Handout zur Veranstaltung Demonstrationsexperiment WS 2009/10 Thema: Flip-Flop Christina Höring und Kathrin Huber

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1 Handout zur Veranstaltung Demonstrationsexperiment WS 2009/10 Thema: Flip-Flop Christina Höring und Kathrin Huber 1.) Versuchsbeschreibung Aus Transistoren werden Schaltungen aufgebaut, die die zeitliche Speicherung von binären Zuständen ermöglichen. Materialliste Tischklemme Stativstange Platte für Bausteine 2 Widerstände 100Ω 4 Widerstände 1kΩ 2 Transistoren BC Schalter 2 Lämpchen 3,8V 3 Spannungsquellen Verbindungskabel Anordnung Die Bausteine werden gemäß der Abbildung an der Platte angebracht, mit der Spannungsquelle verbunden und untereinander mit Kabeln verbunden. Es empfiehlt sich, an Q quer und Q eine Lampe oder eine Zähluhr anzubringen.

2 Versuchsdurchführung Die in folgender Tabelle aufgeführten Schaltzustände werden durchprobiert und das Ergebnis notiert: S R Q Q quer Ausgangszustand Setzen Setzsignal abschalten Rücksetzen Rücksetzsignal abschalten ) Lernvoraussetzungen Die Schüler wissen was ein Transistor ist und haben einen groben Einblick in seine Funktionsweise erhalten. Die Schüler wissen, wie sich die Stromstärke in einem Stromkreis aufteilt. 3.) Lernziele des Versuchs 3.1) Grobziel Die Schüler sollen das Experiment Flip Flop kennen und beschreiben können. Sie sollen dabei die Funktionsweise einen Flip Flops erlernen. 3.2) Feinziele Die Schüler sollen einen Flip Flop anhand eines Schaltplanes aufbauen können. Die Schüler sollen eine Zuordnungstafel zum Flip Flop ausfüllen und verstehen können. Die Schüler sollen verstehen, wie auf Grund der verschiedenen Stromflüsse das aufleuchten der Lämpchen zu Stande kommt. 4.) Übergeordnetes Thema Übergeordnetes Thema ist Halbleiter und Mikroelektronik. Der Flip Flop ist dabei dem Themengebiet Mikroelektronik untergeordnet. 5.) Stellung des Versuchsthemas innerhalb der Unterrichtseinheit Der Flip Flop ist im Lehrplan des G8 in Bayern in der Unterrichtseinheit 9.4. Profilbereich am NTG zu finden.

3 6.) Das Demoexperiment als Schülerversuch Dieser Versuch eignet sich nicht als Schülerversuch, da sehr viele Bauteile in die Schaltung einzubauen sind und die Transistoren bei zu viel Strom leicht durchbrennen. Man könnte ihn als Schülerversuch verwenden, wenn man NAND bzw. NOR Bausteine hat und dann den Versuch nach dem Beispiel unten durchführen lässt. 7. Unterrichtsverfahren Normalverfahren (bei Demonstrationsexperiment) 8.Sozialformen Unterrichtsgespräch mit Demonstrationsexperiment 9. Lehrformen und Lernformen Lehrform ist darbietend (Vorführung des Versuches durch den Lehrer, Tafelanschrift). Als Lernform die aufnehmende (Schüler beobachten den Versuch) und erarbeitende Lernform gewählt. 10. Motivationssituation Man könnte eine Stoppuhr mitbringen, diese hochhalten und fragen, ob jemand weiß, wie diese funktioniert. Weiter Anwendungen sind: Ereigniszählung, Periodendauermessung 11. Lernzielsicherung Die Lernzielsicherung kann mit Hilfe eines Arbeitsblattes vollzogen werden.

4 11.1 Das Demoexperiment als Arbeitsblatt Die Flip Flop Schaltung Versuchsbeschreibung / Beobachtung S R Q Q quer Ausgangszustand Setzen Setzsignal abschalten Rücksetzen Rücksetzsignal abschalten ) Die Schalter R und S sind offen. Nun wird an U B eine Spannung angelegt. Das Lämpchen Q quer, leuchtet auf. 2.) Schließt man nun den Schalter S so leuchtet das Lämpchen Q auf, das Lämpchen Q quer erlischt. 3.) Macht man den Schalter wieder auf, so leuchtet das Lämpchen Q weiter. 4.) Schließt man den Schalter R, so leuchtet wieder das Lämpchen Q quer und Q erlischt. 5.) Öffnet man den Schalter R, leuchtet weiterhin Q quer weiter. Auswertung Wird Strom an U B angelegt, so fließt dieser im oberen Stromkreis entlang. Am Knotenpunkt 1 teilt sich der Strom gleichmäßig auf und fließt zu R1 und R2. zu 1.): Wieso muss der Transistor T2 gesperrt sein, damit das Lämpchen Q quer leuchtet? Wie muss der Transistor T1 geschalten sein, damit Q nicht leuchtet. Am Knotenpunkt 2 teilt sich der Strom auf. Wäre der Transistor T2 offen, würde mehr Strom durch den Transistor fließen als durch Q quer, da dieser einen geringeren Widerstand hat. Die durch Q quer fließende Stromstärke würde nicht ausreichen um das Lämpchen leuchten zu lassen. Der Transistor T1 muss offen sein, da die Umkehrung zu T1 gilt. An der Basis von T1 liegt Strom vom Knotenpunkt 2 her an. Warum schaltet der Transistor T1 nicht um?

5 Über den Widerstand R5 fließt vom Knotenpunkt 2 Strom zur Basis. Dadurch bleibt der Transistor leitend, schaltet also nicht um. zu 2.): Wieso geht bei umlegen des Schalters S das Lämpchen Q quer aus und Q an? Schließt man den Schalter S so geht ein Stromimpuls auf die Basis von T2. Dadurch wird der Transistor T2 leitend gemacht. Das Lämpchen Q quer geht aus (Begründung siehe oben). Dadurch, dass mehr Strom durch den Transistor T2 fließt, fließt nur noch wenig Strom durch den Widerstand R5. Dieser Strom reicht nicht mehr aus um die Basis leitend zu halten, d.h. der Transistor schließt. Das Lämpchen Q geht an, da nun mehr Strom durch diesen Stromzweig geht und somit das Lämpchen betrieben werden kann. zu 3.): Wieso leuchtet nach öffnen des Schalters S das Lämpchen Q weiter? Über den Widerstand R3 fließt vom Knotenpunkt 3 Strom zur Basis von T2. Dadurch bleibt der Transistor T2 leitend. Dies ist aber auch der Grund dafür, dass kein ausreichender Stromimpuls an die Basis von T1 kommt um diesen leitend zu machen. Der Transistor T1 bleibt also geschlossen und somit leuchtet Q weiterhin. zu 4.): Wieso geht bei umlegen des Schalters R das Lämpchen aus Q und Q quer an? Die ist die Umkehrung von 2.. Es wird ein Stromimpuls an die Basis von T1 angelegt, der dafür sorgt, dass der Transistor wieder leitend wird. Das Lämpchen Q geht aus. Nun fließt aber nicht mehr genug Strom über R3 an die Basis von T2, d.h. T2 schließt. Es fließt wieder genug Strom durch Qquer, sodass dieses betrieben werden kann. zu 5.): Wieso leuchtet nach öffnen des Schalters R das Lämpchen Q quer weiter? Analoge Beschreibung zu 3. nur dass nun über den Widerstand R5 nun Strom zur Basis von T1 fließt und dieser leitend bleibt. Dadurch fließt nicht genug Strom über den Widerstand R3 zur Basis von T2 um diesen leitend zu machen. Der Strom muss also über das Lämpchen Q quer fließen und kann dieses auch betreiben Das Experiment als Schülerversuch: Wiederholung: Die Flip Flop Schaltung Fülle folgende Zuordnungstafel für einen NAND Schalter aus: Versuchsaufbau Eingang A Eingang B Ausgang

6 Steckbrett 2 NAND Schalter 2 GEBER Bausteine (A&B) Leitkabel Netzgerät 2 Lämpchen Versuchsdurchführung: 1. Baue den Versuch gemäß Schaltplan auf 2. Lege an S und R jeweils eine logische 1 an 3. Beobachte die Lämpchen an Q und Q quer und schreibe den Zustand auf 4. Führe die in der Tabelle angegebenen Schaltzustände aus und schreibe die Ergebnisse auf. Setzen funktioniert indem du den logischen Zustand änderst. Messergebnisse: S R Q Q quer Ausgangszustand 1 1 Setzen 0 1 Setzsignal abschalten 1 1 Rücksetzen 1 0 Rücksetzsignal abschalten 1 1 Auswertung: Frage 1: Was passiert wenn man einen Zustand setzt? Was bewirkt das Rücksetzsignal?

7 Ein einmal gesetzter Zustand wird durch das Flip Flop gespeichert und kann erst durch das Rücksetzsignal gelöscht werden. Frage 2: Wieso ist der Zustand R=0 und S=0 nicht erlaubt? Der unentschlossene Zustand R=0 und S=0 ist eine verbotene Konstellation, da der Ausgangszustand von den verwendeten Elektronikbauteilen abhängt und in aller Regel nicht eindeutig definiert ist. Frage 3: Erkläre wie eine Stoppuhr funktioniert. Wähle dabei für deine Begründung bei Q die logische 1 und für Q quer die logische 0. Bei einer Stoppuhr liegt an R und S eine logische 1 an, an Q und Q quer liegen 1 und 0 an. An den Ausgang Q quer ist ein Zähler angeschlossen. Am Anfang steht die Stoppuhr auf 0s. Drückt man nun auf Start, schaltet S auf 0 um, an Q liegt 0, an Q quer 1 an. Somit fängt die Stoppuhr an zu laufen. Lässt man den Knopf los, liegt an S wieder ein an. An den Ausgängen bleiben die Zustände erhalten, d.h. die Stoppuhr läuft weiter. Drückt man nun auf Stopp, liegt an S 1 und an R 0 an. Die Zustände an Q und Q quer ändern sich zu 1 und 0. Die Stoppuhr hört auf zu zählen. Lässt man den Stoppschalter wieder los, stehen R und S wieder auf der logischen 1 und Q und Q quer auf 1 und Lernzielkontrolle Die Lernzielkontrolle kann über ein gemeinsames Gespräch erfolgen. Hierbei sollte auf die Ergebnisse des Schülerversuches eingegangen werden. 13. Präkonzepte, Misskonzepte Ein Misskonzept dieses Versuchs könnte sein, das die Schüler nicht verstehen, dass Q und Q quer vorher schon fest vorgegeben sind. Ebenso könnte nicht klar werden, dass beim Rücksetzen wieder der Ausgangszustand geschalten wird. Ein zweites Misskonzept könnte sein, dass den Schülern nicht klar wird, dass das Lämpchen nur leuchtet, wenn der Transistor nicht leitend ist (aufgrund der Stromstärkeaufteilung im Stromkreis). Ein weiteres Misskonzept könnte sein, dass die Schüler nicht verstehen, warum der Zustand S/R = 1/1 verboten ist.