Elektronik

Elektronik
2
Inhalt
Spannungsteiler....................................................................................................................................... 3
Die Diode im Gleichstromkreis ................................................................................................................ 4
Die Diode im Wechselstromkreis ............................................................................................................ 5
Auf- und Entladen eines Kondensators................................................................................................... 6
Glätten von pulsierendem Gleichstrom ................................................................................................... 7
Grundversuch zur Schalterwirkung des Transistors ............................................................................... 8
Anwendung des Spannungsteilers auf eine Transistorschaltung ........................................................... 9
Modell der Straßenbeleuchtung ............................................................................................................ 10
Eine „wärmeempfindliche“ Transistorschaltung .................................................................................... 11
Modell eines Verzögerungsschalters .................................................................................................... 12
Das „Ausblaselicht“ ............................................................................................................................... 13
Modell einer Telefonanlage ................................................................................................................... 14
Übertragung von Informationen mit einem Glühlämpchen ................................................................... 15
Informationsübertragung durch ein Lichtwellenleitkabel ....................................................................... 16
Übertragung von Informationen mit einem Laserpointer....................................................................... 18
Modellversuch zum CD-Player.............................................................................................................. 19
Erzeugen gedämpfter elektrischer und ungedämpfter mechanischer Schwingungen ......................... 20
Ein erprobtes Stecksystem für Elektronikversuche in Selbstbauweise ................................................ 22
Ein einfacher Mittelwellensender (Mittelwellenempfänger)................................................................... 26
Ansteuern einer Transistorschaltung durch eine Infrarot-Fernbedienung ............................................ 28
Ansteuern einer Flipflop-Schaltung mit einer Infrarot-Fernbedienung .................................................. 29
Gedämpfte elektrische Schwingungen.................................................................................................. 30
Ungedämpfte elektrische Schwingungen geringer Frequenz ............................................................... 31
Messen der Schallgeschwindigkeit ....................................................................................................... 32
Übertragung mit einer Laserdiode......................................................................................................... 33
3
Spannungsteiler
10 kΩ
V1
1 kΩ
V2
Material:
Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22),
Gleichstromquelle (4,5 V), ein Widerstand 1 kΩ, ein
Widerstand 10 kΩ, Voltmeter, Leitungen, Krokoklemmen
Durchführung:
Die beiden Widerstände werden in Serie geschaltet
und mit der Stromquelle verbunden. Die Teilspannungen an den beiden Widerständen werden gemessen.
Ergebnis:
Die Teilspannung am 1 kΩ-Widerstand beträgt etwa 1/10 der Spannung am 10 kΩWiderstand. Die Summe der Teilspannungen ergibt die angelegte Spannung.
Hinweis:
Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten
Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff.
10 kΩ
Verbindung
4,5 V-
1 kΩ
4
Die Diode im Gleichstromkreis
Material:
Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22),
Gleichstromquelle, Halbleiterdiode, Lämpchen, Leitungen
Durchführung:
Eine Diode wird in Serie mit einem Lämpchen geschaltet
und einmal in Durchlassrichtung, dann in Sperrrichtung
mit einer Gleichspannungsquelle verbunden.
Gleichspannung
Ergebnis:
Das Lämpchen leuchtet nur, wenn der „Ring“ der Diode
zum Minuspol der Stromquelle zeigt.
Hinweis:
Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten
Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung S. 22 ff.
Verbindung
Gleichspannung
5
Die Diode im Wechselstromkreis
Material:
Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Wechselstromquelle, Halbleiterdiode, Lämpchen, Leitungen
Überbrückung
Wechselspannung
Durchführung:
a) Eine Halbleiterdiode und ein Lämpchen werden in
Serie geschaltet und mit Wechselspannung verbunden.
b) Die Diode wird mit einer Leitung überbrückt.
Ergebnisse:
a) Das Lämpchen leuchtet schwächer als im analogen Versuch mit Gleichspannung auf S. 4.
b) Das Lämpchen leuchtet heller als im Versuch a.
Erklärung:
a) Im Wechselstromkreis lässt die Diode den Strom nur in einer Richtung durch.
Die Leistung ist daher vermindert (pulsierender Gleichstrom!).
b) Sobald man die Diode überbrückt, kann der Strom wieder in beide Richtungen
fließen.
Tipp:
Bei entsprechender Ausstattung können die Vorgänge auch mit einem Oszilloskop
sichtbar gemacht werden.
Hinweis:
Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten
Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung S. 22 ff. – Die Verbindung 1
ist beim Aufladen des Kondensators geschlossen, die Verbindung 2 offen. Beim
Entladen ist es genau umgekehrt.
Verbindung
Verbindung
Wechselspannung
Verbindung 2
6
Auf- und Entladen eines Kondensators
a
Gleichspannung
Material:
Stecksystem für Elektronikversuche (siehe
S. 22), Gleichstromquelle, Kondensator
(z._B. 4 700 µF), Lämpchen (3,8 V / 70 mA),
Leitungen, Krokoklemmen
Durchführung:
a) Kondensator und Lämpchen werden in
Serie geschaltet und mit der Gleichstromquelle verbunden.
b
b) Der geladene Kondensator wird mit dem
Lämpchen verbunden.
Ergebnisse:
In beiden Fällen leuchtet das Lämpchen kurz auf.
