Advanced Set Elektronik Experimentierkasten Kreativität fördern – Entwicklung stärken Electronics experiments box Promote creativity - strengthen development
1. 2. 3. 3.1. 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 5. 5.1 5.2 5.3 5.4 6. 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 7. 7.1 7.2 7.3 8. 8.1 8.2 8.3 8.4 9. 9.1 9.2 9.3 9.4 9.
9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11 9.12 9.13 10. 10.1 11. 11.1 11.2 11.3 12. 12.1 12.2 13. 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 14. 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 15. 15.1 15.2 15.3 15.4 16. 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 16.
17. Audioverstärker mit LM386 17.1 Mikrofon und Verstärker 17.2 Rauschgenerator 17.3 Rauschgenerator 2 17.4 Licht-Verstärker 17.5 OP als Brummdetektor 17.6 Lichtschranke zur Audioübertragung 17.7 Phototransistor mit Vorverstärker 17.8 Phototransistor mit Infrarot (IR) Übertragung 17.9 Photodiode zur IR-Übertragung 18. Relaisschaltungen 18.1 Relais 18.2 Das Relais als Umschalter 18.3 Relais in Serie 18.4 Relais in Serie 18.5 Relais in Parallelschaltung 18.6 Relais in der Selbsthaltung 18.
2. Sicherheitshinweise Achtung, die Bausteine des Elektroniksets NIE direkt an das Stromnetz (115V/230V) anschließen, andernfalls besteht Lebensgefahr! Zur Spannungsversorgung (9V) ausschließlich das mitgelieferte Netzteil (Batteriebaustein) verwenden. Die Versorgungsspannung beträgt hier gesundheitsungefährliche 9 Volt bei einem Stromfluss von ca. 1 Ampere.
3 Bricks (Bausteine) des Advanced Sets Die Bricks sind kompakte Bausteine aus der Welt der Elektrotechnik. Sie eignen sich zum Ausprobieren neuen Wissens für junge Forscher, die den Umgang mit komplexen Schaltungen kennenlernen wollen. Das Set beinhaltet neben allgemeinen Elementen wie z.B. Verbindungsstücken oder Versorgungblöcken auch passive und aktive Bauelemente, für deren Beschreibung die angegebenen Einheiten mit ihren jeweiligen Abkürzungen verwendet werden.
3.1. Verbindungsstücke Die gerade Leitung verbindet zwei gegenüberliegende Bricks miteinander. Das ist bei komplexen Schaltungen nötig, um Lücken zwischen den Bricks zu schließen. Mit dem Eck-Brick werden zwei angrenzende Seiten miteinander verbunden. Mit dem T-Brick werden Abzweigungen hergestellt. Der Kreuz-Brick verbindet alle vier Seiten miteinander. Am Rand der Schaltung kann er wie ein T-Brick oder Eck-Brick verwendet werden.
Im Gegensatz zum Kreuz-Brick verbindet der doppelt gerade Brick nur die gegenüberliegenden Seiten miteinander, also oben mit unten und rechts mit links, ohne einen Kontakt über Eck herzustellen. Mit diesem Brick werden separat belegte Mittelabgriffe kontaktiert. Durch die Trennung und Überkreuzung der Leitungen können diese zum Wechseln der Verbindungen genutzt werden. 3.2 Grundbausteine Der Universal-Brick kann verwendet werden, um externe Bauelemente in einen Stromkreis einzubringen.
Der Umschalter-Brick verbindet entweder den rechten oder den linken Kontakt mit dem mittleren. In Mittelstellung sind alle Anschlüsse voreinander getrennt. Der maximale Stromfluss liegt bei 6A. Der Masse-Brick schließt die Stromkreise, damit diese einfacher verwirklicht werden können. Hiervon können mehrere in einem Versuchsaufbau eingefügt werden. Der Masse-Brick verbindet den mittleren Kontakt des Anschlusses mit den beiden außen liegenden Masseleitungen.
R L B A Dieser Brick enthält vier 3,5mm Stereo- oder Mikrofonanschlüsse als Klinkenbauform. Jede Buchse verfügt über einen vierpoligen Anschluss, der für eine Kombination aus Kopfhörer und Mikrofon geeignet ist. 3.3 Widerstände 100Ω Dieser Brick ist ein elektrischer Widerstand der Höhe 100Ω. Dieser Wert entspricht einem Stromfluss von 10mA bei einer Spannung von 1V. Wie bei allen unseren Widerständen, darf die dabei entstehende Wärme 1_8 W nicht übersteigen.
4.7kΩ 10kΩ 100kΩ 10kΩ 12 Dieser Brick ist ein elektrischer Widerstand der Höhe 4,7kΩ. Dieser Wert entspricht einem Stromfluss von ca. 213µA bei einer Spannung von 1V. Wie bei allen unseren Widerständen, darf die dabei entstehende Wärme 1_8 W nicht übersteigen. Dieser Brick ist ein elektrischer Widerstand der Höhe 10kΩ. Dieser Wert entspricht einem Stromfluss von 100µA bei einer Spannung von 1V. Wie bei allen unseren Widerständen, darf 1 die dabei entstehende Wärme _8 W nicht übersteigen.
LDR 03 NTC ϑ 10k PTC ϑ 10k Der LDR 03 (Light-Dependent-Resistor) ist ein lichtabhängiger Widerstand. Je mehr Licht auf den Sensor fällt, desto kleiner ist der Widerstand. Die Werte variieren von einigen 100Ω bei Helligkeit und mehreren kΩ bei Dunkelheit. Die Veränderung des Widerstandswertes ist kontinuierlich. Ein NTC-Widerstand (Negative-Temperature-Coeffizient) ist ein temperaturabhängiger Widerstand. Die Wertänderung des Widerstandes erfolgt hierbei entgegengesetzt zum Temperaturgradienten. D.h.
Dieser Kondensator hat eine Kapazität von 1nF. Eine Ladespannung von 1V wird somit schon nach 1ns erreicht, wenn er mit einem Strom von 1A geladen wird. Kondensatoren dürfen ihre Maximalspannung nicht überschreiten! 1nF 10nF 100nF 50V Dieser Kondensator hat eine Kapazität von 10nF. Er kann damit das Zehnfache an elektrischer Energie speichern, als die 1nF Variante. Eine Ladespannung von 1V wird somit schon nach 10ns erreicht, wenn er mit einem Strom von 1A geladen wird.
Dieser Kondensator hat eine Kapazität von 10µF. Er kann damit das Zehntausendfache an elektrischer Energie speichern, als die 1nF Variante. Eine Ladespannung von 1V wird somit schon nach 10µs erreicht, wenn er mit einem Strom von 1A geladen wird. Der Kondensator darf seine Maximalspannung von 25V nicht überschreiten! 10µF 25V + 100 µF 25V 2-30pF Das Set enthält auch einen Elektrolyt-Kondensator mit 100µF, der nur bis zu einer Spannung von 25 Volt betrieben werden darf.
2x30pF 2x300pF In diesem Trimmer-Brick sind vier veränderbare Kondensatoren verbaut. Diese sind doppelt zusammen geschaltet. Zwei zusammen mit 2x30pF und zwei zusammen mit 2x300pF. Alle werden gemeinsam durch den Drehknopf variiert. Je nach Beschaltung, können jetzt mehrere Kapazitäten kombiniert werden. 3.5 Induktivitäten/Spulen 10µH 0,8A 22µH 150mA 2.8Ω 14MHz Dieser Brick enthält eine Spule mit einer Induktivität von 10µH.
10mH Dieser Brick enthält eine Spule mit einer Induktivität von 10mH. Eine Induktionsspannung von 1V wird nach 10ms erreicht, wenn die Stromflussänderung 1A beträgt. Spulen können zum Aufbau von Schwingkreisen und Frequenzfiltern verwendet werden. Da Spulen jeder Stromflussänderung entgegenwirken, stabilisieren sie die Schaltung. Diese stromstabilisierende Eigenschaft kann zum Umformen (Transformieren) von Spannungen genutzt werden. 50mA 26 4 3.
Ge Diode A K AA118 Zener Diode A K Z 3,9V 1W BB131 1pf 14x A K Kapazitätsdiode Photodiode A K BPW34 18 Eine Germaniumdiode erlaubt, wie normale Dioden auch, den Stromfluss nur in Durchlassrichtung. Ihre Besonderheit liegt in dem verwendeten Halbleitermaterial Germanium. Dieses erlaubt eine wesentlich geringere zu überbrückende Diffusionsspannung als das sonst verwendete Silizium. Die Diffusionsspannung dieses Dioden-Bricks liegt bei nur 0,2V.
