutztes, dass zum Einsatz kommt, wenn sich das Messobjekt nicht zum Tisch bringen lässt (Multimeter 2 go :mrgreen: ). Für den stationären Einsatz sollte über ein Tischgerät nachgedacht werden. Diese sind standfester und haben idealerweise eine eigene Stromversorgung. Bei den Geräten zum Umhertragen, ist auch die Beschaffenheit des Gehäuses zu beachten. Es ist sehr frustrierend, wenn nach der 3. Benutzung der Ständer abbricht oder die Display-Schutzscheibe herausfällt. Brauchbare Tischgeräte bekommt man ab ca. 150€, die normale mobile Bauart schon ab ca. 50€, wenn man eine bestimmte Grundausstattung wünscht. Soll es etwas mehr an Funktionen und auch Qualität sein, muss man in etwa das doppelte kalkulieren, hier bestätigen aber auch Ausnahmen die Regel. Man kann durchaus auch Glück mit Sonderangeboten oder Discounterware haben! Es kann aber eben auch passieren, dass man eher ein ‘Schätzeisen’ als ein Multimeter erhält. Idealerweise sollte beim Neukauf vorher ggf. ein Rückgaberecht vereinbart werden.

 

Android App: ElectroDroid

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electrodroid_screenshot_app_android_www.michael-floessel.deAls Elektroniker hat man ja des öfteren (wenn nicht immer) auch mit Mathematik und Berechnungen zu tun. Daneben gibt es auch Farbcodes, Simulatoren und andere Dinge, die man nicht immer im Kopf hat. Hier gibt’s ElectroDroid (Goolge Play), eine nette App, die sich als Helferlein für diese Sachen bereitstellt. Zusätzlich noch der Link zur Entwicklerseite, es gibt wohl weitere Versionen für andere Betriebssysteme. Ich habe mich allerdings nur um die Androidversion gekümmert, schaut am besten selber mal nach ;-)

Das Tool gibt es in einer kostenlosen und einer Pro Version, welche dann 1,99€ kosten will. Bisher habe ich nur die Free-Version installiert, sie hat bislang für mich völlig ausgereicht.

Einige der Funktionen:

  • Widerstandsfarbcode
  • SMD Widerstandscode
  • Spulenfarbcodes
  • Ohmsches Gesetz
  • Blindwiderstand
  • Spannungsteiler
  • Vorwiderstände LED
  • NE 555
  • LM 317
  • Verlustleistung
  • noch einige mehr!

Eine gute Wahl, um einige Dinge von seinem Androiden erledigen zu lassen :-)

 

Wenn man darüber hinaus noch günstiges Elektronikzubehör sucht, ist Reichelt immer eine gute Wahl: 



reichelt elektronik – Elektronik und PC-Technik


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Tipp: Elektronikbauteile für den Hausgebrauch – Die Z-Diode

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Z-Diode - www.michael-floessel.de

 

Ich war ja schon des öfteren beim Thema Spannungsstabilisierung. Dabei sollte man die simpelste Variante via Z-Diode nicht aus den Augen verlieren.

 

 

Oft wird kein großer Strom benötigt, eher geht es um eine stabile Spannung bzw. eine Spannung, die innerhalb einer Schaltung generiert werden kann. In vielen Fällen reicht ein Spannungsteiler mit Widerständen nicht aus, da dieser natürlich stark vom Stromfluss abhängig ist. In der ‘12F675 Quick & Dirty‘ Schaltung z. B. nutze ich daher die Z-Diode. Der PIC braucht nur sehr wenig Strom um zu funktionieren, die Peripherie kann mittels Open Collector Transistoren realisiert werden. Braucht man nur einen geringen Strom, kann es auch ausreichen, nur mit der Z-Diode zu arbeiten. Priorität hat hier der Aspekt, den µController vor Überspannung zu schützen.

zener-diode-prinzip-beispiel

Es gibt die Z-Diode für sehr viele Spannungen und in unterschiedlichsten Varianten, genaue Informationen kann mal wieder nur das Datenblatt liefern. Ein Blick in dieses ist vor allem wegen der Kennlinie wichtig, hier kann der Bereich ersehen werden, in dem das Bauteil am wirkungsvollsten arbeitet.

 

 

Besonderheiten der Z-Diode:

  • Betrieb in Sperrrichtung für den Zener-Effekt
  • In Flußrichtung verhält sie sich wie eine normale Diode (also Spannungsabfall ca. 0,7V)

Ich gebe hier als Beispiel die ZPD 2V7 an (Datenblatt). Sie stabilisiert bei einem bestimmten Stromfluss eine Spannung von ungefähr 2,7V. Ungefähr eben deshalb, weil diese Spannung sehr stark vom Strom abhängig ist. Die ZPD 2V7 arbeitet bei ca. 10-20mA in ihrem optimalen Bereich. Darüber hinaus und darunter ist sie von den 2,7V schon recht weit entfernt.

Wie im Schaltbild oben angegeben, wird der Strom mittels des Vorwiderstandes ‘R1′ festgelegt, die Spannung wird dann direkt über der Diode abgegriffen. Zusätzlich kann natürlich auch die Differenzspannung, die über R1 abfällt, zusätzlich genutzt werden. Hier wäre nur eben die Masse bzw. GND nicht mehr der Bezugspunkt. Wichtig ist zudem, dass der maximale Strom der dieser Schaltung entnommen werden kann, dem Gesamtstrom durch R1 entspricht. Sollte auch einleuchtend sein, wenn der Widerstand den Strom auf z.B. 25mA begrenzt, kann hinter ihm auch nicht mehr fließen. Etwas kompliziert wird die Geschichte durch die Tatsache, dass alles, was von der Z-Spannung versorgt wird, parallel zur Diode liegt. Im schlimmsten Falle wären das 0 Ohm, ein Kurzschluss eben. Dann ist nur R1 der Strombegrenzende Faktor, die Z-Diode kann nicht mehr arbeiten, sie ist überbrückt.  Da auch die Z-Diode durch den differentiellen Widerstand in der Gesamtschaltung berücksichtigt werden muss, kann bei präziseren Anwendungen erheblicher Aufwand bei der Berechnung notwendig werden. Die Diode und die an sie angeschlossene Last bilden dann eine Parallelschaltung die zu R1 in Reihe liegt. Dies hat natürlich Einfluss auf den Gesamtwiderstand, damit auf den Gesamtstrom und somit auf die Kennlinie der Z-Diode! OK, lassen wir das :mrgreen:

