Barcodelesegerät-Experimentierset

Transkript

1 Barcodelesegerät-Experimentierset Lernanleitung zum Barcodeleser Anhand der folgenden Experimentieraufgabe können Schülerinnen und Schüler weitgehend selbstständig Wichtiges zum physikalischen Hintergrund und zur Funktionsweise eines Barcodelesers erarbeiten und ein eigenes Barcode-Lesegerät bauen. Die Aufgabe ist offen gestaltet und ermöglicht es, frei zu arbeiten. Hilfsaufgaben und Tipps dienen der Erläuterung und Vertiefung von Sachverhalten. Sie sind durch Überschriften einzelnen Themen zugeordnet. Die Anleitung ist als Vorlage gedacht und prinzipiell für die Sekundarstufe I im Bereich Elektrik/Elektronik geeignet. Je nach vorangegangenem Unterricht und je nach Lerngruppe sind möglicherweise Anpassungen notwendig. So kann u. a. eine vertiefende Behandlung der elektronischen Bauteile im Rahmen des Aufbaus ein weiterer Schwerpunkt sein.

2 Wir bauen ein Barcodeleser-Modell 1. Material- und Geräteliste 1.1. Materialliste 1 Weichholzbrettchen ( ca. 10 cm x 8 cm x 1 cm) 1 Sperrholzbrettchen ( ca. 6 cm x 2 cm x 0,6 cm) 1 Widerstand 220 Ω 1 Widerstand 2,2 kω 1 Widerstand 470 kω 1 Drehpotenziometer 4,7 MΩ 1 LED weiß (3,3 V, 20 ma) 1 LED 5 mm farbig (1,6 2 V, 2 ma) 1 Fototransistor BPY NPN-Transistor BC-546B 1 Batterie 9 V 1 Batterieclip 9 V 4 Nägel ca. 2,0 mm x 20 mm 13 Lüsterklemmen 1,5 mm 2 ~ 40 cm rote und schwarze Litze; geeignet zum Löten 1.2. Geräteliste 1 Bohrmaschine mit 5 mm Bohrer 1 Holzplatte (ca. 20 cm x 20 cm); als Unterlage bei den Bohrungen 1 kegelförmiger Senkbohraufsatz; zum Erweitern des Bohrlochs des Weichholzbrettchens 1 kleiner Schlitzschraubenzieher; zum Befestigen der Bauelemente in den Lüsterklemmen 1 Kleber; zum Aufkleben der Bauvorlagen auf die Brettchen 1 schnellabbindender Kraftkleber zum Befestigen der Lüsterklemmen und des Sperrholzbrettchens auf dem Weichholzbrettchen; alternativ: Heißklebepistole und Heißkleberpatrone 1 Seitenschneider 1 Abisolierzange 1 Hammer 1 Flachzange; zum Biegen der Bauteile 1 Multimeter mit Widerstandsmessbereich 2 Messleitungen mit Bananensteckern 2 Krokodilklemmen

3 2. Verständnisaufgabenaufgaben Bevor es mit dem Bauen losgeht, soll dir die Bearbeitung von Aufgaben helfen, dich mit der Funktion eines Barcode-Lesegerätes und der für den Bau notwendigen elektronischen Bauteile vertraut zu machen Funktion eines Barcodelesegeräts Hier siehst du einen Barcode, er stammt von der Rückseite eines Physik- Schulbuchs. Schaue ihn dir genau an. Was fällt dir auf abgesehen von den Ziffern? Worin könnte Information verborgen sein? Überlege, was ein Barcodelesegerät leisten muss. Schreibe deine Antworten auf. Ein Barcode besteht aus einer Aneinanderreihung von vertikal parallel angeordneten Strichen unterschiedlicher Breite und Zwischenräume. Durch Unterschiede der Breite von Balken und Zwischenräumen lassen sich unterschiedliche Informationen verstecken/codieren. Ein Lesegerät muss also zwischen Strichen und Zwischenräumen unterscheiden, die entsprechenden Breiten abmessen und in eine elektronische (0 = dunkel, 1 = hell )-Signalfolge umwandeln. Anschließend muss diese Signalfolge entschlüsselt ( der Code geknackt ) werden. Diese Hintergrundarbeit mit informationstechnischem Schwerpunkt lassen wir außen vor und betrachten mit unserem Lesegerät lediglich die optoelektronische Erfassung des Strichcodes, die über Lichtimpulse die Startinformation liefert.

4 2.2 Elektronische Bauteile Zum Bau deines Barcodelesegerätes werden folgende elektrische Bauteile benötigt. Ordne den Bauteilen das dazu passende Schaltsymbol zu. (Hilfe unter 5.) Name Elektrisches Bauteil Schaltsymbol Leuchtdiode (LED) Drehpotenziometer Widerstandsbauelement Transistor Fototransistor Elektrischer Widerstand Bestimme den elektrischen Widerstand der Widerstandsbauelemente des Materialsets mithilfe des Farbcodes für Widerstände (Tipp 5.5) und kontrolliere ihn mit dem Vielfachmessgerät (Multimeter). Notiere deine Ergebnisse.

5 Eigenschaften Drehpotenziometer Schaue dir das Drehpotenziometer (= regelbarerer elektrischer Widerstand) genau an. Wie viele Anschlüsse besitzt es? Überlege dir, wie viele Möglichkeiten es gibt, um den Widerstand zwischen diesen Anschlüssen zu messen. Miss dann den elektrischen Widerstand und drehe dabei am Regler. Was stellst du fest? Nun kannst du erklären, wie das Drehpotenziometer in eine Schaltung eingebaut werden muss, damit man den elektrischen Widerstand regeln kann. Notiere deine Beobachtungen. Das Drehpotenziometer besitzt drei Anschlussdrähte/Anschlüsse, z. B. A, B und C. Wird der Widerstand zwischen den beiden äußeren Anschlüssen (A C) gemessen, beträgt er unabhängig von der Einstellung des Drehpotenziometers 4,7 MΩ. Wird der Widerstand hingegen zwischen dem inneren und einem äußeren Anschlussdraht (A B oder B C) gemessen, ist er durch Drehen am Drehpotenziometer von 0 bis 4,7 MΩ bzw. von 4,7 bis 0 MΩ regelbar.

6 2.3 Bestandteile Barcodelesegerät Ein Barcodelesegerät besteht im Wesentlichen aus drei Bestandteilen, wobei jeder Teil eine wichtige Funktion erfüllt. In der folgenden Abbildung sind die drei Teile der elektrischen Schaltung mit einem dicken Strich eingerahmt. Siehe Bemerkung zum Bruch Nenne für jeden der drei Bestandteile diese wichtige Funktion im Modell hier. Bestandteil Funktion Lichtquelle Lichtdetektor Signalausgabe o- der Anzeigeelement 3. Lernaufgabe Diese Lernaufgabe leitet dich zum Bau eines Barcodelesegeräts. Hierzu stehen dir die genannten Materialien und Geräte zur Verfügung. Die nachstehenden Vorgaben sollen dir eine Hilfe sein.

7 Schaltplan weiß rot Drehpotenziometer Fototransistor Info: Anschlüsse LED Fototransistor Transistor Betrachtet man den Fototransistor von unten, so ergibt sich folgendes Bild: Kollektor 2 Basis 3 Emitter Hinweis In unserer Schaltung wird die Basis des Fototransistors nicht benötigt die notwendige Schaltfunktion übernimmt das eingestrahlte Licht. Mit dem Seitenschneider kannst du den entsprechenden Anschlussdraht abknipsen.

8 Bauvorlagen Die Lüsterklemmen müssen, falls noch nicht geschehen, aus der Lüsterklemmenleiste einzeln oder paarweise (siehe folgende Abbildungen) herausgetrennt werden. Der Blick ist von oben auf die Brettchen und die zu bauende Schaltung. Vorlage Sperrholzbrettchen: Vorlage Weichholzbrettchen: (Das Sperrholzbrettchen wird später auf das größere Brettchen gelegt. Es dient als Halterung für Lichtquelle und Lichtempfänger. Die richtige Position, um das Bohrloch im Weichholzbrettchen zu treffen, muss bei der Justierung erst noch ermittelt werden. Dann (!) erst werden beide Brettchen zusammengeklebt.) Die Bauvorlagen im Maßstab 1:1 zum Ausschneiden und Aufkleben auf die entsprechenden Brettchen befinden sich im Anhang. Legende der Bauvorlagen Symbol Bedeutung Bohrstelle Lüsterklemmposition Nagelposition Bemerkung Beim Bohren eine stabile Holzplatte als Unterlage benutzen! Die Lüsterklemmen dienen als Verbindungsstellen der elektrischen Bauteile. Sie müssen vor Baubeginn auf die entsprechenden Stellen geklebt werden. (Beachte Hinweis für weiße LED und Fototransistor) Die Nägel dienen als Batteriehalterung. Nägel ca. ½ cm tief ins Holz schlagen.

