Physikpraktikum
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Physikpraktikum Hinweise: Material: Elektronikkasten (Grundplatte, 3 Boxen mit Komponenten, Laborkabel, Multimeter). Falls Sie unsicher sind, ob Ihre Schaltung korrekt ist, rufen Sie mich, bevor Sie die Schaltung mit der Batterie verbinden. Machen Sie sich Notizen zu Ihren Beobachtungen und Erkenntnissen. Bei den meisten Aufgaben zeichnen Sie sich das Schaltschema nachdem Sie die Schaltung aufgebaut haben. Lesen Sie die Hinweise bevor Sie die Schaltung aufbauen und die Infos bevor Sie die Schaltung abbauen. Fragen Sie mich, wenn Ihnen nicht klar ist, was Sie bei einem Experiment lernen sollen. Drehen Sie die Grundplatte so, dass die Metallbänder (=Stromschienen) oben und unten sind. Legen Sie die Batterie links auf die Platte, verbinden Sie "+ 0V" der Batterie mit einem Kabel mit der oberen Stromschiene und "- 4.5V" mit der unteren. Bauen Sie Ihre Schaltung rechts auf der Platte auf, möglichst ohne weitere Kabel zu verwenden. Es hat Komponenten, die einfache Leitungen sind; verbinden Sie die Komponenten mit Metallbügeln. Viel Spass! 1. Stromkreis Aufgabe 1: Bringen Sie ein Lämpchen zum leuchten. Symbole: Leitung: Batterie: Lampe: Hinweise: Bauen Sie die Schaltung auf. Zeichnen Sie dann das Schaltschema im Rahmen auf der nächsten Seite: Zeichnen Sie nicht das Bild auf der Grundplatte, sondern nur die Symbole und ihre Verbindungen. Die Leitungen sind immer gerade Linien, die entweder horizontal oder vertikal verlaufen. Die Ringe (Anschlüsse) der Komponenten zeichnen Sie nicht. Lesen Sie anschliessend die Infos. Schaltschema: Physikpraktikum: Elektronik Stromkreis: Infos: Vergleichen Sie Elektrizität mit Wasser: Stellen Sie sich einen geschlossenen Wasserkreislauf vor (siehe Figur unten). Das Wasser in einem Röhrensystem wird durch eine Pumpe in Bewegung versetzt. Das bewegte Wasser bewirkt, dass eine Turbine in Bewegung versetzt wird. In der Analogie sieht die Sache so aus: Elektrische Ladungen (= Wasser) werden in einem Röhrensystem (= elektrische Leiter) durch eine Batterie (= Pumpe) in Bewegung versetzt. Es fliesst ein elektrischer Strom (= Wasserfluss). Der Strom kommt dadurch zustande, dass zwischen den beiden Anschlüssen der Batterie eine Spannung (= Druckdifferenz) herrscht. Fliesst der Strom durch das dünne Drähtchen einer Glühlampe (= Turbine), so glüht dieses auf (= Turbine dreht). Es geschieht nur etwas bei geschlossenem Kreislauf! Glühlampe: Sehen Sie sich das Lämpchen genauer an: Wo fliesst der Strom hindurch? Beachten Sie den feinen Draht: Er besteht aus Wolfram und wird durch den elektrischen Strom auf ca. 2500 °C erhitzt und glüht. Der Wirkungsgrad ist bei dieser Temperatur nur etwa 1 – 2 %, etwa 98 % der elektrischen Energie wird in Wärme umgewandelt. Besser ist der Wirkungsgrad bei höherer Temperatur, aber da beginnt Wolfram zu schmelzen. Bei Halogenlampen wird dies verhindert, indem das Glasgefäss mit einem Halogengas gefüllt wird. Sie lernen später Lampen mit wesentlich besserem Wirkungsgrad kennen. Für zu Hause: Hier finden Sie die Antwort auf die Frage, wie Physiker eine Glühbirne wechseln: http://cassio.gamecrash.net/gluehbirne.php oder wenn nicht mehr vorhanden hier: http://www2.dgb.ch/users/soe/Physik/Elektronik/praktikum/gluehbirne.html Seite 2 Physikpraktikum: Elektronik 2. Parallelschaltung - Serieschaltung Aufgabe 2: Bringen Sie zwei Lämpchen zum Leuchten. Es gibt zwei Möglichkeiten: Parallelschaltung (die beiden Lämpchen sind nebeneinander) und Serieschaltung (die beiden Lämpchen sind hintereinander. Symbol: Kreuzung, Verzweigung: Beachten Sie den Punkt in der Verzweigung. Ist kein Punkt vorhanden, berühren sich die beiden Leiter nicht! Hinweise: Bauen Sie zuerst die Parallel- und dann die Serieschaltung auf. Vergleichen Sie die Helligkeit von Einzellämpchen sowei parallel und in Serie geschalteten Lämpchen. Schaltschema: Parallelschaltung: Serieschaltung: Info: Sind die Lampen in der Hausinstallation parallel oder in Serie geschaltet? In der Hausinstallation sind alle Verbraucher ______________________ geschaltet. Begründung: ________________________________________________. Seite 3 Physikpraktikum: Elektronik 3. Logikschaltung Aufgabe 3: Mit einem Schalter soll ein Lämpchen ein- und ausgeschaltet werden können. Symbole: Ein- Ausschalter: Umschalter: Hinweis: Der Experimentierkasten enthält nur Umschalter. Jeder Umschalter kann als Ein- Ausschalter verwendet werden, indem der dritte Anschluss "ins Leere" geht! Aufgabe 4: Das Lämpchen soll leuchten, wenn Schalter 1 und Schalter 2 eingeschaltet sind (UND Schaltung). Aufgabe 5: Das Lämpchen soll leuchten, wenn Schalter 1 oder Schalter 2 eingeschaltet sind (ODER Schaltung). Schaltschema: UND: ODER: Infos: Das sind natürlich nicht sinnvolle Schaltungen für eine Hausinstallation! Sie führen ein in die Thematik der Logikschaltungen, die wir in der Digitaltechnik verwenden werden. Beachten Sie, dass Schalter und Lämpchen immer nur in einem von zwei Zuständen sein können, entweder ein oder aus. In der Digitaltechnik werden wir den Zustand "ein" symbolhaft mit "1" bezeichnen und "aus" mit "0". Seite 4 Physikpraktikum: Elektronik Die zwei Schalter realisieren eine logische Verknüpfung: Bei Aufgabe 4 ist der "Ausgang" (= Lampe) ist genau dann "1", wenn der eine und der andere Eingang (= Schalter "1" ist. Wir nennen dies eine UND – Verknüpfung (englisch AND). Es ist üblich in der Digitaltechnik, alle Zustände, welche die Schaltung einnehmen kann, in einer Tagelle, der sogenannten "Wahrheitstabelle" aufzuschreiben. Füllen Sie die nachfolgenden Wahrheitstabellen aus, indem Sie jeweils den Zustand "ein" mit 1 und den Zustand "aus" mit 0 bezeichnen: Wahrheitstabellen: UND (AND) Schalter 1 Schalter 2 ODER (OR) Lämpchen Schalter 1 Schalter 2 Lämpchen Aufgabe 6: Das Lämpchen soll leuchten, wenn der Schalter ausgeschaltet ist (NICHT – Schaltung). Symbol: Relais: Hinweise: Das ist natürlich für die Raumbeleuchtung wieder eine absolut unsinnige Einrichtung. Für die Digitaltechnik wird aber die NICHT – Verknüpfung (englisch NOT) gebraucht: Aus einer 0 muss man eine 1 machen können und umgekehrt. Diese Schaltung kann mit den normalen Schaltern allein nicht realisiert werden, Sie brauchen zusätzlich ein Relais. Das Relais ist ein Schalter, welcher elektrisch betätigt wird: Der Umschalter (rechts im Symbol und im Bild nebenan) ist in der gezeichneten Position (Ruhezustand), wenn von A1 nach A2 kein Strom fliesst. Wenn aber ein Strom fliesst, verbindet der Schalter die Anschlüsse C und A. Zwischen A1 und A2 ist eine Spule (aufgewickelter Draht), welche als Elektromagnet wirkt und so den Schalter betätigt. Beobachten Sie die kleine Bewegung beim Umschalten des Relais. Die ersten Digitalschaltungen wurden mit Relais realisiert. Später wurden Röhren verwendet und jetzt verwendet man Transistoren um die selben logischen Verknüpfungen zu erreichen. Sie brauchen zwei Stromkreise: Im einen ist der Umschalter und im andern das Lämpchen, welches vom Relais ein- und ausgeschaltet wird. Erstellen Sie auch hier nachfolgend Schaltschema und Wahrheitstabelle. Seite 5 Physikpraktikum: Elektronik Schaltschema: NICHT: Wahrheitstabelle: NICHT (NOT) Schalter Lämpchen Hinweis: Wenn Sie Lust haben, können Sie das Relais auch missbrauchen und einen Summer machen (Relais schaltet so schnell wie möglich ein und aus). Aufgabe 7: Ein Lämpchen soll von zwei Schaltern aus unabhängig ein- und ausgeschaltet werden können ("Treppenhausschaltung"). Hinweise: Die Schaltungen von vorhin wären ja für die Beleuchtung zu Hause nicht sehr sinnvoll. Stellen Sie sich vor, Ihre Nachttischlampe würde nur dann leuchten, wenn der Schalter auf dem Nachttisch und der bei der Zimmertüre eingeschaltet wären! Die vorherigen Schaltungen waren ja auch nur Vorbereitung auf die Digitaltechnik. Dies hier wäre nun eine sinnvolle Schaltung. Es handelt sich um eine eher knifflige Aufgabe, die Sie aber mit Batterie, Lampe, Leitungen und den beiden Umschaltern lösen können. Versuchen Sie's. Wenn nötig, werde ich Ihnen Hinweise geben. Seite 6 Physikpraktikum: Elektronik Schaltschema: Treppenhausschaltung: Info: Eine Treppenhausschaltung mit mehr als zwei Schaltern lässt sich mit unseren Schaltern nicht realisieren, da wären Kreuzschalter oder Relais nötig. 4. Messen Aufgabe 8: Lesen Sie zuerst die Hinweise und messen Sie dann die Stromstärke durch ein Lämpchen. Symbol: Ampèremeter: Hinweise: Auch in der Elektrizitätslehre braucht man physikalische Grössen um Messergebnisse anzugeben und Berechnungen durchzuführen. Wir gehen von zwei neuen physikalischen Grössen aus: Die elektrische Ladung (Abkürzung Q) ist die Elektrizitäts – Menge (in der Analogie zu Wasser: die Wassermenge). Die Einheit der Ladung ist das Coulomb (abgekürzt C). So wie jede Wassermenge aus einzelnen Wassermolekülen besteht, so besteht auch die Ladung aus einzelnen kleinsten Teilen, nämlich der Ladung eines Elektrons oder Protons. Jedes Proton hat eine Ladung von 1.6 . 