Projekt: Sirenenklänge - dEIn Labor
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Projekt: Sirenenklänge Eine Schaltung zum Heulen das Elektrotechnik- und Informatik-Labor der Fakultät IV http://www.dein-labor.tu-berlin.de Projekt: Sirenenklänge Handout zum Projekt: Sirenenklänge Eine Schaltung zum Heulen Inhaltsverzeichnis 1 2 Elektrotechnik: Grundlagen 1.1 Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Spannung . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Widerstand . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Potentiometer (regelbarer Widerstand) 1.5 Kondensator . . . . . . . . . . . . . . 1.6 Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7 Integrierte Schaltung (IC) LM324N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sirenenschaltung 2.1 Dreieckgeneratorschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Invertierender Schmitt-Trigger (Schwellwert-Schalter) 2.1.2 Integrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Aufbau und Funktionsweise des Dreieckgenerators . . 2.1.4 Vom Dreieck zum Sägezahn . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5 NE555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Aufbau und Funktionsweise des Oszillators . . . . . . . . . . 2.2.1 Steuerung des Oszillators . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Spannungsversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 2 3 5 5 6 7 . . . . . . . . . 7 8 9 10 10 11 11 12 13 14 3 Schaltplan 14 4 Bestückungsplan und Bauteilliste 15 1 Elektrotechnik: Grundlagen Die Elektrotechnik findet man an jeder Straßenecke. Überall blinkt es, große Leuchttafeln erzählen uns, was wir als nächstes kaufen sollen, und zu Hause flimmern im Fernseher die neuesten Nachrichten vor sich hin. Aber auch in der Natur finden wir die Elektrotechnik: wenn die grauen, dunklen Wolken am Himmel ihre Blitze zucken lassen. Richtig, ein Blitz ist reine Elektrizität. Die Elektrotechnik hat sich zur Aufgabe gemacht, die Elektrizität näher zu erforschen und dessen Auswirkungen zum Wohle der Menschheit einzusetzen. Wir lassen damit Lampen leuchten, Motoren drehen oder Musik erklingen. 1 Fakultät IV, Technische Universität Berlin Projekt: Sirenenklänge W ICHTIG Die Elektrotechnik beschäftigt sich mit der Änderung von Strom und Spannung. Aber was ist Strom und was ist Spannung? 1.1 Strom Wenn man von einer „Strömung im Fluss” spricht, weiß jeder, was damit gemeint ist. Wenn ein Fluss schnell fließt, dann hat er eine hohe Strömung. Das gleiche gibt es in der Elektrotechnik. Statt Wasser haben wir ganz kleine Teilchen, die sich in einem Draht bewegen. Wir nennen diese Teilchen Ladungsträger. W ICHTIG Wenn sich in der Elektrotechnik Ladungsträger bewegen, spricht man von einem Strom. Formelzeichen: I für die Stromstärke Einheit: A zum Andenken an den Physiker André Marie Ampère, gesprochen „Amper” 1.2 Spannung Wie fließt ein Fluss? Natürlich nur bergab, denn an dem Wasser zieht eine Kraft. Die Kraft ist die Anziehungskraft der Erde. Alles will nach unten, ein Apfel, den ich fallen lasse oder das Wasser, welches bergab fließt. In der Elektrotechnik gibt es ebenfalls so eine Kraft, diese nennen wir Spannung. Und wenn wir eine Spannung anlegen, dann bewegen sich Ladungsträger, also fließt ein Strom. W ICHTIG Eine Spannung ist eine Kraft, die Ladungsträger in Bewegung setzt. Formelzeichen: U Einheit: V zum Andenken an den Physiker Alessandro Volta, gesprochen „Volt”. In der Elektrotechnik gibt es Schaltungssymbole, damit jeder elektrotechnisch Begeisterte auf der Welt weiß, was man in einer Schaltung meint. Hier das Symbol für eine Spannungsquelle: Fakultät IV, Technische Universität Berlin 2 Projekt: Sirenenklänge Uq Abbildung 1.1 Schaltungssymbol für Spannungsquelle Wir haben Spannung und Strom kennengelernt. Jetzt brauchen wir noch die Werkzeuge, die es uns ermöglichen Strom und Spannung zu ändern. 