Zusammenfassung Netzwerke und Schaltungen ITET Lukas Cavigelli.pdf
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Sequentielle Schaltungen im Technikunterricht
am Beispiel von
Speicherschaltungen und Zeitmessung
Schriftliche Hausarbeit, vorgelegt im Rahmen der Ersten Staatsprüfung für das
Lehramt der Sekundarstufe 1
von Christine Martin und Sandra Rasch
Münster, den 09. Januar 2006
Prof. Dr. Hein
Institut für Technik ihre Didaktik der
Westfälischen Wilhelms-Universität Münster
2
Inhaltsverzeichnis
Seite
1. Einleitung C. Martin................................................................................................3
2. Fachwissenschaftliche Grundlagen..................................................................5
2.1. Wirkungsweise S. Rasch...........................................................................5
2.2. Realisierungsformen sequentieller Schaltungen S. Rasch........................7
2.1.1. Der bistabile Multivibrator – RS-Flipflop S. Rasch..................7
2.2.2. Der monostabile Multivibrator S. Rasch …………………….11
2.2.3. Der astabile Multivibrator S. Rasch.............…………………13
2.2.4. Weiterführende Schaltungen: Zählschaltungen C. Martin.......15
2.2.4.1. Asynchrone und synchrone Zähler C. Martin..........16
2.2.4.2. Synchroner Dezimalzähler (÷10) C. Martin............18
3. Didaktisches Konzept.......................................................................................19
3.1. Der einfache heiße Draht – Klasse 5/6 C. Martin/S. Rasch........................19
3.2. Der heiße Draht mit RS – Flipflop – Klasse 7/8 C. Martin.....................29
3.3 Der „heiße Draht“ mit Zählwerk – Klasse 9/10...................................46
C. Martin: Seite 55-65; S. Rasch: Seite 46-54, 66-67
4. Technische Realisierung S. Rasch.......................................................................68
5. Schlusswort S. Rasch............................................................................................76
6. Literaturverzeichnis.........................................................................................78
3
1. Einleitung
Das oberste pädagogische Ziel im Technikunterricht ist die theoretische
Durchdringung und praktische Bewältigung einer von Technik geprägten Welt.
Doch das ist leichter gesagt als getan, denn Technik durchdringt alle
Lebensbereiche, überall werden wir mit Technik konfrontiert. Jedoch ist das nicht
die einzige Schwierigkeit. In der heutigen Zeit wird der Mensch immer mehr nur
zum Konsumenten von Technik, die in ihren Erscheinungsformen zunehmend
komplex und kompliziert geworden ist, „die sich ihm (dem Menschen) zumeist in
verkapselter und miniaturisierter Form darbietet“.1
Einen immens breiten Raum in der Technik nimmt die Elektronik ein. Ob
Satelliten im All, Kraftwerke, Autos, Fernseher, Computer, Handys,
Küchenmaschinen, Rasierapparate – ohne Elektronik ist Technik heutzutage fast
nicht mehr denkbar.
Daraus entwickelte sich auch der Grundgedanke dieser Arbeit: die
Auseinandersetzung mit dem äußerst wichtigen und spannenden Gebiet der
Elektronik im Technikunterricht an der Schule.
Hierbei war uns die Orientierung am Lebens- und Erfahrungsbereich der
Lernenden sehr wichtig, denn nur wenn die Schüler das was sie tun (sollen) auch
für sinnvoll erachten, sind sie motiviert und haben Freude am Lernen.
So entstand in mühevoller Klein- und Handarbeit unser „heißer Draht“, ein
Geschicklichkeitsspiel, das bei den meisten Kindern (und Erwachsenen) bekannt
und beliebt ist.
Mit der ständigen Weiterentwicklung des „Innenlebens“ dieses Spiels vom
„heißen Draht“ mit einfachem Stromkreis für die Kassen 5 und 6 über eine
Flipflop Schaltung in Klasse 7 und 8 bis zum Bau eines Zählwerks in Klasse 9
und 10 haben wir uns theoretisch und praktisch beschäftigt.
Auf diese Weise zieht sich der „heiße Draht“ wie ein roter Faden durch ein ganzes
Schülerleben in der Sekundarstufe 1, in dem die Lernenden wichtige elektronische
Grundkenntnisse erwerben können und sich, darauf aufbauend, bereits mit
„höherer Elektronik“ – den sequentiellen Schaltungen – auseinandersetzen und so
ihr Wissen erweitern, festigen und , was das wichtigste ist, auch anwenden.
1 Zeitschrift, Umwelt: Technik – Lehrerinformation „Probleme lösen – Methoden anwenden“. Klett – Verlag 2002. S. 29
4
Unsere Arbeit ist an (angehende) Techniklehrer gerichtet, die unser Projekt
„heißer Draht“ in der Schule realisieren oder es auch als Anregung für die
Entwicklung eigener Ideen nutzen wollen.
Da wir davon ausgehen, dass es an dieser Stelle nicht notwendig ist, auf
elektronische Grundkenntnisse einzugehen, beschäftigt sich das nächste Kapitel
unserer Arbeit bereits mit den sequentiellen Schaltungen RS-Flipflop,
monostabiler Multivibrator, astabiler Multivibrator sowie der Zählschaltung.
Im dritten Kapitel werden wir unser didaktisches Konzept „heißer Draht“ für die
verschiedenen Klassenstufen vorstellen, bevor im vierten Kapitel die technische
Realisierung mit Fotos und Schaltplänen dokumentiert wird.
5
2. Fachwissenschaftliche Grundlagen
2.1. Wirkungsweise
Sequentielle Schaltungen werden auch als Kippschaltungen bezeichnet, da „deren
elektrische Größen kippen“.2
Die logischen Größen sind „1“ und „0“, denen die elektrischen Größen High (H)
und Low (L) zu Grunde liegen.
Sie werden zum Aufbau digitaler Schaltungen verwendet, da sie in der Lage sind,
binäre Informationen statisch und dynamisch zu speichern.
Statische Speicherschaltungen halten die gespeicherten Information so lange, bis
diese wieder gelöscht wird oder so lange wie eine Betriebsspannung anliegt.
Dieser Zustand wird auch metastabil bezeichnet (metastabil - gr. lat. = durch
Verzögerungserscheinung noch in einem Zustand befindlich, der den äußeren
Bedingungen nicht mehr entspricht).
Dynamische Speicherschaltungen halten die Informationen nur für eine sehr kurze
Zeit (einige µs bis s).
Diese Schaltungen bezeichnet man als Kippschaltungen oder auch Kippstufen.
Auf Grund ihrer statischen (stabilen) oder dynamischen (zeitweise stabilen oder
metastabilen) Zustände unterscheidet man drei Gruppen von Kippschaltungen:
1. Bistabile Kippschaltungen – Flipflops (sie besitzen zwei stabile
Schaltzustände)
2. Monostabile Kippschaltungen – Monostabiler Multivibrator – Monoflop
(sie besitzen einem stabilen und einen zeitweise stabilen Zustand)
3. Astabile Kippschaltungen – Mulivibratoren (sie besitzen keinen stabilen
Zustand, sondern verfügen nur über zwei metastabile Zustandsformen)
Sequentielle Schaltungen sind schaltungstechnisch an den Rückkopplungen der
Aus- auf die Eingänge erkennbar.
Man kann diese Schaltungen als fertige Bauteile, so genannte integrierte
Schaltungen (IC: integrated circuit), kaufen. Um allerdings ihre Wirkungsweise
zu verstehen, ist es sinnvoll sie mit diskreten Bauelementen zu erklären und
herzustellen.
2 Jansen, H. und Rötter, H.: Telekommunikationstechnik. Fachbildung. Haan-Gruiten: Europa Lehrmittel 1995. S. 152.
6
Die sequentiellen Schaltungen lassen sich alle auf ähnliche Weise realisieren.
Prinzipielle Anordnung von Kippschaltungen mit gesättigten Transistoren3
Kippschaltung Name Koppelglied 1 Koppelglied 2
Bistabil
Monostabil
Astabil
Flipflop,
Schmitt – Trigger
Univibrator
Multivibrator
R
R
C
R
C
C
Realisierung der Koppelglieder bei den verschiedenen Kippschaltungen4
Im Folgenden werden die Formen und Funktionsweisen der Schaltungen erläutert.
3 Tietze, U., Schenk, C.: Halbleiterschaltungstechnik. Berlin, Heidelberg, und weitere: Springer. 1999. S.599. 4 Tietze, U., Schenk, C.: S.599.
T2
RC RC
T1
+ +
K2 K1
7
2.2. Realisierungsformen sequentieller Schaltungen
2.1.1. Der Bistabile Multivibrator - RS-Flipflop
Flipflops bilden in der Digitaltechnik mit die wichtigsten Grundlagen für den
Aufbau von Speichern, Zählern, Schieberegistern und Frequenzteilern. Ihre
wesentliche Eigenschaft besteht darin, dass sie Impulse als Low- oder High–Pegel
beliebig lange speichern können. Das heißt, dieses gespeicherte Signal steht an
den Ausgängen der digitalen Schaltung jederzeit als Ausgangspegel zur
Verfügung.
Grundsätzlich besitzen alle Flipflop–Arten zwei stabile Zustände. Vielfältig sind
aber die Bedingungen, unter denen sie ihren Signalzustand ändern.
Folgendes Schema stellt eine Übersicht der einzelnen Flipflop–Arten dar:
Klassifizierung der Flipflop-Arten5
5 Ochs, M.: Digitaltechnik für die handwerkliche Ausbildung. Heidelberg: Hüthig Buch Verlag. 1993. S.138.
Flipflops
Nicht – getaktete Flipflops
Taktgesteuerte Flipflops
Taktzustandgesteuerte Flipflops
Taktflankengesteuerte Flipflops
Einflanken- gesteuerte Flipflops
Zweiflanken- gesteuerte Flipflops
Zweispeicher – Flipflops
(Master- Slave)
Einspeicher -
Flipflops
Auffang –Flipflops
Ohne
Zwischenspeicher
Grund – Flipflops
(RS – Flipflop)
8
Im Folgen soll jedoch nur auf die einfachste Art der Speicherschaltungen – das
ungetaktete Flipflop – näher eingegangen werden, da zunächst nur dieses für
unsere weitere Arbeit von Bedeutung ist.
In der integrierten Technik werden RS-Flipflops mit NOR- oder NAND-Gliedern
realisiert.
Der Aufbau mit NAND-Gliedern gestaltet sich wie folgt:
S R Q Q Vorgang
1 0 1 0 Setzen
0 0 1 0 Speichern
0 1 0 1 Rücksetzen
0 0 0 1 Speichern
1 0 1 0 Setzen
Realisierung eines Flipflops mit NAND–Gliedern und Funktionstabelle6
Eine wichtige Frage ist, was passiert eigentlich im „Inneren“ des integrierten RS-
Flipflops, wodurch reagiert die Schaltung auf diese Weise?
Für den schulischen Unterricht ist es besser die Schaltung mit diskreten Bauteilen,
in diesem Fall 2 Transistoren und 6 Widerständen , aufzubauen. Dadurch werden
grundlegende elektronische Zusammenhänge sichtbar, was zu einem vertieften
elektronischem Verständnis führen kann.
Das RS-Flipflop:
6 Hartmann, E., Hein, C.: Duden Technik. Basiswissen Schule. Berlin, Mannheim: Paetec.2004. S.203.
S R
UCE1
Q T2
R4
R3 R6
R5 R2 R1
T1
UB
+
-
Q
UCE2
&
& Q
Q
&
& S
R
9
Das Flipflop arbeitet mit zwei Zuständen, dem gesetzten und dem ungesetzten
Zustand.
Der gesetzte Zustand wird durch einen High–Impuls am Setzeingang S
hergestellt.
Durch diesen High–Impuls wird der Transistor T2 leitend und seine
Ausgangsspannung UCE2 beträgt ca. 0V. Über den Widerstand R6 wird die Basis
von T1 auf ca. 0V gelegt und T1 sperrt. Die Ausgangsspannung UCE1 von T1
beträgt jetzt ungefähr Betriebspannung, weil T1 im gesperrten Zustand einen
hohen Widerstand hat. Über den Widerstand R3 wird T2 im leitenden Zustand
gehalten.
Ein High–Impuls an S genügt also um diesen Zustand einzuleiten. Weitere
Impulse an S ändern nichts.
Erst ein High–Impuls an R ändert den Zustand des Flipflops, es „kippt“ in den
ungesetzten Zustand, sprich es wird zurückgesetzt.
Hierbei wird der Transistor T1 leitend, so dass seine Ausgangsspannung UCE1 ca.
0V beträgt. Über den Widerstand R3 wird die Basis von T2 auf ca. 0V gelegt und
T2 sperrt. Die Ausgangsspannung UCE2 von T2 beträgt nun etwa Betriebsspannung,
weil T2 sperrt und damit einen sehr hohen Widerstand hat. Über den Widerstand
R6 wird T1 im leitenden Zustand gehalten.
Wie bei einem High–Impuls an S ändern jetzt weitere Impulse an R auch nichts an
dem Zustand des Flipflops.
Zur besseren Übersicht über die Ein– und Ausgänge empfiehlt es sich die
Schaltbelegungstabelle zu betrachten.
Schaltbelegungstabelle:
Eingang Ausgang
R S Q Q
H H nicht zulässig
L H H L
H L L H
L L Zustand bleibt
Die Ausgänge müssen komplementär sein.
