Sequentielle Schaltungen im Technikunterricht am Beispiel ... · PDF fileSequentielle Schaltungen im Technikunterricht am Beispiel von Speicherschaltungen und Zeitmessung Schriftliche

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


• 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.



• 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 Widerstand 150Ω

1LED rot

1 Schalter

Versuch zum Transistor als Schalter pro Schüler(gruppe):

1Steckplatine


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


• 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;


des Kondensators kennen;


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


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


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


3. Ochs, M.: Digitaltechnik für die handwerkliche Ausbildung. Heidelberg:


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 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 1kΩ

3 Festwiderstände 5,1kΩ

1 Festwiderstand 5,6kΩ

1 Festwiderstand 15kΩ

1 Kondensator 470µF

3 Transistoren BC 547


- 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


• 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


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

74

Schaltplan:

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.



• Ochs, M.: Digitaltechnik für die handwerkliche Ausbildung. Heidelberg:


• 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


79

• Online im Internet: URL: e-technik.fh-

kiel.de/~dispert/digital/digital4/dig004_3.htm


• Online im Internet: URL: www.elektronik-

kompendium.de/sites/dig/0209302.htm


• Online im Internet: URL: www.br-online.de/wissen-

bildung/telekolleg/fächer/technologie/


• Online im Internet: URL: www.uni-

muenster.de/Physik/TD/Uvortec/Information/logFunk/Loesungen/



munchen.de/leifiphysik/web_ph10/grundwissen/trans_eff/



muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/versuche/15trans_schalter/


• Online im Internet: URL: www.elexs.de/zeitl.htm


• Online im Internet: URL: www.elektronik-

kompendium.de/sites/grd/0205301.htm



muenster.de/Physik.TD/Uvortec/Information/Heissdraht/Titelseite.htm


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

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