HightechBasteleien aus AWNET
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Der Begriff HighTech flößt in der Regel empfindungsmäßig großen Respekt ein, denn HighTech scheint etwas zu sein, das ein großes Maß an Wissen und Kenntnissen voraussetzt. Dies ist richtig, wenn man komplexe große Systeme, wie etwa einen PC oder ein modernes Auto betrachtet. Doch HighTech beginnt schon im „Mini-Format“. Ohne Kenntnisse des „Mini-HighTech“ wäre das „Maxi-HighTech“ praktisch nicht möglich. Dabei ist das Mini-HighTech etwas, was man schon als Schüler verstehen kann, wäre da nicht die Empfindung, die eigenen Kenntnisse reichten dazu nicht aus. Diese Empfindung ist ein Irrtum, weil man sich wegen vermeintlich fehlenden Wissens an HighTech nicht heranwagt. Doch die Kenntnisse reichen aus !!! Man muss sich nur trauen und HighTech selbst probieren. Wäre es nicht toll, einen Laserpointer, ein Digitalthermometer oder … selbst zu bauen und dabei die Funktion zu verstehen? In dieser Broschüre werden verschiedene Mini-HighTech-Experimente vorgestellt, die jede und jeder selbst ausprobieren kann. Wie Ihr an die notwendigen Bau-Materialien kommt ist ebenfalls beschrieben. Nun ist es an Euch und mit etwas Zutrauen habt Ihr sicher bald das eine oder andere HighTech-Gerät selbst zusammengebaut. Dazu wünschen wir Euch vor allem viel Spaß. 1 Die Experimente 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Digitalthermometer mit einem Temperatursensor Pt 1000 Elektromotor für 0,99 € Elektronischer Würfel Farbmischung mit Leuchtdioden Flexlight-Lampe Laserpointer Flüssigkristallanzeige Luftdruckmessung Nitinol-Insektenroboter Wasserwaage mit einem Beschleunigungssensor 2 1. Digitalthermometer mit einem Temperatursensor Pt1000 Der Temperatursensor befindet sich in einer Schutzhülle, um auch die Temperatur von Flüssigkeiten bestimmen zu können. Die Anzeige zeigt die Temperatur direkt in Grad Celsius an. Der Pt1000 ist ein Platinwiderstandsdraht mit einem Grundwiderstand von 1000 Ω bei 0°C. Wie bei jedem Metall erhöht sich der elektrische Widerstand des Platins bei Temperaturerhöhung. Diesen Effekt machen wir uns hier zunutze, um ein Digitalthermometer zu bauen. Geeignet für auch bastelunerfahrene Schüler ab 14 Jahren 3 Material Best. Nr. Notwendige Geräte und Materialien Geräte, Werkzeuge und Hilfsmittel Dauer Temperatursensor Pt1000 Drehpotentiometer: 1x10 kΩ; 1x100 kΩ 2 Schalter Voltmeter (DVM 210/ DVM 310) Folgende Widerstände: 1x1 kΩ; 2x100 kΩ Operationsverstärker (TL 072) Batterieclip für 9V-Block 9V-Block Lochrasterplatine 1 Rolle versilberter Kupferdraht IC-Sockel Schaltdraht 424676-62; 424706-62 708054 - 62 126691 - 62 Bezugsquelle Web-Adresse www.lmt.uni-saarland.de www.conrad.de ca. Preis 0,je 1,33 € je 0,44 € 14,31 408166-13; 408409-13 155617 - 62 je 1,81 € (100 Stück) 0,27 € 624691 650069 527785 605581 0,40 1,54 2,86 9,69 - 62 62 62 62 189502 - 62 605697 - 62 € € € € 0,13 € 3,58 € Lötkolben, Zange, Saitenschneider, kleiner Schraubendreher, Die Bauzeit beträgt etwa 2 Stunden. 4 1. 2. 3. Bau- und Montageanleitung 4. Zunächst werden die beiden Kontakte mit der Aufschrift DP1 an dem Voltmeter-Modul über einen Lötpunkt verbunden. Dadurch wird an der vorletzten Stelle der Anzeige ein Komma angezeigt. Danach bringt man entsprechend der Anleitung des DVM-Moduls ca. 30 cm langes Kabel für Spannungsversorgung, Licht und Spannungsmessung an. Lese Dir die folgenden Schritte erst einmal durch, bevor Du sie anpackst. Als Leiterkarte reicht die Hälfte der Lochrasterplatine auch für den ungeübten Bastler aus. Darauf wird ein Sockel, auf dem später der Operationsverstärker (OP) aufgesteckt wird, zentral platziert und mit der Versorgungsspannung verbunden (Pluspol der Batterie über einen Ein-/Ausschalter an Pin 8 und Minuspol an Pin 4). Anschließend werden die Widerstände und Potentiometer sowie der Pt1000-Sensor nach untenstehendem Schaltplan auf die Platine gelötet und mit dem OP und der Versorgungsspannung verbunden. Der Sensor (im Plan als R7 bezeichnet) bildet mit dem Widerstand R1 (1 kΩ) einen Spannungsteiler. Die am Mittelabgriff entstehende Spannung wird durch die erste OPSchaltung gepuffert. Das gleiche passiert auf der rechten Seite, auf der anstelle eines Pt1000 feste Widerstände eingelötet sind. Das Voltmeter-Modul vergleicht nun die beiden Spannungen. Diese Schaltung nennt man Brückenschaltung. Durch das Potentiometer R5 wird die Spannung im rechten Zweig der Brücke so eingestellt, dass sie der Spannung im linken Zweig der Brücke entspricht, wenn die Temperatur 0°C entspricht. Dann zeigt die Anzeige auch 0.0 an. Doch dazu später. 5 5. Bau- und Montageanleitung 7. Jetzt wird die Anzeige angelötet. Der positive Anschluss für die Hintergrundbeleuchtung L+ kann über einen zweiten Schalter angeschlossen werden. Dann ist es möglich, das Licht bei Bedarf einund auszuschalten. IN+ wird mit dem mittleren Beinchen des Potentiometers R6 verbunden, INmit dem Ausgang des rechten OPs. R6 stellt auch wieder einen Spannungsteiler dar. Mit ihm kann der Spannungsunterschied zwischen beiden OPs herunter geteilt werden. Dadurch kann das Verhältnis 1°C = 1 mV erreicht werden. Mehr dazu gleich. 6. An dieser Stelle (und nicht schon vorher) wird der OP in seinen Sockel gesetzt. Achte darauf, dass er richtig herum im Sockel sitzt. Nun wird das Thermometer kalibriert. Wir nehmen die gleichen Referenzen, die auch Graf Celsius genommen hat (wenn Du die gleichen Referenzen wie Fahrenheit nehmen würdest, könntest Du die Schaltung theoretisch auch auf °F kalibrieren). Zunächst wird der Sensor, wasserdicht in einer Tüte verpackt, in Eiswasser gehalten. Eiswasser hat eine Temperatur von 0°C, deswegen wird R5 solange gedreht, bis die Anzeige auf 0.0 steht. Danach wird der Sensor in kochendes Wasser gehalten (z. B. in einen Wasserkocher). Lasse Dir hierbei gegebenenfalls von einem Erwachsenen helfen. Jetzt drehst Du solange an R6, bis die Anzeige 100.0 anzeigt. 6 2. Elektromotor für 0,99€* Ein einfacher Elektromotor zum selber bauen für unter einen Euro! Mit einfachsten Mitteln einen echten Elektromotor in einer Stunde selber bauen! Durch die einfache Konstruktion ist das Prinzip des Elektromotors leicht zu erkennen. * Anteilige Kosten für einen Motor ohne Portokosten und Klebstoff Geeignet ab 15 Jahren 7 Bezugsquelle Material Notwendige Materialien Geräte, Werkzeuge und Hilfsmittel Dauer Mignon Batterie Lackdraht ca. Ø0,8mm Länge ca. 35cm Best.Nr. 607649 Magnet: z.B. 20x6x2mm Best.Nr.: 503698 oder besser: Best.Nr.: S-20-2-N 2 Büroklammern Stückchen Pappe oder Sperrholz ca. 5x10cm ca. Preis Anschrift Aldi / Lidl Conrad Web-Adresse www.conrad.de 0,25€ 3,59€ / 9m Conrad www.conrad.de 1,59€ Supermagnete Schreibwarenladen Abfall oder Baumarkt www.supermagnete.de 0,56€ 0,02€ 0 – 0,1€ 2 Spitzzangen Bastelmesser Heißklebepistole Je nach Geschicklichkeit ca. 3/4 … 1+1/2 Stunden 8 Bau- und Montageanleitung Läufer: Der Lackdraht muss zuerst gerade gezogen werden. Dafür fasst man den Draht an den Enden mit den Zangen und zieht immer stärker am Draht wie an einem Expander. Bald spürt man, dass der Draht nachgibt und länger wird. Jetzt ist der Draht fast ideal gerade. Die Enden vorsichtig abschneiden. Die Spule für den Läufer wird um die Batterie gewickelt. Dazu presst man den Draht an die Batterie, so dass an einer Seite ca. 5cm überstehen und wickelt das lange Ende 