10
Ein High–Impuls gleichzeitig an S und an R ist technisch zwar möglich, aller-
dings logisch nicht zulässig, da Q nicht gleich Q sein kann. Schaltungstechnisch
kann dieser Zustand allerdings realisiert werden, führt jedoch zeitgleich zu Low
an Q und Q. Deshalb ist diese Belegung nicht zulässig.
11
2.2.2. Der monostabile Multivibrator
„Monostabile Multivibratoren dienen dazu, einen Impuls beliebiger Länge in
einen Impuls definierter Länge umzuformen.“7
Die folgende Abbildung zeigt einen monostabilen Multivibrator mit diskreten
Bauelementen. Hierbei fällt auf, dass im Vergleich zum RS-Flipflop lediglich ein
Widerstand durch einen Kondensator ersetzt wird. Es ergibt sich folgende
Wirkungsweise.
Monostabiler Multivibrator:
Wie das RS-Flipflop hat auch der monostabile Multivibrator zwei Schaltzustände.
Im ersten, ungeschalteten Zustand, ist T2 leitend, da seine Basis über R3 Spannung
erhält. Die Ausgangsspannung UCE2 von T2 beträgt ca. 0V. Gleichzeitig wird T1
über R4 gesperrt und C1 Über R1 geladen.
Der Ladestrom des Kondensators: + UB → R1 → C1 → T2 → 0V.
Der positive Pol von C1 liegt am Kollektor von T1. Die Ladezeit dieses RC–
Gliedes hängt von τ = 0,69 ∗ R1 ∗ C1 ab.
Ein High–Impuls an R6 bewirkt, dass T1 leitet und seine Ausgangsspannung UCE1
ca. 0V beträgt. Der Kondensator entlädt sich über T1. zeitgleich fließt über R3 ein
Umladestrom. Dieser Umladestrom erzeugt über R3 einen Spannungsabfall, der
größer als UB ist. Damit bleibt für eine definierte Zeit T2 im gesperrten Zustand.
Der negative Pol des Kondensators C1 liegt mit Kondensatorenspannung (0,7V)
an der Basis von T2 und sperrt T2. Über R4 wird T1 leitend gehalten.
7 Garbrecht, F.W.: Basiswissen Elektronik. Einführung für Einsteiger und Anwender. Berlin, Offenbach: VDE Verlag 2003. S. 227.
UCE1
T2
R3
R4
R2 R1
T1
UB
+
- UCE2
R5
C1
12
Im geschalteten Zustand wird C1 über R3 umgeladen. Die Umladedauer hängt von
τ = 0,69 ∗ R3 ∗ C1 ab.
Der Ladestrom des Kondensators: + UB → R3 → C1 → T1 → 0V.
Wenn C1 umgeladen ist, versetzt er T2 wieder in den leitenden Zustand. Die Aus-
gangsspannung UCE2 beträgt ca. 0V. T1 wird durch R4 gesperrt. C1 lädt sich über
R1 mit τ = 0,69 ∗ R1 ∗ C1 um.
Der Ladestrom des Kondensators: +UB → R1 → C1 → T2 → 0V.
T2 wird über R3 leitend gehalten.
Bis zum nächsten High–Impuls an R6 bleibt die Schaltung stabil.
13
2.2.3 Der astabiler Multivibrator
Die astabile sequentielle Schaltung, auch astabiler Multivibrator (AMV) genannt,
„öffnet und sperrt die beiden Transistoren selbsttätig in regelmäßigen
Zeitabständen“.8
Durch Ersetzen des Widerstandes R4 durch einen Kondensator und Weglassen des
Widerstandes R6 in der Monostabilen Schaltung erhält man einen AMV.
Erster Zustand des AMV:
Im ersten Zustand ist T1 gerade in den leitenden Zustand übergegangen und die
Ausgangsspannung UCE1 beträgt ca. 0V. Die Spannung UCE1 an C1 war zuvor
Betriebsspannung. Während C1 sich über T1 entlädt, wird dieser Kondensator
gleichzeitig über R3 umgeladen und T2 wird gesperrt. Parallel dazu wird C2 über
R2 geladen.
Sobald C1 umgeladen ist, fließt der Strom über R3 in die Basis von T2 und macht
diese leitend. Auf die gleiche Weise entlädt sich C2 über T2. Das Umladen beträgt
τ = R3 ∗ C1.
Der Umladestrom des Kondensators C1: + UB → R3 → C1 → T1 → 0V.
Zweiter Zustand:
8 Jansen, H. und Rötter, H.: S. 156.
C2
T2
R3
C1
R4 R2 R1
T1
+
- UCE2
UB
UCE1
C2
T2
R3
C1
R4 R2 R1
T1
+
- UCE2
UB
14
Im zweiten Zustand ist T2 gerade in den leitenden Zustand übergegangen und die
Ausgangsspannung UCE2 beträgt ca. 0V. Die Spannung UCE2 an C2 war zuvor
Betriebsspannung. Während C2 sich über T2 entlädt, wird dieser Kondensator
gleichzeitig über R4 umgeladen und T1 wird gesperrt. Parallel dazu wird C1 über
R1 geladen.
Sobald C2 umgeladen ist, fließt der Strom über R4 in die Basis von T1 und macht
diese leitend. Auf die gleiche Weise entlädt sich C1 über T1. Das Umladen beträgt
τ = R4 ∗ C2.
Der Umladestrom des Kondensators C2: + UB → R4 → C2 → T2 → 0V.
Die Frequenz im AMV wird mit CR
f**4,1
1= berechnet.
Durch die Unsymmetrie der Bauelemente kippt die Schaltung ohne äußeren
Einfluss sobald Betriebsspannung anliegt.
15
2.2.4. Weiterführende Schaltungen: Zählschaltungen
In der Digitaltechnik gehören Zählschaltungen, auch kurz Zähler genannt, zu den
meist verwendeten Grundschaltungen.
„Zählen in der Digitaltechnik bedeutet, dass zu einer bestehenden Summe jeweils
der Wert 1 addiert oder subtrahiert wird. Das Ergebnis wird dann bis zu dem
nächsten Zählvorgang zwischengespeichert. Ein digitaler oder binärer Zähler zählt
Impulse, welche am Eingang der Schaltung in beliebiger zeitlicher Folge auftreten
können.“9
Zähler werden unterschieden nach:
1. Art der Taktung
• Serientaktung: asynchrone Zähler
• Parallelschaltung: synchrone Zähler
2. Kodierung des Zählergebnisses
• Dualcode: Dualzähler
• BCD–Code: Dezimalzähler (Zähldekaden)
3. Zählrichtung
• Vorwärts-, Rückwertszähler; Vor- und Rückwärtszähler
9 Ochs, M: S. 193.
16
2.2.4.1. Asynchrone und synchrone Zähler
Hauptsächlich wird bei Zählern zwischen asynchronen und synchronen Zählern
unterschieden.
Grundelemente einer Zählschaltung sind Flipflops die hintereinander geschaltet
werden.
Zum Aufbau asynchroner Zähler werden JK-Flipflops oder SR-Flipflops, die als
T-Flipflops geschaltet sind, verwendet.
Synchrone Zähler sind fast ausschließlich aus JK-Flipflops, genauer gesagt aus
JK-Master-Slave-Flipflops, aufgebaut.
Bei asynchronen Zählern steuert ein Ausgang des ersten Flipflops den Eingang
des nächsten Flipflops u.s.w.. Das bedeutet, die Flipflops schalten nicht zum
gleichen Zeitpunkt, sondern zeitlich hintereinander. Dadurch kommt es zu einer
Schaltverzögerung, die wiederum eine Verschiebung der Eingangsimpulse
gegenüber den Ausgangsimpulsen bewirkt. Dies kann zu Störungen und Fehlern
vor allem bei hohen Zählfrequenzen führen.
Um eine solche Verschiebung zu vermeiden, müssen alle Flipflops mit einem
gemeinsamen Taktsignal arbeiten. Diese Anforderung erfüllt der synchrone
Zähler. Synchrone Zähler werden also durch einen gemeinsamen Schalttakt
gleichzeitig geschaltet.
Asynchron-10-Zähler mit JK-Flipflops10
10 Jansen,H. Rötter, H.: S.241.
1J
1
A
1
1K C1
T
A
A
1J
1
1K C1
B A
1J
1 1
1K C1
B
A
1J
1
1K C1
D
&
A
B ∧ C
Takt
17
Synchron–10–Zähler (hier: Synchron–BCD–8421–Zähler)11
11 Jansen, H., Rötter, H.: S. 242.
T
1J
1 1
1K C1
A A
A ∧ D
1J 1K C1
B
A
1J 1K C1
C
1J 1K C1
D
A A ∧ B A ∧ B A ∧ B ∧ C
B C D
18
2.2.4.2. Synchroner Dezimalzähler (÷10)
Dieser Zähler kann von 0 bis 9 zählen. Mit jedem zehnten Taktimpuls wird er
wieder in die Nulllage zurückgesetzt.
Prinzipiell kann ein synchroner Dezimalzähler aus diskreten Bauelementen gebaut
werden. Dadurch würde allerdings die Platine viel zu groß und unübersichtlich
werden.
In unseren „heißen Draht“ haben wir deshalb drei dieser Zähler als integrierte
Schaltkreise (CD 40268 E) eingebaut. Es wird also in drei Dekaden gezählt,
wobei der erste Zähler die Zehntelsekunden, der zweite die ganzen Sekunden und
dritte die Zehnersekunden zählt. Jedes Mal, wenn der erste Zähler den zehnten
Zählimpuls erhält, wird er in die Nulllage zurückgesetzt und gibt dabei als
Übertrag einen Zählimpuls an den nächsten Zähler weiter. Hat der zweite Zähler
den zehnten Zählimpuls vom ersten Zähler erhalten, gibt er wiederum einen
Impuls an den dritten Zähler weiter.
Auf diese Weise kann dieser dreistellige Zähler bis 99,9 Sekunden zählen. Zeit
genug, um den „heißen Draht“ erfolgreich zu durchlaufen.
In jedem Zählbaustein ist auch eine Decodierung zur Steuerung einer 7–Segment–
Anzeige erhalten.
Diese Anzeige dient dazu, das Zählergebnis sichtbar zu machen.
Zähler für zwei Dekaden mit 7–Segment-Anzeige12
12 Jansen, H., Rötter, H.: S. 243.
Codierer 1. Dekade
a b c d ef g
1 2 4 8
BIN/7SEG a b c d e f g
1 2 4 8
CTR DIV 10 +
T
Codierer 1. Dekade
a b c d ef g
1 2 4 8
BIN/7SEG a b c d e f g
1 2 4 8
CTR DIV 10 +
C
A
A
B
B
C
D
D
19
3. Didaktisches Konzept
3.1. Der einfache heiße Draht – Klasse 5/6
Die Struktur der Unterrichtskonzepte entsprechen den Unterrichtseinheiten aus
dem Projekt „http://www.uni-
muenster.de/Physik.TD/Uvortec/Information/Heissdraht/Titelseite.htm“ Wir
haben es in großen Teilen übernommen und unserem Konzept angepasst.
Der „heiße Draht“
Ziele Die Schüler/innen sollen:
• bei der Verwirklichung dieser
Konstruktionsaufgabe die Phasen von der Idee bis
zur Herstellung eines Produkts kennen lernen;
• das Geduldsspiel "heißer Draht" aus dem einfachen
Stromkreis selbst entwickeln;
• Grundlagen des technischen Zeichnens kennen
lernen;
• die Arbeitstechniken der Holzbearbeitung (sowie
der Metallbearbeitung) üben;
• die Funktion der verwendeten elektronischen
Bauelemente kennen lernen;
• die erforderlichen Bauteile erkennen und eine
Materialliste zusammenstellen;
• eine Bauanleitung entwickeln;
• das Geduldsspiel in Einzelfertigung herstellen;
Unterrichtskonzept In dieser Unterrichtseinheit erfolgt die vollständige
Entwicklung eines Produkts. Dazu gehören Ideenfindung,
Entwurf, Materialbestimmung und Materialbeschaffung,
Arbeitsablaufplanung, Fertigung und Test des Produkts.
Diese Unterrichtseinheit erfordert Wissen aus dem
technischen Zeichnen und Arbeitstechniken der Holz- und
Metallbearbeitung. Die Unterrichtseinheiten "Grundlagen
des technischen Zeichnens" und "Ein Kasten für alle Fälle"
20
bieten weitere Hinweise, sie werden im Internet "Praxis
Technikunterricht“ „http://www.uni-
muenster.de/Physik.TD/matrix_1.htm“ angeboten.
Richtlinienbezug • Gesamtschule NRW, Problemfelder: Information
und Kommunikation, Produktion und Automation,
Klasse 7/8 (s. Rahmenplan S. 32 und S.44)
• Hauptschule NRW,
• Realschule NRW,
• Rahmenpläne für Arbeitslehre in den neuen
Bundesländern
Unterrichtsverlauf:
Zum Konzept • Die Konstruktion des Spiels "heißer Draht" steht
in engem Zusammenhang mit der
Unterrichtseinheit "Ein Kasten für alle Fälle".
Die Arbeitsblätter zur Fertigung des Kastens
sollten hier genutzt werden.
• In Abhängigkeit vom Stundenumfang, von der
Schulform und der Lerngruppe können Sie als
Lehrkraft aus dem Material auswählen. So
können Sie mit den drei Angeboten aus dem
Internet individuelle Unterrichtseinheiten
kreieren.
• Wenn alle drei Unterrichtseinheiten im
Unterricht behandelt werden, dann entwickeln
sich Qualifikationen zum Darstellen von
technischen Gegenständen sowie Grundtechniken
zum Be- und Verarbeiten von Holz und Metall.
