Conrad 55 38 89 Operation Manual [de]
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Vorwort
Wie in den letzten Jahren gibt es auch jetzt wieder einen Conrad-Elektronik-Kalender mit 24 Experimenten für den
1. bis 24. Dezember. Das Thema ist diesmal die digitale Elektronik. Es hört sich vielleicht kompliziert an, ist aber
ganz einfach, wenn man die vorgestellten Versuche mit dem CMOS-Baustein 4093 durchführt. Dieses IC enthält
gleich vier einzeln einsetzbare digitale Schaltungen, sogenannte NAND-Gatter mit Schmitt-Trigger-Eingängen. Diese
doppelte Funktionalität ermöglicht ganz unterschiedliche und sehr vielseitige Anwendungen, die nicht nur lehrreich
sind, sondern auch Spaß machen. Am Ende steht dann eine Schaltung, die als Darstellung funkelnder Sterne an den
Weihnachtsbaum gehängt werden kann.
Es gibt ganz unterschiedliche Arten, den Elektronik-Kalender zu verwenden. Der eine möchte vielleicht einfach nur
alles genau nach Plan aufbauen und den Erfolg genießen. Der andere will das, was er tut, auch möglichst genau verstehen. Die Versuchsbeschreibungen sollen beiden gerecht werden. Deshalb wird der eigentliche Versuch jeweils nur
ganz einfach beschrieben. Im Anschluss werden die technischen Hintergründe in knapper Form erläutert. So fi ndet
man die entscheidenden Stichworte, mit denen man auf die Suche nach noch tieferen Informationen gehen kann.
Am meisten Spaß machen die Experimente übrigens, wenn man mit anderen zusammenarbeitet. Eltern und Großeltern können vielleicht wertvolle Erfahrungen weitergeben und das Interesse der Kinder und Jugendlichen wecken.
Mit den vorhandenen Bauteilen lassen sich noch wesentlich mehr Schaltungen bauen, als hier gezeigt werden können. Wer die vorgegebenen Versuche mit Interesse durcharbeitet, fi ndet schnell auch Schaltungsvarianten und ähnliche Anwendungsbereiche. Und auch ganz neue Schaltungen lassen sich entwickeln. Ihrem Erfi ndungsreichtum sind
keine Grenzen gesetzt!
Wir wünschen viel Freude und eine frohe Weihnachtszeit!
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Alle Versuche im Überblick
1 Gelbes LED-Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Verwendung der Steckplatine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3 Ein Schaltkontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4 CMOS-IC schaltet LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
5 Berührungssensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
6 UND-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
7 UND-Nicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
8 Sensor-Umschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
9 A oder B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
10 Entweder ODER ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
11 Blinklicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3
12 Wechselblinker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
13 Lichtsensor-Umschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
14 Lichtgesteuerter Blinker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
15 Flackerlicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
16 Leitfähigkeitssensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
17 LED-Flimmern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
18 Speicher-Flipfl op . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
19 Blitzlichtalarm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
20 Optisches Flipfl op . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
21 Sensor-Umschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
22 Sensor-Zeitschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
23 Frequenzteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
24 Funkelnde Sterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
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p
1 Gelbes LED-Licht
1. Tag
Öffnen Sie Türchen Nr. 1. Hier fi nden Sie eine gelbe LED und einen Widerstand. Eine LED besitzt
zwei unterschiedlich lange Anschlüsse und muss in der korrekten Richtung eingebaut werden.
Der kurze Draht ist der Minuspol (Kathode), der längere Draht ist der Pluspol (Anode). Wenn eine
LED eingebaut ist, kann man nur noch schlecht unterscheiden, welcher der kurze Draht ist. Es
gibt jedoch noch eine zweite Kennzeichnung. Der breitere untere Rand ist an der Kathodenseite abgefl acht. Außerdem trägt der Kathodendraht einen kleinen Halter, auf dem der LEDKristall montiert ist.
Der Widerstand ist mit Farbringen versehen. Die Ringe tragen die Farben Blau, Grau, Rot und
stehen für 6.800 (Ohm) bzw. 6,8 k (Kiloohm). Ein zusätzlicher goldener Ring steht für die
Toleranzklasse 5 %.
Eine LED darf grundsätzlich nicht direkt mit einer Batterie verbunden werden, es ist immer ein Vorwiderstand
nötig, um den Strom zu begrenzen. Der Widerstand von 6,8 k ist recht groß, sodass der Strom mit rund 1 mA
relativ klein ist. Die LED leuchtet nicht mit voller Helligkeit, aber immer noch sehr gut sichtbar. Einige Versuche in
diesem Elektronik-Kalender arbeiten mit Vorwiderständen von 6,8 k, weil der geringe Strom Vorteile bei CMOS-
Schaltungen bringt. Auch die Batterielebensdauer verlängert sich mit kleinerem LED-Strom. Später werden Sie
aber auch kleinere Widerstände fi nden, die einen größeren Strom ermöglichen.
Für den ersten Versuch benötigen Sie zusätzlich eine 9-V-Blockbatterie. Der Versuch muss besonders
vorsichtig ausgeführt werden. Sorgen Sie dafür, dass nie beide LED-Anschlüsse gleichzeitig die Batterieanschlüsse berühren! Es muss immer der Widerstand in Reihe angeschlossen werden. Halten Sie beide Bauteile an die Batterie, wie es die Zeichnung zeigt. Der Stromkreis ist damit geschlossen, die LED leuchtet.
Elektronische Schaltungen stellt man übersichtlich in Schaltbildern dar. Für jedes Bauteil gibt es ein
spezielles Symbol. Die LED besteht aus einem Dreieck für die Anode und einem geraden Strich für die
Kathode. Das deutet die Stromrichtung an. Zwei kurze Pfeile nach außen stehen für das abgegebene Licht.
Der Widerstand ist als rechteckiges Kästchen gezeichnet. Das Schaltbild zeigt den geschlossenen Strom-
kreis mit Batterie, Widerstand und LED.
2. Tag
2 Verwendung der Steckplatine
Öffnen Sie das 2. Türchen und nehmen Sie einen Batterieclip und eine Steckplatine aus dem Fach. Damit vereinfacht
sich der Aufbau komplizierter Schaltungen. Das Steckfeld mit insgesamt 270 Kontakten im 2,54-mm-Raster sorgt für
eine sichere Verbindung der Bauteile.
Das Steckfeld hat im mittleren Bereich 230 Kontakte, die jeweils durch vertikale Streifen mit 5 Kontakten
leitend verbunden sind. Zusätzlich gibt es am Rand 40 Kontakte für die Stromversorgung, die aus 2 horizontalen Kontaktfederstreifen mit 20 Kontakten bestehen. Das Steckfeld verfügt damit über zwei unabhängige Versorgungsschienen.
Das Einsetzen von Bauteilen benötigt relativ viel Kraft. Die Anschlussdrähte knicken daher leicht um.
Wichtig ist, dass die Drähte exakt von oben eingeführt werden. Dabei hilft eine Pinzette oder eine kleine
Zange. Ein Draht wird möglichst kurz über dem Steckbrett gepackt und senkrecht nach unten gedrückt. So
lassen sich auch empfi ndliche Anschlussdrähte wie die verzinnten Enden des Batterieclips ohne Knicken
einsetzen.
Bauen Sie die Schaltung aus dem
ersten Versuch noch einmal auf der
Steckplatine auf. Wieder handelt es
sich um eine Reihenschaltung mit
Widerstand und LED. Das Schaltbild
zeigt die gleiche Schaltung wie im ersten Versuch, jedoch mit einer etwas
anderen Anordnung der Bauteile, die
dem realen Versuch möglichst ähnlich
ist.
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3 Ein Schaltkontakt
5
Bauen Sie einen Schalter aus blankem Draht. Den passenden Schaltdraht fi nden Sie hinter dem 3. Türchen. Schneiden Sie mit einer Zange ein passendes Stück von ca. 3cm Länge ab und entfernen Sie an den Enden etwa 5 mm der
Isolierung. Zum Abisolieren der Drahtenden hat es sich als praktisch erwiesen, die Isolierung mit einem scharfen
Messer rundherum einzuschneiden. Achtung, dabei sollte der Draht selbst nicht angeritzt werden, weil er sonst
an dieser Stelle leicht bricht.
Der Schalter besteht aus zwei blanken Drahtstücken, die sich erst bei einem Fingerdruck berühren. Schneiden
Sie dazu Drahtstücke von 2cm Länge ab und entfernen Sie die Isolierung komplett. Ein zusätzlicher kurzer
Draht wird als Zugentlastung eingebaut, um die weichen Anschlussdrähte zu schonen. Der Batterieclip sollte
immer verbunden bleiben, damit sich die Anschlüsse nicht übermäßig abnutzen.
Schließen Sie die Batterie an und testen Sie die Schaltung. Im Ruhezustand bei geöffnetem Schalter leuchtet
die LED nicht. Drücken Sie jedoch auf den Kontakt, geht die LED an.
3. Tag
4 CMOS-IC schaltet LED
Öffnen Sie Türchen Nr. 4. Dahinter fi nden Sie das wichtigste Bauteil dieses Kalenders, den CMOS-IC 4093. Dieses IC
enthält insgesamt vier NAND-Schaltungen mit Schmitt-Trigger-Eingängen. Die Funktion einer solchen Schaltung wird
in den folgenden Versuchen Stück für Stück erläutert. Der erste Versuch zeigt, wie eine LED an einen der vier Ausgänge angeschlossen wird.
Integrierte Schaltungen müssen mit Vorsicht behandelt werden, weil sie durch hohe Spannungen zerstört werden
können. Statische elektrische Aufl adungen können zu einer Gefahr werden. Alle CMOS-Typen der 4000er-B-Reihe
enthalten jedoch interne Schutzschaltungen, die das Arbeiten sehr sicher machen. Dazu gibt es interne Schutzdioden, die Spannungen über der positiven Betriebsspannung Vdd und unterhalb der negativen Betriebsspannung Vss
4. Tag
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begrenzen. Das IC ist damit relativ gut gegen statische Entladungen geschützt. Gleichzeitig führen diese Schutzdioden aber dazu, dass eine falsch gepolte Betriebsspannung
einen großen Strom verursacht, der das IC zerstören kann. Achten Sie deshalb genau auf
den richtigen Anschluss der Batterie.
Vor dem ersten Einsetzen des ICs müssen die Anschlüsse genau parallel ausgerichtet
werden, weil sie nach der Produktion noch etwas zu weit nach außen stehen. Drücken
Sie alle Beinchen einer Seite zusammen auf eine harte Tischfl äche, um sie passend
auszurichten. Setzen Sie das IC dann richtig herum auf die Steckplatine. Achtung, wenn
er falsch herum eingesetzt wird, sind die Anschlüsse 7 und 14 vertauscht, sodass die
Betriebsspannung verpolt angeschlossen wird und das IC zerstört. Die Anschlüsse 1 und
14 liegen an der linken Seite. Diese ist durch eine Einkerbung gekennzeichnet.
Nach diesen Vorüberlegungen und dem sorgfältigen Einsetzen des ICs kommt der erste Versuch. Hier wird das erste
NAND-Gatter an den Anschlüssen 1 bis 3 verwendet. Beide Eingänge werden zusammengeschaltet und an GND
(logisch Null) gelegt. Am Ausgang liegt die LED mit ihrem Vorwiderstand. Wurde alles richtig aufgebaut, leuchtet die
LED. Das IC hat also die Spannung am Ausgang eingeschaltet (logisch Eins) und damit den Eingangszustand invertiert.
5. Tag
Ändern Sie die Schaltung einmal so, dass Sie den Draht von Pin 1 an GND herausnehmen. Damit hat man einen
„offenen Eingang“. Es ist unsicher, ob Eins oder Null anliegt. Das Ergebnis ist zufällig und kann durch Annähern mit
dem Finger beeinfl usst werden. Bereits in einem Abstand von einigen Zentimetern kann sich der Zustand des Gatters
ändern. Verantwortlich dafür sind statische Ladungen und die damit verbundenen elektrischen Felder.
5 Berührungssensor
Öffnen Sie das 5. Türchen und nehmen Sie einen Widerstand heraus. Er ist mit 10 Megaohm (10 M, Braun,
Schwarz, Blau) besonders hochohmig, was in diesem Fall wichtig ist, weil sein Widerstand deutlich größer sein soll
als der Hautwiderstand eines Fingers. So kann man nämlich einen Schalter durch einen Berührungskontakt ersetzen.
Zwei blanke Drahtstücke liegen dicht beieinander, sodass man beide mit dem Finger berühren kann. Der Berührungskontakt A stellt dann so etwas wie einen Widerstand dar, der je nach Hautfeuchtigkeit zwischen 10 k und
1M haben kann.
Diesmal wird das zweite NAND-Gatter an den Anschlüssen 4 bis 6 verwendet.
Die Schaltung funktioniert aber genauso mit jedem der vier möglichen Gatter.
Ohne Berührung zieht der 10-M-Widerstand die Spannung am Eingang des
Gatters hoch (Eins). Eine Berührung mit dem Finger zieht die Spannung dagegen
herunter (Null). Am Ausgang erscheint dann eine Eins. Die LED leuchtet also,
wenn der Kontakt berührt wird.
Wenn man die Funktion der Schaltung genau durchdenkt, taucht zunächst ein
scheinbarer Widerspruch auf. Eine Berührung schaltet die LED ein, es ist also
nicht unmittelbar einsichtig, dass hier ein Inverter arbeitet. Das Problem klärt
sich, wenn man bedenkt, dass die Berührung den Eingang auf Null zieht. Der
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