Sequentielle Schaltungen im Technikunterricht am Beispiel von Speicherschaltungen und Zeitmessung

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1 Sequentielle Schaltungen im Technikunterricht am Beispiel von Speicherschaltungen und Zeitmessung Schriftliche Hausarbeit, vorgelegt im Rahmen der Ersten Staatsprüfung für das Lehramt der Sekundarstufe 1 von Christine Martin und Sandra Rasch Münster, den 09. Januar 2006 Prof. Dr. Hein Institut für Technik ihre Didaktik der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster

2 Inhaltsverzeichnis Seite 1. Einleitung C. Martin Fachwissenschaftliche Grundlagen Wirkungsweise S. Rasch Realisierungsformen sequentieller Schaltungen S. Rasch Der bistabile Multivibrator RS-Flipflop S. Rasch Der monostabile Multivibrator S. Rasch Der astabile Multivibrator S. Rasch Weiterführende Schaltungen: Zählschaltungen C. Martin Asynchrone und synchrone Zähler C. Martin Synchroner Dezimalzähler ( 10) C. Martin Didaktisches Konzept Der einfache heiße Draht Klasse 5/6 C. Martin/S. Rasch Der heiße Draht mit RS Flipflop Klasse 7/8 C. Martin Der heiße Draht mit Zählwerk Klasse 9/ C. Martin: Seite 55-65; S. Rasch: Seite 46-54, Technische Realisierung S. Rasch Schlusswort S. Rasch Literaturverzeichnis

3 1. Einleitung Das oberste pädagogische Ziel im Technikunterricht ist die theoretische Durchdringung und praktische Bewältigung einer von Technik geprägten Welt. Doch das ist leichter gesagt als getan, denn Technik durchdringt alle Lebensbereiche, überall werden wir mit Technik konfrontiert. Jedoch ist das nicht die einzige Schwierigkeit. In der heutigen Zeit wird der Mensch immer mehr nur zum Konsumenten von Technik, die in ihren Erscheinungsformen zunehmend komplex und kompliziert geworden ist, die sich ihm (dem Menschen) zumeist in verkapselter und miniaturisierter Form darbietet. 1 Einen immens breiten Raum in der Technik nimmt die Elektronik ein. Ob Satelliten im All, Kraftwerke, Autos, Fernseher, Computer, Handys, Küchenmaschinen, Rasierapparate ohne Elektronik ist Technik heutzutage fast nicht mehr denkbar. Daraus entwickelte sich auch der Grundgedanke dieser Arbeit: die Auseinandersetzung mit dem äußerst wichtigen und spannenden Gebiet der Elektronik im Technikunterricht an der Schule. Hierbei war uns die Orientierung am Lebens- und Erfahrungsbereich der Lernenden sehr wichtig, denn nur wenn die Schüler das was sie tun (sollen) auch für sinnvoll erachten, sind sie motiviert und haben Freude am Lernen. So entstand in mühevoller Klein- und Handarbeit unser heißer Draht, ein Geschicklichkeitsspiel, das bei den meisten Kindern (und Erwachsenen) bekannt und beliebt ist. Mit der ständigen Weiterentwicklung des Innenlebens dieses Spiels vom heißen Draht mit einfachem Stromkreis für die Kassen 5 und 6 über eine Flipflop Schaltung in Klasse 7 und 8 bis zum Bau eines Zählwerks in Klasse 9 und 10 haben wir uns theoretisch und praktisch beschäftigt. Auf diese Weise zieht sich der heiße Draht wie ein roter Faden durch ein ganzes Schülerleben in der Sekundarstufe 1, in dem die Lernenden wichtige elektronische Grundkenntnisse erwerben können und sich, darauf aufbauend, bereits mit höherer Elektronik den sequentiellen Schaltungen auseinandersetzen und so ihr Wissen erweitern, festigen und, was das wichtigste ist, auch anwenden. 1 Zeitschrift, Umwelt: Technik Lehrerinformation Probleme lösen Methoden anwenden. Klett Verlag S. 29 3

4 Unsere Arbeit ist an (angehende) Techniklehrer gerichtet, die unser Projekt heißer Draht in der Schule realisieren oder es auch als Anregung für die Entwicklung eigener Ideen nutzen wollen. Da wir davon ausgehen, dass es an dieser Stelle nicht notwendig ist, auf elektronische Grundkenntnisse einzugehen, beschäftigt sich das nächste Kapitel unserer Arbeit bereits mit den sequentiellen Schaltungen RS-Flipflop, monostabiler Multivibrator, astabiler Multivibrator sowie der Zählschaltung. Im dritten Kapitel werden wir unser didaktisches Konzept heißer Draht für die verschiedenen Klassenstufen vorstellen, bevor im vierten Kapitel die technische Realisierung mit Fotos und Schaltplänen dokumentiert wird. 4

5 2. Fachwissenschaftliche Grundlagen 2.1. Wirkungsweise Sequentielle Schaltungen werden auch als Kippschaltungen bezeichnet, da deren elektrische Größen kippen. 2 Die logischen Größen sind 1 und 0, denen die elektrischen Größen High (H) und Low (L) zu Grunde liegen. Sie werden zum Aufbau digitaler Schaltungen verwendet, da sie in der Lage sind, binäre Informationen statisch und dynamisch zu speichern. Statische Speicherschaltungen halten die gespeicherten Information so lange, bis diese wieder gelöscht wird oder so lange wie eine Betriebsspannung anliegt. Dieser Zustand wird auch metastabil bezeichnet (metastabil - gr. lat. = durch Verzögerungserscheinung noch in einem Zustand befindlich, der den äußeren Bedingungen nicht mehr entspricht). Dynamische Speicherschaltungen halten die Informationen nur für eine sehr kurze Zeit (einige µs bis s). Diese Schaltungen bezeichnet man als Kippschaltungen oder auch Kippstufen. Auf Grund ihrer statischen (stabilen) oder dynamischen (zeitweise stabilen oder metastabilen) Zustände unterscheidet man drei Gruppen von Kippschaltungen: 1. Bistabile Kippschaltungen Flipflops (sie besitzen zwei stabile Schaltzustände) 2. Monostabile Kippschaltungen Monostabiler Multivibrator Monoflop (sie besitzen einem stabilen und einen zeitweise stabilen Zustand) 3. Astabile Kippschaltungen Mulivibratoren (sie besitzen keinen stabilen Zustand, sondern verfügen nur über zwei metastabile Zustandsformen) Sequentielle Schaltungen sind schaltungstechnisch an den Rückkopplungen der Aus- auf die Eingänge erkennbar. Man kann diese Schaltungen als fertige Bauteile, so genannte integrierte Schaltungen (IC: integrated circuit), kaufen. Um allerdings ihre Wirkungsweise zu verstehen, ist es sinnvoll sie mit diskreten Bauelementen zu erklären und herzustellen. 2 Jansen, H. und Rötter, H.: Telekommunikationstechnik. Fachbildung. Haan-Gruiten: Europa Lehrmittel S

6 Die sequentiellen Schaltungen lassen sich alle auf ähnliche Weise realisieren. + + R C R C T 1 K2 K1 T 2 Prinzipielle Anordnung von Kippschaltungen mit gesättigten Transistoren 3 Kippschaltung Name Koppelglied 1 Koppelglied 2 Bistabil Monostabil Astabil Flipflop, Schmitt Trigger Univibrator Multivibrator R R C R C C Realisierung der Koppelglieder bei den verschiedenen Kippschaltungen 4 Im Folgenden werden die Formen und Funktionsweisen der Schaltungen erläutert. 3 Tietze, U., Schenk, C.: Halbleiterschaltungstechnik. Berlin, Heidelberg, und weitere: Springer S Tietze, U., Schenk, C.: S

7 2.2. Realisierungsformen sequentieller Schaltungen Der Bistabile Multivibrator - RS-Flipflop Flipflops bilden in der Digitaltechnik mit die wichtigsten Grundlagen für den Aufbau von Speichern, Zählern, Schieberegistern und Frequenzteilern. Ihre wesentliche Eigenschaft besteht darin, dass sie Impulse als Low- oder High Pegel beliebig lange speichern können. Das heißt, dieses gespeicherte Signal steht an den Ausgängen der digitalen Schaltung jederzeit als Ausgangspegel zur Verfügung. Grundsätzlich besitzen alle Flipflop Arten zwei stabile Zustände. Vielfältig sind aber die Bedingungen, unter denen sie ihren Signalzustand ändern. Folgendes Schema stellt eine Übersicht der einzelnen Flipflop Arten dar: Flipflops Nicht getaktete Flipflops Taktgesteuerte Flipflops Taktzustandgesteuerte Flipflops Taktflankengesteuerte Flipflops Einflankengesteuerte Flipflops Zweiflankengesteuerte Flipflops Grund Flipflops (RS Flipflop) Auffang Flipflops Ohne Zwischenspeicher Einspeicher - Flipflops Zweispeicher Flipflops (Master- Slave) Klassifizierung der Flipflop-Arten 5 5 Ochs, M.: Digitaltechnik für die handwerkliche Ausbildung. Heidelberg: Hüthig Buch Verlag S

8 Im Folgen soll jedoch nur auf die einfachste Art der Speicherschaltungen das ungetaktete Flipflop näher eingegangen werden, da zunächst nur dieses für unsere weitere Arbeit von Bedeutung ist. In der integrierten Technik werden RS-Flipflops mit NOR- oder NAND-Gliedern realisiert. Der Aufbau mit NAND-Gliedern gestaltet sich wie folgt: S R Q Q Vorgang S & & Q Setzen Speichern R & & Q Rücksetzen Speichern Setzen Realisierung eines Flipflops mit NAND Gliedern und Funktionstabelle 6 Eine wichtige Frage ist, was passiert eigentlich im Inneren des integrierten RS- Flipflops, wodurch reagiert die Schaltung auf diese Weise? Für den schulischen Unterricht ist es besser die Schaltung mit diskreten Bauteilen, in diesem Fall 2 Transistoren und 6 Widerständen, aufzubauen. Dadurch werden grundlegende elektronische Zusammenhänge sichtbar, was zu einem vertieften elektronischem Verständnis führen kann. Das RS-Flipflop: R S + R 1 R 5 R 4 R 2 Q T 1 R 3 R 6 T 2 Q U B U CE1 U CE2-6 Hartmann, E., Hein, C.: Duden Technik. Basiswissen Schule. Berlin, Mannheim: Paetec S

9 Das Flipflop arbeitet mit zwei Zuständen, dem gesetzten und dem ungesetzten Zustand. Der gesetzte Zustand wird durch einen High Impuls am Setzeingang S hergestellt. Durch diesen High Impuls wird der Transistor T 2 leitend und seine Ausgangsspannung U CE2 beträgt ca. 0V. Über den Widerstand R 6 wird die Basis von T 1 auf ca. 0V gelegt und T 1 sperrt. Die Ausgangsspannung U CE1 von T 1 beträgt jetzt ungefähr Betriebspannung, weil T 1 im gesperrten Zustand einen hohen Widerstand hat. Über den Widerstand R 3 wird T 2 im leitenden Zustand gehalten. Ein High Impuls an S genügt also um diesen Zustand einzuleiten. Weitere Impulse an S ändern nichts. Erst ein High Impuls an R ändert den Zustand des Flipflops, es kippt in den ungesetzten Zustand, sprich es wird zurückgesetzt. Hierbei wird der Transistor T 1 leitend, so dass seine Ausgangsspannung U CE1 ca. 0V beträgt. Über den Widerstand R 3 wird die Basis von T 2 auf ca. 0V gelegt und T 2 sperrt. Die Ausgangsspannung U CE2 von T 2 beträgt nun etwa Betriebsspannung, weil T 2 sperrt und damit einen sehr hohen Widerstand hat. Über den Widerstand R 6 wird T 1 im leitenden Zustand gehalten. Wie bei einem High Impuls an S ändern jetzt weitere Impulse an R auch nichts an dem Zustand des Flipflops. Zur besseren Übersicht über die Ein und Ausgänge empfiehlt es sich die Schaltbelegungstabelle zu betrachten. Schaltbelegungstabelle: Eingang Ausgang R S Q Q H H nicht zulässig L H H L H L L H L L Zustand bleibt Die Ausgänge müssen komplementär sein. 9

10 Ein High Impuls gleichzeitig an S und an R ist technisch zwar möglich, allerdings logisch nicht zulässig, da Q nicht gleich Q sein kann. Schaltungstechnisch kann dieser Zustand allerdings realisiert werden, führt jedoch zeitgleich zu Low an Q und Q. Deshalb ist diese Belegung nicht zulässig. 10

11 Der monostabile Multivibrator Monostabile Multivibratoren dienen dazu, einen Impuls beliebiger Länge in einen Impuls definierter Länge umzuformen. 7 Die folgende Abbildung zeigt einen monostabilen Multivibrator mit diskreten Bauelementen. Hierbei fällt auf, dass im Vergleich zum RS-Flipflop lediglich ein Widerstand durch einen Kondensator ersetzt wird. Es ergibt sich folgende Wirkungsweise. Monostabiler Multivibrator: + R 1 C 1 R 3 R 4 R 2 U B U CE1 T 2 R 5 T 1 U CE2 - Wie das RS-Flipflop hat auch der monostabile Multivibrator zwei Schaltzustände. Im ersten, ungeschalteten Zustand, ist T 2 leitend, da seine Basis über R 3 Spannung erhält. Die Ausgangsspannung U CE2 von T 2 beträgt ca. 0V. Gleichzeitig wird T 1 über R 4 gesperrt und C 1 Über R 1 geladen. Der Ladestrom des Kondensators: + U B R 1 C 1 T 2 0V. Der positive Pol von C 1 liegt am Kollektor von T 1. Die Ladezeit dieses RC Gliedes hängt von τ = 0,69 R 1 C 1 ab. Ein High Impuls an R 6 bewirkt, dass T 1 leitet und seine Ausgangsspannung U CE1 ca. 0V beträgt. Der Kondensator entlädt sich über T 1. zeitgleich fließt über R 3 ein Umladestrom. Dieser Umladestrom erzeugt über R 3 einen Spannungsabfall, der größer als U B ist. Damit bleibt für eine definierte Zeit T 2 im gesperrten Zustand. Der negative Pol des Kondensators C 1 liegt mit Kondensatorenspannung (0,7V) an der Basis von T 2 und sperrt T 2. Über R 4 wird T 1 leitend gehalten. 7 Garbrecht, F.W.: Basiswissen Elektronik. Einführung für Einsteiger und Anwender. Berlin, Offenbach: VDE Verlag S

12 Im geschalteten Zustand wird C 1 über R 3 umgeladen. Die Umladedauer hängt von τ = 0,69 R 3 C 1 ab. Der Ladestrom des Kondensators: + U B R 3 C 1 T 1 0V. Wenn C 1 umgeladen ist, versetzt er T 2 wieder in den leitenden Zustand. Die Ausgangsspannung U CE2 beträgt ca. 0V. T 1 wird durch R 4 gesperrt. C 1 lädt sich über R 1 mit τ = 0,69 R 1 C 1 um. Der Ladestrom des Kondensators: +U B R 1 C 1 T 2 0V. T 2 wird über R 3 leitend gehalten. Bis zum nächsten High Impuls an R 6 bleibt die Schaltung stabil. 12

