Elektronik für Anfänger - gsc
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Elektronik für Anfänger Teil 1: Analog-Elektronik von Gerhard Schmidt Kastanienallee 20 64289 Darmstadt Zweite überarbeitete Auflage Januar 2013 Inhaltsverzeichnis: 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Alles auf Anfang Eine LED zum Leuchten bringen Eine LED mit einem Transistor schalten Ein Verzögerungsschalter Zwei LEDs mit bistabilem Flipflop Zwei LED zum Blinken bringen Sensor mit Operationsverstärker Piepser mit Timer 555 NF-Verstärker mit 386 Spannungsregler mit 78L05 Elektronik für Anfänger S. 2 Einführung Benötigte Bauteile Die benötigten Bauteile können aus dem Laden oder vom Versandhandel bezogen werden. Die für die Grundausstattung nötigen Teile sind: ZEG Teilebezeichnungen mit Stern sind Reichelt-Artikelbezeichnungen. Anzahl Artikelbeschreibung ZEG-Bestell-Nr. Einzelpreis Gesamtpreis 1 Experimentierplatine 640/200 4904001130 4,99 4,99 1 Batterieanschlussclip 9V I-Form 4204000361 1,00 1,00 1 Zwillingslitze 5m rot/schwarz 4304003497 2,00 2,00 1 Batterie 9V Zink-Kohle 4204000506 0,80 0,80 1 Digitalmultimeter 4601270001 8,99 8,99 1 Abgreifklemme schwarz 4600920024 1,90 1,90 1 Abgreifklemme rot 4600920023 1,90 1,90 1 Seitenschneider 125 mm 4804000164 2,99 2,99 1 Steckerleiste, 40-polig, gerade *SL 1X40G 2,54 0,15 0,15 Summe 24,72 Elektronik für Anfänger S. 1 Reichelt Anzahl Artikelbeschreibung Bezeichnung Einzelpreis Gesamtpreis 1 Experimentierplatine 640/200 STECKBOARD 1K2V 4,99 4,99 1 Batterieanschlussclip 9V I-Form CLIP 9V 0,19 0,19 1 Isolierte Litze rot, 10m LITZE RT 0,71 0,71 1 Isolierte Litze schwarz, 10m LITZE SW 0,71 0,71 1 Batterie 9V Zink-Kohle PANASONIC 9-VOLT 1,90 1,90 1 Digitalmultimeter PEAKTECH 1070 9,75 9,75 1 Abgreifklemme schwarz MA 1 SW 1,15 1,15 1 Abgreifklemme rot MA 1 RT 1,15 1,15 1 Seitenschneider 135 mm MAN10701 3,95 3,95 1 Steckerleiste, 40-polig, gerade SL 1X40G 2,54 0,15 0,15 Summe 24,65 Conrad Anzahl Artikelbeschreibung Artikelnummer Einzelpreis Gesamtpreis 1 Steckplatine EIC-801 526819 - 62 8,93 8,93 1 Batterieanschlussclip 9V I-Form 624691 - 62 0,40 0,40 1 Litze schwarz/rot, 5m 606278 - 62 2,45 2,45 1 Batterie 9V Zink-Kohle 658014 - 62 3,50 3,50 1 Digitalmultimeter VC11 122999 - 62 6,49 6,49 1 Abgreifklemme schwarz 137650 - 62 2,49 2,49 1 Abgreifklemme rot 137642 - 62 2,49 2,49 1 Seitenschneider 135 mm 819972 - 62 5,45 5,45 1 Steckerleiste, 40-polig, gerade 749929 - 62 4,52 4,52 Summe 36,72 Wer alle Bauteile für alle Experimente auf einmal bestellen will, findet die kompletten Listen im Anhang. Diese Listen enthalten alle Bauteile, die für mehrere Experimente benötigt werden, nur einmal. Das Experimentierbrett Das Bild zeigt einen Ausschnitt des Breadboards ("Brütbrett"), mit dem die Experimente gemacht werden. Kleine und große Schaltungen können damit zusammengebaut werden. Elektronik für Anfänger S. 2 Die grünen Linien zeigen, wie die Löcher intern verbunden sind. Auf den beiden oberen Stromversorgungsleitungen sind alle Löcher einer Reihe miteinander verbunden. Die drei vertikalen Linien zeigen, wie die Spalten des Bretts verbunden sind. Die Verbindungen werden mit bunten Drähten hergestellt, die es in verschiedenen Längen gibt. Der Batteriestecker Der Stecker für die Batterie wird aus einer großen Stiftleiste gebastelt. Diese gibt es nur mit ganz vielen Pins. Von dieser Stiftleiste petzen wir zwei Stifte ab. An die beiden Pins wird der Batterieclip angelötet. Wer keine Stiftleiste hat oder keine verwenden will, kann an die beiden Enden des Kabels vom Batterieclip auch zwei steife Drahtenden anlöten. Dann ist aber Vorsicht angesagt, um der Batterie keinen Kurzschluss zu verursachen. Die wird dann sehr schnell leer. Elektronik für Anfänger S. 3 Eine LED zum Leuchten bringen Die Bauteile Was ist eine LED? Eine LED ist ein lichtemittierendes Bauelement (dafür steht das L und das E in der Abkürzung LED) und das den Strom nur in einer Richtung durchlässt (sowas bezeichnet man als Diode, das D in LED). Hier ist so eine LED abgebildet. Sie hat einen 5 mm breiten, rot gefärbten Körper aus Plastik und zwei Anschlussdrähte aus Metall. Weil sie nur in einer Richtung den Strom leitet, ist es nicht egal, wie die beiden Anschlüsse mit einer Stromquelle verbunden werden. Der längere Draht ist die Plusseite, der kürzere die Minusseite. Manchmal wird die Plusseite der Diode auch als Anode, die Minusseite als Kathode bezeichnet. Diese Bezeichnungen stammen aus der uralten Röhrentechnik, sind aber heute noch gebräuchlich. Hat man die Drähte mit der Petze (Seitenschneider) abgeschnitten, erkennt man die Kathodenseite an der Abflachung im Ring des Gehäuses. Es gibt viele Bauformen von LEDs. Gebräuchlich sind auch die kleinen 3 mm breiten runden LEDs. Daneben gibt es auch größere runde, eckige oder flächige Ausführungen. Die Kennlinie einer LED Eine LED ist ein eigenartiges Bauelement: ist die Spannung zu niedrig (z. B. nur 1 Volt), dann leuchtet sie gar nicht. Erst ab etwa 1,5 Volt beginnt sie Licht abzugeben. Aber Obacht, ist die Spannung über 2 Volt, dann fließt zu viel Strom und die LED geht kaputt. Also niemals eine LED direkt an die 9V-Batterie anschließen, sie leuchtet nur ganz kurz sehr hell auf und geht in Bruchteilen von Sekunden kaputt, weil der Strom aus der Batterie viel zu hoch wäre (praktisch alles was die Batterie an Strom liefern kann, und jedenfalls viel zu viel für die arme kleine LED). Das Diagramm zeigt dieses eigenartige Verhalten. Unterhalb von etwa 1,5 Volt fließt überhaupt kein Strom. Wird der Strom gesteigert, dann steigt die Spannung an der LED danach nur noch sehr sanft Elektronik für Anfänger S. 4 an. Bis zu einem Strom von 30 mA sind etwa 2,1 V erreicht. Der Widerstand Das Bild zeigt einen Widerstand von 470 Ohm. Ohm wird auch mit dem griechischen Zeichen für das große O, nämlich Omega, Ω, abgekürzt. Wir haben also 470 Ω vor uns. Die bunten Ringel sind der Code, um welchen Widerstand es sich handelt, da es Hunderte verschiedene Werte davon gibt. Der erste Ring ist gelb, der zweite violett, der dritte schwarz und der vierte ebenfalls schwarz. Ob die Ringfolge von links nach rechts oder von rechts nach links geht, zeigt der Abstand zum Rand: der Ring mit dem geringeren Abstand zum Rand ist der Erste. Die Farbe der Ringe ist folgendermaßen festgelegt: • • • • • • • • • • schwarz = 0 braun = 1 rot = 2 orange = 3 gelb = 4 grün = 5 blau = 6 violett = 7 grau = 8 weiß = 9 Die ersten drei Ringe geben die Zahl 470 an (gelb, violett, schwarz). Der vierte Ring bezeichnet die Zahl der anzuhängenden Nullen. Da er schwarz ist, also Null, kommt keine weitere Null hinzu. Die weiteren Ringe geben an, welchen Temperaturbereich und welche Genauigkeit der Widerstand einhält. Diese Codes brauchen uns hier erst mal nicht interessieren, weil es uns nicht auf Genauigkeit ankommt. Widerstände gibt es nicht in beliebiger Größe zu kaufen. Die Reihe 1,0 - 1,2 - 1,5 -1,8 - 2,2 - 2,7 3,3 - 4,7 - 5,6 - 6,8 - 8,2 - 9,1 heißt E-10-Reihe. Von diesen Sorten gibt es das zehn-, das hundert-, das tausendfache, das zehntausendfache und das hunderttausendfache an Widerstand zu kaufen. Der 470-Ohm- Widerstand stammt aus dieser Reihe (4,7 mal 100). Falls die Ringfarben mal abgerubbelt sind oder der Farbenkauderwelsch allzu undurchschaubar ist, kann man den Widerstand auch messen. Wir klemmen die beiden Prüfspitzen an den Widerstand, schalten das Universalmessgerät ein und stellen es auf Widerstandsmessung 2000 Ohm. Dann sollte so was wie im Bild zu sehen sein, ein Wert um die 470 herum. Elektronik für Anfänger S. 5 Die Bauteilliste ZEG Anzahl Artikelbeschreibung ZEG-Bestell-Nr. Einzelpreis Gesamtpreis 1 Widerstand 470 Ohm 4304010207 0,10 0,10 4 Dioden 1N4148 4404001555 0,10 0,40 1 LED 5 mm 4404001845 0,15 0,15 Summe 0,65 Reichelt Anzahl Artikelbeschreibung Bezeichnung Einzelpreis Gesamtpreis 1 Widerstand 470 Ohm METALL 470 0,08 0,08 4 Dioden 1N4148 1N4148 0,02 0,08 1 LED 5 mm LED 5MM RT 0,06 0,06 Summe 0,22 Conrad Anzahl Artikelbeschreibung Artikelnummer Einzelpreis Gesamtpreis 1 Widerstand 470 Ohm 418579 - 62 0,11 0,11 4 Dioden 1N4148 162280 - 62 0,04 0,16 1 LED 5 mm 184543 - 62 0,08 0,08 Summe Die Schaltung Elektroniker unterhalten sich überwiegend mit Bildern, die sie Schaltbilder nennen. Zeigt ein Elektroniker einem anderen Elektroniker so ein Schaltbild, weiß der sofort Bescheid. Jedenfalls dann, wenn es so einfach ist wie das hier. Der Elektroniker weiß sofort, dass unsere erste Schaltung aus genau drei Bauteilen besteht, einer Batterie, einem Widerstand und einer Leuchtdiode. Damit der das auch ohne große Beschriftung sieht, haben alle drei Komponenten im Schaltbild eine spezifische Form, genannt Symbol. Die Symbole sind genormt, daher verstehen sich die zwei Elektroniker auch sofort. Das ist das Schaltbild unserer ersten Schaltung. Das Schaltbild sagt, dass der Pluspol der Batte- 0,35 Elektronik für Anfänger S. 6 rie mit einem Widerstand verbunden ist, die andere Seite des Widerstands mit der Anode der LED und die Kathode der LED mit dem Minuspol der Batterie. Damit ist auch schon klar, was der Widerstand so macht: er bremst den Strom durch die LED und lässt nur so viel Strom durch, dass die LED nicht kaputt geht. Er hat 470 Ohm, womit die Elektroniker die Größe des Widerstandes beschreiben. Ohm war ein Physiker, der sich mit dem Widerstand verschiedener Drahtsorten befasst hat und nach dem die Widerstandsgröße benannt wurde. Wir kommen gleich noch darauf zurück. In dieser Schaltung fließen etwa 15 mA Strom durch die LED. Gemäß der obigen Kennlinie der LED hat diese bei 15 mA Strom eine Spannung von etwa 1,9 Volt. Der Rest der Batteriespannung, nämlich 