Rauchmelder-Experimentierset

Transkript

1 Rauchmelder-Experimentierset Lernanleitung zum Rauchmelder Anhand der folgenden Experimentieraufgabe können Schülerinnen und Schüler weitgehend selbstständig Wichtiges zum physikalischen Hintergrund und zur Funktionsweise von Rauchmeldern erarbeiten und einen eigenen Rauchmelder 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 für die Sekundarstufen I und II geeignet. Die Transistorschaltung mit Kalibrierung ist nicht sehr anspruchsvoll; je nach vorangegangenem Unterricht und je nach Lerngruppe sind möglicherweise Anpassungen notwendig.

2 Wir bauen einen Rauchmelder 1. Material- und Geräteliste 1.1. Materialliste 1 Pappkarton oder Sperrholzbrettchen (ca. 13 cm x 15 cm) 1 schwarzer Bastelkarton (DIN A4) 1 Lüsterklemmenleiste 0,15 mm 2 1 Drehpotenziometer 50 kω 1 Fotowiderstand A Transistor BC 556B 1 Batterieclip 1 Batteriehalterung für 2 Mignon und Druckknopfanschluss 2 Mignonbatterie (AA) je 1,5 V 1 Summer EMS 03V/DC 1 E10 Lampenfassung mit Lötösen 1 W10 Leuchtmittel, Spitzlinse 2,5 V 0,3 A 3 gleich hohe Klötze, z. B. gleiche Joghurtbecher; zum Erhöhen des Rauchmelders Rauchmaterial, z. B. Räucherkerzen 1 feuerfeste Unterlage, z. B. gefaltete Alufolie ~30 cm rote und schwarze Litze 1.2. Geräteliste 1 Klebestift; zum Bau der Kiste des Rauchmelders 1 schnell abbindender Kraftkleber (alternativ: Heißkleber), zum Befestigen der Batteriehalterung, der Lampenfassung, des Summers und des Drehpotenziometers 1 Schere 1 Nagelschere; zum Ausschneiden kleiner Löcher 1 Nadel, um die Anschlüsse des Fotowiderstandes vom Inneren der Rauchmelderkiste nach außen zu bekommen 1 kleiner Schlitzschraubenzieher, um die Bauelemente in den Lüsterklemmen zu befestigen 1 Seitenschneider 1 Abisolierzange 1 Multimeter mit Widerstandsmessbereich

3 2. Lernaufgaben Zum Bau eines Rauchmelders stehen dir die Materialien und Geräte sowie nachstehende Anleitungen und Aufgaben zur Verfügung. Beginne mit dem Bau der Kiste für den Rauchmelder. Eine Bauvorlage im Maßstab 1:1 zum Ausschneiden und Aufkleben auf den schwarzen Pappkarton findest du ganz am Ende dieser Anleitung im Anhang. Den Aufbau der elektronischen Schaltung für den Rauchmelder solltest du beginnen nach der Bearbeitung der Hilfsaufgaben, die dir die Funktion der einzelnen Bauteile erklären helfen.

4 2.1 Bau der Rauchmelderkiste Die Bauvorlagen aus dem Anhang (!) im Maßstab 1:1 ausschneiden und auf den schwarzen Pappkarton aufkleben. Hier siehst du eine verkleinerte Abbildung und welche Bedeutung die unterschiedlichen Striche haben. Legende der Bauvorlage Schnittlinie Faltlinie Hilfslinie; zum Platzieren des Fotowiderstands Bauhinweis Die Rauchmelderkiste und ihre Schaltung werden auf dem Pappkarton befestigt, der wiederum durch die drei Klötze erhöht ist.

5 Aufbauskizze: Ansicht von oben mit Rauchmelderkiste: Ansicht von oben mit transparent gedachtem Pappkarton, aber ohne Rauchmelderkiste: Feuerfeste Unterlage Rauchmaterial Pappkarton Gleich hohe Klötze

6 2.2 Hilfsaufgaben Elektronische Bauteile Zum Bau eines Rauchmelders werden die folgenden elektronischen Bauteile benötigt; zeichne zu jedem Bauteil das Schaltsymbol. Schaue dazu in deinem Physikbuch nach. Wenn du nichts findest, verwende die Tipps unter Punkt 5. Name Elektrisches Bauteil Schaltsymbol Fotowiderstand Glühbirne Transistor Drehpotenziometer Summer Eigenschaften Fotowiderstand Bei Lichteinfall auf den Fotowiderstand ändert sich sein elektrischer Widerstand. Je größer die auf den Fotowiderstand einfallende Lichtintensität ist, desto geringer ist sein Widerstand. Überprüfe dies mit dem Multimeter.

7 Aufbauhilfe: LDR Eigenschaften Drehpotenziometer Das vorliegende Drehpotenziometer besitzt drei Anschlussdrähte. Wird der Widerstand zwischen den beiden äußeren Anschlüssen gemessen, beträgt er unabhängig von der Einstellung des Drehpotenziometers 50 kω. Wird der Widerstand hingegen zwischen dem inneren und einem äußeren Anschlussdraht gemessen, ist er durch Drehen am Drehpotenziometer von 0 50 kω regelbar. Überprüfe dies mit dem Multimeter. Aufbauhilfe: Drehpotenziometer Anschlüsse 1 und 2 Eigenschaften Summer Durch Anlegen einer für das jeweilige Modell charakteristischen Spannung gibt der Summer einen Ton von sich. Überprüfe dies im Experiment. Achte auf die Polung! Aufbauhilfe:

8 Eigenschaften Transistor Ein Transistor ist ein elektrisches Bauteil zum Schalten und Verstärken von elektrischen Signalen. Die Steuerspannung liegt zwischen Emitter E und Basis B (hier fließt der Steuerstrom); der gesteuerte Strom fließt über den Kollektor C. Info: Transistor-Anschluss

9 2.3 Elektronischer Aufbau Schaltplan Drehpotenziometer Zur Verbindung von Leitungen und elektrischen Bauteilen werden Lüsterklemmen verwendet. Zeichne die elektrischen Bauteile und ihre Verbindungsleitungen in die folgende Abbildung; beachte, dass die Kontakte über die Lüsterklemmen erfolgen. Drei Bauteile sind bereits eingetragen (welche?). Orientiere dich am dargestellten Schaltplan. (Hilfe unter Tipp 5.6) Rauchmelderkiste

10 3. Komplettaufbau Wenn deine Aufbauskizze von 2.3 richtig ist, kannst du deinen Rauchmelder zu Ende bauen. Hinweis: Die Anschlüsse des Fotowiderstands werden vom Inneren der Rauchmelderkiste nach außen gebracht, nachdem mit einer Nadel kleine Löcher in die Pappe gestoßen wurden. So könnte der Gesamtaufbau aussehen:

11 4. Test und Funktionsprüfung 4.1 Test 1 Schließe bei geöffneter Abdeckung die Betriebsspannung (Batterie) an die elektronische Schaltung an. Der Summer sollte summen. Sollte dies nicht der Fall sein, einfach die Stellung des Potenziometers ändern. 4.2 Test 2 Nimm die Lampe in Betrieb und verschließe die Kiste mit der Abdeckung. Stelle nun das Potenziometer so ein, dass der Summer gerade keinen Ton mehr von sich gibt. 4.3 Test 3 Lasse nun Rauch in deine Rauchmelderkiste. Der Alarm sollte ausgelöst werden, sprich: Der Summer summt. Funktionsweise Schreibe in ganzen Sätzen auf, wie dein Rauchmelder funktioniert. Gehe dabei Schritt für Schritt vor (Ursache Wirkung). Erkläre dabei auch, warum der Fotowiderstand seitlich an die Kiste angebracht werden musste. (Hilfe: Tipp 5.7) Vergleich mit realem Rauchmelder Überlege, welche Unterschiede zwischen deinem Rauchmelder und einem kommerziell erhältlichen Rauchmelder existieren. Schreibe deine Ergebnisse auf.

12 5. Tipps Tipp 5.1: Summer Durch Anlegen einer für das jeweilige Modell charakteristischen Spannung gibt der Summer ein akustisches Signal von sich. Tipp 5.2: Potenziometer Ein Potenziometer ist ein stetig regelbarer elektrischer Widerstand. Tipp 5.3: Fotowiderstand Ein Fotowiderstand ist ein Halbleiterbauelement, dessen elektrischer Widerstand von der einfallenden Lichtintensität hängt. Er wird in deiner Schaltung als Lichtdetektor (Helligkeitssensor) verwendet. Tipp 5.4: Transistor (pnp) B C E Der Transistor dient innerhalb dieser Schaltung als elektrischer Schalter. Überschreitet die Spannung U EB zwischen Emitter (E) und Basis (B) einen bestimmten Wert (Schwellwert), so schaltet der Transistor durch, das heißt zwischen Emitter (E) und Kollektor (C) fließt ein Strom I EC. Dieser Strom fließt durch den Summer in deiner Schaltung und verursacht so das Warnsignal. Tipp 5.5: Durch das Drehpotenziometer wird die Stärke des Schaltstroms durch Emitter (E) und Basis (B) und somit die Auslöseschwelle für das Schalten des Transistors und damit die Auslöseschwelle für den Summer eingestellt.

13 Tipp 5.6a Drehpotenziometer

14 Tipp 5.6b: Anschluss der Batterie Drehpotenziometer

15 Tipp 5.6c: Anschluss des Drehpotenziometers Drehpotenziometer

16 Tipp 5.6d: Gesamtaufbau der Nachweiselektronik Rauchmelderkiste Lampenfassung Batteriehalter Drehpotentiometer Summer

17 Tipp 5.7 Bringe die Stichworte in die richtige Reihenfolge und formuliere dann jeweils einen Satz. Mindestspannung des Summers wird erreicht Rauchteilchen/Streulicht Stromstärke I EC (durch den Transistor) steigt an elektrischer Widerstand nimmt ab Spannung U EB (zwischen Emitter und Basis) am Transistor steigt an Lichteinfall auf den Fotowiderstand Der Summer gibt ein akustisches Signal. Schwellwert zum Schalten des Transistors wird erreicht

18 Anhang