Conrad 4019631150097 Operation Manual [de]

Page 1

Mit diesem Adventskalender verkürzen Sie Ihren Kindern die Wartezeit auf Weihnachten. Spannende und abwechslungsreiche Elektronik-Experimente werden mit kindgerecht aufbereitetem Fachwissen unterfüttert. So lernt Ihr Kind nicht nur Schaltkreise aufzubauen, sondern auch, was dahinter steckt. Dank des enthaltenen Steckbretts muss nicht gelötet werden. Zudem wird am ersten Tag eine Sicherung gebaut, die dafür sorgt, dass bei den Versuchen nichts schiefgehen kann.

Der ehemalige Physiklehrer Burkhard Kainka kennt Kinderfragen und nimmt sie ernst: Er erklärt in einfacher Sprache und auf Augenhöhe, wie die verschiedenen Schaltungen und Bauteile funktionieren und wo sie in der Elektrotechnik zum Einsatz kommen. Große, farbige Illustrationen zeigen genau, wie die Bauteile auf dem Steckbrett positioniert werden müssen. Außerdem werden die Kinder an klassische Schaltpläne herangeführt und werden so wirklich zu kleinen Elektronikern.

Im beiliegenden Handbuch erklärt Kainka, wie man die Versuche durchführt und welche physikalischen Prozesse dahinterstecken. Für alle, die mehr wissen möchten, gibt es Infokästen, die die technischen Zusammenhänge noch gründlicher beleuchten.

Los geht es mit den Grundlagen: Schnell ist eine LED zum Leuchten gebracht, und schon bald blinken die kleinen Lämpchen um die Wette. Dann ist auch schon die erste Alarmanlage fürs Kinderzimmer oder eine optische Temperaturanzeige gebaut. Und auch mit dem rasanten Reaktionsspiel kommt der Spaß nicht zu kurz. Die Projekte sind so konzipiert, dass man sie nicht nur aufbaut, sondern auch mit ihnen experimentieren kann. So sind ein lang anhaltender Lerneffekt und Spielspaß garantiert, und Weihnachten kann kommen!

DER ADVENTSKALENDER ZUM LERNEN UND SPASSHABEN

Jeden Tag ein neues Bauteil: In 24 Tagen vom Einsteiger zum kleinen Ingenieur.

So spannend war die Vorweihnachtszeit noch nie!

Früh übt sich,

wer ein echter

Proﬁ werden

möchte!

ELEKTRONIK-

ADVENTSKALENDER FÜR KIDS

ACHTUNG! Für Kinder unter 3 Jahren nicht geeignet. Erstickungsgefahr, da kleine Teile verschluckt oder eingeatmet werden können. ACHTUNG! Ausschließlich für Kinder von mindestens 8 Jahren geeignet. Anweisungen für die Eltern oder andere verantwortliche

Personen sind beigefügt und müssen unbedingt beachtet werden. Verpackung und Anleitung aufbewahren, da sie wichtige

Informationen enthalten! Technische Änderungen vorbehalten.

Zusätzlich benötigt: 1 x 9-Volt-Block-Batterie

Innovation, Irrtümer und Druckfehler vorbehalten 2017/01

GTIN 4019631150097

ALTER

15009-7 Booklet U1+U4.qxp 23.03.17 09:58 Seite 2

Page 2

Impressum

Autor: Burkhard Kainka Idee/Konzeption: Michael Büge, Burkhard Kainka Lektorat: Richard Korff Schmising Art & Design Cover: www.ideehochzwei.de Layout & Satz: Nelli Ferderer

ISBN 978-3-645-15009-7

2017/01

Bildnachweis

Zeichnungen erstellt mit http://fritzing.org/

Alle Rechte vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und der Spei cherung in elektronischen Medien. Das Erstellen und Verbreiten von Kopien auf Papier, auf Datenträger oder im Internet, insbesondere als PDF, ist nur mit ausdrücklicher Genehmigung des Verlags gestattet und wird widrigenfalls strafrechtlich verfolgt.

Die meisten Produktbezeichnungen sowie Firmennamen und Firmenlogos, die in diesem Werk genannt werden, sind in der Regel gleichzeitig auch eingetragene Warenzeichen und sollten als solche betrachtet werden. Der Verlag folgt bei den Produktbezeichnungen im Wesentlichen den Schreibweisen der Hersteller.

Alle in diesem Buch vorgestellten Schaltungen wurden mit der größtmöglichen Sorgfalt entwickelt, geprüft und getestet. Trotzdem können Fehler im Buch nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag und Autor haften in Fällen des Vorsatzes oder der groben Fahrlässigkeit nach den gesetzlichen Bestimmungen.

Im Übrigen haften Verlag und Autor nur nach dem Produkthaftungsgesetz wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit oder wegen der schuld haften Verletzung wesentlicher Vertragspﬂ ichten. Der Schadensersatzanspruch für die Verletzung wesentlicher Vertragspﬂ ichten ist auf den vertragstypischen, vorhersehbaren Schaden begrenzt, soweit nicht ein Fall der zwingenden Haftung nach dem Produkthaftungsgesetz gegeben ist.

Dieses Produkt wurde in Übereinstimmung mit den geltenden europäischen Richt linien hergestellt und trägt daher das CE-Zeichen. Der bestimmungs gemäße Gebrauch ist in der beiliegenden Anleitung beschrieben. Bei jeder anderen Nutzung oder Veränderung des Produkts sind allein Sie für die Einhaltung der geltenden Regeln verantwortlich. Bauen Sie die Schaltungen deshalb genauso auf, wie es in der Anleitung beschrieben wird. Das Produkt darf nur zusammen mit der Anleitung und diesem Hinweis weitergegeben werden. Das Symbol der durchkreuzten Müll tonne bedeutet, dass dieses Produkt getrennt vom Hausmüll als Elektroschrott dem Recycling zugeführt werden muss. Wo Sie die nächstgelegene kostenlose Annahmestelle ﬁ nden, sagt Ihnen Ihre kommunale Verwaltung.

• nelli

ferderer.de

Page 3

Sicherheitshinweise

Nicht für Kinder unter 3 Jahren geeignet. Es be-

Achtung!

steht Erstickungsgefahr, da kleine Teile verschluckt

oder eingeatmet werden können.

Achtung!

Ausschließlich für Kinder von mindestens

8 Jahren geeignet. Anweisungen für Eltern

oder andere verantwortliche Personen

sind beigefügt und müssen beachtet wer-

den. Verpackung und Anleitung müssen

aufbewahrt werden, da sie wichtige

Informa tionen enthalten.

Achtung!

Augenschutz und LEDs: Blicken Sie nicht aus

geringer Entfernung direkt in eine LED, denn

ein direkter Blick kann Netzhautschäden ver-

ursachen! Dies gilt besonders für helle LEDs im

klaren Gehäuse sowie in besonderem Maße für

Power-LEDs. Bei weißen, blauen, violetten und

ultravioletten LEDs gibt die scheinbare Helligkeit

einen falschen Eindruck von der tatsächlichen

Gefahr für Ihre Augen. Besondere Vorsicht ist

bei der Verwendung von Sammellinsen geboten.

Betreiben Sie die LEDs so wie in der Anleitung

vorgesehen, nicht aber mit größeren Strömen.

Verletzungsgefahren! Beim Einsatz von Werkzeugen

Achtung!

und bei der Bearbeitung von Holz, Metall und Kunst-

stoff besteht Verletzungsgefahr. Beachten Sie das

Alter und die Erfahrungen Ihres Kindes. Helfen Sie

bei schwierigen oder gefährlichen Arbeitsschritten.

Überprüfen Sie die Sicherheit der selbst gebauten

Spielzeuge und achten Sie auf eine Verletzungs-

gefahr durch scharfe Kanten beim Spielen. Führen

Sie bei Bedarf eine Nachbearbeitung durch, feilen Sie scharfe Kanten ab und entgraten Sie Bohrungen oder Schnittkanten.

Achtung!

Keine Experimente an Steckdosen durchführen! Die 230 Volt des Stromnetzes sind lebensgefährlich! Alle Experimente

dieses Experimentierpakets dürfen nur mit

der ungefährlichen Batteriespannung von 9 Volt durchgeführt werden. Dann besteht keine Gefahr bei Berührung elektrisch

leitender Teile.

Weisen Sie Ihr Kind bitte ausdrücklich darauf hin, dass es alle Anweisungen und Sicherheitshinweise lesen und zum Nach-

schlagen bereithalten soll. Hinweise und Regeln beim Aufbau der Bastel projekte

sind unbedingt einzuhalten.

für Eltern und Kinder

Kurzschlüsse vermeiden! Eine direkte Verbindung zwischen Minus- und Pluspol muss unbedingt vermieden werden, weil dabei Drähte und Batterien heiß werden können und weil die Batterien sich dann schnell verbrauchen. Im Extremfall können Drähte glühend heiß werden, und die

Batterie kann explodieren. Es besteht Brand- und Verletzungsgefahr. Weisen Sie Ihre Kinder auf

diese Gefahren hin und beaufsichtigen Sie die Experimente. Verwenden Sie nach Möglichkeit nur normale Zink-Kohle- Batterien (6F20), die einen geringeren Kurzschlussstrom liefern und deshalb weniger gefährlich sind als Alkali batterien (6RL61). Verwenden Sie keinesfalls Akkus!

Achtung!

Page 4

Kinder-Elektronik-Kalender 2017

Liebe Kinder!

In der Zeit bis Weihnachten warten 24 Elektronik-Projekte auf euch. Im Mittelpunkt stehen Leuchtdioden und Transistoren. Damit kann man ganz unterschiedliche Dinge bauen. Das macht einfach Spaß! Und wer möchte, ﬁ ndet hier auch die nötigen Informationen darüber, wie das alles funktioniert.

Hinter dem ersten Türchen deines Kalen ders ﬁ ndest du sechs Bauteile, damit es gleich richtig losgehen kann. Es gibt nämlich vier Dinge, die bei jedem Versuch immer wieder gebraucht werden: Das sind eine Steckplatine, ein Batterieclip, ein Schalter und eine Sicherung. Hinzu kommen für den ersten Versuch ein Widerstand und eine Leuchtdiode (LED).

Das Batteriekabel muss möglichst stabil befestigt werden, damit es sich bei den vielen folgenden Versuchen nicht löst. Die blanken Enden des roten und des schwarzen Kabels

LED -Lampe selbst gebaut

sollten in genau die richtigen Kontaktlöcher der Steckplatine gesteckt werden. Stich aber vorher mit einer Nadel kleine Löcher in die Schutzfolie auf der Rückseite der Platte und stecke die Kabel von unten hindurch. Dadurch können sie nicht mehr so leicht verrutschen.

Der Schalter und die Sicherung müssen genau in die gezeigte Position gesteckt werden. Das passt dann für alle Versuche bis Weihnachten. So können keine großen Fehler mehr passieren. Der Widerstand und die LED gehören zum ersten Versuch. Achte

Page 5

bei der LED auf die Einbaurichtung. Sie hat einen kürzeren Draht (die Kathode = Minuspol) und einen längeren Draht (die Anode = Pluspol). Im Inneren kann man an der Minus seite einen etwas größeren Halter erkennen, der den eigentlichen LED-Kristall trägt.

Schaltbilder

Wenn du alles fertig aufgebaut hast, vergleiche es genau mit dem Aufbaubild. Lass dir am besten von einem Erwachsenen helfen, der den ersten Versuch noch einmal genau überprüft. Bei den folgenden Projekten wird meist nur wenig umgebaut, sodass es immer einfacher wird.

Jetzt wird zum ersten Mal die Batterie angeschlossen. Und fertig ist dein rotes Licht mit Schalter. Schiebe den linken Schalter in Richtung ON, und deine rote LED leuchtet. Sollte es nicht funktionieren, überprüfe noch einmal alles. Der häuﬁ gste Fehler ist, dass die LED falsch herum eingebaut wurde. Aber kein Problem, dabei geht nichts kaputt. Wenn sie richtig herum eingesetzt wird, klappt es.

Die Schaltbilder in diesem Handbuch muss man eigentlich gar nicht unbedingt beachten, um die Versuche erfolgreich aufzubauen. Aber sie können dabei helfen, alles besser zu verstehen. Ein Schaltbild zeigt die Verbindungen der Bauteile in einer vereinfachten Art mit Schalt symbolen für jedes Bauteil. Wenn du dich daran gewöhnt hast, verstehst du mithilfe des Schaltbilds viel leichter, wie alles zusammengehört.

Die Batterie besteht aus sechs Batterie zellen mit jeweils 1,5 V. Der längere Strich steht für den Pluspol. Die Sicherung wird als Kästchen mit einem Draht dargestellt. Der Schalter zeigt gerade eine geöffnete Verbindung. Den Widerstand symbolisiert ein einfaches Kästchen. Und die LED enthält einen Pfeil, der die Stromrichtung anzeigt. Zwei kleine Pfeile deuten auf das erzeugte Licht hin.

In diesem Schaltbild erkennst du sehr leicht, dass alle Bauteile einen geschlossenen Weg bilden. Das nennt man einen Stromkreis. Nur an einer Stelle ist der Weg unterbrochen: am gerade geöffneten Schalter.

Page 6

Mit zwei LEDs wird das Leben bunter

Hinter Türchen Nummer 2 ﬁ ndest du eine grüne LED. Baue sie so mit in die Schaltung ein, wie es das Bild zeigt. Nun leuchten beide LEDs, die rote und die grüne. Und mit dem Schalter kannst du beide gemeinsam ein- und ausschalten.

Reihenschaltung

Bei der Reihenschaltung ﬂ ießt der gleiche Strom durch zwei oder mehr Verbraucher. Es ist ein »unverzweigter Stromkreis«, weil es nur einen Weg gibt. Das bedeutet, die Stromstärke ist an jeder Stelle gleich groß. Das kannst du selbst ausprobieren, indem du beide LEDs vertauschst. Die Helligkeit bleibt genau gleich.

Vereinfachtes Schaltbild einer Reihenschaltung

Page 7

Öffne das dritte Türchen und nimm einen weiteren Widerstand heraus. Er hat 330 k Orange, Gelb und einen zusätzlichen goldenen Ring. Je größer der Widerstand, desto weniger Strom ﬂ ießt. Dein erster Widerstand hatte nur 4,7 kΩ (Gelb, Violett, Rot) und sorgte für recht helles Licht. Wenn der größere Widerstand verwendet wird, leuchten die LEDs nur noch schwach.

In deinem Bereitschaftslicht sorgt der große Widerstand dafür, dass man die Lampe auch bei Dunkelheit jederzeit ﬁ nden kann. Wenn die Lampe gebraucht wird, schaltest du die größere Helligkeit ein. So etwas gibt es auch bei manchen Lichtschaltern: Eine kleine Lampe sorgt dafür, dass man den Schalter leicht ﬁ ndet.

So findest du immer den Schalter

Ω (330 Kiloohm) und trägt die Farbringe Orange,

Widerstände und ihre Farbringe

Die Farbringe auf den Widerständen stehen für Zahlen. Sie werden beginnend mit dem Ring gelesen, der dem Rand des Widerstands am nächsten liegt. Die ersten beiden Ringe stehen für zwei Ziffern, der dritte für angefügte Nullen. Zusammen bezeichnen sie den Widerstand in Ohm. Ein vierter Ring gibt die Genauigkeit an. Alle Widerstände in diesem Kalender haben einen goldenen Ring. Das bedeutet, dass der angegebene Wert um 5 % größer oder kleiner sein kann, als durch die Farbringe angegeben. Dein erster Widerstand wird so gelesen: Gelb = 4, Violett = 7, Rot = 00, zusammen 4700 Ohm, also 4,7 k

Ω.

Farbe Ring 1

1. Ziffer

Schwarz 0 1

Braun 1 1 10 1 %

Rot 2 2 100 2 %

Orange 3 3 1000

Gelb 4 4 10000

Grün 5 5 100000 0,5 %

Blau 6 6 1000000

Violett 7 7 10000000

Grau 8 8

Weiß 9 9

Gold 0,1 5 %

Silber 0,01 10 %

Der Widerstandsfarbcode

Ring 2

2. Ziffer

Ring 3 Multiplikator

Ring 4 Toleranz

Page 8

Hinter Türchen Nummer 4 ﬁ ndest du ein Kabel mit zwei Steckern. Baue damit deine Lampe so um, dass beide Teile des Schalters für eine eigene Helligkeit zuständig sind. Dann kannst du je nach Wunsch drei Helligkeiten einschalten: aus, schwaches Licht und helles Licht. Wenn beide Schalter gemeinsam an sind, müsste es eigentlich noch eine vierte Stufe geben, denn dann ﬂ ießt der Strom durch beide Widerstände. Aber der Unterschied zur dritten Stufe ist so gering, dass man ihn nicht bemerkt.

Wie hell darf es denn sein?

Spannung, Widerstand und Strom

Du weißt vielleicht schon, dass die elektrische Spannung in Volt (V) gemessen wird. Die Batterie hat 9 V. Und einen Widerstand misst man in Ohm ( Es gibt aber noch eine andere sehr wichtige Messgröße: Die elektrische Stromstärke misst man in Ampere (A), kleine Stromstärken in Milliampere (1 mA = 1/1000 A). All diese Namen stammen von berühmten Forschern, die vor etwa 200 Jahren als Erste die Elektrizität erforschten: Alessandro Volta, Georg Simon Ohm und André-Marie Ampère.

Mit einem Messgerät könnte man messen, wie viel Strom durch die LED ﬂ ießt. Aber man kann es auch ausrechnen, wenn man weiß, wie groß die Spannung der Batterie gerade ist und welche Spannung an der LED liegt. Wenn die Batterie noch neu ist, hat sie eine Spannung von 9 V. Die beiden LEDs brauchen zusammen ungefähr 4 V. Da bleiben noch 5 V für den

Ω) oder Kiloohm (1 kΩ = 1.000 Ω).

Widerstand. Für die größere Helligkeit kann man so rechnen:

Strom = Spannung / Widerstand Strom = 5 V / 4.700 Strom = 0,0011 A = 1,1 mA

Das ist nicht viel, es ﬂ ießen nur 1,1 mA, obwohl die LED einen Strom von 20 mA verträgt. Aber die Batterie hält lange! Sie hat meist eine Kapazität von 500 mAh (500 Milliamperestunden), könnte also eine Stunde lang 500 mA liefern oder 500 Stunden lang 1 mA. Oder deine Lampe leuchtet etwa 450 Stunden mit 1,1 mA, also fast drei Wochen lang.

Für den größeren Widerstand mit 330 k kommt man ungefähr auf einen Strom von 0,015 mA und eine Betriebsdauer von vier Jahren mit nur einer Batterie. Strom sparen lohnt sich!

Ω

Page 9

Verstärkter Strom

Am fünften Tag kommt das wichtigste Bauteil deines Kalenders zum Vorschein: ein Transistor. Der Transistor hat drei Anschlüsse, die man nicht verwechseln darf. Sie heißen Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C). Die Abkürzung C stammt übrigens von dem englischen Begriff (Collector). Der Emitter soll mit dem Minusanschluss der Batterie verbunden werden. Dazu muss die ﬂ ache, beschriftete Seite des Transistors nach links weisen.

Der Versuch zeigt das typische Verhalten eines Transistors. Wenn beide Schalter eingeschaltet sind, leuchtet die grüne LED nur schwach, aber die rote sehr hell. Schaltet man mit dem rechten Schalter die grüne LED aus, geht auch die rote LED aus. Der Transistor verhält sich wie ein Schalter.

Ein kleiner Strom durch den Basisanschluss bewirkt, dass ein großer Strom durch den Kollektoranschluss eingeschaltet wird.

Transistoren sind wichtige Bauelemente in allen Bereichen der Elektronik. In Radios und Fernsehern genauso wie in Smart phones und Computern – überall sind Transistoren eingebaut. Deshalb lohnt es sich, genau zu verstehen, wie ein Transistor funktioniert. Die Schaltung dieses Tages zeigt sogar schon ein wichtiges Grundelement eines Computers, nämlich die UND-Schaltung. Nur wenn Schalter 1 (S1) UND Schalter 2 (S2) auf ON stehen, geht die rote LED an. Wenn einer von beiden oder beide ausgeschaltet sind, bleibt sie aus. Aus sehr vielen solcher Grundschaltungen kann man Automaten, Rechenmaschinen oder ganze Computer bauen.

Transistoren

Der Transistor in deinem Versuch enthält einen Kristall aus Silizium. Silizium (Si) ist in großen Mengen in ganz normalem Quarzsand enthalten (Quarz = Siliziumoxid). Es gehört zu den Halbleitern, also zu den Stoffen, die den elektrischen Strom weder gut leiten, wie etwa Metalle, noch gut isolieren, wie Glas oder Gummi. Damit eine ganz bestimmte Leitfähigkeit erreicht wird, fügt man dem reinen Silizium kleinste Spuren anderer Stoffe bei. Je nach Art dieser Stoffe erhält man N-Silizium oder P-Silizium. In deinem Transistor gibt es drei Schichten: NPN. Andere Typen habe eine andere Schichtfolge, nämlich PNP. Sie funktionieren ähnlich, aber mit anderer Stromrichtung.

Schaue deinen Transistor einmal ganz genau an. Da gibt es die Beschriftung BC547B. Mit dieser Bezeichnung kann man genau den richtigen Transistor bestellen, der übrigens von mehreren Firmen hergestellt wird. Oder man kann im Internet nach dem Datenblatt dieses Typs suchen. Darin stehen viele Eigenschaften und Messwerte, die teilweise nur von Fachleuten genau verstanden werden. Kurz zusammengefasst: Dieser NPN-Transistor verträgt eine Spannung von 50 V und einen Strom von 100 mA. Und er kann den Strom mindestens 200-fach verstärken.

Page 10

Alarmanlage

Hinter dem sechsten Türchen ﬁ ndest du ein weiteres Kabel. Davon kann man eigentlich nie genug haben. Mit dem zweiten Kabel ist es möglich, eine kleine Alarmanlage zu bauen. Es bildet eine Verbindung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors, die den Kollektorstrom abschaltet. Aber wenn man das Kabel herauszieht, wird der Alarm ausgelöst. Dann geht die rote LED an.

Eine Alarmanlage könnte mit einem dünnen Draht gebaut werden, der zerreißt, wenn jemand ein Fenster oder eine Tür öffnet. Der Draht könnte in Form einer Alarmschleife gleich mehrere Fenster und Türen sichern. Sollte ein Einbrecher den Draht entdecken und durchtrennen, um den Alarm auszuschalten, dann hat er sich gründlich verrechnet. Denn dann geht der Alarm ebenfalls los.

Im Alarmzustand ﬂ ießt ein kleiner Strom durch die grüne LED, den 330-kΩ-Widerstand und durch den Basisanschluss des Transistors. Der Transistor schaltet deshalb den Kollektorstrom ein, sodass die rote LED leuchtet. Die Alarmschleife bildet aber einen Kurzschluss zwischen Basis und Emitter. Damit wird der Basisstrom abgeschaltet. Ohne Basisstrom ﬂ ießt auch kein Kollektorstrom, die rote LED bleibt aus. Wenn man aber die Alarmschleife auftrennt, wird der Transistor eingeschaltet.

Auch ohne Alarm ﬂ ießt immer ein kleiner Strom. Die grüne LED leuchtet ganz schwach und zeigt, dass die Alarmanlage scharf ist. Aber weil im Ruhezustand nur ein sehr kleiner Strom ﬂ ießt, hält die Batterie mehrere Jahre lang. Nur bei einem Alarm ﬂ ießt mehr Strom.

Achtung

Sicherung und Schalter sind im Schaltbild nicht mehr eingezeichnet, gehören aber immer dazu.

Page 11

Aus bei Knopfdruck

Öffne das siebte Türchen und entdecke dahinter einen kleinen Tastschalter. Er soll nun anstelle der Alarmschleife des letzten Tages eingebaut werden.

Im Normalzustand ist der Schalter geöffnet. Nur wenn man auf den Knopf drückt, schließt sich der Kontakt. Damit schaltet man die rote LED aus.

Die NICHT-Schaltung

Eigentlich ist das ja seltsam. Man schließt einen Kontakt und schaltet einen Strom ein, aber dadurch wird ein anderer Strom abgeschaltet. Ein Einschalten bewirkt ein Ausschalten, also das genaue Gegenteil. Auch dies gehört zu den wichtigen Grundschaltungen der Computertechnik und wird als NICHT-Schaltung bezeichnet.

Ein anderer Ausdruck dafür ist »Inverter« (das bedeutet »Umkehrer«). Wie die UND-Schaltung ist auch die NICHT-Schaltung eine logische Grundschaltung. Aus sehr vielen UND- und NICHT-Schaltungen könnte man einen ganzen Computer bauen.

Page 12

Heute nimmst du aus dem achten Türchen ein Bauteil mit zwei Drähten heraus: einen Kondensator. Die genaue Bezeichnung lautet Elektrolytkondensator (kurz Elko), und die Besonderheit des Elkos ist, dass man wie bei einer LED die Polung beachten muss. Der Minuspol ist mit einem dicken weißen Strich gekennzeichnet und muss mit Minus verbunden werden.

Betätige den Taster, um die LED einzuschalten. Wenn du ihn wieder loslässt, geht die LED nicht sofort aus, sondern leuchtet noch ein bis zwei Minuten nach und wird dann ganz langsam immer schwächer.

Das große Nachleuchten

Achtung

Ein Elektrolytkondensator darf nicht falsch herum eingebaut werden. Wenn bei einem Elko Plus und Minus vertauscht werden, funktioniert seine Isolierung nicht. Es ﬂ ießt dann Strom, der auf Dauer zu einer Zerstörung des Bauteils führt.

Das ist eine ideale Nachtlampe, denn man kann sich langsam an die Dunkelheit gewöhnen.

Kondensator

Ein Kondensator besteht aus zwei Metallplatten oder Metallfolien, die sich nicht berühren, sondern voneinander isoliert sind. Wenn man sie mit einer Batterie verbindet, werden sie elektrisch aufgeladen und speichern elektrische Energie.

Die Kapazität eines Kondensators, also wie viel elektrische Ladung ein Kondensator bei einer bestimmten Spannung speichert, wird in der Einheit Farad gemessen, benannt nach dem berühmten Forscher Michael Faraday. Dein Kondensator hat nur 100 µF (100 Mikrofarad). So wie »Milli« ein Tausendstel bedeutet, heißt »Mikro« ein Millionstel. Der griechische Buch-

stabe µ (My) ist das kleine griechische m, und »mikros« heißt auf Griechisch »klein«. Die Kapazität ist also recht klein. Aber weil der Widerstand von 330 k

Ω sehr groß ist, wird der

Kondensator mit einem sehr kleinen Strom nur langsam entladen. Der Transistor verstärkt diesen kleinen Entladestrom und lässt die LED hell genug leuchten.

Ohne den Transistor reicht die gespeicherte Energie nur für einen kurzen Lichtblitz. Das kannst du selbst versuchen. Nimm den gerade aufgeladenen Kondensator aus der Steckplatine und halte ihn richtig herum an eine LED, die dann einmal ganz kurz auﬂ euchtet.

Page 13

Wir blinken gemeinsam

Hinter dem neunten Türchen ﬁ ndest du eine ganz besondere LED. Es ist eine rote Blink-LED. Neben dem LED-Kristall enthält sie eine Schaltung, die

den LED-Strom immer wieder ein- und ausschaltet. Wenn du sie wie im Aufbauplan einbaust, wird auch die grüne LED mit ein- und ausgeschaltet. Das Ergebnis ist ein rot-grünes Blinklicht, das man mit dem Tastschalter startet und das dann langsam immer schwächer wird.

Die Blink-LED

Die Blink-LED enthält einen elektronischen Schalter, der aus einem Transistor besteht. Aber das reicht noch nicht, es sind weitere Transistoren und andere Bauelemente nötig, die zusammen eine komplexe Schaltung bilden und die Aufgabe haben, den genauen Zeitablauf zu steuern. Alles zusammen ist auf einem sehr kleinen Stück Silizium aufgebaut, das neben dem LED-Kristall eingebaut ist. Später wirst du selbst eine Blinkschaltung bauen und dann besser verstehen, wie so etwas funktioniert.

Wenn du genau hinschaust, kannst du erkennen, dass die grüne LED in den Blinkpausen nie ganz ausgeht, sondern noch schwach weiterleuchtet. Das liegt daran, dass zwar durch den roten LED-Kristall kein Strom mehr ﬂ ießt, wohl aber durch die übrigen Teile der Schaltung. Deshalb bleibt im Aus-Zustand ein kleiner Strom übrig, der die grüne LED noch schwach leuchten lässt.

Page 14

Wer hält am Längsten

10 11

Dreier-Blinklicht

durch?

Das zehnte Türchen verbirgt einen weiteren Widerstand von 4,7 kΩ (Gelb, Violett, Rot). Er wird gebraucht, um auch die dritte LED mit anzuschließen. Diese rote LED blinkt nicht, weil sie nicht in Reihe zur Blink-LED liegt. Aber sie geht wie die anderen LEDs langsam aus. Ganz am Ende leuchtet nur noch die rote LED; die grüne LED und die Blink-LED sind dann schon vollständig aus.

Öffne Türchen Nummer 11 und nimm einen Widerstand mit 1 kΩ (Braun, Schwarz, Rot) heraus. Baue die Schaltung nun so um, wie es der Plan zeigt. Die rote Blink-LED steuert den Transistor an, der dadurch die rote und die grüne LED ein- und ausschaltet. Das Ergebnis ist ein Blinken aller drei LEDs. Diesmal gehen alle drei LEDs in den Blinkpausen vollständig aus.

Nimm einmal zur Probe den 1-kΩ-Widerstand aus der Schaltung. Dann blinkt nur noch die Blink-LED, die anderen beiden LEDs bleiben immer an. Die Verstärkung des Transistors ist nämlich groß genug, um allein schon durch den kleinen Reststrom der Blink-LED die übrigen LEDs voll einzuschalten. Der Widerstand von 1 kΩ dient also dazu, diesen kleinen Strom abzuleiten, sodass der Transistor nur im An-Zustand der Blink-LED leitet. Die drei LEDs zusammen blinken viel heller als die Blink-LED allein, du siehst also, dass der Transistor als Verstärker arbeitet.

Page 15

Wir leuchten bei Berührung

Hinter dem zwölften Türchen ﬁ ndest du einen weiteren Transistor. Er soll zusammen mit dem ersten Transistor für noch mehr Verstärkung sorgen. Beide Kollektoranschlüsse sind direkt verbunden, und der Emitter des ersten Transistors führt zur Basis des zweiten. Diese Schaltung nennt man Darlington-Schaltung. Damit wird hier ein Berührungsschalter gebaut. Wenn du mit dem Finger gleichzeitig das freie Ende des Kabels und den Widerstand mit 330 kΩ

berührst, ﬂ ießt ein ganz kleiner, nicht spürbarer Strom durch deinen Finger, der so weit verstärkt wird, dass beide LEDs eingeschaltet werden.

Bisher konnte der erste Transistor immer an seiner Position stecken bleiben. Aber nun muss er anders eingebaut werden, damit beide passend verbunden werden können. Der neue Eingang ist die Basis des linken Transistors.

Die Darlington-Schaltung

Die Verbindung von zwei Transistoren wie im Schaltbild nennt man Darlington-Schaltung. Zwei Transistoren verstärken mehr als einer. Das gilt besonders für diese Schaltung, bei der der schon verstärkte Strom von einem zweiten Transistor noch einmal verstärkt wird. Der Name stammt von ihrem Erﬁ nder Sidney Darlington, der schon 1952 auf diese Idee kam. Beide Kollektoren sind verbunden, und der Emitter des ersten Transistors ﬂ ießt zur Basis des zweiten. Die Darlington-Schaltung verhält sich wie ein einzelner Transistor mit riesiger Verstärkung.

Page 16

Hinter Türchen Nummer 13 kommt eine gelbe LED zum Vorschein. Du könntest sie anstelle der roten oder der grünen LED in deine Schaltung einbauen und damit eine weitere Farbe ausprobieren. Sie kann aber auch eine ganz andere Aufgabe erfüllen. In diesem Versuch wird die gelbe LED als Lichtsensor verwendet. Sie wird andersherum eingebaut als sonst und leitet deshalb eigentlich keinen Strom. Wenn aber Licht auf die LED fällt, ﬂ ießt doch ein ganz kleiner Strom. Er wird von zwei Transistoren verstärkt und lässt die anderen beiden LEDs leuchten. Teste den Versuch mit einer Taschen lampe. Je stärker du die gelbe LED beleuchtest, desto heller leuchten die beiden anderen LEDs.

Wir können mehr als nur leuchten

Zusatzversuch

Auch die rote oder die grüne LED kann als Fotodiode arbeiten. Tausche einmal die LEDs in deiner Schaltung und achte dabei jeweils auf die korrekte Einbaurichtung. So kannst du erforschen, welche LED sich als Fotodiode am besten eignet.

Fotodiode

Jede Diode besteht aus einem Halbleiter mit einer PN-Sperrschicht, die in einer Richtung den Strom leitet und in der anderen keinen Strom hindurchlässt, also den Strom sperrt. Außer Leuchtdioden gibt es Gleichrichterdioden und Fotodioden aus Silizium, also dem gleichen Material, aus dem auch deine Transistoren gebaut sind. Bei einer Fotodiode verwendet man eine besonders große Fläche, sodass viel Licht von außen in die Sperrschicht eindringen kann. Dort sorgt das Licht dafür, dass die isolierende Wirkung der Sperrschicht teilweise aufgehoben wird, es ﬂ ießt Strom. Eine LED ist ähnlich aufgebaut, hat aber nur eine sehr kleine Fläche. Deshalb ist der lichtabhängige Strom nur klein. Aufgrund der großen Verstärkung durch die beiden Transistoren reicht er aber für diesen Versuch aus.

Page 17

Öffne Türchen Nummer 14 und nimm ein weiteres Kabel heraus. Damit kannst du den Lichtsensor um einen zusätzlichen Schalter erweitern. Mit dem zweiten Schalter kannst du die LEDs auch bei Dunkelheit einschalten. Er liegt parallel zum Lichtsensor und kann deshalb in jeder Situation für genügend Basisstrom sorgen, auch wenn es dunkel ist.

Und wenn es dunkel ist?

Die PTC-Sicherung

Alle deine Versuche haben eine Sicherung. Sie hilft dir und dient der Sicherheit bei einem Fehler. Wenn du mal aus Versehen einen Kurzschluss verursachst, könnte ein Kabel glühend heiß werden, oder die Batterie könnte heiß werden, kaputt gehen oder im schlimmsten Fall sogar explodieren. Aber die Sicherung würde das Schlimmste verhindern.

Viele Sicherungen brennen einfach durch, wenn man einen Kurzschluss verursacht. Dann braucht man eine neue Sicherung. Aber deine Spezialsicherung ist anders. Es handelt sich um eine selbstrückstellende Sicherung, die man auch PTC-Sicherung nennt. Wenn bei einem Kurzschluss ein zu großer Strom ﬂ ießt, wird die PTC-Sicherung heiß und lässt dann nur noch sehr wenig Strom hindurch, weil ihr Widerstand stark ansteigt. Daher kommt auch der Name, PTC steht nämlich für »Positiver Temperatur-Koefﬁ zient«. Das besagt, dass der Widerstand steigt, wenn die Temperatur

höher wird. Sobald man den Strom abschaltet und den Fehler beseitigt, kühlt sie ab und ist wieder wie neu.

Achtung, bitte nicht ausprobieren, denn die Batterie wird bei einem Kurzschluss sehr schnell unbrauchbar. Und die PTC-Sicherung wird mit etwa 60 Grad Celsius so heiß, dass man sich leicht die Finger verbrennt. Aber das wäre immer noch besser als glühende Drähte und explodierende Batterien. Also immer daran denken: Die Sicherung ist nur für den Notfall da, so ähnlich wie die Notbremse in einem Zug.

Page 18

Hinter Türchen Nummer 15 verbirgt sich ein weiterer Widerstand mit 330 kΩ. Nun kann eine Schaltung mit zwei Transistoren gebaut werden, die sich gegenseitig ein- oder ausschalten. Immer wenn ein Transis tor eingeschaltet ist, schaltet er den Basisstrom des anderen Transistors ab. In diesem Fall ist entweder die rote oder die grüne LED an. Aber die jeweils andere LED leuchtet noch ganz schwach, weil der kleine Basisstrom des anderen Transistors durch sie ﬂ ießt.

Man kann nicht vorhersagen, welche LED nach dem Einschalten leuchten wird. Du kannst aber versuchen, den Zustand umzuschalten, indem du einen der Basisanschlüsse mit einem Draht berührst. Das funktioniert meist nicht beim ersten Mal. Ein sicheres Umschalten wird jedoch erreicht, wenn du an dem gerade leitenden Transistor die Basis mit dem Emitter verbindest.

Du oder ich? Rot oder Grün?

Das Flipflop

Ein Flipﬂ op ist eine Schaltung, die zwei stabile Zustände haben kann. Der vorhandene Zustand bleibt beliebig lang gespeichert, solange man ihn nicht mit Absicht ändert. Das Flipﬂ op ist deshalb zugleich ein Informationsspeicher. In diesem Fall wird nur eine Information gespeichert. Man kann sie ja oder nein nennen, aber auch eins oder null oder in diesem Fall rot oder grün. Sehr viele Flipﬂ ops zusammen werden als Speicher in Computern verwendet und speichern entsprechend große Informationsmengen.

Page 19

Wer ist schneller? Das Reaktionsspiel

Einen zweiten Tastschalter ﬁ ndest du hinter Türchen Nummer 16. Zwei Taster kann man einsetzen, um das Flipﬂ op vom letzten Tag ganz gezielt in einen gewünschten Zustand zu bringen. Du könntest den Versuch als Signal verwenden. Rot heißt: Bitte nicht stören! Und Grün bedeutet: Ansprechen erlaubt! Aber der Versuch ist zugleich ein kleines elektronisches Spiel.

Jeder Schalter kann den Basisstrom seines Transistors abschalten, womit auch die angeschlossene LED ausgeht. Normalerweise drückt man die Taster nur einzeln und abwechselnd. Aber was wird wohl passieren, wenn du beide gleichzeitig drückst?

Ganz klar, dann gehen beide LEDs aus. Ver suche es mal und lass sie dann beide gleichzeitig wieder los. Dabei wird nur eine LED angehen, und keiner kann vorhersagen, welche. Wirklich gleichzeitig ist nämlich unmöglich. Und selbst wenn der Unterschied nur einen Bruchteil einer Tausendstelsekunde ausmacht – ein Schalter wird früher geöffnet als der andere. Und an der Seite geht die LED an.

So geht das Spiel für drei Personen: Zwei betätigen die Schalter, einer gibt das Kommando zum Loslassen. Dann wird sich zeigen, wer am schnellsten reagiert, denn nur seine LED geht an. Das geht immer reihum, jeder muss mal das Kommando geben und eine Strichliste der Sieger führen. Bist du der Schnellste?

Page 20

Hinter Türchen Nummer 17 ﬁ ndet sich eine weitere LED. Das Gehäuse sieht weiß aus, aber tatsächlich leuchtet diese LED in der Farbe Pink. Das Flipﬂ op vom letzten Tag soll nun für vier LEDs erweitert werden. An jedem Transistor liegt wie bisher schon eine LED in der Kollektorleitung, aber die andere LED wird in die Emitterleitung eingesetzt. So leuchten immer Rot und Gelb zusammen oder auf der anderen Seite Pink und Grün.

Bei diesem Versuch ist es wichtig, dass die beiden LEDs am Minusanschluss ähnliche Spannungen haben, was nur bei ähnlichen Farben der Fall ist. Bei gleichem Strom unterscheiden sich nämlich die Spannungen an den LEDs, wobei die Reihenfolge der bei einem Regenbogen entspricht: Rot, Gelb, Grün, Blau, Violett. Da sieht man schon, dass Gelb und Grün nahe beieinanderliegen. Du kannst ja mal reihum alle LEDs vertauschen und ausprobieren, was dann passiert.

Entweder oder: Vierfarbenumschalter

Aufbau der pinkfarbenen LED

Der eigentliche LED-Kristall der pinkfarbenen LED strahlt blaues Licht ab. Er ist aber mit einem Leuchtstoff überzogen, der einen Teil des blauen Lichts einfängt und als rotes Licht wieder abstrahlt. So kommt es, dass die pinkfarbene LED eigentlich zwei Farben abstrahlt: Rot und Blau. Auf diese Weise entsteht die Mischfarbe Pink.

Page 21

An- oder Aus-Speicher

Öffne Türchen Nummer 18 und nimm ein weiteres Kabel heraus. Baue nun ein vereinfachtes Flipﬂ op mit nur einer LED und mit nur drei Widerständen. Mit den beiden Tastern kannst du die LED ein- und ausschalten. Eine solche Schaltung nennt man auch RS-Flipﬂ op. Diese Abkürzung steht für Reset (Zurücksetzen = Ausschalten) und Set (Setzen = Einschalten). Das RS-Flipﬂ op ist auch wieder ein wichtiges Grundelement der digitalen Elektronik und Computertechnik.

Die Schaltung mit zwei Transistoren beruht wieder darauf, dass jeder der beiden dem anderen den Basisstrom abschalten kann. Weil nur eine LED verwendet wird, ist es natürlich interessant, auch die anderen Farben zu testen. Du kannst eine eingeschaltete LED herausnehmen und eine andere einsetzen. Oder du betätigst erst den Aus-Taster und wechselst dann die LED. Nach dem Wechsel ist die neu eingesetzte LED immer zuerst an. Verstehst du schon, warum das so

ist? Wenn man eine LED ausbaut, schaltet man zugleich den Basisstrom für den linken Transistor ab, genau so, als wollte man einschalten. Teste auch einmal die Blink-LED. Wird das Blinken einen Einﬂ uss auf den Zustand des RS-Flipﬂ ops haben? Probiere es aus.

Page 22

Das Türchen Nummer 19 verbirgt einen Widerstand mit 1 kΩ (Braun, Schwarz, Rot). Er könnte eingesetzt werden, um eine LED noch deutlich heller leuchten zu lassen. Hier soll er aber eine andere Aufgabe bekommen und den Basisstrom für den linken Transistor leiten. Die Schaltung wurde nur ganz wenig geändert, verhält sich aber völlig anders. Die LED ist nicht ganz an und nicht ganz aus, sondern leuchtet immer gleichmäßig und sehr schwach.

Berühre den rechten Transistor mit zwei Fingern, sodass er sich erwärmt. Die LED leuchtet etwas heller. Berühre dann den linken Transistor. Das Ergebnis kehrt sich um, die LED leuchtet schwächer. Der Helligkeitsunterschied ist nicht sehr groß und hängt davon ab, ob du warme Hände hast. Du kannst aber deutliche Unterschiede sehen, wenn du im Abstand von einer halben Minute abwechselnd den linken und den rechten Transistor berührst. Versuche es auch einmal mit größeren Temperaturunterschieden. Lege ein Stück Eis auf einen Teelöffel und halte einen anderen Teelöffel an die Heizung. Berühre dann mit den beiden Löffeln die Transistoren.

Ein Temperatursensor

Page 23

Hinter Türchen Nummer 20 verbirgt sich ein Widerstand mit 33 kΩ (Orange, Orange, Orange). Baue nun selbst einen elektronischen Blinker. Bisher hattest du zwar schon die rote Blink-LED, aber jetzt baust du eine ähnliche Schaltung für die gelbe LED. Und natürlich kannst du jede andere Farbe genauso gut einsetzen.

Die Schaltung erinnert ein wenig an die Flipﬂ ops vergangener Versuche. Der wichtigste Unterschied ist, dass diesmal ein Kondensator mit eingebaut wird. Der Basisstrom durch den Kondensator ﬂ ießt jeweils nur so lange, bis der Kondensator aufgeladen oder entladen ist. Danach wechselt das Flipﬂ op selbstständig den Zustand. Wie schnell das Blinken ist und wie lange die LED jeweils an oder aus ist, hängt von den verwendeten Bauteilen ab.

Wie schnell werde ich blinken?

Page 24

Das Türchen Nummer 21 fördert einen Widerstand mit 10 kΩ (Braun, Schwarz, Orange) zutage. Baue ihn in Reihe zum Kondensator ein. Damit wird das Verhältnis An/Aus ausgeglichener. Eine weitere Änderung betrifft die LEDs. Der rechte Transistor kann mehr als eine LED schalten. Hier sind es gleich drei, die gemeinsam blinken. Du kannst selbst entscheiden, welche Farben du verwenden möchtest. Alles geht.

Wir schwingen im Gleichtakt

Der Oszillator

Eine Schaltung, die selbstständig Schwingungen erzeugt, nennt man auch Oszillator. Oszillatoren sind wichtige Schaltungen der Elektronik und der Computertechnik. In einem Computer arbeiten sehr viele Bauteile im Gleichtakt. Und dieser Takt wird von einem Oszillator vorgegeben, ganz ähnlich wie ein Dirigent ein ganzes Orchester mit seinem Taktstock dirigiert.

Page 25

Ein weiteres Kabel kommt hinter Türchen Nummer 22 zum Vorschein. Es wird gebraucht, um noch mehr LEDs einzubauen. Diesmal ist auch die Blink-LED mit dabei. Und die wird parallel zur grünen LED eingebaut. Das Ergebnis ist, dass die rote Blink-LED und die grüne LED immer abwechselnd blinken. Dieses Blinken ist schneller als das der selbst gebauten Blinkschaltung. Man sieht Serien von Blinkimpulsen, wobei die Blink-LED zusammen mit der grünen LED immer etwa sechs Mal blinkt und dann unterbrochen wird. Die anderen LEDs blinken in einem langsameren Takt.

... und wir nicht

Page 26

Öffne das Türchen Nummer 23 und nimm einen Widerstand mit 3,3 kΩ (Orange, Orange, Rot) heraus. Er wird verwendet, um eine dritte Helligkeitsstufe zwischen An und Aus zu bekommen. Diesmal wird die pinkfarbene LED parallel zur Blink-LED eingesetzt und leuchtet immer dann, wenn die Blink-LED gerade aus ist. Durch die Helligkeitszwischenstufen entsteht insgesamt ein kompliziertes Blinkmuster, das an das Flackern eines Feuers erinnert.

Flackerndes Feuer

Page 27

Eine Farbe fehlte noch, und deshalb kommt hinter Türchen Nummer 24 eine blaue LED zum Vorschein. Das unterbrochene rot-blaue Wechselblinken sieht besonders schön aus. Zusammen mit den anderen Farben und den besonderen Blinkmustern hast du eine interessante LED-Leuchte gebaut, die alle Blicke auf sich zieht. Stelle sie ans Fenster oder hänge sie an den Weihnachtsbaum.

Jetzt hast du schon so viele Versuche aufgebaut, dass du sicherlich auch Änderungen planen und durchführen kannst. Da gibt es ja noch die gelbe LED, die gerade ohne Aufgabe ist. Tausche die Farben und probiere, ob dir die Leuchte dann noch besser gefällt. Oder frage deine Eltern, welche Farben sie am liebsten hätten. Du kannst ja jetzt sogar besondere Aufträge annehmen. Gelb, Rot, Grün, Blau? Mit oder ohne Blinken? Kann alles gebaut werden!

Alle Farben zur Bescherung