9 minus 1,9, also 7,1 Volt liegen am Widerstand. Würden wir einen größeren Widerstand einbauen, würde der Strom durch die LED niedriger werden, ihre Spannung bliebe aber in etwa gleich hoch. Aufbau der Schaltung Der Aufbau erfolgt auf unserem Experimentierbrett. Zuerst biegen wir die beiden Drahtenden des Widerstands nach unten und schneiden alles was mehr als 5 mm lang ist mit der Petze ab. Die Drahtstücke heben wir auf, wir brauchen sie bei späteren Experimenten wieder. Dann stecken wir den Widerstand wie unten gezeigt in das Expermentierbrett. Er muss mit einer Seite in der Zeile stecken, die später die Plus-Batteriespannung hat. Nun stecken wir die LED in das Experimentierboard. Der längere Anschluss kommt in die gleiche Reihe wie der Widerstand nach Plus, der kürzere in die Spalte daneben. Nun kommt von der Kathode eine Drahtbrücke zur Minusleitung. Nun wird der Batterieclip mit den beiden Stromversorgungsleitungen auf dem Brett verbunden. Die rote Drahtseite geht an die Plusschiene, die schwarze nach Minus. Zuletzt stecken wir die Batterie an den Clip. Nun sollte die LED hell leuchten. Tut sie das nicht, sofort die Batterie abklemmen, damit nicht noch mehr kaputt geht, und dann den Fehler suchen. Ausmessen der Schaltung Jetzt kann man den Strom durch die LED messen. Dazu klemmen wir eine Seite des Batterieclips von der Batterie ab und klemmen das Messgerät dazwischen. Das schalten wir in den Messbereich Strom auf 20 oder 200 mA. Jetzt zeigt das Messgerät den Strom durch die LED an. Er sollte um die Elektronik für Anfänger S. 7 15 mA liegen. Zur Messung der LED-Spannung klemmen wir die Batterie wieder an den Clip, schalten das Messgerät auf Spannungsmessung in den Messbereich 20 Volt und klemmen die Messklemmen an die LED-Anschlussdrähte an. Jetzt zeigt das Messgerät die Spannung an der LED an. Sie sollte um die 2,0 Volt liegen. Ein wenig Rechnen Jetzt brauchen wir einen einfachen Taschenrechner oder das Ding, das in dem Computer als Taschenrechner vorhanden ist und so aussieht wie einer. Wir ziehen von der Batteriespannung (9 Volt) die 2 Volt der LED ab und teilen durch 470 Ohm. Das Ergebnis ist 0,0149. Wenn wir nun noch mit 1000 malnehmen, haben wir 14,9. Das ist genau der Strom durch die LED, wie wir ihn gemessen haben, in mA. Jetzt noch eine Testfrage: Welchen LED-Strom kriegen wir, wenn wir statt des 470 Ω den nächstniedrigen oder den nächsthöheren Widerstand der E-10-Reihe vor die LED schalten? Die LED für Wechselstrom umbauen Manchmal hat man es nicht mit Gleichspannung wie aus einer Batterie zu tun sondern mit Wechselstrom. Der wechselt 50 mal in der Sekunde seine Polarität. Damit die LED in Sperrrichtung nicht kaputt geht, kommt eine Diode vor die LED. Die Diode sperrt den Strom, wenn er gerade in falscher Richtung fließt. Die Diode ist sehr klein und trotzdem mit ihrem Namen, 1N4148, beschriftet. Der schwarze Ring auf einer Seite gibt an, welche Seite die Kathode ist. Maximal verträgt diese Diode einen Strom von 100 mA. Es gibt größere Dioden, die 1 A, 10 A oder einige 100 A vertragen. Elektronik für Anfänger S. 8 Der Umbau ist einfach: die Drahtbrücke zum Minuspol wird durch die Diode ersetzt. Nun können wir die Batterie richtig oder falsch herum anschließen, die LED geht nicht kaputt. Sie leuchtet halt nur nicht, wenn die Batterie falsch herum angeschlossen ist. Wenn die Leuchtdiode leuchten soll egal wie herum die Batterie angeschlossen ist braucht es etwas mehr, nämlich vier Dioden. Sie sorgen dafür, dass der Strom immer richtig herum durch die Diode fließt. Die Anordnung heißt Graetz-Gleichrichter, nach seinem Erfinder. Ist die Minusseite der Stromquelle unten angeschlossen, dann fließt der Strom durch die rechte untere Diode der Brücke, dann durch die LED und über die linke obere Diode zum Pluspol der Stromversorgung. Elektronik für Anfänger S. 9 Ist die Stromrichtung umgekehrt, dann fließt der Strom durch die rechte obere Diode, dann durch die LED und durch die untere linke Diode in die Stromquelle zurück. Wie auch immer die Stromquelle gepolt ist, fließt der Strom immer in der gleichen Richtung durch die LED. Dioden wie die 1N4148 haben übrigens in Durchlassrichtung auch eine Spannung, nämlich etwa 0,7 Volt. Bei der GraetzMethode sind immer zwei Dioden in Durchlassrichtung, die Batteriespannung erniedrigt sich also um ca. 1,4 V. Der Strom ist also I = 1000 * (9V - 2V - 1,4V) / 470 = 11,9 mA Wenn 0,7 V etwas zu viel ist, nehme man Schottky-Dioden, die haben nur 0,4 V Durchlassspannung. So sieht die Brücke auf dem Experimentierbrett aus. Elektronik für Anfänger S. 10 Transistorschalter Schaltbild des Transistorschalters Der Transistor schaltet in dieser Schaltung die LED an oder aus. Dazu ist er am Kollektor in den Stromkreis der LED eingefügt, nur wenn die Kollektor-EmitterStrecke leitend wird, bekommt die LED Strom und leuchtet.Der Trimmer lässt uns den Strom durch die Basis des Transistors regulieren. Zwischen Basis und Trimmerschleifer ist noch ein Widerstand mit 47 kΩ eingebaut, damit die Basis aus dem Trimmer nicht zu viel Strom zieht, falls der Trimmer auf zu hohe Spannung eingestellt ist. Die Bauteile Was ist ein Transistor? Das hier ist ein Transistor vom Typ BC547B. Er hat drei Anschlüsse, von links nach rechts Kollektor, Basis und Emitter. Der Emitter geht an den Minuspol der Batterie, der Kollektor an den Pluspol. Ohne angeschlossene Basisleitung leitet der Transistor den Strom praktisch nicht. Erst wenn vom Emitter aus durch die Basis ein Strom fließt, beginnt die Emitter-Kollektorstrecke zu leiten. Das besondere ist, dass der Strom durch die Emitter-Kollektorstrecke etwa 150 mal so groß ist wie der Basisstrom. Man kann also mit einem kleinen Basisstrom den Transistor einschalten. Fließt kein Basisstrom durch, ist der Kollektorstrom aus. Elektronik für Anfänger S. 11 Was ist ein Trimmwiderstand Damit wir sehen wie ein Trimmer funktioniert, hier zuerst ein Exemplar ohne Gehäuse. Der schwarze Belag ist eine Kohleschicht mit einem hohen Widerstand. Sie ist mit dem linken und rechten Anschluss verbunden. Der mittlere Anschluss ist mit einem Schleifer verbunden, der links oben mit einem Auflieger auf der Kohleschicht aufliegt. Im gezeichneten Bild ist der Schleifer näher am linken Anschluss als am rechten Anschluss, er greift etwa zwei Fünftel des gesamten Widerstands ab. Die Position des Schleifers kann mit einem Schraubendreher auf der Kohlebahn verstellt werden. Das Finden der richtigen Einstellung bezeichnet man als Trimmen. Mit einem Trimmer kann man Spannungen teilen. Ist eine Spannung von z.B. 9 V an die gesamte Kohleschicht angeschlossen, hat jeder kleine Teil der Schicht einen kleine Spannungsteil. Der Schleifer teilt die 9 V auf. In der gezeigten Stellung hat der Schleifer ungefähr 3,5 V Spannung. Dreht man den Schleifer weiter auf den linken Schleifer zu, wird die Spannung am Schleifer noch niedriger. Ein Trimmer ist also ein verstellbarer Spannungsteiler. Das hier ist ein Trimmwiderstand mit Gehäuse von oben und von der Seite. Er hat insgesamt 10.000 Ohm Widerstand Bei Widerständen über 1.000 Ohm kürzt man die 1.000 als Kilo oder mit dem Buchstaben K ab. Obwohl das nicht ganz korrekt ist, verwendet man oft auch ein kleines k. Der 47k-Widerstand Das hier ist der 47k-Widerstand. Die Ringe lauten in diesem Fall gelb (4), violett (7), schwarz (0) und rot (2 Nullen). Zusammen also 47000 oder 47 kΩ. Elektronik für Anfänger S. 12 Die Bauteilliste ZEG Anzahl Artikelbeschreibung ZEG-Bestell-Nr. Einzelpreis Gesamtpreis 1 Transistor BC547B 4404001142 0,20 0,20 1 Widerstand 470 Ohm 4304010207 0,10 0,10 1 Widerstand 47 k 4304010431 0,10 0,10 1 LED 5 mm 4404001845 0,15 0,15 1 Trimmer 10k liegend 4304000865 0,50 0,50 Summe 1,05 Reichelt Anzahl Artikelbeschreibung Bezeichnung Einzelpreis Gesamtpreis 1 Transistor BC547B BC 547B 0,04 0,04 1 Widerstand 470 Ohm METALL 470 0,08 0,08 1 Widerstand 47 k METALL 47,0K 0,08 0,08 1 LED 5 mm LED 5MM RT 0,06 0,06 1 Trimmer 10k liegend (Reichelt) 76-10 10K 0,39 0,39 Summe 0,65 Conrad Anzahl Artikelbeschreibung Artikelnummer Einzelpreis Gesamtpreis 1 Transistor BC547B 155785 - 62 0,11 0,11 1 Widerstand 470 Ohm 418579 - 62 0,11 0,11 1 Widerstand 47 k 418455 - 62 0,11 0,11 1 LED 5 mm 184543 - 62 0,08 0,08 1 Trimmer 10k liegend 424951 - 62 0,71 0,71 Summe 1,12 Elektronik für Anfänger S. 13 Aufbau der Schaltung So wird die Schaltung aufgebaut. Beim Transistor und der LED kommt es auf die richtige Polarität an, bei den beiden Widerständen nicht. Der Trimmer muss so platziert werden, dass seine drei Beine in jeweils eine eigene Spalte des Bretts gelangen. Wenn wir nun am Trimmer drehen, gibt es einen Bereich, in dem die LED völlig aus ist, und einen Bereich, in dem die LED voll hell leuchtet. Dazwischen gibt es einen kleinen Übergangsbereich, in dem wir die Helligkeit mit dem Trimmer regulieren können. Dieser Übergangsbereich sollte bei einem richtigen Schalter eigentlich nicht vorhanden sein, der ja nur ein oder aus kennt. Das hier bildet den LEDStrom bei steigender Spannung am Trimmer dar. Unterhalb von 0,5 V fließt überhaupt kein Strom durch die LED. Zwischen 0,5 und 3 V steigt der Strom gleichmäßig an. Über 3 V steigt der Strom durch die LED praktisch nicht mehr an. In diesem Bereich regelt der Transistor nicht mehr, er ist in der Sättigung. Der Strom durch die LED wird nur noch durch den 470 Ω-Widerstand begrenzt. Wenn die Schaltung keinen Übergangsbereich mehr haben soll, muss der Transistor mehr Verstärkung haben. Dann wird der Übergang steiler. Wir werden später sehen, wie sich das Hintereinanderschalten von Transistoren zum Erreichen höherer Verstärkung bemerkbar macht. Elektronik für Anfänger