1.3 Widerstand Widerstand ist, wenn man sich gegen etwas wehrt! Das Bauelement Widerstand macht dies auch, es "wehrt sich"gegen den Stromfluss. Um es sich bildlich vorzustellen, nehmen wir einen Wasserschlauch. Das Wasser ist wieder unsere Wolke aus Ladungsträgern, und die Pumpe erzeugt eine Kraft, wie die Anziehungskraft, welche an dem Fluss zieht, also eine Spannung. Das Wasser sprudelt ungehindert aus dem Schlauch. Jetzt stellen wir uns vor, wir stellen uns auf den Schlauch! Das Wasser hört sofort auf zu fließen. Nehmen wir den Fuß langsam runter, läuft das Wasser erst langsam und dann immer schneller! Der Fuß stellt ein Widerstand für das Wasser dar. W ICHTIG Je höher der Widerstand ist, desto mehr Spannung brauchen wir, um einen bestimmten Strom hindurch fließen zu lassen. Formelzeichen: R Einheit: Ω, gesprochen „Ohm"(zum Andenken an den Physiker Georg Simon Ohm) Zwischen Strom, Spannung und Widerstand gibt es einen Zusammenhang: das Ohm’sche Gesetz, das besagt, dass sich Strom und Spannung immer in einem Verhältnis ändern. Dieses Verhältnis ist der Widerstand R. R = UI R1 100Ω Abbildung 2: Widerstand: Bauelement (links) und Schaltungssymbol (rechts) Nun können wir mehr oder weniger Ladungsträger durch einen Widerstand fließen lassen, also mehr oder weniger Strom. Schauen wir uns dazu das folgende Beispiel an: 3 Fakultät IV, Technische Universität Berlin Projekt: Sirenenklänge 9Ω Uq 9V R1 Iq UR1 Abbildung 1.3 Strom durch R1 Wir suchen den Strom Iq in unserer Schaltung. Dazu brauchen wir die Spannung an dem Widerstand R1! Dazu muss man wissen, dass alle Spannungen in einer Schaltung zusammengerechnet Null ergeben müssen. Mit dieser Bedingung kommen wir auf die Spannung UR1 . Wir rechnen 0 = Uq −UR1 . Warum −UR1 ? Wir starten in Richtung des Pfeiles Uq . Alle Pfeile, die in die gleiche Richtung laufen, werden addiert, und alle, die entgegen laufen, werden subtrahiert. UR1 läuft entgegen und wird daher subtrahiert. Stellen wir die Gleichung um, so werden wir sehen, dass UR1 = Uq ist. Unter Uq steht 9V , und da die Spannung über R1 die gleiche ist, liegt an dem Widerstand die Spannung von 9V an. Jetzt können wir die Stromstärke ausrechnen: Iq = Uq 9V = = 1A R1 9Ω Um den Wert eines Widerstands abzulesen, muss man die Farben der aufgedruckten Ringe (siehe Abbildung 4) interpretieren. Es gibt meistens vier oder fünf Ringe. Bei vier Ringen entsprechen die ersten beiden Ziffern dem Zahlenwert, der dritte steht für einen Multiplikator, mit dem der Zahlenwert multipliziert wird. Bei 5 Ringen ist es ähnlich, nur stehen hier die ersten drei Ziffern für den Zahlenwert, und der vierte Ring steht für den Multiplikator. Der in Abbildung 2 gezeigte Widerstand hat vier Ringe mit den Farben Braun-Schwarz-Rot-Gold. Weil Gold und Silber nicht an erster Stelle stehen dürfen, wissen wir, dass Braun der erste, und Schwarz der zweite Ring ist. Der Tabelle können wir nun entnehmen, dass sie den Zahlenwert 10 darstellen, der Multiplikator (Rot) ist 100Ω. Der Widerstandswert ist also: 10 ∗ 100Ω = 1000Ω = 1kΩ. Der letzte Ring (Gold) sagt etwas darüber aus, wie zuverlässig diese Angabe ist, denn bei der Produktion gibt es immer gewisse Abweichungen vom Sollwert. In diesem Fall ist es Gold, somit ist die Abweichung garantiert kleiner als 5% des Widerstandswertes, also +/ − 50Ω. Extrem wichtig !!! Elektroniker sind faul. Sie haben sich angewöhnt, bei sehr großen Zahlen nicht immer alle Stellen auszuschreiben, sondern sie mit Buchstaben abzukürzen. Dabei gibt es für jeweils einen Faktor von tausend einen anderen Buchstaben. Statt 120000Ω würde man einfach 120kΩ schreiben. Es ist in einer Schaltung natürlich nicht egal, ob der Widerstand (oder ein beliebiges anderes Bauelement) plötzlich um den Faktor 1000 größer oder kleiner ist! Ein vergessenes oder überlesenes k oder M ist häufig der Grund dafür, warum die aufgebaute Schaltung nicht das tut, was sie tun soll. Fakultät IV, Technische Universität Berlin 4 Projekt: Sirenenklänge Abbildung 4: Farbcode von Widerständen 1.4 Potentiometer (regelbarer Widerstand) Ein Potentiometer, auch kurz als Poti bezeichnet, ist ein stetig regelbarer Spannungsteiler. Es besteht aus einem Träger, auf dem ein Widerstandsmaterial aufgebracht ist und einem beweglichen Schleifkontakt, der den Gesamtwiderstand elektrisch in zwei Teilwiderstände teilt. Ein Spannungsteiler teilt, wie der Name schon sagt, die Spannung auf. Man kann ganz unterschiedliche Spannungsteiler benutzen, aber der Standardaufbau besteht aus zwei hintereinander geschalteten Widerständen R1 und R2 . Die Eingangsspannung Ue wird an die Gesamtschaltung angelegt, die Ausgangsspannung Ua nur an einem der Widerstände, im Bild R2 , abgegriffen. Dann gilt für diesen speziellen Spannungsteiler die Spannungsteilerformel: Ua = Ue ∗ R2 R1 + R2 Etwas allgemeiner gefasst besagt die Spannungsteilerregel folgendes: In einer Reihenschaltung sind die Spannungsabfälle proportional zu den Widerständen, an denen sie abfallen. Bei einem einstellbaren Widerstand (Potentiometer) kann der Abgriff für Ua auf einem durchgehenden Widerstandskörper verschoben werden, d. h. das Teilungsverhältnis ist dann variabel. 1.5 Kondensator Der Kondensator gehört zu den passiven Bauelementen. Er ist ein elektrisches Bauelement zur Speicherung elektrischer Ladung. Ein Kondensator besteht aus zwei leitenden, voneinander isolierten Flächen, beispielsweise Metallplatten oder -folien. Die Kapazität eines Kondensators ist ein Maß für die Ladung, die er bei einer bestimmten angelegten Spannung speichern kann. 5 Fakultät IV, Technische Universität Berlin Projekt: Sirenenklänge Vorstellen kann man sich die Kondensatoren als großes Wasserbecken. Auf der einen Seite fließt Wasser hinein und auf der anderen Seite fließt das Wasser heraus, beispielsweise in das städtische Wassernetz. Wenn jetzt das Wassernetz mehr Wasser benötigt als die Wasserwerke liefern können, gibt das Wasserbecken für kurze Zeit das restliche Wasser dazu. Das gleiche ist in unserer Schaltung der Fall. Wenn die Batterien nicht genügend Ladungsträger liefern können, geben die Kondensatoren ihre gespeicherte Ladung ab. W ICHTIG Ein Kondensator speichert Ladungsträger. Formelzeichen: C Einheit: F zum Andenken an den Physiker Michael Faraday, gesprochen „Farad" Abbildung 5: Kondensator: Bauelemente (links) und Schaltungssymbol (rechts) 1.6 Diode Dioden sind vergleichbar mit einem Ventil. Sie lassen den Strom nur in eine bestimmte Richtung durch (genannt Durchlassrichtung), in die andere Richtung sperren sie. Es verschiedene Typen von Dioden. Eine spezielle Diode ist die Leuchtdiode (Kurzform LED für Licht emittierende Diode). Wird durch eine Leuchtdiode ein Strom geschickt, strahlt diese Licht ab. Bei allen Dioden wird auch in Durchlassrichtung Strom erst dann fließen, wenn mindestens eine bestimmte Spannung anliegt. Bei