Elektronik
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Elektronik 2 Inhalt Spannungsteiler....................................................................................................................................... 3 Die Diode im Gleichstromkreis ................................................................................................................ 4 Die Diode im Wechselstromkreis ............................................................................................................ 5 Auf- und Entladen eines Kondensators................................................................................................... 6 Glätten von pulsierendem Gleichstrom ................................................................................................... 7 Grundversuch zur Schalterwirkung des Transistors ............................................................................... 8 Anwendung des Spannungsteilers auf eine Transistorschaltung ........................................................... 9 Modell der Straßenbeleuchtung ............................................................................................................ 10 Eine „wärmeempfindliche“ Transistorschaltung .................................................................................... 11 Modell eines Verzögerungsschalters .................................................................................................... 12 Das „Ausblaselicht“ ............................................................................................................................... 13 Modell einer Telefonanlage ................................................................................................................... 14 Übertragung von Informationen mit einem Glühlämpchen ................................................................... 15 Informationsübertragung durch ein Lichtwellenleitkabel ....................................................................... 16 Übertragung von Informationen mit einem Laserpointer....................................................................... 18 Modellversuch zum CD-Player.............................................................................................................. 19 Erzeugen gedämpfter elektrischer und ungedämpfter mechanischer Schwingungen ......................... 20 Ein erprobtes Stecksystem für Elektronikversuche in Selbstbauweise ................................................ 22 Ein einfacher Mittelwellensender (Mittelwellenempfänger)................................................................... 26 Ansteuern einer Transistorschaltung durch eine Infrarot-Fernbedienung ............................................ 28 Ansteuern einer Flipflop-Schaltung mit einer Infrarot-Fernbedienung .................................................. 29 Gedämpfte elektrische Schwingungen.................................................................................................. 30 Ungedämpfte elektrische Schwingungen geringer Frequenz ............................................................... 31 Messen der Schallgeschwindigkeit ....................................................................................................... 32 Übertragung mit einer Laserdiode......................................................................................................... 33 3 Spannungsteiler 10 kΩ V1 1 kΩ V2 Material: Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Gleichstromquelle (4,5 V), ein Widerstand 1 kΩ, ein Widerstand 10 kΩ, Voltmeter, Leitungen, Krokoklemmen Durchführung: Die beiden Widerstände werden in Serie geschaltet und mit der Stromquelle verbunden. Die Teilspannungen an den beiden Widerständen werden gemessen. Ergebnis: Die Teilspannung am 1 kΩ-Widerstand beträgt etwa 1/10 der Spannung am 10 kΩWiderstand. Die Summe der Teilspannungen ergibt die angelegte Spannung. Hinweis: Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff. 10 kΩ Verbindung 4,5 V- 1 kΩ 4 Die Diode im Gleichstromkreis Material: Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Gleichstromquelle, Halbleiterdiode, Lämpchen, Leitungen Durchführung: Eine Diode wird in Serie mit einem Lämpchen geschaltet und einmal in Durchlassrichtung, dann in Sperrrichtung mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Gleichspannung Ergebnis: Das Lämpchen leuchtet nur, wenn der „Ring“ der Diode zum Minuspol der Stromquelle zeigt. Hinweis: Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung S. 22 ff. Verbindung Gleichspannung 5 Die Diode im Wechselstromkreis Material: Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Wechselstromquelle, Halbleiterdiode, Lämpchen, Leitungen Überbrückung Wechselspannung Durchführung: a) Eine Halbleiterdiode und ein Lämpchen werden in Serie geschaltet und mit Wechselspannung verbunden. b) Die Diode wird mit einer Leitung überbrückt. Ergebnisse: a) Das Lämpchen leuchtet schwächer als im analogen Versuch mit Gleichspannung auf S. 4. b) Das Lämpchen leuchtet heller als im Versuch a. Erklärung: a) Im Wechselstromkreis lässt die Diode den Strom nur in einer Richtung durch. Die Leistung ist daher vermindert (pulsierender Gleichstrom!). b) Sobald man die Diode überbrückt, kann der Strom wieder in beide Richtungen fließen. Tipp: Bei entsprechender Ausstattung können die Vorgänge auch mit einem Oszilloskop sichtbar gemacht werden. Hinweis: Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung S. 22 ff. – Die Verbindung 1 ist beim Aufladen des Kondensators geschlossen, die Verbindung 2 offen. Beim Entladen ist es genau umgekehrt. Verbindung Verbindung Wechselspannung Verbindung 2 6 Auf- und Entladen eines Kondensators a Gleichspannung Material: Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Gleichstromquelle, Kondensator (z._B. 4 700 µF), Lämpchen (3,8 V / 70 mA), Leitungen, Krokoklemmen Durchführung: a) Kondensator und Lämpchen werden in Serie geschaltet und mit der Gleichstromquelle verbunden. b b) Der geladene Kondensator wird mit dem Lämpchen verbunden. Ergebnisse: In beiden Fällen leuchtet das Lämpchen kurz auf. Erklärung: a) Das Lämpchen erlischt, sobald der Kondensator aufgeladen ist, weil dann kein Strom mehr fließt. b) Das Lämpchen erlischt, sobald der Kondensator entladen ist, weil dann ebenfalls kein Strom fließt. Hinweis: Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff. – Die Verbindung 1 ist beim Aufladen des Kondensators geschlossen, die Verbindung 2 offen. Beim Entladen ist es genau umgekehrt. Verbindung 1 Gleichspannung Verbindung 2 7 Glätten von pulsierendem Gleichstrom Material: Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Wechselstromquelle, Lämpchen, Diode, Kondensator, Schalter, Leitungen Wechselspannung Durchführung: Die Schaltung wird laut Schaltplan aufgebaut und der Schalter abwechseln geschlossen und geöffnet. Ergebnis: Bei geschlossenem Schalter leuchtet das Lämpchen heller als bei offenem. Erklärung: Bei geschlossenem Schalter gibt der Kondensator in den „Strompausen“ des pulsierenden Gleichstroms gespeicherte elektrische Energie an den Stromkreis ab. Hinweis: Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff. – Mit der Verbindung 2 wird der offene und geschlossene Schalter simuliert. Wechselspannung Verbindung 1 Verbindung 2 8 Grundversuch zur Schalterwirkung des Transistors + 4,5 V- Material: Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), 1 Batterie (4,5 V), 1 Batterie (1,5 V), npnTransistor, Lämpchen (3,8 V / 70 mA), Leitungen, Krokoklemmen – 1,5 V- Durchführung: Die Schaltung wird laut Schaltplan aufgebaut. Einmal wird der Pluspol der 1,5 V-Batterie mit der Basis des Transistors verbunden, dann der Minuspol. Ergebnis: Über Kollektor und Emitter fließt nur dann Strom, wenn der Pluspol der 1,5 V-Batterie mit der Basis verbunden ist. Erklärung: Über Kollektor und Emitter kann nur dann Strom fließen, wenn auch durch Basis und Emitter Strom fließt. Das ist beim npn-Transistor jedoch nur dann der Fall, wenn die Basis mit dem Pluspol verbunden ist. Hinweis: Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff. Verbindung Verbindun g 4,5 V- 1,5 V 9 Anwendung des Spannungsteilers auf eine Transistorschaltung Material: Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Gleichstromquelle (4,5 V), Widerstand (1 kΩ), Potentiometer (1 kΩ), Transistor (z. B. BC 508), Lämpchen (3,8 V), Voltmeter, Leitungen, Krokoklemmen U Durchführung: Die Schaltung wird laut Schaltplan aufgebaut. Während man den Widerstand des Potentiometers langsam erhöht, beobachtet man die Spannung zwischen Basis und Emitter und stellt fest, bei welcher Spannung das Lämpchen zu leuchten beginnt. Ergebnis: Durch die Erhöhung des Widerstandswerts des Potentiometers steigt auch die Spannung zwischen Basis und Emitter. Der hier verwendete Transistor schaltet bei einer Spannung von ca. 0,7 V. Hinweis: Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff. 1 kΩ Verbindung 4,5 V- U 1 kΩ 10 Modell der Straßenbeleuchtung 4,5 VLDR Material: Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Gleichstromquelle (4,5 V), Widerstand (10 kΩ), lichtabhängiger Widerstand (LDR), Transistor (z. B. BC 508), Lämpchen (3,8 V / 70 mA), Leitungen, Krokoklemmen Durchführung: Die Schaltung wird laut Schaltplan aufgebaut und der LDR wird abwechselnd beleuchtet und abgedunkelt. Ergebnis: • Bei beleuchtetem LDR ist das Lämpchen dunkel. Die Spannung zwischen Basis und Emitter ist kleiner als 0,7 V. • Bei abgedunkeltem LDR leuchtet das Lämpchen. Die Spannung zwischen Basis und Emitter beträgt ca. 0,7 V. Erklärung: Bei Abdunklung des LDR steigt sein Widerstandswert – und damit die Spannung an seinen Enden. Sobald eine ausreichend hohe Spannung zwischen Basis und Emitter erreicht ist, schaltet der Transistor. Hinweis: Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff. 10 kΩ Verbindung 4,5 V- LDR 11 Eine „wärmeempfindliche“ Transistorschaltung NTC Material: Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Gleichstromquelle (4,5 V), Widerstand (10 kΩ), wärmeempfindlicher Widerstand (NTC), Transistor (z. B. BC 508), Lämpchen (3,8 V / 70 mA), Leitungen, Krokoklemmen Durchführung: Die Schaltung wird wie in der Abbildung aufgebaut und der NTC wird (vorsichtig!) erwärmt. Ergebnis: Bei Erwärmung des NTC sinkt die Spannung zwischen Basis und Emitter und das Lämpchen verlischt. Erklärung: Der Widerstandswert des NTC sinkt mit steigender Temperatur. Sobald die Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors zu gering ist, sperrt der Transistor. Hinweis: Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff. 10 kΩ Verbindung 4,5 V- NTC 12 Modell eines Verzögerungsschalters Material: Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Gleichstromquelle (4,5 V), Widerstände (z. B. 1 kΩ und 10 kΩ), Kondensatoren (z. B. 4 700 µF und 470 µF), Transistor (z. B. BC 508), Lämpchen (3,8 V / 70 mA), Leitungen, Krokoklemmen Durchführung: Die Schaltung wird wie in der Abbildung aufgebaut. Das Verhalten des Lämpchens wird bei verschiedenen Widerstandswerten und Kapazitäten beobachtet. Ergebnis: Die Spannung zwischen Basis und Emitter steigt – je nach Widerstandswert und Kapazität – unterschiedlich schnell. Das Lämpchen beginnt mit Verzögerung zu leuchten. Die „Einschaltzeit“ hängt vom Widerstand und von der Kapazität des Kondensators ab. Erklärung: Wenn sich der Kondensator auflädt, steigt die Spannung an seinen Enden. Sobald die erforderliche Mindestspannung zwischen Basis und Emitter erreicht ist, schaltet der Transistor. Hinweis: Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff. 10 kΩ 1 kΩ Verbindung 4,5 V- 4 700 µF 470 µF 13 Das „Ausblaselicht“ Material: Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Transistor (z. B. BC 141), LDR, Widerstand (1 kΩ), Lämpchen (3,8 V / 70 mA), Leitungen, flexibler dünner Litzendraht, Elektrodenhalter für zwei Elektroden, Stativ und Stativmaterial, Feuerzeug oder Zünder 1 3,8 V / 70 mA LDR 2 4,5 V 1 kΩ + Vorbemerkung: Im folgenden Text wird ein Versuchsaufbau zum vielerorts im Werkerziehungsunterricht hergestellten „Ausblaselicht“ vorgeschlagen. Beschreibung: Die Schaltung wird wie in der Abbildung auf einem Steckbrett für Elektronik aufgebaut. Das Lämpchen (in Fassung) wird mit dünnen, flexiblen Litzendrähten mit dem Elektrodenhalter für zwei Elektroden leitend verbunden und mithilfe von Leitungen an die Anschlüsse 1 und 2 angeschlossen. Das Lämpchen wird so positioniert, dass es in etwa 2 cm Abstand genau über dem LDR hängt. Beobachtung: Das Lämpchen lässt sich mit einem Feuerzeug anzünden und wieder ausblasen. Erklärung: Wenn die Feuerzeugflamme den LDR beleuchtet, nimmt sein Widerstandswert – und damit auch die Spannung an seinen Enden – ab. Das hat aber zur Folge, dass die Spannung an den Enden des 1 kΩ-Widerstands zunimmt (Spannungsteiler: Summe der Einzelspannungen = Gesamtspannung!) und der Transistor schaltet. Weil nun das Lämpchen den Transistor beleuchtet, bleibt dieser Zustand auch nach dem Verlöschen der Flamme erhalten. Sobald man jedoch durch Daraufblasen das Lämpchen vom Transistor wegbewegt, steigt sein Widerstandswert. Die Spannung an seinen Enden wird größer und damit wird die Spannung an den Enden des 1 kΩ-Widerstands kleiner: Der Transistor sperrt wieder und das Lämpchen erlischt. Hinweise: • Sollte die Schaltung nicht funktionieren, muss der Widerstandswert des Festwiderstands verändert werden (die LDRs haben oft unterschiedlichen „Dunkelwiderstand“). • Auch diese Schaltung ist auf dem selbstgebauten Steckbrett für Elektronikversuche (Baubeschreibung S. 22 ff) aufzubauen. 