1kΩ 1kΩ 1kΩ 1kΩ LED red LED yellow LED green Dieser LED-Brick hat eine rote Leuchtdiode mit einem Vorwiderstand von 1kΩ verbaut. Sie ist in Durchlassrichtung zu betreiben. Aber auch richtig verbaut (in Durchlassrichtung) kommt erst ein Stromfluss zustande, wenn eine Mindestspannung von ca. 1,5V erreicht wird. Die Mindestspannung von Leuchtdioden ist von ihrer Farbe abhängig. Der Brick hat eine gelbe Leuchtdiode mit einem Vorwiderstand von 1kΩ verbaut. Sie ist in Durchlassrichtung zu betreiben.
1kΩ LED 1kΩ LED IR invisible + Lichtschranke 10Ω 470 Ω + - Neon Indicator 0,25mA, 60V Quarz 13.56MHz 20 Dieser Brick enthält eine Infrarot-Diode. Ist sie in Betrieb, kann das menschliche Auge die Wellenlängen des emittierten Lichtes nicht mehr wahrnehmen, da es unterhalb (lateinisch: infra) des sichtbaren Bereiches von ca. 780nm liegt. Als Aktivitätssignal ist zusätzlich eine rote Kontroll-LED vorhanden. Diese leuchtet immer dann, wenn die Infrarot-LED in Betrieb ist.
3.7 Antennen & Audioelemente Eine Antenne empfängt oder sendet elektromagnetische Schwingungen. Antenna - 5-9V + Buzzer Der Lautsprecher wandelt elektrische Signale in differenzierte Töne um. Lautsprecher sind, je nach Aufgabe, für ein bestimmtes Frequenzspektrum entworfen. Ein Breitbandlautsprecher z.B. hat ein Spektrum von 40-20.000Hz. Lautsprecher dürfen nur mit entsprechender Leistung an dem richtigen Widerstandswert betrieben werden. Ist die Ansteuerung zu stark, wird der Lautsprecher zerstört.
3.8 Schalter und Transistoren Reed Relais Ein Reed-Kontaktschalter (Reed, englisch für dünnes Rohr) wird durch ein von außen herangebrachtes Magnetfeld betätigt. Dieses Magnetfeld kann durch einen Dauer- oder Elektromagneten erzeugt werden. Reedschalter haben eine geringe Eigenmagnetisierung. Sie schalten immer dann, wenn das äußere Magnetfeld in gleicher Richtung addiert wird und trennen, wenn es die Eigenmagnetisierung aufhebt, es entgegengesetzt gerichtet ist.
pnp Bei dem hier verwendeten pnp-Transistor steuert ein geringer Stromfluss am Basiskontakt (B) weit höhere Ströme zwischen Emitter- (E) und Kollektorkontakt (C). Die Basis muss (anders als beim npn-Transistor) negativ zum Emitter angesteuert werden. C B npn C B BPX38 E Phototransistor E BC807 D G G 2N7002 S n-MOS S G G J310 D n-JFET Der Phototransistor steuert den Kollektor-Emitter-Strom über die an seiner Basis angelegte Spannung, wie ein konventioneller Transistor.
2N6027 G K A PUT Unijunction Dieser Brick enthält einen PUT (Programmable Unijunction Transistor). Das Besondere an diesem Bauelement ist die über eine am Gatekontakt "einstellbare" Schwellspannung zwischen Anode und Kathode. Wird eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, ist der Widerstand zwischen Anode und Kathode bis zum Erreichen der Schwellspannung sehr hoch.
4. Versuchsaufbauten zum Stromkreis 4.1. LED leuchtet Unsere erste Schaltung besteht aus einer Spannungsquelle und einer LED. Die Spannungsquelle kann z.B. eine Batterie oder auch ein Netzteil sein. Eine LED ist eine moderne Form eines Leuchtmittels. 1 Sie hat nur etwa 100 des Energieverbrauchs einer vergleichbaren Glühlampe, da in ihr kein Draht zum Glühen gebracht werden muss. Ein Rekombinationsprozess der Elektronen im p-dotieren Halbleiter setzt das zu erzeugende Licht frei.
4.2. Unterbrochener Stromkreis Bei diesem Versuchsaufbau wird die LED in Sperrrichtung in den Stromkreis eingebracht und leuchtet daher nicht. Dabei ist es immer wichtig, sich die genaue Funktionsweise einer LED zu vergegenwärtigen. Diese leuchtet nur dann, wenn sie in Durchlassrichtung in den Stromkreis eingesetzt wurde. Das Schaltsymbol einer LED deutet einen Pfeil an.
4.3. Zwei LEDs - Parallelschaltung Unser Elektronikset hat mehrere LED-Bricks, z.B. einen roten und einen gelben. Diese kann man gemeinsam in eine Schaltung einbringen. Beide LED-Bricks leuchten nur dann, wenn sie richtig angeschlossen sind, d.h. mit der Anode am positiven Potential der Spannungsquelle. Eine Parallelschaltung ist immer dann vorhanden, wenn der Stromfluss zwei oder mehr Möglichkeiten hat den Weg vom Plus- zum Minuspol zu finden.
4.4. Batterie Polung messen Bei unserem nächsten Versuch kann die Eigenschaft der Leuchtdiode, den Stromfluss nur in eine Richtung zu ermöglichen, genutzt werden, um die Polung einer Spannungsquelle bzw. Batterie zu bestimmen. Dafür bringen wir die LED-Bricks so in den Stromkreis ein, dass die Anode des roten LED-Bricks und Kathode des gelben LED-Bausteins an das positive Potential der Spannungsquelle angeschlossen ist.
4.5 Masse und Brick Der Masse-Brick ist ein besonderer Bestandteil unseres Elektroniksets. Er spart zusätzliche Verbindungen mit Hilfe anderer Bricks oder Leitungen. Hier wird das Geheimnis unserer vierpoligen Verbinder offenbart. Die mittleren zwei Kontakte sind für die Signalübertragung reserviert, so wie es der Aufdruck verrät. Die äußeren Kontakte werden zum Schließen des Stromkreises, also die Rückführung des Stromflusses zur Spannungsquelle benutzt. Das realisiert der Masse-Brick.
Hier ist ein Beispiel einer richtig gesteckten Verbindung. Die Verbindung besteht jeweils aus kleinen Stiften, die sich mechanisch verklemmen und dabei ebenfalls elektrisch leiten. Um eine Isolation zwischen den Kontakten zu gewährleisten und einen Kurzschluss zu verhindern sind Stege aus Kunststoff eingebracht, welche den elektrischen Strom nicht leiten. Ein Beispiel einer fehlerhaften Verbindung ist im Bild darunter zu sehen.
4.6. Vereinfachte Schaltung mit Masse-Brick An dieser Stelle folgt ein Beispiel für einen Stromkreis mit Masse-Brick. Die erste Abbildung zeigt den finalen Aufbau der Schaltung, die zweite stellt den eigentlichen Lauf der Masseleitung durch die Bricks dar. 0,5A polyfuse 9V - + 1kΩ LED red Der aktuelle Versuchsaufbau zeigt sich durch die Masse-Bricks wesentlich übersichtlicher gegenüber dem Aufbau aus Kapitel 4.1. Es werden nur noch vier, statt der bisherigen sechs Bricks benötigt.
4.7. Stromkreis mit Taster Bei unserem nächsten Versuchsaufbau wird ein Taster in den Stromkreis eingebracht. Er hat die Funktion, nur dann einen Stromfluss zu ermöglichen, wenn er betätigt ist, bzw. gedrückt gehalten wird. Auch hier wird der zurückzuführende Strom über die Masse-Bricks an den Enden der Schaltung realisiert. Der Stromkreis wird somit geschlossen, so wie im vorangegangenen Punkt 4.6 geschrieben. Der Taster ist das einfachste fest verbaute Element in einer elektrischen Schaltung.
4.8. Stromkreis mit Umschalter Eine weitere Möglichkeit einen Stromkreis zu schalten, ist ein Umschalter. Hier wird der Stromfluss, wie bei einer Weiche im Zugverkehr, entweder auf einen Stromzweig oder auf einen anderen gebracht, aber nie auf beide gleichzeitig. Unser Umschalter hat zusätzlich eine Mittelstellung, bei der an keinem Stromzweig eine Spannung anliegt. Ist der Umschalter nach oben gestellt, leuchtet die rote LED, zeigt er nach unten, leuchtet die gelbe LED.