9 Bauhinweise Nachdem du das Loch des Weichholzbrettchens gebohrt hast, musst du es mit dem kegelförmigen Senkbohrer ausweiten. Dazu bohrst du mit dem Senkbohrer den oberen Teil des Lochs an, ohne den unteren Teil des Lochs zu vergrößern. Befestige anschließend die weiße LED und den Fototransistor in den Lüsterklemmen. Nun kannst du alle Lüsterklemmen mit Kleber an den vorgesehenen Stellen befestigen. Die Platzierung der Bauteile findest du in den beiden nachfolgenden Abbildungen (Schema und Foto) bzw. auf der 1:1-Bauvorlage im Anhang. Kompletter Aufbauplan (Schemazeichnung): E B C T r a n s i s t o r Baue jetzt dein Barcodelesegerät! Hinweis Achte beim Zusammenbau auf die Anschlussbelegung des Transistors. Falls dir das mit der Schemazeichnung alleine schwer fällt, dann schaue dir das folgende Foto gut an.

10 Aufbaubeispiel (Foto) Das folgende Bild zeigt ein mögliches Barcodelesegerät, von oben betrachtet, ganz wie bei der Schemazeichnung. LED weiß Markierung für Detektorbereich Fototransistor Anzeige-LED Transistor

11 4. Inbetriebnahme des Barcodelesegeräts Für diesen Teil brauchst du etwas Geduld, bis es gut klappt. Es geht nämlich darum, die Empfindlichkeit deines Barcodelesegerätes und die Beleuchtungsund Detektoreinheit aufeinander abzustimmen. Wir beginnen mit der Justierung der Detektoreinheit (= Sperrholzbrettchen mit weißer LED und Fototransistor) auf dem größeren Brettchen mit Bohrung. Verschiebe das Detektorbrettchen so auf dem größeren Brettchen, dass dein Lesegerät einen Unterschied detektiert, wenn du mit ihm über das weiße und schwarze Rechteck fährst. Die Anzeige-LED sollte leuchten, wenn sich die Detektoreinheit deines Lesegerätes über dem schwarzen Rechteck befindet. Nicht leuchten sollte sie hingegen, wenn die Detektoreinheit über der weißen Fläche steht. Falls das nicht auf Anhieb funktioniert, dann musst du den Widerstandswert des Drehpotenziometers variieren und weiter ausprobieren. Es können aber auch die beiden folgenden Probleme bestehen: Die Anzeige-LED leuchtet trotz aller Versuche dauerhaft. Es fällt dann auch bei weißem Untergrund zu wenig Licht in den Fototransistor. Dann solltest du die weiße LED zur Beleuchtung im Bohrloch etwas tiefer setzen. Leuchtet die farbige LED jedoch dauerhaft nicht, dann fällt zu viel Licht in den Fototransistor. Als erste Maßnahme kannst du die LED etwas weniger tief in das Bohrloch setzen. Wenn das nicht hilft, kannst du das Bohrloch mit einem schwarzen Filzstift ausmalen. In beiden Fällen kann es sein, dass du den Widerstandswert des Potenziometers noch etwas nachstellen musst. Die Feineinstellung des Potenziometers kommt weiter unten. Tipps: Gehe bei Änderungen immer systematisch vor. Vermeide zu große Änderungen. War die Justage erfolgreich, kannst du das Sperrholzbrettchen auf dem Weichholzbrettchen festkleben. Markiere mit einem kleinen Strich den Detektorbereich (siehe Foto des Aufbaubeispiels) das erleichtert dir später die Justierung. Detaillierte Hinweise zur Funktion der elektronischen Schaltung findest du unter Tipp 5.6.

12 Gebrauch deines Barcodelesegeräts In der folgenden Abbildung siehst du zwei Teile: Im unteren Teil ein typischer Barcode, im oberen Teil ein Strich-Muster. Deine Aufgabe: Fahre den Barcode langsam und schrittweise mit deinem Barcodelesegerät ab und markiere im oberen Strich-Muster die Stellen, bei denen die Anzeige-LED leuchtet. Zum Beispiel so: Lass Platz, damit du die Beobachtung aus mehreren Versuchen untereinander aufzeichnen kannst. Vielleicht musst du das Potenziometer noch etwas verstellen. Schwellenwert deines Barcodelesegeräts Jetzt sind die weißen Balken des Barcodes grau eingefärbt. Damit kann man die Schwelle, ab der dein Lesegerät anzeigt, am Potenziometer ziemlich genau

13 einstellen. Fahre dazu den nachstehenden Barcode langsam und schrittweise mit deinem Barcodelesegerät ab. Variiere dabei den Widerstand des Drehpotenziometers. Markiere ebenfalls im oberen Strich-Muster diejenigen Stellen, an denen die Anzeige-LED aufleuchtet. Was kann durch die Änderung des Widerstandswertes am Potenziometer erreicht werden? Notiere deine Beobachtungen. Durch Drehen am Potenziometer kann erreicht werden, dass die Anzeige-LED auf dem grauem Hintergrund leuchtet oder nicht leuchtet. Erläutere die Funktion des Potenziometers in dem von dir gebauten Barcodelesegerät. Das Potenziometer dient der Einstellung des Schwellwertes, ab dem der Transistor schaltet und somit die farbige LED leuchtet.

14 Funktionsweise Barcodelesegerät Schreibe in eigenen Worten auf, wie dein Barcodelesegerät funktioniert. Als Lichtquelle dient eine weiße LED, die Licht durch die Bohrlöcher absorbiert; ein anderer Teil wird reflektiert. Wird wenig Licht an der Oberfläche reflektiert, trifft auch wenig Licht auf den Fototransistor: Er sperrt. Der Strom fließt über das Drehpotenziometer und schaltet den Transistor. Dadurch wird er zwischen Kollektor und Emitter leitend. Die farbige LED, die als Anzeigeelement dient, leuchtet. Ab einer bestimmten Lichtintensität schaltet der Fototransistor durch. Der Basisstrom des Transistors sinkt und ist nun zu gering, um den Transistor zu schalten. Der Transistor sperrt und die farbige LED leuchtet nicht mehr. Zur Kalibrierung der Schaltung dient das Drehpotenziometer. Zusammenfassend lässt sich erläutern, dass die LED bei einer dunklen Oberfläche leuchtet, bei einer hellen Oberfläche, die weniger Licht reflektiert, bleibt die LED aus. Vergleich mit der Realität Überlege, welche Unterschiede zwischen deinem Barcodelesegerät und einem echten Barcodelesegerät existieren. Beachte, dass es verschiedene Typen von Barcodelesegeräten im Alltag gibt. Schreibe deine Ergebnisse auf. Ein echtes Barcodelesegerät kann kleinere Barcodes auslesen. Die elektronischen Signale von echten Barcodelesegeräten werden direkt von Computern weiterverarbeitet. Die Schwellwerte von echten Barcodelesegeräten werden von Bediener oder Bedienerin nicht manuell eingestellt. Es wird an Kassen z. B. Laserlicht eingesetzt, das über ein System von Spiegeln den Barcode abtastet ( scanner ).

15 5. Tipps Tipp 5.1: LED Anschlüsse: Eine LED ist ein Halbleiterbauelement, das der Lichterzeugung dient. Tipp 5.2: Drehpotenziometer Ein Drehpotenziometer ist ein stetig regelbarer elektrischer Widerstand. Tipp 5.3: Fototransistor Fototransistoren sind Transistoren, die bei Lichteinfall zwischen Kollektor und Emitter leitend werden (ähnlich einer Fotodiode). Aufbau Fototransistor BPY 62-3 Betrachtet man den Fototransistor von unten, so ergibt sich folgendes Bild: Kollektor 2 Basis 3 Emitter

16 Tipp 5.4: Transistor Ein Transistor ist ein elektronisches Bauteil zum Schalten und Verstärken von elektrischen Signalen. Das bedeutet hier konkret: Überschreitet die Spannung U BE zwischen der Basis und Emitter einen bestimmten Schwellenwert, dann fließt der sogenannte Steuerstrom I BE zwischen Basis und Emitter. Dieser kleine Steuerstrom I BE steuert den zwischen Kollektor und Emitter fließenden zu steuernden Strom I CE. Weil dieser Strom die Hauptenergie überträgt ( arbeitet ), heißt er auch Arbeitsstrom. Aufbau npn-transistor BC-546B

17 Tipp 5.5: Widerstand Widerstände dienen zur Begrenzung von Ladungsströmen in elektronischen Schaltungen. Sie werden auch in sogenannten Spannungsteilerschaltungen eingesetzt, um bestimmte Teilspannungen herzustellen. Widerstandsfarbcode 1. Ring 2. Ring 3.Ring Multiplikator Toleranz Wert A Wert B Wert C Silber 0,01 10 % Gold 0,1 5 % Schwarz Braun % Rot % Orange Gelb Grün ,5 % Blau ,25 % Lila % Grau ,05 % Weiß 9 9 9

18 Tipp 5.6: Funktionsweise der Schaltung Fototransistor unbeleuchtet Kollektor-Emitter-Strecke des Fototransistors sperrt Basis-Emitter-Spannung U BE überschreitet Schwellenwert > Basis- Emitterstrom I BE fließt Transistor schaltet durch Anzeige-LED leuchtet

19 Anhang Bauvorlagen im Maßstab 1:1 zum Ausschneiden und Aufkleben auf die entsprechenden Holzbrettchen: