Advanced Set
Elektronik Experimentierkasten
Kreativität fördern – Entwicklung stärken
Electronics experiments box
Promote creativity - strengthen development
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1. Inhaltsverzeichnis
2. Sicherheitshinweise
3. Bricks (Bausteine) des Advanced Sets
3.1. Verbindungsstücke
3.2 Grundbausteine
3.3 Widerstände
3.4 Kondensatoren
3.5 Indukvitäten/Spulen
3.6 Dioden und Optoelemente
3.7 Antennen & Audioelemente
3.8 Schalter und Transistoren
3.9 Verstärker
3.10 Spezial Module
4. Versuchsauauten zum Stromkreis
4.1 LED Leuchte
4.2 Unterbrochener Stromkreis
4.3 Zwei LEDs - Parallelschaltung
4.4 Baerie Polung messen
4.5 Masse und Brick
4.6 Vereinfachte Schaltung mit Masse-Brick
4.7 Stromkreis mit Taster
4.8 Stromkreis mit Umschalter
5. Digitale Logik mit Tastern
5.1 UND Schaltung
5.2 ODER Schaltung
5.3 NICHT Schaltung
5.4 Exklusiv ODER Schaltung
6. Der Widerstand
6.1 Berechnen des Widerstandswertes
6.2 Lichtendfindlicher Wiederstand
6.3 Die Parallelschaltung
6.4 Reihenschaltung oder Serienschaltung
6.5 Das Potenometer
6.6 Die Schwellspannung
7. Kondensator
7.1 Laden und Entladen
µ
7.2 Kondensator mit 10
7.3 Kondensator umladen
8. Indukvität
8.1 Laden und Entladen einer Spule
8.2 Indukon
8.3 Indukonsspannung
8.4 Energy Harvesng
9. Transistoren
9.1 Der Transistor als Schalter
9.2 Touch-Sensoren mit Transistoren in Darlingtonschaltung
9.3 Capazive Touch in Darlingtonschaltung
9.4 LDR und Transistor
9.5 LDR in Dunkelschaltung mit Transistor und Widerstand
F
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9.6 LED als Photodiode
17. Audioverstärker mit LM386
17.1 Mikrofon und Verstärker
17.2 Rauschgenerator
17.3 Rauschgenerator 2
17.4 Licht-Verstärker
17.5 OP als Brummdetektor
17.6 Lichtschranke zur Audioübertragung
17.7 Phototransistor mit Vorverstärker
17.8 Phototransistor mit Infrarot (IR) Übertragung
17.9 Photodiode zur IR-Übertragung
18. Relaisschaltungen
18.1 Relais
18.2 Das Relais als Umschalter
18.3 Relais in Serie
18.4 Relais in Serie
18.5 Relais in Parallelschaltung
18.6 Relais in der Selbsthaltung
18.7 Relais in der Selbsthaltung mit Unterbrecher
18.8 Relais mit Selbstunterbrecher
18.9 Relais mit Selbstunterbrecher über zweites Relais
18.10 Relais-Selbsthaltung langsam
18.11 Relais (Nicht-Verknüpfung)
18.12 Relais (UND-Verknüpfung)
18.13 Relais (NICHTUND (NAND) -Verknüpfung)
18.14 Relais (ODER (OR)-Verknüpfung)
18.15 Relais (NICHTODER (NOR)-Verknüpfung)
18.16 Relais (Exklusiv-ODER (XOR)-Verknüpfung)
19. Reed Relais
19.1 Reed Relais
20. Buzzer (Summer) Morseschaltung
21. Alarmanlagen
21.1 Alarmschaltung 1
21.2 Alarmschaltung 2
21.3 Alarmschaltung 3
21.4 Lichtschranke 1
21.5 Lichtschranke 2
22. Thermoelemente
22.1 Thermoelemente mit PTC (Kaltleiter)
22.2 Versuche mit NTC (Heißleiter)
22.3 NTC mit MOSFET (n-Kanal, normal sperrend)
22.4 NTC mit Bipolartransistor (BC817)
23. Ein Ausblick in die Zukun
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9.7 Transistor als Inverter
9.8 LED einmal inverert
9.9 LED mit Konstantstrom bei 9V Versorgungsspanung
9.10 LED mit Konstantstrom bei 18V Versorgungsspanung
9.11 Astabiler Mulvibrator
9.12 Monostabiler Mulvibrator
9.13 Bistabiler Mulvibrator
10. JFET (Feld-Effekt-Transistor mit verbundenem Gate("J" für Juncon))
10.1 J310-n-Kanal JFET
11. MOSFET
11.1 MOSFET Funkon
11.2 MOSFET als Schalter
11.3 Simple NMOS touch Sensor
12. Spezial-Halbleiter
12.1 PUT - progammable Unijuncon Transistor
12.2 Thyristor im Ersatzschaltbild
13. Timer 555
13.1 Timer astabil
13.2 Timer monostabil
13.3 Timer bistabil
13.4 Timer 555 bistabil alternav -Alternave 1
13.5 Timer 555 bistabil alternav 2
13.6 Timer 555 als Spannungsgenerator
14. Logikschaltungen
14.1 Ein "And" mit Dioden
14.2 Ein OR mit Dioden
14.3 NAND-Schaltung mit Transistoren
14.4 NOR-Schaltung
14.5 AND-Schaltung
14.6 OR-Schaltung
15. Oszillatoren
15.1 HF Generator 13,56 MHz ISM Band
15.2 Quarzoszillator mit Absmmung (Trimmung)
15.3 Quarzoszillator mit Kapazitätsdiode zur Trimmung
15.4 Oszillator-Schwingkreis mit Kondensator und Spule
16. Der Operaonsverstärker
16.1 Funkon des OPAMP (OperaonAmplifier)
16.2 OPV als Spannungsfolger
16.3 OPV nicht invererend 11:1 Verstärkung
16.4 OPV inverert 10:1 mit virtueller Masse
16.5 OPV als Integrator
16.6 OPV als Differenzierer
16.7 OPV als Oszillator mit Spule und Kondensator
16.8 OPV Wien-Robinson-Oszillator
16.9 Wien-Robinson Oszillator mit Stabilisierung
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17. Audioverstärker mit LM386
17.1 Mikrofon und Verstärker
17.2 Rauschgenerator
17.3 Rauschgenerator 2
17.4 Licht-Verstärker
17.5 OP als Brummdetektor
17.6 Lichtschranke zur Audioübertragung
17.7 Phototransistor mit Vorverstärker
17.8 Phototransistor mit Infrarot (IR) Übertragung
17.9 Photodiode zur IR-Übertragung
18. Relaisschaltungen
18.1 Relais
18.2 Das Relais als Umschalter
18.3 Relais in Serie
18.4 Relais in Serie
18.5 Relais in Parallelschaltung
18.6 Relais in der Selbsthaltung
18.7 Relais in der Selbsthaltung mit Unterbrecher
18.8 Relais mit Selbstunterbrecher
18.9 Relais mit Selbstunterbrecher über zweites Relais
18.10 Relais-Selbsthaltung langsam
18.11 Relais (Nicht-Verknüpfung)
18.12 Relais (UND-Verknüpfung)
18.13 Relais (NICHTUND (NAND) -Verknüpfung)
18.14 Relais (ODER (OR)-Verknüpfung)
18.15 Relais (NICHTODER (NOR)-Verknüpfung)
18.16 Relais (Exklusiv-ODER (XOR)-Verknüpfung)
19. Reed Relais
19.1 Reed Relais
20. Buzzer (Summer) Morseschaltung
21. Alarmanlagen
21.1 Alarmschaltung 1
21.2 Alarmschaltung 2
21.3 Alarmschaltung 3
21.4 Lichtschranke 1
21.5 Lichtschranke 2
22. Thermoelemente
22.1 Thermoelemente mit PTC (Kaltleiter)
22.2 Versuche mit NTC (Heißleiter)
22.3 NTC mit MOSFET (n-Kanal, normal sperrend)
22.4 NTC mit Bipolartransistor (BC817)
23. Ein Ausblick in die Zukun
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2. Sicherheitshinweise
3 Bricks (Bausteine) des Advanced Sets
Die Bricks sind kompakte Bausteine aus der Welt der Elektrotechnik. Sie eignen sich zum Ausprobieren neuen Wissens für junge Forscher,
die den Umgang mit komplexen Schaltungen kennenlernen wollen. Das Set beinhaltet neben allgemeinen Elementen wie z.B. Verbin-
dungsstücken oder Versorgungblöcken auch passive und aktive Bauelemente, für deren Beschreibung die angegebenen Einheiten mit
ihren jeweiligen Abkürzungen verwendet werden.
Wert
Strom
Spannung
Leistung
Widerstandswert
Kapazitätswert (Kondensator)
Induktivitätswert (Spule)
Frequenz
Präx für x10
Präx für x10
Präx für x10
Präx für x10
Präx für x10
Präx für x10
Präx für x10
Präx für x10
Präx für x10
Ampere
Volt
Watt
Ohm
Farad
Henry
Hertz
Kilo
Mega
Giga
Tera
Milli
Mikro
Nano
Piko
Femto
A
V
W
Ω
F
H
Hz
k
M
G
T
m
µ
n
p
f
Einheit Symbol/Abkürzung
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Achtung, die Bausteine des Elektroniksets NIE direkt an das Stromnetz (115V/230V) anschließen, andernfalls besteht Lebensgefahr!
Zur Spannungsversorgung (9V) ausschließlich das mitgelieferte Netzteil (Batteriebaustein) verwenden. Die Versorgungsspannung beträgt
hier gesundheitsungefährliche 9 Volt bei einem Stromuss von ca. 1 Ampere. Bitte tragen Sie auch dafür Sorge, dass offen herumliegende
Drähte nicht in Berührung oder Kontakt mit Steckdosenleisten (gewöhnliche Zimmerverteiler) kommen bzw. in diese hineinfallen.
Auch hier besteht andernfalls die Gefahr eines gesundheitsgefährdenden Stromschlags bzw. elektrischen Schocks.
Schauen Sie niemals direkt in eine Leuchtdiode (LED), da hier die Gefahr besteht, die Netzhaut zu schädigen.
Die Netzhaut bendet sich im Auge und hat die Aufgabe, die einfallenden Lichtreize durch die auf ihr bendlichen Zapfen (das Farbsehen)
und die ebenfalls auf ihr bendlichen Stäbchen (Hell-, Dunkelsehen) in für das Gehirn verwertbare Reize umzuwandeln.
Bitte schließen Sie die im Elektronikset mitgelieferten gepolten Kondensatoren (Tantalkondensator/Elektrolytkondensator) immer nur mit
dem mit „Plus“ gekennzeichneten Kontakt an den mit „Plus“ gekennzeichneten Anschluss der Spannungsversorgung (9V) an , und
verbinden Sie bitte nicht den mit „Plus“ gekennzeichneten Kontakt mit dem mit „Minus“ gekennzeichneten Anschluss an der Spannungsversorgung (9V). Man spricht hier von der Polung! Ist der Tantal- oder Elektrolytkondensator falsch gepolt, also diese im vorangegangen
beschriebene Regel nicht eingehalten, kann dieser zerstört werden - es besteht Explosionsgefahr! Diese Vorgehensweise muss auch
eingehalten werden, wenn sich zwischen der Spannungsquelle und Kondensator andere Bauteile benden. Es ist unbedingt darauf zu
achten, das mitgelieferte Netzteil (Batteriebaustein) nach den Versuchen wieder von allen Bausteinen zu trennen, andernfalls besteht die
Gefahr eines Elektrobrandes!
Bausteine oder andere Teile des Elektroniksets nicht verschlucken, andernfalls sofort einen Arzt hinzuziehen!
6
3 Bricks (Bausteine) des Advanced Sets
Die Bricks sind kompakte Bausteine aus der Welt der Elektrotechnik. Sie eignen sich zum Ausprobieren neuen Wissens für junge Forscher,
die den Umgang mit komplexen Schaltungen kennenlernen wollen. Das Set beinhaltet neben allgemeinen Elementen wie z.B. Verbindungsstücken oder Versorgungblöcken auch passive und aktive Bauelemente, für deren Beschreibung die angegebenen Einheiten mit
ihren jeweiligen Abkürzungen verwendet werden.
Wert
Strom
Spannung
Leistung
Widerstandswert
Kapazitätswert (Kondensator)
Induktivitätswert (Spule)
Frequenz
Präx für x10
Präx für x10
Präx für x10
Präx für x10
Präx für x10
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Einheit Symbol/Abkürzung
Ampere
Volt
Watt
Ohm
Farad
Henry
Hertz
Kilo
Mega
Giga
Tera
Milli
A
V
W
Ω
F
H
Hz
k
M
G
T
m
Präx für x10
Präx für x10
Präx für x10
Präx für x10
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Mikro
Nano
Piko
Femto
µ
n
p
f
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3.1. Verbindungsstücke
Im Gegensatz zum Kreuz-Brick verbindet der doppelt gerade Brick nur die gegenüberlie-
genden Seiten miteinander, also oben mit unten und rechts mit links, ohne einen Kontakt
über Eck herzustellen.
Mit diesem Brick werden separat belegte Mittelabgriffe kontaktiert. Durch die Trennung und
Überkreuzung der Leitungen können diese zum Wechseln der Verbindungen genutzt werden.
Der Universal-Brick kann verwendet werden, um externe Bauelemente in einen Stromkreis
einzubringen. Dies kann für Widerstände mit z.B. 9,8kΩ nötig sein. Dieser wird auch zum
Schließen von Abzweigungen im Stromkreis, wie ein Schalter verwendet
Der Taster-Brick ist ein elektromechanisches Bedienelement, das eine leitende Verbindung
nur während des Gedrückthaltens ermöglicht. Im Moment des Loslassens öffnet sich diese
wieder und der Taster kehrt in seine Ausgangslage zurück.
3.2 Grundbausteine
Die gerade Leitung verbindet zwei gegenüberliegende Bricks miteinander.
Das ist bei komplexen Schaltungen nötig, um Lücken zwischen den Bricks zu schließen.
Mit dem Eck-Brick werden zwei angrenzende Seiten miteinander verbunden.
8
Mit dem T-Brick werden Abzweigungen hergestellt.
Der Kreuz-Brick verbindet alle vier Seiten miteinander. Am Rand der Schaltung kann er wie
ein T-Brick oder Eck-Brick verwendet werden.
Im Gegensatz zum Kreuz-Brick verbindet der doppelt gerade Brick nur die gegenüberliegenden Seiten miteinander, also oben mit unten und rechts mit links, ohne einen Kontakt
über Eck herzustellen.
Mit diesem Brick werden separat belegte Mittelabgriffe kontaktiert. Durch die Trennung und
Überkreuzung der Leitungen können diese zum Wechseln der Verbindungen genutzt werden.
3.2 Grundbausteine
Der Universal-Brick kann verwendet werden, um externe Bauelemente in einen Stromkreis
einzubringen. Dies kann für Widerstände mit z.B. 9,8kΩ nötig sein. Dieser wird auch zum
Schließen von Abzweigungen im Stromkreis, wie ein Schalter verwendet
Der Taster-Brick ist ein elektromechanisches Bedienelement, das eine leitende Verbindung
nur während des Gedrückthaltens ermöglicht. Im Moment des Loslassens öffnet sich diese
wieder und der Taster kehrt in seine Ausgangslage zurück.
9
Der Umschalter-Brick verbindet entweder den rechten oder den linken Kontakt mit dem
Dieser Brick enthält vier 3,5mm Stereo- oder Mikrofonanschlüsse als Klinkenbauform. Jede
Buchse verfügt über einen vierpoligen Anschluss, der für eine Kombination aus Kopfhörer
und Mikrofon geeignet ist.
Dieser Brick ist ein elektrischer Widerstand der Höhe 100Ω. Dieser Wert entspricht einem
Stromuss von 10mA bei einer Spannung von 1V. Wie bei allen unseren Widerständen, darf
die dabei entstehende Wärme W nicht übersteigen.
Dieser Brick ist ein elektrischer Widerstand der Höhe 330Ω. Dieser Wert entspricht einem
Stromuss von ca. 3,03 mA bei einer Spannung von 1V. Wie bei allen unseren Widerständen,
darf die dabei entstehende Wärme W nicht übersteigen.
Dieser Brick ist ein elektrischer Widerstand der Höhe 1kΩ. Dieser Wert entspricht einem
Stromuss von 1mA bei einer Spannung von 1V. Wie bei allen unseren Widerständen, darf
die dabei entstehende Wärme W nicht übersteigen.
R
L
A
B
330Ω
1kΩ
100Ω
1
_
8
1
_
8
1
_
8
3.3 Widerstände
mittleren. In Mittelstellung sind alle Anschlüsse voreinander getrennt. Der maximale
Stromuss liegt bei 6A.
+
0,5A
polyfuse
-
9V
Der Masse-Brick schließt die Stromkreise, damit diese einfacher verwirklicht werden können.
Hiervon können mehrere in einem Versuchsaufbau eingefügt werden. Der Masse-Brick
verbindet den mittleren Kontakt des Anschlusses mit den beiden außen liegenden Masseleitungen.
Die Versorgungs-Bricks sind jeweils als letztes in eine Schaltung einzubauen. Es empehlt
sich, die Schaltung vorher nochmals zu kontrollieren, da ansonsten die Gefahr eines
Kurzschlusses besteht! Der Batterie-Brick verwendet eine Blockbatterie und versorgt die
Schaltung mit einer Versorgungsspannung von 9V. Die Kontroll-LED gibt ein optisches
Feedback über die Bereitstellung der Energie.
10
1A
+
9V
-
Ein weiterer Versorgungs-Brick ist der abgesicherte Netzteiladapter. Er liefert eine stabilisierte Gleichspannung von 9V und einen maximal möglichen, kurzschlusssicheren Stromuss
von 1A. Die Masse ist auf der Seite der Anode, dem Minuspol, durchverbunden, so dass kein
weiterer Masse-Brick verwendet werden muss. Eine LED leuchtet, wenn der Netzteil-Brick
eine Spannung bereitstellt. Das Netzteil ist am Ende der Versuchsdurchführung sofort vom
Stromnetz zu trennen!
R
L
B
A
3.3 Widerstände
100Ω
Dieser Brick enthält vier 3,5mm Stereo- oder Mikrofonanschlüsse als Klinkenbauform. Jede
Buchse verfügt über einen vierpoligen Anschluss, der für eine Kombination aus Kopfhörer
und Mikrofon geeignet ist.
Dieser Brick ist ein elektrischer Widerstand der Höhe 100Ω. Dieser Wert entspricht einem
Stromuss von 10mA bei einer Spannung von 1V. Wie bei allen unseren Widerständen, darf
die dabei entstehende Wärme W nicht übersteigen.
1
_
8
330Ω
1kΩ
Dieser Brick ist ein elektrischer Widerstand der Höhe 330Ω. Dieser Wert entspricht einem
Stromuss von ca. 3,03 mA bei einer Spannung von 1V. Wie bei allen unseren Widerständen,
darf die dabei entstehende Wärme W nicht übersteigen.
1
_
8
Dieser Brick ist ein elektrischer Widerstand der Höhe 1kΩ. Dieser Wert entspricht einem
Stromuss von 1mA bei einer Spannung von 1V. Wie bei allen unseren Widerständen, darf
die dabei entstehende Wärme W nicht übersteigen.
1
_
8
11
4.7kΩ
Der LDR 03 (Light-Dependent-Resistor) ist ein lichtabhängiger Widerstand. Je mehr Licht auf
den Sensor fällt, desto kleiner ist der Widerstand. Die Werte variieren von einigen 100Ω bei
Helligkeit und mehreren kΩ bei Dunkelheit. Die Veränderung des Widerstandswertes ist
kontinuierlich.
Ein NTC-Widerstand (Negative-Temperature-Coefzient) ist ein temperaturabhängiger
Widerstand. Die Wertänderung des Widerstandes erfolgt hierbei entgegengesetzt zum
Temperaturgradienten. D.h. beispielsweise, wenn die Temperatur steigt, dann sinkt der
elektrische Widerstand. Im deutschen werden NTC-Widerstände daher auch Heißleiter
genannt. Bei Raumtemperatur beträgt der Widerstandswert 10k. Er eignet sich gut als
Temperatursensor.
Der PTC-Widerstand (Positive-Temperature-Coefzient) hingegen ändert seinen Wert mit dem
Temperaturgradienten. D.h. beispielsweise, wenn die Temperatur steigt, dann steigt der
elektrische Widerstand ebenso. Im deutschen werden PTC-Widerstände daher auch Kaltleiter
genannt. Bei Raumtemperatur beträgt der Widerstandswert 10k. Er eignet sich gut als Tempera-
tursensor im Bereich von -10°C bis 40°C, da hier die Widerstandsänderung pro Temperaturän-
derung sehr empndlich ist.
Das Set enthält einen Kondensator mit der Kapazität 33pF. Er kann elektrische Energie
speichern und sehr schnell wieder abgeben, so wie ein Gummiband es mit mechanischer
Energie macht. 1F bedeutet, dass eine Spannung von 1V erreicht wird, wenn er 1s lang mit
einem Strom von 1A aufgeladen wird. Kondensatoren haben meist sehr kleine Kapazitäten.
Kondensatoren dürfen ihre Maximalspannung nicht überschreiten!
LDR 03
10k
NTC
ϑ
10k
PTC
ϑ
33pF
3.4 Kondensatoren
10kΩ
Dieser Brick ist ein elektrischer Widerstand der Höhe 4,7kΩ. Dieser Wert entspricht einem
Stromuss von ca. 213µA bei einer Spannung von 1V. Wie bei allen unseren Widerständen,
1
darf die dabei entstehende Wärme W nicht übersteigen.
_
8
Dieser Brick ist ein elektrischer Widerstand der Höhe 10kΩ. Dieser Wert entspricht einem
Stromuss von 100µA bei einer Spannung von 1V. Wie bei allen unseren Widerständen, darf
die dabei entstehende Wärme W nicht übersteigen.
1
_
8
Dieser Brick ist ein elektrischer Widerstand der Höhe 100kOhm. Dieser Wert entspricht einem
Stromuss von 10µA bei einer Spannung von 1V. Wie bei allen unseren Widerständen, darf
die dabei entstehende Wärme W nicht übersteigen.
100kΩ
Das Potentiometer ist ein manuell veränderbarer Widerstand. Hier fährt ein dritter Kontakt
(Schleifer) die Länge des Widerstandes ab und ändert so die Höhe des elektrischen Widerstandswertes an seinem Anschluss. Er ist im Bereich 0Ω bis 10kΩ einstellbar. Ist der Schleifer
oder einer der anderen Kontakte direkt mit der Spannungsversorgung verbunden, so kommt
es zu einem Kurzschluss. Dies ist unbedingt zu vermeiden! Das Potentiometer hat eine
10kΩ
maximale Leistung von ca. W.
1
_
8
1
_
8
12
LDR 03
Der LDR 03 (Light-Dependent-Resistor) ist ein lichtabhängiger Widerstand. Je mehr Licht auf
den Sensor fällt, desto kleiner ist der Widerstand. Die Werte variieren von einigen 100Ω bei
Helligkeit und mehreren kΩ bei Dunkelheit. Die Veränderung des Widerstandswertes ist
kontinuierlich.
NTC
ϑ
10k
PTC
ϑ
10k
Ein NTC-Widerstand (Negative-Temperature-Coefzient) ist ein temperaturabhängiger
Widerstand. Die Wertänderung des Widerstandes erfolgt hierbei entgegengesetzt zum
Temperaturgradienten. D.h. beispielsweise, wenn die Temperatur steigt, dann sinkt der
elektrische Widerstand. Im deutschen werden NTC-Widerstände daher auch Heißleiter
genannt. Bei Raumtemperatur beträgt der Widerstandswert 10k. Er eignet sich gut als
Temperatursensor.
Der PTC-Widerstand (Positive-Temperature-Coefzient) hingegen ändert seinen Wert mit dem
Temperaturgradienten. D.h. beispielsweise, wenn die Temperatur steigt, dann steigt der
elektrische Widerstand ebenso. Im deutschen werden PTC-Widerstände daher auch Kaltleiter
genannt. Bei Raumtemperatur beträgt der Widerstandswert 10k. Er eignet sich gut als Temperatursensor im Bereich von -10°C bis 40°C, da hier die Widerstandsänderung pro Temperaturänderung sehr empndlich ist.
3.4 Kondensatoren
33pF
Das Set enthält einen Kondensator mit der Kapazität 33pF. Er kann elektrische Energie
speichern und sehr schnell wieder abgeben, so wie ein Gummiband es mit mechanischer
Energie macht. 1F bedeutet, dass eine Spannung von 1V erreicht wird, wenn er 1s lang mit
einem Strom von 1A aufgeladen wird. Kondensatoren haben meist sehr kleine Kapazitäten.
Kondensatoren dürfen ihre Maximalspannung nicht überschreiten!
13
1nF
Dieser Kondensator hat eine Kapazität von 10µF. Er kann damit das Zehntausendfache an
elektrischer Energie speichern, als die 1nF Variante. Eine Ladespannung von 1V wird somit
schon nach 10µs erreicht, wenn er mit einem Strom von 1A geladen wird.
Der Kondensator darf seine Maximalspannung von 25V nicht überschreiten!
Das Set enthält auch einen Elektrolyt-Kondensator mit 100µF, der nur bis zu einer Spannung
von 25 Volt betrieben werden darf. Bei diesem Elektrolytkondensator ist auf die Anode (+)
zu achten. Diese darf nur mit dem positiven Anschluss (+) der Spannungsversorgung (9V)
direkt oder indirekt verbunden werden. Er kann das Hundertausendfache an Energie
speichern, als die 1nF Variante. Eine Ladespannung von 1V wird somit schon nach 100µs
erreicht, wenn der Ladestrom 1A beträgt.
Der Trimmer-Brick beinhaltet einen Kondensator, dessen Kapazitätswert zwischen 2pF und 30pF
einstellbar ist. Durch Drehen des Knopfes im Uhrzeigersinn erhöht sich seine Kapazität.
Dieser Brick kann damit z.B. für die Abstimmung von Schwingkreisen oder Filter-Schaltungen
verwendet werden.
Dieser Trimmer besitzt einen Stellbereich von 9,8pF bis 60pF. Der Kapazitätswert lässt sich
durch Drehen des Knopfes im Uhrzeigersinn erhöhen. Der Trimmer-Brick kann damit z.B. für
die Abstimmung von Schwingkreisen oder Filter-Schaltungen verwendet werden.
10µF 25V
2-30pF
9.8-60pF
+
100 µF 2 5V
Dieser Kondensator hat eine Kapazität von 1nF. Eine Ladespannung von 1V wird somit schon
nach 1ns erreicht, wenn er mit einem Strom von 1A geladen wird. Kondensatoren dürfen ihre
Maximalspannung nicht überschreiten!
10nF
100nF 50V
Dieser Kondensator hat eine Kapazität von 10nF. Er kann damit das Zehnfache an elektrischer Energie speichern, als die 1nF Variante. Eine Ladespannung von 1V wird somit schon
nach 10ns erreicht, wenn er mit einem Strom von 1A geladen wird. Kondensatoren dürfen
ihre Maximalspannung nicht überschreiten!
Dieser Kondensator hat eine Kapazität von 100nF. Er kann damit das Hundertfache an elektrischer Energie speichern, als die 1nF Variante. Eine Ladespannung von 1V wird somit schon nach
100ns erreicht, wenn er mit einem Strom von 1A geladen wird. Der Kondensator darf seine
Maximalspannung von 50V nicht überschreiten!
14
Dieser Kondensator hat eine Kapazität von 1µF. Er kann damit das Tausendfache an
elektrischer Energie speichern, als die 1nF Variante. Eine Ladespannung von 1V wird somit
schon nach 1µs erreicht, wenn er mit einem Strom von 1A geladen wird. Kondensatoren
dürfen ihre Maximalspannung nicht überschreiten!
1µF
10µF 25V
Dieser Kondensator hat eine Kapazität von 10µF. Er kann damit das Zehntausendfache an
elektrischer Energie speichern, als die 1nF Variante. Eine Ladespannung von 1V wird somit
schon nach 10µs erreicht, wenn er mit einem Strom von 1A geladen wird.
Der Kondensator darf seine Maximalspannung von 25V nicht überschreiten!
+
100 µF 2 5V
2-30pF
Das Set enthält auch einen Elektrolyt-Kondensator mit 100µF, der nur bis zu einer Spannung
von 25 Volt betrieben werden darf. Bei diesem Elektrolytkondensator ist auf die Anode (+)
zu achten. Diese darf nur mit dem positiven Anschluss (+) der Spannungsversorgung (9V)
direkt oder indirekt verbunden werden. Er kann das Hundertausendfache an Energie
speichern, als die 1nF Variante. Eine Ladespannung von 1V wird somit schon nach 100µs
erreicht, wenn der Ladestrom 1A beträgt.
Der Trimmer-Brick beinhaltet einen Kondensator, dessen Kapazitätswert zwischen 2pF und 30pF
einstellbar ist. Durch Drehen des Knopfes im Uhrzeigersinn erhöht sich seine Kapazität.
Dieser Brick kann damit z.B. für die Abstimmung von Schwingkreisen oder Filter-Schaltungen
verwendet werden.
