65272-8_Titelei_160x230 08.07.
65272-8_Titelei_160x230 08.07.14 09:18 Seite 4 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. Alle in diesem Buch vorgestellten Schaltungen und Programme wurden mit der größtmöglichen Sorgfalt entwickelt, geprüft und getestet. Trotzdem können Fehler im Buch und in der Software nicht vollständig ausgeschlossen werden.
5 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ............................................................................................ 7 2 Versuche mit LEDs ............................................................................. 17 2.1 Gebremster Strom ................................................................ 17 2.2 Farbwechsel ......................................................................... 19 2.3 Strom gesperrt ..................................................................... 20 2.
6 Inhaltsverzeichnis 6 Kippschaltungen ............................................................................... 67 6.1 Flip und Flop......................................................................... 67 6.2 Zünden und löschen............................................................. 68 6.3 Getriggerte Helligkeit ........................................................... 71 6.4 Zurückgekoppelt ..................................................................
7 1 Einleitung Dieses Lernpaket wurde zusammengestellt, um Ihnen die wichtigsten Grundlagen der Elektronik vorzustellen. Was nutzt alle graue Theorie ohne die Praxis! Deshalb wurde ein Experimentierpaket mit den wichtigsten Bauteilen gepackt. Schnell werden Sie den Überblick gewinnen und über die vorgestellten Schaltungen hinaus eigene Ideen entwickeln und erproben.
8 Kapitel 1: Einleitung Abb. 1.2: Die internen Kontaktreihen Das Einsetzen von Bauteilen benötigt relativ viel Kraft. Die Anschlussdrähte knicken daher 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 gepackt und senkrecht nach unten gedrückt.
Kapitel 1: Einleitung 9 Verwenden Sie keine Alkali-Batterie und keinen Akku, sondern nur einfache Zink-Kohle-Batterien. Zwar weist die Alkali-Batterie eine größere Lebensdauer auf, sie liefert jedoch im Fehlerfall, z. B. bei einem Kurzschluss, ebenso wie ein Akku sehr große Ströme bis über 5 A, die dünne Drähte oder die Batterie selbst stark erhitzen können. Der Kurzschlussstrom einer Zink-Kohle-Blockbatterie ist dagegen meist kleiner als 1 A.
10 Kapitel 1: Einleitung Abb. 1.5: Ein Widerstand Widerstände gibt es üblicherweise in den Werten der E24-Reihe, wobei jede Dekade 24 Werte mit etwa gleichmäßigem Abstand zum Nachbarwert enthält. Tabelle 1.1: Widerstandswerte nach der Normreihe E24 1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1 Der Farbcode verwendet vier Ringe für den Widerstand und einen Ring für die Toleranz.
Kapitel 1: Einleitung 11 Ein Widerstand mit den Farbringen Gelb, Violett, Schwarz , Schwarz und Braun hat den Wert 470 Ohm bei einer Toleranz von 1%.
12 Kapitel 1: Einleitung der falschen Richtung fließt ein Leckstrom und baut die Isolationsschicht allmählich ab, was zur Zerstörung des Bauteils führt. Der Minuspol ist durch einen weißen Streifen gekennzeichnet und hat einen kürzeren Anschlussdraht. Das Lernpaket enthält zwei Elkos mit 100 µF und einen mit 22 µF. Abb. 1.7: Der Elektrolytkondensator Transistoren Transistoren sind Bauelemente zur Verstärkung kleiner Ströme. Die verwendeten bipolaren Transistoren unterscheiden sich in der Polarität.
Kapitel 1: Einleitung 13 Abb. 1.9: Die Diode 1N4148 Der Fototransistor Der Fototransistor ist ein Lichtsensor, mit dem prinzipiellen Aufbau eines Siliziumtransistors. Die Basis-Kollektor-Diode dient als großflächige Fotodiode, deren Strom durch den Transistor verstärkt wird. Der Kollektorstrom ist von der Helligkeit abhängig und kann bei sehr hellem Licht bis 20 mA erreichen.
14 Kapitel 1: Einleitung Abb. 1.11: Der Tastschalter Der Piezo-Schallwander Der Schallwandler dient als einfacher Lautsprecher und als Mikrofon oder Schwingungssensor. Der Aufbau ähnelt dem eines keramischen Scheibenkondensators, wobei allerdings das Dielektrikum zusätzlich elektrisch vorgespannt ist. Dadurch entsteht eine Kopplung zwischen mechanischer Spannung und elektrischer Spannung. Der piezoelektrische Effekt tritt in ähnlicher Weise auch bei natürlichen Quarzkristallen auf. Abb. 1.
Kapitel 1: Einleitung 15 Abb. 1.13 zeigt beide ICs mit ihrer Pin-Nummerierung. Achten Sie beim Einsetzen der ICs auf die Beschriftung. Vermeiden Sie eine Verpolung, die zur Zerstörung des Bauteils führen könnte. Vor dem ersten Einsatz der ICs müssen die Anschlussbeinchen sorgfältig parallel ausgerichtet werden. Durch den Herstellungsprozess sind sie etwas gespreizt und können daher beim Einsetzen in das Steckbrett leicht umbiegen.
17 2 Versuche mit LEDs Während in Glühlampen ein heißer Metalldraht Licht aussendet, bleiben Leuchtdioden (LEDs) im normalen Betrieb kalt. Die Lichterzeugung beruht hier auf komplexen Vorgängen in Halbleiter-Sperrschichten. Die elektrischen Eigenschaften einer LED unterscheiden sich daher grundlegend von denen einer Glühlampe. Entsprechend muss auch die Schaltungstechnik angepasst werden.
18 Kapitel 2: Versuche mit LEDs Abb. 2.2: Aufbau mit der roten LED Beim Aufbau einer Schaltung werden grundsätzlich die horizontalen Versorgungsleitungen am Rand der Experimentierplatte mit der Batterie verbunden. Beim Einstecken ist die Polung der LED und der Batterie zu beachten. Der rote Anschlussdraht des Batterieclips ist der Pluspol. Ein zusätzlicher kurzer Draht wurde als Zugentlastung eingebaut, um die weichen Anschlussdrähte zu schonen.
2.2 Farbwechsel 19 Abb. 2.3: Messungen in der Schaltung Der Vorwiderstand sorgt also für einen Spannungsabfall und lässt nur einen Strom von etwa 15 mA fließen. Der maximal erlaubte Strom durch die LED ist 20 mA. Bei einem direkten Anschluss ohne Widerstand würde ein zu großer Strom fließen und die LED zerstören. Das Schaltbild zeigt, wie die Messgeräte angeschlossen werden. Das Amperemeter liegt immer in Reihe zum Verbraucher, so dass der Strom durch das Messgerät fließt.
