Anfängerübungen zu Tinkercad

Wenn dir der Quickstart-Guide zu Tinkercad zu schwierig ist, kannst du versuchen, dich mit diesen Anfängerübungen auf leichtere Weise an die Aufgaben heranzuarbeiten.

Eine Diode ist ein elektronisches Bauteil aus Halbleitermaterial. Sie besitzt 2 Pole (Anode und Kathode) und hat die Eigenschaft, abhängig von ihrer Beschaltung einen Strom entweder durchzulassen oder ihn zu blockieren. Es gilt:

• Positive Spannung an Anode → Diode leitet = Durchlassrichtung
• Positive Spannung an Kathode → Diode sperrt = Sperrrichtung

In Schaltplänen wird eine Diode stets mit dem hier abgebildeten Symbol dargestellt.

Durch den Längsstrich ist ersichtlich, wo sich die Kathode befindet. Manchmal sind die Anschlüsse aber auch noch durch die Buchstaben A (= Anode) und K (= Kathode) gekennzeichnet.

Auf dem Bauteil stehen jedoch keine Buchstaben, stattdessen ist der Kathoden-Anschluss normalerweise mit einem Ring markiert.

Dioden gibt es in unterschiedlichen Bauformen und mit verschiedenen Eigenschaften. Für die nachfolgende Übungsaufgabe wird eine Standarddiode verwendet.

Bauen Sie in Tinkercad die folgende Schaltung nach und fügen eine Diode hinzu. Verbinden Sie anschließend alle Bauteile so, dass die Glühbirne in der Simulation leuchtet.

Leuchtdioden (Light Emitting Diode = LED) sind Dioden, die Licht abgeben. Dieses Licht kann sichtbar (z.B. grün, gelb, rot) oder unsichtbar (Infrarot oder Ultraviolett) sein und wird in Durchlassrichtung erzeugt. Die Lichtstärke ist dabei proportional abhängig vom Durchlassstrom, d.h. je höher der Strom, desto mehr leuchtet die LED.

Auch bei Leuchtdioden muss man auf die Polung achten. Wie bei normalen Dioden ist im Schaltplan die Kathode durch einen Längsstrich gekennzeichnet.

Bei normalen LEDs sind die Anschlüsse durch unterschiedliche Längen der Bauteildrähte ersichtlich. Es ist auch möglich, die entsprechende Polung durch den Innenaufbau der Leuchtdiode zu erkennen.

Leuchtdioden werden aus unterschiedlichen Materialen und für verschiedene Lichtfarben hergestellt. Dadurch sind die Grenzwerte für Durchlass-Spannung und –Strom nicht für alle Arten gleich. Beim Einsatz von Leuchtdioden ist deshalb Vorsicht geboten, denn sie können bei zu großer Spannung bzw. zu hohem Strom sehr leicht kaputt gehen. Darum sollte man sie immer mit einem Vorwiderstand betreiben. Dieser ist nicht beliebig, sondern abhängig von der verwendeten Versorgungsspannung (UV), Durchlassspannung (UL) und Durchlassstrom (IL) der LED sowie der gewünschten Leuchtstärke. Durchlass-Spannung und –Strom erfährt man normalerweise aus dem zugehörigen Datenblatt, für Standardleuchtdioden kann man aber einen Spannungswert von 2V und für den Strom maximal 20mA annehmen. Aus diesen Angaben lässt sich dann gemäß dem Ohmschen Gesetz der Vorwiderstand berechnen.

R = (U[Versorgung] - U[Durchlass]) / I[Durchlass]

In den vielen Fällen kann dieser Wert nicht direkt benutzt werden, da es die meisten Widerstände nur mit bestimmten Bauteilwerten gibt. Daher nimmt man einen Widerstand, der einen ähnlichen Bauteilwert hat. Beispiel:

Berechneter Widerstandswert = 205 Ohm → Bauteilwert = 210 Ohm

Bauen Sie in Tinkercad die folgende Schaltung nach und starten Sie die Simulation.

