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Aktuatoren

Als Aktuatoren oder Aktoren werden elektromechanische Komponenten bezeichnet, die elektrischen Strom in physische oder mechanische Grössen (Bewegung, Druck, Temperatur) übersetzen. Sie können also gewissermassen als Gegenstück zu den Sensoren gesehen werde, die physische oder mechanische Grössen in elektrische Impulse übersetzen. Je nach Aktuator werden verschiedene physikalische Effekte genutzt. Dieses können elektromagnetische Impulse über Piezoeffekte oder auch ganz neuartige sogenannte elektroaktive Polymere sein. Um uns eine Übersicht zu verschaffen gliedern wir die von uns genutzten Aktuatoren in verschiedene Gruppen. Sehr viele der hier vorgestellten Aktuatoren verlangen mehr Spannung und Strom, als dies ein Arduino an einem Ausgang liefern kann. Deswegen empfiehlt sich entweder die Verwendung eines Transistor als Schalter (wenn mit Gleichstrom gearbeitet wird) oder die Verwendung eines Relais als Schalter (wenn mit Netzspannung gearbeitet wird).

Bewegung 

Solenoids
Solenoids oder sogenannte Zylinderspulen werden vor allem bei Veriegelungssystemen (Türen, Fenstern usw.) eingesetzt. Ihre Funktion basiert auf der Elektrodynamik und sie bestehen aus einer Spule, einem Eisenkern und einer Rückstellfeder. Wenn eine Spannung an der Spule anliegt, dann wird der Eisenkern sehr schnell bewegt – fällt die Spannung ab, so sorgt die Rückstellfeder dafür, dass der Eisenkern in die Ausgangsstellung zurückgestellt wird. Mit einem Solenoid lässt sich sehr schön haptisches Feedback erzeugen aber auch für Verriegelungen sind Solenoids sehr gut geeignet. Um ein Solenoid mit dem Arduino anzusteuern verwenden wir einen Transistor als Schalter.


Gleichstrommotoren
Gleichstrommotoren sind die gängigsten Aktuatoren in der Elektrotechnik. Es gibt sie im wesentlichen in zwei Ausführungen als normale und bürstenlose Variante. Normale Gleichstrommotoren lassen sich mit dem Arduino über einen Transistor als Schalter oder mittels einer H-Brücke betreiben. Um bürstenlose Motoren ansteuern zu können muss ein spezieller Regler – ein sogenannter ESC (Electronic Speed Controller) verwendet werden.


Getriebemotoren
Getriebemotoren sind funktionell mit Gleichstrommotoren gleich zu setzen. Sie besitzen aber ein Getriebe, welches dafür sorgt, dass zum Einen die Drehzahl des Motors herabgesetzt wird und zum Anderen die Kraft des Antriebes erhöht. Man findet unterschiedliche Getriebearten (Stirnradgetriebe, Schneckengetriebe usw.) welche je nach dem angestrebten Einsatzzweck gewählt werden sollten. Daneben existieren Varianten, welche einen Rotationsencoder beinhalten.

 
Schrittmotoren
Schrittmotoren sind ebenfalls Gleichstrommotoren, welche durch ein rotierendes Magnetfeld angetrieben werden. Sie werden vor allem in der Robotik, bei Druckern und 3D Druckern (siehe Ultimaker) eingesetzt. Der Vorteil dieser Art von Motoren besteht darin, dass sie je nach Bauart sehr präzise Positionierung erlauben. Daneben kann die Anzahl der Schritte direkt auf eine Winkelstellung übertragen werden. Dazu existieren in den Datenblättern dieser Motoren Angaben darüber, wie viel Grad ein Schritt des Motors entspricht. Um Schrittmotoren am Arduino zu betreiben verwendet man spezielle IC's (H-Brückeoder fertige Schrittmotorentreiber.

 
Servomotoren
Als Servomotoren werden Motoren 
bezeichnet, die eine genaue Positionierung erlauben. Diese Motoren werden vor allem in der Robotik und im RC Bereich eingesetzt. Es gibt sie in vielfachen Ausführungen und sie können teilweise sehr teuer werden. Die Servos, welche wir im Physical Computing einsetzen sind meist aus dem RC Bereich und lassen sich sehr leicht über ein PWM-Signal und der Verwendung der Arduino Servo Library steuern.

Haptic Feedback

Vibrationsmotoren
Vibrationsmotoren sind kleine Gleichstrommotoren, welche durch ein Gewicht eine Vibration erzeugen. Sie werden unter anderem in Mobiltelefonen und Game Controllern eingesetzt. Mit dem Arduino können sie über einen Transistor als Schalter angesteuert werden.


Haptuators
Haptuatoren erzeugen ein sehr präzises haptisches Feedback über zwei gegenüberliegende Solenoids. Wir verwenden für kleine Anwendungen die Modelle von Tactile Labs für grössere Anwendungen kommen die Modelle von Clark Synthesis zum Einsatz. Die Haptuatoren benötigen ein Audio-Signal und sollten über einen entsprechenden Verstärker angesteuert werden.

