Sternbildbox (eine lichtempfindliche Leuchtbox) [KSR Wiki]

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===== Sternbildbox (eine lichtempfindliche Leuchtbox) =====

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== Lernziele: ==
Bei diesem Projekt lernst du wichtige elektronische Bauteile wie Transistoren und LEDs kennen.  Du lernst auch, wie du diese Bauteile in elektronischen Schaltungen nutzen kannst. Ausserdem lernst wichtige Feritigkeiten, die du brauchst, um Elektronikprojekte zum Laufen zu bringen: Diese sind:
  * Schaltungen zeichnnen.
  * Schaltungen auf Breadboars aufbauen, testen, verbessern. 
  * Schaltungen auf Standard-Leiterplatten aufbauen; bestücken, verdrahten, löten.
  * Fehler in Schaltungen suchen, finden und beheben.
  * Mechanische Teile wie z.B. Gehäuse zeichnen und bearbeiten. 
  * Lasercutter nutzen.

=== Aufgabe 1 – Schaltung für lichtempfindliche LED aufbauen und testen ===
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  - Betrachte obige Schaltung und überlege, wie sie funktionieren könnte.
  - Sammle alle Bauteile, die du zum Aufbau der Schaltung benötigst. Als Transistor nehmen wir den Baustein IRF610, [[https://www.vishay.com/docs/91023/irf610.pdf|hier das Datenblatt.]]
  - Platziere alle Bauteile auf dem Breadbord übersichtlich und für dich sinnvoll.
  - Verbinde die Bauteile gemäss Schaltplan.
    - Nutze möglichst wenige Verbindungsstücke.
    - Streiche jede Verbindung durch, wenn du sie auf dem Breaboard gesteckt hast.
  - Teste die Schaltung: Die LED sollte heller leuchten, wenn es dunkler wird. Mit dem Poti stellst du die Empfindlichkeit des LDRs ein.
=== Aufgabe 2 – Mit dem Multimeter messen lernen ===
Bei dieser Aufgabe lernst du das Multimeter kennen. Informiere dich zunächst hier: [[talit:electronics:multimeter|]]

== Spannungen in der Reihenschaltung messen ==
  - Zeichne einen einfachen Stromkreis mit Vorwiderstand und LED und baue ihn auf. Als Spannungsquelle nimmst du ein Labornetzgerät, das du auf 5 Volt einstellst. 
  - Messe und notiere folgende drei Spannungen: Über der Spannungsquelle, über der LED und über dem Widerstand. 
    - Du kannst feststellen, dass sich die Spannung von der Spannungsquelle auf die beiden Verbraucher aufteilt. Die Summe der Spannungen über den Verbrauchern entspricht der Spannung über der Quelle.
== Ströme (und Spannungen) in der Parallelschaltung messen ==
  - Zeichne nun eine Parallelschaltung: Vom Pluspol der Spannungsquelle geht eine Leitung nach oben, dann horizontal nach rechts. Von dieser horizontalen Linie gehen zwei Zweige nach unten. Jeder Zweig führt zu einem Widerstand und von da zu einer LED. Die Kathoden (Minuspole) beider LEDs führen dann zusammen und zum Minuspol der Spannungsquelle.
  - Baue die Schaltung auf.
  - Messe und notiere folgende drei Ströme: Der Strom, der aus der Spannungsquelle hinausfliesst, der Strom im ersten Zweig und der Strom im zweigen Zweig.
    - Du kannst feststellen, dass sich der Strom auf die beiden Zweige aufteilt. Die Summer der Ströme in beiden Zweigen entspricht dem Strom, der aus der Spannungsquelle hinaus (und wieder hinein) fliesst.
  - Messe auch die Spannung über beiden Zweigen.
    - Du kannst feststellen, dass sie überall gleich ist: Du misst ja auch (elektrisch betrachtet) immer an den selben Punkten.