9.8-60pF
Dieser Trimmer besitzt einen Stellbereich von 9,8pF bis 60pF. Der Kapazitätswert lässt sich
durch Drehen des Knopfes im Uhrzeigersinn erhöhen. Der Trimmer-Brick kann damit z.B. für
die Abstimmung von Schwingkreisen oder Filter-Schaltungen verwendet werden.
15
In diesem Trimmer-Brick sind vier veränderbare Kondensatoren verbaut. Diese sind doppelt
Dieser Brick enthält eine Spule mit einer Induktivität von 10mH. Eine Induktionsspannung
von 1V wird nach 10ms erreicht, wenn die Stromussänderung 1A beträgt. Spulen können
zum Aufbau von Schwingkreisen und Frequenzltern verwendet werden. Da Spulen jeder
Stromussänderung entgegenwirken, stabilisieren sie die Schaltung. Diese stromstabilisie-
rende Eigenschaft kann zum Umformen (Transformieren) von Spannungen genutzt werden.
Das Elektronik-Set enthält eine Spule mit einer Induktivität von 3,3µH. Die Induktivität einer
Spule ist deren physikalische Eigenschaft. Induktivitäten treten nur dann auf, wenn sich der
Stromuss verändert. Bei konstanter Spannung verhält sich eine Spule wie ein ohmscher
Widerstand. Eine Induktivität von 1H gibt an, dass bei einer Stromussänderung von 1A
innerhalb einer Sekunde eine Spannung von 1V induziert wird. Bei dieser Spule wird eine
Induktionsspannung von 1V nach 3,3µs erreicht, wenn die Stromänderung 1A beträgt.
Die Anzapfung wird für die Verwendung von Teilinduktivitäten beschaltet.
Dieser Brick beinhaltet eine Leistungsdiode. Sie hat die besondere Eigenschaft, eine sehr
hohe Spannungsfestigkeit in Sperrrichtung zu besitzen. Sie wird wie eine normale Diode in
Durchlassrichtung betrieben, dient aber auch bei moduliertem Gleichstrom als Wechsel-
stromwiderstand.
Die besondere Eigenschaft dieses Dioden-Bricks liegt darin, dass er Spannungen bis zu 100V
gleichrichten und sehr hohe Frequenzen von bis zu 100MHz schalten kann.
Er wird in Durchlassrichtung betrieben. In Sperrrichtung kommt kein Stromuss zustande.
3.3µH
26
4
KA
Si Diode
1N4004
KA
Si Diode
1N4148
3.6 Dioden und Optoelemente
10mH
50mA
zusammen geschaltet. Zwei zusammen mit 2x30pF und zwei zusammen mit 2x300pF.
Alle werden gemeinsam durch den Drehknopf variiert. Je nach Beschaltung, können jetzt
2x30pF
2x300pF
mehrere Kapazitäten kombiniert werden.
3.5 Induktivitäten/Spulen
10µH
0,8A
22µH
150mA
2.8Ω 14MHz
Dieser Brick enthält eine Spule mit einer Induktivität von 10µH. Eine Induktionsspannung von
1V wird nach 10µs erreicht, wenn die Stromussänderung 1A beträgt. Spulen können zum
Aufbau von Schwingkreisen und Frequenzltern verwendet werden. Da Spulen jeder
Stromussänderung entgegenwirken, stabilisieren sie die Schaltung.
Dieser Brick enthält eine Spule mit einer Induktivität von 22µH. Eine Induktionsspannung von
1V wird nach 22µs erreicht, wenn die Stromussänderung 1A beträgt. Spulen können zum
Aufbau von Schwingkreisen und Frequenzltern verwendet werden. Da Spulen jeder Stromussänderung entgegenwirken, stabilisieren sie die Schaltung. Diese Eigenschaft wird zum Umformen (Transformieren) von Spannungen genutzt.
16
100µH
150mA
8Ω 12MHz
Dieser Brick enthält eine Spule mit einer Induktivität von 100µH. Eine Induktionsspannung
von 1V wird nach 0,1ms erreicht, wenn die Stromussänderung 1A beträgt. Spulen können
zum Aufbau von Schwingkreisen und Frequenzltern verwendet werden. Da Spulen jeder
Stromussänderung entgegenwirken, stabilisieren sie die Schaltung. Diese stromstabilisierende Eigenschaft wird zum Umformen (Transformieren) von Spannungen genutzt.
10mH
50mA
26
4
3.3µH
Dieser Brick enthält eine Spule mit einer Induktivität von 10mH. Eine Induktionsspannung
von 1V wird nach 10ms erreicht, wenn die Stromussänderung 1A beträgt. Spulen können
zum Aufbau von Schwingkreisen und Frequenzltern verwendet werden. Da Spulen jeder
Stromussänderung entgegenwirken, stabilisieren sie die Schaltung. Diese stromstabilisierende Eigenschaft kann zum Umformen (Transformieren) von Spannungen genutzt werden.
Das Elektronik-Set enthält eine Spule mit einer Induktivität von 3,3µH. Die Induktivität einer
Spule ist deren physikalische Eigenschaft. Induktivitäten treten nur dann auf, wenn sich der
Stromuss verändert. Bei konstanter Spannung verhält sich eine Spule wie ein ohmscher
Widerstand. Eine Induktivität von 1H gibt an, dass bei einer Stromussänderung von 1A
innerhalb einer Sekunde eine Spannung von 1V induziert wird. Bei dieser Spule wird eine
Induktionsspannung von 1V nach 3,3µs erreicht, wenn die Stromänderung 1A beträgt.
Die Anzapfung wird für die Verwendung von Teilinduktivitäten beschaltet.
3.6 Dioden und Optoelemente
Si Diode
KA
1N4004
Si Diode
KA
1N4148
Dieser Brick beinhaltet eine Leistungsdiode. Sie hat die besondere Eigenschaft, eine sehr
hohe Spannungsfestigkeit in Sperrrichtung zu besitzen. Sie wird wie eine normale Diode in
Durchlassrichtung betrieben, dient aber auch bei moduliertem Gleichstrom als Wechselstromwiderstand.
Die besondere Eigenschaft dieses Dioden-Bricks liegt darin, dass er Spannungen bis zu 100V
gleichrichten und sehr hohe Frequenzen von bis zu 100MHz schalten kann.
Er wird in Durchlassrichtung betrieben. In Sperrrichtung kommt kein Stromuss zustande.
17
Ge Diode
Dieser LED-Brick hat eine rote Leuchtdiode mit einem Vorwiderstand von 1kΩ verbaut.
Sie ist in Durchlassrichtung zu betreiben. Aber auch richtig verbaut (in Durchlassrichtung)
kommt erst ein Stromuss zustande, wenn eine Mindestspannung von ca. 1,5V erreicht wird.
Die Mindestspannung von Leuchtdioden ist von ihrer Farbe abhängig.
Der Brick hat eine gelbe Leuchtdiode mit einem Vorwiderstand von 1kΩ verbaut.
Sie ist in Durchlassrichtung zu betreiben. Aber auch in Durchlassrichtung kommt erst ein
Stromuss zustande, wenn eine Mindestspannung von ca. 1,7 Volt erreicht wird.
Die Mindestspannung von Leuchtdioden ist von ihrer Farbe abhängig.
Dieser LED-Brick hat eine grüne Leuchtdiode mit einem Vorwiderstand von 1kΩ verbaut.
Sie ist in Durchlassrichtung zu betreiben und benötigt eine Mindestspannung von ca.1,8 Volt.
Die Mindestspannung von Leuchtdioden ist von ihrer Farbe abhängig.
Dieser LED-Brick hat eine blaue Leuchtdiode mit einem Vorwiderstand von 1kΩ verbaut.
Sie ist in Durchlassrichtung zu betreiben und benötigt eine Mindestspannung von ca. 2,7
Volt. Die Mindestspannung von Leuchtdioden ist von ihrer Farbe abhängig.
1kΩ
LED
red
1kΩ
LED
yellow
1kΩ
LED
green
1kΩ
LED
blue
KA
AA118
Zener Diode
KA
Z 3,9V 1W
BB131
1pf
14x
KA
Kapazitätsdiode
Eine Germaniumdiode erlaubt, wie normale Dioden auch, den Stromuss nur in Durchlassrichtung. Ihre Besonderheit liegt in dem verwendeten Halbleitermaterial Germanium.
Dieses erlaubt eine wesentlich geringere zu überbrückende Diffusionsspannung als das sonst
verwendete Silizium. Die Diffusionsspannung dieses Dioden-Bricks liegt bei nur 0,2V.
Daher eignet er sich sehr gut zum Gleichrichten hoher Frequenzen von bis zu 1GHz.
Dieser Brick enthält eine Zener-Diode. Sie hat die besondere Eigenschaft, die Spannung zu
stabilisieren. Die Spannungsstabilisierung ndet an diesem Bauteil in Sperrrichtung statt.
Ist die Spannung groß genug, um einen Strom gegen die Durchlassrichtung ießen zu lassen,
spricht man von einer genau denierten Durchbruchspannung. Diese ist auf jedem Bauteil
angegeben und beträgt bei diesem Brick 3,9V.
Dieser Brick enthält eine Kapazitätsdiode. Sie hat in Sperrrichtung betrieben, eine steuerbare
Kapazität. Wird eine Spannung in Sperrrichtung angelegt, entsteht zwischen den leitenden
Schichten in dieser Diode eine isolierte Zone. Diese vergrößert sich mit zunehmender
Sperrspannung und die Kapazität nimmt ab. So können Schwingungen in Stromkreisen
gesteuert werden.
18
Photodiode
BPW 34
BPW 34
BPW 34
KA
KA
KA
Dieser Brick ist eine Photodiode. Hier ist besonders auf die Polung zu achten.
Photodiode leiten den Strom, wie andere Dioden auch, nur in Durchlassrichtung.
Um sie allerdings als Lichtsensor einzusetzen, müssen sie in Sperrrichtung in einen Stromkreis eingebracht werden. In diesem Fall werden sie unter Lichteinfall leitend.
Die Anode muss hierfür an den Minuspol der Spannungsquelle angeschlossen sein und die
Kathode an ihren Pluspol.
1kΩ
1kΩ
LED
red
LED
yellow
Dieser LED-Brick hat eine rote Leuchtdiode mit einem Vorwiderstand von 1kΩ verbaut.
Sie ist in Durchlassrichtung zu betreiben. Aber auch richtig verbaut (in Durchlassrichtung)
kommt erst ein Stromuss zustande, wenn eine Mindestspannung von ca. 1,5V erreicht wird.
Die Mindestspannung von Leuchtdioden ist von ihrer Farbe abhängig.
Der Brick hat eine gelbe Leuchtdiode mit einem Vorwiderstand von 1kΩ verbaut.
Sie ist in Durchlassrichtung zu betreiben. Aber auch in Durchlassrichtung kommt erst ein
Stromuss zustande, wenn eine Mindestspannung von ca. 1,7 Volt erreicht wird.
Die Mindestspannung von Leuchtdioden ist von ihrer Farbe abhängig.
1kΩ
1kΩ
LED
green
LED
blue
Dieser LED-Brick hat eine grüne Leuchtdiode mit einem Vorwiderstand von 1kΩ verbaut.
Sie ist in Durchlassrichtung zu betreiben und benötigt eine Mindestspannung von ca.1,8 Volt.
Die Mindestspannung von Leuchtdioden ist von ihrer Farbe abhängig.
Dieser LED-Brick hat eine blaue Leuchtdiode mit einem Vorwiderstand von 1kΩ verbaut.
Sie ist in Durchlassrichtung zu betreiben und benötigt eine Mindestspannung von ca. 2,7
Volt. Die Mindestspannung von Leuchtdioden ist von ihrer Farbe abhängig.
19
1kΩ LED
Eine Antenne empfängt oder sendet elektromagnetische Schwingungen.
Der Buzzer (Summer) wandelt elektrische Signale in akustische um. Er verfügt allerdings
nicht über ein breites Frequenzspektrum, wie z.B. ein Lautsprecher. Die Erzeugung differen-
zierter Tonsignale ist daher nicht möglich. Seine Aufgabe ist es hingegen einfache,
akustische Meldungen zu geben. Der Buzzer besteht aus einem Piezoelement oder einem
Elektromagneten und wird mit einer Wechselspannung betrieben. Bei uns ist eine elektro-
nische Schaltung eingebaut, daher muss man die Polung (+,--) beachten!
Der Lautsprecher wandelt elektrische Signale in differenzierte Töne um. Lautsprecher sind, je
nach Aufgabe, für ein bestimmtes Frequenzspektrum entworfen. Ein Breitbandlautsprecher
z.B. hat ein Spektrum von 40-20.000Hz. Lautsprecher dürfen nur mit entsprechender
Leistung an dem richtigen Widerstandswert betrieben werden. Ist die Ansteuerung zu stark,
wird der Lautsprecher zerstört. Ist die Ansteuerung zu hochohmig, kann diese durch den
niedrigeren Innenwiderstand, bzw. den erhöhten Stromuss den Lautsprecher zerstören. Für
unseren Lautsprecher gilt die Formel: √(P*R)=U, √(0,25W*8Ω)=2V.
Daher darf der Lautsprecher niemals direkt an unsere Spannungsversorgung von 9V
angeschlossen werden.
Unser Mikrofon-Brick wandelt akustische Schwingungen in elektrische Signale um.
Das Mikrofon kann als Gegenteil des Lautsprechers beschrieben werden. Viele Mikrofone
nutzen die Eigenschaft der veränderbaren Kapazität von Kondensatoren, um die Druckwellen
des Schalls in eine elektrische Schwingung umzuwandeln. Da unser Mikrofon einen Feld-
effekttransistor zur Verstärkung enthält, muss auf die richtige Polung geachtet werden
(Siehe + und -). Das Frequenzspektrum reicht von 20-20.000Hz.
Die Empndlichkeit liegt bei ca. 5-10 .
Antenna
+
-
mV
Pa
3.7 Antennen & Audioelemente
Buzzer
5-9V
- +
Speaker 8
1kΩ
LED
IR invisible
Dieser Brick enthält eine Infrarot-Diode. Ist sie in Betrieb, kann das menschliche Auge die
Wellenlängen des emittierten Lichtes nicht mehr wahrnehmen, da es unterhalb (lateinisch:
infra) des sichtbaren Bereiches von ca. 780nm liegt. Als Aktivitätssignal ist zusätzlich eine
rote Kontroll-LED vorhanden. Diese leuchtet immer dann, wenn die Infrarot-LED in Betrieb
ist. Vorsicht: Unsichtbare Strahlung.
+
470 Ω
-
Neon Indicator
0,25mA, 60V
Quarz
13.56MHz
Lichtschranke
10Ω
-
Dieser Brick enthält eine Lichtschranke. Die Funktionsweise beruht darauf, dass eine LED
einen Phototransistor bestrahlt. Wenn die optische Verbindung zwischen LED und Phototransistor unterbrochen ist, dann sperrt der Transistor. Lichtschranken werden in Alarmanlagen
+
oder in der Industrie z.B. als Inkrementalsensoren verwendet. Da die Signalübertragung
ausschließlich optisch erfolgt, können Informationen elektrisch getrennt und ohne mechanischen Verschleiß von einem Stromkreis auf einen anderen übermittelt werden.
Die Glimmlampe gehört, wie z.B. die Leuchtstofampe, zu den Gasentladungslampen.
An sie wird eine hohe Spannung von etwa 70V angelegt, was zur Ionisierung der Edelgasatome im Innern der Lampe führt. Dieser Vorgang nennt sich Stoßionisation. Die hierbei frei
werdenden Ladungsträger suchen sich neue Orte in den Atomen und geben die aufgenommene Energie in Form von Licht wieder ab, sie rekombinieren. Um ein weiteres Reagieren der
Atome zu verhindern werden bei Gasentladungslampen Edelgase verwendet. Die Leuchterscheinung ist immer an der Kathode zu beobachten. Bei Wechselspannung leuchten folglich
beide Elektroden
Ein Schwingquarz erzeugt eine genaue Schwingung durch ein von außen angelegtes
Wechselfeld. Er kann dazu seriell oder parallel in eine Schaltung eingebracht werden.
Jeder Schwingquarz hat eine Eigen- oder Resonanzfrequenz. Der in diesem Brick verbaute
Quarz schwingt bei 13,56MHz. Die Qualität der so erzeugten Schwingung ist sehr hoch.
20
3.7 Antennen & Audioelemente
Eine Antenne empfängt oder sendet elektromagnetische Schwingungen.
Antenna
Der Buzzer (Summer) wandelt elektrische Signale in akustische um. Er verfügt allerdings
nicht über ein breites Frequenzspektrum, wie z.B. ein Lautsprecher. Die Erzeugung differenzierter Tonsignale ist daher nicht möglich. Seine Aufgabe ist es hingegen einfache,
- +
5-9V
Buzzer
akustische Meldungen zu geben. Der Buzzer besteht aus einem Piezoelement oder einem
Elektromagneten und wird mit einer Wechselspannung betrieben. Bei uns ist eine elektronische Schaltung eingebaut, daher muss man die Polung (+,--) beachten!
-
Speaker 8
+
Der Lautsprecher wandelt elektrische Signale in differenzierte Töne um. Lautsprecher sind, je
nach Aufgabe, für ein bestimmtes Frequenzspektrum entworfen. Ein Breitbandlautsprecher
z.B. hat ein Spektrum von 40-20.000Hz. Lautsprecher dürfen nur mit entsprechender
Leistung an dem richtigen Widerstandswert betrieben werden. Ist die Ansteuerung zu stark,
wird der Lautsprecher zerstört. Ist die Ansteuerung zu hochohmig, kann diese durch den
niedrigeren Innenwiderstand, bzw. den erhöhten Stromuss den Lautsprecher zerstören. Für
unseren Lautsprecher gilt die Formel: √(P*R)=U, √(0,25W*8Ω)=1,4V.
Daher darf der Lautsprecher niemals direkt an unsere Spannungsversorgung von 9V
angeschlossen werden.
Unser Mikrofon-Brick wandelt akustische Schwingungen in elektrische Signale um.
Das Mikrofon kann als Gegenteil des Lautsprechers beschrieben werden. Viele Mikrofone
nutzen die Eigenschaft der veränderbaren Kapazität von Kondensatoren, um die Druckwellen
des Schalls in eine elektrische Schwingung umzuwandeln. Da unser Mikrofon einen Feldeffekttransistor zur Verstärkung enthält, muss auf die richtige Polung geachtet werden
(Siehe + und -). Das Frequenzspektrum reicht von 20-20.000Hz.
Die Empndlichkeit liegt bei ca. 5-10 .
mV
Pa
21
3.8 Schalter und Transistoren
Bei dem hier verwendeten pnp-Transistor steuert ein geringer Stromuss am Basiskontakt (B)
weit höhere Ströme zwischen Emitter- (E) und Kollektorkontakt (C). Die Basis muss (anders
als beim npn-Transistor) negativ zum Emitter angesteuert werden.
Der Phototransistor steuert den Kollektor-Emitter-Strom über die an seiner Basis angelegte
Spannung, wie ein konventioneller Transistor. Zusätzlich aber wird dieser Stromuss auch
ermöglicht, wenn ausreichend Licht auf den Transistor trifft. Er verhält sich so ähnlich wie ein
Photowiderstand, nur dass er die Widerstandsänderung durch seinen Verstärkungsfaktor
deutlicher macht.
Unser Feldeffekt Transitor steuert den Stromuss zwischen Drain und Source über die am
Gate angelegte Spannung. Das Besondere an diesem Bauelement ist, dass die Verbindung
zwischen Gate und Source sehr hochohmig ist. Feldeffekttransistoren werden als "MOSFET"
(Metall-Oxid-Semileitender Feldeffekttransistor) bezeichnet oder kurz als "MOS".
Es gibt unterschiedliche Arten von MOS, dieser ist ein normal sperrender n-Kanal.
Dies bedeutet, dass die Schwellspannung am Gate (Tor) anliegen muss, damit ein Stromuss
zwischen Drain (Abuss) und Source (Quelle) erfahren wird. Die Spannung muss am
Gatekontakt positiv zum Sourcekontakt sein.
Ein JFET (Junktion-Feldeffekt-Transistor) leitet ohne eine angelegte Spannung am Gatekon-
takt zwischen dem Source- und Drainkontakt. Er verhält sich solange wie ein ohmscher
Widerstand, bis die Abschnürspannung erreicht ist. Diese liegt bei ca. 2,5 Volt. Der Strom-
uss zwischen Drain und Source bleibt mit deren Erreichen konstant. Die Abschnürspannung
kann durch eine am Gatekontakt angelegte dem Sourcekontakt gegenüber negative
Spannung verringert werden, so dass eine Stromussbegrenzung variabel einstellbar ist.
BC807
B
E
C
pnp
BPX38
B
E
C
npn
Photot ransistor
G
S
D
n-MOS
2N7002
G
G
S
D
J310 n-JFET
G
Ein Reed-Kontaktschalter (Reed, englisch für dünnes Rohr) wird durch ein von außen
herangebrachtes Magnetfeld betätigt. Dieses Magnetfeld kann durch einen Dauer- oder
Elektromagneten erzeugt werden. Reedschalter haben eine geringe Eigenmagnetisierung.
Sie schalten immer dann, wenn das äußere Magnetfeld in gleicher Richtung addiert wird und
Reed Relais
trennen, wenn es die Eigenmagnetisierung aufhebt, es entgegengesetzt gerichtet ist.
Sie nden als Näherungsschalter Verwendung.
Relais
Der Relais-Brick ist ein elektromagnetischer Schalter. Der Steuerstromkreis
und der Arbeitsstromkreis sind galvanisch getrennt. Die Mindestspannung
beträgt ca.5V bei einem Stromuss von 30mA. Ein Relais kann wesentlich
größere Ströme schalten als es zur Auslösung benötigt. Unser Relais kann
bis zu 1A schalten. In unserem Baustein ist zusätzlich ein Gleichrichter und
eine Stabilisierung eingebaut, so daß man das Relais auch bis zu 9V
betreiben kann und die Polung keine Rolle spielt. Eine LED signalisiert,
wenn das Relais angezogen ist.
5-9V
30mA
1A
Achtung:
Transistoren können zerstört werden, wenn zwischen den Anschlüssen B (Basis) und E (Emitter) oder den Anschlüssen
C (Kollektor) und E direkt, ohne Widerstand, eine Spannung angelegt wird! Transistoren sind elektronische Schalter, die nicht wie ein
Lichtschalter, manuell betätigt werden, sondern durch einen Stromuss an ihrem B-Anschluss. Der geschaltete Stromuss ist dann
zwischen dem C- und E-Kontakt zu erfahren. Der geschaltete Stromuss (C zu E) darf eine Höhe von 0,8A nicht überschreiten, um eine
Zerstörung des Bauelementes zu vermeiden. Ein npn-Transistor ist dem Emitter gegenüber an seiner Basis positiv anzusteuern.
npn
B
BC817
45V
C
0,8A
E
Dieser Brick enthält einen npn-Transistor. Er steuert den Stromuss zwischen Kollektor (C)
und Emitter (E) über den wesentlich kleineren Stromuss an seinem Basiskontakt (B).
Der Basiskontakt ist dem Emitterkontakt gegenüber positiv anzusteuern. Das ist bei jedem
npn-Transistor gleich.
npn
B
BC817
22
45V
C
0,8A
B
Dieser Brick enthält den gleichen npn-Transistor. Er steuert den Stromuss zwischen
Kollektor (C) und Emitter (E) über den wesentlich kleineren Stromuss an seinem Basiskontakt (B). Der Basiskontakt ist dem Emitterkontakt gegenüber positiv anzusteuern. Das ist bei
jedem npn-Transistor gleich.
Zusätzlich ist hier der Basiskontakt zur gegenüberliegenden Seite des Bricks durch verbunden, so dass er leichter in komplexe Schaltungen eingebracht werden kann.
E
pnp
B
Bei dem hier verwendeten pnp-Transistor steuert ein geringer Stromuss am Basiskontakt (B)
C
weit höhere Ströme zwischen Emitter- (E) und Kollektorkontakt (C). Die Basis muss (anders
als beim npn-Transistor) negativ zum Emitter angesteuert werden.
BC807
npn
B
BPX38
G
2N7002
E
C
Der Phototransistor steuert den Kollektor-Emitter-Strom über die an seiner Basis angelegte
Spannung, wie ein konventioneller Transistor. Zusätzlich aber wird dieser Stromuss auch
ermöglicht, wenn ausreichend Licht auf den Transistor trifft. Er verhält sich so ähnlich wie ein
Photowiderstand, nur dass er die Widerstandsänderung durch seinen Verstärkungsfaktor
E
Photot ransistor
deutlicher macht.
Unser Feldeffekt Transitor steuert den Stromuss zwischen Drain und Source über die am
D
Gate angelegte Spannung. Das Besondere an diesem Bauelement ist, dass die Verbindung
zwischen Gate und Source sehr hochohmig ist. Feldeffekttransistoren werden als "MOSFET"
G
(Metall-Oxid-Semileitender Feldeffekttransistor) bezeichnet oder kurz als "MOS".
Es gibt unterschiedliche Arten von MOS, dieser ist ein normal sperrender n-Kanal.
Dies bedeutet, dass die Schwellspannung am Gate (Tor) anliegen muss, damit ein Stromuss
S
n-MOS
zwischen Drain (Abuss) und Source (Quelle) erfahren wird. Die Spannung muss am
Gatekontakt positiv zum Sourcekontakt sein.
S
G
D
J310 n-JFET
G
Ein JFET (Junktion-Feldeffekt-Transistor) leitet ohne eine angelegte Spannung am Gatekontakt zwischen dem Source- und Drainkontakt. Er verhält sich solange wie ein ohmscher
Widerstand, bis die Abschnürspannung erreicht ist. Diese liegt bei ca. 2,5 Volt. Der Stromuss zwischen Drain und Source bleibt mit deren Erreichen konstant. Die Abschnürspannung
kann durch eine am Gatekontakt angelegte dem Sourcekontakt gegenüber negative
Spannung verringert werden, so dass eine Stromussbegrenzung variabel einstellbar ist.
23
2N6027
4. Versuchsaufbauten zum Stromkreis
4.1. LED leuchtet
Unsere erste Schaltung besteht aus einer Spannungsquelle und einer LED. Die Spannungsquelle kann z.B. eine Batterie oder auch ein
Netzteil sein. Eine LED ist eine moderne Form eines Leuchtmittels.
Sie hat nur etwa des Energieverbrauchs einer vergleichbaren Glühlampe, da in ihr kein Draht zum Glühen gebracht werden muss.
Ein Rekombinationsprozess der Elektronen im p-dotieren Halbleiter setzt das zu erzeugende Licht frei. Das erzeugte Licht wird bei der
Rekombination der Elektronen im p-dotierten Halbleiter frei. Auch LEDs erwärmen sich während des Betriebs, sie produzieren allerdings
wesentlich weniger Verlustwärme als beispielsweise Glühlampen bei Erzeugung der gleichen Lichtmenge.
Achtung: Beim Aufbau des Stromkreises ist genau auf die richtige Anordnung des LED-Bricks zu achten. Die LED leuchtet im Gegensatz
zu einer Glühbirne nur dann, wenn sie mit der richtigen Polung in die Schaltung eingebracht ist. Die Kathode (Minuspol) der LED muss
hierzu wie in untenstehender Abbildung dargestellt an den Minuspol der Spannungsquelle angeschlossen sein. Die Anode (Pluspol) der
LED hingegen ist mit dem Pluspol der Spannungsquelle zu verbinden. Somit ießt der Strom durch die Leuchtdiode von Plus nach Minus -
in sogenannter technischer Stromrichtung. Der LED-Brick hat noch einen Vorwiderstand an Bord. Dieser ist sehr wichtig, da er die
Zerstörung der LED verhindert. Würde die LED ohne ihn an der Spannungsquelle von 9V anliegen, brennt diese nach kurzem Aueuchten
durch.
Der Widerstand sorgt für eine Begrenzung des Stromes.
Achtung: Die Bricks sind exakt zu verbinden. Leuchtet die LED nicht, sind die Kontakte zwischen den Bricks noch einmal genau zu
kontrollieren. Es empehlt sich grundsätzlich Polarisationen und Steckverbindungen vor Aktivierung der Schaltung, also vor dem Einbau
der Batterie zu überprüfen.
+
-
9V
0,5A
polyfuse
1kΩ
LED
red
1
100
K
G
A
Dieser Brick enthält einen PUT (Programmable Unijunction Transistor). Das Besondere an
diesem Bauelement ist die über eine am Gatekontakt "einstellbare" Schwellspannung
zwischen Anode und Kathode. Wird eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, ist der
Widerstand zwischen Anode und Kathode bis zum Erreichen der Schwellspannung sehr hoch.
Wird jetzt am Gatekontakt eine zur Kathode positive Spannung geschaltet, kann die
PUT Unijunction
Schwellspannung gesenkt werden, der PUT wird "früher" niederohmig. Mit einem PUT
lassen sich leicht Oszillatorschaltungen aufbauen.
