Elektronik verstehen mit Raspberry Pi

Physikunterricht war gestern: Mit diesem Buch lernen Sie die Grundlagen der Elektronik direkt an Ihrem Raspberry Pi kennen! Von Strom und Spannung über Transistoren und Motoren bis hin zum Lesen von Schaltplänen da bleibt kein Wunsch offen. Natürlich alles mit Hilfe von spannenden Beispielprojekten zum Selberbasteln! Aktuell zum Raspberry Pi 3 und allen Vorgängerversionen Aus dem Inhalt: Elektronik-Grundlagen: Strom, Spannung, Widerstand Die GPIO-Pins Datenblätter und Schaltpläne verstehen LEDs, Taster, Spannungswandler elektronische Bauteile: Spulen, Transistoren und Co. Motoren ansteuern Sensoren und Wandler Steuern per I²C-Bus Spannende Bastelprojekte Schritt für Schritt erklärt!

»Wissen, Tipps, Codes, spannende Projekte - was willst du mehr?«

Autorentext
Christoph Scherbeck, Jahrgang 1985, ist begeisterter Raspberry-Pi-Bastler. Er ist gelernter Mechatroniker und Maschinenbautechniker. Privat betreibt er die Website http://www.elektronx.de, auf der er seine Bastelprojekte mit dem Raspberry Pi beschreibt.Daniel Kampert arbeitet in der Entwicklung der Firma Jenoptik Robot GmbH. Nach seinem Fachabitur in Automatisierungstechnik absolvierte er eine Ausbildung zum Elektroniker für Geräte und Systeme. Berufsbegleitend absolviert er derzeit ein Studium zum Bachelor of Engeneering im Bereich Elektrotechnik. Der begeisterte Bastler entwickelt beruflich wie privat elektronische Schaltungen und programmiert für diverse Plattformen wie Raspberry Pi, Atmel AVR u. a. In seinem Blog schreibt er regelmäßig Anleitungen zu Bastelthemen.

Inhalt


1. Elektrischer Strom -- was muss ich alles wissen? ... 11


1.1 ... Strom? Spannung? Was ist das? ... 11

1.2 ... Der elektrische Widerstand -- das Verhältnis zwischen Spannung und Strom ... 14

1.3 ... Ein elektrischer Stromkreis in der Praxis -- Anwendung des ohmschen Gesetzes ... 18

1.4 ... Die elektrische Leistung als Produkt von Spannung und Strom ... 34

1.5 ... Fehlersuche in der Schaltung -- richtig messen mit verschiedenen Messgeräten ... 38

1.6 ... Was ist eine Spannungsquelle und wie funktioniert sie? ... 46

1.7 ... Was benötige ich alles? ... 54



2. Einrichtung ... 61


2.1 ... Installation ... 61

2.2 ... Eine WLAN-Verbindung zum Heimnetzwerk herstellen ... 65

2.3 ... SSH-Verbindung herstellen und Dateien übertragen ... 67

2.4 ... Erste Schritte in Linux ... 70



3. I/O-Grundlagen -- die Ein- und Ausgänge des Raspberry Pi im Detail ... 75


3.1 ... J8-Header -- die GPIO-Pins im Überblick ... 75

3.2 ... Eingänge, Ausgänge, Sonderfunktionen ... 77

3.3 ... GPIO-Verbindungen herstellen ... 82

3.4 ... Vorsichtsmaßnahmen und ESD-Schutz ... 83

3.5 ... GPIO-Pin als Ausgang -- LED ein- und ausschalten ... 84

3.6 ... Transistoren ... 93

3.7 ... Der GPIO-Pin als Eingang: der Taster ... 106



4. Motoren ... 119


4.1 ... Der Gleichstrommotor ... 119

4.2 ... Servomotoren ... 135

4.3 ... Schrittmotoren ... 139



5. Die UART-Schnittstelle kennenlernen ... 149


5.1 ... Kurzer Exkurs: Wie werden Daten in einem Computer gespeichert? ... 150

5.2 ... Was ist die UART-Schnittstelle und wie funktioniert sie? ... 156

5.3 ... Erweitern Sie Ihren Raspberry Pi um ein kleines Display ... 168

5.4 ... RFID -- ein einfaches Zugangssystem per Karte ... 181

5.5 ... Kombination von LCD und RFID -- die Zugangskontrolle mit einem LCD erweitern ... 192

5.6 ... Jetzt funkt's -- XBee-Funkmodule als Alternative für ein Kabel ... 194



6. Der Inter-Integrated Circuit (I²C) ... 201


6.1 ... I²C -- Was ist das? ... 203

6.2 ... Ein Computer erzeugt eine Spannung -- eine beliebige Spannung erzeugen ... 209

6.3 ... Analoge Spannungen für einen Computer aufbereiten ... 229

6.4 ... Eine PWM mit einem PWM-Controller erzeugen ... 249



7. Das Serial Peripheral Interface (SPI) ... 273


7.1 ... Das SPI -- ein weiterer Bus am Raspberry Pi ... 274

7.2 ... Die GPIO-Pins des Raspberry Pi mit einem Port Expander erweitern ... 279

7.3 ... Aktuelle Wetterdaten mit dem Raspberry Pi erfassen -- Bestimmung von Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und der Temperatur ... 303

7.4 ... Die Ansteuerung eines WS2801-LED-Streifens -- so erzeugen Sie ein buntes Farbspiel ... 334



8. Zusätzliche Stromversorgung für Projekte mit dem Raspberry Pi und ein Ausblick auf weitere Projekte ... 345


8.1 ... Das Labornetzteil ... 346

8.2 ... Batteriefächer ... 347

8.3 ... Externe Netzteile ... 348

8.4 ... Ausgediente Netzteile ... 350

8.5 ... Spannungsregler ... 350

8.6 ... Wie geht es nun weiter? ... 352

8.7 ... Alles hat ein Ende -- eine kurze Zusammenfassung ... 355



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