IR-Bewegungsmelder-Experimentierset

Transkript

1 IR-Bewegungsmelder-Experimentierset Lernanleitung zum Bewegungsmelder Anhand der folgenden Experimentieraufgabe können Schülerinnen und Schüler weitgehend selbstständig Wichtiges zum physikalischen Hintergrund und zur Funktionsweise eines IR-Bewegungsmelders erarbeiten und anhand eines selbst gebauten Modells die Funktion prüfen. 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 Sekundarstufe I und II geeignet. Je nach vorangegangenem Unterricht und je nach Lerngruppe sind möglicherweise Anpassungen notwendig.

2 Wir bauen ein Bewegungsmelder-Modell Diese Lernaufgabe leitet dich zum Bau einer Schaltung, in der ein Bewegungsmelder eine Leuchte steuert. Hierzu stehen dir unten genannte Materialien und Geräte sowie die nachfolgenden Aufgaben und Fragen zur Verfügung. Mache dich zuerst mit der prinzipiellen Funktionsweise sowie mit den im Experimentierset enthaltenen Bauteilen vertraut. Beginne den Bau deines Bewegungsmelders erst anschließend. 1. Material- und Geräteliste 1.1. Materialliste 1 Weichholzbrettchen (H x B x T: ca. 1 cm x 10 cm x 10 cm); dient als Grundlage der Schaltung 1 Sensorbauteil für 6 12 V/DC 1 LED (1,6 2 V, 2 ma) 1 NPN-Transistor BC-546B 1 Widerstand 2,2 kω 1 Batterie 9 V 1 Batterieclip 9 V 5 Reißzwecken; dienen als Lötpunkte 4 Nägel ca. 2,0 mm x 20 mm; dienen als Befestigung der Batterie ~10 cm rote und schwarze Litze; geeignet zum Löten 1.2. Geräteliste 1 Lötkolben mit Zubehör (inkl. Lötzinn) 1 Seitenschneider 1 Abisolierzange 1 Hammer 1 Festhaltepinzette; zum Festhalten der Bauteile beim Löten Schleifpapier; zum Anrauen der Reißzwecke Klebeband; zum Fixieren des Bewegungsmelders auf dem Weichholzbrettchen

3 2. Verständnisaufgaben 2.1. Funktionsweise des Bewegungsmelders Erkläre in eigenen Worten, was ein realer Bewegungsmelder leistet. Ein Bewegungsmelder registriert bewegte Objekte und gibt ein elektrisches Signal (Meldesignal) aus. Dieses Signal kann zum Schalten oder Steuern von elektrischen Geräten oder Alarmanlagen verwendet werden Bauteile im Experimentierset Sensorbauteil 6 12 V/DC Anschlüsse 1 V+ (6 12 V/DC) 2 V (Erdung) 3 Meldeausgang Das verwendete Sensorbauteil ist ein fertig aufgebautes Teil, das zur Energieversorgung zwei Anschlüsse (in der Abbildung Nummer 1 und 2) und einen sog. Meldeausgang (Nummer 3) besitzt. Unter der Kunststoffhaube, die für Wärmestrahlung (IR-Licht) durchlässig ist und hier sogar bündelt, sitzt das eigentliche IR-empfindliche Bauteil. Da es auf Änderungen der Wärmestrahlung passiv reagiert, nennt man diesen Typ von Sensoren Passiv-Infrarot-Sensoren (PIR- Sensoren).

4 Aufgabe des Sensorbauteils: Das Bewegungsmelder-Bauteil erfasst ein sich bewegendes Objekt (z. B. eine Person) durch die Änderung der von dieser ausgesandten unsichtbaren Wärmestrahlung (im IR-Bereich des Lichtspektrums). Die Auslösung dieser Funktion beruht auf dem pyroelektrischen Effekt. Über die Meldeleitung wird ein elektrisches Meldesignal ausgegeben (Spannung zwischen Anschluss 3 und 2). NPN-Transistor BC-546B Schaltsymbol und Anschlüsse Funktionsaufgabe des Bauteils: Ein Transistor ist ein elektronisches Bauelement, bei dem zwei Funktionen unterschieden werden. Er kann zum Schalten oder Verstärken von elektrischen Signalen verwendet werden. Wir verwenden ihn als Schalter. Das funktioniert so: Überschreitet die Steuerspannung U BE zwischen Basis und Emitter einen bestimmten Schwellenwert, so fließt der sogenannte Steuerstrom I BE und der Transistor schaltet durch. Die Steuerspannung bzw. den Steuerstrom liefert der Meldeausgang des Bewegungsmelders. Sein kleines Ausgangssignal ist ausreichend, um den Transistor über den Basis-Emitter-Anschluss anzusteuern, reicht aber nicht, um eine LED direkt zum Leuchten zu bringen. Ist der Transistor durchgeschaltet, so fließt der größere Kollektor-Emitter-Strom I CE. Er reicht aus, um die LED zum Leuchten zu bringen.

5 LED Schaltsymbol Anschlüsse Funktionsaufgabe des Bauteils hier: Die LED dient als Anzeigeelement für registrierte Bewegungen des Bewegungsmelders.

6 3. Bau des Bewegungsmelders Bevor Elektriker eine Komplettinstallation vornehmen, entwickeln sie zuerst einen Schaltplan. Dies ist auch deine Aufgabe. Damit du es aber nicht zu schwer hast, gibt es schon einige Vorgaben. Schaltplan Unten stehender Schaltplan ist unvollständig. Ergänze ihn! Falls du Hilfe brauchst, findest du sie unter Punkt 5. Sensorbauteil

7 Komplettaufbau: Bewegungsmelderschaltung Das folgende Bild zeigt eine mögliche Bewegungsmelderschaltung. Platziere die Bauteile wie in der Abbildung und baue nun deine Bewegungsmelderschaltung. Wichtiger Hinweis zum Löten: Die Leuchtdioden und Transistoren sind hitzeempfindliche Bauteile! Sie sollten zuletzt aufgelötet werden. Ihre Lötdauer darf 3 Sekunden nicht überschreiten.

8 4. Funktionsprüfung; Betrieb der Bewegungsmelderschaltung Finde heraus, wann die LED deiner Bewegungsmelderschaltung leuchtet und wann nicht. Bewege dazu deine Hand am Melder vorbei. Überlege, was bei der Vorbeibewegung variiert werden kann. Notiere deine Beobachtungen. Finde den ungefähren Erfassungsbereich heraus. Beleuchte deinen Bewegungsmelder mit einer Lampe, die du außerhalb seines Erfassungsbereichs ein- und ausschaltest. Schreibe deine Untersuchungsergebnisse in ganzen Sätzen auf. Schnelligkeit der Bewegung: Sehr schnelle und sehr (!) langsame Bewegung -> kein Signal Entfernung: Erfassungsbereich (nicht sehr groß bei warmen Objekten: Hand; groß bei heißen Objekten: Kerzenflamme) Als Vermutung: Größe des Objekts Die LED der Bewegungsmelderschaltung leuchtet, wenn sich ein Körper in ihrem Erfassungsbereich bewegt. Die reine Anwesenheit einer Person im Erfassungsbereich des Bewegungsmelders genügt nicht zum Erhellen der LED. Wird der Bewegungsmelder mit einer Lampe beleuchtet, so leuchtet seine LED nach dem Ein- und Ausschalten der Lampe, auch wenn sich kein bewegter Körper im Erfassungsbereich des Bewegungsmelders befindet. Vergleich mit der Realität Überlege dir: Welche Eigenschaften sollte ein kommerzieller Bewegungsmelder, der z. B. die Beleuchtung einer Treppe oder sogar eines ganzes Treppenhauses steuert, zusätzlich zu deinem Modell aufweisen? Schreibe deine Ergebnisse auf! Bei einem kommerziell erhältlichen Bewegungsmelder ist die Dauer des Schaltvorgangs einstellbar (wichtig bei der Treppenbeleuchtung). Ein kommerziell erhältlicher Bewegungsmelder zum Steuern einer Beleuchtung sollte nicht bei Tageslicht arbeiten (Engergieeinsparung).

9 5. Hilfe Schaltplan komplett Die Abbildung zeigt dir den kompletten Schaltplan. Und so arbeitet die Schaltung: Die LED dient als Anzeigeelement für eine registrierte Bewegung des Bewegungsmelders. In diesem Falle gibt er am Meldeausgang ein Spannungssignal aus. Der Meldeausgang des Bewegungsmelders liegt an der Basis des Transistors an. Auf diese Weise schaltet der vom Bewegungsmelder abgegebene Spannungsimpuls den Transistor. Der Transistor wird zwischen Kollektor und Emitter leitend und die LED leuchtet. Ohne registrierte Bewegung gibt der Bewegungsmelder keine Spannung am Meldeausgang aus und der Transistor sperrt. Die LED leuchtet in diesem Fall nicht.