Transistorschaltung

English version.

Mit dem Arduino eine LED blinken zu lassen ist ja bereits ein alter Hut. Einen Optokoppler anzusteuern ist auch keine Neuigkeit mehr. Worauf will ich hier hinaus? Beide Arten ein externes Bauteil zu nutzen sind auf die Operationsspannung des Mikrocontrollers des Arduinos beschränkt: 5V.

Will man etwas anderes damit ansteuern, beispielsweise ein Elektromagnetventil, welches mit 12V Gleichspannung versorgt werden muss, so bedarf es einer anderen Lösung. Ein erster Ansatz wäre, ein Relais (oder eine bestehende Relais-Platine) zu nutzen.

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Relais.jpg

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Ein Relais ist im Grunde ein normaler Schalter. Nur dass das Schalten nicht per Hand, sondern durch eine Magnetspule durchgeführt wird. Dies hat den großen Vorteil, dass man mit relativ geringen Schaltspannungen hohe Spannungen und Ströme schalten kann.

Ein anderer Ansatz ist die Transistorschaltung. Ein Transistor ist dem Relais von der Idee her sehr ähnlich – höhere Spannungen mit geringeren zu schalten. Der physikalische Aufbau ist allerdings gänzlich anders.

Das Grundprinzip eines Transistors ist, dass man Ein- & Ausgang (Kollektor & Emitter) durch Potentialunterschiede voneinander trennt. Dies geschieht über die Schichten des Transistors (PNP oder NPN). Bringt man nun über die Basis eine Spannung in den Transistor, so wird dieser leitfähig. Man hat also einen Schalter ganz ohne bewegliche Teile geschaffen. Mehr über die Funktionsweise und über den Aufbau eines Transistors findet man hier.

Nun zum eigentlichen Teil: Der Anwendung.

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Die Komponenten

Die Anzahl der benötigten Teile für die Transistorschaltung ist überschaubar.

  • Arduino UNO/Nano
  • NPN-Transistor (TIP120)
  • Vorwiderstand für den Transistor (1 kΩ)
  • Gleichrichterdiode (1N4001)

 

Komponenten.jpg

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Zusätzlich möchte ich einen Button hinzufügen, mit dem man das Ventil softwareseitig öffnen oder schließen kann.

  • Pushbutton
  • Pull-Down Widerstand für den Button (10kΩ)

Die Schaltung

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Transistorschaltung_Steckplatine

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Auf dem Steckbrett wird das Ventil als Schubbolzen dargestellt. Das Prinzip von beiden Bauteilen ist jedoch das selbe.

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Transistorschaltung_Schaltplan

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Am Steckbrett und am Schaltplan lässt sich erkennen, dass der Transistor den selben Ground haben muss, wie der Controller. Ansonsten wäre der Schaltkreis ja nicht geschlossen. Weiters sieht man, dass das Arduino direkt mit den 12V vom Power-Plug über den Vin-Pin versorgt wird. Das hat den Vorteil, dass man keine zweite Spannungsquelle benötigt.

Beim Verdrahten muss man besonders darauf achten, dass man nun 2 verschiedene Spannungen hat. Die höhere Spannung von 12V darf sich niemals mit den 5V des Arduinos überschneiden.

Die Gleichrichterdiode

Wie bereits erwähnt, will ich ein Elektromagnetventil ansteuern. Dieses hat eine Spule, welche ein magnetisches Feld erzeugt, welches einen Eisenkern bewegt. Dieser öffnet/schließt das Ventil.

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Valve_G1_8

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Genau aus diesem Grund benötigt man hier eine Gleichrichterdiode. Es kann durchaus sein, dass sich in der Spule noch eine Restspannung befindet, die beim Ausschalten „zurückschlagen“ kann. Im ungünstigsten Fall könnte dies den Controller beschädigen. Durch die Verwendung der Diode kann man das verhindern. Man muss nur besonders auf die Einbaurichtung achten – Kurzschlussgefahr!

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Das Programm

Da das Programm äußert kurz ist, werde ich es direkt hier vorstellen, und nicht wie gehabt auf GitHub.

// In- & Outputs definieren
#define Transistor 2
#define Button 3
void setup()
{
    pinMode(Transistor, OUTPUT);
    pinMode(Button, INPUT);
    // Der TRansistor ist zu Beginn ausgeschaltet
    digitalWrite(Transistor, LOW);
}
void loop()
{
    digitalRead(Button) ? digitalWrite(Transistor, HIGH) : digitalWrite(Transistor, LOW);
    /* Die obige Zeile ersetzt die folgenden:
    if (digitalRead(Button))
        digitalWrite(Transistor, HIGH);
    else
        digitalWrite(TRansistor, LOW);
    */
}

Das Programm wartet bis der Knopf gedrückt wird. Ist dies passiert, so wird der Transistor geschalten.

Das war’s. So einfach und simpel kann man Geräte höherer Spannung schalten.

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5 Gedanken zu “Transistorschaltung

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