Physik Praktikum Sekunda U

Physik Praktikum Tertia f
Projekt:
Infrarot
Schülerinnen:
Allgemeines:
Gehen Sie zuerst nach meiner Anleitung vor. Sie soll Sie schnell ins Thema einführen. Anschliessend
sind Ihre Ideen gefragt um das Thema zu erweitern, abzuändern, etc. Wenn Sie Ihre eigenen Ideen
verwirklichen, dann ist es besonders wichtig, dass Sie mich rufen bevor Sie Ihr Experiment unter
Strom setzen!
Material:
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ITT Kasten Holz
ITT Kasten digital
IR Diode, IR Fotodiode
KO, Tongenerator
Anleitung:
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Bauen Sie einen IR Sender und einen IR Empfänger gemäss beiliegenden Schemata (Blatt )
auf und testen Sie die Übertragung.
Untersuchen Sie das Abstandsverhalten, die Durchlässigkeit von Stoffen und die Reflexion mit der
Sende – Empfangs – Einrichtung. Falls die Übertragung zu schwach ist, bauen Sie sich einen
Sender – Empfänger gemäss Blatt ).
Untersuchen Sie mit Ihrerm Empfänger, was eine Infrarot – Fernsteuerung übermittelt (ev. mit
Speicheroszilloskop).
15.05.2016 11:24:00/Sö
Physik Praktikum Tertia f
Projekt:
Analog – Digital - Wandler
Schüler:
Allgemeines:
Gehen Sie zuerst nach meiner Anleitung vor. Sie soll Sie schnell ins Thema einführen. Anschliessend
sind Ihre Ideen gefragt um das Thema zu erweitern, abzuändern, etc. Wenn Sie Ihre eigenen Ideen
verwirklichen, dann ist es besonders wichtig, dass Sie mich rufen bevor Sie Ihr Experiment unter
Strom setzen!
Material:
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VC-20
ADC Platine
Flachbandkabel zu Userport + Kästchen
ITT Kasten Holz
Föhn
Anleitung:
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Nehmen Sie den ADC am VC-20 gemäss beiliegender Anleitung in Betrieb und testen Sie.
Ersetzen Sie das Potentiometer durch einen NTC gemäss beiliegender Folie und testen Sie bei
verschiedenen Temperaturen.
Eichen Sie Ihre Einrichtung, so dass Sie am Bildschirm eine Temperatur anstelle des ADC Wertes
angeben können (beachten Sie, dass der Zusammenhang Widerstand / Temperatur nicht linear
ist!).
15.05.2016 11:24:00/Sö
Physik Praktikum Tertia f
Projekt:
Verstärker
Schüler:
Allgemeines:
Gehen Sie zuerst nach meiner Anleitung vor. Sie soll Sie schnell ins Thema einführen. Anschliessend
sind Ihre Ideen gefragt um das Thema zu erweitern, abzuändern, etc. Wenn Sie Ihre eigenen Ideen
verwirklichen, dann ist es besonders wichtig, dass Sie mich rufen bevor Sie Ihr Experiment unter
Strom setzen!
Material:
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Experimentierkasten ITT Holz
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Digitalmultimeter
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Plattenspieler
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Lautsprecher aus dem MSW Kasten
Oszillograf
Anleitung:
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Schliessen Sie den Plattenspieler direkt an den Lautsprecher an, nehmen Sie den Plattenspieler
in Betrieb und halten Sie den Lautsprecher ans Ohr. Hören Sie die Musik? Eventuell müssen Sie
den Lautsprecher ein- und ausstecken um zu unterscheiden ob der Ton vom Plattenspieler direkt
oder vom Lautsprecher kommt.
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Bauen Sie jetzt den zweistufigen Verstärker nach dem beiliegenden Schema auf. Zeigen Sie mir
Ihren Aufbau!
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Schliessen Sie den Plattenspieler am Eingang des zweistufigen Verstärkers und den Lautsprecher
am Ausgang an. Achtung: Wenn es schnarrt, dann ist eine Kabelverbindung nicht in Ordnung.