Erklärung:
a) Das Lämpchen erlischt, sobald der Kondensator aufgeladen ist, weil dann kein
Strom mehr fließt.
b) Das Lämpchen erlischt, sobald der Kondensator entladen ist, weil dann ebenfalls
kein Strom fließt.
Hinweis:
Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten
Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff. – Die Verbindung 1
ist beim Aufladen des Kondensators geschlossen, die Verbindung 2 offen. Beim
Entladen ist es genau umgekehrt.
Verbindung 1
Gleichspannung
Verbindung 2
7
Glätten von pulsierendem Gleichstrom
Material:
Stecksystem für Elektronikversuche (siehe
S. 22), Wechselstromquelle, Lämpchen,
Diode, Kondensator, Schalter, Leitungen
Wechselspannung
Durchführung:
Die Schaltung wird laut Schaltplan aufgebaut und der Schalter abwechseln geschlossen und geöffnet.
Ergebnis:
Bei geschlossenem Schalter leuchtet das Lämpchen heller als bei offenem.
Erklärung:
Bei geschlossenem Schalter gibt der Kondensator in den „Strompausen“ des pulsierenden Gleichstroms gespeicherte elektrische Energie an den Stromkreis ab.
Hinweis:
Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten
Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff. – Mit der Verbindung
2 wird der offene und geschlossene Schalter simuliert.
Wechselspannung
Verbindung 1
Verbindung 2
8
Grundversuch zur Schalterwirkung des Transistors
+
4,5 V-
Material:
Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S.
22), 1 Batterie (4,5 V), 1 Batterie (1,5 V), npnTransistor, Lämpchen (3,8 V / 70 mA), Leitungen, Krokoklemmen
–
1,5 V-
Durchführung:
Die Schaltung wird laut Schaltplan aufgebaut.
Einmal wird der Pluspol der 1,5 V-Batterie mit der Basis des Transistors verbunden,
dann der Minuspol.
Ergebnis:
Über Kollektor und Emitter fließt nur dann Strom, wenn der Pluspol der 1,5 V-Batterie
mit der Basis verbunden ist.
Erklärung:
Über Kollektor und Emitter kann nur dann Strom fließen, wenn auch durch Basis und
Emitter Strom fließt. Das ist beim npn-Transistor jedoch nur dann der Fall, wenn die
Basis mit dem Pluspol verbunden ist.
Hinweis:
Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten
Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff.
Verbindung
Verbindun
g
4,5 V-
1,5 V
9
Anwendung des Spannungsteilers auf eine Transistorschaltung
Material:
Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22),
Gleichstromquelle (4,5 V), Widerstand (1 kΩ), Potentiometer (1 kΩ), Transistor (z. B. BC 508), Lämpchen (3,8 V),
Voltmeter, Leitungen, Krokoklemmen
U
Durchführung:
Die Schaltung wird laut Schaltplan aufgebaut. Während
man den Widerstand des Potentiometers langsam erhöht, beobachtet man die
Spannung zwischen Basis und Emitter und stellt fest, bei welcher Spannung das
Lämpchen zu leuchten beginnt.
Ergebnis:
Durch die Erhöhung des Widerstandswerts des Potentiometers steigt auch die
Spannung zwischen Basis und Emitter. Der hier verwendete Transistor schaltet bei
einer Spannung von ca. 0,7 V.
Hinweis:
Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten
Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff.
1 kΩ
Verbindung
4,5 V-
U
1 kΩ
10
Modell der Straßenbeleuchtung
4,5 VLDR
Material:
Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S.
22), Gleichstromquelle (4,5 V), Widerstand (10
kΩ), lichtabhängiger Widerstand (LDR), Transistor
(z. B. BC 508), Lämpchen (3,8 V / 70 mA), Leitungen, Krokoklemmen
Durchführung:
Die Schaltung wird laut Schaltplan aufgebaut und der LDR wird abwechselnd beleuchtet und abgedunkelt.
Ergebnis:
• Bei beleuchtetem LDR ist das Lämpchen dunkel. Die Spannung zwischen Basis
und Emitter ist kleiner als 0,7 V.
• Bei abgedunkeltem LDR leuchtet das Lämpchen. Die Spannung zwischen Basis
und Emitter beträgt ca. 0,7 V.
Erklärung:
Bei Abdunklung des LDR steigt sein Widerstandswert – und damit die Spannung an
seinen Enden. Sobald eine ausreichend hohe Spannung zwischen Basis und Emitter
erreicht ist, schaltet der Transistor.
Hinweis:
Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten
Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff.
10 kΩ
Verbindung
4,5 V-
LDR
11
Eine „wärmeempfindliche“ Transistorschaltung
NTC
Material:
Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22),
Gleichstromquelle (4,5 V), Widerstand (10 kΩ), wärmeempfindlicher Widerstand (NTC), Transistor (z. B. BC
508), Lämpchen (3,8 V / 70 mA), Leitungen, Krokoklemmen
Durchführung:
Die Schaltung wird wie in der Abbildung aufgebaut und der NTC wird (vorsichtig!)
erwärmt.
Ergebnis:
Bei Erwärmung des NTC sinkt die Spannung zwischen Basis und Emitter und das
Lämpchen verlischt.
Erklärung:
Der Widerstandswert des NTC sinkt mit steigender Temperatur. Sobald die Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors zu gering ist, sperrt der Transistor.
