Das LED- Herz. Ziele. Unterrichtskonzept. Richtlinienbezug. Fachtipps für Lehrer. Weiter mit. Materialliste. Anregungen, Tipps und Hinweise bitte an:

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1 Das LED- Herz Ziele Unterrichtskonzept Richtlinienbezug Weiter mit Die Schüler benutzen die Arbeitstechniken Biegen, Löten, Messen, Prüfen Sie verstehen den Aufbau der Reihen- und Parallelschaltung von Leuchtdioden Sie führen Spannungs- und Strom- Messungen durch Sie prüfen die Funktion ihrer Arbeitsergebnisse Werkstattarbeit, Messübungen Hauptschule NRW, Technik, Information und Kommunikation Klasse 7 und 8 bzw. Klasse 9 und 10, je nach Vertiefung und Einbindung Unterrichtsablauf Fachtipps für Lehrer Materialliste Briefkasten Autor Anregungen, Tipps und Hinweise bitte an: nuykenb@nwz.uni-muenster.de Ulrich Jucknischke, Overbergschule, Hans-Sachs-Str. 13, Ahlen UlrichJucknischke@t-online.de

2 Unterrichtsablauf im Überblick Zum Konzept Organisation des Unterrichts Merkmale der Werkaufgabe Anforderungen an die Arbeitsweise der Schüler Ein kleines Werkstück zur Erarbeitung der Eigenschaften von Leuchtdioden Die Schüler erarbeiten eine Ablaufplanung an Hand von Fotos der Arbeitsschritte Die Schüler üben die Arbeitstechniken Biegen und Löten Die Schüler messen Strom und Spannung in Reihen und Parallelschaltung Das Projekt wird gern angenommen, weil es dekorativ ist. In dieser Unterrichtseinheit werden den Schülern Lehrerinformationen zur Bearbeitung des LED- Herzens gegeben. Die Informationen werden unterstützt durch die bebilderten Arbeitsblätter Als Bearbeitungszeit sind 2-4 Doppelstunden vorgesehen.. Es gibt eine feste Reihenfolge von Arbeitsschritten, deren Abfolge an Hand von Fotos von den Schülern selbst erarbeitet wird. Die Arbeitsblätter enthalten alle wichtigen Informationen zur Herstellung des LED- Herzens. Zusatzinformationen und Tipps werden der Lehrperson gegeben. Leistungsdifferenzierung ist nicht vorgesehen, Zusatzaufgaben sind auf den INFO- Blättern vorhanden. Jeder Schüler bearbeitet die Aufgaben nach einer vorgehenden Besprechung durch den Lehrer. Jeder Schüler führt nach einer Lehrerinformation die Messungen durch Teilaufgaben Tätigkeiten Ausstattung 1. Schritt Vorstellung der Werkaufgabe 2. Schritt Erarbeitung der Schaltung 3. Schritt Erarbeitung der Arbeitsablaufplanung 4. Schritt Herstellung des LED- Herzens Vorstellung des LED- Herzens und Besprechung der Tätigkeiten und Arbeitstechniken Die Schüler erarbeiten die Grundlagen von Reihen und Parallelschaltung Die Schüler erarbeiten an Hand einer Fotoserie die notwendigen Arbeitsschritte zur Herstellung des LED- Herzens Biegen der Drähte und Löten der LEDs. Arbeitsblatt: Das LED- Herz Arbeitsblatt: Die Schaltung des Herzens INFO- Blatt: Leuchtdioden INFO- Blatt: Blink- LED INFO- Blatt: Schaltungs- Trick Arbeitsblätter: Arbeitsablaufplanung in Bildern I Arbeitsablaufplanung in Bildern II Arbeitsblätter:: Nützliche Arbeits- Tipps I

3 5. Schritt Messen Messen von Einzelspannungen und Strömen Nützliche Arbeits- Tipps II Arbeitsblatt Messen der Schaltung

4 DAS LED- HERZ Der Steckbrief: Raffiniertes, blinkendes Schmuckstück mit Leuchtdioden. Betrieb mit einer 9V- Batterie. Netzteilbetrieb möglich. Du erhältst am Ende des Projektes nicht nur das Leuchtdioden- Herz, sondern du hast auch Informationen über: Leuchtdioden Blinkleuchtdioden Reihenschaltung Parallelschaltung erhalten. Du lernst während des Projektes die Arbeitstechniken Biegen Löten Messen Prüfen kennen.

5 DIE SCHALTUNG DES HERZENS Die Schaltung deines LED- Herzens: Schaltungserklärung Man erkennt in der Mitte eine Blink- Leuchtdiode. Sie schaltet sich selbsttätig ein und aus. Sie wird hier als Ein- und Ausschalter für die anderen Leuchtdioden benutzt. LED 1 LED 4 (Gruppe 1) bilden eine LED 5 LED 8 (Gruppe 2) bilden eine LED - Gruppe 1, Blink- LED und LED- Gruppe 2 bilden eine Die elektrischen Werte der verwendeten Leuchtdioden findest du auf dem INFO- Blatt. Notiere die wichtige Spannungs- und Stromwerte der verwendeten Bauteile. Bauteil Strom Spannung Blink- LED LED Low Current LED Welche Bedeutung hat diese Schaltung für die elektrischen Werte der Bauteile? Ein kurze Wiederholung bringt Sicherheit: In der Reihenschaltung ist der Strom an allen Stellen ist die Gesamtspannung In der Parallelschaltung ist die Spannung an allen Stellen ist der Gesamtstrom Weitere Informationen zu Leuchtdioden und zu Blink- Leuchtdioden findest du auf den INFO- Blättern.

6 INFO: LEUCHTDIODEN (LED) Leuchtdioden sind Dioden, die Licht aussenden, wenn sie in Durchlassrichtung betrieben werden. Leuchtdioden gibt es in den Farben rot, gelb, grün (preiswert) und blau (teuer) sowie in Mischfarben (wie etwa weiß). Es gibt sie in unterschiedlichen Größen (ab 1mm Durchmesser bis 50 mm Durchmesser) und in unterschiedlichen Bauformen. Neben den normalen Leuchtdioden gibt es Leuchtdioden mit einem geringen Stromfluss. Sie nennt man Low Current LED. Hier wichtige elektrische Werte: LED Low Current LED Betriebsspannung: 1,6 3,2V= 1,6 2 V= Strom: 20 ma (typisch) 2 ma Den Plus- Anschluss (Anode) erkennt man - an dem langen Bauteildraht Den Minus- Anschluss (Kathode) erkennt man - an dem kurzen Bauteildraht - an dem abgeflachten Rand - an dem größeren Metallteil im Innern der LED Der Strom durch Leuchtdioden muss begrenzt werden. Das geschieht normalerweise durch einen Vorwiderstand. AUFGABE: Finde heraus, wie viele Leuchtdioden in dieser Dioden- und Leuchtdiodenschaltung leuchten!

7 Meine Antwort: Es leuchten Leuchtdioden!

8 TIPPS FÜR LEHRERINNEN UND LEHRER Im Folgenden werden Tipps und Hinweise zu den einzelnen Arbeitsblättern gegeben. Diese Hinweise sind nicht verbindlich, sondern sind das Ergebnis der Erarbeitung dieses Projektes. Einen eigenen Eindruck von den Problemen und Stolpersteinen des Projektes erhält man sehr gut, wenn man das LED- Herz selbst einmal aufbaut (Zeitaufwand etwa 60 Minuten). Zu den Seiten: DAS LED- HERZ Einführung in das Projekt. Gut ist als Modell das fertige, selbst hergestellte zu zeigen. DIE SCHALTUNG DES HERZENS Die Leuchtdioden und die Blink- Leuchtdiode stellen eine Gruppenschaltung dar. LED 1- LED 4 (Gruppe 1) bilden eine Parallelschaltung, LED 5 LED 8 (Gruppe 2) bilden eine Parallelschaltung, Gruppe 1, Blink- Leuchtdiode und Gruppe 2 bilden eine Reihenschaltung. Bauteil Strom Spannung Blink- LED ma 3,5 15 V LED 20 ma 1,6 3,2V Low Power LED 2 ma 1,6 2V In der Reihenschaltung ist der Strom an allen Stellen gleich groß, ist die Gesamtspannung so groß wie die Summe der Teilspannungen. In der Parallelschaltung ist die Spannung an allen Stellen gleich groß, Teilströme. ist der Gesamtstrom so groß wie die Summe der INFO LEUCHTDIODEN Es leuchten 12 Leuchtdioden, 10 Dioden (ohne Leuchtpfeile) werden von Strom durchflossen. INFO: BLINK- LED In der Zeichnung der Leuchtdiode soll der schwarze Balken die Multivibrator- Elektronik darstellen. Die Lösung der Aufgabe: Die obere Blink- LED blinkt mit zusammen mit der LED. Genauso verhält sich die untere Blink- LED mit der anderen LED. Die rechte LED leuchtet immer dann, wenn eine der beiden Blink- LEDs leuchtet. Da die Blink- LEDs eine geringe unterschiedliche Blink- Frequenz haben, entsteht der Eindruck, als ob die eine Blink- LED die andere überholen will. Man spricht auch von einer Schwebung. Es entsteht so ein Leuchtbild mit drei unterschiedlichen Frequenzen. INFO: DIE SCHALTUNGS- TRICKS

9 Lösung der Aufgabe: Die Einzelströme durch die linken Leuchtdioden vereinigen sich in der Blink- LED und teilen sich nach der Blink- LED wieder auf ARBEITSABLAUFPLANUNG 1. Draht zuschneiden 2. Draht abisolieren 3. Draht biegen 4. Draht in Lüsterklemme einklemmen 5. Leuchtdiodenanschlüsse biegen und auf Länge schneiden 6. Leuchtdioden löten 7. Draht aus der Lüsterklemme entfernen und fertig biegen für die zweite Herzhälfte wiederholen. ACHTUNG: SPIEGELBILDLICH ANORDNEN! 9. Batterieclip vorbereiten 10. Beide Herzhälften auf den Clip löten 11. Blink- Leuchtdiode verbindet die beiden Herzhälften 12. Test und Messungen durchführen NÜTZLICHE ARBEITS- TIPPS Die Herstellung eines Montagebrettes mit einer Lüsterklemme hat sich als arbeitserleichternd herausgestellt. MESSUNG DER SCHALTUNG Die Messung der Schaltung hat zum Ergebnis die Messtechnische Ermittlung der Regeln der Reihen und Parallelschaltung: In der Reihenschaltung ist der Strom an allen Stellen gleich groß, ist die Gesamtspannung so groß wie die Summe der Teilspannungen. In der Parallelschaltung ist die Spannung an allen Stellen gleich groß, Teilströme. ist der Gesamtstrom so groß wie die Summe der

10 INFO: Blink- LED Blink- Leuchtdioden sehen von äußerlich wie normale Leuchtdioden aus. Sie haben jedoch eine Besonderheit: Ein eingebauter Multivibrator (eine elektronische Grundschaltung zur Frequenzerzeugung) schaltet die LED mit einer festen Frequenz ein und aus. Eine besondere Beschaltung ist nicht erforderlich. Die Frequenz ist nicht zu verändern. Die Anschlüsse (Anode, Kathode) sind wie bei einer normalen Leuchtdiode zu identifizieren. Hier wichtige elektrische Werte einer Blink- LED: Betriebsspannung: 3,5 15 V= Stromaufnahme: ma Blinkfrequenz: 1 2,5 Hz Blink LEDs gibt es in den Größen 3, 5 und 10 mm. Die Farben reichen von rot über gelb bis grün. Weitere unterschiedliche Typen findet man beim Stöbern in den Fachkatalogen oder im Internet. AUFGABE: Betrachte die Schaltung. Sie besteht aus zwei Blink- LEDs und drei normalen LEDs. Wie verhält sich die Schaltung, wenn sie mit der Betriebsspannung verbunden wird?

11 INFO: DIE SCHALTUNG- TRICKS Die Schaltung benutzt einige Tricks, die näher erläutert werden sollen: TRICK 1: Als Steuerteil, das für die Frequenz der Schaltung zuständig ist, findet eine Blink- Leuchtdiode Verwendung. Die in die Leuchtdiode eingebaute Elektronik stellt eine Frequenz von etwa 1-2,5 Hz ein. Die Blink- Leuchtdiode benötigt eine Spannung zwischen etwa 3,5-15V und hat einen Strom von 20 ma. TRICK 2: Bei einer Betriebsspannung von 9V erhält die Blink- Leuchtdiode eine höhere Spannung als benötigt. Diese Spannung wird nicht durch einen Vorwiderstand vernichtet, sondern es werden zwei normale Leuchtdioden, die eine Betriebsspannung von etwa 2V haben, damit betrieben. Für die Blink- LED verbleiben immer noch etwa 5,5V. TRICK 3: Der Strom durch die Blink- Leuchtdiode kann auf verschiedene Leuchtdioden aufgeteilt. Es gibt spezielle Leuchtdioden, die einen Strom von 2mA bei einer Spannung von 2V benötigen. Man nennt diese Leuchtdioden Low Power LEDs. Wir benutzen diese Leuchtdioden. AUFGABE: Zeichne die Einzelströme durch die Leuchtdioden sowie den Gesamtstrom durch die Blink- Leuchtdiode farbig ein.

12 ARBEITSABLAUFPLANUNG IN BILDERN I Du siehst hier und auf der nächsten Seite eine Abfolge von Arbeitsschritten zur Herstellung der LED- Herzens. AUFGABE: Betrachte die Bilder genau und fertige eine Arbeitsablaufplanung an. Benutze das vorgegebene Schema auf der nächsten Seite.

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14 NÜTZLICHE ARBEITS- TIPPS I Bei der Herstellung des LED- Herzens werden die hier vorgestellten Tipps von Nutzen sein können. Benutze die Biegeschablone zur Kontrolle deiner gebogenen Drähte TIPP 1: TIPP 2: TIPP 3: Eine Lüsterklemme auf einem Montagebrett erleichtert deine Lötarbeit. Markiere mit einem Bleistift auf den Drähten die Stellen, an denen die Leuchtdioden festgelötet werden. TIPP 4: Beachte die Polung der Leuchtdioden! Biegeschablone Drähte fixiert mit einer Lüsterklemme Löten der LEDs Polung beachten!

15 TIPP 5: NÜTZLICHE ARBEITS- TIPPS II Bei der zweiten Herzhälfte ist die Polung der Leuchtdioden spiegelbildlich. TIPP 6: Nach dem Löten sind die Drähte zu biegen und eventuell zu kürzen. Diese Schablone benutzen! TIPP 7: Bei Löten des Batterieclips beachten: Der große Anschluss am Clip ist der Pluspol, an der Batterie ist der Pluspol der kleine Anschluss (na ja, ist ja klar, sonst kann man ja auch nicht zusammenstecken). TIPP 8: Sind die beiden Drähte zum Herz sehr lang und labil, können sie durch Widerstände, die man zwischen die Drähte lötet, zu stabilisieren (Siehe auch Foto auf dem Blatt Arbeitsablaufplanung in Bildern.) ACHTUNG: Der Widerstandswert soll dabei nicht unter Ohm liegen. Polung beachten! BIEGESCHABLONE Herz mit Blink- LED und Clip- Anschluss

16 MESSEN DER SCHALTUNG Um sicher zu sein, dass die Schaltung richtig arbeitet und nicht überlastet wird, werden Strom und Spannung der Schaltung jetzt gemessen. SPANNUNGSMESSUNG Benutze das Digitalmultimeter. Stelle den Spannungsmessbereich 20 DCV= ein. Die schwarze Messleitung soll in der Buchse COM stecken. Die rote Messleitung soll in der Buchse V stecken. Miss die Spannungen an den angegebenen Punkten und trage die Messergebnisse in die Tabelle ein. Messung der Spannungen an den Leuchtdioden Messung Linke Leuchtdiodengruppe Blink- Leuchtdiode Rechte Leuchtdiodengruppe Spannung in Volt (V) STROMMESSUNG Benutze das Digitalmultimeter. Stelle den Strommessbereich 200m DCA ein. Die schwarze Messleitung soll in der Buchse COM stecken. Die rote Messleitung soll in der Buchse A stecken Löte einen Anschluss der Blink- Leuchtdiode ab. Schalte das Messgerät in die entstehende Lücke. Miss und trage das Messergebnis in die Tabelle ein. Löte die Blink- Leuchtdiode wieder an. Löte einen Anschluss einer Leuchtdiode ab. Schalte das Messgerät in die entstehende Lücke. Miss und trage das Messergebnis in die Tabelle ein. Löte die Leuchtdiode wieder an. Messung der Spannungen an den Leuchtdioden

17 file://i:\messen.html Messung Strom durch die Blink- Leuchtdiode Strom durch eine Leuchtdiode Stromstärke in ma

18 Messung Strom durch die Blink- Leuchtdiode Strom durch eine Leuchtdiode Stromstärke in ma

19 MATERIALLISTE Menge Bauteil Benennung / Maße Ausstattung mind. 60 cm Schaltdraht, Kupfer ab 1 mm Durchmesser 10 Leuchtdiode Low Current 3mm oder 5mm Farbe: rot 1 Blink- LED 3 mm oder 5mm Farbe: rot 1 Batterie- Clip Die Materialkosten betragen, je nach Quelle, zwischen etwa 3 Euro. Zur Ermittlung des günstigsten Anbieters eignet sich eine Recherche im Internet hervorragend, da alle größeren Anbieter ihre Angebote ins Netz gestellt haben.