Conrad 15072 Operation Manual [de]

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Vorwort

Auch in diesem Jahr gibt es wieder einen neuen Conrad-Elektronik-Kalender mit 24 Experimenten für den 1. bis zum

(

geg

24. Dezember. Das zentrale Thema sind diesmal die Feldeffekttransistoren Steuerungen, Sensoren, Zeitgeber und akustische Effekte. Zu jedem Versuch gibt es einen Schaltplan und eine Auf bauzeichnung, die als Vorschlag zu verstehen ist. Oft lassen sich die Schaltungen kompakter und mit weniger Dräh ten bauen, als es in einer übersichtlichen Zeichnung dargestellt werden kann.

Den Elektronik-Kalender kann man ganz unterschiedlich verwenden. Der eine möchte vielleicht einfach nur alles genau nach Plan aufbauen und den Erfolg genießen, der andere will es dagegen genau verstehen. Die Versuchs beschreibungen sollen beiden gerecht werden. Deshalb werden Aufbau und Funktion jeweils nur so knapp beschrieben, wie es für den erfolgreichen Aufbau nötig ist. Im Anschluss werden die technischen Hintergründe in knapper Form erläutert. So ﬁ ndet man die entscheidenden Hinweise, mit denen man auch auf die Suche nach weiteren Infor mationen gehen kann. Die größte Freude bereiten die Experimente übrigens, wenn man zusammenarbeitet. Eltern und Gro wec

eltern können vielleicht wertvolle Erfahrungen weitergeben und das Interesse der Kinder und Jugendlichen

en.

FET). Typische Aufgabenbereiche sind

Der verwendete Transistor J113 ist ein S ermö

licht. Zwar lassen sich alle wichtigen Grundschaltungen auch mit den weiter verbreiteten bipolaren NPN Transisto ren aufbauen, aber mit dem JFET ergeben sich oft ganz besondere Möglichkeiten. Der Kalender zeigt einige der Chancen und Schwieri che bieten eine

Mit den vorhandenen Bauteilen lassen sich wesentlich mehr Schaltun Wer die vor che Anwendun Grenzen

Wir wünschen viel Freude und eine frohe Weihnachtszeit!

ründliche Einarbeitung in die Schaltungstechnik mit JFETs.

ebenen Versuche mit Interesse durcharbeitet, ﬁ ndet schnell weitere Schaltungsvarianten und ähnli-

en. Und auch ganz neue Schaltungen lassen sich entwickeln. Ihrem Erﬁ ndungsreichtum sind keine

esetzt!

keiten beim Einsatz von JFETs. Oft sind eigene Variationen nötig und sinnvoll. Die Versu-

errschicht-FET (Junction FET, JFET), der zahlreiche interessante Versuche

en bauen, als hier gezeigt werden können.

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lle Versuche im Überblick

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ichtsenso

hselblinker

hang

1 Der LED-Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Batterieverbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3 Gesteckter Au

4 Nur in eine Richtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

6 Konstantstromquelle

7 Stromquelle für zwei LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

8 Geschaltete Helligkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11 Lichtgesteuerter Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13 Sc

14 Wechselfeldsensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

16 Stufenloser Dimmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

wingungssensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

bau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

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19 LED-Wec

20 Tongenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21 Gegentaktblinker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23 Signa

24 Weihnachtliches LED-Funkeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1 Der

LED-Test

(

geg

(

1. Ta

Grüne LED + Widerstand 10

Hinter dem 1. Türchen ﬁ nden Sie eine grüne LED und einen dazu passenden Widerstand. Zusätzlich benötigen Sie eine 9-V-Blockbatterie. Der erste Versuch soll einfach nur eine LED zum Leuchten bringen. Eine LED darf niemals direkt an eine Spannungsquelle gelegt werden, man braucht immer auch einen Vorwiderstand. Ohne diesen Widerstand würde die LED überlastet und zerstört werden! Darüber hinaus muss die LED in der korrekten Richtung eingebaut werden. Sie besitzt zwei unterschiedliche Anschlüsse. Der kurze Draht ist der Minuspol längere Draht ist der Pluspol bei allen LEDs in diesem Kalender der größere Halter im Inneren der LED mit der Kathode verbunden.

Der erste Versuch muss besonders vorsichtig ausgeführt werden. Achtung, vermeiden Sie den direkten Blick aus kurzer Entfernung von unter einem Meter in eine leuchtende LED. Helle LEDs können Netzhautschäden verursachen. Und achten Sie darauf, dass niemals beide LED-Anschlüsse gleichzeitig die Batterieanschlüsse berühren! Es muss immer

er Widerstand in Reihe angeschlossen werden, sonst brennt die LED durch. Halten Sie beide Bauteile an die

Batterie, wie es die Zeichnung zeigt. Die LED leuchtet hell au

Elektronische Schaltun dern dar. Für jedes Bauteil gibt es ein Symbol. Die LED besteht aus einem Dreieck für die Anode und einem die Kathode. Das deutet die Stromrichtun nach außen stehen für das ab wird als rechtecki einen

estimmten Widerstandswert. Hier sind es 10.000 Ohm = 10 Kiloohm mit Farbringen beschriftet und Gold für mögliche Abweichungen bis +/–5%

es Kästchen gezeichnet. Jeder Widerstand hat

10 k, im Schaltbild kurz 10k). Das reale Bauteil ist

Anode, A). Der breitere untere Rand ist an der Kathodenseite abgeﬂ acht. Außerdem ist

en stellt man übersichtlich in Schaltbil

eraden Strich für

an. Zwei kurze Pfeile

ebene Licht. Der Widerstand

Braun, Schwarz, Orange für 10.000

Kathode, K), der

Das Schaltbild zeigt eine Reihenschaltung. Der Strom ﬂ ießt durch Batterie, Widerstand und LED. Der Widerstand hat dabei die Auf die Stromstärke. Bei 10k leuchtet aber schon recht hell

abe, die Stromstärke auf einen sinnvollen Wert zu begrenzen. Je größer der Widerstand, desto kleiner

wird die LED zwar noch weit unterhalb ihres maximal erlaubten Stroms betrieben, sie

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2 Batterieverbindun

doch

htb

Das 2. Türchen verbirgt einen Batterieclip für die 9-V-Batterie. Bauen Sie den Versuch vom ersten Tag noch einmal etwas anders auf. Verwenden Sie den Batterieclip und beachten Sie, dass der schwarze Anschlussdraht der Minuspol ist und der rote der Pluspol. Vermeiden Sie unbedingt einen Kurzschluss der Batterie, also eine direkte Verbindun der beiden Pole. Denn dabei könnte die Batterie sehr heiß werden und bei einem länger anhaltenden Kurzschluss im Extremfall sogar explodieren. Außerdem verringern Kurzschlüsse die Lebensdauer der Batterie.

Der Widerstand von 10 Strom durch die LED. In diesem Fall kann man davon ausgehen, dass etwa 2V an der LED liegen, also noch 7V am Widerstand. Daraus ergibt sich ein Strom von nur 0,7mA. Zum Vergleich: LEDs werden meist 20mA ausge je aus, um gut sic

egt. Diese grüne LED kommt

schon mit deutlich weniger als 1mA

bestimmt den

ür Ströme von

ares Licht zu erzeugen.

2. Tag

Batterieclip

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Gesteckte

ufbau

adel etwas zu weite

r A

3. Ta

Draht + Steckplatine

Öffnen Sie das 3. Türchen und nehmen Sie einen aufgewickelten Draht und eine Steckplatine aus dem Fach. Damit vereinfacht sich der Aufbau komplizierter Schaltungen. Das Steckboard mit insgesamt 270 Kontakten im 2,54-mm Raster (0,1 Zoll) sorgt für eine sichere Verbindung der Bauteile.

