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Vorwort Wie schon in den letzten Jahren gibt es auch 2016 wieder einen neuen Conrad-Elektronik-Kalender mit 24 Experimenten für den 1. bis 24. Dezember. Das Thema ist die digitale Elektronik. Es geht um digitale Zähler mit dem CMOSBaustein 4060. Dieses IC enthält 14 digitale Teiler-Flipflops und zusätzlich einen vielseitig einsetzbaren Taktoszillator. Es ermöglicht ganz unterschiedliche und sehr vielseitige Anwendungen, die nicht nur lehrreich sind, sondern auch Spaß machen.
Alle Versuche im Überblick 1 Der LED-Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Batterieverbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 Gesteckter Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 Lampenschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 Eine Schutzdiode.
1 Der LED-Test 1. Tag Der erste Versuch im Advent soll eine LED zum Leuchten bringen. Eine LED darf niemals direkt an eine Spannungsquelle gelegt werden, man braucht immer auch einen Vorwiderstand. Ohne diesen Widerstand würde die LED durch zu viel Strom zerstört! Die LED muss in der korrekten Richtung eingebaut werden. Sie besitzt zwei unterschiedliche Anschlüsse. Der kurze Draht ist der Minuspol (Kathode K), der längere Draht ist der Pluspol (Anode A).
3 Gesteckter Aufbau Öffnen Sie das dritte Türchen und nehmen Sie eine Steckplatine aus dem Fach. Damit vereinfacht sich der Aufbau komplizierter Schaltungen. Das Steckboard mit insgesamt 270 Kontakten im 2,54-mm-Raster (0,1 Zoll) sorgt für eine sichere Verbindung der Bauteile. 3. Tag Das Steckfeld hat im mittleren Bereich 230 Kontakte, die jeweils durch vertikale Streifen mit fünf Kontakten leitend verbunden sind.
5 Eine Schutzdiode 5. Tag Eine weitere rote LED finden Sie hinter dem Türchen Nummer 5. Bauen Sie diese zweite LED mit in den Stromkreis ein. Dabei muss die Richtung stimmen, sonst fließt kein Strom. Wenn alles korrekt zusammengebaut wurde, leuchten beide LEDs. Und obwohl nun zwei LEDs in Reihe liegen, ist die Helligkeit der ersten LED fast gleich geblieben. Die neue LED hat eine wichtige Funktion für die folgenden Versuche. Sie dient als Schutzdiode und soll eine falsche Polung der Batterie verhindern.
7 Ein offener Eingang Öffnen Sie das siebte Türchen und nehmen Sie einen Widerstand heraus. Er hat 22 M (22 Megaohm, Rot, Rot, Blau) und wird in den folgenden Versuchen immer wieder in der Oszillatorschaltung gebraucht. Der Widerstand wird nur einseitig am Eingang OSC1 angeschlossen. Damit hat man einen »offenen Eingang«. Es ist unbestimmt, ob Eins oder Null anliegt, g die LED ist entweder an oder aus. Das Ergebnis ist zufällig und kann durch Annähern mit dem Finger beeinflusst werden.
9 Ein LED-Blinker 9. Tag Hinter dem neunten Türchen finden Sie einen keramischen Scheibenkondensator mit der Kapazität 100 nF. Die Beschriftung lautet 104 und steht für 100.000 pF (Picofarad), also 100 nF (Nanofarad). Mit dem Kondensator lässt sich ein Oszillator bauen,, also eine Schaltung, die selbstständig immer wieder den Zustand wechselt. In diesem Fall entsteht ein langsames Blinklicht. Der hochohmige Widerstand mit 22 M liegt diesmal zwischen OSC1 und OSC2 und bildet eine Gegenkopplung.
11 Teiler durch 16 Hinter dem elften Türchen verbirgt sich ein Kondensator mit 10 nF (Beschriftung 103). Er bekommt eine Hilfsfunktion und liegt zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der Batterie. Dies ist eine übliche Maßnahme bei allen digitalen Schaltungen und hilft, Störsignale zu vermeiden. Der Oszillator wird wieder auf eine geringe Frequenz umgebaut, und die zweite LED wird nun mit einem Vorwiderstand am Ausgang Q4 angeschlossen. Die LED ist abwechselnd etwa 30 s an und 30 s aus. 11.
13 Drei-Bit-Zähler bis sieben 13. Tag Hinter Türchen Nummer 13 finden Sie eine gelbe LED. Damit soll der Zähler auf drei Bit erweitert werden. Es gibt nun insgesamt acht verschiedene Zählerstände zwischen 000 (null) und 111 (sieben). Die beiden roten LEDs an den Ausgängen Q5 und Q6 teilen sich einen gemeinsamen Vorwiderstand. Das Blinken mit der geringsten Frequenz entsteht an Q6. Ein Widerstand für zwei LEDs ist möglich, führt aber zu einem besonderen Effekt.
15 Gestoppter Zähler Das 15. Türchen bringt einen Tastschalter zum Vorschein. Beachten Sie die Einbaurichtung. Der Schaltkontakt liegt jeweils zwischen zwei nebeneinanderliegenden Beinchen. Der Taster wird nun verwendet, um den Oszillator zu stoppen. Ein Zähler mit drei Ausgängen kennt acht verschiedene Zustände. Die Aufgabe besteht nun darin, den Zähler immer genau in dem Moment anzuhalten, wenn gerade alle drei LEDs an sind. 15.
17. Tag 17 Lichtsensor Eine weitere gelbe LED verbirgt sich hinter Türchen Nummer 17. Beide gelben LEDs zusammen sollen nun einen Lichtsensor bilden. Wenn viel Licht auf die gelben LEDs fällt, erhält man ein schnelles Flackern der roten LEDs. Bei Dunkelheit wird das Blinken sehr langsam. Der Oszillator arbeitet wieder mit dem extrem kleinen Kondensator aus zwei Kontakten der Steckplatine. Sogar mit einem großen Widerstand von 22 M ergab sich damit eine hohe Frequenz.
19 Taste entprellen Das Türchen Nummer 19 bringt einen Widerstand mit 2,2 k (Rot, Rot, Rot) zum Vorschein. Damit haben Sie einen weiteren Widerstand für eine größere Helligkeit. Die wesentliche Änderung des Versuchs besteht in einem zusätzlichen Kondensator parallel zum Eingang OSC1. Er dient zur Tastenentprellung. Damit wird nun mit jedem Tastendruck genau ein Impuls gezählt. Nach jeweils acht Impulsen ändert sich der Ausgang Q4.
21 Vier Helligkeitsstufen 21. Tag Eine besonders helle grüne LED befindet sich hinter Türchen Nummer 21. Sie soll in diesem Versuch stufenweise heller werden. Es gibt vier Helligkeitsstufen, 0, 1, 2 und 3, die nacheinander durchlaufen werden. Die rote LED zeigt gleichzeitig den Takt an. Die Schaltung entspricht in ihrer Funktion einem Digital-Analog-Wandler, der digitale Zahlen in analoge Spannungen oder Ströme umsetzt. Q7 schaltet einen großen Strom durch den 1-k-Widerstand ein und aus.
22 Farbblitzer Hinter Türchen Nummer 22 kommt ein Elektrolytkondensator (Elko) mit 100 µF (Mikrofarad) zum Vorschein. Er hat eine tausendfach größere Kapazität als der bisher verwendete Scheibenkondensator mit 100 nF. So erreicht man große Ladeströme, die als LED-Lichtblitze sichtbar werden. Hier entstehen abwechselnd grüne und gelbe Lichtblitze in einem längeren Abstand. Jeder Blitz klingt in etwa einer halben Sekunde allmählich ab.
23 Vierer-Blinklicht 23. Tag Hinter dem 23. Türchen finden Sie eine weiße LED. Vier LEDs sollen nun nacheinander so blinken, dass niemals zwei LEDs gleichzeitig an sind. Trotzdem werden dafür nur zwei Zählerausgänge gebraucht. Die Ausgänge Q12 und Q13 erzeugen sehr langsame Wechsel. Damit es nicht zu lange dauert, wird der Oszillator wieder mit dem kleineren Kondensator von 10 nF auf eine höhere Taktfrequenz eingestellt.
24 Feuerschein und fallende Sterne Hinter dem letzten Türchen finden Sie einen weiteren Widerstand mit 1 k (Braun, Schwarz, Rot). Er wird für ein festliches Licht gebraucht, das am Ende der Versuche den Weihnachtsbaum schmücken darf. Zwei rote und zwei gelbe LEDs stehen für ein Holzfeuer, das ein relativ gleichmäßiges Licht erzeugt und nur schwach flackert. manchmal aber erleuchtet für einen kurzen Moment ein fallender Stern die Nacht, dargestellt durch eine grüne oder eine weiße LED. 24.
Anhang Bauteile im Kalender: 1 LED rot + Widerstand 10 k 2 Batterieclip 3 Steckboard 4 Draht 5 LED rot 6 CD4060 7 Widerstand 22 M 8 Widerstand 10 k 9 Kondensator 100 nF 10 Widerstand 100 k 11 Kondensator 10 nF 12 Widerstand 10 k 13 LED gelb 14 Widerstand 10 k 15 Tastschalter 16 Widerstand 4,7 k 17 LED gelb 18 Widerstand 4,7 k 19 Widerstand 2,2 k 20 Widerstand 1 k 21 LED grün 22 Elko 100 µF 23 LED weiß 24 Widerstand 1 k 10197-4 Kalender 2016_NEU_01.indd 18 23.03.
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