Praktisch kann man das in unseren Anwendungen vernachlässigen, wenn die Z-Diode nur für kleine Leistungen eingesetzt wird. Grundsätzlich bestimmt also R1 den Gesamtstrom. Richtig flexibel geht es, wenn statt eines Festwiderstandes für R1 ein Trimmer gewählt wird. Meist ist das aber der berühmte Schuss mit der Kanone auf die Spatzen.

Überschalgsrechnung mit folgenden Eckdaten:

Bei einer Betriebsspannung von 12V soll durch die Diode ein Strom von 15mA fließen. Die Diode ist immer noch die ZPD 2V7. Laut Datenblatt liegt die Spannung dann bei ca. 2,8V.
Nun also erstmal den nötigen Spannungsabfall über R1 ausrechnen:
12V-2,8V = 9,2V
Um nun den gewünschten Widerstandswert zu erreichen (U = R * I):
9,2V : 15mA =  613,2 Ohm

In der E-12er Reihe wäre dann der gewählte Wert:

630 Ohm

(Zu den E-Reihen kommt demnächst auch noch ein Artikel!)

So weit die graue Theorie, wenn man diese Werte mal gegenrechnet und dabei auf die Kennlinie sieht, kommen schon Differenzen ans Tageslicht. Dabei ist noch nicht berücksichtigt, dass an der Diode noch kein eigentlicher Verbraucher hängt. Aber wie so oft in der Praxis, kann man dies eher vernachlässigen. Bei Bedarf an höheren Strömen oder noch präziseren Spannungen, gibt es bessere Lösungen. Um z. B. einen PIC an 12V zu betreiben der nur die Basis eines Transistors ansteuert, ist das Ergebnis allemal ausreichend.

 




 

Tipp: Kniffe für 78XX Spannungsregler

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7805_artikelfoto_www.michael-floessel.deZu den im vorherigen Beitrag erwähnten 78er Festspannungsreglern gibt es noch einige Kniffe, mit denen man sie etwas flexibler einsetzen kann.

Wie der Name schon sagt, handelt es sich um integrierte Regelschaltkreise, welche eine stabile Ausgangsspannung liefern. Nun kann es aber passieren, das eben nicht 5V sondern 5,7V,7V oder 10V gewünscht sind, man einen solchen Regler aber nicht zur Hand hat oder es diesen einfach nicht gibt. Im simpelsten Fall benötigt man statt z.B. 5V für eine Schaltung 5,7V, weil dahinter eine Diode liegt, deren Spannungsabfall man wieder abfangen möchte. Die kommt z. B. vor, wenn man bei einem Microkontroller den ICSP (Programmierung in der Schaltung) Schaltungsteil aufbaut.

Spannungsregler 78XX - www.michael-floessel.de

In so einem Fall ist die Lösung recht einfach:

Es wird eine normale Diode zwischen den GND Anschluss des Reglers und Masse geschaltet. Der Spannungsabfall der Diode ‘zieht’ für den Regler das (-)/Massepotential um eben den Diodenspannungsabfall hoch. Aus Sicht des 78XX ist die Anode (+) der Diode ‘D1′ GND, er wird also um die Differenz der Diodenspannung die Ausgangsspannung anheben.

Spannungsregler 78XX - www.michael-floessel.deDieses Spielchen kann noch weiter getrieben werden. Wenn der eng begrenzte Spannungsabfall einer Diode die Ausgangsspannung anheben kann, sollte ein einstellbarer Spannungsabfall dies auch variabel in einem größeren Bereich können. Mit einem Trimmer bzw. Poti, lässt sich somit eine veränderbare Ausgangsspannung realisieren. Im Prinzip analog zum LM317T, dieser ist aber speziell für diesen Einsatzfall gedacht. Der Pferdefuß der ‘misshandelten’ 78er Regler ist nämlich u.a., dass sie niemals unter die Nennspannung des Spannungsreglers kommen können und auch die Stabilisierungseigenschaften etwas schlechter werden.

Spannungsregler 78XX - www.michael-floessel.deEin wenig verbessern lässt sich die Stabilität, wenn man der Schaltung einen zusätzlichen Widerstand spendiert, hier R2. Dieser lässt einen Strom durch R1 fließen und sorgt damit für eben den Spannungsabfall, welcher dem Regler vorgaukelt, sein GND-Potential läge um diesen Spannungsabfall höher. Im Alltag haben sich 390-560 Ohm für R2 und 1k für R1 als brauchbar erwiesen. Auch bei dem zuerst genannten Beispiel mit der Diode kann R2 übrigens nicht schaden.

Spannungsregler 78XX - www.michael-floessel.de

Eigentlich sind die 78XX Regler recht gut gegen Zerstörung durch Überlast geschützt. Was sie jedoch gar nicht gerne mögen, ist eine Spannung am Ausgang, die höher ist, als die Eingangsspannung. Das quittieren sie u. U. mit dem Ende ihres Daseins. Solche Sachen bekommt man zum Beispiel recht gut hin, wenn man mittels eines 78er und etwas Elektronik einen Akku lädt und vergisst, diesen abzuklemmen, ehe man die Betriebsspannung abschaltet. Damit ist die Eingangsspannung 0V, die Ausgangsspannung aber immer noch die Akkuspannung. Das kann den Regler killen! Wie im Schaltbild dargestellt, ist dieses Problem mit einer weiteren Diode (hier D1) zu lösen. Sie überbrückt quasi den Regler, die Differenz Ausgang-> Eingang kann ca. 0,7V nicht übersteigen, das kann der 78XX ‘ab’. Ich habe mir angewöhnt, diese Diode in all meinen Spannungsversorgungen einzubauen, man weiß ja nie :-)

 

Dieses ‘Kleinmaterial’ bestelle ich gern als Lückenfüller mit, damit sich die Versandkosten eher relativieren und solche Standardbauteile immer vorhanden sind. Und da Reichelt nun mal ein Werbepartner ist, habe ich mal eine kleine Artikelliste aufgestellt:


Festspannungsregler 5V

LM 317T einstellb. Spannungsregler

LM 350 wie LM 317 aber 3A

Festspannungsregler 12V

Vorsicht, Affiliate Links :mrgreen: Natürlich kann es durchaus sein, dass man diese Bauteile an anderer Stelle günstiger bekommt. Ich habe aber bisher die Erfahrung gemacht, dass gerade bei Kleinmengen Reichelt immer (mit) der günstigste Anbieter ist.

 

Strom, Spannung, Widerstand, Kennzeichnungen – 2

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So, nun der nächste Teil zu dem Beitrag hier.

Bitte haltet mich nicht für arrogant, ich möchte mit solchen Blogbeiträgen einfach nur versuchen, einem Elektronikfan Tipps zu geben, um erfolgreich seinem Hobby nachzugehen ohne allzuviel Theorie mit sich herum zu schleppen. Es ist aber schwierig Erfolge zu verbuchen, wenn man bestimmte Grundkenntnisse nicht hat. Beschreibt mal jemandem das Autofahren, der den Unterschied zwischen Gas und Bremse nicht kennt ;-) Wer keine Erfolge in seinem Hobby verbuchen kann, wird schnell frustriert aufgeben, das wäre schade!

Zum eigentlichen Thema! Wenn benötigt, gehe ich übrigens in den Beispielen immer von einer Betriebsspannung von 12V bei einem maximalen Strom von 1A aus.

Strommessung - - www.michael-floessel.de

Dieses kleine Schaltbild soll mal eine einfache Strommessung darstellen und den Stromfluss verdeutlichen. Der Strom würde vom Pluspol durch das Messgerät und den Widerstand zum Minuspol fließen. An +/- liegt währenddessen die Spannung von 12V an. Je höher der Widerstandswert ist, desto weniger Strom wird fließen. Die Baugröße des Widerstandes hat übrigens in der Realität wenig mit dessen Widerstandswert zu tun, eher mit der Leistung, die er ‘verbraten’ kann. Egal ob mann nun den Widerstand oder das Messgerät entfernt oder die Verbindung kappt, der Stromfluss wäre unterbrochen. An +/- würde aber trotzdem die Versorgungspannung anliegen. Auch wenn der Widerstand bei mehren 1000 Ohm liegt, werden die 12V unverändert an den Eingängen zu messen sein, ebenso wenn der Widerstandswert sehr klein ist. Lediglich wenn die Stromversorgung überfordert ist, wird irgendwann auch die Eingangsspannung zusammenbrechen, davon gehe ich in den Beispielen aber nicht aus. Eine Strommessung muss also immer innerhalb des fließenden Stromes stattfinden. In der Praxis kann es durchaus vorkommen, dass man zu diesem Zweck mal ein Bauteil auslöten oder eine Leiterbahn unterbrechen muss. Es gibt allerdings mittlerweile auch Messgeräte, die den Strom u. U. ohne Eingriff in die Schaltung erfassen können, kommt auf die Gegebenheiten an.

Spannungsmessung - - www.michael-floessel.de

Im Unterschied zur Strommessung wird die Spannung an den jeweiligen Bezugspunkten gemessen. Hier im Bild einfach an + und -. Zusätzlich ist rechts ein Taster ‘T’ zu erkennen. So wie er jetzt gezeichnet ist, kann kein Strom fließen. Die Spannung wäre aber an +/- trotzdem zu messen. Beim Drücken von ‘T’ würde wieder ein Strom fließen, die Spannung an +/- würde sich dadurch aber nicht ändern. Wenn man nun das Amperemeter aus dem ersten Bild in der gezeigten Weise in die Schaltung einfügt, würde bei geschlossenem ‘T’ ein Stromfluss angezeigt werden. Wie hoch dieser ist, wird durch den Widerstand in der Schaltung festgelegt.

Innerhalb einer Schaltung gibt es natürlich dann auch wieder verschiedene Stellen, an denen man bestimmte Details messen kann. Hier ändern sich natürlich die Bezugspunkte und auch die Werte, die man erwarten kann. Dazu schreibe ich bei Zeiten aber noch einiges mehr ;-) Mit diesen Beispielen hier würde man die Gesamtstromaufnahme und die Betriebsspannung einer Schaltung messen.

Also nochmal als Zusammenfassung:

  • Strom, gemessen in Ampere, Formelzeichen ‘I’, fließt durch die Bauteile.
  • Spannung, gemessen in Volt, Formelzeichen ‘U’, liegt an den Bezugspunkten an.
  • Widerstand, gemessen in Ohm, Formelzeichen ‘R’, wird durch vorgegebene Werte festgelegt.

 

Strom, Spannung, Widerstand, Kennzeichnungen – 1

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Bei relativ vielen Anfragen die ich bekomme, werden die Begriffe Strom und Spannung bunt durcheinander gemischt. Nebenbei, in Radio + TV kommt das auch gern’ vor :-D

Jedenfalls ist es sinnvoll, diese Begriffe richtig einzuordnen. Wenn man selber etwas elektronisches aufbauen möchte und dazu vielleicht auch eine kleinere Berechnung nötig ist, kommt man um ein sauberes trennen der Begriffe nicht herum. Es ist nicht möglich einen Vorwiderstand zu berechnen, wenn der Unterschied zwischen Strom, Spannung und Widerstand nicht klar ist.

In einer der letzten Emails stand z.B. in etwa das folgende:

‘In meiner Platine fließen 12 Volt bei 2 Ampere’.

Laut mitgesendetem Stromlaufplan war es ein mit dem NE555 aufgebautes Lauflicht. 3x NE 555 mit jeweils 2 LEDs parallel, einfach Schaltung für Schaltung hintereinander geschaltet, kaskadierbar. Kann man so machen, sollte auch funktionieren, braucht aber niemals 2 Ampere, jedenfalls nicht, wenn alles richtig aufgebaut ist. Gemeint war, wie so oft, es stehen 2 A zur Versorgung zur Verfügung. Deswegen benötigt die Schaltung diese aber nicht. Man KANN dann die Stromversorgung bis zu 2 Ampere belasten, das heißt nicht, dass die Elektronik diese auch braucht. Gilt übrigens auch für PC-Netzteile! Ein 400W Netzteil KANN diese Leistung bringen, muss aber nicht. Braucht der PC weniger Strom, wird auch das Netzteil nur das liefern, was benötigt wird.

Jedenfalls ist es dann auch per Ferndiagnose via Email schwierig, den richtigen Faden zu finden. Wenn 2 LEDs 2 Ampere ziehen (mehr als 2 sind nie gleichzeitig in der Schaltung aktiv), denke ich zuerst an Kurzschluss oder ähnliches. War da aber nicht der Fall, es waren einfach falsch verbaute LEDs.

Ich versuche, URI mal aufzudröseln:

  • Die Spannung ist das, was in einer Schaltung zwischen 2 Punkten zur Verfügung steht. Die Betriebsspannung z.B. liegt nach dem Einschalten an. Dort, wo sie in die Schaltung eingespeist wird. Egal, ob schon ein Strom fließt oder nicht. Sie wird in Volt angegeben, in den Formeln kurz ‘U’.
  • Der Strom fließt innerhalb einer Schaltung. Er kann niemals fließen, wenn kein geschlossener Stromkreis zur Verfügung steht. Würde man z. B. die Leiterbahn unterbrechen, die von den Klemmen der Stromversorgung zur eigentlichen Elektronik führt, wird auch kein Strom durch die Schaltung fließen. Die Spannung würde an den Einspeisepunkten aber trotzdem zur Verfügung stehen. Der Strom wird in Ampere gemessen, in Formeln ‘I’.
  • Der Widerstand reduziert den Stromfluss! Je höher ein Widerstand ist, desto weniger Strom wird fließen. Das können auch lange oder dünne Leitungen sein, es muss nicht unbedingt der Widerstand als Bauteil sein. Sobald ein Strom durch einen Widerstand fließt, wird vom Eingang zum Ausgang des Widerstandes auch ein Spannungsabfall messbar sein. Das ist physikalisch einfach so, wenn man sich nicht näher mit dem Elektronenfluss beschäftigen möchte, einfach so hinnehmen :-D Der Widerstand hat die Einheit Ohm, Formelzeichen ‘R’. Zum Thema Rechnen & Elektronik steht auch immer wieder was hier im Blog, einfach die Suche nutzen oder in der Kategorie ‘Elektronik’ schauen.

O.K., soviel wollte ich gar nicht schreiben. Aber zur Verdeutlichung schicke ich nachher wohl noch einen Artikel hinterher :mrgreen:

 

 

Tipp: LM317T, einfacher Spannungsregler

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Da ich oft auf einstellbare Spannungsquellen zu Bastelzwecken angesprochen werde, hier ein Vorschlag für eine preiswerte Lösung. Für die meisten Modellbauexperimente und Elektronikbastelleien sollte das eigentlich ausreichen.

LM317T, einfacher Spannungsregler, Fehler, InformationenEr ist schon ein paar Jährchen alt, hat seine Schwächen aber reicht in vielen Fällen aus:

Der LM317T

Eigentlich ist er ein integrierter Schaltkreis. Also ein IC, welches eine komplette Spannungsregelung enthält. Braucht man eine einstellbare Ausgangsspannung und kommt mit max. 1,5 Ampere Strom aus (typabhängig), ist er eine günstige Lösung, welche mit 4-5 externen Bauteilen auskommt, um ein geregeltes Netzteil aufzubauen. Jedenfalls dann, wenn man keine Besonderheiten in die Schaltung einfügt bzw. davon verlangt.

Link zum Datenblatt!

Eckdaten:

  • 1,2V – 37V Ausgangsspannung (max. ca. 3V unter Eingangsspannung)
  • max. 40V Eingangsspannung
  • max. 1,5 Ampere, je nach Typ
  • interne Strombegrenzung
lm317t_beispiel

Hier eine einfache Beispielschaltung für eine einstellbare Ausgangsspannung von 1,2V – ca. 20V. Geht man von max. 1 Ampere maximalem Ausgangsstrom aus, liegt man eigentlich immer richtig. Allerdings sollte man ein Auge auf die Temperatur des 317 achten, ein mittlerer Kühlkörper schadet sich nicht. Vor allem dann, wenn bei gering eingestellter Ausgangsspannung ein höherer Strom fließt. P = U * I. Wenn man also bei z.B. 24V Eingangsspannung nur 2V am Ausgang benötigt, dabei aber 1A Strom fließt, sind das immerhin rund 22 W, die das IC da verbraten muss.

LM317T Belegung

 

Ach ja, auf die Anschlüsse achten! Von links nach rechts sind das Adjust, Out, In!

 

 

 

Es gibt natürlich mittlerweile viele Lösungen, die effizienter und auch eleganter arbeiten als der alte 317T. Für eine preiswerte und vor allem mit geringem Aufwand zu realisierende Lösung betrachte ich ihn aber immer noch als gute Wahl.

