Review: Short Circuits – Arduino-kompatible Elektronik-Plattform

Als ich anfing, mich für Elektronik zu interessieren, spielte ich mit einfachen Elektronik-Bausätzen. Ich erinnere mich daran, dass ich eine Platine gelötet habe, die angeblich Mücken vertreiben sollte, und eine andere, die beim Drücken eines Knopfes eine Polizeisirene ertönen lässt.
 
Ich habe diese Schaltungen zusammengebaut, weil ich einfach neugierig auf Elektronik war. Trotzdem habe ich nichts gelernt, außer dass ich schlecht gelötet habe. Diese Bausätze enthielten keine Anleitung zum Löten, sie bestanden einfach aus einem Beutel mit Teilen, ergänzt durch einen Schaltplan. Um zu verstehen, was ich tat, was die einzelnen Komponenten bewirkten und wie sie zusammenwirkten, musste ich zusätzliche Bücher und Zeitschriften kaufen (das war vor WWW). Das waren verpasste Lerngelegenheiten.

Nachdem ich Tage damit verbracht habe, mit Elektronikbausätzen von Short Circuits zu spielen, kann ich getrost sagen, dass Short Circuits die Kunst der Bausätze für Elektronik und MINT-Bildung vollendet hat. Lassen Sie mich das erklären.

Was ist Short Circuits?

Short Circuits ist ein Unternehmen, das Bausätze für die Elektronikausbildung herstellt. Jeder Bausatz ist ein kompletter Elektronikkurs, der durch eine ausführliche Dokumentation unterstützt wird (dazu gleich mehr).
 
Mein erster Eindruck von Short Circuits, als ich die Schachtel öffnete, war die hohe Qualität der Hardware des Bausatzes.
 

 
Mein zweiter Eindruck kam, als ich mir die mitgelieferte Dokumentation ansah. So viel Liebe zum Detail in einem Dokument zu sehen, das DIY-Hardware begleitet, ist selten. Die dokumentation von Short Circuits gehört ohne weiteres zu den besten Lehrmaterialien über Elektronik.
 
Es gibt mehrere Bausätze zu kaufen, und weitere sind in Entwicklung. Jeder Bausatz enthält eine Leiterplatte, einen Beutel mit Bauteilen, eine Verdrahtungsübersicht und ein unglaublich gut gestaltetes und geschriebenes, umfassendes PDF-Dokument. Meiner bescheidenen Meinung nach ist das PDF-Dokument die wertvollste Komponente eines jeden Bausatzes, und ich werde gleich erklären, warum.

Jeder Bausatz erfüllt eine bestimmte Funktion. Ein Bausatz mit der Bezeichnung "Digitiser" enthält zum Beispiel eine numerische LEDAnzeige, Tasten und ein Potentiometer. Mit dem Digitiser können Sie Zahlen anzeigen. Ein anderer Bausatz mit der Bezeichnung "Sensor Array" enthält verschiedene Sensoren und ein SD-Kartenmodul. Mit dem Sensor Array können Sie Umweltmessungen durchführen und die Daten auf einer SD-Karte speichern.
 
Diese Kits sind so konzipiert, dass sie zusammenarbeiten, die gleiche Geometrie haben und stapelbar sind. Die Hauptplatine jedes Kits hat die gleiche rechteckige Standardform, und eine Reihe von Schraubklemmen dominiert eine Seite. Sie können diese Platinen miteinander verbinden (oder externe Komponenten anschließen), indem Sie Drähte an diese Schraubklemmen anschließen.

Die Bausätze von Short Circuits sind für den Betrieb mit einem Arduino UNO oder einem kompatiblen Board ausgelegt. Die in der Dokumentation enthaltenen Programme sind mit dem Arduino UNO-Board kompatibel. Es gibt aber auch ein spezielles Kit, das "Motherboard", das mit dem Arduino UNO kompatibel ist und die übrigen Kits ansteuern kann. Ich habe die Bausätze Digitiser, Sensor Array und RGB Matrix mit einem Arduino UNO und dem Motherboard getestet; in jedem Fall haben sie gut funktioniert.

Die Bausätze werden unmontiert geliefert, sodass Sie, der Lernende, sie zusammenbauen müssen, indem Sie die Komponenten auf die Leiterplatten löten. Mehr über das Löten später.