S. 14 Verzögerungsschalter Schaltbild des Verzögerungsschalters In diesem Fall laden wir den Elko mit dem Taster auf die Betriebsspannung auf. Lassen wir den Taster los, entlädt sich der Elko über den 47 kΩ-Widerstand und die Basis des Transistors. Ist der Elko entladen, fließt kein Strom mehr durch die Basis und die LED geht aus. Die Bauteile Was ist ein Elko? Das hier ist ein kleiner Elko. Elkos sind Bauelemente, deren zwei Anschlussdrähte mit zwei aufgerollten Alufolien verbunden sind. Eine der Folien ist mit einer sehr dünnen nichtleitenden Oberflächenschicht versehen. Zwischen den Folien ist eine stromleitende Flüssigkeitsschicht verteilt, der Elektrolyt. Die beiden Folien sind also nur durch die dünne Isolationsschicht voneinander getrennt. Metallplatten, die sich nahe genug gegenüberstehen, können Ladung aufnehmen (Kapazitätseffekt). So zwei Platten können also Strom speichern. Je größer die Platten und je näher diese sich sind, desto mehr an Ladung passt auf die beiden Platten. Da beim Elekrolytkondensator, oder kurz Elko, die Isolationsschicht besonders dünn ist, passt auch bei sehr niedrigen Abmessungen sehr viel Ladung darauf. Die Kapazität eines Kondensators wird in Farad angegeben, Abkürzung F (nach Michael Faraday). Da ein Farad eine sehr große Kapazität wäre, gibt es in unserem Fall 47 Millionstel eines Farads oder 47 µF. Das ist immer noch recht viel Ladung. Ein Kondensator leitet den Strom nicht wirklich, weil die Platten ja durch die Isolationsschicht getrennt sind. Ist ein Kondensator aber auf eine bestimmte Spannung geladen, dann bewirkt jede Spannungsänderung aber einen Strom, der bei einer Spannungserhöhung zum Laden der Platten gebraucht wird. Umgekehrt bewirkt die Spannungssenkung einen Strom, der zum Entladen der Platten Elektronik für Anfänger S. 15 gebraucht wird. Wechselt also die Spannung ständig, wie bei Wechselstrom, lässt der Kondensator scheinbar Strom durch. Da in der metallenen Hülse Elektrolyt enthalten ist, der bei falscher Polarität die Isolationsschicht auflösen und einen Kurzschluss verursachen würde, muss beim Anwenden von Elkos immer auf die Polarität geachtet werden. Dazu findet sich das Minuszeichen aufgedruckt. Falsch herum nehmen sie arg krumm. Die können auch explodieren, wenn genügend Strom durch den Elektrolyt fließt und sich genügend Gas bildet. Dasselbe passiert, wenn die Spannung am Elko zwar richtig herum angelegt ist, aber zu hoch ist. Dann bricht die Isolationsschicht unter der Spannung zusammen und es entsteht ein Kurzschluss, der Elko "brennt" durch. Das darf man ruhig wörtlich nehmen. Die Maximalspannung ist auf dem Elko aufgedruckt. Im abgebildeten Fall sind es 25 V. Ein Taster Das hier ist ein Taster. Er hat zwei Pole. Diese werden elektrisch geschlossen, wenn die Taste gedrückt ist. Wird die Taste losgelassen, dann leitet der Taster den Strom nicht mehr. Taster dienen dazu, kurze Stromstöße zu geben. Die Bauteilliste ZEG Anzahl Artikelbeschreibung ZEG-Bestell-Nr. Einzelpreis Gesamtpreis 1 Transistor BC547B 4404001142 0,20 0,20 1 Widerstand 470 Ohm 4304010207 0,10 0,10 1 Widerstand 47 k 4304010431 0,10 0,10 1 LED 5 mm 4404001845 0,15 0,15 1 Taster 4904001245 0,30 0,30 1 Elko 47 µF / 16V radial 4304011184 0,20 0,20 Summe 1,05 Reichelt Anzahl Artikelbeschreibung Bezeichnung Einzelpreis Gesamtpreis 1 Transistor BC547B BC 547B 0,04 0,04 1 Widerstand 470 Ohm METALL 470 0,08 0,08 1 Widerstand 47 k METALL 47,0K 0,08 0,08 1 LED 5 mm LED 5MM RT 0,06 0,06 1 Taster T 113A RT 0,24 0,24 1 Elko 47 µF / 16V radial RAD 47/16 0,04 0,04 Summe 0,54 Elektronik für Anfänger S. 16 Conrad Anzahl Artikelbeschreibung Artikelnummer Einzelpreis Gesamtpreis 1 Transistor BC547B 155785 - 62 0,11 0,11 1 Widerstand 470 Ohm 418579 - 62 0,11 0,11 1 Widerstand 47 k 418455 - 62 0,11 0,11 1 LED 5 mm 184543 - 62 0,08 0,08 1 Taster 705071 - 62 1,04 1,04 1 Elko 47 µF / 16V radial 460656 - 62 0,19 0,19 Summe 1,64 Die Verzögerungsschaltung auf dem Experimentierboard So sollte es auf dem Experimentierboard aussehen. Beim Aufbau besonders auf die Polarität des Elko achten. Nach dem Drücken des Tasters wird die LED hell, beim Loslassen klingt die LED über Sekunden aus. Funktionsweise So verhält sich die nungskurve am Elko Kurve): je höher die nung desto höher der durch die Basis. Span(blaue SpanStrom Mit abnehmender Spannung geht die Entladung langsamer. Die rote Kurve zeigt den resultierenden Strom durch die LED. Leider gibt es keine wirklich steile Abnahme des LED-Stroms, weil die Ladung so langsam abnimmt. Um das wirklich steil hinzukriegen, braucht es andere Schaltungen. Elektronik für Anfänger S. 17 Ein Flipflop mit Transistoren Schon mit zwei Transistoren lässt sich ein famoser Speicher bauen. Solche Speicher sind zu Milliarden in jedem Rechner. Unser wird etwas klobiger, hat aber den Vorteil, dass wir seinen Speicherzustand jederzeit mit eigenen Augen sehen können. Die Verzögerung mit einem Transistor bezeichnet man auch als Monoflop: er kennt nur einen stabilen Zustand, und das ist Aus. Auch wenn er zeitweise durch das Laden des Elkos in den eingeschalteten Zustand versetzt werden kann, kehrt er nach einiger Zeit wieder in seinen langweiligen AusZustand zurück. So was bezeichnet man unter Kennern als "monostabilen Flipflop" oder kurz als "Monoflop", was so viel heißt wie "einziger Impuls". Das Wort "Flipflop" zeigt immerhin an, dass es zwei Zustände gibt, nämlich "flip" und "flop". So ein Speicher mit zwei Transistoren kennt hingegen zwei verschiedene stabile Zustände, die wieder "flip" und "flop" heißen. Hier bewegt sich aber nix, "flip" bleibt immer "flip" und "flop" bleibt immer "flop". Das bezeichnet man als "bistabil". Ganz heißt das, was wir jetzt bauen, also "bistabiler Flipflop". Die Schaltung Das hier ist das Schaltbild der Schaltung: Die Schaltung besteht aus folgenden Einzelkomponenten: • • • • zwei Transistoren vom Typ BC547B, zwei Leuchtdioden (LED, 5 mm, rot), zwei Widerständen mit 470 Ohm, zwei Widerständen mit 47k, Elektronik für Anfänger S. 18 • einem Taster, • der Batterie mit 9V Spannung. Die einzelnen Bauelemente sind folgendermaßen zu erkennen. Transistoren Den Transistor kennen wir von früher. Davon brauchen wir jetzt aber zwei. Zur Erinnerung: Links ist der Kollektor, in der Mitte die Basis, und rechts der Emitter. Die Widerstände Auch die Widerstände kennen wir schon. Oben 470 Ω, unten 47 kΩ. Die Bauteile ZEG Anzahl Artikelbeschreibung ZEG-Bestell-Nr. Einzelpreis Gesamtpreis 2 Transistor BC547B 4404001142 0,20 0,40 2 Widerstand 470 Ohm 4304010207 0,10 0,20 2 Widerstand 47 k 4304010431 0,10 0,20 2 LED 5 mm 4404001845 0,15 0,30 1 Taster 4904001245 0,30 0,30 Summe 1,40 Reichelt Anzahl Artikelbeschreibung Bezeichnung Einzelpreis Gesamtpreis 2 Transistor BC547B BC 547B 0,04 0,08 2 Widerstand 470 Ohm METALL 470 0,08 0,16 2 Widerstand 47 k METALL 47,0K 0,08 0,16 1 Taster T 113A RT 0,24 0,24 2 LED 5 mm LED 5MM RT 0,06 0,12 Summe 0,77 Elektronik für Anfänger S. 19 Conrad Anzahl Artikelbeschreibung Artikelnummer Einzelpreis Gesamtpreis 2 Transistor BC547B 155785 - 62 0,11 0,22 2 Widerstand 470 Ohm 418579 - 62 0,11 0,22 2 Widerstand 47 k 418455 - 62 0,11 0,22 2 LED 5 mm 184543 - 62 0,08 0,16 1 Taster 705071 - 62 1,04 1,04 Summe 1,86 Aufbau der Schaltung So werden die beiden Transistoren mit ihren Emittern zusammengeschaltet. Und mit einer Brücke an das Minus der Stromversorgung angeschlossen. Und so werden die beiden LED und die beiden 470 ΩWiderstände angeschlossen. Die beiden Widerstände von den Kollektoren zu den Basen und der Taster werden dazu geschaltet. Am Schluss wird die Stromversorgung dazu geschaltet. Eine der beiden LED sollte jetzt leuchten, die andere aus sein. Elektronik für Anfänger S. 20 Wenn die linke LED leuchtet, schließen wir den Taster an die Basis des linken Tasters an. Die andere Seite des Tasters ist mit dem Minuspol der Batterie verbunden. Wird der Taster gedrückt, müsste die linke LED erlöschen und stattdessen die rechte LED leuchten. Leuchtet die rechte LED, muss der Taster an die Basis des rechten Transistors. Wie es funktioniert Das Bild zeigt den Zustand, wenn der linke Transistor leitet. Die linke LED brennt. Der geringe Basisstrom aus dem linken Transistor lässt die rechte LED nicht leuchten, weil er so klein ist. Die leitende Kollektor-Emitterstrecke zieht die Spannung am Kollektor auf seine Sättigungsspannung von ca. +0,2 V. Durch die LED links fließt Strom und sie leuchtet. Da der Kollektor des linken Transistors auf sehr niedriger Spannung liegt, fließt aus der Basis des zweiten Transistors kein Strom zum Kollektor des Ersten, da die Basis erst ab ca. 0,6 V Strom leitet. Der zweite Transistor leitet deshalb nicht, er sperrt. Dadurch liegt die Spannung an seinem Kollektor hoch, auf ca. +7 V. Gegenüber der Basis des linken Transistors liegt diese Spannung so hoch, dass über den Widerstand von 47 k Strom aus der Basis des linken Transistors fließen kann. Dieser Basisstrom lässt den linken Transistor weiter leitend sein. Dieser Zustand ist stabil: der linke Transistor macht den rechten nichtleitend, der rechte Transistor den linken leitend. Elektronik für Anfänger S. 21 Daran ändert sich erst etwas, wenn wir mit der Taste die Basis des linken Transistors mit dem Minuspol verbinden und so den Basisstrom kurz unterbrechen. Das macht den linken Transistor nichtleitend, die Spannung an seinem Kollektor steigt auf ca. 7 V an. Der Spannungsanstieg lässt nun aber Strom durch die Basis des rechten Transistors fließen (über den 47 k-Widerstand). Die Kollektor-Emitter-Strecke des rechten Transistors wird jetzt leitend, die Spannung am Kollektor sinkt auf 0,2 V. Jetzt kann kein Strom mehr aus der