Bewegen Sie die Kabel. Es braucht einiges Fingerspitzengefühl in der Analogtechnik!
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Schliessen Sie den Oszillografen an den Ausgang des Verstärkers parallel zum Lautsprecher an.
Schauen Sie sich die Musik an, welche Sie hören!
Weitere Ideen:
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Mikrofon an Stelle des Plattenspielers
Regelung für die Verstärkung
Klänge ab Tongenerator
15.05.2016 11:24:00/Sö
Physik Praktikum Tertia f
Projekt:
ALU
Schüler:
Allgemeines:
Gehen Sie zuerst nach meiner Anleitung vor. Sie soll Sie schnell ins Thema einführen. Anschliessend
sind Ihre Ideen gefragt um das Thema zu erweitern, abzuändern, etc. Wenn Sie Ihre eigenen Ideen
verwirklichen, dann ist es besonders wichtig, dass Sie mich rufen bevor Sie Ihr Experiment unter
Strom setzen!
Material:
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Experimentierkasten MSW
Testplatine ALU
Netzberät 5V
Anleitung:
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Bauen Sie nochmals den 2 – bit – Addierer von früher auf um sich über die
Rechenschaltungen ins Bild zu setzen.
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Machen Sie aus dem Addierer einen Subtrahierer. Siehe dazu den beiliegenden Ausdruck der
Website der Uni München. Sehen Sie sich ev. direkt die Seite
http://www.nano.physik.uni-muenchen.de/elektronik/nav/k14t1.html an
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Jetzt soll der Rechner entweder addieren oder subtrahieren können. Die Wahl der
Rechenoperation soll über einen Schalter geschehen. Die entsprechende Schaltung finden Sie
wieder auf der obigen Website unter „Kombinierter Addierer/Subtrahierer.
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Damit haben Sie eine Ein – Bit – ALU gebaut. ALU = Arithmetic Logic Unit. Eine ALU kann
arithmetische oder logische Operationen durchführen, wobei eine Bitkombination bestimmt,
welche Operation durchgeführt wird. Bei Ihnen besteht die Bitkombination nur aus einem bit: Der
Stellung des Schalters, der Addition oder Subtraktion bestimmt. Die Bitkombination heisst auch
Maschinenbefehl. Eine moderne ALU kennt hundert oder mehr Maschinenbefehle, welche im
allgemeinen durch eine Kombination von 8 bit voneinander unterschieden werden.
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Die Logikschaltung 74F181 ist eine komplette 4-bit ALU.
Sie sollen diese ALU mit Hilfe einer Test – Platine
kennenlernen. Das beiliegende Schaltschema zeigt
Ihnen den Aufbau der Testplatine. Die ALU verarbeitet
die Operanden A und B, welche hier durch Schalter zu je
4 bit realisiert sind. Welche Operation die ALU
durchführt, bestimmt die Selection S, welche hier
ebenfalls durch einen 4 - bit Schalter realisiert ist. Im
beiliegenden Datenblatt finden Sie die Tabelle der
Operationen unter Operation Table. Das Resultat der
Operation wird über die Leitungen F ausgegeben. Diese
sind mit vier Leuchtdioden verbunden. Beachten Sie bitte
folgende Anmerkungen:
Anmerkungen:
1. Die Leuchtdiode ganz links zeigt das Carry Cn+4 an. Dieses carry wird auf 1 gesetzt, wenn sich
aus der Operation ein Übertrag ergibt. Aus technischen Gründen wird hier leider die Negation des
carry angezeigt: Die Diode leuchtet, wenn Cn+4 0 ist!
2. Die nächsten vier Dioden zeigen das Resultat S mit höchstwertigem bit links und niederstwertigem
bit rechts.
3. Diode Nr. 7 von links leuchtet, wenn die Schaltung betriebsbereit ist (PWR).
4. C0=Cn ist auf low (inactive) gesetzt. Dieses Carry In würde gebraucht, wenn man mehrere ALUs
zusammenschalten möchte um z.B. eine 8 – bit ALU zu realisieren. Die ALU mit den
höherwertigen bits würde hier den Übertrag von der ALU mit den tieferwertigen bits beziehen.
