Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 1/30 Übungsdatum: 06.06.2002 Abgabetermin: 13.06.2002 ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF Mittendorfer Stephan Matr. Nr. 9956335 1

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 2/30 INHALT... 3 PC - Lauflicht... 4 Benötigte Materialien... 5 Planung & Leiterplattenentwurf... 9 Belichten... 10 Entwickeln... 12 Ätzen... 13 Bohren, Bestücken & Löten... 15 Nachbearbeitung... 17 Schaltungen & Schaltungslogik... 18 RS Flipflop... 20 ANHANG... 21 Quellen... 22 Folien... 23 2

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 3/30 I N H A L T 3

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 4/30 PC Lauflicht Ziel dieses Projektes ist, im Rahmen eines fächerübergreifenden Unterrichts zwischen den Unterrichtsgegenständen Physik und Informatik, eine Leiterplattenschaltung zu entwerfen, herzustellen und zuletzt das fertige Lauflicht über den Parallel Port eines PCs zu programmieren. Bei der späteren Programmierung bieten sich verschiedene Möglichkeiten an. Wenn man verschieden färbige Leuchtdioden verwendet, kann man unter anderem eine Ampelsteuerung, ein Lauflicht oder auch einen Zufallsgenerator programmieren. Die Kosten für jeden Schüler betragen in etwa 7, vorausgesetzt dass die Werkzeuge die zur Herstellung benötigt werden bereits in der Schule vorhanden sind. Auf den nächsten Seiten werden alle benötigten Mittel und Rohstoffe aufgeführt, die für die Projektarbeit benötigt werden. Kurzfassung der benötigten Materialien pro Platine: 1 fotopositiv beschichtete Platine 8 cm x 5 cm 2x rote; 2 grüne; 4 gelbe Leuchtdioden 8 Widerstände (220 Ohm) 1 m Flachbandkabel (mindestens 9-polig) 1x 25-poliger D-Sub-Stecker (Parallelport) Feinlötkolben Belichtungs UV Lampe NaOH (Entwicklerlösung) Eisen-III-Chlorid (Ätzlösung) Lötlack Spiritus Lötzinn (Elektronik Lötdraht 1mm stark) Klarlack 1x Kleinbohrmaschine mit hoher Umdrehungszahl 4x Wannen (für die Entwicklungsstrasse) Als Versandhandel kann man Conrad Electronics unter www.conrad.at sehr empfehlen. (Preise und Bestellnummern wurde aus diesem Onlinekatalog (12.06.2002) entnommen). 4

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 5/30 Benötigte Materialien Leiterplatten 10er Pack 100 x 160 einseitig Bestellnummer 529273-62 1 Packung: 27,54 Produktinformation: Besonders preisgünstig, aufgrund der langem Lagermöglichkeit auch für die Hobby-Elektroniker interessant. Die Lieferung erfolgt im Karton verpackt mit ausführlicher Bedienungsanleitung in Deutsch und Englisch. Ausführung: Einseitige Kupferauflage 35µ, fotopositiv beschichtet. Stärke 1,5 mm. Nitraphot - Glühlampe "S 250 W" Bestellnummer 529141-62 1 Stück: 6,47 ab 3 Stück: 5,74 ab 5 Stück: 5,01 Produktinformation: Zur Belichtung von Phototransfer oder anderem fotobeschichteten Material. Gleichmäßige Lichtverteilung und hohe Helligkeit. Gewinde: E 27, 230 V~/250 W. Acrylklarlack Plastik 70 Bestellnummer 813621-62 1 Stück : 6,47 Produktinformation: Flexibler, schnell trocknender und glasklar bleibender Acryllack. Sehr gute Isolationseigenschaften und Durchschlagsfestigkeit. Schützt elektronische Baugruppen gegen Luftfeuchtigkeit und korrosive Atmosphäre. Doseninhalt: 200 ml. 5