14 Modell einer Telefonanlage Material: Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Batterie (4,5 V), Hörkapsel (z. B. aus einem Telefon, R ≈ 232 Ω; bei gutem Zureden vom Beamten des örtlichen Telefonbauamts zu erhalten), dynamisches Mikrofon aus einem Telefon („Bezugsquelle“ wie oben), Leitungen Durchführung: Mikrofon, Hörkapsel und Batterie werden in Serie geschaltet und aus einem benachbarten Raum wird in das Mikrofon gesprochen. Tipp: Der Lehrer fordert die Schülerinnen und Schüler auf, eine Schaltung zu erfinden, mit der man in beide Richtungen telefonieren kann. 15 Übertragung von Informationen mit einem Glühlämpchen Lichtsender 4,5 V zum Kopfhörerausgan Material: 2 Stecksysteme für Elektronikversuche (siehe S. 22), 2 Batterien (4,5 V), Radiorecorder mit Ausgang für Kopfhörer, 2 Widerstände zu je 100 Ω, Lämpchen (3,8 V / 70 mA) in Fassung, LDR, Verstärker, Leitungen, Krokoklemmen Durchführung: a) Aufbau des Lichtsenders: Das Lämpchen wird mit der Batterie verbunden und parallel zum Kopfhörerausgang eines Cassettenrecorders geschaltet. Lichtempfänger Licht des Glühlämpchens LDR b) Aufbau des Lichtempfängers: Der LDR und der 100 Ω-Widerstand werden in Serie geschaltet und mit der Batterie verbunden. Parallel zum 100 Ω-Widerstand wird der Verstärker geschaltet. 4,5 V 100 Ω zum Verstärker Ergebnis: a) Bei genauer Beobachtung erkennt man Lichtschwankungen des Lämpchens des Lichtsenders. b) Wenn man das Lämpchen des Lichtsenders dem LDR des Lichtempfängers auf wenige Zentimeter nähert, hört man im Verstärker die übertragenen Informationen. Tipps: Die Übertragungsqualität ist wesentlich besser, wenn man im Lichtsender das Glühlämpchen durch eine rote Leuchtdiode (mit 100 Ω Vorwiderstand) ersetzt und statt des LDR des Lichtempfängers eine Fotodiode verwendet. Den Schaltplan zeigen die beiden Abbildungen unten. Lichtsender Lichtempfänger Fotodiode 100 Ω 4,5 V zum Kopfhörerausgang 4,5 V LED rot zum Verstärker 16 Informationsübertragung durch ein Lichtwellenleitkabel Versuch A: Material: • Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22) • Fotodiode (Empfänger) mit Bohrung zur Aufnahme eines Lichtwellenleitkabels • LED rot (Sender) mit Bohrung zur Aufnahme eines Lichtwellenleitkabels • Lichtwellenleitkabel (Durchmesser: 2,2 mm; Länge: 1 m) • Transistor (npn, z. B. BC 141) • Hörkapsel (z. B. aus einem Telefon, R ≈ 232 Ω) • dynamisches Mikrofon aus einem Telefon • Widerstände (2 x 100 Ω, 1 x 10 kΩ, 1 x 100 kΩ) • regelbare Stromquelle (oder Batterien: 9 V, 4,5 V) • mehrere Meter 2-poliges Kabel mit entsprechenden Steckern Durchführung: Lichtsender für Telefonübertragung Lichtempfänger für Telefonübertragung – 100 Ω LED 9 V10 kΩ Mikrofon Fotodiode 9 V100 kΩ + Hörkapsel Den Schaltungsaufbau des Lichtsenders und des Lichtempfängers zeigen die beiden Abbildungen. Hinweise: • Die LED des Lichtsenders ist mit der Fotodiode des Lichtempfängers durch ein 1 m langes Lichtwellenleitkabel verbunden. • Sowohl die Hörkapsel als auch das Mikrofon sind (z. B.) durch je 5 m lange Leitungen mit der Schaltung verbunden, um den Schülerinnen und Schülern das „Telefonieren“ über eine größere Entfernung zu ermöglichen. • Das Mikrofon muss beim Sprechen sehr nahe an den Mund gehalten werden, um eine brauchbare Übertragung zu erreichen. Aus Hygienegründen sollte es daher mit einer Lage eines Papiertaschentuchs abgedeckt werden. Nach jedem Schüler bzw. jeder Schülerin wechseln! • Auch diese Schaltungen sind auf dem selbstgebauten Steckbrett (Baubeschreibung: S. 22 ff) aufzubauen. 