Vision-Ing21-Projekt-Dokumentation – Materialien für den Unterricht

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Schule: Gymnasium Herzogenaurach
Teamname: Gym Herzo
Partner-Unternehmen: Elektro Schramm
Altersklasse: 11 bis 13
Thema: Lärmampel
Vision-Ing21 2012/13
Vision-Ing21-Projekt-Dokumentation –
Materialien für den Unterricht
Inhaltsverzeichnis
1.
Allgemeine Informationen
2.
Zusammenfassung
3.
Projektdokumentation
3.1. Zielstellung
3.2. Beschreibung der Projektarbeit
3.3. Aufgabenverteilung / Kommunikation
4.
Zusammenarbeit mit dem Partner-Unternehmen / Praxisbezug
5.
Sonstiges: Anlagen, Protokolle, andere Unterlagen
6.
Quellen und Recherchen
7.
Datum und Unterschrift
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Schule: Gymnasium Herzogenaurach
Teamname: Gym Herzo
Partner-Unternehmen: Elektro Schramm
Altersklasse: 11 bis 13
Thema: Lärmampel
1. Allgemeine Informationen
Thema: Lärmampel
Bearbeitet von Jahrgangsstufe: 6 bis 7
Schulart: Gymnasium
Bearbeitet im Fach: Wahlfach
Themengebiet: Physik
Benötigte Vorkenntnisse: Lötarbeiten, Funktion eines Mikrophons, einfache
Schaltpläne
Erforderliche technische Ausstattung: Regelbare Lötstation, drei Bausätze für
Klatschschalter, diverses Zubehör, wie Holz, Lampen, Batteriekasten, etc.
Wurden Experimente durchgeführt?
Es wurden Experimente zur Schallausbreitung, und zur Umsetzung von Schall in
elektrische Signale durchgeführt.
Wurde ein Modell / Objekt gebaut? Modellschaltung zum ersten Verstehen
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Partner-Unternehmen: Elektro Schramm
Altersklasse: 11 bis 13
Thema: Lärmampel
2. Zusammenfassung
2.1 Teilnahme am Schüler-Team-Wettbewerb Vision-Ing21
Die Gruppe kam zur Teilnahme durch Ansprache von einer Lehrerin.
2.2 Entstehungen des Themas
Ursprung war die Überlegung, was man im Schulhaus positiv verändern kann.
Folgend Idee kamen von Teilnehmern: Elektronische Hausaufgabenerinnerung, Kreide, die
die Tafel leichter säubern lässt (Lotusblüteneffekt), Tafelbeschichtung zur Unterdrückung von
Reflexionen, Programm zur Erstellung von Sitzplänen, Lärmpegelampel,
Hausaufgabenroboter und elektronische Seitenanzeige für das Schulbuch. Alle Teilnehmer
einigten sich auf den Vorschlag zum Bau einer Lärmpegelampel.
2.3 Folgende Ergebnisse wurden erzielt:
Das Gehäuse der Lärmpegelampel ist ein ca. 40 cm hoher
Quader mit der Grundfläche von 20 cm mal 15 cm. Es ist
aus Sperrholz gefertigt und hat seitlich eine Tür aus
Plexiglas, damit das „Innenleben“ sichtbar ist. Auf zwei
Zwischenböden, ebenfalls aus Holz, wurden jeweils die
benötigten Platinen (Klatschschalter) aufgeschraubt.
Die Klatschschalter, deren Empfindlichkeit jeweils nach
Bedarf über ein Potentiometer auf der Rückseite des
Gehäuses geregelt werden können, reagieren über kleine,
an der Vorderseite des Gehäuses eingebaute Mikrofone
auf Geräusche im Raum. Über die Klatschschalter werden
eine rote Lampe (für hohe Lautstärke) und eine gelbe
Lampe (für leichte Lautstärke) geschaltet. Im
Klatschschalter kann über einen kleinen internen Schalter
auf „Monoflop“ oder „Flipflop“ geschaltet werden. Hier
wurde die Einstellung „Flipflop“ gewählt, d.h., bei einem
Geräusch geht die Lampe an und nach kurzer Zeit wieder aus.
Dadurch entsteht bei hohem Lärm im Klassenzimmer ein
ständiges Flackern beider Lampen, bei geringem Lärm flackert
nur die gelbe Lampe. Bei Ruhe sind beide aus. Die
Leuchtmittel bestehen aus Niedrigvolt-Power-LEDs (12 V /
1,5W). Die Anlage wird mit 8 Akkus oder Batterien (je 1,2V)
in einem eingebauten Batterieblock betrieben. Zur leichten
Entnahme der Batterien wurde eine flexible Befestigung mit
Gummibändern gebaut (siehe nebenstehende Abb.). Durch
die Bauweise ist die Lärmpegelampel überall leicht
aufzustellen. (Sie ist nicht für feuchte Räume oder den
Außenbereich geeignet.)
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Partner-Unternehmen: Elektro Schramm
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Fertige Platine
2.4 Zusammenarbeit mit den Partnerunternehmen
Beim ursprünglichen Industriepartner wurde ein erster Schaltplan erstellt und Lötversuche
zur Übung durchgeführt. Aus Zeitgründen konnte das Projekt dort aber nicht weitergeführt
werden, so dass das Team einen neuen Partner suchte. Dafür kam die Elektrofirma
Schramm aus Neustadt an der Aisch in Frage. Das Unternehmen hat sich bereiterklärt das
Team zu unterstützen.
2.5 Rahmen der Teilnahme Vision-Ing21
Die Teilnahme an Vision-Ing21 fand im Rahmen eines Wahlfachs an der Schule statt.
3. Projektdokumentation
3.1. Zielstellung:
Zielstellung war es, eine Lärmpegelampel zu bauen, die bei zu hoher Lautstärke einen Ton
von sich gibt und dabei ein rotes Licht erscheinen lässt. Wenn die Lautstärke angemessen
ist, soll die Ampel keinen Ton von sich geben, sondern ein grünes Licht soll erscheinen und
bei durchschnittlicher Lautstärke soll ein orangenes Licht leuchten, jedoch auch keinen Ton
ertönen.
Im Laufe der Entwicklung schien das grüne Licht überflüssig: Im
Normalfall muss nicht unbedingt eine dauernd brennen Lampe Energie
verschwenden. Auf das Tonsignal wurde schließlich auch verzichtet, ein
Nachrüsten ist immer noch möglich. (siehe auch 2.3)
3.2. Beschreibung der Projektarbeit
3.2.1 Folgendes wurde getan:
Zunächst wurde eine Idee entwickelt, wie der Schall einen Schalter
betätigen kann, der eine Lampe anschaltete. Dazu wurden im
Physiksaal Experimente aufgebaut (siehe 3.2.3).
Dann wurde vom Team Gym Herzo ein selbst entworfener Schaltplan
skizziert, der vom ersten Teampartner verbessert wurde. Nach diesem
Schaltplan hatte sich das Team zunächst gerichtet und im Physiksaal
eine Modellschaltung aufgebaut, eine konkrete Umsetzung für das
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geplante Endprodukt war aber lange noch nicht ersichtlich. Auf
Anraten des neuen Teampartners Elektro Schramm wurde der
alte Plan verworfen und auf eine Konstruktion mit Bausätzen
für Klatschschalter umgestellt. Das Team hat an mehreren
Nachmittagen drei Klatschschalter mit KondensatorenMikrofon von der Firma Conrad gebaut. Dazu waren vorher
wieder einige Lötübungen mit feineren Lötkolben und
geringerer Temperatur nötig. Die zwei besten „Löter“
übernahmen dann die Lötarbeiten, während die Anderen
zuarbeiteten, bzw. die Dokumentation schrieben. Nach der
zugehörigen Bauanleitung und dem Schaltplan wurden die
Bauteile zunächst von zwei Schülern herausgesucht und die
Platinen richtig bestückt. Bei dem Aufbau der Platine musste
man mit den kleinsten Bauteilen, dies waren die Widerstände
anfangen, und zum Schluss erst die größten einbauen, damit
ein Verlöten überhaupt möglich war. Nach dem Lötvorgang hat ein anderer Schüler die
abstehenden Drähte mit einer Zange abgeknipst. Auf diese Weise entstanden wie auf einer
kleinen Produktionsstrecke drei Klatschschalter, von denn letztlich nur zwei weiter verwendet
wurden. Diese wurden anschließend vom Industriepartner getestet und schlechte Lötstellen
wurden korrigiert. Beim Bau des Gehäuses der Lärmpegelampel war der aktuelle
Teampartner Elektro Schramm dem Team ebenfalls behilflich. Vom Team jedoch wurden
noch relativ viele Arbeiten selbst ausgeführt, wie zum Beispiel
der Einbau der Plexiglasscheibe, Bau des Batteriekastens, Bau und Einbau der
Zwischenböden, Einbau der Klatschschalterplatinen, Einbau der Mikrofone und der Lampen.
3.2.2 Folgende Arbeitsschritte wurden durchgeführt:
• Experimentieren zum Schall
• Plan einer einfachen Schaltung
• Korrekturen am Plan
• Modellbau mit Material der Physiksammlung
• Lötübungen
• Bau der Klatschschalter
• Bau des Gehäuses
• Einbau der Platinen und des Batteriefachs
• Verstehen der Funktionsweise der Schaltung, dazu Unterteilung des Schaltplans in
größere Funktionsbereiche (siehe 3.2.4)
• Testen des Gerätes unter Variieren der Empfindlichkeit
3.2.3 Folgende Experimente wurden durchgeführt:
• Experiment zur Energieübertragung durch Schall:
Zwei Tamburine wurden einander gegenüber auf einen Tisch montiert. Vor das eine
wurde an einem Faden ein Flummi gehängt, vor das andere ein Tischtennisball.
Schlägt der Flummi gegen das Trommelfell des einen Tamburins, so wird gleich
darauf der Ball vom anderen Tamburin weggestoßen.
• Experiment zur Induktion:
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3.2.4
Ein Stabmagnet wird durch eine Spule bewegt, die an einem Strommesser
angeschlossen ist. Beobachtung: Bei Bewegung entsteht aus dem „Nichts“ ein Strom.
Aus den Beobachtungen beider Experimente wurde überlegt, wie man aus einem
Geräusch ein elektrisches Signal gewinnen kann. Idee des Teams: Man könnte am
Tamburin einen Magneten befestigen, der sich dann in einer Spule bewegt. Damit
war das Mikrofon „erfunden“.
Experimente zum Relais:
Um die Frage zu klären, wie mit dem geringen Strom eine Lampe leuchten kann,
wurden Experimente mit Spulen gemacht, die bei Stromdurchfluss magnetische
Eigenschaften zeigen. Dies legt die Idee des elektrischen Schalters durch
Magnetismus nahe.
Ein in der Physiksammlung vorhandenes Relais wurde getestet.
Aufbau einer einfachen Schaltung mit Relais und Glühbirne.
Baupläne, Skizzen und evtl. Teilelisten
Erster eigener Schaltplan.
Bestückungsplan aus der Bauanleitung [1]
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Schaltplan aus der Bauanleitung des Klatschschalters [1] mit handschriftlich eingefügter
Einteilung in Funktionsbereiche
Schematisch vereinfachte Darstellung der Funktionsweise der Schaltung
Erklärung zur Funktionsweise:
Durch das Mikrofon wird eine Spannung von 2 mV an den OP (Operationsverstärker)
geleitet, welcher das Signal des Mikrofons auf mindestens 3,5 V verstärkt
(frequenzabhängig), so dass es von dem nachfolgenden Logikbaustein (hier: Flipflop)
verarbeitet werden kann. Dieser gibt das Spannungssignal zum An- oder Ausschalten an die
Basis eines Transistors. Anschließend schaltet der Transistor den Strom für das Relais frei
oder sperrt. Zum Schluss schaltet das Relais den Stromkreis für die Lampe frei.
3.2.5 Folgende Ziele wurden erreicht:
siehe 2.3
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3.2.6 Diese Herausforderungen gab es:
Das Team hatte teilweise wirklich schwere Herausforderungen, darunter befinden sich die
Lötarbeiten und die Bestückung der Platinen, sowie die Überlegungen wie das Projekt am
besten auszuführen ist.
3.2.7 Welche theoretischen Grundkenntnisse aus dem Unterricht konnten in der Praxis
angewendet werden?
Da die Siebtklässler den Schaltplan gezeichnet haben, konnten sie ihre Kenntnisse aus dem
Physikunterricht mit einbringen, ebenfalls waren für das Dokumentationsteam
Computerkenntnisse nötig.
3.3. Aufgabenverteilung/Kommunikation
Aufgabenverteilung in der Gruppe
Dokumentationsteam: Tim Steiner, Carsten Hesse
Konstruktionsteam: Johannes Bohn, Jonas Dobler
Theoriteam: Oliver Mirschberger, Felix von Keitz
Kommunizieren der Ergebnisse und der Gruppen.
Meist fand die Kommunikation durch direkte Absprache oder durch E-Mails statt.
So viel Zeit wurde in das Projekt investiert:
Jeden Donnerstag traf sich die Gruppe 1 bis 2 Stunden, wenn es nötig war trafen sich die
Teilnehmer auch mehrmals in der Woche.
4. Zusammenarbeit mit dem Partner-Unternehmen / Praxisbezug
4.1 Welche Anwendungen in der Industrie wurden evtl. besichtigt?
Der erst Teampartner hatte dem Team die Grundkenntnisse des Lötens in deren
Lehrwerkstatt erklärt und den Schaltplan verbessert, mit diesem hatte sich das Team ca.
fünfmal getroffen.
Anwendungen in der Industrie wurden nicht besichtigt.
4.2 Wobei haben Sie die Unterstützung des Partnerunternehmens erhalten?
Elektro Schramm hat dem Team über den Ansprechpartner Herrn Norbert Klimpel beim
Bau des Gehäuses geholfen, Hinweise zum Löten und Aufbau der Platinen gegeben, die
selber gelöteten Platinen auf Schäden kontrolliert und anschließend die Fehler behoben.
Außerdem wurde der Schaltplan so aufgearbeitet, dass ein Verständnis für die
Altersstufe möglich ist.
6. Quellen und Recherchen
[1] Conrad Electronic GmbH, Bedienungsanleitung Klatschschalter mit KondensatorMikrofon, Version 06/02, Hirschau, 2001, S. 28/29
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7. Datum und Unterschrift
Datum
Unterschrift(en):
Für die sachliche Richtigkeit:
Unterschrift des Lehrers
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