5. Digitale Logik mit Tastern 5.1. UND-Schaltung In der Digitaltechnik ermöglicht eine intelligente Verschaltung von Bauelementen die Realisierung von komplexeren Funktionen. Der Begriff "Digit" ist abstrakt und aus dem Englischen entlehnt. Er bedeutet in diesem Zusammenhang: Kleinstes einfaches Teil oder Stelle. Und er wird oft im Gegensatz zu "Analog" verwendet, z.B. Analogkamera zu Digitalkamera. Man kann ihn gut mit Hilfe des Vergleiches von einer Schräge mit einer Treppe erklären.
5.2. ODER-Schaltung Die ODER-Schaltung realisiert ein Ausgangssignal, wenn eines ODER mehrere Eingangssignale anliegen. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird die Konjunktion "oder" ebenfalls so verwendet. Ein Beispiel: Ich kann die Rechnung von 5€ bezahlen, wenn ich zwei Einnahmen von 10€ oder 20€ erziele. In jeden Fall bin ich in der Lage die Rechnung zu begleichen, auch wenn beide Beträge gleichzeitig erzielt werden.
5.3 NICHT-Schaltung Die NICHT-Schaltung wird auch als Negation bezeichnet. Sie verhindert ein Ereignis als Folge einer Ursache. Ein Beispiel: Wenn die Ampel rot ist, dann kann ich nicht über die Kreuzung fahren. Sie wird in der Elektronik mit einem Transistor verwirklicht, der beim Durchschalten einen Verbraucher überbrückt, so dass der Spannungsfall über ihm zu gering wird, um einen für seinen Betrieb ausreichenden Stromfluss zu erreichen.
5.4. Exklusiv-ODER-Schaltung Die Exklusiv-ODER-Verknüpfung ist in der Elektrotechnik oft zu finden. Sie wird als Wechselschaltung bei Ihnen zu Hause mit dem Flurlicht oder bei der Verschlüsselung von Daten verwendet. Im allgemeinen Sprachgebrauch ist die Exklusiv-ODER-Verknüpfung durch ein "entweder, oder" realisiert. Ein Beispiel: Diese Schaltung lässt sich bei der Flurbeleuchtung einsetzen. Jeder Schalter kann zum Ein- oder Ausschalten verwendet werden, unabhängig welcher Schalter zu erst betätigt wird.
6. Der Widerstand 6.1 Berechnen des Widerstandswertes Der elektrische Widerstand verringert den elektrischen Stromfluss. Diese Eigenschaft ist für elektronische Schaltungen unerlässlich. Durch ihn kann der Stromfluss manipuliert oder eine gewünschte Spannung eingestellt werden. Sie ist also eine gewünschte und benötigte Eigenschaft eines elektronischen Bauteiles, anders als der Name es vermuten lässt. Isolator und Supraleiter sind die Extrembeispiele für einen elektrischen Widerstand.
6.2 LDR - Lichtempfindlicher Widerstand Unser LDR-Brick verändert seinen Widerstandswert in Abhängigkeit der Lichtintensität mit der er bestrahlt wird. Er verändert seinen Widerstand also nicht mechanisch, wie z.B. beim Potentiometer, sondern in Abhängigkeit von einer weiteren elektromagnetischen Größe, dem Licht. Wird der LDR-Brick vom Licht bestrahlt, ändert er seinen Widerstandswert zu Gunsten der Leitfähigkeit. Der Widerstandswert wird kleiner und der Stromfluss durch ihn hindurch größer.
6.3 Die Parallelschaltung In der Elektronik ist es sehr selten, dass nur reine Serien- oder Parallelschaltungen Verwendung finden. Oft sind es gemischte Schaltungen, die aus Verzweigungen von Serien- und Parallelschaltungen bestehen. In unserem folgenden Beispiel ist dies der Fall. Wir bezeichnen diesen Versuch trotzdem als Parallelschaltung, da hier nur der Stromfluss durch die nebeneinander-liegenden Widerstände untersucht wird.
6.4 Reihenschaltung oder Serienschaltung Um die Gesamtwiderstandwerte in einer Reihenschaltung und deren Auswirkung besser zu verstehen, führen wir ein weiteres Experiment durch. Dazu verwenden wir wieder die beiden 100.000Ω Widerstände. In einer Serienschaltung addieren sich die Widerstandswerte. Es gilt: n R(ges) = Σ i=1 R(i) = R1 + R2 +.........
6.5 Das Potentiometer In dem folgenden Versuchsaufbau verwenden wir den Potentiometer-Brick. Es fungiert hier als Spannungsteiler, daher werden alle drei Kontakte wie in untenstehender Abbildung angeschlossen. Hierbei ist unbedingt zu beachten, dass der Schleifer-Kontakt nicht an die Kathode (Plus) der Spannungsquelle und auch nicht an den Masse-Brick angeschlossen ist. In diesen Fällen besteht Kurzschlussgefahr, was zu einer Zerstörung des Potentiometer-Bricks führt.
6.6 Die Schwellspannung Die Schwellspannung ist ein Begriff, der in der Elektronik bei Halbleiter-Elementen Verwendung findet. Im Elektronikset finden u.a. mit den LED-Bricks und den Transistor-Bricks Halbleiter-Elemente Verwendung. Die Schwellspannung beschreibt den Wert der angelegten Spannung der überschritten werden muss, um beispielsweise einen Halbleiter zu betreiben.
7. Kondensator 7.1 Laden und Entladen mit einem 1µF Kondensator In der folgenden Schaltung wird ein Kondensator der Kapazität 1μF geladen und wieder entladen. Der Ladevorgang ist bei Schalterstellung 2 realisiert und der Entladevorgang bei Schalterstellung 1. Die Energie, die dabei auf den Kondensator gebracht wird, ist mit: E= 1 2 *C * U = 2 1 2 * 1µA * (9V) = 40,5µJoule sehr gering.
7.2 Kondensator mit 10μF Dieser Versuchsaubau entspricht bis auf den Kondensator exakt dem aus Kap. 7.1. Ziel ist es wiederum den Kondensator (diesmal mit der Kapazität 10µF) zu laden und zu entladen. Der Ladevorgang ist bei Schalterstellung 1 realisiert und der Entladevorgang bei Schalterstellung 2. Die Energie, die dabei auf den Kondensator gebracht wird, ist mit: E= 1 1 2 2 * C*U = * 10µA * (9V) = 405µJoule sehr gering, aber um das Zehnfache größer als im letzten Versuch. 2 2 Die Lade- bzw.
7.3 Kondensator umladen Die Handhabbarkeit einer elektronischen Schaltung ist ein wichtiges Kriterium bei deren Entwurf. Es ist anschaulich besser z.B. nur einen Schalter bedienen zu müssen um eine Funktion zu steuern, als zwei oder mehrere. In unserer folgenden Schaltung ist der Kondensator dauerhaft in eine Schaltung eingebracht und wird nur bei geschlossenem Taster entladen.
8. Induktivität 8.1 Laden und Entladen einer Spule Eine Spule besitzt ähnliche Eigenschaften wie ein Kondensator. Auch sie kann Energie speichern, aber nicht, wie der Kondensator, mit Hilfe eines elektrischen Feldes, sondern eines Magnetfeldes. Daher kann der Lade- und Entladevorgang so ähnlich wie beim Kondensator beschrieben werden. Es zeigt sich, dass im Gegensatz zum Kondensator, wo die Spannung das entscheidende Kriterium ist, diesmal der Stromfluss ausschlaggebend ist.
8.2. Induktion Um den Lade- und Entladevorgang besser zu zeigen, bauen wir eine Schaltung auf, in der das Laden durch eine rote LED signalisiert wird und das Entladen durch eine gelbe LED. Durch das Betätigen des Tasters, wird an der Spule ein Magnetfeld aufgebaut, das sich beim Loslassen des Tasters wieder umkehrt. Somit erfolgt ein Stromfluss in entgegengesetzter Richtung. Diese Stromrichtungsänderung kann durch die Änderung des Stromes beschrieben werden.
8.3 Induktionsspannung - 9V + 0,5A polyfuse Die Spule ist in der Lage sehr hohe Spannungen zu erzeugen, man spricht hier von der Induktionsspannung. Diese tritt immer dann auf, wenn der Stromfluss durch die Spule eine Änderung erfährt. Je schneller diese Änderung erfolgt, desto höher ist die induzierte Spannung. Dabei können Spannungen von mehreren 100V auftreten, da die Änderung nur beim Schalten, in sehr kurzer Zeit erfolgt.
8.4 Energy Harvest Energy Harvesting (Energieernten) bezeichnet die Energiegewinnung in kleinsten Mengen. Im nun folgenden Versuchsaufbau wird die elektrische Energie von der Spule zu einem Kondensator transportiert. Die Ladung wird im ersten Schritt auf die Spule, beim Schließen von Taster 1, gebracht. Und dann, nach dessen Öffnen, über die rote LED auf dem Kondensator solange gespeichert, bis der Taster 2 geschlossen wird und die gelbe LED kurz aufleuchtet.
9. Transistoren 9.1 Der Transistor als Schalter Dieser Versuchsaufbau veranschaulicht die klassische Funktionsweise des Transistors als Schalter. Der Transistor ist ein Halbleiterbaustein, der einen Stromfluss zwischen dem Kollektor (C) und dem Emitter (E) ermöglicht, wenn am Basiskontakt (B) eine Spannung anliegt. Der Basisstrom ist dabei um ca. ein Hundertstel geringer als der Kollektorstrom. Transistoren haben eine stromverstärkende Eigenschaft.
9.2 Touch-Sensoren mit Transistoren in Darlingtonschaltung Die Darlingtonschaltung besteht aus zwei zusammengeschalteten Transistoren. Die Funktionsweise kann durch eine Kaskade beschrieben werden, bei der der erste Transistor als Vorverstärker des zweiten Transistors dient. Der somit erreichte Verstärkungsfaktor ist näherungsweise das Produkt der beiden einzelnen Verstärkungen der verwendeten Transistoren.
9.3 Capazitive Touch in Darlingtonschaltung + 0,5A polyfuse - 9V Die Kaskade aus Schaltung 9.2 wird jetzt um einen Transistor erhöht, so dass die erreichte Verstärkung (ca. 1.000.000-fach) so hoch ist, dass ein Kondensator als Wechselstromwiderstand ausreicht, um die rote LED zum Leuchten zu bringen. Den Kondensator im Gleichstromkreis haben wir bereits kennengelernt, dort ist er nach vollendetem Laden ein unendlich hoher Widerstand, so dass über ihn kein Stromfluss mehr erfolgen kann.
9.4 LDR und Transistor Unser LDR-Brick verändert seinen Widerstandswert in Abhängigkeit der Lichtintensität mit der er bestrahlt wird. Er verändert seinen Widerstand also nicht mechanisch, wie ein Potentiometer, sondern in Abhängigkeit von einer elektromagnetischen Größe, dem Licht. Wird der LDR-Brick mit Licht bestrahlt, ändert er seinen Widerstandswert zu Gunsten der Leitfähigkeit, der Widerstandswert wird kleiner und der Stromfluss durch ihn hindurch größer.
9.5 LDR in Dunkelschaltung mit Transistor und Widerstand Wie schon im Versuch 9.4 ist es wenig sinnvoll ein Leuchtmittel zusätzlich zum Umgebungslicht zu betreiben. Es ist vielmehr notwendig das Licht einzuschalten, wenn das Umgebungslicht zu gering geworden ist, um die Umgebung ausreichend wahrzunehmen. Hierfür haben wir in der nun folgenden Schaltung den LDR-Brick gegen Masse geschaltet, was genau die gewünschte Funktion bewirkt.
9.6 LED als Photodiode In einer LED wird Licht durch die Rekombination von Elektronen erzeugt, die im Moment der Wiedereinordnung in das Valenzband ein Lichtquant in Form eines Photons abgeben. Dieser Prozess ist umkehrbar: So werden Elektronen nur durch einfallendes Umgebungslicht aus dem Valenzband gelöst und ermöglichen einen sehr geringen Stromfluss zwischen den Sperrschichten. Dieser Effekt ist anschaulich um ein Vielfaches schwächer als der, des umgekehrten, normalen Betriebs einer LED.
9.7 Transistor als Inverter - 9V + 0,5A polyfuse Um einen Dunkel- oder Dämmerungsschaltung zu realisieren, kann ein Transistor als Inverter (Wandler) verwendet werden. Hier wandelt der erste Transistor das Schaltverhalten des zweiten. Ist die Schwellspannung am ersten Transistor erreicht, schaltet dieser ein und der Basisstromfluss des zweiten Transistors kommt zum Erliegen, so dass dieser sperrt und die rote LED erlischt.
9.8 LED einmal invertiert Das Invertieren von logischen Zuständen erfolgt in der Industrie und Technik in vielen Schaltkreisen. Jetzt veranschaulichen wir das durch zwei wechselseitig betriebene LEDs. Im Normalzustand bei geöffnetem Schalter, leuchtet die rote LED und die gelbe nicht. Der Transistor sperrt dann und der Strom fließt über den 1kΩ-Widerstand und die rote LED zur Masse.
9.9 LED mit Konstantstrom bei 9V Versorgungsspannung Da der Spannungsabfall über Dioden (mit 0,7 Volt für Siliziumdioden) konstant ist, werden diese durch den Strom gesteuert. Stabilisiert man den Stromfluss, ändert sich die Helligkeit der LED nicht mehr. Erreicht wird das mit einer Zenerdiode (Z-Diode) und einem Transistor. Die Z-Diode stabilisiert den Spannungsabfall zwischen Basis- und Emitterkontakt, so dass der Emitterstrom wie folgt berechnet wird: I= U( z ) - U ( T ) 1000Ω = 3,9V - 0,7V = 3,2mA.
9.10 LED mit Konstantstrom bei 18V Versorgungsspannung Um zu überprüfen, ob der Strom durch die LED konstant bleibt, erhöhen wir nun die Versorgungsspannung auf 18V. Die Teilspannungen addieren sich in einer Serienschaltung. Das erreichen wir durch eine Serienschaltung von Netzteil- und Batterie-Brick.
9.11 Astabiler Multivibrator Ein klassischer Schaltkreis zur Schwingungserzeugung ist ein Multivibrator. Hier werden zwei Transitoren so gegeneinander geschaltet, dass sie sich abwechselnd an- und ausschalten. Die Dauer für einen Zyklus wird von dem Lade- bzw. Entladevorgang der Kondensatoren über deren vorgeschaltete Widerstände bestimmt. Astabile Multivibratoren werden in der Technik zum Erzeugen einer Rechteckspannung eingesetzt.
9.12 Monostabiler Multivibrator Im Gegensatz zu Kapitel 9.11 benötigt der monostabile Multivibrator wie in nachfolgender Abbildung dargestellt in einem der TransistorVerbindungspfade einen Widerstand anstelle des Kondensators. Zudem ist zwischen Basiskontakt des ersten Transistors und dessen Widerstand ein Taster vorgesehen. Ein monostabiler Multivibrator kennt genau einen Zustand in dem er verharrt. Dieser tritt ein, wenn der Schaltkreis einen Zyklus durchlaufen hat.
9.13 Bistabiler Multivibrator + 9V LED red LED yellow 0,5A polyfuse 1kΩ 1kΩ - Um eine bistabile Kippstufe zu erhalten, sind die beiden Widerstände der astabilen Kippstufe aus Kapitel 9.11 durch Taster gegen Masse auszutauschen. Zudem ersetzen, wie in der Abbildung ersichtlich, zwei 100kΩ Widerstände die Kondensatoren in den TransistorVerbindungspfaden. Bistabile Kippstufen sind somit von zwei Auslösern (Trigger) gesteuert und liefern zwei entgegengesetzte Ausgangssignale.
10. JFET - Sperrschichtfeldeffekttransistor - 9V + 1A polyfuse Die Abkürzung JFET steht für „Feld-Effekt-Transistor mit verbundenem Gate“. Im vorliegenden Versuch findet der n-Kanal JFET J310 Verwendung. Feldeffekttransistoren nutzen negative Spannung an ihrem Gate-Anschluss, um den Stromfluss zwischen ihren Drain- und Source-Kontakten zu steuern.
11. MOSFET 11.1 MOSFET Funktion + 0,5A polyfuse - 9V Ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) hat an seinem Gate-Kontakt einen sehr hohen ohmschen Widerstand. Eine Gate-Spannung baut wie bei einem Kondensator ein elektrisches Feld auf, wobei der darunter liegende Kanal zwischen Source und Drain leitend wird. Der hohe Gate-Widerstand ist damit erklärbar, dass nur ein elektrisches Feld aufgebaut werden muss, nicht aber, wie bei einem Bipolartransistor (z.B.
11.2 MOSFET als Schalter - 9V + 0,5A polyfuse Wie bei unserem Bipolartransistor BC817, können wir den MOSFET auch als Schalter verwenden. Die großen Widerstandwerte des Spannungsteilers am Gate-Kontakt lassen nur einen sehr kleinen Stromfluss zu, legen aber durch ihr Widerstandverhältnis vorgegeben, die halbe Versorgungsspannung von 4,5 Volt an diesen an. Das elektrische Feld am Gate-Kontakt ist groß genug, um die rote LED zum Leuchten zu bringen bzw.
11.3 Simple NMOS touch Sensor Der Versuch besteht wie in nachfolgender Abbildung ersichtlich aus einer Serienschaltung von Versorgungs-, LED-, NMOS- und zugehörigen Masse-Bricks als Abschluss auf beiden Seiten. Hierbei ist der Drain-Kontakt des Transistor über die LED an den Plus-Pol der Versorgung anzuschließen und Source zu Erden (Masse-Brick). Der MOSFET ist so hochohmig, dass seine Sensibilität genügt, um ein Entsperren nur durch Berührung mit dem Finger zu erreichen.
12. Spezial-Halbleiter 12.1 PUT - Progammable Unijunction Transistor PUT steht für progammierbarer Unijunction Transistor. Er besteht aus drei Anschlüssen, der Anode, der Kathode und dem Gate. In Durchlassrichtung gepolt, verhält er sich wie eine Diode mit hoher Schwellspannung, in Sperrrichtung findet kein Stromfluss statt. Die Schwellspannung kann manipuliert werden in dem am Gate-Kontakt eine positive Spannung angelegt wird. Daher wird er als programmierbar bezeichnet.
12.2 Thyristor im Ersatzschaltbild Weitere elektronische Bauelemente mit besonderen Eigenschaften, wie hoher Stromfestigkeit, sind der Thyristor und der TRIAC. Der Thyristor benötigt ebenfalls eine positive Zündspannung, vergleichbar mit der Steuerspannung am PUT, um zu entsperren, und bleibt dann leitend bis er "gelöscht" wird. Bei einer Wechselspannung am Gate-Kontakt wird der Thyristor permanent "gelöscht" und wieder gezündet, man spricht hier von einer Phasenanschnittsteuerung.
13. Timer 555 Der Timer 555 ist ein integrierter Schaltkreis, der für zeitabhängige Steuerungen eingesetzt wird. In ihm ist eine klassische Schaltung realisiert, die für vielfältigste Aufgaben Verwendung findet. 13.1 Timer astabil Der klassische Oszillator! Der Timer 555 kann sowohl die maximale als auch minimale Versorgungsspannung an seinem Ausgang über das Widerstandsverhältnis des 10kΩ- und 100kΩ-Widerstand zu der Kapazität des zugeschalteten Kondensators steuern.
13.2 Timer monostabil - 9V + 0,5A polyfuse Mit dem Timer-Brick ist es leicht einen monostabilen Multivibrator zu realisieren. Nach kurzem drücken der Taste, leuchtet die rote LED solange auf, bis der Kondensator die Triggerschwelle des Timers erreicht hat. Wird die Taste längere Zeit gedrückt, bleibt die rote LED solange an, bis die Taste losgelassen wird.
13.3 Timer bistabil - 9V + 0,5A polyfuse Unseren Timer-Brick verwenden wir nun als Flip-Flop und steuern so das Ausgangssignal, das solange erhalten bleibt, bis eine andere Eingabe erfolgt. Mit dem rechten Taster, unter dem 100kΩ-Widerstand, bringen wir die rote LED zum Leuchten. Wird der Kontakt über ihm wieder getrennt, leuchtet die LED weiterhin. Die entgegengesetzte Eingabe über den anderen Taster lässt sie erlöschen.
13.4 Timer 555 bistabil - Alternative 1 - 9V + 0,5A polyfuse Die Darstellung eines Flip-Flops mit Hilfe unseres Timer 555-Bricks ist in der nun folgenden Schaltung ohne zusätzliche elektronische Bauelemente realisiert. Man kann das SET-Signal direkt mit dem Trigger-Eingang auf Masse setzen. Hier erfolgt ein Einschalten der Ausgangsspannung, wenn die Spannung am Trigger-Eingang 1/3 der Versorgungsspannung unterschreitet.
13.5 Timer 555 bistabil - Alternative 2 Der Timer-Brick kann auch anders beschaltet werden und seine Funktion als Flip-Flop beibehalten. Das Zurücksetzen der Eingabe wird hier durch den Resest-Eingang anstelle des "Threshold"-Eingangs ermöglicht. Die rote LED erlischt, wenn der linke Taster betätigt wird. Auch hier bleiben alle Signale am Ausgang erhalten bis eine alternative Eingabe erfolgt. Die Wahl des Schaltelementes ist hierbei beliebig.
13.6 Timer 555 als Spannungsgenerator Achtung: Diesen Versuch nicht mit dem Netzteil betreiben! Vorsicht: Über dem Transistor können gesundheitsgefährliche Spannungen auftreten. Die Glimmlampe wird hier u.a. als Begrenzung der maximalen Spannung verwendet, daher diese nicht abklemmen sowie die Schaltung nicht in Dauerbetrieb lassen. Der Timer-Brick gibt hier die Frequenz vor, mit der der Transistor die Spule lädt und wieder entlädt.
14. Logikschaltungen 14.1 Ein UND mit Dioden - 9V + 0,5A polyfuse Eine UND-Verknüpfung ist hier mit Dioden realisiert. Zu den Anfängen der Computertechnik wurden Schaltzustände noch nicht mit Transistoren verwirklicht, sondern mit Dioden, auf DTL-Weise. (Dioden-Transistor-Logik). Die UND- sowie ODER-Verknüpfungen lassen sich leicht umsetzen.
14.2 Ein ODER mit Dioden Es ist auch leicht eine ODER-Verknüpfung zu realisieren. Welche einfacher zu verstehen ist, als die vorangegangene UND-Schaltung. Wir tauschen hier nur ein paar Bricks um. - 9V + 0,5A polyfuse In der Technik werden diese Schaltung problematisch, da die Ausgangsspannungen (Pegel) nicht mehr kompatibel sind, um mehrere Logikschaltungen zusammen in Funktion zu bringen. Zusätzliche Transistoren versprechen hier Abhilfe.
14.3 NAND-Schaltung mit Transistoren - 9V + 0,5A polyfuse Die NICHTUND-Verknüpfung ist eines der am häufigsten verwendeten Logikelemente. Sie wird in sogenannten Gattern, den NANDGattern, aus elektronischen Schaltern aufgebaut. Die NAND-Verknüpfung zählt neben der NOR-Verknüpfung zu der logischen Abbildungen mit der alle binären Schaltzustände realisierbar sind. Es existiert formal logisch keine Funktion, die nicht aus diesen beiden Grundverknüpfungen umgesetzt werden kann.
14.4 NOR-Schaltung + 0,5A polyfuse - 9V Die NICHTODER-Verknüpfung ist neben der NICHTUND-Verknüpfung, der zweite elementare Logikbaustein. Sie wird in sogenannten Gattern, den NOR-Gattern, aus elektronischen Schaltern aufgebaut. An ihr ist die Einfachheit der Grundprinzipien in der Schaltungselektronik gut zu erkennen.
14.5 AND-Schaltung - 9V + 0,5A polyfuse Die negierende, also umkehrende Wirkung der parallelen Stromkreise haben wir im vorangegangenen Versuch angedeutet. Folgerichtig sollte eine negierte NAND-Verknüpfung wieder eine UND-Funktion ergeben. Daher bauen wird einen weiteren Transistor parallel zu denen der NAND-Funktion in die Schaltung ein, so dass dieser als NICHT-Element, deren Wirkung negiert. (Formal: Eine Serienschaltung parallel zu einer Parallelschaltung ergibt eine Serienschaltung.
14.6 OR-Schaltung Eine OR-(ODER)-Schaltung lässt sich durch eine doppelte Negation genauso umsetzen wie die UND-Schaltung im vorangegangen Versuch. Hierzu verwenden wir zwei zueinander parallel geschaltete Schaltkreise. Die ODER-Verknüpfung ist mit der Parallelschaltung der Transistoren realisiert, die von den Tastern gesteuert werden. Diese wird dann zweimal negiert, so dass sie der Schaltlogik nach, wieder eine ODER-Verknüpfung ergibt.
15. Oszillatoren 15.1 HF Generator 13,56 MHz ISM Band - 9V + 0,5A polyfuse Die Oszillator-Schaltung verwendet eine Frequenz des lizenzfreien ISM Bands (deutsch: Industrie-, Wissenschaft- und Medizin-Band). Die Funkfrequenzen sind in Bänder unterteilt, um Störungen zu vermeiden. Unser Schwingquarz erreicht mit 13,56MHz das untere Spektrum dieses Bandes. Viele handelsübliche Transponder (z.B. RFID) senden auch auf dieser Wellenlänge.
15.2 Quarzoszillator mit Abstimmung (Trimmung) - 9V + 0,5A polyfuse Die Schaltung erzeugt einen unmodlierten Träger, aber wenn man einen SSB Empfänger verwendet kann man durch Verstimmen einen Ton hörbar machen. Die Tonhöhe lässt sich dann auch durch ändern des Trimmers (also Verändern der Trägerfrequenz) einstellen. Die Einseitenband-Modulation (SSB) ist ein älterer, heute noch verwendeter Funkstandard, gerne im amateurfunk verwendet, gibt es aber auch als Option bei einigen Weltempfängern.
15.3 Quarzoszillator mit Kapazitätsdiode zur Trimmung Die Kapazitätsdiode ist ein besonderes elektronisches Bauelement. Sie verändert, in Sperrrichtung geschaltet, ihre Kapazität in Abhängigkeit von der angelegten Spannung. Das physikalische Grundprinzip hierfür ist einfach. Die Sperrschicht in der Diode fungiert als Dielektrikum und verändert ihre Dicke in Abhängigkeit der angelegten negativen Spannung. Je größer der Betrag dieser Spannung, desto kleiner ist die Kapazität.
15.4 Oszillator-Schwingkreis mit Kondensator und Spule Eine weitere Möglichkeit eine elektrische Schwingung zu erzeugen ist die Zusammenschaltung von Kondensator und Spule. Beide haben genau entgegengesetzte Eigenschaften. Am Kondensator eilt die Stromstärke der Spannung voraus und an der Spule die Spannung der Stromstärke. Da beide einen frequenzabhängigen Widerstand besitzen, den Blindwiderstand, ist dieser genau entgegengesetzt gerichtet. Die Ladung pendelt quasi zwischen diesen Bauteilen.
16. Der Operationsverstärker 16.1 Funktion des OPAMP (OperationAmplifier) Der Operationsverstärker ist ein komplexer integrierter Schaltkreis. Er kann den Spannungsunterschied an seinen zwei Eingängen, von denen einer mit einem Plus und einer mit einem Minus gekennzeichnet ist, verstärken. Die Verstärkung beträgt mehrere Hunderttausend. Der OPAMP ist aus MOSFETs aufgebaut, deshalb ist der Stromfluss an seinen Eingängen im Femtobereich (10-15) liegend sehr klein.
16.2 OPV als Spannungsfolger Operationsverstärker haben mehrere Grundschaltungen. Eine, den Differenzverstärker, haben wir schon kenngelernt. Eine weitere ist die Beschaltung als Spannungsfolger. Hier wird der Minus-Eingang des OPVs mit seinem Ausgang verbunden und der Plus-Eingang über ein Potentiometer an Masse angelegt, so dass die Spannungsdifferenz null ist. Der OPV versucht die Spannungsdifferenz auszusteuern und folgt schließlich der Spannung, die am Plus-Eingang anliegt. Es gilt: U+=U- und U-=Ua.
16.3 OPV als nicht invertierender 11:1 Verstärker Der Spannungsfolger ist eine Sonderform des Verstärkers, bei dem der Verstärkungsfaktor 11 ist. Dieser Faktor ist durch das Widerstandsverhältnis des Widerstandes am Minus-Eingang zu Masse zum Gesamtwiderstand des Ausgangs gegen Masse genau definiert. Es gilt: R1 , umgeformt: R1 + R2 U+= U-= Ua * Ua = (U-) * Ua = (U +) * R1 + R2 , in unserem Fall, mit konkreten Werten: R1 10kΩ + 100kΩ 10kΩ , Ua = 11* (U +) , der Verstärkungfaktor geträgt 11.
16.4 OPV als invertierender 10:1 mit virtueller Masse Die folgende Schaltung besitzt zwei Lernziele: Die Erzeugung einer virtuellen Masse und die Änderung der Spannung am negativen Eingang. Eine einfachere Realisierungsmöglichkeit ist eine negative Spannung am Minus-Eingang anzulegen, um eine positive Ausgangsspannung zu erhalten bzw. diese zu verstärken. Der Verstärkungsfaktor beträgt -10.
16.5 OPV als Integrator - 9V + 0,5A polyfuse Auch komplexe mathematische Operationen wie das Integrieren lassen sich mit dem OPV nachbilden. Die Integration bestimmt den Flächeninhalt unter einer Funktion, deren Teile addiert werden. Diese Summe bildet in der folgenden Schaltung der Kondensator, er lädt sich in Abhängigkeit von der Zeit auf, so dass das Verstärkungsverhältnis langsam zunimmt, bis die Versorgungsspannung erreicht ist.
16.6 OPV als Differenzierer - 9V + 0,5A polyfuse Ein Differenzierer verstärkt die Spannungsänderung nach der Zeit an seinem Eingang. Der Bezug ist auch hier wieder die halbe Versorgungsspannung. Er ist nicht mit dem Differenzverstärker zu verwechseln! Die mathematische Operation ist die Differentiation, in ihr wird der Grenzwert einer Kurve an einer Stelle bestimmt.
16.7 OPV als Oszillator mit Spule und Kondensator - 9V + 0,5A polyfuse Der Operationsverstärker dient auch zur Schwingungserzeugung. Der "Taktgeber" ist eine klassische Reihenschaltung aus Kondensator und Spule, die an den Plus-Eingang geschaltet ist und die Rückkopplung des Ausgangs an den Eingang realisiert. Die Amplitude der Ausgangsspannung ist über das am Minus-Eingang liegende Potentiometer und den Verstärkungsfaktor (5,7) des Widerstandsverhältnisses von 4,7kΩ und 1kΩ gegeben.
16.8 OPV Wien-Robinson-Oszillator Die klassische Wien-Robinson Brückenschaltung verwendet nur Widerstände und Kondensatoren, keine Spulen, um eine Schwingung zu erzeugen. Wenn der Verstärkungsfaktor genau drei beträgt, liegt am Ausgang ein Sinussignal an. Die Einstellung dieses Arbeitspunktes ist sehr sensibel. Bitte achten Sie unbedingt auf die Polung dieses Elektrolytkondensators. Die Anode (+) darf nicht an den Masse-Brick angeschlossen sein.
16.9 Wien-Robinson Oszillator mit Stabilisierung Die im Versuch 16.8 vorweggenommene verbesserte Version des Wien-Robinson Oszillators verwendet zwei antiparallel geschaltete Dioden, um ein Aufschwingen zu verhindern. Die Amplitude kann jetzt den Höchstwert der Versorgungsspannung nicht mehr überschreiten. Die Einstellung des Arbeitspunkts ist somit sehr leicht, da dieser nur erreicht bzw. überschritten werden muss und danach über die Dioden stabilisiert wird.
17. Audioverstärker mit LM386 17.1 Mikrofon und Verstärker Wir haben mit dem Timer 555 und dem Operationsverstärker bereits zwei Integrierte Schaltkreise (IC) kennengelernt. Ein weiterer IC in unserem Set ist der Audioverstärker LM386. Er entspricht in der Grundschaltung einem Operationsverstärker, der sich speziell für die Verstärkung von akustischen Signalen eignet. So ist der Verstärkungsfaktor auf 200 festgelegt und der Ausgang ist über Kondensatoren gekoppelt um einem 8Ω-Lautsprecher anzusteuern.
17.2 Rauschgenerator Dioden und andere Halbleiterbauelemente bestehen aus sogenannten Halbmetallen. Sie besitzen sowohl Eigenschaften von Nichtleitern als auch von Leitern. In Halbleitern fluktuieren permanent Ladungen. Diese Fluktuation ist von vielen Parametern abhängig, insbesonders von der Temperatur und kann als Rauschen, der zufälligen, sich überlagernden Summenschwingung vieler einzelner Frequenzen aufgefasst werden.
17.3 Rauschgenerator 2 + + 0,5A polyfuse - 10kΩ 1A polyfuse - 10µF 25V 100kΩ 9V Auch Transistoren zählen zu den Halbleiterbauelementen. In der folgenden Schaltung wandeln wir das Rauschen des Transistors BC817, wie wir ihn schon oft verwendet haben, in ein akustisches Signal um. Er ist nur mit dem Emitter und der Basis kontaktiert, aber der doppelten Versorgungsspannung in "Sperrrichtung" beschaltet.
17.4 Licht-Verstärker In der folgenden Schaltung werden wir Licht hörbar machen. Unser Auge ist zu träge um selbst geringe Frequenzen ab 20Hz wahrzunehmen. Daher wandeln wir die Lichtimpulse, die die 50Hz Netzfrequenz in den Leuchtmitteln unserer Wohnungen verursacht in akustische Signale um. Leuchtstoffröhren verursachen z.B. ein Brummen. Als Sensor dient dazu der LDR 03. Er ändert seinen Widerstand mit den Impulsen, die auf ihn einwirken.
17.5 OP als Brummdetektor Eine weitere Möglichkeit einen Brummdetektor zu realisieren zeigt der folgende Aufbau. Er ist wesentlich einfacher und nicht so störanfällig, dafür aber unsensibler. Die Verstärkung des Netzbrummens aus unseren Wechsellichtquellen nimmt hier nur der Audioverstärker vor. Der 100µF-Elektrolykondensator minimiert die Rückkopplung und verhindert damit ein Aufschwingen der Schaltung.
17.6 Lichtschranke zur Audioübertragung Die folgende Schaltung zeigt die Vielseitigkeit der Elektrotechnik! Wir wandeln ein akustisches Signal viermal um: 1. 2. 3. 4. Schall in Elektrizität Elektrizität in Licht Licht in Elektrizität Elektrizität in Schall Die Vermittlung der Information wird über unsere Elektronik realisiert. Für professionelle Anwendungen sind Sensor-Techniken unverzichtbar, da Informationen so leicht weiterleit- und bearbeitbar sind.
17.7 Phototransistor mit Vorverstärker 1A polyfuse + + 100µF 25V - 9V Um das Netzbrummen anders akustisch darzustellen, haben wir jetzt den LDR03-Brick gegen einen Phototransistor ausgetauscht. Ansonsten handelt es sich um fast die gleiche Schaltung wie im Versuch 17.5. Wir erinnern uns, dass der Phototransistor an seiner Basis durch Photonen verursachte Ladungen verstärkt. Je höher der Photonenstrom, desto höher der Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor.
17.8 Phototransistor mit Infrarot (IR) Übertragung 100nF 50V + 1kΩ 100µF 25V - - + + 102 9V LED IR invisible C 0,5A polyfuse 1kΩ npn 9V 1kΩ LED E 10kΩ BPX38 Phototransistor + + B 8 + AMP + 1A polyfuse - LM386 100µF SP 8Ω Unser Phototransistor ist für Wellenlängen sensibel, die unser Auge nicht mehr wahrnehmen kann, so z.B. infrarotes Licht. Es liegt oberhalb einer Wellenlänge von 780nm und wird auch als Wärmestrahlung bezeichnet.
17.9 Photodiode zur IR-Übertragung + 100nF 50V + 9V 1kΩ AMP + 1A polyfuse + 8 - LM386 100µF SP 8Ω Anstelle eines Phototransistors kann eine Photodiode verwendet werden. Die Schaltung bleibt bis auf das Austauchen des Phototransistors gegen die Photodiode aus dem Set die gleiche. Die Schaltung ist variierbar. Die Sendediode kann durch andere im Set enthaltene Dioden ersetzt werden. Die Photodiode muss in Sperrrichtung gepolt werden. In Durchlassrichtung verhält sie sich wie eine normale Diode.
18. Relaisschaltungen 18.1 Relais Ein Relais ist ein elektromechanisch betriebener Schalter. Durch das Anlegen einer Schaltspannung und den daraus resultierenden Stromfluss an der Eingangsseite, wird über eine Spule ein Magnetfeld erzeugt, das einen Anker anzieht der die Arbeitskontakte betätigt. Die Übermittlung des Schaltvorgangs mittels eines Magneten hat den Vorteil, dass der gesteuerte Stromkreis elektrisch getrennt vom steuernden Stromkreis ist.
18.2 Das Relais als Umschalter LED red 1kΩ + 0,5A polyfuse - 9V Unser Relais ist als Umschalter verwendbar. Der Mittelkontakt stellt hier, je nach Schaltvorgang, eine Verbindung zu den gegenüberliegenden Kontakten her. Das signalisiert die gelbe LED bei unbetätigtem und die rote LED bei betätigtem Taster. In allen sicherheitsrelevanten Schaltkreisen werden z.B. geschaltete Schließer-Kontakte verwendet, die ein Unterbrechen des Stromkreises im Fehlerfall melden.
18.3 Relais in Serie + 0,5A polyfuse - 9V Die Mindestspannung der Relais-Bricks ist so ausgelegt, dass es möglich ist zwei Relais in Reihe zu schalten. Die Innenwiderstände fungieren als Spannungsteiler, wodurch beide Relais einen gleichen Spannungsabfall von 4,5V erfahren, da sie der Bauart nach gleich sind. Im Fall von drei Relais wird die Mindestspannung nicht mehr erreicht, damit ist der Stromfluss zu gering, um den Anker elektromagnetisch zu betätigen. Die Relais blieben inaktiv.
18.4 Relais in Serie + 0,5A polyfuse - 9V In dieser Schaltung löst das erste Relais das zweite aus, was dann die gelbe LED zum Leuchten bringt. Zur Steuerung von Starkstromanlagen oder in der Hochspannungstechnik ist das Hinzuschalten von getrennten Stromkreisen wichtig. So können die Spannungsbereiche von Spulen, z.B. in einem Umschaltwerk, ohne Eingriffe in den Stromkreis realisiert werden.
18.5 Relais in Parallelschaltung + 0,5A polyfuse - 5-9V 30mA Relais Relais 1A 108 9V Eine Parallelschaltung von elektronischen Bauelementen haben wir schon kennengelernt. Intuitiv lässt sie sich gut mit einer Vervielfältigung oder Verzweigung vergleichen. So sind in der Digitaltechnik z.B. die Oder- und Nicht-Verknüpfung durch parallel liegende Stromkreise realisiert. Jetzt bringen wir zwei Relais parallel in die Schaltung ein.
18.6 Relais in der Selbsthaltung - 9V + 0,5A polyfuse Die Selbsthaltung von Relais ist in der Technik überall dort anzutreffen, wo der Schaltimpuls nur kurzzeitig erfolgt, der gesteuerte Stromkreis danach aber in Betrieb bleiben soll. Wir haben das schon als Flip-Flop kennengelernt. So ist es mit der Selbsthalteschaltung möglich einen leistungsstarken Elektromotor, z.B. in einer Drehbank, über ein Schütz (ähnlich einem Relais) nur durch einen Tastendruck anzusteuern, solange bis ein Rücksetzen erfolgt.
18.7 Relais in der Selbsthaltung mit Unterbrecher Vergleicht man elektronische und elektromagnetische Bauelemente miteinander, stellt man schnell fest, dass sie sich bei gleicher Funktion in der Größe wesentlich unterscheiden. Jetzt realisieren wir eine Selbsthaltung mit Unterbrecher. Das linke Relais bleibt nach Betätigen des linken Tasters solange angezogen, bis ein Rücksetzen mit Hilfe des anderen Relais erfolgt.
18.8 Relais mit Selbstunterbrecher Der nächste Versuch macht sich die Verzögerung zwischen Steuerimpuls und Schaltvorgang trickreich zu nutze. Ist der Taster betätigt, schaltet das Relais ein und unterbricht dadurch seinen Haltestrom woraufhin es wieder abfällt. Anziehen und Abfallen bedingen sich gegenseitig. Der Vorgang wiederholt sich so oft, bis der Taster die Stromzufuhr unterbricht.
18.9 Relais mit Selbstunterbrecher über zweites Relais - 9V + 0,5A polyfuse Jetzt haben wir unsere Selbstunterbrecherschaltung um ein zweites Relais erweitert. Wird der Taster betätigt, schaltet das erste Relais ein und löst das zweite über seine Arbeitskontakte aus. Das zweite unterbricht das Steuersignal des ersten Relais, das seinerseits das Steuersignal des zweiten Relais nicht mehr aufrecht erhalten kann und dieses fällt ebenso ab.
18.10 Relais-Selbsthaltung langsam Parallel eingebrachte Kondensatoren verlängern die Schaltzeiten der Relais. Die Schaltfrequenz ist über die Wahl der Kapazität leicht einzustellen. Die Kondensatoren speichern die elektrische Energie kurzzeitig, auch wenn die Spannungsversorgung unterbrochen ist, so dass das Relais erst wieder abfällt, wenn der Kondensator über die Relaisspule entladen wurde, bzw. die Haltespannung unterschritten ist.
18.11 Relais (Nicht-Verknüpfung) In Schaltung 18.7 sind wir auf die Verwendung von Relais in frühen Computern eingegangen. In dem Rechenwerk des Zuse-Computers wurden Nicht-Verknüpfungen so realisiert, wie wir es in dem folgenden Schaltkreis nachempfinden. Der hohe Pegel (Level) ist am Ausgang immer dann vorhanden, wenn der Taster nicht kontaktiert ist. Das Eingangssignal von "0" hat ein Ausgangssignal von nicht "0" zur Folge, das in der Digitaltechnik nur "1" lauten kann. Es sind nur zwei Zustände möglich.