3.9 Verstärker
OP
+
+
88
LMC662
+
Dieser Brick enthält einen Operationsverstärker (OPV) mit sehr niedrigem Eingangsstrom von
2 billiardstel Ampere (10 A). Damit liegt der Eingangswiderstand im Umkehrschluss über 1
Teraohm (10 Ω). Je nach Beschaltung kann der OPV die Spannungsdifferenzen an seinem
12
-15
Eingang bis um das 2.000.000-fache Verstärken. Der Verstärkungsfaktor wird durch das
Verhältnis der Widerstände zwischen seinem Eingang und Ausgang bestimmt. Der Pegel der
Verstärkung wird in Bel (B) bzw. DeziBel (dB), seinem zwanzigsten Teil, logarithmisch
bestimmt. Die Spannungsverstärkung von 2.000.000 entspricht ca. 126 dB.
AMP
+
+
LM386
100µF
Der LM386 dient zur Verstärkung von schwachen Audiosignalen. Er hat eine Leistung von
maximal 0,25 Watt bei einem Ausganswiderstand von 8 Ω. Seine dem Operationsverstärker
ähnlichen Eigenschaften machen es möglich einen Spannungspegel am Eingang um den
Faktor 200 zu verstärken..
3.10 Spezial Module
4 8
RESET +5V-15V
7
DISCH
THRES
6
TRIG CONT
TIMER
555
5
2
OUT
LED
3
Der Timer 555 wird als Zeitgeber oder zum Erzeugen von Frequenzen benutzt. Dabei können
Einschalt-, Ausschaltdauer oder Form des Ausgangssignals in Abhängigkeit der Eingangssignale genau deniert werden. Er hat vom Oszillator bis Pulsgeber verschiedene Funktionen.
24
4. Versuchsaufbauten zum Stromkreis
4.1. LED leuchtet
Unsere erste Schaltung besteht aus einer Spannungsquelle und einer LED. Die Spannungsquelle kann z.B. eine Batterie oder auch ein
Netzteil sein. Eine LED ist eine moderne Form eines Leuchtmittels.
Sie hat nur etwa des Energieverbrauchs einer vergleichbaren Glühlampe, da in ihr kein Draht zum Glühen gebracht werden muss.
Ein Rekombinationsprozess der Elektronen im p-dotieren Halbleiter setzt das zu erzeugende Licht frei. Das erzeugte Licht wird bei der
Rekombination der Elektronen im p-dotierten Halbleiter frei. Auch LEDs erwärmen sich während des Betriebs, sie produzieren allerdings
wesentlich weniger Verlustwärme als beispielsweise Glühlampen bei Erzeugung der gleichen Lichtmenge.
Achtung: Beim Aufbau des Stromkreises ist genau auf die richtige Anordnung des LED-Bricks zu achten. Die LED leuchtet im Gegensatz
zu einer Glühbirne nur dann, wenn sie mit der richtigen Polung in die Schaltung eingebracht ist. Die Kathode (Minuspol) der LED muss
hierzu wie in untenstehender Abbildung dargestellt an den Minuspol der Spannungsquelle angeschlossen sein. Die Anode (Pluspol) der
LED hingegen ist mit dem Pluspol der Spannungsquelle zu verbinden. Somit ießt der Strom durch die Leuchtdiode von Plus nach Minus in sogenannter technischer Stromrichtung. Der LED-Brick hat noch einen Vorwiderstand an Bord. Dieser ist sehr wichtig, da er die
Zerstörung der LED verhindert. Würde die LED ohne ihn an der Spannungsquelle von 9V anliegen, brennt diese nach kurzem Aueuchten
durch.
Der Widerstand sorgt für eine Begrenzung des Stromes.
Achtung: Die Bricks sind exakt zu verbinden. Leuchtet die LED nicht, sind die Kontakte zwischen den Bricks noch einmal genau zu
kontrollieren. Es empehlt sich grundsätzlich Polarisationen und Steckverbindungen vor Aktivierung der Schaltung, also vor dem Einbau
der Batterie zu überprüfen.
1
100
+
0,5A
polyfuse
1kΩ
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LED
red
-
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4.2. Unterbrochener Stromkreis
4.3. Zwei LEDs - Parallelschaltung
Unser Elektronikset hat mehrere LED-Bricks, z.B. einen roten und einen gelben. Diese kann man gemeinsam in eine Schaltung einbringen.
Beide LED-Bricks leuchten nur dann, wenn sie richtig angeschlossen sind, d.h. mit der Anode am positiven Potential der Spannungsquelle.
Eine Parallelschaltung ist immer dann vorhanden, wenn der Stromuss zwei oder mehr Möglichkeiten hat den Weg vom Plus- zum
Minuspol zu nden. In unserem Beispiel leuchten die LEDs sozusagen gleichzeitig, da der Stromuss durch beide LED-Bricks auf unter-
schiedlichen Wegen gleich ießt. Unsere mitgelieferten LED-Bricks haben einen Vorwiderstand von 1kΩ.
Die LEDs haben abhängig von der Leuchtfarbe unterschiedliche Betriebsspannungen. Beispielsweise leuchten rote und blaue LEDs bei
gleichem Vorwiderstand nicht gleichzeitig. Da die rote Leuchtdiode eine niedrigere Betriebsspannung als die blaue hat, würde sie zuerst
leuchten und dann zerstört werden, wenn die blaue LED zu leuchten beginnt. Dabei muss die Versorgungsspannung in einer Parallelschal-
tung weiter ansteigen. LEDs haben eine verhältnismäßig kleine Betriebsspannung, sodass sie kaum ohne Vorwiderstand Verwendung
nden.
Wird eine LED versehentlich ohne Vorwiderstand betrieben, geht sie in der Regel kaputt.
+
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9V
0,5A
polyfuse
1kΩ
LED
yellow
1kΩ
LED
red
Bei diesem Versuchsaufbau wird die LED in Sperrrichtung in den Stromkreis eingebracht und leuchtet daher nicht. Dabei ist es immer
wichtig, sich die genaue Funktionsweise einer LED zu vergegenwärtigen. Diese leuchtet nur dann, wenn sie in Durchlassrichtung in den
Stromkreis eingesetzt wurde. Das Schaltsymbol einer LED deutet einen Pfeil an. Dieser muss von dem positiven Potential (Plus) zum
negativen Potential (Minus) der Spannungsquelle zeigen, um einen Stromuss zu ermöglichen, bzw. die LED zum Leuchten zu bringen.
Der Pfeilanfang wird als Anode und das Pfeilende als Kathode bezeichnet. Der Balken an der Kathode deutet an, dass der Strom nicht
ießen kann, wenn das positive Potential der Spannungsquelle hier anliegt. Die Leuchtdiode verhält sich dabei wie jede andere Diode
auch. Sie ist vergleichbar mit einer Tür, die nur in eine Richtung schwenken kann und auch nur in dieser durchschritten werden darf.
Möchte ich diese Tür in Sperrrichtung durchschreiten, drücke ich sie durch meine eigene Bewegungsrichtung fest in Schloss und Rahmen,
so dass sie mir dem Weg versperrt. Die Kathode ist auf allen Bauelementen mit einem Balken markiert. In Durchlassrichtung wird sie an
den Minuspol der Spannungsquelle angeschlossen. Dieser Strich oder Balken deutet an, dass hier das positive Potential geblockt wird.
0,5A
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red
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LED
1kΩ
LED leuchtet nicht!
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4.3. Zwei LEDs - Parallelschaltung
Unser Elektronikset hat mehrere LED-Bricks, z.B. einen roten und einen gelben. Diese kann man gemeinsam in eine Schaltung einbringen.
Beide LED-Bricks leuchten nur dann, wenn sie richtig angeschlossen sind, d.h. mit der Anode am positiven Potential der Spannungsquelle.
Eine Parallelschaltung ist immer dann vorhanden, wenn der Stromuss zwei oder mehr Möglichkeiten hat den Weg vom Plus- zum
Minuspol zu nden. In unserem Beispiel leuchten die LEDs sozusagen gleichzeitig, da der Stromuss durch beide LED-Bricks auf unterschiedlichen Wegen gleich ießt. Unsere mitgelieferten LED-Bricks haben einen Vorwiderstand von 1kΩ.
Die LEDs haben abhängig von der Leuchtfarbe unterschiedliche Betriebsspannungen. Beispielsweise leuchten rote und blaue LEDs bei
gleichem Vorwiderstand nicht gleichzeitig. Da die rote Leuchtdiode eine niedrigere Betriebsspannung als die blaue hat, würde sie zuerst
leuchten und dann zerstört werden, wenn die blaue LED zu leuchten beginnt. Dabei muss die Versorgungsspannung in einer Parallelschaltung weiter ansteigen. LEDs haben eine verhältnismäßig kleine Betriebsspannung, sodass sie kaum ohne Vorwiderstand Verwendung
nden.
Wird eine LED versehentlich ohne Vorwiderstand betrieben, geht sie in der Regel kaputt.
1kΩ
1kΩ
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LED
yellow
LED
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4.4. Batterie Polung messen
Der Masse-Brick ist ein besonderer Bestandteil unseres Elektroniksets. Er spart zusätzliche Verbindungen mit Hilfe anderer Bricks oder
Leitungen. Hier wird das Geheimnis unserer vierpoligen Verbinder offenbart. Die mittleren zwei Kontakte sind für die Signalübertragung
reserviert, so wie es der Aufdruck verrät. Die äußeren Kontakte werden zum Schließen des Stromkreises, also die Rückführung des
Stromusses zur Spannungsquelle benutzt. Das realisiert der Masse-Brick. Dieser Brick heißt deshalb Masse-Brick, weil in der Elektronik
mit der Bezeichnung "Masse" nicht das träge Gewicht des Gegenstandes selbst beschrieben ist, sondern das Vergleichspotential zum
dem alle anderen Potentiale bezeichnet sind. Unser Masse-Brick stellt also genau diese Verbindung zu 0V her.
In unserer Schaltung sind das 9 Volt gegenüber 0 Volt: Man spricht einfach nur "Neun Volt". Man erstellt in der Elektronik Schaltungen
so, dass nachdem alle Bauelemente in ihrer Funktionsweise in die mehr oder weniger komplexen Stromkreise eingebracht sind, diese mit
der "Masse" verbunden werden. Schaltpläne sind nur so zu lesen.
Unser Masse-Brick verbindet die mittleren beiden Kontakte mit den beiden äußeren. Wir verursachen damit keinen Kurzschluss, denn der
Strom durchießt noch die Bauelemente im Inneren der Bricks.
Beim Zusammenstecken der Bricks muss darauf geachtet werden, dass sich die Kontakte richtig berühren, da sonst die Gefahr von
Unterbrechungen oder sogar Kurzschlüssen besteht!
4.5 Masse und Brick
Bei unserem nächsten Versuch kann die Eigenschaft der Leuchtdiode, den Stromuss nur in eine Richtung zu ermöglichen, genutzt
werden, um die Polung einer Spannungsquelle bzw. Batterie zu bestimmen. Dafür bringen wir die LED-Bricks so in den Stromkreis ein,
dass die Anode des roten LED-Bricks und Kathode des gelben LED-Bausteins an das positive Potential der Spannungsquelle angeschlossen
ist.
Es leuchtet nur die rote Leuchtdiode, obwohl der Pluspol der Spannungsquelle an beide LED-Bricks angeschlossen ist. Dreht man die
Polarität der Spannungsquelle um, bringt also das negative Potential an die Anode der rote Leuchtdiode und an die Kathode der gelben
Leuchtdiode, beginnt nur die gelbe Leuchtdiode zu leuchten. Die Minuspol der Spannungsquelle ist also an beide LED-Bricks angeschlossen! Wenn eine Spannungsquelle angeschlossen ist, leuchtet immer nur eine Leuchtdiode, nie beide gleichzeitig. Man spricht hier von
einer antiparallelen Schaltung. Vor die beiden LED-Bricks ist jeweils ein 10kΩ-Widerstand eingebracht, um den Stromuss abermals zu
begrenzen. Hierdurch könnten auch Polungen von Netzteilen bestimmt werden, die eine höhere Spannung als 9V haben.
Die Anzahl der möglichen Vertauschungen ist zwei, daher genügen zwei Leuchtdioden um Stromussrichtungen zu bestimmen.
Achtung: Die maximale Spannung des Netzteils sollte kleiner als 24 Volt sein. Bitte stecken Sie niemals ein Brick direkt an die Netzspannung von 230V! Es besteht dann Lebensgefahr!
Achtung: Die Pole von Netzteil oder Batterie sind nie direkt miteinander zu verbinden, also kurzzuschließen! Hierbei besteht die Gefahr,
dass Leitungen durchglühen oder Akkus explodieren!
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10kΩ
4.5 Masse und Brick
Der Masse-Brick ist ein besonderer Bestandteil unseres Elektroniksets. Er spart zusätzliche Verbindungen mit Hilfe anderer Bricks oder
Leitungen. Hier wird das Geheimnis unserer vierpoligen Verbinder offenbart. Die mittleren zwei Kontakte sind für die Signalübertragung
reserviert, so wie es der Aufdruck verrät. Die äußeren Kontakte werden zum Schließen des Stromkreises, also die Rückführung des
Stromusses zur Spannungsquelle benutzt. Das realisiert der Masse-Brick. Dieser Brick heißt deshalb Masse-Brick, weil in der Elektronik
mit der Bezeichnung "Masse" nicht das träge Gewicht des Gegenstandes selbst beschrieben ist, sondern das Vergleichspotential zum
dem alle anderen Potentiale bezeichnet sind. Unser Masse-Brick stellt also genau diese Verbindung zu 0V her.
In unserer Schaltung sind das 9 Volt gegenüber 0 Volt: Man spricht einfach nur "Neun Volt". Man erstellt in der Elektronik Schaltungen
so, dass nachdem alle Bauelemente in ihrer Funktionsweise in die mehr oder weniger komplexen Stromkreise eingebracht sind, diese mit
der "Masse" verbunden werden. Schaltpläne sind nur so zu lesen.
Unser Masse-Brick verbindet die mittleren beiden Kontakte mit den beiden äußeren. Wir verursachen damit keinen Kurzschluss, denn der
Strom durchießt noch die Bauelemente im Inneren der Bricks.
Beim Zusammenstecken der Bricks muss darauf geachtet werden, dass sich die Kontakte richtig berühren, da sonst die Gefahr von
Unterbrechungen oder sogar Kurzschlüssen besteht!
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Hier ist ein Beispiel einer richtig gesteckten Verbindung. Die Verbindung besteht jeweils aus kleinen Stiften, die sich mechanisch verklem-
Wichtig: Immer die richtige Stellung der Kontakte überprüfen!
4.6. Vereinfachte Schaltung mit Masse-Brick
Lauf der Messeleitung
An dieser Stelle folgt ein Beispiel für einen Stromkreis mit Masse-Brick. Die erste Abbildung zeigt den nalen Aufbau der Schaltung, die
zweite stellt den eigentlichen Lauf der Masseleitung durch die Bricks dar.
Der aktuelle Versuchsaufbau zeigt sich durch die Masse-Bricks wesentlich übersichtlicher gegenüber dem Aufbau aus Kapitel 4.1. Es
werden nur noch vier, statt der bisherigen sechs Bricks benötigt. Die Masse-Bricks schließen den Stromkreis, auch wenn sie links und
rechts neben den mittleren Bricks scheinbar ins Leere gehen. Die Masse-Bricks gewährleisten die Verbindung zwischen den Enden.
Merke: Das Massesymbol spart bei der professionellen Anwendung in der Technik beim Zeichnen der Schaltung Zeit und trägt auch zur
besseren Übersicht bei komplexen Schaltplänen bei.
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men und dabei ebenfalls elektrisch leiten. Um eine Isolation zwischen den Kontakten zu gewährleisten und einen Kurzschluss zu verhindern sind Stege aus Kunststoff eingebracht, welche den elektrischen Strom nicht leiten.
Ein Beispiel einer fehlerhaften Verbindung ist im Bild darunter zu sehen. Hier sind noch Abstände zwischen den Kontakten, die einen
sicheren Stromuss nicht gewährleisten können. Der Stromkreis bleibt "offen" oder ist instabil und die Funktion der Schaltung nicht
gegeben.
Achtung: Es ist wichtig, grundsätzlich immer den richtigen Sitz der Kontaktstifte zu kontrollieren. Weichen diese zu weit voneinander ab,
kann es zu einem Kurzschluss kommen. Dann ndet der Stromuss nicht durch unsere Bauelemente mit der erhofften Wirkung statt,
sondern sucht sich den kürzesten Weg zurück zur Spannungsquelle. Ein Kurzschluss führt zum Maximalstromuss, da der einzige Widerstand den elektrischen Strom überwinden muss, der Innen-Widerstand der Spannungsquelle ist. Dieser Widerstand ist anschaulich sehr
klein, so kann der Kurzschlussstrom bei längerer Dauer zur Überhitzung führen. Es besteht Brandgefahr!
Wichtig: Immer die richtige Stellung der Kontakte überprüfen!
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4.6. Vereinfachte Schaltung mit Masse-Brick
An dieser Stelle folgt ein Beispiel für einen Stromkreis mit Masse-Brick. Die erste Abbildung zeigt den nalen Aufbau der Schaltung, die
zweite stellt den eigentlichen Lauf der Masseleitung durch die Bricks dar.
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Der aktuelle Versuchsaufbau zeigt sich durch die Masse-Bricks wesentlich übersichtlicher gegenüber dem Aufbau aus Kapitel 4.1. Es
werden nur noch vier, statt der bisherigen sechs Bricks benötigt. Die Masse-Bricks schließen den Stromkreis, auch wenn sie links und
rechts neben den mittleren Bricks scheinbar ins Leere gehen. Die Masse-Bricks gewährleisten die Verbindung zwischen den Enden.
Merke: Das Massesymbol spart bei der professionellen Anwendung in der Technik beim Zeichnen der Schaltung Zeit und trägt auch zur
besseren Übersicht bei komplexen Schaltplänen bei.
Lauf der Messeleitung
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4.7. Stromkreis mit Taster
4.8. Stromkreis mit Umschalter
Eine weitere Möglichkeit einen Stromkreis zu schalten, ist ein Umschalter. Hier wird der Stromuss, wie bei einer Weiche im Zugverkehr,
entweder auf einen Stromzweig oder auf einen anderen gebracht, aber nie auf beide gleichzeitig. Unser Umschalter hat zusätzlich eine
Mittelstellung, bei der an keinem Stromzweig eine Spannung anliegt. Ist der Umschalter nach oben gestellt, leuchtet die rote LED, zeigt er
nach unten, leuchtet die gelbe LED.
Achtung: Bei diesem Versuch ist besonders auf die richtige Polung der LED-Bricks zu achten!
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Bei unserem nächsten Versuchsaufbau wird ein Taster in den Stromkreis eingebracht. Er hat die Funktion, nur dann einen Stromuss zu
ermöglichen, wenn er betätigt ist, bzw. gedrückt gehalten wird. Auch hier wird der zurückzuführende Strom über die Masse-Bricks an den
Enden der Schaltung realisiert. Der Stromkreis wird somit geschlossen, so wie im vorangegangenen Punkt 4.6 geschrieben.
Der Taster ist das einfachste fest verbaute Element in einer elektrischen Schaltung. Er ndet z.B. auch zum Einschalten des Innenlichtes in
einem Kühlschrank in derselben Art und Weise Verwendung wie in der hier vorgestellten Schaltung.
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4.8. Stromkreis mit Umschalter
Eine weitere Möglichkeit einen Stromkreis zu schalten, ist ein Umschalter. Hier wird der Stromuss, wie bei einer Weiche im Zugverkehr,
entweder auf einen Stromzweig oder auf einen anderen gebracht, aber nie auf beide gleichzeitig. Unser Umschalter hat zusätzlich eine
Mittelstellung, bei der an keinem Stromzweig eine Spannung anliegt. Ist der Umschalter nach oben gestellt, leuchtet die rote LED, zeigt er
nach unten, leuchtet die gelbe LED.
Achtung: Bei diesem Versuch ist besonders auf die richtige Polung der LED-Bricks zu achten!
1kΩ
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0,5A
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5. Digitale Logik mit Tastern
5.2. ODER-Schaltung
Die ODER-Schaltung realisiert ein Ausgangssignal, wenn eines ODER mehrere Eingangssignale anliegen. Im allgemeinen Sprachgebrauch
wird die Konjunktion "oder" ebenfalls so verwendet. Ein Beispiel: Ich kann die Rechnung von 5€ bezahlen, wenn ich zwei Einnahmen von
10€ oder 20€ erziele. In jeden Fall bin ich in der Lage die Rechnung zu begleichen, auch wenn beide Beträge gleichzeitig erzielt werden.
Hier wird also zwischen zwei oder mehreren Alternativen unterschieden, die alle dasselbe Resultat erzeugen.
Dem aufmerksamen Leser wird nicht entgangen sein, dass die UND-Verknüpfung eine Teilmenge der ODER-Verknüpfung ist. Denn auch
wenn beide Alternativen gewählt werden, tritt dasselbe Ereignis ein. In der Elektrotechnik wird dies durch eine Parallelschaltung verdeut-
licht. Der neue Versuchsaufbau benötigt für die Umsetzung des parallelen Schaltzweiges die Ergänzung von je zwei T- und zwei
Eck-Bricks. Die genaue Anordnung ist in untenstehender Abbildung ersichtlich.
+
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0,5A
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1kΩ
LED
red
Der Digitaltechniker kann die Funktion der ODER-Verknüpfung in tabellarischer Form darstellen:
Die rote LED leuchtet nur dann und nur dann, wenn Taster 1 betätigt ist oder Taster 2 oder beide.
Taster 1
Aus (0)
Ein (1)
Ein (1)
Ein (1) Ein (1) Ein (1)
Ein (1)
Ein (1)
Aus (0)
Aus (0)
Aus (0)
Aus (0)
Taster 2 LED
5.1. UND-Schaltung
In der Digitaltechnik ermöglicht eine intelligente Verschaltung von Bauelementen die Realisierung von komplexeren Funktionen.
Der Begriff "Digit" ist abstrakt und aus dem Englischen entlehnt. Er bedeutet in diesem Zusammenhang: Kleinstes einfaches Teil oder
Stelle. Und er wird oft im Gegensatz zu "Analog" verwendet, z.B. Analogkamera zu Digitalkamera. Man kann ihn gut mit Hilfe des
Vergleiches von einer Schräge mit einer Treppe erklären. Die Höhenänderung an einer Schräge ndet kontinuierlich statt, die an einer
Treppe in kleinstmöglichen diskreten Zuständen, den Stufen. So wie die digitale Informationsverarbeitung nur zwischen "1" (EIN) und
"0" (AUS) unterscheidet, werden in der analogen Signalverarbeitung die Eingangssignale wertkontinuierlich (also genau gleich) weiterverarbeitet.
In der Digitaltechnik sind dazu bestimmte logische Verknüpfungen notwendig bzw. untereinander verzweigt. Die folgenden Versuche
stellen die einfachsten logischen Grundschaltungen (UND,ODER, NICHT und Exklusiv-ODER) vor.
Die UND-Schaltung kann man z.B. mit Tastern verwirklichen, in unserem Beispiel nur zwei. Es können aber auch beliebig viele sein,
abhängig von der Anzahl der zu verarbeitenden Eingangssignale. Das wird z.B. bei der Absicherung von gefährlichen Maschinen genutzt:
Nur wenn zwei Taster gedrückt gehalten werden, einer mit der rechten und einer mit der linken Hand, ist garantiert, dass kein Mensch zu
Schaden kommt, wenn die Maschine in Betrieb ist.
Elektronisch ist die UND-Schaltung durch zwei seriell liegende Schalter (Taster) dargestellt. Diese benden sich im aktuellen Versuchsaufbau direkt hintereinander. Erst wenn beide geschlossen sind, leuchtet unsere LED. Genauso, wie die Konjunktion "und" in der Sprache
Anwendung ndet.
9V
-
Der Digitaltechniker kann die Funktion der UND-Verknüpfung in tabellarischer Form darstellen:
Taster 1
Aus (0)
Ein (1)
Aus (0) Aus (0)
Ein (1) Ein (1) Ein (1)
polyfuse
0,5A
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Taster 2 LED
Aus (0)
Aus (0) Aus (0)
Ein (1)
1kΩ
Aus (0)
LED
red
Die rote LED leuchtet nur bei der Schalterstellung, die in der letzten Zeile der Tabelle dargestellt ist, also wenn Taster 1 UND Taster 2
betätigt sind.
34
5.2. ODER-Schaltung
Die ODER-Schaltung realisiert ein Ausgangssignal, wenn eines ODER mehrere Eingangssignale anliegen. Im allgemeinen Sprachgebrauch
wird die Konjunktion "oder" ebenfalls so verwendet. Ein Beispiel: Ich kann die Rechnung von 5€ bezahlen, wenn ich zwei Einnahmen von
10€ oder 20€ erziele. In jeden Fall bin ich in der Lage die Rechnung zu begleichen, auch wenn beide Beträge gleichzeitig erzielt werden.
Hier wird also zwischen zwei oder mehreren Alternativen unterschieden, die alle dasselbe Resultat erzeugen.
Dem aufmerksamen Leser wird nicht entgangen sein, dass die UND-Verknüpfung eine Teilmenge der ODER-Verknüpfung ist. Denn auch
wenn beide Alternativen gewählt werden, tritt dasselbe Ereignis ein. In der Elektrotechnik wird dies durch eine Parallelschaltung verdeutlicht. Der neue Versuchsaufbau benötigt für die Umsetzung des parallelen Schaltzweiges die Ergänzung von je zwei T- und zwei
Eck-Bricks. Die genaue Anordnung ist in untenstehender Abbildung ersichtlich.
polyfuse
9V
0,5A
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LED
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Der Digitaltechniker kann die Funktion der ODER-Verknüpfung in tabellarischer Form darstellen:
Taster 1
Aus (0)
Ein (1)
Aus (0)
Taster 2 LED
Aus (0)
Aus (0)
Ein (1)
Ein (1) Ein (1) Ein (1)
Die rote LED leuchtet nur dann und nur dann, wenn Taster 1 betätigt ist oder Taster 2 oder beide.
Aus (0)
Ein (1)
Ein (1)
35
5.3 NICHT-Schaltung
Die Exklusiv-ODER-Verknüpfung ist in der Elektrotechnik oft zu nden. Sie wird als Wechselschaltung bei Ihnen zu Hause mit dem Flurlicht
oder bei der Verschlüsselung von Daten verwendet. Im allgemeinen Sprachgebrauch ist die Exklusiv-ODER-Verknüpfung durch ein
"entweder, oder" realisiert. Ein Beispiel: Diese Schaltung lässt sich bei der Flurbeleuchtung einsetzen. Jeder Schalter kann zum Ein- oder
Ausschalten verwendet werden, unabhängig welcher Schalter zu erst betätigt wird.
Diese Verknüpfung wird in unserer Schaltung mit dem Umschalter- und Kontakte-Brick realisiert. In der Elektrotechnik wird deren Funktion,
so wie sie in unserer Schaltung Verwendung ndet, als Wechselschalter bezeichnet. Der eine Wechselschalter negiert das Signal des
anderen. Die Schalterstellung ist dabei nicht von Belang, die LED kann mit beiden Elementen, unabhängig voneinander, zum Leuchten
gebracht werden. Nur dann, wenn beide Wechselschalter auf betätigt sind, ist kein Ausgangssignal zu erfahren (Umschalter 1 ist oben
"ein" und Kontakte-Brick ist unten "ein").
+
-
9V
0,5A
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1kΩ
LED
red
Die Wahrheitstabelle für die Exklusiv-ODER-Verknüpfung lautet:
5.4. Exklusiv-ODER-Schaltung
Umschalter
Aus (0) (Pos 2)
Ein (1) (Pos 1)
Ein (1) (Pos 1) Ein (1) (Pos 1)
Aus (0) (Pos 2)
Aus (0) (Pos 2)
Aus (0) Pos 2) Ein (1)
Ein (1)Ein (1) (Pos 1)
Aus (0)
Aus (0)
Kontakte LED
(Pos 1)
(Pos 1
Draht zum kontaktieren verwenden)(Pos 2)
(Pos 2
Draht zum kontaktieren verwenden)
Die NICHT-Schaltung wird auch als Negation bezeichnet. Sie verhindert ein Ereignis als Folge einer Ursache.
Ein Beispiel: Wenn die Ampel rot ist, dann kann ich nicht über die Kreuzung fahren. Sie wird in der Elektronik mit einem Transistor
verwirklicht, der beim Durchschalten einen Verbraucher überbrückt, so dass der Spannungsfall über ihm zu gering wird, um einen für
seinen Betrieb ausreichenden Stromuss zu erreichen. Wir simulieren das mit Hilfe eines zur LED parallel geschalteten Tasters.
Ist dieser betätigt, kann die Diffusionsspannung in der LED nicht mehr erreicht werden, so dass diese erlischt. Wird er hingegen nicht
bestätigt, hat der Strom keine Alternative um zum Massebrick zu gelangen und die LED leuchtet. Wichtig ist der 1kΩ-Widerstand, der einen
Kurzschluss bei geschlossenem Taster verhindert.
-
9V
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0,5A
+
1kΩ
1kΩ
LED
red
Der Digitaltechniker kann die Funktion der NICHT-Verknüpfung in tabellarischer Form darstellen:
Taster 1
Ein (1)
Aus (0)
Die rote LED leuchtet nicht, wenn der Taster betätigt ist.
