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Vorwort Auch in diesem Jahr gibt es wieder einen neuen Conrad-Elektronik-Kalender mit 24 Experimenten für den 1. bis zum 24. Dezember. Das zentrale Thema sind diesmal die Feldeffekttransistoren (FET). Typische Aufgabenbereiche sind Steuerungen, Sensoren, Zeitgeber und akustische Effekte. Zu jedem Versuch gibt es einen Schaltplan und eine Aufbauzeichnung, die als Vorschlag zu verstehen ist.
Alle Versuche im Überblick 1 Der LED-Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Batterieverbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 Gesteckter Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4 Nur in eine Richtung 5 Berührungssensorr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 Der LED-Test 1. Tag Grüne LED + Widerstand 10 k Hinter dem 1. Türchen finden Sie eine grüne LED und einen dazu passenden Widerstand. Zusätzlich benötigen Sie eine 9-V-Blockbatterie. Der erste Versuch soll einfach nur 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 überlastet und zerstört werden! Darüber hinaus muss die LED in der korrekten Richtung eingebaut werden.
2 Batterieverbindung Das 2. Türchen verbirgt einen Batterieclip für die 9-V-Batterie. Bauen Sie den Versuch vom ersten Tag noch einmal etwas anders auf. Verwenden Sie den Batterieclip und beachten Sie, dass der schwarze Anschlussdraht der Minuspol ist und der rote der Pluspol. Vermeiden Sie unbedingt einen Kurzschluss der Batterie, also eine direkte Verbindung der beiden Pole. Denn dabei könnte die Batterie sehr heiß werden und bei einem länger anhaltenden Kurzschluss im Extremfall sogar explodieren.
3 Gesteckter Aufbau 3. Tag Öffnen Sie das 3. Türchen und nehmen Sie einen aufgewickelten Draht und eine Steckplatine aus dem Fach. Damit vereinfacht sich der Aufbau komplizierter Schaltungen. Das Steckboard mit insgesamt 270 Kontakten im 2,54-mmRaster (0,1 Zoll) sorgt für eine sichere Verbindung der Bauteile. Draht + Steckplatine Das Steckfeld hat im mittleren Bereich 230 Kontakte, die durch vertikale Streifen mit jeweils fünf Kontakten leitend verbunden sind.
4 Nur in eine Richtung Hinter dem 4. Türchen finden Sie das wichtigste Bauteil dieses Kalenders. Es handelt sich um den Feldeffekttransistor (FET) J113, und zwar um einen Sperrschicht-FET (JFET, J für Junction = Sperrschicht). Er enthält also eine Diode, die den Strom nur in eine Richtung leitet. Seine drei Anschlüsse heißen Gate (G), Source (S) und Drain (D). In diesem Versuch leitet die Sperrschicht, die LED leuchtet also. Wenn man jedoch die beiden Anschlüsse vertauscht, geht die LED aus.
5 Berührungssensor 5. Tag Widerstand 470 Einen weiteren Widerstand finden Sie hinter Türchen Nummer 5. Er hat 470 und trägt die Farben Gelb, Violett, Braun. Setzen Sie ihn nun als Vorwiderstand in die Plusleitung der Batterie. Er dient, ähnlich wie eine Sicherung, der Strombegrenzung im Fehlerfall und soll die Bauteile der Schaltung schützen. Zugleich können Sie ihn als Hauptschalter verwenden. Wenn Sie einen der Drähte des Widerstands herausziehen, ist die Batterie vom Versuch getrennt.
6 Konstantstromquelle Öffnen Sie Türchen Nummer 6. Dahinter finden Sie eine weiße LED. Man erkennt sie an dem gelblichen Fleck auf dem LED-Kristall, also dem Leuchtstoff, der das ursprünglich blaue Licht der LED in weißes Licht umwandelt. Die weiße LED leuchtet bei diesem Versuch mit geringer, aber konstanter Helligkeit, weil sich ein konstanter Strom einstellt. Selbst wenn Sie eine schwache durch eine neue Batterie ersetzen, bleibt die Helligkeit gleich. 6.
7 Stromquelle für zwei LEDs 7. Tag Öffnen Sie das 7. Türchen und nehmen Sie eine weitere weiße LED heraus. Schalten Sie sie in Reihe zur vorhandenen LED. Man könnte erwarten, dass sich dadurch die Helligkeit der ersten LED ändert, was aber nicht der Fall ist. Die JFET-Stromquelle sorgt für konstanten Strom auch bei wechselnder Last. Weiße LED Der konstante Strom kann natürlich nur aufrechterhalten werden, solange die Batteriespannung für alle Verbraucher ausreicht.
8 Geschaltete Helligkeit Hinter Türchen Nummer 8 finden Sie einen Tastschalter. Er wird hier eingesetzt, um eine der beiden weißen LEDs zu überbrücken. Dann leuchtet nur noch eine LED, man hat also die halbe Helligkeit. Mit diesem Versuch können Sie überprüfen, wie gut die Stromquelle Laständerungen ausgleichen kann. Drücken Sie auf den Taster. Eine der beiden LEDs geht nun aus, die Helligkeit der anderen LED ändert sich aber nicht oder kaum. 15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 11 8.
