Elektronik NATURWISSENSCHAFT UND TECHNIK. 1. Halbleiter Messung der Beleuchtungsstärke (Zusatzexperiment)

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1 1. Halbleiter 1.1. Ein belichtungsabhängiger Widerstand (LDR) 1 LDR-Widerstand 4 Verbindungsleitungen 1.2. Messung der Beleuchtungsstärke (Zusatzexperiment) 1 LDR-Widerstand 4 Verbindungsleitungen 1. Halbleiter Wir lernen einen Bauteil kennen, dessen Widerstandswert von der Belichtung abhängt. (LDR: Light Dependent Resistor) An 6 Volt Gleichspannung ist eine Reihenschaltung aus dem LDR und einem Amperemeter (Messbereich je nach Beleuchtungsstärke zunächst 100mA= ). Versuch: Wir messen bei unterschiedlichen Helligkeiten die Stromstärke und berechnen den Widerstandswert. Stromstärke bei Tageslicht oder künstliche Beleuchtung:... I...mA...A R Stromstärke des abgedunkelten PTC-Widerstands:... I...mA...A R Bei Belichtung ist der Widerstandswert eines LDR kleiner. Der Versuch zeigt, wie man wechselnde Belichtung eines LDR in wechselnde Spannung übersetzen kann. An 8 Volt Gleichspannung sind der LDR und ein Widerstand 10k in Serie geschaltet. Das Voltmeter (Messbereich 20V= ) misst die Teilspannung am Ohmschen Widerstand. Versuch: Wir ändern die Belichtung des LDR und überzeugen uns, dass das Voltmeter bei Dunkelheit einen geringeren, bei Helligkeit einen grösseren Messwert zeigt. Dunkelheit: U10k...V U...V R... Helligkeit LDR U10k...V ULDR...V RLDR... Die Spannung über dem Ohmschen Widerstand misst die Beleuchtungsstärke. LDR / PRO, STM Seite 1

2 2. Dioden 2. Dioden 2.1. Silizium-Diode 1 Si-Diode 2.2. Die Leuchtdiode (LED) 1 LED rot Bei Glühlämpchen und ohmschen Widerständen ist es gleichgültig, in welcher Richtung sie vom elektrischen Strom durchflossen werden. Ist das bei allen Bauteilen so? Wir untersuchen das Verhalten einer Diode. Wir stecken die Silizium-Diode auf beide möglichen Richtungen ein. Versuch: Silizium-Diode mit Pfeilrichtung von Plus nach Minus (technische Stromrichtung): Lampe: brennt (Durchlassrichtung) Silizium-Diode mit Pfeilrichtung von Minus nach Plus: Lampe: brennt nicht (Sperrrichtung) Wir untersuchen das Verhalten einer Leuchtdiode. (LED: Light Emitting Diode) Ein Glühlämpchen 10V/0.05A und die Leuchtdiode sind in Serie geschaltet. Die LED ist in Durchlassrichtung eingesteckt: Glühlämpchen und LED brennt, sobald die angelegte Spannung 4 Volt erreicht hat. Die LED ist in Sperrrichtung eingesteckt: Glühlämpchen und LED brennen nicht Eine Leuchtdiode leuchtet, wenn sie in Durchlassrichtung geschaltet wird und von Strom durchflossen wird. Eine Diode lässt den elektrischen Strom nur in einer Richtung fliessen. Sie wirkt wie ein Ventil. Die Richtung des Pfeils im Schaltsymbol gibt die Durchlassrichtung an. / PRO, STM Seite 2

3 2.3. Polungsanzeiger (Zusatzexperiment) 1 Widerstand LED rot 3. Transistor 3.1. Besteht ein Transistor aus zwei Dioden? 3. Transistor 2 Lampenfassung E10 2 Glühlampen gelb 10V/0.05A Mit zwei LEDs und zwei Vorwiderständen kann man einen einfachen Polungsanzeiger aufbauen. Damit lassen sich die Pole einer Gleichspannungsquelle identifizieren. Die beiden LEDs werden in unterschiedlicher Richtung eingesteckt. Sie sind jeweils in Reihe mit einem Widerstand geschaltet. 6 Volt Gleichspannung: LED links brennt 6 Volt Gleichspannung umgepolt: LED rechts brennt 6 Volt Wechselspannung: LED links und recht brennen abwechselnd Polungsanzeiger nützen die Eigenschaft der LED aus, in Ein Transistor hat drei Anschlüsse B (Basis), C (Kollektor) und E (Emitter). Er besteht aus drei Schichten. Wir untersuchen zunächst, bei welcher Polung elektrischer Strom durch zwei benachbarte Schichten fliessen kann. Der Transistor und zwei Glühlämpchen sind in Reihe geschaltet. C+ / B-: Lampe oben brennt nicht C- / B+: Lampe oben brennt. B+ / E-: Lampe unten brennt. B- / E+: Lampe unten brennt nicht Der Transistor verhält sich so, als würde er aus zwei Dioden bestehen. Die Dioden müssen so geschaltet sein, wie die Zeichnung zeigt. Durchlassrichtung Licht auszusenden. Bei Netz-Wechselspannung wird 100 mal in der Sekunde umgepolt. / PRO, STM Seite 3