17 Versuch B: Material: Wie in Versuch A, anstelle des Mikrofons wird jedoch der Kopfhörerausgang eines Radiorecorders angeschlossen (bei Stereoausgang wird ein 2-poliges Kabel an 2 der 3 Anschlüsse des Steckers gelötet; welche beiden Anschlüsse das sind, kann am einfachsten durch Ausprobieren festgestellt werden). Beschreibung: Lichtsender für Rundfunkübertragung Lichtempfänger für Rundfunkübertragung 100 Ω – Fotodiode LED 4,5 V- 4,5 V - 100 Ω + Hörkapsel 100 kΩ zum Kopfhörerausgang des Radiorecorders Den Schaltungsaufbau des Lichtsenders und des Lichtempfängers zeigen die beiden Abbildungen. Hinweise: • Die LED des Lichtsenders ist mit der Fotodiode des Lichtempfängers durch ein 1 m langes Lichtwellenleitkabel verbunden. • Hörkapsel und Kopfhörerausgang sind mit der Schaltung durch längere 2-polige Kabel verbunden. • Sollte die Qualität der Übertragung nicht zufrieden stellend sein, wird der 100 ΩWiderstand gegen einen Kohleschichtwiderstand mit anderem Widertandswert ausgetauscht (ausprobieren!). • Auch diese Schaltungen sind auf dem selbstgebauten Steckbrett (Baubeschreibung: S. 22 ff) aufzubauen. 18 Übertragung von Informationen mit einem Laserpointer Aufbau des Lichtempfängers Aufbau des Lichtsenders zum Kopfhörerausgang zum Verstärker Kontaktstift Leitung, ca. 25 cm Krokoklemme Licht des Kontakt des Lasersticks Batterien des Lasers Fototransistor oder Fotodiode Laserstrahl Nagel Material: Laserpointer, Nagel, Cassettenrecorder mit Ausgang für Kopfhörer, Musikcassette, Fototransistor (oder Fotodiode), Verstärker, Leitungen, Stativ und Stativmaterial Durchführung: a) Aufbau des Lichtsenders: Der Lichtsender wird mithilfe von Laserpointer, Stativ und Stativmaterial aufgebaut, wie es die Abbildung zeigt. Die Praxis zeigt, dass der Widerstand der 25 cm langen Leitung offensichtlich ausreicht, um den Laser durch die aus dem Kopfhörerausgang kommenden Signale zu modulieren. b) Aufbau des Lichtempfängers: Der Fototransistor (die Fotodiode) wird mit dem Verstärker verbunden. Die richtige Polung wird am einfachsten durch Ausprobieren ermittelt. Ergebnis: Die Übertragung der Information gelingt auch über eine größere Entfernung. 19 Modellversuch zum CD-Player Lochsirene Licht des Lasers Experimentiermotor zum Verstärker Licht des Lasers Material: Laserpointer, Lochsirene, Fototransistor, Experimentiermotor, Verstärker, Stativ und Stativmaterial Durchführung: Der Laserpointer wird mit Stativmaterial so fixiert, dass er leuchtet. Sein Lichtstrahl wird so eingerichtet, dass er durch ein Loch der Lochsirene auf den Fototransistor fällt, der mit dem Verstärker verbunden ist. Die Lochsirene wird nun mithilfe des Experimentiermotors in Rotation versetzt. Fototransistor Ergebnis: Je nach Drehfrequenz der Lochsirene werden unterschiedlich hohe Töne hörbar. Hinweis: Im Modellversuch werden durch die Unterbrechung des Laserstrahls „digitale“ Signale erzeugt, beim Abspielen einer CD durch unterschiedliche Reflexion von vertieften bzw. nicht vertieften Stellen der Platte. 20 Erzeugen gedämpfter elektrischer und ungedämpfter mechanischer Schwingungen Aufbau des Magnetpendels Stativstange mit Bohrung Gummistopfen mit Bohrung Stativ 2 Ringmagnete Spule: 12 000 Windungen mit Eisenkern Material: Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), 2 Ringmagnete, Gummistopfen mit einer Bohrung, Stativ und Stativmaterial, Gleichstromquelle, 2 Spulen (1 200 und 12 000 Windungen), 2 Eisenkerne, Transistor, Leuchtdiode (LED), Leitungen, Krokoklemmen Durchführung nach Abbildung a: Aus den beiden Ringmagneten und dem Gummistopfen wird mithilfe von Stativmaterial ein „Magnetpendel“ aufgebaut. Den elektrischen Schaltungsaufbau zeigt die Abbildung. Das „Magnetpendel“ wird angestoßen und die Leuchtdiode wird beobachtet. 12 000 a Ergebnis zu Versuch a: Die LED leuchtet im Rhythmus der Pendelschwingungen. Die Leuchtstärke nimmt ab. 4,5 V 12 000 b Magnetpendel Spulen 1 200 und 12 000 Windungen mit Eisenkern Erklärung zu Versuch a: Die Schwingungen des „Magnetpendels“ verursachen in der Spule (12 000 Windungen) Spannungsimpulse (Induktionsspannung), die den Transistor abwechselnd schalten und sperren. Durchführung nach Abbildung b: Statt der LED wird eine weitere Spule (1 200 Windungen) mit Eisenkern in den Kollektorstromkreis des Transistors geschaltet. Bei richtiger Polung der Spule (ausprobieren!) klingen die Schwingungen des Magnetpendels nicht ab: Es schwingt ungedämpft. 