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10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 2 Impressum © 2010 Franzis Verlag GmbH, 85586 Poing www.franzis.de Autor: Burkhard Kainka Art & Design, Satz: www.ideehoch2.de ISBN 978-3-7723-10031-1 Produziert im Auftrag der Firma Conrad Electronic SE, Klaus-Conrad-Str. 1, 92240 Hirschau Alle Rechte vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und der Speicherung in elektronischen Medien.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 3 Lernpaket Elektronik verstehen und anwenden 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Einführung 1.1 Steckfeld 1.2 Batterie 1.3 Leuchtdioden 1.4 Widerstände 1.5 NPN-Transistoren 1.6 PNP-Transistoren 1.7 MOSFET 1.8 Kondensatoren 1.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 4 1. Einführung Seit der Transistor erfunden wurde, ging es mit der Elektronik steil bergauf. Heute sind wir von Geräten umgeben, deren integrierte Schaltungen viele Millionen Transistoren enthalten. Gleichzeitig wissen aber immer weniger Menschen noch genau, wie ein (einzelner!) Transistor tatsächlich funktioniert. Der Abstand zwischen Gebrauch und Verstehen der Elektronik nimmt ständig zu.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 5 1.1 Steckfeld Alle Versuche werden auf einer Labor-Experimentierplatine aufgebaut. Das Steckfeld mit insgesamt 270 Kontakten im 2,54-mm-Raster sorgt für sichere Verbindungen der Bauteile. Abb. 1: Das Experimentierfeld Das Steckfeld hat im mittleren Bereich 230 Kontakte, die jeweils durch vertikale Streifen mit fünf Kontakten leitend verbunden sind.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 6 Das Einsetzen von Bauteilen benötigt relativ viel Kraft. Die Anschlussdrähte knicken leicht um. Wichtig ist, dass die Drähte exakt von oben eingeführt werden. Dabei hilft eine Pinzette oder eine kleine Zange. Ein Draht wird möglichst kurz über dem Steckbrett gefasst und senkrecht nach unten gedrückt. So lassen sich auch empfindliche Anschlussdrähte wie die verzinnten Enden des Batterieclips einsetzen.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 7 Der beiliegende Batterieclip besitzt ein Anschlusskabel mit biegsamer Litze. Die Kabelenden sind abisoliert und verzinnt. Sie sind damit steif genug, dass man sie in die Kontakte des Steckbretts stecken kann. Allerdings können sie durch häufiges Stecken ihre Form verlieren. Es wird daher empfohlen, die Batterieanschlüsse immer angeschlossen zu lassen und nur den Clip von der Batterie abzuziehen.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 8 1.4 Widerstände Die Widerstände im Lernpaket sind Kohleschichtwiderstände mit Toleranzen von +/-5 %. Das Widerstandsmaterial ist auf einen Keramikstab aufgebracht und mit einer Schutzschicht überzogen. Die Beschriftung erfolgt in Form von Farbringen. Neben dem Widerstandswert ist auch die Genauigkeitsklasse angegeben. Abb.
10031-1 Booklet Farbe Schwarz Braun Rot Orange Gelb Grün Blau Violett Grau Weiß 15.06.2010 Ring 1 1. Ziffer 1 2 3 4 5 6 7 8 9 16:16 Uhr Ring 2 2. Ziffer 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Gold Silber Seite 9 Ring 3 Multiplikator 1 10 100 1.000 10.000 100.000 1.000.000 10.000.000 Ring 4 Toleranz 0,1 0,01 5% 10 % 1% 2% 0,5 % Tabelle 2: Der Widerstands-Farbcode Ein Widerstand mit den Farbringen Gelb, Violett, Braun und Gold hat den Wert 470 Ω bei einer Toleranz von 5 %.
