Das Franzis Handbuch Elektronik
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65272-8 Titelei 160x230 08.07.14 09:18 Seite 4Bibliografische Information der Deutschen BibliothekDie Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;detaillierte Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.Alle in diesem Buch vorgestellten Schaltungen und Programme wurden mit der größtmöglichen Sorgfalt entwickelt, geprüftund getestet. Trotzdem können Fehler im Buch und in der Software nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag undAutor haften in Fällen des Vorsatzes oder der groben Fahrlässigkeit nach den gesetzlichen Bestimmungen. Im Übrigen haftenVerlag und Autor nur nach dem Produkthaftungsgesetz wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheitoder wegen der schuldhaften Verletzung wesentlicher Vertragspflichten. Der Schadensersatzanspruch für die Verletzungwesentlicher Vertragspflichten ist auf den vertragstypischen, vorhersehbaren Schaden begrenzt, soweit nicht ein Fall derzwingenden Haftung nach dem Produkthaftungsgesetz gegeben ist.Achtung! Augenschutz und LEDs:Blicken Sie nicht aus geringer Entfernung direkt in eine LED, denn ein direkter Blick kann Netzhautschäden verursachen!Dies gilt besonders für helle LEDs im klaren Gehäuse sowie in besonderem Maße für Power-LEDs. Bei weißen, blauen,violetten und ultravioletten LEDs gibt die scheinbare Helligkeit einen falschen Eindruck von der tatsächlichen Gefahr für IhreAugen. Besondere Vorsicht ist bei der Verwendung von Sammellinsen geboten. Betreiben Sie die LEDs so wie in der Anleitungvorgesehen, nicht aber mit größeren Strömen.Liebe Kunden!Dieses Produkt wurde in Übereinstimmung mit den geltenden europäischen Richtlinien hergestellt und trägtdaher das CE-Zeichen. Der bestimmungsgemäße Gebrauch ist in der beiliegenden Anleitung beschrieben.FranzisBei jeder anderen Nutzung oder Veränderung des Produktes sind allein Sie für die Einhaltung der geltendenRegeln verantwortlich. Bauen Sie die Schaltungen deshalb genau so auf, wie es in der Anleitung beschrieben wird.Das Produkt darf nur zusammen mit dieser Anleitung weitergegeben werden.Das Symbol der durchkreuzten Mülltonne bedeutet, dass dieses Produkt getrennt vom Hausmüll als Elektroschrottdem Recycling zugeführt werden muss. Wo Sie die nächstgelegene kostenlose Annahmestelle finden, sagt IhnenIhre kommunale Verwaltung.Autor: Burkhard Kainka 2014 Franzis Verlag GmbH, Richard-Reitzner-Allee 2, 85540 HaarAlle Rechte vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und der Speicherung in elektronischen Medien. DasErstellen und Verbreiten von Kopien auf Papier, auf Datenträgern oder im Internet, insbesondere als PDF, ist nur mitausdrücklicher Genehmigung des Verlags gestattet und wird widrigenfalls strafrechtlich verfolgt.Die meisten Produktbezeichnungen von Hard- und Software sowie Firmennamen und Firmenlogos, die in diesem Werkgenannt werden, sind in der Regel gleichzeitig auch eingetragene Warenzeichen und sollten als solche betrachtet werden.Der Verlag folgt bei den Produktbezeichnungen im Wesentlichen den Schreibweisen der Hersteller.