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 6/30 Belichtungsrahmen Bestellnummer 530530-62 1 Stück : 36,26 Produktinformation: Besteht aus einer 3 mm starken, UV-durchlässigen (hochklappbaren) Glasplatte und einem stabilen Metallunterteil. Abm. 220 x 160 mm. Sicherer und gleichmäßiger Andruck der jeweiligen Filme, Scotch-Folie oder Platinen wird durch die darunterliegende Schaumstoffauflage und einen mechanischen Verschluß gewährleistet. Ein zusätzliches Fach im Gehäuseunterteil dient zur Ablage der Hilfsmittel (Symbole, Abreibestift, Folien). Belichtungsrahmen Bestellnummer 539112-62 1 Stück: 58,07 Produktinformation: Kontaktrahmen für das Belichten von Filmen und fotobeschichteten Platten. Rahmenunterteil auf einer kunststoffbeschichteten Spannplatte mit Schaumstoffauflage, Rahmenoberteil aus einer geschliffenen Kristallglasscheibe. Abmessung 460 x 310 mm, Nutzfläche 450 x 255 mm. LED-Sortiment 3 mm Bestellnummer 438391-62 1 Stück: 2,46 ab 3 Stück: 2,17 Produktinformation: Des LED-Sortiment enthält 60 Leuchtdioden mit den Farben: grün, gelb und rot (je 20 Stück). Außendurchmesser: 3 mm. Lieferung im Kunststoffbeutel. 6

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 7/30 Elektronik-Lötdraht Bestellnummer 812811-62 1 Stück: 2,99 Produktinformation: Hochwertiger Lötdraht für den Elektroniker, säurefrei, mit Flussmittel auf Kolophoniumbasis. 1 mm Spule, 100g, Länge ca. 17 m, nach DIN EN 29454-1. Typ: L-Sn 60 PbCu2 Feinlötkolben ERSA 30 S/ 40 S Bestellnummer 810550-62 1 Stück: 20,28 Produktinformation: Fein-Lötkolben für Funk- und Fernsehtechnik, Elektronik. Das meistgekaufte und beliebteste ERSA-Gerät, millionenfach bewährt. Praktisch in der Handhabung. Wobei die 40-W-Version ideal zum Auslöten vielpoliger Bauelemente ist. Techn. Daten: 230 V/ 50 Hz Leistung: 30 bzw. 40 W Anheizzeit ca. 2 Minuten Lötspitzentemperatur: 380 bzw. 420º C Ohne Zuleitung 95 g Lieferung mit Gummiauflegescheibe und vernickelter Lötspitze, meißelförmig, 3,2 mm. MINIMOT-Kleinbohrmaschinen-Komplettset Bestellnummer 801259-62 1 Stück: 127,10 Produktinformation: Zum Bohren, Polieren, Fräsen, Gravieren, Trennen etc. Das Komplett-Set beinhaltet ein Bohr- und Fräsgerät Minimot 40E mit elektronischer Drehzahlregelung von 5000-20000 U/min. Leistungsaufnahme max. 40 W. Länge ca. 220 mm, Gewicht: 230 g, ein passendes 230 V-Netzgerät, einen Bohrständer sowie eine 3-fach kugelgelagerte Biegewelle. Ergänzt wird der Lieferumfang durch 34 Einsatzwerkzeuge in Industriequalität: 1 Diamantschleifstift, 1 Feinfräser, je 1 Microbohrer 0,5 und 1,0 mm, 1 Messingbürste, 4 Schleifstifte aus Edelkorund, 1 Trennsägeblatt, je 2 Schleifscheiben aus Silicium-Karbid und Edelkorund, 20 Trennscheiben und 1 Werkzeugträger. Mit 3 gehärteten Stahlspannzangen, passend für Biegewelle und Minimot 40E. 7

