Das Experimentierbrettchen (Aufbau, Messpunkte): A B + 9V

Transkript

1 Kojak-Sirene: Experimente zur Funktionsweise 1. astabile Kippstufe 2. astabile Kippstufe Die Schaltung der Kojak-Sirene besteht aus zwei miteinander verbundenen astabilen Kippstufen (Anhang) und einem Leistungstransistor, der den Lautsprecher ansteuert. Die Schaltvorgänge der beiden astabilen Kippstufen erfolgen zu schnell und wir können deshalb mit einem herkömmlichen Digitalvoltmeter (DVM) keine sinnvollen Messungen vornehmen. Elektrische Vorgänge, die rasch ablaufen, werden mit einem Oszilloskop analysiert: Das Oszilloskop kann die Veränderung einer elektrischen Größe wie z.b. die Spannung innerhalb einer bestimmten Zeit darstellen. Um trotzdem Messungen mit einem DVM vornehmen zu können, verwenden wir ein Experimentierbrettchen auf dem eine astabile Kippstufe (Schaltplan rechts) aufgebaut ist. Um die Schaltvorgänge der beiden Transistoren sichtbar zu machen, sind zusätzlich noch eine rote und eine grüne Leuchtdiode eingebaut. Außerdem ist auf dem Experimentierbrettchen ein 8-poliger IC-Sockel aufgelötet. Für die jeweiligen Versuche werden die Bauteile (Widerstände, Kondensatoren) einfach in die Steckkontakte eingesteckt. Durch die Wahl entsprechender Bauteilewerte können wir die Schaltvorgänge langsam ablaufen lassen und dadurch Messungen mit einem DVM ermöglichen. Die Messpunkte und Steckkontakte für die Bauteile sind mit M, A, A1, A2, B, B1, B2 gekennzeichnet.

2 Das Experimentierbrettchen (Aufbau, Messpunkte): A B + 9V A2 B2 B1 M A1

3 Versuch 1: Stecke einen 100 kω-widerstand (braun-schwarz-gelb-gold) zwischen A und A2, einen zweiten 100 kω-widerstand zwischen B und B2 und zwischen A und A1 einen Elektrolytkondensator mit 10 µf (Minuspol an A) sowie einen weiteren Elko mit 10 µf zwischen B und B1 (Minuspol an B). Schließe die Stromversorgung an (9V-Batterie) und beobachte. Wie lange dauern ungefähr die Schaltvorgänge jeweils (wie lange leuchtet jeweils die rote bzw. grüne LED?)? Versuch 2: Entferne die Stromversorgung. Ersetze die beiden 100kΩ-Widerstände durch 33 kω- Widerstände und schließe die Stromversorgung wieder an. Beobachtung? Versuch 3: Entferne die Stromversorgung. Ersetze die beiden 10µF-Kondensatoren durch 100µF-Kondensatoren. Beachte dabei, dass der Minuspol der Kondensatoren an A bzw B angeschlossen wird. Schließe die Stromversorgung wieder an. Beobachtung? Versuche 4: Entferne die Stromversorgung. Ersetze die beiden 33kΩ-Widerstände durch 100kΩ- Widerstände und schließe die Stromversorgung wieder an. Da nun die Schaltvorgänge ziemlich langsam ablaufen, können wir Spannungsmessungen mit dem DVM vornehmen (Trage die Messwerte jeweils in die Tabelle ein): a) Miss die Betriebsspannung zwischen den Punkten M und +9V und trage den Wert ein. b) Miss die Spannung zwischen den Punkten M und A und trage den Maximalwert c) Miss die Spannung zwischen den Punkten M und B1 und trage den Maximalwert d) Miss die Spannung zwischen den Punkten M und B und trage den Maximalwert e) Miss die Spannung zwischen den Punkten M und A1 und trage den Maximalwert Versuch 5: Entferne die Stromversorgung. Ersetze den Widerstand R2 durch 220 kω und schließe die Stromversorgung wieder an. Beobachtung?

4 Versuch 6: Wiederhole die Versuchsreihe von Versuch 4 und trage die Werte in die Tabelle ein. a) Miss die Spannung zwischen den Punkten M und A und trage den Maximalwert b) Miss die Spannung zwischen den Punkten M und B1 und trage den Maximalwert c) Miss die Spannung zwischen den Punkten M und B und trage den Maximalwert d) Miss die Spannung zwischen den Punkten M und A1 und trage den Maximalwert Versuch Messpunkt 1 Messpunkt 2 4a M +9V 4b M A 4c M B1 4d M B 4e M A1 6a M A 6b M B1 6c M B 6d M A1 Maximalwert Minimalwert Überlege: Welches RC-Glied (R2/C1 und R3/C2) bestimmt die Schaltfrequenz welchen Transistors?

5 Anhang Funktionsprinzip der Kojak-Sirene Astabile Kippstufe 1: Die beiden Transistoren Q1 und Q2 werden so angesteuert, dass sie wechselweise durchschalten. Eine Zeitlang leitet Q1 und es fließt ein Strom durch R1, dann sperrt Q1 und Q2 wird leitend und es fließt Strom durch R4. Wenn zwischen der Basis und dem Emitter eines Transistors eine Spannung von ca. 0,7 V anliegt (Pluspol an der Basis), dann wird der Transistor leitend und es fließt ein Strom über den Kollektor zum Emitter. Basis Emitter Kollektor Wie schnell dieses Umschalten erfolgt, wird bestimmt durch die sogenannten RC- Glieder (Widerstand-Kondensator-Glieder) R2 und C1 bzw. R3 und C2. Je höher der Widerstand von R2/R3 und je höher die Kapazität von C1/C2 desto langsamer erfolgt das Umschalten, verkleinert man die Werte, erfolgt das Umschalten schneller. Wer es genau wissen will (Wikipedia): Die Schaltfrequenz einer astabilen astabilen Kippstufe berechnet sich wie folgt: dabei gilt f ist die Frequenz (in Hertz) R 2 und R 3 sind Widerstands-Werte (in Ohm) C 1 und C 2 sind Kapazitäts-Werte (in Farad) T ist die Periodendauer (in diesem Fall die Summe der beiden Phasendauern; in Sekunden) Die zweite astabile Kippstufe ist in Prinzip genauso wie der erste aufgebaut, R10 und C4 bzw. R11 und C5 sind die beiden RC-Glieder, die den Umschaltrhythmus der Transistoren Q3 und Q4 bestimmen. Die Kapazitäten von C4 und C5 sind aber wesentlich kleiner (ca. 1/500), dadurch erfolgt das Umschalten der Transistoren viel schneller (ca mal in der Sekunde). An Punkt X ändert sich die Spannung ca mal in der Sekunde diese Spannungsänderung wird über den Transistor Q5 verstärkt und auf den Lautsprecher gegeben. Wir hören einen hohen Ton.

6 Nun sind aber die beiden Widerstände R10 und R11 über den Widerstand R5 an dem ersten Astabile Kippstufe angeschlossen, d.h. die Spannung an diesen beiden Widerständen pendelt ständig im Rhythmus von ca. einer halben Sekunde zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert. Dadurch ändert sich auch die Frequenz an Punkt X, die Frequenz wird im Rhythmus von ca einer halben Sekunde mal höher mal niedriger. So entsteht der Effekt einer Polizeisirene. (*) Ein Multivibrator, auch astabile Kippstufe genannt, ist eine elektronische Schaltung, die sich in zwei Zuständen befinden kann, zwischen denen sie selbständig oder von außen gesteuert hin- und herschaltet. Der Begriff Astabile Kippstufe wird aber oft auch synonym zum allgemeineren Begriff Kippstufe benutzt (Wikipedia). Quellen: Kippstufe