13 2.2.3 Der astabiler Multivibrator Die astabile sequentielle Schaltung, auch astabiler Multivibrator (AMV) genannt, öffnet und sperrt die beiden Transistoren selbsttätig in regelmäßigen Zeitabständen. 8 Durch Ersetzen des Widerstandes R 4 durch einen Kondensator und Weglassen des Widerstandes R 6 in der Monostabilen Schaltung erhält man einen AMV. Erster Zustand des AMV: + R 1 R 4 C 1 R 3 C 2 R 2 T 2 U B U CE1 T 1 U CE2 - Im ersten Zustand ist T 1 gerade in den leitenden Zustand übergegangen und die Ausgangsspannung U CE1 beträgt ca. 0V. Die Spannung U CE1 an C 1 war zuvor Betriebsspannung. Während C 1 sich über T 1 entlädt, wird dieser Kondensator gleichzeitig über R 3 umgeladen und T 2 wird gesperrt. Parallel dazu wird C 2 über R 2 geladen. Sobald C 1 umgeladen ist, fließt der Strom über R 3 in die Basis von T 2 und macht diese leitend. Auf die gleiche Weise entlädt sich C 2 über T 2. Das Umladen beträgt τ = R 3 C 1. Der Umladestrom des Kondensators C 1 : + U B R 3 C 1 T 1 0V. Zweiter Zustand: + R 1 T 1 R 4 C 1 R 3 C 2 R 2 T 2 U B 8 Jansen, H. und Rötter, H.: S U CE2-13

14 Im zweiten Zustand ist T 2 gerade in den leitenden Zustand übergegangen und die Ausgangsspannung U CE2 beträgt ca. 0V. Die Spannung U CE2 an C 2 war zuvor Betriebsspannung. Während C 2 sich über T 2 entlädt, wird dieser Kondensator gleichzeitig über R 4 umgeladen und T 1 wird gesperrt. Parallel dazu wird C 1 über R 1 geladen. Sobald C 2 umgeladen ist, fließt der Strom über R 4 in die Basis von T 1 und macht diese leitend. Auf die gleiche Weise entlädt sich C 1 über T1. Das Umladen beträgt τ = R 4 C 2. Der Umladestrom des Kondensators C 2 : + U B R 4 C 2 T 2 0V. Die Frequenz im AMV wird mit f = 1 1,4 * R * C berechnet. Durch die Unsymmetrie der Bauelemente kippt die Schaltung ohne äußeren Einfluss sobald Betriebsspannung anliegt. 14

15 Weiterführende Schaltungen: Zählschaltungen In der Digitaltechnik gehören Zählschaltungen, auch kurz Zähler genannt, zu den meist verwendeten Grundschaltungen. Zählen in der Digitaltechnik bedeutet, dass zu einer bestehenden Summe jeweils der Wert 1 addiert oder subtrahiert wird. Das Ergebnis wird dann bis zu dem nächsten Zählvorgang zwischengespeichert. Ein digitaler oder binärer Zähler zählt Impulse, welche am Eingang der Schaltung in beliebiger zeitlicher Folge auftreten können. 9 Zähler werden unterschieden nach: 1. Art der Taktung Serientaktung: asynchrone Zähler Parallelschaltung: synchrone Zähler 2. Kodierung des Zählergebnisses Dualcode: Dualzähler BCD Code: Dezimalzähler (Zähldekaden) 3. Zählrichtung Vorwärts-, Rückwertszähler; Vor- und Rückwärtszähler 9 Ochs, M: S

16 Asynchrone und synchrone Zähler Hauptsächlich wird bei Zählern zwischen asynchronen und synchronen Zählern unterschieden. Grundelemente einer Zählschaltung sind Flipflops die hintereinander geschaltet werden. Zum Aufbau asynchroner Zähler werden JK-Flipflops oder SR-Flipflops, die als T-Flipflops geschaltet sind, verwendet. Synchrone Zähler sind fast ausschließlich aus JK-Flipflops, genauer gesagt aus JK-Master-Slave-Flipflops, aufgebaut. Bei asynchronen Zählern steuert ein Ausgang des ersten Flipflops den Eingang des nächsten Flipflops u.s.w.. Das bedeutet, die Flipflops schalten nicht zum gleichen Zeitpunkt, sondern zeitlich hintereinander. Dadurch kommt es zu einer Schaltverzögerung, die wiederum eine Verschiebung der Eingangsimpulse gegenüber den Ausgangsimpulsen bewirkt. Dies kann zu Störungen und Fehlern vor allem bei hohen Zählfrequenzen führen. Um eine solche Verschiebung zu vermeiden, müssen alle Flipflops mit einem gemeinsamen Taktsignal arbeiten. Diese Anforderung erfüllt der synchrone Zähler. Synchrone Zähler werden also durch einen gemeinsamen Schalttakt gleichzeitig geschaltet. 1 Takt T 1 A 1 B 1 1 A B C 1 1J C1 1K 1J C1 1K 1J C1 1K 1J C1 1K A A B A & A D Asynchron-10-Zähler mit JK-Flipflops Jansen,H. Rötter, H.: S

17 T 1 1 A D A A B A B A B C A 1J C1 1K 1J C1 1K 1J C1 1K 1J C1 1K A A B B C C D D Synchron 10 Zähler (hier: Synchron BCD 8421 Zähler) Jansen, H., Rötter, H.: S

18 Synchroner Dezimalzähler ( 10) Dieser Zähler kann von 0 bis 9 zählen. Mit jedem zehnten Taktimpuls wird er wieder in die Nulllage zurückgesetzt. Prinzipiell kann ein synchroner Dezimalzähler aus diskreten Bauelementen gebaut werden. Dadurch würde allerdings die Platine viel zu groß und unübersichtlich werden. In unseren heißen Draht haben wir deshalb drei dieser Zähler als integrierte Schaltkreise (CD E) eingebaut. Es wird also in drei Dekaden gezählt, wobei der erste Zähler die Zehntelsekunden, der zweite die ganzen Sekunden und dritte die Zehnersekunden zählt. Jedes Mal, wenn der erste Zähler den zehnten Zählimpuls erhält, wird er in die Nulllage zurückgesetzt und gibt dabei als Übertrag einen Zählimpuls an den nächsten Zähler weiter. Hat der zweite Zähler den zehnten Zählimpuls vom ersten Zähler erhalten, gibt er wiederum einen Impuls an den dritten Zähler weiter. Auf diese Weise kann dieser dreistellige Zähler bis 99,9 Sekunden zählen. Zeit genug, um den heißen Draht erfolgreich zu durchlaufen. In jedem Zählbaustein ist auch eine Decodierung zur Steuerung einer 7 Segment Anzeige erhalten. Diese Anzeige dient dazu, das Zählergebnis sichtbar zu machen. T CTR DIV 10 + A B C D Codierer BIN/7SEG a b c d e f g 1. Dekade CTR DIV 10 + A B C D Codierer BIN/7SEG a b c d e f g 1. Dekade Zähler für zwei Dekaden mit 7 Segment-Anzeige Jansen, H., Rötter, H.: S

19 3. Didaktisches Konzept 3.1. Der einfache heiße Draht Klasse 5/6 Die Struktur der Unterrichtskonzepte entsprechen den Unterrichtseinheiten aus dem Projekt Wir haben es in großen Teilen übernommen und unserem Konzept angepasst. Der heiße Draht Ziele Die Schüler/innen sollen: bei der Verwirklichung dieser Konstruktionsaufgabe die Phasen von der Idee bis zur Herstellung eines Produkts kennen lernen; das Geduldsspiel "heißer Draht" aus dem einfachen Stromkreis selbst entwickeln; Grundlagen des technischen Zeichnens kennen lernen; die Arbeitstechniken der Holzbearbeitung (sowie der Metallbearbeitung) üben; die Funktion der verwendeten elektronischen Bauelemente kennen lernen; die erforderlichen Bauteile erkennen und eine Materialliste zusammenstellen; eine Bauanleitung entwickeln; das Geduldsspiel in Einzelfertigung herstellen; Unterrichtskonzept In dieser Unterrichtseinheit erfolgt die vollständige Entwicklung eines Produkts. Dazu gehören Ideenfindung, Entwurf, Materialbestimmung und Materialbeschaffung, Arbeitsablaufplanung, Fertigung und Test des Produkts. Diese Unterrichtseinheit erfordert Wissen aus dem technischen Zeichnen und Arbeitstechniken der Holz- und Metallbearbeitung. Die Unterrichtseinheiten "Grundlagen des technischen Zeichnens" und "Ein Kasten für alle Fälle" 19

20 bieten weitere Hinweise, sie werden im Internet "Praxis Technikunterricht angeboten. Richtlinienbezug Gesamtschule NRW, Problemfelder: Information und Kommunikation, Produktion und Automation, Klasse 7/8 (s. Rahmenplan S. 32 und S.44) Hauptschule NRW, Realschule NRW, Rahmenpläne für Arbeitslehre in den neuen Bundesländern Unterrichtsverlauf: Zum Konzept Die Konstruktion des Spiels "heißer Draht" steht in engem Zusammenhang mit der Unterrichtseinheit "Ein Kasten für alle Fälle". Die Arbeitsblätter zur Fertigung des Kastens sollten hier genutzt werden. In Abhängigkeit vom Stundenumfang, von der Schulform und der Lerngruppe können Sie als Lehrkraft aus dem Material auswählen. So können Sie mit den drei Angeboten aus dem Internet individuelle Unterrichtseinheiten kreieren. Wenn alle drei Unterrichtseinheiten im Unterricht behandelt werden, dann entwickeln sich Qualifikationen zum Darstellen von technischen Gegenständen sowie Grundtechniken zum Be- und Verarbeiten von Holz und Metall. Bei der Zusammenstellung der Materialliste wird das Wissen über den einfachen Stromkreis angewendet und erweitert. Die Schüler/innen erfahren, dass Bauelemente akustische Signale aussenden können. 20

21 Mit Hilfe der zur Verfügung stehenden Arbeitsblätter sowie der Einzelteile sollen die Schüler/innen weitgehend selbstständig eine Bauanleitung entwickeln. Die Arbeitstechniken Biegen und Löten werden geübt. Organisation des Unterrichts Die Fertigungsaufgabe "Ein Kasten für alle Fälle" fließt in diese Konstruktionsaufgabe mit ein. Die Bearbeitungszeit für den Entwurf des Spiels und den Einbau des Geduldsspiels in den Kasten beträgt etwa 3-4 Doppelstunden. Wichtig ist, dass die Schüler/innen beim Erstellen der Bauanleitung die Arbeitsblätter und Materialien nutzen. Die Arbeitsschritte müssen eindeutig abgegrenzt werden, dann bilden sich Gewohnheiten für das systematische praktische Arbeiten heraus. Merkmale der Konstruktionsaufgabe Die Arbeitsblätter sollten möglichst selbstständig erarbeitet werden. Die Ergebnisse der selbstständigen Arbeit sind zu vergleichen. Wichtig sind Kontrollstationen, an denen die Qualität der Arbeit überprüft wird. Anforderung an die Arbeitsweise der Schüler Jeder Schüler entwickelt zunächst seine eigenen Vorstellungen vom Spiel. Bei der Entwicklung der Bauanleitung können Arbeitsgruppen gebildet werden. Im Unterrichtsgespräch werden mögliche Fehler korrigiert. 21

22 Die Fertigung erfolgt in Einzelarbeit. Kontrollmöglichkeiten Die Entwicklung der Bauanleitungen kann bewertet werden. Am Ende werden die Arbeitsweise und das Produkt bewertet. Lehrerinformation: A) Fachinformationen Vor der praktische Arbeit müssen die Schüler/innen in den Umgang mit den Werkzeugen eingewiesen werden. Im Zusammenhang mit der Entwicklung der Schaltung kann die Reihen- und die Parallelschaltung erarbeitet werden und das Messen von Strom und Spannung geübt werden. Das folgende methodische Vorgehen empfiehlt sich, da die Schüler/innen keine Vorkenntnisse in der Elektronik besitzen. Materialien: Spannungsquelle (Batterie) Leitungen mit Krokodilklemmen Zwei Glühlampen mit Fassungen auf einem Brett montiert. Mit den folgenden Aufgabenstellungen können die Zusammenhänge zwischen Reihen- und Parallelschaltung empirisch erarbeitet werden. 1. Schließe eine Glühlampe an die Batterie an. einfacher Stromkreis 2. Welche Möglichkeiten gibt es, um die zweite Glühlampe anzuschließen? Reihen- und Parallelschaltung 3. Welche Unterschiede bestehen zwischen Reihen- und Parallelschaltung? a) Zeichne den Schaltplan. b) Was passiert in den Schaltungen, wenn eine Lampe ausfällt? c) Welche Schaltung ist für das Geduldspiel heißer Draht geeignet? Begründe deine Antwort! 22

23 Durch dieses methodische Vorgehen werden die Zusammenhänge zwischen Spannung und Stromstärke in den Schaltungen durch die Schüler/innen selbst erfahren. Es gilt: Reihenschaltung: Gesamtspannung ist gleich der Summe der Teilspannungen U = U 1 + U 2. Die Stromstärke ist an allen Stellen gleich groß. Parallelschaltungen: die Spannung aller Verbraucher ist gleich. Der Gesamtstrom ergibt sich aus der Summe der Teilströme I = I 1 + I 2. Außerdem wird durch dieses Vorgehen in das Darstellen von Schaltungen durch Schaltpläne eingeführt (s. Arbeitsblätter). Vor dem Löten müssen die Schüler/innen in die Arbeit mit dem Lötkolben eingewiesen werden. Informationen zum Summer: Summer sind Elektrische Bauteile, die Töne abgeben, wenn Strom durch sie fließt. Schaltzeichen: Betriebswerte: 3V DC (DC = Gleichspannung, Polung beachten; rot +, schwarz -) Weitere fachliche Hinweise zur Durchführung dieser Unterrichtseinheit finden sie unter folgenden Internetadressen: Die Unterrichtseinheit Grundlagen des technischen Zeichnens und Ein Kasten für alle Fälle enthalten Arbeitsblätter zur Anfertigung des Gehäuses für das Spiel. Mit Suchwort gelangt man zu einer alphabetischen Auflistung der Fachbegriffe. Man findet dort mehr Informationen zum Löten und zu elektronischen Bauelementen. B) Methodische Hinweise: Bei dieser Konstruktionsaufgabe geht es um die Entwicklung der Konstruktionsunterlagen für die praktische Arbeit. 23

24 Die Schüler/innen sollen den Weg von der Idee bis zum fertigen Produkt weitgehend selbstständig bewältigen. Das Arbeitsblatt Der heiße Draht oder wer zittert mit?! beginnt deshalb mit dem einfachen Stromkreis. Vielen Schüler/innen ist das Geduldsspiel heißer Draht bekannt. Die Bauanleitung 1 zeigt ein Bild zur Realisierung des Spielgerätes. Wenn die Schüler/innen ihren Entwurf mit der Darstellung verglichen haben, benennen sie die Teile, entwickeln den Schaltplan und erstellen ausgehend vom einfachen Stromkreis die Materialliste. Nach der Bearbeitung des Arbeitsblattes Bauanleitung 1 sollten die Ergebnisse der selbständigen Arbeit verglichen und eventuell korrigiert werden. Die Entwicklung der Bauanleitung 2 muss der Lerngruppensituation entsprechend erfolgen. Vor dem Verlöten der Bauteile sollte das Löten geübt werden. Die erforderlichen Arbeitsblätter finden sind ebenfalls im Internet Praxis Technikunterricht zu finden. Medien und Material Medien und Material Bezugsquelle Fertige Kästen als Anschauungsmittel Eigenbau Sperrholz (4 und 8 mm dick) für den Baumarkt Kasten Elektrische Bauteile: Summer, Lehrmittelkatalog Batterien, Batteriefach, Leitungen, Draht 1 2 mm Griffheft Baumarkt Werkzeuge zur Holzbearbeitung Lötkolben Lötzinn, Leim Lehrmittelkatalog, Baumarkt Zeichengeräte Basiswissen Schule Duden Technik Paetec Verlag für Bildungsmedien, 1. Auflage 2000, Internet: 24

25 Internet: Praxis Technikunterricht DIN-Blätter ISBN Europa Lehrmittel Verlag, Tabellenbuch Metall, S.60 ff. DIN ISO , DIN ISO , DIN ISO , DIN ISO Anhang zum Unterrichtsablauf: Bauanweisung 1: Die Skizze zeigt die Anordnung der Bauteile im Kasten. Bezeichne jedes Bauteil mit einer Nummer Welche Schaltungsart musst du bei der Zusammenschaltung der Bauteile anwenden? Reihenschaltung Stelle eine Materialliste zusammen. Die Abbildungen helfen dir dabei

26 Bauteilnummer Bauteile im einfachen Bauteile im Geduldspiel Stromkreis 1 Spannungsquelle Spannungsquelle 3V mit Batteriefach 2 Verbraucher Summer 3 Schalter Drahtschlaufe / heißer Draht 4 5 Leitungen Leitungen, Draht Irrgarten 6 Griff (Korken oder Holzklotz) Griff 7 Zweiteiliger Kasten als Gehäuse Bauanweisung2: Ergänze in der Arbeitsablaufplanung die einzelnen Arbeitsschritte Nr. Arbeitsablauf Einzelne Arbeitsschritte 1 Bereitlegen der Summer, Batterie, Draht elektronischen Bauteile 2 Herstellung des Kastens 1. Kannten aller Teile schleifen. 2. Teile so anordnen, wie sie zusammengeleimt werden. 3. Lage der Teile zueinander kennzeichnen. 4. Bohrungen für den Draht Irrgarten auf dem Deckel anreißen. 5. Auf einem langen Seitenteil Bohrungen für Zuleitung zur Drahtschlaufe anreißen. 6. Löcher bohren. 7. Seitenteile an den Boden leimen. 8. Deckel aufleimen. 9. Deckel und Unterkasten mit der Bandsäge trennen. 10. Innenteile als Führung einleimen. 11. Funktionsprobe durchführen, evtl. nachschleifen. 12. Stelle für den Summer an den Boden des Kastens markieren. Tipp 1: Bei der Herstellung des Kastens können dir die 26

27 Arbeitsblätter Ein Kasten für alle Fälle helfen. Tipp 2: Die Drähte müssen genau in die Bohrungen passen. Messe die Durchmesser und wähle die richtigen Bohrer aus. 3 Herstellung des Griffs 1. Schleifen der Kanten des Holzklotzes. 2. Anreißen der Bohrung. 3. Durchstecken der Drahtschlaufe. 4. Verlöten der Drahtschlaufe mit der Zuleitung. 4 Aufbau des Stromkreises 1. Einbau des Draht Irrgartens in den Deckel. Tipp: Das Herausrutschen der Drahtenden aus dem Deckel kann durch Knoten an der Innenseite verhindert werden. 2. Den roten Anschluss (Pluspol) des Batterieclips an den roten Draht (Pluspol) des Summers löten. 3. Schwarzen Draht (Minuspol) des Summers an die Zuleitung zur Drahtschlaufe anschließen. 4. Den schwarzen Anschluss des Batterieclips an ein Ende des Draht Irrgartens anlöten. 5. Summer an der markierten Stelle ankleben. 5 Anschluss der Batterie und Funktionsprobe 1. Batterieclip mit der Batterie verbinden. 2. Wenn die Drahtschlaufe den Draht Irrgarten berührt, dann ertönt der Summer. 6 Entwicklung einer 1. Der Draht Irrgarten sollte möglichst kurvenreich Spielanleitung gebogen sein. 2. Ziel des Spiels ist es, möglichst schnell mit der Drahtschlaufe zur anderen Seite des Irrgartens zu gelangen. Wenn die Drahtschlaufe den Irrgarten berührt, dann gibt der Summer ein Signal ab. 3. Wer den Irrgarten nicht berührt und die geringste Zeit zum Durchfahren des Irrgartens braucht, hat gewonnen. 7 Testen des Spiels Schüler/innen testen ihr Spiel. 27

28 Arbeitsblatt: Der heiße Draht oder wer zittert mit?! Mit etwas Phantasie kannst du aus einem einfachen Stromkreis ein Spiel entwickeln. a) Zeichne eine einfachen Stromkreis bestehend aus folgenden Teilen: Spannungsquelle Schalter Verbraucher (Lampe) Leitung + - b) Beschreibe die Wirkungsweise des Einfachen Stromkreises. Wenn der Schalter geschlossen wird, dann leuchtet die Lampe. c) Wie funktioniert das Geduldspiel heißer Draht? Eine Drahtschlaufe wird über einen Draht Irrgarten geführt. Wenn die Drahtschlaufe den Irrgarten berührt, dann wird ein Ton abgegeben. Skizziere deine Vorstellung vom Spiel. Beschrifte die Teile. Drahtirrgarten Drahtschlaufe (Sensor) Griff Zuleitung Gehäuse Summer 28

29 3.2. Der heiße Draht mit RS Flipflop Klasse 7/8 Ziele Die Schüler/innen sollen: Den einfachen heißen Draht aus Klasse 5/6 so umbauen, dass eine Berührung optisch und akustisch registriert, d.h. gespeichert wird und nicht geschummelt werden kann; in den heißen Draht aus Klasse 5/6 ein RS- Flipflop, zwei LED s, einen Ein Aus Schalter und einen Taster zum Zurücksetzen einbauen; die Funktion der verwendeten elektronischen Bauteile Taster, ohmscher Widerstand, LED, Transistor kennen; den Aufbau, die Funktion und die Wirkungsweise des RS-Flipflops kennen; den Schaltplan für den heißen Draht mit Hilfe der Lehrkraft entwickeln; die erforderlichen Bauteile erkennen und eine Materialliste zusammenstellen; Grundkenntnisse zum Erstellen eines Layouts erwerben; das Layout für den heißen Draht weitgehend selbstständig erstellen; die Platine für den heißen Draht herstellen, bestücken und die Bauteile verlöten; Platine, LED s, Taster und Schalter selbstständig in den Kasten des Spiels einbauen. Unterrichtskonzept Ziel dieses Konzeptes ist die Weiterentwicklung eines Produktes. Es dient der Einführung in die digitale Schaltungstechnik am Beispiel des RS-Flipflops. Außerdem geht es um die Erarbeitung, Festigung und Anwendung elektronischen Grundwissens. Das Konzept vermittelt erste Kenntnisse in der Platinenherstellung. 29

30 Richtlinienbezug Gesamtschule NRW, Problemfelder Information und Kommunikation, Produktion und Automation, Klasse 7/8 Hauptschule NRW Realschule NRW Rahmenpläne für Arbeitslehre in den neuen Bundesländern Unterrichtsverlauf: Zum Konzept Dieses Konzept gliedert sich in drei Phasen (Unterrichtseinheiten): 1. In dieser Phase geht es um die Einführung der für den heißen Draht mit RS-Flipflop zu verwendenden elektronischen Bauteile. Die Schüler müssen Kenntnisse über Funktion und Wirkungsweise der folgenden Bauelemente erlangen: Schalter/Taster, ohmscher Widerstand, LED, Transistor. Neben der theoretischen Erarbeitung werden kleine Versuche mit den verschiedenen Bauelementen empfohlen um ein besseres Verständnis vor allem der Wirkungsweise zu erzielen. Hierfür können die Arbeitsblätter 1-4 genutzt werden. Arbeitsblatt Nr. 5. wird mit bzw. durch die Schüler ergänzt. 2. Es folgt die Einführung in die sequenziellen Schaltungen am Beispiel des RS-Flipflops. Aufbau, Funktion und Wirkungsweise dieser Kippschaltung können ebenfalls mithilfe von Arbeitsblättern (5und 6) erarbeitet werden. 3. Die Bauphase dient der Festigung und Anwendung der vorher erlangten Kenntnisse über die verschiedenen elektronischen 30