9 Differenzverstärker 9. Tag JFET J113 Hinter dem 9. Türchen finden Sie einen zweiten Transistor J113. Er wird mit dem ersten JFET und einem gemeinsamen Source-Widerstand verbunden. Bei geöffnetem Schalter können Sie die Gate-Spannung und damit den Drain-Strom des rechten Transistors durch eine Berührung ändern. Das führt zu einer entgegengesetzten Änderung beim anderen Transistor. Wenn eine der LEDs ganz an ist, ist die andere ganz aus.
10 Lichtsensor Hinter Türchen Nummer 10 finden Sie eine gelbe LED, die hier als Lichtsensor eingesetzt wird. Wie eine Fotodiode oder eine Solarzelle erzeugt eine LED bei Beleuchtung von außen eine elektrische Spannung. Diese steuert den JFET an und beeinflusst den Strom durch die weiße LED. Bei geschlossenem Schalter ist die weiße LED gerade aus, oder sie leuchtet nur schwach. Bei geöffnetem Schalter und ausreichender Beleuchtung geht die weiße LED an.
11 Lichtgesteuerter Schalter 11. Tag Rote LED Hinter dem 11. Türchen verbirgt sich eine rote LED. Auch sie dient hier als Fotozelle. Beide Sensor-LEDs werden jedoch in Gegenrichtung eingesetzt. Wenn nur jeweils eine dieser LEDs beleuchtet wird, wird der Strom durch die weiße LED entweder an- oder ausgeschaltet. Man kann daher mit dem Strahl einer Taschenlampe oder durch Abschatten der roten oder der gelben LED das Licht nach Belieben schalten. Mit etwas Geschick lässt sich sogar die Helligkeit steuern.
12 Druck- und Temperatursensor Hinter Türchen 12 finden Sie einen Piezoschallwandler. Er kann als Lautsprecher, als Mikrofon und als Schwingungssensor eingesetzt werden. Hier arbeitet er als Drucksensor. Der kleinste Druck auf die Membran erzeugt eine Signalspannung, die zu einer Stromänderung und zu einem Flackern der roten LED führt. Der Tastschalter dient dazu, einen definierten Anfangszustand herzustellen, bei dem die LED nicht oder nur schwach leuchtet.
13 Schwingungssensor 13. Tag Widerstand 10 M Türchen Nummer 13 präsentiert Ihnen einen Widerstand mit 10 M (10 Megaohm, Braun, Schwarz, Blau). Er wird nun parallel zum Piezowandler angeschlossen. Damit stellt sich jederzeit eine mittlere Eingangsspannung von 0 V ein. Schon geringe Schwingungen werden durch ein Flackern der LED sichtbar. Mit einem kleinen Gewicht von bis zu 50 Gramm auf dem Sensor kann man Schwingungen des Bodens oder des Tischs beobachten.
14 Wechselfeldsensor Einen Widerstand mit 22 k (Rot, Rot, Orange) finden Sie hinter dem 14. Türchen. Er arbeitet hier als Schutzwiderstand am Gate des JFET. Ein offener Draht dient als Antenne für elektrische Wechselfelder in der Nähe elektrischer Kabel. Der JFET bildet einen Verstärker mit dem Piezowandler als Lautsprecher. Halten Sie die Antenne nahe an eine elektrische Leitung. Aus dem Lautsprecher ertönt dann ein Brummen oder Summen.
15 Berührungsschalter 15. Tag Kondensator 100 nF Das 15. Türchen bringt einen Kondensator mit 100 nF (100 Nanofarad, Aufdruck 104) zum Vorschein. Ein solcher Kondensator kann auf eine beliebige Spannung aufgeladen werden und behält sie für lange Zeit. Bauen Sie zwei Berührungsschalter aus abisolierten Drahtstücken. Wenn Sie die nebeneinanderliegenden Drähte mit dem Finger berühren, können Sie den Kondensator aufladen und entladen. Entsprechend werden die LEDs ein- oder ausgeschaltet.
16 Stufenloser Dimmer Hinter Türchen Nummer 16 finden Sie einen weiteren Kondensator mit 100 nF (104). Bauen Sie damit einen stufenlosen Dimmer. Beide Kondensatoren liegen nun zwischen Gate und Drain. Damit werden Aufladung und Entladung über einen Widerstand mit 10 M verlangsamt. Man kann also auf einen mittleren Zustand mit einer beliebigen Helligkeit einstellen. Der eingestellte Zustand bleibt für längere Zeit erhalten. 15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 19 16.