LED
Aus (0)
Ein (1)
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5.4. Exklusiv-ODER-Schaltung
Die Exklusiv-ODER-Verknüpfung ist in der Elektrotechnik oft zu nden. Sie wird als Wechselschaltung bei Ihnen zu Hause mit dem Flurlicht
oder bei der Verschlüsselung von Daten verwendet. Im allgemeinen Sprachgebrauch ist die Exklusiv-ODER-Verknüpfung durch ein
"entweder, oder" realisiert. Ein Beispiel: Diese Schaltung lässt sich bei der Flurbeleuchtung einsetzen. Jeder Schalter kann zum Ein- oder
Ausschalten verwendet werden, unabhängig welcher Schalter zu erst betätigt wird.
Diese Verknüpfung wird in unserer Schaltung mit dem Umschalter- und Kontakte-Brick realisiert. In der Elektrotechnik wird deren Funktion,
so wie sie in unserer Schaltung Verwendung ndet, als Wechselschalter bezeichnet. Der eine Wechselschalter negiert das Signal des
anderen. Die Schalterstellung ist dabei nicht von Belang, die LED kann mit beiden Elementen, unabhängig voneinander, zum Leuchten
gebracht werden. Nur dann, wenn beide Wechselschalter auf betätigt sind, ist kein Ausgangssignal zu erfahren (Umschalter 1 ist oben
"ein" und Kontakte-Brick ist unten "ein").
polyfuse
9V
0,5A
-
+
(Pos 1)
Die Wahrheitstabelle für die Exklusiv-ODER-Verknüpfung lautet:
1kΩ
(Pos 1
LED
red
(Pos 2
Draht zum kontaktieren verwenden)(Pos 2)
Draht zum kontaktieren verwenden)
Umschalter
Aus (0) (Pos 2)
Ein (1) (Pos 1)
Kontakte LED
Aus (0) (Pos 2)
Aus (0) Pos 2) Ein (1)
Aus (0) (Pos 2)
Ein (1) (Pos 1) Ein (1) (Pos 1)
Aus (0)
Ein (1)Ein (1) (Pos 1)
Aus (0)
37
6. Der Widerstand
6.2 LDR - Lichtempndlicher Widerstand
Unser LDR-Brick verändert seinen Widerstandswert in Abhängigkeit der Lichtintensität mit der er bestrahlt wird. Er verändert seinen
Widerstand also nicht mechanisch, wie z.B. beim Potentiometer, sondern in Abhängigkeit von einer weiteren elektromagnetischen Größe,
dem Licht.
Wird der LDR-Brick vom Licht bestrahlt, ändert er seinen Widerstandswert zu Gunsten der Leitfähigkeit. Der Widerstandswert wird kleiner
und der Stromuss durch ihn hindurch größer. Sein Widerstandswert erreicht einen sehr hohen Betrag von mehreren 100kΩ bei Dunkel-
heit, hat aber dafür bei Lichteinstrahlung einen sehr niedrigen Wert von wenigen 100Ω. Die Veränderung beträgt ungefähr das Tausend-
fache. In dem folgenden Experiment leuchtet die rote LED nur dann, wenn der LDR im LDR-Brick von Licht bestrahlt wird.
Bei Verdunkelung des LDR erlischt die LED. Der Effekt hat eine kurze Verzögerungszeit.
Der Versuch besteht, wie in untenstehender Abbildung dargestellt, aus einer reinen Serienschaltung von Stromversorgung, LDR-Brick und
LED-Brick.
+
-
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0,5A
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1kΩ
LED
red
LDR 03
6.1 Berechnen des Widerstandswertes
Der elektrische Widerstand verringert den elektrischen Stromuss. Diese Eigenschaft ist für elektronische Schaltungen unerlässlich.
Durch ihn kann der Stromuss manipuliert oder eine gewünschte Spannung eingestellt werden. Sie ist also eine gewünschte und benötigte Eigenschaft eines elektronischen Bauteiles, anders als der Name es vermuten lässt. Isolator und Supraleiter sind die Extrembeispiele
für einen elektrischen Widerstand. Der Isolator hat ideell einen unendlich hohen, der Supraleiter keinen Widerstand. Der elektrische
Widerstandswert wird in Ohm (Ω) angegeben. Hat ein Stromkreis keinen Widerstand, wäre der in ihm ießende Strom unendlich hoch,
was nicht möglich ist.
Jeder Stromkreis hat, auch bei Kurzschluss, also dem direkten Ladungsaustausch zwischen Kathode und Anode der Spannungsquelle,
mindestens noch deren Innenwiderstand zu überwinden. Der elektrische Strom lässt sich gut mit einem Wasserstrom durch einen
Leitungsengpass darstellen. Proportional zum Durchmesser des Rohres nimmt auch die Wassermenge ab, die während eines denierten
Zeitfensters hindurchießen kann. Soll trotzdem die gleiche Menge an Wasser (im denierten Zeitfenster) den Engpass im Rohr passieren,
so ist der Druck an der Eingangsseite zu erhöhen. Der Druck ist das Äquivalent zur elektrischen Spannung, der Wasserstromuss zum
elektrischen Strom und der Reibungswiderstand des Wasserrohres zum elektrischen Widerstand. Erhöht sich der Wasserdruck, ießt mehr
Wasser in der gleicher Zeit durch das Rohr.
Der Wasserdruckunterschied zwischen Eingang und Ausgang des Rohres ist analog zu dem Spannungsabfall über einen elektrischen
Widerstand. Die Eigenschaften Spannung (U), Strom (I) und Widerstand (R) stehen in einem strengen Zusammenhang.
Es gilt die Beziehung: Spannung (U) ist gleich dem Produkt aus Strom (I) und Widerstand (R): U=R * I. Ein Stromuss von 0,9A wird
erreicht, wenn bei einem Widerstand von 10Ω eine Spannung von 9V anliegt. In unserer Schaltung sind die Widerstände wesentlich
größer, was bei gleicher Spannung einen um das Vielfache kleineren Stromuss zur Folge hat. (10Ω zu 100.000Ω ergeben 0,9 Ampere zu
0,00009 Ampere bei 9 Volt)
+
polyfuse
0,5A
100 kΩ
1kΩ
LED
red
9V
I(10kΩ) = = 818µA
10kΩ + 1kΩ
9V
-
Wird der Widerstands-Brick von 100kΩ nacheinander durch den 10kΩ Widerstands-Brick bzw. den 1kΩ Widerstandsbrick ersetzt,
verändert sich der Stromuss wie folgt:
I(100kΩ) = = 89,1µA
100kΩ + 1kΩ
9V
9V
I(1kΩ) = = 4,5mA
1kΩ + 1kΩ
38
6.2 LDR - Lichtempndlicher Widerstand
Unser LDR-Brick verändert seinen Widerstandswert in Abhängigkeit der Lichtintensität mit der er bestrahlt wird. Er verändert seinen
Widerstand also nicht mechanisch, wie z.B. beim Potentiometer, sondern in Abhängigkeit von einer weiteren elektromagnetischen Größe,
dem Licht.
Wird der LDR-Brick vom Licht bestrahlt, ändert er seinen Widerstandswert zu Gunsten der Leitfähigkeit. Der Widerstandswert wird kleiner
und der Stromuss durch ihn hindurch größer. Sein Widerstandswert erreicht einen sehr hohen Betrag von mehreren 100kΩ bei Dunkelheit, hat aber dafür bei Lichteinstrahlung einen sehr niedrigen Wert von wenigen 100Ω. Die Veränderung beträgt ungefähr das Tausendfache. In dem folgenden Experiment leuchtet die rote LED nur dann, wenn der LDR im LDR-Brick von Licht bestrahlt wird.
Bei Verdunkelung des LDR erlischt die LED. Der Effekt hat eine kurze Verzögerungszeit.
Der Versuch besteht, wie in untenstehender Abbildung dargestellt, aus einer reinen Serienschaltung von Stromversorgung, LDR-Brick und
LED-Brick.
+
polyfuse
0,5A
LDR 03
1kΩ
LED
red
9V
-
39
6.3 Die Parallelschaltung
6.4 Reihenschaltung oder Serienschaltung
Um die Gesamtwiderstandwerte in einer Reihenschaltung und deren Auswirkung besser zu verstehen, führen wir ein weiteres Experiment
durch. Dazu verwenden wir wieder die beiden 100.000Ω Widerstände. In einer Serienschaltung addieren sich die Widerstandswerte.
Es gilt:
Hält man die Taste gedrückt, wird der zu ihr parallelliegende Widerstand überbrückt, so dass der Stromuss ausschließlich durch den
ersten Widerstand begrenzt wird. Die Intensität der LED nimmt zu, da der Gesamtwiderstandswert kleiner wird. Man spricht hier auch von
einem kurzgeschlossenen Widerstand. Das meint aber nicht, dass der gesamte Stromkreis einen Kurzschluss erfährt.
Die Widerstandsberechnung für unser Beispiel ist sehr einfach und lautet wie folgt:
100kΩ
100kΩ
+
-
9V
0,5A
polyfuse
1kΩ
LED
red
R(ges) =
n
i=1
R(i) = R + R +.........R
Σ
1 2
n
R = 100.000Ω + 100.000Ω = 200.000Ω,
für den unbetätigten Taster und
(ges)
R = 100.000Ω, für den betätigten Taster.
(ges)
In der Elektronik ist es sehr selten, dass nur reine Serien- oder Parallelschaltungen Verwendung nden. Oft sind es gemischte Schaltungen, die aus Verzweigungen von Serien- und Parallelschaltungen bestehen. In unserem folgenden Beispiel ist dies der Fall.
Wir bezeichnen diesen Versuch trotzdem als Parallelschaltung, da hier nur der Stromuss durch die nebeneinander-liegenden Widerstände
untersucht wird. Die Beobachtung kann an der Leuchtintensität der zu den beiden parallel geschalteten Widerständen in Serie liegenden
Leuchtdiode gemacht werden. Da beide Widerstände von je 100kΩ, den gleichen Widerstandswert besitzen, hat der Stromuss zwei
gleiche Möglichkeiten um zur LED zu gelangen. Der Gesamtwiderstand der parallelen Widerstände halbiert sich somit auf 50kΩ.
Wird der Taster betätigt, steigt die Leuchtintensität der LED.
+
-
0,5A
9V
polyfuse
100kΩ
1kΩ
LED
red
100kΩ
Wenn man es arithmetisch formuliert, dann werden alle Widerstandswerte reziprok addiert. Der Zusammenhang lautet:
1
R(ges)
1
= +
R(i)
durch äquivalente Umformung erhält man:
R(i)
R(i+1)
R(ges)
=
* *...*
+ +...+
R(i+1)
R(i)
Der Gesamtwiderstand der Parallelschaltung ist gegeben durch den Quotient aus dem Produkt der Einzelwiderstände und deren Summe.
R(i+1)
1
R(n)
R(n)
+.........+
1
R(n)
Im vorliegenden Beispiel lautet die Rechnung bei betätigter Taste konkret:
R(ges)
Der Gesamtwiderstand unserer Parallelschaltung beträgt 50.000Ω. Ohne Betätigung des Tasters fällt ein Pfad der Parallelschaltung aus,
was bedeutet, der Gesamtwiderstand ist in diesem Fall mit 100.000Ω doppelt so groß.
100.000Ω 100.000Ω
=
100.000Ω 100.000Ω
*
+
=
50.000Ω
40
6.4 Reihenschaltung oder Serienschaltung
Um die Gesamtwiderstandwerte in einer Reihenschaltung und deren Auswirkung besser zu verstehen, führen wir ein weiteres Experiment
durch. Dazu verwenden wir wieder die beiden 100.000Ω Widerstände. In einer Serienschaltung addieren sich die Widerstandswerte.
Es gilt:
n
R(ges) =
R(i) = R + R +.........R
Σ
1 2
n
i=1
Hält man die Taste gedrückt, wird der zu ihr parallelliegende Widerstand überbrückt, so dass der Stromuss ausschließlich durch den
ersten Widerstand begrenzt wird. Die Intensität der LED nimmt zu, da der Gesamtwiderstandswert kleiner wird. Man spricht hier auch von
einem kurzgeschlossenen Widerstand. Das meint aber nicht, dass der gesamte Stromkreis einen Kurzschluss erfährt.
polyfuse
9V
0,5A
-
+
100kΩ
100kΩ
1kΩ
LED
red
Die Widerstandsberechnung für unser Beispiel ist sehr einfach und lautet wie folgt:
R = 100.000Ω + 100.000Ω = 200.000Ω,
(ges)
R = 100.000Ω, für den betätigten Taster.
(ges)
für den unbetätigten Taster und
41
6.5 Das Potentiometer
Die Schwellspannung ist ein Begriff, der in der Elektronik bei Halbleiter-Elementen Verwendung ndet. Im Elektronikset nden u.a. mit
den LED-Bricks und den Transistor-Bricks Halbleiter-Elemente Verwendung. Die Schwellspannung beschreibt den Wert der angelegten
Spannung der überschritten werden muss, um beispielsweise einen Halbleiter zu betreiben. In dem folgenden Versuch bauen wir eine
Schaltung auf, in der wir die Leuchtdioden durch Überscheiten der Schwellspannung zum Leuchten bringen. Wir bestimmen diese durch
die Stellung des Drehknopfes an unserem Potentiometer-Brick. Der Drehknopf ist in dem untenstehenden Beispiel zuerst ganz nach links
und dann langsam nach rechts zu drehen. Es ist zu beobachten, dass erst die rote LED und bei vorschreitendem Drehvorgang die weiteren
LEDs zu leuchten beginnen. Das Potentiometer fungiert hier, wie auch im vorangegangenen Versuch, wieder als Spannungsteiler. Auch
hier ist wieder unbedingt darauf zu achten, dass der Schleifer-Kontakt wie in der Abbildung ersichtlich, nur an die LED-Bricks angeschlos-
sen werden darf. Andernfalls besteht Kurzschlussgefahr und die Gefahr der Zerstörung des Potentiometer-Bricks. Ist der Drehknopf auf
Ausgangsposition, also links am Anschlag, liegt keine Spannung an. Steht er rechts am Anschlag, ist die höchstmögliche Spannung von 9
Volt erreicht und die Intensität der Leuchtdioden am höchsten.
Für Niedrig-Strom-LEDs (2mA) liegt die Betriebsspannung, in Abhängigkeit der Farbe, der im Set verwendeten LEDs bei den folgenden
Werten:
• Rot 1,5 - 2,2V,
• Gelb 1,7 - 2,5V,
• Grün 1,7 - 2,5V,
• Blau 2,7 - 4V
6.6 Die Schwellspannung
+
-
9V
0,5A
polyfuse
1kΩ
LED
red
1kΩ
LED
yellow
1kΩ
LED
green
10kΩ
Der untere Wert lässt hierbei auf die Schwellspannung schließen.
In dem folgenden Versuchsaufbau verwenden wir den Potentiometer-Brick. Es fungiert hier als Spannungsteiler, daher werden alle drei
Kontakte wie in untenstehender Abbildung angeschlossen. Hierbei ist unbedingt zu beachten, dass der Schleifer-Kontakt nicht an die
Kathode (Plus) der Spannungsquelle und auch nicht an den Masse-Brick angeschlossen ist. In diesen Fällen besteht Kurzschlussgefahr,
was zu einer Zerstörung des Potentiometer-Bricks führt. Er darf nur so verbunden werden, dass sich die Versorgungsspannung von 9 Volt
in Abhängigkeit der Position des Schleifer-Kontaktes, proportional von 0 Volt bis auf 9 Volt aufteilt.
Einzig der LED-Brick darf mit dem Schleifer-Kontakt verbunden sein. Das heißt: Ist der Drehknopf ganz nach links gestellt, werden an der
Anode des LED-Bricks 9 Volt anliegen und die LED leuchtet mit höchster Intensität. Ist der Drehknopf jedoch ganz nach rechts, zum
Masse-Brick hin verstellt, erlischt die LED, 0 Volt liegen jetzt an. Bei exakter Mittelstellung des Drehknopfes ist die halbe Versorgungsspannung von 4,5 Volt eingestellt. Die Intensität unserer LED ist stufenlos regelbar. Interessant ist, dass eine Parallelschaltung von
Potentiometer-Brick und LED-Brick vorliegt.
Der Stromuss hat zwei Alternativen, um vom Plus-Pol der Spannungsquelle kommend, deren Minus-Pol zu erreichen. Wir haben durch
unsere Masse-Bricks einen geschlossenen Stromkreis realisiert. Es ießt permanent Strom durch das Potentiometer und zeitgleich parallel
dazu, durch die LED. Der Stromuss durch den Potentiometer-Brick ist nicht zu unterbrechen. Der Stromuss durch die LED kann ganz
gestoppt werden. Das Potentiometer in unserem Bauelement ist bildlich geteilt, so wie es die Spannung auch teilt. Der Stromuss
zwischen Potentiometer-Brick und angeschlossenem Masse-Brick ist immer konstant.
+
polyfuse
0,5A
10kΩ
1kΩ
LED
red
9V
-
42
6.6 Die Schwellspannung
Die Schwellspannung ist ein Begriff, der in der Elektronik bei Halbleiter-Elementen Verwendung ndet. Im Elektronikset nden u.a. mit
den LED-Bricks und den Transistor-Bricks Halbleiter-Elemente Verwendung. Die Schwellspannung beschreibt den Wert der angelegten
Spannung der überschritten werden muss, um beispielsweise einen Halbleiter zu betreiben. In dem folgenden Versuch bauen wir eine
Schaltung auf, in der wir die Leuchtdioden durch Überscheiten der Schwellspannung zum Leuchten bringen. Wir bestimmen diese durch
die Stellung des Drehknopfes an unserem Potentiometer-Brick. Der Drehknopf ist in dem untenstehenden Beispiel zuerst ganz nach links
und dann langsam nach rechts zu drehen. Es ist zu beobachten, dass erst die rote LED und bei vorschreitendem Drehvorgang die weiteren
LEDs zu leuchten beginnen. Das Potentiometer fungiert hier, wie auch im vorangegangenen Versuch, wieder als Spannungsteiler. Auch
hier ist wieder unbedingt darauf zu achten, dass der Schleifer-Kontakt wie in der Abbildung ersichtlich, nur an die LED-Bricks angeschlossen werden darf. Andernfalls besteht Kurzschlussgefahr und die Gefahr der Zerstörung des Potentiometer-Bricks. Ist der Drehknopf auf
Ausgangsposition, also links am Anschlag, liegt keine Spannung an. Steht er rechts am Anschlag, ist die höchstmögliche Spannung von 9
Volt erreicht und die Intensität der Leuchtdioden am höchsten.
Für Niedrig-Strom-LEDs (2mA) liegt die Betriebsspannung, in Abhängigkeit der Farbe, der im Set verwendeten LEDs bei den folgenden
Werten:
• Rot 1,5 - 2,2V,
• Gelb 1,7 - 2,5V,
• Grün 1,7 - 2,5V,
• Blau 2,7 - 4V
10kΩ
0,5A
polyfuse
9V
+
-
red
LED
1kΩ
1kΩ
LED
yellow
1kΩ
LED
green
Der untere Wert lässt hierbei auf die Schwellspannung schließen.
43
7. Kondensator
sehr gering, aber um das Zehnfache größer als im letzten Versuch.
Die Lade- bzw. Entladezeit wird durch eine Exponentialfunktion beschrieben, können aber auch näherungsweise durch
t = 5 C R = 5 10µF 1kΩ = 50ms bestimmt werden.
Da der Kondensator hier die zehnfache Kapazität besitzt, leuchtet die LED nun länger auf als im vorangegangenen Beispiel.
Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden.
10µA
Dieser Versuchsaubau entspricht bis auf den Kondensator exakt dem aus Kap. 7.1. Ziel ist es wiederum den Kondensator (diesmal mit der
Kapazität 10µF) zu laden und zu entladen. Der Ladevorgang ist bei Schalterstellung 1 realisiert und der Entladevorgang bei Schalterstel-
lung 2. Die Energie, die dabei auf den Kondensator gebracht wird, ist mit:
7.2 Kondensator mit 10μF
2 2
***
* * **
*
E =
C (9V) U = = 405µJoule
1
2
+
-
9V
0,5A
polyfuse
1kΩ
LED
red
10µF 25V
1
2
7.1 Laden und Entladen mit einem 1µF Kondensator
In der folgenden Schaltung wird ein Kondensator der Kapazität 1μF geladen und wieder entladen. Der Ladevorgang ist bei Schalterstellung 2 realisiert und der Entladevorgang bei Schalterstellung 1.
Die Energie, die dabei auf den Kondensator gebracht wird, ist mit:
1
E =
sehr gering. Die Entladezeit wird durch eine Exponentialfunktion
beschrieben, kann aber auch näherungsweise durch
t = 5 C R = 5 1µF 1kΩ = 5ms bestimmt werden.
Daher leuchtet die LED nur kurz auf, wenn der Kondensator über sie entladen wird. Die Lade- bzw. Entladezeit für den vollständigen
Prozess ist unendlich, daher wird die Zeit bestimmt, bei der der Kondensator zu ca. 99% aufgeladen bzw. zu 99% entladen ist.
Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden.
C 1µA (9V) U = = 40,5µJoule
2
**
*
1
2 2
* **
2
* *
(Pos 2)
(Pos 1)
-
+
1kΩ
LED
red
0,5A
9V
polyfuse
1µF
44
7.2 Kondensator mit 10μF
Dieser Versuchsaubau entspricht bis auf den Kondensator exakt dem aus Kap. 7.1. Ziel ist es wiederum den Kondensator (diesmal mit der
Kapazität 10µF) zu laden und zu entladen. Der Ladevorgang ist bei Schalterstellung 1 realisiert und der Entladevorgang bei Schalterstellung 2. Die Energie, die dabei auf den Kondensator gebracht wird, ist mit:
1
E =
sehr gering, aber um das Zehnfache größer als im letzten Versuch.
C (9V) U = = 405µJoule
2
Die Lade- bzw. Entladezeit wird durch eine Exponentialfunktion beschrieben, können aber auch näherungsweise durch
t = 5 C R = 5 10µF 1kΩ = 50ms bestimmt werden.
* * **
Da der Kondensator hier die zehnfache Kapazität besitzt, leuchtet die LED nun länger auf als im vorangegangenen Beispiel.
Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden.
1
2 2
2
10µA
***
*
-
+
red
9V
0,5A
polyfuse
10µF 25V
1kΩ
LED
45
7.3 Kondensator umladen
8. Induktivität
8.1 Laden und Entladen einer Spule
Eine Spule besitzt ähnliche Eigenschaften wie ein Kondensator. Auch sie kann Energie speichern, aber nicht, wie der Kondensator, mit
Hilfe eines elektrischen Feldes, sondern eines Magnetfeldes. Daher kann der Lade- und Entladevorgang so ähnlich wie beim Kondensator
beschrieben werden. Es zeigt sich, dass im Gegensatz zum Kondensator, wo die Spannung das entscheidende Kriterium ist, diesmal der
Stromuss ausschlaggebend ist. Beide Bauelemente verhalten sich sozusagen komplementär zueinander.
In der folgenden Schaltung wird eine Spule mit der Induktivität 10mH geladen und wieder entladen. Der Ladevorgang ist bei betätigtem
Schalter realisiert und der Entladevorgang nach seinem Öffnen. Die Energie, die dabei auf die Spule gebracht wird, ist mit
Die Entladezeit wird durch eine Exponentialfunktion beschrieben, kann aber auch näherungsweise durch
Beim Schließen des Tasters bleibt die LED dunkel, da sie in Sperrrichtung gepolt ist. Öffnet der Taster den Stromkreis wieder, versucht die
Spule den Stromuss aufrecht zu erhalten. Somit kommt ein Stromuss in Gegenrichtung zustande und die LED leuchtet kurz auf.
Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden.
+
-
9V
0,5A
polyfuse
1kΩ
LED
red
100Ω
10,125µJoule sehr gering.
10mH
1
2
2
2
1
2
9V
200Ω
* *
*
*
E = L I = = ( )
45,5µs
bestimmt werden.
10mH
1100Ω
* *
t = 5 5
L
R
= =
10mH
50mA
100Ω 0.5MHz
Die Handhabbarkeit einer elektronischen Schaltung ist ein wichtiges Kriterium bei deren Entwurf. Es ist anschaulich besser z.B. nur einen
Schalter bedienen zu müssen um eine Funktion zu steuern, als zwei oder mehrere. In unserer folgenden Schaltung ist der Kondensator
dauerhaft in eine Schaltung eingebracht und wird nur bei geschlossenem Taster entladen. Dazu werden die antiparallel geschalteten
LED-Bricks, wie in der Abbildung verdeutlicht, so in den Stromkreis eingebracht, dass sie mit dem 10µF-Kondensator und 1kΩ-Widerstand
in Serie liegen. Daher kann der Lade- bzw. Entladevorgang durch ein kurzes Aueuchten der gelben bzw. roten LED veranschaulicht
werden. Wird jetzt eine Spannung über die Spannungsquelle angelegt, leuchtet die gelbe LED solange kurz auf, bis der Kondensator
geladen ist und sein Widerstand im Gleichstromkreis unendlich hoch wird. Schließe ich jetzt die Verbindung gegen Masse durch das
Betätigen des Tasters, wird der Kondensator augenblicklich entladen und die rote LED leuchtet kurz auf. Wird der Taster in kurzer Folge
gedrückt und wieder losgelassen, blinken die LEDs abwechselnd auf. Der 1kΩ-Widerstand ist hier sehr wichtig, da er einen Kurzschluss
der Batterie verhindert.
Die Stromrichtung kehrt sich, in Bezug zum Auaden, beim Entladen um.
-
9V
+
0,5A
10µF 25V
1kΩ
yellow
LED
LED
red
1kΩ
polyfuse
1kΩ
46
8. Induktivität
8.1 Laden und Entladen einer Spule
Eine Spule besitzt ähnliche Eigenschaften wie ein Kondensator. Auch sie kann Energie speichern, aber nicht, wie der Kondensator, mit
Hilfe eines elektrischen Feldes, sondern eines Magnetfeldes. Daher kann der Lade- und Entladevorgang so ähnlich wie beim Kondensator
beschrieben werden. Es zeigt sich, dass im Gegensatz zum Kondensator, wo die Spannung das entscheidende Kriterium ist, diesmal der
Stromuss ausschlaggebend ist. Beide Bauelemente verhalten sich sozusagen komplementär zueinander.
In der folgenden Schaltung wird eine Spule mit der Induktivität 10mH geladen und wieder entladen. Der Ladevorgang ist bei betätigtem
Schalter realisiert und der Entladevorgang nach seinem Öffnen. Die Energie, die dabei auf die Spule gebracht wird, ist mit
1
* *
E = L I = = ( )
*
2
1
2
10mH
2
*
9V
200Ω
2
10,125µJoule sehr gering.
Die Entladezeit wird durch eine Exponentialfunktion beschrieben, kann aber auch näherungsweise durch
L
= =
* *
t = 5 5
R
10mH
1100Ω
45,5µs
bestimmt werden.
Beim Schließen des Tasters bleibt die LED dunkel, da sie in Sperrrichtung gepolt ist. Öffnet der Taster den Stromkreis wieder, versucht die
Spule den Stromuss aufrecht zu erhalten. Somit kommt ein Stromuss in Gegenrichtung zustande und die LED leuchtet kurz auf.
Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden.
polyfuse
9V
0,5A
-
+
100Ω
red
LED
1kΩ
100Ω 0.5MHz
10mH
50mA
47
8.2. Induktion
Die Spule ist in der Lage sehr hohe Spannungen zu erzeugen, man spricht hier von der Induktionsspannung. Diese tritt immer dann auf,
wenn der Stromuss durch die Spule eine Änderung erfährt. Je schneller diese Änderung erfolgt, desto höher ist die induzierte Spannung.
Dabei können Spannungen von mehreren 100V auftreten, da die Änderung nur beim Schalten, in sehr kurzer Zeit erfolgt. Auch hier gibt es
eine Ähnlichkeit zum Kondensator: schließt man diesen kurz, kann ein hoher Strom gemessen werden.
Die Menge an Energie in unserer Spule ist zwar gesundheitsungefährlich gering, aber es ist trotzdem mit Vorsicht vorzugehen, um keinen
elektrischen Schlag zu erhalten. In diesem Versuch wird eine Glimmlampe, die eine hohe Betriebsspannung von ca. 70 Volt hat, zum
kurzen Aueuchten gebracht, wenn der Taster wieder geöffnet wird.
Dazu ist der Raum unbedingt abzudunkeln, denn die Auswirkung ist sehr gering!
100Ω
+
-
9V
0,5A
polyfuse
8.3 Induktionsspannung
10mH
50mA
100Ω 0.5MHz
Neon I ndicator
0,25mA, 60V
Um den Lade- und Entladevorgang besser zu zeigen, bauen wir eine Schaltung auf, in der das Laden durch eine rote LED signalisiert wird
und das Entladen durch eine gelbe LED. Durch das Betätigen des Tasters, wird an der Spule ein Magnetfeld aufgebaut, das sich beim
Loslassen des Tasters wieder umkehrt. Somit erfolgt ein Stromuss in entgegengesetzter Richtung. Diese Stromrichtungsänderung kann
durch die Änderung des Stromes beschrieben werden. Beim Laden der Spule ndet, mit Anheben des Stromes von 0mA auf 45mA, eine
positive Änderung statt. Es wird also ein positives Magnetfeld erzeugt.
Beim Öffnen des Stromkreises erfolgt aber, mit der Änderung von 45mA auf 0mA, eine Umpolarisierung in entgegengesetzter Richtung.