• Notieren Sie, was passiert.
• Korrigieren Sie die obige Schaltung so, dass die Leuchtdiode leuchtet. Beschreiben Sie nachfolgend, was hierfür zu tun ist.
• Wie kann die Leuchtstärke der LED deutlich verringert werden? Testen Sie die Antwort an mindestens 2 Beispielen und notieren Sie das Ergebnis.
• Die Schaltung soll nun wieder den Zustand aus Aufgabe b) haben. Fügen Sie dann ein Potentiometer (Bauteilwert: 10kOhm) hinzu und verdrahten es, wie auf dem folgenden Ausschnitt zu sehen ist.
  
  
  
  Testen Sie in der Simulation, was passiert, wenn die Kerbe des Potentiometers ihre Position ändert und notieren Sie das Ergebnis.

• Gehen Sie zunächst zurück auf das Dashboard (→ Symbol ) und fahren mit dem Mauszeiger über Ihre eben erstellte Schaltung. Klicken Sie auf das Zahnrad-Symbol und wählen den Menüpunkt „Duplizieren“.
• Erweitern Sie die duplizierte Schaltung so, dass nun zusätzlich eine grüne LED leuchtet.
• Verbinden Sie das Potentiometer mit der Batterie und den LEDs so, wie es auf dem nachfolgenden Ausschnitt gezeigt wird.
  
  
  
  Verändern Sie in der Simulation die Position der Kerbe und notieren, was passiert.
• Testen Sie die Schaltung nun mit höheren Werten für das Potentiometer. Was passiert?

Schalter und Taster dienen dazu, eine elektrische Verbindung herzustellen oder sie zu trennen. Während Schalter dafür sorgen, dass eine Verbindung entweder dauerhaft geschlossen bzw. geöffnet ist, ist bei Tastern der jeweilige Zustand nur so lange aktiv, solange der Taster gedrückt wird. In den meisten Anwendungsfällen werden diese Bauelemente manuell betätigt. Es gibt jedoch auch Schalter, die durch externe Auslöser gesteuert werden können. Beispiele hierfür sind Reed-Kontakte, welche von einem Magnetfeld aktiviert bzw. deaktiviert werden oder Schwimmerschalter, die auf bestimmte Pegel in einer Flüssigkeit reagieren. Schalter und Taster gibt es in unterschiedlichen Bauformen und mit verschiedenen Eigenschaften. Die nachfolgende Übungsaufgabe demonstriert das generelle Verhalten der beiden Bauelemente bei manueller Betätigung.

• Legen Sie in Tinkercad einen neuen Schaltkreis an und wählen Sie beim Komponentenmenü die Option „Starter/Einfach“ aus. Fügen Sie nun die Schaltung „LED-Schalter“ hinzu und testen in der Simulation, welche Auswirkung die Position des Schalters auf die LED hat. Notieren Sie sich das Ergebnis.
• Fügen Sie nun einen weiteren „LED-Schalter“ hinzu und ändern diesen so ab, wie es auf dem nachfolgenden Bild zu sehen ist:
  
  
  
  Testen Sie in der Simulation das Verhalten der LED, sobald der Taster betätigt wird. Variieren Sie dazu auch die Betätigungsdauer. Notieren Sie sich das Ergebnis.

• Testen Sie nun in der Simulation, welche Wirkung der Taster hat, wenn er wie folgt angeschlossen ist:
  
  
  
  Notieren Sie sich das Ergebnis.

Sensoren sind Bauelemente oder Schaltungen, die die Aufgabe haben, ein nichtelektrisches Eingangssignal in ein elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln. Die Umwandlung von nichtelektrischen Größen (z.B. Temperatur, Beleuchtungsstärke, Kraft, magnetische Feldstärke) in Spannungen bzw. Stromstärke wird genutzt, um physikalische Größen zu messen, Anlagen zu steuern oder Räume und Anlagen zu überwachen. Je nachdem, welche nichtelektrischen physikalischen Größen die Sensoren beeinflussen, unterscheidet man z.B. zwischen Temperatursensoren, optischen Sensoren, Kraftsensoren oder Magnetfeldsensoren.

