Abb. 03 · Robotik-Labor · Logik steuert Leistung

Transistor-Motorschalter

Arduino Nano

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Werkbank

Noch kein Messwert

Pin 9 (Tastverhältnis)

Noch kein Messwert

Stromaufnahme

0 mA

Bauen und kaputt machen

1BauenAls Nächstes
Den Nano bis auf die nackte Platine zerlegen
Fang mit der nackten Platine an, damit du jedes Bauteil aufsetzen siehst. Der Nano ist hier der Controller; die Motorschaltung lebt auf dem Steckbrett.
2
Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten
3
Die beiden 15-poligen Stiftleisten einsetzen
4
Die Pins der Stiftleisten löten
5
Den TIP120 und seinen Basiswiderstand einsetzen
6
Motor und Freilaufdiode einsetzen
7
Batterie und gemeinsame Masse anschließen
8
USB einstecken
9
PWM 50 % hochladen
10
Die Verstärkung messen
11
Strom abziehen und die Explosionsansicht öffnen
12
Kaputt machen: die Freilaufdiode weglassenKaputt machen
13
Kaputt machen: die Diode verkehrt herum einsetzenKaputt machen
14
Kaputt machen: den TIP120 verkehrt herum einsetzenKaputt machen
15
Kaputt machen: die gemeinsame Masse vergessenKaputt machen
16
Kaputt machen: den Basiswiderstand weglassenKaputt machen
17
Kaputt machen: den Motor direkt an Pin 9 anschließenKaputt machen
18
Kaputt machen: den Motor aus den 5 V des Nano versorgenKaputt machen
19
Kaputt machen: die Batteriekabel verkehrt herum anschließenKaputt machen
20
Kaputt machen: den Halter mit Li-Ionen-Zellen bestückenKaputt machen
21
Kaputt machen: eine kalte Lötstelle an der MotorfahneKaputt machen
22
Kaputt machen: das Rad festhaltenKaputt machen

Absichtlich kaputt machen

Jeder Fehler ist einer, über den echte Bastler stolpern. Lös ihn aus, lies das Symptom an der Werkbank ab und beheb ihn dann.