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 8/30 Computer-Flachbandkabel Bestellnummer 461056-62 1 Stück: 0,72 ab 3 Stück: 0,57 Produktinformation: Beide Seiten mit 50-pol. Buchsenleiste (Pfostenverbinder) nach DIN 41651 in Reihe. 2,54 mm. Flachbandleitung 50-pol. mit Rovolkennung. Gesamtlänge: 600 mm. SMD-Widerstandsortiment II Bestellnummer 419176-62 1 Stück: 29,- Produktinformation: Inhalt 750 Stück 30 Widerstandswerte, je 25 Stück 3,9 kw, 4,7 kw, 5,6 kw, 6,8 kw, 8,2 kw, 10 kw, 12 kw, 15 kw, 18 kw, 22 kw, 27 kw, 33 kw, 39 kw, 47 kw, 56 kw, 68 kw, 82 kw, 100 kw, 120 kw, 150 kw, 180 kw, 220 kw, 270 kw, 330 kw, 390 kw, 470 kw, 560 kw, 680 kw, 820 kw, 1 MW 8

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 9/30 Planung & Leiterplattenentwurf Der Schaltplan für das PC Lauflicht, das wir zu bauen beabsichtigen sieht folgendermaßen aus: Aufgabe der Schüler ist es, mit Hilfe dieser Angabe ein vernünftiges Leiterbahnenbild zu entwerfen, wobei einige Dinge zu beachten sind: Der Abstand den ein eingesetzter Widerstand, zwischen den beiden Bohrlöchern benötigt beträgt ca. 12 mm. Der Abstand den eine eingesetzte Leuchtdiode, zwischen den beiden Bohrlöchern benötigt beträgt ca. 4 mm. Es ist darauf zu achten, dass die Leiterbahnen keine scharfkantigen Ecken aufweisen und dass nirgends ungewollte Leiterbahn Verbindungen entstehen. 9

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 10/30 Belichten Die Vorlage zum Belichten muss einige Voraussetzungen erfüllen um zu einem brauchbaren Ergebnis zu kommen. Sie muss ausreichend UV-durchlässig sein und die Leiterbahnen dürfen nicht zu schmal sein und nicht zu eng liegen. Weiters müssen die Lötpunkte ausreichend groß sein und ein Loch in der Mitte aufweisen, damit später beim Bohren der Bohrer eine Führung erhält und nicht abrutscht. Man kann Ausdrucke auf Transparentpapier bzw. Overhead Folien mit Tintenstrahl- bzw. Laserdruckern verwenden wobei ein vernünftiger Laserdrucker wesentlich bessere Schwärzungsergebnisse erzielt als ein Tintenstrahldrucker. Man sollte sich auch über die richtige Ausrichtung der Leiterbahnen Gedanken machen. Die Platinen werden von oben gesehen entwickelt, folglich müssen die Leiterbahnen gespiegelt aufgebracht werden. Dazu kann man die Vorlage gespiegelt ausdrucken, als besser hat es sich aber erwiesen, beim Belichten die Vorlage mit der bedruckten Seite nach unten auf das Basismaterial zu legen. Beim Fotopositivverfahren ist das Ergebnis eine genaue Kopie der Vorlage, es ist nicht notwendig, ein Negativ anzufertigen. (Das angeführte Beispiel ist nicht die benötigte Vorlage; es soll nur verdeutlich wie ein Photopositiv auszusehen hat: schwarz = Kupfer weiss = kein Kupfer) Zum Belichten benötigt man keine spezielle Dunkelkammer, da das beschichtete Leiterplattenmaterial kaum im sichtbaren Bereich des Lichtes empfindlich ist. Wie ich später noch darauf eingehen werde benötigt man zum Belichten UV Licht. Durch das Fensterglas wird ein Großteil der UV-Strahlung absorbiert, deshalb kann man unbesorgt die Leiterplatten in einem normalen Klassenzimmer, bei geschlossenen Fenstern belichten. (Auf gar keinen Fall darf direktes Sonnenlicht auf die beschichtete Seite der Leiterplatte scheinen.) Zunächst zieht man die Folie vom bereits photopositiv beschichtenden Basismaterial ab und legt die Transparentvorlage auf. Dann beschwert man die Vorlage, notfalls mit einem durchsichtigen Deckel einer CD-Hülle, den man mit ein paar großen Nägeln am Rand schwerer gemacht hat, besser mit einer Plexiglasscheibe oder der dünnen Glasscheibe eines billigen Bilderrahmens oder etwas ähnlichem so, dass keine Luft mehr zwischen dem Basismaterial und der Vorlage ist - sonst wird das Abbild unscharf. 10