031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 10 Abb. 7: Der NPN-Transistor BC547 1.6 PNP-Transistoren Der PNP-Transistor BC557B besitzt die gleiche Anschlussfolge und unterscheidet sich nur in der Polung von einem NPN-Transistor. Im Schaltsymbol zeigt der Emitterpfeil nach innen. Abb. 8: Der PNP-Transistor BC557 1.7 MOSFET Auch der Feldeffekttransistor (MOSFET) BS170 sieht äußerlich nicht anders aus als ein bipolarer Transistor. Man kann ihn nur am Aufdruck erkennen.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 11 Abb. 9: Der MOSFET-Transistor BS170 1.8 Kondensatoren Ein wichtiges Bauteil der Elektronik ist der Kondensator. Er besteht aus zwei Metallflächen und einer Isolierschicht. Legt man eine elektrische Spannung an, bildet sich zwischen den Kondensatorplatten ein elektrisches Kraftfeld, in dem Energie gespeichert ist.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 12 1.9 Elektrolytkondensatoren Große Kapazitäten erreicht man mit Elektrolytkondensatoren (Elkos). Die Isolierung besteht aus einer sehr dünnen Schicht Aluminiumoxid. Der Elko enthält einen flüssigen Elektrolyten und aufgewickelte Aluminiumfolien mit großer Oberfläche. Die Spannung darf nur in einer Richtung angelegt werden. In der falschen Richtung fließt ein Leckstrom, der die Isolationsschicht allmählich abbaut, was zur Zerstörung des Bauteils führt.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 13 Schalten Sie einen zweiten Widerstand von 470 kΩ parallel zum vorhandenen Basiswiderstand. Damit steigt der Basisstrom, und auch der Kollektorstrom wird größer. Der Transistor ist nun voll durchgeschaltet, d. h., auch ein noch größerer Basisstrom kann den Kollektorstrom nicht mehr steigern. Wenn Sie einen 22-kΩWiderstand parallel schalten, wird die rote LED nicht mehr heller. Der Transistor arbeitet nun wie ein Schalter.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 14 3. Plus und minus getauscht Ein PNP-Transistor hat exakt die gleiche Funktion wie ein NPN-Transistor, aber mit umgekehrter Polarität. Der Emitter liegt daher nun am Pluspol der Batterie. Abb. 14: Ein PNP-Transistor in Emitterschaltung Bauen Sie die Schaltung mit dem PNP-Transistor BC557 auf und untersuchen Sie auch hier wieder die Stromverstärkung mit unterschiedlichen Basiswiderständen. Der BC557B hat ebenfalls eine etwa 300-fache Stromverstärkung. Abb.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 15 Wenn Sie einen Elko mit korrekter Polung an die Batterie halten, nimmt er eine elektrische Ladung auf. Nach der Trennung von der Batterie bleibt diese Ladung lange erhalten. Der Elko kann dann mit einer LED verbunden werden. Es entsteht ein kurzer Lichtblitz. Der Elko entlädt sich in einem kurzen Augenblick. Die Stromverstärkung eines Transistors kann verwendet werden, um die Entladezeit eines Kondensators zu verlängern. Die Schaltung nach Abb.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 16 Solange Sie den Taster gedrückt halten, leuchtet die LED mit voller Helligkeit. Es genügt aber schon ein kurzer Tastendruck zum Einschalten der LED. Danach bleibt sie etwa zwei Sekunden lang voll eingeschaltet und leuchtet danach immer schwächer. Nach etwa einer Minute ist immer noch ein schwaches Glimmen zu erkennen. Tatsächlich erlischt die LED auch nach langer Zeit nicht ganz.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 17 leichte Berührung mit trockenem Finger. Der zusätzliche Schutzwiderstand in der Zuleitung zur Batterie schützt die Transistoren für den Fall, dass die Berührungskontakte versehentlich direkt verbunden werden. Abb. 19: Der Berührungssensor 6. Bewegungsdetektor Diese Schaltung besitzt einen Sensordraht am Eingang des ersten Transistors. Wenn sich jemand in der Nähe des Drahts bewegt, leuchtet die LED auf.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 18 Abb. 21: Sensorverstärker für elektrische Felder Für den ersten Test der Schaltung eignet sich ein kurzer Sensordraht von 10 cm Länge. Nach etwas Bewegung auf isolierendem Boden haben Sie im Normalfall genügend elektrische Ladung gesammelt. Bewegen Sie dann Ihre Hand in der Nähe des Sensordrahts. Die Helligkeit der LED ändert sich. Um die Empfindlichkeit der Schaltung zu steigern, kann ein längerer Sensordraht angeschlossen werden.