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Inhalt 1 Vorbereitungen ............................................................................. 3 2 Einfache LED-Lampe ...................................................................4 3 Mehr Farbe: Rot und Grün ......................................................... 7 4 Bereitschaftslicht für die Nacht ...................................................8 5 Umschaltbare Helligkeit ........................................................... 10 6 Verstärkter Strom ..................................
23 Unterbrochenes Blinken .........................................................44 24 Flackerndes Feuer ...................................................................45 25 Die besondere LED-Leuchte ..................................................... 47 2 15020 E-Labor_NEU.indd 2 20.06.
1 Vorbereitungen Im Mittelpunkt dieses Lernpakets stehen Leuchtdioden und Transistoren. Damit sind auch komplexe Anwendungen möglich. Und wer möchte, findet hier auch die nötigen Informationen darüber, wie das alles funktioniert.
sollen in genau die richtigen Kontaktlöcher der Steckplatine gesteckt werden. Man sollte vorher mit einer Nadel kleine Löcher in die Schutzfolie auf der Rückseite der Platte stechen und die Kabel von unten hindurchstecken. Das sorgt für eine ausreichende Fixierung. Der Schalter und die Sicherung sollen genau in die gezeigte Position gesteckt werden. Das passt dann für alle folgenden Versuche.
Die Steckplatine, der Batterieclip, der Schalter und die Sicherung. Dazu kommen für den ersten Versuch ein Widerstand mit 4.700 Ohm (Gelb, Violett, Rot, 4,7 kΩ) und eine rote Leuchtdiode (LED). Wichtig ist die Einbaurichtung der LED. Sie hat einen kürzeren Draht (die Kathode = Minuspol) und einen längeren Draht (die Anode = Pluspol). Im Inneren kann man einen etwas größeren Halter an der Minusseite erkennen, der den eigentlichen LED-Kristall trägt.
Schaltbilder Die Schaltbilder in diesem Handbuch muss man nicht unbedingt beachten, um die Versuche erfolgreich aufzubauen. Aber sie können dabei helfen, alles besser zu verstehen. Ein Schaltbild zeigt die Verbindungen der Bauteile in einer vereinfachten Art mit Schaltsymbolen für jedes Bauteil. Wenn man sich daran gewöhnt hat, versteht man mit einem Schaltbild viel leichter, wie alles zusammengehört. Die Batterie besteht aus sechs Batteriezellen mit jeweils 1,5 V. Der längere Strich steht für den Pluspol.
3 Mehr Farbe: Rot und Grün Hier wird zusätzlich eine grüne LED in Reihe zur roten LED eingebaut. Damit leuchten beide LEDs gemeinsam. Mit dem Schalter kann man beide gemeinsam ein- und ausschalten. Reihenschaltung Bei der Reihenschaltung fließt der gleiche Strom durch zwei oder mehr Verbraucher. Es ist ein „unverzweigter Stromkreis“, weil es nur einen Weg gibt. Das bedeutet, die Stromstärke ist an jeder Stelle gleich groß. Das kann man leicht ausprobieren, indem man beide LEDs vertauscht.
Vereinfachtes Schaltbild einer Reihenschaltung 4 Bereitschaftslicht für die Nacht Hier wird ein weiterer Widerstand mit 330 kΩ (330 Kiloohm) eingebaut. Er trägt die Farbringe Orange, Orange, Gelb sowie einen zusätzlichen goldenen Ring. Je größer der Widerstand, desto weniger Strom fließt. Der erste Widerstand hatte nur 4,7 kΩ (Gelb, Violett, Rot) und sorgte für relativ helles Licht. Wenn der größere Widerstand verwendet wird, leuchten die LEDs nur noch schwach.
Widerstände und ihre Farbringe Die Farbringe auf den Widerständen stehen für Zahlen. Sie werden beginnend mit dem Ring gelesen, der näher am Rand des Widerstands liegt. Die ersten beiden Ringe stehen für zwei Ziffern, der dritte für angefügte Nullen. Zusammen bezeichnen sie den Widerstand in Ohm. Ein vierter Ring gibt die Genauigkeit an. Alle Widerstände haben einen goldenen Ring. 9 15020 E-Labor_NEU.indd 9 20.06.