den meisten (nicht leuchtenden) Dioden sind das ungefähr 0,7 Volt. Es gibt noch etwas, auf das man achten muss: Weil Dioden von sich aus den Strom nicht begrenzen, darf man sie niemals ohne Widerstand (genannt Vorwiderstand) an eine Spannungsquelle anschließen, damit der Durchlassstrom, der ungefähr 20mA beträgt, nicht überschritten wird. Sonst fließt ein nahezu unbegrenzt hoher Strom, der sehr schnell zum Tod des Bauelementes führen wird. Der Vorwiderstand berechnet sich nach der Formel: Fakultät IV, Technische Universität Berlin 6 Projekt: Sirenenklänge RVor = UB −UD ID RVor : gesuchter Vorwiderstand, UB : vorhandene Betriebsspannung, UD : Durchlassspannung der Diode (aus Datenblatt), ID : Durchlassstrom der Diode (aus Datenblatt) Zusätzlich muss auf die Polarität der Dioden geachtet werden. Die Anschlussdrähte sind bei LEDs unterschiedlich lang. Der kurze Anschlussdraht kennzeichnet die Kathode (Kathode = Kurz). Die Kathode ist der negative Anschluss der Diode. Der andere Anschluss heißt Anode. 1.7 Integrierte Schaltung (IC) LM324N Der LM 324 ist ein Integrierter Schaltkreis. In ihm enthalten sind vier sogenannte Operationsverstärker oder OPV. OPV-Bausteine sind sehr verbreitet, denn mit ihnen kann man viele mathematische Operationen nachbilden. Zum Beispiel die Addition oder Subtraktion, Vergleiche, Integration, und vieles mehr. Wir werden uns später eine Schaltung daraus bauen, die uns ein dreiecksförmiges Spannungssignal erzeugt. Die Abbildung links zeigt, wie die 14 Kontakte des Plastikgehäuses mit den einzelnen OPV-Bausteinen verbunden sind. Die kleine Einkerbung an der Seite dient dazu, einen Startpunkt für die Nummerierung der Kontakte zu erhalten. Diese ist immer die gleiche, man fängt von der Markierung an und zählt gegen den Uhrzeigersinn ab. Die Abbildung rechts zeigt einen OPV im Detail: In dem kleinen Dreieck sind die Eingänge mit + (nichtinvertierender Eingang) und – (invertierender Eingang) markiert. Der Ausgang kommt aus der Spitze heraus. Sie machen nichts weiter, als die zwischen den Eingängen + und - anliegende Spannung UDi f f um einen bestimmten Faktor x zu verstärken, und das Resultat am Ausgang auszugeben. UA = x ∗UDi f f = x ∗ (U+ −U− ) Vertauscht man die Eingänge + und –, dann ändert die Ausgangsspannung ihr Vorzeichen. Denkt man sich einen ganzen Spannungsverlauf (z.B. Sinuskurve), so würde das durch die Verstärkung gestreckte Abbild am Ausgang zusätzlich noch auf dem Kopf stehen. 2 Sirenenschaltung Vor allem, wenn es um kompliziertere oder einfach umfangreiche Schaltungen geht, dann ist es sinnvoll, nicht gleich alle Details der Schaltung zu präsentieren. Um den Aufbau so einfach und übersichtlich wie möglich zu halten, wird die Schaltung zuerst einmal wie in Abbildung 6 gezeigt Funktionsblöcke unterteilt.Diese Darstellung einer Schaltung nennt man Blockschaltbild. 7 Fakultät IV, Technische Universität Berlin Projekt: Sirenenklänge Wie genau die einzelnen Blöcke funktionieren, ist hierbei unwichtig. Wichtig ist nur, was sie machen. Im Falle der Sirenenschaltung sind es zwei solcher Blöcke: ein Dreieckgenerator und ein Oszillator. Der Dreieckgenerator erzeugt eine sogenannte Dreieckspannung, die im linken Diagramm gezeigt wird. (Obwohl so dies für ein Blockschaltbild eher untypisch ist.) Diese wird dazu genutzt, die Frequenz des Oszillators zu steuern, was dann in dem charakteristischen „auf und ab“ einer Sirene zu hören ist. Abbildung 6: Blockschaltbild des Sirenengenerators Um die entworfenen Schaltungen dann auf Papier darzustellen, benutzt man einen Schaltplan. Ein Schaltplan beschreibt die elektrischen Verbindungen zwischen den Bauelementen, also wie man die Schaltung auf einer Platine (oder sonst wie) aufbauen muss. Jedes Bauelement wird durch ein Symbol mit all seinen Kontakten dargestellt. Was im Schaltplan als Linie dazwischen gezeichnet ist, sind in aufgebauten Schaltungen Leiterbahnen oder Kabel. Nur wenn ein Punkt dies markiert, sind zwei sich schneidende Linien/Leiterbahnen miteinander verbunden. Falls es euch jetzt schon interessiert, man kann den Schaltplan der Sirenenschaltung in Abbildung 11 finden. 2.1 Dreieckgeneratorschaltung Der Dreieckgenerator arbeitet mit zwei Operationsverstärkern (OPV), wie du sie schon im IC LM324 kennen gelernt hast. In diesem Abschnitt werden zuerst die beiden verwendeten OPVSchaltungen erklärt und dann wird gezeigt, wie beide zusammen ein dreieckförmiges Spannungssignal erzeugen können. Fakultät IV, Technische Universität Berlin 8 Projekt: Sirenenklänge 2.1.1 Invertierender Schmitt-Trigger (Schwellwert-Schalter) Der Schmitt-Trigger (siehe Abbildung links) ist im Prinzip nur ein Schalter. Durch die Rückkopplung der Ausgangsspannung UA bekommt die Schaltung allerdings eine Art Erinnerungsvermögen. Angenommen, am Ausgang liegt im Moment die positive Versorgungsspannung von 9V. Über den Widerstand R2 kann ein Teil davon auf den positiven Eingang zurückwirken. Das funktioniert im Prinzip wie eine Addition. Man sieht das sehr gut in Abbildung 7. Dort ist simuliert, wie sich die die der Schmitt-Trigger mit einer Dreieckförmigen Eingangsspannung UE verhält. Nach ungefähr 0,8 Millisekunden (genauer: Bei einer Eingangsspannung von 7,5V) kippt der Schalter das erste Mal (unteres Bild, UA). Im oberen Bild ist zu sehen, wie U+ (die Spannung am Knotenpunkt zwischen R1, R2 und dem Eingang +) gleichzeitig mit dem Umkippen einen Hub erfährt. Diese Rückwirkung erhöht also die „effektive“ Eingangsspannung. Um den Ausgang dann erneut zum Umkippen zu bringen, muss UE so weit absinken, dass die Spannungsrückwirkung kompensiert wird. Das passiert in der Simulation nach ungefähr 1,8 ms beziehungsweise bei einer Spannung von 2,5 Volt. Es gibt also zwei Schwellen, die ein Umkippen des Ausgangs zur jeweils anderen Spannung bewirken. Man kann den Abstand der Umschaltpunkte einstellen über die beiden Widerstände R1 und R2, und natürlich auch die Referenzspannung URef, die den Mittelpunkt zwischen den Schwellen festlegt. Abbildung 7: Unten: Ein- und Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers. Oben: die beiden Eingangsspannungen des Operationsverstärkers 9 Fakultät IV, Technische Universität Berlin Projekt: Sirenenklänge 2.1.2 Integrator Beim Integrator (siehe Abbildung links) wird mit einem Kondensator zurückgekoppelt. Bei einer konstanten Spannungsdifferenz zwischen seinen Eingängen wird er eine steigende oder fallende Spannung an seinem Ausgang erzeugen. Je nachdem, wie groß die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen des OPV ist, ist die Geschwindigkeit des Anstiegs der Ausgangsspannung groß oder klein. Ist die Differenz der Eingänge positiv, dann steigt die Ausgangsspannung, bei einer negativen Differenz sinkt sie. Die Anstiegs- beziehungsweise Abfallgeschwindigkeit kann über den Widerstand R1 geändert werden. Je größer dieser ist, desto mehr Spannung fällt an ihm ab, und desto weniger stark wird der Anstieg der Ausgangsspannung sein. 2.1.3 Aufbau und Funktionsweise des Dreieckgenerators Um ein Dreiecksignal zu erzeugen, benötigt man einen Integrator und einen Schmitt-Trigger. Man verbindet den Ausgang des Integrators mit dem Eingang des Schmitt-Triggers und dessen Ausgang wieder mit dem Eingang des Integrators. Die Referenzspannung beider Schaltungen legt man genau in die Mitte der Betriebsspannung. Das geschieht über einen Spannungsteiler, der aus den Widerständen R4 und R5 besteht. Dies ist nötig, damit die Dreiecksspannung niemals die 0V unterschreitet. Denn das wäre den OPVs nicht möglich. Ihre Ausgänge können nur Spannungen erzeugen, die zwischen den beiden Betriebsspannungen liegen: Hier sind es bedingt durch den Batteriebetrieb maximal 9V, minimal 0V. Der Integrator in der Schaltung wird dazu benutzt, um aus der rechteckigen Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers ein Dreiecksignal zu erzeugen. Während des hohen Spannungsniveaus am Ausgang des Schmitt-Triggers zu beginn unserer Zeitrechnung, lädt sich der Kondensator über den Widerstand R9 auf, die Ausgangsspannung des Integrators steigt in dieser Zeit an. Kippt der Schmitt-Trigger auf die niedrige Spannung, weil seine Ausschaltschwelle erreicht wird, dann entlädt sich der Kondensator wieder und die Ausgangsspannung fällt dadurch ab. Wir sehen in Abbildung 8, dass die Dreieckspannung also ständig zwischen den beiden Schaltschwellen des Schmitt-Triggers schwankt. Sobald die Schwellen jedoch überschritten werden, ändert der Ausgang des Schmitt-Triggers die Spannung, und steuert so entgegen. Die Lage der Schaltschwellen kann man verändern, indem andere Widerstände für R2 und R3 verwendet werden. Die Anstiegsgeschwindigkeit kann man ebenfalls verändern, sie wird bestimmt durch den Widerstand R9 und den Kondensator C1. Fakultät IV, Technische Universität Berlin 10 Projekt: Sirenenklänge Abbildung 8: Simulation des Dreieckgenerators 2.1.4 Vom Dreieck zum Sägezahn Jetzt wird noch der Widerstand R9 um Dioden und Potenziometer erweitert, genau so, wie es in Abbildung 9 getan ist. Dadurch, dass beide Dioden entgegengesetzt eingebaut werden, fließt der Strom beim Laden des Kondensators durch R10 und beim Entladen durch R11. Jetzt kannst du an den Potenziometern einstellen, wie schnell die Spannung steigt und fällt. Das kann man für die Hin- und Rückrichtung einzeln tun. So lassen sich mit den Potenziometern verschiedene Sireneneffekte erzeugen. Wenn man die Widerstände verstellt, dann verändert sich auch die Frequenz des erzeugten Signals, denn eine langsam ansteigende Spannung wird einfach länger brauchen, bis sie den Umschaltpegel erreicht. Theoretisch, wenn es keinen Widerstand R9 gibt (oder in anderen Worten: Wenn R9 einen Widerstand von 0Ω besitzt), dann würde die Frequenz unendlich hoch werden. Denn die Spannung würde unendlich schnell ansteigen, und der SchmittTrigger würde sofort wieder umschalten. Das würde dann im Endeffekt darin resultieren, das die Schaltung zwar immer noch funktioniert. Aber für uns wäre die Frequenz dann viel zu hoch, als dass wir davon etwas hören könnten. Das wollen wir natürlich nicht, und deswegen können wir R9 auch nicht einfach weglassen. Er bleibt weiter eingebaut, und zwar in Reihenschaltung zu den Potis und Dioden. So gibt es dann immer einen Widerstand, der die Frequenz des erzeugten Signals einschränkt, auch wenn man die Potenziometer auf einen Widerstand von 0Ω stellt. Was man dann problemlos tun kann. 2.1.5 NE555 Wie beim LM 324 gibt es auch am NE555 Kontakte für die Versorgungsspannungen. Hier sind es GND und V+. Ebenfalls kann das Verhalten dieses Bausteins wieder dadurch verändert werden, dass wir die äußere Beschaltung anpassen. In unserem Klangprojekt wird er als gesteuerter Oszillator verwendet, was eine sehr einfache Anwendung des ICs ist. Ein Lautsprecher am Ausgang wandelt das erzeugte Spannungssignal in hörbare Töne. Der Vorwiderstand R8 begrenzt den Strom, der durch den Lautsprecher fließt, denn sonst würde dieser eventuell bleibende Schäden erleiden. 11 Fakultät IV, Technische Universität Berlin Projekt: Sirenenklänge Abbildung 9: Schaltplan des verbesserten Dreieckgenerators 2.2 Aufbau und Funktionsweise des Oszillators Um mit dem NE 555 einen Oszillator aufzubauen, werden Discharge, Trigger und Threshold wie im Bild rechts mit einem RC-Glied verbunden. Discharge (auf Deutsch: „entladen“) wird vom NE 555 durch einen Schalter mit der Masse GND verbunden, um den Kondensator zu entladen. Dies geschieht über den Widerstand R6. Im Normalfall ist dieser Schalter jedoch offen, sodass sich der Kondensator nach dem Einschalten erst einmal auflädt. Durch die Verbindungen an Trigger und Threshold kann der IC den aktuellen Spannungswert am Kondensator messen. Um zu entscheiden, ob geladen werden soll oder nicht, vergleicht der IC diesen Spannungswert mit zwei Schwellwerten U+ und U-, die er sich intern erzeugt. Auf diese Schwellen werden wir noch einmal zurückkommen, denn man kann sie nämlich auch selbst festlegen, was uns einige sehr interessante Anwendungen ermöglicht. Die Ausgangsspannung – also das, was wir am Lautsprecher ausgeben - ist mit der Schalterstellung verknüpft. Immer wenn zwischen Laden und Entladen umgeschaltet wird, wechselt auch der Ausgang die Spannung. Bei offenem Schalter erzeugt der Ausgang einen Spannungspegel von 0V und bei geschlossenem Schalter wechselt er auf die Betriebsspannung. Eine Skizze des der Ausgangsspannung ist in Abbildung 10 zu sehen. Das Prinzip des Oszillators dürfte leicht verständlich sein, ist es doch nichts anderes, als wir schon im Dreieckgenerator eingesetzt haben. Fakultät IV, Technische Universität Berlin 12 Projekt: Sirenenklänge 2.2.1 Steuerung des Oszillators Die Steuerspannung wird an das Beinchen CV („Control Voltage“, Steuerspannung) des ICs angelegt. Aus ihr erzeugt er sich intern die beiden Referenzspannungen U+ und U-, mit denen er vergleicht. Das passiert ganz einfach durch eine Reihenschaltung von drei gleich großen Widerständen wie im Bild rechts dargestellt. So nimmt er also einmal direkt die Spannung an CV als obere Schaltschwelle (U+), und dann noch einmal die Hälfte davon als untere (U-). Falls wir CV unverbunden lassen, wird stattdessen die Betriebsspannung als Referenz verwendet, und die Schaltschwellen sind ca. 0, 66 ∗UB und 0, 33 ∗UB . Je weiter die Schaltschwellen auseinander liegen, desto länger muss der Kondensator ge- und entladen werden. Das hat natürlich Konsequenzen für das erzeugte Signal: Die Spannungspulse am Ausgang werden länger - und deswegen sinkt die Frequenz, wenn die Steuerspannung größer wird. Was die Schaltung dann macht, ist ein Signal zu erzeugen, das die Stärke der Steuerspannung in einem anderen Attribut (hier: Pulslänge) des Ausgangssignals codiert. Man spricht dabei von einer Modulation. Es gibt sehr viele verschiedene Arten der Modulation, z.B. Frequenzmodulation, Phasenmodulation, Amplitudenmodulation und noch viele andere. Das Prinzip ist aber immer das selbe. Man kann eine Modulation natürlich auch wieder Rückgängig machen, und das ursprüngliche Signal (z.B. Sprache oder ein Fernsehbild) zurückgewinnen, aber das wollen wir hier gar nicht. Uns geht es doch nur darum, das Klangbild einer Sirene zu synthetisieren. Abbildung 10: Ausgangssignal des Oszillators mit konstanter Steuerspannung (oben) und moduliert mit einer dreieckförmigen Steuerspannung (unten) 13 Fakultät IV, Technische Universität Berlin Projekt: Sirenenklänge 2.2.2 Spannungsversorgung Dieser Teil des Schaltbildes zeigt etwas, das wir hier die „Spannungsversorgung“ nennen wollen. Hier wird noch einiges getan, damit die Schaltung auch wirklich so funktioniert, wie wir es gerne hätten. Zuerst einmal gibt es bis jetzt noch keine Möglichkeit, die Schaltung abzustellen – es sei denn, man entfernt die Batterie. Deswegen nehmen wir einen Taster – S1 – und unterbrechen mit ihm die Stromleitung von der Batterie. Jetzt bleibt die Schaltung still, bis der Taster betätigt wird. Die Diode D3 schützt die Schaltung vor dem Benutzer, der die Batterie versehentlich (oder auch nicht) falsch herum anschließen könnte. Das hätte für die ICs fatale Folgen, sie würden sehr wahrscheinlich kaputt gehen. Noch etwas ist zu beachten: Der LM 324 enthielt vier OPV-Bausteine. Doch wenn man einmal durchzählt, dann haben wir ja nur zwei davon gebraucht. Deswegen haben wir noch zwei quasi „überflüssige“, die wir hier sozusagen deaktivieren, indem wir ihre Eingänge mit der Masseleitung verbinden. Außerdem haben wir hier die Versorgungsbeinchen 4 und 11 („IC1 PWR“) des LM 324 angeschlossen. Um die Schaltung noch weiter gegen unerwünschte Einflüsse zu festigen, baut man die beiden Kondensatoren C3 und C4 ein. Sie müssen ganz nah an den Versorgungsbeinchen der ICs eingelötet werden. Dann wirken sie wie ein Sieb, das nur die gewünschte Gleichspannung durchlässt, und alles andere wie z.B. Störsignale, herausfiltert. 3 Schaltplan Abbildung 11: Gesamtschaltbild des Sirenengenerators Fakultät IV, Technische Universität Berlin 14 Projekt: Sirenenklänge 4 Bestückungsplan und Bauteilliste Abbildung 12 zeigt die Platine, wie man sie von oben (oben ist die Seite, auf der sich keine Leiterbahnen befinden) sehen würde. Die hellgrau gezeichneten Leiterbahnen befinden sich auf der abgewandten Seite und sind deshalb spiegelverkehrt. Halte die Platine gegen das Licht, und vergleiche die durchscheinenden Leiterbahnen mit denen auf dem Bild – so, wie man die Leiterbahnen dann sieht, sollten sie mit der Abbildung übereinstimmen. Wichtige Hinweise zum Aufbau Man kann die Bauelemente natürlich in jeder beliebigen Reihenfolge einlöten. Am einfachsten ist es aber, wenn ihr zuerst mit den kleinen Teilen (Dioden (D), Widerstände (R), Kondensatoren (C)) beginnt. Vor allem bei den Widerständen sollte vor dem Einlöten noch einmal geprüft werden, ob es das richtige Bauelement ist. Ein sehr oft begangener Fehler ist, dass die Dioden D1 und D2 falsch herum eingesetzt werden. Achtet unbedingt darauf, wo der Ring auf dem Gehäuse ist. Beim Kondensator C1 darauf achten, das das kürzere Beinchen (oder das Beinchen, bei dem ein Minus (–) auf das Gehäuse gedruckt ist) der Minuspol des Bauelements ist. Auf dem Bestückungsplan ist bei C1 ein kleines Plus eingezeichnet. Das ist der Pluspol des Elements. Es liegt nahe, dass der Minuspol also in das andere Loch kommt. Ebenfalls aufpassen solltet ihr bei den beiden ICs. Diese lötet man nicht direkt ein, sondern steckt sie in einen Sockel (den man dann natürlich vorher schon eingelötet hat). Auch hier darauf achten, dass sie richtig herum eingesetzt werden. Ihr könnt das an der kleinen Einkerbung an einer Seite erkennen, die auch bei den „echten“ Bauelementen vorhanden ist. Abbildung 12: Bestückungsplan des Sirenengenerators 15 Fakultät IV, Technische Universität Berlin Projekt: Sirenenklänge Bauteilliste Abbildung 13: Bauteilliste des Sirenengenerators Fakultät IV, Technische Universität Berlin 16