4 3. Transistor 3.2. Basisstrom ermöglicht Kollektorstrom 3.3. Licht bewirkt Alarm 1 Lampenfassung E1O 1 Drehwiderstand 10k 1 LDR-Widerstand 1 Summer Nach dem Modell des Transistors als Doppeldiode dürfte ein Kollektor - Emitter - Strom nicht möglich sein, weil bei jeder der beiden Polungsmöglichkeiten an Kollektor und Emitter eine Diode sperrt. Ein Stromkreis (Gleichspannung 8 Volt, Pluspol am Kollektor) führt über Glühlämpchen und Kollektor zum Emitter des Transistors. Schraffiert gezeichneter Leitungsbaustein L nicht eingesteckt: Lampe: brennt nicht, Doppeldiode sperrt. Schraffiert gezeichneter Leitungsbaustein L eingesteckt: Lampe: brennt, Doppeldiode sperrt nicht. Der Basis-Emitter-Strom bewirkt, dass der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt. Das Modell des Transistors als Doppeldiode ist nicht ausreichend. Ein Basisstrom ermöglicht einen Kollektorstrom. Ein LDR-Widerstand steuert den Basisstrom eines Transistors durch seinen lichtabhängigen Widerstandswert. Wenn es dunkel ist, fliesst nicht genügend Basisstrom, um den Transistor leitend zu machen. Fällt dann Licht auf den LDR-Widerstand, wachsen Basisstrom und Kollektorstrom des Transistors. Der Basisstrom fliesst vom Pluspol über den LDR-Widerstand und den Stellwiderstand Dieser ermöglicht eine Anpassung der auslösenden Helligkeit. LDR gut abgedunkelt: Lampe: brennt nicht. Licht fällt auf den LDR: Lampe: brennt. Das Glühlämpchen kann durch den Summer ersetzt werden. Der LDR ändert seinen Widerstandswert zwischen Dunkelheit und Belichtung so stark, dass der Transistor bei Dunkelheit sperrt und bei Belichtung durchgeschaltet wird. / PRO, STM Seite 4

5 3. Transistor 3.4. Einbruchschutz durch Stolperdraht 3.5. Automatische Beleuchtung 1 Summer 4 Verbindungsleitungen 1 LDR-Widerstand Ein ganz einfacher Schutz gegen Einbruch kann durch dünne Drähte, die miteinander verbunden sind, bewirkt werden. Wird die Verbindung durchtrennt, wird Alarm ausgelöst. Der für den Basisstrom wirksame Teil des Spannungsteilers besteht nun aus den Stolperdrähten, für die wir im Modellversuch zwei zusammengesteckte Verbindungsleitungen verwenden. Zuerst Stolperdrähte verbinden, dann erst Spannung anlegen! Stolperdrähte verbunden: Da der Widerstandswert fast Null ist, kann kein Basisstrom entstehen. Stolperdrähte getrennt: Der Widerstandswert steigt auf (theoretisch) Unendlich. Die gesamte Spannung liegt am unteren Teil des Spannungsteilers zwischen Basis und Emitter, wodurch der Transistor durchgeschaltet wird und der Summer Alarm gibt. Stolperdrähte ändern den Widerstandswert des Spannungsteilers von Null auf Unendlich, wodurch der Transistor von Sperrung auf Durchlass gesteuert wird. Der Basisstrom eines Transistors wird mit einem LDR gesteuert, wodurch der Transistor in Abhängigkeit von der Belichtung durchgeschaltet wird. Der Spannungsteiler besteht aus dem Widerstand 10k und dem LDR. Dunkelheit: Der Widerstandswert des ist LDR gross, auf Ihn entfällt der grössere Teil der Spannung. Dadurch fliesst Basisstrom, und das Glühlämpchen leuchtet. Lichteinfall auf den LDR: Der Widerstandswert des LDR klein und die Teilspannung ebenfalls klein. Es fliesst wenig Basisstrom und wenig Kollektorstrom. Das Glühlämpchen bleibt dunkel. Mit Hilfe des LDR als emitterseitiger Widerstand erhalten wir eine Schaltung, die automatisch bei Dunkelheit die Beleuchtung einschaltet und bei Helligkeit ausschaltet. Anwendung: Lichtschranke. / PRO, STM Seite 5

6 4. Logische Schaltungen 4.1. Die logische Verknüpfung UND (AND) 2 Schalter EIN-AUS 4.2. Die logische Verknüpfung ODER (OR) 4. Logische Schaltungen 2 Schalter EIN-AUS Bei logischen Schaltungen können Eingangs- und Ausgangsgrössen nur zwei Werte annehmen, HIGH (oder 1 oder wahr) und LOW (oder 0 oder falsch). Die Eingangsgrössen sind in diesem Versuch die Schalter A und B. Die Ausgangsgrösse C wird durch das Leuchten (HIGH) oder Nichtleuchten (LOW) eines Glühlämpchens C dargestellt. A B C HIGH (geschlossen) HIGH (geschlossen) Lampe: brennt. HIGH (geschlossen) LOW (offen) Lampe: brennt nicht LOW (offen) HIGH (geschlossen) Lampe: brennt nicht LOW (offen) LOW (offen) Lampe: brennt nicht Bei der UND-Verknüpfung ist die Ausgangsgrösse nur dann im Zustand HIGH, wenn beide Eingangsgrössen HIGH sind. Die Eingangsgrössen sind in diesem Versuch wieder zwei Schalter A und B, die zwei Zustände annehmen können. Die Ausgangsgrösse C wird durch das Leuchten (HIGH) oder Nichtleuchten (LOW) eines Glühlämpchens C dargestellt. A B C HIGH (geschlossen) HIGH (geschlossen) Lampe: brennt. HIGH (geschlossen) LOW (offen) Lampe: brennt. LOW (offen) HIGH (geschlossen) Lampe: brennt. LOW (offen) LOW (offen) Lampe: brennt nicht Bei der ODER-Schaltung ist die Ausgangsgrösse dann im Zustand HIGH, wenn mindestens eine der beiden Eingangsgrössen HIGH ist. / PRO, STM Seite 6

7 4. Logische Schaltungen 4.3. Die logische Verknüpfung NICHT (NOT) 4.4. NOT-Schaltung 1 Schalter EIN-AUS 1 Widerstand Verbindungsleitungen Die Eingangsgrösse ist in diesem Versuch ein Schalter A, der zwei Zustände annehmen kann. Die Ausgangsgrösse C wird durch das Leuchten (HIGH) oder Nichtleuchten (LOW) eines Glühlämpchens C dargestellt. A HIGH (geschlossen) C Lampe: brennt nicht LOW (offen) Lampe: brennt. Bei der NICHT-Verknüpfung ist die Ausgangsgrösse dann im Zustand HIGH, wenn die Eingangsgrösse LOW ist und umgekehrt. Die NOT-Schaltung soll bewirken, dass der Ausgang C stets das Gegenteil des Eingangszustandes aufweist. Der Eingang A wird durch Verbindung mit der Plusleitung an HIGH oder durch Verbindung mit der Minusleitung an LOW gelegt. Das Voltmeter zeigt den Zustand am Ausgang C. Der Eingang muss immer HIGH oder LOW sein, das heisst, die Verbindungleitung muss immer eingesteckt sein. A C Erklärung HIGH (Pluspol) Spannung: V Es fliesst ein Basisstrom und der Transistor leitet. Der leitende Transistor wirkt wie ein geschlossener Schalter, an dem kein Spannungsabfall besteht. LOW (Minuspol) Spannung: V Wenn der Transistor sperrt, liegt wie an einem offenen Schalter die gesamte Spannung am Transistor. Bei der NOT-Schaltung zeigt der Ausgang immer das Gegenteil des Eingangszustandes. / PRO, STM Seite 7

8 4. Logische Schaltungen 4.5. NAND-Schaltung 4.6. NOR-Schaltung 2 LED rot Verbindungsleitungen 2 LED rot 1 Widerstand Verbindungsleitungen Die NAND-Schaltung besteht aus AND-Schaltung und NOT-Schaltung. Die Eingänge A und B werden durch Verbindung mit der Plusleitung an HIGH oder durch Verbindung mit der Minusleitung an LOW gelegt. Das Voltmeter zeigt den Zustand am Ausgang C (Messbereich 10V ). A B C HIGH (Pluspol) HIGH (Pluspol) Spannung: V HIGH (Pluspol) LOW (Minuspol) Spannung: V LOW (Minuspol) HIGH (Pluspol) Spannung: V LOW (Minuspol) LOW (Minuspol) Spannung: V Die NAND-Schaltung liefert die Umkehrung der AND- Schaltung (Negation). NOT AND wird abgekürzt zu NAND. Der Ausgang ist dann auf HIGH, wenn nur einer der Eingänge oder keiner der Eingänge HIGH ist. Sind beide Eingänge HIGH, so ist der Ausgang LOW. Die NOR-Schaltung besteht aus einer Kombination von AND-Schaltung und NOT- Schaltung. Die Eingänge A und B werden durch Verbindung mit der Plusleitung an HIGH oder durch Verbindung mit der Minusleitung an LOW gelegt. Das Voltmeter zeigt den Zustand am Ausgang C (Messbereich 10V ). A B C HIGH (Pluspol) HIGH (Pluspol) Spannung: V HIGH (Pluspol) LOW (Minuspol) Spannung: V LOW (Minuspol) HIGH (Pluspol) Spannung: V LOW (Minuspol) LOW (Minuspol) Spannung: V Die NOR-Schaltung liefert die Umkehrung der OR-Schaltung. NOT OR wird abgekürzt zu NOR. Der Ausgang ist nur dann auf HIGH, wenn beide Eingänge LOW sind. / PRO, STM Seite 8