Vorschau - Lehrerselbstverlag
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Von der Praxis zum Verständnis in drei Teilen Reihe Hintergründe Bestellnummer 12-021-293 s Elektronik-Lehrgang tä nd ni 12 ga -0 ng 21 in -2 d 93 re © i Te Vo w ile rsc w n h w .L - V au eh o re n d rS e el r P bs ra tV xi er s z la u g. m de V er s hr Le k- ni tro ek El Fritz Löler Inhaltsverzeichnis tä nd ni Ü ersi ht ............................................................................................................................... 5 Schaltungen sicher aubauen .................................................................................... 6 Leu htdiode it Vor idersta d ................................................................................. 6 Tra sistors haltu g it Taster i der Basisleitu g Steuerstro kreis ...................... 7 Tra sistors haltu g it Fühler i der Basisleitu g .................................................... 8 Ei s halt erzögeru g ................................................................................................. 9 Auss halt erzögeru g ................................................................................................ 10 Bista ile Kippstufe ...................................................................................................... 11 Mo osta ile Kippstufe ............................................................................................... 12 Asta ile Kippstufe ...................................................................................................... 13 Du kels haltu g ......................................................................................................... 14 Hells haltu g.............................................................................................................. 15 Teil 2 . . . . . . . . . . . . In Schaltungen messen .............................................................................................. 16 Leu htdiode it Vor idersta d ................................................................................. 16 Tra sistors haltu g it Taster i der Basisleitu g Steuerstro kreis ...................... 17 Tra sistors haltu g it Fühler i der Basisleitu g .................................................... 18 Ei s halt erzögeru g ................................................................................................. 19 Auss halt erzögeru g ................................................................................................ 20 Bista ile Kippstufe ...................................................................................................... 21 Mo osta ile Kippstufe ............................................................................................... 22 Asta ile Kippstufe ...................................................................................................... 23 Du kels haltu g ......................................................................................................... 24 Hells haltu g.............................................................................................................. 25 Stro stärke esse ................................................................................................... 26 Stro stärke esse ................................................................................................... 27 Teil 3 . . . . . . . . . . . Schaltungen verstehen .............................................................................................. 28 Leu htdiode it Vor idersta d ................................................................................. 28 Tra sistors haltu g it Taster i der Basisleitu g Steuerstro kreis ...................... 29 Tra sistors haltu g it Fühler i der Basisleitu g .................................................... 30 Ei s halt erzögeru g ................................................................................................. 31 Auss halt erzögeru g ................................................................................................ 32 Bista ile Kippstufe ...................................................................................................... 33 Mo osta ile Kippstufe ............................................................................................... 34 Asta ile Kippstufe ...................................................................................................... 35 Spa u gsteiler ......................................................................................................... 36 Du kels haltu g ......................................................................................................... 37 Hells haltu g.............................................................................................................. 38 hr Le k- 12 ga -0 ng 21 in -2 d 93 re © i Te Vo w ile rsc w n h w .L - V au eh o re n d rS e el r P bs ra tV xi er s z la u g. m de V er s Teil 1 . . . . . . . . . . ni tro ek El s Vorwort ................................................................................................................................. 4 Beispiele von kombinierten Schaltungen............................................................................. 39 Hells haltu g it o osta iler Kippstufe Du kels haltu g it Ei s halt erzögeru g Lösungen ............................................................................................................................... 40 Elektro ik-Lehrga g © Fritz Löler 12-021-293 © 2016 Lehrerselbstverlag 4 tä nd ni 12 ga -0 ng 21 in -2 d 93 re © i Te Vo w ile rsc w n h w .L - V au eh o re n d rS e el r P bs ra tV xi er s z la u g. m de V er s Mit der Elektro ik ist es so ei e Sa he. We a si h da it ei iss he auske t, ka a fast u e dli h iele i teressa te S haltu ge auf aue . Auf der a dere Seite ist die Materie erst al re ht tro ke u d a uss a h al ei e z eite u d dritte S hritt de ke kö e , as u s Me s he häufig s h er fällt. Aus diese Gru d ha e i h ersu ht, diese Elektro iklehrga g zu e tzerre u d ögli hst iel praktis hes Ar eite ei zu i de . Glei hzeitig soll der Lehrga g i ögli hst großer Sel ststä digkeit zu e ältige sei . Mit ei e gute Part er stellt si h der Erfolg fast o allei e ei . Wo ögli h a ht die Ar eit gar o h Spaß! s Vor ort Der Lehrga g e thält S haltu ge . Diese solle i erste Teil ur aufge aut erde , oh e dass a glei h alles erstehe uss. We a si h da ei et as it der Fu ktio der Bauteile ertraut a ht, ka das atürli h kei Fehler sei . Dazu fi dest du kurze Erkläru ge zu de Bauteile . Der Lehrer ird si h freue , e er o h ei e ig I put dazu ge e darf. I z eite Teil erde die S haltu ge o h ei al aufge aut u d siehe da, es geht s ho iel lei hter. Das Hauptthe a ist jetzt das Messe . Natürli h erfährst du zuerst, o du das Messgerät ü erhaupt hi halte sollst. We du da die S haltu ge a de a gege e e Pu kte ge esse hast, s hlei ht si h irge d a die Erke t is ei , dass si h die Spa u g a de Bauteile aufteilt, die i ei e Stra g liege . E e so egeg et a öfters der agis he Spa u gsre ze o , Volt, die u sere Tra sistor s halte lässt, oder e e i ht. Je a hde o ir u ter oder ü er dieser Gre ze liege . Erst i dritte Teil - ir dürfe die S haltu ge o h ei al auf aue , as s ho fast li d geli gt - geht es u das Waru ei S halt erhalte . Die Erkläru ge i Lehrga g si d so k app ie ögli h gehalte , gerade ge ug u zu isse , as i der S haltu g passiert. Jetzt geht es also tatsä hli h u das Verstehe . We du dies alles e ältigt hast, irst du i der Lage sei , die S haltu ge für ei e esti te ) e k ei zusetze oder z ei, iellei ht drei S haltu ge itei a der zu ko i iere . ehrfa h erfolgrei h getestet. El ek tro ni k- Le hr Der Lehrga g ist ereits Dieser Lehrga g ka sehr gut i u ters hiedli he Ni eau-Stufe ei gesetzt erde : G-Ni eau: Lehrga g Teil , S haltu ge si her auf aue M-Ni eau: Lehrga g Teil E-Ni eau: Lehrga g Teil – it ko i ierte S haltu ge Elektro ik-Lehrga g © Fritz Löler 12-021-293 © 2016 Lehrerselbstverlag 5 tä nd ni Von der Praxis zum Verständnis s Elektronik-Lehrgang in drei Teilen: 12 ga -0 ng 21 in -2 d 93 re © i Te Vo w ile rsc w n h w .L - V au eh o re n d rS e el r P bs ra tV xi er s z la u g. m de V er s Ein Lehrgang, der 10 Transistor-Grundschaltungen in drei Durchgängen wiederholt. Aus einem sicheren Umgang mit elektronischen Bauteilen führt der Weg zu einem fundierten Verständnis für die Grundlagen der Elektronik. Teil 1. Schaltungen sicher aufbauen Im ersten Teil sollen die Schüler die Schaltungen nur aufbauen, dabei lernen sie einen sicheren Umgang mit elektronischen Bauteilen und dem Baukasten. Elektronische Bauteile richtig einsetzen Kurzschlüsse vermeiden Kontakte prüfen Schaltungen testen Teil 2. In Schaltungen messen Messen können in Schaltungen ist Voraussetzung für einen fundierten Umgang mit der Elektronik. Der Umgang mit dem Messgerät ist Grundlage für die Fehlersuche und die Dimensionierung von Schaltungen. Spannungen messen Widerstände messen Ströme messen Teil 3. Schaltungen verstehen El ek tro ni k- Le hr Gestärkt durch die beiden ersten Teile ist es nicht mehr so schwer die Geheimnisse der Elektronik zu verstehen und mit ihnen umzugehen. Einfache Transistorschaltungen Verzögerungsschaltungen Kippstufen Spannungsteilerschaltungen Elektro ik-Lehrga g © Fritz Löler 12-021-293 © 2016 Lehrerselbstverlag Teil 1: Schaltungen sicher aubauen 6 Erste Informationen zur Schaltung. + 4,5V Widerstände (hier R1; 150 Ohm) begrenzen die Stromstärke und setzen die Spannung herunter. Sie sind polungsunabhängig. 12 ga -0 ng 21 in -2 d 93 re © i Te Vo w ile rsc w n h w .L - V au eh o re n d rS e el r P bs ra tV xi er s z la u g. m de V er s 150 tä nd ni s 1.1 Leuchtdiode mit Vorwiderstand LED Leuchtdiode (LED; light emitting diode) Dioden lassen den Strom nur in eine Richtung durchfließen, in die andere Richtung sperren sie den Strom. Da LEDs nur ca. 1,5V aushalten, muss man immer einen Vorwiderstand einbauen. Ihre Stromstärke beträgt ca. 20 mA. 0V __ Baue die Schaltung auf. Die Schaltung ... funktioniert nicht - Überprüfe, ob Spannung anliegt - Überprüfe, anliegt Spannung - Überprüfe alleobKontakte und Lötstellen Überprüfe alle Kontakte und Lötstellen - Kontrolliere die Polung der Bauteile Kontrolliere die Polung der Bauteile - Kontrolliere die richtige Anordnung der Bauteile - Kontrolliere die richtige Anordnung der Bauteile hr ... funktioniert El ek tro ni k- Le Beschreibe die Funktion der Schaltung. ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ Überlege, wie oder wo man diese Schaltung einsetzen könnte. ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 12-021-293 © 2016 Lehrerselbstverlag Elektro ik-Lehrga g © Fritz Löler Teil 1: Schaltungen sicher aubauen 7 + npn -Transistor Collector+ 4,5V Polung beachten! Taster .. LED 1k B C E 0V __ Basis+ 12 ga -0 ng 21 in -2 d 93 re © i Te Vo w ile rsc w n h w .L - V au eh o re n d rS e el r P bs ra tV xi er s z la u g. m de V er s 150 tä nd ni Erste Informationen zur Schaltung. s 1.2 Transistorschaltung mit Taster in der Basisleitung (Steuerstromkreis) Emitter- Transistoren immer mit Vorwiderstand anschließen! Den Strom, der vom Pluspol zur Basis des Transistors fließt, nennt man Basis- oder Steuerstrom. Den Strom, der vom Pluspol durch R150, die LED und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors zum Minuspol fließt, nennt man Kollektor- oder Arbeitsstrom. Baue die Schaltung auf. Die Schaltung ... funktioniert nicht - Überprüfe, ob Spannung anliegt - Überprüfe alle Kontakte und Lötstellen - Kontrolliere die Polung der Bauteile - Kontrolliere die richtige Anordnung der Bauteile Le hr ... funktioniert El ek tro ni k- Beschreibe die Funktion der Schaltung. ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ Überlege, wie oder wo man diese Schaltung einsetzen könnte. ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ Elektro ik-Lehrga g © Fritz Löler 12-021-293 © 2016 Lehrerselbstverlag 16 Teil 2: In Schaltungen messen Information ! Wichtig ! + 150 LED U1 V U2 V V U ges 0V __ Das Formelzeichen der Spannung ist das U, gemessen wird in V (Volt). Die Spannung wird parallel zum Bauteil gemessen, d.h. man hält die Messfühler einfach vor und hinter das Bauteil, an dem man messen will. 12 ga -0 ng 21 in -2 d 93 re © i Te Vo w ile rsc w n h w .L - V au eh o re n d rS e el r P bs ra tV xi er s z la u g. m de V er s 4,5V tä nd ni s 2.1 Leuchtdiode mit Vorwiderstand Das rote Messkabel zeigt immer zum Pluspol, das schwarze Messkabel immer zum Minuspol. Baue die Schaltung auf. Die Schaltung ... funktioniert nicht - Überprüfe, ob Spannung anliegt - Überprüfe, Spannung anliegt - Überprüfe alleobKontakte und Lötstellen Überprüfe alle Kontakte und Lötstellen - Kontrolliere die Polung der Bauteile Kontrolliere die Polung der Bauteile - Kontrolliere die richtige Anordnung der Bauteile - Kontrolliere die richtige Anordnung der Bauteile hr ... funktioniert Le Notiere deine Messergebnisse: El ek tro ni k- U1 = ____________ U2 = ____________ Uges = ____________ Bemerkungen:__________________________________________________________ 12-021-293 © 2016 Lehrerselbstverlag Elektro ik-Lehrga g © Fritz Löler 17 Teil 2: In Schaltungen messen + Wenn sich drei Bauteile in einer Leiterbahn befinden, teilt sich die Spannung entsprechend in drei Teile. 4,5V U1 V 12 ga -0 ng 21 in -2 d 93 re © i Te Vo w ile rsc w n h w .L - V au eh o re n d rS e el r P bs ra tV xi er s z la u g. m de V er s 150 LED 1k B U2 V C V U3 V E U ges 0V __ tä nd ni Information s 2.2 Transistorschaltung mit Taster in der Basisleitung (Steuerstromkreis) U1 = Spannung am Widerstand 150 U2 = Spannung an der LED U3 = Spannung an der KollektorEmitter- Strecke des Transistors Beim Messen den Taster drücken! Baue die Schaltung auf. Die Schaltung ... funktioniert nicht - Überprüfe, ob Spannung anliegt - Überprüfe, Spannung anliegt - Überprüfe alleobKontakte und Lötstellen Überprüfe alle Kontakte und Lötstellen - Kontrolliere die Polung der Bauteile - Kontrolliere PolungAnordnung der Bauteileder Bauteile - Kontrolliere diedie richtige - Kontrolliere die richtige Anordnung der Bauteile ... funktioniert Le hr Notiere deine Messergebnisse: El ek tro ni k- U1 = ____________ U2 = ____________ U3 = ____________ Uges = ____________ Bemerkungen:__________________________________________________________ Elektro ik-Lehrga g © Fritz Löler 12-021-293 © 2016 Lehrerselbstverlag 28 Teil 3: Schaltungen verstehen + 4,5V LED U1 V U2 V V U ges 0V __ Bauteil einfach messen 12 ga -0 ng 21 in -2 d 93 re © i Te Vo w ile rsc w n h w .L - V au eh o re n d rS e el r P bs ra tV xi er s z la u g. m de V er s 150 das U, tä nd ni Information: Zur Erinnerung: Das Formelzeichen der Spannung ist gemessen wird in V (Volt). Die Spannung wird parallel zum gemessen, d.h. man hält die Messfühler vor und hinter das Bauteil, an dem man will. s 3.1 Transistorschaltung Leuchtdiode mit Vorwiderstand 3.1 mit Taster in der Basisleitung (Steuerstromkreis) Das rote Messkabel zeigt immer zum Pluspol, das schwarze Messkabel immer zum Minuspol. Baue die Schaltung auf! Messe und notiere: U1 = _____ U2 = _____ Uges = _____ Jeder Widerstand in einer Schaltung reduziert die Spannung und begrenzt den Strom. Man sagt, die Spannung fällt über dem Widerstand ab. Da eine LED nur mit ca. 1,5V betrieben werden darf, muss die restliche Spannung über einem Vorwiderstand abfallen. Gleichzeitig begrenzt der Widerstand auch die Stromstärke. Eine LED wird mit einem Strom von ca. 20mA betrieben. Nach dem Ohmschen Gesetz berechnet, sieht das so aus: Formel Ohmsches Gesetz El ek tro ni k- Le hr Vorwiderstand = Gesamtspannung (4,5V) minus LED-Spannung(1,5V), geteilt durch die Stromstärke(20 mA) Vergleiche das berechnete Ergebnis mit deinen gemessenen Werten: _____________________________________________________________________ 12-021-293 © 2016 Lehrerselbstverlag Elektro ik-Lehrga g © Fritz Löler 29 Teil 3: Schaltungen verstehen 3.2 Transistorschaltung mit Taster in der Basisleitung (Steuerstromkreis) tä nd ni + 4,5V Im Arbeitskreis eines Transistors (s.1.2) können bis etwa 100mA fließen. Die Voraussetzung für einen Stromfluss im Arbeitskreis ist ein Strom im Steuerstromkreis, also vom Pluspol durch den Taster, durch den Vorwiderstand dann durch die Basis-Emitter-Strecke zum Minuspol. Hier reicht ein Strom von ca. 1mA, um den Arbeitsstrom zu schalten. Ein viel größerer Strom würde den Transistor zerstören, deshalb liegt vor der Basis immer ein Schutzwiderstand (1k). 12 ga -0 ng 21 in -2 d 93 re © i Te Vo w ile rsc w n h w .L - V au eh o re n d rS e el r P bs ra tV xi er s z la u g. m de V er s 150 LED 1k C B E V 0V __ s Information zum Transistor npn C Basis+ Kollektor + B E Emitter - Baue die Schaltung auf! hr Das genaue Schaltverhalten eines Transistors, lässt sich über die Basisspannung am besten beschreiben. Durch den technischen Aufbau des Transistors schaltet dieser ab einer Basisspannung von ca. 0,7V. Daraus folgt: Unter 0,7V Basisspannung sperrt der Transistor den Arbeitsstromkreis, die LED leuchtet nicht. Über 0,7V Basisspannung gibt der Transistor seinen Arbeitsstromkreis (Kollektor-Emitter-Strecke) frei, die LED leuchtet. El ek tro ni k- Le Markiere mit einem roten Stift den Steuerstromkreis vom Pluspol bis zum Minuspol. Mache dasselbe mit einem blauen Stift für den Arbeitsstromkreis! Überprüfe die Basisspannung (Messfühler zwischen Basis und Minuspol) an der aufgebauten Schaltung, bei gedrücktem und nicht gedrücktem Taster. Notiere die Spannungswerte: ______________________________________________________________________ Elektro ik-Lehrga g © Fritz Löler 12-021-293 © 2016 Lehrerselbstverlag 39 Kombinierte Schaltungen (2 Beispiele) Dunkelschaltung mit Einschaltverzögerung tä nd ni s + 150 150 12 ga -0 ng 21 in -2 d 93 re © i Te Vo w ile rsc w n h w .L - V au eh o re n d rS e el r P bs ra tV xi er s z la u g. m de V er s 10 k LED 100k C C 1k 1k B B E E LDR __ Wenn es dunkel wird, schaltet der linke Transistor. Sein Arbeitsstrom lädt den Kondensator langsam (100k). Wenn der Kondensator 0,7 V erreicht hat, schaltet der rechte Transistor. Die rechte LED beginnt also verzögert zu leuchten. Hellschaltung mit monostabiler Kippstufe + 4,5V 150 150 150 LED 36k LDR 220uF C 1k 100k C C E T1 1k ni k- Le hr B E B B T2 E __ El ek tro 0V Wenn es hell wird, schaltet der linke Transistor. Dadurch wird die Basisspannung von Transistor 2 der monostabilen Kippstufe abgesenkt (der Basisstrom wird abgeleitet).Die Hellschaltung übernimmt somit die Funktion des Tasters (aus 3.7). Somit schaltet Transistor1 der monostabilen Kippstufe. Wenn es wieder dunkel wird, schaltet nach einer Weile T2. Elektro ik-Lehrga g © Fritz Löler 12-021-293 © 2016 Lehrerselbstverlag 40 Lösu ge Lösu ge Teil A u g, leu htet die LED e du gs eispiele s Fu ktio . Bei a gelegter Spa . We . We der Fühler it leitfähige Material Wasser, Haut, Metall us . leu htet die LED Füllsta dsa zeige, Alar a lage us . . We der Taster lä ger etätigt ird, leu htet die LED Verspätetes S halte er ü s ht, z.B. Alar a lage ei s halte . We der Taster losgelasse LED o h eiter z.B. Autotür-I . Je a h Taster leu htet die li ke oder re hte LED )uga gsregelu g S h i . Re hte LED leu htet. Na h de Betätige des Tasters leu htet die li ke LED, kurz da a h ieder die re hte. Spielzeit egre zer . LEDs li ke a Bli kli ht, To ge erator . We . We s.o. 12 ga -0 ng 21 in -2 d 93 re © i Te Vo w ile rsc w n h w .L - V au eh o re n d rS e el r P bs ra tV xi er s z la u g. m de V er s der Taster etätigt ird, leu htet die LED Betrie sa zeige, Dur hga gsprüfer tä nd ni Nr. ird, leu htet die e hsel d e li ht a gedu kelt ird, leu htet die LED Auto atis hes Na htli ht es hell ird, leu htet die LED S halte ad it Li ht Lösu ge Teil Messerge . U = , V; U = , V; U = , . U = , U = , , V k- Le hr U = , V; U = , ni tro ek Be erku ge . . El isse V; U = , V; U = , V; Uges = , V V; Uges = , V V; U = , V Uges = , V; V; U = , V; Uges = Taster : U steigt la gsa auf , V U si kt auf a. , V Taster u d : U = , V; U = V . U si kt o . Vor de A tippe des Tasters liegt die je eilige Spa u g ei , V, da a h ei V Elektro ik-Lehrga g © Fritz Löler Teilspa u ge addiere si h zur Gesa tspa u g I jede Stra g addiere si h die Teilspa u ge zur Gesa tspa u g. Ko de sator lädt, Spa u g steigt. T u d T : Ko de sator ird ü er rü kt V . , V auf u ter , V Der Taster er i det die Basis it de Mi uspol V 12-021-293 © 2016 Lehrerselbstverlag s tä nd ni 12 ga -0 ng 21 in -2 d 93 re © i Te Vo w ile rsc w n h w .L - V au eh o re n d rS e el r P bs ra tV xi er s z la u g. m de V er s hr Le k- ni tro ek El Fotos Elektro ik-Baukaste Elektro ik-Lehrga g © Fritz Löler 12-021-293 © 2016 Lehrerselbstverlag