Das bedeutet, dass der angegebene Wert um 5 % größer oder kleiner sein kann, als durch die Farbringe angegeben. Dein erster Widerstand wird so gelesen: Gelb = 4, Violett = 7, Rot = 00, zusammen 4.700 Ohm, also 4,7 kΩ. Der Widerstandsfarbcode Farbe Schwarz Braun Rot Orange Gelb Grün Blau Violett Grau Weiß Gold Silber Ring 1 1. Ziffer 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ring 2 2.
es eigentlich noch eine vierte Stufe geben, denn nun fließt der Strom durch beide Widerstände. Aber der Unterschied zur dritten Stufe ist so gering, dass man ihn nicht bemerkt. 11 15020 E-Labor_NEU.indd 11 20.06.
Spannung, Widerstand und Strom Bekanntlich wird die elektrische Spannung in Volt (V) gemessen. Die Batterie hat 9 V. Und einen Widerstand misst man in Ohm (Ω) oder Kiloohm (1 kΩ = 1.000 Ω). Es gibt aber noch eine andere sehr wichtige Messgröße: Die elektrische Stromstärke misst man in Ampere (A) oder bei kleinen Stromstärken in Milliampere (1 mA = 1/1000 A).
Für den größeren Widerstand mit 330 kΩ kommt man auf einen Strom von rund 0,015 mA und eine Betriebsdauer von vier Jahren mit nur einer Batterie. Strom sparen lohnt sich! 6 Verstärkter Strom Das wichtigste Bauteil dieses Lernpakets ist der Transistor. Er hat drei Anschlüsse, die man nicht verwechseln darf. Sie heißen Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C). Die Abkürzung C stammt von der englischen Schreibweise „Collector“. Der Emitter soll mit dem Minusanschluss der Batterie verbunden werden.
geht die rote LED an. Ist einer von beiden oder sind beide ausgeschaltet, bleibt sie aus. Aus sehr vielen solchen Grundschaltungen kann man Automaten, Rechenmaschinen oder ganze Computer bauen. Transistoren Der Transistor enthält einen Kristall aus Silizium. Silizium (Si) ist in ganz normalem Quarzsand in großen Mengen enthalten (Quarz = Siliziumoxid). Es gehört zu den Halbleitern, also zu den Stoffen, die den elektrischen Strom weder gut leiten wie Metalle noch gut isolieren wie Glas oder Gummi.
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7 Eine Alarmanlage Für diese kleine Alarmanlage braucht man ein zweites Kabel. Es bildet eine Verbindung zwischen der Basis, die den Kollektorstrom abschaltet, und dem Emitter des Transistors. Wenn man aber das Kabel herauszieht, wird der Alarm ausgelöst. Dann geht die rote LED an. Eine Alarmanlage könnte mit einem dünnen Draht gebaut werden, der zerreißt, wenn jemand ein Fenster oder eine Tür öffnet. Der Draht könnte in Form einer Alarmschleife gleich mehrere Fenster und Türen sichern.
Achtung, die Sicherung und der Schalter sind im Schaltbild nicht mehr eingezeichnet, gehören aber immer dazu. 8 Aus bei Knopfdruck Hier wird anstelle der Alarmschleife des letzten Versuchs ein Tastschalter eingebaut. Im Normalzustand ist der Schalter ge- 17 15020 E-Labor_NEU.indd 17 20.06.
öffnet. Nur wenn man auf den Knopf drückt, schließt sich der Kontakt. Damit schaltet man nun die rote LED aus. Die NICHT-Schaltung Eigentlich seltsam, man schließt einen Kontakt und schaltet einen Strom ein, aber dadurch wird ein anderer Strom abgeschaltet. Ein Einschalten bewirkt ein Ausschalten, also das genaue Gegenteil. Auch dies gehört zu den wichtigen Grundschaltungen der Computertechnik und wird als NICHTSchaltung bezeichnet. Ein anderer Ausdruck dafür ist „Inverter“ („Umkehrer“).
9 Ein langes Nachleuchten Der Kondensator in diesem Lernpaket ist so etwas wie ein kleiner Energiespeicher. Es handelt sich um einen Elektrolytkondensator (kurz Elko), und die Besonderheit des Elkos ist, dass man wie bei einer LED die Polung beachten muss. Der Minuspol ist mit einem dicken weißen Strich gekennzeichnet und muss mit Minus verbunden werden. Achtung! Ein Elektrolytkondensator darf nicht falsch herum eingebaut werden.
tet noch ein bis zwei Minuten nach und wird dann langsam immer schwächer. Das ist eine ideale Nachtlampe, denn man kann sich allmählich an die Dunkelheit gewöhnen. Kondensator Ein Kondensator besteht aus zwei Metallplatten oder Metallfolien, die sich nicht berühren, sondern voneinander isoliert sind. Wenn man sie mit einer Batterie verbindet, werden sie elektrisch aufgeladen und speichern nun elektrische Energie.