Keine Freilaufdiode
fehlendes Bauteil
Warum es passiert
Symptom: Der Motor läuft, aber die Kollektorspitze zeigt bei jedem Abschalten 60 V oder mehr. Bei PWM sind das 490 Tritte pro Sekunde: Nach ein paar Sekunden fällt der TIP120 als Kurzschluss aus, und der Motor läuft mit voller Kraft, egal, was Pin 9 sagt.
Ein Motor ist eine Spule. Wenn der TIP120 abschaltet, hält die Spule ihren Strom einen Moment am Fließen und treibt den Kollektor hoch, bis etwas nachgibt: Hier bricht der Transistor an seiner 60-V-Grenze durch und schluckt die Energie. Ein Abschalten überlebt er; Hunderte pro Sekunde verschleißen ihn, und ein toter Transistor fällt meist als Kurzschluss aus. Mit eingesetzter D1 läuft der Strom durch die Diode im Kreis, und der Kollektor bleibt eine Diodenspannung über der Batterie stehen.
Lösung: Strom abziehen, einen neuen TIP120 einsetzen und D1 über den Motor setzen, Ring Richtung Batterieplus.
Freilaufdiode verkehrt herum
Bauteil verkehrt herum
Warum es passiert
Symptom: Sobald Pin 9 auf HIGH geht, wird die Diode heiß, die Batteriespannung bricht zusammen, und der Motor wird langsamer. Mit Pin 9 auf LOW passiert nichts.
Umgedreht zeigt D1 vom Batterieplus zum Kollektor. Wenn der TIP120 durchschaltet, zieht er den Kollektor auf Masse, und die Diode leitet dann direkt vom Batterieplus nach Masse: ein satter Kurzschluss durch D1 und den Transistor, nur von den Zellen begrenzt. Mehrere Ampere durch eine 1-A-Diode garen sie.
Lösung: Steck die Batterie ab und dreh D1 um: Ring Richtung Batterieplus.
TIP120 verkehrt herum
Bauteil verkehrt herum
Warum es passiert
Symptom: Die LED leuchtet, Pin 9 ist HIGH, aber das Rad dreht sich nie, und nichts wird warm.
Dreht man ein TO-220 um, tauschen seine äußeren Beine: Der Widerstand erreicht jetzt den Emitter, und die Basis sitzt auf Masse. Der Basis-Emitter-Übergang ist in Sperrrichtung gepolt, also fließt kein Basisstrom, und der Transistor bleibt gesperrt. Kollektor und Emitter tauschen bei diesem Gehäuse nicht, Basis und Emitter schon.
Lösung: Strom abziehen und den TIP120 umdrehen: bedruckte Seite zu dir, Basis links.
Keine gemeinsame Masse
offener Eingang
Warum es passiert
Symptom: Die LED leuchtet, Pin 9 ist HIGH, aber der Motor läuft nicht.
Der Basisstrom verlässt Pin 9, geht durch R1, die Basis und den Emitter in die Masseschiene und muss zurück zum GND des Nano, um den Kreis zu schließen. Das Minus der Batterie ist nicht die Masse des Nano, solange kein Draht sie verbindet, also fließt kein Strom, und der TIP120 bleibt gesperrt. Die LED hat ihren eigenen Draht zum GND des Nano, deshalb leuchtet sie trotzdem.
Lösung: Leg einen Draht vom GND des Nano zur Minusschiene der Batterie.
Kein Basiswiderstand
Überstrom
Warum es passiert
Symptom: Der Motor springt an, dann hört Pin 9 auf zu funktionieren: Die LED wird dunkel, und der Motor bleibt stehen. Der Nano wird in der Nähe des Chips warm.
Mit nichts als einem Draht treibt Pin 9 den Basisübergang direkt an. Der Übergang hält die Basis bei etwa 1,3 V, also begrenzt nur der eigene Ausgangstransistor des Pins den Strom: Er versucht, weit über 100 mA zu liefern. Der ATmega328P erlaubt als absolutes Maximum 40 mA pro Pin, und seine Ausgangsstufe brennt durch.
Lösung: Strom abziehen und den 1-kΩ-Basiswiderstand wieder einsetzen. Pin 9 des Nano ist beschädigt: Nimm einen anderen PWM-Pin (3, 5, 6, 10 oder 11) oder einen neuen Nano.
Motor direkt an Pin 9
Überstrom
Warum es passiert
Symptom: Das Rad zuckt oder tut nichts, und nach einem Moment ist Pin 9 tot.