Hinweis:
Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten
Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff.
10 kΩ
Verbindung
4,5 V-
NTC
12
Modell eines Verzögerungsschalters
Material:
Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Gleichstromquelle (4,5 V), Widerstände (z. B. 1 kΩ und 10 kΩ), Kondensatoren (z. B. 4 700 µF und 470 µF), Transistor (z. B. BC 508),
Lämpchen (3,8 V / 70 mA), Leitungen, Krokoklemmen
Durchführung:
Die Schaltung wird wie in der Abbildung aufgebaut. Das Verhalten des Lämpchens wird bei verschiedenen Widerstandswerten und Kapazitäten
beobachtet.
Ergebnis:
Die Spannung zwischen Basis und Emitter steigt – je nach Widerstandswert und
Kapazität – unterschiedlich schnell.
Das Lämpchen beginnt mit Verzögerung zu leuchten. Die „Einschaltzeit“ hängt vom
Widerstand und von der Kapazität des Kondensators ab.
Erklärung:
Wenn sich der Kondensator auflädt, steigt die Spannung an seinen Enden. Sobald
die erforderliche Mindestspannung zwischen Basis und Emitter erreicht ist, schaltet
der Transistor.
Hinweis:
Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau auf einem selbst hergestellten
Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff.
10 kΩ
1 kΩ
Verbindung
4,5 V-
4 700 µF
470 µF
13
Das „Ausblaselicht“
Material:
Stecksystem für Elektronikversuche (siehe
S. 22), Transistor (z. B. BC 141), LDR, Widerstand (1 kΩ), Lämpchen (3,8 V / 70 mA),
Leitungen, flexibler dünner Litzendraht, Elektrodenhalter für zwei Elektroden, Stativ und
Stativmaterial, Feuerzeug oder Zünder
1
3,8 V /
70 mA
LDR
2
4,5 V
1 kΩ
+
Vorbemerkung:
Im folgenden Text wird ein Versuchsaufbau
zum vielerorts im Werkerziehungsunterricht
hergestellten „Ausblaselicht“ vorgeschlagen.
Beschreibung:
Die Schaltung wird wie in der Abbildung auf einem Steckbrett für Elektronik aufgebaut. Das Lämpchen (in Fassung) wird mit dünnen, flexiblen Litzendrähten mit dem
Elektrodenhalter für zwei Elektroden leitend verbunden und mithilfe von Leitungen an
die Anschlüsse 1 und 2 angeschlossen.
Das Lämpchen wird so positioniert, dass es in etwa 2 cm Abstand genau über dem
LDR hängt.
Beobachtung:
Das Lämpchen lässt sich mit einem Feuerzeug anzünden und wieder ausblasen.
Erklärung:
Wenn die Feuerzeugflamme den LDR beleuchtet, nimmt sein Widerstandswert – und
damit auch die Spannung an seinen Enden – ab. Das hat aber zur Folge, dass die
Spannung an den Enden des 1 kΩ-Widerstands zunimmt (Spannungsteiler: Summe
der Einzelspannungen = Gesamtspannung!) und der Transistor schaltet.
Weil nun das Lämpchen den Transistor beleuchtet, bleibt dieser Zustand auch nach
dem Verlöschen der Flamme erhalten.
Sobald man jedoch durch Daraufblasen das Lämpchen vom Transistor wegbewegt,
steigt sein Widerstandswert. Die Spannung an seinen Enden wird größer und damit
wird die Spannung an den Enden des 1 kΩ-Widerstands kleiner: Der Transistor sperrt
wieder und das Lämpchen erlischt.
Hinweise:
• Sollte die Schaltung nicht funktionieren, muss der Widerstandswert des Festwiderstands verändert werden (die LDRs haben oft unterschiedlichen „Dunkelwiderstand“).
• Auch diese Schaltung ist auf dem selbstgebauten Steckbrett für Elektronikversuche (Baubeschreibung S. 22 ff) aufzubauen.
14
Modell einer Telefonanlage
Material:
Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22),
Batterie (4,5 V), Hörkapsel (z. B. aus einem Telefon, R ≈
232 Ω; bei gutem Zureden vom Beamten des örtlichen
Telefonbauamts zu erhalten), dynamisches Mikrofon aus
einem Telefon („Bezugsquelle“ wie oben), Leitungen
Durchführung:
Mikrofon, Hörkapsel und Batterie werden in Serie geschaltet und aus einem benachbarten Raum wird in das Mikrofon gesprochen.
Tipp:
Der Lehrer fordert die Schülerinnen und Schüler auf, eine Schaltung zu erfinden, mit
der man in beide Richtungen telefonieren kann.
15
Übertragung von Informationen mit einem Glühlämpchen
Lichtsender
4,5 V
zum Kopfhörerausgan
Material:
2 Stecksysteme für Elektronikversuche (siehe
S. 22), 2 Batterien (4,5 V), Radiorecorder mit
Ausgang für Kopfhörer, 2 Widerstände zu je
100 Ω, Lämpchen (3,8 V / 70 mA) in Fassung,
LDR, Verstärker, Leitungen, Krokoklemmen
Durchführung:
a) Aufbau des Lichtsenders:
Das Lämpchen wird mit der Batterie verbunden und parallel zum Kopfhörerausgang eines
Cassettenrecorders geschaltet.