10 Rot und Grün im gleichen Takt Die rote Blink-LED enthält neben dem LED-Kristall eine Schaltung, die den LED-Strom immer wieder ein- und ausschaltet. Wenn man sie wie im Aufbauplan einbaut, wird auch die 21 15020 E-Labor_NEU.indd 21 20.06.
grüne LED mit ein- und ausgeschaltet. Das Ergebnis ist ein rot-grünes Blinklicht, das man mit dem Tastschalter startet und das dann langsam immer schwächer wird. Sollten die LEDs nicht blinken, wurde vermutlich die normale rote LED eingebaut, die man an ihrem etwas matt gefärbten Gehäuse erkennen kann. Die Blink-LED Die Blink-LED enthält einen elektronischen Schalter, der aus einem Transistor besteht.
11 Ausschaltverzögerung für drei LEDs Nun wird noch eine dritte LED zusammen mit einem weiteren Widerstand von 4,7 kΩ (Gelb, Violett, Rot) eingebaut. Die zweite rote LED blinkt nicht, weil sie nicht in Reihe zur Blink- 23 15020 E-Labor_NEU.indd 23 20.06.
LED liegt. Aber sie geht wie die anderen LEDs langsam aus. Ganz am Ende leuchtet nur noch die rote LED. Die grüne LED und die Blink-LED sind dann schon ganz aus, weil sie zusammen mehr Spannung benötigen. 24 15020 E-Labor_NEU.indd 24 20.06.
12 Dreier-Blinklicht im gleichen Takt Die Schaltung wird nun so verändert, dass alle drei LEDs in den Blinkpausen vollständig ausgehen. Dabei kommt ein Widerstand mit 1 kΩ (Braun, Schwarz, Rot) zum Einsatz. Die rote Blink-LED steuert den Transistor an, der dadurch die rote und die grüne LED ein- und ausschaltet. Das Ergebnis ist ein Blinken aller drei LEDs. Nimmt man zum Test den 1-kΩ-Widerstand aus der Schaltung, blinkt nur noch die Blink-LED, die anderen beiden LEDs bleiben immer an.
13 Berührungsschalter Ein weiterer Transistor soll nun zusammen mit dem ersten für noch mehr Verstärkung sorgen. Beide Kollektoranschlüsse sind direkt verbunden, und der Emitter des ersten Transistors führt zur Basis des zweiten. Diese Schaltung nennt man Darlington-Schaltung. Damit wird ein Berührungsschalter gebaut.
Die Darlington-Schaltung Die Verbindung von zwei Transistoren wie im Schaltbild nennt man Darlington-Schaltung. Zwei Transistoren verstärken mehr als einer. Das gilt besonders für diese Schaltung, bei der der schon verstärkte Strom von einem zweiten Transistor noch einmal verstärkt wird. Der Name stammt von ihrem Erfinder Sidney Darlington, der schon 1952 auf diese Idee kam. Beide Kollektoren sind verbunden, und der Emitter des ersten Transistors fließt zur Basis des zweiten.
14 LED-Lichtsensor In diesem Versuch wird eine gelbe LED als Lichtsensor verwendet. Sie wird andersherum eingebaut als sonst und leitet deshalb eigentlich keinen Strom. Wenn aber Licht auf die LED fällt, bewirkt dies wie bei einer Fotodiode einen kleinen Strom. Er wird dann von zwei Transistoren verstärkt und lässt die anderen beiden LEDs leuchten. Zum Testen eignet sich eine Taschenlampe. Je stärker man die gelbe LED beleuchtet, desto heller leuchten die beiden anderen LEDs.
Außer Leuchtdioden gibt es Gleichrichterdioden und Fotodioden aus Silizium, also dem gleichen Material, aus dem auch Transistoren gebaut sind. Bei einer Fotodiode verwendet man eine besonders große Fläche, sodass viel Licht von außen in die Sperrschicht eindringen kann. Dort sorgt das Licht dafür, dass die isolierende Wirkung der Sperrschicht teilweise aufgehoben wird, es fließt Strom. Eine LED ist ähnlich aufgebaut, hat aber nur eine sehr kleine Fläche.