10-19 C. Ein Elektron hat gleichviel Ladung, nur negativ. Die Ladung des Protons wird auch Elementarladung (Abkürzung e) genannt. Die elektrische Stromstärke (Abkürzung I) gibt an, wieviel Ladung pro Zeit an einer bestimmten Stelle in einer Schaltung vorbeigeht (Wasser: die Wassermenge pro Zeit, häufig angegeben in Liter pro Minute). Die Stromstärke (oft auch einfach Strom) ist die Basisgrösse der Elektrizitätslehre. Die Einheit der Stromstärke ist das Ampère (Abkürzung A). Es gilt also: für die Grössen: I=Q/t und für die Einheiten: A=C/s Seite 7 Physikpraktikum: Elektronik André Marie Ampere (1775-1836) Beachten Sie, dass Ihr Messgerät ein Multimeter ist und somit neben Strom auch Spannung und Widerstand messen kann. Das Multimeter muss demnach zuerst mit dem grossen runden Schalter auf die richtige Messgrösse, in unserem Falle Strom (Einheit Ampère) eingestellt werden. Es gibt zwei Bereiche, die mit A angeschrieben sind, der eine mit DC, der andere mit AC. DC bedeutet "direct current" (Gleichstrom), AC bedeutet "alternating current" (Wechselstrom). Da unsere Batterie Gleichstrom liefert, stellen Sie auf DCA. Sie dürfen den Bereich nicht wechseln, sonst könnte das Messgerät zerstört werden. Innerhalb eines Messbereichs können Sie ruhig von einer Position zur andern schalten. Der Strom, der durch das Lämpchen fliesst, muss auch durch das Ampèremeter fliessen. Dieses muss also in Serie zum Lämpchen geschaltet werden. Der eine Anschluss am Messgerät ist logischerweiste mit A angeschrieben. Der andere ist der, welcher mit COM angeschrieben ist (= common = gemeinsam). Bauen Sie die Schaltung auf. Lassen Sie sie von mir prüfen bevor Sie mit der Batterie verbinden. Lesen Sie den Messwert ab und notieren Sie ihn. Untersuchen Sie, welche Bedeutung die verschiedenen Positionen innerhalb eines Messbereichs haben. Vertauschen Sie auch die Anschlüsse bei A und COM. Strom durch das Lämpchen: I = _____________ A Bedeutung der Einstellung im Bereich: _______________________________________________ _____________________________________________________________________________. Bedeutung des Vorzeichens: ______________________________________________________. Schaltschema: Strommessung: Aufgabe 9: Lesen Sie zuerst wieder die Hinweise und messen Sie dann die Spannung über dem Lämpchen. Symbol: Voltmeter: Seite 8 Physikpraktikum: Elektronik Alesandro Volta (1745-1827) Hinweise: So wie es bei einem Wasserkreislauf nicht nur darauf ankommt, wie gross der Wasserfluss ist, sondern auch wie gross die Druckdifferenzen sind, so kommt es beim Stromkreis neben dem Strom auch auf die Spannung an. Die Druckdifferenz entspricht der Spannung, abgekürzt U. Die Einheit der Spannung ist Volt, abgekürzt V. Druck mal Wasserfluss ist ein Mass für die Leistung beim Wasser. So ist auch Strom mal Spannung die Leistung P im Stromkreis (Einheit Watt, W). Es gilt also: für die Grössen: P=U.I und für die Einheiten: Das Multimeter muss jetzt auf DCV gestellt werden und es müssen die Anschlüsse COM und V / verwendet werden. Aber Achtung: Es soll jetzt die "Druckdifferenz" zwischen vor und nach dem Lämpchen gemessen werden. Sie müssen also das Voltmeter parallel zum Lämpchen schalten. Rufen Sie mich wieder bevor Sie mit der Batterie verbinden. Messen Sie dann die Spannung, berechnen Sie die Leistung und zeichnen Sie das Schaltschema: W=V.A James Watt (1736 – 1819) Spannung über dem Lämpchen: U = _____________ V Leistung des Lämpchens: P = U . I = _________ V . _________ A = __________W Schaltschema: Spannungsmessung: Infos: Die Spannung ist immer eine Differenz. Wenn wir also die Spannung an einer bestimmten Stelle in der Schaltung angeben, müssen wir festlegen, wo die Spannung null ist. Im Normalfall ist das die negative Seite der Stromversorgung. Obschon bei unserer Batterie die Anschrift 0 V und – 4.5 V bzw. – 9 V lautet, werden wir den negativen Anschluss jeweils mit 0 V bezeichnen und die andern Anschlüsse mit + 4.5 V bzw. + 9 V. Analogie: Wir können sagen, der Pausenplatz sei auf der Höhe null und unser Zimmer auf der Höhe + 5 m. Andererseits können wir sagen, unser Zimmer sei auf der Höhe null und der Pausenplatz auf der Höhe – 5 m. Beim Herunterfallen kommt es nur auf die Höhendifferenz an ;-)). Seite 9 Physikpraktikum: Elektronik Haben Sie bemerkt, dass das Voltmeter eine positive Spannung anzeigt, wenn die V mit der positiven Seite und COM mit der negativen Seite verbunden ist? Wenn nicht, testen Sie! Der elektrische Strom fliesst immer von plus nach minus, also dem Elektronenstrom gerade entgegengesetzt. Das rührt daher, dass die Elektronen eine negative Ladung haben. Und das hat man dummerweise so festgelegt, weil man bei der Festlegung noch nichts von Elektronen wusste! Aus dem Tagebuch eines Elektronikers: "Wer misst, misst Mist" 5. Ohm'sches Gesetz Georg Simon Ohm (1787-1854) Aufgabe 10: Berechnen Sie mit Hilfe der soeben gemessenen Werte für Spannung und Strom den Widerstand des Lämpchens. Hinweise: So wie in einem Wasserkreislauf die Dicke der Röhren etc. bestimmen, wie gross der Wasserfluss ist bei gegebener Druckdifferenz, so bestimmen im Stromkreis Schaltelemente, wieviel Strom bei gegebener Spannung fliesst, sie bestimmen das Verhältnis Spannung zu Strom, das wir Widerstand, abgekürzt R, nennen. Die Einheit des Widerstandes ist das Ohm, abgekürzt. Es gilt also: für die Grössen: R=U/I und für die Einheiten: =V/A Berechnen Sie den Widerstand des Lämpchens: Widerstand Lämpchen berechnet: R = __________________________________ = ________ Aufgabe 11: Messen Sie den Widerstand des Lämpchens. Symbol: Ohmmeter: Hinweise: Das Multimeter kann einen Widerstand auch direkt messen. Aber Achtung: Eigentlich schickt in diesem Fall das Messgerät einen bestimmten Strom durch das Schaltelement, misst die Spannung und berechnet den Widerstand. Es ist also weder nötig noch erlaubt, dass bei einer solchen Messung die Batterie im Spiel ist! Bei einer Widerstandsmessung darf also der Stromkreis nur aus dem zu bestimmenden Schaltelement (hier das Lämpchen), dem Messgerät und Leitungen bestehen. Um zu vermeiden, dass Sie versehentlich das Messgerät zerstören, drehen Seite 10 Physikpraktikum: Elektronik Sie den Schalter nach jeder Widerstandsmessung wieder in einen anderen Messbereich. Messen Sie den Widerstand des Lämpchens und zeichnen Sie das Schaltschema: Widerstand des Lämpchens gemessen: R = ____________________ Schaltschema: Widerstandsmessung: Info: Vergleichen Sie den berechneten (Aufgabe 10) und den gemessenen (Aufgabe 11) Widerstand des Lämpchens. Warum der grosse Unterschied? Temperaturabhängigkeit des Widerstandes bei Metallen: ________________________________ _____________________________________________________________________________. Aufgabe 12: Überprüfen Sie den Widerstandswert eines Widerstandes (oder auch mehrerer). Symbol: Widerstand: Hinweise: Beachten Sie, dass das Wort Widerstand zwei Bedeutungen hat: Erstens ist es eine physikalische Grösse, die dem Verhältnis Spannung zu Stromstärke entspricht. Andererseits ist es aber auch die Bezeichnung einer Komponente in einer Schaltung, die den einzigen Zweck hat, einen bestimmten Widerstandswert zu haben. Man braucht Widerstände um den Stromfluss zu dosieren. Beispiele: Widerstände Seite 11 Physikpraktikum: Elektronik Sie können den Widerstandswert kontrollieren, indem Sie entweder Spannung und Strom Messen und den Widerstand berechnen oder den Widerstand direkt messen – wie beim Lämpchen. Infos: Schauen Sie auch unter die rote Box: Sie sehen dann das eigentliche Schaltelement, hier den Widerstand. Gewöhnen Sie sich an, auch sonst nachzusehen, wie das Schaltelement aussieht. Haben Sie die Batterien, die Leitungen und die Schalter gesehen? Widerstandscode: Der Widerstandswert ist auf den Widerständen meist nicht als Zahlenwert, sondern als Farbencode angeschrieben. Die folgende Tabelle hilft Ihnen zu kontrollieren, ob die Widerstände richtig angeschrieben sind. Oft ist es schwierig herauszufinden, auf welcher Seite die Ringe beginnen, manchmal hilft der grössere Abstand zum letzten Ring. Toleranz: Der wahre Wert des Widerstandes darf innerhalb der Toleranz variieren. Widerstände mit grosser Toleranz sind billig in der Herstellung und kosten nur ein paar Rappen. Üben Sie die Bestimmung des Widerstandswertes mit Hilfe des Farbencodes bei ein paar Widerständen. Die Lösung ist ja jeweils oben auf der Box angeschrieben! Seite 12 Physikpraktikum: Elektronik 6. Serie- und Parallelschaltung von Widerständen Aufgabe 13: Schalten Sie zwei Widerstände in Serie und messen Sie den Gesamtwiderstand. Hinweise: Vergleichen Sie den Wert des Gesamtwiderstandes mit den Einzelwiderständen. Was fällt auf? R1 = ___________________ , R2 = ____________________ , R = _____________________ Infos: Sie sollten herausgefunden haben, dass sich die Widerstandswerte bei Serieschaltung addieren: Serieschaltung: R = R1 + R2 + ... Aufgabe 14: Schalten Sie zwei Widerstände parallel und messen Sie den Gesamtwiderstand. Hinweise: Vergleichen Sie den Wert des Gesamtwiderstandes mit den Einzelwiderständen. Was fällt auf? R1 = ___________________ , R2 = ____________________ , R = _____________________ Infos: Diesmal ist der Zusammenhang weniger leicht zu sehen: Jeder zusätzliche Widerstand bewirkt, dass mehr Strom fliessen kann. Der Widerstand wird also kleiner. Es addieren sich diesmal die Kehrwerte der Widerstände! Parallelschaltung: 1 1 1 = + + ... R R1 R2 Rechnen Sie nach, ob der von Ihnen gemessene Gesamtwiderstand innerhalb der Genauigkeit der Messung korrekt ist. Beachten Sie, dass Sie bei der Addition den Kehrwert des Gesamtwiderstandes erhalten. Um den Gesamtwiderstand selber zu kriegen, müssen Sie also wieder den Kehrwert bilden! 1 R1 = ___________________ , R2 = ____________________ , R = ______________________ R = ____________________ Seite 13 Physikpraktikum: Elektronik Aufgabe 15: Finden Sie heraus, wie ein Potentiometer funktioniert. Symbol: Potentiometer: Hinweise: Das Potentiometer ist ein Widerstand mit drei Anschlüssen. Am besten messen Sie den Widerstand zwischen dem Anschluss mit dem Pfeil und den andern Anschlüssen gleichzeitig mit zwei Ohmmetern und drehen dann am Knopf. Ich zeige Ihnen ein Potentiometer, bei welchem man gut sieht, was innen drin geschieht – rufen Sie mich! Potentiometer funktionieren folgendermassen: ____________________________________________ _________________________________________________________________________________. Sie dienen als _____________________________________________________________________. "Eselsbrücke URI": Aus dem Tagebuch eines Elektronikers: "Was immer hinunterfällt, rollt mit Sicherheit an die am schwierigsten zugängliche Stelle" (Murphys Law) Seite 14 Physikpraktikum: Elektronik Hausaufgaben: Bis zum nächsten Praktikum Text Kirchhoff'sche Gesetze lesen und Übungen lösen. Kirchhoff'sche Gesetze: Knotenregel: Bei einer Verzweigung (Knoten) ist die Summe aller Ströme null. Zufliessende Ströme werden positiv, wegfliessende negativ gerechnet. Wäre dies nicht der Fall, würden sich im Knoten Ladungen ansammeln oder es müssten Ladungen aus dem Nichts entstehen! I1 + I2 + I3 + ... + In = 0 Maschenregel: Entlang einer Masche (geschlossener Weg in der Schaltung) ist die Spannung null. Man muss einen Umlaufsinn festlegen um zu definieren, welche Spannungen positiv und welche negativ sind. In der Figur ist z.B. die Spannung der Batterie positiv und die Spannungen über den Widerständen sind negativ. U1 + U2 + U3 + ... + Un = 0 Übung 1: Sie stecken zu Hause eine Lampe an die Steckdose. Wie gross ist der elektrische Strom, welcher durch die 40 W Glühbirne dieser Lampe fliesst? Wie gross ist der Widerstand des Drahtes in der Glühbirne? Übung 2: Sie schalten zwei Widerstände von je 1k in Serie. Wie gross ist der Gesamtwiderstand? Sie schalten zwei Widerstände von je 1k parallel. Wie gross ist der Gesamtwiderstand? Übung 3: Berechnen Sie für die Schaltung nebenan Den Gesamtwiderstand aller drei Widerstände. Den Strom durch den 1 k Widerstand. Die Spannung über dem 1 k Widerstand. Den Strom durch den 2 k Widerstand. Den Strom durch den 3 k Widerstand. Seite 15 Physikpraktikum: Elektronik Lösungen: 1. a) P = U . I ; I = P / U = 40 W / 230 V = 40 VA / 230 V = 0.174 A b) R = U / I = 230 V / 0.174 A = 1323 V / A = 1323 2. R = R1 + R2 = 1 k + 1 k = 2 k 1/R = 1/R1 + 1/R2 = 1/1k + 1/1k = 2/1k ; R = 1 k/2 = 500 3. 1 1 1 1 1 3 2 5 R23 = R2 + R3 = 2 k + 3 k = 6 k + 6 k = 6 k ; R23 = 6/5 k = 1.2 k ; R = R1 + R23 = 1 k + 1.2 k = 2.2 k U 5V I=R = 2.27 mA 2.2 k U1 = R1 . I = 1 k . 2.27 mA = 2.27 V U23 2.73 V U23 = U – U1 (Maschenregel) ; U23 = 5 V – 2.27 V = 2.73 V ; I2 = R = = 1.37 mA 2 2 k I3 = I – I2 (Knotenregel) ; I3 = 2.27 mA – 1.37 mA = 0.9 mA 7. Halbleiter Der elektrische Widerstand ist sehr stark abhängig vom Material, durch welches der Strom fliessen soll. Beispiel: Ein 1 m langer Draht aus Kupfer mit einer Querschnittfläche von 1 mm 2 hat einen Widerstand von ca. 0.01 . Stellt man einen Draht mit den selben Abmessungen aus Glas her, so hat er einen Widerstand von ca. 1014 . Der Unterschied beträgt 16 Zehnerpotenzen! Ein Material wie Kupfer nennen wir einen elektrischen Leiter, Materialien wie Glas nennen wir Isolatoren. Fast immer gibt’s ja auch Dinge, die weder Fisch noch Vogel sind. So auch hier: Halbleiter sind Materialien, deren Widerstand irgendwo zwischen dem von Leitern und dem von Isolatoren ist. Der berühmteste Halbleiter ist Silizium. Ich schätze, dass über 90 % der modernen elektronischen Komponenten auf Silizium aufbauen. Ein Siliziumdraht wie oben hat einen Widerstand von 10 9 . Aufgabe 16: Testen Sie einen Halbleiter, der lichtempfindlich ist, einen Fotowiderstand (= LDR = light dependent resistor). Symbol: LDR: Hinweise: Schalten Sie Halbleiter, LDR, ein Ampèremeter und einen Schutzwiderstand (1 k oder 3 k) in Serie. Seite 16 Physikpraktikum: Elektronik Messen Sie den Strom und tragen Sie den Wert für "hell" (Zimmerbeleuchtung) und "dunkel" (Hand auf dem LDR) unten ein. Berechnen Sie den Gesamtwiderstand Ihrer Schaltung mit Hilfe des gemessenen Stromes und der Batteriespannung (diese nachmessen!). Berechnen Sie den Widerstand des LDR (er ist in Serie zum Schutzwiderstand!). Schaltschema: LDR: Messwerte und Berechnungen: Batteriespannung U: ___________________ "hell" "dunkel" ___________________ ___________________ Gesamtwiderstand RG: ___________________ ___________________ Widerstand LDR RLDR: ___________________ ___________________ Strom I: Prinzipiell hängt der Widerstand eines Halbleiters folgendermassen von der Lichtintensität ab: ________________________________________________________________________________. Infos: Beachten Sie, dass Sie die Skala des Ampèremeters durch eine Helligkeitsskala ersetzen könnten und damit einen Belichtungsmesser gebaut hätten. Offenbar bewirkt das Licht, dass sich die Elektronen besser im Halbleiter bewegen können: Es gibt ihnen die nötige Energie, damit sie sich von ihren Atomen "befreien" können. Haben Sie sich den Fotowiderstand genau angesehen? Der Mäander ist der lichtempfindliche Halbleiter. Auch sonst werden billige Widerstände aus schlecht leitenden Schichten (oft Kohle) hergestellt. Mit einer Lampe und einem Fotowiderstand kann eine Lichtschranke gebaut werden. Rechts sehen Sie eine komplette Lichtschranke. Wenn Sie wollen, können Sie mit einer Spotlampe ganz hell machen. Seite 17 Physikpraktikum: Elektronik Aufgabe 17: Testen Sie einen Halbleiter, der temperaturempfindlich ist: Ein Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizient (= NTC = negative temperature coefficient). Symbol: NTC: Hinweise: Gehen Sie analog wie beim LDR vor. "kalt" bedeutet Zimmertemperatur, "heiss" bedeutet Körpertemperatur. Schaltschema: NTC: Messwerte und Berechnungen: Batteriespannung U: ___________________ "kalt" "heiss" ___________________ ___________________ Gesamtwiderstand RG: ___________________ ___________________ Widerstand NTC RNTC: ___________________ ___________________ Strom I: Prinzipiell hängt der Widerstand eines Halbleiters folgendermassen von der Temperatur ab: ____________________________________________________________. Infos: Beachten Sie, dass Sie hier die Ampère – Skala durch eine Temperaturskala ersetzen könnten und damit ein elektrisches Thermometer hätten. Hier bewirkt – ähnlich wie beim LDR das Licht – die Wärme, dass die Elektronen sich von den Atomen lösen und damit durch das Halbleitermaterial bewegen können. Wenn Sie wollen, können Sie den NTC mit einem Föhn zusätzlich heizen (nicht zu heftig!). Seite 18 Physikpraktikum: Elektronik Hausaufgaben: Übung 1: Suchen Sie in F+T bzw. Fundamentum die Tabellen zum spezifischen elektrischen Widerstand. Schreiben Sie sich drei typische Leiter (kleiner spezifischer Widerstand) und drei typische Isolatoren heraus: Leiter: Isolatoren: ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ Übung 2: Suchen Sie die Formel für die Berechnung des Widerstandes aus dem spezifischen Widerstand und überprüfen Sie die Einheit des spezifischen Widerstandes wie sie in den Tabellen angegeben ist. Übung 3: Wie verändert sich der Widerstand bei einem Metall, wenn die Temperatur verändert wird? Wolfram ist ein Beispiel für ein Metall, das erst bei sehr hoher Temperatur schmilzt. Übung 4: Durch ein Laborkabel fliesst ein Strom von 100 A. Das Kabel hat einen Leiter aus Kupfer mit einer Länge von 70 cm und einer Querschnittsfläche von 1 mm 2. Berechnen Sie a) Die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Enden des Kabels. b) Die elektrische Leistung, welche im Kabel in Wärme umgesetzt wird. Übung 5: Was bedeutet "Kurzschluss"? ________________________________________________________________________________. ________________________________________________________________________________. Aus dem Tagebuch eines Elektronikers: "Wenn etwas schief gehen kann, dann geht es" (Murphys Law) Seite 19 Physikpraktikum: Elektronik Lösungen: 2. R = . l / A ; [R] = [ . [l] / [A] ; [] = [R . [A] / [l] = m2 / m = m 3. Bei einem Metall nimmt der Widerstand zu, wenn die Temperatur erhöht wird (im Gegensatz zu den Halbleitern!). 