Das Steckfeld hat im mittleren Bereich 230 Kontakte, die durch vertikale Streifen mit jeweils fünf Kontakten leitend verbunden sind. Zusätzlich gibt es am Rand 40 Kontakte für die Stromversorgung, die aus zwei horizontalen Kontaktfederstreifen mit je 20 Kontakten bestehen. Das Steckfeld verfügt damit über zwei unabhängige Versorgungsschie nen, die hier für den Pluspol und den Minuspol der Batterie verwendet werden.

Das Einsetzen von Bauteilen er dass die Drähte exakt von oben einge möglichst kurz über dem Steckbrett ange Anschlussdrähte wie die verzinnten Enden des Batteriecli

ie Kontakte zuerst mit einer N

ordert relativ viel Kraft. Die Anschlussdrähte knicken daher leicht um. Wichtig ist,

ührt werden. Dabei hilft eine Pinzette oder eine kleine Zange. Ein Draht wird

asst und senkrecht nach unten gedrückt. So lassen sich auch empﬁ ndliche

s einsetzen, ohne sie zu knicken. Manchmal hilft es auch,

Bauen Sie die Schaltung aus dem ersten Versuch noch einmal auf der Steckplatine auf. Wieder handelt es sich um eine Rei an als Zugentlastung au Das den

enschaltung mit Widerstand und LED. Das Schaltbild zeigt die gleiche Schaltung, aber mit einer etwas

eren Anordnung der Bauteile, die dem realen Versuch möglichst ähnlich ist. Ein zusätzlicher kurzer Draht dient

ür die Batteriekabel und hält sie in ihrer Position fest. Entfernen Sie die Isolierung an den Enden

einer Länge von 5mm oder etwas mehr, sodass sie tief eingesteckt werden können und gut gehalten werden.

ilt auch für alle Drahtverbindungen der folgenden Versuche. Sie können den Batterieclip als Schalter verwen-

indem Sie nur einen Kontakt fest verbinden und den anderen seitlich berühren lassen.

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JFET J

4 Nur in eine Richtung

(G)

Hinter dem 4. Türchen ﬁ nden Sie das wichtigste Bauteil dieses Kalenders. Es handelt sich um den Feldeffekttransis tor (FET) J113, und zwar um einen Sperrschicht-FET (JFET, J für Junction = Sperrschicht). Er enthält also eine Diode, die den Strom nur in eine Richtung leitet. Seine drei Anschlüsse heißen Gate Versuch leitet die Sperrschicht, die LED leuchtet also. Wenn man jedoch die beiden Anschlüsse vertauscht, geht die LED aus. Verwenden Sie allerdings anstelle des Source-Anschlusses den Drain-Anschluss, ist die LED ebenfalls an.

Zwischen Gate und Source des Feldeffekttransistors liegt im leitenden Zustand eine Spannung von rund 0,7V – wie bei einer in Durchlassrichtung eingebauten Si-Diode zwischen Anode und Kathode oder bei einem NPN-Transistor zwischen Basis und Emitter oder zwischen Basis und Kollektor. Ein NPN-Transistor würde sich in dieser Schaltun ähnlich verhalten. Ganz anders ist es bei einem MOS-FET, der ein isoliertes Gate hat, das in keiner Richtung leitet.

, Source (S) und Drain (D). In diesem

4. Tag

113

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5 Berührungssenso

stand

Source und

tter und Kollekto

aber de

sto

5. Ta

Widerstand 470

Einen weiteren Wider Braun. Setzen Sie ihn nun als Vorwiderstand in die Plusleitung der Batterie. Er dient, ähnlich wie eine Sicherung, der Strombegrenzung im Fehlerfall und soll die Bauteile der Schaltung schützen. Zugleich können Sie ihn als Hauptschal ter verwenden. Wenn Sie einen der Drähte des Widerstands herausziehen, ist die Batterie vom Versuch getrennt.

Die eigentliche Schaltung dieses Tages zeigt die besonderen Eigenschaften eines JFET. Das Gate ist mit einem offenen Draht verbunden. Im Ruhezustand leuchtet die LED. Wenn Sie jedoch den offenen Draht kurz berühren, ändert sich die Helligkeit, oder die LED geht aus. Meist geht sie nach einigen Sekunden oder Minuten wieder an. Sie können Ihre Hand auch nur in die Nähe des Gate-Drahts halten und die Füße auf dem Boden bewegen oder vom Boden abheben. Auch dadurch ändern Sie die Helligkeit. Schließen Sie das Gate auch einmal direkt an Source bzw. den Minuspol der Batterie (Masse, Ground, GND) an. Dann bleibt die LED an.

Die drei Anschlüsse Source eines NPN-Transistors ver

hen Emitter eine Spannung von +0,5V bis ca. +0,7V braucht, leitet der JFET schon bei einer Spannung von 0V zwischen Gate und Source. Man sa ne

ative Spannung von rund –2V oder tiefer. In diesem Bereich ist die Gate-Diode gesperrt, der Eingang also ex trem hochohmi halb von etwa –40V beginnt die GS-Diode, wie eine Z-Diode zu leiten, und schützt sich daher selbst vor noch größe ren Spannungen

Drain bzw. zwischen Emi

. Deshalb reagiert das offene Gate schon auf kleinste elektrische Ladungen oder elektrische Felder. Unter

ﬁ nden Sie hinter Türchen Nummer 5. Er hat 470

Gate und Drain des FET kann man mit den Anschlüssen Emitter, Basis und Kollektor

leichen. Die Spannung am Gate oder an der Basis bestimmt jeweils den Stromﬂ uss zwi-

r. Während

t daher, dass dieser Transistor „selbstleitend“ ist. Um ihn zu sperren, braucht man eine

und trägt die Farben Gelb, Violett,

r NPN-Transi

r zwischen Basis un

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6 Konstantstromque

lle

Öffnen Sie Türchen Nummer 6. Dahinter ﬁ nden Sie eine weiße LED. Man erkennt sie an dem gelblichen Fleck auf dem LED-Kristall, also dem Leuchtstoff, der das ursprünglich blaue Licht der LED in weißes Licht umwandelt. Die weiße LED leuchtet bei diesem Versuch mit geringer, aber konstanter Helligkeit, weil sich ein konstanter Strom ein stellt. Selbst wenn Sie eine schwache durch eine neue Batterie ersetzen, bleibt die Helligkeit gleich.

Der LED-Strom ﬂ ießt durch Drain und Source sowie durch den Source-Widerstand von 10 Spannungsabfall von rund 2V am Widerstand. Die Source-Spannung liegt also 2V über der GND-Spannung. Weil das Gate aber direkt an GND liegt, ist die Gate-Spannung gegenüber dem Source-Anschluss negativ und beträgt –2V. Der Transistor ist also schon fast gesperrt, sodass nur noch ein kleiner Strom ﬂ ießt. Dieser Strom ist aber sehr stabil, weil jede Stromänderung zu einer Änderung der Gate-Spannung und damit zu einer gegenläuﬁ gen Änderung des Drain-Stroms führt. Die Größe des konstanten Stroms hängt von den Eigenschaften des Transistors und vom SourceWiderstand ab. Eine Konstantstromquelle ist eine typische Au au

wand gebaut werden kann. Im Gegensatz zu einem JFET leitet ein MOS-FET wie der bekannte BS107 erst bei einer

positiven Spannung am Gate, so

ass man ihn in dieser Schaltung nicht einsetzen könnte

gabe für einen JFET, weil sie mit minimalem Bauteile-

. Dabei entsteht ein

6. Tag

Weiße LED

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