Der Motor braucht zum Laufen etwa 160 mA und zum Anlaufen über 1 A. Pin 9 kann bequem 20 mA liefern und als absolutes Maximum 40 mA. Während er es versucht, bricht die Spannung des Pins auf weit unter ein Volt ein, zu wenig, um den Motor anlaufen zu lassen, während die überlastete Ausgangsstufe überhitzt und ausfällt.
Lösung: Strom abziehen, den TIP120 wieder zwischen Motor und Masse setzen und einen anderen Pin nehmen: Pin 9 ist beschädigt.
Brown-out: Motor an den 5 V des Nano
Brown-out
Warum es passiert
Symptom: Jedes Mal, wenn der Motor anläuft, setzt sich der Nano zurück: Die LED blinkt aus, die serielle Startmeldung wiederholt sich, das Rad ruckt und bleibt stehen.
Über USB versorgt kommen die 5 V des Nano durch eine 500-mA-Polyfuse und eine Schottky-Diode. Ein anlaufender Motor schluckt über 1 A, die 5-V-Schiene sackt unter die Brown-out-Schwelle des ATmega328P von 2,7 V, und der Chip setzt sich zurück. Pin 9 geht auf LOW, der Motor zieht keinen Strom mehr, die Schiene erholt sich, der Sketch startet neu und schaltet den Motor ein: immer im Kreis.
Lösung: Versorg den Motor aus seiner eigenen Batterie und teil nur die Masse.
Verpolte Batterie
Verpolung
Warum es passiert
Symptom: D1 wird sofort heiß, egal, was Pin 9 tut, und die Zellen werden warm. Der Motor läuft nicht.
Mit vertauschten Kabeln liegt das Plus der Batterie auf der Masseschiene. Strom fließt jetzt in Durchlassrichtung durch die eingebaute Emitter-Kollektor-Diode des TIP120 und dann in Durchlassrichtung durch D1: zwei Diodenspannungen direkt über der Batterie, ein satter Kurzschluss, nur vom Innenwiderstand der Zellen begrenzt.
Lösung: Steck die Batterie ab und vertausch ihre Kabel: Rot an die Plusschiene, Schwarz an die Masseschiene.
Falsche Spannung: Li-Ionen-Zellen in einem AA-Halter
falsche Spannung
Warum es passiert
Symptom: Die Batterie zeigt etwa 16 V, das Rad kreischt mit dreifacher Drehzahl herum, und nach einer Weile riecht der Motor heiß und bleibt stehen.
Eine 14500-Li-Ionen-Zelle hat die Größe einer AA-Zelle, liefert aber nominal 3,7 V und voll 4,2 V, also ergeben vier davon etwa 16,8 V statt 6 V. Der 3-6-V-Motor läuft weit über seiner Drehzahl, seine Bürsten feuern, und seine Wicklungen überhitzen. Den TIP120 (60 V) und D1 (1000 V) stört das nicht; den Motor schon.
Lösung: Nimm vier Alkali-AA-Zellen mit 1,5 V (oder NiMH mit 1,2 V): 4,8-6,4 V.
Kalte Lötstelle am Motor
kalte Lötstelle
Warum es passiert
Symptom: Das Rad stottert: Es läuft, bleibt stehen, läuft wieder, obwohl Pin 9 HIGH bleibt.
Das Lötzinn hat die Fahne des Motors nie benetzt, also liegt die Lötstelle nur darauf. Vibration schließt und öffnet den Kontakt, und jede Unterbrechung ist auch ein kleines Abschalten, das die Freilaufdiode abfangen muss.
Lösung: Erhitz die Lötstelle neu, bis das Lötzinn auf die Fahne fließt und eine glänzende Hohlkehle bildet.
Blockierter Motor
Überhitzung
Warum es passiert
Symptom: Das Rad bleibt stehen, der Motorstrom springt über 1 A, die Batteriespannung fällt, und der TIP120 wird heiß.
Ein drehender Motor erzeugt eine Gegenspannung, die seinen Strom niedrig hält. Steht er, begrenzen nur die paar Ohm der Wicklung den Strom: etwa 1,5 A bei 6 V. Der TIP120 lässt dann etwa 1 V abfallen und setzt über ein Watt in Wärme um, nahe an seiner Grenze von 2 W ohne Kühlkörper, und die Zellen brechen unter der Last ein.
Lösung: Lass das Rad los. Erkenne in einem Roboter das Blockieren (über den Strom oder einen fehlenden Encoderpuls) und schalte den Strom ab.

