Abb. 4: Eine Spannungsversorgung mit einem Steckernetzteil
Außerdem gibt es noch einen Pin mit dem Namen Vin, der ebenfalls zur Spannungsversorgung genutzt werden kann. Detailinformationen sind unter den folgenden Adressen zu finden:
http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno
http://playground.arduino.cc/Learning/WhatAdapter
Grundbegriffe verstehen
Apropos Spannungsversorgung. Was ist eigentlich Spannung und wie kommt sie zustande? Wir haben auch noch nicht über Strom gesprochen. Du kannst jetzt deine Elektronikgrundkenntnisse auffrischen, das kann dir mehr Möglichkeiten mit deinem Arduino eröffnen.
Physikalische Größen
Da ohne eine vorhandene Spannung elektrische Geräte nichts weiter sind als nutzlose Elektrogeräte, möchte ich auf die physikalischen Größen kurz eingehen. Zu den physikalischen oder auch elektrischen Grundgrößen gehören vor allem die elektrische Spannung, der elektrische Strom, der elektrische Widerstand und die elektrische Ladung. Um mit deinem Arduino eigene Projekte bauen zu können und sie nicht nur nachzubauen, ist es wichtig, den Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und Widerstand zu verstehen. Da dies kein Elektroniklehrbuch ist, sondern ein praxisbezogenes Arduino-Buch, kann ich dies nur kurz anreißen. Falls dahingehend Interesse besteht, verweise ich auf mein Buch Elektronik verstehen durch spannende Experimente – Analog- und Digitaltechnik, ISBN 978-3-946496-23-6, das die Grundlagen der Elektronik vertiefend darstellt.
Was ist Spannung?
Alle uns umgebenden Materialien – fest, flüssig oder gasförmig – bestehen aus Atomen. Ein einzelnes Atom ist aus einem Atomkern und einer Atomhülle zusammengesetzt, wobei der Atomkern aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen besteht. In der Atomhülle flitzen die negativ geladenen Elektronen um den Kern herum. Ist die Anzahl der Elektronen gleichmäßig verteilt, dann bemerken wir hinsichtlich einer elektrischen Erscheinung eigentlich nichts. Wir merken erst etwas, wenn das elektrische Gleichgewicht in irgendeiner Weise gestört wird. Werden zum Beispiel einem Körper diese negativen Ladungsträger, die durch die Elektronen repräsentiert werden, entzogen und einem anderen Körper zugeführt, dann besteht zwischen den beiden Körpern ein elektrischer Zustand, der das vormals vorhandene Ladungsgleichgewicht aufgehoben hat. Je größer dieses Ungleichgewicht, desto größer auch der elektrische Zustand.
Das ist vergleichbar mit zwei Menschen, die unterschiedlicher Ansicht sind und zwischen denen sich aus diesem Grund eine bestimmte Spannung aufbaut. Je größer die Differenzen, desto größer auch die Spannung. Und somit wurde der erste Aspekt eines elektrischen Zustandes zur Sprache gebracht: die elektrische Spannung.
Bei der genannten Trennung der Ladungen handelt es sich um einen ruhenden, also statischen Zustand, denn es bewegt sich nach der Trennung der Ladungsträger nichts. Die vorherrschende Spannung kann gemessen werden. Die Einheit für die Spannung lautet Volt und wird mit dem Buchstaben V abgekürzt.
So weit so gut, doch was nützt einem dieser Ladungsunterschied, der eine bestimmte Spannung repräsentiert? Der statische Zustand ändert sich schlagartig, wenn zwischen den beiden Körpern eine mehr oder weniger leitende Verbindung hergestellt wird, die die Elektronen überbrücken können. Das kann durch die unterschiedlichsten Materialien wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium oder Silber erfolgen.
Auf der folgenden Abbildung 5 ist auf der linken Seite eine gleichmäßige Verteilung von negativen und positiven Ladungsträgern zu sehen. Beide liegen in einem ausgewogenen Verhältnis vor und aus diesem Grund gibt es keinen Potentialunterschied und keine Spannung. Im Gegensatz dazu sind auf der rechten Seite die Ladungsträger getrennt. Die linke Seite wird von den negativen, die rechte von den positiven Ladungsträgern dominiert. Dieser Potentialunterschied führt zu einer Spannung.
Abb. 5: Wann liegt eine Spannung vor?
Ein etabliertes Ladungsungleichgewicht hat stets das Bestreben, einen Ausgleich herbeizuführen und die Elektronen wandern bei einer Verbindung von einem zum anderen Körper, wobei die Wanderung vom Elektronenüberschuss zum Elektronenmangel erfolgt. Erst, wenn diese Möglichkeit gegeben ist, kommt es zu einem Stromfluss, wie das auf der folgenden Abbildung 6 zu sehen ist:
Abb. 6: Ein Stromfluss kommt zustande.
Sicherlich hast du schon einmal davon gehört, dass es unterschiedliche Spannungsformen gibt, die sich Gleich- und Wechselspannung nennen. Auf der folgenden Abbildung 7 sind diese Spannungsformen im zeitlichen Verlauf zu sehen, wobei das Arduino-Board mit Gleichspannung betrieben wird. Diese Spannungsform – es wird auch von Stromform gesprochen – hat die Eigenschaft, dass sich Stärke und Richtung nicht ändern. Gleichspannung beziehungsweise Gleichstrom wird mit den Buchstaben DC für Direct Current bezeichnet. Im Gegensatz dazu gibt es noch den Wechselstrom, der mit AC für Alternating Current bezeichnet wird. Die Rockgruppe ACDC hat daher übrigens auch ihren Namen. Beide Formen sehen wir auf der folgenden Abbildung 7:
Abb. 7: Gleich- und Wechselspannung
Bei Gleichstrom ändert sich die Höhe der Spannung U nicht, wobei der Wechselstrom die Charakteristik hat, dass die Spannung U zwischen einem positiven und negativen Grenzwert hin- und herpendelt. Es handelt sich hierbei um einen sinusförmigen Verlauf.
Was ist Strom?
Nun hast du schon gehört, dass bei einer vorhandenen Spannung ein elektrischer Strom fließen kann. Doch was ist elektrischer Strom überhaupt? Was passiert in einem leitenden Material wie zum Beispiel Kupfer, wenn Strom hindurchfließt? Durch das Anlegen einer Spannung und dem damit einhergehenden Potentialunterschied werden die auf der äußersten Schale von Atomen vorhandenen Elektronen herausgelöst und wandern als freie Elektronen wie eine Wolke durch das Material. Das passiert deswegen, weil durch das Herauslösen der freien Elektronen ein Atom zu einem sogenannten Ion wird. Ein Ion ist dabei ein Atom mit einem Ungleichgewicht zwischen Elektronen und Protonen. Das Atom ist dann nach außen hin nicht mehr neutral. Ein herausgelöstes Elektron hinterlässt also eine Lücke im Atomverbund, die dann durch ein anderes freies Elektron wieder gefüllt werden kann.
Dieser Prozess des Herauslösens und Wiederauffüllens der Lücken durch die Elektronen wird als elektrischer Strom bezeichnet. Auf den beiden folgenden Abbildungen ist der Stromfluss durch einen Leiter zu sehen. Dabei spielen der Querschnitt des Leiters und der zu beobachtende Zeitabschnitt zur Strommessung eine entscheidende Rolle. In der ersten Abbildung sind pro markierten Abschnitt ganze sechs Elektronen zu sehen. Nicht viel, wie später noch zu sehen ist, aber das spielt auch im Moment eine untergeordnete Rolle.