15 Mit Zusatzschalter auch bei Dunkelheit Hier wird der Lichtsensor um einen zusätzlichen Schalter erweitert. Mit dem zweiten Schalter lassen sich die LEDs auch in der Nacht einschalten. Er liegt parallel zum Lichtsensor und kann deshalb auch bei Dunkelheit für genügend Basisstrom sorgen. Anstatt den Schalter könnte man auch zwei Kontakte für einen Berührungssensor einbauen oder einfach die Drähte der Sensor-LED berühren. 30 15020 E-Labor_NEU.indd 30 20.06.
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Die PTC-Sicherung Bei allen Versuchen wird eine Sicherung verwendet, die helfen soll, wenn ein Fehler passiert. Sollte einmal ein Kurzschluss auftreten, könnte ein Kabel glühend heiß werden. Oder die Batterie könnte heiß werden, sich schnell entladen oder im schlimmsten Fall sogar explodieren. Aber die Sicherung würde das Schlimmste verhindern. Viele Sicherungen brennen einfach durch, wenn man einen Kurzschluss verursacht.
grüne LED an. Aber die jeweils andere LED leuchtet noch ganz schwach, weil der kleine Basisstrom des anderen Transistors durch sie hindurchfließt. Man kann nicht vorhersagen, welche LED nach dem Einschalten leuchten wird. Man kann aber den Zustand umschalten, indem man einen der Basisanschlüsse mit einem Draht berührt und damit aufgrund zufällig vorhandener Ladungen einen kurzen elektrischen Impuls erzeugt. Das funktioniert meist nicht beim ersten Mal.
17 Reaktionsspiel Zwei Taster kann man verwenden, um das Flipflop des letzten Versuchs ganz gezielt in einen gewünschten Zustand zu bringen. Man könnte den Versuch als Lichtsignal verwenden. Rot heißt: 34 15020 E-Labor_NEU.indd 34 20.06.
Bitte nicht stören! Und Grün bedeutet: Ansprechen erlaubt. Aber der Versuch ist zugleich ein kleines elektronisches Spiel. Jeder Schalter kann den Basisstrom seines Transistors abschalten, womit auch die angeschlossene LED ausgeht. Normalerweise drückt man die Taster nur einzeln und abwechselnd. Aber wenn man beide gleichzeitig drückt, gehen beide LEDs aus. Beim Loslassen der Taster wird dagegen nur eine LED angehen, und niemand kann vorhersagen, welche.
18 Vierfarbenumschalter Hier wird zum ersten Mal die pink leuchtende LED verwendet. Das Gehäuse ist weißlich, aber tatsächlich leuchtet diese LED in der Farbe Pink. Das RS-Flipflop vom letzten Versuch soll nun für vier LEDs erweitert werden. An jedem Transistor liegt wie bisher eine LED in der Kollektorleitung, aber die andere LED wird in die Emitterleitung eingesetzt. So leuchten immer Rot und Gelb zusammen oder auf der anderen Seite Pink und Grün.
nung nahe beieinander. Zum Test sollten man einmal reihum alle LEDs vertauschen und untersuchen, wie sich die Schaltung dann verhält. Aufbau der pinkfarbenen LED Der eigentliche LED-Kristall der pinkfarbenen LED strahlt blaues Licht ab. Er ist aber mit einem Leuchtstoff überzogen, der einen Teil des blauen Lichts einfängt und als rotes Licht wieder abstrahlt. So kommt es, dass die pinkfarbene LED eigentlich zwei Farben abstrahlt: Rot und Blau. Auf diese Weise entsteht die Mischfarbe Pink.