4. a) R = . l / A = 1.7 . 10-8 m . 0.7 m / 0.001 m2 = 1.19 . 10-5 ; U = R . I = 1.19 . 10-5 . 100 A U = 1.19 . 10-3 V = 1.19 mV (Sogar bei diesem für das Kabel viel zu grossen Strom beträgt die Spannungsdifferenz nur etwa 1 mV. Wir können also in unseren Schaltungen immer davon ausgehen, dass sich die Spannung entlang einer Leitung nicht ändert!). b) P = U . I = 1.19 . 10-3 V . 100 A = 0.119 W (Das Kabel würde etwas erwärmt, je mehr Strom umso mehr Erwärmung. Feine Leitungen können schon bei viel kleineren Strömen wegen der Erwärmung zerstört werden.) 5. Bei Kurzschluss sind die beiden Anschlüsse der Stromversorgung mit Leitungen direkt miteinander verbunden. Die Batterie lässt so viel Strom durch die Leitungen fliessen wie sie eben "pumpen" kann. Bei der Hausinstallation unterbricht eine Sicherung ab einem bestimmten Strom (6 A bzw. 10 A) den Stromfluss und verhindert, dass das Kraftwerk soviel "pumpt", wie es pumpen kann! 8. Dioden Halbleiter können durch den Einbau von Fremdatomen so verändert werden, dass sie besser leiten. Es gibt dabei zwei prinzipiell verschiedene Arten: Ein Halbleiter ist n – dotiert, wenn die elektrische Leitung dadurch zustande kommt, dass sich Elektronen bewegen. p – dotiert ist ein Halbleiter, wenn Stellen wandern, an denen Elektronen fehlen, sogenannte Löcher. Das ist sehr abstrakt und ich möchte die Sache nicht genauer erläutern. Wichtig ist für uns, dass es zwei grundsätzlich verschiedene Leitungsarten gibt. Und interessant wird die Sache dann, wenn zwei Halbleiterkristalle mit unterschiedlicher Dotierung zusammengefügt werdenund jeder der Kristalle einen Anschluss hat. So eine Einrichtung nennen wir Diode: Aufgabe 18: Testen Sie eine Diode, indem Sie sie mit einem Schutzwiderstand von mindestens 1 k in Serie schalten. Symbol: Diode: (Der Pfeil zeigt vom p-Kristall zum n-Kristall!) Seite 20 Physikpraktikum: Elektronik Hinweise: Schalten Sie die Diode zuerst so, dass der Pfeil von der "+" – Seite der Batterei zur "-" – Seite der Batterie zeigt (= Durchlassrichtung). Anschliessend vertauschen Sie die Anschlüsse der Diode (= Sperrichtung). Eventuell ist der Strom in Sperrichtung so klein, dass Sie auch bei empfindlichster Einstellung (A) einen Wert von null erhalten. Mit einem raffinierteren Messinstrument könnte man auch hier einen winzig kleinen Strom messen. Sie können also hier nicht rechnen, sondern nur mit Wörtern wie "winzig" und "riesig" operieren. Messen Sie auch die Spannung über der Diode und berechnen Sie den Widerstand der Diode. Schaltschema: Diode: Messwerte und Berechnungen: "Durchlassrichtung" "Sperrichtung" Strom I: ___________________ ___________________ Spannung Diode UD: ___________________ ___________________ Widerstand Diode RD: ___________________ ___________________ Infos: Verändern Sie den Wert des Schutzwiderstandes in Durchlassrichtung (nicht kleiner als 500 !). Damit ändern sich Strom und Spannung. Die Diodenspannung verändert sich aber nur wenig. Der Widerstand der Diode ist im Unterschied zu den normalen Widerständen nicht konstant. Rechts sehen Sie ein Diagramm, in welchem für eine Diode Spannung und Strom aufgetragen sind. Man nennt ein solches Diagramm Kennlinie. Die Spannung, bei welcher die Kurve steil nach oben geht, beträgt etwa 0.6 V – sie wird Ihnen noch öfters begegnen! Aufgabe 19: Bauen Sie einen Dimmer mit einer LED. Symbole: LED: Seite 21 Physikpraktikum: Elektronik Hinweise: Eine Leuchtdiode (=LED = light emitting diode) ist eine Diode, bei welcher die Elektronen Licht produzieren, wenn sie vom p– in den n – Kristall übergehen (in gewöhnlichen Dioden produzieren sie Wärme). Die beiden Pfeile, die beim Symbol von der Diode weggehen, symbolisieren das abgegebene Licht. Bringen Sie die Leuchtdiode zuerst ganz normal wie sonst ein Lämpchen zum leuchten (Aufgabe 1!). Sie brauchen keinen Schutzwiderstand (dieser ist schon eingebaut – überzeugen Sie sich!) und Sie führen keine Messungen durch. Bauen Sie jetzt einen Dimmer (variable Helligkeit der LED). Dazu brauchen Sie ein Potentiometer (siehe Seite 14) und testen Sie ihn. Schaltschema: Dimmer mit LED: Infos: LEDs sind viel effizienter als Glühlampen und sie sind an vielen Geräten als kleine rote Anzeigelämpchen zu finden. Lange waren nur rote LEDs möglich, dann kamen die andern Farben (zuletzt blau und weiss) dazu. Vor kurzem wurden LEDs mit grosser Leistung entwickelt, so dass man mit diesen nun auch beleuchten kann (Veloschlusslichter, Taschenlampen, ...) bei sehr kleinem Energieverbrauch. 9. Transistoren Noch spannender wird die Sache, wenn drei verschiedene Halbleiterkristalle aneinandergefügt werden. Alle drei Kristalle werden mit einem elektrischen Anschluss versehen. Damit erhalten wir einen Transistor. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Kristalle anzuordnen: Entweder braucht es zwei noder zwei p – Kristalle und einen von der andern Sorte. Aufgabe 20: Seite 22 Physikpraktikum: Elektronik Untersuchen Sie einen npn – Transitor mit Hilfe der untenstehenden Schaltung. Symbole: Transistor pnp: Transistor npn: Hinweise: Der Transistor hat drei Anschlüsse, welche mit B (Basis), C (Kollektor) und E (Emitter) bezeichnet sind (die Namen brauchen Sie nicht zu lernen. Sie sollen mit Hilfe der beiden Voltmeter untersuchen, wie sich die Spannung zwischen C und E verändert, wenn Sie die Spannung zwischen B und E verändern. Drehen Sie am Potentiometer um die Basisspannung (B-E) zu verändern. Neben den Veränderungen bei den Voltmetern stellen Sie auch fest, dass in einer Extremposition des Potenstiometers das eine Lämpchen leuchtet, in der andere das andere. Drehen Sie das Potentiometer in diejenige Position, bei welcher die Basispannung am grössten ist. Sie geht kaum über 0.6 V – die Spannung, ab welcher eine Diode in Durchlassrichtung gut leitet: Die Diode des Transistors zwischen Basis und Emitter leitet jetzt und der 1 k Schutzwiderstand verhindert, dass es einen Kurzschluss gibt. Sie stellen auch fest, dass die Spannung C-E recht klein ist und dass die Glühlampe leuchtet: Der Basisstrom bewirkt, dass der Transistor zwischen C un E gut leitet. Drehen Sie jetzt das Potentiometer in die andere Extrempostiton. Die Basisspannung ist jetzt null, es fliesst kein Strom mehr in die Basis hinein und der Widerstand C-E ist gross geworden. Das sehen Sie an zwei Dingen: Sie können die Spannung am Voltmeter ablesen und Sie sehen auch, dass die Glühlampe nicht mehr leuchtet, weil der Strom zu klein ist. Dafür ist die Spannung über der LED mit dem Widerstand grösser geworden und der kleine Strom (der auch durch die Glühlampe fliesst) reicht, um die LED zum leuchten zu bringen. Sie haben sicher bemerkt, dass der Übergang zwischen den beiden Situationen fliessend ist, aber in einem kleinen Bereich der Basisspannungs – Änderung stattfindet. Bei den Messergebnissen tragen Sie diese Übergangssituation ein. Schaltschema: Transistor: Messergebnisse: Situation: Spannung B-E Spannung C-E Transistor beginnt zu leiten bei C-E _____________ _____________ Seite 23 Physikpraktikum: Elektronik Transistor beginnt zu sperren bie C-E _____________ _____________ Infos: Der Transistor kann offensichtlich wie ein Relais als Schalter verwendet werden. So wird er in der Digitaltechnik verwendet. In der Analogtechnik verwendet man den Übergangsbereich, bei welchem der Transistor kontinuierlich vom sperrenden in den leitenden Zustand übergeht und umgekehrt. Der Vorteil des Transistors gegenüber dem Relais: Kleiner, weniger Leistung, schneller, billiger. Mit diesen Qualitäten hat sich das kleine Dreikristall – Ding die Welt der Elektronik erobert. Erfunden wurde der Transistor am 23. Dezember 1947 an den Bell Labs von Shockley, Bardeen und Brattain (siehe Bild oben). Im Bild rechts oben ist der erste Transistor zu sehen. Das Bild rechts zeigt einen modernen Transistor für kleine Leistungen. 