1 200 12 000 000 4,5 V Erklärung zu Versuch b: Wenn der Transistor (durch Induktion) schaltet, fließt Strom durch die Spule, die in den Kollektorkreis geschaltet ist. Sie wird magnetisch und zieht – bei richtiger Polung – die beiden Ringmagnete an. 21 Hinweis: Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau nach Abb. a (S. 21) auf einem selbst hergestellten Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff. Verbindung 4,5 V- 12 000 Spule 22 Ein erprobtes Stecksystem für Elektronikversuche in Selbstbauweise Für den zeitsparenden Aufbau von Elektronikversuchen wird ein Stecksystem benötigt. Ein solches lässt sich mit geringen finanziellen Mitteln und mittlerem Arbeitsaufwand (z. B. fächerübergreifend mit dem Werkerziehungsunterricht) selbst herstellen. Anmerkung: Die Mengenangaben beziehen sich auf 8 Schülergruppen (mit entsprechender „Reserve“ an Bauteilen). Basismaterial: 8 beschichtete Hartfaserplatten, Format A4, Dicke: 16 mm Menge 10 Stk. 10 Pkg. zu je 100 Stk. 6 Pkg. zu je 100 Stk. 1 Rolle zu 100 m 20 m Artikelbezeichnung Printplatte Mini-Wrap-Stifte Kabelschuhe Colorflex LI (0,25 mm2) Telefondraht Elektrische und elektronische Bauteile: Menge 50 Stk. 20 Stk. 10 Stk 10 Stk. 10 Stk. 20 Stk. 10 Stk. 10 Stk. 10 Stk. 10 Stk. 10 Stk. 20 Stk. Artikelbezeichnung Signallampe (3,8 V / 70 mA) Lampenfassung LED rot (5 mm) Siliziumdiode (1N5404) Transistor (BC 141/16) Widerstand 100 Ω (1/4 W) Widerstand 1 kΩ (1/4 W) Widerstand 10 kΩ (1/4 W) Widerstand 100 kΩ (1/4 W) Potentiometer. 100 kΩ ELKO radial 470 mikroF Fotowiderstand (LDR) Der Bau der Steckplatte: Eine Kopiervorlage für den Bau der Steckplatte ist auf der nächsten Seite • Das kopierte Blatt wird auf der Hartfaserplatte mit Klebestreifen fixiert. • An den mit einem „Ringerl“ gekennzeichneten Stellen werden nach dem Vorbohren (oder „gefühlvollem“ Vorschlagen) die Mini-Wrap-Stifte (= „Lötstifte“) möglichst senkrecht eingeschlagen. – Ein Tipp: In die vorgebohrten (vorgeschlagenen) Löcher vor dem Einschlagen der Stifte einen Tropfen Superkleber fließen lassen. • Nachdem alle Stifte eingeschlagen sind, wird der Plan entfernt. • Nun wird der abisolierte Telefondraht möglichst weit unten an die Stifte gelötet. 23 24 Der Bau der Steckelemente: Die Basis zur Herstellung der Steckelemente ist die Lochrasterplatine. Herstellung des Steckelements „Widerstand“: Kohleschichtwiderstand Kohleschichtwiderstand ca. 2 cm Verzinntes Ende des Litzendrahts und Anschluss des Widerstands werden verlötet Kabelschuh Verzinntes Ende des Litzendrahts und Kabelschuh werden verlötet. • Die Plättchen werden mithilfe einer Bandsäge aus der Lochrasterplatte zugeschnitten. – Länge: ca. 13-14 Löcher; Breite: ca. 5-6 Löcher • Durch die schraffiert gekennzeichneten Löcher der Platine wird ein hochflexibler Litzendraht gesteckt. Es ist erforderlich, diese Löcher etwas aufzubohren (ausprobieren!). • Die Litzendrähte, die durch die Löcher gesteckt werden sollen, werden auf eine Länge von ca. 5 cm abgeschnitten, einseitig wenige Millimeter weit abisoliert und verzinnt. • Die einseitig verzinnte Litze und die Anschlüsse des Kohleschichtwiderstands werden durch die Löcher der Platine gesteckt, wie es die Abbildung zeigt, und verlötet. • Das Litzenende, das mit dem Kabelschuh verbunden werden soll, wird auf ca. 2 cm gekürzt. Wenige Millimeter werden abisoliert, das Litzenende wird verzinnt und an den Kabelschuh gelötet. Auf dieselbe Art werden die Steckelemente für folgende Bauteile hergestellt: Lämpchen in Fassung, Kondensator, LDR, Potentiometer, Diode 25 Das Steckelement LED: 100 Ω LED • Das Steckelement LED enthält zum Schutz der LED einen 100 Ω-Vorwiderstand. • Um den Schülerinnen und Schülern die Arbeit mit dem Stecksystem zu erleichtern, ist es günstig, darauf zu achten, dass die Vorwiderstände bei allen LED-Elementen „auf derselben Seite“ (z. B. auf der Anodenseite der LED) montiert werden. • Die Arbeitsschritte sind wie oben beschreiben vorzunehmen. Herstellung des Steckelements Transistor: C B 100 Ω BC 141 o. Ä. E • Auch das Steckelement Transistor enthält zum Schutz des Bauteils einen 100 ΩVorwiderstand. • Basis-, Emitter-, und Kollektoranschluss sollten auf der Oberseite der Platine gekennzeichnet werden. • Die Arbeitsschritte werden wie oben durchgeführt. Herstellung der Verbindungen: Vom Litzendraht werden etwa 10 cm lange Stücke abgeschnitten, auf beiden Seiten werden wenige Millimeter abisoliert und an die Kabelschuhe gelötet. 26 Ein einfacher Mittelwellensender (Mittelwellenempfänger) Material: Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Gleichspannungsquelle (9 V), Widerstände (100 Ω, 1 kΩ, 10 kΩ), Transistor (BC 141 o. Ä.), LED, Leitungen, Schwingkreismodul, allenfalls Krokoklemmen, Radioapparat Baubeschreibung des Schwingkreismoduls: Um einen Ferritstab (Länge: ca. 70 mm; DurchFerritstab messer: ca. 10 mm) wird eine Rolle aus Naturpapier gewickelt und an der Falznaht verklebt. Rolle aus Naturpapier Um diese Rolle werden zuerst 30 Windungen, dann im selben „Drehsinn“ 90 Windungen lackisolierter Kupferdraht (Durchmesser: 0,2 mm) gewickelt. An den Enden der beiden Spulen wird die Lackisolierung zunächst mit einem Feuerzeug weggeschmolzen. Anschließend werden die 30 90 Wdg. Wdg. Enden mit einem feinen Schleifpapier blank geputzt. Der weitere Aufbau des SchwingkreisDas Schwingkreismodul moduls erfolgt auf einer Lochrasterplatine oder einem Brett, wie es die Abbildung zeigt. 47 pF 30 Wdg. mit 1 und 2 des Senders (Empfängers) verbinden zu den Anschlüssen 3 und 4 des Senders (Empfängers) 90 Wdg. Anmerkung: Wenn es bei der Beschaffung des Ferritstabs Probleme gibt, baut man sich diesen aus einem alten Mittelwellenempfänger aus. Der einfache Mittelwellensender: Aufbau des Senders zum Mikrofon 1 10 kkΩ 10 100 Ω 2 1 kΩ 3 4 1, 2 bzw. 3, 4 werden mit dem Schwingkreismodul verbunden + 9V Die Abbildung zeigt die Verstärkerschaltung, die mit dem Schwingkreismodul verbunden wird. Ein Mikrofon aus einem alten Telefon (siehe auch: Modelle einer Telefonanlage) ist für dieses Experiment bestens geeignet. Als Empfänger verwendet man den „Mittelwellenbereich“ eines Radios und stellt auf ca. 700 kHz ein. Nun verschiebt man den Ferritkern des Schwingkreismoduls, bis man am „Geräusch“ des Empfängers merkt, dass der Sender mit dem Empfänger etwa in Resonanz ist. Die Feinabstimmung nimmt man wieder am Radio vor. Die Übertragung kann beginnen. 27 Anmerkung: Es ist möglich, dass beim Verschieben des Ferritkerns in der Spule die Schwingungen „abreißen“. In diesem Fall unterbricht man kurzzeitig den Anschluss zur Stromquelle. Die Reichweite des Senders wird durch Ausprobieren ermittelt. Der einfache Mittelwellenempfänger: Aufbau des Empfängers zur Hörkapsel 1 10 k Ω 100 Ω 2 1kΩ 3 4 1, 2 bzw. 3, 4 werden mit dem Schwingkreismodul verbunden + 9V Mit einem zweiten Schwingkreismodul kann in geringer Entfernung vom Sender auch ein „eigener“ Empfänger aufgebaut werden. Das Schwingkreismodul wird mit der Schaltung, die aus der Abbildung ersichtlich ist, verbunden. Die Leuchtdiode dient einerseits zur Demodulation, andererseits lässt sich erkennen, ob „die Schaltung schwingt“. Die Hörkapsel stammt wieder aus einem alten Telefon. Anmerkung: Wenn auch die Qualität des Empfangs mäßig ist, sollte aus didaktischen Gründen (Sender und Empfänger sind im Prinzip gleich aufgebaut!) auf dieses nicht verzichtet werden. 28 Ansteuern einer Transistorschaltung durch eine Infrarot-Fernbedienung Material: Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Gleichstromquelle (4,5 V), Fotodiode, Leuchtdiode (LED), Kohleschichtwiderstand (100 kΩ), 2 Transistoren (BC 141/16 o. Ä.), Fernbedienung eines TV-Geräts (Videorecorder, …), eventuell Solarmotor und Hörkapsel Fotodiode LED BC 141/16 10 kΩ 4,5 V- Durchführung: Die Schaltung wird auf einem Steckbrett aufgebaut, wie es die Abbildung zeigt. Statt der beiden in Darlingtonschaltung verbundenen Transistoren kann auch ein Darlingtontransistor verwendet werden. Die Fernbedienung wird aus wenigen Zentimetern Entfernung auf die Fotodiode gerichtet und ein beliebiger Knopf wird gedrückt. Beobachtung: Die LED blinkt. Erklärung: Die Infrarot-LED der Fernbedienung sendet Strahlungsimpulse aus. Diese verursachen Änderungen des Widerstandswerts der Fotodiode und somit Spannungsänderungen an den Anschlüssen sowohl der Fotodiode als auch des 100 kΩ-Widerstands. Die Spannungsänderungen zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors bewirken in weiterer Folge Stromstärkeänderungen im Kollektor-Emitterkreis des Transistors, was durch das Blinken der LED sichtbar wird. Tipp: An Stelle der LED kann auch eine Hörkapsel bzw. ein passender Solarmotor verwendet werden. 29 Ansteuern einer Flipflop-Schaltung mit einer Infrarot-Fernbedienung 5,7 kΩ 1 kΩ 3,8 V/70 mA BC 141/16 4,5 V- Fotodiode Material: Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Gleichstromquelle (4,5 V), Fotodiode, 2 Lämpchen (3,8 V / 70 mA), Kohleschichtwiderstand (1 kΩ), Trimmer (10 kΩ), 2 Transistoren (BC 141/16 o. Ä.), Fernbedienung eines TV-Geräts (Videorecorder, …), eventuell Solarmotor Erforderliche Vorkenntnis: Funktion des Flipflops Durchführung und Beobachtung: Auf dem Steckbrett wird ein Flipflop aufgebaut, wie es das Schaltbild zeigt. Der Flipflop wird zunächst so eingestellt, dass das linke Lämpchen leuchtet. Wenn man nun die Fernbedienung aus wenigen Zentimetern Entfernung auf die Fotodiode richtet und einen beliebigen Knopf drückt, erlischt das linke Lämpchen und das rechte leuchtet. Durch kurzzeitiges Verbinden der Basis des rechten Transistors mit dem Minuspol (strichlierte Linie) wird der Ausgangszustand wiederhergestellt. Erklärung: Die von der Fernbedienung ausgehende Infrarotstrahlung verringert den Widerstandswert – und somit die Spannung – an den Anschlüssen der Fotodiode. Deswegen sperrt der linke Transistor und der rechte wird leitend. Hinweise zum Aufbau der Schaltung: Der am Trimmer eingestellte Widerstandswert richtet sich nach der verwendeten Fotodiode. Wenn die Schaltung mit dem angegebenen Wert (5,7 kΩ) nicht funktioniert, muss dieser Wert (z. B. durch Messen der Spannung an der Fotodiode oder einfach durch Ausprobieren) ermittelt werden. Tipp: Ein Solarmotor (statt des rechten Lämpchens) macht das Experiment attraktiver. 30 Gedämpfte elektrische Schwingungen Material: Spule (800 Windungen) mit Eisenkern, Kondensatoren (1 Mikrofarad, 10 Mikrofarad), Diode, Wechselstromquelle (5 V), Oszilloskop Durchführung: Den Aufbau der Schaltung zeigt das Schaltbild. Die Energiezufuhr zum Schwingkreis besorgt der Wechselstrom. Beobachtungen: Der Bildschirm des Oszilloskops zeigt gedämpfte Schwingungen. Die Frequenz dieser Schwingungen kann durch die Bewegung des Eisenkerns und die Kapazität des Kondensators verändert werden. Ergebnis: Je höher die Induktivität der Spule und je geringer die Kapazität des Kondensators, desto größer die Frequenz. 31 Ungedämpfte elektrische Schwingungen geringer Frequenz Material: Gleichstromquelle (4,5 V), U-Eisenkern mit Joch, Spulen (2 x 1 200 Windungen, 800 Wdg., 400 Wdg.), Kondensatoren (470 µF, 1 µF), Kohleschichtwiderstand (10 kΩ), Transistor, Lämpchen (3,8 V / 70 mA) 10 kΩ 1 200 Wdg. 4,5 V- 1 200 Æ 800 Æ 400 Wdg. Durchführung: Die Schaltung wird laut Schaltplan aufgebaut. Zum „Starten“ der Schwingungen muss das Joch des U-Kerns möglicherweise kurz angehoben werden. Beobachtungen: Die Frequenz der Schwingungen kann durch Verschieben des Jochs am U-Kern und durch den Wechsel von Spulen und Kondensatoren beeinflusst werden. 470 Æ 1 µF Ergebnis: Je höher die Induktivität der Spule und je geringer die Kapazität des Kondensators, desto größer die Frequenz. Tipp: Wenn man parallel zum Lämpchen eine Hörkapsel anschließt, können die Frequenzänderungen auch hörbar gemacht werden. 32 Messen der Schallgeschwindigkeit Material: Digitalzähler, 2 Tonnenfüße, 2 Stativstäbe mit 4 mm-Bohrung, Mikrofon, 3 Widerstände zu je 100 Ω, Transistor, Gleichstromquelle (4,5 V), Leitungen Digitalzähler 123456789 Start Stop Schallempfänger Tonnenfüße und Stativstäbe mit 4 mmBohrung Mikrofon 100 Ω Schallquelle 100 Ω 100 Ω Durchführung: Durch das Zusammenschlagen der Tonnenfüße wird die Zeitnehmung gestartet. Dieser Schallimpuls bewirkt im Mikrofon einen elektrischen Impuls, der mithilfe der abgebildeten einfachen Transistorschaltung die Zeitnehmung stoppt. Aus dem Abstand der Schallquelle (= Tonnenfüße) zum Schallempfänger (= Mikrofon) und der gestoppten Zeit wird die Schallgeschwindigkeit berechnet. 33 Übertragung mit einer Laserdiode Material für den Sender: Gleichstromquelle (4,5 V), Laserdiode, 2 Widerstände zu je 100 Ω, 1 Kondensator (4_700 µF), CD-Player o. Ä. Material für den Empfänger: Gleichstromquelle (9 V), Hörkapsel (hochohmig), Widerstand (10 kΩ), Fotodiode, Transistor Durchführung: Den Aufbau des Senders und des Empfängers zeigen die Abbildungen. Die Musik der CD kann über viele Meter übertragen werden. Sender für Laserübertragung Zum Kopfhörerausgang des CDPlayers usw. Tipp: Wenn ein „professioneller“ Verstärker zur Verfügung steht, kann die Übertragung als Demonstrationsexperiment durchgeführt werden. Laserdiode 4,5 V- Empfänger für Laserübertragung + 100 kΩ Hörkapsel 9 V- Fotodiode –
