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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Lichtleiterübertragung per normalen LEDs, seltsame Ergebnisse


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Autor: Dietmar S. (didi2)
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Ich wollte mir eine einfache Lichtleiterübertragung basteln. Es geht um 
2 separate Signalwege, die jeweils einfach nur den Zustand 0 und 1 
übertragen müssen auf vielleicht 20cm.

Da dachte ich mir, ich nehme einfach eine 2-Farben-LED als Sender und 
Empfänger, Rot emfängt Rot, Grün empfängt Grün und ich brauche so nur 
einen Lichtleiter. Die Empfänger-LEDs geben dann ca. 1 Volt ab 
(unbelastet).

Zuerst habe ich es mit einzelnen eingefärbten versucht. Rot geht klasse, 
Grün funktioniert gar nicht. Blaue hatte ich nur klare. Das hat mit Rot 
und Blau unterscheiden aber überraschend gut funktioniert, obwohl 
letztere nicht eingefärbt waren.

Dann habe ich eine 3-Farben-LED genommen (2-Farben hatte ich nicht da) 
und dabei erhalte ich seltsame Ergebnisse. Der Empfänger regiert nicht 
unbedingt auf dieselbe Farbe, siehe angehängte Tabelle.

Wie kommt das zustande?

Die 3-Farben-LEDs haben für jede Farbe einen eigenen Chip (kann man 
durch das Gehäuse erkennen) und einen eigenen Pin. Gut, auch hier hatte 
ich zwar klare LEDs genommen und somit keinen Farbfilter, aber mit 
Filter würde z.B. Blau dann ja fast gar nicht mehr funktionieren.

Autor: Dietmar S. (Gast)
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Ich habe gerade was interessantes dazu gefunden, das führe ich mir erst 
mal zu Gemüte:

http://www.sensorsynergy.com/helpfulhints.htm

Autor: Wolfgang (Gast)
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Dietmar S. schrieb:
> Wie kommt das zustande?

Eine Photodiode ohne Farbfilter kennt keine Farben. Die Empfindlich 
hängt zwar von der Wellenlänge ab, aber das ist meist ein eher sanfter, 
wenig farbselektiver Verlauf.

Und ob bei dir 0 oder 1 raus kommt, hängt letztendlich von deinem 
Schwellwert ab. Wenn du quantitativ die Empfindlichkeit bestimmen 
möchtest, ist es immer ratsam den Strom zu messen. Die Abhängigkeit 
der Spannung von der Helligkeit ist kräftig nichtlinear.

Autor: Stefanus F. (Firma: Äppel) (stefanus)
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Zudem ist es wichtig, dass die Wellenlängen der zwei/drei Farben 
möglichst exakt überein stimmen.

Autor: Dieter (Gast)
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Anbei ein guter Post zu solchen Schaltungen mit LED als Sender und 
Empfänger:

Farbenblinde LEDs
Beitrag zum Schaltungswettbewerb 2017 von Fritz Wegener
http://www.elektronik-labor.de/Lernpakete/Kalender17/Kalender17Contest1.html

Autor: Georg (Gast)
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Dietmar S. schrieb:
> ich nehme einfach eine 2-Farben-LED als Sender und
> Empfänger

Das funktioniert garantiert nicht, als Empfänger ist die LED bei weitem 
nicht selektiv genug. Du brauchst einen Photoempfänger, der RGB 
separiert, oder du schaltest selbst Farbfilter vor die Photodioden 
(RICHTIGE Filter, keine Farbfolien vom Bastlerbedarf). Und natürlich 
müssen die Kurven von Sender und Empfänger jeweils übereinstimmen.

Georg

Autor: Dietmar S. (didi2)
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Wolfgang schrieb:
> Wenn du quantitativ die Empfindlichkeit bestimmen
> möchtest, ist es immer ratsam den Strom zu messen.

Um das mit dem 4. Quadranten zu verstehen, wie in diesem Artikel 
beschrieben: http://www.sensorsynergy.com/helpfulhints.htm

Da heißt es man soll die LED wie eine Photodiode oder eine Solarzelle 
betreiben. Heißt das in letzterem Fall, dass ich einfach einen 
Lastwiderstand an die LED hänge (und folglich wie Du ja schon 
geschrieben hast, den Strom messe bzw. den Spannungsabfall am 
Widerstand)?


Dieter schrieb:
> Farbenblinde LEDs
> Beitrag zum Schaltungswettbewerb 2017 von Fritz Wegener
> http://www.elektronik-labor.de/Lernpakete/Kalender17/Kalender17Contest1.html

Wie hast Du denn das gefunden, ich hab ewig recherchiert.


Georg schrieb:
> Das funktioniert garantiert nicht

Ich will nur zwei sehr langsame Zustände übertragen, deswegen sehe ich 
kein Problem. Meine ersten Versuche mit einzelnen LEDs haben auch 
bestens funktioniert. Eine 2-Farben-LED wäre natürlich eleganter.

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Autor: Dietmar S. (didi2)
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Hab's jetzt verstanden! Dann starte ich mal einen neuen Versuch.

Autor: Dieter (Gast)
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Dietmar S. schrieb:
> Wie hast Du denn das gefunden, ich hab ewig recherchiert.
Hatte das damals gelesen, mich daran erinnert und gezielt gesucht.

Autor: Olaf (Gast)
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Wäre da nicht ein moduliertes Signal mit nur einer LED besser? So wie 
eine IR-Fernbedienung funktioniert quasi.

Autor: Tim  . (cpldcpu)
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LEDs sind als Detektor üblicherweise nur für Wellenlängen empfindlich, 
die gleich oder kleiner der Abstrahlwellenlänge sind. Siehe Bild als 
Beispiel.

Im Detail hängt das auch noch von der Konstruktion der LED ab. Daher 
muss man das Verhalten individuell charakterisieren.

Hier sind zwei interessante Masterarbeiten:

https://digi.lib.ttu.ee/i/file.php?DLID=9345&t=1
https://pdfs.semanticscholar.org/acf0/2f479979a8e9ccd76fe86e1f18cfc8f72b0c.pdf

Autor: Dietmar S. (didi2)
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Hab mal versucht die LED negativ vorzuspannen, wie bei Sensorsynergy 
empfohlen und den Strom zu messen. Meine Güte die liefern ja wirklich 
nur wenige Nanoampere... Und dann verhalten sie sich auch so wie 
beschrieben.

Vielleicht kann ich auf die Farbunterscheidung verzichten, da die beiden 
Signale nicht zur gleichen Zeit vorhanden sein müssen, jedoch aus 
unterschiedlicher Richtung. Müsste dann nur die Dioden bei Tx/Rx 
umschalten.

Hab mir heute dennoch zum experimentieren Duo-LEDs in Rot/Blau und 
Rot/Grün bestellt. Grün-Blau hätte ich mir noch bestellen sollen...


Olaf schrieb:
> Wäre da nicht ein moduliertes Signal mit nur einer LED besser?

Modulation wäre zu aufwändig, bei lediglich zwei Ein/Aus-Steuersignalen. 
Aber es muss ja bidirektional funktionieren, sonst würde ich einfach 
eine Photodiode nehmen.


Tim  . schrieb:
> Hier sind zwei interessante Masterarbeiten:
>
> https://digi.lib.ttu.ee/i/file.php?DLID=9345&t=1
> https://pdfs.semanticscholar.org/acf0/2f479979a8e9ccd76fe86e1f18cfc8f72b0c.pdf

Interessant, zu was es alles Masterarbeiten gibt. Habe mir die 
betreffenden Abschnitte der beiden Arbeiten durchgelesen. Bei der 
letztgenannten Arbeit kam der Autor zu ähnlichen Testergebnissen wie 
ich: Normal helle 3mm-LEDs eignen sich nicht und die 5mm verhalten sich 
exakt wie bei meinen Versuchen.

: Bearbeitet durch User
Autor: Dieter (Gast)
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Und es gibt LEDs die warmweiß leuchten und zugleich als Empfänger für 
IR-Signale verwendet werden. Es gibt Weihnachtsbeleuchtung mit Batterien 
und IR-Fernbedienung, die so funktionieren.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Dietmar S. schrieb:
> Da heißt es man soll die LED wie eine Photodiode oder eine Solarzelle
> betreiben. Heißt das in letzterem Fall, dass ich einfach einen
> Lastwiderstand an die LED hänge (und folglich wie Du ja schon
> geschrieben hast, den Strom messe bzw. den Spannungsabfall am
> Widerstand)?

Eine Solarzelle betreibst du am MPP, eine Photodiode sinnvollerweise im 
Kurzschlussbetrieb. Das sind völlig verschiedene Punkte auf der 
Kennlinie.
Eine LED, die du als Detektor betreibst, ist eine (schlechte) 
Photodiode.

Wenn du den Strom vernünftig im Kurzschlussbetrieb messen willst, 
schickst du den Photostrom aus der Diode in einen virtuellen Massepunkt, 
i.e. du wandelst ihn z.B. mit einem TIA in eine Spannung um.
https://de.wikipedia.org/wiki/Photodiodenverst%C3%A4rker

Georg schrieb:
> oder du schaltest selbst Farbfilter vor die Photodioden
> (RICHTIGE Filter, keine Farbfolien vom Bastlerbedarf)

Für welchen Kundenkreis die Filter vermarktet werden, ist völlig egal.
Es kommt einzig drauf an, ob die spektrale Charakteristik geeignet ist 
und wie hoch die Ansprüche an die Kanaltrennung sind.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Dieter schrieb:
> Und es gibt LEDs die warmweiß leuchten und zugleich als Empfänger für
> IR-Signale verwendet werden.

Bei den üblichen warmweißen "LEDs" leuchtet die eigentliche LED blau. 
Guck dir mal das Spektrum an und achte auf den Peak bei 460nm. Der 
Weißanteil des abgegebenen Lichtes stammt nicht von der LED, sondern vom 
Phosphor.

Beim Betrieb als Detektor hat der Phosphor keine Bedeutung, weil er 
nicht langwelliges in kurzwelliges Licht umwandeln kann (von 
Doppelphotonenanregung mal abgesehen).

Autor: Tim  . (cpldcpu)
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Dieter schrieb:
> Und es gibt LEDs die warmweiß leuchten und zugleich als Empfänger für
> IR-Signale verwendet werden. Es gibt Weihnachtsbeleuchtung mit Batterien
> und IR-Fernbedienung, die so funktionieren.

Das halte ich für relativ unwahrscheinlich. In den Warmweissen LED regt 
ein blauer emittierender LED chip einen Phosphor an. Der LED-Chip selbst 
ist nur im blauen, bzw. UV als Photodiode nutzbar. Für Längerwelliges 
Licht ist er blind.

Die besagte Weihnachtsbeleuchtung wird wahrscheinlich einen getrennten 
IR-receiver nutzen.

Autor: Dieter (Gast)
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Das ist kein Geruecht. Gibt sogar das Patent zu finden. Erst nach dem 
das nicht verlaengert wurde, kamen die Produkte auf den Markt.

Autor: Tim  . (cpldcpu)
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Dieter schrieb:
> Das ist kein Geruecht. Gibt sogar das Patent zu finden. Erst nach
> dem
> das nicht verlaengert wurde, kamen die Produkte auf den Markt.

Dann verlinke es doch bitte.

http://www.google.com/patents

Weiße LEDs gibt es noch gar nicht so lange, dass ein nennenswerter 
Anteil der Patente abgelaufen sein könnte...

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Autor: Dietmar S. (didi2)
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Die LEDs sind heute gekommen, hatte dann auch noch Duos in Blau-Grün 
bestellt. Die eignen sich bestens und liefern eine überraschend hohe 
Ausgangsspannung von über 2 Volt.

Das Verhalten ist auch vom Strom der Sende-LED abhängig. Blaues Licht 
wird von der grünen und der blauen "empfangen". Bei 5mA sendeseitig 
reagiert die blaue Empfangs-LED stärker, bei 15mA die grüne. Ich nehme 
dann die die grüne LED als Empfänger und die blaue bei 10mA als Sender.

Wenn meine Schaltung fertig ist, lade ich den Plan hier hoch. Das wird 
allerdings noch eine ganze Weile dauern, weil mir noch etliche Bauteile 
fehlen.

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Autor: Stefan M. (derwisch)
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LEDs als Empfänger würde ich eher in den Bereich "geht zwar irgendwie, 
ist aber eher untauglich für die Praxis" einordnen.
Wenn das so toll wäre, würde die Halbleiterindustrie keine echten 
Empfängerdioden anbieten.
So teuer sind die auch nicht...
In alten Videocamcordern sind z.B. RGB Sensoren drin, die die Werte für 
den Weißabgleich liefern.
Da hast Du sowas schon in Perfektion fertig drin.
Wie schnell die sind weiß ich nicht, aber das fänd ich persönlich schon 
spannender, wenn man damit etwas forscht...

Autor: npn (Gast)
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Stefan M. schrieb:
> LEDs als Empfänger würde ich eher in den Bereich "geht zwar irgendwie,
> ist aber eher untauglich für die Praxis" einordnen.

Dietmars Begründung:

Dietmar S. schrieb:
> Aber es muss ja bidirektional funktionieren, sonst würde ich einfach
> eine Photodiode nehmen.

Autor: Dietmar S. (didi2)
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Stefan M. schrieb:
> In alten Videocamcordern sind z.B. RGB Sensoren drin, die die Werte für
> den Weißabgleich liefern.

An einen RGB-Sensor habe ich ja gar nicht gedacht. Aber auch gut so, 
denn die LED-Methode eignet sich für meinen Anwendungsfall prima. 
Funktioniert bidirektional und ist billig.

Autor: Stefan M. (derwisch)
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npn schrieb:
> Aber es muss ja bidirektional funktionieren, sonst würde ich einfach
>> eine Photodiode nehmen.

Ok, das hatte ich übersehen.

Autor: Stefanus F. (Firma: Äppel) (stefanus)
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Es gibt doch sicher offiziell bidirektionale Kombi-Bauteile oder etwa 
nicht?

Autor: npn (Gast)
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Ich hab nicht komplett alles durchgelesen, aber mal eine Frage: Hast du 
schon mal dran gedacht, statt einem Lichtleiter zwei zu benutzen? Dann 
hast du mit den Farben keine Probleme und ein Lichtleiter mit 20cm Länge 
kostet auch nur ein paar Cent. Für 20cm muß es ja auch kein Glasfaser 
sein, da reicht Kunststoff...

Autor: äxl (Gast)
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Autor: Peter D. (peda)
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Dietmar S. schrieb:
> Modulation wäre zu aufwändig, bei lediglich zwei Ein/Aus-Steuersignalen.
> Aber es muss ja bidirektional funktionieren, sonst würde ich einfach
> eine Photodiode nehmen.

So schlimm ist das nicht. Wenn man keinen MC programmieren kann, gehen 
auch ein paar Gatter und FFs.
Der Master sendet kurze oder lange Pulse für 0/1 und der Slave sendet in 
den Pausen kurz oder lang zurück.

Besser ist natürlich mit Trägerfrequenz, dann stört auch Umgebungslicht 
nicht.

Autor: Dietmar S. (didi2)
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Da es zu den LEDs kein Datenblatt gab und der Händler sich nach dem Kauf 
stumm stellt (was ich nicht anders erwartet hatte), war ich inspiriert 
noch mal ein paar Versuche zu machen.

Eigentlich wollte ich nur die Durchlassspannung ermitteln und hab die 
LED an eine Konstantstromquelle angeschlossen. Wieviel Strom die LED 
verträgt weiß ich nicht, bei 30mA wurde sie weder heiß, noch ging sie 
kaputt. Keine Ahnung ob ich sie jetzt mit max. 17mA betreiben soll oder 
ob sie mehr verträgt. Ein deutlicher Helligkeitsanstieg lässt sich auch 
zwischen 20 und 30mA noch wahrnehmen.

Das angehängte Diagramm: Durchlassspannung für die blaue LED als Sender 
in Abhängigkeit vom Strom. Die dazugehörigen Ausgangsspannungen für die 
grüne LED als Empfänger mit 100k, 1M und ohne Belastung (bzw. 10M fürs 
Messgerät). Interessant das Verhalten bei 1M.

: Bearbeitet durch User
Autor: Wolfgang (Gast)
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Tim  . schrieb:
> Weiße LEDs gibt es noch gar nicht so lange, dass ein nennenswerter
> Anteil der Patente abgelaufen sein könnte...

Es gibt mW überhaupt keine weißen LEDs.

Die Dinger, die gemeinhin als weiße LEDs bezeichnet werden, sind blaue 
LEDs mit einem Phosphor zur Wellenlängenkonvertierung.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Dietmar S. schrieb:
> led2.png

Deine drei grüne Kurven sind der absolute Bringer ... ;-(

Autor: Dietmar S. (Gast)
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Wolfgang schrieb:
> Deine drei grüne Kurven sind der absolute Bringer ... ;-(

Wen juckt's, mir helfen sie weiter.

Autor: Dieter (Gast)
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Tim  . schrieb:
> Dieter schrieb:
>> Das ist kein Geruecht. Gibt sogar das Patent zu finden. Erst nach
>> dem
>> das nicht verlaengert wurde, kamen die Produkte auf den Markt.
>
> Dann verlinke es doch bitte.

Das Patent hat google leider bei der Suche nicht ausgespuckt. Aber die 
Physik dahinter wäre:
https://www.elektormagazine.de/news/led-mit-einem-wirkungsgrad-von-100
"denn am zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kommt man auch in Boston 
nicht vorbei. Die Auflösung:
Wärme entspricht Schwingungen des Kristallgitters und diese erleichtern 
es Photonen, ausgesendet zu werden. Die Photonen werden also nicht nur 
von der eingespeisten elektrischen Energie angetrieben, sondern nutzen 
auch die vorhandene Wärmeenergie. Das Resultat ist, dass dabei der 
LED-Kristall leicht abkühlt bzw. Wärmeenergie aus der Umgebung aufnimmt. 
Eine Art Miniwärmepumpe also. Und schon sind wir bei einem 
Gesamtwirkungsgrad von unter 100% – die Welt ist wieder im 
Gleichgewicht."

In dem Falle ist diese zusätzliche Energie die IR-Strahlung des 
modulierten Senders. Der Strom der LED wird dabei mitmoduliert.

Beitrag #6001041 wurde vom Autor gelöscht.
Autor: Dieter (Gast)
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Im Gegensatz hierzu ist bei dem Post mit den Bildern auf dem zweiten 
Bild der Oberseite auch ein IR Bauteil (IR-Diode oder Transistor) zu 
erkennen.
Beitrag "Weihnachtskerzen IR-Protokoll"

Es gibt dann noch eine Variante mit einem SMD-Chip, wo nichts zu sehen 
ist von einem IR-Empfänger, dh auch keine noch so kleine IR-SMD-Diode. 
Es gibt auch IR-durchlässigen Kunststoff. Das SMD-Chip Gehäuse ist 
daraus.

Wobei es schon Kerzen gibt, da ist gar kein SMD drauf, sondern auf der 
Platine eine kleine ovale schwarze Fläche, Spule und LED (sonst nichts), 
ca 1mm dick und 7mm Durchmesser. Wenn man auf dieser kratzt und schräg 
gegen das Licht hält, ist diese Masse geringfügig unterschiedlich, als 
wie man diese sonst von solcher Bauweise gewohnt ist. Ist auch 
IR-durchlässiger Kunststoff.

Autor: Tim  . (cpldcpu)
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Dieter schrieb:
> Es gibt dann noch eine Variante mit einem SMD-Chip, wo nichts zu sehen
> ist von einem IR-Empfänger, dh auch keine noch so kleine IR-SMD-Diode.
> Es gibt auch IR-durchlässigen Kunststoff. Das SMD-Chip Gehäuse ist
> daraus.

Dann wäre ein Photo davon interessant.

>Wobei es schon Kerzen gibt, da ist gar kein SMD drauf, sondern auf der
>Platine eine kleine ovale schwarze Fläche, Spule und LED (sonst nichts),
>ca 1mm dick und 7mm Durchmesser. Wenn man auf dieser kratzt und schräg
>gegen das Licht hält, ist diese Masse geringfügig unterschiedlich, als
>wie man diese sonst von solcher Bauweise gewohnt ist. Ist auch
>IR-durchlässiger Kunststoff.

Aha! Also evtl. ist der IR-Empfänger im IC mit integriert? Das erscheint 
aus technischer Sicht wesentlich realistischer.

: Bearbeitet durch User
Autor: Wolfgang (Gast)
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Dietmar S. schrieb:
> Interessant das Verhalten bei 1M.

Was ist daran so aufregend?

Bei 20mA(?) geht die Spannung der mit mit 1MΩ belasteten LED in die 
Sättigung, bei 10MΩ schon unterhalb von 4mA(?), bei 100kΩ wird die 
Sättigung nicht erreicht?

Guck dir mal die Ausgangskurve einer Photodiode oder Solarzelle an.

Autor: Dietmar S. (didi2)
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Wolfgang schrieb:
> Dietmar S. schrieb:
>> Interessant das Verhalten bei 1M.
>
> Was ist daran so aufregend?

Nichts. Mir ist nur aufgefallen, dass die Kurve bei 1M nicht wie bei 
100k linear ist. Für meinen Zweck ist das eh nicht von Belang.

Die Essenz war eigentlich, dass bei den neuen LEDs die grünen bei 
Beleuchtung mit einer blauen genug Strom liefern, um mit einer einfachen 
Beschaltung auszukommen.

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