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 19 kleine Fotostrom der roten LED wird mit zwei Transistoren so weit verstärkt, dass die grüne LED leuchtet. Abb. 22: Verstärkung des LED-Sperrstroms Im praktischen Versuch ist die rechte LED bei normalem Umgebungslicht bereits deutlich eingeschaltet. Eine Abschattung der Sensor-LED mit der Hand wird an der Helligkeit der Anzeige-LED sichtbar. Abb. 23: Der LED-Lichtsensor 8.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 20 Eingang stabilisiert die Basisspannung auf etwa 1,8 V. Da die Basis-Emitterspannung immer rund 0,6 V beträgt, liegt am Emitterwiderstand eine Spannung von etwa 1,2 V. Der Widerstand bestimmt also den Emitterstrom und damit auch den Kollektorstrom von ca. 2,5 mA. Die LEDs im Kollektorkreis brauchen keinen Vorwiderstand, weil der LED-Strom durch den Transistor geregelt wird. Die Konstantstromquelle funktioniert auch mit unterschiedlichen Lasten.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 21 9. Temperatursensor Diese Schaltung zeigt Temperaturunterschiede über die LED-Helligkeit. Es reicht bereits, den Temperatursensor mit dem Finger zu berühren. Die Schaltung nach Abb. 26 zeigt einen sogenannten Stromspiegel. Der Strom durch den 1-kΩ-Widerstand spiegelt sich in den beiden Transistoren und erscheint in fast gleicher Größe wieder als Kollektorstrom des rechten Transistors.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 22 Die Schaltung eignet sich als empfindlicher Temperatursensor. Berühren Sie einen der Transistoren mit dem Finger. Die dabei auftretende Erwärmung verändert den Ausgangsstrom und wird in der Helligkeitsänderung der LED sichtbar. Je nachdem welchen der beiden Transistoren Sie berühren, können Sie die Helligkeit der rechten LEDs etwas verstärken oder verringern.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 23 Transistor hat eine geringe Kollektorspannung und schaltet damit den Basisstrom des anderen Transistors ab. Deshalb bleibt ein einmal eingenommener Schaltzustand stabil, bis er durch einen der Tastschalter geändert wird. Abb. 29: Die Kippschaltung Schalten Sie die Betriebsspannung ein. Sie werden feststellen, dass eine von beiden LEDs leuchtet. Es kann aber nicht vorhergesagt werden, welche Seite eingeschaltet sein wird.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 24 Abb. 30: Leiten und Sperren Mit einer kurzen Verbindung S1 zünden Sie die Schaltung, sodass die LED leuchtet. Mit S2 dagegen kann der leitende Zustand gelöscht werden. S3 schaltet zwar die LED ein, löscht jedoch gleichzeitig den leitenden Zustand der Transistoren. Nach dem Öffnen von S3 ist die LED daher aus. Abb. 31: An oder aus 12.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 25 beachtet werden, da die Spannung am jeweiligen Kollektor im Mittel höher ist als an der gegenüberliegenden Basis. Der Zustand der Schaltung bleibt immer nur so lange stabil, wie die Kondensatoren noch umgeladen werden. Danach kippt die Schaltung in den jeweils anderen Zustand. Mit zwei Elkos von 100 µF ergibt sich eine sehr geringe Blinkfrequenz mit weniger als fünf vollständigen Wechseln in einer Minute. Abb. 32: Der Multivibrator Abb.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 26 Abb. 34: Vereinfachter Multivibrator Abb. 35: Der LED-Blinker 14. LED-Blitzlicht Diese Schaltung erzeugt regelmäßige kurze Lichtblitze. Solange der Kondensator noch geladen wird, bleiben alle drei Transistoren gesperrt. Die Spannung an der Basis des mittleren Transistors steigt langsam an. Bei etwa +0,6 V beginnt der mittlere Transistor zu leiten und liefert den Basisstrom für den PNP-Transistor. Dessen Kollektorspannung steigt und schaltet die LED ein.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 27 Abb. 36: Die Blitzschaltung Entfernen Sie den parallel zur LED liegenden 1-kΩ-Widerstand aus der Schaltung: Die Pause zwischen den Lichtblitzen verlängert sich erheblich. Der linke Transistor sperrt erst, wenn der Elko vollständig entladen ist. Erst dann steigt seine Kollektorspannung langsam an, um einen neuen Impuls zu ermöglichen. Abb. 37: LED-Blitzlicht 15.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 28 Der NPN-Transistor wurde im ersten Versuch mit einer einfachen Grundschaltung vorgestellt. Es muss ein Basisstrom fließen, damit ein Kollektorstrom möglich ist. Ein ähnlicher Versuch mit dem MOSFET BS170 zeigt ein ganz anderes Verhalten. Der MOSFET besitzt die drei Anschlüsse Gate (G), Source (S) und Drain (D). Der gesteuerte Strom hängt diesmal nicht von einem Eingangsstrom ab, sondern von der angelegten Spannung zwischen G und S.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 29 Transistor besteht, wenn zwei Personen dieselbe Schaltung berühren. Da beide unterschiedlich geladen sein können, kann es zu einer Entladung über den Transistor kommen, die ihn zerstört. Abb. 39: Laden und Entladen des Gates 16. Sensordimmer Mit einem zusätzlichen Kondensator zwischen Gate und Drain bleiben auch Zwischenzustände zwischen „ganz an“ und „ganz aus“ erhalten.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 30 Abb. 41: Verstellbare Helligkeit 17. Elektrometer Ein Elektrometer ist ein Messgerät zum Nachweis kleiner elektrischer Ladungen. Elektrisch geladene Gegenstände oder Personen führen ein elektrisches Feld mit sich, das isolierte Gegenstände in der Umgebung durch Influenz aufladen kann. Das trifft auch auf das isolierte Gate des BS170 zu. Ein isolierter Draht wird am Eingang der Schaltung angeschlossen.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 31 Abb. 43: Nachweis elektrischer Ladungen 18. LEDs als Fotoelemente Dieser Versuch birgt eine weitere Möglichkeit, einen einfachen Lichtsensor zu bauen. Es wird ein BS170 eingesetzt. Zwei LEDs dienen als Lichtsensoren. Mit zwei NPN-Transistoren in Darlington-Schaltung konnte in Kap. 7 eine LED als Lichtsensor verwendet werden. Dank seines fast unendlich großen Eingangswiderstands schafft ein einzelner MOSFET die gleiche Aufgabe allein.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 32 Abb. 45: Der Lichtsensor 19. Kondensator-Temperatursensor Ein keramischer Kondensator mit 100 nF kann als Temperatursensor eingesetzt werden. Ein solcher Kondensator hat einen großen Temperaturkoeffizienten. Die Kapazität verringert sich bei Erwärmung. Bei diesem Versuch muss zunächst der Schalter geschlossen und dann wieder geöffnet werden. Die Gate-Spannung stellt sich dabei automatisch auf die Schwellspannung von ungefähr 2 V ein, die LED leuchtet.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 33 Abb. 46: Auswertung der Kondensatorspannung Abb. 47: Der Temperatursensor 20. Minutenlicht Das Licht wird mit einem Druck auf den Tastschalter eingeschaltet und bleibt dann für etwa eine Minute an. Der Übergang zwischen hell und dunkel ist weich, aber relativ schnell. Mit dem Tastendruck wird der Elko auf 9 V aufgeladen. Er entlädt sich über den 470-kΩ-Widerstand. Solange die Gate-Spannung über ca.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 34 Abb. 48: Langsame Kondensatorentladung Abb. 49: Das Minutenlicht 21. Weicher Blinker Ein LED-Blinker mit weich an- und abschwellender Helligkeit kann bei geeigneter Frequenz zur Entspannung des Betrachters beitragen. Die Helligkeit folgt einem Sinusverlauf. Diese Schaltung steuert zwei LEDs genau gegenphasig an. Das Licht wechselt also laufend mit weichen Übergängen zwischen Rot und Grün.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 35 Abb. 50: Ein Phasenschieberoszillator Beim Start der Schaltung sind die Elkos noch entladen. Der BS170 sperrt daher, und der NPN-Tansistor leitet. Es leuchtet also zunächst nur die rote LED. Dann versucht sich die Schaltung auf einen mittleren Strom einzupendeln, überschwingt aber ständig und erzeugt ein sinusförmiges Signal, bei dem einmal der eine und einmal der andere Transistor leitet. Abb.
10031-1 Booklet 15.06.2010 16:16 Uhr Seite 36 FRANZIS AKADEMIE Die Franzis Akademie 100% Know-how vom ältesten Technikverlag Deutschlands für die Ausund Weiterbildung in allen Bereichen der Elektronik und Elektrotechnik. Die Franzis Akademie informiert über neueste Entwicklungen, Trends und Techniken. Die Anmeldung erfolgt kostenlos über: www.elo-web.