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 11/30 Das ist die Billig-Variante der Belichtung. Wenn man etwas mehr investieren will, kann ein eigens dafür vorgesehener Belichtungsrahmen dafür verwendet werden, der natürlich wiederum das Budget belastet. Der Vorteil der teureren Version liegt daran, dass meist für das Abdeckmaterial, UV durchlässiges Glas oder ähnliches verwendet wird. Dadurch kann die Belichtungsdauer verkürzt werden, und es kommt zu einem exakteren Ergebnis. Bei der von uns produzierten Schaltung ist diese Genauigkeit nicht wichtig, da wir keine feinen Leiterbahnen etc. benötigen. Die Einschaltdauer der UV-Lampe hängt von der Stärke der Lampe und der Durchlässigkeit der Vorlage und der Abdeckung ab. Mit einer Nitraphot - Birne 250 Watt belichtet man mit der oben beschriebenen Konstruktion und 20 cm Abstand der Birne zur Vorlage 5 bis 6 Minuten. Es ist darauf zu achten, nicht direkt in die Glühlampe zu schauen, da sich diese durch einen hohen UV Anteil auszeichnet und dies bekanntlich nicht sonderlich positiv für den Organismus ist. 11

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 12/30 Entwickeln Zunächst muss die Entwicklerflüssigkeit gemäß der Anleitung hergestellt werden. Dazu genügt es, 10g NaOH in einem halben Liter handwarmen Wasser aufzulösen. Die ungebrauchte Entwicklerflüssigkeit ist in einem verschlossenen Gefäß einige Zeit haltbar, wird jedoch bei längerem Luftkontakt unbrauchbar. Bei den Preisen für NaOH lohnt es sich jedoch nicht die nicht benötigte Entwicklerlösung zu lagern, sondern diese für jedes Projekt neu herzustellen. Das Entwickeln selbst geschieht in einer Arbeitsschale bei maximal 35 C. Man kann die Entwicklerschale in ein Warmwasserbad stellen. Ob sich das jedoch lohnt ist fraglich. Jetzt wird die ausreichend belichtete Platine in die Entwicklerlösung getaucht und unter regelmäßigem Schwenken der Schale so lange entwickelt, bis die Kupferschicht an den belichteten Stellen glänzend und klar hervortritt. Eventuell hilfreich kann sein die Leiterplatte mithilfe einer Pinzette und einem Wattebausch ganz leicht abzuwischen, damit angelöste Lackreste nicht haften bleiben. Das ist daran zu erkennen, dass an den belichteten Stellen das Kupfer nicht klar hervortritt, sondern fleckig erscheint. Ist der Entwicklungsvorgang abgeschlossen, so spült man die Platine unter klarem kaltem Wasser lange und gründlich. Auch auf das Händewaschen sollte nicht vergessen werden, da NaOH ätzend und giftig ist. Deshalb ist es auch angebracht, während der Herstellung der Platine weder zu essen noch zu trinken. In jedem Falle sind ohnehin die auf Verpackungen abgedruckten oder Geräten beigelegten Sicherheitshinweise zu befolgen! 12

