Schülerexperimente zur Elektronik

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Reinhold Langenberg
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1 Schülerexperimente zur Elektronik Walter Sova Diodenschaltungen 1) Welche Lämpchen leuchten jeweils bei den Schalterstellungen? 2) Für den Durchlassbereich eines bestimmten Diodentyps wurde die dargestellte Kennlinie aufgenommen. Mit dieser Diode wird die unten skizzierte Schaltung aufgebaut. a) Wie groß ist der Strom durch D 1 und D 2, wenn das Strommessgerät 30mA anzeigt? b) Berechne die Spannung U 1, welche an R 1 abfällt, sowie den Widerstandswert von R 1. c) Ermittle für die gegebenen Betriebsdaten die Widerstandswerte für beide Dioden. 3) Für welche Spannung sollte das Lämpchen ausgelegt sein, damit es optimal leuchtet, wenn der Doppelweggleichrichter aus gewöhnlichen Siliziumdioden (0,7V) aufgebaut ist?

2 4) Herr Schlaumeier möchte die Zweiweggleichrichtung an einem Gleichstrommotor ausprobieren. Damit sich der Motor in der richtigen Richtung dreht, muss der mit (+) gekennzeichnete Anschluss des Motors mit dem Pluspol der Gleichspannung verbunden sein. Der Scheitelwert der Wechselspannung beträgt U 0 = 3,0V. a) Was passiert beim Anschluss der Wechselspannungsquelle? b)die Sicherung wird durch einen Widerstand R s ersetzt. Wie groß muss R s mindestens gewählt werden, damit keine Zerstörung der Dioden droht? Die Schwellenspannung der Dioden sei jeweils U s = 0,70 V, der maximale Strom durch eine Diode soll 100mA nicht überschreiten. c) Der Anker des Gleichstrommotors hat den Widerstand R a = 4,0Ω. Damit der Motor anläuft sollten mindestens 100mA durch den Anker fließen. Wird der Motor bei obiger Schaltung anlaufen? d) Obige Schaltung hat Nachteile, die durch eine kleine Schaltungsänderung beseitigt werden können. Mache einen Vorschlag für die abgeänderte Schaltung (Skizze!). 5) Mit einem Widerstand R und einer Siliziumdiode D wird die nebenstehende Spannungsteiler-schaltung aufgebaut. Als Eingangsspannung U wird eine sinusförmige Wechselspannung der Frequenz 50 Hz mit dem Scheitelwert U 0 = 3,0 V angelegt. Wie groß muss R mindestens sein, wenn die Diode nur mit 100 ma belastet werden darf? Gehen Sie davon aus, dass die Knickspannung der Diode 0,70 V beträgt. 6) Ein Solarmodul liefere Spannungen U batt im Bereich zwischen 15 V und 16 V. Um sicher zu gehen, dass U batt tatsächlich in diesem Bereich liegt, baut Herr Schlaumeier die nebenstehende Kontrollschaltung auf (Serienschaltung aus Zenerdiode, Widerstand und grüner Leuchtdiode) a) Erläutere, wie diese Überwachungsschaltung funktioniert. Gehe auch darauf ein, warum der Widerstand notwendig ist und welcher Kontakt (1 oder 2) des Überwachers an den Pluspol des Solarmoduls angeschlossen werden muss. b) Die Zenerdiode hat eine Zenerspannung U z = 12 V und eine maximale Verlustleistung von 300 mw. Die grüne Leuchtdiode besitzt eine Schwellenspannung U led = 2,1 V und ebenfalls ein maximale Verlustleistung von 300 mw. Wie ist der Widerstand zu dimensionieren, damit keine der beiden Dioden zerstört wird?

5 Digitale Transistorschaltungen Du hast nun bereits die Funktionen eines Transistors kennen gelernt und dieses Blatt soll zeigen, wie man diese Funktionen für Logikbausteine verwenden kann. Grundsätzlich gibt es 3 Logikfunktionen die wir genauer ansehen werden: Die NICHT - Funktion nimmt folgende Werte an und lässt sich mit folgender Schaltung realisieren: A (Ein) NICHT(A) = Y (Aus) 1 (+5V) 0 (0V) 0 (0V) 1 (+5V) Steht der Eingang A auf +5V dann leitet der Transistor, und die ganze Spannung fällt am Lämpchen ab. Das Voltmeter am Ausgang zeigt 0V an. Steht der Eingang auf 0V, dann sperrt der Transistor, und am Ausgang liegen +5V. Die UND - Funktion und ihre Verneinung NAND nimmt folgende Werte an und lässt sich mit folgender Schaltung realisieren: A B A und B NICHT (A und B) = Y Versuche die Ergebnisse anhand der Schaltung selbst durch zu denken bzw. zu messen. Die ODER - Funktion und ihre Verneinung NOR nimmt folgende Werte an und lässt sich mit folgender Schaltung realisieren: A B A oder B NICHT (A oder B) = Y Versuche die Ergebnisse anhand der Schaltung selbst durch zu denken bzw. zu messen. Aufgabe: Baue diese Logikschaltungen nach oder untersuche Logikbausteine, die diese Funktionen bereits besitzen. Sinnvolle Bausteine wären: 4001, 4011, 4071, 4081 A, B sind jeweils die Eingänge X die Ausgänge

6 Taktgenerator und Flipflop Schaltungen Ein Inverterbaustein als Taktgenerator: Zum Testen können wir bei einem Ausgang (z.b:2) eine LED über einen Widerstand zu GND anschließen. Wenn wir jetzt den Eingang (1) mit + verbinden leuchtet sie nicht, verbinden wir den Eingang mit - sollte sie leuchten. So ein Inverterbaustein lässt sich sehr gut als Taktgenerator verwenden, indem man einen Kondensator (220µF) über einen Widerstand (1kOhm) aufbzw. entlädt bis die Spannung am Eingang den Zustand der Inverter kippt. Baue so einen Taktgenerator wobei der Takt mit Hilfe einer LED mit Widerstand angezeigt werden soll. Verändere die Kapazität und den Widerstandswert und überlege, ob die Formel Periodendauer = 2. R. C ungefähr stimmen kann. Beschaltung von IC's: Damit klar ist wie die IC s zu beschalten sind, ist hier das Schema für 4 UND- Schaltungen dargestellt. Bei den anderen Logikfunktionen sind die Ein- und Ausgänge gleich geschaltet. Aus den NAND (und NOR) Logikbausteinen lassen sich Flipflops (bistabile Kippstufen) bauen, die vielseitig verwendet werden können. Das RS Flipflop: Diese Schaltung besitzt zwei stabile Zustände. Im rechten Bild wird so eine Schaltung durch zwei NAND-Gatter realisiert. E1 und E2 liegen auf 1. Wenn z.b: A auch auf 1 liegt, liegt A' auf 0. Wird nun E1 kurz auf 0 gesetzt, dann springt A' auf 1 und a auf 0. Setzt man E2 kurz auf 0, dann wechselt der Wert der Ausgänge wieder. Aufgabe: Baue so ein RS Flipflop mit einem 7400 Baustein und teste es. Das getaktete RS Flipflop: Damit ein Flipflop nur umschalten kann, wenn ein Takt gegeben ist, werden vier NAND Gatter verwendet. Die Eingänge R und S liegen auf 0. Für T=0 liegen A und D auf 1. Damit haben wir im rechten Teil die Situation wie oben, wenn z.b: Q auf 1 liegt und Q'auf 0. Erst wenn T=1 ist bewirkt R=1 dass D=0 wird und Q'=1, damit wird Q aber 0. S steht für set (setzen) R für reset (zurücksetzen). R=1 bewirkt D=0 und damit Q=0 (Q wird also zurückgesetzt). S=1 bewirkt A=0 und damit Q=1 (Q wird also gesetzt). Aufgabe: Erweitere das oben gebaute RS Flipflop mit den beiden anderen NAND Funktionen des 7400 Bausteines und teste es.

Nun ist aber S=0, und R=1 und wenn T=1 schaltet das erste FF um, bei T=0 T'=1 das zweite. Aufgabe: Links findest Du die Pin Belegung des Bausteines 47107, der 2 JK-Flipflops enthält.

7 Das JK Flipflop: Folgende Eigenschaften sind wichtig. Wenn J = K = 1 ist ändert sich Q bei jeder fallenden Taktflanke: Angenommen Q'=1 S=1, Q=0, R=0 T=1, Q1=1, Q1'=0 FF2 schaltet erst wenn T=0 T'=1, Q=1, Q'=0. Nun ist aber S=0, und R=1 und wenn T=1 schaltet das erste FF um, bei T=0 T'=1 das zweite. Aufgabe: Links findest Du die Pin Belegung des Bausteines 47107, der 2 JK-Flipflops enthält. Teste zumindest eines der beiden mit Hilfe von Leuchtdioden und dem Taktgeber den Du vorige Woche gebaut hast. (J = K = CLR = 1) Zählschaltungen: Ein Dualzähler ist aus 4 JK-Flippflops aufgebaut: Bei jeder fallenden Taktflanke ändert A seinen Zustand. Daher ändert B seinen Zustand nur bei jeder zweiten fallenden Taktflanke, da dann A von 1 auf 0 fällt. C bei jeder 4. und D bei jeder 8. Taktflanke siehe Diagramm unten. Damit erhält man einen 4 bit Binärzähler, der automatisch von 0 (0000) bis 15 (1111) zählt. Hier befindet sich der Taktgeber. Der Baustein 7490 enthält 4 solche JK Flipflops. Links unten findest Du die Ein- und Ausgänge, rechts unten den Schaltplan. Wichtig ist dabei: Vcc=1, GND=0, R0(1) und R9(1) sollten beide auf 0 liegen, Input B sollte mit QA verbunden sein und Input A sollte an den Takt angeschlossen sein. Aufgabe: Teste den Baustein 7490 mit seinen 4 Ausgängen und überlege Dir was im Schaltplan rechts geschieht.

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