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Warnlampen für einen Bahnübergang: Ein Weg mit vielen Stationen. Bilder und Texte zur Entwicklung unserer Schaltkreise Station 1: Ein Transistor als Schalter Bild 1.1 Bild 1.3 Bild 1.2 Diese drei Bilder zeigen unseren ersten Versuch mit einem Transistor. Über den Transistor lernt man auch im Phsikunterricht der neunten Klasse etwas. Der Transistor ist ein sehr kleines elektronisches Bauteil. Hier befindet es sich unter dem rechteckigen schwarzen Metallkörper mit dem weißen Aufdruck in der Mitte der Bilder 1.2 und 1.3. Ein Transistor hat drei Anschlüsse. Wir haben sie mit hier drei verschiedenfarbigen Kabeln verbunden. Was der Transistor bei diesem Versuch macht erklären jetzt dann! In Bild 1.4 sieht man einen Stromkreis mit einem kleinen Glühlämpchen, zwei hintereinander geschalteten 4,5 V – Flachbatterien, einem Schalter, Experimentierkabeln und Krokodilklemmen. Der Schalter ist jetzt geschlossen, es fließt Strom und das Lämpchen leuchtet. Bild 1.4 Bild 1.5 Jetzt wurde der Schalter entfernt und an seine Stelle ein Transistor gesetzt. Der Transistor soll nun die Aufgabe des Schalters übernehmen, d.h., mit ihm soll man das Lämpchen ein- und ausschalten können. Der Transistor entspricht jetzt einem offenen Schalter, denn das Lämpchen leuchtet nicht. Die Hand des Jungen erklärt das Prinzip, mit dem man mit einem „Transistorschalter“ ein- und ausschalten kann: Man verbindet eine Spannungsquelle – hier ist das ein zylinderförmiger schwarzer Akku, der neben der Hand des Jungen steht – mit zwei von den Anschlüssen des Transistors. Dabei muss auf die Polung geachtet werden: Im Bild 1.5 ist das rote Kabel am + Pol des Akkus angeschlossen, den Stecker des blauen Kabels hält der Junge in der Hand. Es hat noch keinen Kontakt mit dem Akku. Bild 1.6 Nun berührt der Junge mit dem Stecker des blauen Kabels den Minuspol des Akkus und das Lämpchen leuchtet! Der Transistor wirkt jetzt also wie ein geschlossener Schalter. Der Anschluss am Transistor, wo das rote Kabel angeschlossen ist wird „Basis“ genannt, die Stelle wo das blaue Kabel seinen Kontakt hat, wird „Emitter“ genannt. Einen „Transistorschalter“ stellt man also auf „EIN“, indem man zwischen Emitter und Basis eine Spannung – z.B. die von einer Batterie oder einem Akku – anlegt, und man stellt ihn auf „AUS“, wenn man diese Spannung wieder wegnimmt. Station 2: Englisch bringt Vorteile switch cable Battery crocodile clip alligator clip lamp Bild 2.1 Look at the picture! You see an experiment that we have done yesterday. Two pupils of the class 5d are able to explain it. But first try to find out, what the vocabulary on the top of the foto mean ! Now pay attention please! You know: if the switch is closed, the lamp gives light. If the switch is open, the lamp is dark. Bild 2.2 We removed the switch. The curcuit is interrupted and no current can flow. Bild 2.3 Instead of the switch we have put a transistor into the curcuit. Some fans may ask us: Where does the name „transistor“ come from? We got information from a dictionary! The transistor has three sockets with the colours blue, green and red. The plugs of the green cables are fixed at the blue and the red socket. The transistor is a small electronic device used in electric circuits for controlling an electric current. The roots of the word „transistor“ are: transit = Durchreise resistor = Widerstand resistance = Wert eines Widerstands Current can do a transit from collector to emitter if the resistance of the transistor has become low! The Lamp remains dark. The transistor works like an open switch and no current can flow from the red to the blue socket. We want the transistor to work like a closed switch! How we can do this? Bild 2.5 Bild 2.4 The solution: We use a 2V accumulator and connect the + pol of the 2V – accumulator with the green socket of the transistor. The hand of the boy is ready to touch the – pole of the accumulator with the plug of a blue cable. The other plug of the blue cable is put– together with the plug of the green cable that comes from the lamp –into the blue socket oft he transistor. The lamp gives light! The transistor works like a closed switch! Current flows from the red to the blue socket! Bild 2.6 Mit der Schaltung, die auf dem Brett zu sehen ist, können Lichtsignale in Tonsignale umgewandelt werden. Unten in der Mitte (kleines weißes „Kästchen“) sitzt ein Summer. Er wird von der Flachbatterie oben rechts mit Energie versorgt. Der Transistor oben links schaltet den Summer immer dann an, wenn das Licht einer Taschenlampe auf den Photowiderstand