 

Hab’s ja schon erwähnt, dieses ‘Kleinmaterial’ bestelle ich gern als Lückenfüller mit, damit sich die Versandkosten eher relativieren und solche Standardbauteile immer vorhanden sind. Und da Reichelt nun mal ein Werbepartner ist, habe ich mal eine kleine Artikelliste aufgestellt:


Festspannungsregler 5V

LM 317T einstellb. Spannungsregler

LM 350 wie LM 317 aber 3A

Festspannungsregler 12V

Vorsicht, Affiliate Links :mrgreen: Natürlich kann es durchaus sein, dass man diese Bauteile an anderer Stelle günstiger bekommt. Ich habe aber bisher die Erfahrung gemacht, dass gerade bei Kleinmengen Reichelt immer (mit) der günstigste Anbieter ist.

 

Elektronik Tipps: Transistor und Gleichstromverstärkung (B)

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Artikelbild Elektronik Tipps - www.michael-floessel.de

Im Artikel zur Funktion eines Transistors war die Rede vom Verstärkungsfaktor ‘B’.

‘B’ gibt an, um ein wievielfaches der Collectorstrom (also der Srom vom Collector zum Emitter) höher ist, als der Basisstrom.

 

 

Schaltbild Transistor

Nehmen wir das mal ein wenig auseinander. Wenn in einem Transistor von der Basis zum Emitter KEIN Strom fließt, ist er gesperrt. Vom Collector kann also auch kein Strom zum Emitter fließen.

Jetzt gibt es bei jedem Transistor einen Bereich, in dem ein (meist recht geringer) Stromfluß von der Basis den Transistor leitend macht. Dies bedeutet, dass auch ein Strom vom Collector zu Emitter fließen kann. Aber wie hoch wird dieser sein? Hier kommt ‘B’ ins Spiel. Ein ‘B’ von 100 würde bedeuten, dass bei einem Basisstrom von 1mA einen Collectorstrom von 100mA fließen kann. Natürlich nur dann, wenn dieser möglich ist. Wird durch weitere Bauteile in der Schaltung (z.B. ein Widerstand am Emitter) der Stromfluss schon begrenzt, dann wird auch nur dieser max. mögliche Strom fließen. Dabei muss man immer beachten, das sich am Emitter der Stromkreis schließt! Ein Dort vorhandener Widerstand wird den Basisstrom UND den Collectorstrom beeinflussen! Allerdings ist meist der Basisstrom so gering, das z.B. ein Vorwiderstand der LED (siehe unteres Schaltbild) von 560 Ohm keine allzugroße Auswirkung auf den Basisstrom hätte. Arbeitet man aber aus irgendwelchen Gründen an den Grenzwerten des Transistors, kann dies schon zum Tragen kommen.

Transistor_Beispiel

In diesem Schaltbild ist eine einfache Ansteuerung einer LED aufgeführt. Der Vorwiderstand R2 der LED ist so dimensioniert, dass bei voll geöffnetem Transistor nur die max. zulässigen 20mA für die LED fließen. Irgendwann hätte es also keinen Sinn den Basisstrom weiter zu erhöhen, wenn der maximale Strom durch die LED bereits erreicht ist.

Wie in der Transistorfunktion schon beschrieben, ist irgendwann keine Erhöhung des Collectorstromes mehr möglich, der Transistor ist so weit offen, wie es geht. Wird nun der Basisstrom weiter erhöht, wird der Transistor übersteuert. Arbeitet der Transistor als Schalter (also nur LED ein oder aus), ist dies meist in bestimmten Grenzen erwünscht um sicher zu stellen, dass der Collectorstrom sein Maximum erreicht hat. Allerdings sollte man das in Grenzen halten (einige %), um das Bauteil nicht zu zerstören.

Um so etwas genau abzustimmen, muss unbedingt das Datenblatt des entspr. Types zu Rate gezogen werden. Hier kann man anhand von Daten und Diagrammen ermitteln, ab welchem Basisstrom der Transistor leitend wird und wo sein Maximum liegt.

Innerhalb dieser Grenzen liegt dann der aussteuerbare Bereich. Das heißt, dass zwischen dem Punkt, ab dem der Transistor öffnet und dem, an dem er völlig leitend ist, jede Basisstromänderung eine Collectorstromänderung um den Faktor ‘B’ bewirkt. Dies wird u. a. beim Audioverstärker ausgenutzt, um mit einem schwachen Musiksignal (z.B. vom MP3 Player) einen großen Lautsprecher zum Schwingen zu bringen. Leider ist dazu noch einiges an weiterer Elektronik notwendig. Unter anderem deshalb, weil der Aussteuerbereich eines einzigen Transistors dazu viel zu gering ist.

Hier kommt dann auch die Spannung von der Basis zum Emitter zum tragen.

Schaltbild Transistor

Die Strecke Basis-> Emitter (B-E), kommt einer Diodenstrecke gleich. Dies bedeutet nun, das der Bereich, in dem der Transistor leitend wird, dort eine Spannung von ca. 0,6-0,7V benötigt. Darunter wird kein ausreichender Basisstrom fließen und der Transistor nicht arbeiten. Ein typischer Kleinsignaltransistor hat seinen Aussteuerbereich ca. bei 0,6-0,9V Spannung an B-E. Darunter leitet er nicht, darüber wird er übersteuert. Daran kann man vielleicht schon erkennen welcher Aufwand nötig werden kann, um einen Spannungsbereich von z.B. 0-2V auf 0-24V im Aussteuerbereich zu verstärken. Dazu kommt aber auch noch ein eigener Blogbeitrag :-D Zusätzlich muss man im Hinterkopf behalten, das kaum zwei identische Tranistoren auch absolut den gleichen ‘B’ besitzen. Oft wird schon im Datenblatt eine Toleranz für ‘B’ angegeben, z.B. 100-140. Durch die Exemplarstreuung ist dies nicht zu vermeiden. Will man also unbedingt so haargenau in diesem Bereich arbeiten, muss einiges an Abstimmmöglichkeiten geschaffen werden.