19 Einfaches RS-Flipflip Ein vereinfachtes Flipflop lässt sich mit nur einer LED und mit nur drei Widerständen bauen. Mit den beiden Tastern kann man die LED ein- und ausschalten. Eine solche Schaltung nennt man auch RS-Flipflop. Die Abkürzung steht für Reset (Zurücksetzen = Ausschalten) und Set (Setzen = Einschalten). Das RS-Flipflop ist ein wichtiges Grundelement der digitalen Elektronik und Computertechnik.
schaltet man zugleich den Basisstrom für den linken Transistor ab, genau so, als wollte man die LED einschalten. Interessant ist auch ein Test mit der Blink-LED. Wird das Blinken einen Einfluss auf den Zustand des RS-Flipflops haben? 20 Temperatursensor Die letzte Schaltung wird nur wenig geändert, verhält sich aber völlig anders und reagiert auf unterschiedliche Temperaturen. Ein Widerstand mit 1 kΩ (Braun, Schwarz, Rot) versorgt den linken Transistor mit Basisstrom.
raturunterschieden ab. Man kann aber deutliche Ergebnisse sehen, wenn man im Abstand von einer halben Minute abwechselnd den linken und den rechten Transistor berührt. Für größere Temperaturunterschiede legt man ein Stück Eis auf einen Löffel und hält einen anderen Löffel an die Heizung, um dann mit beiden die Transistoren zu berühren. 40 15020 E-Labor_NEU.indd 40 20.06.
21 Langsamer Blinkgeber Im Gegensatz zur roten Blink-LED mit ihrem eingebauten Blinkgeber soll nun ein eigener Blinker gebaut werden. Die Schaltung erinnert ein wenig an die Flipflops der vorausgegangenen Versuche. Der wichtigste Unterschied ist, dass diesmal ein Kondensator mit eingebaut wird. Der Basisstrom durch den Kondensator fließt nur jeweils so lange, bis der Kondensator aufgeladen oder entladen ist. Danach wechselt das Flipflop selbstständig den Zustand.
22 Dreifarben-Transistorblinker In die Blinkschaltung des letzten Versuchs wird ein zusätzlicher Widerstand mit 10 kΩ (Braun, Schwarz, Orange) in Reihe zum Kondensator eingebaut. Damit wird das das An-Aus-Verhältnis ausgeglichener. Eine weitere Änderung betrifft die LEDs. Der rechte Transistor kann viel mehr als nur eine LED schalten. Hier sind es gleich drei, die gemeinsam blinken. Der Oszillator Eine Schaltung, die selbstständig Schwingungen erzeugt, nennt man Oszillator.
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23 Unterbrochenes Blinken Der Blinker bekommt nun eine vierte LED. Diesmal ist auch die Blink-LED mit dabei. Und die wird parallel zur grünen LED eingebaut. Das Ergebnis ist, dass die rote Blink-LED und die grüne LED immer abwechselnd blinken. Dieses Blinken ist schneller als das der selbst gebauten Blinkschaltung. Man sieht Serien von Blinkimpulsen, wobei die Blink-LED zusammen mit der grünen LED immer etwa sechs Mal blinkt und dann unterbrochen wird. Die anderen LEDs blinken im langsamen Takt.
24 Flackerndes Feuer Das Ziel dieses Versuchs ist ein sanftes Flackern wie bei einem simulierten Lagerfeuer. Die Schaltung soll dazu eine dritte Helligkeitsstufe zwischen An und Aus bekommen. Diesmal wird die pinkfarbene LED parallel zur Blink-LED eingesetzt und leuchtet immer dann, wenn die Blink-LED gerade aus ist. So entsteht ein kompliziertes Blinkmuster, das an das Flackern eines Feuers erinnert. 45 15020 E-Labor_NEU.indd 45 20.06.
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25 Die besondere LED-Leuchte Eine Farbe fehlte bisher noch, und deshalb wird nun auch die blaue LED eingebaut. Das unterbrochene rot-blaue Wechselblinken sieht besonders schön aus und zieht alle Blicke auf sich. Aber es sind noch viele Erweiterungen mit ganz unterschiedlichen Farben denkbar. Gelb, Rot, Grün, Blau? Mit oder ohne Blinken? Alles ist machbar! 47 15020 E-Labor_NEU.indd 47 20.06.
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Impressum Liebe Kunden! Dieses Produkt wurde in Übereinstimmung mit den geltenden europäischen Richtlinien hergestellt und trägt daher das CE-Zeichen. Der bestimmungsgemäße Gebrauch ist in der beiliegenden Anleitung beschrieben. Bei jeder anderen Nutzung oder Veränderung des Produktes sind allein Sie für die Einhaltung der geltenden Regeln verantwortlich. Bauen Sie die Schaltungen deshalb genau so auf, wie es in der Anleitung beschrieben wird.
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