31 Organisation des Unterrichts Bauelemente sowie des RS-Flipflops. Der Schaltplan für den heißen Draht wird je nach Klassensituation gemeinsam mit den Schülern bzw. von den Schülern selbst entwickelt. Zuvor müssen die Schüler in die Erstellung eines Layouts sowie evtl. in die Platinenherstellung eingewiesen werden. Kleinere Übungen hierzu sind empfehlenswert um auf diesem Gebiet gewisse Fertigkeiten zu erlangen. Je nach Klassensituation sollte auch das Löten noch einmal geübt werden. Das Arbeitsblatt Nr. 7 enthält sowohl den Schaltplan als auch den Bestückungsplan und das Platinenlayout für den heißen Draht. 4. Als Gehäuse für das Spiel dient der Kasten, der in Klasse 5/6 bereits hergestellt wurde. In den Deckel müssen noch 2 LED s, 1 Schalter und ein Taster eingebaut werden. Für die Gestaltung der ersten Unterrichtseinheit zur Erarbeitung, Festigung und Anwendung von Kenntnissen über die verschiedenen elektronischen Bauelemente werden etwa 3-4 Doppelstunden benötigt. Die Zeit für die Einführung der sequentiellen Schaltungen am Beispiel des RS-Flipflops sollte mindestens 2 Doppelstunden betragen. Die Bearbeitungszeit für die dritte Unterrichtseinheit wird entsprechend der jeweiligen Klassensituation mit 3-4 Doppelstunden angegeben. Alle Versuche sollten besonders sorgfältig durchgeführt werden, um das praktische Verständnis 31

32 für theoretisch erlangtes Wissen bei den Schülern zu vertiefen. Die Nutzung der Arbeitsblätter sowie weiterer Materialien wird empfohlen. Lehrerinformation: Dritter Transistor dient als Stromverstärker für den Summer. Der Summer hat einen großen Widerstand. Wenn er statt des Arbeitswiderstandes (220Ω) von T 2 eingesetzt wird, dann funktioniert das Flipflop nicht mehr. Layout kann auf Folie und zur Herstellung der Platine so übernommen werden. Zu Transistor als Schalter: 1. Material für den Versuch: 1 LED rot, 1LED grün, 1 n p n Transistor (BC547), 1Widerstand 300Ω, 1Widerstand 10kΩ, 1 Batterie 4,5V, Kabel, Steckplatine. 2. zur Begründung von Aufgabe 5. kann das Ohmsche Gesetz Anwendung finden: U 4,5V I = = = 0,00045A = 0, 45mA R 10*1000Ω Da I hier unter 0,5mA liegt, leuchtet die grüne LED nicht (siehe Betriebswert der LED). 3. Versuch mit dem Transistor als Verstärker finden sie in: Babendererde, H., u.a.: Umwelt: Technik, Themenheft Grundlagen Elektronik. Stuttgart: Klett- Verlag S. 22/23. Zu RS-Flipflop: 1. Das RS-Flipflop gehört zu den sequentiellen Schaltungen (Kippschaltungen). Es handelt sich um eine bistabile Kippschaltung. Es gibt zwei Eingänge S ( set ) und R ( reset ) und zwei Ausgänge, Q und Q ( quit ). Der Ausgang Q ist zu Q invertiert, d.h. beide Ausgänge sind entgegengesetzt belegt. Ein Ein- und Ausgang, der keine oder nur eine sehr kleine Spannung führt, liegt auf low (L) oder logisch auf 0. 32

33 Eine Spannung am Ein- oder Ausgang wird mit high (H) oder dem logischen 1 angegebnen. Das RS Flipflop ist eine Speicherzelle für eine 0- oder 1-Information mit dem Informationsgehalt 1 Bit. Belegungstabelle des RS Flipflop: S R Q Q Setzen Speichern Rücksetzen Speichern Unbestimmter Zustand der Ausgänge, deshalb Verboten! Die Wirkungsweise des RS Flipflop ist auf dem Arbeitsblatt Nr. 6 unter Aufgabe 3 dargestellt. Zu Leuchtdioden (LED): Leuchtdioden sind Dioden, die Licht aussenden, wenn sie in Durchlassrichtung betrieben werden. Leuchtdioden = Light Emitting Diode LED s gibt es in verschiedenen Farben und Bauweisen. Schaltzeichen: + - Die Pole + und zeigen den Betrieb der Diode in Durchlassrichtung. So leuchtet sie. 33

34 LED s leuchten bereits bei sehr kleinen Strömen von 0,5 bis 2mA. Der Strom darf 20-50mA (je nach Typ; im Impulsbetrieb sind auch höhere Ströme zulässig) nicht überschreiten, sonst wird die LED zerstört. 20mA = 0,02A Zum Widerstand: Widerstände sind elektrische Bauteile, die den Strom begrenzen und Spannungsabfälle erzeugen. Schaltzeichen: Ein Vorwiderstand kann den Strom in der LED begrenzen! Wie wird Größe und Widerstand bestimmt? Für den Widerstand (R) gilt das Ohmsche Gesetz: R = U I = Spannung Stromstärke 3V = = 150Ω( Ohm) 0,02A Vorwiderstand und LED in Reihenschaltung: 150 oder 180 Ω

35 Arbeitsblatt Nr. 1: Taster, Stellschalter 1. Zeichne die Schaltsymbole für den Taster und den Stellschalter! Taster: T Stellschalter: 2. Welchen Unterschied gibt es in der Wirkungsweise der beiden Bauteile? Taster schließt den Stromkreis nur, so lange er betätigt wird; Schalter bleibt in dem Zustand, in dem er durch Betätigung gebracht wurde. Einschalten Stromkreis geschlossen, Ausschalten Stromkreis unterbrochen. 3. Nenne jeweils drei elektrische Geräte, in denen Taster bzw. Stellschalter zum Einsatz kommen! Taster z.b.: Kühlschranklicht, Taschenlampe, Kaffeemühle... Stellschalter z.b.: Staubsauger, Zimmerbeleuchtung, Fernseher Bei welcher Schaltung leuchtet die Lampe? Kreuze an! a) + b) + c) d) e)

36 f) + g) h) Baue alle Schaltungen nacheinander auf und teste deine Vermutungen aus Aufgabe 4! 6. Wie viele richtige Antworten hattest du? 36

37 Arbeitsblatt Nr. 2: LED 1. An welche Elektrode (Anode oder Kathode) muss der Pluspol der Spannungsquelle angeschlossen werden, damit die LED leuchtet? Bezeichne die Anschlüsse mit + und -! Anode (+) Kathode (-) 2. Zeichne das Schaltsymbol einer LED! 3. Vervollständige die Schaltpläne: a) LED in Durchlassrichtung b) LED in Sperrrichtung R 150Ω + - U B = 4,5V R 150Ω + - U B = 4,5V 4. Baue die Schaltung a) auf einer Steckplatine auf! 5. Betätige den Schalter! Wie verhält sich die LED? Ergänze: Wird der Stromkreis geschlossen, leuchtet die LED. Begründe! Die LED ist in Durchlassrichtung angeschlossen. Die Anode liegt am Pluspol, die Kathode liegt am Minuspol der Spannungsquelle. Darum lässt die LED den Strom durch. 37

38 6. Stelle eine Vermutung an: Wie verhält sich die LED in Schaltung b)? Die LED leuchtet nicht (weil sie in Sperrrichtung angeschlossen ist). 7. Baue die Schaltung b) auf und teste sie! Stimmt deine Vermutung? Erkläre, warum die LED sich so verhält! Die Anode (+) ist am Minuspol der Spannungsquelle angeschlossen. So kann die LED nicht leuchten, weil kein Strom durch sie hindurchfließen kann. Sie ist in Sperrrichtung angeschlossen. 8. Warum wird die LED immer mit einem Vorwiderstand betrieben? Die LED leuchtet schon bei kleiner Stromstärke von 0,5-2mA. Übersteigt sie 50mA, wird die LED zerstört. Der Vorwiderstand schützt also die LED vor zu großer Stromstärke. 9. Berechne nach dem ohmschen Gesetz U R = die Stromstärke, die durch die I LED bei 4,5V Betriebsspannung und einem Widerstand von 150Ω fließt! Die LED erzeugt einen Spannungsabfall von 1,5V. Skizze: 3V 4,5V 1,5V U U R = ; I = I R 4,5V 1,5V 3V I = = 150Ω 150Ω I = 0,02A = 20mA 10. In welchen elektrischen Geräten findest du in eurem Haushalt LED s? Z.B. Fernseher, CD-Player, Radio, Taschenlampen, Weihnachtsbaumbeleuchtung,... 38

39 Arbeitsblatt Nr. 3: n p n- Transistor 1. Zeichne das Schaltbild des Transistors und benenne seine drei Anschlüsse! Gib auch die Polarität an! + Kollektor (C) +Basis (B) - Emitter (E) 2. Trage nun folgende Größen in deine Zeichnung ein: I B, I C, I E ; U BE, U CE I C I B U CE U BE I E 3. Vervollständige folgenden Satz: Die Basis Emitter Spannung (U BE ) muss ca. 0,7 V betragen, damit der Transistor leitet, d.h. ein Kollektorstrom fließen kann. 4. Ergänze: Transistoren verstärken den Strom. Sie dienen auch als Schalter in digitalen Schaltkreisen. 5. Nenne vier elektrische / elektronische Geräte, in denen Transistoren verwendet werden! (z.b. Radio, Handy, Computer, Fernseher) 39

40 Arbeitsblatt Nr. 4: Der Transistor als Schalter 10kΩ 300Ω grün rot + - U B = 4,5V BC547 V 1. Notiere die Bauteile, die in der Schaltung enthalten sind! LED rot, LED grün, R = 10kΩ, R = 300Ω, Transistor BC 547, Batterie 4,5V 2. Baue die Schaltung auf und kontrolliere, ob alle Teile richtig angeschlossen sind! Polarität der LED s und des Transistors beachten. Anode (+) Kathode (-) BC547 E- B+ C+ 3. Beschreibe deine Beobachtungen a) bei offenem Schalter LED leuchtet nicht b) bei geschlossenem Schalter LED rot leuchtet, LED grün leuchtet nicht 4. Begründe das Verhalten der roten LED! Der Transistor sperrt bei offenem Schalter, weil kein Basisstrom fließt LED leuchtet nicht. Bei geschlossenem Schalter leitet der Transistor, weil ein Basisstrom fließt, d.h. U BE beträgt mindestens 0,7V LED leuchtet. 5. Begründe das Verhalten der grünen LED! R 10kΩ ist so groß, dass der Strom nicht reicht, um die LED zum Leuchten zu bringen; Ohmsches Gesetz U I =, I < 0,5mA R 40

41 Arbeitsblatt Nr. 5: Elektronische Bauteile Bauteile Schaltzeichen Aufgabe im Stromkreis Batterie Spannungsquelle; Summer Taster, Schalter Ohmscher Widerstand Leuchtdiode (LED) Transistor Kondensator (wird in Klasse 9/10 ausgefüllt) + - T - + Bereitstellen der elektrischen Energie Wandelt ein elektronisches in ein akustisches Signal um Öffnet oder schließt den Stromkreis Begrenzt den Strom; erzeugt Spannungsabfälle Senden Licht aus, wenn Strom in Durchlassrichtung fließt Verstärken den Strom; Schalter in digitalen Schaltungen Speichert elektr. Ladung. Wichtige Informationen Auf die Polarität achten; bei der Reihenschaltung mehrerer Batterien werden die Spannungen addiert Auf die Polarität achten; 3V DC (Gleichstrom) Wird auch als Vorwiderstand für elektronische Bauteile verwendet Auf die Polarität achten; Vorwiderstand verwenden; leuchten bei sehr kleinen Strömen (0,5 2 ma); über 50mA wird LED zerstört Auf Polarität der drei Anschlüsse Kollektor Basis Emitter achten; wird leitend ab U BE ca. 0,7V; Vorwiderstände verwenden Beim Elektrolytkondensator auf Polarität achten; Widerstand des Kondensators verkleinert sich mit steigender Frequenz. 41

42 Arbeitsblatt Nr. 6: RS-Flipflop mit diskreten Bauteilen Die Abbildung zeigt den Schaltplan eines RS-Flipflops, dass mit diskreten Bauteilen aufgebaut ist. 1. Benenne seine Bauteile! Benutze Symbole! 2. Trage folgende Größen in den Schaltplan ein: Setz Eingang (S) Rücksetz Eingang (R) Ausgänge (Q, Q) U CE1, U CE2, U B 1 R R 2 + LED 1 LED 2 R R Q 3 6 T 1 T 2 U CE1 R R R 4 5 S Q U CE2 U B - 3. Beschreibe die Funktionsweise des RS-Flipflops! a) High Impuls an S: T 2 leitet, LED 2 leuchtet, U CE2 ca. 0V; R 6 legt die Basis von T 1 auf ca. 0V T 1 sperrt, U CE1 ca. U B ; R 3 hält T 2 leitend; High Pegel an Q. b) High Impuls an R: T 1 leitet, LED 1 leuchtet, U CE1 ca. 0V; R 3 legt die Basis von T 2 auf ca. 0V T 2 sperrt, U CE2 ca. U B ; R 6 hält T 1 leitend; High Pegel an Q. 42

43 Der heiße Draht mit Flipflop Schaltung: rot grün + 220Ω 1kΩ 10kΩ 1kΩ 10kΩ 220Ω 10kΩ 4,5V Batterie BC 547 BC 547 BC Bestückungsplan: 1kΩ 220Ω 1kΩ 220Ω C B E 10kΩ C B E Platinenlayout: 43

44 Medien und Material: A. Medien Zum RS-Flipflop: Lindner, H., Brauer, H., Lehmann, C.: Taschebuch der Elektrotechnik und Elektronik. Thun, Frankfurt/Main: Verlag Harry Deutsch Ochs, M.: Digitaltechnik für die handwerkliche Ausbildung. Heidelberg: Hüthig Buch Verlag Pütz, J.: Digitaltechnik. Düsseldorf: VDI-Verlag Zum Transistor: Zu Taster/Schalter, Festwiderstand, LED: Babendererde, H., u.a.: Umwelt: Technik, Themenheft Grundlagen Elektronik. Stuttgart: Klett-Verlag Lindner, H., Brauer, H., Lehmann, C.: Taschebuch der Elektrotechnik und Elektronik. Thun, Frankfurt/Main: Verlag Harry Deutsch Pütz, J.: Einführung in die Elektronik. Frankfurt a.m.: Fischer- Taschenbuch Verlag B. Material Versuch zu Taster, Stellschalter pro Schüler(gruppe): 1 Batterie 4,5V mit Anschlusskabeln 1 Glühlampe 6V mit Fassung 3 Schalter 44

45 4 Anschlusskabel mit Krokodilklemmen Versuch zur LED pro Schüler(gruppe): 1Steckplatine 1 Batterie 4,5V mit Anschlusskabeln 1 Widerstand 150Ω 1LED rot 1 Schalter Versuch zum Transistor als Schalter pro Schüler(gruppe): 1Steckplatine 1 Batterie 4,5V mit Anschlusskabeln 1LED rot 1 LED grün 1 Widerstand 10kΩ 1Widerstand 300Ω 1 Transistor BC 547 o.ä. Aufbau des heißen Drahtes mit Flipflop-Schaltung pro Schüler: 1 Platine 4*5,5cm 1 Batterie 4,5V (3*1,5V Batterien R6 mit Batteriefach auch mögl.) 1LED rot 1 LED grün 2 Widerstände 1kΩ 3 Widerstände 10kΩ 2 Widerstände 220Ω 3 Transistoren BC 547 o.ä. 1 Summer 3V 1 Taster 1 Ein-/Ausschalter Werkzeuge und Material zum Bohren und Löten 45

46 3.3 Der heiße Draht mit Zählwerk Klasse 9/10 Ziele Die Schüler/innen sollen: Den heißen Draht mit RS-Flipflop aus Klasse 7/8 so umbauen, dass auch die Zeit für das Durchlaufen des Irrgartens gemessen werden kann; den heißen Draht aus der Klasse 7/8 durch den Einbau eines Zählwerkes ergänzen; den Aufbau, die Funktion und die Wirkungsweise des Kondensators kennen; den Aufbau, die Funktion und die Wirkungsweise des eines astabilen Multivibrators (AMV) sowie eines monostabilen Multivibrators (MMV) kennen; das RS-Flipflop, den AMV sowie den MMV den sequentiellen Schaltungen zuordnen können; den Grundaufbau und die Funktionsweise von digitalen Zählern am Beispiel des synchronen Dezimalzählers erklären; den Schaltplan für den heißen Draht mit Hilfe der Lehrkraft entwickeln; das Layout für den heißen Draht weitgehend selbstständig erstellen; die Platine sowie das Zählwerk selbstständig in den Kasten einbauen. Unterrichtskonzept Ziel dieses Konzeptes ist die Weiterentwicklung eines Produktes. Es dient der Einführung,Erarbeitung, Festigung und Anwendung der sequentiellen Schaltungen am Beispiel von RS-Flipflop, AMV und MMV. Grundlegende Kenntnisse über Zählschaltungen werden vermittelt. Elektronisches Grundwissen sowie Kenntnisse in der Platinenherstellung sollen hierbei erweitert und gefestigt werden. Richtlinienbezug Hauptschule NRW, Problemfeld Information und 46

47 Kommunikation Klasse 9/10. Gesamtschule NRW, Problemfeld Information und Kommunikation Klasse 9/10 Realschule NRW, Problemfeld Information und Kommunikation Klasse 9/10 Unterrichtsverlauf: Zum Konzept Diese Konzept gliedert sich in drei Phasen (Unterrichtseinheiten): 1. In dieser Phase geht es um die Einführung des letzten für die Weiterentwicklung des heißen Drahtes noch zu verwendenden diskreten elektronischen Bauteils. Die Schüler erlangen Kenntnisse über den Aufbau, Funktion und Wirkungsweise des Kondensators. Für ein umfassendes Verständnis ist es wichtig, kleine Versuche mit diesem Bauteil durchzuführen. Arbeitsblatt Nr. 1 kann hierfür genutzt werden. Arbeitsblatt Nr. 5 aus dem Konzept für Klasse 7/8 wird zudem mit dem Kondensator ergänzt. Danach erfolgt eine umfassende Wiederholung aller bisher erworbenen Kenntnisse über die verschiedenen diskreten elektronischen Bauelemente. Auch hierbei kann Arbeitsblatt Nr. 5 aus Klasse 7/8 neben Arbeitsblatt Nr. 2. eine Hilfe sein. 2. Zunächst erfolgt hier die Wiederholung von Aufbau, Wirkungsweise und Funktion des RS-Flipflops. Als Anschauungsmaterial eignet sich hierfür der von den Schülern in Klasse 7/8 hergestellte heiße Draht mit RS-Flipflop. Die Spalte für das RS-Flipflop auf Arbeitsblatt Nr. 3wird ausgefüllt. Es folgt die Einführung einer weiteren sequentiellen Schaltung des monostabilen Multivibrators (MMV). Nach der theoretischen Erarbeitung von 47

48 Aufbau, Funktion und Wirkungsweise des MMV kann eine Anwendungsaufgabe der Aufbau der Summersteuerung auf einer Steckplatine sein. Hierfür steht als Hilfe Arbeitsblatt Nr. 4 zur Verfügung. Außerdem wird die Spalte für den MMV auf Arbeitsblatt Nr. 3 ausgefüllt.hieran schließt sich die Einführung der dritten sequentiellen Schaltung an. Auch hier erfolgt sowohl die theoretische als auch die praktische Auseinandersetzung mit Aufbau, Wirkungsweise und Funktion des astabilen Multivibrators (AMV). Das Arbeitsblatt Nr. 3 wird vervollständigt. Als Anwendungsaufgabe eignet sich der Aufbau eines Blinklichtes auf einer Platine. Hierfür wurde Arbeitsblatt Nr. 5 erstellt. Im weitern Verlauf (Im Anschluss an den Bau des Blinklichtes) geht es um die Anwendung des AMV als Steuerung der Frequenz eines Zählwerkes (Zählers). AMV, Zähler und Siebensegmentanzeige werden miteinander verbunden. Kleine Übungen zu Zähler und Zählfrequenz enthält Arbeitsblatt Nr. 6. Die letzte Spalte auf Arbeitsblatt Nr. 3 wird zudem ergänzt. 3. In der Bauphase wird der heiße Draht aus Klasse 7/8 mit Zählwerk und Siebensegmentanzeige ergänzt. Diese Phase dient der Festigung und Anwendung der bisher erlangten Kenntnisse über sequentielle Schaltungen. Außerdem werden Kenntnisse und Fertigkeiten bei der Platinenherstellung, beim Löten und bei der Holzbearbeitung vertieft. Es wird zunächst der Schaltplan mit den Schülern besprochen. (Arbeitsblatt Nr. 7). Eine Liste der zu 48

49 Organisation des Unterrichts verwendenden Bauteile sollte von den Schülern selbstständig angefertigt werden. Anschließend werden Bestückungsplan und Platinenlayout erstellt, was je nach Klassensituation mehr oder weniger eigenständig erfolgt. Den Bestückungsplan und das Layout für die Platine enthält Arbeitsblatt Nr. 8. Alle Bauteile und Drähte werden nun nach dem Ätzen auf der Platine verlötet. Als Gehäuse für den heißen Draht dient der Kasten aus Klasse 5/6 bzw. 7/8. In den Deckel wird ein Ausschnitt für die Anzeigeelemente gesägt. Die Platine wird auf die Innenseite des Deckels montiert. Ein Drahtirrgarten (evtl. mit erhöhtem Schwierigkeitsgrad) wird von den Schülern angefertigt und am Gehäuse befestigt. Zum Schluss erfolgt das Testen des Spiels. Für die Gestaltung der ersten Unterrichtseinheit zum Kondensator sowie zur Wiederholung von Aufbau, Funktion und Wirkungsweise der verschiedenen elektronischen Bauelemente werden etwa 2-3 Doppelstunden benötigt. Die Zeit für die zweite Unterrichtseinheit (Wiederholung des RS-Flipflop, Einführung des monostabilen sowie astabilen Multivibrators, Grundaufbau und Funktionsweise von Zählern) beträgt ca. 4 Doppelstunden. 4-5 Doppelstunden werden für die praktische Tätigkeit benötigt. Die Nutzung der Arbeitsblätter sowie weiterer Materialien wird empfohlen. Bei den Versuchen, vor allem aber bei der Erstellung des Platinenlayouts können die Schüler zu zweit bzw. in Gruppen arbeiten. Das Löten der Bauteile 49