• Bei der Zusammenstellung der Materialliste wird
das Wissen über den einfachen Stromkreis
angewendet und erweitert. Die Schüler/innen
erfahren, dass Bauelemente akustische Signale
aussenden können.
21
• Mit Hilfe der zur Verfügung stehenden
Arbeitsblätter sowie der Einzelteile sollen die
Schüler/innen weitgehend selbstständig eine
Bauanleitung entwickeln.
• Die Arbeitstechniken Biegen und Löten werden
geübt.
Organisation des Unterrichts
• Die Fertigungsaufgabe "Ein Kasten für alle
Fälle" fließt in diese Konstruktionsaufgabe mit
ein.
• Die Bearbeitungszeit für den Entwurf des Spiels
und den Einbau des Geduldsspiels in den Kasten
beträgt etwa 3-4 Doppelstunden.
• Wichtig ist, dass die Schüler/innen beim
Erstellen der Bauanleitung die Arbeitsblätter und
Materialien nutzen.
• Die Arbeitsschritte müssen eindeutig abgegrenzt
werden, dann bilden sich Gewohnheiten für das
systematische praktische Arbeiten heraus.
Merkmale der Konstruktionsaufgabe
• Die Arbeitsblätter sollten möglichst selbstständig
erarbeitet werden.
• Die Ergebnisse der selbstständigen Arbeit sind zu
vergleichen.
• Wichtig sind Kontrollstationen, an denen die
Qualität der Arbeit überprüft wird.
Anforderung an die Arbeitsweise der
Schüler
• Jeder Schüler entwickelt zunächst seine eigenen
Vorstellungen vom Spiel.
• Bei der Entwicklung der Bauanleitung können
Arbeitsgruppen gebildet werden.
• Im Unterrichtsgespräch werden mögliche Fehler
korrigiert.
22
• Die Fertigung erfolgt in Einzelarbeit.
Kontrollmöglichkeiten • Die Entwicklung der Bauanleitungen kann
bewertet werden.
• Am Ende werden die Arbeitsweise und das
Produkt bewertet.
Lehrerinformation:
A) Fachinformationen
Vor der praktische Arbeit müssen die Schüler/innen in den Umgang mit den
Werkzeugen eingewiesen werden.
Im Zusammenhang mit der Entwicklung der Schaltung kann die Reihen- und die
Parallelschaltung erarbeitet werden und das Messen von Strom und Spannung
geübt werden.
Das folgende methodische Vorgehen empfiehlt sich, da die Schüler/innen keine
Vorkenntnisse in der Elektronik besitzen.
Materialien:
• Spannungsquelle (Batterie)
• Leitungen mit Krokodilklemmen
• Zwei Glühlampen mit Fassungen auf einem Brett montiert.
Mit den folgenden Aufgabenstellungen können die Zusammenhänge zwischen
Reihen- und Parallelschaltung empirisch erarbeitet werden.
1. Schließe eine Glühlampe an die Batterie an. → einfacher Stromkreis
2. Welche Möglichkeiten gibt es, um die zweite Glühlampe anzuschließen?
Reihen- und Parallelschaltung
3. Welche Unterschiede bestehen zwischen Reihen- und Parallelschaltung?
a) Zeichne den Schaltplan.
b) Was passiert in den Schaltungen, wenn eine Lampe ausfällt?
c) Welche Schaltung ist für das Geduldspiel „heißer Draht“ geeignet?
Begründe deine Antwort!
23
Durch dieses methodische Vorgehen werden die Zusammenhänge zwischen
Spannung und Stromstärke in den Schaltungen durch die Schüler/innen selbst
erfahren.
Es gilt:
• Reihenschaltung: Gesamtspannung ist gleich der Summe der
Teilspannungen U = U1 + U2 . Die Stromstärke ist an allen Stellen gleich
groß.
• Parallelschaltungen: die Spannung aller Verbraucher ist gleich. Der
Gesamtstrom ergibt sich aus der Summe der Teilströme I = I1 + I2.
Außerdem wird durch dieses Vorgehen in das Darstellen von Schaltungen durch
Schaltpläne eingeführt (s. Arbeitsblätter).
Vor dem Löten müssen die Schüler/innen in die Arbeit mit dem Lötkolben
eingewiesen werden.
Informationen zum Summer:
Summer sind Elektrische Bauteile, die Töne abgeben, wenn Strom durch sie
fließt. Schaltzeichen:
Betriebswerte: 3V DC (DC = Gleichspannung, Polung beachten; rot +, schwarz -)
Weitere fachliche Hinweise zur Durchführung dieser Unterrichtseinheit finden sie
unter folgenden Internetadressen:
• www.uni-muenster.de/Physik/TD/matrix.htm
• www.uni-muenster.de/Physik/TD/suchwort.htm
Die Unterrichtseinheit „Grundlagen des technischen Zeichnens“ und „Ein Kasten
für alle Fälle“ enthalten Arbeitsblätter zur Anfertigung des Gehäuses für das
Spiel.
Mit „Suchwort“ gelangt man zu einer alphabetischen Auflistung der Fachbegriffe.
Man findet dort mehr Informationen zum Löten und zu elektronischen
Bauelementen.
B) Methodische Hinweise:
Bei dieser Konstruktionsaufgabe geht es um die Entwicklung der Konstruktions-
unterlagen für die praktische Arbeit.
24
Die Schüler/innen sollen den Weg von der Idee bis zum fertigen Produkt
weitgehend selbstständig bewältigen.
Das Arbeitsblatt „Der heiße Draht oder wer zittert mit?!“ beginnt deshalb mit dem
einfachen Stromkreis. Vielen Schüler/innen ist das Geduldsspiel „heißer Draht“
bekannt.
Die Bauanleitung 1 zeigt ein Bild zur Realisierung des Spielgerätes. Wenn die
Schüler/innen ihren Entwurf mit der Darstellung verglichen haben, benennen sie
die Teile, entwickeln den Schaltplan und erstellen ausgehend vom einfachen
Stromkreis die Materialliste.
Nach der Bearbeitung des Arbeitsblattes „Bauanleitung 1“ sollten die Ergebnisse
der selbständigen Arbeit verglichen und eventuell korrigiert werden.
Die Entwicklung der „Bauanleitung 2“ muss der Lerngruppensituation
entsprechend erfolgen.
Vor dem Verlöten der Bauteile sollte das Löten geübt werden. Die erforderlichen
Arbeitsblätter finden sind ebenfalls im Internet „Praxis Technikunterricht“ zu
finden.
Medien und Material
Medien und Material Bezugsquelle
Fertige Kästen als Anschauungsmittel Eigenbau
Sperrholz (4 und 8 mm dick) für den
Kasten
Baumarkt
Elektrische Bauteile: Summer,
Batterien, Batteriefach, Leitungen,
Draht ∅ 1–2 mm
Lehrmittelkatalog
Griffheft Baumarkt
Werkzeuge zur Holzbearbeitung
Lötkolben
Lötzinn, Leim Lehrmittelkatalog, Baumarkt
Zeichengeräte
Basiswissen Schule Duden Technik Paetec Verlag für Bildungsmedien, 1.
Auflage 2000, Internet:
www.schuelerlexikon.de
25
ISBN 3-89818-040-9
Internet: Praxis Technikunterricht www.uni-
muenster.de/Physik/TD/matrix.htm
DIN-Blätter Europa–Lehrmittel–Verlag,
Tabellenbuch Metall, S.60 ff.
DIN ISO 5456-2, DIN ISO 5456-3, DIN
ISO 406-10, DIN ISO 406-11
Anhang zum Unterrichtsablauf:
Bauanweisung 1:
Die Skizze zeigt die Anordnung der Bauteile im Kasten. Bezeichne jedes Bauteil
mit einer Nummer.
Welche Schaltungsart musst du bei der Zusammenschaltung der Bauteile
anwenden?
Reihenschaltung
Stelle eine Materialliste zusammen. Die Abbildungen helfen dir dabei.
- +
+ + -
- 1 2
3 6
5
4 7
26
Bauteilnummer Bauteile im einfachen
Stromkreis
Bauteile im Geduldspiel
1 Spannungsquelle Spannungsquelle 3V mit Batteriefach
2 Verbraucher Summer
3 Schalter Drahtschlaufe / heißer Draht
4
5
Leitungen Leitungen,
Draht –Irrgarten
6 Griff (Korken oder Holzklotz) Griff
7 Zweiteiliger Kasten als Gehäuse
Bauanweisung2:
Ergänze in der Arbeitsablaufplanung die einzelnen Arbeitsschritte
Nr. Arbeitsablauf Einzelne Arbeitsschritte
1 Bereitlegen der
elektronischen
Bauteile
Summer, Batterie, Draht
2 Herstellung des
Kastens
1. Kannten aller Teile schleifen.
2. Teile so anordnen, wie sie zusammengeleimt
werden.
3. Lage der Teile zueinander kennzeichnen.
4. Bohrungen für den Draht – Irrgarten auf dem
Deckel anreißen.
5. Auf einem langen Seitenteil Bohrungen für
Zuleitung zur Drahtschlaufe anreißen.
6. Löcher bohren.
7. Seitenteile an den Boden leimen.
8. Deckel aufleimen.
9. Deckel und Unterkasten mit der Bandsäge trennen.
10. Innenteile als Führung einleimen.
11. Funktionsprobe durchführen, evtl. nachschleifen.
12. Stelle für den Summer an den Boden des Kastens
markieren.
Tipp 1: Bei der Herstellung des Kastens können dir die
27
Arbeitsblätter „Ein Kasten für alle Fälle“ helfen.
Tipp 2: Die Drähte müssen genau in die Bohrungen
passen. Messe die Durchmesser und wähle die richtigen
Bohrer aus.
3 Herstellung des
Griffs
1. Schleifen der Kanten des Holzklotzes.
2. Anreißen der Bohrung.
3. Durchstecken der Drahtschlaufe.
4. Verlöten der Drahtschlaufe mit der Zuleitung.
4 Aufbau des
Stromkreises
1. Einbau des Draht – Irrgartens in den Deckel.
Tipp: Das Herausrutschen der Drahtenden aus dem
Deckel kann durch Knoten an der Innenseite verhindert
werden.
2. Den roten Anschluss (Pluspol) des Batterieclips an
den roten Draht (Pluspol) des Summers löten.
3. Schwarzen Draht (Minuspol) des Summers an die
Zuleitung zur Drahtschlaufe anschließen.
4. Den schwarzen Anschluss des Batterieclips an ein
Ende des Draht – Irrgartens anlöten.
5. Summer an der markierten Stelle ankleben.
5 Anschluss der
Batterie und
Funktionsprobe
1. Batterieclip mit der Batterie verbinden.
2. Wenn die Drahtschlaufe den Draht – Irrgarten
berührt, dann ertönt der Summer.
6 Entwicklung einer
Spielanleitung
1. Der Draht – Irrgarten sollte möglichst kurvenreich
gebogen sein.
2. Ziel des Spiels ist es, möglichst schnell mit der
Drahtschlaufe zur anderen Seite des Irrgartens zu
gelangen. Wenn die Drahtschlaufe den Irrgarten
berührt, dann gibt der Summer ein Signal ab.
3. Wer den Irrgarten nicht berührt und die geringste
Zeit zum Durchfahren des Irrgartens braucht, hat
gewonnen.
7 Testen des Spiels Schüler/innen testen ihr Spiel.
28
Arbeitsblatt: Der „heiße Draht“ oder „wer zittert mit?!“
Mit etwas Phantasie kannst du aus einem einfachen Stromkreis ein Spiel
entwickeln.
a) Zeichne eine einfachen Stromkreis bestehend aus folgenden Teilen:
• Spannungsquelle
• Schalter
• Verbraucher (Lampe)
• Leitung
b) Beschreibe die Wirkungsweise des Einfachen Stromkreises.
Wenn der Schalter geschlossen wird, dann leuchtet die Lampe.
c) Wie funktioniert das Geduldspiel „heißer Draht“?
Eine Drahtschlaufe wird über einen Draht – Irrgarten geführt. Wenn die
Drahtschlaufe den Irrgarten berührt, dann wird ein Ton abgegeben.
Skizziere deine Vorstellung vom Spiel.
Beschrifte die Teile.
- +
Summer
Gehäuse
Zuleitung
Drahtirrgarten
Drahtschlaufe (Sensor)
Griff
29
3.2. Der heiße Draht mit RS–Flipflop – Klasse 7/8
Ziele Die Schüler/innen sollen:
• Den einfachen „heißen Draht“ aus Klasse 5/6 so
umbauen, dass eine Berührung optisch und akustisch
registriert, d.h. gespeichert wird und nicht
geschummelt werden kann;
• in den „heißen Draht“ aus Klasse 5/6 ein RS-
Flipflop, zwei LED´s, einen Ein–Aus–Schalter und
einen Taster zum Zurücksetzen einbauen;
• die Funktion der verwendeten elektronischen
Bauteile Taster, ohmscher Widerstand, LED,
Transistor kennen;
• den Aufbau, die Funktion und die Wirkungsweise
des RS-Flipflops kennen;
• den Schaltplan für den „heißen Draht“ mit Hilfe der
Lehrkraft entwickeln;
• die erforderlichen Bauteile erkennen und eine
Materialliste zusammenstellen;
• Grundkenntnisse zum Erstellen eines Layouts
erwerben;
• das Layout für den „heißen Draht“ weitgehend
selbstständig erstellen;
• die Platine für den „heißen Draht“ herstellen,
bestücken und die Bauteile verlöten;
• Platine, LED´s, Taster und Schalter selbstständig in
den Kasten des Spiels einbauen.
