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rpi/rpi.tex

@@ -51,6 +51,7 @@ keepaspectratio]{background.png}%
 
 \mainmatter
 
+\include{rpi0}
 \include{rpi1}
 
 \appendix

rpi/rpi0.tex

+\part{Grundlagen}
+\chapter{LED - Leuchtdioden}
+\label{led:intro}
+\minitoc
+
+\section{Was ist ein LED?}
+Leuchtdioden wandeln elektrische Energie in Licht um.
+Sie funktionieren wie Halbleiterdioden, die in Durchlassrichtung Licht erzeugen.
+Die Kurzbezeichnung LED ist die Abk\"urzung f\"ur "Light Emitting Diode",
+was auf Deutsch "Licht emittierende Diode" bedeutet. \\
+Leuchtdioden gibt es in verschiedenen Farben, Gr\"ossen und Bauformen.
+Sie werden als Signal und Lichtgeber in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. \\
+Die Leuchtdiode schaltet sehr schnell vom leuchtenden in den nichtleuchtenden Zustand.
+Der Lichtstrahl kann bis in den MHz-Bereich getaktet werden. Allerdings ist das f\"ur
+das menschliche Auge nur als Leuchtbrei sichtbar.
+Die Helligkeit der LED ist dann geringer, als es beim eingestellte Stromfluss sein m\"usste.\\
+Die Lebensdauer betr\"agt sagenhafte 106 Stunden. Im Vergleich zu normalen Lampen ist das sehr lange.
+Die gebr\"auchlichsten Bauformen haben einen 3 mm oder 5 mm grossen Durchmesser.
+
+\section{Polung}
+Wie jede andere Diode ist auch die LED polungsabh\"angig ( Abbildung \ref{led:polung} ).
+Die eine Anschlussseite ist die Anode, die andere Seite die Kathode. \\
+Wenn man in die Leuchtdiode hineinschaut, dann ist die dickere Seite die Kathode.
+\"Ausserlich erkennt man die Kathode am k\"urzeren Anschluss oder an der abgeflachten
+Seite des Geh\"auserandes an der Unterseite.
+\begin{figure}[!htbp]
+  \begin{center}
+    \includegraphics[width=4cm, height=4cm]{pics/led_polung.png}
+  \end{center}
+  \caption{Led Polung}
+  \label{led:polung}
+\end{figure}
+
+\section{Farben und Hableitermaterial}
+Die klassischen Farben sind rot, gr\"un, gelb und orange.
+Es gibt aber auch noch blau und weiss.
+Je nach Farbe besteht der Halbleiterkristall einer Leuchtdiode aus unterschiedlichen Materialien.
+Die Farbe des Lichts bzw. die Wellenl\"qnge des Lichts wird vom Halbleiterkristall und von der Dotierung bestimmt.
+Der Kristall besteht aus einer n- und einer p-Schicht.
+Von daher unterscheidet er sich kaum von einer normalen Halbleiterdiode. \\
+LEDs unterscheiden sich nicht nur in ihrer Farbe, sondern auch in ihren elektrischen Eigenschaften.
+Teilweise kann man die Farben nicht untereinander tauschen.
+Die Durchlassspannung ist unterschiedlich und stark vom Halbleitermaterial abh\"angig. \\
+Rote Leuchtdioden $ ( \lambda = 0.66 \mu m ) $ haben einen besonders guten Wirkungsgrad.
+Den h\"ochsten Wirkungsgrad haben Infrarot-Leuchtdioden $ (\lambda = 0.9 bis 0.94 \mu m)$ .  \\
+\\
+Die LED ist je nach Farbe aus unterschiedlichen Mischkristallen aufgebaut:
+
+\begin{itemize}
+\item Galliumarsenid (GaAs)
+\item Galliumarsenidphosphid (GaAsP)
+\item Galliumphosphid (GaP)
+\item Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid (AlInGaP) f\"ur Rot, Rot-Orange, Amber
+\item Indium-Gallium-Nitrogen (InGaN) f\"ur Gr\"un, Cyan, Blau, Weiss
+\item GalliumNitrid (GaN) f\"ur Blau
+\end{itemize}
+
+\section{Funktionweise einer LED}
+Eine Leuchtdiode besteht aus einem n-leitenden Grundhalbleiter.
+Darauf ist eine sehr d\"unne p-leitende Halbleiterschicht mit grosser L\"ocherdichte aufgebracht.
+Wie bei der normalen Diode wird die Grenzschicht mit freien Ladungstr\"agern \"uberschwemmt.
+Die Elektronen rekombinieren mit den L\"ochern.
+Dabei geben die Elektronen ihre Energie in Form eines Lichtblitzes frei.
+Da die p-Schicht sehr d\"unn ist, kann das Licht entweichen.
+Schon bei kleinen Stromst\"arken ist eine Lichtabstrahlung wahrnehmbar.
+Die Lichtst\"arke w\"achst proportional mit der Stromst\"arke.\\
+Da von dem Halbleiterkristall nur eine geringe Lichtstrahlung ausgeht,
+ist das Metall unter dem Kristall halbkugelf\"ormig.
+Dadurch wird das Licht gestreut.
+Durch das linsenf\"ormige Geh\"ause wird das Licht geb\"undelt.
+So k\"onnen Leuchtdioden schon mit wenigen Milliampere Strom sehr hell leuchten.
+
+\begin{figure}[!htbp]
+  \begin{center}
+    \includegraphics[width=4cm, height=4cm]{pics/led_funktion.png}
+  \end{center}
+  \caption{Led funktionwiese}
+  \label{led:funktion}
+\end{figure}
+
+\section{Schaltzeichen}
+
+\begin{figure}[!htbp]
+  \begin{center}
+    \includegraphics[width=4cm, height=2cm]{pics/led_schaltzeichen.png}
+  \end{center}
+  \caption{Led Schaltzeichen}
+  \label{led:schalt}
+\end{figure}
+
+\section{Standard-LEDs}
+Standard-Leuchtdioden haben einen Durchmesser von 5 mm. Sie sind die h\"aufigsten
+verwendeten Leuchtdioden in elektronischen Schaltungen.
+Sie beginnen bei 8 bis 12 mA zu leuchten.
+Erh\"oht man den Strom leuchten Sie heller.
+Bei 20 mA ist die maximale Leuchtkraft erreicht.
+Der Unterschied zu 15 mA ist aber nur minimal.
+Meist ist ein Strom von 10 mA schon ausreichend, um sie ausreichend zum Leuchten zu bringen. \\
+Die folgende Tabelle gibt Auskunft \"uber die Durchflussspannung $U_F$.
+Die genaue Durchflussspannung $U_F$ und Durchflussstrom $I_F$ gibt nur das Datenblatt
+der Leuchtdiode Auskunft (Abbildung \ref{led:leds}). \\
+Vorsicht, je nach Hersteller kann es hier Unterschiede geben.
+
+\begin{figure}[!htbp]
+  \begin{center}
+    \includegraphics[width=4cm, height=4cm]{pics/led_tabelle1.png}
+  \end{center}
+  \caption{Standard LEDs}
+  \label{led:leds}
+\end{figure}
+
+
+\section{Low-Current-LEDs}
+Low-Current-Leuchtdioden haben einen Durchmesser von 3 oder 5 mm.
+Sie leuchten bereits bei 2 mA mit bis zu 5 mcd.
+Erh\"oht man den Strom leuchten Sie heller.
+Bei 20 mA ist die maximale Leuchtkraft erreicht. \\
+Low-Current-LEDs haben die Eigenschaft, dass sie bei 2 mA noch leuchten, was Standard-LEDs nicht tun.
+Die h\"oren (je nach Hersteller) schon bei 8 bis 10 mA auf zu leuchten. \\
+Low-Current bedeutet nicht, dass eine LED bei 2 mA genauso hell leuchtet wie bei 20mA,
+sondern dass diese LED bis hinter zu 2 mA betrieben werden kann und zumindest schwach leuchtet. \\
+Die folgende Tabelle gibt Auskunft \"uber die Durchflussspannung $U_F$.
+Die genaue Durchflussspannung $U_F$ und Durchflussstrom $I_F$ gibt nur das Datenblatt der Leuchtdiode Auskunft.\\
+Vorsicht, je nach Hersteller kann es hier Unterschiede geben.
+\begin{figure}[!htbp]
+  \begin{center}
+    \includegraphics[width=4cm, height=3cm]{pics/led_current.png}
+  \end{center}
+  \caption{Standard LEDs}
+  \label{led:leds}
+\end{figure}
+\section{\"Ubersicht: Leuchtdioden-LEDs}
+\begin{figure}[!htbp]
+  \begin{center}
+    \includegraphics[width=0.5\textwidth]{pics/led_typ.png}
+  \end{center}
+  \caption{LEDs Typ}
+  \label{led:typ}
+\end{figure}
+
+\section{Die Leuchtdiode in der Anwendung}
+Leuchtdioden reagieren sehr empfindlich auf einen zu grossen Durchlassstrom.
+Deshalb darf eine Leuchtdiode niemals direkt an eine Spannung angeschlossen werden. \\
+Eine Leuchtdiode muss immer mit einem Vorwiderstand oder einem strombegrenzenden Bauteil beschaltet sein.
+
+\begin{figure}[!htbp]
+  \begin{center}
+    \includegraphics[width=4cm, height=4cm]{pics/led_u.png}
+  \end{center}
+  \caption{LED in der Anwendung}
+  \label{led:u}
+\end{figure}
+Mit einem Vorwiderstand wird der Durchlassstrom IF, der durch die Leuchtdiode fliesst, begrenzt.
+Bei der Widerstandsbestimmung muss die jeweilige Durchlassspannung UF ber\"ucksichtigt werden.
+
+\vspace{1cm}
+$R_V =\frac{U_{ges}-U_F}{I_F}$
+\vspace{1cm}
+
+Die Formel berechnet den Vorwiderstand $R_V$ \"uber die Gesamtspannung Uges abz\"uglich der Durchlassspannung
+$U_F$ durch den Durchlassstrom $I_F$.
+Eine Leuchtdiode brennt schon bei einem Bruchteil des maximalen Durchlassstroms.
+Ausserdem m\"ussen Leuchtdioden nicht zwingend mit ihrer vollen Leuchtst\"arke strahlen.
+Meist reichen schon wenige mA aus um eine ausreichende Helligkeit zu erzeugen.
+
+\section{Warum wird ein Vorwiderstand ben\"otigt?}
+LEDs m\"ussen immer mit einem Vorwiderstand betrieben werden.
+Das gilt auch dann, wenn eine Betriebsspannung zur Verf\"ugung steht,
+die der LED-Durchflussspannung entspricht.
+Der Vorwiderstand dient zum einen zum Begrenzen der Spannung,
+in dem sich die Betriebsspannung zwischen Vorwiderstand und LED aufteilt.
+An der LED stellt sich ein fester vorher bekannter Spannungsabfall ein.
+Das ist die Durchlassspannung der Leuchtdiode, die allerdings nicht allzu konstant und unter Exemplarstreuung leidet.
+Am Vorwiderstand f\"allt dann noch der Rest der Betriebsspannung ab.
+Was aber noch viel wichtiger ist, der Vorwiderstand begrenzt den Strom, der durch die LED fliesst.
+Der Grund, warum eine Strombegrenzung notwendig ist, ist schnell erk\"art. \\
+Eine Leuchtdiode ist kein ohmscher Verbraucher, dessen Widerstand immer gleich ist.
+Eine Leuchtdiode ist ein Halbleiter, dessen Widerstand nach Anlegen einer Spannung gegen Null sinkt.
+Das bedeutet, der Strom steigt rein theoretisch unendlich an! \\
+Das bedeutet, die Leuchtdiode ist ein sehr stromhungriger Halbleiter.
+Doch zu viel Strom vertr\"agt die Leuchtdiode nicht. Zu viel Strom zerst\"ort die Leuchtdiode.
+Vor der Zerst\"orung tritt erst ein Temperaturanstieg ein.
+Die Leuchtdiode wird w\"armer. Bekanntlich leiten warme Halbleiter besser als kalte.
+Es folgt also ein weiterer Stromanstieg, der dazu f\"uhrt, dass die LED heiss und letztendlich zerst\"ort wird.
+Dieser Effekt muss nicht zwangsl\"aufig und auch nicht sofort eintreten.
+Er ist in gewisserweise davon abh\"angig, was f\"ur eine Spannungsquelle
+verwendet wird und wie lange die Leuchtdiode daran betrieben wird.
+So mancher unbedarfte Anwender wird also nie mit diesem Problem konfrontiert sein.
+Wer nur mal kurz eine Leuchtdiode ohne Vorwiderstand betreibt,
+der wird sie dabei nicht gleich zerst\"oren. Es kann auch sein, dass das mehrere Stunden gut geht.

rpi/rpi1.tex

-\part{Grundlagen}
+\part{Experiment mit dem Rasberry Pi}
 \chapter{Der Rasberry Pi}
 \label{rpi:intro}
 \minitoc
@@ -11,7 +11,13 @@ Sie hat sich zum Ziel gesetzt, das Studium der Informatik und verwand- ten Theme
 
 \section{Wie ist der Raspberry Pi ausgebaut?}
 \label{rpi_bau}
-Der Raspberry Pi existiert in zwei Varianten: Das Modell A und das Modell B, die bis auf wenige Unterschiede sehr \"ahnlich sind. \\
+
+Der Raspberry Pi existiert in mehrere Varianten. \\
+Die Modelle A und B unterscheiden sich dadurch, dass das Modell B 512 MByte Arbeitsspeicher,
+einen Ethernet-Port und zwei USB-Anschl\"usse hat.
+Das Modell A ist mit nur einem USB-Anschluss und 256 MByte Arbeitsspeicher eher als Steuerungscomputer geeignet,
+bei dem es auf geringen Stromverbrauch ankommt. \\
+Das Modell B eignet sich am ehesten noch, um damit an einer grafischen Oberfl\"ache zu arbeiten. \\
 Die Spezifikationen der beiden Varianten A und B des Raspberry Pi lauten wie in der Abbildung \ref{rpi:modelab}. \\
 \begin{figure}[!htbp]
   \begin{center}