Lichtempfänger
Licht des
Glühlämpchens
LDR
b) Aufbau des Lichtempfängers:
Der LDR und der 100 Ω-Widerstand werden in
Serie geschaltet und mit der Batterie verbunden. Parallel zum 100 Ω-Widerstand wird der
Verstärker geschaltet.
4,5 V
100 Ω
zum
Verstärker
Ergebnis:
a) Bei genauer Beobachtung erkennt man
Lichtschwankungen des Lämpchens des
Lichtsenders.
b) Wenn man das Lämpchen des Lichtsenders dem LDR des Lichtempfängers auf
wenige Zentimeter nähert, hört man im Verstärker die übertragenen Informationen.
Tipps:
Die Übertragungsqualität ist wesentlich besser, wenn man im Lichtsender das
Glühlämpchen durch eine rote Leuchtdiode (mit 100 Ω Vorwiderstand) ersetzt und
statt des LDR des Lichtempfängers eine Fotodiode verwendet. Den Schaltplan
zeigen die beiden Abbildungen unten.
Lichtsender
Lichtempfänger
Fotodiode
100 Ω
4,5 V
zum Kopfhörerausgang
4,5 V
LED rot
zum
Verstärker
16
Informationsübertragung durch ein Lichtwellenleitkabel
Versuch A:
Material:
• Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22)
• Fotodiode (Empfänger) mit Bohrung zur Aufnahme eines Lichtwellenleitkabels
• LED rot (Sender) mit Bohrung zur Aufnahme eines Lichtwellenleitkabels
• Lichtwellenleitkabel (Durchmesser: 2,2 mm; Länge: 1 m)
• Transistor (npn, z. B. BC 141)
• Hörkapsel (z. B. aus einem Telefon, R ≈ 232 Ω)
• dynamisches Mikrofon aus einem Telefon
• Widerstände (2 x 100 Ω, 1 x 10 kΩ, 1 x 100 kΩ)
• regelbare Stromquelle (oder Batterien: 9 V, 4,5 V)
• mehrere Meter 2-poliges Kabel mit entsprechenden Steckern
Durchführung:
Lichtsender für
Telefonübertragung
Lichtempfänger für
Telefonübertragung
–
100 Ω
LED
9 V10 kΩ
Mikrofon
Fotodiode
9 V100 kΩ
+
Hörkapsel
Den Schaltungsaufbau des Lichtsenders und des Lichtempfängers zeigen die beiden
Abbildungen.
Hinweise:
• Die LED des Lichtsenders ist mit der Fotodiode des Lichtempfängers durch ein 1
m langes Lichtwellenleitkabel verbunden.
• Sowohl die Hörkapsel als auch das Mikrofon sind (z. B.) durch je 5 m lange
Leitungen mit der Schaltung verbunden, um den Schülerinnen und Schülern das
„Telefonieren“ über eine größere Entfernung zu ermöglichen.
• Das Mikrofon muss beim Sprechen sehr nahe an den Mund gehalten werden, um
eine brauchbare Übertragung zu erreichen. Aus Hygienegründen sollte es daher
mit einer Lage eines Papiertaschentuchs abgedeckt werden. Nach jedem Schüler
bzw. jeder Schülerin wechseln!
• Auch diese Schaltungen sind auf dem selbstgebauten Steckbrett (Baubeschreibung: S. 22 ff) aufzubauen.
17
Versuch B:
Material:
Wie in Versuch A, anstelle des Mikrofons wird jedoch der Kopfhörerausgang eines
Radiorecorders angeschlossen (bei Stereoausgang wird ein 2-poliges Kabel an 2 der
3 Anschlüsse des Steckers gelötet; welche beiden Anschlüsse das sind, kann am
einfachsten durch Ausprobieren festgestellt werden).
Beschreibung:
Lichtsender für
Rundfunkübertragung
Lichtempfänger für
Rundfunkübertragung
100 Ω
–
Fotodiode
LED
4,5 V-
4,5 V -
100 Ω
+
Hörkapsel
100 kΩ
zum
Kopfhörerausgang
des Radiorecorders
Den Schaltungsaufbau des Lichtsenders und des Lichtempfängers zeigen die beiden
Abbildungen.
Hinweise:
• Die LED des Lichtsenders ist mit der Fotodiode des Lichtempfängers durch ein 1
m langes Lichtwellenleitkabel verbunden.
• Hörkapsel und Kopfhörerausgang sind mit der Schaltung durch längere 2-polige
Kabel verbunden.
• Sollte die Qualität der Übertragung nicht zufrieden stellend sein, wird der 100 ΩWiderstand gegen einen Kohleschichtwiderstand mit anderem Widertandswert
ausgetauscht (ausprobieren!).
• Auch diese Schaltungen sind auf dem selbstgebauten Steckbrett (Baubeschreibung: S. 22 ff) aufzubauen.
18
Übertragung von Informationen mit einem Laserpointer
Aufbau des Lichtempfängers
Aufbau des Lichtsenders
zum Kopfhörerausgang
zum
Verstärker
Kontaktstift
Leitung,
ca. 25 cm
Krokoklemme
Licht des
Kontakt des Lasersticks
Batterien des Lasers
Fototransistor
oder Fotodiode
Laserstrahl
Nagel
Material:
Laserpointer, Nagel, Cassettenrecorder mit Ausgang für Kopfhörer, Musikcassette,
Fototransistor (oder Fotodiode), Verstärker, Leitungen, Stativ und Stativmaterial
Durchführung:
a) Aufbau des Lichtsenders:
Der Lichtsender wird mithilfe von Laserpointer, Stativ und Stativmaterial aufgebaut,
wie es die Abbildung zeigt.