Überblick über häufig eingesetzte Sensortypen mit Beispielen zu Einsatzgebieten:

• Temperatursensoren:
  Überwachung Raumtemperatur in Serverräumen, Messung der Wassertemperatur in Warmwasserspeichern, Schwimmbädern etc.
• Ultraschallsensoren:
  Messung der Distanz zw. Sensor und Objekten oder Personen, Erfassung von Füllständen in geschlossenen Behältern
• Präsenzmelder:
  Einschalten von Beleuchtung, Alarmsysteme
• Feuchtigkeitssensoren:
  Messung der Bodenfeuchtigkeit in Gärtnereien, Wandfeuchte in Gebäude
• CO2-Sensoren:
  Überwachung der Raumluftqualität, Qualitätskontrolle in der Lebensmittelindustrie
• Kraftsensoren:
  Dazu gehören z.B. Drucksensoren, die mechanische Drücke messen

Bei Sensoren unterscheidet man zw. Sensorelementen und Sensorsystemen. Sensorelemente sind in der Regel direkt an das Auswertesystems (z.B. Mikrocontroller) angeschlossen, dagegen erfolgt der Zugriff auf die Werte bei Sensorsystemen stets über eine Schnittstelle. Diese Schnittstellen können drahtgebunden (z.B. I2C, SPI) oder drahtlos (z.B. Bluetooth, WLAN, LoRa) sein.

Die nachfolgenden Übungsaufgaben demonstrieren das Verhalten ausgewählter Sensoren in bestimmten Situationen. Details zum Funktionsprinzip des jeweiligen Sensors finden Sie im Internet.

Legen Sie in Tinkercad einen neuen Schaltkreis an und wählen beim Komponentenmenü die Option „Starter/Einfach“ aus. Fügen Sie nun die Schaltung „Temperatursensor“ hinzu. Starten Sie die Simulation und testen Sie folgende Szenarien:

• Anzeige Display (= Multimeter): Modus Spannung
  Wie verändern sich die Werte auf dem Display, wenn der Schieberegler für den Temperatursensor bewegt wird?
• Anzeige Display: Modus Stromstärke
  Wie verändern sich die Werte auf dem Display, wenn der Schieberegler für den Temperatursensor in diesem Modus bewegt wird?
• Anzeige Display: Modus Widerstand
  Wie ändern sich in diesem Fall die Werte auf dem Display, wenn der Schieberegler für den Temperatursensor bewegt wird?

Vergleichen Sie nun die Ergebnisse miteinander und notieren Sie, welche Messmethode die sinnvollste ist. Begründen Sie Ihre Antwort!

Legen Sie in Tinkercad einen neuen Schaltkreis an und wählen unter Komponenten → „Starter/Einfach“ die Schaltung „PIR-Sensor“ aus. Drehen Sie vor dem Ablegen des Schaltkreises diesen mit Hilfe der Taste „R“ so, dass folgende Darstellung entsteht:



Starten Sie nun die Simulation und klicken auf den Sensor. Beobachten Sie das Verhalten der LED und des Sensors. Was passiert, wenn der Punkt bewegt wird bzw. „still steht“?

Aktoren sind das Gegenstück zu Sensoren, denn hier wird ein elektrisches Signal in mechanische Energie (z.B. Bewegung) oder eine andere physikalische Größe (z.B. Licht, Druck) umgewandelt. Die eigentliche Aktion des Aktors nennt man Aktorik.

Überblick über häufig eingesetzte Aktortypen mit Beispielen zu Einsatzgebieten:

• Gleichstrommotoren:
  Setzen elektrische Energie in eine Drehbewegung um, wobei die Drehzahl abhängig von der angelegten Spannung ist. Können je nach Bauweise auch als Gleichstromgenerator arbeiten. Einsatzgebiete sind z.B. Aufzüge oder Haushaltsgeräte wie Fön oder Bohrmaschine.
• Schrittmotoren:
  Drehen sich nicht kontinuierlich, sondern vollziehen ihre Drehbewegung in Schritten und lassen sich daher sehr genau steuern. Kommen in allen Arten von Druckern oder in der Robotertechnik zum Einsatz.
• Servomotoren:
  Hier handelt es sich um Motoren, die eine Regelelektronik, sogenannte Servoregler, enthalten und somit sehr präzise gesteuert werden können. Mit Hilfe dieses Reglers kann anhand einstellbarer Sollparameter das Verhalten des Motors überwacht und gegebenenfalls angepasst werden. Servomotoren gibt es in vielen verschiedenen Bauarten, weshalb sie sehr flexibel einsetzbar sind. Einsatzgebiete sind z.B. Robotertechnik, Förderbänder, Werkzeugmaschinen, aber auch der medizinische Bereich, beispielsweise als motorgestützte Gehhilfe (→ Exoskelett).
• Relais:
  Das Relais ist ein elektromagnetisches Gerät und funktioniert prinzipiell wie ein Schalter: Es wird durch einen elektrischen Schaltkreis gesteuert, um andere unabhängige elektrische Schaltkreise zu öffnen oder zu schließen. Allen gemeinsam ist die Unterscheidung in zwei Spannungen: die Steuer- und die Schaltspannung. Die Steuerspannung definiert das Auslösen des Schaltvorgangs anhand eines minimalen und maximalen Werts. Welche Spannungen im Schaltkreis anliegen dürfen, bestimmt die Schaltspannung, die ebenfalls nach minimalen und maximalen Werten unterteilt ist. Da Relais in der Lage sind, einen Ausgangskreis mit größerer Leistung als im Eingangskreis zu steuern, lassen sie sich im weitesten Sinn als „elektrische Verstärker“ betrachten. Als solche wurden sie denn auch in der Telegrafie eingesetzt und fungierten als Repeater, die aus einem schwachen Signal mit Strom aus lokalen Batterien ein neues und starkes Signal erzeugten.
  Zu den Haupteinsatzgebieten eines Relais gehört die Energietechnik, jedoch werden sie dort „Schütz“ genannt. In der KFZ-Technik werden sie beispielsweise in Verbindung mit klassischen Zündschlössern eingesetzt oder um Verbraucher wie Scheibenheizungen einzuschalten.

Die nachfolgenden Übungsaufgaben demonstrieren das Verhalten ausgewählter Aktoren in bestimmten Situationen. Details zum Funktionsprinzip des jeweiligen Aktors bzw. Sensors finden Sie im Internet.

Legen Sie in Tinkercad einen neuen Schaltkreis an und wählen unter Komponenten → „Starter/Einfach“ die Schaltung „Gleichstrommotor“ aus. Testen Sie in der Simulation, wie sich der Motor verhält, wenn sich der Lichteinfall auf den Fotowiderstand ändert. Notieren Sie sich das Ergebnis und begründen es!

Legen Sie in Tinkercad einen neuen Schaltkreis an und wählen unter Komponenten → „Starter/Arduino“ die Schaltung „Servo“ aus. Starten Sie die Simulation und beobachten das Verhalten des Motors. Mit Hilfe der Schaltfläche „Code“ können Sie sich das zugehörige Programm anschauen. Wählen Sie hierfür die Darstellung „Text“.

Das folgende Tutorial demonstriert das Verhalten eines Relais:
https://community.element14.com/products/arduino/arduino-projects/b/blog/posts/tinkercad-tutorial-2-arduino-relay-activated-lamp

• Bauen Sie zunächst in Tinkercad die verwendete Schaltung nach. Anstelle der „Programmierung“ über die Codeblöcke können Sie auch direkt den folgenden Code im Bereich „Text“ eingeben:
  

  Code.txt

  void setup()
  {
    pinMode(A0, INPUT);
    Serial.begin(9600);
    pinMode(4, OUTPUT);
  }
   
  void loop()
  {
    Serial.println(analogRead(A0));
    if (analogRead(A0) > 500) 
    {
      digitalWrite(4, LOW);
    } 
    else 
    {
      digitalWrite(4, HIGH);
    }
    delay(10); 
  }

• Duplizieren Sie die obige Schaltung und bauen Sie sie so um, dass immer dann die Lampe leuchtet, wenn der PIR-Sensor eine „Person“ erfasst. Testen Sie die Schaltung mit folgendem Programmcode:
  

  Code2.txt

  void setup()
  {
    pinMode(8, INPUT);
    pinMode(4, OUTPUT);
  }
   
  void loop()
  {
    int s = digitalRead(8);
    if (s == HIGH)
    {
      digitalWrite(4, LOW);
    }
    else
    {
      digitalWrite(4, HIGH);
    }
  }