Es entsteht daher ein entgegengesetztes Magnetfeld und es ießt ein Strom in entsprechende Richtung. Der rote Pfeil zeigt die Stromrichtung bei geschlossenem Stromkreis, der gelbe Pfeil bei geöffnetem, wobei die gelbe LED kurz aueuchtet
rot = geschlossen
gelb = wieder geöffnet
-
9V
+
0,5A
polyfuse
100Ω
LED
yellow
1kΩ
10mH
50mA
100Ω 0.5MHz
1kΩ
LED
red
48
8.3 Induktionsspannung
Die Spule ist in der Lage sehr hohe Spannungen zu erzeugen, man spricht hier von der Induktionsspannung. Diese tritt immer dann auf,
wenn der Stromuss durch die Spule eine Änderung erfährt. Je schneller diese Änderung erfolgt, desto höher ist die induzierte Spannung.
Dabei können Spannungen von mehreren 100V auftreten, da die Änderung nur beim Schalten, in sehr kurzer Zeit erfolgt. Auch hier gibt es
eine Ähnlichkeit zum Kondensator: schließt man diesen kurz, kann ein hoher Strom gemessen werden.
Die Menge an Energie in unserer Spule ist zwar gesundheitsungefährlich gering, aber es ist trotzdem mit Vorsicht vorzugehen, um keinen
elektrischen Schlag zu erhalten. In diesem Versuch wird eine Glimmlampe, die eine hohe Betriebsspannung von ca. 70 Volt hat, zum
kurzen Aueuchten gebracht, wenn der Taster wieder geöffnet wird.
Dazu ist der Raum unbedingt abzudunkeln, denn die Auswirkung ist sehr gering!
-
9V
+
0,5A
polyfuse
100Ω
100Ω 0.5MHz
50mA
10mH
0,25mA, 60V
Neon I ndicator
49
8.4 Energy Harvest
9. Transistoren
9.1 Der Transistor als Schalter
Dieser Versuchsaufbau veranschaulicht die klassische Funktionsweise des Transistors als Schalter. Der Transistor ist ein Halbleiterbaustein,
der einen Stromuss zwischen dem Kollektor (C) und dem Emitter (E) ermöglicht, wenn am Basiskontakt (B) eine Spannung anliegt. Der
Basisstrom ist dabei um ca. ein Hundertstel geringer als der Kollektorstrom. Transistoren haben eine stromverstärkende Eigenschaft. Die
Verstärkung wird über einen Vergleich des Basisstromes mit dem Kollektorstrom bestimmt. Da sie als elektronische Schalter sehr schnell
reagieren, werden sie auch zur Verstärkung von Frequenzen eingesetzt. Die abgebildete Schaltung wird als Emitterschaltung bezeichnet,
da der Emitter-Kontakt an Null-Volt/Masse angeschlossen ist. Ist der Schalter an der Basis geschlossen, leuchtet die rote LED. Der
Basisstrom ermöglicht einen Stromuss zwischen Kollektor und Emitter, da er Ladungsträger zwischen die beiden n-dotierten Schichten
im Transistor bringt. In diesem Versuch wird ein npn-Transistor verwendet, daher ist die Basis in die p-dotierten Schicht eingebracht.
Achtung: Halbleiter sind empndliche Bausteine. Der Transistor wird zerstört, wenn die Basis (B) direkt mit der Batterie verbunden wird.
1kΩ
LED
red
100kΩ
+
-
9V
0,5A
polyfuse
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
Energy Harvesting (Energieernten) bezeichnet die Energiegewinnung in kleinsten Mengen. Im nun folgenden Versuchsaufbau wird die
elektrische Energie von der Spule zu einem Kondensator transportiert. Die Ladung wird im ersten Schritt auf die Spule, beim Schließen von
Taster 1, gebracht. Und dann, nach dessen Öffnen, über die rote LED auf dem Kondensator solange gespeichert, bis der Taster 2 geschlossen wird und die gelbe LED kurz aueuchtet. Der Transport der Energie von der Spule zum Kondensator ist durch ein kurzes Aueuchten
der roten LED zu beobachten und deren Weitertransport, vom Kondensator zur Masse, ist an der gelben LED zu erkennen.
Hinweis: Der Taster 1 muss mehrmals betätigt werden um den Kondensator so aufzuladen, dass die gelbe LED auch sichtbar leuchtet.
red
LED
1kΩ
100Ω
0,5A
polyfuse
9V
-
+
100Ω 0.5MHz
50mA
(Taste 1)
10mH
(Taste 2)
10µF 25V
LED
yellow
1kΩ
50
9. Transistoren
9.1 Der Transistor als Schalter
Dieser Versuchsaufbau veranschaulicht die klassische Funktionsweise des Transistors als Schalter. Der Transistor ist ein Halbleiterbaustein,
der einen Stromuss zwischen dem Kollektor (C) und dem Emitter (E) ermöglicht, wenn am Basiskontakt (B) eine Spannung anliegt. Der
Basisstrom ist dabei um ca. ein Hundertstel geringer als der Kollektorstrom. Transistoren haben eine stromverstärkende Eigenschaft. Die
Verstärkung wird über einen Vergleich des Basisstromes mit dem Kollektorstrom bestimmt. Da sie als elektronische Schalter sehr schnell
reagieren, werden sie auch zur Verstärkung von Frequenzen eingesetzt. Die abgebildete Schaltung wird als Emitterschaltung bezeichnet,
da der Emitter-Kontakt an Null-Volt/Masse angeschlossen ist. Ist der Schalter an der Basis geschlossen, leuchtet die rote LED. Der
Basisstrom ermöglicht einen Stromuss zwischen Kollektor und Emitter, da er Ladungsträger zwischen die beiden n-dotierten Schichten
im Transistor bringt. In diesem Versuch wird ein npn-Transistor verwendet, daher ist die Basis in die p-dotierten Schicht eingebracht.
Achtung: Halbleiter sind empndliche Bausteine. Der Transistor wird zerstört, wenn die Basis (B) direkt mit der Batterie verbunden wird.
100kΩ
B
npn
+
0,5A
polyfuse
1kΩ
LED
red
C
45V
-
9V
BC817
0,8A
E
51
9.2 Touch-Sensoren mit Transistoren in Darlingtonschaltung
Die Kaskade aus Schaltung 9.2 wird jetzt um einen Transistor erhöht, so dass die erreichte Verstärkung (ca. 1.000.000-fach) so hoch ist,
dass ein Kondensator als Wechselstromwiderstand ausreicht, um die rote LED zum Leuchten zu bringen. Den Kondensator im Gleichstrom-
kreis haben wir bereits kennengelernt, dort ist er nach vollendetem Laden ein unendlich hoher Widerstand, so dass über ihn kein Strom-
uss mehr erfolgen kann. Was ist aber, wenn eine Wechselspannung an ihm anliegt? Er wird hier im schnellen Wechsel von Lade- und
Entladevorgang permanent "beansprucht", so dass ein Wechselstromuss über ihn möglich ist. Der Widerstand eines Kondensators ist
dann von seiner Kapazität und der Frequenz der Wechselspannung abhängig. Je höher Frequenz und Kapazität sind, desto niedriger ist
sein Widerstand. Woher beziehen wir die Wechselspannung? Diese liegt überall dort an, wo wir ein Netzteil mit der normalen Netzfre-
quenz von 50Hz betreiben. Dieser sehr kleine Wechselstromuss ndet zwischen dem Strom zur Verfügung stellenden Kraftwerk, dem
Netzteil und dem Fussboden statt. Die Gesamtverstärkung der drei Transistoren ist groß genug, um den Strom von einigen Nanoampere
so zu verstärken, dass die rote LED leuchtet, wenn wir den Finger an die offene Seite des Kondensator-Bricks legen. Die Kaskade kann
auch durch spontan auftretende Elektrostatik ausgelöst werden, aber dann leuchtet die LED nur kurz auf. Auch hier besteht keine
Gesundheitsgefahr, da die Spannung sehr gering ist!
9.3 Capazitive Touch in Darlingtonschaltung
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
+
-
9V
0,5A
polyfuse
1kΩ
LED
red
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
B
1nF
Finger
Die Darlingtonschaltung besteht aus zwei zusammengeschalteten Transistoren. Die Funktionsweise kann durch eine Kaskade beschrieben
werden, bei der der erste Transistor als Vorverstärker des zweiten Transistors dient. Der somit erreichte Verstärkungsfaktor ist näherungsweise das Produkt der beiden einzelnen Verstärkungen der verwendeten Transistoren. Um die rote LED zum Leuchten zu bringen, genügt
an der Basis ein Stromuss von nur wenigen Mikroampere. Die erreichte Stromverstärkung ist so groß, dass ein Anlegen der Fingerspitze
außen an unseren getrennt gekreuzten Brick genügt, um über den 100kΩ-Widerstand und die Fingerspitze einen, für das Leuchten der
roten LED, ausreichend großen Stromuss zu realisieren. Sie brauchen sich um Ihre Gesundheit nicht zu fürchten, da die Wirkung des
Stromes nicht spürbar ist
1kΩ
LED
red
0,5A
polyfuse
9V
+
-
100kΩ
npn
B
BC817
45V
C
0,8A
E
npn
B
BC817
45V
C
0,8A
E
52
9.3 Capazitive Touch in Darlingtonschaltung
Die Kaskade aus Schaltung 9.2 wird jetzt um einen Transistor erhöht, so dass die erreichte Verstärkung (ca. 1.000.000-fach) so hoch ist,
dass ein Kondensator als Wechselstromwiderstand ausreicht, um die rote LED zum Leuchten zu bringen. Den Kondensator im Gleichstromkreis haben wir bereits kennengelernt, dort ist er nach vollendetem Laden ein unendlich hoher Widerstand, so dass über ihn kein Stromuss mehr erfolgen kann. Was ist aber, wenn eine Wechselspannung an ihm anliegt? Er wird hier im schnellen Wechsel von Lade- und
Entladevorgang permanent "beansprucht", so dass ein Wechselstromuss über ihn möglich ist. Der Widerstand eines Kondensators ist
dann von seiner Kapazität und der Frequenz der Wechselspannung abhängig. Je höher Frequenz und Kapazität sind, desto niedriger ist
sein Widerstand. Woher beziehen wir die Wechselspannung? Diese liegt überall dort an, wo wir ein Netzteil mit der normalen Netzfrequenz von 50Hz betreiben. Dieser sehr kleine Wechselstromuss ndet zwischen dem Strom zur Verfügung stellenden Kraftwerk, dem
Netzteil und dem Fussboden statt. Die Gesamtverstärkung der drei Transistoren ist groß genug, um den Strom von einigen Nanoampere
so zu verstärken, dass die rote LED leuchtet, wenn wir den Finger an die offene Seite des Kondensator-Bricks legen. Die Kaskade kann
auch durch spontan auftretende Elektrostatik ausgelöst werden, aber dann leuchtet die LED nur kurz auf. Auch hier besteht keine
Gesundheitsgefahr, da die Spannung sehr gering ist!
Finger
1nF
npn
B
BC817
45V
-
9V
+
0,5A
polyfuse
1kΩ
LED
red
C
0,8A
E
npn
C
B
45V
0,8A
E
BC817
npn
C
45V
0,8A
B
B
BC817
E
53
9.4 LDR und Transistor
Wie schon im Versuch 9.4 ist es wenig sinnvoll ein Leuchtmittel zusätzlich zum Umgebungslicht zu betreiben. Es ist vielmehr notwendig
das Licht einzuschalten, wenn das Umgebungslicht zu gering geworden ist, um die Umgebung ausreichend wahrzunehmen.
Hierfür haben wir in der nun folgenden Schaltung den LDR-Brick gegen Masse geschaltet, was genau die gewünschte Funktion bewirkt.
Der Widerstandswert in unserem LDR nimmt bei zunehmender Umgebungslichtstärke ab und der Spannungsteiler von 100KΩ-Widerstand
und LDR bewirkt, dass am Basis-Kontakt des Transistors kaum ein Stromuss aufkommt. Es fällt fast die gesamte Spannung von 9V über
dem 100kΩ-Widerstand ab. Es bleiben ungefähr 0,09V übrig, wenn der LDR einen Widerstandswert von 100Ω hat. Das genügt nicht um
den Transistor an seinem Basis-Kontakt durchzuschalten. Es kommt also auch kein Kollektor-Emitter-Stromuss auf, die rote LED erlischt.
Ist dagegen bei Dunkelheit der Widerstandswert des LDR sehr hoch, teilt sich die Spannung von 9V ungefähr zu gleichen Teilen auf beide
Widerstände auf. Es ießt ein Basisstrom, der wiederum ein Stromuss im Arbeitsstromkreis zwischen Kollektor und Emitter ermöglicht.
Die rote LED in unserem LED-Brick beginnt zu leuchten. Man spricht hier von einer automatischen Nacht- oder Dämmerungsschaltung.
9.5 LDR in Dunkelschaltung mit Transistor und Widerstand
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
+
-
9V
0,5A
polyfuse
1kΩ
LED
red
100kΩ
LDR 03
100kΩ
Unser LDR-Brick verändert seinen Widerstandswert in Abhängigkeit der Lichtintensität mit der er bestrahlt wird. Er verändert seinen
Widerstand also nicht mechanisch, wie ein Potentiometer, sondern in Abhängigkeit von einer elektromagnetischen Größe, dem Licht.
Wird der LDR-Brick mit Licht bestrahlt, ändert er seinen Widerstandswert zu Gunsten der Leitfähigkeit, der Widerstandswert wird kleiner
und der Stromuss durch ihn hindurch größer. Sein Widerstandswert erreicht einen sehr hohen Betrag von mehreren 100kΩ bei Dunkelheit, hat aber dafür bei Lichteinstrahlung einen sehr niedrigen Wert von wenigen 100Ω. Die Veränderung beträgt also ungefähr das
Tausendfache. Das Potentiometer ist in Serie zum LDR geschaltet, damit kann über seinem Mittelabgriff die Schwellspannung eingestellt
werden, bei der die rote LED zu leuchten beginnt. Ist der Drehknopf des Potentiometer an den linken Anschlag gedreht, steuert der
Transistor nicht durch und die LED erlischt, am rechten Anschlag jedoch, schaltet der Transistor ein und die LED leuchtet unabhängig von
der Lichtstärke. Das Optimum für das Umgebungslicht kann dazwischen gefunden werden.
+
0,5A
polyfuse
1kΩ
LDR 03
red
npn
10kΩ
B
BC817
1kΩ
LED
C
45V
0,8A
E
9V
-
54
9.5 LDR in Dunkelschaltung mit Transistor und Widerstand
Wie schon im Versuch 9.4 ist es wenig sinnvoll ein Leuchtmittel zusätzlich zum Umgebungslicht zu betreiben. Es ist vielmehr notwendig
das Licht einzuschalten, wenn das Umgebungslicht zu gering geworden ist, um die Umgebung ausreichend wahrzunehmen.
Hierfür haben wir in der nun folgenden Schaltung den LDR-Brick gegen Masse geschaltet, was genau die gewünschte Funktion bewirkt.
Der Widerstandswert in unserem LDR nimmt bei zunehmender Umgebungslichtstärke ab und der Spannungsteiler von 100KΩ-Widerstand
und LDR bewirkt, dass am Basis-Kontakt des Transistors kaum ein Stromuss aufkommt. Es fällt fast die gesamte Spannung von 9V über
dem 100kΩ-Widerstand ab. Es bleiben ungefähr 0,09V übrig, wenn der LDR einen Widerstandswert von 100Ω hat. Das genügt nicht um
den Transistor an seinem Basis-Kontakt durchzuschalten. Es kommt also auch kein Kollektor-Emitter-Stromuss auf, die rote LED erlischt.
Ist dagegen bei Dunkelheit der Widerstandswert des LDR sehr hoch, teilt sich die Spannung von 9V ungefähr zu gleichen Teilen auf beide
Widerstände auf. Es ießt ein Basisstrom, der wiederum ein Stromuss im Arbeitsstromkreis zwischen Kollektor und Emitter ermöglicht.
Die rote LED in unserem LED-Brick beginnt zu leuchten. Man spricht hier von einer automatischen Nacht- oder Dämmerungsschaltung.
+
0,5A
polyfuse
B
npn
1kΩ
LED
red
C
45V
100kΩ
100kΩ
-
9V
0,8A
BC817
LDR 03
E
55
9.6 LED als Photodiode
Um einen Dunkel- oder Dämmerungsschaltung zu realisieren, kann ein Transistor als Inverter (Wandler) verwendet werden. Hier wandelt
der erste Transistor das Schaltverhalten des zweiten. Ist die Schwellspannung am ersten Transistor erreicht, schaltet dieser ein und der
Basisstromuss des zweiten Transistors kommt zum Erliegen, so dass dieser sperrt und die rote LED erlischt. Ist der Spannungsteiler aus
Potentiometer und LDR so eingestellt, dass an der Basis des ersten Transistors kein Strom ießt, sperrt dieser und der Spannungsteiler aus
dem 1kΩ- und 10kΩ-Widerstand ermöglicht einen Stromuss an der Basis des zweiten Transistors, die rote LED leuchtet.
Die Schwelle von der an, in Abhängigkeit der Intensität des Umgebungslichtes, die rote LED leuchtet, wird mit dem Potentiometer
eingestellt: ist der linke Anschlag des Drehknopfes erreicht, leuchtet die LED permanent, wird der rechte Anschlag erreicht, erlischt diese.
Der Widerstand des LDR und der des Mittelabgriffs des Potentiometer müssen aufeinander abgestimmt sein.
9.7 Transistor als Inverter
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
+
-
9V
0,5A
polyfuse
10kΩ
1kΩ
4,7kΩ
1kΩ
LED
red
LDR 03
10kΩ
Transistor 1
Transistor 2
In einer LED wird Licht durch die Rekombination von Elektronen erzeugt, die im Moment der Wiedereinordnung in das Valenzband ein
Lichtquant in Form eines Photons abgeben. Dieser Prozess ist umkehrbar: So werden Elektronen nur durch einfallendes Umgebungslicht
aus dem Valenzband gelöst und ermöglichen einen sehr geringen Stromuss zwischen den Sperrschichten. Dieser Effekt ist anschaulich
um ein Vielfaches schwächer als der, des umgekehrten, normalen Betriebs einer LED.
Damit wir diesen physikalischen Vorgang beobachten können, muss wieder eine Darlington-Schaltung mit zwei Transistoren und somit
sehr hoher Verstärkung, verwendet werden.
Der Vorwiderstand an der blauen LED ist notwendig, damit die Sperrschicht in der Diode nicht durch das volle Potential der Spannungsquelle zu groß ist. Fällt jetzt das Umgebungslicht auf den Halbleiterkristall der LED, wird ein minimaler Stromuss an der Basis des ersten
Transistors erzeugt, löst dieser die Kaskade aus, so dass die rote LED leuchtet. Wird die blaue LED wieder abgedunkelt, erlischt die rote
LED, der Darlingtonverstärker sperrt.
1kΩ
LED
red
blue
LED
100kΩ
0,5A
polyfuse
+
9V
-
npn
B
BC817
45V
C
0,8A
E
npn
C
B
45V
0,8A
E
BC817
1kΩ
56
9.7 Transistor als Inverter
Um einen Dunkel- oder Dämmerungsschaltung zu realisieren, kann ein Transistor als Inverter (Wandler) verwendet werden. Hier wandelt
der erste Transistor das Schaltverhalten des zweiten. Ist die Schwellspannung am ersten Transistor erreicht, schaltet dieser ein und der
Basisstromuss des zweiten Transistors kommt zum Erliegen, so dass dieser sperrt und die rote LED erlischt. Ist der Spannungsteiler aus
Potentiometer und LDR so eingestellt, dass an der Basis des ersten Transistors kein Strom ießt, sperrt dieser und der Spannungsteiler aus
dem 1kΩ- und 10kΩ-Widerstand ermöglicht einen Stromuss an der Basis des zweiten Transistors, die rote LED leuchtet.
Die Schwelle von der an, in Abhängigkeit der Intensität des Umgebungslichtes, die rote LED leuchtet, wird mit dem Potentiometer
eingestellt: ist der linke Anschlag des Drehknopfes erreicht, leuchtet die LED permanent, wird der rechte Anschlag erreicht, erlischt diese.
Der Widerstand des LDR und der des Mittelabgriffs des Potentiometer müssen aufeinander abgestimmt sein.
-
9V
+
0,5A
polyfuse
B
red
npn
BC817
1kΩ
LED
C
45V
0,8A
E
Transistor 2
LDR 03
10kΩ
4,7kΩ
npn
B
BC817
1kΩ
10kΩ
C
45V
0,8A
E
Transistor 1
57
9.8 LED einmal invertiert
Da der Spannungsabfall über Dioden (mit 0,7 Volt für Siliziumdioden) konstant ist, werden diese durch den Strom gesteuert.
Stabilisiert man den Stromuss, ändert sich die Helligkeit der LED nicht mehr. Erreicht wird das mit einer Zenerdiode (Z-Diode) und einem
Transistor. Die Z-Diode stabilisiert den Spannungsabfall zwischen Basis- und Emitterkontakt, so dass der Emitterstrom wie folgt berechnet
wird:
Da der Verstärkungsfaktor des Transistors und der Basisstrom konstant sind, ist es der Kollektorstrom ebenfalls, die rote LED leuchtet
stets mit derselben Intensität. Wenn die an der Basis anliegende Spannung mindestens 3,9V erreicht hat, ist der Basisstrom unabhängig
von der Versorgungsspannung.
Es ist darauf zu achten, dass die Zenerdiode in Sperrrichtung betrieben wird! Sie ist nach dem Zener-Effekt benannt, den der amerika-
nische Physiker Clarence Zener erstmalig beschrieben hat. Er fand heraus, dass Elektronen die Halbleiterschichten in Sperrrichtung
durchtunneln können, wenn deren Anreicherung mit positiven bzw. negativen Ladungsträgern sehr hoch ist. Zenerdioden haben eine
spezische Z-Spannung, je nach Herstellung. Unsere Z-Diode hat eine Z-Spannung von 3,9 Volt. Der nächste Versuch 9.10 befasst sich mit
deren Konstanz.
9.9 LED mit Konstantstrom bei 9V Versorgungsspannung
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
+
-
9V
0,5A
polyfuse
1kΩ
100kΩ
1kΩ
LED
red
U
- U
( z )
( T )
1000Ω
I =
3,9V - 0,7V
1000Ω
= = 3,2mA.
KA
Zene r Diode
Z 3,9 V 1W
Das Invertieren von logischen Zuständen erfolgt in der Industrie und Technik in vielen Schaltkreisen. Jetzt veranschaulichen wir das durch
zwei wechselseitig betriebene LEDs. Im Normalzustand bei geöffnetem Schalter, leuchtet die rote LED und die gelbe nicht.
Der Transistor sperrt dann und der Strom ießt über den 1kΩ-Widerstand und die rote LED zur Masse. Durch ein Schließen des Tasters
kann der dazu parallele Stromzweig unter Spannung gesetzt werden, woraufhin die gelbe LED leuchtet und die rote erlischt.
Bei geschlossenem Taster wird der Transistor zwischen Kollektor und Emitter leitend, so dass die Schwellspannung an der roten LED nicht
mehr erreicht wird und diese erlischt. Die invertierende Wirkung von Parallelstromkreisen haben wir schon bei der NICHT-Verknüpfung in
Versuch 5.3 kennengelernt.
polyfuse
9V
0,5A
-
+
LED
yellow
1kΩ
1kΩ
100kΩ
B
BC817
E
npn
45V
0,8A
C
1kΩ
LED
red
58
9.9 LED mit Konstantstrom bei 9V Versorgungsspannung
Da der Spannungsabfall über Dioden (mit 0,7 Volt für Siliziumdioden) konstant ist, werden diese durch den Strom gesteuert.
Stabilisiert man den Stromuss, ändert sich die Helligkeit der LED nicht mehr. Erreicht wird das mit einer Zenerdiode (Z-Diode) und einem
Transistor. Die Z-Diode stabilisiert den Spannungsabfall zwischen Basis- und Emitterkontakt, so dass der Emitterstrom wie folgt berechnet
U
wird:
I =
( z )
- U
( T )
1000Ω
Da der Verstärkungsfaktor des Transistors und der Basisstrom konstant sind, ist es der Kollektorstrom ebenfalls, die rote LED leuchtet
stets mit derselben Intensität. Wenn die an der Basis anliegende Spannung mindestens 3,9V erreicht hat, ist der Basisstrom unabhängig
von der Versorgungsspannung.
Es ist darauf zu achten, dass die Zenerdiode in Sperrrichtung betrieben wird! Sie ist nach dem Zener-Effekt benannt, den der amerikanische Physiker Clarence Zener erstmalig beschrieben hat. Er fand heraus, dass Elektronen die Halbleiterschichten in Sperrrichtung
durchtunneln können, wenn deren Anreicherung mit positiven bzw. negativen Ladungsträgern sehr hoch ist. Zenerdioden haben eine
spezische Z-Spannung, je nach Herstellung. Unsere Z-Diode hat eine Z-Spannung von 3,9 Volt. Der nächste Versuch 9.10 befasst sich mit
deren Konstanz.
3,9V - 0,7V
= = 3,2mA.
1000Ω
+
polyfuse
0,5A
red
npn
B
BC817
1kΩ
LED
C
45V
0,8A
E
1kΩ
100kΩ
KA
9V
-
Zene r Diode
Z 3,9 V 1W
59
9.10 LED mit Konstantstrom bei 18V Versorgungsspannung
Ein klassischer Schaltkreis zur Schwingungserzeugung ist ein Multivibrator. Hier werden zwei Transitoren so gegeneinander geschaltet,
dass sie sich abwechselnd an- und ausschalten. Die Dauer für einen Zyklus wird von dem Lade- bzw. Entladevorgang der Kondensatoren
über deren vorgeschaltete Widerstände bestimmt. Astabile Multivibratoren werden in der Technik zum Erzeugen einer Rechteckspannung
eingesetzt. Wir können den Schaltvorgang gut an den abwechselnd blinkenden LEDs beobachten. Die Wahl der Kapazität der Kondensa-
toren und ihrer dazugehörigen Vor-Widerstände denieren die Periodendauer für einen Schaltvorgang. In unserer Schaltung sind die
Widerstände und Kondensatoren für beide Transistoren gleich. Die Periodendauer berechnet sich daher sehr einfach mit folgender
Gleichung:
T = 2 In(2) R C = 2 In(2) 100kΩ 10µF = 1,39s
Das Experimentierset beinhaltet Kondensator- und Widerstands-Bricks verschiedener Werte. Gerne können die Werte an dieser Stelle
ausgetauscht und somit die Schaltdauer manipuliert werden. Der linke Widerstand und der obere Kondensator steuern das Schaltverhal-
ten des linken Transistors und entgegengesetzt. Bei ungleicher Beschaltung leuchten gelbe und rote LED nicht mehr symmetrisch und
deren Leuchtdauer ändert sich, wenn das Verhältnis von Widerstand zu Kondensator verändert wird. Es ist nicht möglich den Schaltkreis
in einem festen Zustand verharren zu lassen, daher bezeichnet man ihn als astabil.
9.11 Astabiler Multivibrator
* * *
*
*
*
+
-
9V
0,5A
polyfuse
1kΩ
LED
red
1kΩ
LED
yellow
100kΩ
100kΩ
10µF 25V
10µF 25V
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
B
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
Um zu überprüfen, ob der Strom durch die LED konstant bleibt, erhöhen wir nun die Versorgungsspannung auf 18V. Die Teilspannungen
addieren sich in einer Serienschaltung. Das erreichen wir durch eine Serienschaltung von Netzteil- und Batterie-Brick. Hier muss auf die
richtige Polung geachtet werden: Der Minuspol des Batterie-Bricks ist an den Pluspol des Netzteil-Bricks zu schalten!
Die Leuchtintensität der roten LED am Kollektor des Transistors bleibt in etwa gleich.
9V
polyfuse
1A
9V
polyfuse
0,5A
-
+
-
+
100kΩ
Zene r Diode
KA
Z 3,9 V 1W
red
npn
B
BC817
1kΩ
LED
C
0,8A
E
45V
1kΩ
60
9.11 Astabiler Multivibrator
Ein klassischer Schaltkreis zur Schwingungserzeugung ist ein Multivibrator. Hier werden zwei Transitoren so gegeneinander geschaltet,
dass sie sich abwechselnd an- und ausschalten. Die Dauer für einen Zyklus wird von dem Lade- bzw. Entladevorgang der Kondensatoren
über deren vorgeschaltete Widerstände bestimmt. Astabile Multivibratoren werden in der Technik zum Erzeugen einer Rechteckspannung
eingesetzt. Wir können den Schaltvorgang gut an den abwechselnd blinkenden LEDs beobachten. Die Wahl der Kapazität der Kondensatoren und ihrer dazugehörigen Vor-Widerstände denieren die Periodendauer für einen Schaltvorgang. In unserer Schaltung sind die
Widerstände und Kondensatoren für beide Transistoren gleich. Die Periodendauer berechnet sich daher sehr einfach mit folgender
Gleichung:
Das Experimentierset beinhaltet Kondensator- und Widerstands-Bricks verschiedener Werte. Gerne können die Werte an dieser Stelle
ausgetauscht und somit die Schaltdauer manipuliert werden. Der linke Widerstand und der obere Kondensator steuern das Schaltverhalten des linken Transistors und entgegengesetzt. Bei ungleicher Beschaltung leuchten gelbe und rote LED nicht mehr symmetrisch und
deren Leuchtdauer ändert sich, wenn das Verhältnis von Widerstand zu Kondensator verändert wird. Es ist nicht möglich den Schaltkreis
in einem festen Zustand verharren zu lassen, daher bezeichnet man ihn als astabil.
T = 2 In(2) R C = 2 In(2) 100kΩ 10µF = 1,39s
* * *
*
*
*
B
yellow
npn
BC817
0,5A
1kΩ
LED
100kΩ
100kΩ
1kΩ
LED
red
polyfuse
+
9V
-
10µF 25V
npn
45V
C
0,8A
B
E
10µF 25V
B
BC817
45V
C
0,8A
E
61
9.12 Monostabiler Multivibrator
Um eine bistabile Kippstufe zu erhalten, sind die beiden Widerstände der astabilen Kippstufe aus Kapitel 9.11 durch Taster gegen Masse
auszutauschen. Zudem ersetzen, wie in der Abbildung ersichtlich, zwei 100kΩ Widerstände die Kondensatoren in den Transistor-
Verbindungspfaden. Bistabile Kippstufen sind somit von zwei Auslösern (Trigger) gesteuert und liefern zwei entgegengesetzte Ausgangs-
signale. Diese Schaltungen werden auch zum Speichern von Daten verwendet. In unsere Schaltung sind die "Trigger" als Taster einge-
bracht. Wird der rechte Taster betätigt, leuchtet die gelbe LED und die rote erlischt. Der linke Taster lässt die rote LED leuchten und die
gelbe erlöschen. Jeder Trigger steuert beide Ausgangssignale genau entgegengesetzt. Diese Schaltkreise werden auch als Flip-Flop
bezeichnet. Bei unbetätigtem Taster leuchtet die zuletzt angesprochene LED. Der letzte Zustand wird gespeichert, auch wenn keine
weitere Eingabe erfolgt, solange bis wieder ein Triggersignal anliegt. In der Technik werden diese Schaltungen als R/S-Flip-Flop (Reset
bzw. Set) bezeichnet und nden u.a. in der Automatisierung eine breite Verwendung. Ihr Vorteil gegenüber anderen Schaltung ist, dass
das Start- oder Triggersignal nicht permanent anliegen muss, ein kleiner Impuls genügt und z.B. das Garagentor öffnet sich bis ein
Endlagenschalter den Reset-Trigger betätigt und das Tor an der gewünschten Position stoppt.
9.13 Bistabiler Multivibrator
+
-
9V
0,5A
polyfuse
1kΩ
LED
red
1kΩ
LED
yellow
100kΩ
100kΩ
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
B
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
Im Gegensatz zu Kapitel 9.11 benötigt der monostabile Multivibrator wie in nachfolgender Abbildung dargestellt in einem der TransistorVerbindungspfade einen Widerstand anstelle des Kondensators. Zudem ist zwischen Basiskontakt des ersten Transistors und dessen
Widerstand ein Taster vorgesehen. Ein monostabiler Multivibrator kennt genau einen Zustand in dem er verharrt. Dieser tritt ein, wenn
der Schaltkreis einen Zyklus durchlaufen hat. Der linke Transistor ist hier dominant, da er nicht mehr von einem Kondensator gesteuert
wird, sondern direkt über den Taster. Bei geöffnetem Taster leuchtet nur die rote LED. Wird der Taster gedrückt, so wird die rote LED
dunkel und die gelbe LED leuchtet. Wenn man die Taste sofort wieder loslässt, leuchtet die gelbe LED eine Weile weiter und die rote
bleibt für diese Zeit dunkel. Hält man die Taste länger gedrückt, so bleibt die gelbe LED solange an, bis diese Taste losgelassen wird.
Gleichzeitig bleibt die rote LED solange dunkel, bis die durch den Kondensator denierten Zeit abgelaufen ist.
Nun ist der stabile Zustand erreicht und die rote LED leuchtet permanent. Durch wiederholtes Drücken des Tasters, können Pulse erzeugt
werden. Dieser Vorgang nennt sich Triggern (Auslösen). Mit Triggersignalen werden an monostabilen Multivibratoren in der Technik Pulse
erzeugt. Die rote LED leuchtet auch im ausgeschalteten Zustand sehr schwach, da ein geringer Stromuss über die Basis des linken
Transistors erfolgt.
Hier bietet es sich an frei zu experimentieren, denn das Set enthält dafür viele relevante Bricks.
B
npn
yellow
BC817
1kΩ
LED
0,5A
100kΩ
100kΩ
1kΩ
LED
red
polyfuse
9V
+
-
45V
C
0,8A
E
45V
C
0,8A
B
E
10kΩ
10µF 25V
npn
B
BC817
62
9.13 Bistabiler Multivibrator
Um eine bistabile Kippstufe zu erhalten, sind die beiden Widerstände der astabilen Kippstufe aus Kapitel 9.11 durch Taster gegen Masse
auszutauschen. Zudem ersetzen, wie in der Abbildung ersichtlich, zwei 100kΩ Widerstände die Kondensatoren in den TransistorVerbindungspfaden. Bistabile Kippstufen sind somit von zwei Auslösern (Trigger) gesteuert und liefern zwei entgegengesetzte Ausgangssignale. Diese Schaltungen werden auch zum Speichern von Daten verwendet. In unsere Schaltung sind die "Trigger" als Taster eingebracht. Wird der rechte Taster betätigt, leuchtet die gelbe LED und die rote erlischt. Der linke Taster lässt die rote LED leuchten und die
gelbe erlöschen. Jeder Trigger steuert beide Ausgangssignale genau entgegengesetzt. Diese Schaltkreise werden auch als Flip-Flop
bezeichnet. Bei unbetätigtem Taster leuchtet die zuletzt angesprochene LED. Der letzte Zustand wird gespeichert, auch wenn keine
weitere Eingabe erfolgt, solange bis wieder ein Triggersignal anliegt. In der Technik werden diese Schaltungen als R/S-Flip-Flop (Reset
bzw. Set) bezeichnet und nden u.a. in der Automatisierung eine breite Verwendung. Ihr Vorteil gegenüber anderen Schaltung ist, dass
das Start- oder Triggersignal nicht permanent anliegen muss, ein kleiner Impuls genügt und z.B. das Garagentor öffnet sich bis ein
Endlagenschalter den Reset-Trigger betätigt und das Tor an der gewünschten Position stoppt.
B
npn
yellow
BC817
0,5A
1kΩ
LED
1kΩ
LED
red
polyfuse
+
9V
-
100kΩ
npn
45V
C
0,8A
B
100kΩ
E
B
BC817
45V
C
0,8A
E
63
10. JFET - Sperrschichtfeldeffekttransistor
11. MOSFET
11.1 MOSFET Funktion
Ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) hat an seinem Gate-Kontakt einen sehr hohen ohmschen Widerstand.
Eine Gate-Spannung baut wie bei einem Kondensator ein elektrisches Feld auf, wobei der darunter liegende Kanal zwischen Source und
Drain leitend wird. Der hohe Gate-Widerstand ist damit erklärbar, dass nur ein elektrisches Feld aufgebaut werden muss, nicht aber, wie
bei einem Bipolartransistor (z.B. unser BC817), Ladungsträger über den Basis-Kontakt in die Halbleiterschicht eingebracht werden
müssen, um einen Leitungsvorgang an den Arbeitskontakten zu ermöglichen. Das Schaltsymbol verdeutlicht das durch die Trennung des
Gate von Source und Drain. Es gibt verschiedene Arten von MOSFET Typen. Unterschieden werden sie nach der Dotierung des Kanals in
n- und p- Kanal sowie in leitend oder nichtleitend. Unser MOSFET ist ein nichtleitender n-Kanal Transistor. Das ist am Schaltsymbol zu
erkennen, da die Linie zwischen Source und Drain unterbrochen ist, was für nichtleitend steht und der Pfeil nach innen weist, was n-Kanal
bedeutet. Unser MOSFET lässt also einen Stromuss zu, wenn eine positive Gate-Spannung angelegt ist, andernfalls sperrt er. In unserem
Schaltungsaufbau wird diese durch das Potentiometer eingestellt. Der MOSFET wird leitend und die rote LED beginnt zu leuchten, wenn
wir den Drehknopf von links nach rechts verstellen.
1kΩ
LED
red
1kΩ
+
-
9V
0,5A
polyfuse
10kΩ
G
S
D
n-MOS
2N7002
G
Die Abkürzung JFET steht für „Feld-Effekt-Transistor mit verbundenem Gate“. Im vorliegenden Versuch ndet der n-Kanal JFET J310
Verwendung. Feldeffekttransistoren nutzen negative Spannung an ihrem Gate-Anschluss, um den Stromuss zwischen ihren Drain- und
Source-Kontakten zu steuern. Ist die Gate-Spannung 0V, verhält sich der FET wie ein normaler ohmscher Widerstand und es ndet keine
Beeinussung des Stromes zwischen den Drain- und Sourceanschlüssen statt. Die steuerende Gatespannung muss negativ sein, da bei
positiver Gatespannung ein unerwünschter Stromuss an ihr resultiert. Dafür nden, wie in der Abbildung ersichtlich, zwei entgegengesetzt geschaltete Netzteile Verwendung. Diese richten einen Spannungsbereich von -9V bis +9V ein. Bezugspotential bleibt allerdings
Masse, also 0V. Um einen unzulässig hohen Gatestrom zu verhindern, ist am Gate-Kontakt ein 100kΩ-Widerstand eingebracht. Das
Potentiometer steuert nun indirekt den Stromuss über unsere rote LED. Ist der Drehknopf am rechten Anschlag, sperrt der FET, da die
Source-Drain-Strecke in ihm hochohmig wird. Ist der Drehknopf am linken Anschlag wird der Stromuss zwischen Source und Drain nicht
mehr behindert und die rote LED leuchtet mit maximaler Intensität. Der in diesem Versuch verwendete JFET J310 wird in HochfrequenzVorverstärkern, den LNAs (Low-Noise-Amplier), eingesetzt, um eine sehr gute Signalqualität zu gewährleisten.
-
+
1A
9V
polyfuse
1kΩ
1kΩ
LED
red
J310 n-JFET
D
G
S
100kΩ
10kΩ
-
9V
+
0,5A
polyfuse
64
Achtung Minuspol
11. MOSFET
11.1 MOSFET Funktion
Ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) hat an seinem Gate-Kontakt einen sehr hohen ohmschen Widerstand.
Eine Gate-Spannung baut wie bei einem Kondensator ein elektrisches Feld auf, wobei der darunter liegende Kanal zwischen Source und
Drain leitend wird. Der hohe Gate-Widerstand ist damit erklärbar, dass nur ein elektrisches Feld aufgebaut werden muss, nicht aber, wie
bei einem Bipolartransistor (z.B. unser BC817), Ladungsträger über den Basis-Kontakt in die Halbleiterschicht eingebracht werden
müssen, um einen Leitungsvorgang an den Arbeitskontakten zu ermöglichen. Das Schaltsymbol verdeutlicht das durch die Trennung des
Gate von Source und Drain. Es gibt verschiedene Arten von MOSFET Typen. Unterschieden werden sie nach der Dotierung des Kanals in
n- und p- Kanal sowie in leitend oder nichtleitend. Unser MOSFET ist ein nichtleitender n-Kanal Transistor. Das ist am Schaltsymbol zu
erkennen, da die Linie zwischen Source und Drain unterbrochen ist, was für nichtleitend steht und der Pfeil nach innen weist, was n-Kanal
bedeutet. Unser MOSFET lässt also einen Stromuss zu, wenn eine positive Gate-Spannung angelegt ist, andernfalls sperrt er. In unserem
Schaltungsaufbau wird diese durch das Potentiometer eingestellt. Der MOSFET wird leitend und die rote LED beginnt zu leuchten, wenn
wir den Drehknopf von links nach rechts verstellen.
-
9V
+
0,5A
polyfuse
1kΩ
1kΩ
LED
red
D
10kΩ
G
2N7002
G
S
n-MOS
65
11.2 MOSFET als Schalter
Der Versuch besteht wie in nachfolgender Abbildung ersichtlich aus einer Serienschaltung von Versorgungs-, LED-, NMOS- und zugehö-
rigen Masse-Bricks als Abschluss auf beiden Seiten. Hierbei ist der Drain-Kontakt des Transistor über die LED an den Plus-Pol der Versor-
gung anzuschließen und Source zu Erden (Masse-Brick). Der MOSFET ist so hochohmig, dass seine Sensibilität genügt, um ein Entsperren
nur durch Berührung mit dem Finger zu erreichen. Dabei werden geringste Ladungsmengen, die uns überall umgeben, in das Gate des
MOSFETs geladen und bewirken einen Schaltvorgang. Die Ladungsmengen resultieren aus dem normalen Stromnetz oder sind statische
Ladungen, die eine Potentialdifferenz zu unserem MOSFET aufgebaut haben. Der MOSFET kann schon durch einen Funkenschlag zerstört
werden. Daher setzen Sie sich bitte auf einen Stuhl und berühren den Batteriebrick bevor sie den Gate-Kontakt streifen. Wenn die LED
erlischt nachdem Sie den Kontakt wieder losgelassen haben, können Sie den Vorgang wiederholen. Bleibt die rote LED jedoch an, ist, wie
bei einem Kondensator, genug Ladung gespeichert und die LED erlischt erst, wenn diese langsam abgeossen ist.
Bitte gehen Sie unbedingt vorsichtig vor, der MOSFET kann durch statische Ladungen zerstört werden!
11.3 Simple NMOS touch Sensor
1kΩ
LED
red
+
-
9V
0,5A
polyfuse
G
S
D
n-MOS
SPD04N80C3
800V
4A
Wie bei unserem Bipolartransistor BC817, können wir den MOSFET auch als Schalter verwenden. Die großen Widerstandwerte des
Spannungsteilers am Gate-Kontakt lassen nur einen sehr kleinen Stromuss zu, legen aber durch ihr Widerstandverhältnis vorgegeben,
die halbe Versorgungsspannung von 4,5 Volt an diesen an. Das elektrische Feld am Gate-Kontakt ist groß genug, um die rote LED zum
Leuchten zu bringen bzw. den MOSFET zu entsperren, wenn der Taster betätigt ist.
-
9V
+
0,5A
polyfuse
100kΩ
100kΩ
LED
red
G
SPD04N80C3
1kΩ
800V
D
4A
n-MOS
S
66
11.3 Simple NMOS touch Sensor
Der Versuch besteht wie in nachfolgender Abbildung ersichtlich aus einer Serienschaltung von Versorgungs-, LED-, NMOS- und zugehörigen Masse-Bricks als Abschluss auf beiden Seiten. Hierbei ist der Drain-Kontakt des Transistor über die LED an den Plus-Pol der Versorgung anzuschließen und Source zu Erden (Masse-Brick). Der MOSFET ist so hochohmig, dass seine Sensibilität genügt, um ein Entsperren
nur durch Berührung mit dem Finger zu erreichen. Dabei werden geringste Ladungsmengen, die uns überall umgeben, in das Gate des
MOSFETs geladen und bewirken einen Schaltvorgang. Die Ladungsmengen resultieren aus dem normalen Stromnetz oder sind statische
Ladungen, die eine Potentialdifferenz zu unserem MOSFET aufgebaut haben. Der MOSFET kann schon durch einen Funkenschlag zerstört
werden. Daher setzen Sie sich bitte auf einen Stuhl und berühren den Batteriebrick bevor sie den Gate-Kontakt streifen. Wenn die LED
erlischt nachdem Sie den Kontakt wieder losgelassen haben, können Sie den Vorgang wiederholen. Bleibt die rote LED jedoch an, ist, wie
bei einem Kondensator, genug Ladung gespeichert und die LED erlischt erst, wenn diese langsam abgeossen ist.
Bitte gehen Sie unbedingt vorsichtig vor, der MOSFET kann durch statische Ladungen zerstört werden!
-
+
1kΩ
LED
red
G
SPD04N80C3
9V
0,5A
polyfuse
800V
D
4A
S
n-MOS
67
12. Spezial-Halbleiter
Weitere elektronische Bauelemente mit besonderen Eigenschaften, wie hoher Stromfestigkeit, sind der Thyristor und der TRIAC.
Der Thyristor benötigt ebenfalls eine positive Zündspannung, vergleichbar mit der Steuerspannung am PUT, um zu entsperren, und bleibt
dann leitend bis er "gelöscht" wird. Bei einer Wechselspannung am Gate-Kontakt wird der Thyristor permanent "gelöscht" und wieder
gezündet, man spricht hier von einer Phasenanschnittsteuerung. Diese wird am Gate-Kontakt angelegt, um einen Stromuss zwischen
Anode und Kathode zu ermöglichen. Der TRIAC aber kann positive wie negative Zündspannungen am Gate-Kontakt verarbeiten und wird
damit in beide Richtungen zwischen seinen Arbeitskontakten (A1 und A2) leitend. Das ndet in der Wechselstromtechnik eine breite
Anwendung. So kann die Helligkeit eines mit Wechselspannung betriebenen Leuchtmittels durch Dimmen so geregelt werden, dass kaum
Energie verloren geht, wie es z.B. bei einer Regelung über einen veränderbaren Vorwiderstand geschieht. Wir haben in unserer Schaltung
einen Thyristor aus zwei entgegengesetzt aufgebauten Transistoren nachgebildet, einem pnp- und einem npn-Transistor. Ist die Versor-
gungsspannung an Schalter S1 angelegt, wird der Thyristor durch Drücken des Tasters S2 gezündet, und die rote LED leuchtet. Jetzt kann
die LED nur durch ein Unterbrechen der Versorgungsspannung ausgeschaltet werden, der Thyristor wurde dann "gelöscht".
Dieser Vorgang ist beliebig wiederholbar.
12.2 Thyristor im Ersatzschaltbild
1kΩ
100kΩ
BC807
B
E
C
pnp
+
-
9V
0,5A
polyfuse
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
100nF 50V
S2
S1
10kΩ
LED
red
12.1 PUT - Progammable Unijunction Transistor
PUT steht für progammierbarer Unijunction Transistor. Er besteht aus drei Anschlüssen, der Anode, der Kathode und dem Gate. In
Durchlassrichtung gepolt, verhält er sich wie eine Diode mit hoher Schwellspannung, in Sperrrichtung ndet kein Stromuss statt.
Die Schwellspannung kann manipuliert werden in dem am Gate-Kontakt eine positive Spannung angelegt wird. Daher wird er als
programmierbar bezeichnet. PUTs werden zum Erzeugen von Schwingungen eingesetzt. Parallel zum PUT ist ein Kondensator verbaut.
Dieser wird von der Spannungsquelle bis zum Erreichen der Schwellspannung geladen.
Nach Erreichen der Schwellspannung entlädt sich der Kondensator über PUT und der roten LED, was den Ladevorgang durch die Batterie
erneut ermöglicht. Er schwingt jetzt mit einer bestimmten Frequenz. Das ist möglich, da die Spannung nach dem Erreichen der Schwellspannung absinken kann und der PUT weiterhin leitend bleibt bis fast 0V erreicht sind. In unserer Schaltung stellen wir die Schwellspannung am Potentiometer ein. Die rote LED blinkt mit zunehmender Frequenz, wenn der Drehknopf gegen den Uhrzeigersinn verstellt wird.
Für Neugierige: Die Frequenz bei
Mittelstellung des Potentiometers ist:
+
-
9V
1
f =
R C (ln( )
* *
1-
1
η
1
= = ca. 1,04Hz
100kΩ
10µF (In2,61)
*
5kΩ + 4,7kΩ
η =
4,7kΩ + 10kΩ + 1kΩ
η = ca. 0,617
4,7kΩ
10kΩ
4,7kΩ
100kΩ
10µF 2 5V
A
G
K
2N6027
red
PUT Unijunction
LED
68
12.2 Thyristor im Ersatzschaltbild
Weitere elektronische Bauelemente mit besonderen Eigenschaften, wie hoher Stromfestigkeit, sind der Thyristor und der TRIAC.
Der Thyristor benötigt ebenfalls eine positive Zündspannung, vergleichbar mit der Steuerspannung am PUT, um zu entsperren, und bleibt
dann leitend bis er "gelöscht" wird. Bei einer Wechselspannung am Gate-Kontakt wird der Thyristor permanent "gelöscht" und wieder
gezündet, man spricht hier von einer Phasenanschnittsteuerung. Diese wird am Gate-Kontakt angelegt, um einen Stromuss zwischen
Anode und Kathode zu ermöglichen. Der TRIAC aber kann positive wie negative Zündspannungen am Gate-Kontakt verarbeiten und wird
damit in beide Richtungen zwischen seinen Arbeitskontakten (A1 und A2) leitend. Das ndet in der Wechselstromtechnik eine breite
Anwendung. So kann die Helligkeit eines mit Wechselspannung betriebenen Leuchtmittels durch Dimmen so geregelt werden, dass kaum
Energie verloren geht, wie es z.B. bei einer Regelung über einen veränderbaren Vorwiderstand geschieht. Wir haben in unserer Schaltung
einen Thyristor aus zwei entgegengesetzt aufgebauten Transistoren nachgebildet, einem pnp- und einem npn-Transistor. Ist die Versorgungsspannung an Schalter S1 angelegt, wird der Thyristor durch Drücken des Tasters S2 gezündet, und die rote LED leuchtet. Jetzt kann
die LED nur durch ein Unterbrechen der Versorgungsspannung ausgeschaltet werden, der Thyristor wurde dann "gelöscht".
Dieser Vorgang ist beliebig wiederholbar.
S1
0,5A
polyfuse
9V
+
LED
red
100kΩ
S2
-
BC807
10kΩ
100nF 50V
E
C
1kΩ
B
pnp
npn
C
B
45V
0,8A
E
BC817
69
13. Timer 555
Mit dem Timer-Brick ist es leicht einen monostabilen Multivibrator zu realisieren. Nach kurzem drücken der Taste, leuchtet die rote LED
solange auf, bis der Kondensator die Triggerschwelle des Timers erreicht hat. Wird die Taste längere Zeit gedrückt, bleibt die rote LED
solange an, bis die Taste losgelassen wird.
13.2 Timer monostabil
+
-
9V
0,5A
polyfuse
1kΩ
LED
red
1kΩ
100kΩ
RESET +5V-15V
DISCH
THRES
TRIG CONT
OUT
TIMER
555
LED
7
6
4 8
3
52
10µF 25V
Der Timer 555 ist ein integrierter Schaltkreis, der für zeitabhängige Steuerungen eingesetzt wird. In ihm ist eine klassische Schaltung
realisiert, die für vielfältigste Aufgaben Verwendung ndet.
13.1 Timer astabil
Der klassische Oszillator! Der Timer 555 kann sowohl die maximale als auch minimale Versorgungsspannung an seinem Ausgang über
das Widerstandsverhältnis des 10kΩ- und 100kΩ-Widerstand zu der Kapazität des zugeschalteten Kondensators steuern. Während des
Ladevorgangs des Kondensators über die beiden Widerstände legt der Timer 555 die Versorgungsspannung an seinem Ausgang an.
Wenn der Kondensator geladen ist, beginnt der Entladevorgang über den 100 kΩ-Widerstand bis dieser entladen ist und der Vorgang
startet erneut. Die erzeugte Schwingung ist ein Rechtecksignal, da der Timer 555 zwischen Versorgungsspannung und Masse umschaltet.
Die rote LED blinkt solange der Timer 555 an die Spannung angeschlossen ist, daher ist diese Betriebsart astabil. Die Leuchtdauer ist um
10 Prozent größer als die dunkle Phase der LED. Beide Phasen zusammen bestimmen die Periodendauer.
Sie lässt sich wie folgt berechnen:
T = (R + 2 R ) C ln(2) = (10kΩ + 2 100kΩ) 10µF ln(2) = ca.1,5s
1 2* * * * * *
100kΩ
10kΩ
7
6
-
+
4 8
RESET +5V-15V
DISCH
TIMER
THRES
TRIG CONT
555
9V
0,5A
polyfuse
3
OUT
LED
52
1kΩ
LED
red
70
10µF 25V
13.2 Timer monostabil
Mit dem Timer-Brick ist es leicht einen monostabilen Multivibrator zu realisieren. Nach kurzem drücken der Taste, leuchtet die rote LED
solange auf, bis der Kondensator die Triggerschwelle des Timers erreicht hat. Wird die Taste längere Zeit gedrückt, bleibt die rote LED
solange an, bis die Taste losgelassen wird.
10µF 25V
1kΩ
100kΩ
-
+
RESET +5V-15V
7
DISCH
THRES
6
4 8
TIMER
555
TRIG CONT
9V
0,5A
polyfuse
3
OUT
LED
52
1kΩ
LED
red
71
13.3 Timer bistabil
Die Darstellung eines Flip-Flops mit Hilfe unseres Timer 555-Bricks ist in der nun folgenden Schaltung ohne zusätzliche elektronische
Bauelemente realisiert. Man kann das SET-Signal direkt mit dem Trigger-Eingang auf Masse setzen. Hier erfolgt ein Einschalten der
Ausgangsspannung, wenn die Spannung am Trigger-Eingang 1/3 der Versorgungsspannung unterschreitet. Das Set-Signal wird wieder
zurückgesetzt, wenn der Reset-Eingang auf Masse bezogen wird, also beim Betätigen des linken oberen Tasters, und die rote LED erlischt
wieder. Alle Zustände bleiben am Eingang gespeichert bis eine alternative Eingabe erfolgt
13.4 Timer 555 bistabil - Alternative 1
+
-
9V
0,5A
polyfuse
1kΩ
LED
red
RESET +5V-15V
DISCH
THRES
TRIG CONT
OUT
TIMER
555
LED
7
6
4 8
3
52
100kΩ
Unseren Timer-Brick verwenden wir nun als Flip-Flop und steuern so das Ausgangssignal, das solange erhalten bleibt, bis eine andere
Eingabe erfolgt. Mit dem rechten Taster, unter dem 100kΩ-Widerstand, bringen wir die rote LED zum Leuchten. Wird der Kontakt über
ihm wieder getrennt, leuchtet die LED weiterhin. Die entgegengesetzte Eingabe über den anderen Taster lässt sie erlöschen.
Das Signal ist nun zurückgesetzt und bleibt ebenfalls erhalten bis eine alternative Eingabe erfolgt. Zum Zurücksetzen wird der sog.
"Threshold"-Eingang verwendet (deutsch: Schwelle)
-
9V
+
0,5A
polyfuse
100kΩ
7
DISCH
THRES
6
4 8
RESET +5V-15V
TIMER
555
TRIG CONT
52
OUT
LED
100kΩ
3
1kΩ
LED
red
72
13.4 Timer 555 bistabil - Alternative 1
Die Darstellung eines Flip-Flops mit Hilfe unseres Timer 555-Bricks ist in der nun folgenden Schaltung ohne zusätzliche elektronische
Bauelemente realisiert. Man kann das SET-Signal direkt mit dem Trigger-Eingang auf Masse setzen. Hier erfolgt ein Einschalten der
Ausgangsspannung, wenn die Spannung am Trigger-Eingang 1/3 der Versorgungsspannung unterschreitet. Das Set-Signal wird wieder
zurückgesetzt, wenn der Reset-Eingang auf Masse bezogen wird, also beim Betätigen des linken oberen Tasters, und die rote LED erlischt
wieder. Alle Zustände bleiben am Eingang gespeichert bis eine alternative Eingabe erfolgt
7
DISCH
THRES
6
4 8
RESET +5V-15V
TIMER
555
TRIG CONT
52
-
9V
+
0,5A
polyfuse
3
OUT
LED
100kΩ
1kΩ
LED
red
73
13.5 Timer 555 bistabil - Alternative 2
Vorsicht: Über dem Transistor können gesundheitsgefährliche Spannungen auftreten. Die Glimmlampe wird hier u.a. als Begrenzung der
maximalen Spannung verwendet, daher diese nicht abklemmen sowie die Schaltung nicht in Dauerbetrieb lassen.
Der Timer-Brick gibt hier die Frequenz vor, mit der der Transistor die Spule lädt und wieder entlädt. Er alterniert an seinem Ausgang
zwischen Versorgungsspannung und Masse, so dass ein langsames Ansteuern des Transistors nicht möglich ist. Da die Änderung des
Stromusses in sehr kurzer Zeit erfolgt, ist die Indunktionsspannung sehr hoch. Die Schaltfrequenz ist mit ca. 670Hz zu hoch, um sie mit
bloßem Auge wahrzunehmen. Die Glimmlampe wird mit der über die Diode gleichgerichteten und von dem 10µF-Kondensator gespeicher-
ten Spannung betrieben. Der Kondensator ist notwendig, da die Energiemenge eines Spannungsstoßes der Spule noch nicht genügt, um
die Glimmlampe zum Leuchten zu bringen. Er speichert solange Energie, bis die Zündspannung der Glimmlampe von ca. 60V erreicht ist.