Die Praxis zeigt, dass der Widerstand der 25 cm langen Leitung offensichtlich
ausreicht, um den Laser durch die aus dem Kopfhörerausgang kommenden Signale
zu modulieren.
b) Aufbau des Lichtempfängers:
Der Fototransistor (die Fotodiode) wird mit dem Verstärker verbunden. Die richtige
Polung wird am einfachsten durch Ausprobieren ermittelt.
Ergebnis:
Die Übertragung der Information gelingt auch über eine größere Entfernung.
19
Modellversuch zum CD-Player
Lochsirene
Licht des
Lasers
Experimentiermotor
zum Verstärker
Licht des
Lasers
Material:
Laserpointer, Lochsirene, Fototransistor, Experimentiermotor, Verstärker, Stativ und Stativmaterial
Durchführung:
Der Laserpointer wird mit Stativmaterial so fixiert, dass er leuchtet. Sein Lichtstrahl wird so
eingerichtet, dass er durch ein Loch der Lochsirene auf den Fototransistor fällt, der mit
dem Verstärker verbunden ist.
Die Lochsirene wird nun mithilfe des Experimentiermotors in Rotation versetzt.
Fototransistor
Ergebnis:
Je nach Drehfrequenz der Lochsirene werden
unterschiedlich hohe Töne hörbar.
Hinweis:
Im Modellversuch werden durch die Unterbrechung des Laserstrahls „digitale“
Signale erzeugt, beim Abspielen einer CD durch unterschiedliche Reflexion von
vertieften bzw. nicht vertieften Stellen der Platte.
20
Erzeugen gedämpfter elektrischer und ungedämpfter mechanischer
Schwingungen
Aufbau des
Magnetpendels
Stativstange
mit Bohrung
Gummistopfen
mit Bohrung
Stativ
2 Ringmagnete
Spule: 12 000
Windungen mit
Eisenkern
Material:
Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S.
22), 2 Ringmagnete, Gummistopfen mit einer
Bohrung, Stativ und Stativmaterial, Gleichstromquelle, 2 Spulen (1 200 und 12 000 Windungen),
2
Eisenkerne,
Transistor,
Leuchtdiode (LED), Leitungen, Krokoklemmen
Durchführung nach Abbildung a:
Aus den beiden Ringmagneten und dem
Gummistopfen wird mithilfe von Stativmaterial
ein „Magnetpendel“ aufgebaut. Den elektrischen Schaltungsaufbau zeigt die Abbildung.
Das „Magnetpendel“ wird angestoßen und die
Leuchtdiode wird beobachtet.
12
000
a
Ergebnis zu Versuch a:
Die LED leuchtet im Rhythmus der Pendelschwingungen. Die Leuchtstärke nimmt ab.
4,5 V
12
000
b
Magnetpendel
Spulen 1 200 und
12 000 Windungen
mit Eisenkern
Erklärung zu Versuch a:
Die Schwingungen des „Magnetpendels“ verursachen in der Spule (12 000 Windungen)
Spannungsimpulse (Induktionsspannung), die
den Transistor abwechselnd schalten und
sperren.
Durchführung nach Abbildung b:
Statt der LED wird eine weitere Spule (1 200
Windungen) mit Eisenkern in den Kollektorstromkreis des Transistors geschaltet. Bei
richtiger Polung der Spule (ausprobieren!)
klingen die Schwingungen des Magnetpendels nicht ab: Es schwingt ungedämpft.
1 200
12
000
000
4,5 V
Erklärung zu Versuch b:
Wenn der Transistor (durch Induktion) schaltet, fließt Strom durch die Spule, die in den
Kollektorkreis geschaltet ist. Sie wird magnetisch und zieht – bei richtiger Polung – die
beiden Ringmagnete an.
21
Hinweis:
Die folgende Abbildung zeigt den Schaltungsaufbau nach Abb. a (S. 21) auf einem
selbst hergestellten Steckbrett für Elektronikversuche. – Baubeschreibung: S. 22 ff.
Verbindung
4,5 V-
12
000
Spule
22
Ein erprobtes Stecksystem für Elektronikversuche in Selbstbauweise
Für den zeitsparenden Aufbau von Elektronikversuchen wird ein Stecksystem benötigt. Ein solches lässt sich mit geringen finanziellen Mitteln und mittlerem Arbeitsaufwand (z. B. fächerübergreifend mit dem Werkerziehungsunterricht) selbst herstellen.
Anmerkung:
Die Mengenangaben beziehen sich auf 8 Schülergruppen (mit entsprechender
„Reserve“ an Bauteilen).
Basismaterial:
8 beschichtete Hartfaserplatten, Format A4, Dicke: 16 mm
Menge
10 Stk.
10 Pkg. zu je 100 Stk.
6 Pkg. zu je 100 Stk.
1 Rolle zu 100 m
20 m
Artikelbezeichnung
Printplatte
Mini-Wrap-Stifte
Kabelschuhe
Colorflex LI (0,25 mm2)
Telefondraht
Elektrische und elektronische Bauteile:
Menge
50 Stk.
20 Stk.
10 Stk
10 Stk.
10 Stk.
20 Stk.
10 Stk.
10 Stk.
10 Stk.
10 Stk.
10 Stk.
20 Stk.
Artikelbezeichnung
Signallampe (3,8 V / 70 mA)
Lampenfassung
LED rot (5 mm)
Siliziumdiode (1N5404)
Transistor (BC 141/16)
Widerstand 100 Ω (1/4 W)
Widerstand 1 kΩ (1/4 W)
Widerstand 10 kΩ (1/4 W)
Widerstand 100 kΩ (1/4 W)
Potentiometer. 100 kΩ
ELKO radial 470 mikroF
Fotowiderstand (LDR)
Der Bau der Steckplatte:
Eine Kopiervorlage für den Bau der Steckplatte ist auf der nächsten Seite
• Das kopierte Blatt wird auf der Hartfaserplatte mit Klebestreifen fixiert.
• An den mit einem „Ringerl“ gekennzeichneten Stellen werden nach dem Vorbohren (oder „gefühlvollem“ Vorschlagen) die Mini-Wrap-Stifte (= „Lötstifte“) möglichst
senkrecht eingeschlagen. – Ein Tipp: In die vorgebohrten (vorgeschlagenen)
Löcher vor dem Einschlagen der Stifte einen Tropfen Superkleber fließen lassen.
• Nachdem alle Stifte eingeschlagen sind, wird der Plan entfernt.
• Nun wird der abisolierte Telefondraht möglichst weit unten an die Stifte gelötet.
23
24
Der Bau der Steckelemente:
Die Basis zur Herstellung der Steckelemente ist die Lochrasterplatine.
Herstellung des Steckelements „Widerstand“:
Kohleschichtwiderstand
Kohleschichtwiderstand
ca. 2 cm
Verzinntes Ende des
Litzendrahts und
Anschluss des Widerstands werden verlötet
Kabelschuh
Verzinntes Ende des
Litzendrahts und Kabelschuh werden verlötet.
• Die Plättchen werden mithilfe einer Bandsäge aus der Lochrasterplatte zugeschnitten. – Länge: ca. 13-14 Löcher; Breite: ca. 5-6 Löcher
• Durch die schraffiert gekennzeichneten Löcher der Platine wird ein hochflexibler
Litzendraht gesteckt. Es ist erforderlich, diese Löcher etwas aufzubohren
(ausprobieren!).
• Die Litzendrähte, die durch die Löcher gesteckt werden sollen, werden auf eine
Länge von ca. 5 cm abgeschnitten, einseitig wenige Millimeter weit abisoliert und
verzinnt.
• Die einseitig verzinnte Litze und die Anschlüsse des Kohleschichtwiderstands
werden durch die Löcher der Platine gesteckt, wie es die Abbildung zeigt, und
verlötet.
• Das Litzenende, das mit dem Kabelschuh verbunden werden soll, wird auf ca. 2
cm gekürzt. Wenige Millimeter werden abisoliert, das Litzenende wird verzinnt und
an den Kabelschuh gelötet.
Auf dieselbe Art werden die Steckelemente für folgende Bauteile hergestellt:
Lämpchen in Fassung, Kondensator, LDR, Potentiometer, Diode
25
Das Steckelement LED:
100 Ω
LED
• Das Steckelement LED enthält zum Schutz der LED einen 100 Ω-Vorwiderstand.
• Um den Schülerinnen und Schülern die Arbeit mit dem Stecksystem zu erleichtern, ist es günstig, darauf zu achten, dass die Vorwiderstände bei allen LED-Elementen „auf derselben Seite“ (z. B. auf der Anodenseite der LED) montiert
werden.
• Die Arbeitsschritte sind wie oben beschreiben vorzunehmen.
Herstellung des Steckelements Transistor:
C
B
100 Ω
BC 141
o. Ä.
E
• Auch das Steckelement Transistor enthält zum Schutz des Bauteils einen 100 ΩVorwiderstand.
• Basis-, Emitter-, und Kollektoranschluss sollten auf der Oberseite der Platine
gekennzeichnet werden.
• Die Arbeitsschritte werden wie oben durchgeführt.
Herstellung der Verbindungen:
Vom Litzendraht werden etwa 10 cm lange Stücke abgeschnitten, auf beiden Seiten
werden wenige Millimeter abisoliert und an die Kabelschuhe gelötet.
26
Ein einfacher Mittelwellensender (Mittelwellenempfänger)
Material:
Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Gleichspannungsquelle (9 V), Widerstände (100 Ω, 1 kΩ, 10 kΩ), Transistor (BC 141 o. Ä.), LED, Leitungen, Schwingkreismodul, allenfalls Krokoklemmen, Radioapparat
Baubeschreibung des Schwingkreismoduls:
Um einen Ferritstab (Länge: ca. 70 mm; DurchFerritstab
messer: ca. 10 mm) wird eine Rolle aus Naturpapier gewickelt und an der Falznaht verklebt.
Rolle aus Naturpapier
Um diese Rolle werden zuerst 30 Windungen,
dann im selben „Drehsinn“ 90 Windungen
lackisolierter Kupferdraht (Durchmesser: 0,2
mm) gewickelt.
An den Enden der beiden Spulen wird die
Lackisolierung zunächst mit einem Feuerzeug
weggeschmolzen. Anschließend werden die
30
90
Wdg.
Wdg.
Enden mit einem feinen Schleifpapier blank
geputzt.
Der weitere Aufbau des SchwingkreisDas Schwingkreismodul
moduls erfolgt auf einer Lochrasterplatine oder einem Brett, wie es die Abbildung zeigt.
47 pF
30 Wdg.
mit 1 und 2 des Senders
(Empfängers) verbinden
zu den Anschlüssen 3 und 4
des Senders (Empfängers)
90 Wdg.
Anmerkung:
Wenn es bei der Beschaffung des Ferritstabs Probleme gibt, baut man sich
diesen aus einem alten Mittelwellenempfänger aus.
Der einfache Mittelwellensender:
Aufbau des Senders
zum Mikrofon
1
10 kkΩ
10
100 Ω
2
1 kΩ
3
4
1, 2 bzw. 3, 4 werden mit dem
Schwingkreismodul verbunden
+
9V
Die Abbildung zeigt die Verstärkerschaltung, die mit dem Schwingkreismodul verbunden wird.
Ein Mikrofon aus einem alten Telefon (siehe auch: Modelle einer Telefonanlage) ist
für dieses Experiment bestens geeignet.
Als Empfänger verwendet man den „Mittelwellenbereich“ eines Radios und stellt auf
ca. 700 kHz ein.
Nun verschiebt man den Ferritkern des
Schwingkreismoduls, bis man am „Geräusch“ des Empfängers merkt, dass der
Sender mit dem Empfänger etwa in Resonanz ist. Die Feinabstimmung nimmt man
wieder am Radio vor.
Die Übertragung kann beginnen.
27
Anmerkung:
Es ist möglich, dass beim Verschieben des Ferritkerns in der Spule die Schwingungen „abreißen“. In diesem Fall unterbricht man kurzzeitig den Anschluss zur Stromquelle.
Die Reichweite des Senders wird durch Ausprobieren ermittelt.
Der einfache Mittelwellenempfänger:
Aufbau des Empfängers
zur Hörkapsel
1
10 k Ω
100 Ω
2
1kΩ
3
4
1, 2 bzw. 3, 4 werden mit dem
Schwingkreismodul verbunden
+
9V
Mit einem zweiten Schwingkreismodul kann
in geringer Entfernung vom Sender auch
ein „eigener“ Empfänger aufgebaut werden.
Das Schwingkreismodul wird mit der Schaltung, die aus der Abbildung ersichtlich ist,
verbunden.
Die Leuchtdiode dient einerseits zur Demodulation, andererseits lässt sich erkennen, ob „die Schaltung schwingt“.
Die Hörkapsel stammt wieder aus einem
alten Telefon.
Anmerkung:
Wenn auch die Qualität des Empfangs
mäßig ist, sollte aus didaktischen Gründen
(Sender und Empfänger sind im Prinzip gleich aufgebaut!) auf dieses nicht verzichtet
werden.
28
Ansteuern einer Transistorschaltung durch eine Infrarot-Fernbedienung
Material:
Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Gleichstromquelle (4,5 V),
Fotodiode, Leuchtdiode (LED), Kohleschichtwiderstand (100 kΩ), 2 Transistoren (BC
141/16 o. Ä.), Fernbedienung eines TV-Geräts (Videorecorder, …), eventuell Solarmotor und Hörkapsel
Fotodiode
LED
BC 141/16
10 kΩ
4,5 V-
Durchführung:
Die Schaltung wird auf einem
Steckbrett aufgebaut, wie es
die Abbildung zeigt. Statt der
beiden in Darlingtonschaltung
verbundenen
Transistoren
kann auch ein Darlingtontransistor verwendet werden.
Die Fernbedienung wird aus
wenigen Zentimetern Entfernung auf die Fotodiode gerichtet und ein beliebiger Knopf
wird gedrückt.
Beobachtung:
Die LED blinkt.
Erklärung:
Die Infrarot-LED der Fernbedienung sendet Strahlungsimpulse aus. Diese verursachen Änderungen des Widerstandswerts der Fotodiode und somit Spannungsänderungen an den Anschlüssen sowohl der Fotodiode als auch des 100 kΩ-Widerstands. Die Spannungsänderungen zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors bewirken in weiterer Folge Stromstärkeänderungen im Kollektor-Emitterkreis
des Transistors, was durch das Blinken der LED sichtbar wird.
Tipp:
An Stelle der LED kann auch eine Hörkapsel bzw. ein passender Solarmotor verwendet werden.
29
Ansteuern einer Flipflop-Schaltung mit einer Infrarot-Fernbedienung
5,7 kΩ
1 kΩ
3,8 V/70 mA
BC 141/16
4,5 V-
Fotodiode
Material:
Stecksystem für Elektronikversuche (siehe S. 22), Gleichstromquelle (4,5 V), Fotodiode, 2 Lämpchen (3,8 V / 70 mA), Kohleschichtwiderstand (1 kΩ), Trimmer (10 kΩ),
2 Transistoren (BC 141/16 o. Ä.), Fernbedienung eines TV-Geräts (Videorecorder,
…), eventuell Solarmotor
Erforderliche Vorkenntnis:
Funktion des Flipflops
Durchführung und Beobachtung:
Auf dem Steckbrett wird ein Flipflop aufgebaut, wie es das Schaltbild zeigt. Der Flipflop wird zunächst so eingestellt, dass das linke Lämpchen leuchtet. Wenn man nun
die Fernbedienung aus wenigen Zentimetern Entfernung auf die Fotodiode richtet
und einen beliebigen Knopf drückt, erlischt das linke Lämpchen und das rechte
leuchtet. Durch kurzzeitiges Verbinden der Basis des rechten Transistors mit dem
Minuspol (strichlierte Linie) wird der Ausgangszustand wiederhergestellt.
Erklärung:
Die von der Fernbedienung ausgehende Infrarotstrahlung verringert den Widerstandswert – und somit die Spannung – an den Anschlüssen der Fotodiode. Deswegen sperrt der linke Transistor und der rechte wird leitend.
Hinweise zum Aufbau der Schaltung:
Der am Trimmer eingestellte Widerstandswert richtet sich nach der verwendeten
Fotodiode. Wenn die Schaltung mit dem angegebenen Wert (5,7 kΩ) nicht funktioniert, muss dieser Wert (z. B. durch Messen der Spannung an der Fotodiode oder
einfach durch Ausprobieren) ermittelt werden.
Tipp:
Ein Solarmotor (statt des rechten Lämpchens) macht das Experiment attraktiver.
30
Gedämpfte elektrische Schwingungen
Material:
Spule (800 Windungen) mit Eisenkern, Kondensatoren (1 Mikrofarad, 10 Mikrofarad),
Diode, Wechselstromquelle (5 V), Oszilloskop
Durchführung:
Den Aufbau der Schaltung zeigt das
Schaltbild. Die Energiezufuhr zum
Schwingkreis besorgt der Wechselstrom.
Beobachtungen:
Der Bildschirm des Oszilloskops zeigt
gedämpfte
Schwingungen.
Die
Frequenz dieser Schwingungen kann
durch die Bewegung des Eisenkerns und die Kapazität des Kondensators verändert
werden.
Ergebnis:
Je höher die Induktivität der Spule und je geringer die Kapazität des Kondensators,
desto größer die Frequenz.
31
Ungedämpfte elektrische Schwingungen geringer Frequenz
Material:
Gleichstromquelle (4,5 V), U-Eisenkern mit Joch, Spulen (2 x 1 200 Windungen, 800
Wdg., 400 Wdg.), Kondensatoren (470 µF, 1 µF), Kohleschichtwiderstand (10 kΩ),
Transistor, Lämpchen (3,8 V / 70 mA)
10 kΩ
1 200 Wdg.
4,5 V-
1 200 Æ
800 Æ
400 Wdg.
Durchführung:
Die Schaltung wird laut Schaltplan
aufgebaut.
Zum „Starten“ der Schwingungen
muss das Joch des U-Kerns möglicherweise kurz angehoben werden.
Beobachtungen:
Die Frequenz der Schwingungen
kann durch Verschieben des Jochs
am U-Kern und durch den Wechsel
von Spulen und Kondensatoren beeinflusst werden.
470 Æ
1 µF
Ergebnis:
Je höher die Induktivität der Spule
und je geringer die Kapazität des
Kondensators, desto größer die
Frequenz.
Tipp:
Wenn man parallel zum Lämpchen eine Hörkapsel anschließt, können die Frequenzänderungen auch hörbar gemacht werden.
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Messen der Schallgeschwindigkeit
Material:
Digitalzähler, 2 Tonnenfüße, 2 Stativstäbe mit 4 mm-Bohrung, Mikrofon, 3 Widerstände zu je 100 Ω, Transistor, Gleichstromquelle (4,5 V), Leitungen
Digitalzähler
123456789
Start
Stop
Schallempfänger
Tonnenfüße und
Stativstäbe mit 4 mmBohrung
Mikrofon
100 Ω
Schallquelle
100 Ω
100 Ω
Durchführung:
Durch das Zusammenschlagen der Tonnenfüße wird die Zeitnehmung gestartet.
Dieser Schallimpuls bewirkt im Mikrofon einen elektrischen Impuls, der mithilfe der
abgebildeten einfachen Transistorschaltung die Zeitnehmung stoppt. Aus dem Abstand der Schallquelle (= Tonnenfüße) zum Schallempfänger (= Mikrofon) und der
gestoppten Zeit wird die Schallgeschwindigkeit berechnet.
33
Übertragung mit einer Laserdiode
Material für den Sender:
Gleichstromquelle (4,5 V), Laserdiode, 2 Widerstände zu je 100 Ω, 1 Kondensator
(4_700 µF), CD-Player o. Ä.
Material für den Empfänger:
Gleichstromquelle (9 V), Hörkapsel (hochohmig), Widerstand (10 kΩ), Fotodiode,
Transistor
Durchführung:
Den Aufbau des Senders und des
Empfängers zeigen die Abbildungen.
Die Musik der CD kann über viele
Meter übertragen werden.
Sender für Laserübertragung
Zum Kopfhörerausgang des CDPlayers usw.
Tipp:
Wenn ein „professioneller“ Verstärker
zur Verfügung steht, kann die
Übertragung als Demonstrationsexperiment durchgeführt werden.
Laserdiode
4,5 V-
Empfänger für Laserübertragung
+
100 kΩ
Hörkapsel
9 V-
Fotodiode
–