5Inhaltsverzeichnis1Einleitung . 72Versuche mit LEDs . 172.1Gebremster Strom . 172.2Farbwechsel . 192.3Strom gesperrt . 202.4Alles parallel . 212.5Die Kurven einer LED . 222.6Alle in einer Reihe . 243Kondensatoren . 273.1Energiespeicher . 273.2Lange und kurze Zeiten . 293.3Die Richtung wechseln . 304Transistor-Grundschaltungen . 334.1Mehr Strom! . 334.2Anders gepolt. 364.3Elektronische Einbahnstraßen. 374.4Umgekehrt . 394.5Licht für eine Minute . 404.6Wenn es dämmert . 424.7Stromverstärkung hoch zwei . 434.8Ein ungleiches Paar . 454.9Die LED lernt sehen . 484.10Konstante Helligkeit. 494.11Gespiegelter Strom . 515NF-Verstärker. 555.1Knacken aus dem Lautsprecher . 555.2Verstärkte Töne . 575.3Zwei Stufen lauter . 595.4Radioklänge . 625.5Emitter folgt Basis . 645.6Im Gegentakt. 65
6Inhaltsverzeichnis6Kippschaltungen . 676.1Flip und Flop. 676.2Zünden und löschen. 686.3Getriggerte Helligkeit . 716.4Zurückgekoppelt . 727Blinkerschaltungen und Oszillatoren . 757.1Streng im Wechsel . 757.2An und Aus . 767.3Je heller desto höher . 797.4Spannung steuert Töne . 817.5Sägezähne . 828Operationsverstärker. 858.1Den kleinen Unterschied verstärken . 858.2Operation Vergleich . 878.3Verstärkung Eins . 888.4Spannung mal zwei . 898.5Verstärkte Töne . 908.6Dreieck und Rechteck . 939Der Timer NE555 . 979.1Töne erzeugen. 979.2Präzise getaktet . 1009.3Schwelle erreicht . 1019.4Schneller Puls . 1029.5Lügendetektor. 10410 Spezialanwendungen . 10710.1Gepumpte Ladung . 10710.2Kurzwellenklänge. 10810.3Meeresrauschen. 11010.4Weicher Blinker . 111AAnhang. 115
71EinleitungDieses Lernpaket wurde zusammengestellt, um Ihnen die wichtigsten Grundlagen der Elektronik vorzustellen. Was nutzt alle graue Theorie ohne die Praxis!Deshalb wurde ein Experimentierpaket mit den wichtigsten Bauteilen gepackt.Schnell werden Sie den Überblick gewinnen und über die vorgestellten Schaltungen hinaus eigene Ideen entwickeln und erproben. Zur Durchführung der Experimente benötigen Sie eine 9-V-Blockbatterie, die aus Gründen der unbestimmten Lagerungszeit nicht im Lernpaket enthalten ist.Das SteckfeldAlle Versuche werden auf der beiliegenden Labor-Experimentierplatine aufgebaut. Das Steckfeld mit insgesamt 270 Kontakten im 2,54-mm-Raster sorgt fürsichere Verbindungen der integrierten Schaltungen (ICs) und der Einzelbauteile.Abb. 1.1: Das ExperimentierfeldDas Steckfeld hat im mittleren Bereich 230 Kontakte, die jeweils durch vertikaleStreifen mit 5 Kontakten leitend verbunden sind. Zusätzlich gibt es am Rand 40Kontakte für die Stromversorgung, die aus zwei horizontalen Kontaktfederstreifen mit 20 Kontakten bestehen. Das Steckfeld verfügt damit über zwei unabhängige Versorgungsschienen. Abb. 1.2 zeigt alle internen Verbindungen. Man erkenntdie kurzen Kontaktreihen im Mittelfeld und die langen Versorgungsschienen amRand.
8Kapitel 1: EinleitungAbb. 1.2: Die internen KontaktreihenDas Einsetzen von Bauteilen benötigt relativ viel Kraft. Die Anschlussdrähteknicken daher leicht um. Wichtig ist, dass die Drähte exakt von oben eingeführtwerden. Dabei hilft eine Pinzette oder eine kleine Zange. Ein Draht wird möglichst kurz über dem Steckbrett gepackt und senkrecht nach unten gedrückt. Solassen sich auch empfindliche Anschlussdrähte wie die verzinnten Enden desBatterieclips und des Piezo-Schallwandlers ohne Knicken einsetzen.Für die Versuche benötigen Sie kurze und längere Drahtstücke, die Sie passendvon dem beiliegenden Schaltdraht abschneiden müssen. Zum Abisolieren derDrahtenden hat es sich als praktisch erwiesen, die Isolierung mit einem scharfenMesser rundherum einzuschneiden.Die folgende Übersicht zeigt Ihnen alle vorhandenen Bauteile mit ihren Schaltsymbolen, wie sie in den Schaltplänen verwendet werden. Statt einer Batteriekönnte z. B. auch ein Labornetzteil verwendet werden.Die BatterieAbb. 1.3: Die Batterieund der Batterieclip
Kapitel 1: Einleitung9Verwenden Sie keine Alkali-Batterie und keinen Akku, sondern nur einfacheZink-Kohle-Batterien. Zwar weist die Alkali-Batterie eine größere Lebensdauerauf, sie liefert jedoch im Fehlerfall, z. B. bei einem Kurzschluss, ebenso wie einAkku sehr große Ströme bis über 5 A, die dünne Drähte oder die Batterie selbststark erhitzen können. Der Kurzschlussstrom einer Zink-Kohle-Blockbatterie istdagegen meist kleiner als 1 A. Damit können zwar bereits empfindliche Bauteilezerstört werden, eine Verbrennungsgefahr besteht aber nicht.Der beiliegende Batterieclip besitzt ein Anschlusskabel mit biegsamer Litze. DieKabelenden sind abisoliert und verzinnt. Sie sind damit steif genug, um sie in dieKontakte des Steckbretts einzuführen. Allerdings können sie durch häufigesStecken ihre Form verlieren und aufspleißen. Es wird daher empfohlen, dieBatterieanschlüsse immer angeschlossen zu lassen und nur den Clip von derBatterie abzuziehen.LeuchtdiodenDas Lernpaket enthält eine rote und eine grüne LED. Hier muss grundsätzlich diePolung beachtet werden. Der Minus-Anschluss heißt Kathode und liegt amkürzeren Anschlussdraht. Der Plus-Anschluss ist die Anode. Im Inneren der LEDerkennt man einen kelchartigen Halter für den LED-Kristall, der an der Kathodeliegt. Der Anodenanschluss ist mit einem extrem dünnen Drähtchen mit einemKontakt auf der Oberseite des Kristalls verbunden. Achtung, anders als Glühlämpchen dürfen LEDs niemals direkt mit einer Batterie verbunden werden. Esist immer ein Vorwiderstand nötig.Abb. 1.4: Die LeuchtdiodeWiderständeDie Widerstände im Lernpaket sind Metallschichtwiderstände mit Toleranzenvon 1%. Die Widerstandsschicht ist auf einen Keramikstab aufgebracht und miteiner Schutzschicht überzogen. Die Beschriftung erfolgt in Form von Farbringen.Neben dem Widerstandswert ist auch die Genauigkeitsklasse angegeben.
10Kapitel 1: EinleitungAbb. 1.5: Ein WiderstandWiderstände gibt es üblicherweise in den Werten der E24-Reihe, wobei jedeDekade 24 Werte mit etwa gleichmäßigem Abstand zum Nachbarwert enthält.Tabelle 1.1: Widerstandswerte nach der Normreihe 34,75,15,66,26,87,58,29,1Der Farbcode verwendet vier Ringe für den Widerstand und einen Ring für dieToleranz. Die ersten drei Ringe stehen für drei Ziffern, der vierte für einenMultiplikator des Widerstandswerts in Ohm. Ein vierter Ring gibt die Toleranz an.Tabelle 1.2: Der Widerstands-FarbcodeFarbeRing 11. ZifferRing 22. 000Grau888Weiß999SchwarzRing 32. ZifferRing 4MultiplikatorGold0,1Silber0,01Ring 5Toleranz0,5%
Kapitel 1: Einleitung11Ein Widerstand mit den Farbringen Gelb, Violett, Schwarz , Schwarz und Braunhat den Wert 470 Ohm bei einer Toleranz von 1%. Im Lernpaket befinden sichjeweils zwei Widerstände der folgenden Werte:470 Gelb, Violett, Schwarz, Schwarz, Braun1 k Braun, Schwarz, Schwarz, Braun, Braun10 k Braun, Schwarz, Schwarz, Rot, Braun100 k Braun, Schwarz, Schwarz, Orange, Braun1 M Braun, Schwarz, Schwarz, Gelb, BraunMetallschichtwiderstände mit insgesamt fünf Ringen sind oft weniger leicht zulesen als die älteren Kohleschichtwiderstände mit nur vier Ringen. Die FarbenRot, Orange und Braun sind teilweise nur schwer zu unterscheiden. Da hilft esbei der Orientierung, dass der letzte Ring grundsätzlich braun ist.KondensatorenEin Kondensator besteht aus zwei Metallflächen und einer Isolierschicht. Legtman eine elektrische Spannung an, bildet sich zwischen den Kondensatorplattenein elektrisches Kraftfeld, in dem Energie gespeichert ist. Ein Kondensator mitgroßer Plattenfläche und kleinem Plattenabstand hat eine große Kapazität,speichert also bei einer gegebenen Spannung viel Ladung. Die Kapazität einesKondensators wird in Farad (F) gemessen. Die hier verwendeten Kondensatorenhaben Kapazitäten zwischen 10 nF (0,00000001 F) und 100 µF (0,0001 F).Das Isoliermaterial (Dielektrikum) vergrößert die Kapazität gegenüber Luftisolation. Die keramischen Scheibenkondensatoren verwenden ein spezielles Keramikmaterial, mit dem man große Kapazitäten bei kleiner Bauform erreicht. DasLernpaket enthält je einen keramischen Scheibenkondensator mit 10 nF(Beschriftung 103, 10000 pF) und mit 100 nF (Beschriftung 104, 100000 pF).Abb. 1.6: Ein keramischerKondensatorGrößere Kapazitäten erreicht man mit Elektrolytkondensatoren (Elkos). DasDielektrikum besteht hier aus einer sehr dünnen Schicht Aluminiumoxid. DerElko enthält einen flüssigen Elektrolyten und aufgewickelte Aluminiumfolien mitgroßer Oberfläche. Die Spannung darf nur in einer Richtung angelegt werden. In
12Kapitel 1: Einleitungder falschen Richtung fließt ein Leckstrom und baut die Isolationsschichtallmählich ab, was zur Zerstörung des Bauteils führt. Der Minuspol ist durcheinen weißen Streifen gekennzeichnet und hat einen kürzeren Anschlussdraht.Das Lernpaket enthält zwei Elkos mit 100 µF und einen mit 22 µF.Abb. 1.7: Der ElektrolytkondensatorTransistorenTransistoren sind Bauelemente zur Verstärkung kleiner Ströme. Die verwendetenbipolaren Transistoren unterscheiden sich in der Polarität. Das Lernpaket enthältdrei NPN-Transistoren BC547 und einen PNP-Transistor BC557.Abb. 1.8: TransistorenDie Anschlüsse des Transistors heißen Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C).Bei beiden Transistoren liegt der Basisanschluss in der Mitte. Der Emitter liegtrechts, wenn Sie auf die Beschriftung schauen und die Anschlüsse nach untenzeigen.Die Si-DiodenEine Diode ist ein elektrisches Ventil und lässt Strom nur in einer Richtung hindurch. Man unterscheidet Dioden nach ihrem Ausgangsmaterial Germanium(Ge) oder Silizium (Si). Die Dioden im Lernpaket sind Si-Dioden vom Typ1N4148. Es handelt sich um Universaldioden für Ströme bis 100 mA. Beim Einbau muss grundsätzlich die Richtung beachtet werden. Die Kathode ist mit einemschwarzen Ring gekennzeichnet.
Kapitel 1: Einleitung13Abb. 1.9: Die Diode 1N4148Der FototransistorDer Fototransistor ist ein Lichtsensor, mit dem prinzipiellen Aufbau einesSiliziumtransistors. Die Basis-Kollektor-Diode dient als großflächige Fotodiode,deren Strom durch den Transistor verstärkt wird. Der Kollektorstrom ist von derHelligkeit abhängig und kann bei sehr hellem Licht bis 20 mA erreichen.Der Basisanschluss ist von außen nicht zugänglich, sodass das Bauteil mit zweiAnschlüssen auskommt und in ein klares LED-Gehäuse eingebaut wird. DerKollektor ist der Pluspol und liegt am kurzen Anschluss, der Emitter liegt amlangen Anschluss und dient als Minuspol. Der Fototransistor wird daherscheinbar anders herum eingebaut als eine LED. Der Kollektoranschluss ist dergrößere Halter im Inneren des Gehäuses.Abb. 1.10: Der FototransistorDer TastschalterDer Tastschalter im Lernpaket besitzt einen Schließerkontakt mit zwei Anschlüssen,die doppelt herausgeführt sind.
14Kapitel 1: EinleitungAbb. 1.11: Der TastschalterDer Piezo-SchallwanderDer Schallwandler dient als einfacher Lautsprecher und als Mikrofon oderSchwingungssensor. Der Aufbau ähnelt dem eines keramischen Scheibenkondensators, wobei allerdings das Dielektrikum zusätzlich elektrisch vorgespanntist. Dadurch entsteht eine Kopplung zwischen mechanischer Spannung undelektrischer Spannung. Der piezoelektrische Effekt tritt in ähnlicher Weise auchbei natürlichen Quarzkristallen auf.Abb. 1.12: Der SchallwandlerDie integrierten SchaltkreiseDas Lernpaket enthält zwei integrierte Schaltungen (Integrated Circuits, ICs) imachtpoligen DIP-Gehäuse. Der LM358 ist ein zweifacher Operationsverstärker.Der NE555 ist ein Präzisions-Timerbaustein. Beim Einsetzen der ICs muss diekorrekte Richtung beachtet werden. Der Pin1 ist jeweils durch einen Punkt markiert.Abb. 1.13: Die beiden ICs
Kapitel 1: Einleitung15Abb. 1.13 zeigt beide ICs mit ihrer Pin-Nummerierung. Achten Sie beim Einsetzen der ICs auf die Beschriftung. Vermeiden Sie eine Verpolung, die zur Zerstörung des Bauteils führen könnte.Vor dem ersten Einsatz der ICs müssen die Anschlussbeinchen sorgfältig parallelausgerichtet werden. Durch den Herstellungsprozess sind sie etwas gespreizt undkönnen daher beim Einsetzen in das Steckbrett leicht umbiegen. Wenn beideAnschlussreihen parallel stehen, lassen sie sich leicht aufstecken. Wenn sie wiederaus dem Steckbrett entfernt werden sollen, müssen sie z. B. mit einem feinenSchraubendreher vorsichtig ausgehebelt werden, um die Anschlüsse nicht zu verbiegen.
172Versuche mit LEDsWährend in Glühlampen ein heißer Metalldraht Licht aussendet, bleibenLeuchtdioden (LEDs) im normalen Betrieb kalt. Die Lichterzeugung beruht hierauf komplexen Vorgängen in Halbleiter-Sperrschichten. Die elektrischen Eigenschaften einer LED unterscheiden sich daher grundlegend von denen einerGlühlampe. Entsprechend muss auch die Schaltungstechnik angepasst werden.Während man eine Glühlampe einfach an eine passende Spannungsquelle legenkann, muss bei einer LED die Polung beachtet werden. Außerdem muss immerein Vorwiderstand eingesetzt werden, um eine Überlastung zu verhi
Verlag und Autor nur nach dem Produkthaftungsgesetz wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit . Franzis Achtung! Augenschutz und LEDs: Blicken Sie nicht aus geringer Entfernung direkt in eine LED, denn ein direkter Blick kann Netzhautschäden verursachen!
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