10. Logikschaltungen Aufgabe 21: Sie haben schon früher mit einem Relasi eine NICHT – Schaltung realisiert. Jetzt sollen Sie eine NICHT – Schaltung mit einem Transistor gemäss untenstehendem Schema realisieren. Hinweise: Beachten Sie die langen horizontalen Leiter oben und unten: Sie entsprechen den Stromschienen des Experimentierbrettes – eine übliche Darstellung! Die Ringe an den Enden stellen Anschlüsse dar: Hier wird z.B. die Batterie an die Schaltung angeschlossen. Nachdem Sie die Schaltung aufgebaut haben ist sie betriebsbereit aber noch in einem undefinierten Zustand: Die Anschlüsse "E" für Eingang und "A" für Ausgang gehen "ins Leere". Die Idee ist, dass zwischen "A" und 0 V eine bestimmte Ausgangsspannung ist, wenn zwischen "E" und 0 V eine bestimmte Spannung ist. Für die Eingangsspannung "E" gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder ist sie + 5 V (Sie verbinden "E" mit + 5 V) oder sie ist 0 V (Sie verbinden mit 0 V). Verbinden Sie "E" einmal mit + 5 V und dann mit 0 V und messen Sie je die Ausgangsspannung "A". Messungen: Eingang "E": Ausgang "A": +5V _______________ 0V _______________ Seite 24 Physikpraktikum: Elektronik Schaltschema: NICHT – Schaltung mit Transistor: Infos: Sie haben sicher festgestellt, dass bei "A" dann eine grosse Spannung ist, wenn bei "E" keine Spannung ist und umgekehrt. Oder anders ausgedrückt: Am Ausgang gibt es eine Spannung, wenn am Eingang keine ist: eine NICHT – Schaltung! Die "grosse" Spannung am Ausgang ist nicht ganz 9 V und die "kleine" Spannung nicht ganz 0 V. Eine Spannung grösser als ein bestimmter Wert ist für uns logisch eine "1", kleiner als dieser Wert eine "0". Den Ausgang unserer Schaltung könnten wir mit dem Eingang einer nächsten Schaltung verbinden. So können sehr komplexe Logikschaltungen aufgebaut werden. Aufgabe 22: Die NICHT – Schaltung von vorhin soll nicht "von Hand" gesteuert werden, sondern mit Licht. Ergänzen Sie dazu die NICHT – Schaltung mit der untenstehenden Teilschaltung. Hinweise: Die Teilschaltung fügen Sie links an die bisherige Schaltung. "E" ist mit "E" verbunden. Das Potentiometer stellen Sie so ein, dass die LED knapp nicht leuchtet, wenn der LDR beleuchtet ist. Dunkeln Sie dann den LDR ab und die LED sollte leuchten. Aus dem Tagebuch eines Elektronikers: "Wenn n-1 von n Schrauben gelöst sind, stellt sich heraus, dass man das falsche Gerät geöffnet hat" (Murphys Law) Seite 25 Physikpraktikum: Elektronik Schaltschema: NICHT – Schaltung mit Lichtsensor: Infos: Dieser Schalter ist nicht ganz perfekt: In einem bestimmten Helligkeitsbereich leuchtet die LED nur halb. Einen solchen Zustand sollte man in der Digitaltechnik vermeiden. Diese Schaltung lässt sich erweitern zu einer Lichtschranke (siehe Aufgabe 16): Es fehlt nur noch eine Lampe, welche den LDR beleuchtet. Die Lichtschranke schaltet dann um, wenn sich ein Gegenstand oder eine Person zwischen Lampe und LDR befindet. Rechts nochmals das Bild einer kompletten Lichtschranke. Wenn Sie wollen, kann ich Ihnen eine Spotlampe geben für eine Lichtschranke. Stellen Sie sich vor, Ihre Lichtschranke steuere eine Lifttüre: Wenn eine Person in der Schranke steht, schliesst der Motor die Türe (LED leuchtet). Uuups, das ist verkehrte Welt. Wie müssten Sie die Zustatzschaltung verändern, damit die Türe schliesst, wenn niemand dazwischen ist? Rufen Sie mich, bevor Sie Ihre veränderte Schaltung unter Strom setzen! Aufgabe 23: Erweitern Sie Ihre ursprüngliche NICHT – Schaltung (Aufgabe 21) so, dass sich eine NICHT – UND – Schaltung ergibt, indem Sie die ursprüngliche NICHT – Schaltung mit nachfolgenden Teilschaltung ergänzen. Hinweise: Die Teilschaltung von Aufgabe 22 müssen Sie abbauen und sie durch die neue Teilschaltung ersetzen. "E" ist wieder mit "E" verbunden. Sie sehen, dass Sie aus dem einen Eingang "E" zwei Eingänge "E1" und "E2" gemacht haben. Jeden der beiden Eingänge können Sie jetzt mit "0" oder "1" verbinden. Die Schaltung soll eine NICHT – UND – Verknüpfung realisieren: Der Ausgang soll den Zustand "1" haben (LED leuchtet), wenn NICHT Eingang 1 UND Eingang 2 eine Eins haben. Testen Sie und füllen Sie die nachfolgende erste Wahrheitstabelle aus. Schaltschema: Seite 26 Physikpraktikum: Elektronik NICHT – UND - Schaltung: Infos: Sie haben bereits früher Logikschaltungen gebaut (Aufgaben 4 bis 6). Dort haben Sie die NICHT – Verknüpfung mit einem Relais realisiert. Hier ersetzt ein Transistor das Relais wie in allen modernen Logikschaltungen. Warum braucht es zwei Dioden? Warum genügen nicht einfach zwei Leitungen als Eingänge? Besprechen Sie diese Frage mit mir, falls Sie die Lösung nicht selber finden. Funktion der Dioden: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________________________. Bauen Sie die Teilschaltung so um, dass aus der NICHT – UND – eine NICHT – ODER – Schaltung entsteht. Rufen Sie mich, bevor Sie die Schaltung unter Strom setzen oder falls Sie die Lösung nicht finden. Ergänzen Sie die zweite Wahrheitstabelle und zeichnen Sie das nachfolgende Schaltschema. Beachten Sie die englischen Abkürzungen in den Wahrheitstabellen: NAND steht für Not AND und NOR steht für Not OR. Wahrheitstabellen: NICHT - UND (NAND) E1 E2 NICHT - ODER (NOR) A E1 E2 A Seite 27 Physikpraktikum: Elektronik Schaltschema: NICHT – ODER - Schaltung: 11. Digitale Schaltungen Sie haben gesehen, dass man mit Transistoren, Dioden und Widerständen logische Schaltungen realisieren kann. Im folgenden wollen wir solche logische Schaltungen als Bausteine verwenden um komplexere Schaltungen aufzubauen. Wir werden uns nicht mehr darum kümmern, wie man die Schaltungen zusammenbaut, sondern fertige Schaltungen als "black box" verwenden. Die black boxes sind bei uns red boxes, die Sie in neuen Komponentenkästen finden. Gemeinsam an all diesen Schaltungen wird aber sein, dass an allen Ein- und Ausgängen immer nur zwei Zustände möglich sind: Entweder gibt es eine Spannung oder nicht. Elektronik, welche nur diese zwei Zustände verwendet, heisst digital. Die fertigen Bausteine, die wir verwenden, müssen mit genau 5 V betrieben werden. Sie verwenden also nicht mehr die Batterie, sondern ein 5 – V – Netzgerät. Beachten Sie, dass jeder Baustein mit der Stromversorgung verbunden sein muss, damit er überhaupt funktioniert. Bei jedem Baustein muss also ein (roter) "+" – Anschluss mit + 5 V (obere Stromschiene) sein und ein (blauer) "-" – Anschluss mit 0 V (untere Stromschiene). Die Anschlüsse mit dem selben Vorzeichen sind untereinander verbunden, so dass Sie die übrigen verwenden können um einen weiteren Baustein mit Strom zu versorgen. Ein einziger "-" – Anschluss muss mit einem Kabel mit der negativen Stromschiene verbunden werden, alles andere kann mit Bügeln verbunden werden. In den nachfolgenden Schaltschemata wird die Stromversorgung nicht mehr eingezeichnet, da sie selbstverständlich ist und nur verwirren würde. Aufgabe 24: Testen Sie die nachfolgend aufgeführten Logikbausteine und finden Sie heraus um welche logischen Verknüpfungen es sich handelt. Seite 28 Physikpraktikum: Elektronik Hinweise: Die logischen Zustände an den Eingängen realisieren Sie am besten mit einem Schalterbaustein (auch dieser muss mit Strom versorgt sein!). Beachten Sie, dass die LEDs Ihnen die logischen Zustände anzeigen ("1" = leuchtet!). a) Wahrheitstabelle: Eingang A Eingang B Schaltsymbol: Ausgang Q _ Ausgang Q b) Wahrheitstabelle: Eingang A Eingang B Schaltsymbol: Ausgang Q _ Ausgang Q c) Wahrheitstabelle: Eingang A Eingang B Schaltsymbol: Ausgang Q Infos: Notieren Sie sich die Logikfunktionen der drei Bausteine (diejenige von c) kennen Sie ev. noch nicht – rufen Sie mich!): _ a) Q : ____________________________ Q : ___________________________________ _ b) Q : ____________________________ Q : ___________________________________ _ c) Q : ____________________________ Q : ___________________________________ Seite 29 Physikpraktikum: Elektronik Haben Sie die Bedeutung des Ringes und des Querstriches über Q in den Schaltsymbolen herausgefunden? Ring in Logikschaltung bedeutet: _____________________________________________ Querstrich über Zustandsbezeichnung bedeutet: _________________________________ Sie können nach Belieben den Ausgang eines Logikbausteins auf den Eingang eines nächsten geben. Es steht Ihnen auch ein zweiter Schalterbaustein zur Verfügung. Kombinieren Sie nach Lust und Laune und überprüfen Sie die Ergebnisse. Die Theorie zur Kombination von Logikschaltungen nennt man Boole'sche Algebra, ein Spezialgebiet der Mathematik. Bei meinem alten 2CV habe ich mal folgende Logikschaltung für eine Warnanlage gebraucht: Der Summer sollte tönen, wenn der Scheinwerfer eingeschaltet und die Zündung nicht eingeschaltet war, damit ich nicht vergass das Licht auszuschalten, wenn ich das Auto verliess. Schaffen Sie es, diesen Logikzusammenhang zu realisieren? Wenn ja, zeichnen Sie nachfolgend die Schaltung, wenn nein, rufen Sie mich. Schauen Sie einen Logikbaustein auch von unten an: Sie sehen die integrierte Schaltung (Integrated Circuit = IC). Das schwarze Plastickästchen mit den Anschlüssen enthält in seinem Innern ein Kristallplättchen (= Chip), auf welchem sich die ganze Logikschaltung befindet. Schaltschema: Logik für Warnanlage: Hausaufgaben: Lesen Sie den nachfolgenden Text über Zahlensysteme. Dieser Theorieteil sollte vor Aufgabe 27 bekannt sein. Lösen Sie die anschliessenden Übungen. Seite 30 Physikpraktikum: Elektronik Zahlensysteme Eine bestimmte Zahl, z.B. siebenhundertundachtzehn, können wir auf sehr verschiedene Aren darstellen: im Dezimalsystem: in römischen Zahlen: im Dualsystem: im Octalsystem: im Hexadezimalsystem: 718 DCCIIXX 1011001110 1316 2CE in der Schweiz ebenfalls gebräuchlich: -2 2 Das Dezimalsystem: Das Dezimalsystem beruht auf der Vereinbarung, dass, von rechts nach links laufend, jede Stelle eine zehnfach höhere Gewichtung als die vorangehende erhält. Es ist also beispielsweise 718 718 = 7 . 