== Durchgang messen == 
  - Trenne deine Schaltung von der Spannungsquelle.
  - Messe den Durchgang zwischen beliebigen Punkten: Überlege immer zuerst, ob es piepen sollte oder nicht.

== Widerstand messen ==
  - Die Lehrperson soll dir fünf Widerstände geben. 
  - Finde über den Farbcode den Widerstandswert jedes Widerstands heraus. 
  - Messse jeden Widerstand und prüfe damit, ob du den Farbcode richtig lesen kannst.



=== Aufgabe 3 – Schaltung für lichtempfindliche LED messen und verstehen ===

== Der Spannungsteiler aus Poti und LDR ==
  - Baue die Schaltung aus Aufgabe 1 erneut auf. Aber erstmal nur mit Poti und LDR: Alles rechts davon lässt du weg. 
  - Die Schaltung, die du jetzt hast, ist ein **Spannungsteiler**: Die Spannung von der Quelle teilt sich auf: Ein Teil der Spannung fällt über dem Poti ab, der andere über dem Widerstand:
    - Je grösser der Widerstand, desto grösser die Spannung darüber. Sind beide Widerstände gleich gross, so teilt sich die Spannung im Verhältnis 1:1.
  - Stelle das Poti etwa auf Mittelstellung. Der LDR sollte am Licht sein. 
  - Messe die Spannung über dem LDR. Verdunkle dann den LDR z.B. mit dem Deckel eines Filzstifts.
    - Du kannst feststellen, dass die Spannung über den LDR zunimmt. Also verändert sich der Widerstand des LDRs wie folgt: Je dunkler es wird, desto ... ist der Widerstand.
  - Setzt den LDR wieder dem Licht aus und messe weiterhin die Spannung darüber.
  - Drehe am Potentiometer und beobachte die Spannung.
    - Du kannst feststellen, dass die Spannung über dem LDR sich ändert. Weshalb? Überlege und notiere eine Erklärung. Besprich sie mit der Lehrperson.

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== Der Rest: Transistor schaltet LED ==
  - Ergänze nun den restlichen Teil der Schaltung und teste sie, sodass sie funktionert. 
  - Um die Schaltung zu verstehen, folgst du diesen Überlegungen/Schritten:
    - Decke den linken der Schaltung (den Spannungsteiler) mit der Hand ab: Du siehst einen Stromkreis: Oben geht der Pluspol weg, unten der Minuspol und in der Mitte eine weitere Leitung.
    - Der Transistor ist ein //elektronischer// Schalter: Sobald eine ausreichend Spannung an seinem Gate anliegt, werden Drain und Source verbunden. Wenn die Spannung am Gate zu niedrig ist, bleiben Drain und Source getrennt.
    - Der Transistor ist ein //dynamischer// Schalter: Je grösser die Spannung am Gate, desto besser leitet die Verbindung zwischen Drain und Source (desto geringer der Widerstand zwischen Drain und Source). 
  - Messe und notiere nun die Spannung am Gate des Transistors, wenn der LDR gut beleuchtet ist und wenn er gut verdunkelt ist.
  - Verstehst du die Schaltung? Besprich deine Erklärung mit der Lehrperson.

=== Aufgabe 4 – Sternbild suchen und Schaltung erweitern ===
  - Lasse deine funktionierende Schaltung für die lichtempfindliche LED aufgebaut. 
  - Suche im Internet nach dem Sternbild deiner Wahl. Das Bild dient später zum "durchpausen", es muss also bloss die Sterne, evtl. deren relative Grösse und die Verbindungen dazwischen enthalten. Speichere das Bild, am besten in einem neu erstellten Projektordner ("Sternbildbox"), sodass du es später wieder findest. 
  - Überlege, welche Sterne du mit welchen LEDs darstellen willst. Du hast folgende Auswahl:
    - Farben: blau, grün, rot, gelb, weiss
    - Grössen: 5mm und 3mm
  - Sammle die LEDs, fülle sie in eine kleine Plastiktüte und beschrifte diese mit deinem Namen.
  - Erweitere deine Schaltung, sodass alle LEDs leuchten, wenn es dunkel wird:
    - Schalte jede LED **mit separaten Vorwiderstand parallel** zum bestehenden Zweig aus Vorwiderstand und LED.
    - Tipp: Da alle Vorwiderstände mit dem Pluspol verbunden sind: Nutze die Pluspol-Querleitung auf deinem Breadboard und ordne alle LEDs und Widerstände parallel an. 
    - Über die Vorwiderstände kannst du die Helligkeit der LEDs beeinflussen: Je grösser der Widerstand, desto dunkler leuchtet die LED. Beginne mit einem Widerstand von ca. 150 bis 330 Ω. Teste im dunklen Raum und passe die Widerstände evtl. an.
    - Rote oder grüne LEDs benötigen ca. 2 V, damit sie schön leuchten, blaue und weisse ca. 2.3 bis 2.5 V. Siehe Diagramm unten.
  - Ergänze die Schaltung um einen Schalter, mit dem du die gesamte Schaltung ein- und ausschalten kannst.
  - Zeige die funktionierende Schaltung der Lehrperson. Danach räumst du das Breadboard ab und behältst nur folgende Bauteile: 
    - alle LEDs und Vorwiderstände, Poti, Transistor, Widerstand vor Transitor-Gate.

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=== Aufgabe 5 – Sternbildbox zeichnen, Teil 1 ===
Für die Box verwenden wir den Lasercutter: Dieser schneidet die einzelnen Wände aus Sperrholz aus, sodass wir sie anschliessend zusammenstecken können.
  - Generiere auf [[https://www.festi.info/boxes.py]] eine SVG-Zeichnung für deine Box und speichere die SVG-Datei in einem Ordner für dieses Projekt.
    - **Als Wandstärke (thickness) gibst du 4mm ein.**
    - Bestimme Breite, Tiefe und Höhe der Box grosszügig: Du brauchst später ausreichend Platz für die Verdrahtung im Innern der Box!
    - [[https://www.festi.info/boxes.py/BasedBox?FingerJoint_angle=90.0&FingerJoint_style=rectangular&FingerJoint_surroundingspaces=2.0&FingerJoint_edge_width=1.0&FingerJoint_extra_length=0.0&FingerJoint_finger=2.0&FingerJoint_play=0.0&FingerJoint_space=2.0&FingerJoint_width=1.0&x=120&y=80&h=60&outside=0&thickness=4&format=svg&tabs=0.0&debug=0&labels=0&labels=1&reference=100&inner_corners=loop&burn=0.1&render=0|Dies sind die Einstellungen]] einer bereits gebauten Box.
  - Installiere[[https://flux3dp.com/downloads/|Beam Studio]], die App für den Lasercutter.
  - In Beam Studio: Öffne die auf boxes.py erstellte SVG-Datei:
    - Ctrl + O, dann Option "Single Layer"/"Einzelne Schicht" wählen. 
    - Auf der rechten Seite"Dissassemble"/"Zerlegen" klicken und bestätigen.
  - Lösche aus der bestehenden Zeichnung, was du nicht brauchst. Zum Beispiel die Texte. Evtl. musst du erst die Gruppierungen aufheben.
  - Nenne die aktuelle Ebene um, zum Beispiel in "Walls", und erstelle zwei neue Ebenen: Eine für die Ausschnitte ("Cutouts") und eine für die Lasergravur ("Engraving"). 
  - Erstelle eine zusätzliche Ebene ("Image" oder so). In diese Ebene fügst du später das Sternbild ein, das dir als Vorlage dient. Für die Produktion wirst du diese Ebene ausblenden.
  - Speichere deine Datei als .beam.

=== Aufgabe 6 – Sternbildbox zeichnen, Teil 2 ===
Du hast nun eine beam-Studio-Datei mit vier Ebenen. Auf der Ebene "Walls" sind die Wände eingezeichnet.
  - Ordne die Ebenen wie folgt: Zuoberst die Gravur-Ebene, dann jene für die Ausschnitte, dann für die Wände, dann für das Bild. Der Grund: Der Lasercutter arbeitet die Ebenen von oben nach unten durch. Ein bereits ausgeschnittenes Stück fällt etwas nach unten und sollte danach nicht mehr graviert oder geschnitten werden.
  - Lade {{ :talit:electronics:sidewall-cutouts.svg?linkonly |}}  mit Ausschnitten für Schalter etc. herunter und speichere sie in deinem Projektordner.
  - Wähle die Ebene für die Ausschnitte und lade die SVG-Datei über File->Open (Ctrl + O). 
  - Platziere die vier Ausschnitte **an den richtigen Stellen**. Die Texte kannst du löschen oder auf eine andere Ebene verschieben.
  - Wähle die Ebene für das Bild und Lade dein Sternbild über File->Open (Ctrl + O).
  - Platziere und skaliere die Sternbildgrafik auf dem Deckel der Box. 
  - Erstelle auf der Ebene "Cutouts" kreisförmige Ausschnitte für die LEDs: Benutze die LED-Loch-Lehre, um die richtigen Durchmesser zu finden. Platziere die Kreise dort, wo die Sterne sind.
  - Wähle nun die Ebene "Engraving". Hier kannst du Linien, Texte oder Pixel-Bilder einfügen, die bloss eingraviert, nicht geschnitten werden sollen. Falls du mehrere Elemente unterschiedlicher Art (zum Beipsiel Vektor-Grafiken UND Pixelbilder) hast, solltest du diese auf unterschiedlichen Ebenen platzieren. Siehe die Tabelle im [[makerspace:lasercutter|Wiki zum Lasercutter]].
  - Speichere deine .beam-Datei.

=== Aufgabe 7 – Wände herstellen und vorbereiten===
Wenn deine Zeichnung fertig ist: 
  - Lies zuerst das [[makerspace:lasercutter|Wiki zum Lasercutter]] durch.
  - **Checkliste**: Prüfe folgende Punkt in deiner Beam-Studio-Zeichnung:
    - Die Abmessungen deiner Holzbox (Länge, Breite Tiefe) stimmen. --> Lineale einblenden.
    - Die rechteckigen Ausschnitte an den Wänden sind 4 mm tief. Die Löcher, die diese Ausschnitte aufnhemen sollen, 4mm breit.
    - Die Positionen der Ausschnitte für LDR, Poti, Schalter und vor allem USB-Anschluss (2 mm über Boden) stimmen. 
    - Die Layer haben die richtige Reihenfolge und die richtigen Einstellungen.
  - Schalte den Lasercutter ein und produziere die Zeichnung. 
  - Wenn deine Wände fertig geschnitten und graviert sind: Baue sie vorsichtig zusammen und überprüfe, ob alles stimmt.
    - Falls nicht: Überarbeite deine Zeichnung sorgfältig: Beim nächsten Mal muss alles stimmen.
    - Falls schon: Baue die Wände wieder VORSICHTIG auseinander, damit du dann die elektronischen Buteile befestigen kannst. 

=== Aufgabe 8 – Sternbildbox zusammenbauen, verdrahten und testen ===

Baue die Schaltung für deine Sternbildbox mit einem Perma-Proto-Breadboard auf:

{{:talit:electronics:zeichnungen_reihenparallel_17.png?500|}}

**Überlege gut, wie du die Schaltung in deiner Box aufbaust und beachte jeden der folgenden Punkte:**
  - Nicht alle Bauteile in der obigen Schaltung werden direkt auf die Leiterplatte (Perma-Proto-Breadboard) gelötet: Poti, LDR, Spannungsquelle, Schalter und LEDs werden am Gehäuse montiert und über Kabel mit der Leiterplatte verbunden.
  - <color #22b14c>Bevor du die Leiterplatte bestückst und lötest: Lass dir von der Lehrperson zeigen, wie das geht.</color>
  - Jede LED braucht einen eigenen Vorwiderstand. Über die Grösse des Vorwiderstands kannst du die Helligkeit der jeweiligen LED beeinflussen.
  - Platziere die Widerstsände klug: Verwende die rote 5-V-Leitung.
  - Montiere die LEDs an der Deckplatte so, dass sie alle gleich ausgerichtet sind (z.B. alle Pluspole nach oben).
  - Verbinde die Minuspole aller LEDs miteinander: Das machst du direkt an der Deckplatte, nachdem du die LEDs montiert hast.
  - Vom Pluspol jeder LED geht ein Kabel runter zum Vorwiderstand auf der Leiterplatte. Diese Kabel sollten lange genug sein, sodass du den Deckel auch dann noch öffnen kannst, wenn die Leiterplatte am Boden der Box festgeschraubt ist.
  - <color #ed1c24>Verwende **keine Breadboard-Jumper-Kabel**, sondern Litzen, die du auf die passende Länge zuschneidest.</color> 
  - Kabel, aka //Litzen//, müssen für das Löten **IMMER** vorbereitet werden. <color #22b14c>Lass dir von der Lehrperson zeigen, wie das geht</color>:
    - Ende(n) **abisolieren**: 2-3 mm. 
    - Kupfer-Adern **verdrillen**: Zwischen Daumen und Zeigefinger festhalten und drehen, bis alle Adern wie bei einem Seilbahn-Drahtseil schön ineinander verdreht sind. 
    - Verdrillte Adern **verzinnen**: Lötzinn so zurechtbiegen, dass es von der Arbeitsfläche 5-10 cm nach oben schaut. Die Lötspitze ans Ende des Lötzinns führen, dann dem Lötzinn langsam nach unten folgen, sodass sich an der Unterseite der Lötspitze ein Tropfen flüssigen Lötzinns bildet. Das abisolierte, verdrillte Ende der Litze rasch durch diesen Lötzinn-Tropfen ziehen.
  - Poti und LDR: Verbinde Litzen mit diesen Bauteilen, bevor du die Bauteile einbaust.
    - LDR: Verwende einen LDR mit bereits angeklebtem Fenster. Löte die vorbereiteten Litzenenden **parallel** zu den Beinen des LDRs an. Verwende Schrumpfschläuche, um die Lötstellen zu isolieren. Montiere den LDR, indem du ihn von aussen in das vorgesehene Loch presst. 
    - Poti: Verbinde eine Litze gleich mit dem mittleren //und// einem äusseren Bein, die andere mit dem anderen Bein. Für die Montage des Potis musst du noch ein kleines Blindloch bohren, damit die Mutter dann ordentlich anziehen kannst, ohne dass sich das Poti mitdreht.
  - USB-Stecker: Diesen montierst du auf dem passenden Holzplättchen: Stecke erst die passende Seitenwand auf die Bodenplatte, trage dann Weissleim auf die Unterseite des Holzplättchens auf und schraube den USB-Stecker zusammen mit dem Holzplättchen an der richtigen Stelle auf der Bodenplatte fest. Verwende Holzschrauben in passender Länge.
  - Schalter: Diesen montierst du mit passenden Schrauben und Muttern.
  - Leiterplatte: Schraube diese auf der Bodenplatte fest: Verwende Distanzringe aus Kunststoff und Holzschrauben mit passender Länge. **Achtung:** Ziehe die Schauben gerade fest, aber **nicht zu fest**, sonst reisst das Holz aus!

== Einstecken, testen, evtl. Fehler suchen ==
Nun kannst du deine Sternbildbox ausprobieren:
  - Wenn du alles richtig gemacht hast hast, funktioniert es. 
  - Ansonsten weisst du zum Glück, wie die Schaltung funktioniert würde und wie du Spannungen misst. Mit diesem Wissen findest du den oder die Fehler!
  - Ansonsten fragst du Herrn Graf.