Learning by Doing

Lassen wir die Hardware-Details erst einmal beiseite und konzentrieren uns auf das Lernen. Nehmen wir an, Sie haben noch nie gelötet. Das ist kein Problem. In der Dokumentation von Short Circuits wird erklärt, wie man alles lötet, sogar die winzigen oberflächenmontierten Bauteile (SMD), für diejenigen, die eine zusätzliche Herausforderung suchen. Hier ist ein Auszug aus der Dokumentation, die einem der Bausätze beiliegt und sich auf die Löttechnik bezieht:
 

 
Es gibt so viel zu löten, dass Sie am Ende der Lötarbeiten für einen Bausatz ein Experte sein werden. Ich habe etwa eine Stunde gebraucht, um den RGB-Matrix-Bausatz zu löten. Die größte Herausforderung war das Löten der Transistoren, weil die Transistorstifte so dicht beieinander liegen.
 
Hier ist eine meiner Platinen während des Zusammenbaus:
 

Wie funktionieren Schaltungen?

Das Lernen geht mit Schaltungen weiter. Wie funktionieren zum Beispiel Transistoren? In den Bausätzen werden Transistoren als Schalter verwendet, und die Dokumentation erklärt, warum sie verwendet werden und wie sie an der Schaltung beteiligt sind. Jedes Detail auf der Platine und jedes Bauteil wird detailliert auf einem für Anfänger geeigneten Niveau, aber vollständig erklärt. Zum Beispiel haben die Autoren sogar einen vollständigen Satz von Formeln (mit Beispielen für deren Anwendung) bereitgestellt, um dem Lernenden zu helfen, zu verstehen, wie man den Wert der Widerstände, die Ströme und mehr berechnet.

Als Pädagoge ist dieses Maß an Beschreibung und Detailgenauigkeit unerlässlich. Es ist die Art von Informationen, die man anderswo nur schwer finden kann

Ja, Sie werden in einem Elektronikbuch eine Erklärung der Funktionsweise eines NPN-Transistors finden. In einem solchen Buch werden Sie über die Basis, den Kollektor und den Emitter lesen und lernen, wie man den Basiswiderstand berechnet. Es ist leicht, eine Dokumentation über die Verwendung eines Bauteils wie eines Transistors in einer trivialen Schaltung zu finden.

Aber es ist selten, eine Dokumentation über die Integration dieses Bauteils in eine vollständige und funktionierende Schaltung zu finden, wie z. B. in der RGB-Matrixkarte. Sie können sehen, wie das Bauteil in dieser Schaltung im Verhältnis zu den anderen Komponenten funktioniert.

Dank der detaillierten Erklärungen, die in der Dokumentation von Short Circuits zu finden sind, haben die Schüler das Gefühl zu wissen, wie und warum die Schaltung funktioniert.

Meine Erfahrung mit dem Löten

Ich muss ein paar Dinge zu meiner Löterfahrung sagen: Ich halte mich für einen erfahrenen "Löter". Aber ich habe in den letzten Jahren nicht viel gelötet, da ich überwiegend mit Breadboards und Steckmodulen arbeite. Außerdem entwerfe ich meine Leiterplatten (in der Regel) so, dass sie leicht mit Stiftleisten bestückt werden können, oder ich überlasse das Löten den Leiterplattenherstellern, um mir die Zeit zu sparen.
 
Für das Löten der vier Short Circuits-Bausätze habe ich fast einen Tag gebraucht. In dieser Zeit sind mir einige Lötfehler unterlaufen, die ich ausbessern musste. Die meisten der Bauteile sind bedrahtet und leicht zu verarbeiten. Einige bedrahtete Bauteile, insbesondere die Transistoren, sind wegen der Nähe ihrer Anschlüsse schwierig zu verarbeiten. Hier ist Geduld gefragt.
 
Es gibt auch viele SMD-Bauteile (oberflächenmontierte Bauteile), die viel schwieriger zu löten sind, besonders für Anfänger. Ich habe eine Lupe zur Hilfe genommen, denn diese Bauteile sind winzig!
 

 
Die Hauptplatine enthält zum Beispiel viele SMD-LEDs und -Widerstände neben der Reihe Schraubklemmen. Außerdem ist ein SMD-USB-Anschluss vorhanden (siehe Foto oben, in der unteren linken Ecke). Short Circuits räumt ein, dass diese SMDs relativ schwer zu löten sind und gibt Ihnen die Möglichkeit, sie nicht zu löten, wenn Sie das nicht wollen. Die Platine wird auch ohne sie funktionieren. Ich habe mich entschieden, sie zu montieren, weil ich einfach nicht widerstehen konnte. Alle LEDs funktionierten gut, bis auf eine, und sogar der USB-Anschluss funktionierte.
 
Wenn man einen Short Circuit-Bausatz zusammenbaut, muss man geduldig sein. Soweit ich weiß, kann man keine zusammengebaute Version des Bausatzes kaufen. Wenn Sie jedoch geduldig sind, einen Lötkolben mit feiner Spitze und dünnes Lötzinn haben (bleihaltiges Lötzinn ist leichter zu verarbeiten) und die Anweisungen im PDF des Bausatzes lesen, werden Sie am Ende des Bausatzes überdurchschnittliche Lötfähigkeiten haben.

Verwendung von Short Circuits

Ich habe über die Bausätze, die Dokumentation und das Löten geschrieben. Wie ist es, einen Short Circuits-Bausatz zu verwenden?

Wir verwenden zum Beispiel die Hauptplatine (ein Arduino UNOkompatibles Gerät ohne USB-serielle Schnittstelle) und eine der Tochterplatinen, wie den Digitiser. Sie können meine hierunter sehen:
 

 
Die Short Circuits Experimente beginnen mit der Verdrahtung. Verwenden Sie Drahtbrücken, um die Platinen über ihre Schraubklemmen zu verbinden. Wie zu erwarten, sind die Verdrahtungsanweisungen in der Dokumentation ausgezeichnet (siehe Beispiel unten).
 

 
Natürlich wird in der Dokumentation nicht nur erklärt, wie man die Verdrahtung vornimmt, sondern auch, warum die Verdrahtung auf diese Weise vorgenommen wird.
 
Als Nächstes benötigen Sie eine Möglichkeit, die Projektsketch von Ihrem Computer auf das Motherboard zu übertragen. Da das Motherboard kein USB-zu-seriell-Modul enthält (wie das auf einem normalen Arduino UNOBoard integrierte), müssen Sie entweder ein Arduino UNO verwenden, das als USB-zu-seriell-Brücke fungiert, oder ein USB-zu-seriell-Modul, das mit dem FTDI-Header auf dem Motherboard verbunden ist. Ich habe die letztere Option verwendet (siehe unten).
 

 
Nachdem das FTDI-Modul über den FTDI-Header mit dem Motherboard und über den USB-Anschluss mit meinem Computer verbunden war, habe ich meine Arduino-IDE gestartet. Holen Sie sich den Beispiel-Sketch von der Short Circuits website, und kopieren Sie ihn in ein neues Arduino IDE-Sketchfenster.
 

 
Um diesen Sketch auf das Motherboard hochzuladen, wählen Sie wie bei einem normalen Arduino den Board-Typ (Arduino UNO) und den angeschlossenen Port (in meinem Fall /dev/cu.usbserial-A50285BI) und klicken Sie auf die Schaltfläche Upload.

Urteil

Trotz der mühsamen Lötarbeit (die befriedigend ist, solange man in der richtigen Geisteshaltung ist), habe ich meine Zeit mit Short Circuits genossen. Lassen Sie mich diesen Artikel mit einer Liste von Vor- und Nachteilen abschließen:

• Pro: Lehrreich – Lesen Sie das Handbuch, bauen Sie die Bausätze zusammen, lesen Sie die Sketches und laden Sie sie hoch, und Sie werden tiefgreifendes Lernen in den Bereichen Hardware und Software erreichen.
• Pro: Umfassend – Die Bausätze enthalten alles, was Sie zum Aufbau der Schaltung benötigen, einschließlich einer ausführlichen Anleitung, die Sie bei jedem Schritt begleitet.
• Pro: Kompatibel mit Arduino IDE – Das Motherboard ist kompatibel mit Arduino und der Arduino IDE, was es vielseitig für verschiedene Projekte einsetzbar macht. Denken Sie daran: Sie benötigen ein FTDI-Modul.
• Pro: Community – Short Circuits baut eine Community auf, in der Sie Ihre eigenen Designs mit anderen teilen und von anderen lernen können.
• Pro: Umweltfreundlich – Die Verpackung enthält nur wenig Plastik, und die Handbücher sind online verfügbar, um die Umweltbelastung tief zu halten.
• Contra Pro: Montage erforderlich – Sie benötigen einen Lötkolben, Lötzinn, einen Schraubenzieher und einen Inbusschlüssel, um die Bausätze zusammenzubauen. Außerdem brauchen Sie eine Menge Geduld. Aber das ist Teil des Spaßes!
• Contra: Ich würde mir eine bessere Organisation für die Beispielsketches wünschen. Im Moment sind die Sketches in den Short Circuit-Foren zum Download verfügbar.
• Contra: Mehr Beispielsketches! Für jeden Bausatz in der Produktion gibt es nur eine Beispielsketch. Ich würde gerne viel mehr sehen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Bausätze von Short Circuits eine wunderbare, praktische Möglichkeit bieten, etwas über Mikrocontroller und Schaltungen zu lernen. Wenn Sie schon immer einmal verstehen wollten, wie die Geräte um Sie herum funktionieren, sind diese Bausätze ein guter Anfang.


Von Peter Dalmaris

Peter ist der Chief Geek und leitender Ausbilder bei Tech Explorations. He writes books and creates courses on topics such as the Arduino, Raspberry Pi and KiCad