fällt, der sich zwischen dem Akku ganz links und dem 4,7 k Widerstand rechts auf dem kleinen Brettchen befindet. And now, try to explain the circuit in English! We tell you some important vocabulary: socket = Buchse electric circuit = Stromkreis buzzer = Summer electric current = Strom plug = Stecker voltage = Spannung wooden plank = Holzbrett light dependent resistor = Photowiderstand acustic signal = Tonsignal light signal = Lichtsignal Station 3: Vom Summen bei Licht zum Leuchten bei Dunkelheit Bild 3.1 Bild 3.2 Mit der Ausrüstung, die in den Bildern 3.1 und 3.2 zu sehen ist, konnten wir einen kleinen Summer aus der Ferne mit dem Licht einer Taschenlampe steuern: mit den langen aufgerollten Litzen, die in Bild 3.1 links unten von einer Wäscheklammer zusammengehalten Bild 3.3 sind, wird die Spannung, die für das Schalten des Transistors auf „EIN“ notwendig ist, vom 4,7k – Widerstand (Bild 3.2 rechts) zum Transistor geliefert. Die gelieferte Spannung ist aber nur dann groß genug, wenn das Taschenlampenlicht auf den Photowiderstand fällt, den man in der Mitte von Bild 3.2 sieht. Man nennt eine solche Schaltung, bei der der Transistor bei Helligkeit am Photowiderstand auf „EIN“ geht, eine „Hell – EIN – Schaltung“. Bei einer Lichtschranke muss sich der Transistor umgekehrt verhalten: Er muss bei Dunkelheit am Photowiderstand auf „EIN“ schalten, also eine „Dunkel – EIN – Schaltung“ bilden. Das Bild 3.3 zeigt unsere erste Dunkel – EIN – Anordnung : Der Summer ertönt, wenn das Legoauto das Licht der Taschenlampe abschirmt! Nun wollen wir Hell – EIN – und Dunkel – EIN – Schaltungen mit einem Transistors genauer untersuchen. Anschließend können wir die Anordnungen weiterentwickeln und z.B. den Summer durch eine rote Leuchtdiode (LED) ersetzen. Ihr Leuchten meldet dann das Fahrzeug, wenn es beim Photowiderstand vorbeifährt. Schaut euch das Bild mit dem Legoauto noch mal ganz genau an! Obwohl der Versuchsaufbau etwas unübersichtlich ist kann man erkennen, dass vom Photowiderstand, den der Junge mit dem dunklen Pullover in der Hand hält, zwei gelbe, ein rotes und ein schwarzes Kabel weggehen. Die gelben Kabel sind die Verbindung zum zylinderförmigen Akku (siehe Bild 3.2). Das rote Kabel führt zur Basis des Transistors, das schwarze (es sollte eigentlich blau sein!) führt zum Emitter. Wenn ihr euch an die Station1 erinnert wisst ihr, dass der Transistor auf „EIN“ schaltet, wenn diese beiden Kabel eine kleine Spannung „liefern“! Diese wird hier also vom Photowiderstand „geholt“. Bild 3.4 Wir müssen uns also merken: Will man einen Transistor mit einem Photowiderstand steuern, so muss man einen Steuerstromkreis aufbauen, bei dem ein Photowiderstand und ein normaler Widerstand nebeneinander sitzen und mit einem Akku oder einer Batterie verbunden sind. Wenn man eine „Dunkel – EIN – Schaltung“ will, muss man Kabel vom Photowiderstand zur Basis und zum Emitter des Transistor verlegen! Wenn man eine „Hell – EIN – Schaltung“ will, muss man Kabel vom Widerstand neben dem Photowiderstand zur Basis und zum Emitter des Transistors legen! Wir wollen nun unser eigenes Experimentiermaterial herstellen und verwenden. Fachgeschäfte bieten viele Arten von Photowiderständen an. Zwei verschiedene Bauarten sind in den Bildern 3.5 und 3.6 zu sehen. In unseren Physikräumen haben wir viele ver-schiedene „normale“ Widerstände, die in ein Metallgehäuse eingebaut sind. Ein Junge hat in Bild 3.7 vier Stück davon in der Hand. Bild 3.5 Bild 3.7 Bild 3.6 Bild 3.8 Lötprofis aus dem Wahlkurs haben eine große Anzahl von Schichtwiderständen auf Kupfernägel aufgelötet oder Widerstände aus„Geräteausschlachtungen“ einsatzbereit gemacht. Wir müssen nun herausfinden, welche Photowiderstände und welche normalen Widerstände sich am besten zum Steuern eines Transistors eignen. Vielleicht helfen uns ältere Schüler! Station 4: Kooperation Bild 4.1 Bisher hatten wir für unsere Versuche einen Transistor aus den Physikräumen verwendet. Jetzt wollen wir Transistoren einsetzen, die es billig in Elektronikfachgeschäften zu kaufen gibt. Bild 4.1 zeigt einen solchen Transistor ohne Gehäuse, aufgelötet auf Kupfernägel. Man sieht seine drei Anschlüsse, die wir mit verschiedenfarbigen Drähten gekennzeichnet haben: Der graue Draht geht zur Basis, der blaue zum Emitter. Das sind die Anschlüsse, an denen die Spannung ankommen muss, die „EIN“ bewirkt. Der dritte Anschluss wird Kollektor genannt und hat einen roten Draht erhalten. Bild 4.2 Mit dem Transistor wollen wir Leuchtdioden (LEDs) mit „Dunkel“ ein- und „Hell“ ausschalten. Wir müssen vorher wissen, welche Spannung LEDs