Die Werkbank im Überblick

Ein 20-mA-Pin schaltet einen 160-mA-Motor

Ein Pin des Nano kann etwa 20 mA liefern (40 mA sind die absolute Grenze). Ein TT-Getriebemotor will etwa 160 mA, nur um sein Rad zu drehen, und über 1 A in dem Moment, in dem er anläuft oder wenn du das Rad festhältst. Schließ ihn an einen Pin an, und der Pin stirbt. Hier speist Pin 9 etwa 3,4 mA über einen 1-kΩ-Widerstand in die Basis eines TIP120-Darlingtons, und dieser kleine Strom schaltet die eigene Versorgung des Motors: vier AA-Zellen, 6 V. Der Motor sitzt zwischen dem Plus des Akkupacks und dem Kollektor des TIP120 (ein Low-Side-Schalter), der Emitter geht an Masse, und das Minus der Batterien teilt sich diese Masse mit dem Nano. Eine Diode 1N4007 über dem Motor gibt dem Strom der Spule einen Weg, wenn der Transistor abschaltet; ohne sie treibt die Spule den Kollektor über die 60 V hinaus, für die der TIP120 ausgelegt ist. Eine grüne LED an Pin 9 zeigt, was der Pin tut, bei PWM halb hell, weil dein Auge mittelt, so wie es der Motor tut.

Quellen

Auf der Werkbank

Ausgewählt

Der Sketch verwendet 1.568 Bytes des Programmspeicherplatzes

Code: Eingang HIGH

// Eingang HIGH: Pin 9 hält den TIP120 voll durchgeschaltet
const int IN = 9;          // an R1 (1 kΩ), dann an die Basis des TIP120

void setup() {
  pinMode(IN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  digitalWrite(IN, HIGH);  // etwa 3,4 mA in die Basis...
  Serial.println("pin 9 HIGH: TIP120 on, motor runs");
}

void loop() {}             // ...lassen die 160 mA der Batterie durch den Motor fließen
// ein Pin liefert höchstens 20 mA: Schließ nie einen Motor direkt daran an

Übungsaufgaben

0/4 Aufgaben

Schreib den Code und führ dann die Prüfungen aus. Der Lauf nutzt eine virtuelle Uhr und eine geskriptete Umgebung, deshalb liefert derselbe Code immer dasselbe Ergebnis.

Den Motor ohne delay() takten

Arduino C++

Schalte den Motor für immer 1 s ein und 1 s aus, mit millis() statt delay(), damit der Sketch dazwischen noch Taster oder Sensoren lesen könnte.

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtPin 9 wechselt mit einer Periode von 2 s
Noch nicht ausgeführtDer Motor ist bei 1,5 s an
Noch nicht ausgeführtDer Motor ist bei 2,5 s aus
Noch nicht ausgeführtNutzt millis(), kein delay()

Tipps

Merk dir, wann du zuletzt geschaltet hast: unsigned long last = 0;
Wenn in loop() millis() - last >= 1000 ist, addier 1000 zu last und kipp den Pin um.
digitalWrite(MOTOR, on ? HIGH : LOW) schreibt ein bool-Flag auf den Pin.

Code für Den Motor ohne delay() takten

Sanftanlauf

Arduino C++

Mit voller Leistung zu starten lässt den Motor für einen Moment über 1 A schlucken. Fahr Pin 9 mit analogWrite() und millis() über 2 s von 0 auf 255 hoch und halt dann die volle Drehzahl.

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtEtwa 25 % Tastverhältnis bei 0,5 s
Noch nicht ausgeführtEtwa 50 % Tastverhältnis bei 1 s
Noch nicht ausgeführtEtwa 75 % Tastverhältnis bei 1,5 s
Noch nicht ausgeführtVoll an bei 2,5 s
Noch nicht ausgeführtNutzt millis() und analogWrite(), kein delay()

Tipps

t = millis() - start sagt dir, wie weit du in der Rampe bist.
Das Tastverhältnis ist t * 255 / RAMP_MS, solange t < RAMP_MS ist: Mit unsigned long kann es hier nicht überlaufen.
Nach der Rampe hält analogWrite(MOTOR, 255) den Pin voll an.

Code für Sanftanlauf

Drehzahlknopf

Arduino C++

Ein 10-kΩ-Potentiometer an A0 stellt die Motordrehzahl ein. Bilde seinen Messwert von 0-1023 auf 0-255 für analogWrite() ab und schalte den Motor unter einem Tastverhältnis von 40 ganz ab, wo der TT-Motor nur brummt und heiß wird, statt sich zu drehen.

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtKnopf auf null: Motor aus
Noch nicht ausgeführtKnopf auf halb: etwa 50 % Tastverhältnis
Noch nicht ausgeführtKnopf auf voll: Motor voll an
Noch nicht ausgeführtKnopf fast auf null: Motor aus, kein Brummen
Noch nicht ausgeführtLiest A0 und schreibt Pin 9 mit analogWrite()

Tipps

map(raw, 0, 1023, 0, 255) skaliert den Messwert.
if (duty < 40) duty = 0; ergibt das Totband.
analogWrite(9, 0) und analogWrite(9, 255) ergeben ein stetiges LOW und HIGH.

Code für Drehzahlknopf

Umschalttaster mit Entprellung

Arduino C++

Ein Taster von D2 nach Masse (INPUT_PULLUP) schaltet den Motor um: einmal drücken für an, noch einmal für aus. Die Kontakte prellen ein paar Millisekunden lang, und der Starter-Sketch zählt jedes Prellen als Druck. Entprell ihn mit millis().

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtDer erste Druck schaltet den Motor innerhalb von 60 ms ein
Noch nicht ausgeführtEr bleibt nach dem Prellen an
Noch nicht ausgeführtDer zweite Druck schaltet ihn innerhalb von 60 ms aus
Noch nicht ausgeführtEr bleibt aus
Noch nicht ausgeführtNutzt millis() und INPUT_PULLUP, kein delay()

Tipps

Notier die Zeit, wann immer sich der rohe Messwert ändert.
Übernimm einen neuen Zustand erst, wenn der Messwert 30 ms lang gleich geblieben ist.
Schalte nur beim Wechsel auf LOW um: Das ist das Drücken, nicht das Loslassen.

Code für Umschalttaster mit Entprellung

Bauen und kaputt machen

1BauenAls Nächstes

Den Nano bis auf die nackte Platine zerlegen

Fang mit der nackten Platine an, damit du jedes Bauteil aufsetzen siehst. Der Nano ist hier der Controller; die Motorschaltung lebt auf dem Steckbrett.

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Die beiden 15-poligen Stiftleisten einsetzen

Die Pins der Stiftleisten löten

Den TIP120 und seinen Basiswiderstand einsetzen

Motor und Freilaufdiode einsetzen

Batterie und gemeinsame Masse anschließen

USB einstecken

PWM 50 % hochladen

Die Verstärkung messen

Strom abziehen und die Explosionsansicht öffnen

Kaputt machen: die Freilaufdiode weglassenKaputt machen

Kaputt machen: die Diode verkehrt herum einsetzenKaputt machen

Kaputt machen: den TIP120 verkehrt herum einsetzenKaputt machen

Kaputt machen: die gemeinsame Masse vergessenKaputt machen

Kaputt machen: den Basiswiderstand weglassenKaputt machen

Kaputt machen: den Motor direkt an Pin 9 anschließenKaputt machen

Kaputt machen: den Motor aus den 5 V des Nano versorgenKaputt machen

Kaputt machen: die Batteriekabel verkehrt herum anschließenKaputt machen

Kaputt machen: den Halter mit Li-Ionen-Zellen bestückenKaputt machen

Kaputt machen: eine kalte Lötstelle an der MotorfahneKaputt machen

Kaputt machen: das Rad festhaltenKaputt machen

Die Werkbank im Überblick

Ein 20-mA-Pin schaltet einen 160-mA-Motor

Auf der Werkbank

Ausgewählt

Der Sketch verwendet 1.568 Bytes des Programmspeicherplatzes

Code: Eingang HIGH

// Eingang HIGH: Pin 9 hält den TIP120 voll durchgeschaltet
const int IN = 9;          // an R1 (1 kΩ), dann an die Basis des TIP120

void setup() {
  pinMode(IN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  digitalWrite(IN, HIGH);  // etwa 3,4 mA in die Basis...
  Serial.println("pin 9 HIGH: TIP120 on, motor runs");
}

void loop() {}             // ...lassen die 160 mA der Batterie durch den Motor fließen
// ein Pin liefert höchstens 20 mA: Schließ nie einen Motor direkt daran an

Transistor-Motorschalter

Die Werkbank

Bauen und kaputt machen

Den Nano bis auf die nackte Platine zerlegen

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Die beiden 15-poligen Stiftleisten einsetzen

Die Pins der Stiftleisten löten

Den TIP120 und seinen Basiswiderstand einsetzen

Motor und Freilaufdiode einsetzen

Batterie und gemeinsame Masse anschließen

USB einstecken

PWM 50 % hochladen

Die Verstärkung messen

Strom abziehen und die Explosionsansicht öffnen

Kaputt machen: die Freilaufdiode weglassenKaputt machen

Kaputt machen: die Diode verkehrt herum einsetzenKaputt machen

Kaputt machen: den TIP120 verkehrt herum einsetzenKaputt machen

Kaputt machen: die gemeinsame Masse vergessenKaputt machen

Kaputt machen: den Basiswiderstand weglassenKaputt machen

Kaputt machen: den Motor direkt an Pin 9 anschließenKaputt machen

Kaputt machen: den Motor aus den 5 V des Nano versorgenKaputt machen

Kaputt machen: die Batteriekabel verkehrt herum anschließenKaputt machen

Kaputt machen: den Halter mit Li-Ionen-Zellen bestückenKaputt machen

Kaputt machen: eine kalte Lötstelle an der MotorfahneKaputt machen

Kaputt machen: das Rad festhaltenKaputt machen

Absichtlich kaputt machen

Keine Freilaufdiode

Freilaufdiode verkehrt herum

TIP120 verkehrt herum

Keine gemeinsame Masse

Kein Basiswiderstand

Motor direkt an Pin 9

Brown-out: Motor an den 5 V des Nano

Verpolte Batterie

Falsche Spannung: Li-Ionen-Zellen in einem AA-Halter

Kalte Lötstelle am Motor

Blockierter Motor

Live-Status

Stromaufnahme

Teste dich selbst

Nach: Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Nach: Die Pins der Stiftleisten löten

Nach: Batterie und gemeinsame Masse anschließen

Nach: PWM 50 % hochladen

Nach: Kaputt machen: die Freilaufdiode weglassen

Nach: Kaputt machen: den Motor direkt an Pin 9 anschließen

Nach: Kaputt machen: den Motor aus den 5 V des Nano versorgen

Abschlussquiz der Werkbank

Die Werkbank im Überblick

Quellen

Auf der Werkbank

Übungsaufgaben

Den Motor ohne delay() takten

Prüfungen

Sanftanlauf

Prüfungen

Drehzahlknopf

Prüfungen

Umschalttaster mit Entprellung

Prüfungen

Transistor-Motorschalter

Die Werkbank

Bauen und kaputt machen

Den Nano bis auf die nackte Platine zerlegen

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Die beiden 15-poligen Stiftleisten einsetzen

Die Pins der Stiftleisten löten

Den TIP120 und seinen Basiswiderstand einsetzen

Motor und Freilaufdiode einsetzen

Batterie und gemeinsame Masse anschließen

USB einstecken

PWM 50 % hochladen

Die Verstärkung messen

Strom abziehen und die Explosionsansicht öffnen

Kaputt machen: die Freilaufdiode weglassenKaputt machen

Kaputt machen: die Diode verkehrt herum einsetzenKaputt machen

Kaputt machen: den TIP120 verkehrt herum einsetzenKaputt machen

Kaputt machen: die gemeinsame Masse vergessenKaputt machen

Kaputt machen: den Basiswiderstand weglassenKaputt machen

Kaputt machen: den Motor direkt an Pin 9 anschließenKaputt machen