5,5 Umdrehungen um die Batterie. Die Windungen sollen dabei möglichst dicht aneinander liegen. Auch ist zu beachten, dass die Spule nach dem Loslassen wieder auffedern wird. Man muss also zunächst etwas mehr als 5,5 Windungen wickeln (ausprobieren). Die beiden Enden müssen jetzt Rechtwinklig abgebogen werden. Dabei müssen beide Enden möglichst genau auf einer Geraden liegen, die durch den 1cm Mittelpunkt (Schwerpunkt) der Spule verläuft. Jetzt können die Windungen mit etwas Heißkleber fixiert werden, damit die Spule nicht mehr so leicht verbiegt. Um den Strom nur zum richtigen Zeitpunkt in die Spule zu leiten, hat ein Elektromotor einen so genannten Kommutator. Um diese Funktion bei unserer Spule zu erzielen, muss an einigen Stellen der Lack vom Draht mit dem Messer abgekratzt werden. Wo genau ist rechts im Bild genau dargestellt. Zum Schluss sollte überprüft werden, ob der Läufer wirklich 5cm hier abkratzen Kupferdraht 9 rund laufen wird. Dazu die „Welle“ vom Läufer vorsichtig zwischen zwei Fingern drehen. Es Muss sich so anfühlen und aussehen, als ob die beiden Drahtenden eine Stange wären. je besser und genauer die Wellenenden fluchten, desto besser läuft der Motor hinterher. Bau- und Montageanleitung Ständer: Zunächst werden die Halte- und Kontaktbügel zurecht gebogen. Bild 1 zeigt den Vorgang mit Zwischenschritten. Es werden 2 Bügel benötigt. In der kleinen U-förmigen Biegung am oberen Ende wird später die Achse eingelegt. Diese Biegung muss ca. 25mm Abstand zur späteren Bodenplatte haben. Für den Aufbau auf der Grundplatte wird zunächst einer der Bügel aufgeklebt wie im Bild ersichtlich. Um den Abstand für die Position des 2. Bügels zu bestimmen nimmt man am einfachsten die Batterie selbst als Distanzstück (siehe Bild 3) Wenn die Batterie ohne den kleinen Knubbel am Pluspol locker zwischen die Bügel passt, ist es ideal. Wird die Batterie jetzt richtig eingelegt, drücken die Bügel fest auf die Pole und ergeben einen guten elektrischen Kontakt. Damit die Batterie nicht herausfallen kann, kann sie mit einem kleinen Tropfen Heißkleber fixiert werden. Abschließend wird der Magnet auf die Batterie gelegt. Er muss nicht unbedingt geklebt werden, da er sich sehr gut selbst fixiert. Der Motor ist jetzt fast fertig. Es muss nur noch der Läufer in die Haltebügel gelegt werden. Falls er nicht sofort von selbst losläuft, einfach ein wenig andrehen. 10 3. Elektronischer Würfel Vor 30 Jahren, waren LEDs (Licht Emittierende Dioden) noch wirklich neue Elektronikbauelemente. Erste Bastelerfahrungen damit wurden mit dem Bau eines Würfels gesammelt. Die jetzige Schaltung ist ein „Remake“ dieses Klassikers. Der Vorteil eines solchen Würfels bleibt nach wie vor: Manuelle Geschicklichkeit hat keinen Einfluss - man kann damit nicht mogeln! Wie man diese Elektronik mit integrierter Gerechtigkeit selbst baut, steht hier. Geeignet ab 14 Jahren 11 Notwendige Materialien Bezugsquelle Material ca. Preis Anschrift Web-Adresse www.conrad.de Lochrasterplatine 160 x 100 mm Conrad 3,00 € / Stck Widerstand 2,7 K (R1) Conrad 0,10 € / Stück Widerstand 2,7 K (R2) Conrad 0,10 € / Stück Widerstand 3,3 K (R3) Conrad 0,10 € / Stück Widerstand 2,7 K K (R4) Conrad 0,10 € / Stück Widerstand 470 K (R5) Conrad 0,10 € / Stück Widerstand 10 K (R6) Conrad 0,10 € / Stück Widerstand 220 K (R7) Conrad 0,10 € / Stück Widerstand 470 K (R8) Conrad 0,10 € / Stück Silberdraht, 0,5 mm Conrad Taster, (Öffner) Conrad 0,50 € / Stück Transistor BC 557 B (T1) Conrad 0,40 € / Stück Kondensator 220 pF (C1) Conrad 0,30 € / Stck Kondensator 100 nF (C2) Conrad 0,30 € / Stck LED Conrad 0,40 € /Stck Conrad 0,10 € / Stck (D1-D7) Diode 1N 4148 12 Geräte, Werkzeuge und Hilfsmittel Dauer Bau- und Montageanleitung IC 4060 (Zähler) Conrad Lötzinn Baumarkt Tesafilm Schreibwarenladen 1,50 € / Stück Lötkolben, Pinzette, Schraubstock, Seitenschneider, Spitzzange Die Bauzeit beträgt ca. 6 Stunden Um mit LEDs alle Würfe von 1 bis 6 simulieren zu können, muss man sieben Stück davon wie ein "H" anordnen. Zentrales Bauelement ist der zwar schon betagte aber immer noch gut erhältliche, preiswerte und brauchbare Digitalzähler 4060 (IC1). Da der IC schon über einen eingebauten Oszillator verfügt, wird die Schaltung sehr einfach: Die Kombination aus R7, R8 und C1 an den Pins RX, CX und RCX bestimmen die interne Taktfrequenz. 13 Die so intern erzeugte Rechteckspannung liegt am Eingang eines internen Binärzählers, der diese Frequenz teilt. Die unterschiedlichen Teilungsfaktoren sind über die Ausgänge (rechte Seite des Blockschaltbilds) abgreifbar. Der Teiler ist dabei durch die Buchstaben CT plus den Exponenten zu Basis 2 angegeben. CT3 für Pin 7 entspricht also 2°3 = 8), CT4 demnach 16 etc. Betrachtet man die Ausgänge von außen, dann wird einfach binär hoch gezählt, wobei Pin 7 das niederwertigste bit darstellt, das einen Zustand logischerweise am schnellsten ändert. Bau- und Montageanleitung Da sechs unterschiedliche Zustände gebraucht werden, sind dafür mindestens 3 bit notwendig, was ja bekanntlich acht unterschiedliche Zustände ermöglicht. In der Schaltung werden hierfür die Ausgänge Pin 4, Pin 5 und Pin 7 genutzt. Von den acht Zuständen sind zwei zuviel. Deshalb wird über die beiden Dioden D11 und D12 das IC einfach wieder in den Anfangszustand zurück versetzt, sobald der siebte Zustand erscheint. Der siebte Zustand entspricht binär 110, was bedeutet, dass Pin 4 und Pin 5 "1 " ist und somit beide hohe Spannung führen und die Dioden sperren. Der Reset-Eingang von IC1 erhält dann über den Pull-Up-Widerstand R6 eine "1 " und beginnt sofort wieder von vorne mit der Zählerei. Nun müssen die drei bits so dekodiert werden, dass die LEDs auch mit dem richtigen Muster aufleuchten. Dabei helfen D8...D10 und T1. Um es möglichst einfach zu halten, kann man darauf vertrauen, dass ein Würfel auch dann gut funktioniert, wenn nicht linear jedem Bitmuster die passende LED-Anzahl zugeordnet wird. 14 Bau- und Montageanleitung Es reicht aus, wenn jede sinnvolle LED-Anzahl nur einmal vorkommt. Eine Folge der möglichst einfach zu realisierenden Schaltung ist, dass die 2 und die 3 diagonal angezeigt werden. Für das Ablesen der gewürfelten Augen sollte das aber keinen Unterschied machen. Sinnvollerweise sind die LEDs in Serie geschaltet, die sowieso nur gemeinsam leuchten, was den Stromverbrauch verringert. Trotzdem funktioniert der Würfel auch noch, wenn die Spannung der 9-V-Batterie am Ende ihres Lebens auf ca. 6 V zusammengebrochen ist. Im Sinne langer Lebensdauer sind die Vorwiderstände so dimensioniert, dass sie für helles Leuchten von Low-Current-LEDs ausreichen. Pro LED bzw. Serienschaltung aus je zwei LEDs stehen jeweils 2 mA zur Verfügung.Der Gesamtstromverbrauch sollte demnach abhängig von der Anzahl leuchtender LEDs also zwischen 2 mA und 6 mA liegen. Bleibt noch die Frage, wie man eigentlich elektronisch würfelt. Hierzu drückt man einfach kurz auf S1. Da es sich bei diesem Taster um einen Öffner handelt, ist sein Kontakt im Ruhezustand geschlossen. Folglich ist der Oszillator von IC1 inaktiv und die LEDs zeigen den Wert des letzten Wurfs an. Beim Drücken startet der Oszillator mit etwa 1 kHz und der Zähler zählt solange, bis man den Taster wieder loslässt. Währenddessen leuchten die LEDs schwach auf und kein Mensch ist in der Lage, den sehr schnell wechselnden Zählerstand zu erkennen und bei der gewünschten Augenzahl loszulassen. Niemand kann wirklich den Taster ms-genau drücken und damit eine bestimmte Augenzahl wahrscheinlicher machen. Bei diesem Würfel geht also alles mit "rechten Dingen" zu. Die Schaltung ist noch einfach genug; um sie auf einem Stück Lochrasterplatine aufzubauen. Man muss allerdings sehr genau auf die Verdrahtung der LEDs und ihre Polung achten, damit die Sache zum Schluss auch funktioniert. Die fertige Schaltung kann man dann zusammen mit einer 9-V-Batterie in ein passendes Kunststoffgehäuse einbauen. 15 4. Farbmischung mit Leuchtdioden Mit freundlicher Genehmigung des der Technischen Universität Berlin Foto: S. Seifert Licht ist etwas, mit dem wir ständig umgehen: Ob zum Lesen, Stimmung machen oder in einem Fernseher - überall leuchtet es in allen nur erdenklichen Farben. Doch ein Fernseher kann nur drei Farben erzeugen! Das heißt aber nicht, dass wir nicht alle Farben sehen können. Die Farben werden gemischt. In diesem Projekt geht es um die Helligkeit und das Mischen von farbigem Licht mithilfe der Elektrotechnik. Hierfür benötigen wir additive Farbmischung und somit eine blaue, eine rote und eine grüne LED – Also drei separate und in ihrer Leuchtstärke regelbare Lichtquellen. 16 Notwendige Materialien Material/Teil/Wert/Bauform C1 100nF C2 100nF C3 100nF D1 LED 5 mm RGB LM324N DIL14 LM339N DIL14 POTI BLAU 100 kΩ POTI GRÜN 100 kΩ POTI_ROT 100 kΩ R1 33 kΩ R2 12 kΩ R3 100 kΩ R4 10 kΩ R_T_Rot 1.5 kΩ R_T_Grün 833 Ω R_T_Blau 1.5 kΩ R11 10 kΩ R_BLAU 270 Ω R_GRUEN 220 Ω R_ROT 270 Ω T1 2N3904 T2 2N3904 T3 2N3904 Bezugsquelle Best.Nr. u10-R5.0-Z5U u10-R5.0-Z5U u10-R5.0-Z5U LL-509 RGBC2E-006 LM 324 N DIP14 LM 339 N DIP14 PT6KH-100k PT6KH-100k PT6KH-100k MF 33k-1% MF 12k-1% MF 100k-1% MF 10k-1% MF 1k5-1% MF 820R-1% MF 1k5-1% MF 10k-1% MF 270R-1% MF 220R-1% MF 270R-1% 2N 3904 2N 3904 2N 3904 Web-Adresse www.segor.de www.conrad.d e Ca. Preis 0,09 € 0,09 € 0,09 € 1,20€ 0,25€ 0,25€ 0,30€ 0,30€ 0,30€ 0,05€ 0,05€ 0,05€ 0,05€ 0,05€ 0,05€ 0,05€ 0,05€ 0,05€ 0,05€ 0,05€ 0,15€ 0,15€ 0,15€ 17 Steckbrett (falls nicht vorhanden) Drahtbrücken falls nicht vorhanden) Geräte, Werkzeuge und Hilfs-mittel Dauer Bau- und Montageanleitung GL-24 (Segor)/ 526843 – 62 (Conrad) KS-350 (Segor) 524530 – 62 (Conrad) ~20€ ~10€ Elektronik-Steckbrett, Drahtbrücken Stromversorgung/9V-Batterie Seitenschneider Kleine Drahtzange Kleiner Schlitzschraubendreher oder einen Zahnstocher zum Drehen der Potentiometer 6-7 Stunden Aufbau auf dem Steckbrett Das Steckbrett besteht meist aus einem Bereich in der Mitte, dort werden die Bauelemente eingesteckt, sowie zwei Stromschienen rechts und links davon. Diese langen Lochreihen sind senkrecht miteinander leitend verbunden und dienen dazu, die Versorgungsspannung an die einzelnen Bauelemente zu verteilen. Wie eine lange Steckdosenleiste also. Bei den Löchern in der Mitte des Steckbrettes ist das etwas anders. Hier sind immer die fünf waagerecht nebeneinander liegenden Löcher leitend miteinander verbunden. Damit du besser siehst, welche der Löcher miteinander verbunden sind, haben wir auf der Abbildung des Steckbrettes die verbunden Gruppen mit grauen Strichen hinterlegt. 18 Bau- und Montageanleitung Aber Vorsicht: Es gibt verschiedene Formen von Steckbrettern. Zum Beispiel könnten die Stromschienen sich bei deinem Brett in der Mitte befinden. Die Funktionsweise ändert sich deswegen nicht, aber die abgebildeten Aufbaupläne passen dann möglicherweise nicht mehr zu deinem Steckbrett. In diesem Fall ist es leider erforderlich, dass du den Aufbau an dein Steckbrett anpasst. Aber keine Angst, das ist nicht schwer. 19 Bau- und Montageanleitung Aufbauanleitung Fang zuerst damit an, die beiden mehrbeinigen, schwarzen ICs („Integrated Circuit“, salopp auch „Käfer“ genannt) zu platzieren. Normalerweise werden sie zwischen zwei Fünfergruppen gesteckt, so wie es auch im Beispielaufbau getan wurde. Zwischen den beiden solltest du reichlich Platz lassen, da noch eine Menge anderer Bauelementen folgen. Achte unbedingt auf die Orientierung. Dazu folgende Regel: Nimm das Bauelement in die Hand, so dass die Beschriftung oben ist. Dann suche eine Kerbe beziehungsweise ein kleines Loch. Wenn nötig, drehe den IC dann so, dass dieses Loch von dir weg zeigt. Nun kannst du, angefangen mit dem Beinchen Links neben dem Loch, mit dem Abzählen der Beinchen gegen den Uhrzeigersinn beginnen. Nun gilt es, den Schaltplan genau zu studieren, und die äußere Beschaltung der 20 Bau- und Montageanleitung ICs („Käfer“) zu platzieren. Dabei ist hilfreich, dass im Schaltplan die Ein- und Ausgänge schon mit der Nummer des jeweiligen Beinchens versehen sind. Eine Linie bedeutet, dass es einen Draht geben muss, der die beiden Punkte verbindet. Überkreuzen sich zwei Linien, dann heißt das nicht, dass die beiden Linien verbunden sind. Das sind sie nämlich nur, wenn an der Kreuzung ein Punkt eingezeichnet ist. Sinnvollerweise machst du für jede Verbindung, die du bereits platziert hast, ein kleines Kreuz im Schaltplan. So siehst du nachher schnell ob du etwas vergessen hast. (Und das wirst du! ☺) Auch wichtig: V+ bedeutet eine Verbindung mit dem Pluspol, GND hingegen mit dem Minuspol der Batterie. Platziere also als nächstes die restlichen Bauelemente des Sägezahngenerators (R1, R2, R3, R4, R11, C3) und verbinde sie durch Steckbrücken mit dem IC. (Siehe Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.) Wenn du mit dem Sägezahngenerator fertig bist, solltest du zunächst die Verbindungen zum anderen IC (LM324) herstellen. Achte auch hier wieder auf die Zahlen an den Ein- und Ausgängen. Weiterhin müssen die Potenziometer eingesteckt, und mit R1 21 Bau- und Montageanleitung sowie GND verbunden werden. Die mittleren Beinchen werden an den LM324 angeschlossen, achte hier vor allem darauf, dass du auch wirklich die richtigen Eingänge erwischst. Am besten, du gehst einfach nach den Zahlen im Schaltplan, dann kann nichts schief gehen. Nun kommen die Ausgänge an die Reihe. Diese werden über die Transistor-Vorwiderstände R_T_Rot, R_T_Grün und R_T_Blau mit den Basisbeinchen der Transistoren T1, T2 und T3 verbunden.Jetzt müssen noch die Kollektorbeinchen der Transistoren mit den Vorwiderständen R_Rot, R_Grün und R_Blau verbunden werden, und die Vorwiderstände wiederum mit V+. Als letztes musst du noch die Emitterbeinchen mit Leuchtdioden verbinden. Dann noch fix die gemeinsame Kathode der LED mit GND verbinden, und du bist fertig! Vorsicht: Die Vorwiderstände der verschiedenen Farben sind nicht gleich. Achte darauf, dass du jeweils den richtigen nimmst, sonst wird die Leuchtdiode später kein schönes weiß mischen können! 22 5. Flexlight-Lampe Eine ungewöhnliche Taschenlampe zum selber bauen. Geeignet ab Dauer 10 Jahren Die Bauzeit beträgt ca. 1 Stunde, wenn keine Hilfestellung des Betreuers notwendig ist. 23 Bezugsquelle Material Notwendige Materialien Anschrift Web-Adresse ca. Preis PVC – Schlauch Innendurchmesser 12 mm Baumarkt 1,00 € / Meter Holzstange, geriffelt, Durchmesser 12 mm Baumarkt 1,50 € / Meter Superhelle LED max. 3 Volt Betriebsspannung Zum Beispiel: Ultrahelle rote LED 5mm, 15800mcd, 10°, [LLR510158] Widerstand passend zur LED aussuchen. Zur Beispiel LED passt: 33 Ohm Widerstand [WSSE0033] Klingeldraht Dotlight www.dotlight.de 0,50 € / Stück Dotlight www.dotlight.de 0,05 € / Stück Baumarkt Tesafilm Schreibwarenladen 3 Reisnägel Schreibwarenladen 1 Zahnstocher Supermarkt 1 (defekter) Kugelschreiber Schreibwarenladen bzw. Büro 2 Batterien der Größe AAA Supermarkt einige Cent /Meter 24 Bau- und Montageanleitung Vom Schlauch sägen wir ein ca. 15 cm langes Stück mit der Pucksäge ab. Von der Holzstange sägen wir ebenfalls mit der Pucksäge zwei ca. 15 mm Stücke ab. Den Schnittkanten nehmen wir mit etwas Sandpapier ihre Schärfe. Eins der Stücke legen wir vorerst zur Seite. Dieses wird das hintere Ende der Lampe. Die Beinchen der LED biegen wir so, dass diese auf die Stirnseite eines Holzstückchens gesteckt werden kann und die Beine dabei in den Rillen laufen. Das längere Beinchen muss unten am Dübel umgeknickt werden. Dann wird unten ein Reißnagel (ohne Plastikkappe, soll ja den Strom leiten) in den Dübel gedrückt. (Die Kombizange ist hierbei hilfreich.) Der Reißnagel klemmt das Beinchen der LED fest. Damit ist die LED fixiert und der Kontakt zur Batterie gewährleistet. Nun schneiden wir von einem Draht ca. 20 cm langes Stück ab. Das kürzere Beinchen der LED läuft in einer anderen Längsnut und wird umgebogen, so dass ein Haken entsteht. In diesen Haken wird der Draht eingehängt. Dazu isolieren wir mit der Abisolierzange ca. 8 mm vom Draht ab und biegen dieses Drahtstück ebenfalls zu einem Haken. Beide Haken ineinander haken und gefühlvoll zusammenpressen. Damit ist das eine Ende der 25 Flexlight bereits fertig. Es wird sofort so in den Schlauch gesteckt, dass der Draht im Schlauch ist und die LED nach vorne zeigt. Den Kopf weit genug in den Schlauch schieben! Dadurch ist die LED geschützt. Ihre dünnen Beinchen würden bei ständigem hin- und herbiegen abbrechen. Beim Einschieben des Kopfes darauf achten, dass die LED nicht abhebt. Zum Einschieben deshalb an den Beinchen der LED schieben. Dazu drückt man am besten mit der Hülse des Kugelschreibers auf die Beinchen der LED. Bau- und Montageanleitung Das zweite Stück vom Stangenmaterial, wird der hintere Verschluss des Schlauches. Darin braucht der Widerstand Platz. Deshalb feilen wir eine Quernut in der Breite von der Länge des Widerstandes in das Holz. Sie muss tief genug sein, dass der Widerstand in ihr verschwindet. Als nächstes drücken wir je einen Reisnagel in die Stirnseiten des Holzstückchens. Achtung, noch nicht festdrücken, diese Reisnägel müssen noch weitere Bauteile festklemmen. Die Beinchen des Widerstandes werden an beiden Seiten des Dübels umgebogen und um die Reisnägel gewickelt. Danach sollte es wie das nebenstehende Bild aussehen. Die Feder aus dem Kugelschreiber wird mit dem Seitenschneider auf ca. 1cm Länge abgeschnitten. Sie wird bei einem Reißnagel mit einer Windung untergeschoben und dieser dann auf eine Stirnseite des Dübels gedrückt. Ein Beinchen des Widerstandes ist ebenfalls unter diesen Reißnagel, so dass der Widerstand nun fixiert ist. Die Feder verbindet den Batteriepol mit dem Reißnagel und dem Widerstand. Nun widmen wir uns dem Draht. Hier isolieren wir ca. 1cm ab und wickeln es um den letzten Reißnagel. Anschließend wird der Reißnagel in die zweite Stirnseite des Dübels festgedrückt. Auch er klemmt ein (das noch freie) Beinchen des Widerstandes. 26 Bau- und Montageanleitung Werkzeug und Hilfsmittel Nun brauchen wir nur noch den Schalter. Dazu brechen wir vom Zahnstocher ein Stück von 6 mm Länge ab.Dieses Stückchen kleben wir mit Test-Film zwischen die Batterien, seitlich neben der Kappe des Pluspols der hinteren Batterie. Wenn die Lampe etwas knickt, berühren sich die beiden Batterien und der Stromkreis ist geschlossen. Damit schalten wir die Lampe ein. Die vorbereiteten Batterien (mit Schalter) kommen nun mit dem Pluspol zur LED in den Plastikschlauch. Der Schalter, das zwischen die sich gegenüberstehenden Batteriepole gelegte Distanzstück, am 'Innenradius' des gebogenen Schlauchstücks platzieren. Dies unterstützt das Trennen der Kontakte, damit sich die Taschenlampe nicht versehentlich einschaltet. Als letztes müssen wir noch den zweiten Dübel in den Schlauch stecken und die Lampe damit verschließen. Er muss weit genug in den Schlauch, so dass die Feder guten Kontakt zu den Batterien hat und genug Druck ausübt, damit der Schalter funktioniert. Andererseits darf er nicht komplett im Schlauch verschwinden, so dass er zum Batteriewechsel auch wieder herausgezogen werden kann. Dafür scheint sich der in jedem Büro herumliegende Enthefter (Heftklammerentferner) am besten eignen. Pucksäge, Spitzzange, Kombizange, Seitenschneider, Abisolierzange, Sandpapier, Holzfeile (alles aus dem Baumarkt) 27 6. Laserpointer Geeignet ab 13 Jahren 28 Bezugsquelle Material Notwendige Materialien Platine Anschrift Fachhochschule München SMD Widerstand 10 Kiloohm (R1) Conrad SMD Potentiometer (100 Kiloohm) Conrad Silberdraht, 0,5 mm Conrad SMD Taster, ca. 5 mm hoch SMD Transistor (PNP) BC857B oder BC859B oder BCW30 (T1) Conrad SMD Transistor (NPN) BC847B oder BC850B oder BCW33 (T2) Lötzinn Tesafilm Laserpointerbausatz Dauer ca. Preis Web-Adresse 0,10 € / Stück www.conrad.de 0,50 € / Stück Conrad 0,10 € / Stück Conrad 0,10 € / Stück Baumarkt Schreibwarenladen AWI Industries Inc. 21680 Gateway Center Drive, Suite 160 Diamond Bar, CA91765 USA 4,00 $ / Stück Die Bauzeit beträgt ca. 6 Stunden 29 Bau- und Montageanleitung Als erstes wird der Widerstand R1 (10 Kiloohm) auf die Platine gelötet. Dabei hat sich folgendes Verfahren bewährt: Auf ein Lötpad etwas Lötzinn aufbringen, dann den Widerstand mit einer Pinzette platzieren und mit dem Lötkolben das Zinn auf der Platine noch mal aufschmelzen. Danach wird die andere Seite des Widerstandes festgelötet. Als nächstes wird der Transistor T2 nach der gleichen Methode eingebaut. Achtung, ein Transistor ist temperaturempfindlich. Deshalb sollten nur die Beinchen mit dem Lötkolben berührt werden (und auch die nicht allzu lange). Die unter dem Transistor durchführende Leitung darf keinen Kontakt mit einem Beinchen bekommen. Das gleiche gilt auch beim Transistor T1, den wir als nächstes auf die Platine löten. Die Laserdiode wird nun in ihre Fassung gepresst. Dazu steckt man sie (mit dem Kopf voraus) in die Fassung. Der Kragen muss in die Vertiefung gepresst werden. Dazu missbrauchen wir das Gewindeteil der Linsenfassung. Das Loch für den Laserstrahl passt genau über die Beinchen der Diode. Damit pressen wir im Schraubstock die Diode in de Fassung. In das Gewindeteil der Linsenfassung wird zuerst der Gummiring gelegt, darauf die Linse mit der flachen Seite voraus! Der Deckel der Linsenfassung wird darauf gesteckt und im Schraubstock gepresst. Die Linsenfassung wird auf die Diodenfassung geschraubt, ungefähr bis zur Hälfte. 30 Bau- und Montageanleitung Die Beine der Diode werden jetzt mit Hilfe der Pinzette so gebogen wie es das nebenstehende Bild zeigt. Danach werden sie mit einem Seitenschneider soweit abgeschnitten, dass sie nicht über die Lötpads auf der Platine überstehen. Um den Hals der Diodenfassung, hinter dem Gewinde, biegt man ein Stück Silberdraht 0,5 mm (ca. 3 cm lang) zu einem Halbkreis (vorerst zu einem U) und lötet es als Stützring auf die Platine. (Als Löthilfe hat sich Kinderknete bewährt. Zwischen den Arbeitstisch und die Platine gesteckt, hält es die Platine im gewünschten Abstand zum Tisch fest.) Das U wird auf der Kupferseite angebracht, parallel, mit gleichem Durchmesser, als Verlängerung der Diodenfassung. Er stützt die Platine beim Druck auf den Taster gegen die Gehäusewand ab. Zum Testen und Justieren kann an dem Ring der Pluspol der Versorgungsspannung angeklemmt werden. Die überstehenden Drähte werden mit dem Seitenschneider gekappt. Die Widerstände R2 und R3 sind in Reihe geschaltet. Man kann entweder 10 Kiloohm und 27 Kiloohm als Defaultwerte einlöten oder man ersetzt beide Widerstände durch ein Potentiometer (besser). Auch der Taster wird jetzt eingebaut. Er muss mit dem Körper auf der Platine aufliegen! Außerdem wird er auf der Rückseite der Platine montiert. Im nächsten Schritt wird die Feder an die Platine gelötet. Dazu wird zuerst mit einer Spitzzange der letzte Halbring der Feder im 90° Winkel weggebogen. Danach wird dieser Halbkreis auf dem Lötpad festgelötet. Die gebogenen Beinchen der Laserdiode werden nun auf die Pads der Platine gelötet. Dabei ist zum einen auf den mittigen Sitz der Diode an der Platine und zum anderen auf einen möglichst geringen Abstand zwischen Platine und Laserdiode zu achten. Das mittlere Beinchen muss von oben auf 31 Bau- und Montageanleitung die Platine kommen. Auch dieses Bauteil ist temperaturempfindlich. Jetzt kommt der Funktionstest des Laserpointers. Dazu setzten wir unsere Laserschutzbrillen auf und verbinden die Gleichspannungsquelle (Strombegrenzung auf 40 Milliampere) mit der Platine (Plus am Bügel, Minus an der Feder). Der Fokus wird durch Drehen der Linsenfassung eingestellt und mittels Sekundenkleber fixiert. Aus ca. 1 cm Abstand leuchten wir in den Messkopf (mit aufgeschraubten Reduzierfilter) des Lichtleistungsmessgerätes und verändern Position und Winkel des Strahls so lange, bis das Maximum der Anzeige gefunden ist. Mit dem Potentiometer wird nun eine Laserlichtleistung von 0,8 Milliwatt eingestellt. (Wer mit Widerständen statt Potentiometer arbeitet, muss entsprechende Widerstände abschätzen und entsprechend einlöten. Meistens ist mehrfaches Iterieren erforderlich.) Nun können wir die Schutzbrillen wieder absetzen. Dann wird die Frontkappe angeschraubt. Dabei keine Kraft auf die Platine bringen, sonst reißen die Lötpads (samt der Laserdiode) ab. Das Gehäuse muss innen isoliert werden, damit die in Reihe geschalteten Batterien nicht kurzgeschlossen werden. Dazu klebt man zwei „Halbschalen“ Tesafilm an die Innenseite des Gehäuses, gleich hinter dem Gewinde. Die Gehäusehülse ist zwar tauchlackiert, isoliert jedoch Im Schraubstock wird die Hülse auf die sehr streng gehende und leicht verkippende Frontkappe (mit daran befindlicher Elektronik) gepresst. Dabei auf die Lage der Schalteraussparung achten. Die Tasterabdeckung kann vorher von innen in die Hülse gesteckt und in der Aussparung platziert werden, es ist aber auch möglich (aber kompliziert) sie nachträglich einzusetzen. Abschließend wird der Laserpointer noch mit 2 Knopfzellen (im Bausatz enthalten) bestückt und die Endkappe aufgeschraubt. 32 Nur Laserpointer mit einer maximalen Strahlungsleistung von 1 mW und der Kennzeichnung "Laser Klasse 2" (nach DIN EN 60825-1), "Sicherheit von Lasereinrichtungen", sind bei ihrem bestimmungsgemäßen Gebrauch sicher. Laser, auch Laserpointer, sind kein Spielzeug. Der Laserstrahl darf nicht absichtlich auf Personen gerichtet werden, da bei Strahlungsleistungen über 1 mW die Gefahr einer Augenschädigung besteht, die eventuell langfristig die Sehfähigkeit des Betroffenen beeinträchtigt. Auch Laserpointer der Laserklasse 2 können eine Blendung, die zu anderen Unfällen führen kann, hervorrufen. Wird der Lidschlussreflex unterdrückt, ist auch bei Laserpointern der Laserklasse 2 die Gefahr einer bleibenden Augenschädigung gegeben. Es sollte darauf hingewirkt werden, dass Laserpointer nicht missbräuchlich eingesetzt und damit Blendungen oder auch irreversible Netzhautschäden vermieden werden. 33 7. Flüssigkristallanzeige Es wird eine funktionsfähige Flüssigkristallanzeige aus Komponenten aufgebaut, die auch in der industriellen Fertigung Anwendung finden. Bei dem Herstellungsprozess lernt man den Aufbau und die Funktionsweise einer eingehend kennen. Quelle: www.fluessigkristalle.com (Dort wird der auch der physikalisch-chemische Hintergrund erklärt. Geeignet ab 16/17 Jahren Dauer Arbeitszeit ca. 4h, der Ofenprozess dauert zusätzlich ca. 2h. 34 Notwendige Materialien Geräte, Werkzeuge und Hilfsmittel Material Indium-Zinn beschichtete Glasplatten Selbstklebende Rückpolarisatoren mit Reflektorschicht Selbstklebende Frontpolarisatoren Flüssigkristall (Weitbereichsmischung) Alkalisches Reinigungsbad 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Glasschneider Wasserfester Markierstift Aceton Salzsäure (5%ig) Zweikomponentenkleber Abstandfolie Mylar ca. 12µm Tesafilm Klammern div. Glasgeräte Bezugsquelle, Alle Materialien können als Bausatz bei der Fa. Dietrich & Co. bestellt werden. Adresse: W. Dietrich & Co Gutzmannstr. 11 14165 Berlin www.dietrich-medizintechnik.de 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. Preis 10 –15 LCDs ca. 50€ Kochplatte Schere Demineralisiertes Wasser Siedesteinchen Tiegelofen oder Haushaltsherd mit Backröhre Zellstofftücher Wechselspannungsquelle 5V Durchgangsprüfer (Multimeter) Krokodilklemmen 35 Die Arbeitsschritte werden im Folgenden tabellarisch dargestellt, die genaue Arbeitsanweisung kann unter der angegebenen Internatadresse heruntergeladen werden. Schritt 1: Vorbereitung der beschichteten Glasplatten Schritt 2: Strukturierung der Elektroden Bau- und Montageanleitung Schritt 3: Ätzen der Elektrodenstruktur in Salzsäure. Schritt 4: Entfernen der Abdeckschicht mit Aceton 36 Schritt Schritt Schritt Schritt Schritt Schritt 5: Oxidieren der Indium-Zinn-Schicht in einem Ofen bei 3000C 6: Reinigung der Glasplatten 7: Orientierung der Glasoberflächen 8: Zuschneiden der Abstandshalter 9: Zusammenfügen der Zelle 10: Zusammenkleben der Zelle. Schritt Schritt Schritt Schritt 11: 12: 13: 14: Bauund Montageanleitung Füllen der Zelle Verschließen der Zelle Aufkleben der Polarisatoren Ansteuerung der selbstgebauten Flüssigkristallanzeige 37 8. Luftdruckmessung Diese Schaltung liest den Freescale-Luftdrucksensor aus und gibt eine Spannung zwischen 0 und 5 V aus, die proportional zum Luftdruck zwischen 900 und 1050 hPa ist. Geeignet ab 15 Jahren, bei nicht ganz bastelunerfahrenen Schüler/innen 38 Material Best. Nr. Notwendige Materialien Geräte, Werkzeuge und Hilfsmittel Dauer Freescale-Drucksensor; Platine 1x IC-Sockel 8fach 1x TLC 272 9V Batterie Folgende Widerstände: 3x 56 kΩ; 2x 10 kΩ; 1x 2 kΩ; 2x 470 Ω; 1x Spindeltrimmer 200 Ω; 1x Spindeltrimmer 10 kΩ; 2x Kondensator 100 nF Anschlussklemme versilberter Kupferdraht, Rolle GS 8P TLC 272 ENERGIZER 9-VOLT METALL 56,0; METALL 10,0K; METALL 2,00K; METALL 470 Bezugsquelle Web-Adresse ca. Preis www.lmt.uni-saarland.de 0 € www.reichelt.de 0,10 € 0,25 € 1,65 € je 0,08 € 64W-200; 64W-10K; Z5U-2,5 100N AKL 101-03 SILBER 0,6MM je 0,55 € 0,06 € 0,23 € 1,80 € Lötkolben, Zange, Seitenschneider, Schraubendreher, Multimeter Die Bauzeit beträgt etwa eine dreiviertel Stunde, die Kalibrierung etwa noch mal solange. 39 Bau- und Montageanleitung Neben der Temperatur ist der Luftdruck eine Größe, die gemessen wird, um auf die Wetterentwicklung schließen zu können. Angenommen, ein Luftvolumen wird in einem Eimer eingeschlossen, indem dieser mit einer dünnen Frischhaltefolie verschlossen wird. Steigt nun der Luftdruck über dem Eimer, so wird sich die Folie nach innen wölben. Dieser Effekt wird in der Praxis genutzt, um den Luftdruck messen zu können. Es wird ein kleines Gefäß aus Glas hergestellt, in dem ein sehr niedriger Luftdruck herrscht. Dieser Eimer wird durch eine dünne Membran aus Silizium verschlossen. Auf dieser Membran sitzen so genannte piezoelektrische Widerstände. Wenn sich die Membran durch den äußeren Luftdruck nach innen wölbt, werden diese Widerstände in die Länge bzw. in die Breite gezogen und verändern auf diesem Wege ihren Widerstandswert. In dem von uns verwendeten Drucksensor ist schon eine Elektronik integriert, die die Widerstandswerte weiterverarbeitet. Somit wird eine zum Druck proportionale Spannung ausgegeben, die den Messbereich von 150 bis 1050 hPa auf einem Spannungsbereich von 0 bis 5 V linear abbildet. Der größtmögliche Fehler beträgt ±15 hPa, der sich aber durch Kalibrieren entfernen lässt. Die Schaltungselektronik um den Sensor herum dient dazu, den für meteorologische Messungen interessanten Messbereich zwischen 900 und 1050 hPa auf die Ausgangsspannung zwischen 0 und 5 V abzubilden. 1. 2. Zu dieser Schaltung wird eine Platine mitgeliefert. Möchte man die Schaltung lieber selber auf einer Lochrasterplatine erstellen, kann man sich an folgendem Schaltplan orientieren: Mit dem Potentiometer R7 wird eine Spannung eingestellt, die der Ausgangsspannung des Drucksensors bei 900 hPa entspricht (wird im Anschluss an das Löten beschrieben). Diese Spannung wird mit Hilfe einer Subtrahiererschaltung von der Ausgangsspannung des Drucksensors abgezogen. Die verbleibende Spannung wird durch den Subtrahierer gleichzeitig auch verstärkt, so dass 1050 hPa weiterhin etwa 5 V entsprechen. Am Ausgang ist ein sog. Tiefpass vorgesehen, der Störsignale filtert und nur die langsamen Druckänderungen passieren lässt. 40 3. Bau- und Montageanleitung 4. 5. Bei der Bestückung der Platine geht man idealerweise von den niedrigsten zu den höchsten Bauteilen vor: Man beginnt mit den Widerständen, fährt mit dem Sockel des Operationsverstärkers fort, bringt die Kondensatoren und den Drucksensor an und lötet zuletzt das Potentiometer und die Anschlussklemmen an. Die abgeschrägte Ecke des Drucksensors muss dabei in Richtung Rand der Platine und Verschraubungsloch zeigen (auf dem Foto oben rechts). Er kann festgelötet werden, indem Reste von Widerstandsbeinchen durch die vorgesehenen Bohrungen gesteckt und verlötet werden. Dabei soll der Ausgang des Sensors (Pin 4, zum Operationsverstärker hin zeigend) noch nicht angeschlossen werden. Nummer 1 der Anschlussklemme gibt das Ausgangssignal aus. Nummer 2 wird an eine Spannungsquelle von 5 V angeschlossen (entweder von einem Labornetzteil oder per 9-V-Block, an den ein 7805-Spannungsregler angeschlossen ist, vgl. Projekt „Wasserwaage“). Nummer 3 wird an 0 V angeschlossen. Die Ausgangsspannung des Sensors hängt mit dem Druck über die Formel Uaus = 5 V * (p*0,01059 - 0,1518) zusammen, wobei p der Druck in hPa ist. Aufgrund von Fertigungstoleranzen können der wahre Druck und der berechnete Druck um bis zu 15 hPa auseinander liegen. Um diesen Fehler zu korrigieren, kann der Druck mit einem guten Referenzinstrument oder (unter Berücksichtigung der Höhe über N.N.) mit den Angaben der örtlichen Wetterstation gemessen und anschließend 41 6. 7. 8. Bau- und Montageanleitung 9. 10. 11. mit der Ausgangsspannung des Sensors verglichen werden. Die Formel kann entsprechend korrigiert werden: Uaus = 5 V * (p*0,01059 - 0,1518) + Korrekturfaktor Löte das 10-kΩ-Potentiometer mit den beiden äußeren Beinchen an 5 V bzw. 0 V an. So kannst Du dazwischen jede beliebige Spannung einstellen und am Mittelabgriff des Potentiometers abgreifen. Verbinde den Mittelabgriff des Potentiometers nun mit dem 10-kΩ-Widerstand R4. Stelle die Spannung am Poti so ein, dass diese einen Spannungswert entsprechend einem Druck von 900 hPa annimmt. Stelle das Poti R7 so ein, dass am Ausgang der Schaltung eine Spannung von etwa 100 mV anliegt. 900 hPa entsprechen also 100 mV am Ausgang. Jetzt erhöhe die Spannung am Potentiometer auf den Wert, den der Drucksensor laut obiger Formel bei einem Druck von 1050 hPa ausgeben sollte. Notiere die Spannung, die jetzt am Ausgang der Schaltung anliegt. Der Druck lässt sich jetzt mit Hilfe der Ausgangsspannung nach folgender Formel berechnen: p = a*Uaus+b Versuche, die Parameter a und b aus den beiden gegebenen Drücken und Ausgangsspannungen selbst zu berechnen! 12. Jetzt kann der Ausgang des Sensors mit dem Widerstand R4 verbunden werden. Das 10-kΩPotentiometer hat nur zu Kalibrierungszwecken gedient und muss nun entfernt werden. 42 9. Nitinol-Insektenroboter Das "NiTi-Insekt" führt seine Bewegungen auf der Grundlage von Nitinol aus. Nitinol (NiTi) ist eine Formgedächtnislegierung, die sich bei Temperaturerhöhung an seine früher aufgeprägte geometrische Form "erinnert". Die Bewegung des „NiTi-Insektes“ wird durch elektrischen Strom gesteuert. Geeignet ab 16 Jahren, für Schüler/innen mit guten Bastelerfahrungen und der Möglichkeit der Herstellung von gedruckten Schaltungen. Dauer Die Bauzeit beträgt etwa 15 Stunden. 43 Material (Bestellnummer) Bezugsquelle / Web-Adresse Preis 1m NiTi-Draht Dy70, Ø=102µm (0051) www.memory-metalle.de 9,00 € Doppelseitig kaschierte Platinen, Ätzchemikalien, ≈30 € www.buerklin.de etc. 0,80 € 8 Widerstände á 12Ω/0,25W (17E105) 0,20 € 2 Widerstände á 120Ω/0,25W (17E175) 1 Laternenbatterie 6V/7,5Ah z.B. Varta 430 5,50 € (26A340) Notwendige Ma2 LEDs, 3mm (67S4350) 0,20 € terialien 4 Tasten Digitast (13G620 + 13G624) 10,00 € 10 Aderendhülsen (18H6797) 0,80 € 15 Anschlussklemmen im Rastermaß 4,5mm (09H595) 3,00 € 1 Treiber-IC ULN2803A (50S2700) 1,50 € Je 1 Krokodilklemme rot und blau (30F300 + 30F306) 3,00 € Je 1 Bananenstecker rot und blau (10F310 + 10F340) Federstahl Ø=0,8mm, L=0,5m Federstahl Ø=1,0mm, L=0,1m Messingröhrchen ØA=2,0mm, ØI=1,1mm, L=0,1m Bem.: Es dürfte bei einigen der genannten Materialien schwierig sein, die erforderlichen Mindermengen einzukaufen, da die Mindestabnahmemenge größer ist. Daher wurden Verbrauchsmaterialien wie Schaltlitzen, Stahldrähte, Messingröhrchen nicht weiter preislich spezifiziert. Geräte, Werkzeuge und Hilfsmittel Feinbohrmaschine + Bohrer (0,8mm; 1,0mm; 1,4mm); Lötkolben mit feiner Lötspitze; Lötzinn mit Flussmittel (1mm); Seitenschneider; kleine Spitzzange; kleiner Schraubendreher; Crimpzange, Abisolierzange, Flachzange, Pinzette 44 Ansichten auf die Ober- und Unterseite des Layouts der drei Platinen des NiTiInsektes Bau- und Montageanleitung 45 Layout der Brückenplatine Layout der Steuerplatine Bau- und Montageanleitung 46 Nitinol ist eine Formgedächtnislegierung aus Nickel und Titan. Wird Nitinol erhitzt, so kehrt es in seine ursprüngliche „aufgeprägte Form“ zurück. Daher wird für unser NiTi-Insekt ein Stahldraht benötigt, um den Nitinoldraht nach der Erhitzung wieder in seine Ausgangslänge zu überführen. Die Herstellung der Platinen (gedruckten Schaltungen) wird hier nicht näher beschrieben. Hinweise zu deren Herstellung kann man im Internet zahlreich finden. Etwas mühevoll wird die Herstellung durch die Anforderung doppelseitig geätzter Platinen, was eine genaue Justierung erforderlich macht. Die Durchmesser für die Bohrungen sind 0,8mm für die Bohrungen zu den Drahtbrücken, 1,0mm für die elektronischen Bauteile bzw. 1,4mm für die Anschlussklemmen. Bau- und Montageanleitung In den nachfolgenden Abbildungen sind die im Weiteren genutzten Nummerierungen der Platinen und Widerstände wiedergegeben. 1. Zuerst werden die Anschlussklemmen (Schraubklemmen) auf den Ober- und Unterseiten der Platinen angebracht und verlötet. 2. Drei Stahldrähte (Durchmesser 0,8 mm) werden mit einem Seitenschneider auf eine Länge von 12cm abgeschnitten, an den Enden etwa 15mm hoch in gleicher Richtung umgebogen und so die drei gebogenen Beinpaare hergestellt und mittig in die einzeln ungefähr mittig stehenden Anschlussklemmen befestigt. 3. Anschließend wird je eine Crimp-Hülse vom Fuß bis zum Knie der Beinchen aufgefädelt und je ein ca. 7cm langer Nitinoldraht vom Fußende durch die Hülse geführt, so dass noch ca. 3 mm davon am Fußende überstehen. Die Hülsen werden nun an ihrem oberen Ende direkt unterhalb des Knies zusammen mit dem Nitinoldraht mit der Crimpzange zweimal um 90° versetzt festgecrimpt, so dass der Draht sicher fixiert wird. Die 47 Bau- und Montageanleitung längeren Enden führt man nun zum Körper des Käfers hin entlang der Beinchen zur nächstgelegenen noch freien Schraube, wo diese NiTi-Drähte so um die Schraube gewickelt und gestrafft werden, dass eine gleich große Spannung für alle Beinchen erzielt wird. Die Spannung lässt sich durch leichte Zugentlastung des Nitinoldrahtes oder auch durch leichte Verformung der Stahldrähte in Grenzen einstellen. Überstehende NiTi-Drahtenden müssen gekürzt werden, um unbeabsichtigte elektrische Verbindungen zu vermeiden. 4. Ein Messingröhrchen (Länge 49mm, Außendurchmesser 2mm, Innendurchmesser >1mm) wird in Längsachse des Insektes mittig ausgerichtet und mit dünnem biegsamen Draht auf der mittleren Platine fixiert. Nun kann das Röhrchen auf der Platine angelötet werden, wobei dabei seine Position unverändert bleiben muss. Die etwas überstehenden Enden der Messingröhrchen dienen als Abstandshalter zu den benachbarten Platinen. 5. Nachdem das Messingröhrchen fixiert ist, wird der an einer Seite auf etwa 4mm Länge umgebogene Stahldraht (Durchmesser 1mm, Länge ca. 6 cm) hindurch gesteckt und mit dem geknickten Ende in das dafür vorgesehene Loch gesteckt und ebenfalls mit zwei dünnen Drahtbügeln befestigt. Die Enden des Messingröhrchens sollten die benachbarte Platine gerade nicht berühren. 48 6. 7. 8. Bau- und Montageanleitung Auch auf der Kopf-Platine muss der Stahldraht befestigt werden. Hier wird der Stahldraht ohne Hilfe eines Einstecklochs mit zwei Drahtschlingen auf der Platine ausgerichtet, wobei wiederum darauf geachtet werden muss, dass die Kopf-Platine nicht von dem Messingröhrchen berührt wird, da dies ansonsten das Anheben der Beinchen im Bewegungsablauf gehindert würde. Der Stahldraht wird durch Lötung an seinem Ende auf der Platine festgelötet. Der NiTi-Käfer wird nun noch ein wenig ausgerichtet, bis er gerade steht und mit allen Beinchen den Boden berührt. In dieser Position lötet man den Stahldraht auch am Einsteckloch für das umgebogene Ende an. Damit ist eine elektrische Verbindung der äußeren Platinen für den späteren Betrieb sicher gestellt. Die mittlere Platine sollte sich frei um ihre Längsachse drehen lassen. Auf die mittlere Platine des Käfers wird nun eine Brücke in Form einer eingekerbten schmalen Platine hochkant angebracht. Die Bohrung in der Platine bildet eine Aussparung, die genau das Messingröhrchen umfasst. Die Brücke wird auf der mittleren Platine in senkrechter Position mittels Lötzinn sowohl auf dem Röhrchen als auch auf der Platine fixiert. 9. Ein Stahldraht (Durchmesser 0,7mm, Länge 10cm) dient der Stabilisierung und als Führung für die Verdrahtung des NiTi-Insektes. Dazu steckt man diesen etwas gebogenen Drahtbügel parallel zum Rückgrat in die dafür vorgesehenen Löcher der äußeren Platinen, so dass die Enden gerade auf der Rückseite sichtbar werden. In dieser Position lötet man den Drahtbügel auf der Oberseite an beiden Löchern fest. 10. Um die Nitinoldrähte im Betrieb nicht elektrisch zu überlasten, werden 12-Ohm-Widerstände zwischengeschaltet. 49 Bau- und Montageanleitung Hinzu kommen noch zwei 120-Ohm-Widerstände für den Betrieb der Leuchtdioden. Zwei der 12-Ohm Widerstände werden liegend montiert. Das Anlöten der Widerstände erfolgt auf der Oberseite der Platine, da man auf der Unterseite nur schwer an die Lötstellen gelangen kann. Die 120-Ohm-Widerstände werden am Kopfteil des Käfers eingelötet. 11. Leuchtdioden (LEDs = light emitting diodes) besitzen eine lange und eine kurze Zuführung. Die kürzere bezeichnet die Kathode, die längere die Anode. Die Leuchtdioden werden so auf der Kopfplatine befestigt, dass der kürzere Draht in die äußeren Löcher am vordersten Kopfende gesteckt wird und der längere mit dem Pluspol verbunden wird, d.h. in dem noch freien Loch neben dem zugehörigen Widerstand. Zunächst biegt man hierzu die „Leuchtfühler“ des NiTi-Käfers in die Form von Fühlern, indem jeweils beide Beinchen ca. einen halben Zentimeter unter der LED um etwa 45o umgebogen werden. Dioden lassen den Strom nur in eine Richtung fließen, daher ist die Polung sehr wichtig! Nachdem man die Drahtenden der LEDs in die gewünscht Länge gebracht hat und diese dabei an der Unterseite leicht überstehen, lötet man sie von unten auf der Platine fest. 12. Die elektrischen Verbindungen werden mittels unterschiedlich gefärbten, isolierten Drahtlitzen hergestellt. Diese Litzen werden mit Hilfe einer Abisolierzange an den Enden auf ca. 3-5mm Länge von der Isolation befreit. Eine rote Litze sollte dem Pluspol vorbehalten werden und wird auf der hintersten Platine in der Mitte festgelötet. Die Litze wird nach hinten weggeführt. 50 Bau- und Montageanleitung 13. Über gelbe Litzen werden die Beinchen Nr. 2 und Nr. 5 (Beinchen-Paar des Mittelteils) mit Spannung versorgt. Dazu werden die abisolierten Enden der gelben Litzen jeweils auf den äußeren Lötaugen der darunter liegenden zugehörigen Schraubklemmen mit etwas frischem Lötzinn angelötet. 14. Für das Beinchen-Paar Nr. 1 und Nr. 4 (Beinchen-Paar des Vorderteils) wird eine grüne Litze verwendet. Ähnlich wie die gelbe Litze befestigt man diese an den zugehörigen darunter liegenden Schraubklemmen der betreffenden Beinchen, wobei hierfür neben den Lötaugen der Schraubklemmen weitere Lötaugen zur Verfügung stehen. 15. Die Beinchen Nr. 3 und Nr. 6 benötigen keine externe Verbindung über Litzen, da diese Verbindungen zu den liegend angebrachten Widerständen bereits durch das Platinenlayout realisiert sind. 16. Nahe an den LED-Fühlern des NiTi-Käfers wird weiße Litze über Lötungen befestigt. 17. Nun befestigt man zwei längere Nitinoldrähte zwischen den beiden äußeren Platinen, wobei diese Drähte über die Brücke gespannt werden. Hierfür sind zwei Bohrungen in der Brücke vorgesehen. Die NiTi-Drähte werden an den noch freien Schraubklemmen festgeschraubt. Dabei sollte praktisch keine Zugspannung vorhanden sein, d.h. der Draht sollte sich mit dem Finger nach der Fixierung noch ca. 2mm durchdrücken lassen. 18. Nun müssen die Verbindungsleitungen (farbige Litzen) mit den zugehörigen Widerständen der NiTi-Drähte verbunden werden. Die gelben Litzen auf der mittleren Platine zum Beinchen Nr. 2 gehört zum Widerstand R2 auf der anderen Seite der Längsachse des NiTi-Käfers. Daher zieht man die Litze locker, d.h. ohne Spannung zum Drahtbügel und wickelt sie nahe am Stahldrahtbügel in Richtung der Widerstände, wo sie an den Widerstand R2 angelötet werden. In analoger Weise wird die zweite gelbe Litze an den Widerstand R5 angelötet. 51 Bau- und Montageanleitung 19. Danach werden die grünen Litzen des vordersten Beinchen-Paares Nr. 1 und Nr. 4 in gleicher Weise nach hinten geführt und an die zugehörigen Widerständen angelötet (Nummerierung der Widerstände siehe oben). 20. Auch die verbliebenen weißen Litzen der LEDs am Kopfteil müssen nach hinten geführt und dort angelötet werden, allerdings an den liegenden Widerständen. 21. Nunmehr erfolgt der Aufbau der Schaltplatine: Dazu werden vier Taster aufgesteckt. Die Platine ist ausgelegt, dass man die Taster nur in einer Richtung sinnvoll nebeneinander platzieren kann. Sobald diese aufgesteckt sind, werden sie mit einem flachen Gegenstand auf die Platine gepresst und auf der Platinenrückseite angelötet. Des Weiteren muss noch der Treiber-IC und die Lötstifte auf der Schaltplatine eingelötet werden. Die Nase (Aussparung) auf dem IC ist nach links orientiert! 22. Ausgehend von den Widerständen werden nun die elektrischen Verbindungen zu der Schaltplatine hergestellt. Dazu werden die entsprechenden farbigen Litzen auf den vorgesehenen Lötaugen auf der Unterseite hinter den Widerständen angelötet, wo auch bereits der Pluspol (dieser allerdings auf der Oberseite) angelötet wurde. Der Übersicht halber sind nur gelbe und grüne Litzen als Verlängerung angelöteten. Die am Käfer befestigten Litzen werden in genau der gleichen Reihenfolge wie am Käfer auch am Schaltpult angelötet. 52 23. Nun werden noch die elektrischen Verbindungen zur Stromversorgung in Form der 6V Batterie hergestellt: Dazu werden auf dem Schaltpult eine rote Litze an dem mit einem „+“ gekennzeichneten Pluspol der Schaltung und die blaue Litze am mit einem „–“ gekennzeichneten Stift angelötet. Diese beiden Litzen müssen über die daran angebrachten Bananenstecker und über Krokodilklemmen an den entsprechend gekennzeichneten Polen der Batterie befestigt werden. Bau- und Montageanleitung 24. Um dem NiTi-Käfer eine koordinierte Fortbewegung zu ermöglichen, betätigt man zeitlich überlappend nacheinander von links nach rechts die Taster für jeweils ca. eine Sekunde. Liegt länger eine Spannung an, so kann der Nitinoldraht durch thermische Überlastung seine Erinnerungseigenschaft verlieren! Am besten läuft der NiTi-Käfer auf einem ebenen, nicht zu glatten Untergrund. 53 10. Wasserwaage mit einem Beschleunigungssensor Der kleine Beschleunigungssensor sitzt rechts neben der Batterie. Die Leuchtdioden zeigen die Neigung der Wasserwaage an. Mit einem Beschleunigungssensor kann man auch die Erdbeschleunigung messen. Wie geschaffen für den Bau einer elektronischen Wasserwaage (wenn die dann noch so genannt werden darf). Geeignet ab 15 Jahren, bei nicht ganz bastelunerfahrenen Schüler/innen Dauer Die Bauzeit beträgt etwa 8 Stunden. 54 Bezugsquelle Material Best. Nr. Beschleunigungssensor ADXL213 5xLeuchtdioden (2xrot,2xgelb, 1xgrün) 2x1N4148(Diode) Notwendige Materialien 9V Batterie Folgende Widerstände: 5x220 Ω; 4x1 kΩ; 2x100 kΩ; 2xSpindeltrimmer 200 kΩ Spannungsstabilisator 7805 Kondensator 100 nF 2 8-fach-Sockel, 1 16-fach-Sockel Batterieclip Operationsverstärker TLC 272 und TLC 274 6x Distanzhülsen 6x M3-Schrauben Lochrasterplatine versilberter Kupferdraht, Rolle LED 3MM 2MA GE; LED 3MM 2MA GR; LED 3MM 2MA RT; 1N 4148 ENERGIZER 9-VOLT METALL 220; METALL 1,0K; METALL 100K 64P-200K µA 78L05 Z5U-2,5 100N GS16; GS8 CLIP 9V TLC 272 DIP; TLC 274 DIL DA 5MM SZK M3x8 (100 Stück) H25PR160 SILBER 0,6MM Web-Adresse www.lmt.uni-saarland.de www.reichelt.de ca. Preis 0 € je 0,09 € je 0,02 € 1,65 € je 0,08 € 0,55 € 0,10 € 0,06 € 0,04 €; 0,03 € 0,092 € 0,25 €; 0,32 € 0,08 € 1,15 € 1,80 € 1,80 € 55 Geräte, Werkzeuge und Hilfsmittel Lötkolben, Zange, Seitenschneider, Schraubendreher, 3-mm-Holzbohrer und 3-mm-Metallbohrer (für die Platine). 1. 2. 3. 4. Bau- und Montageanleitung 5. 6. 7. Im Baumarkt besorgt man sich ein Stück Kantholz (3 x 5 cm2), z. B. Tanne/Fichte, das man sich auf 50 cm zuschneiden lässt. Damit die Lochrasterplatine auf das Kantholz passt, wird sie auf 16 cm x 5 cm zugeschnitten. Lese Dir die folgenden Schritte erst einmal durch, bevor Du sie anpackst. Zum Verbinden der einzelnen Bauteile verwendet man entweder kurze Kabelstücke, oder, was übersichtlicher und einfacher zu löten ist, versilberten Kupferdraht. Der Beschleunigungssensor und die Operationsverstärker (OPs) werden auf Sockel gelötet. Löte an eine der kurzen Seiten den Batterieclip für den 9-V-Block. Da der Beschleunigungssensor nur mit 5 V arbeitet, wird dahinter der Spannungswandler 7805 gemeinsam mit einem stabilisierenden 100-nF-Kondensator gelötet. GND entspricht der Referenzspannung für alle Bauteile – diese Stellen müssen alle miteinander verbunden werden. Neben dem Spannungswandler wird ein Sockel für den Beschleunigungssensor ADXL213 angelötet. Der Sockel wird bereits mit GND und 5 V verbunden. Hier wird genauso wie beim 7805 möglichst nahe an GND und 5 V ein weiterer 100-nF-Kondensator angelötet. In der Mitte der Platine wird die grüne LED angelötet. Sie soll später aufleuchten, wenn die Wasserwaage eben aufliegt. Daneben werden jeweils eine gelbe und eine rote LED angelötet. Bei leichter Neigung soll zuerst die gelbe, bei stärkerer Neigung dann die rote LED leuchten. 56 8. Bau- und Montageanleitung 9. Löte an jede LED einen 220-Ω-Widerstand, mit dem die Leuchtstärke eingestellt wird. Die roten und gelben LEDs werden mit dem Operationsverstärker TLC274 gemäß folgendem Schaltplan verbunden: Die Leitung „Beschl.Signal“ wird mit dem Beschleunigungssensor verbunden. Über die 1-kΩWiderstände werden die Schwellwerte eingestellt, ab denen die LEDs leuchten. Je kleiner diese Widerstände sind, umso empfindlicher ist die Wasserwaage. Bleibt noch die mittlere, grüne LED. Sie soll leuchten, wenn die Wasserwaage eben liegt. Dafür wird sie wie folgt mit einem TLC272 verbunden: 10. Damit die Operationsverstärker arbeiten können, müssen sie noch mit der Versorgungsspannung verbunden werden. Beim TLC274 kommt Pin 11 an GND und Pin 4 an 5 V, beim TLC272 kommt Pin 4 an GND und Pin 4 an 5 V. 11. Die Schaltung kann jetzt auf dem Kantholz angebracht werden. Dazu werden Löcher mit einem Durchmesser von 3 mm in die Platine gebohrt (an jeder Ecke eines und am besten noch auf der Hälfte der langen Kante jeweils eines). In das Kantholz werden mit den gleichen Abständen Löcher mit jeweils 3 mm Durchmesser gebohrt. Dort werden die Distanzhülsen eingedreht. Die Platine kann hier 57 Bau- und Montageanleitun mit den M3-Schrauben festgeschraubt werden. Eventuell müssen hierzu die Schrauben etwas gekürzt werden. 12. Bleibt nur noch eins: die Kalibrierung. Dazu wird die Wasserwaage auf eine wirklich ebene Fläche gelegt (Vergleich mit klassischer Wasserwaage). Dann wird an dem Trimmpotentiometer R10 so lange gedreht, bis die grüne LED aufleuchtet. Zähle nun die Umdrehungen und drehe solange weiter, bis die grüne LED wieder ausgeht. Dann drehe die Hälfte der gezählten Umdrehungen zurück. Danach wird R9 so eingestellt, dass bei einer Neigung, bei der die grüne LED gerade wieder ausgeht, die gelben LEDs gerade angehen. 58 Herausgeber: AWNET – Aus- und Weiterbildungsnetzwerke der Mikrotechnik www.mstausbildung.de learn mst