100 = 7 . 102 + 1 . 10 + 1 . 101 +8.1 + 8 . 100 oder: Das Dezimalsystem oder Zehnersystem hat zehn Ziffern (0 bis 9) und die Gewichte der Stellen entsprechen Zehnerpotenzen. Das Zehnersystem beruht auf der Basis zehn: Es gibt zehn Ziffern und die Stellen in der Zahl entsprechen Zehnerpotenzen. Das Zehnersystem ist ein denkbar ungünstiges System. Sein einziger Vorteil: Wir sind sehr gewohnt, in diesem System zu rechnen. Das Dualsystem: Wir haben gesehen, dass die Digitaltechnik nur zwei Zustände unterscheiden kann, die wie mit "0" und "1" bezeichnet haben. Wir brauchen in der Digitaltechnik also ein Zahlensystem, welches mit nur zwei Ziffern auskommt: 0 und 1. Bei diesem Zahlensystem entsprechen also auch die Stellen in der Zahl Zweierpotenzen: Eine 1 in der hintersten Stelle bedeutet 1 (= 1 . 20), eine 1 in der zweithintersten Stelle 2 (= 1 . 21), etc. Das Hexadezimalsystem: In der Digitaltechnik kann nur im Dualsystem gerechnet werden. Für uns Menschen sind aber Zahlen im Dualsystem "unhandlich". Wir suchen ein Zahlensystem, das "handlich" ist und das eine einfache Umrechnung ins Dualsystem ermöglicht. Das Hexadezimalsystem (Basis sechzehn) hat diese Eigenschaft. Es hat sechzehn Ziffern (0 bis 9 und A bis F) und eine Stelle im Hexadezimalsystem entspricht genau vier Stellen im Dualsystem. Die nachfolgende Tabelle soll die Situation verdeutlichen: Sie sollten kleine Zahlen (<20) zwischen diesen drei Zahlensystemen umrechnen können. Und Sie sollten kleine Additionen im Dualsystem durchführen können. Beachten Sie dabei, dass im Zehnersystem eine Addition von 1 zu 9 eine Null ergibt und einen Übertrag in die nächste Stelle. Genau so ist es auch im Zweiersystem, wenn Sie 1 zu 1 addieren: Seite 31 Physikpraktikum: Elektronik Beispiel: Zehnersystem: 4 + 6 1 -----= 10 Zweiersystem: 100 + 110 1 (Übertrag) -------= 1010 Zahlensysteme Dezimal- Dualsystem: Hexadezimalsystem: system: 0 0000'0000 0 1 0000'0001 1 2 0000'0010 2 3 0000'0011 3 4 0000'0100 4 5 0000'0101 5 6 0000'0110 6 7 0000'0111 7 8 0000'1000 8 9 0000'1001 9 10 0000'1010 A 11 0000'1011 B 12 0000'1100 C 13 0000'1101 D 14 0000'1110 E 15 0000'1111 F 16 0001'0000 10 17 0001'0001 11 ... ... ... Übung 1: a) Rechnen Sie folgende Dezimalzahlen ins Dualsystem um: 2, 5, 8, 10. b) Rechnen Sie folgende Dualzahlen ins Dezimalsystem um: 1001, 1111, 10001. c) Rechnen Sie folgende Dezimalzahlen ins Hexadezimalsystem um: 8, 10, 15, 16, 18. Übung 2: a) Rechnen Sie folgende Hexadezimalzahlen ins Dualsystem um: 1A, 4C, FF b) Rechnen Sie folgende Dualzahl ins Hexadezimalsystem um: 1000'1110. Übung 3: Ergänzen Sie die untenstehende (unvollständige) Wahrheitstabelle, welche zum Schema rechts gehört: A B C D 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 E F Seite 32 Physikpraktikum: Elektronik Lösungen: 1. a) 10, 101, 1000, 1010. b) 9, 15, 17. c) 8, A, F, 10, 12. 2. a) 001'101, b) 8E. 0100'1100, 1111,1111. 3. E: 1, 0, 1; F: 0, 1, 0. Falls Sie die Umrechnung zwischen den Zahlensystemen weiter üben möchten, finden Sie hier eine Kontrollmöglichkeit: http://www2.dgb.ch/users/soe/Informatik/php/form.php oder hier: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/praxis/converter.htm. Und noch ein weiterer Hinweis auf das Internet: Unter http://www.elektronik-kompendium.de finden Sie eine ausgezeichnete Website über Elektronik, die kaum Wünsche offenlässt – viel Spass! Und falls Sie auf den Geschmack gekommen sind: Elektronikmaterial finden Sie in Elektronikshops oder im Versand z.B. bei Conrad: http://www.conrad.ch Aufgabe 25: Bauen Sie mit Hilfe von Logikschaltungen, Kondensatoren und Widerständen gemäss untenstehendem Schaltschema einen astabilen Multivibrator auf. Schaltsymbol: Kondensator: Kondensatoren: Hinweise: Leider lässt sich hier der Einsatz vieler Kabel nicht vermeiden – hoffentlich behalten Sie trotzdem den Überblick! Das Schaltelement Kondensator haben wir noch nicht kennen gelernt. Hier nur eine ganz knappe Erklärung: Ein Kondensator kann elektrische Ladungen speichern wie ein Reservoir Wasser speichern kann. Wir müssen uns den Kondensator wie ein Doppelreservoir vorstellen: Nimmt die Wassermenge im einen Teil zu, so nimmt sie im andern um gleich viel ab. In unserem Zusammenhang ist nur die Tatsache von Interesse, dass es eine bestimmte Zeit braucht, bis die Ladung ins Reservoir geflossen ist und dass diese Zeit sowohl von der Grösse des Reservoirs als auch von der Grösse des Widerstandes abhängig ist: Das Produkt aus Kapazität des KOndensators und Widerstand im Anschluss ergibt ein Mass für die Lade- und Entladezeit. Beachten Sie, dass eine Kreuzung keinen Punkt hat: hier sind die beiden Leitungen nicht verbunden. Und die oberste Leitung ist nicht die Stromschiene! Die beiden Nullen bedeuten Verbindung mit der Stromschiene 0 V. Seite 33 Physikpraktikum: Elektronik Schaltschema: Taktschaltung: Infos: Wenn man die Einheit Farad mit der Einheit Ohm multipliziert, erhält man Sekunden. Wieviele Sekunden ergeben sich in unserem Falle? Ungefähre Lade- und Entladezeit: ___________________ s. Sie können die Werte der Widerstände und Kondensatoren verändern. Die Widerstände sollten aber nicht kleiner als 1 k sein und bei extremen Werten wird die Schaltung nicht mehr funktionieren. Beachten Sie, dass die Taktschaltung nicht mehr eine normale Logikschaltung ist, da der Ausgang des einen Baustein auf den Eingang des andern geht und umgekehrt – ein Schwanzbeisser! In jedem Digitalgerät (PC, etc.), welches einen Prozess Schritt für Schritt ausführen kann, gibt es eine solche Taktschaltung. Nur ist die Frequenz viel grösser, nicht im Bereich von Hertz, sondern Megahertz bis Gigahertz. Das erreicht man, indem man viel kleinere Kondensatoren verwendet. In einem Computer wird die Schaltung im allgemeinen durch einen Schwingquarz ergänzt, damit die Frequenz präziser ist. Der Quarz ist meist in einem Metallgehäuse – siehe rechts. Aufgabe 26: Bauen Sie gemäss nachfolgendem Schaltschema einen bistabilen Multivibrator. Hinweise: Bei dieser Schaltung geschieht nichts "von sich aus". Beachten Sie, dass die zwei Eingänge E 1 und E2, die "ins Leere" gehen, keinen definierten Zustand haben. Und doch: Sie müssen einer logischen "1" entsprechen. Das sehen Sie z.B. demjenigen UND – Baustein an, der am UND – Ausgang A eine "1" hat: An seinem einen Eingang liegt eine "1" vom NICHT – UND – Ausgang des andern Bausteins. Nur wenn am andern Eingang auch eine "1" ist, liefert er am Ausgang eine "1"! Seite 34 Physikpraktikum: Elektronik Interessant wird es also erst, wenn wir einen der beiden Eingänge E 1 oder E2 mit "0" verbinden. Stecken Sie dazu ein Kabel auf der "-" – Stromschiene ein. Berühren Sie mit dem andern Stecker einen freien Eingang. Wenn nichts geschieht, berühren Sie den andern. Spielen Sie damit! Schaltschema: Speicherschaltung: Infos: Beachten Sie, dass die Schaltung genau zwei Zustände hat: Entweder hat A1 eine "1" oder dann A2. Durch Verbinden eines Einganges mit "0" können Sie die Schaltung in den andern Zustand bringen. Der springende Punkt: Wenn Sie die Verbindung mit "0" wieder unterbrechen, bleibt der eingestellte Zustand erhalten. Die Schaltung kann sich also merken, wo Sie zuletzt berührt haben, sie kann eine von zwei Möglichkeiten speichern. Wir können zum Beispiel definieren, dass die Schaltung eine "1" speichert, wenn A1 eine "1" hat und dass sie eine "0" speichert, wenn an diesem Ausgang eine "0" ist. Eine von zwei Möglichkeiten ist technisch gesehen die kleinstmögliche Informationsmenge. Sie heisst in der Informatik ein bit (= binary digit). Sie haben also einen Ein – bit – Speicher gebaut. Zwei solche Schaltungen würden einen Zwei – bit – Speicher ergeben. Dieser könnte eine von vier Möglichkeiten speichern: Zweimal "0", zweimal "1", einmal "0" und einmal "1" und umgekehrt. Wieviele Möglichkeiten könnte ein Drei – bit – Speicher unterscheiden?: Ein Drei – bit – Speicher kann _________________ Möglichkeiten unterscheiden. Allgemein: Ein n – bit – Speicher kann _____________ Möglichkeiten unterscheiden. In der Anfangszeit der Informatik hat man entschieden, dass man unter 256 verschiedenen Zeichen unterscheiden möchte (Grossbuchstaben, Kleinbuchstaben, Ziffern, Satzzeichen, ...). Also hat man ein Zeichen mit acht bit dargestellt (codiert). Eine Informationsmenge von acht bit nennt man auch ein Byte. Der wichtigste alte Code ist der ASCII – Code. Es hat sich schnell gezeigt, dass es halt viel mehr als 256 Zeichen gibt – man denke nur an unsere Umlaute, ganz zu schweigen von der Zeichenvielfalt der Chinesen. Nach viel Wirrwar mit Erweiterten ASCII – Codes wurde deshalb der Unicode, ein 16 – bit Code (also ein 2 – Byte – Code) eingeführt: Er braucht 16 bit Speicherplatz für ein Zeichen, dafür kann er zwischen 2 hoch 16 (= 65536) Zeichen unterscheiden. Falls Sie mehr Interesse an Zeichencodierung haben, hier zwei Links für zu Hause: ASCII Code Unicode http://www.asciitable.com http://www.unicode.org Seite 35 Physikpraktikum: Elektronik Ein Speicher, wie Sie ihn gebaut haben, verliert seine Information, wenn der Strom ausgeschaltet wird. Solche Speicher heissen RAM (Random Access Memory). Wieviele Mega (Millionen) Byte RAM hat der PC bei Ihnen zu Hause eigebaut? In einem RAM gibt es zusätzlich zu den Speicherstellen Logikschaltungen, welche das Lesen und Schreiben von Information ermöglichen und bestimmen, welche Speicherstelle bearbeitet wird (Adressierung). Bistabile Multivibratoren gibt es fix fertig im Kasten: Das RS – Flip – Flop (siehe nachfolgendes Symbol) macht genau das, was Sie soeben aufgebaut haben. Testen Sie es aus: Wenn Sie den Eingang "S" (=setzen) mit "0" verbinden, wird das Flip – Flop "gesetzt" (Lampe leuchtet), wenn Sie "R" (= rücksetzen) mit "0" verbinden, wird es zurückgesetzt. Schaltsymbol: Flip – Flop: Aufgabe 27: Bauen Sie einen Ein – bit – Halbaddierer gemäss dem folgenden Schema. Hinweise: Ein Halbaddierer kann zwei einstellige Dualzahlen addieren. Die beiden Summanden sind A und B, die Summe ist S, der Übertrag in die zweite Stelle ist Ü. Die beiden Summanden erzeugen Sie am besten mit einem Schalterbaustein. Ergänzen Sie die nachfolgende Wahrheitstabelle. Schaltschema: Halbaddierer: Seite 36 Physikpraktikum: Elektronik Wahrheitstabelle: Halbaddierer Summand A: Summand B: 0 0 0 1 1 0 1 1 Summe S: Übertrag Ü: Infos: Der Halbaddierer ist die einfachste Arithmetikschaltung, die man sich denken kann. Man kann ihn nur für die Addition der Stelle ganz rechts verwenden. Bei allen andern Stellen ist noch ein Übertrag von der vorigen Stelle mitzuberücksichtigen. Dazu dient der Volladdierer aus der nachfolgenden Aufgabe. Aufgabe 28: Bauen Sie einen Volladdierer. Hinweise: Der Volladdierer kann zwei Summenden zu je 1 bit addieren. Zusätzlich kann er einen Übertrag von einer vorangehenden Stelle berücksichtigen (Ü0). Wie der Halbaddierer liefert er die Summe S und den Übertrag in die nächste Stelle Ü 1. Schaltschema: Volladdierer: Seite 37 Physikpraktikum: Elektronik Wahrheitstabelle: Volladdierer Summand A: Summand B: Übertrag Ü0: 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Summe S: Übertrag Ü1: Infos: Will man Zahlen mit mehr als einer Stelle addieren, muss man Volladdierer aneinanderreihen (das machen Sie in der nächsten Aufgabe). Und wo kann man denn einen Halbaddierer brauchen bei der Addition von mehrstelligen Zahlen? Einsatz Halbaddierer: ____________________________. Aufgabe 29: Bauen Sie einen Zwei-bit-Addierer. Hinweise: Die letzte Schaltung war schon recht aufwändig. Für einen Zweibitaddierer brauchen Sie sie – oh Schreck – doppelt. Aber – oh Freude – unter den Bausteinen im Kasten finden Sie komplette Volladdierer! Auch hier das Black – Box Prinzip: Sie wissen jetzt, wie man einen Volladdierer macht und bauen nun solche als "black boxes" zusammen. Die Volladdierer sind mit dem Summenzeichen () versehen. Die einzige Schwierigkeit besteht also darin, die zwei Volladdierer korrekt zu verbinden. Beachten Sie, dass Sie keinen Halbaddierer zur Verfügung haben. Wie machen Sie aus einem Volladdierer einen Halbaddierer? Volladdierer wird zu Halbaddierer, wenn ____________________________. Die Summanden stellen Sie mit den beiden Schalterbausteinen ein. Hier erstellen jetzt wieder Sie das Schaltschema! Ich schlage vor, dass Sie folgende Abkürzungen verwenden: A1 (Summand A, Einer), A2 (Summand A, Zweier), B1 (Summand B, Einer), B2 (Summand B, Zweier), S1 (Summe, Einer), S2 (Summe, Zweier), S4 (Summe, Vierer). Füllen Sie auch hier die Wahrheitstabelle aus. Beachten Sie, dass ich – wie das üblich ist – immer die Einer rechts, die Zweier links und bei der Summe die Vierer ganz links angeordnet habe. Seite 38 Physikpraktikum: Elektronik Schaltschema: Zwei – bit - Addierer: Wahrheitstabelle: Zwei – bit – Addierer Summand A Summand B Summe Zweier: Einer: Zweier: Einer: 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 Vierer: Zweier: Einer: Seite 39 Physikpraktikum: Elektronik Infos: Moderne Prozessoren können 32 bit aufs Mal addieren (bzw. zum Teil 64 bit!). Das Rechenwerk eines Prozessors enthält eine Schaltung, die neben der Addition auch andere Rechenoperationen durchführen kann. Eine Bitkombination in einem Speicher (Register) legt fest ob addiert, subtrahiert, multipliziert, dividiert etc. wird. Diese Bitkombination heisst Maschinenbefehl. Die Bitkombinationen, welche in einem Computer gespeichert sind können also drei unterschiedliche Bedeutungen haben: Zahlen, Zeichen oder Maschinenbefehle. Aufgabe 30: Bauen Sie einen Zähler. Schaltsymbol: Monostabiler Multivibrator: Hinweise: Der Zähler soll Impulse zählen. Die Impulse produzieren Sie mit einem monostabilen Multivibrator. Einen solchen finden Sie im Kasten – siehe Symbol. Wenn Sie auf den roten Knopf drücken, geht die Schaltung in den Zustand „1“ und nach kurzer Zeit wieder in den Zustand „0“ zurück. Testen Sie diesen Baustein! Für den Zähler brauchen Sie ein FlipFlop, wie Sie sie bereits bei Aufgabe 26 kennengelernt haben. Verbinden Sie den Ausgang A des monostabilen M. mit dem Eingang C (= clock) des FlipFlop. Testen Sie wieder! Sie stellen fest, dass der Ausgang A des FlipFlop bei einem Puls nur in den andern Zustand geht: Die Wechsel beim Ausgang sind nur halb so häufig wie die Wechsel beim Eingang. Schliessen Sie jetzt ein weiteres FlipFlop am Ausgang A des ersten an (mit Kabel, nicht mit Bügel wegen später!) und testen Sie wieder. Schlussendlich hängen Sie die restlichen vier FlipFlops an. Ihr Zähler ist fertig: Die LEDs auf den Flipflops zeigen Ihnen die Anzahl Impulse im dualen Zahlensystem an. Testen Sie den Zähler und Ihre Kenntnisse des dualen Zahlensystems! Infos: Sie können sich die dualen Zahlen auch dezimal anzeigen lassen. Im Kasten finden Sie einen Baustein „BCD TO 7 – SEGMENT“. Verbinden Sie den Ausgang des ersten FlipFlop mit A, den des zweiten mit B, etc. Ziffern über 9 gibt es auf der Anzeige nicht, sie stellt die weiteren Ziffern des hexadezimalen Zahlensystems in wilden Kombinationen dar. Der Zähler kann ja von 0 bis 15 zählen, das braucht 2 dezimale Stellen. Wenn Sie wollen, können Sie das realisieren: Sie brauchen den Baustein „DUAL to BCD“ (nicht in Ihrem Kasten – bitte melden!) und eine zweite Anzeige (von einer andern Gruppe). Sie verbinden die Ausgänge der FlipFlops mit den Eingängen A bis D von „DUAL to BCD“. Die Eingänge E und F legen Sie auf „0“. Die Anzeigen hängen Sie an die Ausgänge von „DUAL to BCD“. Jetzt können Sie das duale Zahlensystem noch besser trainieren! Müde vom Drücken auf die Taste? Im Kasten hat es auch einen astabilen Multivibrator (Pulssymbol und G!). Sie können den monostabilen durch diesen ersetzen. Schalter nach unten Seite 40 Physikpraktikum: Elektronik für 1 Hz Frequenz (100 Hz, obere Position, ist etwas schnell für uns Menschen!). Wie der astabile gemacht ist, hat Ihnen ja Aufgabe 25 gezeigt. 12. Analogtechnik: Der Transistor als Verstärker Recht ausführlich haben Sie die Grundlagen der Digitaltechnik kennengelernt. Die Analogtechnik, mit welcher wir eigentlich angefangen haben, als es neben "0" und "1" auch noch andere Zustände in einer Schaltung gab, wollen wir mit einem einzigen Experiment abschliessen: Aufgabe 31: Bauen Sie einen Verstärker. Hinweise: Für diese Schaltung verwenden Sie einen andern Experimentierkasten, da die Komponenten (Holzkiste) besser passen. Weiter brauchen Sie einen Tongenerator und einen Oszillographen. Ein Verstärker hat einen Eingang E und einen Ausgang A. Kleine Veränderungen des Signals am Eingang (= Schwankungen der Eingangsspannung UE, siehe Schaltschema) erscheinen als grosse Veränderungen am Ausgang (UA). Bauen Sie als erstes diese Schaltung auf ohne dass Eingang und Ausgang verwendet werden. R3 hat am Anfang den Wert 2.2 k. Achten Sie darauf, dass Sie möglichst kurze Kabel verwenden. Als zweites justieren Sie den Verstärker: Verändern Sie die Einstellung des Potenitiometers R1 so, dass Sie mit einem Voltmeter eine Ausgangsspannung von 8.5 V messen. Falls das nicht geht, rufen Sie mich. Mit dieser Einstellung ist der Transistor gerade in dem Zustand, in welchem er nicht weiss, ob er leiten oder sperren soll. Das wäre in der Digitaltechnik unerwünscht. Hier nutzen wir gerade diesen Zustand des Kippens: Wird die Spannung am Eingang nur wenig grösser, leitet der Transistor viel besser und umgekehrt. Bevor Sie Ein- und Ausgang beschalten, testen Sie Tongenerator und Oszillograph. Dazu verbinden Sie den Generator direkt mit dem Kanal 1 des Oszillographen. Wichtig ist, dass Sie 0 V beim Generator mit 0 V beim Oszillographen (= Metallbuchse) verbinden. Rufen Sie mich, wenn Sie nicht sehen, was was ist. Spielen Sie mit den Einstellungen bei beiden Geräten um ein Gefühl für die Bedienung zu kriegen. Stellen Sie den Generator nach der Spielerei auf Sinus und 1 kHz. Damit Ihr Verstärker etwas zu verstärken hat, stellen Sie das Signal des Generators auf eine ganz kleine Amplitude: Die Spannungsdifferenz soll etwa 20 mV betragen. Damit Sie so kleine Spannungen auf dem Oszillographen sehen, müssen Sie diesen auf eine sehr empfindliche Stufe einstellen. Nachdem Sie die Einstellung vorgenommen haben, dürfen Sie am Generator nichts mehr verstellen. Jetzt sind Sie bereit um den Verstärker in Betrieb zu nehmen: Schliessen Sie den Generator an den Eingang des Verstärkers und den Oszillographen an den Ausgang. Sie müssen nun wohl die Empfindlichkeit des Oszillographen verstellen um das Signal zu sehen. Ihre Eingangsspannung beträgt 20 mV – messen Sie die Ausgangsspannung, berechnen Sie die Spannungsverstärkung V = UA / UE und tragen Sie die Werte in der Tabelle in der mittleren Kolonne ein. Verändern Sie den Widerstand R3 und machen Sie dasselbe. Die Spannungsverstärkung hängt prinzipiell folgendermassen vom Widerstand R3 ab: _____________________________________ ______________________________________________________________________________ Seite 41 Physikpraktikum: Elektronik Schaltschema: Verstärker: Tabelle Spannungsverstärker: R3 UA UE V 1k 2.2 k 4.7 k mV mV Infos: Bei einer Musikanlage wäre z.B. der Tongenerator: ______________________________________________________________ der Oszillograph: _______________________________________________________________ Beachten Sie, dass man diesen Verstärker für eine Musikanlage nicht verwenden könnte, da es dort um Leistungsverstärkung geht. Es müsste also auch der Strom heftig verstärkt werden und das ist leider nicht der Fall. Wenn Sie diesen Verstärker als Musikverstärker verwenden würden, würden Sie kaum einen Unterschied hören. Musikverstärker sind meist mehrstufig: der Ausgang einer ersten Verstärkerstufe wird auf den Eingang einer zweiten Stufe gegeben usw. Wenn Sie wollen, können Sie die Spannungsverstärkung auch kontinuierlich verändern, indem Sie als R3 einen 1 k Widerstand und dazu in Serie ein 1 k Potentiometer verwenden. Wenn Sie an einem Gerät an einem Knopf drehen, dann ist das meist ein solches Potentiometer! Seite 42 Physikpraktikum: Elektronik Hausaufgabe: Lektüre: Platinen und Löttechnik: Elektronische Schaltungen werden nur für Experimente so aufgebaut, wie Sie das gemacht haben. Die elektronischen Komponenten werden im Allgemeinen auf eine Platine montiert (siehe Bild rechts). Auf der andern Seite der Platine befinden sich Leiterbahnen, das sind Kupferschichten, welche aufgedruckt wurden und welche die Komponenten an Stelle von Kabeln miteinander verbinden (schwarze Bereiche im Bild rechts unten). Die elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen und den Drähten der Komponenten wird durch löten hergestellt: Mit einem Lötkolben (Bild links oben) wird Zinn erhitzt bis es flüssig ist und so die beiden Teile umfliesst (Bild links unten). Mehr zum Thema löten finden Sie hier: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0705261.htm. Und da wir zu diesem Thema hier nichts praktisches machen, nachfolgend halt ein kleines Spielchen mit Platinen: Fünf kleine Unterschiede: Seite 43 Physikpraktikum: Elektronik 13. Schaltungssimulation Haben Sie genug vom Kabel stecken? Und möchten Sie doch Schaltungen austesten? Dazu eignet sich ein Schaltungs – Simulations – Programm: Aufgabe 32: Bauen Sie mit Hilfe des Simulationsprogrammes "CircuitMaker" eine virtuelle Schaltung auf gemäss den Hinweisen, testen Sie die Schaltung und drucken Sie sie dann aus. Hinweise: Starten Sie "Cirmaker" auf dem PC ("Start", "Programme", "Fächer", "Physik", "Elektrizität", "Cirmaker"). Das Fenster "...UNTITLED.CKT" ist ein "Blatt Papier", auf dem Sie eine Schaltung "zeichnen" werden. Sie holen Schaltelemente, indem Sie in der Werkzeugleiste die Taste drücken. Wählen Sie im Fenster "Device Selection" unter "Major..." "Displays", unter "Minor..." "Digital" und unter "Device Symbol" "Logic Display". Klicken Sie die Taste "Place", fahren Sie mit der Leuchtdiode auf dem "Papier" an die gewünschte Stelle und klicken Sie. Holen Sie auf die selbe Art aus dem Fenster "Device Selection" unter "Switches", "Digital" den "Logic Switch". für die Verdrahtung. Fahren Sie mit Wählen Sie in der Werkzeugleiste die Taste dem Fadenkreuz zum Anschluss des Schalters bis ein rotes Rechteck erscheint, drücken Sie die linke Maustaste und halten Sie sie gedrückt, fahren Sie zum Anschluss der LED und lassen Sie die Maustaste los, sobald das rote Rechteck erscheint. zu sehen ist, Falls in der Werkzeugleiste unter dem Menüpunkt "Devices" die Taste klicken Sie darauf: Es muss die Taste zu sehen sein, dann ist das Programm im Digitalmodus, sonst im Analogmodus. Starten Sie die Simulation, indem Sie auf folgende Taste klicken: Klicken Sie auf den Schalter um ihn ein- und auszuschalten: Das Lämpchen leuchtet und erlischt je nach Schalterstellung: Sie haben diese geniale Schaltung ausgetestet! Klicken Sie auf die rote Taste "Stop" um die Simulation zu beenden und wieder in den Zeichnungsmodus zurückzukehren. Mit "File", "Print", "PrintCircuit" können Sie Ihr Werk ausdrucken und hier zur Erinnerung einkleben: Meine Schaltung: Seite 44 Physikpraktikum: Elektronik Infos: Das war eine Einfachst – Schaltung. Als nächstes schlage ich Ihnen eine Schaltung zum Test eines AND – Gates vor ("Digital by Function"!). Für Ihre weiteren Erkundungen beachten Sie bitte, dass Sie die Bedeutung der Tasten in der Werkzeugleiste als Text oben in der Fensterleiste sehen, wenn Sie mit der Maus auf eine Taste zeigen. Weiter ist zu beachten, dass Sie eine Schaltung natürlich auch speichern können. Ebenfalls möglich ist ein Abspeichern in die Zwischenablage ("Edit", "Copy to Clipboard"). Mit "File", "Open..." können Sie natürlich auch fertige Schaltungen holen und testen. Finden Sie z.B. 4bitcnt.ckt? Kommt Ihnen die Schaltung bekannt vor? Wenn nicht, schauen Sie bei Aufgabe 30 nach! CircuitMaker ist ein eher einfaches Design- und Simulationsprogramm. Bessere Programme können auch ein "Layout" erstellen, eine Vorlage für das Drucken der Schaltung auf eine Platine (siehe vorangegangene Lektüre). Der Renner unter diesen Programmen ist "PSpice". Das Programm ist etwas komplizierter als CircuitMaker, aber es gibt sogar eine Gratisversion davon. Falls Sie zu Hause damit arbeiten möchten, finden Sie nachfolgend ein paar Links dazu: PSpice: Download Gratisversion: http://www.orcad.com/downloads/demo/default.asp oder http://www.engr.uky.edu/~cathey/pspice061301.html oder Server der Schule: \\server\Fächer\Physik\Elektronik\pspice Tutorials: http://eceweb.uccs.edu/kalkur/Primer_contents.html http://cegt201.bradley.edu/~wmh/pwr_electronics/pspice/pspice.html http://www.et.tu-dresden.de/dokumentationen/pspice/pspice.html http://tuttle.merc.iastate.edu/ee333/spice/pspicetutorial/basics/pspicebasics.htm Manual: http://www.kaw.comm.waseda.ac.jp/enshuHP/pspcref.pdf Seite 45 Physikpraktikum: Elektronik 14. Anhang Projektvorschläge: 1. ADC Ein Analog-Digital-Converter wird untersucht und es wird ein Themometer gebaut. 2. Verstärker Ein zweistufiger Audioverstärker wird gebaut und mit einem Plattenspieler getestet. 3. Infrarot Mit Infrarot LED und Infrarot Diode wird eine Verbindung aufgebaut. Signal einer Fernbedienung untersuchen. Ausbreitungseigenschaften von Infrarot untersuchen. 4. ALU Eine Arithmetic-Logic-Unit wird getestet und zu einem kleinen Prozessor ausgebaut. 5. Kennlinien Die Kennlinien verschiedenster Schaltelemente werden mit Hilfe des Universal Laboratory Interface (ULI) untersucht. 6. Solarzellen Solarzellen werden getestet und es wird die Abhängigkeit von Strahlungsleistung und –winkel untersucht. 7. Operationsverstärker Operationsverstärker (OpAmps) sind komplette Verstärker auf einem IC, welche durch externe Beschaltung den konkreten Anwendungen angepasst werden. Beschaltung kennenlernen. Anwendungsschaltung, z.B. Motorsteuerung mit Lichtsensor. 8. 555 Mit dem billigst IC NE555 wird eine Taktschaltung gebaut (Blinker). Kann ev. zu einem Tongenerator ausgebaut werden. Elektronik – Links: Infos: Elektronik Kompendium Praktikumsanleitung http://www.elektronikkompendium.de http://www2.dgb.ch/users/soe/Physik/Elektronik/praktikum Conrad Distrelec http://www.conrad.ch http://www.distrelec.ch Motorola Texas Instruments Fairchild National Semiconductor Philips Intel EM Microelectronic, Marin, Schweiz http://e-www.motorola.com http://www.ti.com http://www.fairchildsemi.com http://www.national.com http://www.semiconductors.philips.com http://www.intel.com http://www.emmicroelectronic.com Versanhandel: Hersteller: Seite 46 Physikpraktikum: Elektronik Inhalt: 1. Stromkreis 1 2. Parallelschaltung - Serieschaltung 3 3. Logikschaltung 4 4. Messen 7 5. Ohm'sches Gesetz 10 6. Serie- und Parallelschaltung von Widerständen 13 7. Halbleiter 16 8. Dioden 20 9. Transistoren 22 10. Logikschaltungen 24 11. Digitale Schaltungen 28 12. Analogtechnik: Der Transistor als Verstärker 41 13. Schaltungssimulation 44 14. Anhang 46 7.3.04 / Sö Seite 47