Nach dem Zünden ist der Kondensator wieder entladen und der Vorgang beginnt erneut. Das Interessante an dieser Schaltung ist, dass sie
eine höhere Spannung erzeugen kann, als von der Spannungsquelle vorgegeben ist. (Anzumerken ist an dieser Stelle, dass die Energie
dieselbe bleibt und selbstverständlich aus der Batterie im Batterie-Brick entnommen wird). Das Erhöhen der Spannung durch eine
Kombination von Spule und Kondensator wird z.B. bei Leuchtstoffröhren, der Hintergrundbeleuchtung von TFTs oder LCDs genutzt.
In der Technik werden diese Schaltungen als Upconverter (Aufwärtswandler) oder Booster (Verstärker) bezeichnet und in Wandlern oder
Schaltnetzteilen, wie das im Computer, verwendet. Die Stabilisierung der Ausgangsspannung ist sehr wichtig und erfolgt hier über die
Glimmlampe. Mit dem Kondensator am Eingang des Timer-Bricks kann die Schaltfrequenz verändert werden. Der Zusammenhang
zwischen Widerstand und Kondensator deniert die Frequenz wie schon in Versuch 13.1 dargestellt.
13.6 Timer 555 als Spannungsgenerator
Achtung: Diesen Versuch nicht mit dem Netzteil betreiben!
+
-
9V
0,5A
polyfuse
RESET +5V-15V
DISCH
THRES
TRIG CONT
OUT
TIMER
555
LED
7
6
4 8
3
52
10kΩ
100kΩ
1kΩ
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
10µF 2 5V
10nF
Neon I ndicator
0,25mA, 60V
KA
Si Diode
1N400 4
Es verändert sich die Schaltfrequenz und damit
indirekt die Helligkeit der Glimmlampe!
10mH
50mA
Der Timer-Brick kann auch anders beschaltet werden und seine Funktion als Flip-Flop beibehalten. Das Zurücksetzen der Eingabe wird hier
durch den Resest-Eingang anstelle des "Threshold"-Eingangs ermöglicht. Die rote LED erlischt, wenn der linke Taster betätigt wird.
Auch hier bleiben alle Signale am Ausgang erhalten bis eine alternative Eingabe erfolgt. Die Wahl des Schaltelementes ist hierbei beliebig.
Neben den hier verwendeten Tastern, eignen sich je nach Zweckmäßigkeit und Verwendung auch MOSFETS oder andere elektronische
Schaltelemente.
100kΩ
0,5A
polyfuse
+
-
9V
4 8
RESET +5V-15V
7
DISCH
THRES
6
TIMER
555
TRIG CONT
52
3
OUT
LED
100kΩ
1kΩ
LED
red
74
13.6 Timer 555 als Spannungsgenerator
Achtung: Diesen Versuch nicht mit dem Netzteil betreiben!
Vorsicht: Über dem Transistor können gesundheitsgefährliche Spannungen auftreten. Die Glimmlampe wird hier u.a. als Begrenzung der
maximalen Spannung verwendet, daher diese nicht abklemmen sowie die Schaltung nicht in Dauerbetrieb lassen.
Der Timer-Brick gibt hier die Frequenz vor, mit der der Transistor die Spule lädt und wieder entlädt. Er alterniert an seinem Ausgang
zwischen Versorgungsspannung und Masse, so dass ein langsames Ansteuern des Transistors nicht möglich ist. Da die Änderung des
Stromusses in sehr kurzer Zeit erfolgt, ist die Indunktionsspannung sehr hoch. Die Schaltfrequenz ist mit ca. 670Hz zu hoch, um sie mit
bloßem Auge wahrzunehmen. Die Glimmlampe wird mit der über die Diode gleichgerichteten und von dem 10µF-Kondensator gespeicherten Spannung betrieben. Der Kondensator ist notwendig, da die Energiemenge eines Spannungsstoßes der Spule noch nicht genügt, um
die Glimmlampe zum Leuchten zu bringen. Er speichert solange Energie, bis die Zündspannung der Glimmlampe von ca. 60V erreicht ist.
Nach dem Zünden ist der Kondensator wieder entladen und der Vorgang beginnt erneut. Das Interessante an dieser Schaltung ist, dass sie
eine höhere Spannung erzeugen kann, als von der Spannungsquelle vorgegeben ist. (Anzumerken ist an dieser Stelle, dass die Energie
dieselbe bleibt und selbstverständlich aus der Batterie im Batterie-Brick entnommen wird). Das Erhöhen der Spannung durch eine
Kombination von Spule und Kondensator wird z.B. bei Leuchtstoffröhren, der Hintergrundbeleuchtung von TFTs oder LCDs genutzt.
In der Technik werden diese Schaltungen als Upconverter (Aufwärtswandler) oder Booster (Verstärker) bezeichnet und in Wandlern oder
Schaltnetzteilen, wie das im Computer, verwendet. Die Stabilisierung der Ausgangsspannung ist sehr wichtig und erfolgt hier über die
Glimmlampe. Mit dem Kondensator am Eingang des Timer-Bricks kann die Schaltfrequenz verändert werden. Der Zusammenhang
zwischen Widerstand und Kondensator deniert die Frequenz wie schon in Versuch 13.1 dargestellt.
polyfuse
9V
0,5A
-
+
100kΩ
10kΩ
4 8
RESET +5V-15V
7
DISCH
THRES
6
10nF
TIMER
555
TRIG CONT
3
OUT
LED
52
10mH
50mA
1kΩ
npn
B
BC817
45V
Si Diode
KA
1N400 4
C
0,8A
E
0,25mA, 60V
10µF 2 5V
Neon I ndicator
Es verändert sich die Schaltfrequenz und damit
indirekt die Helligkeit der Glimmlampe!
75
14. Logikschaltungen
Es ist auch leicht eine ODER-Verknüpfung zu realisieren. Welche einfacher zu verstehen ist, als die vorangegangene UND-Schaltung.
Wir tauschen hier nur ein paar Bricks um.
In der Technik werden diese Schaltung problematisch, da die Ausgangsspannungen (Pegel) nicht mehr kompatibel sind, um mehrere
Logikschaltungen zusammen in Funktion zu bringen. Zusätzliche Transistoren versprechen hier Abhilfe. Diese verstärken die Ausgangs-
signale wieder und man erhält dann eine DTL-Logik (Dioden-Transistor-Logik). In der folgenden Schaltung ist es gleich welcher Taster
betätigt wird. Die rote Diode leuchtet immer, wenn einer oder beide kontaktiert werden. Ist kein Taster betätigt, leuchtet die Diode nicht.
Wir haben also die ODER-Funktion realisiert.
14.2 Ein ODER mit Dioden
1kΩ
LED
red
+
-
9V
0,5A
polyfuse
KA
Si Diode
1N4148
KA
Si Diode
1N4148
14.1 Ein UND mit Dioden
Eine UND-Verknüpfung ist hier mit Dioden realisiert. Zu den Anfängen der Computertechnik wurden Schaltzustände noch nicht mit
Transistoren verwirklicht, sondern mit Dioden, auf DTL-Weise. (Dioden-Transistor-Logik). Die UND- sowie ODER-Verknüpfungen lassen
sich leicht umsetzen. Sind die Taster geöffnet, ießt der Strom durch die in Durchlassrichtung gepolten Dioden und der Spannungsabfall
ist nicht groß genug um die rote LED zum Leuchten zu bringen. Hier ist es gleich welcher Taster geschlossen wird. Solange eine Diode
offen bleibt, stabilisiert diese den Spannungsabfall. Erst wenn beide Taster geschlossen werden, überbrücken diese die Dioden, so dass
die rote LED über den 10kΩ-Widerstand in Betrieb genommen wird.
-
9V
+
0,5A
polyfuse
330Ω
KA
1N4148
Si Diode
10kΩ
1kΩ
LED
1N4148
Si Diode
KA
1kΩ
Hinweis! Die Widerstände von
330Ω und 1kΩ sollten in der Praxis
red
gleich sein.
76
14.2 Ein ODER mit Dioden
Es ist auch leicht eine ODER-Verknüpfung zu realisieren. Welche einfacher zu verstehen ist, als die vorangegangene UND-Schaltung.
Wir tauschen hier nur ein paar Bricks um.
In der Technik werden diese Schaltung problematisch, da die Ausgangsspannungen (Pegel) nicht mehr kompatibel sind, um mehrere
Logikschaltungen zusammen in Funktion zu bringen. Zusätzliche Transistoren versprechen hier Abhilfe. Diese verstärken die Ausgangssignale wieder und man erhält dann eine DTL-Logik (Dioden-Transistor-Logik). In der folgenden Schaltung ist es gleich welcher Taster
betätigt wird. Die rote Diode leuchtet immer, wenn einer oder beide kontaktiert werden. Ist kein Taster betätigt, leuchtet die Diode nicht.
Wir haben also die ODER-Funktion realisiert.
-
+
Si Diode
1N4148
9V
0,5A
polyfuse
KA
KA
Si Diode
1N4148
1kΩ
LED
red
77
14.3 NAND-Schaltung mit Transistoren
Die NICHTODER-Verknüpfung ist neben der NICHTUND-Verknüpfung, der zweite elementare Logikbaustein. Sie wird in sogenannten
Gattern, den NOR-Gattern, aus elektronischen Schaltern aufgebaut. An ihr ist die Einfachheit der Grundprinzipien in der Schaltungselek-
tronik gut zu erkennen. Während die NAND-Verknüpfung zwei seriell geschaltete Transistoren parallel zum Ausgang der LED hat, ist die
NOR-Verknüpfung durch zwei parallel geschaltete Transistoren parallel zum Ausgang umgesetzt und verwirklicht damit elementar die
Funktion der Schaltung. Die rote LED erlischt dann, wenn einer oder beide Taster betätigt sind.
14.4 NOR-Schaltung
1kΩ
LED
red
+
-
9V
0,5A
polyfuse
4,7kΩ
4,7kΩ
1kΩ
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
Taster1
Ein (1)
AUS (0) AUS (0)
Ein (1)Ein (1)
AUS (0)
AUS (0)
Ein (1)
Ein (1)
AUS (0)
AUS (0)
AUS (0)
Taster2 Rote LED
Die rote LED leuchtet nur bei der Schalterstellung, die in der ersten Zeile der Tabelle dargestellt ist. Sie leuchtet also dann nicht wenn
Taster 1 ODER Taster 2 ODER beide betätigt sind.
Die NICHTUND-Verknüpfung ist eines der am häugsten verwendeten Logikelemente. Sie wird in sogenannten Gattern, den NANDGattern, aus elektronischen Schaltern aufgebaut. Die NAND-Verknüpfung zählt neben der NOR-Verknüpfung zu der logischen Abbildungen mit der alle binären Schaltzustände realisierbar sind. Es existiert formal logisch keine Funktion, die nicht aus diesen beiden
Grundverknüpfungen umgesetzt werden kann. Dies macht deutlich, welche Bedeutung sie in der Technik, besonders der Computertechnik
hat. Erst wenn beide Taster betätigt sind, erlischt die rote LED.
-
9V
+
0,5A
polyfuse
1kΩ
1kΩ
LED
red
npn
C
B
npn
B
BC817
BC817
45V
45V
0,8A
E
C
0,8A
E
4,7kΩ
4,7kΩ
Taster1
AUS (0) AUS (0)
Ein (1)
AUS (0)
Taster2 Rote LED
Ein (1)
AUS (0)
Ein (1)
Ein (1)Ein (1)
Ein (1)Ein (1)
AUS (0)
Die rote LED leuchtet nur nicht bei der Schalterstellung, die in der letzten Zeile der Tabelle dargestellt ist, also wenn Taster 1 UND Taster 2
betätigt sind.
78
14.4 NOR-Schaltung
Die NICHTODER-Verknüpfung ist neben der NICHTUND-Verknüpfung, der zweite elementare Logikbaustein. Sie wird in sogenannten
Gattern, den NOR-Gattern, aus elektronischen Schaltern aufgebaut. An ihr ist die Einfachheit der Grundprinzipien in der Schaltungselektronik gut zu erkennen. Während die NAND-Verknüpfung zwei seriell geschaltete Transistoren parallel zum Ausgang der LED hat, ist die
NOR-Verknüpfung durch zwei parallel geschaltete Transistoren parallel zum Ausgang umgesetzt und verwirklicht damit elementar die
Funktion der Schaltung. Die rote LED erlischt dann, wenn einer oder beide Taster betätigt sind.
-
9V
+
0,5A
polyfuse
4,7kΩ
npn
C
B
45V
0,8A
E
BC817
Taster1
Taster2 Rote LED
AUS (0) AUS (0)
Ein (1)
AUS (0)
4,7kΩ
npn
B
BC817
45V
1kΩ
C
0,8A
E
1kΩ
LED
red
Ein (1)
AUS (0)
AUS (0)
Ein (1)
Ein (1)Ein (1)
AUS (0)
AUS (0)
Die rote LED leuchtet nur bei der Schalterstellung, die in der ersten Zeile der Tabelle dargestellt ist. Sie leuchtet also dann nicht wenn
Taster 1 ODER Taster 2 ODER beide betätigt sind.
79
14.5 AND-Schaltung
Eine OR-(ODER)-Schaltung lässt sich durch eine doppelte Negation genauso umsetzen wie die UND-Schaltung im vorangegangen Versuch.
Hierzu verwenden wir zwei zueinander parallel geschaltete Schaltkreise. Die ODER-Verknüpfung ist mit der Parallelschaltung der Transi-
storen realisiert, die von den Tastern gesteuert werden. Diese wird dann zweimal negiert, so dass sie der Schaltlogik nach, wieder eine
ODER-Verknüpfung ergibt.
14.6 OR-Schaltung
1kΩ
LED
red
+
-
9V
0,5A
polyfuse
4,7kΩ
4,7kΩ
1kΩ
10kΩ
10kΩ
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
Taster1
EIN (1)
AUS (0) AUS (0)
EIN (1) EIN (1)
EIN (1)
EIN (1)
EIN (1)
AUS (0)
AUS (0)
EIN (1)
AUS (0)
Taster2 Rote LED
Die rote LED leuchtet nur bei der Schalterstellung, die in den letzten drei Zeilen der Tabelle dargestellt ist, also wenn (nicht) Taster 1
ODER Taster 2 (nicht) betätigt sind.
Die negierende, also umkehrende Wirkung der parallelen Stromkreise haben wir im vorangegangenen Versuch angedeutet. Folgerichtig
sollte eine negierte NAND-Verknüpfung wieder eine UND-Funktion ergeben. Daher bauen wird einen weiteren Transistor parallel zu
denen der NAND-Funktion in die Schaltung ein, so dass dieser als NICHT-Element, deren Wirkung negiert. (Formal: Eine Serienschaltung
parallel zu einer Parallelschaltung ergibt eine Serienschaltung.) Erst wenn beide Taster geschlossen sind, leuchtet die rote LED.
-
9V
+
0,5A
polyfuse
1kΩ
10kΩ
10kΩ
npn
B
BC817
45V
1kΩ
C
0,8A
E
LED
red
npn
C
B
45V
45V
0,8A
E
C
0,8A
E
AUS (0)
AUS (0)
4,7kΩ
4,7kΩ
Taster1
BC817
npn
B
BC817
Taster2 Rote LED
AUS (0) AUS (0)
EIN (1)
AUS(0)
AUS (0)
EIN(1) AUS (0)
EIN (1) EIN (1)EIN (1)
Die rote LED leuchtet nur bei der Schalterstellung, die in der letzten Zeile der Tabelle dargestellt ist, also doppelt verneint:
Wenn nicht Taster 1 UND Taster 2 nicht betätigt sind.
80
14.6 OR-Schaltung
Eine OR-(ODER)-Schaltung lässt sich durch eine doppelte Negation genauso umsetzen wie die UND-Schaltung im vorangegangen Versuch.
Hierzu verwenden wir zwei zueinander parallel geschaltete Schaltkreise. Die ODER-Verknüpfung ist mit der Parallelschaltung der Transistoren realisiert, die von den Tastern gesteuert werden. Diese wird dann zweimal negiert, so dass sie der Schaltlogik nach, wieder eine
ODER-Verknüpfung ergibt.
polyfuse
9V
0,5A
1kΩ
LED
red
npn
B
BC817
1kΩ
10kΩ
45V
npn
C
B
45V
0,8A
E
BC817
C
0,8A
E
-
+
10kΩ
npn
C
B
4,7kΩ
4,7kΩ
BC817
45V
0,8A
E
Taster1
AUS (0) AUS (0)
EIN (1)
AUS (0)
EIN (1)
Taster2 Rote LED
AUS (0)
AUS (0)
EIN (1)
EIN (1)
EIN (1)
EIN (1) EIN (1)
Die rote LED leuchtet nur bei der Schalterstellung, die in den letzten drei Zeilen der Tabelle dargestellt ist, also wenn (nicht) Taster 1
ODER Taster 2 (nicht) betätigt sind.
81
15. Oszillatoren
Die Schaltung erzeugt einen unmodlierten Träger, aber wenn man einen SSB Empfänger verwendet kann man durch Verstimmen einen
Ton hörbar machen. Die Tonhöhe lässt sich dann auch durch ändern des Trimmers (also Verändern der Trägerfrequenz) einstellen.
Die Einseitenband-Modulation (SSB) ist ein älterer, heute noch verwendeter Funkstandard, gerne im amateurfunk verwendet, gibt es aber
auch als Option bei einigen Weltempfängern. Er hat den Vorteil, dass die gesamte Sendeenergie für die Informationsübermittlung
verwendet wird. Im Versuch 15.1 ist die Frequenz konstant, daher ist im Weltempfänger ein konstanter Pfeifton zu hören. Mit dem
veränderbaren Kondensator trimmen wir die Resonanzfrequenz des Schwingquarzes etwas, so dass die Tonart variiert wird. Ein herkömm-
liches Radio verarbeitet unser Signal als ein sich veränderndes Rauschen, da der Scheitelwert der Schwingung keine Änderung erfährt.
15.2 Quarzoszillator mit Abstimmung (Trimmung)
1kΩ
100kΩ
+
-
9V
0,5A
polyfuse
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
1µF
13.5 6MHz
Quarz
9.8-60 pF
LED
red
LED
yellow
15.1 HF Generator 13,56 MHz ISM Band
Die Oszillator-Schaltung verwendet eine Frequenz des lizenzfreien ISM Bands (deutsch: Industrie-, Wissenschaft- und Medizin-Band).
Die Funkfrequenzen sind in Bänder unterteilt, um Störungen zu vermeiden. Unser Schwingquarz erreicht mit 13,56MHz das untere
Spektrum dieses Bandes. Viele handelsübliche Transponder (z.B. RFID) senden auch auf dieser Wellenlänge. Der in unserer Schaltung
verwendete Schwingquarz zeichnet sich durch eine hohe Stabilität aus. Die Frequenz kann durch einen Kondensator noch erhöht werden.
In unserem Beispiel ist das der 33pF -Kondensator. Um die konventionellen Frequenzen von Funk bzw. Radio nicht zu stören, schließen Sie
bitte keine Antenne an, da die Schaltung Nebenfrequenzen erzeugt, die ein ganzzahliges Vielfaches der Resonanzfrequenz des Schwingquarzes sind. Sie können die Hochfrequenz (HF) auch mit einem Weltempfänger auf Kurzwelle mit Einseitenband-Demodulation (SSB)
empfangen. Die Funktion des Senders ist hier trickreich durch die beiden LEDs nachgewiesen.
Der Kondensator wirkt im Wechselstromkreis wie ein Widerstand. Da er Gleichspannung "herausltert", gelangen nur die Wechselstromanteile an die LEDs. Die rote LED zeigt die negative und die gelbe LED die positive Halbwelle an. Auf Grund der hohen Schaltfrequenz
äußert sich der Effekt optisch durch ein gleichzeitiges schwaches Leuchten beider LEDs. Die Trägheit der Photorezeptoren des menschlichen Auges bewirkt, dass Lichtsignale mit Frequenzen oberhalb von ca. 100Hz als immerfreies statisches Leuchten wahrgenommen
werden.
100kΩ
13.5 6MHz
33pF
Quarz
npn
B
-
+
BC817
1kΩ
45V
9V
0,5A
polyfuse
LED
1µF
C
0,8A
E
red
LED
yellow
82
15.2 Quarzoszillator mit Abstimmung (Trimmung)
Die Schaltung erzeugt einen unmodlierten Träger, aber wenn man einen SSB Empfänger verwendet kann man durch Verstimmen einen
Ton hörbar machen. Die Tonhöhe lässt sich dann auch durch ändern des Trimmers (also Verändern der Trägerfrequenz) einstellen.
Die Einseitenband-Modulation (SSB) ist ein älterer, heute noch verwendeter Funkstandard, gerne im amateurfunk verwendet, gibt es aber
auch als Option bei einigen Weltempfängern. Er hat den Vorteil, dass die gesamte Sendeenergie für die Informationsübermittlung
verwendet wird. Im Versuch 15.1 ist die Frequenz konstant, daher ist im Weltempfänger ein konstanter Pfeifton zu hören. Mit dem
veränderbaren Kondensator trimmen wir die Resonanzfrequenz des Schwingquarzes etwas, so dass die Tonart variiert wird. Ein herkömmliches Radio verarbeitet unser Signal als ein sich veränderndes Rauschen, da der Scheitelwert der Schwingung keine Änderung erfährt.
100kΩ
Quarz
13.5 6MHz
npn
B
BC817
-
9V
+
0,5A
polyfuse
1kΩ
LED
yellow
45V
1µF
C
0,8A
E
red
LED
9.8-60 pF
83
15.3 Quarzoszillator mit Kapazitätsdiode zur Trimmung
Eine weitere Möglichkeit eine elektrische Schwingung zu erzeugen ist die Zusammenschaltung von Kondensator und Spule. Beide haben
genau entgegengesetzte Eigenschaften. Am Kondensator eilt die Stromstärke der Spannung voraus und an der Spule die Spannung der
Stromstärke. Da beide einen frequenzabhängigen Widerstand besitzen, den Blindwiderstand, ist dieser genau entgegengesetzt gerichtet.
Die Ladung pendelt quasi zwischen diesen Bauteilen. Die sich daraus ergebende Resonanzfrequenz ist nur von der Kapazität des Konden-
sators und der Induktivität der Spule abhängig. Wir verdeutlichen das an unseren antiparallel geschalteten Dioden. Wenn beide leuchten,
ist eine Wechselspannung realisiert. Mit einem Oszilloskop oder einem Frequenzmessgerät kann diese zwischen Masse und der Anode der
roten LED nachgeprüft werden.
15.4 Oszillator-Schwingkreis mit Kondensator und Spule
1kΩ
100kΩ
+
-
9V
0,5A
polyfuse
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
1µF
33pF
100µH
0,8A
2x30pF
2x150pF
Die Thompson´sche Schwingungsformel gibt die Resonanzfrequenz (f ) an:
Für die Mittelstellung des veränderbaren Kondensators (300pF) ergibt sich:
Mit anderen Spulen:
0
f =
1
L C
2 π
0
* * *
f =
1
10µH 300pF
2 π
0
f =
1
f =
2
f =
3
* *
*
L = 10µH, L = 22µH, L = 100µH,
C = 10 - 300pF
1 2 3
f = ca.3MHz
0
LED
red
LED
green
Die Kapazitätsdiode ist ein besonderes elektronisches Bauelement. Sie verändert, in Sperrrichtung geschaltet, ihre Kapazität in Abhängigkeit von der angelegten Spannung. Das physikalische Grundprinzip hierfür ist einfach. Die Sperrschicht in der Diode fungiert als Dielektrikum und verändert ihre Dicke in Abhängigkeit der angelegten negativen Spannung. Je größer der Betrag dieser Spannung, desto kleiner
ist die Kapazität. Die Kalibrierung der Diode kann somit über ein Potentiometer sehr genau erfolgen. Auch hier sind im Weltempfänger
mit SSB Modulation die Hochfrequenzen nachweisbar. Die verwendete Diode (BB131) hat ein Kapazitätsintervall von 1pF bis 14pF.
Diese Kapazitäten sind für Kondensatoren sehr gering und nur für bestimmte Anwendungen geeignet. Da die Frequenz sehr hoch ist, kann
trotz der geringen Kapazität deren Beeinussung erfolgen.
+
0,5A
polyfuse
-
9V
100kΩ
Quarz
1kΩ
LED
13.5 6MHz
npn
C
B
45V
0,8A
E
BC817
-
9V
+
1A
polyfuse
1µF
1µF
red
LED
yellow
10kΩ
330Ω
KA
BB131
Kapa zitä tsdiode
1pf
14x
84
15.4 Oszillator-Schwingkreis mit Kondensator und Spule
Eine weitere Möglichkeit eine elektrische Schwingung zu erzeugen ist die Zusammenschaltung von Kondensator und Spule. Beide haben
genau entgegengesetzte Eigenschaften. Am Kondensator eilt die Stromstärke der Spannung voraus und an der Spule die Spannung der
Stromstärke. Da beide einen frequenzabhängigen Widerstand besitzen, den Blindwiderstand, ist dieser genau entgegengesetzt gerichtet.
Die Ladung pendelt quasi zwischen diesen Bauteilen. Die sich daraus ergebende Resonanzfrequenz ist nur von der Kapazität des Kondensators und der Induktivität der Spule abhängig. Wir verdeutlichen das an unseren antiparallel geschalteten Dioden. Wenn beide leuchten,
ist eine Wechselspannung realisiert. Mit einem Oszilloskop oder einem Frequenzmessgerät kann diese zwischen Masse und der Anode der
roten LED nachgeprüft werden.
Die Thompson´sche Schwingungsformel gibt die Resonanzfrequenz (f ) an:
0
1
f =
0
2 π
* * *
L C
Für die Mittelstellung des veränderbaren Kondensators (300pF) ergibt sich:
1
f =
0
2 π
* *
red
LED
10µH 300pF
f = ca.3MHz
0
*
Mit anderen Spulen:
-
9V
green
LED
L = 10µH, L = 22µH, L = 100µH,
1 2 3
+
C = 10 - 300pF
f =
1
f =
2
1kΩ
0,5A
polyfuse
1µF
100kΩ
f =
3
0,8A
C
npn
2x30pF
2x150pF
0,8A
100µH
E
45V
BC817
B
33pF
85
16. Der Operationsverstärker
Operationsverstärker haben mehrere Grundschaltungen. Eine, den Differenzverstärker, haben wir schon kenngelernt. Eine weitere ist die
Beschaltung als Spannungsfolger. Hier wird der Minus-Eingang des OPVs mit seinem Ausgang verbunden und der Plus-Eingang über ein
Potentiometer an Masse angelegt, so dass die Spannungsdifferenz null ist. Der OPV versucht die Spannungsdifferenz auszusteuern und
folgt schließlich der Spannung, die am Plus-Eingang anliegt.
Es gilt: U+=U- und U-=U
a
. Daraus folgt: Ua=U-.
Die Leuchtintensität der roten LED kann jetzt mit dem Potentiometer gesteuert werden. Der Vorteil dieser Beschaltung ist, dass durch die
Hochohmigkeit des Eingangs das Potentiometer nur sehr gering belastet wird, im Gegensatz zu einer direkten Steuerung über das
Potentiometer.
Daher können auch andere Bauelemente verwendet werden, die einen viel höheren Widerstand besitzen, als das 10kΩ-Potentiometer.
16.2 OPV als Spannungsfolger
1kΩ
LED
red
+
-
9V
0,5A
polyfuse
+
+
-
+
8
LMC662
OP
10kΩ
16.1 Funktion des OPAMP (OperationAmplier)
Der Operationsverstärker ist ein komplexer integrierter Schaltkreis. Er kann den Spannungsunterschied an seinen zwei Eingängen, von
denen einer mit einem Plus und einer mit einem Minus gekennzeichnet ist, verstärken. Die Verstärkung beträgt mehrere Hunderttausend.
Der OPAMP ist aus MOSFETs aufgebaut, deshalb ist der Stromuss an seinen Eingängen im Femtobereich (10-15) liegend sehr klein.
MOSFETs können schon durch elektrostatische Ladung zerstört werden. Daher müssen Sie sehr vorsichtig im Umgang mit diesem Brick
sein. Der Spannungsteiler aus den 10kΩ-Festwiderständen halbiert die Versorgungsspannung. Die Polarität der Ausgangsspannung
wechselt, wenn die Schwelle von 4,5V unterschritten wird und die rote LED erlischt. Der Vorzeichenwechsel der Ausgangsspannung ndet
beim Drehen des Potentiometers im Uhrzeigersinn, beim Überschreiten der Mittelstellung, statt. In der zweiten Schaltung ist der Brick an
den Eingängen waagerecht gedreht, so dass die Polaritätsumkehr erfolgt und das Potentiometer in entgegengesetzter Richtung verstellt
werden muss, um dieselbe Wirkung zu erzielen.
10kΩ
0,5A
polyfuse
+
-
9V
10kΩ
-
+
10kΩ
OP
+
LMC662
8
4,7kΩ
+
LED
red
positiver Eingang
+
4,7kΩ
9V
-
LED
red
10kΩ
+
8
OP
+
LMC662
+
0,5A
polyfuse
86
10kΩ
10kΩ
negativer Eingang
16.2 OPV als Spannungsfolger
Operationsverstärker haben mehrere Grundschaltungen. Eine, den Differenzverstärker, haben wir schon kenngelernt. Eine weitere ist die
Beschaltung als Spannungsfolger. Hier wird der Minus-Eingang des OPVs mit seinem Ausgang verbunden und der Plus-Eingang über ein
Potentiometer an Masse angelegt, so dass die Spannungsdifferenz null ist. Der OPV versucht die Spannungsdifferenz auszusteuern und
folgt schließlich der Spannung, die am Plus-Eingang anliegt.
Es gilt: U+=U- und U-=U
. Daraus folgt: Ua=U-.
a
Die Leuchtintensität der roten LED kann jetzt mit dem Potentiometer gesteuert werden. Der Vorteil dieser Beschaltung ist, dass durch die
Hochohmigkeit des Eingangs das Potentiometer nur sehr gering belastet wird, im Gegensatz zu einer direkten Steuerung über das
Potentiometer.
Daher können auch andere Bauelemente verwendet werden, die einen viel höheren Widerstand besitzen, als das 10kΩ-Potentiometer.
-
9V
+
0,5A
polyfuse
+
8
OP
+
LMC662
+
1kΩ
LED
red
10kΩ
87
16.3 OPV als nicht invertierender 11:1 Verstärker
Die folgende Schaltung besitzt zwei Lernziele: Die Erzeugung einer virtuellen Masse und die Änderung der Spannung am negativen
Eingang. Eine einfachere Realisierungsmöglichkeit ist eine negative Spannung am Minus-Eingang anzulegen, um eine positive Ausgangs-
spannung zu erhalten bzw. diese zu verstärken. Der Verstärkungsfaktor beträgt -10. Er wird gegeben durch:
Die rote LED leuchtet bei der Drehung des Potentiometer-Knopfes
im Uhrzeigersinn. Die Ausgangsspannung hat einen Vorzeichenwechsel
und man hat eine virtuelle Masse bei 4,5V am Minus-Eingang.
16.4 OPV als invertierender 10:1 mit virtueller Masse
1kΩ
LED
red
+
-
9V
0,5A
polyfuse
+
+
-
+
8
LMC662
OP
10kΩ
1 2
(U-) = (U - U ) + U = (U+) = U
a e e
*
1
R
1
2
R + R
max´
(U+) = (U -)mit U+ = U = 4,5V, es gilt also:
1
2
max
100kΩ
10kΩ
4,7kΩ
4,7kΩ
a
Um die Ausgangsspanung zu erhalten, muss der Term nach U auf gelöst werden.
*
a
U = ((U-) - U ) + U , U = (U -) -U
a
* *
e ee
1
R
R + R
1 2
( )
1
R
R + R
1 2
1
R
R
2
e
U = U
(U +) = 0V
ist, dann ist
a
wenn
Das enspricht einem Verstärkungsfaktor von - 10 für 100kΩ und 10kΩ
100kΩ
10kΩ
Der Spannungsfolger ist eine Sonderform des Verstärkers, bei dem der Verstärkungsfaktor 11 ist. Dieser Faktor ist durch das Widerstandsverhältnis des Widerstandes am Minus-Eingang zu Masse zum Gesamtwiderstand des Ausgangs gegen Masse genau deniert.
Es gilt:
R
1
R + R
1 2
, umgeformt:
, der Verstärkungfaktor geträgt 11.
a
*
*
U = (U-)
a
U+= U-= U
R + R
1
2
, in unserem Fall, mit konkreten Werten:
*
R
1
U = (U +) , U = 11 (U +)
a
Also ist die Ausgangsspannung 11-mal höher als die Eingangsspannung. Wird die Eingangsspannung über das Potentiometer jetzt
geändert, ändert sich die Ausgangsspannung wesentlich schneller und die Intensität der LED ebenso. Die Ausgangsspannung kann nicht
über einen Maximalwert hinaus erhöht werden. Dieser ist folgerichtig bei einem Elftel der Eingangsspannung zur Versorgungsspannung
erreicht. Danach ist keine Änderung der Leuchtintensität der LED mehr zu beobachten, ihr Maximalwert ist erreicht. Die Polarität der
Ausgangsspannung ist positiv (nicht invertierend), da der Plus-Eingang beschaltet ist.
10kΩ + 100kΩ
*
10kΩ
a
10kΩ
-
9V
+
0,5A
polyfuse
1kΩ
LED
red
100kΩ
+
8
OP
+
LMC662
+
10kΩ
88
16.4 OPV als invertierender 10:1 mit virtueller Masse
Die folgende Schaltung besitzt zwei Lernziele: Die Erzeugung einer virtuellen Masse und die Änderung der Spannung am negativen
Eingang. Eine einfachere Realisierungsmöglichkeit ist eine negative Spannung am Minus-Eingang anzulegen, um eine positive Ausgangsspannung zu erhalten bzw. diese zu verstärken. Der Verstärkungsfaktor beträgt -10. Er wird gegeben durch:
(U+) = (U -)mit U+ = U = 4,5V, es gilt also:
(U-) = (U - U ) + U = (U+) = U
Um die Ausgangsspanung zu erhalten, muss der Term nach U auf gelöst werden.
U = ((U-) - U ) + U , U = (U -) -U
a
wenn
a e e
*
e ee
* *
( )
(U +) = 0V
1
max
2
R
1
R + R
1 2
R + R
1 2
R
1
ist, dann ist
a
U = U
a
e
1
2
*
100kΩ
Das enspricht einem Verstärkungsfaktor von - 10 für 100kΩ und 10kΩ
10kΩ
max´
R + R
1 2
R
a
R
2
1
R
1
Die rote LED leuchtet bei der Drehung des Potentiometer-Knopfes
im Uhrzeigersinn. Die Ausgangsspannung hat einen Vorzeichenwechsel
und man hat eine virtuelle Masse bei 4,5V am Minus-Eingang.
-
9V
+
0,5A
polyfuse
10kΩ
10kΩ
-
+
4,7kΩ
4,7kΩ
OP
+
LMC662
100kΩ
8
+
1kΩ
LED
red
89
16.5 OPV als Integrator
Ein Differenzierer verstärkt die Spannungsänderung nach der Zeit an seinem Eingang. Der Bezug ist auch hier wieder die halbe Versor-
gungsspannung. Er ist nicht mit dem Differenzverstärker zu verwechseln! Die mathematische Operation ist die Differentiation, in ihr wird
der Grenzwert einer Kurve an einer Stelle bestimmt. Beide Rechenoperationen, die Differential- und die Integralrechnung, sind auf die
Grenzwerte zurückzuführen und werden daher als Innitesimalrechnung bezeichnet.
Diese wurde von Leipnitz und Newton zeitgleich und voneinander unabhängig im 17.Jahrhundert entdeckt. Der Kondensator hat nur zu
Beginn der Spannungsänderung einen geringen Widerstand, so dass der OPV eine Ausgangsspannung, deniert über das Widerstandsver-
hältnis, liefert. Nach kurzer Zeit wird der Widerstand des Kondensators sehr groß und der Verstärkungsfaktor ist sehr klein. Er ist um ein
"vielfaches" kleiner als eins bzw. die Dämpfung wird unendlich.
Sie müssen den Potentiometerknopf ständig hin- und her-drehen, damit die LED blinkt, da bei konstantem Spannungsfall am Potentiome-
ter keine Änderung mehr stattndet, und die grüne LED wird dunkel, geht aber nicht aus.
16.6 OPV als Differenzierer
1kΩ
LED
green
+
-
9V
0,5A
polyfuse
+
+
-
+
8
LMC662
OP
10kΩ
100kΩ
4,7kΩ
4,7kΩ
10µF 25V
Auch komplexe mathematische Operationen wie das Integrieren lassen sich mit dem OPV nachbilden. Die Integration bestimmt den
Flächeninhalt unter einer Funktion, deren Teile addiert werden. Diese Summe bildet in der folgenden Schaltung der Kondensator, er lädt
sich in Abhängigkeit von der Zeit auf, so dass das Verstärkungsverhältnis langsam zunimmt, bis die Versorgungsspannung erreicht ist.
Es hat den Eindruck als würde die LED träge reagieren, der Kondensator "integriert" die Spannungsdifferenz am Eingang.
Bei der Mittelstellung des Potentiometers ist die LED erloschen, da hier die Differenz zwischen den Eingängen null ist. Dies ist unter
anderem durch die sehr hohe Verstärkung des OPV und Ungenauigkeiten der Widerstände erklärbar.
Bei Linksdrehung steigt die Ausgangsspannung an, bei Rechtsdrehung ist sie negativ, so dass die LED hier nicht leuchtet.
10kΩ
100kΩ
-
9V
+
0,5A
polyfuse
10µF 25V
+
8
OP
+
LMC662
+
4,7kΩ
green
1kΩ
LED
90
4,7kΩ
16.6 OPV als Differenzierer
Ein Differenzierer verstärkt die Spannungsänderung nach der Zeit an seinem Eingang. Der Bezug ist auch hier wieder die halbe Versorgungsspannung. Er ist nicht mit dem Differenzverstärker zu verwechseln! Die mathematische Operation ist die Differentiation, in ihr wird
der Grenzwert einer Kurve an einer Stelle bestimmt. Beide Rechenoperationen, die Differential- und die Integralrechnung, sind auf die
Grenzwerte zurückzuführen und werden daher als Innitesimalrechnung bezeichnet.
Diese wurde von Leipnitz und Newton zeitgleich und voneinander unabhängig im 17.Jahrhundert entdeckt. Der Kondensator hat nur zu
Beginn der Spannungsänderung einen geringen Widerstand, so dass der OPV eine Ausgangsspannung, deniert über das Widerstandsverhältnis, liefert. Nach kurzer Zeit wird der Widerstand des Kondensators sehr groß und der Verstärkungsfaktor ist sehr klein. Er ist um ein
"vielfaches" kleiner als eins bzw. die Dämpfung wird unendlich.
Sie müssen den Potentiometerknopf ständig hin- und her-drehen, damit die LED blinkt, da bei konstantem Spannungsfall am Potentiometer keine Änderung mehr stattndet, und die grüne LED wird dunkel, geht aber nicht aus.
10kΩ
10µF 25V
-
9V
+
0,5A
polyfuse
100kΩ
+
8
OP
+
LMC662
+
green
1kΩ
LED
4,7kΩ
4,7kΩ
91
16.7 OPV als Oszillator mit Spule und Kondensator
Die klassische Wien-Robinson Brückenschaltung verwendet nur Widerstände und Kondensatoren, keine Spulen, um eine Schwingung zu
erzeugen. Wenn der Verstärkungsfaktor genau drei beträgt, liegt am Ausgang ein Sinussignal an. Die Einstellung dieses Arbeitspunktes ist
sehr sensibel. Bitte achten Sie unbedingt auf die Polung dieses Elektrolytkondensators. Die Anode (+) darf nicht an den Masse-Brick
angeschlossen sein.
In der folgenden Schaltung zeigen wir eine bessere Alternative zum Erzeugen einer Sinusschwingung. Bei einem Verstärkungsfaktor
größer drei, schwingt die Schaltung auf und es entsteht eine Rechteckspannung, da die Ausgangsspannung sehr schnell auf ihren
Maximalwert steigt. Ist der Verstärkungsfaktor kleiner als drei, schwingt die Schaltung ab, so dass die grüne LED nicht mehr leuchtet.
Über den Spannungsteiler der beiden 10kΩ-Widerstände wird am Plus-Eingang eine virtuelle Masse von der halben Versorgungsspannung
erzeugt. So ist es leichter ein Sinussignal zu realisieren. Über das Potentiometer wird der Arbeitspunkt eingestellt. Ist er überschritten, bei
einem Rechtecksignal, verändert er auch die Frequenz. Der 100µF-Kondensator dient zur Glättung der Ausgangsspannung.
16.8 OPV Wien-Robinson-Oszillator
1kΩ
LED
green
+
+
-
9V
0,5A
polyfuse
+
+
-
+
8
LMC662
OP
10kΩ
4,7kΩ
4,7kΩ
10kΩ
10kΩ
330Ω
1µF
100µF 25V
1µF
Der Operationsverstärker dient auch zur Schwingungserzeugung. Der "Taktgeber" ist eine klassische Reihenschaltung aus Kondensator
und Spule, die an den Plus-Eingang geschaltet ist und die Rückkopplung des Ausgangs an den Eingang realisiert.
Die Amplitude der Ausgangsspannung ist über das am Minus-Eingang liegende Potentiometer und den Verstärkungsfaktor (5,7) des
Widerstandsverhältnisses von 4,7kΩ und 1kΩ gegeben. Die grüne LED leuchtet bei der Drehung des Potentiometerknopfes im Uhrzeigersinn.
-
9V
+
0,5A
polyfuse
10mH
1µF
1kΩ
50mA
+
8
OP
+
LMC662
+
330Ω
100kΩ
10kΩ
green
1kΩ
LED
92
16.8 OPV Wien-Robinson-Oszillator
Die klassische Wien-Robinson Brückenschaltung verwendet nur Widerstände und Kondensatoren, keine Spulen, um eine Schwingung zu
erzeugen. Wenn der Verstärkungsfaktor genau drei beträgt, liegt am Ausgang ein Sinussignal an. Die Einstellung dieses Arbeitspunktes ist
sehr sensibel. Bitte achten Sie unbedingt auf die Polung dieses Elektrolytkondensators. Die Anode (+) darf nicht an den Masse-Brick
angeschlossen sein.
In der folgenden Schaltung zeigen wir eine bessere Alternative zum Erzeugen einer Sinusschwingung. Bei einem Verstärkungsfaktor
größer drei, schwingt die Schaltung auf und es entsteht eine Rechteckspannung, da die Ausgangsspannung sehr schnell auf ihren
Maximalwert steigt. Ist der Verstärkungsfaktor kleiner als drei, schwingt die Schaltung ab, so dass die grüne LED nicht mehr leuchtet.
Über den Spannungsteiler der beiden 10kΩ-Widerstände wird am Plus-Eingang eine virtuelle Masse von der halben Versorgungsspannung
erzeugt. So ist es leichter ein Sinussignal zu realisieren. Über das Potentiometer wird der Arbeitspunkt eingestellt. Ist er überschritten, bei
einem Rechtecksignal, verändert er auch die Frequenz. Der 100µF-Kondensator dient zur Glättung der Ausgangsspannung.
-
9V
+
0,5A
polyfuse
1µF
+
1µF
4,7kΩ
10kΩ
8
OP
+
LMC662
+
4,7kΩ
330Ω
green
1kΩ
LED
10kΩ
100µF 25V
10kΩ
+
93
16.9 Wien-Robinson Oszillator mit Stabilisierung
17. Audioverstärker mit LM386
17.1 Mikrofon und Verstärker
Wir haben mit dem Timer 555 und dem Operationsverstärker bereits zwei Integrierte Schaltkreise (IC) kennengelernt. Ein weiterer IC in
unserem Set ist der Audioverstärker LM386. Er entspricht in der Grundschaltung einem Operationsverstärker, der sich speziell für die
Verstärkung von akustischen Signalen eignet. So ist der Verstärkungsfaktor auf 200 festgelegt und der Ausgang ist über Kondensatoren
gekoppelt um einem 8Ω-Lautsprecher anzusteuern. Bitte beachten Sie die Polarität des Mikrofons! Der 1µF-Kondensator ltert alle
Gleichspannungsanteile heraus, und die Amplitude (Lautstärke) wird über unser Potentiometer gesteuert.
Wichtig ist, dass wir zwei getrennte Spannungsquellen verwenden, um Rückkopplungen zu vermeiden. Rückkopplungen entstehen, wenn
das Ausgangssignal wieder auf den Eingang zurückgeführt wird und der Schaltkreis aufschwingt. Was als Prinzip der Beschaltung des
Operationsverstärkers mit Gegenkopplung (Minus-Eingang) und Mitkopplung (Plus-Eingang) gewollt ist, wird hier vermieden. Eine andere
Möglichkeit der Rückkopplung entgegenzuwirken ist ein zwischen Masse und 9V-Potential parallel geschalteter 100µF-Kondensator. Aber
um den Versuchsaufbau einfacher zu gestalten, bietet es sich an dieser Stelle an zwei Spannungsquellen zu verwenden. So werden auch
minimale Rückkopplungen, wie sie durch Glättung mit einem Kondensator noch möglich sind, vermieden. Die Wirkungsweise ist einfach:
Das vom Mikrofon in elektrische Schwingung umgeformte akustische Signal wird vom IC LM386 verstärkt und an den Lautsprecher und
die Klinkenbuchse weitergegeben.
4,7kΩ
+
-
9V
0,5A
polyfuse
1µF 25V
+
-
+
-
9V
1A
polyfuse
R
L
A
B
10kΩ
+
+
-
8
LM386
AMP
100µF
SP 8Ω
Die im Versuch 16.8 vorweggenommene verbesserte Version des Wien-Robinson Oszillators verwendet zwei antiparallel geschaltete
Dioden, um ein Aufschwingen zu verhindern. Die Amplitude kann jetzt den Höchstwert der Versorgungsspannung nicht mehr überschreiten. Die Einstellung des Arbeitspunkts ist somit sehr leicht, da dieser nur erreicht bzw. überschritten werden muss und danach über die
Dioden stabilisiert wird. Bitte achten Sie genau auf die Änderungen zur vorhergehenden Schaltung! Das KondensatorWiderstandsverhältnis wird unter Verwendung der beiden 100nF-Kodensatoren und 100kΩ-Widerstände verändert, ohne die Frequenz zu
beeinussen, um mit allen im Set enthaltenen Bricks zurechtzukommen. Wenn Sie die Kapazität der Kondensatoren um den Faktor zehn
erhöhen, wird die Periodendauer so groß, dass die grüne LED blinkt. Jetzt ist das Sinussignal sehr gut zu erkennen.
Für „langsame“ Sinuswelle 2 x 1µF verwenden!
f = =
-
9V
+
0,5A
polyfuse
1 1
2 π R C
* * *
2 π 100kΩ 100nF
* *
= 16Hz
*
für 1µF ist die Periodendauer 0,6s
100nF 50V
10kΩ
100µF 25V
100kΩ
100kΩ
4,7kΩ
KA
Si Diode
1N4148
1kΩ
LED
green
100nF 50V
10kΩ
10kΩ
+
+
8
OP
+
LMC662
+
94
Si Diode
1N4148
KA
17. Audioverstärker mit LM386
17.1 Mikrofon und Verstärker
Wir haben mit dem Timer 555 und dem Operationsverstärker bereits zwei Integrierte Schaltkreise (IC) kennengelernt. Ein weiterer IC in
unserem Set ist der Audioverstärker LM386. Er entspricht in der Grundschaltung einem Operationsverstärker, der sich speziell für die
Verstärkung von akustischen Signalen eignet. So ist der Verstärkungsfaktor auf 200 festgelegt und der Ausgang ist über Kondensatoren
gekoppelt um einem 8Ω-Lautsprecher anzusteuern. Bitte beachten Sie die Polarität des Mikrofons! Der 1µF-Kondensator ltert alle
Gleichspannungsanteile heraus, und die Amplitude (Lautstärke) wird über unser Potentiometer gesteuert.
Wichtig ist, dass wir zwei getrennte Spannungsquellen verwenden, um Rückkopplungen zu vermeiden. Rückkopplungen entstehen, wenn
das Ausgangssignal wieder auf den Eingang zurückgeführt wird und der Schaltkreis aufschwingt. Was als Prinzip der Beschaltung des
Operationsverstärkers mit Gegenkopplung (Minus-Eingang) und Mitkopplung (Plus-Eingang) gewollt ist, wird hier vermieden. Eine andere
Möglichkeit der Rückkopplung entgegenzuwirken ist ein zwischen Masse und 9V-Potential parallel geschalteter 100µF-Kondensator. Aber
um den Versuchsaufbau einfacher zu gestalten, bietet es sich an dieser Stelle an zwei Spannungsquellen zu verwenden. So werden auch
minimale Rückkopplungen, wie sie durch Glättung mit einem Kondensator noch möglich sind, vermieden. Die Wirkungsweise ist einfach:
Das vom Mikrofon in elektrische Schwingung umgeformte akustische Signal wird vom IC LM386 verstärkt und an den Lautsprecher und
die Klinkenbuchse weitergegeben.
-
9V
+
0,5A
polyfuse
4,7kΩ
1µF 25V
-
9V
100µF
1A
A
polyfuse
+
+
8
AMP
+
LM386
B
L
R
SP 8Ω
+
-
10kΩ
95
17.2 Rauschgenerator
Auch Transistoren zählen zu den Halbleiterbauelementen. In der folgenden Schaltung wandeln wir das Rauschen des Transistors BC817,
wie wir ihn schon oft verwendet haben, in ein akustisches Signal um. Er ist nur mit dem Emitter und der Basis kontaktiert, aber der
doppelten Versorgungsspannung in "Sperrrichtung" beschaltet. Der Umschalter muss die zweite Spannungsquelle dazu schalten!
17.3 Rauschgenerator 2
10µF 25V
100µF 25V
+
+
-
9V
1A
polyfuse
SP 8Ω
10kΩ
10kΩ
100kΩ
100kΩ
100nF 50V
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
BC817
B
E
C
npn
45V
0,8A
10kΩ
8
+
+
-
LM386
AMP
100µF
+
-
9V
0,5A
polyfuse
Dioden und andere Halbleiterbauelemente bestehen aus sogenannten Halbmetallen. Sie besitzen sowohl Eigenschaften von Nichtleitern
als auch von Leitern. In Halbleitern uktuieren permanent Ladungen. Diese Fluktuation ist von vielen Parametern abhängig, insbesonders
von der Temperatur und kann als Rauschen, der zufälligen, sich überlagernden Summenschwingung vieler einzelner Frequenzen aufgefasst werden. Es ist vergleichbar mit dem akustischen Rauschen eines Radios, das keine modulierte Frequenz (Sender) empfängt, oder
dem Meeresrauschen. In der nun folgenden Schaltung wird das Rauschen einer Diode durch einen Transistor vorverstärkt und über den
LM386 am Lautsprecher ausgegeben.
Bitte achten Sie auf die Polung von Diode und Elektrolytkondensator!
Der Umschalter muss die Versorgungsspannung an den Audioverstärker anlegen, dieser ist zu schließen. Mit dem Potentiometer ist die
Lautstärke einstellbar.
KA
1N4148
+
-
Si Diode
100kΩ
1µF 25V
100kΩ
B
BC817
E
npn
45V
C
0,8A
100n F 50V
10kΩ
0,5A
polyfuse
9V
96
10kΩ
+
-
SP 8Ω
AMP
LM386
100µF
+
8
1A
100µF 25V
polyfuse
+
+
9V
-
17.3 Rauschgenerator 2
Auch Transistoren zählen zu den Halbleiterbauelementen. In der folgenden Schaltung wandeln wir das Rauschen des Transistors BC817,
wie wir ihn schon oft verwendet haben, in ein akustisches Signal um. Er ist nur mit dem Emitter und der Basis kontaktiert, aber der
doppelten Versorgungsspannung in "Sperrrichtung" beschaltet. Der Umschalter muss die zweite Spannungsquelle dazu schalten!
10µF 25V
-
9V
+
1A
polyfuse
+
-
100kΩ
10kΩ
0,5A
polyfuse
9V
+
100kΩ
BC817
E
0,8A
45V
B
C
npn
npn
B
BC817
45V
C
0,8A
E
100nF 50V
10kΩ
10kΩ
100µF 25V
+
8
AMP
+
LM386
100µF
SP 8Ω
97
17.4 Licht-Verstärker
Eine weitere Möglichkeit einen Brummdetektor zu realisieren zeigt der folgende Aufbau. Er ist wesentlich einfacher und nicht so störanfäl-
lig, dafür aber unsensibler. Die Verstärkung des Netzbrummens aus unseren Wechsellichtquellen nimmt hier nur der Audioverstärker vor.
Der 100µF-Elektrolykondensator minimiert die Rückkopplung und verhindert damit ein Aufschwingen der Schaltung. Bitte auf seine
richtige Polung achten!
Viel Spaß mit dem Aufspüren von Wechsellichtquellen!
17.5 OP als Brummdetektor
100µF 25V
SP 8Ω
4,7kΩ
100Ω
8
+
+
-
LM386
AMP
100µF
LDR 03
+
+
-
9V
0,5A
polyfuse
100n F 50V
In der folgenden Schaltung werden wir Licht hörbar machen. Unser Auge ist zu träge um selbst geringe Frequenzen ab 20Hz wahrzunehmen. Daher wandeln wir die Lichtimpulse, die die 50Hz Netzfrequenz in den Leuchtmitteln unserer Wohnungen verursacht in akustische
Signale um. Leuchtstoffröhren verursachen z.B. ein Brummen. Als Sensor dient dazu der LDR 03. Er ändert seinen Widerstand mit den
Impulsen, die auf ihn einwirken. Diese werden als von einer Gleichspannung überlagerte geringe Wechselspannung deutlich. Die Gleichspannungsanteile werden von den beiden 1µF-Kondensatoren herausgeltert und das Netzbrummen durch den Transistor vorverstärkt.
Der Audioverstärker LM386 nimmt die Endverstärkung vor und ermöglicht das Netzbrummen im Lautsprecher zu hören. Sie können jetzt
auf die Suche nach Wechsellichtquellen in ihrer Wohnung gehen, je näher Sie dieser kommen, umso lauter wird das Brummen.
polyfuse
9V
1A
-
+
100µF
8
LM386
+
AMP
-
+
SP 8Ω
50mA
10mH
10µF 25V
100µF 25V
1kΩ
100kΩ
0,8A
C
npn
E
45V
BC817
B
+
LDR 03
1µF
4,7kΩ
1nF
98
17.5 OP als Brummdetektor
Eine weitere Möglichkeit einen Brummdetektor zu realisieren zeigt der folgende Aufbau. Er ist wesentlich einfacher und nicht so störanfällig, dafür aber unsensibler. Die Verstärkung des Netzbrummens aus unseren Wechsellichtquellen nimmt hier nur der Audioverstärker vor.
Der 100µF-Elektrolykondensator minimiert die Rückkopplung und verhindert damit ein Aufschwingen der Schaltung. Bitte auf seine
richtige Polung achten!
Viel Spaß mit dem Aufspüren von Wechsellichtquellen!
-
9V
+
100µF 25V
100Ω
LDR 03
100n F 50V
4,7kΩ
+
0,5A
polyfuse
+
8
AMP
+
LM386
100µF
SP 8Ω
99
17.6 Lichtschranke zur Audioübertragung
9
V
Um das Netzbrummen anders akustisch darzustellen, haben wir jetzt den LDR03-Brick gegen einen Phototransistor ausgetauscht.
Ansonsten handelt es sich um fast die gleiche Schaltung wie im Versuch 17.5. Wir erinnern uns, dass der Phototransistor an seiner Basis
durch Photonen verursachte Ladungen verstärkt. Je höher der Photonenstrom, desto höher der Stromuss zwischen Emitter und Kollektor.
Der Photonenstrom ist auf diese Weise sehr viel leichter zu bestimmen als z.B. mit einer Photodiode, die Verstärkung ist hier schon
realisiert. Bitte achten Sie auf die richtige Polung des Elektrolytkondensators, der zur Rückkopplungsverringerung eingebracht ist!
Sie können jetzt Wechsellichtsignale in Ihrer Umgebung aufnden. Interessant ist der Vergleich der akustischen Signale einer ackernden
Kerze mit einer Glühlampe oder Leuchtdiode.
17.7 Phototransistor mit Vorverstärker
10kΩ
1KΩ
8
+
+
-
LM386
AMP
100µF
100µF 25V
+
100nF 50V
+
+
-
9V
1A
polyfuse
BPX38
B
E
C
npn
Phototransistor
SP 8Ω
Die folgende Schaltung zeigt die Vielseitigkeit der Elektrotechnik! Wir wandeln ein akustisches Signal viermal um:
1. Schall in Elektrizität
2. Elektrizität in Licht
3. Licht in Elektrizität
4. Elektrizität in Schall
Die Vermittlung der Information wird über unsere Elektronik realisiert. Für professionelle Anwendungen sind Sensor-Techniken unverzichtbar, da Informationen so leicht weiterleit- und bearbeitbar sind. Neben den hier verwendeten Sensoren sind Druck-, Temperatur- und
Magnetsensoren oft gebräuchlich und zeigen nur einen kleinen Ausschnitt der Anwendungsmöglichkeiten. Der neue Brick in der Schaltung ist die Lichtschranke. Er enthält Lichtquelle (LED) und Lichtsensor (Phototransistor).
Eigentlich sind zwei Verstärkerstufen hintereinander geschaltet, da unser Mikrofon-Brick einen Feldeffekt-Transistor als Vorverstärker
enthält. Bitte auf die richtige Polung achten! Wenn Sie jetzt am Mikrofon kratzen oder pfeifen, gibt der Lautsprecher das Signal wieder.
Unterbrechen Sie die Lichtschranke z.B. mit einem Stück Papier, wird der Ton erst leiser bis er ganz verstummt.
Bitte achten Sie auf die richtige Polung des Elektrolytkondensators! Dieser ist zur Verhinderung einer Rückkopplung eingebracht. Interessant ist auch, dass wir eine galvanische Trennung unser beiden Stromkreise vollzogen haben. Ein Kurzschluss in einem verursacht keinen
Zusammenbruch des anderen Stromkreises.
SP 8Ω
polyfuse
9V
1A
-
+
100µF 25V
+
1kΩ
10kΩ
+
-
-
+
0,5A
9V
polyfuse
100µF
8
LM386
+
AMP
-
+
100nF 50V
+
10Ω
Lichtschranke
+
-
470Ω
-
100
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