17 Zufallszeitschalter 17. Tag Farbwechsel-LED Hinter dem 17. Türchen findet sich eine besondere LED in klarem Gehäuse. Es handelt sich um eine Automatik-Farbwechsel-LED mit drei Farben (RGB). Ist sie ausgeschaltet, erkennt man drei LED-Kristalle und einen Controller-Chip. In der vorliegenden Schaltung wird die RGB-LED zusammen mit einer gelben LED für eine zufällige Zeitspanne eingeschaltet. Man berührt den offenen Eingang einmal oder mehrmals kurz mit dem Finger, bis die LEDs an sind.
18 Mikrofonverstärker Ein weiterer Widerstand mit 10 M (Braun, Schwarz, Blau) verbirgt sich hinter Türchen Nummer 18. Er wird für einen zweistufigen Verstärker verwendet, der kleinste Mikrofonspannungen des Piezowandlers so weit verstärkt, dass man ein Flackern der LEDs sehen kann. Schon leichte Erschütterungen oder lauter Schall werden sichtbar gemacht. 18.
19 LED-Wechselblinker 19. Tag Widerstand 22 k Das Türchen Nummer 19 bringt einen Widerstand mit 22 k (Rot, Rot, Orange) zum Vorschein. Damit bauen Sie einen Wechselblinker. Die Schaltung ähnelt dem Signalverstärker von Tag 17. Aber diesmal sorgt ein zweiter Kondensator für die nötige Rückkopplung. Falls die LEDs permanent an oder aus bleiben, versuchen Sie es mit anderen LEDs.
20 Tongenerator Öffnen Sie Türchen Nummer 20 und nehmen Sie einen weiteren Widerstand mit 10 k heraus. Der Wechselblinker wird nun zu einem Tongenerator umgebaut. Dazu müssen nur die Widerstände geändert werden. Das Blinken wird so schnell, dass es als Ton hörbar wird. 20. Tag Widerstand 10 k Die Zeitkonstante beträgt diesmal 100 nF * 22 k = 2,2 ms. Eine vollständige Schwingung dauert theoretisch 4,4 ms, sodass eine Frequenz von 230 Hz am Lautsprecher liegen sollte.
21 Gegentaktblinker 21. Tag Widerstand 4,7 k Ein Widerstand mit 4,7 k (Gelb, Violett, Rot) befindet sich hinter Türchen 21. Er soll nun als gemeinsamer SourceWiderstand für beide JFETs eingesetzt werden. Die Grundschaltung ist daher ein Differenzverstärker, wie er bereits an Tag 9 getestet wurde. Wenn die beiden Transistoren genug ähnliche Eigenschaften haben, blinken die beiden weißen LEDs im Wechsel. Sie können dann die gelbe und die grüne LED entfernen.
22 Getasteter Umschalter Hinter dem 22. Türchen kommt ein weiterer Tastschalter zum Vorschein. Er wird nun für einen elektronischen Umschalter mit zwei Tasten gebraucht. Sie schalten damit zwischen zwei LEDs um. Es genügt jeweils ein kurzer Tastendruck, um einen Zustand einzuschalten, der beliebig lange stabil bleibt. Die jeweils abgeschaltete LED leuchtet noch mit geringer Resthelligkeit weiter. 22.
23 Signalverstärker 23. Tag Türchen Nummer 23 hält einen NPN-Transistor BC547 bereit. Er wird in einer zusätzlichen Verstärkerstufe des JFETSignalverstärkers verwendet. Als Signalquelle dient die Farbwechsel-LED. Man hört ungewöhnliche Klänge aus dem Piezolautsprecher und sieht ein Flackern an allen LEDs. Transistor BC547 Die Farbwechsel-LED besitzt einen internen Controller, der die drei eingebauten LEDs in schneller Folge ein- und ausschaltet.
24 Weihnachtliches LED-Funkeln Hinter dem letzten Türchen finden Sie einen Widerstand mit 1 k (Braun, Schwarz, Rot). Mit ihm sollen größere LEDStröme erreicht werden. Damit bauen Sie ein festlich blitzendes Weihnachtslicht mit allen vorhandenen LEDs. Das unregelmäßige Flimmern, Flackern und Blitzen soll an Sterne und Kerzenlichter erinnern. 24. Tag Widerstand 1 k Am Ende dieser Versuchsreihe haben Sie sicher noch weitere Ideen, was Sie mit diesen Bauteilen ausprobieren könnten.
Anhang Bauteile im Kalender 13 Widerstand 10 M 1 Grüne LED + Widerstand 10 k 14 Widerstand 22 k 2 Batterieclip 15 Kondensator 100 nF 3 Draht + Steckplatine 16 Kondensator 100 nF 4 JFET J113 17 Farbwechsel-LED 5 Widerstand 470 18 Widerstand 10 M 6 Weiße LED 19 Widerstand 22 k 7 Weiße LED 20 Widerstand 10 k 8 Tastschalter 21 Widerstand 4,7 k 9 JFET J113 22 Tastschalter 10 Gelbe LED 23 Transistor BC547C 11 Rote LED 24 Widerstand 1 k 12 Piezoschallwandler Liebe Kunden! Dieses