Unterrichtskonzept Ziel dieses Konzeptes ist die Weiterentwicklung eines
Produktes. Es dient der Einführung in die digitale
Schaltungstechnik am Beispiel des RS-Flipflops.
Außerdem geht es um die Erarbeitung, Festigung und
Anwendung elektronischen Grundwissens. Das Konzept
vermittelt erste Kenntnisse in der Platinenherstellung.
30
Richtlinienbezug • Gesamtschule NRW, Problemfelder Information und
Kommunikation, Produktion und Automation, Klasse
7/8
• Hauptschule NRW
• Realschule NRW
• Rahmenpläne für Arbeitslehre in den neuen
Bundesländern
Unterrichtsverlauf:
Zum Konzept Dieses Konzept gliedert sich in drei Phasen
(Unterrichtseinheiten):
1. In dieser Phase geht es um die Einführung der
für den „heißen Draht“ mit RS-Flipflop zu
verwendenden elektronischen Bauteile. Die
Schüler müssen Kenntnisse über Funktion
und Wirkungsweise der folgenden
Bauelemente erlangen: Schalter/Taster,
ohmscher Widerstand, LED, Transistor.
Neben der theoretischen Erarbeitung werden
kleine Versuche mit den verschiedenen
Bauelementen empfohlen um ein besseres
Verständnis vor allem der Wirkungsweise zu
erzielen. Hierfür können die Arbeitsblätter 1-
4 genutzt werden. Arbeitsblatt Nr. 5. wird mit
bzw. durch die Schüler ergänzt.
2. Es folgt die Einführung in die sequenziellen
Schaltungen am Beispiel des RS-Flipflops.
Aufbau, Funktion und Wirkungsweise dieser
Kippschaltung können ebenfalls mithilfe von
Arbeitsblättern (5und 6) erarbeitet werden.
3. Die Bauphase dient der Festigung und
Anwendung der vorher erlangten Kenntnisse
über die verschiedenen elektronischen
31
Bauelemente sowie des RS-Flipflops.
Der Schaltplan für den „heißen Draht“ wird
je nach Klassensituation gemeinsam mit den
Schülern bzw. von den Schülern selbst
entwickelt.
Zuvor müssen die Schüler in die Erstellung
eines Layouts sowie evtl. in die Platinen-
herstellung eingewiesen werden. Kleinere
Übungen hierzu sind empfehlenswert um auf
diesem Gebiet gewisse Fertigkeiten zu
erlangen.
Je nach Klassensituation sollte auch das
Löten noch einmal geübt werden.
Das Arbeitsblatt Nr. 7 enthält sowohl den
Schaltplan als auch den Bestückungsplan und
das Platinenlayout für den „heißen Draht“.
4. Als Gehäuse für das Spiel dient der Kasten,
der in Klasse 5/6 bereits hergestellt wurde. In
den Deckel müssen noch 2 LED´s, 1 Schalter
und ein Taster eingebaut werden.
Organisation des
Unterrichts
• Für die Gestaltung der ersten Unterrichtseinheit zur
Erarbeitung, Festigung und Anwendung von
Kenntnissen über die verschiedenen elektronischen
Bauelemente werden etwa 3-4 Doppelstunden
benötigt.
• Die Zeit für die Einführung der sequentiellen
Schaltungen am Beispiel des RS-Flipflops sollte
mindestens 2 Doppelstunden betragen.
• Die Bearbeitungszeit für die dritte Unterrichtseinheit
wird entsprechend der jeweiligen Klassensituation
mit 3-4 Doppelstunden angegeben.
• Alle Versuche sollten besonders sorgfältig
durchgeführt werden, um das praktische Verständnis
32
für theoretisch erlangtes Wissen bei den Schülern zu
vertiefen.
• Die Nutzung der Arbeitsblätter sowie weiterer
Materialien wird empfohlen.
Lehrerinformation:
• Dritter Transistor dient als Stromverstärker für den Summer. Der Summer
hat einen großen Widerstand. Wenn er statt des Arbeitswiderstandes
(220Ω) von T2 eingesetzt wird, dann funktioniert das Flipflop nicht mehr.
• Layout kann auf Folie und zur Herstellung der Platine so übernommen
werden.
Zu Transistor als Schalter:
1. Material für den Versuch:
1 LED rot, 1LED grün, 1 n–p–n Transistor (BC547), 1Widerstand 300Ω,
1Widerstand 10kΩ, 1 Batterie 4,5V, Kabel, Steckplatine.
2. zur Begründung von Aufgabe 5. kann das Ohmsche Gesetz Anwendung finden:
mAAV
R
UI 45,000045,0
1000*10
5,4==
Ω==
Da I hier unter 0,5mA liegt, leuchtet die grüne LED nicht (siehe Betriebswert der
LED).
3. Versuch mit dem Transistor als Verstärker finden sie in: Babendererde, H., u.a.:
Umwelt: Technik, Themenheft „Grundlagen Elektronik“. Stuttgart: Klett-
Verlag.2004. S. 22/23.
Zu RS-Flipflop:
1. Das RS-Flipflop gehört zu den sequentiellen Schaltungen (Kippschaltungen).
Es handelt sich um eine bistabile Kippschaltung.
Es gibt zwei Eingänge S („set“) und R („reset“) und zwei Ausgänge, Q und Q
(„quit“). Der Ausgang Q ist zu Q invertiert, d.h. beide Ausgänge sind
entgegengesetzt belegt.
Ein Ein- und Ausgang, der keine oder nur eine sehr kleine Spannung führt, liegt
auf „low“ (L) oder logisch auf „0“.
33
Eine Spannung am Ein- oder Ausgang wird mit „high“ (H) oder dem logischen
„1“ angegebnen.
Das RS–Flipflop ist eine Speicherzelle für eine 0- oder 1-Information mit dem
Informationsgehalt 1 Bit.
Belegungstabelle des RS–Flipflop:
S R Q Q
1 0 1 0 Setzen
0 0 1 0 Speichern
0 1 0 1 Rücksetzen
0 0 0 1 Speichern
1 1 1 1 Unbestimmter Zustand der
Ausgänge, deshalb Verboten!
Die Wirkungsweise des RS–Flipflop ist auf dem Arbeitsblatt Nr. 6 unter Aufgabe
3 dargestellt.
Zu Leuchtdioden (LED):
Leuchtdioden sind Dioden, die Licht aussenden, wenn sie in Durchlassrichtung
betrieben werden.
Leuchtdioden = Light Emitting Diode
LED´s gibt es in verschiedenen Farben und Bauweisen.
Schaltzeichen:
+ -
Die Pole + und – zeigen den Betrieb der Diode in Durchlassrichtung. So leuchtet sie.
34
LED´s leuchten bereits bei sehr kleinen Strömen von 0,5 bis 2mA. Der Strom darf
20-50mA (je nach Typ; im Impulsbetrieb sind auch höhere Ströme zulässig) nicht
überschreiten, sonst wird die LED zerstört.
20mA = 0,02A
Zum Widerstand:
Widerstände sind elektrische Bauteile, die den Strom begrenzen und
Spannungsabfälle erzeugen.
Schaltzeichen:
Ein Vorwiderstand kann den Strom in der LED begrenzen!
Wie wird Größe und Widerstand bestimmt?
Für den Widerstand (R) gilt das Ohmsche Gesetz:
)(15002,0
3Ohm
A
V
eStromstärk
Spannung
I
UR Ω====
Vorwiderstand und LED in Reihenschaltung:
+ -
150 oder 180 Ω
35
Arbeitsblatt Nr. 1: Taster, Stellschalter
1. Zeichne die Schaltsymbole für den Taster und den Stellschalter!
Taster:
Stellschalter:
2. Welchen Unterschied gibt es in der Wirkungsweise der beiden Bauteile?
Taster schließt den Stromkreis nur, so lange er betätigt wird; Schalter bleibt in
dem Zustand, in dem er durch Betätigung gebracht wurde.
Einschalten → Stromkreis geschlossen, Ausschalten → Stromkreis unterbrochen.
3. Nenne jeweils drei elektrische Geräte, in denen Taster bzw. Stellschalter zum
Einsatz kommen!
Taster z.B.: Kühlschranklicht, Taschenlampe, Kaffeemühle...
Stellschalter z.B.: Staubsauger, Zimmerbeleuchtung, Fernseher...
4. Bei welcher Schaltung leuchtet die Lampe? Kreuze an!
a) b) c)
d) e)
T
- +
- +
- +
- +
- +
36
f) g)
h)
5. Baue alle Schaltungen nacheinander auf und teste deine Vermutungen aus
Aufgabe 4!
6. Wie viele richtige Antworten hattest du?
- +
- +
- +
37
Arbeitsblatt Nr. 2: LED
1. An welche Elektrode (Anode oder Kathode) muss der Pluspol der Spannungs-
quelle angeschlossen werden, damit die LED leuchtet? Bezeichne die Anschlüsse
mit + und -!
2. Zeichne das Schaltsymbol einer LED!
3. Vervollständige die Schaltpläne:
a) LED in Durchlassrichtung b) LED in Sperrrichtung
4. Baue die Schaltung a) auf einer Steckplatine auf!
5. Betätige den Schalter! Wie verhält sich die LED?
Ergänze: Wird der Stromkreis geschlossen, leuchtet die LED.
Begründe!
Die LED ist in Durchlassrichtung angeschlossen. Die Anode liegt am Pluspol, die
Kathode liegt am Minuspol der Spannungsquelle. Darum lässt die LED den Strom
durch.
Anode (+)
Kathode (-)
+ - UB = 4,5V
R 150Ω +
- UB = 4,5V
R 150Ω
38
6. Stelle eine Vermutung an: Wie verhält sich die LED in Schaltung b)?
Die LED leuchtet nicht (weil sie in Sperrrichtung angeschlossen ist).
7. Baue die Schaltung b) auf und teste sie! Stimmt deine Vermutung?
Erkläre, warum die LED sich so verhält!
Die Anode (+) ist am Minuspol der Spannungsquelle angeschlossen. So kann die
LED nicht leuchten, weil kein Strom durch sie hindurchfließen kann. Sie ist in
Sperrrichtung angeschlossen.
8. Warum wird die LED immer mit einem Vorwiderstand betrieben?
Die LED leuchtet schon bei kleiner Stromstärke von 0,5-2mA. Übersteigt sie
50mA, wird die LED zerstört. Der Vorwiderstand schützt also die LED vor zu
großer Stromstärke.
9. Berechne nach dem ohmschen Gesetz I
UR = die Stromstärke, die durch die
LED bei 4,5V Betriebsspannung und einem Widerstand von 150Ω fließt! Die
LED erzeugt einen Spannungsabfall von 1,5V.
Skizze:
mAAI
VVVI
R
UI
I
UR
2002,0150
3
150
5,15,4
;
==Ω
=Ω
−=
==
10. In welchen elektrischen Geräten findest du in eurem Haushalt LED´s?
Z.B. Fernseher, CD-Player, Radio, Taschenlampen, Weihnachtsbaumbeleuch-
tung,...
4,5V 3V
1,5V
39
Arbeitsblatt Nr. 3: n–p–n- Transistor
1. Zeichne das Schaltbild des Transistors und benenne seine drei Anschlüsse!
Gib auch die Polarität an!
2. Trage nun folgende Größen in deine Zeichnung ein:
IB, IC, IE; UBE, UCE
3. Vervollständige folgenden Satz:
Die Basis–Emitter–Spannung (UBE) muss ca. 0,7 V betragen, damit der Transistor
leitet, d.h. ein Kollektorstrom fließen kann.
4. Ergänze:
Transistoren verstärken den Strom. Sie dienen auch als Schalter in digitalen
Schaltkreisen.
5. Nenne vier elektrische / elektronische Geräte, in denen Transistoren verwendet
werden! (z.B. Radio, Handy, Computer, Fernseher)
+ Kollektor (C)
- Emitter (E)
+Basis (B)
IB
UBE
IC
UCE
IE
40
Arbeitsblatt Nr. 4: Der Transistor als Schalter
1. Notiere die Bauteile, die in der Schaltung enthalten sind!
LED rot, LED grün, R = 10kΩ, R = 300Ω, Transistor BC 547, Batterie 4,5V
2. Baue die Schaltung auf und kontrolliere, ob alle Teile richtig angeschlossen
sind!
Polarität der LED´s und des Transistors beachten.
3. Beschreibe deine Beobachtungen
a) bei offenem Schalter LED leuchtet nicht
b) bei geschlossenem Schalter LED rot leuchtet, LED grün leuchtet
nicht
4. Begründe das Verhalten der roten LED!
Der Transistor sperrt bei offenem Schalter, weil kein Basisstrom fließt → LED
leuchtet nicht. Bei geschlossenem Schalter leitet der Transistor, weil ein
Basisstrom fließt, d.h. UBE beträgt mindestens 0,7V → LED leuchtet.
5. Begründe das Verhalten der grünen LED!
R 10kΩ ist so groß, dass der Strom nicht reicht, um die LED zum Leuchten zu
bringen; → Ohmsches Gesetz R
UI = , I < 0,5mA
+ -
V
BC547
grün rot
10kΩ 300Ω
UB = 4,5V
BC547
E- B+ C+
Anode (+)
Kathode (-)
41
Arbeitsblatt Nr. 5: Elektronische Bauteile
Bauteile Schaltzeichen Aufgabe im
Stromkreis
Wichtige Informationen
Batterie Spannungsquelle;
Bereitstellen der
elektrischen
Energie
Auf die Polarität achten; bei der
Reihenschaltung mehrerer
Batterien werden die
Spannungen addiert
Summer Wandelt ein
elektronisches in
ein akustisches
Signal um
Auf die Polarität achten; 3V DC
(Gleichstrom)
Taster,
Schalter
Öffnet oder
schließt den
Stromkreis
Ohmscher
Widerstand
Begrenzt den
Strom; erzeugt
Spannungsabfälle
Wird auch als Vorwiderstand
für elektronische Bauteile
verwendet
Leuchtdiode
(LED)
Senden Licht aus,
wenn Strom in
Durchlassrichtung
fließt
Auf die Polarität achten;
Vorwiderstand verwenden;
leuchten bei sehr kleinen
Strömen (0,5 – 2 mA); über
50mA wird LED zerstört
Transistor Verstärken den
Strom; Schalter in
digitalen
Schaltungen
Auf Polarität der drei
Anschlüsse Kollektor–Basis–
Emitter achten; wird leitend ab
UBE ca. 0,7V; Vorwiderstände
verwenden
Kondensator
(wird in
Klasse 9/10
ausgefüllt)
Speichert elektr.
Ladung.
Beim Elektrolytkondensator auf
Polarität achten; Widerstand des
Kondensators verkleinert sich
mit steigender Frequenz.
T
+ -
- +
42
Arbeitsblatt Nr. 6: RS-Flipflop mit diskreten Bauteilen
Die Abbildung zeigt den Schaltplan eines RS-Flipflops, dass mit diskreten
Bauteilen aufgebaut ist.
1. Benenne seine Bauteile! Benutze Symbole!
2. Trage folgende Größen in den Schaltplan ein:
• Setz–Eingang (S)
• Rücksetz–Eingang (R)
• Ausgänge (Q,Q)
• UCE1, UCE2, UB
3. Beschreibe die Funktionsweise des RS-Flipflops!
a) High Impuls an S: T2 leitet, LED2 leuchtet, UCE2 ca. 0V; R6 legt die
Basis von T1 auf ca. 0V → T1 sperrt, UCE1 ca. UB; R3
hält T2 leitend; High – Pegel an Q.
b) High –Impuls an R: T1 leitet, LED1 leuchtet, UCE1 ca. 0V; R3 legt
die Basis von T2 auf ca. 0V → T2 sperrt, UCE2 ca. UB;
R6 hält T1 leitend; High – Pegel an Q.
+
-
R S
Q Q
LED1 LED2
1
3
4 5
6
2
R R
R R
R R
UB
UCE2 UCE1
T1 T2
43
Der heiße Draht mit Flipflop–Schaltung:
Bestückungsplan:
Platinenlayout:
CBE
CBE
220Ω
10kΩ
1kΩ
1kΩ
220Ω
+
-
grün rot
10kΩ 10kΩ
220Ω 1kΩ 1kΩ
10kΩ
220Ω
4,5V Batterie
BC 547 BC 547 BC 547
44
Medien und Material:
A. Medien
Zum RS-Flipflop:
• Lindner, H., Brauer, H., Lehmann, C.: Taschebuch der Elektrotechnik und
Elektronik. Thun, Frankfurt/Main: Verlag Harry Deutsch. 1985.
• Ochs, M.: Digitaltechnik für die handwerkliche Ausbildung. Heidelberg:
Hüthig Buch Verlag. 1993.
• Pütz, J.: Digitaltechnik. Düsseldorf: VDI-Verlag. 1978.
• www.e-technik.fh-kiel.de/~dispert/digital/digital4/dig004_3.htm
• www.elektronik-kompendium.de/sites/dig/0209302.htm
• www.br-online.de/wissen-bildung/telekolleg/fächer/technologie/
• www.uni-
muenster.de/Physik/TD/Uvortec/Information/logFunk/Loesungen/
Zum Transistor:
• www.physik.uni-
muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/grundwissen/trans_eff/
• www.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/versuche/15trans_schalter/
• www.elexs.de/zeitl.htm
Zu Taster/Schalter, Festwiderstand, LED:
• Babendererde, H., u.a.: Umwelt: Technik, Themenheft „Grundlagen
Elektronik“. Stuttgart: Klett-Verlag.2004.
• Lindner, H., Brauer, H., Lehmann, C.: Taschebuch der Elektrotechnik und
Elektronik. Thun, Frankfurt/Main: Verlag Harry Deutsch. 1985.
• Pütz, J.: Einführung in die Elektronik. Frankfurt a.M.: Fischer-
Taschenbuch Verlag. 1993.
B. Material
Versuch zu Taster, Stellschalter pro Schüler(gruppe):
1 Batterie 4,5V mit Anschlusskabeln
1 Glühlampe 6V mit Fassung
3 Schalter
45
4 Anschlusskabel mit Krokodilklemmen
Versuch zur LED pro Schüler(gruppe):
1Steckplatine
1 Batterie 4,5V mit Anschlusskabeln
1 Widerstand 150Ω
1LED rot
1 Schalter
Versuch zum Transistor als Schalter pro Schüler(gruppe):
1Steckplatine
1 Batterie 4,5V mit Anschlusskabeln
1LED rot
1 LED grün
1 Widerstand 10kΩ
1Widerstand 300Ω
1 Transistor BC 547 o.ä.
Aufbau des „heißen Drahtes“ mit Flipflop-Schaltung pro Schüler:
1 Platine 4*5,5cm
1 Batterie 4,5V (3*1,5V Batterien R6 mit Batteriefach auch mögl.)
1LED rot
1 LED grün
2 Widerstände 1kΩ
3 Widerstände 10kΩ
2 Widerstände 220Ω
3 Transistoren BC 547 o.ä.
1 Summer 3V
1 Taster
1 Ein-/Ausschalter
Werkzeuge und Material zum Bohren und Löten
46
3.3 Der „heiße Draht“ mit Zählwerk – Klasse 9/10
Ziele Die Schüler/innen sollen:
• Den „heißen Draht“ mit RS-Flipflop aus Klasse 7/8
so umbauen, dass auch die Zeit für das Durchlaufen
des Irrgartens gemessen werden kann;
• den „heißen Draht“ aus der Klasse 7/8 durch den
Einbau eines Zählwerkes ergänzen;
• den Aufbau, die Funktion und die Wirkungsweise
des Kondensators kennen;
• den Aufbau, die Funktion und die Wirkungsweise
des eines astabilen Multivibrators (AMV) sowie
eines monostabilen Multivibrators (MMV) kennen;
• das RS-Flipflop, den AMV sowie den MMV den
sequentiellen Schaltungen zuordnen können;
• den Grundaufbau und die Funktionsweise von
digitalen Zählern am Beispiel des synchronen
Dezimalzählers erklären;
• den Schaltplan für den „heißen Draht“ mit Hilfe der
Lehrkraft entwickeln;
• das Layout für den „heißen Draht“ weitgehend
selbstständig erstellen;
• die Platine sowie das Zählwerk selbstständig in den
Kasten einbauen.
Unterrichtskonzept Ziel dieses Konzeptes ist die Weiterentwicklung eines
Produktes. Es dient der Einführung ,Erarbeitung, Festigung
und Anwendung der sequentiellen Schaltungen am Beispiel
von RS-Flipflop, AMV und MMV. Grundlegende
Kenntnisse über Zählschaltungen werden vermittelt.
Elektronisches Grundwissen sowie Kenntnisse in der
Platinenherstellung sollen hierbei erweitert und gefestigt
werden.
Richtlinienbezug • Hauptschule NRW, Problemfeld Information und
47
Kommunikation Klasse 9/10.
• Gesamtschule NRW, Problemfeld Information und
Kommunikation Klasse 9/10
• Realschule NRW, Problemfeld Information und
Kommunikation Klasse 9/10
Unterrichtsverlauf:
Zum Konzept Diese Konzept gliedert sich in drei Phasen
(Unterrichtseinheiten):
1. In dieser Phase geht es um die Einführung des letzten
für die Weiterentwicklung des „heißen Drahtes“
noch zu verwendenden diskreten elektronischen
Bauteils. Die Schüler erlangen Kenntnisse über den
Aufbau, Funktion und Wirkungsweise des
Kondensators. Für ein umfassendes Verständnis ist
es wichtig, kleine Versuche mit diesem Bauteil
durchzuführen. Arbeitsblatt Nr. 1 kann hierfür
genutzt werden. Arbeitsblatt Nr. 5 aus dem Konzept
für Klasse 7/8 wird zudem mit dem Kondensator er-
gänzt. Danach erfolgt eine umfassende Wieder-
holung aller bisher erworbenen Kenntnisse über die
verschiedenen diskreten elektronischen Bauelemente.
Auch hierbei kann Arbeitsblatt Nr. 5 aus Klasse 7/8
neben Arbeitsblatt Nr. 2. eine Hilfe sein.
2. Zunächst erfolgt hier die Wiederholung von Aufbau,
Wirkungsweise und Funktion des RS-Flipflops. Als
Anschauungsmaterial eignet sich hierfür der von den
Schülern in Klasse 7/8 hergestellte „heiße Draht“ mit
RS-Flipflop. Die Spalte für das RS-Flipflop auf
Arbeitsblatt Nr. 3wird ausgefüllt.
Es folgt die Einführung einer weiteren sequentiellen
Schaltung – des monostabilen Multivibrators
(MMV). Nach der theoretischen Erarbeitung von
48
Aufbau, Funktion und Wirkungsweise des MMV
kann eine Anwendungsaufgabe der Aufbau der
Summersteuerung auf einer Steckplatine sein.
Hierfür steht als Hilfe Arbeitsblatt Nr. 4 zur
Verfügung. Außerdem wird die Spalte für den MMV
auf Arbeitsblatt Nr. 3 ausgefüllt .Hieran schließt sich
die Einführung der dritten sequentiellen Schaltung
an. Auch hier erfolgt sowohl die theoretische als
auch die praktische Auseinandersetzung mit Aufbau,
Wirkungsweise und Funktion des astabilen
Multivibrators (AMV).
Das Arbeitsblatt Nr. 3 wird vervollständigt. Als
Anwendungsaufgabe eignet sich der Aufbau eines
Blinklichtes auf einer Platine. Hierfür wurde
Arbeitsblatt Nr. 5 erstellt.
Im weitern Verlauf (Im Anschluss an den Bau des
Blinklichtes) geht es um die Anwendung des AMV
als Steuerung der Frequenz eines Zählwerkes
(Zählers).
AMV, Zähler und Siebensegmentanzeige werden
miteinander verbunden. Kleine Übungen zu Zähler
und Zählfrequenz enthält Arbeitsblatt Nr. 6. Die
letzte Spalte auf Arbeitsblatt Nr. 3 wird zudem
ergänzt.
3. In der Bauphase wird der „heiße Draht“ aus Klasse
7/8 mit Zählwerk und Siebensegmentanzeige
ergänzt. Diese Phase dient der Festigung und
Anwendung der bisher erlangten Kenntnisse über
sequentielle Schaltungen. Außerdem werden Kennt-
nisse und Fertigkeiten bei der Platinenherstellung,
beim Löten und bei der Holzbearbeitung vertieft. Es
wird zunächst der Schaltplan mit den Schülern
besprochen. (Arbeitsblatt Nr. 7). Eine Liste der zu
49
verwendenden Bauteile sollte von den Schülern
selbstständig angefertigt werden. Anschließend
werden Bestückungsplan und Platinenlayout erstellt,
was je nach Klassensituation mehr oder weniger
eigenständig erfolgt. Den Bestückungsplan und das
Layout für die Platine enthält Arbeitsblatt Nr. 8. Alle
Bauteile und Drähte werden nun nach dem Ätzen auf
der Platine verlötet.
Als Gehäuse für den „heißen Draht“ dient der Kasten
aus Klasse 5/6 bzw. 7/8. In den Deckel wird ein
Ausschnitt für die Anzeigeelemente gesägt. Die
Platine wird auf die Innenseite des Deckels montiert.
Ein Drahtirrgarten (evtl. mit erhöhtem Schwierig-
keitsgrad) wird von den Schülern angefertigt und am
Gehäuse befestigt. Zum Schluss erfolgt das Testen
des Spiels.
Organisation des
Unterrichts
• Für die Gestaltung der ersten Unterrichtseinheit zum
Kondensator sowie zur Wiederholung von Aufbau,
Funktion und Wirkungsweise der verschiedenen
elektronischen Bauelemente werden etwa 2-3
Doppelstunden benötigt.
• Die Zeit für die zweite Unterrichtseinheit
(Wiederholung des RS-Flipflop, Einführung des
monostabilen sowie astabilen Multivibrators,
Grundaufbau und Funktionsweise von Zählern)
beträgt ca. 4 Doppelstunden.
• 4-5 Doppelstunden werden für die praktische
Tätigkeit benötigt.
• Die Nutzung der Arbeitsblätter sowie weiterer
Materialien wird empfohlen.
• Bei den Versuchen, vor allem aber bei der Erstellung
des Platinenlayouts können die Schüler zu zweit
bzw. in Gruppen arbeiten. Das Löten der Bauteile
50
und der Einbau der Platine in das Gehäuse des
„heißen Drahtes“ erfolgt in Einzelarbeit.
• Das Testen des Spiels kann zunächst als Wettbewerb
innerhalb der Klasse stattfinden, später auch
klassenübergreifend innerhalb der Schulgemein-
schaft.
Lehrerinformation:
Zum Kondensator:
Plattenkondensator Elektrolytkondensator
Schaltzeichen
Aufbau Zwei Metallflächen (Platten)
zwischen denen sich ein
Dielektrikum (Isolator)
befindet.
Dielektrikum kann sein: Luft
oder Gas, Öl, Papier, Kunst-
stoff, Keramik, Metalloxide,
Halbleiter.
Eine Metallelektrode
umgebenvon einer
Elektrolytflüssigkeit. Das
Dielektrikum ist eine
Oxidschicht, die sich auf der
Metallelektrode befindet.
Polung Egal Pluspol ist durch Einkerbung
gekennzeichnet; Minuspol ist
mit – gekennzeichnet. Bei
falscher Polung explodiert das
Bauelement.
Der Kondensator ist ein elektrisches Bauteil, welches elektrische Ladung
speichern kann. Die Aufnahmefähigkeit (Kapazität) ist von der Größe und dem
Abstand der Platten sowie von der Art des Dielektrikums abhängig. Einheit der
Kapazität C ist Farad (F) (nach Michael Faraday)
*1
QC
UA s
FV
=
=
- +
51
Im Gleichstromkreis ist der Widerstand des geladenen Kondensators sehr groß, er
sperrt praktisch den Strom. Im Wechselstromkreis ist der Widerstand des
Kondensators frequenzabhängig, je höher die Frequenz, desto kleiner ist sein
Widerstand. Lade- und Entladestrom haben entgegengesetzte Richtungen. Lade-
und Entladezeit des Kondensators sind abhängig von der Kapazität (C) und vom
vorgeschaltetem Widerstand (R). Es gilt: hohe Kapazität bedeutet hohes Speicher-
vermögen; großer Widerstand bedeutet geringe Stromstärke. Deshalb heißt großes
Speichervermögen und geringe Stromstärke, dass die Lade- bzw. Entladezeit sich
erhöht.
Die Lade- und Entladezeit des Kondensators ist die Zeitkonstante:
[ ] sA
V
V
sAtEinheit
CRtI
UCt
tIUCtIQUCQ
==
=
=
=⇒==
**
*
*
***,*
t=τ(Tau)
1τ gibt an, nach welcher Zeit Spannung bzw. Strom 63% ihrer jeweiligen
Endwerte erreicht haben. (Nach 5 * τ sind sie erreicht.)
Die Lade- und Entladezeit des Kondensators im Diagramm13:
Methodische Hinweise:
Um den Schülern die Wirkungsweise des Kondensators zu verdeutlichen, könnte
folgender Versuch mit dem Elektrolytkondensator durchgeführt werden:
Das Verhalten von Spannung und Stromstärke beim Ladevorgang des
13Vgl.: www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0205301.htm
^
τ = R * C
52
Kondensators wird untersucht:
- Schalter offen: UC = 0, IC = 0
- Schalter geschlossen (Ladevorgang):
UC nimmt zu, IC nimmt ab
- Voll geladener Kondensator:
UC = UB, IC = 0
Zum MMV:
Der monostabile Multivibrator (MMV) ist eine sequentielle Schaltung mit zwei
Zuständen: einem stabilen und einem metastabilen (quasi stabilen) Zustand.
Der MMV kippt durch einen Impuls beliebiger Dauer aus seinem stabilen Zustand
(Ruhezustand) für eine gewisse Zeit in einen metastabilen Arbeitszustand und
danach wieder zurück in den Ruhezustand.
Die Dauer des metastabilen Zustandes hängt von seinem RC-Glied ab.
Schaltplan des MMV mit diskreten Bauteilen:
Das RC–Glied bei diesem MMV ist R1 C1. Es gilt hier die Haltezeit:
τ4 = 0,69 * R * C. Wird τ größer, verlängert sich die Dauer des Ausgangs-
impulses, entsprechend wird der Ausgangsimpuls verkürzt, wenn τ kleiner wird.
Zum AMV:
Der astabile Multivibrator gehört zu den sequentiellen Schaltungen. Er besitzt,
wie der Name schon sagt, keinen stabilen Zustand, sondern zwei metastabile
Zustände, d.h. er kippt stets von einem in den anderen Zustand. So erzeugt der
AMV eine Impulsfolge, deren Frequenz von seinen RC–Gliederm bestimmt wird.
UC
IC
UB +
- V V
A
1kΩ
1000µF
T2
R3
R4
R2 R1
T1
UB
+ -
R5
C1
53
Schaltplan des AMV mit diskreten Bauelementen:
Die RC–Glieder bei dieser Schaltung sind: R4 C2, und R3 C1.
Wie beim Kondensator, gilt auch hier
τ = R * C
Wird τ größer, kippt der AMV langsamer, umgekehrt kippt er schneller, wenn τ
kleiner wird.
Der AMV wird in elektronischen Schaltungen, z.B. zum Steuern von
Zählschaltungen eingesetzt. Im „heißen Draht“ dient er als Taktgeber, über den
die Zählfrequenz bestimmt wird. (Soll z.B. im Zehntelsekundentakt gezählt
werden, muss τ = 0,1s sein.) Die Zählfrequenz wird wie folgt berechnet:
CRf
**4,1
1=
Zum digitalen Zähler (Zählschaltungen):
Zählen in der Digitaltechnik bedeutet allgemein, dass eine am Eingang der
Schaltung einlaufende folge von Impulsen gezählt und gespeichert wird.
Beim Zählen der Impulse werden fortlaufend Eins–Additionen vorgenommen, so
lange, bis der Zeichenvorrat einer Zählstelle erschöpft ist. Ein Dezimalzähler hat
einen Zeichenvorrat von zehn möglichen Ziffern (0-9). Beim zehnten Impuls
erfolgt ein Rückstellen dieser Dezimalstelle auf „0“ und gleichzeitig ein Übertrag
auf die nächste Zählstelle. So wird der dortige Zählerstand dann von eins
weitergezählt. Ist der Zeichenvorrat dieser Stelle erschöpft, erfolgt auch hier das
Rückstellen und der Übertrag. So setzt sich die Zählstelle fort, je nachdem, aus
wie viel Dezimalstellen ein (Dezimal-) Zähler besteht. (Neben dem Dezimalzähler
gibt es auch den Dualzähler, der im dualen Zahlensystem zählt. Das Zählprinzip
ist das gleiche wie beim Dualzähler.)
Grundelemente einer Zählschaltung sind Flipflops (zumeist FK-MS-Flipflops),
die hintereinander geschaltet werden, was sich aus ihrer Fähigkeit ergibt, Impulse
C2
T2
R3
C1
R4 R2 R1
T1
+ - UB
54
zu erfassen, zu speichern und einen Übertrag von einer Stelle auf die
nächsthöherer Stelle zu bilden.
Zählschaltungen werden als industriell gefertigte integrierte Bauelemente
angeboten. (Es wäre, abgesehen von der Größe der Platine, zu mühselig und
kompliziert, sie aus diskreten Bauteilen herzustellen.)
In den Zähler integriert ist ein Code-Wandler. Das ermöglicht den Anschluss einer
Siebensegmentanzeige zum Anzeigen des Zählergebnisses.
Für den „Heißen Draht“ werden folgende Bauteile benötigt: Zählerbaustein (3
Stück) CD 402 68 E, Anzeige (3 Stück) MAN 74A 436D o.ä.. Aus dem
Schaltplan für den „heißen Draht“ ist ersichtlich, wo die Anschlüsse beider
Bauelemente liegen (Arbeitsblatt Nr. 7) und wie sie miteinander verbunden
werden müssen.
Zum Schaltplan:
• Die Schüler sollten die drei sequentiellen Schaltungen RS-Flipflop, MMV,
AMV auf dem Schaltplan erkennen können. Die Funktion der
Kippschaltungen beim „heißen Draht“ (RS-Flipflop: Starten und Stoppen,
MMV: Steuern des Summertones, AMV: Zeitgeber, der Impulse im 0,1s-
Takt liefert, können gemeinsam erarbeitet und dann im Arbeitsblatt (letzte
Spalte) eingetragen werden.
• Der Kondensator, der zwischen RS-Flipflop und MMV geschaltet wurde
verhindert, dass der Strom in das RS-Flipflop zurückfließt.
55
Arbeitsblatt Nr. 1: Der Kondensator als Energiespeicher
1. Zeichne in den Schaltplan das Symbol für den Elektrolytkondensator ein!
2. Notiere in der Tabelle die Bauelemente, die du zum Aufbau der Schaltung
benötigst!
Nr. Bauteil Wert
1 Batterie 4,5V
2 Schalter
3 Festwiderstand 150Ω
4 LED Rot
5 Kondensator 1000µF
3. Bei welchen Bauteilen musst du auf die Polarität achten?
a) LED b) Batterie
c) Kondensator
4. Baue die Schaltung auf!
5. Schließe den Schalter!
Beobachte und notiere das Verhalten der LED!
Die LED leuchtet zunächst hell, danach nimmt die Helligkeit ab.
6. Begründe deine Beobachtung!
Wird der Stromkreis geschlossen (Schalter geschlossen), lädt sich der
Kondensator auf. (Die Stromstärke ist anfangs groß, danach immer kleiner.)
Zuerst leuchtet die LED kurz hell. Ist der Kondensator geladen, leuchtet die LED
nicht mehr, weil der geladene Kondensator den Stromkreis praktisch sperrt.
+
-
+
-
150Ω
- +
UB = 4,5V
Elektrolytkondensator
56
7. Baue die Schaltung folgendermaßen um:
a) Entferne die Batterie und überbrücke die Anschlüsse in der Schaltung!
b) Pole die LED um!
8. Beobachte und notiere das Verhalten der LED, beim Schließen des Schalters!
Die LED leuchtet kurz auf.
9. Begründe!
Der Kondensator entlädt sich. Es fließt kurzzeitig ein Strom aus dem
Kondensator, der dort gespeichert war und bringt die LED kurz zum Leuchten.
10. Überlege, in welchen elektrischen/elektronischen Geräten Kondensatoren
eingebaut sein könnten! Woran kann man das erkennen?
Z.B. Fahrradstandrücklicht → Zeitverzögerung
Tipp: Teste die Schaltungen mit Batterie - Kondensator laden und ohne Batterie -
Kondensator entladen, mehrmals, bevor du deine Beobachtungen notierst! Vergiss
nicht, die LED jedes Mal umzupolen!
57
Arbeitsblatt Nr. 2: Ein Quiz zu elektronischen Bauteilen
Richtig oder falsch-kreuze an!
richtig falsch 1. Festwiderstände begrenzen den Strom und erzeugen
Spannungsabfälle.
X
2. Ein Festwiderstand wird auch als hertzscher Widerstand
bezeichnet.
X
3. Beim Anschluss eines Festwiderstandes in einen Stromkreis
muss auf seine Polung geachtet werden, da er sonst zerstört
werden kann.
X
4. Festwiderstände werden oft als Arbeits- oder Vorwiderstand
für LED’s und Transistoren verwendet.
X
5. Beim Anschluss einer LED in einen Stromkreis muss auf die
Polung geachtet werden.
X
6. Der Strom, der eine LED zum Leuchten bringt, muss
mindestens 5mA betragen.
X
7. Eine LED darf niemals mit einem Vorwiderstand betrieben
werden.
X
8. Transistoren dienen als Schalter und zur Stromverstärkung. X
9. Bei einem n-p-n- Transistor führen Basis und Kollektor
negative Spannung, der Emitter positive Spannung.
X
10. Ab einer Basis- Emitter- Spannung von 0,7V wird ein
Transistor leitend.
X
11. Ein Transistor muss durch einen Vorwiderstand an Basis und
Kollektor vor zu großen Strömen geschützt werden.
X
12. Ein Kondensator kann für eine gewisse Zeit elektrische
Energie speichern.
X
13. Das Speichervermögen des Kondensators ist seine Kapazität
C. Sie wird in Ohm angegeben.
X
14. Am Gehäuse eines Kondensators kann man seine Kapazität
ablesen.
X
15. Beim Anschluss eines Plattenkondensators muss die Polarität X
58
beachtet werden, da er sonst explodieren kann.
16. Der Pluspol ist durch eine Einkerbung am Gehäuse
erkennbar, der Minuspol ist mit einem weißen Strich
(Minuszeichen) gekennzeichnet.
X
17. Lade- und Entladestrom des Kondensators fließen in
entgegengesetzte Richtungen.
X
Korrigiere alle falschen Aussagen! 1. Nr. 2 ohmscher Widerstand
2. Nr. 3 Beim Festwiderstand muss nicht auf die Polung geachtet werden.
3. Nr. 6 mindestens 0,5mA
4. Nr. 7 muss mit einem Vorwiderstand betrieben werden
5. Nr. 9 Basis und Kollektor auf dem Pluspol, Emitter auf dem Minuspol
6. Nr. 13 Kapazität in Farad
7. Nr. 15 Elektrolytkondensator
59
Arbeitsblatt Nr. 3 Sequentielle Schaltungen
Sequentielle
Schaltungen
Aufbau Funktion/
Wirkungsweise
Anwendungs-
beispiele
Einsatz im
„heißen
Draht“
RS - Flipflop Speichert
kurzzeitige
Impulse (kippt durch
einen Impuls am Setz-
oder Rücksetzeingang,
S oder R von einem
stabilen Zustand in
den anderen, Q oder
Q)
Speicherelement
z.B. in Zählern
Starten und
Stoppen
Monostabiler
Multiflop
(MMV)
Wandelt einen
Impuls beliebiger
Länge an E in
einen Impuls
bestimmter Länge
an A um (kippt
durch einen Impuls
aus dem stabilen in
einen zeitlich
begrenzten
Verweilzustand und
danach wieder zurück)
Ausschaltver-
zögerung z.B.
Treppenhaus-
beleuchtung
Steuerung
der Länge
des
Summer-
tones
Astabiler
Multivibrator
(AMV)
Erzeugt eine
Impulsfolge mit
bestimmter
Frequenz (kippt stets
von einem in den
anderen astabilen
Zustand)
Taktgeber z.B.
steuert
Zählerfrequenz
in Zählern,
Blinker und
Warnblinker von
KFZ
Zeitgeber
zur
Zeitmessung
S R
Q Q
E
A
60
Arbeitsblatt Nr. 4: Bau einer Summersteuerung mit monostabilem
Multivibrator
Schaltplan für eine Summersteuerung:
1. Was ist ein monostabiler Multivibrator (MMV)?
Sequentielle Schaltung (Kippschaltung) mit zwei Zuständen: stabil und
metastabil; metastabiler Zustand dauert eine bestimmte Zeit; kippt durch einen
Impuls (egal wie lang) aus seinem stabilen Zustand in einen zeitlich begrenzten
(metastabilen) Verweilzustand und danach wieder in den stabilen Zustand zurück.
2. Welche Bauelemente bilden in der Schaltung das RC–Glied des MMV?
R1 C1
3. Welche Funktion hat das RC–Glied beim MMV im Allgemeinen und was hängt
in dieser Schaltung vom RC–Glied ab?
Allgemein: bestimmt die Dauer des metastabilen Verweilzustandes (Dauer des
Ausgangsimpulses.)
Konkret: bestimmt die Dauer des Summertones.
4. Stelle nun eine Liste der Bauteile zusammen, die zum Aufbau der Schaltung
nötig sind!
Bauelemente Techn. Wert / Anzahl
Summer
R7
100 Ω
R5
1 kΩ T3
-
T1 T2
C1 470µF
R1
5,1 kΩ R2
5,1 kΩ
R3
15 kΩ
R4 5,1 kΩ
+
R6
5,6 kΩ
MMV Summeransteuerung
61
Bezeichnung
Batterie 4,5V 1
Summer 1
Taster 1
Widerstand 100Ω 1
Widerstand 1kΩ 1
Widerstand 5,1kΩ 3
Widerstand 5,6kΩ 1
Widerstand 15kΩ 1
Transistor BC 547 3
Kondensator 470µF 1
5. Baue die Schaltung auf einer Platine auf und teste sie!
6. Wie lange ertönt der Summer? Begründe!
1,7 (1,65393) Sekunden (R * C * 0,69: 0,00047F * 5100Ω * 0,69)
7. Verändere das RC–Glied so, dass der Summer
a) längere Zeit ertönt
b) kürzere Zeit ertönt!
Notiere die Werte deiner verwendeten Bauteile!
8. Wo könnte ein MMV deiner Meinung nach noch Anwendung finden?
z.B. automatische Rollladen, Rolltreppe, Treppenhausbeleuchtung,...
62
Arbeitsblatt Nr. 5: Bau eines Blinklichtes
Die folgende Zeichnung stellt den Schaltplan für den Bau eines Blinklichtes dar:
1. Welche sequentielle Schaltung kannst du im Schaltplan erkennen?
AMV
2. Wovon hängt es hab, wie schnell die Schaltung von einem in den anderen
Zustand kippt?
RC–Glieder: R3 C2 / R4 C1
3. Berechne, wie lange der Blinker in dieser Schaltung leuchtet bzw. nicht
leuchtet!
τ1 undτ2: R ∗ C = 4,7kΩ ∗ 220µF = 34,7*10V
A
τ = 4700Ω ∗ 0,00022F = 4700 *0,0002V As
A V
τ = 0,94 s
4. Stelle eine Liste mit den Bauteilen zusammen, die du für den Aufbau der
Schaltung benötigst!
Bauteil Techn. Wert/
Bezeichnung
Anzahl
Batterie 4,5V 1
Schalter 1
+
-
T1 T2
+ + - -
C1 220µF C2 220µF
R1
220Ω
R2
220Ω
R4
4,7kΩ R3
4,7kΩ
LED rot
63
Widerstand 220Ω 2
Widerstand 4,7kΩ 2
LED rot 0,2mA 1
n–p–n Transistor BC 547 2
Kondensator 220µF 2
5. Baue die Schaltung auf einer Platine auf und teste sie!
6. Wie musst du die RC–Glieder verändern, damit
a) die LED schneller,
b) die LED langsamer blinkt?
a) RC–Glied hat eine kleinere Zeitkonstante, d.h. R kleiner und/oder C kleiner
b) RC–Glied hat eine größere Zeitkonstante, d.h. R größer und/oder C größer
7. Baue die Schaltung so um, dass der Blinker ca. 2 Sekunden leuchtet und die
Pause ebenso lange dauert!
Die Formel zur Berechnung der Zeitdauer:
*R Cτ =
3 6
3
2,50, 42*10 0,000420*10
4,7*10
420
C F FVRA
C F
τ
µ
= = = =
=
64
Arbeitsblatt Nr. 6: Zählschaltung (mit AMV als Zählersteuerung)
1. Baue den AMV von Arbeitsblatt Nr. 5 ohne LED auf die linke Seite einer
Steckplatine auf!
Die Bauteile sollen dabei so dicht wie möglich gesteckt werden. Verbinde Ihn mit
dem Plus- und Minuspol der Betriebspannung!
2. Stecke 3 Zählbausteine (MAN 74A 436D) auf die untere Hälfte der Platine und
3 Siebensegmentanzeigen (CD 402 68 E) parallel dazu auf die obere Hälfte!
Verwende zum Aufbau des Zählers den Schaltplan.
AMV
AMV
Platine
65
3. Anschlüsse (siehe Anschlussschema von Zähler und Anzeige):
• Verbinde zunächst die Zählerausgänge a-g mit den entsprechenden
Anschlüssen der Anzeigen mit Kabelbrücken!
• Nun wird der Minuspol des Zählers mit der linken Kathode der Anzeige
verbunden.
• Den Ausgang +10 des ersten Zählers verbindest du mit C des zweiten
Zählers, +10 des zweiten Zählers mit C des dritten Zählers.
• Der Ausgang C des ersten Zählers wird mit dem Ausgang des AMV
verbunden.
• Die Ausgänge Den aller Zähler liegen auf dem Pluspol (Betriebspannung),
die Ausgänge aller Zähler Cen auf dem Minuspol (Betriebsspannung).
• Die Ausgänge + aller Zähler legst du auf den Pluspol (Betriebsspannung).
• Alle Rücksetz-Eingänge (R) der Zähler werden auf Minus gelegt.
• Schließe nun eine Batterie an (4,5V) an den Plus- und Minuspol der
Steckplatine an!
4. Teste die Zählschaltung durch Betätigung des Schalters am AMV!
d a e b c R +
- g f +10 Den Cen C
f g Kat e d
a b Kat dp c
d a e b c R +
- g f +10 Den Cen C
f g Kat e d
a b Kat dp c
d a e b c R +
- g f +10 Den Cen C
f g Kat e d
a b Kat dp c
+
-
66
Medien und Material
Literatur:
A) zum Kondensator
1. Garbrecht, F.W.: Basiswissen Elektronik. Einführung für Einsteiger und
Anwender. Berlin, Offenbach: VDE Verlag. 2003.
2. Hartmann, E., Hein, C.: Duden Technik. Basiswissen Schule. Berlin,
Mannheim: Paetec. 2004.
3. Lindner, H., Brauer, H., Lehmann, C.: Taschebuch der Elektrotechnik und
Elektronik. Thun, Frankfurt/Main: Verlag Harry Deutsch. 1985.
B) zu sequentiellen Schaltungen
1. Hartmann, E., Hein, C.: Duden Technik. Basiswissen Schule. Berlin,
Mannheim: Paetec. 2004.
2. Lindner, Brauer, Lehmann: Taschebuch der Elektrotechnik und
Elektronik. Thun, Frankfurt/Main: Verlag Harry Deutsch. 1985.
3. Ochs, M.: Digitaltechnik für die handwerkliche Ausbildung. Heidelberg:
Hüthig Buch Verlag. 1993.
4. Pütz, J.: Digitaltechnik. VDI-Verlag. 1978.
Material
• Versuch zum Kondensator als Energiespeicher pro Schüler bzw.
Schülergruppe:
1 Steckplatine
1 Kondensator 1000µF, 1LED rot
1 Festwiderstand 150Ω
1 Batterie 4,5V + 2 Anschlusskabel mit Krokodilklemmen
2 Spannungsmessgeräte + Anschlusskabel
1 Strommessgerät + Anschlusskabel
Falls keine Steckplatine vorhanden sind, können die Bauteile auch einfach
mit Kabeln und Krokodilklemmen verbunden werden.
• Versuch zum MMV (Summersteuerung)
Pro Schülergruppe:
1 Steckplatine
1 Taster
67
1 Summer 3V DC
1 Festwiderstand 100Ω
1 Festwiderstand 1kΩ
3 Festwiderstände 5,1kΩ
1 Festwiderstand 5,6kΩ
1 Festwiderstand 15kΩ
1 Kondensator 470µF
3 Transistoren BC 547
1 Batterie 4,5V + 2 Anschlusskabel mit Krokodilklemmen
- verschieden kleinere und größere Widerstände und Kondensatoren für
Aufgaben 6 und 7
• Versuch zum AMV (Blinklicht)
Pro Schülergruppe:
1 Steckplatine
1 Schalter
1 LED rot
2 Festwiderstände 220Ω
2 Festwiderstände 4,7kΩ
2 Kondensatoren 220µF
2 Transistoren BC 547
1 Batterie 4,5V + 2 Anschlusskabel mit Krokodilklemmen
• Versuch zur Zählschaltung
Pro Schülergruppe:
Material für Versuch zum AMV, ohne LED
3 Zählbausteine MAN 74A 436D o.ä.
3 Siebensegmentanzeigen CD402 68E o.ä.
37 Kabelbrücken
68
4. Technische Realisierung
Am Anfang stand die Idee, den einfachen „heißen Draht“, der üblicherweise mit
einer Batterie und einem Summer oder Glühlampe bzw. LED betrieben wird, so
auszubauen, dass angezeigt wird, ob und wann eine Berührung des
Drahtirrgartens erfolgt ist. Zu diesem Zweck bauten wir ein RS-Flipflop aus
diskreten Bauteilen ein. Der S-Eingang wurde mit einem Schalter (Taster)
verbunden, der eine grüne LED zur optischen Signalanzeige ansteuert. Der R-
Eingang des Flipflops wurde als Schalter mit dem „heißen Draht“ verbunden. Er
steuert eine rote LED an.
Zunächst wurde der Schaltplan für das Flipflop mit LED und Summer erstellt.
Wie in Kapitel zwei beschrieben, ist der prinzipielle Aufbau einer
Flipflopschaltung immer gleich. So mussten wir nur die Größen der Widerstände
berechnen, bzw. letztendlich die richtigen Größen durch Ausprobieren
herausfinden. Reines Berechnen der Bauteile genügt oftmals nicht, da die
Bauelemente große Toleranzbereiche haben.
Anhand des Schaltplans bauten wir alles auf einer Steckplatine zusammen und
probierten die Schaltung aus. Die einzige Schwierigkeit bestand in der
Ansteuerung des Summers. Bis auf seinen Einsatz funktionierte die Schaltung.
Der Summer hat einen sehr großen Widerstand. Wenn er zwischen der roten LED
und dem regulären Widerstand eingebaut wird, wäre der Widerstand insgesamt zu
groß und die rote LED würde nicht aufleuchten. So mussten wir die Schaltung
erweitern , so dass der Summer nun durch einen eigenen Transistor mit Strom
versorgt wird.
Der Schaltplan unseres ersten „heißen Drahtes“ sah folgender Maßen aus:
4,5V Batterie
Start Taster
+
-
grün rot
10kΩ 10kΩ
220Ω 1kΩ 1kΩ
10kΩ
220Ω
(S) (R)
BC 547 BC 547 BC 547
69
Nach diesem Schaltplan entwarfen wir Bestückungsplan und Layout für die
Platine. Die einzelnen Bauteile wurden nach dem Ätzen der Platine angelötet,
ebenso die Drähte für den Anschluss von LED´s, Taster, Schalter und
Drahtschlaufe (Handstück des „heißen Drahtes“), die sichtbar auf dem Deckel des
Kastens montiert wurden.
Als Kasten dient eine alte Weinkiste, die wir für unsere Zwecke umgebaut und in
deren Deckel wir an vorher markierten Stellen Löcher für die LED´s, den
Drahtirrgarten, die Drahtschlaufe, den Startknopf und einen Ein-/Ausschalter
gebohrt und die Bauteile befestigt haben. Diese Bauteile haben wir noch an die
vorgesehen Drähte der Platine gelötet.
Der Drahtirrgarten wird an der Kiste mit Bananensteckern befestigt, damit er
ausgetauscht werden kann. Je nachdem wie er gebogen ist, kann der Schwierig-
keitsgrad verändert werden.
Bauteile für das
Flipflop
Anzahl
Transistor BC 547 3
Widerstand 220Ω 2
Widerstand 1kΩ 2
Widerstand 10kΩ 3
LED grün 1
LED rot 1
Starter 1
Taster 1
Summer 1
Batterie mit Fach
(3*1,5V R6)
1
Mit weiterem Ausbauen des „heißen Drahtes“ wollten wir das Schummeln
verhindern und die Geschwindigkeit der verschiedenen Spieler vergleichbar
machen. So überlegten wir uns einen Zähler (Stoppuhr) in die Schaltung zu
integrieren.
Als Taktgeber des Zählers ist folgender astabiler Multivibrator (AMV)
entstanden:
70
Wie auch bei dem Flipflop ist hier der charakteristische Schaltplan vorgegeben.
Beim AMV konnten wir dieses Mal aber nicht mit Erfahrungswerten arbeiten,
sondern mussten die RC-Glieder (15 kΩ, 10 µF ) so berechnen, dass der Zähler
Zehntelsekunden zählt.
Die Zeitkonstante ist τ = 15000 * 0,00001 = 0,15 und die Frequenz ist
Ω=
Ω=Ω==
=
=
−
kR
As
sVR
CfR
CRf
1,7
10*00714,0140
10*1
10*10*10*4,1
1
**4,1
1
**4,1
1
66
6
An den AMV schlossen wir die Zählwerke und Anzeigen (beides IC´s) an. Dies
war lediglich in dem Schaltplan und dem Platinen Layout aufwendig, da viele
Anschlüsse verbunden werden mussten. Beim Löten der Platine war größte
Sorgfalt gefragt, da die einzelne Beinchen der IC´s sehr eng beieinander liegen
und die Lötaugen sich nicht berühren dürfen. Wie man an der fast fertig gelöteten
Platine erkennen kann:
1 kΩ 7,1 kΩ
10 µF
7,1 kΩ
10 µF
1 kΩ
71
In den Deckel der bereits vorhandenen Kiste haben wir ein Loch in der Größe der
Anzeigeelemente gesägt, da diese direkt auf der Platine befestigt sind und von
außen sichtbar sein sollten.
Bauteile für den AMV Anzahl
Transistor BC 547 2
Widerstand 1kΩ 2
Widerstand 7,1kΩ 3
Kondensator 10µF 2
Zählschaltkreise Anzahl
MAN 74A 436D (Zähler) 3
CD 40268 E (Anzeige) 3
Beim Zusammenbauen des Flipflops mit dem AMV trat erneut die Schwierigkeit
mit dem Summer auf. Sein hoher Widerstand beeinträchtigte die Funktion der
Schaltung. Ohne Summer hätte zwar alles so bleiben können, aber wir wollten auf
das akustische Signal nicht verzichten.
Deshalb wurde die Schaltung noch durch einen monostabilen Multivibrator
(MMV) ergänzt, der hier eigens zur Steuerung des Summers eingebaut wurde.
Wie auch bei den anderen beiden Schaltungen ist die prinzipielle Schaltung eines
MMV´s vorgegeben. Bestimmend für die Dauer des Ausgangsimpulses ist das
RC-Glied (5,1kΩ, 100 µF). Bei diesen Werten der Bauteile ist die Länge des
Summertones unserem Empfinden nach angemessen nämlich (5100 * 0,0001 *
0,69) 0,3519 Sekunden lang.
15 kΩ
100 Ω
5,6 kΩ
5,1 kΩ 5,1 kΩ 100 µF
5,1 kΩ
Summer
470nF
72
Ansonsten ist es ähnlich wie in der Flipflopschaltung. Auch hier muss der
Summer auf Grund seines großen Widerstandes mit einem Transistor in die
Schaltung integriert werden.
Zwischen die Flipflopschaltung und den MMV haben wir einen Kondensator
eingefügt.
Bauteile für den MMV Anzahl
Transistor BC 547 3
Widerstand 5,1kΩ 3
Widerstand 15kΩ 1
Widerstand 5,6kΩ 1
Widerstand 100Ω 1
Kondensator 100µF 1
Summer 1
Kondensator 470nF (Zwischen
MMV und Flipflop)
2
Da die IC´s eine höhere Betriebsspannung benötigen, betreiben wir die Schaltung
nun mit 9V. Deshalb mussten die Werte der Widerstande im Flipflop angepasst
werden. Die neue Bestückungsliste sieht folgendermaßen aus:
Bauteile für das Flipflop in der
Schaltung mit Zählwerk
Anzahl
Transistor BC 547 2
Widerstand 620Ω 2
Widerstand 1kΩ 2
Widerstand 20kΩ 3
LED grün 1
LED rot 1
Starter 1
Taster 1
73
Das Blockschaltbild zeigt die einzelnen Elemente der Schaltung:
Takt Zähler Anzeige
RS-Flipflop
Ton Start
Stopp
75
Der Bestückungsplan und das Platinenlayout:
20kCBE
CBE
620
20k
1kΩ 1kΩ 620Ω
100kΩ
470
1kΩ 1kΩ 7,5kΩ 7,5kΩ
10µF 10µ
470nF
+
_
CB E
C B E
C B E
5,1kΩ
5,6kΩ
5,1kΩ 5,1kΩ 100Ω 15kΩ
1k470µ
76
5. Schlusswort
Der „heiße Draht“ hat uns fast unser ganzes Studium begleitet. Wir haben damals
mit einem einfachen „heißen Draht“ begonnen und nach und nach die Schaltung
und damit den Komfort dieses Spiels verbessert. Bei den Entwürfen traten einige
Schwierigkeiten auf. Die Toleranzen der Berechnungen und Bauelemente waren
so groß, dass wir oft nur durch Ausprobieren die richtigen Größen der
Bauelemente fanden. Wir haben z.B. den „heißen Draht“ bei der einen Schaltung
nur mit Flipflop bauen müssen und die Schaltung mit Zählwerk mussten wir so
verändern wie sie jetzt in Kapitel 4 beschrieben ist. Wir haben im Verlauf unserer
Arbeit viel über Strom, Spannung, elektronische Bauelemente und die
verschieden sequentiellen Schaltungen gelernt und durch die praktische Tätigkeit
auch erst richtig verstanden. Es wurde uns deutlich, dass neben dem theoretischen
Wissen praktische Anwendung unverzichtbar für das Verständnis ist.
Für unsere Examensarbeit sollten wir zusätzlich ein Unterrichtskonzept
entwickeln. Dafür mussten die komplizierten Funktions- und Wirkungsweisen der
Bauelemente und Schaltungen auf schülergerechtes Niveau gebracht werden.
Zuerst haben wir die Rahmenrichtlinien durchgesehen, um zu wissen in welchen
Jahrgangsstufen wir unseren einfachen „heißen Draht“ und die sequentiellen
Schaltungen in den Unterricht einbringen können.
Wir haben uns für den „heißen Draht“ entschieden, weil ihn fast jeder Schüler
kennt und die Mehrheit der Schüler gern damit spielt. Da die Schüler wissen, dass
sie den „heißen Draht“ immer wieder weiter bearbeiten können, erhoffen wir uns
auch einen sorgfältigen Umgang mit diesem, d.h., dass die Schüler sich z.B. Mühe
geben den Drahtirrgarten schön zu biegen. Im übrigen können die Schüler stolz
darauf sein selbst etwas entwickelt und gebaut zu haben was auch noch
funktioniert.
Wir möchten den Lehrekräften, die unser Konzept verwenden, den Umgang mit
den sequentiellen Schaltungen erleichtern. Mit den Arbeitsblättern (mit Lösungen)
und den Lehrerinformationen wollen wir erreichen, dass Lehrkräfte und Schüler
die sequentiellen Schaltungen verstehen. In der Fachliteratur ist das Thema oft
sehr mathematisch mit vielen Herleitungen der Lösungsformeln beschrieben. So
haben es auf dem Gebiet der Elektronik Unerfahrene schwer Zugang zum Thema
der sequentiellen Schaltungen zu finden. Da die Schaltungen aber in vielen
77
elektrischen Geräten aus unserem täglichen Leben (Beispiel stehen auf den
Arbeitsblättern) vorkommen, finden wir es wichtig, diese den Schülern
zugänglich zu machen, auch wenn die Herausforderung sicherlich groß ist. Jeder
sollte schließlich die Chance bekommen seine Umwelt so gut und so früh wie
möglich zu verstehen.
Allerdings sollten die Lehrkräfte individuell entscheiden, inwieweit ihre Klasse in
der Lage ist diese Zusammenhänge zu verstehen oder ob eventuell noch mehr
Hilfestellung gegeben werden muss. Hiermit sind im Speziellen der MMV, AMV
und die Zähler gemeint.
Uns hat die Arbeit mit den sequentiellen Schaltungen und speziell dem „heißen
Draht“ viel Freude gemacht. So hoffen wir natürlich, dass es den Schülern und
Lehrkräften ähnlich ergeht.
Letztendlich geht es uns auch darum, dass Technik nicht nur genutzt, sondern
auch verstanden werden soll. Wir hoffen mit unserer Arbeit einen kleinen Beitrag
dafür leisten zu können. Vielleicht gelingt es auch, bei einigen Schülern Interesse
zu wecken, sich mit der Elektronik weiter zu beschäftigen, sich selbstständig
Wissen auf diesem Gebiet anzueignen und eventuell sogar eine berufliche
Perspektive zu finden.
Viel Spaß beim Nacherfinden und Bauen!
78
6. Literaturverzeichnis
• Babendererde, H., u.a.: Umwelt: Technik, Themenheft „Grundlagen
Elektronik“. Stuttgart: Klett-Verlag.2004.
• Garbrecht, F.W.: Basiswissen Elektronik. Einführung für Einsteiger und
Anwender. Berlin, Offenbach: VDE Verlag. 2003.
• Hartmann, E., Hein, C.: Duden Technik. Basiswissen Schule. Berlin,
Mannheim: Paetec.2004.
• Hill, B., u. a.: Probleme lösen - Methoden anwenden. Themenheft und
Lehrerinformationsheft. Stuttgart, Düsseldorf, Leipzig: Ernst Klett Verlag.
2000.
• Jansen, H. und Rötter, H.: Telekommunikationstechnik. Fachbildung.
Haan-Gruiten: Europa Lehrmittel. 1995.
• Lindner, H., Brauer, H., Lehmann, C.: Taschebuch der Elektrotechnik und
Elektronik. Thun, Frankfurt/Main: Verlag Harry Deutsch. 1985.
• Ochs, M.: Digitaltechnik für die handwerkliche Ausbildung. Heidelberg:
Hüthig Buch Verlag. 1993.
• Pütz, J.: Digitaltechnik. Düsseldorf: VDI-Verlag. 1978.
• Pütz, J.: Einführung in die Elektronik. Frankfurt a.M.: Fischer-
Taschenbuch Verlag. 1993.
• Tietze, U., Schenk, C.: Halbleiterschaltungstechnik. Berlin, Heidelberg,
und weitere: Springer. 1999.
• Der Kultusminister des Landes Nordrhein-Westfalen: Richtlinien Technik.
Lernbereich Arbeitslehre. Hauptschule. Düsseldorf. 1989.
• Der Kultusminister des Landes Nordrhein-Westfalen: Rahmenrichtlinien
Technik. Realschule. Düsseldorf. 1989.
• Der Kultusminister des Landes Nordrhein-Westfalen: Rahmenrichtlinien
Technik. Gesamtschule. Düsseldorf. 1989.
• Online im Internet: URL: www.uni-muenster.de/physik/TD./matrix_1.htm
Stand Dezember 2005.
• Online im Internet: URL: www.uni-muenster.de/Physik/TD/suchwort.htm
Stand Dezember 2005.
79
• Online im Internet: URL: e-technik.fh-
kiel.de/~dispert/digital/digital4/dig004_3.htm
Stand Dezember 2005.
• Online im Internet: URL: www.elektronik-
kompendium.de/sites/dig/0209302.htm
Stand Dezember 2005.
• Online im Internet: URL: www.br-online.de/wissen-
bildung/telekolleg/fächer/technologie/
Stand Dezember 2005.
• Online im Internet: URL: www.uni-
muenster.de/Physik/TD/Uvortec/Information/logFunk/Loesungen/
Stand Dezember 2005.
• Online im Internet: URL: www.uni-
munchen.de/leifiphysik/web_ph10/grundwissen/trans_eff/
Stand Dezember 2005.
• Online im Internet: URL: www.uni-
muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/versuche/15trans_schalter/
Stand Dezember 2005.
• Online im Internet: URL: www.elexs.de/zeitl.htm
Stand Dezember 2005.
• Online im Internet: URL: www.elektronik-
kompendium.de/sites/grd/0205301.htm
Stand Dezember 2005.
• Online im Internet: URL: www.uni-
muenster.de/Physik.TD/Uvortec/Information/Heissdraht/Titelseite.htm
Stand Dezember 2005.
80
Ich, Christine Martin, versichere, dass ich die schriftliche Hausarbeit selbständig
verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt
habe. Alle Stellen der Arbeit, die anderen Werken dem Wortlaut entnommen
wurden, habe ich in jedem Fall unter Angabe der Quelle als Entlehnung kenntlich
gemacht. Das Gleiche gilt auch für die beigegebenen Zeichnungen, Kartenskizzen
und Darstellungen.
Münster, den
Ich, Sandra Rasch, versichere, dass ich die schriftliche Hausarbeit selbständig
verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt
habe. Alle Stellen der Arbeit, die anderen Werken dem Wortlaut entnommen
wurden, habe ich in jedem Fall unter Angabe der Quelle als Entlehnung kenntlich
gemacht. Das Gleiche gilt auch für die beigegebenen Zeichnungen, Kartenskizzen
und Darstellungen.
Münster, den