Basis des linken Transistors fließen. Selbst wenn wir den Taster wieder loslassen, bleibt der linke Transistor nichtleitend, der rechte bleibt leitend. Das ist jetzt der neue stabile Zustand. War die Schaltung vorher im Zustand "Flip", ist sie nun im Zustand "Flop". Und daran ändert sich erst was, wenn wir mit dem Taster die Basis des rechten Transistors auf Minus ziehen. Dann flippt der Flipflop wieder zurück. Mit der Anordnung lässt sich der Zustand beliebig lange speichern. Es ist ein Ein-Bit-Speicher. Allerdings kann der Speicher nur wenig Information speichern, nämlich nur AN oder AUS bzw. LEITEND oder NICHTLEITEND bzw. NULL oder EINS. Weil es nur zwei Zustände haben kann, wird diese Art Speicher binär genannt. Da der gespeicherte Zustand verschwindet, wenn die Betriebsspannung kurz weggenommen wird, ist es ein „flüchtiger Speicher“. Elektronik für Anfänger S. 22 Zwei LED zum Blinken bringen Nun bringen wir zwei LED zum wechselseitigen Blinken. Dazu brauchen wir zwei Schalter, die sich gegenseitig ein und aus schalten. Das machen in unserem Fall zwei Transistoren in einer trickreichen Schaltung. Die Schaltung Das hier ist das Schaltbild der Schaltung: Die Bauteile Die Schaltung besteht aus folgenden Einzelkomponenten: • • • • • • zwei Transistoren vom Typ BC547B, zwei Elektrolytkondensatoren 10µF 16 Volt, zwei Leuchtdioden (LED, 5 mm, rot), zwei Widerständen mit 470 Ohm, zwei Widerständen mit 47k, der Batterie mit 9V Spannung. Die einzelnen Bauelemente sind folgendermaßen zu erkennen. Elektronik für Anfänger S. 23 Transistoren Den Transistor kennen wir schon vom Transistorschalter her. Davon brauchen wir jetzt gleich zwei. Zur Erinnerung: Links ist der Kollektor, in der Mitte die Basis, und rechts der Emitter. Elektrolytkondensator Das hier ist ein Elko mit 10µF Kapazität. Er hat also 4,7-fach weniger Kapazität als der im Verzögerungsschalter verwendete Elko. Davon brauchen wir zwei Stück, die sich wechselseitig laden und entladen. Widerstände Auch die Widerstände kennen wir schon. Oben 470 Ω, unten 47 kΩ. Die Bauteilliste ZEG Anzahl Artikelbeschreibung ZEG-Bestell-Nr. Einzelpreis Gesamtpreis 2 Transistor BC547B 4404001142 0,20 0,40 2 Widerstand 470 Ohm 4304010207 0,10 0,20 2 Widerstand 47 k 4304010431 0,10 0,20 2 LED 5 mm 4404001845 0,15 0,30 2 Elko 10 µF / 16V radial 4304011231 0,40 0,80 Summe 1,90 Reichelt Anzahl Artikelbeschreibung Bezeichnung Einzelpreis Gesamtpreis 2 Transistor BC547B BC 547B 0,04 0,08 2 Widerstand 470 Ohm METALL 470 0,08 0,16 2 Widerstand 47 k METALL 47,0K 0,08 0,16 2 LED 5 mm LED 5MM RT 0,06 0,12 2 Elko 10 µF / 16V radial SM 10/16RAD 0,05 0,10 Summe 0,63 Elektronik für Anfänger S. 24 Conrad Anzahl Artikelbeschreibung Artikelnummer Einzelpreis Gesamtpreis 2 Transistor BC547B 155785 - 62 0,11 0,22 2 Widerstand 470 Ohm 418579 - 62 0,11 0,22 2 Widerstand 47 k 418455 - 62 0,11 0,22 2 LED 5 mm 184543 - 62 0,08 0,16 1 Taster 705071 - 62 1,04 1,04 Summe 1,86 Aufbau der Schaltung So werden die beiden Transistoren mit ihren Emittern zusammengeschaltet. Und mit einer Brücke an das Minus der Stromversorgung angeschlossen. Und so werden die beiden LED und die beiden 470 Ω-Widerstände angeschlossen. Die beiden Elkos kommen hinzu und werden über Kreuz mit den Basen der beiden Transistoren verbunden. Am Schluss wird die Stromversorgung dazu geschaltet und die beiden LED sollten jetzt im Wechsel blinken. Elektronik für Anfänger S. 25 Sensor mit Operationsverstärker 741 Diese Schaltung benutzt den Widerstand Deines Fingers um eine Lampe einzuschalten. Weil der Widerstand recht hoch ist, braucht man einen ordentlichen Verstärker: einen Operationsverstärker. Die Schaltung Der Operationsverstärker wird in dieser Schaltung als Vergleicher verwendet. Ist die Spannung am Eingang IN+ größer, geht der Ausgang OUT (Pin 6) auf hohe Spannung, ist sie kleiner, geht sie auf niedrige Spannung. Der Eingang IN- liegt mit den beiden Widerständen von 100 kΩ auf der halben Betriebsspannung (+4,5 V). Einer der beiden Sensoranschlüsse liegt über einen Widerstand an der positiven Betriebsspannung, der andere direkt an der negativen Betriebsspannung. Ist nichts an den Sensor angeschlossen, ist die Spannung am Eingang IN+ größer als am IN-, der Ausgang liegt hoch und die Leuchtdiode leuchtet nicht. Die beiden Sensoren werden mit dem Finger überbrückt. Ist der Widerstand des Fingers am Sensor höher als 100 kΩ bleibt die LED aus. Ist sie niedriger (eventuell mit etwas Spucke am Finger nachhelfen), sinkt die Spannung am Eingang IN+ unter die 4,5 V am Eingang IN- und die LED leuchtet. Der Widerstand von Fingern ist bei unterschiedlichen Menschen unterschiedlich groß und u.a. von der Jahreszeit, der Schweißabsonderung, der Aufregung, usw., abhängig. Mit der Schaltung lässt sich auch die Leitfähigkeit anderer Objekte feststellen, z. B. von Leitungswasser, dem destillierten Wasser, das zum Befüllen von Dampfbügeleisen verwendet wird, Orangensaft, Münzen, Schlüssel, Stoff. Elektronik für Anfänger S. 26 Die Bauteile Der Operationsverstärker 741 So sieht der Operationsverstärker aus. Der 741 hat acht äußere Anschlüsse, vier auf beiden Seiten des Plastikgehäuses (die vier auf der anderen Seite sind hier nicht zu sehen. Diese Art von Gehäuse wird als DIL bezeichnet (DIL=Dual in line, etwa: zweireihig). Wichtig ist noch die kleine Einbuchtung auf der linken Seite des Gehäuses. Sie zeigt, wie herum der 741 zu legen ist, wenn die Anschlüsse zugeordnet werden müssen. Der linke untere Pin auf der Seite mit der Einbuchtung ist immer der Anschluss mit der Nummer eins. Ist keine Einbuchtung vorhanden, dann hat Pin 1 einen kleinen Klecks. Die Pins werden von unten links nach rechts und weiter auf der Oberseite von rechts nach links durchgezählt. Das sieht man in dieser Darstellung besser. Links ist die Draufsicht auf den 741 von oben skizziert. Rechts sind die Anschlüsse im Schaltbild gezeigt. Der Kreis vor dem Eingang IN- zeigt an, dass der Anschluss NEGATIV oder INVERTIERT ist. Selbst wenn man keine Bezeichnung sieht, kann man so den nicht-invertierenden und den invertierenden Eingang unterscheiden. Die IC-Fassung Für alle Integrierten Schaltungen (ICs) verwendet man Fassungen, nur in der Großproduktion verzichtet man darauf. Die Fassung sieht so aus. Das IC, hier unser Operationsverstärker, wird in diese Fassung gesteckt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Einbuchtung am IC mit der Einbuchtung in der Fassung (links im Bild) übereinstimmt, damit die Nummerierung stimmt. Fabrikneue ICs passen aus unerfindlichen Gründen nicht in die Fassung, ihre Pins zeigen weiter nach außen. Beim Eindrücken des IC in die Fassung würden wir die Pins hoffnungslos verbiegen. Damit das klappt, gibt es folgenden Trick. Man fasst das IC links und rechts an und drückt die vier Pins auf einer ebenen Fläche gleichzeitig um einen halben Millimeter nach innen. Das macht man auf beiden Seiten. Aber Vorsicht, die beiden Vierreihen nicht zu weit eindrücken. Ist ein Pin mal zu arg verbogen, dann wieder vorsichtig mit einer Pinzette zurückbiegen. Das machen die aber nicht oft mit und brechen ab. Das Teil kann dann entsorgt und muss neu beschafft werden. Elektronik für Anfänger S. 27 Der 100nF-Kondensator Im Schaltbild ist noch ein Kondensator von 100 nF eingezeichnet. Das Bauteil sieht so aus. Es trägt die Aufschrift "104 K". Die 104 bedeutet soviel wie eine 1, eine 0 und vier Nullen dazu, also 100000. Die Angabe der Kapazität von kleinen Kondensatoren erfolgt in PicoFarad oder pF. Ein Picofarad sind ein millionstel millionstel Farad. 1000 pF sind ein Nano-Farad (nF). Die 100000 bedeutet also 100 nF. Das große "K" in der Aufschrift bedeutet nicht "Kilo", sondern "Keramik". Das bedeutet, dass die Isolation zwischen den Platten aus Keramikmaterial ist. Die "100" in der zweiten Zeile der Beschriftung bedeutet, dass der Kondensator 100 V verträgt. Kondensatoren mit Keramikisolator ist es übrigens egal, wie herum die Spannung angelegt wird. Im Gegensatz zu Elkos macht die Polarität nichts aus. Die Widerstände Den 470Ω-Widerstand in der Schaltung als Strombegrenzer für die LED kennen wir schon. Die drei Widerstände mit 100kΩ sehen so aus. Die Ringe von links nach rechts lauten: braun(1), schwarz(0), schwarz(0), orange(3). Den letzten können wir ignorieren, er gibt die Toleranz an (braun, 1%). Also 1-0-0 und drei Nullen, macht 100000 Ohm oder 100 Ω. Die Bauteilliste ZEG Anzahl Artikelbeschreibung ZEG-Bestell-Nr. Einzelpreis Gesamtpreis 1 IC LM741 4404002597 0,40 0,40 1 IC-Fassung 8-polig Präzision 4304000224 0,35 0,35 3 Widerstand 100 k 4304010468 0,10 0,30 1 Keramikkondensator 100 nF 4304010875 0,15 0,15 1 Widerstand 470 Ohm 4304010207 0,10 0,10 1 LED 5 mm 4404001845 0,15 0,15 Summe 1,45 Elektronik für Anfänger S. 28 Reichelt Anzahl Artikelbeschreibung Bezeichnung Einzelpreis Gesamtpreis 1 IC LM741 µA 741 DIP 0,19 0,19 1 IC-Fassung 8-polig Präzision GS 8P 0,19 0,19 3 Widerstand 100 k METALL 100K 0,08 0,25 1 Keramikkondensator 100 nF Z5U-2,5 100N 0,04 0,04 1 Widerstand 470 Ohm METALL 470 0,08 0,08 1 LED 5 mm LED 5MM RT 0,06 0,06 Summe 0,81 Conrad Anzahl Artikelbeschreibung Bezeichnung Einzelpreis Gesamtpreis 1 IC LM741 175935 - 62 0,48 0,48 1 IC-Fassung 8-polig Präzision 184867 - 62 0,62 0,62 3 Widerstand 100 k 418498 - 62 0,11 0,33 1 Keramikkondensator 100 nF 500784 - 62 0,13 0,13 1 Widerstand 470 Ohm 418579 - 62 0,11 0,11 1 LED 5 mm 184543 - 62 0,08 0,08 Summe 1,75 Aufbau der Schaltung Der Aufbau der Schaltung ist hier abgebildet. Wichtig ist es, den IC genau über die Riefe des Experimentierboards zu platzieren (hier die Reihen E und F), da sonst die acht Pins unzulässig miteinander verbunden würden. Im rechten Bild sind noch zusätzliche Bezeichnungen enthalten. Die beiden orangenen Kabel verbinden die oberen Betriebsspannungsschienen mit den beiden unteren, so dass wir von beiden Seiten des IC gut an diese Spannung herankommen. Elektronik für Anfänger S. 29 Die LED und der 470Ω-Widerstand sind oben platziert und an die Betriebsspannung und Pin 6 des 741 angeschlossen. Der längere Anschluss der LED geht über den Widerstand nach +9V, die kürzere an Pin 6. Als Sensor sind zwei von den Widerständen abgeschnittene Drahtenden in die Löcher C59 und C58 eingesteckt. Das reicht zum Fingertesten. Für Tests mit anderen Objekten muss man an diese beiden Drähte ein Kabel anlöten. Wie es funktioniert Interner Aufbau des 741 Den inneren Aufbau zeigt die Abbildung (©2000 by Texas Instruments). Zu sehen sind 22 Transistoren, 11 Widerstände, eine Diode und ein Kondensator. Wenn wir das alles auf unserem Brett aufbauen müssten, würden wir ziemlich schnell den Spaß am Basteln verlieren. Stattdessen stecken wir ein Plastikgehäuse mit acht Pins in eine Fassung und fertig. Alle Anschlüsse des 741 Die Pins machen Folgendes: Pin # Englische Bezeichnung Deutsche Bezeichnung Funktion des Anschlusses 1 Offset 1 Mittenausgleich Abgleich von geringfügig abweichenden Spannungen der beiden Eingangstransistoren 2 IN- Invertierender Eingang Eingangsspannung, die von der Spannung am nichtinvertierenden Eingang abgezogen wird 3 IN+ Nicht-invertierender Eingang Eingangsspannung, von der die Spannung am invertierenden Eingang abgezogen wird 4 VCC- Negative Versorgungsspannung Bei symmetrischer Versorgung aus zwei Spannungsquellen die negative Betriebsspannung, max. -18V 5 Offset 2 Mittenausgleich Abgleich von geringfügig abweichenden Spannungen der beiden Eingangstransistoren Elektronik für Anfänger Pin # S. 30 Englische Bezeichnung Deutsche Bezeichnung Funktion des Anschlusses OUT Ausgang, max. 25 mA Signalausgang, ca. 20.000 mal die Differenz der beiden Eingangsspannungen 7 VCC+ Positive Versorgungsspannung Bei symmetrischer Versorgung aus zwei Spannungsquellen die positive Betriebsspannung, max. +18V 8 NC (Nicht angeschlossen) (Intern nicht verdrahtet) 6 Der 741 als Verstärker In der nachfolgenden Schaltung arbeitet der 741 als Spannungsverstärker. Die Versorgungsspannung ist mit +/-15 V symmetrisch, so dass positive wie negative Eingangsspannungen sowie Wechselspannungen verarbeitet werden können. Das Eingangssignal wird 100fach verstärkt und am Ausgang ausgegeben. Der Verstärker kann z.B. geringe Wechselspannungen aus einem Mikrofon von 10 mV auf 1 V bringen. An den beiden Offset-Anschlüssen ist ein Trimmer angeschlossen, mit dem geringe Unterschiede zwischen den Eingangstransistoren ausgeglichen werden können, so dass bei 0 V Eingangsspannung der Ausgang auf exakt 0 V gebracht werden kann. Elektronik für Anfänger S. 31 Piepser mit integriertem Schaltkreis 555 Es gibt noch viele andere Lösungen für die Aufgabe, eine LED zum Blinken zu bringen. Daher machen wir hier mal etwas lautstarkes, wir piepsen. Die am häufigsten verwendete Methode zum Piepsen ist ein Integrierter Schaltkreis mit Namen 555. Den gibt es jetzt hier in seiner Standardschaltung. Die Schaltung Die Schaltung ist rund um den Timer 555 aufgebaut. Sie piepst auf Tastendruck. Ist die Taste nicht gedrückt, dann zieht der 10k-Widerstand den Reset-Eingang auf Minus, die Tonerzeugung stoppt. Wird die Taste gedrückt, ist der ResetEingang mit der Betriebsspannung verbunden und die Tonerzeugung startet. Beim Loslassen der Taste stoppt die Tonerzeugung wieder. Der Kondensator 22 nF und die beiden Widerstände mit 10 kΩ bestimmen dabei die Tonhöhe. Der Kondensator 100 nF glättet die obere Vergleichsspannung. Man kann ihn auch weglassen, dann ändert aber eingestreute Wechselspannung die Vergleichsspannung und unser Piepser zittert. Der Kondensator schließt solche Wechselspannung kurz. Der Ausgang des Timers ist über einen Elko mit 1 µF auf den Lautsprecher geschaltet. Die Bauteile Timer 555 Der 555 ist ein integrierter Schaltkreis, englisch "integrated circuit", oder kurz "IC" genannt. Integrierte Schaltkreise sind elektronische Bauteile, die intern aus einer Vielzahl von einzelnen Komponenten (Transistoren, Dioden, Widerständen, usw.) bestehen. Durch das äußere Hinzuschalten von einigen wenigen Komponenten voll- Elektronik für Anfänger S. 32 führt der integrierte Schaltkreis eine komplizierte Aufgabe. Die Innereien eines integrierten Schaltkreises kann der Elektronik-Entwickler meistens ignorieren, solange die Funktion des Schaltkreises bekannt und beschrieben ist. Der integrierte Schaltkreis ist so eine Art "schwarzer Kasten", englisch "black box". Wichtig sind nur seine äußeren Anschlüsse und was daran angeschlossen werden muss, damit die Innereien ihre Aufgabe wie gewünscht erfüllen. Der 555 hat acht äußere Anschlüsse. Die Pins werden wie immer von unten links nach rechts und weiter oben von rechts nach links durchgezählt. Die Pins machen Folgendes: Pin # Englische Bezeichnung Deutsche Bezeichnung Funktion des Anschlusses 1 GND Negative Versorgungsspannung Betriebsspannung Minus 2 Trigger Unterer Schwellspannungssensor Bei Unterschreitung der unteren Schwellspannung Setzen des Flipflops 3 Output Ausgang Ausgangsspannung, hohe oder niedrige Spannung 4 Reset Rücksetzen Abschalten (bei niedriger Spannung) 5 Control Steuerspannung Manipuliert die obere Schwellspannung 6 Threshold Oberer Schwellspannungssensor Bei Überschreitung der oberen Schwellspannung Zurücksetzen des Flipflops 7 Unload Entladen Bei zurückgesetztem Flipflop eingeschalteter Transistorausgang 8 VCC Positive Versorgungsspannung Betriebsspannung 4,5..15 V Plus Wie der Schaltkreis genau funktioniert und was die einzelnen Anschlüsse bewirken, ist unten genauer dargestellt. Die IC-Fassung Die IC-Fassung kennen wir schon. Wenn wir die Pole ein wenig einbiegen, passt der 555 genau in diese Fassung. Elektronik für Anfänger S. 33 Die Kondensatoren Die beiden Kondensatoren von 22 und 100 nF sehen so aus. Es gibt auch andere Bauformen solcher Kondensatoren. Der Elko von 1 µF sieht so aus. Wie bei allen Elkos ist hier die Kennzeichnung des Minus-Anschlusses wichtig, weil unser Töpfchen sonst explodieren kann. Die Spannung muss über 9 V liegen, damit sie bei uns korrekt arbeitet. Der Lautsprecher So sieht der Lautsprecher von oben und von unten aus. So ein Lautsprecher verwandelt elektrische Energie in Luftbewegungen. Macht er das schnell genug, hören wir Töne. Damit er Luft bewegen kann, hat er eine Membran (hier aus einer Kunststofffolie), eine bewegliche Spule aus dünnem Kupferdraht (von der Oberseite her zu sehen als rötlicher Ring) und einen starken Magneten (die weiße Fläche in der Mitte). Fließt Strom durch die Spule, entsteht ein Magnetfeld. Das gleich- oder gegenläufige Magnetfeld des Festmagneten drückt die bewegliche Spule nach außen (eine Stromrichtung) oder zieht sie nach innen (die andere Stromrichtung. Wechselt die Polarität des Stroms im Takt, dann bewegt sich auch die bewegliche Spule im Takt und zieht/drückt die Membranfolie im Takt. Das bewegt dann ein wenig Luft vor- und rückwärts, die bei uns im Ohr als Ton wahrgenommen wird. Lautsprecher haben eine Polarität. An den beiden Lötstellen sehen wir beim genaueren Hinschauen ein Plus- und ein Minus-Zeichen. Die geben aber nur an, in welcher Richtung die Membran schwingt, wenn wir Gleichstrom durch die Spule jagen. Das könnten wir testen, wenn wir eine 1,5Batterie an den Lautsprecher anschließen (unsere 9V-Batterie ist dafür zu stark), und dabei die Membran mit dem Finger befühlen. Je nach Anschlussrichtung der Batterie zieht es die Membran nach außen oder nach innen. Unser Ohr nimmt die Schwingrichtung nicht wahr, wir hören nur ein Knacken in dem Moment, in dem wir die Batterie anschließen. Du kannst versuchen, ob Du ein "Vorwärtsknacken" von einem "Rückwärtsknacken unterscheiden kannst. Damit wir den Lautsprecher verbauen können, löten wir zwei Kabel an die beiden Anschlüsse und an das andere Ende einen zweipoligen Pinstecker. Das passt besser zu unserem Experimentierboard als die nackten Drähte. Elektronik für Anfänger S. 34 Die Widerstände Alle drei Widerstände haben 10 kΩ. Sie sehen so aus. Ein brauner (1), zwei schwarze (0) und zwei weitere Nullen wegen des roten Rings kennzeichnen diese Sorte. Die Bauteilliste ZEG Anzahl Artikelbeschreibung ZEG-Bestell-Nr. Einzelpreis Gesamtpreis 1 IC NE555 4404011480 1,00 1,00 1 IC-Fassung 8-polig Präzision 4304000224 0,35 0,35 3 Widerstand 10 k 4304010356 0,10 0,30 1 Kondensator 22 nF 4305100037 0,30 0,30 1 Kondensator 100 nF 4306220121 0,30 0,30 1 Elko 1 µF/16V 4304011221 0,20 0,20 1 Taster 4904001245 0,30 0,30 1 Lautsprecher 0,2W 45 Ohm 5804000147 2,50 2,50 Summe 5,25 Reichelt Anzahl Artikelbeschreibung Bezeichnung Einzelpreis Gesamtpreis 1 IC NE555 NE 555 DIP 0,17 0,17 1 IC-Fassung 8-polig Präzision GS 8P 0,19 0,19 3 Widerstand 10 k METALL 10,0K 0,08 0,25 1 Kondensator 22 nF MKS-2 22N 0,10 0,10 1 Kondensator 100 nF MKS-2 100N 0,08 0,08 1 Elko 1 µF/63V SM 1,0/63RAD 0,05 0,05 1 Taster T 113A RT 0,24 0,24 1 Lautsprecher 0,2W 45 Ohm BL 50A 0,93 0,93 Summe 2,01 Elektronik für Anfänger S. 35 Conrad Anzahl Artikelbeschreibung Bezeichnung Einzelpreis Gesamtpreis 1 IC NE555 177113 - 62 0,27 0,27 1 IC-Fassung 8-polig Präzision 184867 - 62 0,62 0,62 3 Widerstand 10 k 418374 - 62 0,11 0,33 1 Kondensator 22 nF 459993 - 62 0,18 0,18 1 Kondensator 100 nF 455393 - 62 0,45 0,45 1 Elko 1 µF/63V 460460 - 62 0,14 0,14 1 Taster 705071 - 62 1,04 1,04 1 Lautsprecher 0,2W 45 Ohm 541342 - 62 2,36 2,36 Summe 5,39 Aufbau der Schaltung Als erstes platzieren wir den 555. Die beiden Reihen liegen wieder auf zwei Seiten der Rinne, damit die acht Pins einzeln bleiben. Die Einbuchtung des IC kommt nach links. Zwei der drei Widerstände platzieren wir darüber, so dass Pin 6 mit Pin 7 und ein Loch außerhalb verbunden mit den beiden sind. Die Verdrahtung der Betriebsspannung des IC und des Widerstands zu Pin 7 zeigt dieses Bild. Von Pin 4 brauchen wir noch eine Brücke zur Nachbarspalte (B4 zu B3). Nun kommen die Kondensatoren dran. Oben an Pin 5 kommt der 100nF-Kondensator. Seine andere Seite kommt an das Betriebsspannungs-Minus. Der 22nF-Kondensator kommt etwas schräg an Pin 1 und Pin 2. Von Pin 2 kommt noch eine Verbindung zu Pin 6 (roter Draht). Von Pin 3 (Ausgang) geht eine Verbindung zum Pluspol des 1µF-Elkos. Elektronik für Anfänger S. 36 Pin 1 wird mit der unteren Betriebsspannungs-Minus-Schiene verbunden. Der Lautsprecher (rot-weiße Zwillingslitze) kommt rechts an den Minuspol des 1µF-Elko, die andere Lausprecherseite wird mit Minus an der unteren Betriebsspannungsschiene verbunden (gelber Draht). Die beiden Betriebsspannungsschienen oben und unten werden verbunden (orange Drähte). Zum Schluss wird der Taster an Pin 4 und die Minusleitung angeschlossen. Wenn alles noch mal anhand des Schaltbilds kontrolliert ist, kann jetzt die Betriebsspannung angelegt werden. Erst wenn der Taster gedrückt wird, müsste ein durchdringender Ton aus dem Lautsprecher zu hören sein. Wie es funktioniert Innenarchitektur des 555 Das hier ist die etwas kompliziert aussehende Innenarchitektur des 555. Integriert sind: – drei gleich große Widerstände R1 .. R3, die die Betriebsspannung in zwei Teilspannungen von 1/3 und 2/3 zerteilen, bei 9V Betriebsspannung also +3V und +6V, – zwei Operationsverstärker, die die Spannung an den Pins 2 und 6 mit diesen Teilspannungen vergleichen, – einer Kontrolllogik, die insbesondere aus einem Flipflop besteht, – der Ausgangstreiberstufe, die den Zustand des Flipflops nach außen zur Verfügung stellt und sowohl Strom liefert (Ausgang = niedrig) als auch Strom zieht (Ausgang = hoch), – einem Transistor, der bei gesetztem Flipflop leitend geschaltet wird und dessen Kollektor nach außen verfügbar ist (Entladeausgang). Elektronik für Anfänger S. 37 Typische äußere Beschaltung des 555 Wie in unserer Piepserschaltung sind die beiden Eingänge Trigger und Threshhold an einen Lade-/Entlade-Kondensator angeschlossen. Über zwei Widerstände wird der Kondensator aus der Betriebsspannung geladen und über den unteren der beiden wieder entladen. Bei dieser Simulation sind ein Kondensator von 10µF und zwei Widerstände von 10 und 100 kΩ angeschlossen. Die Betriebsspannung liegt bei 9 V. Zu Beginn ist der Kondensator entladen, seine Ladung erfolgt über die beiden Widerstände aus der Betriebsspannung. Die LED ist eingeschaltet. Das Bild zeigt den zeitlichen Ablauf nach dem Einschalten der Schaltung. Die Ausgangsspannung an Pin 3 des IC ist in blauer Farbe dargestellt, sie bewegt sich rechteckförmig zwischen Null Volt und der Betriebsspannung. So was bezeichnet man auch als "Rechteckspannung". Die rote Kurve zeigt die Spannung am Kondensator. Sie beginnt bei Null Volt (Kondensator vollständig entladen) und steigt in einer etwas krummen Kurve bis auf 6 V an, zu Beginn etwas steiler, Elektronik für Anfänger S. 38 zum Ende hin etwas langsamer. Wird die obere Schwellspannung von 6 V erreicht, dann 1. 2. 3. 4. kippt der Flipflop auf niedrige Spannung um, die Ausgangsspannung des IC (blaue Kurve) geht auf Null, der Entladetransistor wird angeschaltet, und entlädt den Kondensator über den Widerstand von 100 kΩ langsam wieder. Das Bild zeigt wie die Entladung funktioniert. Der Entladetransistor entlädt sowohl den Kondensator (über den 100kWiderstand) als auch nimmt er den Strom auf, der über den 10k-Widerstand zur Betriebsspannung fließt und verhindert so die Aufladung des Kondensators. Die dann folgende Entladekurve ist zu Beginn etwas steiler, zum Ende hin wieder weniger steil. Unterschreitet die Spannung am Kondensator die untere Schwellspannung von 3 V, dann wird der Flipflop wieder "getriggert", er schaltet um, sein Ausgang und auch der Ausgang am IC an Pin 3 wird auf hohe Spannung umgeschaltet. Die Zeitdauer der beiden Impulse liegt in dieser Schaltung etwa bei 0,7 s AN plus 0,7 s AUS. Die beiden Impulse sind also etwa gleich breit. Das passiert, wenn wir statt des 10 kΩ-Widerstands einen mit 100 kΩ einsetzen. Elektronik für Anfänger S. 39 Die Entladedauer bleibt mit 0,7 s etwa gleich, weil beim Entladen der Widerstand von 100 kΩ die Entladung bremst. Da beim Laden aber 100k+100 kΩ = 200 kΩ den Ladestrom bremsen und die Aufladung daher langsamer vor sich geht als im ersten Fall, dauert die Ladephase mit etwa 1,4 Sekunden fast doppelt so lang. Die Ausgangsspannung ist jetzt nicht mehr symmetrisch, die Hochphasen dauern länger als die Tiefphasen. Der 555 in unserer Schaltung Mit anderen Bauteilen (größere oder kleinere Widerstände oder Kondensatoren lassen sich fast beliebig lange und kurze Signale erzeugen. Bei einer Vergrößerung des Kondensators auf das 10-fache (100 µF) wird ein zehnfach langsameres Signal, bei einem Verkleinern auf ein Zehntel (1 µF) ein zehnfach schnelleres Signal erzeugt. Dasselbe gilt für die Widerstände. In unserer Schaltung verwenden wir als Kondensator 22nF und zwei 10k-Widerstände. Das Bild zeigt die Kurven, die sich daraus ergeben. Die Zeiten sind jetzt viel kürzer geworden. Eine Schwingung dauert jetzt von 0,0005 bis 0,0009 Sekunden, also 0,0004 Sekunden. Um die Anzahl Schwingungen zu berechnen, die in einer Sekunde ablaufen, wird einfach der Kehrwert gebildet, 1 / 0,0004. Das gibt 2.500 Schwingungen pro Sekunde, oder kurz 2.500 Hz (nach Heinrich Hertz). Das ist schon eine Menge, aber unser Ohr hört noch viel mehr Schwingungen (bei jungen Menschen bis ca. 18.000, bei alten bis ca. 12.000 Hz). Hunde hören noch höhere, Fledermäuse die höchsten Töne (ca. 40.000 Hz). Elektronik für Anfänger S. 40 Die Anzahl Schwingungen pro Sekunde bezeichnet man als Frequenz, abgekürzt mit dem Zeichen f. Mit der Formel f = 1.100.000 / R / C (C in nF, R in kΩ als Summe beider) können wir die Anzahl Schwingungen pro Sekunde bei anderen Kombinationen ausrechnen. Mit der Formel R = 1.100.000 / f / C / 2 kriegen wir die Widerstände heraus, um eine ganz bestimmte Frequenz zu erzeugen, z. B für den Kammerton A mit f = 440 Hz und einem Kondensator mit 100nF: R = 1.100.000 / 440 / 100 / 2 = 12,5 kΩ Leider gibt es keine 12,5k-Widerstände zu kaufen, nur 12,4 oder 12,7. Da unser Kondensator von 100nF aber 10% Toleranz hat, also zwischen 90 und 110nF haben kann, brauchen wir gar nicht erst versuchen, den genauen Widerstand zu finden. In der Praxis würden wir einen Widerstand von 10k und einen Trimmer mit 4,7k (im Elektronikerplatt auch kürzer als 4k7 bezeichnet) nehmen, die Frequenz mit einem Frequenzzähler messen und mit dem Trimmer so lange justieren, bis auch ein geübter Musiker den Ton als Kammerton A akzeptiert. Allerdings sollten die Widerstände nicht größer als 100 kΩ und nicht kleiner als 470 Ω werden, da die Schaltung sonst instabil wird und, bei zu kleinen Widerständen, der Entladetransistor kaputt gehen würde. Elektronik für Anfänger S. 41 NF-Verstärker mit integrierter Schaltung 386 Von den Tönen müssen wir noch wissen, dass sie nicht so eckig daherkommen wie beim 555-Piepser. Sie kommen schön kurvig daher wie in unserem Stromnetz. Das ist die Spannung im Stromnetz mit der Zeit. Sie steigt zuerst steil, dann immer weniger steil und schließlich an ihrem Scheitelpunkt für ganz kurze Zeit gar nicht mehr an. Danach geht es zuerst langsam, dann immer schneller abwärts. Schließlich ist die Spannung kurz auf ihrem Nullpunkt. Dann kehrt sich die Spannung um, sie wird negativ und vollführt dieselbe Rundung, nun aber nach unten. Das Ganze wiederholt sich, und zwar 50 mal in der Sekunde. Diese Kurven gibt es nicht nur im Stromnetz. Wenn eine Geigen- oder Gitarrenseite angeregt und dann in Ruhe gelassen wird, bewegt sich die Seite ausklingend ebenso. Unsere Stimme produziert auch solche Kurven, aber die sind nicht so rein, sondern aus mehreren verschiedenen solcher Schwingungen zusammengesetzt. Die Kurvenform heißt Sinuskurve. Der Stromnetzsinus hat eine Spannung von 230 V, das ist deutlich mehr als unsere Batterie liefert. Viel kleinere Spannungen produzieren Mikrofone, die den Schall aufnehmen und in elektrische Spannungen umwandeln. Um das zu messen können wir den Lautsprecher aus dem letzten Experiment verwenden. Der produziert nämlich auch eine Spannung, wenn man ihn anschreit. Wenn das Messgerät in der Einstellung "Wechselspannung V~" fein genug misst (billige Messgeräte machen das nicht), dann sehen wir bei normaler Sprache eine Spannung von etwa 0,01 V oder 10 mV, beim Schreien bis zu 50 mV. Damit lässt sich kein Elektromotor betreiben. Deshalb muss man diese schwachen Signale erst verstärken, bevor man mit ihnen was anfangen kann. Genau das macht der IC 386. Er verstärkt die geringe Spannung je nach Einstellung etwa 20- oder 200-fach, macht aus 10 mV etwa 200 mV oder auch 2 V. Und treibt damit einen Lautsprecher an. Die Schaltung Die Schaltung ist rund um den Verstärker-IC 386 aufgebaut. Das schwache Eingangssignal wird über einen Kondensator von 470 nF (zur Abtrennung von Gleichspannung) auf den Lautstärkeregler, ein Potentiometer mit 10 kΩ, eingekoppelt. Der Regler teilt die Eingangsspannung auf und führt die geregelte Teilspannung dem positiven Verstärkereingang zu. Der negative Eingang liegt auf Masse (Minuspol der Stromversorgung). Elektronik für Anfänger S. 42 Der 386 verstärkt das Eingangssignal 20-fach, bei geschlossenem Jumper und zwischen den Pins 1 und 8 angeschlossenem 10µF-Elko 200-fach. Der 100nF-Kondensator stabilisiert den Verstärker. Das Ausgangssignal geht über einen 220µF-Elko zur Gleichstromtrennung auf den Lautsprecher. Die Kombination aus 470nF-Kondensator und 10Ω-Widerstand unterdrückt die Schwingneigung der Schaltung bei hohen Frequenzen. Die Bauteile NF-Verstärker-IC 386 Das hier ist das IC. Pin 1 ist hier mit einem Klecks markiert. Es hat die in der Tabelle angegebenen Anschlüsse. Elektronik für Anfänger Pin Englische # Bezeichnung S. 43 Deutsche Bezeichnung Funktion des Anschlusses 1 GAIN Verstärkung Bei Kopplung mit Pin 8 erhöhte Verstärkung 2 -INPUT Invertierter Eingang 3 +INPUT Nicht-invertierter Eingang Normales Eingangssignal wird hier eingekoppelt 4 GND Minus Negative Betriebsspannung 5 VOUT Ausgang Lautsprecherausgang, gleichstommäßig auf halber Betriebsspannung, daher Wechselspannung mit einem Elko abtrennen 6 Vs Plus Positive Betriebsspannung, +4 ... 12V 7 BYPASS Überbrücken Bei erhöhter Verstärkung Abblocken des negativen Eingangs mit einem 100nF-Kondensator nach Minus 8 GAIN Verstärkung Bei Kopplung mit Pin 1 erhöhte Verstärkung Die interne Funktion des IC ist weiter unten beschrieben. Die Kondensatoren Der Kondensator mit 470 nF sieht so oder ähnlich aus. Der Kondensator mit 47 nF sieht so oder ähnlich aus. Der Elko mit 220 µF sieht so oder ähnlich aus. Bei ihm ist der Minuspol wieder gekennzeichnet, damit er nicht falsch herum Spannung kriegt. Den 100nF-Kondensator und den 10µF-Elko kennen wir aus früheren Experimenten. Der Widerstand Der Widerstand von 10 Ω trägt einen braunen (= 1), zwei schwarze (zweimal 0) und einen goldenen Ring. Der goldene Ring bedeutet: teile den Wert durch zehn (100 / 10 = 10). Der Widerstand sieht so aus. Elektronik für Anfänger S. 44 Der Lautsprecher Den Lautsprecher kennen wir schon. Das Potentiometer Das Potentiometer ist ein regelbarer Widerstand. Es ähnelt einem Trimmer, nur ist zum Einstellen eine Achse an den Schieber angebaut. Auf die Drehachse können wir einen Drehknopf anbringen. Der Knopf wird auf die Achse aufgeschoben und mit einem kleinen Schraubendreher die Schraube eingedreht. Solche Potis gibt es in ganz vielen Ausführungen. Das Bauteil, das wir verwenden, hat aber zwei Besonderheiten. Die Widerstandsschicht ist nicht gleichmäßig dick und der Widerstand ändert sich nicht gleichförmig, sondern so: Diese Kurve heißt "Exponentialkurve". Der Höreindruck verläuft nämlich nicht linear: leise Töne nehmen wir sehr viel stärker wahr. Um den Eindruck zu haben, etwas sei doppelt so laut, braucht es mehr als das Doppelte an Spannung. Die Kurve ist unserer Gehörempfindlichkeit angepasst. Die zweite Besonderheit des Potentiometers ist, dass es einen angebauten Schalter hat. Den können wir benutzen, um unseren Verstärker einund auszuschalten. Der Schalter ist hinten angeflanscht und hat zwei Anschlüsse. Im Schaltbild ist der Schalter extra eingezeichnet, in Wirklichkeit ist er Teil des Potis. Elektronik für Anfänger S. 45 Die Anschlüsse des Potis passen nicht in die Löcher des Experimentierboards. Daher muss an alle fünf Anschlüsse ein kurzes Drahtstück angelötet werden. Dazu kann man die abgeschnittenen Drahtenden der Widerstände aus früheren Experimenten verwenden. Die Bauteilliste ZEG Anzahl Artikelbeschreibung ZEG-Bestell-Nr. Einzelpreis Gesamtpreis 1 IC LM386N 4404010920 0,50 0,50 1 IC-Fassung 8-polig Präzision 4304000224 0,35 0,35 1 Jumper 4904001154 0,20 0,20 1 Widerstand 10 Ohm 4304010041 0,10 0,10 1 Kondensator 47 nF 4306220073 0,20 0,20 1 Kondensator 100 nF 4306220121 0,30 0,30 1 Kondensator 470 nF 4306220061 0,30 0,30 1 Elko 10 µF / 16V radial 4304011231 0,40 0,40 1 Elko 220 µF/16V 4304011253 0,30 0,30 1 Potentiometer 10k log Schalter 4304750082 2,40 2,40 1 Drehknopf 6mm 4904001010 1,00 1,00 1 Lautsprecher 0,2W 45 Ohm 5804000147 2,50 2,50 Summe 8,55 Elektronik für Anfänger S. 46 Reichelt Anzahl Artikelbeschreibung Bezeichnung Einzelpreis Gesamtpreis 1 IC LM386N LM 386 DIP 0,34 0,34 1 IC-Fassung 8-polig Präzision GS 8P 0,19 0,19 1 Jumper JUMPER 2,54 RT 0,05 0,05 1 Widerstand 10 Ohm METALL 10,0 0,08 0,08 1 Kondensator 47 nF MKS-2 47N 0,10 0,10 1 Kondensator 100 nF MKS-2 100N 0,08 0,08 1 Kondensator 470 nF MKS-2 470N 0,15 0,15 1 Elko 10 µF / 16V radial SM 10/16RAD 0,05 0,05 1 Elko 220 µF/16V RAD 105 220/16 0,05 0,05 1 Potentiometer 10k log Schalter PO6M+S-LOG 10K 3,50 3,50 1 Drehknopf 6mm KNOPF 28M-6 SW 1,70 1,70 1 Lautsprecher 0,2W 45 Ohm BL 50A 0,93 0,93 Summe 7,22 Conrad Anzahl Artikelbeschreibung Bezeichnung Einzelpreis Gesamtpreis 1 IC LM386N 176303 - 62 1,05 1,05 1 IC-Fassung 8-polig Präzision 184867 - 62 0,62 0,62 1 Jumper 739377 - 62 0,09 0,09 1 Widerstand 10 Ohm 418374 - 62 0,11 0,11 1 Kondensator 47 nF 502201 - 62 0,12 0,12 1 Kondensator 100 nF 455393 - 62 0,45 0,45 1 Kondensator 470 nF 459945 - 62 0,23 0,23 1 Elko 10 µF / 16V radial 460524 - 62 0,14 0,14 1 Elko 220 µF/16V 468312 - 62 0,42 0,42 1 Potentiometer 10k log Schalter 445806 - 62 4,45 4,45 1 Drehknopf 6mm 707977 - 62 0,57 0,57 1 Lautsprecher 0,2W 45 Ohm 541342 - 62 2,36 2,36 Summe 10,61 Elektronik für Anfänger S. 47 Aufbau der Schaltung Zum Aufbau beginnen wir mit dem Poti. Wir löten an alle Anschlüsse kurze Drahtstücke an und kürzen diese dann mit der Petze auf etwa gleiche Länge. Das so vorbereitete Poti setzen wir zusammen mit dem Batterieanschluss und zwei Brücken so auf das Experimentierboard. Nun sollten die +9 V nur auf der Stromversorgungsschiene aufliegen wenn der Schalter des Poti angeschaltet ist. Wir können das mit dem Messgerät und zwei kurzen Drahtstücken in der Stromversorgungsschiene kontrollieren. Dann setzen wir das IC in der Fassung ein und stellen die Versorgungsleitungen an Pin 6 (Plus, in obere Versorgungsschiene) und Pin 4 (Minus, an untere Versorgungsschiene) her. Jetzt folgt die Beschaltung des Ausgangs an Pin 5 des IC. Der 47nF-Kondensator geht über den 10Ω-Widerstand an Minus. Den 220µF-Elko schließen wir von der Plus-Seite her über eine Drahtbrücke an Pin 5 an. Seine Minus-Seite geht an den Lautsprecheranschluss. Der zweite Lautsprecheranschluss wird mit Minus verbunden. Damit das funktioniert, ist noch eine kleine unscheinbare Brücke eingebaut. Jetzt kommt der Eingang des IC dran. Die Mitte des Potiwiderstands geht an den Eingang des IC an Pin 3 (roter Draht). Das Ende des Potis, das beim vollen Aufdrehen der Lautstärke erreicht wird, geht an den 470nF-Kondensator (violetter Draht). Der dritte Potianschluss geht an Minus bei der unteren Versorgungsschiene (gelber Draht rechts). Um ein Eingangssignal anzuschließen, kann die andere Seite des 470nF-Kondensators noch mit einem 2Pin-Anschluss verbunden werden, dessen andere Seite an Minus geht (Pin ist hier nicht gesteckt). Elektronik für Anfänger S. 48 Jetzt kommt die Verstärkungsregelung dran. Von Pin 8 des IC geht es an die Minusseite des 10µF-Elkos. Dessen Plusseite geht an zwei Steckpins, die mit einem Jumper verbunden werden können (der Jumper ist nicht gesteckt). Die andere Seite der Steckpins geht an Pin 1 des IC. Nun kommt der 100nFBypass-Kondensator dran. Er geht mit einem Anschluss an Pin 7 des IC, mit der anderen Seite nach Minus auf der oberen Schiene. Das Minus der oberen Versorgungsschiene wird noch mit dem unteren Minus der Versorgungsschiene verbunden (oranger Draht). Wenn wir jetzt noch die Batterie anschließen ist unser Verstärker erst mal komplett. Die Schaltung testen Beim Einschalten mit dem Potischalter sollten wir ein Knacken aus dem Lautsprecher hören. Das ist schon mal ein gutes Zeichen. Wenn wir jetzt die Lautstärke aufdrehen und mit dem Finger den Anschluss des 470nFKondensators am Eingang berühren, dann sollten wir ein mehr oder weniger lautes Brummen im Lautsprecher hören. Das Signal ist der Netzbrumm, den unser Körper aus dem umliegenden 50Hz-Stromnetz aufnimmt und der bei einigen 10 mV Spannung liegt. Wenn wir den Finger gleichzeitig auf beide Eingangspins legen, sollte er leiser werden. Wenn uns der Brumm zu leise ist, können wir noch den Jumper stecken und damit die Verstärkung auf 200-fach erhöhen. Dann sollte der Brumm kräftig zu hören sein. Der einfachste Aufnehmer für Schall wäre ein zweiter Lautsprecher. Den können wir direkt an den Eingang anschließen. Der Jumper sollte dabei gesetzt werden. Wer eins hat, kann ein Mikrofon an den Verstärker anschließen. Bei dynamischen Mikrofonen funktioniert unser Verstärker bei gesetztem Jumper. Das Bild zeigt so ein Mikro, das es recht günstig bei jedem gut sortierten Elektronik-Fachhändler von sehr billig bis einige 100 € zu kaufen gibt. Elektronik für Anfänger S. 49 Der Verstärker funktioniert auch mit einem Elektretmikrofon, wie es hier zu sehen ist. Die gibt es auch im Elektronikhandel. Der mit dem Metallgehäuse verbundene Anschluss ist Minus. Elektretmikrofone brauchen eine Stromversorgung über einen Vorwiderstand, wie in der Schaltung zu sehen. Das Signal wird am 470nF-Kondensator angekoppelt. Das sind nur ein paar Beispiele, was man mit dem Verstärker alles anstellen kann. Wie es funktioniert Das hier ist die etwas kompliziert aussehende Innenarchitektur des 386. Integriert sind: • • • • zehn Transistoren, zwei Dioden, sieben Widerstände, eine Konstantstromquelle. Der 1,35k-Widerstand ist nach außen zugänglich und kann zur Erhöhung der Verstärkung überbrückt werden (GAIN-Anschlüsse). Elektronik für Anfänger S. 50 Spannungsregulator für 5 V mit integriertem Schaltkreis Bisher sind wir mit den 9 V gut gefahren, weil Transistorschaltungen und Audioverstärker gut damit arbeiten. In der Elektronik sind 9 V aber oft nicht die erste Wahl. Viele ICs verwenden Betriebsspannungen von 5 oder 3,3 V. Diese Schaltung zeigt, wie man aus fast beliebigen Spannungen niedrigere macht. Und wie diese sogar gleich groß gehalten werden, selbst wenn man mehr oder weniger Strom entnimmt. Und wie sich der IC bei einem Kurzschluss oder einer Überhitzung selbst schützt. Die Schaltung Die Schaltung ist auf einem integrierten Festspannungsregler vom Typ 78L05 aufgebaut. Die Beschaltung des Reglers ist denkbar einfach. An den Eingang des Bauteils kommen die 9 V Batteriespannung, am Ausgang kommen 5 V heraus. Damit er regeln kann, braucht er noch einen Anschluss nach Minus. Die gleiche Minusleitung ist auch für die 5 V zuständig. Zwei kleine Elkos am Ein- und Ausgang sind bei jedem Spannungsregler noch sehr wichtig. Weil Spannungsregler intern sehr hohe Verstärkungen haben, würden sie ohne diese Elkos sehr schnell schwingen. Damit diese Schwingungen unterdrückt werden sind es nicht die üblichen Aluminium-Elko, sondern Tantal-Elkos. Damit wir sehen, dass unsere 5 V-Versorgung funktioniert, ist noch eine LED mit einem Vorwiderstand dazugebaut. Die Bauteile Das Regler-IC 78L05 Das hier ist das IC. Es ist im gleichen Gehäuse eingebaut wie ein Transistor und hat ebenfalls drei Anschlüsse. Der positive Spannungseingang ist rechts, der Ausgang links und Minus in der Mitte. Der Spannungsregler ist für Eingangsspannungen bis maximal 30 V spezifiziert. Er braucht mindestens 7 V Eingangsspannung, um 5 V zu liefern, besser 8 V. Am Ausgang liefert er eine feste Spannung zwischen 4,5 und 5,5 V, die Streuung ist für jedes Exemplar typisch. Maximal kann der Regler einen Strom von 100 mA liefern, darüber setzt die Strombegrenzung ein. Regler-ICs gibt es auch für andere Spannungen (z.B. für 8, 9, 12, 15, 18 oder 24 V), für größere Ströme (0,5 Ampere oder 1, 2 oder 3 Am- Elektronik für Anfänger S. 51 pere) oder auch für die Regulierung negativer Spannungen (79L05, 7905, ...). Die Kondensatoren Die beiden Tantal-Elkos sehen so aus. Tantal-Elkos sind aus dem seltenen Metall Tantal gebaut. Sie sind nur bis zur ausgewiesenen Spannung (hier 35 V) zu gebrauchen und ihre Polung ist einzuhalten. Schon kleine Überschreitungen der Spannung als auch falsche Polung bestraft der Tantal-Elko mit einem Kurzschluss, der es in sich hat: sie leiten so gut wie ein dickes Stück Draht. Hat man genügend Strom durchgejagt, dann explodieren die Perlen mit einem spitzen Knall, gefolgt von einer kleinen weißen, aber sehr giftigen Dampfwolke. Der Widerstand Der Widerstand von 330 Ω trägt zwei orangene und zwei schwarze Bauchbinden. Orange (3), orange (3), schwarz (0) und schwarz (keine weitere 0) macht zusammen 330. Der Widerstand sieht so aus. Die Bauteilliste ZEG Anzahl Artikelbeschreibung ZEG-Bestell-Nr. Einzelpreis Gesamtpreis 1 Spannungsregler 78L05 4404010857 0,30 0,30 2 Tantalelko 0,1 µF/36V 4304011137 0,20 0,40 1 Widerstand 330 Ohm 4304010190 0,10 0,10 1 LED 5 mm 4404001845 0,15 0,15 Summe 0,95 Reichelt Anzahl Artikelbeschreibung Bezeichnung Einzelpreis Gesamtpreis 1 Spannungsregler 78L05 µA 78L05 0,12 0,12 2 Tantalelko 0,1µF/35V TANTAL 0,1/35 0,11 0,22 1 Widerstand 330 Ohm METALL 330 0,08 0,08 1 LED 5 mm LED 5MM RT 0,06 0,06 Summe 0,36 Elektronik für Anfänger S. 52 Conrad Anzahl Artikelbeschreibung Artikelnummer Einzelpreis Gesamtpreis 1 Spannungsregler 78L05 183024 - 62 0,47 0,47 2 Tantalelkos 0,1µF/36V 447024 - 62 0,41 0,82 1 Widerstand 330 Ohm 418196 - 62 0,11 0,11 1 LED 5 mm 184543 - 62 0,08 0,08 Summe 1,48 Aufbau der Schaltung Der Aufbau der wenigen Bauteile ist einfach und im Bild zu sehen. Sehr wichtig ist die richtige Polarität der beiden Tantal-Elkos. Nach dem Anklemmen der Batterie sollte die LED leuchten. Die Spannung messen Zum Ausmessen der Spannung bringen wir zwei kleine Drahtenden in die Stromversorgungsschiene ein, klemmen das Messgerät daran an und schalten auf einen Messbereich von 20 V. Die angezeigte Spannung sollte im Spezifikationsbereich des Regler-ICs liegen. Elektronik für Anfänger S. 53 Anhang: Bauteilelisten Bauteilliste ZEG Teilebezeichnungen mit Stern sind Reichelt-Artikelbezeichnungen. Anzahl Artikelbeschreibung Artikelnummer Einzelpreis Gesamtpreis 1 Experimentierplatine 640/200 4904001130 4,99 4,99 1 Batterieanschlussclip 9V I-Form 4204000361 1,00 1,00 1 Zwillingslitze 5m rot/schwarz 4304003497 2,00 2,00 1 Batterie 9V Zink-Kohle 4204000506 0,80 0,80 1 Digitalmultimeter 4601270001 8,99 8,99 1 Abgreifklemme schwarz 4600920024 1,90 1,90 1 Abgreifklemme rot 4600920023 1,90 1,90 1 Seitenschneider 125 mm 4804000164 2,99 2,99 1 Steckerleiste, 40-polig, gerade *SL 1X40G 2,54 0,15 0,15 2 Widerstand 470 Ohm 4304010207 0,10 0,20 4 Dioden 1N4148 4404001555 0,10 0,40 2 LED 5 mm 4404001845 0,15 0,30 2 Transistor BC547B 4404001142 0,20 0,40 2 Widerstand 47 k 4304010431 0,10 0,20 1 Trimmer 10k liegend 4304000865 0,50 0,50 1 Taster 4904001245 0,30 0,30 1 Elko 47 µF / 16V radial 4304011184 0,20 0,20 2 Elko 10 µF / 16V radial 4304011231 0,40 0,80 1 IC LM741 4404002597 0,40 0,40 1 IC-Fassung 8-polig Präzision 4304000224 0,35 0,35 3 Widerstand 100 k 4304010468 0,10 0,30 1 Keramikkondensator 100 nF 4304010875 0,15 0,15 1 IC NE555 4404011480 1,00 1,00 3 Widerstand 10 k 4304010356 0,10 0,30 1 Kondensator 22 nF 4305100037 0,30 0,30 1 Kondensator 100 nF 4306220121 0,30 0,30 1 Elko 1 µF/16V 4304011221 0,20 0,20 1 Lautsprecher 0,2W 45 Ohm 5804000147 2,50 2,50 1 IC LM386N 4404010920 0,50 0,50 1 Jumper 4904001154 0,20 0,20 1 Widerstand 10 Ohm 4304010041 0,10 0,10 1 Kondensator 47 nF 4306220073 0,20 0,20 1 Kondensator 470 nF 4306220061 0,30 0,30 1 Elko 220 µF/16V 4304011253 0,30 0,30 1 Potentiometer 10k log Schalter 4304750082 2,40 2,40 Elektronik für Anfänger Anzahl S. 54 Artikelbeschreibung Artikelnummer Einzelpreis Gesamtpreis 1 Drehknopf 6mm 4904001010 1,00 1,00 1 Spannungsregler 78L05 4404010857 0,30 0,30 2 Tantalelko 0,1 µF/36V 4304011137 0,20 0,40 1 Widerstand 330 Ohm 4304010190 0,10 0,10 Gesamtsumme 39.62 Bauteilliste Reichelt Anzahl Artikelbeschreibung Artikelnummer Einzelpreis Gesamtpreis 1 Experimentierplatine 640/200 STECKBOARD 1K2V 4,99 4,99 1 Batterieanschlussclip 9V I-Form CLIP 9V 0,19 0,19 1 Isolierte Litze rot, 10m LITZE RT 0,71 0,71 1 Isolierte Litze schwarz, 10m LITZE SW 0,71 0,71 1 Batterie 9V Zink-Kohle PANASONIC 9-VOLT 1,90 1,90 1 Digitalmultimeter PEAKTECH 1070 9,75 9,75 1 Abgreifklemme schwarz MA 1 SW 1,15 1,15 1 Abgreifklemme rot MA 1 RT 1,15 1,15 1 Seitenschneider 135 mm MAN10701 3,95 3,95 1 Steckerleiste, 40-polig, gerade SL 1X40G 2,54 0,15 0,15 2 Widerstand 470 Ohm METALL 470 0,08 0,16 4 Dioden 1N4148 1N4148 0,02 0,08 2 LED 5 mm LED 5MM RT 0,06 0,12 2 Transistor BC547B BC 547B 0,04 0,08 2 Widerstand 47 k METALL 47,0K 0,08 0,16 1 Trimmer 10k liegend (Reichelt) 76-10 10K 0,39 0,39 1 Taster T 113A RT 0,24 0,24 1 Elko 47 µF / 16V radial RAD 47/16 0,04 0,04 2 Elko 10 µF / 16V radial SM 10/16RAD 0,05 0,10 1 IC LM741 µA 741 DIP 0,19 0,19 1 IC-Fassung 8-polig Präzision GS 8P 0,19 0,19 3 Widerstand 100 k METALL 100K 0,08 0,25 1 Keramikkondensator 100 nF Z5U-2,5 100N 0,04 0,04 1 IC NE555 NE 555 DIP 0,17 0,17 3 Widerstand 10 k METALL 10,0K 0,08 0,25 1 Kondensator 22 nF MKS-2 22N 0,10 0,10 1 Kondensator 100 nF MKS-2 100N 0,08 0,08 1 Elko 1 µF/63V SM 1,0/63RAD 0,05 0,05 1 Lautsprecher 0,2W 45 Ohm BL 50A 0,93 0,93 1 IC LM386N LM 386 DIP 0,34 0,34 Elektronik für Anfänger Anzahl S. 55 Artikelbeschreibung Artikelnummer Einzelpreis Gesamtpreis 1 Jumper JUMPER 2,54 RT 0,05 0,05 1 Widerstand 10 Ohm METALL 10,0 0,08 0,08 1 Kondensator 47 nF MKS-2 47N 0,10 0,10 1 Kondensator 470 nF MKS-2 470N 0,15 0,15 1 Elko 220 µF/16V RAD 105 220/16 0,05 0,05 1 Potentiometer 10k log Schalter PO6M+S-LOG 10K 3,50 3,50 1 Drehknopf 6mm KNOPF 28M-6 SW 1,70 1,70 1 Spannungsregler 78L05 µA 78L05 0,12 0,12 2 Tantalelko 0,1µF/35V TANTAL 0,1/35 0,11 0,22 1 Widerstand 330 Ohm METALL 330 0,08 0,08 Gesamtsumme 34.66 Bauteilliste Conrad Anzahl Artikelbeschreibung Artikelnummer Einzelpreis Gesamtpreis 1 Steckplatine EIC-801 526819 - 62 8,93 8,93 1 Batterieanschlussclip 9V I-Form 624691 - 62 0,40 0,40 1 Litze schwarz/rot, 5m 606278 - 62 2,45 2,45 1 Batterie 9V Zink-Kohle 658014 - 62 3,50 3,50 1 Digitalmultimeter VC11 122999 - 62 6,49 6,49 1 Abgreifklemme schwarz 137650 - 62 2,49 2,49 1 Abgreifklemme rot 137642 - 62 2,49 2,49 1 Seitenschneider 135 mm 819972 - 62 5,45 5,45 1 Steckerleiste, 40-polig, gerade 749929 - 62 4,52 4,52 2 Widerstand 470 Ohm 418579 - 62 0,11 0,22 4 Dioden 1N4148 162280 - 62 0,04 0,16 2 LED 5 mm 184543 - 62 0,08 0,16 2 Transistor BC547B 155785 - 62 0,11 0,22 2 Widerstand 47 k 418455 - 62 0,11 0,22 1 Trimmer 10k liegend 424951 - 62 0,71 0,71 1 Taster 705071 - 62 1,04 1,04 1 Elko 47 µF / 16V radial 460656 - 62 0,19 0,19 2 Elko 10 µF / 16V radial 460524 - 62 0,14 0,28 1 IC LM741 175935 - 62 0,48 0,48 1 IC-Fassung 8-polig Präzision 184867 - 62 0,62 0,62 3 Widerstand 100 k 418498 - 62 0,11 0,33 1 Keramikkondensator 100 nF 500784 - 62 0,13 0,13 Elektronik für Anfänger Anzahl S. 56 Artikelbeschreibung Artikelnummer Einzelpreis Gesamtpreis 1 IC NE555 177113 - 62 0,27 0,27 3 Widerstand 10 k 418374 - 62 0,11 0,33 1 Kondensator 22 nF 459993 - 62 0,18 0,18 1 Kondensator 100 nF 455393 - 62 0,45 0,45 1 Elko 1 µF/63V 460460 - 62 0,14 0,14 1 Lautsprecher 0,2W 45 Ohm 541342 - 62 2,36 2,36 1 IC LM386N 176303 - 62 1,05 1,05 1 Jumper 739377 - 62 0,09 0,09 1 Widerstand 10 Ohm 418374 - 62 0,11 0,11 1 Kondensator 47 nF 502201 - 62 0,12 0,12 1 Kondensator 470 nF 459945 - 62 0,23 0,23 1 Elko 220 µF/16V 468312 - 62 0,42 0,42 1 Potentiometer 10k log Schalter 445806 - 62 4,45 4,45 1 Drehknopf 6mm 707977 - 62 0,57 0,57 1 Spannungsregler 78L05 183024 - 62 0,47 0,47 2 Tantalelkos 0,1µF/36V 447024 - 62 0,41 0,82 1 Widerstand 330 Ohm 418196 - 62 0,11 0,11 Gesamtsumme 53.65