Heiz- und Kühlelemente

Peltier Element
Ein Peltier Element ist ein elektronisches Bauteil, was sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen verwendet werden kann. Es nutzt den Peltier Effekt, welcher eine Temperaturänderung beim Anlegen einer Spannung ermöglicht. Diese Elemente können wir mit Hilfe eines Transistor als Schalter am Arduino betreiben. Soll das Peltier Element auf der selben Seite sowohl kühlen als auch heizen eignet sich der Einsatz einer H-Brücke.


Heizfolien 
Als Heizfolien werden sehr flache und meist flexible Heizungen bezeichnet. Diese funktionieren, indem sie die anliegende Spannung durch einen Widerstand in Wärme verwandeln. Gewissermassen kann so von einem sehr ineffizienten Widerstand gesprochen werden. Es gibt sie in unterschiedlichen Grössen, Formen und Dicken und sie sollten je nach Einsatzzweck ausgewählt werden. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit sich eigene Heizfolien herzustellen. Am Arduino steuern wir Heizfolien mittels eines Transistor als Schalter.


PTC Heizelemente 
PTC Heizelemente basieren auf einem keramischen Material, welches bei Anlegen einer Spannung seinen Widerstand verändert und in Wärme umwandelt. Der Vorteil gegenüber Heizfolien besteht darin, dass bei erreichen einer Grenztemperatur der Widerstand nahezu unendlich gross wird. damit verlangen sie keine aktive Regelung der Maximaltemperatur. Auch hier verwenden wir einen Transistor als Schalter und die Elemente mit dem Arduino ansteuern zu können. 

Leuchten 

 

LEDs
LEDs oder Light Emitting Diods sind die am meisten verwendeten Leuchtelemente in der Elektronik. Das kommt daher, dass sie sehr effizient (wenig Stromaufnahme) und sehr wartungsfrei arbeiten. Der Leuchteffekt einer LED basiert auf einem Halbleiter Element, welches beim Anlegen einer Spannung zum leuchten angeregt wird. Je nach Farbwert der LED kommen unterschiedliche Halbleitermaterialien zum Einsatz. So gibt es rote, grüne, blaue, gelbe LEDs. Um weisses Licht zu emittieren werden immer die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau in einem geeigneten Verhältnis gemischt. Mittlerweile existiert eine grosse Bandbreite von unterschiedlichen Bauformen (SMD, Through Hole usw.) und Helligkeiten. Je nach Bauform und Helligkeit kann die Spannungs- und Stromaufnahme sich erheblich unterscheiden, weshalb immer das Datenblatt zu Rate gezogen werden sollte. Für das Betreiben einer LED am Arduino gilt folgende Faustregel: Wenn Spannung kleiner als 5V und Stromaufnahme kleiner als 40mA, dann direkt betreiben und ansonsten einer Transistor als Schalter verwenden.


Glühlampen
Glühlampen oder auch Glühbirnen sind die klassichen Leuchtmittel, welche von Thomas Edison erstmals patentiert wurden. Sie basieren auf dem Effekt, dass ein dünner Draht, durch welchen Strom fliesst, sich so stark erhitzen kann, dass er zu Leuchten beginnt. Es existieren eine Vielzahl von Bauformen, Grössen und Leuchtstärken. Auch lassen sich Glühlampen sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom betreiben. Wenn wir eine Wechselstromglühlampe am Arduino betreiben wollen nutzen wir ein Relais als Schalter bei einer Gleichstromglühlampe können wir auf den bewährten Transistor als Schalter zurückgreifen.


DMX Lichter
In der Bühnentechnik wird schon lange auf eine eigenes Protokoll zum Kontrollieren von Lichtern und sonstigen Effektgeräten gesetzt. Dieses Protokoll nennt sich DMX (Digital Multiplex) und wird von vielen Geräten unterstützt. Das gute an DMX ist, dass über dieses Protokoll nur die Parameter übergeben werden und keine direkte Übertragung von Strom stattfindet. Weiterhin lassen sich mit nur einem Anschluss 512 Kanäle mit jeweils 8bit Auflösung (256 Werte) steuern. Diese Eigenschaften machen DMX auch für Interaction Designer sehr interessant. Wir haben ein eigenes DMX Shield, welches sich unter Verwendung der DMX Simple Library sehr gut mit dem Arduino verwenden lässt.

 
Leuchtstofflampe
Leuchstofflampen kommen vor allem im Bereich der Gebäudetechnik zum Einsatz. Eine Leuchtstofflampe leuchtet, sobald wir Wechselspannung an sie anlegen, welches ein Gas im Inneren zum leuchten anregt. Um eine Leuchtstofflampe mit dem Arduino zu steuern brauchen wir ein Relais als Schalter.