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 13/30 Ätzen Für den Ätzvorgang benötigt man Eisen-III-Chlorid, welches preiswert als Pulver oder in Perlenform erhältlich ist. Man löst dieses in Wasser, bis sich kein Ätzmittel mehr lösen lässt (gesättigt). Dabei entwickelt sich Wärme weshalb man das Eisen-III-Chlorid nicht in bereits warmes Wasser geben sollte. Die Ätzlösung ist absolut unkritisch in der Herstellung und läßt sich sehr oft wieder verwenden und sogar wiederbeleben, indem man einfach neues Fe3Cl-Granulat dazugibt. Mit der Zeit bildet sich am Gefäßboden Kupferschlamm, den man ruhig im Gefäß lassen kann, da er beim Ätzvorgang nicht stört. Bis die Lösung so sehr gesättigt ist, dass sie wirklich nicht mehr wiederzubeleben ist und bei der Schadstoffannahme entsorgt werden muss, vergehen normalerweise Jahre. Die fertige Ätzlösung sollte dann aber mithilfe eines Wasserbades auf eine Temperatur von etwas 45 C gebracht werden, da ansonsten der Ätzvorgang den zeitlichen Rahmen sprengen würde. Wenn dies geschehen ist, gibt man die entwickelte Platine in die Wanne mit der Eisen-III- Chlorid Lösung. Dabei werden die ungeschützten Kupferbereiche von der Platine weggeätzt. Eisen-III-Chlorid ist keine konzentrierte Salzsäure, also kann man es ungefährdet handhaben, wenn man übliche Regeln der Vorsicht beachtet. Bekommt man etwas auf die Haut genügt normalerweise sofortiges gründliches Abspülen. Es greift aber Metalle an. Das kann man gut sehen, wenn man eine dünne Alufolie ins Ätzbad taucht. Die beim Ätzen entstehenden Gerüche sollte man nicht einatmen, deshalb ist für ausreichende Belüftung zu sorgen. Besonders ist auf die Kleidung zu achten, da Eisen-III-Chlorid gelbe Flecken auf Textilien ergibt, die sich nur schwer entfernen lassen. Eventuell wäre ein Arbeitsmantel angebracht, den immer derjenige trägt, der in mit dem Ätzvorgang beschäftigt. Die Platine sollte regelmäßig bewegt werden, um frisches Ätzmittel und Sauerstoff zum Kupfer zu "spülen". Die Ätzzeit hängt stark von der Temperatur und vom Verbrauchsgrad der Ätzlösung ab. Das Ende des Ätzvorganges erkennt man ganz leicht. Zumeist ist der Träger, auf den die Kupferfolie aufgeklebt wurde, durchscheinend. Wenn man die Leiterplatte zur Kontrolle aus der blubbernden Lösung zieht, sieht man gegen eine Lampe ganz leicht, ob der Ätzvorgang schon abgeschlossen ist. Dann sollte man die Platine wieder gut unter kaltem Wasser spülen und das Glas mit der Ätzlösung gut verschließen. Weil die Lösung zumeist noch warm ist, bildet sich beim Erkalten im Glas ein Unterdruck, der die Lösung so gut konserviert, als währe sie eingeweckt. Es gibt alternative Ätzmittel wie z.b. Amoniumpersulfat. Diese moderneren Mittel sind umweltfreundlicher und durchsichtig. Man kann den Ätzprozess also besser beobachten und 13

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 14/30 hat hinterher weniger Sondermüll. Das Problem mit diesem "Feinätzkristall" ist die Temperaturabhängigkeit. Unterhalb von 40 C ätzen sie so gut wie gar nicht, oberhalb von 60 C kristallisiert das Ätzmittel aus. (Die Kristallisation lässt sich durch Kochen wieder rückgängig machen.) Man benötigt also ein temperaturgeregeltes Ätzbad. Hat man das, dann spricht alles dafür von Eisen-III-Chlorid auf modernere Ätzmittel umzusteigen. Die fertig geätzte Platine ist gründlich mit Wasser abzuspülen, ansonsten arbeiten sich Ätzmittelspuren im Laufe der Zeit durch die dünnen Leiterzüge und verursachen Monate später rätselhafte Ausfälle. Oberflächenbehandlung (optional) Der Fotolack, der sich noch immer über den noch verbliebenen Kupferbahnen kann mit ausreichend Spiritus und einem Wattebausch entfernt werden. Dies ist nicht unbedingt notwendig, weil man im Normalfall durch durchlöten kann. Wenn man aber den Fotolack entfernt hat, sollte man die fertige Platine unbedingt mit Kolophonium einpinseln oder mit Lötlack beschichten da ansonsten die Kupferbahnen korrodieren. Diese Beschichtungen müssen gänzlich getrocknet sein, bevor man im Herstellungsprozess fortschreitet. 14

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 15/30 Bohren, Bestücken & Löten Bohren Wenn bei beim Leiterbahnenlayout bei den zukünftigen Bohrlöchern eine Aussparung Vorgesehen hat fällt einem das ansetzen des Bohrers um vieles leichter. Die meisten Handbohrer zeichnen sich durch eine hohe Drehzahl aus, die beim Bohren von Platinen sehr wichtig ist, da man ansonsten leicht verkantet und den Bohrer abbricht. Die meisten Löcher werden mit 0,8 mm gebohrt. Wer Glasfaserplatinen bohrt muss auch den Verschleiß des Bohrmaterials berücksichtigen. Schon nach ca. 100 Löchern wird ein Standardbohrer stumpf. Bestücken & Löten Eine gewisse Geschicklichkeit ist hier leider Voraussatzung um zu einem brauchbaren Ergebnis zu kommen. Vor dem Löten sollte darauf geachtet werden, das Bauelemente und Leiterplatte frei von Oxydschichten sind. Wenn die Platine wie oben vorbereitet wurde, ist diese schon einmal in bestem Zustand. Die bedrahteten Bauelemente wie Widerstände und Leuchtdioden liegen manchmal jahrelang beim Händler im Regal. Deshalb sollten ihre Anschlussdrähte kurz vor dem Löten mit feinem Sandpapier leicht abgerieben werden. Grundsätzlich sollte man nur mit einem Flussmittel löten. Fast alle Lötzinn-Sorten enthalten deshalb eine Kolophoniumader. Zusätzlich kann man in Spiritus gelöstes Kolophonium auf die Lötstelle auftragen. Ist der Lötkolben zu heiß, "verbrennt" das Kolophonium zu einer schwarzen Kruste und wirkt nicht mehr. Der häufigste Fehler ist das zu kurze Erhitzen der Lötstelle. Dadurch wird nicht richtig gelötet, sondern nur zusammengeklebt. Man sollte in aller Ruhe abwarten, bis das Lötzinn schön an der Lötstelle läuft und die Platine und den Bauelementeanschluss "benetzt" hat (ca. 2-3 Sekunden). Ansonsten hat man an seinen Lötstellen keine dauerhafte Freude. Bauelemente sind bei weitem nicht so hitzeempfindlich wie man denkt, wobei Epoxy Platinen wesentlich Hitzebeständiger sind als Hartpapier Platinen Versehentliche Lötzinnbrücken lassen sich leichter entfernen, wenn man sie mit reichlich Kolophonium wieder erhitzt. 15

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 16/30 Zuerst werden die 8 Widerstände (220 O) eingebaut, die Baurichtung spielt hierbei keine Rolle. Bei den Leuchtdioden ist besonders auf die richtige Polung zu achten. Diese kann dem Bestückungsplan entnommen werden. Der kurze Anschluss liegt auf MINUS. Für die Verbindung von der Schaltung zum Computer werden ein 9-poliges Flachbandkabel (Länge 1 m) und ein 25-poliger D-Sub-Stecker (Parallel Port) verwendet. Die Länge des Kabels könnte auch 5 m oder mehr betragen. Bei Lötverbindungen zwischen Kabel und Stecker bzw. zwischen Kabel und Platine muß sehr sorgfältig gearbeitet werden. Zuerst werden die einzelnen Leitungen des Flachbandkabels vorsichtig auf 3 cm voneinander getrennt. Die mittleren Leitungen werden dann etwas gekürzt. Z.B. die Leitung zu Pin 6 etwas 5 mm, zu Pin 7 etwas 3-4 mm usw. Dann werden die Enden ca. 2 mm abisoliert und verzinnt. Danach werden die Enden noch einmal so weit verkürzt, dass außerhalb des Kunststoffes nur maximal 2 mm verzinnter Draht sichtbar bleibt. Dies geschieht an beiden Enden des Flachbandkabels. Danach werden an der Platinenunterseite die 9 Lötflächen für die Kabelanschlüsse vollständig verzinnt. Ebenfalls verzinnt werden die Anschlüsse 2-9 und 23 auf der Rückseite des D-Sub-Steckers (siehe Abbildung). Dann werden ohne zusätzliches Lötzinn die Kabelanschlüsse mit der Platine verlötet. Dabei sollte der Kunststoff der Leitungen noch auf der Platine aufliegen; es ergibt sich dadurch eine bessere Reißfestigkeit. Dann werden die einzelnen Leitungen mit den Anschlüssen des D-Sub-Steckers ohne zusätzliches Lötzinn verlötet, indem sie direkt zusammengesteckt werden. Anstatt der empfohlenen Standard-Leuchtdioden können auch low-current -LEDs, die bereits bei 1-2 ma ihre maximale Leuchtkraft erreichen, verwendet werden. In diesem Fall sind dann allerdings Vorwiderstände von etwa 1,5 ko erforderlich. Speziell bei Laptops und Notebooks ist dies empfehlenswert, da deren parallele Schnittstelle in der Regel nict genügend Strom für Standard-Leuchtdioden liefert. 16

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 17/30 Nachbearbeitung Hat man alle Lötarbeiten abgeschlossen und die Funktion der Platine erprobt, sollte man die Leiterseite noch nachbearbeiten. Die Platine sollte gereinigt und versiegelt werden. Zum Reinigen kann Spiritus und eine alte Zahnbürste verwendet werden mit denen unschöne Kolophoniumkrusten, und auch die evtl. nach dem Ätzen aufgetragene Kolophoniumlackierung entfernt werden kann. Danach kann die Platine dauerhaft mit einem speziellen Leiterplattenlack versiegelt werden. Damit verhindert man, dass die Kupferleiterbahnen mit der Zeit korrodieren und ihre Leitfähigkeit verlieren. 17

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 18/30 Schaltungen & Schaltungslogik Der Weg zum RS - Flipflop Auf den ersten Blick mag dieses Thema nur peripher mit Physik etwas zu tun haben, doch existieren beinahe in jeder Schule Physik-Baukästen, mit denen einfache logische Schaltungen in Realität aufgebaut werden können. Um sich aber näher mit diesem Thema beschäftigen zu können, müssen vorher einige Basics besprochen werden: AND - Gatter E1 E2 A 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 OR - Gatter E1 E2 A 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 NEGATOR E A 0 1 1 0 18

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 19/30 NAND - Gatter E1 E2 A 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 NOR - Gatter E1 E2 A 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 XOR - Gatter E1 E2 A 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Erst nach der Behandlung der Grundelemente sollte man sich mit Schaltungen beschäftigen, die aus mehreren Grundelementen aufgebaut sind. Bei diversen Programmen, mit denen sich Schaltungen entwerfen lassen, kann man dies mit den Schülern im Informatikraum durchführen. Bei diesen Programmen wird bei komplexeren Schaltungen z.b. das nachher behandelte RS Flipflop durch einen Baustein mit derselben Funktion ersetzt, um die Übersicht garantieren zu können. 19

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 20/30 RS - Flipflop Das RS Flipflop kann in zwei verschiedene Arten realisiert werden, je nachdem von welchen Grundbausteinen man ausgeht. Diese Schaltung stellt die einfachste und grundlegendste eines jeden Computers dar. Man mit Hilfe eines RS Flipflops ein Bit speichern. Legt man mehrere (8) RS Flipflop zusammen, können 8 Bit d.h. 1 Byte gespeichert werden. Um dies aber zeitgesteuert machen zu können gibt es eine weiterentwickelte Art und zwar das getaktete Flipflop. Dieses lässt eine Speicherung nur während des Taktes zu. Näher will ich eigentlich darauf nicht eingehen, da dies Sache des Informatikunterrichts ist. Für den Physikunterricht ist das Basis RS Flipflop in der NOR bzw. NAND Realisierung interessant. Dieses kann leicht mit einem Elektronik Bausatz aufgebaut werden. Die Eingänge S & R sollten mit Schaltern belegt werden. Die Ausgänge Q & Q können mit Leuchtdioden oder Glühlämpchen visualisiert werden. 20

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 21/30 A N H A N G 21

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 22/30 Quellen Internet: http://www.e-technik.fh-kiel.de/~dispert/digital/digital/dig0_01.htm http://www.katodev.de/deutsch/aetzen.html Neue Medien: Microsoft Encarta Enzyklopädie 2001 Klassisch: Unterlagen zu Cart Electronic TM Qualitätsbausatz: PC - Lauflicht Grafikindex (gereiht nach Folien im Anhang 2 Folien pro Seite): Grafik 1: Conrad Electronics Online Katalog Grafik 2: Conrad Electronics Online Katalog Grafik 3: Conrad Electronics Online Katalog Grafik 4: Conrad Electronics Online Katalog Grafik 5: Conrad Electronics Online Katalog Grafik 6: Conrad Electronics Online Katalog Grafik 7: Conrad Electronics Online Katalog Grafik 8: Conrad Electronics Online Katalog Grafik 9: Conrad Electronics Online Katalog Grafik 10: Conrad Electronics Online Katalog Grafik 11: Conrad Electronics Online Katalog Grafik 12: Unterlagen zu Cart Electronic TM Qualitätsbausatz: PC - Lauflicht Grafik 13: http://www.sprut.de/electronic/platinen/index.htm Grafik 14: http://www.sprut.de/electronic/platinen/index.htm Grafik 15: http://www.sprut.de/electronic/platinen/index.htm Grafik 16: Unterlagen zu Cart Electronic TM Qualitätsbausatz: PC - Lauflicht Grafik 17: Unterlagen zu Cart Electronic TM Qualitätsbausatz: PC - Lauflicht Folgende Folien wurden im Rahmen einer Powerpoint Präsentation gezeigt und befinden sich in geordneter Reihenfolge. (2 Folien pro Blatt) 22

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 23/30 Leiterplattenherstellung Materialien 1 fotopositiv beschichtete Platine 8 cm x 5 cm 2x rote; 2 grüne; 4 gelbe Leuchtdioden 8 Widerstände (220 Ohm) 1 m Flachbandkabel (mindestens 9-polig) 1x 25-poliger D-Sub-Stecker (Parallelport) Feinlötkolben Belichtungs UV Lampe NaOH (Entwicklerlösung) Eisen-III-Chlorid (Ätzlösung) Lötlack Spiritus Lötzinn (Elektronik Lötdraht 1mm stark) Klarlack 1x Kleinbohrmaschine mit hoher Umdrehungszahl 4x Wannen (für die Entwicklungsstrasse) 23

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 24/30 Schaltplan Leiterplatten - Layout 24

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 25/30 Belichtung Belichtungsrahmen 25

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 26/30 Bestückungsplan Schaltungen und Schaltungslogik Der Weg zum RS - Flipflop 26

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 27/30 AND E1 E2 A 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 OR E1 E2 A 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 27

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 28/30 NEGATOR E A 0 1 1 0 NAND E1 E2 A 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 28

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 29/30 NOR E1 E2 A 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 XOR E1 E2 A 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 29

ARGE Schulversuchspraktikum Fächerübergreifender Unterricht Ph - INF 30/30 RS-Flipflop S R Q' 1 0 1 0 1 0 0 0 Q' 1 1 - S R Q' 0 1 1 1 0 0 1 1 Q' 0 0-30