zum Leuchten brauchen. Deshalb probieren verschiedene Schaltungen auf unseren Steckbrettern aus und benutzen dabei die selbstgebauten „Wäscheklammerkabel“. In Bild 4.3 sieht man, welchen Widerstand eine blaue LED braucht um nicht „durchzubrennen“, wenn man eine Flachbatterie verwendet. Wir nennen ihn „Schutzwiderstand“. Welche Widerstände brauchen andere LEDs? Bild 4.3 Schüler einer neunten Klasse haben Stromkreise mit LEDs, Schutzwiderständen und Flachbatterien aufgebaut. Sie untersuchten die Wirkung verschiedener Schutzwiderstände auf die LEDs. Die Bilder 4.4 und 4.5 zeigen den Vesuchsaufbau: Der Strom vom + Pol der Batterie (roter Draht) fließt zunächst durch eine Reihe von hintereinander geschalteten 2k – Widerständen (in den Bildern am linken Rand des Steckbretts), danach durch eine grüne bzw. weiße LED, und dann über ein Vielfachmessgerät zurück zur Batterie. Die Schüler variierten die Anzahl der vom Strom durchflossenen 2k – Widerstände durch das Versetzen der Wäscheklammer mit dem blauen Draht längs der Widerstandsreihe. Das Messgerät zeigte dabei die Stärke des Stroms an, der durch die Diode floss. Zur Auswertung der Messwerte benutzten die Neuntklässler das Programm LabVIEW, das sie vom Mathematikunterricht her kannten. Die Wirkung der Widerstände ais „Strombremsen“ wurde erkennbar. Mehr dazu zeigen die Bilder 4.6 und 4.7. Wir wissen nun, wie man Dioden testet und vergleicht! Bild 4.4 Bild 4.5 In Bild 4.4 wurden alle acht 2 k Widerstände zusammen als Schutzwiderstand verwendet, also 16 k . Das Messgerät zeigt die Stromstärke 190,6 µA an! Die grüne LED leuchtet nicht. In Bild 4.5 wurde an Stelle der grünen LED eine weiße verwendet. Alles andere ist genauso wie in Bild 4.4. Das Messgerät zeigt nun nur 43,8 µA an. Trotzdem leuchtet die weiße LED. Bild 4.6a Bild 4.6b Bild 4.6a zeigt die Benutzeroberfläche des LabVIEW Programms, das die Neuntklässler zur Erfassung ihrer Messwerte verwendeten: Zwei Tabellenzeilen, die jeweils zehn Eingabemöglichkeiten für Messwerte bieten, tragen die Namen „R in Kiloohm“ und „I in mA“. In die erste Zeile wurden die verwendeten Schutzwiderstandswerte eingetragen, in die zweite Zeile kamen die mit einem Vielfachmessgerät ermittelten Stromstärkewerte. In der dritten und vierten Zeile wurden die an den Widerständen der Reihe und an der LED abfallenden Spannungen ausgegeben, die vom Programm aus den Messwerten berechnet wurden. Aus dem Mathematikunterricht kennen die Schüler den Prozess des „Graphenzeichnens“. Dabei muss in einem x – y – Koordinatensystem eine Punktmenge gezeichnet werden, die zu einem Funktionsterm f(x) „passt“. Aus diesem Grund wurde auch jetzt das Instrument „xy-Graph“ gewählt, um die aufgenommenen Messwerte in einem Diagramm darzustellen, obwohl von LabVIEW Instrumente angeboten werden, die sich für physikalische Aufgaben noch besser eignen. Das Diagramm aus Bild 4.6b zeigt deutlich, wie die Schutzwiderstände als „Strombremsen“ wirken: Die Stromstärke nimmt ab, wenn der Schutzwiderstandswert vergrößert wird. Bemerkenswert ist dabei, dass die weiße LED auch bei sehr kleinen Stromstärken noch leuchtet! Bild 4.7a Bild 4.7b Bild 4.7b zeigt das Blockdiagramm, also den „Programm – Code“, der den im Bild 4.7a dargestellten Bildschirmausdruck ermöglicht: Unten (in Hellblau) das „virtuelle Instrument“ XY-Graph, das dem Programmierer von LabVIEW auf einer Palette fertig angeboten wird. Zu den ersten beiden Tabellenzeilen (Eingabezeilen) in Bild 4.7a gehören die entsprechend beschrifteten Symbole links in Bild 4.7b, die in der Fachsprache „arrays“ genannt werden. Die beiden unteren Zeilen (Ausgabezeilen) haben ihre Symbole rechts oben im Diagramm. Bild 4.8 Bild 4.9 Jetzt wissen wir schon einiges über die Schutzwiderstände, die man braucht, wenn man Leuchtdioden mit einer 4,5 V Batterie betreiben will. Aber auch beim Steuern eines Transistors braucht man geeignete Widerstände. Besonders praktisch ist es, wenn man sofort erkennt, welchen Wert ein Widerstand hat. Unsere Schichtwiderstände kann man durch die aufgemalten farbigen Ringe unterscheiden. Zur Kontrolle haben wir ihre Widerstandswerte mit einem Vielfachmessgerät gemessen, das auf eingestellt war. Kleine Zettel sollen die Widerstandswerte leichter erkennbar machen. Diese Werte bleiben bei Schichtwiderständen immer gleich, egal welchen Versuch man mit ihnen macht. Man darf sie jedoch nicht durch eine zu hohe Spannung „schmoren“! Die Bilder 4.8 und 4.9 zeigen, dass die durch die Farbringe angegebenen Werte und die gemessenen Werte etwas voneinander abweichen können. Da hilft es, wenn man über das Runden bescheid weis! Bild 4.10 Bild 4.11 Bild 4.12 Jetzt benötigen wir noch genauere Informationen über Photowiderstände, die wir beim Steuern von Transistoren ebenfalls brauchen. Der Widerstandswert eines Photowiderstands hängt von der Menge und der Art des Lichts ab, das auf ihn fällt. Bild 4.10 zeigt einen Photowiderstand im Tageslicht. Im Bild 4.11 wurde er mit einem Papier und in Bild 4.12 mit einem Holzstück abgedeckt. Der Widerstandswert steigt dabei von 142,8 über 0,569 k bis 0,737 k . Der Widerstandswert des Photowiderstands ist also umso höher, je weniger Licht auf ihn fällt, man kann auch sagen, der Widerstandswert wächst mit zunehmender Dunkelheit. Die nächste Untersuchung soll uns genauere Informationen darüber liefern, wie sich Kombinationen von Widerständen verhalten. Es ist wichtig zu wissen, wie sich ein Photowiderstand und ein normaler Widerstand – z.B. ein Schichtwiderstand - die Batteriespannung untereinander aufteilen, wenn sie nebeneinander an die Batterie angeschlossen sind. In Station 3 haben wir bereits gesehen, dass eine Transistorsteuerung durch eine solche Widerstandskombination möglich ist. Zuerst setzen wir zwei unserer Schichtwiderstände nebeneinander. Bild 4.13 zeigt einen 500 und einen 750 Widerstand, die von einem Strom durchflossen werden, der von einer Flachbatterie kommt. Vorher war ein Spannungsmesser an die Flachbatterie angeschlossen gewesen. Er hatte den Wert 4,813 V angezeigt. Nun zeigen die beiden Spannungsmesser in Bild 4.13 an, welchen Teil der Batteriespannung jeder der beiden Schichtwiderstände „frisst“: 1,926 V und 2,887 V. Was sollte beim Addieren der beiden Spannungswerte herauskommen? Man könnte auch ganz ohne Messgeräte durch Rechnen herausfinden, welche Spannung jeder von den beiden nebeneinander sitzenden Widerständen „frisst“! Wer wissen will, wie das geht, soll die folgende Tiergeschichte durchlesen! 500 Bienen und 750 Wespen umsummten eine Wabe mit 4500 mg Honig. Sie wollten den Honig gerecht aufteilen und rechneten: Anzahl der Tiere 500 750 1250 Honig für ein Tier : 4500 mg : 1250 90 mg : 25 3,6 mg Die Bienen erhalten 500 3,6 mg 1800 mg Die Wespen erhalten 750 3,6 mg 2700 mg Bild 4.13 Wie hätten die Tiere rechnen müssen, wenn in der Wabe 4813 mg Honig gewesen wären? Wer will, kann das Aufteilen der Batteriespannung mit zwei Widerständen auch mit dem Computerprogramm MULTISIM ausprobieren! Bild 4.14 Mit dem Programm MULTISIM von National Instruments kann der Versuch mit dem 500 und dem 750 Widerstand am Computerbildschirm simuliert werden. Die angezeigten Ergebnisse sind mit den wirklichen Messwerten vereinbar! Auch in der Zukunft werden wir mit MULTISIM zusammenarbeiten! Bild 4.15 Bild 4.17 Bild 4.16 Nun setzten wir einen Photowiderstand und den 750 – Widerstand nebeneinander. Sie teilen sich wieder die Batteriespannung. Jedoch ändert sich die Spannungsaufteilung, wenn sich die Lichtverhältnisse am Photowiderstand ändern. Je weniger Licht der Photowiderstand bekommt, desto höher ist sein Widerstandswert, umso mehr Spannung „frisst“ er, und umso weniger Spannung bleibt für den 750 Widerstand übrig. Auch wenn in den Bildern nur mehr ein Spannungsmesser vorkommt, kann man - durch Rechnen herausfinden, wie viel Spannung der Photowiderstand in jedem Bild „frisst“. Das rote und das schwarze Kabel, die in den Bildern zum Messgerät führen, könnte man auch zur Basis und zum Emitter eines Transistors legen. Sie könnten dann EIN bewirken! Bild 4.18 Bild 4.19 Weil neue Schüler zum Wahlkurs gekommen sind haben wir noch mal eine Schaltung aufgebaut, die der von Station1 gleicht. An Stelle des Glühlämpchens sitzt die blaue LED auf dem Steckbrett unten. Zur Energieversorgung reicht jetzt eine Flachbatterie. Der Schalter links in Bild 4.18 ist ein gebogenes Stück Kupferdraht. In Bild 4.18. leuchtet die LED nicht, weil der Schalter offen ist. In Bild 4.19 leuchtet die LED nicht, weil an die Basis und den Emitter des Transistors keine Spannung geliefert wird. Diese für EIN nötige Spannung haben wir in Station 1 mit einem zylinderförmigen 2V – Akku beschafft. Jetzt versuchen wir es mit einem 1,2V – Akku, den wir mit handelsüblichen Ladegeräten wieder laden können, wenn er „leer“ ist. Bild 4.20a Der 1,2 V – Akku , den wir mit Holzstückchen und Kupfernägeln auf dem Steckbrett befestigt haben, soll nun die EIN – Spannung liefern. Wir verbinden den + Pol des Akkus mit der Basis (die hier mit einem roten Drahtstück gekennzeichnet ist, was an + erinnern soll) und den – Pol mit dem Emitter, der durch das blaue Drahtstück erkennbar ist. Die LED leuchtet! 1,2 V reichen also als EIN – Spannung! Die Spannungen aus den Bildern 4.15 bis 4.17 würden also auch reichen! Die Frage ist nun, ob für „EIN“ am Transistor noch weniger als 1,2 V reichen! Der Versuch auf dem Steckbrett aus den Bildern 4.19 und 4.20 wurde mit MULTISIM (Bilder 4.20b und 4.20c) nachgebaut. Man kann hier den Verlauf der Kabel besser erkennen. Außerdem kann man Bezeichnungen und Hinweise dazuschreiben, die später die Besprechung des Versuchs erleichtern. Zwischen Emitter und dem – Pol des Akkus wurde ein Schalter eingebaut. Wenn dieser zu ist spürt der Transistor die Spannung des Akkus. Bild 4.20b Der Transistor erhält im Bild 4.20b keine Spannung. Er ist auf AUS und lässt keinen Strom durch. Die LED leuchtet nicht. Bild 4.20c Im Bild 4.20c spürt der Transistor 1,2 V und wird auf EIN gestellt. Er lässt Strom durch und die LED leuchtet. Jetzt probieren wir aus, ob weniger als 1,2V zwischen Emitter und Basis für EIN reichen! Bei MULTISIM können wir Akkus einsetzen, die weniger als 1,2 V liefern. In der Wirklichkeit haben wir keinen solchen. Deshalb müssen wir die 1,2 V des echten Akkus mit nebeneinander sitzenden Widerständen teilen. Das haben verschiedene Leute ausprobiert, auch Schülerinnen einer neunten Klasse. Bild 20d Hier testen Schülerinnen einer neunten Klasse eine Schaltung, die von Fünftklässlern aus dem Wahlkurs „Naturwissenschaftlich technische Projektarbeit“ gebaut worden war. Der Transistor sitzt in der Brettmitte. Nur wenn das Mädchen den Photowiderstand mit dem Finger verdunkelt, leuchtet die weiße LED rechts auf dem Brett. Das Messgerät zeigt an, dass dabei nur eine winzig kleine Stromstärke auftritt. Mit diesem Versuch kann man zeigen, wie man die Steuerung des Transistors mit einem Photowiderstand bei verschiedenen Raumhelligkeiten optimieren kann: Bei einem hellen Raum müssen weniger Widerstände von der Leiste auf der linken Seite verwendet werden, bei einem dunklen Raum mehr. Das wiederholen wir mit den Steckbrettern! Basiswiderstand Bild 4.21a Bild 4.21b Ganz links auf beiden Bildern sieht man wieder einen 1,2 V – Akku in einer Halterung. Daneben eine Holzleiste mit acht 1 k – Widerständen. Am unteren Ende der Leiste ist ein blauer Draht angezwickt, der eine Verbindung zum Emitter herstellt. Eine Wäscheklammer mit einem roten Draht kann an einer beliebigen Stelle der Reihe zwischen zwei Widerständen anzwicken. Die roten Drähte stellen über einen weiteren Widerstand, den wir „Basiswiderstand“ nennen, eine Verbindung zur Basis des Transistors her. In Bild 4.21a sind zwischen den beiden Wäscheklammern vier der acht Widerstände der Reihe. Sie „fressen“ einen Teil der Akkuspannung. Physiker sagen dazu: „ an diesen vier Widerständen fällt ein Teil der Akkuspannung ab“. Dieser Teil der Akkuspannung eicht aber nicht, um den Transistor auf EIN zu bringen, denn die rote Diode unten auf Bild 4.21a leuchtet nicht. Zwickt man die Wäscheklammer mit dem roten Draht immer weiter oben an, so beginnt die LED plötzlich zu leuchten, d.h. der Transistor wurde auf EIN gestellt. In Bild 4.21b ist die Wäscheklammer am oberen Ende der Reihe. Natürlich leuchtet die LED auch dann. In beiden Bildern zeigt das Messgerät die Stärke des Stroms an, der durch die Diode fließt. Bild 4.21c Jetzt die Schaltung noch mal mit MULTISIM: Die Spannung, die durch das rote und das blaue Kabel an den Transistor geführt wird, reicht in diesem Bild noch nicht aus um ihn auf EIN zu stellen. Mit Ro und Ru sind die Summen der Widerstände auf der Leiste gemeint, die oberhalb, bzw. unterhalb der Anschschlussstelle des roten Kabels liegen. Ru muss also größer werden, wie uns der Versuch der Neuntklässlerinnen vermuten lässt! Bild 4.21d Jetzt reicht die Teilspannung zwischen der Basis und dem Emitter um den Transistor auf EIN zu stellen und die LED leuchtet! Bild 4.22a Bild 4.22b Die Bilder 4.22a und 4.22b könnten eine Denkaufgabe sein! An Stelle der Leiste mit den acht gleichen Widerständen ein Photowiderstand und ein normaler Widerstand verwendet und an den 1,2 V Akku links angeschlossen. Die Spannung für EIN wird nun vom normalen Widerstand oben (genannt Ro) geholt. Auf den Photowiderstand fällt im rechten Bild Tageslicht. Im linken Bild ist er durch ein Holzstück verdunkelt. Das Messgerät zeigt in beiden Fällen die Stärke des Stroms an, der durch die Diode unten fließt. Der Transistor lässt also mehr Strom durch, wenn der Photowiderstand hell ist! Die Schaltung ist also eher eine Dunkel – EIN – Schaltung. Was müsste man tun, um sie in eine Hell – EIN – Schaltung umzubauen? Das rote und das blaue Kabel müssten vom Photowiderstand zum Transistor verlaufen! Bild 4.23a Bild 4.23b Im Schuljahr 2011/12 hatten wir die vielen Erfahrungen, die wir jetzt, im Schuljahr 2012/13 besitzen, noch nicht gemacht. Trotzdem ist es den Wahlkursschülern damals gelungen, ein Modell für eine Dunkel EIN Schaltung zu bauen. Sie ist eine wichtige Grundlage und eine schöne Erinnerung und bildet nun den Abschluss der Station 4! Der Photowiderstand steht links unten und wird von einem Glühlämpchen beleuchtet, das an eine Flachbatterie angeschlossen ist (links hinter dem Lämpchen). Der 2V Akku (oben links), der schon in Station 1 dabei war, versorgt den Photowiderstand und den 470 Widerstand. Im Bild 4.23a ist der Widerstand des Photowiderstands wegen des Lämpchenlichts klein und er liefert sehr wenig Spannung an den Transistor. Die rote LED rechts unten ist aus. Im Bild 4.23b schirmt ein Holzstück das Licht des Lämpchens ab, der Widerstand des Photowiderstands wird groß und der Transistor erhält die nötige EIN – Spannung und die rote LED leuchtet! Würden die Gleise der Eisenbahn zwischen dem Lämpchen und dem Photowiderstand hindurchführen, so würde ein Zug die gleiche Wirkung haben wie das Holzstück in Bild 4.23b. Die rote LED könnte dann eine Warnlampe am Bahnübergang sein! Bild 4.24 Jetzt wollten wir mit der Anwendung der funktionierenden Theorie in der Praxis beginnen. Ein erster Schritt war das Einbauen unserer eigenen Widerstände. Man sieht, die Diode leuchtet auch bei hellem Photowiderstand noch ein wenig. Jetzt wissen wir, was wir in diesem Fall ändern müssen! Station 5: Die Eisenbahn Das P – Seminar „Digitale Eisenbahn“ hatte 2012 schon einen großen Teil der Gleisanlagen aufgebaut. Der Seminarleiter erklärte Schülern einer sechsten Klasse, die auch beim Entwurf einer transistorgesteuerten Bahnübergangssicherung mitarbeiteten, die Organisation des Zugverkehrs mit Hilfe eines Computerprogramms. Sollen Photowiderstände durch die Wagons verdunkelt werden, so müssen sie in einer passenden Höhe angebracht sein. Deshalb vermessen wir Gleise und Wägen genau. Station 6: Kompostierbare Lichtschranken Technisches Gerät, das vorwiegend aus Holz und Metall besteht, ist besonders umweltfreundlich. Wir machten den Versuch, Lichtschrankenzubehör zu entwerfen, das diese Anforderungen erfüllt. Am Anfang konnten wir unsere Geometriekenntnisse gut brauchen! Ein Zylinder aus Buchenholz mit einer zentralen Längsbohrung wird in Handarbeit abgeflacht. Eine Schablone verhindert, dass zu viel weg geschliffen wird. Auf eine flache Seite werden Vertiefungen für den Photowiderstand und zwei Kupfernägel gebohrt. Eine Gewindestange in der senkrechten Bohrung ermöglicht das Befestigen auf einer Unterlage. Die Beleuchtungseinheit der Lichtschranke soll eine Leuchtdiode als Lichtquelle haben. Zu ihrer Energieversorgung sind zwei Monozellen erforderlich. Sie werden auf der Rückseite durch Quader mit zylindrischen Bohrungen gehaltert. Das Ein und Ausschalten erfolgt über einen Deckel: der Druck beim Anziehen der Flügelmuttern schließt einen Kontakt. Der Beleuchtungsteil mit der blauen LED und der Sensorteil mit dem Photowiderstand müssen bei der Anwendung als Lichtschranke so aufgestellt werden, dass das Licht auf den Photowiderstand fällt. Ein zwischen den Teilen durchfahrendes Fahrzeug erzeugt dann eine Verdunkelung, die das EIN an einem Transistor bewirkt Station 7: Langes Leuchten Bild 7.1 Bild 7.2 Das Warnlicht am Bahnübergang muss so lange leuchten, bis der Zug die Straße ganz überquert hat. Eine einzige Lichtschranke auf einer Seite des Übergangs wird vom Zug aber nicht während dieser ganzen Zeit verdunkelt und die Warnlampe würde deshalb eine zu kurze Zeit leuchten. Eine mögliche Abhilfe sind mehrere Lichtschranken, die vor und hinter dem Übergang an der Seite der Gleise aufgestellt sind. Im Physiksaal wurde dieses Prinzip ausprobiert: Vier Photowiderstände schalteten vier Transistoren auf EIN, wenn das Licht der Deckenbeleuchtung durch eine vorbeirollende Kugel abgeschirmt wurde. Im Bild links verdeckt die Kugel gerade einen Photowiderstand und die rote LED im Hintergrund leuchtet. Im Bild rechts ist die Kugel gerade zwischen den ersten beiden Photowiderständen und die LED leuchtet nicht mehr. Ein langer Zug an Stelle der Kugel würde aber immer mindestens einen Photowiderstand verdunkeln. Bild 7.3 Mit dem Programm MULTISIM lassen sich elektronische Schaltungen am Computerbildschirm ausprobieren. Hier sind vier Photowiderstände und vier Transistoren so geschaltet wie beim Versuch auf den Bildern 7.1 und 7.2. Die Photowiderstände sind als veränderliche Widerstände dargestellt. Jetzt haben alle (idealisiert) den Widerstand 0, d.h. sie befinden sich in hellem Licht. Bild 7.4 Jetzt ist der erste Photowiderstand von links etwas (25%) verdunkelt, der Transistor 1 ist dadurch auf EIN gestellt worden und die LED leuchtet. Bild 7.5 Jetzt sind der erste und der zweite Photowiderstand etwas (25%) verdunkelt, die Transistoren 1 und 2 sind dadurch auf EIN gestellt worden und die LED leuchtet. Bild 7.6 Jetzt sind bereits drei der vier Photowiderstände dunkel, so, als ob ein langer Zug an ihnen vorbeifahren würde. Wir sehen, dass das Lange Leuchten mit Hilfe mehrerer Transistoren und mehrerer Photowiderstände erreicht werden kann. Jetzt geht’s ans Bauen nach diesem Plan! Bild 7.7 Nun haben wir ein funktionsfähiges Modell der Warnanlage fertig! Sobald mindestens einer der vier Photowiderstände am unteren Rand des Bretts verdunkelt ist, leuchtet die LED in der oberen Bretthälfte! Wir haben auch eine Verkleinerung der Schaltung erreicht, indem wir die Bauteile auf kleine Kupfernägel gelötet haben und die Drähte nicht mehr an großen Kupfernägeln festmachen, sondern einfach in kleine Löcher stecken, die ins Brett gebohrt sind. Die 1,2V Akkus zur Versorgung der Photowiderstände und der Schichtwiderstände neben ihnen befinden sich unter dem Brett. Nur einer wurde hervorgezogen. An den großen Kupfernägeln in den vier Parallelleitungen, die jetzt mit kurzen grünen Drähten verbunden sind, können Messgeräte angeschlossen werden. Bild 7.8 Bild 7.9 In Bild 7.8 ist rot und blau gestrichelt eingezeichnet, wie die Drähte unter dem Brett vom 1,2V Akku zum Photowiderstand und zum Schichtwiderstand neben ihm verlaufen. Die Werte der Schichtwiderstände sind für den Betrieb der Anlage bei Tageslicht geeignet. In Bild 7.9 ist einer der Photowiderstände verdunkelt und die blaue LED, zu der rosa Drähte führen, leuchtet. Jetzt muss eine Anlage, die nach dem Prinzip des Modells funktioniert, das in den Bildern 7.6 bis 7.9 gezeigt wurde, so gebaut werden, dass sie neben Bahngleisen positioniert werden kann. Das wäre dann eine Tageslichtlösung für die Bahnübergangssicherung! Station 8: Geometrie und Umweltschutz Wir brauchen für unsere 1,2V Akkus geeignete Halterungen. Im Handel gibt es solche Halter für Batterien und Akkus, die – so verspricht die Werbung – billig sind und sich leicht handhaben lassen. Wo können da Probleme versteckt sein? Wie bei vielen anderen Artikeln und Geräten werden die Nachteile erst deutlich, wenn Defekte auftreten: Bei Billigprodukten lohnt sich keine Reparatur. Bei der Entsorgung kann der Anwender keine Materialtrennung durchführen, weil Kunststoff und Metall fest miteinander verklebt sind. Können wir Umweltschutzgedanken in unsere Arbeit einbauen? Wir haben erfahren, dass eine irische Firma einen Computer mit Holzgehäuse entwickelte, bei dem defekte Teile ausgebaut und repariert oder durch neue ersetzt werden können. Die Firma erhielt den Umweltpreis der EU. Wir versuchen, einen Akkuhalter zu bauen, der nur aus Holz und Akkuhalter Metall besteht. Seine BestandMaßstab 2:1 teile sollen sich leicht wieder trennen lassen, wenn seine Lebensdauer zu Ende ist. Fixierungsquader Ansicht von vorne Draufsicht Seitenansicht 40 mm 30 mm 5 mm 54 mm 12 mm Die zylinderförmigen Akkus Schrägbildskizze sollen in Fixierungsquadern aus Holz stecken, in die ein rundes Loch gebohrt ist in das der Akku passt. Die Holzquader werden von einer langen Buchenholzlatte abgeschnitten. Bild 8.1 zeigt die Ansichten eines Fixierungsquaders mit Maßangaben. Bild 8.1 Bild 8.2 Bild 8.2 zeigt alle benötigten Holz- und Metallteile für den Akkuhalter. Oben in der Mitte den Fixierungsquader, rechts und links daneben die Kontaktierungsquader. Sie haben Vertiefungen, die mit einem Forstnerbohrer gebohrt wurden und die Enden des Akkus aufnehmen können. In den Mitten der Vertiefungen sind Löcher in die ein Kupfernagel und eine Gewindemutter (im Bild links oben) passen. Der Kupfernagel und der Kopf der Schraube, die in die Gewindemutter gedreht wird, stellen die Kontaktierung mit den Polen des Akkus her. Die drei Quader passen auf die Grundplatte mit den vier Befestigungslöchern. Auch Physiker sollen manchmal eine Vorgangsbeschreibung abliefern. Es folgt nun also eine „Anleitung für das Zusammenbauen des Akkuhalters“! Vorgangsbeschreibung: Das Zusammenbauen des Akkuhalters Der Kopf des Kupfernagels wird beim fertigen Akkuhalter Kontakt zum + Pol des Akkus haben. Zwei der Holzquader werden auf der Grundplatte angeordnet. Der Kupfernagel wird so in den Quader mit dem kleinen Loch und der Forstnerbohrung gesteckt, dass sein Kopf nach Innen und sein Schaft nach Außen weist. Bild 84 Bild 8.3 Jetzt fehlt noch der Kontaktierungsquader für den Minuspol des Akkus. Beim Zusammenleimen muss auf die Ausrichtung geachtet werden. Das Einstecken des Akkus verhindert ein Verrutschen der Holzquader beim Anbringen der Schraubzwinge. Bild 8.5 Bild 8.6 Zuerst wird in das vorgebohrte Loch des dritten Holzquaders, der noch nicht festgeleimt ist, die Gewindemutter eingeschraubt. Bild 8.7 Bild 8.9 In die Gewindemutter kommt die Kontaktierungsschraube für den – Pol des Akkus. Der Schraubenkopf muss sich im Innern der zylinderförmigen Forstnerbohrung befinden. Bild 8.8 Nun kann der dritte Quader mit der Schraube ebenfalls auf der Grundplatte befestigt werden. Das geschieht durch zwei weitere Schrauben, die in zwei senkrecht zur Kontaktierungsschraube gebohrte Löcher gesteckt werden. Die Löcher haben den Abstand 2cm, genau wie die Löcher auf unseren Steckbrettern. Bild 8.10 Die beiden zuletzt eingesteckten Schrauben dienen auch zur Fixierung des dritten Quaders auf der Grundplatte. Muss der Akku aufgeladen werden, so kann man sie herausziehen, den Quader wegnehmen. und den Akku herausziehen. Jetzt ist der Akkuhalter fertig. Wir haben ihn mit einer 1,5 V Zelle gefüllt und auf ein kleines Steckbrett gesetzt. Bild 8.11 Bild 8.12 Am Kupfernagel und an der waagrechten Kontaktierungsschraube kann die Spannung abgegriffen werden. Durch Drehen an der Kontaktierungsschraube können eventuelle Kontaktschwierigkeiten behoben werden. Der Spannungsmesser in Bild 8.12 zeigt, dass der Akkuhalter funktioniert! Wir können nun den Akku in seinem Halter bei unseren Transistorversuchen verwenden! Der Bau hat zwar viel Zeit in Anspruch genommen, kann dafür aber ein Denkanstoß zur umweltfreundlichen Produktentwicklung sein. Gesamte Akkuhalterung in Seitenansicht Maßstab 2:1 80 mm Kontaktierungsquader mit zwei 4mm Schrauben festgesteckt Fixierungsquader Kontaktierungsquader Kupfernagel Gewindemutter 110 mm Akku festgeleimt festgeleimt Grundplatte 100 mm Steckbrett Bild 8.13 Soll eine Idee zu einer Serienfertigung führen, so muss zuerst ein genauer Bauplan gemacht werden. Hier ist er! Er eignet sich auch als Grundlage für Verbesserungsvorschläge! Bitte beachten: Die Maße in der Wirklichkeit sind halb so groß wie die Maße, die in der Zeichnung angegeben sind! Station 9: Kabelsalat zum Schulfest Am Schulfest 2012 hatten wir ein Teilziel erreicht: Die „kompostierbaren Lichtschranken“ und zwei Transistoren brachten eine rote Warnlampe an einem gedachten Bahnübergang zum Leuchten, wenn ein Wagon eine Verdunkelung eines Photowiderstands erzeugte. Das Schaltungsprinzip aus der Station 8 „Langes Leuchten wurde also mit zwei an Stelle von vier Transistoren realisiert. Dafür ist die Anlage auch bei Nacht funktionsfähig. Bild 9.1 Bild 9.2 Die „Schaltzentrale“ beim Aufbau am Schulfest 2012: In der Mitte befinden sich die beiden Transistoren mit jeweils einer blauen Litze am Emitter und einer roten an der Basis. Die grüne Flachbatterie versorgt über die grünen Litzen die rote LED neben dem Gleis, die in Bild 9.1 leuchtet. Mit den beiden 1,5 V Batterien im Holzhalter links oben werden die Steuerkreise mit den Photowiderständen versorgt (orange Drähte, die neben dem Gleis verlaufen). Die Anlage zeigt, dass unsere Ideen richtig waren. Die Anlage ist aber noch zu groß und zu unübersichtlich. Das Schuljahr 2012/13 muss eine Verkleinerung bringen! Station 10: Tageslichtanlage Bild 10.3 Die Schaltung muss kle Bild 10.2 Bild 10.1 Bild 10.4 Die Elemente sind immer noch ziemlich groß und neben den Bahngleisen würden sie wie Schallschutzwände aussehen. Aber das Schuljahr ist ja noch nicht zu Ende! Die Bilder 10.1 und 10.2 zeigen die Transistoren, die wir für die nächsten Versuche verwenden wollen: sie sind auf sehr kleine Kupfernägel gelötet. Das Prinzip des Schaltungsmodells aus Bild 10.3 soll nun mit vier Elementen verwirklicht werden, die man einzeln aufstellen kann. Jedes Element trägt einen Transistor mit einem Basiswiderstand, einen Photowiderstand neben einem Schichtwiderstand und einen 1,2 V Akku auf der Rückseite. Die Bilder 10.4 und 10.5 zeigen solche Elemente. Die Verbindung zum Stromkreis mit der Flachbatterie und der LED wird jeweils durch graue Drähte hergestellt, die vom Emitter und von Kollektor des Transistors weggehen. Die gelben Drähte darunter führen zum 1,2 V Akku. Die Anlage ist eine „Tageslichtanlage“ ohne Beleuchtung der Photowiderstände. Bild 10.5 Bei einer langen Bahnfahrt ist es manchmal gut, wenn man an einer Station eine Pause macht. Wir beschäftigen uns zwischendurch mit Schachbrettern und - figuren. Danach steigen wir wieder ein! Bis bald!