18.12 Relais (UND-Verknüpfung) Die UND-Verknüpfung kann mit einer Relaisschaltung ebenso verwirklicht werden wie mit Transistoren (Kap. 14.5), Dioden (Kap. 14.1) oder Tastern (Kap. 5.1). Hier sind die Arbeitskontakte der beiden Relais in Serie gebracht, so dass nur dann ein Ausgangssignal anliegt, wenn beide Taster geschlossen sind. Der Versuchsaufbau ist untenstehender Schaltung zu entnehmen.
18.13 Relais (NICHTUND (NAND) -Verknüpfung) Eine NAND-Verknüpfung wird in der folgenden Schaltung durch zwei Nicht-Glieder, die je parallel zur LED liegen, dargestellt. Nur wenn beide Taster geschlossen sind, erlischt die rote LED und ein "LOW"-Pegel liegt am Ausgang an. Die Beschaltung der Arbeitskontakte findet hier als Öffner Anwendung. Die Wahrheitstabelle sowie weitere allgemeine Informationen zum Thema NANDVerknüpfung sind Kapitel 14.3 (NAND mit Transistoren) zu entnehmen.
18.14 Relais (ODER(OR)-Verknüpfung) Wer die elementaren Prinzipen der Digitaltechnik verstanden hat, kann aus der vorhergegangenen Schaltung 18.13 leicht eine ODERVerknüpfung entstehen lassen. Versuch 18.13 lässt sich leicht in eine ODER-Verknüpfung überführen. Hierzu könnten Sie Funktion der beiden Arbeitskontakte der Relais umkehren und diese als Schließer verwenden. Nur die Masse-Bricks werden dann an die gegenüberliegende Seite der Relais-Bricks gebracht.
18.15 Relais (NICHTODER (NOR)-Verknüpfung) Die Ähnlichkeit der NAND- und ODER-Verknüpfung bei deren technischer Realisation haben wir kennengelernt. Jetzt negieren wir die Funktion aus Schaltung 18.14. Hierzu sind die Arbeitskontakte als Öffner in Serie in den Schaltkreis eingebracht, so dass diese nur dann ein Ausgangssignal anliegen lassen, wenn beide Taster geöffnet sind.
18.16 Relais (Exklusiv-ODER(XOR)-Verknüpfung) Das ausschließende ODER ist in der Technik durch zwei Umschalter realisiert. Das haben wir mit unseren Arbeitskontakten der Relais nachempfunden. Man erkennt es leicht daran, dass alle drei Anschlüsse an den Arbeitskontakten belegt sind. Die rote LED leuchtet nur, wenn entweder der eine Taster oder der andere Taster geschlossen ist.
19. Reed Relais 19.1 Reed Relais Das Reed Relais kann sehr leicht zerstört werden, da es aus einer kleinen Glasröhre besteht (Röhrchen). Das Röhrchen enthält einen vormagnetisierten Kontaktstift, der unter Einfluss eines Magnetfeldes schaltet. Dieses Magnetfeld muss zu dem im Innern entgegengesetzt gerichtet sein. Der Versuch selbst besteht aus einer Serienschaltung von Versorgungs-, Reed Relais- und LED-Bricks zusammen mit den abschließenden Massen.
20. Buzzer (Summer) - Morseschaltung Ein Buzzer ist ein akustischer Signalgeber mit geringer Bandbreite, anders als ein Lautsprecher. Da die hier verwendete Quelle eine Betriebsspannung von 9V bereitstellt, kann der Buzzer richtig gepolt sehr laut werden. Untenstehende Abbildung zeigt die korrekte Anordnung der Bricks. Wenn der Taster geschlossen wird, ertönt ein lautes, helles Piepsen. Diese Schaltung eignet sich daher gut zum Morsen.
21. Alarmanlagen 21.1 Alarmschaltung 1 Alarmanlagen müssen so konzipiert sein, dass sie im Notfall auslösen. Deshalb ist es sinnvoll eine Stromunterbrechung zu realisieren. Dazu wird ein betätigter Schließer, in diesem Beispiel ein magnetisch aktiviertes Reed Relais, als Sensor verwendet. Vorstellbar ist das beispielsweise an einer geschlossenen Tür, die beim Öffnen den Kontakt frei gibt und über eine NICHT-Verknüpfung einen Signalgeber aktiviert.
21.2 Alarmschaltung 2 9V + 1kΩ Reed Relais - 0,5A polyfuse Bei Überwachungseinrichtungen ist es notwendig den sicheren Zustand z.B. in einem Kontrollraum anzeigen zu lassen. Hierzu ist einen Transistor als elektronischen Schalter anstelle des Relais aus dem Vorgängerversuch in die Schaltung eingebracht. Er löst dann aus, wenn das Reed Relais geschlossen ist. Die rote LED fungiert als optischer Signalgeber. Sie informiert z.B. über den Zustand eines unbedingt geschlossen zu haltenden Fensters.
21.3 Alarmschaltung 3 - 9V + 0,5A polyfuse Im Vergleich zum vorherigen Versuch (Kap. 21.2) ist an die Stelle des Reed Relais ein 10kΩ-Widerstand gerückt. Das Reed Relais hingegen ist jetzt in der Funktion als offener Schließer in den Stromkreis eingebracht. Ein Schließen zieht den Basiskontakt des Transistors auf Masse. Er kann so den Emitter-Kollektor-Strom nicht mehr aufrechterhalten und die rote LED erlischt. So kann das Überlaufen eines Tanks signalisiert und verhindert werden.
21.4 Lichtschranke 1 + 0,5A polyfuse - 9V Lichtschranken werden als optoelektronische Sensoren an vielen Stellen im technischen Alltag eingesetzt. Sie sind leicht zu handhaben, sehr genau und verbrauchen wenig Energie. Z.b. in der Automatisierungstechnik werden Lichtschranken dazu verwendet Hindernisse zu erkennen. Die Anlage unterbricht bis der Gegenstand den Weg wieder freigegeben hat. An Automatiktüren verhindern Lichtschranken ein Schließen, solange der Türbereich nicht vollständig geräumt ist.
21.5 Lichtschranke 2 Lichtschranke 10Ω + - 1kΩ LED green 126 + + 470 Ω - + 0,5A polyfuse - 9V Die Informationsübermittlung kann auch mit galvanischer Trennung erfolgen. Untenstehende Abbildung zeigt zwei getrennte Stromkreise, die optisch gekoppelt sind. Das hat viele Vorteile: Z.b. müssen Alarmanlagen ihre Funktion auch beibehalten können, wenn sie vom äußeren Stromnetz getrennt wurden. Dies gilt vor allem wenn z.B. ein potentieller Einbrecher diese extern abschaltet.
22. Thermoelemente 22.1 Thermoelemente mit PTC (Kaltleiter) - 9V + 0,5A polyfuse Ein PTC ist ein temperaturabhängiger Widerstand (PTC: Positive Temperature Coeffizient). Positiv meint in diesem Zusammenhang, dass sich Widerstand und Temperatur proportional zueinander verhalten. Der Widerstandswert steigt also mit zunehmender Temperatur, das Bauelement leitet im kalten Zustand besser als im warmen. PTCs eignen sich daher gut als Temperatursensoren.
22.2 Versuche mit NTC (Heißleiter) Ein NTC ist ein temperaturabhängiger Widerstand (NTC: Negative Temperature Coeffizient). Negativ meint in diesem Zusammenhang, dass sich Widerstand und Temperatur antiproportional zueinander verhalten. Der Widerstandswert sinkt also mit zunehmender Temperatur, das Bauteil leitet im heißen Zustand besser als im kalten. - 9V + 0,5A polyfuse NTCs finden als Temperatursensoren Verwendung.
22.3 NTC mit MOSFET (n-Kanal, normal sperrend) - 9V + 0,5A polyfuse Im Vergleich zum Vorgängerversuch ist in der aktuellen Schaltung ein MOSFET zwischen LED und Potentiometer verbaut. Die Wirkungsweise ist mit der aus Versuch 22.2 identisch. Der Einsatz des Transistors macht den Schaltkreis lediglich etwas empfindlicher, wodurch die Schwellspannung besser einstellbar ist. Je wärmer der PTC wird, desto weniger Spannung fällt über ihm ab.
22.4 NTC mit Bipolartransistor (BC817) - 9V + 0,5A polyfuse Wie untenstehender Abbildung dargestellt gleicht der Versuchsaufbau weitgehend dem aus Kapitel 22.3. Lediglich der MOSFET-Brick ist durch den Brick mit dem Bipolartransistor BC817 auszutauschen. Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist mit der aus Versuch 22.2 und 22.3 identisch. Je stärker die Temperatur des PTC steigt, desto weniger Spannung fällt über ihn ab.
23. Ein Ausblick in die Zukunft In Kürze folgen weitere Elektronik-Sets mit faszinierenden Möglichkeiten.
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