20 Kapitel 2: Versuche mit LEDs Den jeweils passenden Vorwiderstand kann man leicht berechnen, wie hier an einem Beispiel gezeigt werden soll. Gegeben sei eine Batteriespannung von 6 V. Für eine LED findet man im Datenblatt des Herstellers z. B. eine Durchlassspannung von 2,0 V bei einem Strom von 20 mA. Daraus ergibt sich ein geforderter Spannungsabfall von 4 V am Vorwiderstand (6 V – 2 V = 4 V).
2.4 Alles parallel 2.4 21 Alles parallel Es wurde schon festgestellt, dass rote und grüne LEDs sich in ihren elektrischen Daten unterscheiden. Das Schaltbild in Abb. 2.6 zeigt, wie sich beide in einer Parallelschaltung verhalten. Der Gesamtstrom fließt nicht zu gleichen Teilen durch beide LEDs, sondern der größere Strom fließt durch die rote LED. Abb. 2.6: Parallelschaltung unterschiedlicher LEDs Der Versuch zeigt die ungleiche Stromverteilung deutlich, die grüne LED leuchtet kaum noch.
22 Kapitel 2: Versuche mit LEDs Abb. 2.8: Farbumschaltung Die Parallelschaltung von LEDs ist übrigens auch bei gleichen Farben problematisch. Schon geringe Unterschiede in den elektrischen Kenndaten können zu ungleichen Strömen und damit zu unterschiedlicher Helligkeit führen. 2.5 Die Kurven einer LED Als Kennlinie bezeichnet man ein Diagramm, das zwei Kenngrößen eines Bauteils in ihrer gegenseitigen Abhängigkeit zeigt. In der Elektronik werden oft Strom-Spannungskennlinien verwendet, die z. B.
2.5 Die Kurven einer LED 23 Abb. 2.10: Die Kennlinien der verwendeten LEDs Falls Sie ein einstellbares Netzgerät und zwei geeignete Messgeräte zur Verfügung haben, können Sie die Kennlinien selbst aufnehmen. Der grundsätzliche Aufbau kann mit einem Fototransistor erprobt werden. Die Umgebungshelligkeit bestimmt den Strom und damit die Helligkeit der LED. Der Strom durch den Fototransistor ändert sich in weiten Grenzen 0 mA bei Dunkelheit und ca.
24 Kapitel 2: Versuche mit LEDs Abb. 2.12: Steuerung des LED-Stroms über den Fototransistor 2.6 Alle in einer Reihe Oft ist es günstig, zwei oder mehr LEDs wie in Abb. 2.13 mit einem gemeinsamen Vorwiderstand in Reihe zu schalten. Da sich nun beide Diodenspannungen addieren, wird der Spannungsabfall am Vorwiderstand entsprechend kleiner. Um dennoch den erlaubten Strom von 20 mA zu erreichen, muss der Vorwiderstand verkleinert werden. Allerdings hat der kleinste Widerstand im Lernpaket 470 Ω.
2.6 Alle in einer Reihe 25 Die Berechnung zeigt einen Strom, der den Grenzwert von 20 mA geringfügig überschreitet. Die Batterie hat jedoch meist eine geringere Spannung als 9 V. Man kann daher eine LED-Anwendung so dimensionieren, dass am Anfang der Batterielebensdauer eine geringe Überschreitung der Stromstärke vorliegt. Tatsächlich zerstört z. B. ein Strom von 30 mA die LED nicht unmittelbar, sondern führt nur zu einer geringfügig schnelleren Alterung und damit zu einer Abnahme der Helligkeit.
26 Kapitel 2: Versuche mit LEDs haben übrigens eine Durchlassspannung von 3,5 V bis 4 V. Daher lassen sich bei einer Versorgungsspannung von z. B. 12 V nur zwei oder drei LEDs in Reihe schalten.
27 3 Kondensatoren Jeder kennt die Folgen einer elektrischen Aufladung von einem Teppich oder Kunststoff-Bodenbelag. Ein Mensch kann sich auf eine Spannung von einigen tausend Volt aufladen. Bei einer Berührung mit einem leitenden Gegenstand kommt es dann zu einer schmerzhaften Entladung, die aber ungefährlich ist, weil eine relativ geringe Ladung gespeichert wurde, die nur für einen sehr kurzen Stromstoß reicht. Kondensatoren speichern größere Ladungen schon bei geringen Spannungen.
28 Kapitel 3: Kondensatoren Abb. 3.1: Laden und Entladen eines Kondensators Der Umschalter bewirkt je nach Stellung ein Aufladen oder eine Entladung Kondensators. Der Tastschalter im Lernpaket ist kein Umschalter, sondern einen einzelnen Schließerkontakt. Für den praktischen Aufbau muss daher Umschalter durch eine Drahtbrücke ersetzt werden. Bei jeder Entladung Kondensators sieht man einen deutlichen Lichtblitz an der LED. des hat der des Abb. 3.
3.2 Lange und kurze Zeiten 3.2 29 Lange und kurze Zeiten Die Schaltung in Abb. 3.3 hilft bei der Untersuchung der Vorgänge beim Entladen. Über den großen Widerstand von 100 kΩ lädt sich der Elko nur langsam auf. Abb. 3.3: Laden über einen großen Widerstand Für die Entladung und das Aufladen eines Kondensators über einen ohmschen Widerstand kann man eine Zeitkonstante T = R * C berechnen. In dieser Zeit erreicht der Kondensator bei Aufladen 63 % der Endspannung.
30 Kapitel 3: Kondensatoren Abb. 3.4: Versuchsaufbau mit Entladetaster 3.3 Die Richtung wechseln Beim Laden und Entladen ändert sich die Stromrichtung. Mit der Schaltung aus Abb. 3.5 kann daher ein Wechselstrom erzeugt werden. Ein zusätzlicher Widerstand erlaubt es, die Spannung über den Schalter kurzzuschließen. Bei geöffnetem Schalter lädt sich der Elko auf, bei geschlossenem Schalter entlädt er sich.
3.3 Die Richtung wechseln 31 Im praktischen Versuch sieht man nun bei jedem Drücken und Loslassen des Schalters abwechselnd rote und grüne Lichtblitze. Die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom ist damit gelungen. Abb. 3.
33 4 TransistorGrundschaltungen Der Transistor ist das wichtigste aktive, d. h. verstärkende Bauelement der Elektronik. Im Lernpaket sind drei NPN-Transistoren BC547 und ein PNP-Transistor BC557 enthalten. Der Umgang mit Transistoren erfordert einige Grundkenntnisse, die hier in praktischen Versuchen vermittelt werden sollen. 4.1 Mehr Strom! Die Schaltung in Abb. 4.1 zeigt die Grundfunktion des NPN-Transistors. Es gibt zwei Stromkreise.
34 Kapitel 4: Transistor-Grundschaltungen spricht hier von »Sättigung«, d. h. der Kollektorstrom ist »gesättigt«, der Transistor ist voll durchgesteuert. Abb. 4.2: Der Transistor in Emitterschaltung Bauen Sie den Versuch entsprechend Abb. 4.2 auf. Die LEDs dienen zum Anzeigen der Ströme. Die rote LED leuchtet hell, die grüne kaum. Nur in einem völlig abgedunkelten Raum ist der Basisstrom als schwaches Leuchten der grünen LED zu erkennen. Der Unterschied ist ein Hinweis auf die große Stromverstärkung.
4.1 Mehr Strom! 35 weiten Bereich gesichert ist. Im vorliegenden Fall wird der Transistor nur wie ein Schalter eingesetzt. Hier reicht es, den Basiswiderstand für den ungünstigsten Fall zu wählen, d. h. besser einen etwas größeren Basisstrom zu verwenden. Abb. 4.3: Der NPN-Transistor mit vertauschten Anschlüssen Vertauschen Sie einmal die Anschlüsse Emitter und Kollektor. Der Transistor arbeitet dennoch, wenn auch mit einem wesentlich geringeren Kollektorstrom.
36 Kapitel 4: Transistor-Grundschaltungen In der Praxis liegt der Verstärkungsfaktor für vertauschte Anschlüsse im Bereich 5 bis 20. Sie sehen nur noch ein schwaches Leuchten der roten LED. Tauschen Sie nun den 100-kΩ-Widerstand gegen einen 10-kΩ-Widerstand aus. Der Kollektorstrom steigt entsprechend an, und das Leuchten der LED im Kollektorstromkreis wird stärker. Man kann deutlich erkennen, dass die rote LED heller leuchtet als die grüne, dass also noch eine Verstärkung vorliegt.
4.3 Elektronische Einbahnstraßen 37 Abb. 4.6: Untersuchung der Stromverstärkung des BC557 4.3 Elektronische Einbahnstraßen Der innere Aufbau eines Transistors ist durch drei Schichten aus unterschiedlich dotiertem Silizium gekennzeichnet. An den Grenzflächen bilden sich Sperrschichten wie in einer Diode. Auch die Si-Diode oder die Leuchtdiode enthält eine ähnliche Sperrschicht, die den Strom nur in einer Richtung leitet.
38 Kapitel 4: Transistor-Grundschaltungen Abb. 4.7: Sperrschichten und Ersatzschaltbilder Die Sperrschichten lassen sich mit einer einfachen Prüfschaltung mit LED und Vorwiderstand ausmessen. Die LED zeigt an, wann Strom fließt. Zwei Prüfkabel können nun an Anschlüsse des Transistors gelegt werden. Je nach Richtung fließt ein Strom oder nicht. So lassen sich nacheinander alle internen Sperrschichten und ihre Richtung untersuchen. Abb. 4.
4.4 Umgekehrt 39 Abb. 4.9: Der Sperrschicht-Tester 4.4 Umgekehrt In Kapitel 4.1 wurde der Transistor wie ein gesteuerter Schalter verwendet. Das Einschalten des Basisstroms bewirkt auch ein Einschalten des Laststroms. Mit einem Tastschalter wurde eine LED also nur dann eingeschaltet, wenn man gerade auf die Taste drückte. Mit einem Transistor kann eine Schaltfunktion jedoch auch umgekehrt (invertiert) werden. Die Schaltung in Abb. 4.10 zeigt einen einfachen elektronischen Umschalter.
40 Kapitel 4: Transistor-Grundschaltungen Bei geschlossenem Schalter wird zugleich der Stromkreis durch die grüne LED geschlossen und der Basisstrom eingeschaltet. Der Transistor leitet und schaltet die Spannung an der roten LED ab. Tatsächlich findet man eine Restspannung von ca. 80 mV zwischen Emitter und Kollektor. Bei dieser kleinen Spannung fließt praktisch kein Strom durch die LED, sie ist also abgeschaltet.
4.5 Licht für eine Minute 41 Abb. 4.12: Verzögerte Ausschaltung Die Entladezeit wird durch den großen Basiswiderstand erheblich verlängert. Die Zeitkonstante beträgt hier etwa 10 Sekunden. Nach dieser Zeit reicht der Basisstrom aber immer noch für eine Vollaussteuerung des Transistors. Abb. 4.13: Das Minutenlicht In der praktischen Ausführung der Schaltung genügt ein kurzer Tastendruck zum Einschalten der LED. Danach bleibt sie etwa 10 Sekunden lang voll eingeschaltet und leuchtet dann immer schwächer.
42 4.6 Kapitel 4: Transistor-Grundschaltungen Wenn es dämmert Hier wird ein Fototransistor als Lichtsensor verwendet. Er bildet zusammen mit dem Festwiderstand von 100 kΩ einen Spannungsteiler. Je größer die Helligkeit, desto stärker leitet der Fototransistor und desto kleiner wird die Spannung an seinem Kollektor. Abb. 4.14: Der Dämmerungsschalter Wenn die Teilspannung zu klein wird, sperrt der NPN-Transistor. Vereinfachend kann man von einer »Schaltschwelle« bei ca. 0,6 V sprechen.
4.7 Stromverstärkung hoch zwei 43 Testen Sie das Verhalten der Schaltung bei unterschiedlicher Beleuchtung. Bei großer Helligkeit ist die LED ausgeschaltet, bei abgedunkeltem Lichtsensor leuchtet sie. Man findet ein relativ abruptes Umschalten bei einer gewissen Helligkeitsschwelle. Nur ein kleiner Helligkeitsbereich liefert eine Teilaussteuerung des Transistors. 4.
44 Kapitel 4: Transistor-Grundschaltungen Abb. 4.17: Der Berührungssensor mit Schutzwiderstand Eine Darlington-Schaltung ermöglicht auch einen interessanten Versuch zum Nachweis statischer Ladungen. Dazu berührt man nur mit einem Finger die Basis der Darlington-Schaltung und bewegt die Füße auf dem Boden. Je nach Bodenbeschaffenheit und Material der Schuhsohlen kommt es dann zu mehr oder weniger starken Aufladungen, die durch ein Flackern der LED sichtbar werden. Abb. 4.
4.8 Ein ungleiches Paar 45 Erweitern Sie die Darlington-Schaltung auf drei Transistoren. Die gesamte Stromverstärkung steigt damit noch einmal erheblich an. Nun reicht bereits eine Annäherung ohne direkte Berührung des Eingangs, um die LED einzuschalten. Abb. 4.19: Die dreifache Darlington-Schaltung 4.8 Ein ungleiches Paar Die normale Darlington-Schaltung verhält sich wie ein einzelner Transistor mit dem Unterschied einer etwa doppelten Basis-Emitterspannung.
46 Kapitel 4: Transistor-Grundschaltungen Abb. 4.20: Die NPN-PNPDarlington-Schaltung Im realen Versuch unterscheidet sich die Schaltung kaum von einer normalen Darlington-Schaltung mit zwei NPN-Transistoren. Die LED kann durch eine leichte Berührung eingeschaltet werden. Abb. 4.21: Berührungssensor mit BC547 und BC557 Abb. 4.22 zeigt eine weitere Schaltungsvariante mit zwei NPN-Transistoren und einem PNP-Transistor.
4.8 Ein ungleiches Paar 47 Abb. 4.22: Eine dreifache komplementäre Darlington-Schaltung Die Schaltung eignet sich als Sensor für negative Luft-Ionen. Spezielle IonenGeneratoren zur Verbesserung der Luftqualität in geschlossenen Räumen verwenden hohe Spannungen, um Luftmoleküle negativ aufzuladen. In der Nähe eines solchen Geräts lädt sich der Eingang der modifizierten Darlington-Schaltung negativ auf und schaltet die LED ein. Abb. 4.
48 4.9 Kapitel 4: Transistor-Grundschaltungen Die LED lernt sehen Eine LED kann nicht nur Licht erzeugen, sondern auch als Sensor für das Umgebungslicht dienen. In erster Näherung fließt durch eine Diode kein Strom, wenn sie in Sperrrichtung an eine Spannung gelegt wird. Tatsächlich findet man jedoch einen sehr kleinen Sperrstrom z. B. im Bereich weniger Nanoampere, der im Normalfall zu vernachlässigen ist.
4.10 Konstante Helligkeit 49 Abb. 4.25: Die LED als Lichtsensor 4.10 Konstante Helligkeit Manchmal benötigt man einen konstanten Strom, der möglichst unabhängig von Spannungsschwankungen ist. Eine LED würde also mit gleicher Helligkeit leuchten, auch wenn die Batterie bereits eine kleinere Spannung hat. Die Schaltung in Abb. 4.26 zeigt eine einfache Stabilisierungsschaltung. Eine rote LED am Eingang stabilisiert die Basisspannung auf etwa 1,6 V.
50 Kapitel 4: Transistor-Grundschaltungen Abb. 4.26: Eine stabilisierte Stromquelle Abb. 4.27: Stabilisierung der LED-Helligkeit Überprüfen Sie die Ergebnisse mit einer neuen und einer stark gebrauchten Batterie. Solange eine gewisse Restspannung vorhanden ist, bleibt die LED fast gleich hell. Eine weitere gebräuchliche Variante der Konstantstromquelle verwendet einen zweiten Transistor statt der LED. Die eigentliche Spannungsreferenz ist nun die Basis-Emitterspannung des linken Transistors in Abb. 4.
4.11 Gespiegelter Strom 51 Abb. 4.28: Veränderte Konstantstromquelle Die Konstantstromquelle regelt nicht nur Schwankungen in der Betriebsspannung aus, sondern auch unterschiedliche Spannungsabfälle am Verbraucher. Mit dem Schalter können Sie wahlweise eine oder zwei LEDs mit der Konstantstromquelle betreiben. In beiden Fällen fließt der gleiche Strom. Abb. 4.29: Konstantstrom mit zwei NPN-Transistoren 4.11 Gespiegelter Strom Die Schaltung in Abb. 4.30 zeigt einen sogenannten Stromspiegel.
52 Kapitel 4: Transistor-Grundschaltungen tors. Da beim linken Transistor Basis und Emitter zusammengeschaltet sind, stellt sich automatisch eine Basis-Emitterspannung ein, die zum vorgegebenen Kollektorstrom führt. Theoretisch sollte nun der zweite Transistor mit genau gleichen Daten und bei der gleichen Basis-Emitterspannung den gleichen Kollektorstrom zeigen. In der Praxis ergeben sich jedoch meist geringe Unterschiede. Abb. 4.
4.11 Gespiegelter Strom 53 Die praktische Ausführung des Stromspiegels eignet sich als 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 etwas vergrößern oder verkleinern.
55 5 NF-Verstärker Verstärker im Niederfrequenzbereich (NF) werden vor allem für die Tonwiedergabe eingesetzt. Der Piezo-Schallwandler im Lernpaket eignet sich als Mikrofon und als Lautsprecher. Mit kleinen Transistorschaltungen lassen sich interessante Versuche durchführen. Sie können z. B. das Flackern von Kunstlicht untersuchen oder ein einfaches Radio bauen. 5.1 Knacken aus dem Lautsprecher Ein piezokeramischer Schallwandler ist zugleich ein kleiner Lautsprecher und ein Mikrofon.
56 Kapitel 5: NF-Verstärker Abb. 5.2: Erster Test mit dem Schallwandler Der Schallwandler verhält sich zugleich wie ein Kondensator. Tatsächlich entspricht der Aufbau mit zwei Metallflächen und der isolierenden Keramikscheibe genau einem Keramikkondensator. Die Kapazität liegt bei etwa 20 nF. Das Bauteil kann daher wie ein Kondensator aufgeladen und entladen werden. Abb. 5.3 zeigt die veränderte Schaltung. Abb. 5.3: Laden und Entladen Im praktischen Versuch wie in Abb. 5.
5.2 Verstärkte Töne 57 Abb. 5.4: Eine Drahtbrücke als Umschaltkontakt Die Versuche haben das grundlegende Verhalten des Schallwandlers deutlich gemacht. Im praktischen Einsatz sorgt meist eine schnelle Folge von Spannungsänderungen für eine entsprechende Schallabgabe. Mit der geeigneten Elektronik kann dabei sowohl ein Dauerton als auch ein Tongemisch wie z. B. Sprache und Musik wiedergegeben werden. 5.
58 Kapitel 5: NF-Verstärker Nicht jeder Elektronik-Einsteiger hat einen umfangreichen Messgerätepark mit Sinusgenerator und Oszilloskop. Wie kann man trotzdem mit einfachsten Mitteln die Funktion eines Verstärkers testen? Gesucht werden eine Signalquelle und eine Möglichkeit, das Ausgangssignal zu beurteilen. Für die Versuche mit dem Lernpaket bietet sich folgender Aufbau an: Am Eingang liegt ein Spannungsteiler aus Fototransistor und Festwiderstand als Signalquelle.
5.3 Zwei Stufen lauter 59 Abb. 5.6: Der Tonverstärker Mit dieser Schaltung lassen sich verschiedene Lichtquellen untersuchen. Eine Leuchtstofflampe produziert einen höheren Brummanteil als eine Glühlampe. Auch der PC-Monitor liefert moduliertes Licht. Bei Annäherung des Lichtsensors an einen PC-Monitor mit Bildröhre hört man die Bildwiederholfrequenz als Summen. Der Klang unterscheidet sich deutlich vom Brummen einer Lampe. 5.
60 Kapitel 5: NF-Verstärker Abb. 5.8: Zwei NPN-Stufen Beim ersten Versuch kann es zu knatternden Störgeräuschen kommen. Es handelt sich dabei um Eigenschwingungen, die jeden Verstärker unbrauchbar machen. Ob sie tatsächlich auftreten, hängt vom Zustand der Batterie ab. Die Frequenz der ungewollten Schwingungen ändert sich mit der Beleuchtung des Fototransistors. Ursache der unerwünschten Eigenschwingungen ist der Innenwiderstand der Batterie.
5.3 Zwei Stufen lauter 61 Abb. 5.9: Zusätzliche Glättung der Betriebsspannung Der verbesserte Verstärker (Abb. 5.9) arbeitet nun stabil. Man erhält eine wesentlich größere Empfindlichkeit als mit nur einer Verstärkerstufe. Lästige Schwingungen treten nicht mehr auf. Abb. 5.10: Verstärker ohne Schwingneigung Der zweistufige Verstärker dreht die Phase des Eingangssignals zweimal um 180 Grad, zusammen also um 360 Grad. Positive Halbwellen am Eingang erzeugen also wieder positive Halbwellen am Ausgang.
62 5.4 Kapitel 5: NF-Verstärker Radioklänge Für einen Verstärker kann es vorteilhaft sein, möglichst wenige Kondensatoren im Signalweg zu verwenden. Daher bietet es sich an, die Basis der zweiten Verstärkerstufe direkt mit dem Kollektor der ersten Stufe zu verbinden. Allerdings muss man gleichzeitig dafür sorgen, dass beide Transistoren einen geeigneten Arbeitspunkt einnehmen. Das gelingt durch eine Gegenkopplung zur Basis des ersten Transistors.
5.4 Radioklänge 63 Abb. 5.12: Ein empfindlicher Signalverstärker Der Verstärker zeigt zunächst kein Ausgangssignal, da eine Signalquelle fehlt. Das ist aber auch ein gutes Zeichen, denn man kann schon erkennen, dass die Schaltung stabil ist und nicht schwingt. Machen Sie nun den »Fingertest« und berühren den Eingang. Sie werden ein Brummen hören.
64 Kapitel 5: NF-Verstärker geringer. Daher liefern Hochfrequenzsignale am Eingangswiderstand von 1 kΩ einen höheren Anteil als das 50-Hz-Brummen. Was hier auf den ersten Blick wie ein unsinniges Experiment aussieht, hilft Ihnen, die Tücken der NF-Verstärkertechnik zu durchschauen. Nur wer die Störeffekte kennt, kann sie vermeiden. In diesem Fall müsste man durch einen Tiefpassfilter dafür sorgen, dass der Verstärker keine höheren Frequenzen als ca. 20 kHz verarbeitet.
5.6 Im Gegentakt 65 folger ist daher ein Impedanzwandler. Er setzt einen großen Eingangswiderstand in einen kleineren Ausgangswiderstand um, ohne die Spannung zu verändern. Die Schaltung ermöglicht daher einen einfachen Versuch mit dem PiezoSchallwandler als Signalquelle. Im Ruhezustand ist die Eingangsspannung Null, die LED bleibt also aus. Klopfen Sie nun mit dem Finger oder besser mit einem weichen Radiergummi leicht auf den Piezolautsprecher. Bei jedem Klopfen blinkt die LED kurz auf. Abb. 5.
66 Kapitel 5: NF-Verstärker Schaltung hat also einen hochohmigen Eingang und einen niederohmigen Ausgang. Daher lassen sich nun beide Halbwellen des Sensors verstärken und an den LEDs anzeigen. Abb. 5.15: Ein Gegentaktverstärker Tippen Sie den Piezo-Wandler mit dem Finger an. Sie erhalten dann ein Wechselspannungs-Ausgangssignal, bei dem beide LEDs abwechselnd leuchten. Abb. 5.
67 6 Kippschaltungen Digitale Elektronik unterscheidet sich von der bisher vorgestellten analogen Elektronik dadurch, dass Transistoren immer entweder ganz eingeschaltet oder ganz ausgeschaltet sind. Es gibt also nur zwei Zustände. Schaltungen können aber von einem stabilen Zustand (flip) in einen anderen (flop) kippen. Eine FlipflopSchaltung funktioniert daher ähnlich wie ein Umschalter. 6.1 Flip und Flop Eine Schaltung mit zwei stabilen Zuständen nennt man Kippschaltung oder Flipflop.
68 Kapitel 6: Kippschaltungen Abb. 6.2: Die einfache Kippschaltung Bauen Sie die Schaltung zunächst ohne die Schalter auf. Sie werden feststellen, dass eine von beiden LEDs leuchtet. Es kann aber nicht vorhergesagt werden, welche Seite eingeschaltet sein wird. Meist entscheidet die ungleiche Stromverstärkung der Transistoren darüber, zu welcher Seite die Schaltung kippt.
6.2 Zünden und löschen 69 Zustand um. Nur durch Abschalten der Betriebsspannung kehren die Transistoren in den gesperrten Zustand zurück. Abb. 6.3: Ersatzschaltung für einen Thyristor Theoretisch sollte die Schaltung auch ohne Basis-Emitterwiderstand funktionieren. Allerdings können kleinste Isolationsfehler die Schaltung dann bereits ohne Schaltsignal zünden. Dazu kommen die geringen Sperrschichtkapazitäten der Transistoren, die einen kleinen Ladestrom beim Einschalten bewirken.
70 Kapitel 6: Kippschaltungen Die Schaltung kann mit einer kleinen Erweiterung auch die Funktion eines RSFlipflops übernehmen. Vermutlich ist Ihnen nach den bisherigen Versuchen schon klar, wo der zweite Schalter angesetzt werden kann. Eine von drei Möglichkeiten besteht darin, eine Kurzschlussbrücke zwischen beide Emitter zu legen. Solange dieser Nebenstromkreis besteht, ist der Verbraucher zwar noch an, die Transistoren sind jedoch bereits stromlos.
6.3 Getriggerte Helligkeit 71 Abb. 6.6: Entstörung durch einen Kondensator 6.3 Getriggerte Helligkeit Die Schmitt-Triggerschaltung ist ein Bindeglied zwischen analoger und digitaler Elektronik. Eine beliebige Eingangsspannung wird eindeutig in die Zustände An und Aus umgesetzt. Ein Beispiel für die Anwendung ist ein Dämmerungsschalter. Wenn es dunkel wird, soll eine Lampe eingeschaltet werden. Wichtig ist, dass es im Übergangsbereich nicht zum Flackern der Lampe kommt.
72 Kapitel 6: Kippschaltungen Abb. 6.7: Der Schmitt-Trigger Abb. 6.8: Schmitt-Trigger als Dämmerungsschalter Die Spannung am Eingang des Schmitt-Triggers wird durch die Helligkeit am Fotowiderstand beeinflusst. Abdunkeln führt zum Einschalten der LED, eine hellere Beleuchtung zum Ausschalten. Zwischen beiden Schaltpunkten ist eine deutliche Hysterese zu erkennen. Sie sollte im Normalfall ausreichen, um eine Reaktion auf das Flackern von Kunstlicht zu vermeiden. 6.
6.4 Zurückgekoppelt 73 Ein zusätzlicher Widerstand vom Ausgang zum Eingang sorgt für die nötige Rückkopplung und damit für die Schalthysterese. Abb. 6.9: Vereinfachter Schmitt-Trigger Der Versuch verwendet wieder den Fototransistor. Diesmal wird jedoch die LED bei großer Helligkeit eingeschaltet und bei Dunkelheit ausgeschaltet. Auch bei langsamer Abschattung lässt sich kein Übergangsbereich finden.
74 Kapitel 6: Kippschaltungen Die Empfindlichkeit der Schaltung lässt sich in weiten Grenzen an die Lichtverhältnisse anpassen, indem man den Spannungsteiler am Eingang verändert. Mit einem Festwiderstand von 10 kΩ wird erst bei großer Helligkeit z. B. nahe einer Lampe geschaltet. Mit einem Widerstand von 100 kΩ erfasst man den mittleren Helligkeitsbereich in Wohnräumen.
75 7 Blinkerschaltungen und Oszillatoren Oszillatoren sind Schaltungen, die selbstständig Schwingungen erzeugen. Für langsame Umschaltvorgänge werden meist Kippschaltungen eingesetzt. Höhere Frequenzen werden für Tongeneratoren benötigt. Anwendungen reichen vom Lügendetektor bis zum spannungsgesteuerten Oszillator für Messzwecke. 7.1 Streng im Wechsel Die Standardschaltung für eine astabile Kippschaltung ist der Multivibrator in Abb. 7.1. Die Rückkopplung erfolgt über Kondensatoren.
76 Kapitel 7: Blinkerschaltungen und Oszillatoren Abb. 7.2: Ein langsamer Wechselblinker Schließen Sie zusätzlich auch einmal den Piezo-Schallwandler parallel zum Ausgang an. Sie hören dann Knackgeräusche für jedes Umschalten. Mit kleineren Kondensatoren geht das Geräusch in ein Knattern über. Der Multivibrator kann also zugleich als Tongenerator eingesetzt werden. 7.2 An und Aus Der Multivibrator lässt sich vereinfachen, sodass nur noch ein Kondensator benötigt wird.
7.2 An und Aus 77 Abb. 7.3: Der vereinfachte Blinker Die notwendige Bedingung für sicheres Anschwingen der Schaltung ist ein mittlerer Arbeitspunkt ohne die Rückkopplung. In anderen Fällen ist der Ausgangstransistor entweder ganz gesperrt oder voll durchgesteuert. Die Gesamtschaltung hätte dann nicht genügend Verstärkung zum Aufbau von Schwingungen. Hier sorgt eine starke Gegenkopplung am ersten Transistor für einen mittleren Arbeitspunkt.
78 Kapitel 7: Blinkerschaltungen und Oszillatoren steuert ist. Mit eingesetztem Kondensator geht die LED abwechselnd ganz an und ganz aus. Mit dem Kondensator von 22 µF blinkt die LED etwa einmal pro Sekunde. Versuchen Sie auch kleinere Kondensatoren bis herunter zu 100 nF und 10 nF. Das Blinken geht in ein schnelles Flackern über. Ein zusätzlich angeschlossener Schallwandler erzeugt ein hörbares Knattern. Es müssen nicht immer zwei NPN-Transistoren sein. Abb. 7.
7.3 Je heller desto höher 79 Abb. 7.6: Der NPN/PNP-Blinker 7.3 Je heller desto höher Der vereinfachte Multivibrator aus Kap. 7.2 lässt sich mit einem kleineren Kondensator als Tongenerator einsetzen. Die Frequenz wird zusätzlich durch den Widerstand im Rückkopplungszweig bestimmt. Hier kann also ein Sensor oder ein einstellbarer Widerstand eingesetzt werden, um die Frequenz zu beeinflussen. Die Schaltung in Abb. 7.7 realisiert einen einstellbaren Tongenerator mit einem Fototransistor.
80 Kapitel 7: Blinkerschaltungen und Oszillatoren Abb. 7.7: Ein einstellbarer Tongenerator Sie können die Schaltung mit unterschiedlichen Kondensatoren aufbauen. Mit 100 nF ergibt sich ein tiefer Ton. Der höhere Ton bei 10 nF ist besser hörbar, da er näher an der Resonanzfrequenz des Schallwandlers liegt. Abb. 7.8: Tongenerator mit Lichtsensor Mit dieser Schaltung können Sie nicht nur die Helligkeit, sondern auch die Art des Lichts unterscheiden.
7.4 Spannung steuert Töne 7.4 81 Spannung steuert Töne Ein spannungsabhängiger Oszillator (Voltage-controlled-oscillator, VCO) kann mit einem Multivibrator wie in Abb. 7.9 aufgebaut werden. Beide Basiswiderstände führen an einen Spannungseingang. Je höher die anliegende Spannung ist, desto größer wird der Ladestrom und damit die Frequenz des Oszillators. Ein einstellbarer Spannungsteiler erlaubt die Vorgabe einer beliebigen Spannung und damit die Einstellung der Frequenz. Abb. 7.
82 Kapitel 7: Blinkerschaltungen und Oszillatoren Abb. 7.10: Lichtabhängiger Tongenerator 7.5 Sägezähne Kippschwingungen mit ihrer typischen Sägezahnform entstehen, wenn ein Kondensator periodisch bis zu einer bestimmten Spannung geladen wird und sich dann schlagartig entlädt. Die Schaltung in Abb. 7.11 zeigt eine mögliche Realisierung. Solange der Kondensator noch geladen wird, bleibt der PNP-Transistor gesperrt, und auch die beiden NPN-Transistoren erhalten keinen Basisstrom.
7.5 Sägezähne 83 Sie können den Kondensator durch kleinere Kondensatoren oder durch den Piezo-Schallwandler allein ersetzen, der ja zugleich auch ein Kondensator ist. Wegen der geringeren Kapazität von ca. 20 nF ergibt sich eine höhere Frequenz der Kippschwingung. Sie hören einen gleichmäßigen Ton. Schalten Sie verschiedene Kondensatoren parallel, um die Frequenz zu verkleinern. Mit einem Elko von 22 µF sinkt die Frequenz auf unter einen Impuls pro Sekunde.
84 Kapitel 7: Blinkerschaltungen und Oszillatoren Abb. 7.
85 8 Operationsverstärker Ein Operationsverstärker (OPV) ist eine komplexe Schaltung zur Ausführung analoger Rechenoperationen. Eine Eingangsspannung um einen genauen Faktor zu verstärken entspricht der Rechenoperation Multiplikation. Aber auch andere Operationen wie Addition und Subtraktion lassen sich mit Operationsverstärkern mit großer Genauigkeit ausführen. Ursprünglich wurden diese Schaltungen für Analogrechner entwickelt, die Vorgänger heutiger Computer.
86 Kapitel 8: Operationsverstärker Die Eingangsspannung wird durch den Fotowiderstand bestimmt. Der Emitterwiderstand von 235 Ω wird durch eine Parallelschaltung aus zwei 470-ΩWiderständen gebildet. Verändern Sie die Helligkeit am Fotowiderstand durch teilweise Abschattung. Wegen der großen Verstärkung ist es kaum möglich, den Differenzverstärker in ein genaues Gleichgewicht zu bringen. Die angezeigte Spannung wird meist durch die Durchlassspannung der LEDs begrenzt, d. h.
8.2 Operation Vergleich 8.2 87 Operation Vergleich Das Grundprinzip des Operationsverstärkers ist einfach: Die Differenz der Eingangsspannungen wird sehr hoch verstärkt. Die Spannungsverstärkung ist etwa 100.000-fach. Es reicht also ein Unterschied von weniger als 0,1 mV an den Eingängen, um die Ausgangsspannung über den gesamten Bereich zu steuern. In der theoretischen Planung von Schaltungen kann die Verstärkung als unendlich angesehen werden. Abb. 8.
88 Kapitel 8: Operationsverstärker Der Versuch realisiert einen empfindlichen Lichtsensor. Immer wenn die Helligkeit einen gewissen Grenzwert überschreitet, ist die LED eingeschaltet. Bei natürlichem Licht gibt es keinen Zwischenwert, bei dem die LED mit reduzierter Helligkeit leuchtet. Nur bei Kunstlicht kann dieser Fall scheinbar eintreten. Tatsächlich aber schaltet der Ausgang in schneller Folge zwischen den Extremwerten um, d. h.
8.4 Spannung mal zwei 89 Abb. 8.6: Voll gegengekoppelter OPV Verändern Sie die Eingangsspannung durch unterschiedliche Helligkeit am Fotowiderstand. Die Spannung erscheint unverändert am Ausgang. Man erkennt, dass die Helligkeit der LED stufenlos der Helligkeit folgt. Abb. 8.7: Ein linearer Sensorverstärker 8.
90 Kapitel 8: Operationsverstärker nung wird also halbiert. Damit ergibt sich für die Gesamtschaltung ein Verstärkungsfaktor von genau 2. Abb. 8.8: Zweifache Spannungsverstärkung Am Ausgang ändert sich die Spannung doppelt so stark wie am Eingang des Verstärkers. Sie erkennen nun eine empfindlichere Reaktion auf Lichtänderungen. Abb. 8.9: Höhere Verstärkung 8.
8.5 Verstärkte Töne 91 sie zu beiden Seiten hin möglichst weit ausgesteuert werden kann. Der Verstärker nach Abb. 8.10 verwendet einen zusätzlichen Kondensator im GegenkopplungsSpannungsteiler. Für Gleichspannungen ergibt sich damit die volle Gegenkopplung und die Verstärkung 1. Am Ausgang erscheint also die mittlere Spannung von 4,5 V. Für Wechselspannungen genügend hoher Frequenz hat die Schaltung den Verstärkungsfaktor 11. Abb. 8.
92 Kapitel 8: Operationsverstärker Sie können die Verstärkung noch weiter erhöhen. Die veränderte Schaltung in Abb. 8.12 verstärkt etwa 100-fach. Außerdem wurde die untere Grenzfrequenz durch einen größeren Kondensator in der Gegenkopplung herabgesetzt. Am Ausgang wurde ein Koppelkondensator eingefügt. Nun können zwei antiparallele LEDs angesteuert werden. Abb. 8.12: 100-fache Verstärkung Der Versuch zeigt, dass beide LEDs im Ruhezustand zunächst aus sind.
8.6 Dreieck und Rechteck 8.6 93 Dreieck und Rechteck Die Schaltung dieses Oszillators besteht aus zwei Teilen. Der rechte OPV bildet einen Integrator zur Erzeugung linear ansteigender und abfallender Spannungen. Der linke OPV stellt einen Komparator mit einer großen Hysterese dar. Beide Schaltungen verwenden eine virtuelle Masse auf der halben Betriebsspannung. Immer wenn ein Umschaltpunkt des Komparators erreicht wird, wechselt der Integrator seine Laderichtung.
94 Kapitel 8: Operationsverstärker Abb. 8.15: Der lichtabhängige Signalgenerator Man erkennt schnelle dreieckförmige Signale an der grünen LED und ein Rechtecksignal an der roten. Die Ausgangsfrequenz ist in weiten Grenzen mit dem Kondensator und dem Widerstand des Komparators veränderbar. Der Einsatz eines einzelnen Elkos für eine tiefere Blinkfrequenz ist problematisch, da der Kondensator in beide Richtungen geladen wird.
8.6 Dreieck und Rechteck Abb. 8.
97 9 Der Timer NE555 Der Universaltimer NE555 ist ein weit verbreiteter integrierter Schaltkreis zur einfachen Erzeugung von Verzögerungszeiten und Rechtecksignalen. Mit nur zwei externen Bauteilen lässt sich bereits ein Tongenerator oder ein Blinker aufbauen. Aber auch ganz andere Anwendungen wie z. B. Schwellenwertschalter und Komparatoren lassen sich mit dem IC realisieren. 9.1 Töne erzeugen Der Timer 555 besteht intern im Wesentlichen aus zwei Komparatoren und einem RS-Flipflop.
98 Kapitel 9: Der Timer NE555 Abb. 9.1: Innenschaltbild des NE555 Die Schaltung in Abb. 9.2 zeigt die typische Beschaltung für einen Rechteckgenerator. Ein Kondensator wird über beide 10-kΩ-Widerstände geladen und beim Erreichen der oberen Schaltschwelle über den DIS-Ausgang entladen, bis die untere Schaltschwelle erreicht ist.
9.1 Töne erzeugen 99 Abb. 9.2: Ein Tongenerator Die Ladephase ist in dieser Anwendung doppelt so lang wie die Entladephase, weil insgesamt über einen Widerstand von 20 kΩ geladen, aber über 10 kΩ entladen wird. Daher entsteht ein unsymmetrisches Ausgangssignal mit einem Tastverhältnis von 2/3. Die Ausgangsfrequenz beträgt rund 500 Hz ist über den Piezo-Schallwandler gut zu hören, obwohl die Frequenz weit unterhalb der Resonanzfrequenz des Wandlers liegt.
100 9.2 Kapitel 9: Der Timer NE555 Präzise getaktet Die Schaltung in Abb. 9.4 zeigt eine andere Variante der Rückkopplung. Diesmal genügt ein Widerstand vom Gegentakt-Ausgang an Pin 3 zum Ladekondensator. Hier soll ein Wechselblinker mit geringer Frequenz aufgebaut werden. Entsprechend wird ein größerer Ladekondensator von 22 µF verwendet. Abb. 9.4: Ein langsamer Blinker Eigentlich kann der Reset-Eingang am Pin 4 unbeschaltet bleiben.
9.3 Schwelle erreicht 101 Abb. 9.5: Der Wechselblinker 9.3 Schwelle erreicht Ein Schmitt-Trigger (vgl. Kap. 6.3) sorgt für eindeutige Schaltzustände in Abhängigkeit von einer anlogen Eingangsspannung. Genau diese Funktion ist im Universaltimer NE555 bereits enthalten. Abb. 9.6 zeigt eine lichtabhängige Schaltstufe. Abb. 9.6: Verwendung der internen Komparatoren Bei großer Helligkeit beträgt die Komparatorspannung über 2/3 der Betriebsspannung. Dann kippt der Ausgang in den Aus-Zustand.
102 Kapitel 9: Der Timer NE555 Umschaltpunkt liegt bei 1/3 der Betriebsspannung und wird erreicht, wenn die Helligkeit die untere Schwelle unterschreitet. Deshalb zeigt die Schaltung eine entsprechend große Hysterese, d. h. die Umschaltpunkte liegen bei einem Helligkeits-Unterschied von 1 zu 2. Die Schaltung lässt sich z. B. für eine Lichtschranke verwenden. Personen, die einen Lichtstrahl unterbrechen, werden erkannt. Abb. 9.7: Die Lichtschranke 9.
9.4 Schneller Puls 103 Abb. 9.8: Eine PWMSteuerung Die Ladezeit des Kondensators ist vom momentanen Strom durch den Fototransistor abhängig. Die Entladezeit dagegen ist immer gleich. Weniger Helligkeit vergrößert also das Puls-Pausen-Verhältnis und damit die durchschnittliche Helligkeit der LED am Ausgang. Gleichzeitig wird in dieser Schaltung die Frequenz geringer, was aber nicht sichtbar wird, solange sie über ca. 50 Hz liegt. Effektiv steuert die Umgebungshelligkeit die LED-Helligkeit.
104 9.5 Kapitel 9: Der Timer NE555 Lügendetektor Diese Anwendung sollte man als Partyscherz verstehen. Der Hautwiderstand an den Händen einer Testperson ändert sich mit der Feuchtigkeit. Wer lügt, der schwitzt. Dieser Effekt soll akustisch wahrnehmbar werden. Zwei blanke Drähte werden locker um zwei Finger gewickelt und bilden den Sensor. Der Sensorwiderstand liegt im Bereich 10 kΩ bis 100 kΩ und ist von Person zu Person verschieden. Die Schaltung nach Abb. 9.
9.5 Lügendetektor Abb. 9.
107 10 Spezialanwendungen Nachdem nun alle wesentlichen Bauteile und Schaltungsprinzipien vorgestellt und erprobt sind, sollen einige speziellere Anwendungen der angewandten Elektronik mit ICs und Einzelhalbleiterbestückung vorgestellt werden. Sicherlich werden Ihnen noch weitere Schaltungen einfallen. Mit dem vorhandenen Material ist jedenfalls wesentlich mehr machbar, als im Rahmen dieses Handbuchs vorgestellt werden kann. 10.
108 Kapitel 10: Spezialanwendungen Betriebsspannung aufaddiert wird. Elektrische Ladung wird stoßweise auf ein höheres Potential »gepumpt«. Der Reihenwiderstand mit 470 Ω begrenzt den Strom vor allem beim Entladen des Kondensators, sodass ein direkter Kurzschluss der Batterie über die Dioden unmöglich ist. Dieser Schutz wurde eingebaut, damit man den Ladekondensator selbst kurzschließen darf. Abb. 10.2 zeigt den Aufbau des Versuchs. Am Ausgangskondensator erhält man die erhöhte Spannung.
10.2 Kurzwellenklänge 109 Abb. 10.3: Das unabgestimmte Audion Die Schaltung verwendet eine Spule mit ca. 2 µH. Wickeln Sie dazu ca. 10 Windungen auf eine Mignonzelle als Wickeldorn. Es kommt nicht auf die genauen Daten an. Die so entstandene Luftspule bildet für Niederfrequenzsignale praktisch einen Kurzschluss. Bei 6 MHz stellt die Spule jedoch bereits einen induktiven Widerstand von 80 Ω dar.
110 Kapitel 10: Spezialanwendungen Schließen Sie eine Drahtantenne von 0,5 bis 3 Metern an. Erden Sie dann die Masseleitung der Schaltung über eine Wasserleitung oder ähnliche geerdete Leiter. Nun hören Sie laut und deutlich Sprache oder Musik aus dem Lautsprecher. Anders als bei der Schaltung in Kap. 5.4 wird der Genuss nicht durch Brummsignale gestört. Manchmal ist nur ein Sender zu hören, meist aber mehrere gleichzeitig.
10.4 Weicher Blinker 111 Die Gegenkopplung des OPV ist in dieser Schaltung für höhere Frequenzen aufgehoben, um eine maximale Verstärkung zu bekommen. Der OPV arbeitet praktisch mit Leerlaufverstärkung, was im Interesse geringer Verzerrungen und eines ausgeglichenen Frequenzgangs normalerweise vermieden wird. Bei einem Rauschgenerator kommt es darauf aber nicht an. Bauen Sie die Schaltung mit der Transistor-Ersatz-Zenerdiode auf und testen Sie die Funktion mit einer neuen Batterie mit vollen 9 V.
112 Kapitel 10: Spezialanwendungen Abb. 10.7: Ein Phasenschieber-Oszillator Die beiden linken Transistoren werden in einer Darlington-Schaltung als Emitterstufe verwendet und drehen die Phase um 180 Grad. Die Ausgangsstufe arbeitet als Emitterfolger, wobei die LED in der Kollektorleitung zunächst nicht beachtet werden muss. Für die mittlere Gleichspannung besitzt die Gesamtschaltung eine starke Gegenkopplung. Die Spannung am Emitterwiderstand der Ausgangsstufe stellt sich auch etwa 1,2 V ein.
10.4 Weicher Blinker 113 Die LED zeigt ein langsames, weich auf- und abschwellendes Leuchten. Da die Ausgangsstufe als Stromquelle arbeitet, können Sie die zweite LED ohne Änderung der Stromstärke in Reihe zur ersten anschließen. Wenn Sie zusätzlich noch die Gesamthelligkeit vergrößern wollen, verkleinern Sie den Emitterwiderstand der Ausgangsstufe durch Parallelschalten des zweiten 470-Ω-Widerstands. Abb. 10.
115 A Anhang Material im Lernpaket 1 Laborsteckbrett mit 270 Kontakten 1 m Schaltdraht 1 9-V-Batterieclip 1 Piezo-Schallwandler 1 Tastschalter 1 LED rot 1 LED grün 3 NPN-Transistoren BC547 1 PNP-Transistor BC557 2 Si-Dioden 1N4148 1 Doppel-OPV LM358N DIP 1 Timer NE555 DIP 1 Fototransistor 2 Widerstände 470 Ω 2 Widerstände 1 kΩ 2 Widerstände 10 kΩ 2 Widerstände 100 kΩ 2 Widerstände 1 MΩ 2 Elkos 100 µF 1 Elko 22 µF 1 keramischer Kondensator 100 nF 1 keramischer Kondensator 10 nF
116 A Anhang Lieferfirmen für elektronische Bauteile: www.conrad.de www.reichelt.