5. Der Mode Control Input M bestimmt ob eine logische oder eine arithmetische Operation
ausgeführt wird: 1 bedeutet logisch, 0 bedeutet arithmetisch. Man könnte also auch sagen, dass
die ALU 5 – bit breite Maschinenbefehle versteht. M stellen Sie mit dem Schalter rechts von S ein.
6. Die Ausgänge G und P werden für schnelle Carry Überträge verwendet und sind deshalb für uns
nicht interessant. Der Ausgang A=B ist ein Flag, welches hier nicht herausgeführt wurde. Falls Sie
wollen, können Sie das ergänzen und auch gleich den Cn+4 Ausgang invertieren. Bitte mit mir
besprechen.
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Testen Sie die ALU aus. Als Hilfe nachfolgend ein paar Fragen:
Fragen:
1. Können Sie z.B. 3+4 rechnen?
2. Wozu dient wohl die Operation F=A?
3. Eine der wichtigsten Operationen bei Maschinenbefehlen ist Decrement. Wie wird das hier
realisiert?
4. Wie werden negative Zahlen dargestellt? Stichwort: Zweierkomplement, siehe z.B.
http://de.wikipedia.org/wiki/Zweierkomplement
5. Welche logische Operationen kennt die ALU?
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Maschinenbefehl, Operanden (Summanden, etc.) und Resultat müssen während der Ausführung
der Operation zwischengespeichert werden in sogenannten Registern. ALU, Register und weitere
Steuerlogik zusammen bilden die CPU (= Central Processing Unit) eines Mikroprozessors, wie
zum Beispiel des Pentium. Setzen Sie sich mit Hilfe des Internet oder der Bibliothek weiter ins Bild
über das Zusammenspiel von ALU und CPU. Siehe z.B. .: http://de.wikipedia.org/wiki/CPU
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Ev. könnte aus diesem Projekt der Bau eines einfachen Prozessors resultieren?
Datenblatt 74F181:
http://www.fairchildsemi.com/ds/74/74F181.pdf
http://www.gte.us.es/ASIGN/CE_2T/p1/74F181.pdf
http://eshop.engineering.uiowa.edu/NI/pdfs/00/94/DS009491.pdf
15.05.2016 11:24:00/Sö
Physik Praktikum Tertia f
Projekt:
Solarzellen
Schüler:
Arbeitsplatz:
Allgemeines:
Es stehen Ihnen noch alle Praktika dieses Semesters für Ihr Projekt zur Verfügung. Gehen Sie zuerst
nach meiner Anleitung vor. Sie soll Sie schnell ins Thema einführen. Anschliessend sind Ihre Ideen
gefragt um das Thema zu erweitern, abzuändern, etc. Das kann auch bedeuten, dass sich der Titel
Ihres Projektes ändert – geben Sie mir solche Aenderungen bekannt. Wenn Sie Ihre eigenen Ideen
verwirklichen, dann ist es besonders wichtig, dass Sie mich rufen bevor Sie Ihr Experiment unter
Strom setzen!
Material:
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Demo – Solarzelle mit Propeller
Spotlampe
Solarzellenmodule des GF
Grosse Richtleuchte
Stativ und Befestigung
Ev. grosse Solarzelle mit Ladegerät
Anleitung:
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Nehmen Sie die Demo – Solarzelle in Betrieb gemäss der beiliegenden Anleitung.
Beleuchten Sie die Zelle aus verschiedenen Distanzen (nicht zu nahe – Schmelzgefahr!) und
Richtungen mit der Spotlampe.
Messen Sie Spannung und Strom der Demo – Solarzelle unter verschiedenen Bedingungen.
Führen Sie Messreihen mit den Solarzellen des GF durch, indem Sie entweder mit der Sonne
oder der grossen Richtleuchte beleuchten und eine oder mehrere der folgenden Grössen
variieren: Lichtintensität, Einfallswinkel, Lastwiderstand, ...