Im Modellbaubereich und der Digitaltechnik ist der Transistor aber zum Glück zu 99% als Schalter eingesetzt, an oder aus. Hier kommt man fast immer mit einfachen Faustformeln oder groben Überschlagsrechnungen aus.

Analog zum fließenden Wasser kann man sich ‘B’ als Größe des Schiebers in einem Wasserhahn vorstellen. Und auch hier ist es eben so, dass es keinen Sinn macht, den Hahn noch weiter zu öffnen, wenn der Wasserstrahl nicht mehr stärker werden kann. Umgekehrt eben kein Wasserfluss. wenn der Wasserhahn geschlossen ist.

Zum guten Schluss noch die Formel zur Collectorstromberechnung anhand von ‘B’:

IC=IB*B

  • IC=Collectorstrom
  • IB=Basisstrom
  • B=Verstärkungfaktor ‘B’

Eigentlich ja auch logisch:

Multipliziert man den Basisstrom mit ‘B’, bekommt man den Collectorstrom als Ergebnis.

 

Elektronik Tipps: Funktionsprinzip NPN Transistor

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Artikelbild Elektronik Tipps - www.michael-floessel.deDer Transistor

Mit den folgenden Zeilen will ich mal versuchen, die grundsätzliche Funktion des NPN Transistors zu beschreiben. Es ist zwar umstritten, zu Illustration halte ich mich dabei aber an das Wassermodell, es ist m. M. nach einer der besten Wege, die Arbeitsweise aufzuzeigen.

 

Das Wassermodell zeigt auf, wie sich ein Wasserkreislauf annähernd verhalten würde, wenn er mit den Funktionen eines elektronischen Bauelementes beeinflusst würde.

Einige Merkmale eines NPN-Transisitors (ohne Rücksicht auf Sonderbauformen!)

  • 3 Anschlussbeine, Basis, Collector, Emitter
  • Unterschiedlichste Bauformen
  • Reihenfolge der Anschlüsse nicht bei allen Typen gleich
  • Basis = Steueranschluss
  • Collector = positiver Anschluss
  • Emitter = negativer Anschluss, Gemeinsamer Bezugspunkt

Schaltbild Transistor

 

C = Collector

B = Basis

E = Emitter

 

 

Collector (oder Kollektor, in der Elektronik ist eben Englisch der Stand der Dinge :-) )

Der Sammler. In der Regel der Anschluss, an dem die zu steuernde Spannung zur Verfügung steht. Diese wird über die Funktion des Transistors beeinflusst.

Basis

Der Steueranschluss. Über eine hier angelegte Spannung, bzw. den resultierenden Strom, wird der Transistor veranlasst, mehr oder weniger Strom vom Collector kommend fließen zu lassen. Beim Silizium NPN Transistor i.d.R. um die 0,7V positiver als der Emitter, um einen Strom vom Collector kommend fließen zu lassen.

Emitter

Der Versender, besser Ausgang. Hier fließen die von der Basis und vom Collector kommenden Ströme zusammen. Bei vielen Messungen ist er auch der Bezugspunkt.

Funktionsprinzip 

Transistor_Beispiel

Einfache Transistorschaltung zur Ansteuerung einer LED.

 

 

 

 

 

Wie man im obigen Schaltbild erkennen kann, soll dieser Transistor eine LED Ein und Ausschalten können. An seinem Collectoranschluss liegt die volle Betriebsspannung, der Emitter liegt an der LED, soll also nach Masse (-) durchschalten. An der Basis liegt keine Spannung an, das Poti wäre auf Masse/0V eingestellt.

Gesperrter NPN Transistor

 

Im Wassermodell würde sich das so darstellen, dass der Wasserdruck zwar anliegt, durch die geschlossene Klappe aber nicht fließen kann.

 

 

 

Öffnender NPN Transistor

Würde man nun das Poti aufdrehen, läge über den Vorwiderstand eine gegenüber dem Emitter positive Spannung an. Bei ca. 0,7V würde der Transistor leiten, abhängig vom Typ.

Im Wassermodell würde auf die Basis ebenfalls Wasserdruck gegeben werden, die Klappe beginnt sich zu öffnen, das Wasser fließt.

Man verzeihe mir die Tatsache, dass die Druckverhältnisse im Bezug auf die Klappengröße nicht stimmen dürften :mrgreen: An dieser Stelle bitte beachten, dass im Gegensatz zum Wassermodell die Basis eines Transistors nur einen sehr viel geringeren Strom benötigt, als durch den Collector fließen kann. Dies ist eine der Grundvorraussetzungen, um mit einem kleinen Strom einen großen fließen lassen zu können ;-)

Trasnsistor offen

Irgendwann ist der Basisstrom so groß, dass der Transistor nicht mehr weiter öffnen kann. Er ist vollständig leitend. Eine weitere Erhöhung des Basisstromes hätte keine weitere Wirkung mehr, der Transistor würde übersteuert. Am Emitter fließen die Ströme von Basis und Collector zusammen. Wird der Strom über die Anschlüsse zu groß, wird das Beuteil zerstört. Die wichtigsten Größen finden sich im Datenblatt des jeweiligen Typs. Es gibt Transistoren für die verschiedensten Anwendungen, manche optimiert für das Schalten von Lasten, andere zur Verstärkung hoher Frequenzen und noch viele weitere.

In dem einfachen Beispiel oben arbeitet der Transistor als Schalter. Auf oder Zu. Wenn man den Steuerbereich der Basis sehr fein auswählt, kann er auch als Verstärker arbeiten. Eine (sehr) geringe Änderung des Basisstromes wird den Collectorstrom sofort in gleichem Sinne umgesetzt. Der Bereiche, in dem der Basistrom sich ändern muss, ist in sehr kleinen Grenzen gehalten. Hier spielt der Verstärkungsfaktor ‘B’ eine Rolle. Auf diesen gehe ich aber in einem seperaten Artikel ein. Zur Verständnis nehme ich aber mal vorweg, dass bei einem ‘B’ von 100, eine Änderung des Basistromes um 1 mA eine Änderung des Collectorstromes von 100mA zur Folge hätte usw.

 Das Prinzip mal in einer einfachen Animation:

Animation zum Funktionsprinzip des NPN Transistors - www.michael-floessel.de

 

Kleine Animation zu steigendem/sinkendem Kollektorstrom nach Anlegen der Basisspannung.

 

 

 

Mir ist klar, dass eine so einfache Beschreibung der Vorgänge weitere Fragen aufwirft und Details übergeht. Ich hoffe, in den demnächst folgenden Beispielen diese Punkte so gut wie möglich klären zu können.

Zum PNP-Transistor werde ich natürlich auch noch einen eigenen Beitrag schreiben. Aus Erfahrung weiß ich, dass dieser (warum auch immer… ;-) ) mehr Verständnissprobleme mit sich bringt. Ich habe nur gerade keine Idee, wie ich das umsetzen soll ;-) *kopfkratz*

 

Emails und Erklärungen zu elektronischen Bauteilen

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Artikelbild Elektronik Tipps - www.michael-floessel.deSo, nach ein paar Tagen Nachlässigkeit zu dem Thema, habe ich mir mal wieder die Nachrichten im Maileingang vorgenommen.Einiges ist wie immer der Rubrik ‘Vermischtes’ zuzuordnen, oben in der Liste stehen aber seit ein paar Wochen die Probleme rund um elektronische Bauteile, deren Einsatz und vor allem deren Funktion. Eien extremen Anstieg verzeichne ich nach dem ‘LED Lauflicht’ Artikel. Sehr viele Blogleser wollen doch mehr als eine LED pro Pin am µController betreiben, der PIC schafft das aber eben nicht bzw. kann/soll nicht so viel Strom liefern.

Ich kann sehr gut verstehen, dass der Frust riesig sein muss, wenn man mit viel Zeit und Mühe eine Schaltung aufgebaut hat und diese am Ende nicht funktioniert. Noch schlimmer, man hat richtig Geld investiert und das Ganze geht in Rauch auf. Ich mache einfach mal eine kleine Aufzählung der Topthemen, also der Probleme, die wenigstens zwei mal aufgeschlagen sind:

  • Transistor schaltet/arbeitet nicht
  • Richtigen Anschlusspin finden
  • Widerstand wird sehr warm
  • Diode blitzt nurkurz auf (1N4148,LED)
  • Elko bekommt dicke Backen/stinkt/wird warm
  • PIC/IC/xxx wird sehr warm
  • Spannung zu hoch, zu niedrig
  • Größeren Verbraucher mit Controller schalten
  • +/- umschalten ohne Schalter, Relais

Das Problem ist natürlich, dass man, um mit Elektronik arbeiten zu können, gewisse Kenntnisse haben muss, um erfolgreich selber nach Bedarf seine Schaltungen bauen zu können. Nun kann aber nicht jeder Modellbahner, Modellbauer, Hobbylöter etc. auch Elektroniker sein oder ‘mal eben’ eine Ausbildung nachschieben :-) Für die meisten elektronischen Eigenlösungen ist dies aber auch gar nicht nötig. Ein wenig technisches Interesse reicht oft aus.

Aus diesen Gründen werde ich versuchen, hier eine Art Mini-Bauteil-Kurs aufzubauen. Die grundlegenden Funktionen mit, wenn möglich, Tipps zur Fehlervermeidung und auch ein wenig Theorie. Ohne Anspruch auf Perfektion und wahrscheinlich auch mit Beispielen, die einem professionellen Ausbilder die Tränen in die Augen treiben könnten ;-) Es geht ja auch nicht darum, eine Prüfung mit diesem Wissen zu bestehen oder seinen Lebensunterhalt damit zu verdienen, es geht einfach darum, die Bauteile mit denen man werkeln möchte, ein wenig besser kennen zu lernen. Nebenbei findet man vielleicht auch einen Tipp, wie man ein Vorhaben realisieren könnte, das bisher nur an der der passenden Elektronik gescheitert ist. Alles nur im Bereich bis 24V, also nichts wirklich gefährliches. Trotzdem schon einmal der Hinweis: KLICK!

In vielen Büchern und auch während meiner Ausbildung startet das Thema Elektronik oft mit den physikalischen Grundlagen. Elektronen und Protonen, negatives und positives, geladenes und ungeladenes. Diese Dinge lasse ich aus! Wenn man nicht gerade sehr spezielle Vorhaben angehen möchte, spielt z.B. das Wissen über einen P/N Übergang keine große Rolle. Da soll ein Transistor schalten oder verstärken, eine Diode leiten oder sperren. In einigen Fällen geht es nicht ganz ohne Hintergrundtheorie, ich versuche dieses aber so kurz wie möglich zu halten. Wer verstärktes Interesse an der Elektronik verspürt, kann sich ja immer noch tiefer in die Materie einarbeiten, interessante Themen gibt es reichlich.

Die lose und ohne Reihenfolge auftretenden Beiträge kommen übrigens in die Rubrik ‘Tipps und Tricks’. Wie oft und umfangreich die Beiträge erscheinen werden weis ich noch nicht. Das erstellen der Artikel ist recht aufwändig, auch werden zu vielen Bauteilen mehrere Teilartikel erscheinen, manchmal ist es eben viel Stoff. Ich werde mit dem NPN Transistor beginnen und habe bei der Vorbereitung schon bemerkt, dass diese Themen nicht in 10 Minuten zu behandeln sind.

Bitte nehmt diesen Artikel auch als Ausgleich für die Antworten in den Mails, in denen nur ‘ich versuche mich darum zu kümmern‘ stand :mrgreen:

 

IrDiS – Part 1

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irdis logo

Ich habe vor einiger Zeit ja angekündigt, dass ich mal ein paar Worte zu IrDiS (Infrarot Distanz System) schreiben will. Wird wohl ein längerer Artikel :-) Ne, werden wohl mehrere, das fällt mir alles gar nicht auf einmal ein, was ich schreiben muss. Nebenbei werde ich wohl auch erst nach und nach das Material zusammenbekommen, um alles zu dokumentieren. Das sind Bilder, Schaltungen und auch Fehlschläge aus bisher 4 1/2 Jahren.

Die Idee

Vor ein paar Jahren bin ich in die Situation gekommen, dass eine Steuerung ein System benötigt wurde, welches in der Lage ist, eine beliebige Menge an 1:87 Fahrzeugen (LKW und PKW) auf eine bestimmte Strecke zu bringen. Grundsätzlich war das Faller Car System vorhanden, es solle aber möglich sein, die Menge der fahrenden Autos unabhängig von der Menge der vorhandenen Stoppspulen zu wählen.

Erste Ansätze mit bestehender Technik anderer Hersteller waren sehr erfolgreich, aus finanzieller Sicht (und auch anderen Gründen, die nichts mit der Qualität der Systeme zu tun haben) aber nicht in der Menge und auf längere Sicht einsetzbar. Es sollten letztendlich ca. 700 Modelle im Einsatz sein, also eine Menge, die eine eigene Entwicklung durchaus rechtfertigen.

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Spannungsabfall an Dioden/Kennlinien, elektronische Fehler und Fallen…

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Siliziumdioden

Es gibt so ein paar Sachen im Web, die mich einfach stören. Besonders dann, wenn man sich an gefundenen Informationen orientiert und dann falsche oder schlechte Ergebnisse erzielt. Nicht jeder muss Experte auf jedem Gebiet sein, geht auch gar nicht. Das schöne am WWW ist doch unter anderem, dass man schnell an Informationen kommen kann, ohne sich vorher Tagelang mit Ballast auseinandersetzen zu müssen, den man am Ende gar nicht benötigt. Um heraus zu finden, wieviel Öl mein Auto bekommt, muss ich kein KFZ-Mechaniker sein. Um den Zylinderkopf zu wechseln in der Regel aber schon, zumindest muss ich fundiertes Wissen besitzen.

Oft werden aber durch ‘Try & Error’ gewonnene Erkenntnisse als unumstößliche Tatsachen verkauft, ohne das wirklich die Funktion oder der eigentliche Vorgang verstanden wurde.

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Nochmal zu LEDs

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Grüne LED

Weil ich mitunter recht kuriose Mails zu dem Thema bekomme, noch ein paar kurze Sätze zur Ergänzung des LED Artikels, das Ganze im ‘FAQ’ Stil.

 

F:

Wie bekomme ich denn meine 2…3V an die LED, wenn doch der Widerstand davor ist?

A:

Hier handelt es sich um ein Verständnisproblem. Wenn ich nach dem Ohmschen Gesetz (U=R*I) den Vorwiderstand berechne, lege ich den Strom für die LED fest. Die entsprechende Spannung stellt sich quasi von alleine ein (Kennlinie Diode). Dabei hängt es von eben dieser Kennline ab, welche Spannung bei einem bestimmten Strom an der LED abfällt (bei einer grünen sind das eben typisch um 2V bei 15mA)! Habe ich nur eine Spannungsquelle von 1,5V, kann ich natürlich keine 2V an der LED erwarten. Stehen nur 12V zur Verfügung, werden bei richtiger Berechnung des Vorwiderstandes 10V am Widerstand, 2V an der LED abfallen. Je höher der durch den Widerstand festgelegte Maximalstrom, desto größer die Spannung an der LED. Ich bringe in den nächsten Tagen mal ein Beispiel zur Kennlinie ;-)

Grüne LED

F:

Ich habe eine 12V LED gekauft, welchen Vorwiderstand muss ich nehmen.

A:

Mir ist keine (Standard) LED bekannt, die in diesem Bereich arbeitet. Ich vermute, es ist schon ein Vorwiderstand irgendwo in der Leitung montiert. Es gibt auch Versionen, die einen Widerstand im Gehäuse integriert haben.

Grüne LED

F:

Kann ich eine LED direkt an 230V betreiben? Wie groß muss der Widerstand sein?

A:

Generell geht das, ja! Aber versuch das nicht nur mit einem Vorwiderstand, das reicht nicht aus! Und wenn Du nicht genau weißt, was Du da vorhast, LASS DAS SEIN! Finger weg von der Netzspannung, wenn Du kein ausgebildeter E-Fachmann bist!

Ich gebe hier keine Beispiele, wie solche ‘Steckdosenexperimente’ aussehen könnten, sorry!

Grüne LED

F:

Wenn ich mit dem Vorwiderstand 20mA festlege, wie viel verbraucht denn dann die LED?

A:

Wenn der Strom auf 20mA begrenzt ist, wird durch die LED nicht mehr fließen können. Oder habe ich die Frage falsch verstanden?

Grüne LED

F:

Wie lange hält eine LED?

A:

Bei korrekten Betriebsbedingungen 10 Jahre und länger. Hier kann bei Herstellern die etwas auf sich halten, auch das Datenblatt bzw. die Spezifizierung der Serie weiterhelfen. In der Regel fallen LEDs aber nicht plötzlich aus, sie werden langsam immer schwächer. Ausnahmen bestätigen die Regel ;-)

Grüne LED

 


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LED im KFZ

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Grüne LED

 

Da die meisten Anfragen zu LEDs sich um den Bereich Roller/Auto drehen, nochmal der Hinweis:

Rechnet mit mehr als 12V, gerade wenn Ihr an das Limit der LED wollt! Im KFZ treten beim Laden mehr als 12V auf, es kann auch zu Spannungsspitzen kommen, die wesentlich höher sind!

Mit 15V als Berechnungsgrundlage ist man recht gut bedient. Will man die LED auch vor höheren Spannungsspitzen schützen, reicht ein Vorwiderstand alleine aber nicht aus, da muss schon etwas mehr Elektronik her!

 


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