Setzen Sie sich an Hand von Literatur und/oder Internet ins Bild über die Funktionsweise von
Solarzellen.
Sprechen Sie Ihre mit den Gruppen Samuel + Lorenz und Singi ständig ab. Der Einstieg ist für alle
Gruppen gleich, aber dann sollte sich jede spezialisieren.
15.05.2016 11:24:00/Sö
Physik Praktikum Tertia f
Projekt:
Kennlinien
Schüler:
Halbklasse:
Arbeitsplatz:
Allgemeines:
Gehen Sie zuerst nach meiner Anleitung vor. Sie soll Sie schnell ins Thema einführen. Anschliessend
sind Ihre Ideen gefragt um das Thema zu erweitern, abzuändern, etc. Das kann auch bedeuten, dass
sich der Titel Ihres Projektes ändert – geben Sie mir solche Aenderungen bekannt. Wenn Sie Ihre
eigenen Ideen verwirklichen, dann ist es besonders wichtig, dass Sie mich rufen bevor Sie Ihr
Experiment unter Strom setzen!
Material:
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PC auf Wagen mit ULI Interface
Zwei Kabel mit DIN- und Bananenstecker bzw. Klemmen
MSW Experimentierkasten
Netzgerät
Kabel
Anleitung:
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Starten Sie den PC und starten Sie das Programm „Logger Pro“.
Stecken Sie den DIN Stecker des einen Kabels in die Buchse „DIN 1“ beim ULI: Das ULI mit dem
Messprogramm auf dem PC ist Ihr Voltmeter!
Bauen Sie mit dem MSW Kasten einen einfachen Stromkreis mit Netzgerät (5V) und 1 k Widerstand auf.
Messen Sie die Spannung über dem Widerstand mit dem ULI. Achtung: Roter Stecker bzw. rote
Klemme = +, blauer Stecker bzw. schwarze Klemme = -. Beachten Sie, dass im Programm unten
im Fenster laufend die aktuelle Spannung angezeigt wird als „Potential = “.
Schalten Sie einen 3.3 k Widerstand in Serie zum 1 k Widerstand. Messen Sie die
Spannungen über den einzelnen Widerständen und die Gesamtspannung. Stimmen die drei
Messungen mit der Theorie überein?
Stecken Sie den zweiten DIN Stecker bei „DIN 2“ ein. Wählen Sie im Programm „Setup“, „Sensors
...“ und „DIN 2“. Stellen Sie bei „Sensor“ „Voltage“ ein: Damit können Sie eine zweite Spannung
messen; Messen Sie die Spannung über dem 1 k Widerstand über „DIN 2“. Achtung: Sowohl
der blaue Stecker, als auch die schwarze Klemme müssen mit 0 V verbunden sein. Sie können
also nicht gleichzeitig die Spannung über beiden Widerständen messen, sondern nur über den
einen und die Gesamtspannung.
Eine Kennlinie ist ein Diagramm, in welchem Spannung gegen Strom aufgetragen werden.
Anstatt zwei Spannungen sollten wir also eine Spannung und einen Strom messen können. Wir
haben aber nur Voltmeter zur Verfügung. Wenn wir aber den Widerstand kennen, können wir den
Strom berechnen (lassen): Für Berechnungen brauchen Sie „Data“, „New Column“, „Formula“.
Unter „Options“ können Sie angeben wie die berechneten Daten dargestellt werden (Units =
Einheiten nicht vergessen!). Unter „Definition“ sagen Sie, was berechnet werden Soll: Wir wollen
den Strom durch den 1 k Wirderstand berechnen auf Grund der Spannung über diesen
Widerstand. Wählen Sie dazu unter „Variables“ „Potential_2“. Schreiben Sie bei „Equation“ hinter
„Potential_2“ / 1000 (wir dividieren die Spannung durch 1000 (Ohm), denn I = U/R! Es gibt noch
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eine einfachere Version: Sie dividieren nicht durch tausend und schreiben den Strom mit mA an
anstatt A.
Wir messen also den Strom mit Hilfe des 1 k Widerstandes. Solange keine Verzweigung im
Stromkreis ist, ist dies auch der Strom durch alle andern Schaltelemente, z.B. der Strom durch
den andern Widerstand. Die Spannung über den andern Widerstand können wir nicht direkt
messen, mit „Potential_1“ messen wir die Gesamtspannung. Also machen Sie nochmals eine
„New Column“ und berechnen Sie dort „Potential_1“ minus „Potential_2“.
Die Darstellung der beiden neu berechneten Kolonnen stellen Sie ein über „View“, „Graph
Options“. Wählen Sie bei „Axis Options“ unter „Y Axis“ die Kolonne mit dem Strom und unter „X
Axis“ die Kolonne mit der Spannung.
Damit im Graphen etwas vernünftiges zu sehen ist, sollten sich Strom und Spannung ändern. Also
ergänzen Sie Ihre Schaltung so, dass Sie mit einem 0 – 10 k Potentiometer die Spannung, die
an den beiden Widerständen anliegt zwischen 0 und 5 V verändern können.
Mit der Taste „Collect“ können Sie nun eine Messreihe starten. Drehen Sie während der Messung
das Potentiometer langsam om einen Anschlag in den andern. Drücken Sie dann auf „Stop“.
Haben Sie eine schiefe Gerade gekriegt?
Ersetzen Sie den 3.3 kW Widerstand durch eine Diode – das gibt schon eine interessantere
Kennlinie!
In der Standardeinstellung werden nach „Collect“ laufend Messungen durchgeführt. Sie können
aber selber bestimmen, wann eine Messung gemacht wird: Wählen Sie "Setup“, „Data Collection
...“, „Selected Events“: So werden nach „Collect“ dann Messungen durchgeführt wenn Sie
entweder auf „Keep“ klicken oder die Eingabetaste drücken bis sie „Stop“ klicken.
Beachten Sie folgende weitere Möglichkeiten des Programms: Mit „Edit“, „Copy Graph“ können
Sie die Grafik in die Zwischenablage speichern und dann z.B. in Word einfügen. Mit „File“, „Save“
können Sie Ihre momentanen Einstellungen abspeichern für ein nächstes Mal. Mit „Analyze“
können Sie die Daten analysieren: Statistik betreiben und mathematische Funktionen Ihren Daten
anpassen etc. Mit „Tangent“ können Sie z.B. die Tangente an die Kurve legen. Die Tangente gibt
Ihnen den Kehrwert des Widerstandes in einem Punkt – und der ist bei einer Diode veränderlich!
Besprechen Sie mit mir, welche weiteren Schaltelemente Sie untersuchen wollen (z.B.
Zenerdiode). Eventuell könnten Sie auch Kennlinien – Scharen eines Transistors aufnehmen.
Diodenkennlinie:
30.3.04/Sö
Physik Praktikum Tertia f
Projekt:
Operationsverstärker
Schüler:
Arbeitsplatz:
Allgemeines:
Gehen Sie zuerst nach meiner Anleitung vor. Sie soll Sie schnell ins Thema einführen. Anschliessend
sind Ihre Ideen gefragt um das Thema zu erweitern, abzuändern, etc. Das kann auch bedeuten, dass
sich der Titel Ihres Projektes ändert – geben Sie mir solche Aenderungen bekannt. Wenn Sie Ihre
eigenen Ideen verwirklichen, dann ist es besonders wichtig, dass Sie mich rufen bevor Sie Ihr
Experiment unter Strom setzen!
Material:
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Experimentierkasten ITT (Holz)
Datenblatt zu Operationsverstärker 741
Multimeter
Anleitung:
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Nehmen Sie den Experimentierkasten in Betrieb.
Suchen Sie den Operationsverstärker (siehe Symbol
rechts). Verbinden Sie +UB mit der oberen roten
Stromschiene (+ 12 V) und - UB mit der unteren
schwarzen Stromschiene (- 12 V): Der
Operationsverstärker (OpAmp) ist betriebsbereit.
Die Funktion ist folgende: Die Spannungsdifferenz zwischen dem „Non – inverting input“ und dem
„Inverting input“ wird theoretisch beliebig stark verstärkt und erscheint am „Output“.
Als erstes nehmen Sie eine Justierung vor: Wenn die Spannungsdifferenz am Eingang null ist,
sollte die Ausgangsspannung auch null sein. Das ist in Realität meist nicht ganz der Fall. Daher ist
auf dem Baustein auch ein Potentiometer, das Sie mit einem Schraubenzieher einstellen können.
Die Schaltung für diese Justierung finden Sie auf dem beiliegenden Blatt „Operationsverstärker
Offsettabgleich“. Eine Einstellung auf +/- 0.1 V genau genügt.
Verstärkungsfaktor: Es ist Ihnen sicher
aufgefallen, dass bei der vorigen
Schaltung ein Widerstand (1 m) vom
Ausgang zurück zum Eingang geht. Das
ist eine Rückkopplung. Mit Hilfe der
Rückkopplung können Sie die Verstärkung
verändern. Das Verhältnis der
Widerstände in der Figur rechts gibt den
Verstärkungsfaktor. In diesem Beispiel ist
also vout zehn mal so gross wie vin. Damit
Sie vin einstellen können, verbinden Sie
diesen Anschluss nicht mit 0V, sondern
mit dem mittleren Anschluss eines 10 k
Potentiometers. Die beiden Anschlüsse
des Potentiometers verbinden Sie mit + 12 V und - 12 V. Messen Sie vin und vout je mit einem
Potentiometer. Hoppla: Sobald die Eingangsspannung ganz wenig von 0 V abweicht, ist der
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Verstärker schon übersteuert, weil Sie eine riesige Verstärkung von 1000 haben, falls Sie immer
noch den 1 M Widerstand verwenden. Sie können feiner einstellen, wenn Sie das Potentiometer
nicht direkt, sondern je über einen 100 k Widerstand mit der Stromversorgung verbinden.
Ersetzen Sie den 1 M Widerstand durch einen 10 k Widerstand wie in der Figur und prüfen Sie
den Verstärkungsfaktor. Sie können den Verstärkungsfaktor auch variabel machen mit einem
Potentiometer in Serie zum Rückkopplungswiderstand.
Ein Operationsverstärker kann auch verwendet werden um etwas ein- und auszuschalten, je
nachdem ob eine Spannung grösser oder kleiner als eine andere Spannung ist. Eine solche
Schaltung nennt man Komparator. Siehe dazu die beiliegende Anleitung „“Operationsverstärker
als Komparator“.
Sie haben damit den OpAmp etwas kennen gelernt. Genauere Angaben zum verwendeten
OpAmp finden Sie im beiliegenden Datenblatt und wenn Sie noch genaueres wissen möchten,
können Sie im Buch „Halbleiter Schaltungstechnik“ von Tietze – Schenk Seiten 479ff bzw. 769ff
nachsehen.
Es kann jetzt in drei verschiedenen Richtung weitergehen, indem Sie den OpAmp für eine der drei
folgenden Anwendungen einsetzen:
1. Sie bauen einen Audioverstärker
2. Sie bauen einen Analogrechner
3. Sie steuern einen Motor mit Licht.
Bitte besprechen Sie das „wie weiter“ mit mir!
30.3.04/Sö
Physik Praktikum Tertia f
Projekt:
555
Schüler:
Allgemeines:
Gehen Sie zuerst nach meiner Anleitung vor. Sie soll Sie schnell ins Thema einführen. Anschliessend
sind Ihre Ideen gefragt um das Thema zu erweitern, abzuändern, etc. Wenn Sie Ihre eigenen Ideen
verwirklichen, dann ist es besonders wichtig, dass Sie mich rufen bevor Sie Ihr Experiment unter
Strom setzen!
Material:



Experimentierkasten MSW
Testplatine ALU
Netzberät 5V
Anleitung: