Hinweise zum Arbeitsgerät
Das Experimentiergerät
Auf der folgenden Seite befindet sich eine Aufstellung der für zehn Schülergruppenarbeitsplätze in einer Mindestausstattung benötigten Teile. Die IC SN7485 und SN74193 erweitern diese Grundausstattung. Sie wurden in den Beispielen des letzten Abschnitts benutzt.
Diese Grundausstattung kann beliebig erweitert werden. Es ist dabei zu beachten, daß die Bauteile zur Experimentierplatte passen müssen:
- Die Steckverbindungen müssen im Rastermaß (2,54 mm x 2,54 mm) angeordnet sein.
- Das Bauteil muß sich so aufstecken lassen, daß jeder Steckstift in einer anderen Fünfer-Steckreihe sitzt.
- Die Steckstifte müssen lang genug (ca. 4 mm) sein, um einen festen Halt des Bauteils auf der Platte zu gewährleisten.
Nicht aufgeführt sind Elektromotoren mit Getriebe. Sind die Anschaffungskosten für die empfehlenswerten Bausteine der Fischer-Technik zu hoch, so können für den Modellbau vorgesehene Motoren mit Getriebe angeschafft werden, die bereits ab ca. 15,- DM zu bekommen sind. Bei ihnen bereitet jedoch die Anpassung der mechanisch bewegten Teile größere Schwierigkeiten.
10 | VEFA EXP 300 Experimentierplatte |
10 | Büschelstecker rot |
10 | Büschelstecker blau |
2 | Schaltdraht 10m, 0.5mm rot |
2 | Schaltdraht 10m, 0.5mm blau |
1 | Schaltdraht 10m, 0.5mm gelb |
1 | Schaltdraht 10m, 0.5mm grün |
1 | Schaltdraht 10m, 0.5mm weiß |
1 | Schaltdraht 10m, 0.5mm schwarz |
40 | Schichtwiderstand 0.25V 100Ω |
160 | Schichtwiderstand 0,25V 220Ω |
80 | Schichtwiderstand 0,25V 470Ω |
40 | Schichtwiderstand 0,25V 1 kΩ |
20 | Schichtwiderstand 0.25V 10 kΩ |
20 | Schichtwiderstand 0,25V 100 kΩ |
10 | Schicht-Trimmer liegend 250 Ω |
10 | Schicht-Trimmer liegend 500 Ω |
10 | Schicht-Trimmer liegend 1 kΩ |
10 | Schicht-Trimmerliegend 10 kΩ |
40 | Isoliersteckwelle zu den Schicht-Trimmern |
10 | Heißleiter K 164 b (150 Ω) |
10 | Fotowiderstand LDR 03 |
20 | Miniatur-Glühlämpchen 7V |
40 | Leuchtdiode rot |
20 | MKH-Schichtkondensator 0.047µF |
20 | NV-Elko radial 470 µF 16V |
40 | Transistor BC 547 A/B |
20 | Diode N 4148 |
20 | Digitast (Umschaltsystem) |
10 | Dual-in-Line-Schalter, 8-polig |
20 | Relais Siemens V23101 (1 Kontakt, 5V-) |
10 | Relais Siemens V23102 (2 Kontakte, 5V-) |
10 | SN7400 (Vier NAND-Gatter) |
10 | SN7402 (Vier NOR-Gatter) |
10 | SN7404 (Sechs Inverter) |
10 | SN7408 (Vier AND-Gatter) |
10 | SN7413 (Zwei NAND-Schmitt-Trigger) |
10 | SN7432 (Vier OR-Gatter) |
10 | SN7476 (Zwei J-K-Flipflops) |
10 | SN74193 (4-Bit-Dualzähler) |
10 | SN7486 (VierEXCLUSIVE-OR-Gatter) |
Einige weitere Geräte sind vielleicht schon in der Physiksammlung vorhanden:
10 | Netzgeräte |
10 | Vielfachmeßgeräte mitMeßleitungen |
10 | Sortimentskästen |
10 | kleine Schraubendreher |
1 | Seitenschneider |
1 | Abisolierzange |
1 | Rasti (Abbiegevorrichtung) |
Kurzbeschreibung der Arbeitsmittel
Im folgenden werden einige Hinweise zum Aufbau von Schaltungen auf einem Experimentierbrett unter Verwendung einfacher Industriebausteine gegeben. Zur Stromversorgung können die in der Physiksammlung vorhandenen Geräte mit 5V- benutzt werden. Besser geeignet sind voneinander unabhängige Netzgeräte, die einen Überlastschutz besitzen. Das Experimentierbrett wird grundsätzlich waagerecht so hingelegt, daß die Beschriftung lesbar ist.
Hinter den Stecköffnungen verbergen sich Federkontakte, die teilweise miteinander verbunden sind, und zwar ist die gesamte obere Reihe (8x5 Buchsen) miteinander verbunden, ebenso die gesamte untere. Es wird vereinbart, daß stets die obere Reihe mit der +5V-Buchse und die untere mit der OV-Buchse verbunden wird. Bei den restlichen Stecköffnungen haben jeweils fünf untereinanderliegende miteinander Kontakt (47x5 oben, 47x5 unten).
An der oberen Steckleiste wird ein ca. 50cm langes rotes Kabel (Kunststoffschaltdraht 0,5 mm oder besser Schaltlitze; siehe Anmerkung unten) eingesteckt, an der unteren ein entsprechendes blaues. An ihren freien Enden werden gleichfarbige Bananenstecker angebracht.
Um die Federkontakte nicht zu überdehnen, dürfen die benutzten Drähte und Bauteilanschlüsse nur einen Durchmesser von maximal 0,5 mm besitzen. Die Federn biegen sich (bei angenommener Aufstellung der Platte) seitwärts. Wenn also die Anschlüsse eines Bauteils einen rechteckigen Querschnitt besitzen (z.B. Trimmwiderstände), müssen sie vor der erstmaligen Benutzung so verdreht werden, daß die lange Seite senkrecht steht. Auf sorgsame Behandlung der Experimentierplatte ist zu achten, da sie von allen verwendeten Teilen bei weitem das teuerste ist. Zu beachten ist, daß Experimentierplatten unterschiedlicher Qualität angeboten werden und bei billigen Platten eher Kontaktprobleme auftreten.
Der Plastikstreifen auf der Rückseite der Platte sollte nicht abgenommen werden, weil die Kontaktfedern in diesem Fall herausspringen. Wenn eine Feder überdehnt ist, wird man aber gezielt eine Kontaktreihe herausschneiden, zurechtbiegen, wieder einsetzen und festkleben können.
Die Drähte mit 0,5 mm Durchmesser sind in einer Länge von 10m und 100m in verschiedenen Farben erhältlich. Man schneidet kurze Enden davon ab und löst mit einer Abisolierzange die Isolierung an den Enden um ca. 4 mm. Jeder Arbeitsplatz sollte über mindestens fünfzig Drahtenden verschiedener Lange und Farbe verfügen.
Achtung: Beim Abkneifen der Schaltdrähte entstehen sehr scharfe Kanten. Da Schaltdrahte zudem stark federn, besteht die Gefahr, daß beim unvorsichtigen Hantieren ein Ende des Drahtes so weit nach oben schwingt, daß es in das Gesicht schlägt und im schlimmsten Fall ein Auge bösartig verletzt wird. Um das zu verhindern, dürfen die Schaltdrähte höchstens 15 cm lang sein. Wenn längere Verbindungen - etwa zu einem Meßgerät - benötigt werden, sollte Schaltlitze verwendet werden. Damit das Ende der Litze problemlos in die Kontaktbuchsen der Experimentierplatte eingesteckt werden kann, wird es mit Lötzinn verfestigt oder ein IC-Kontakt angelötet (im Fachhandel erhältlich).
Die Benutzung der Platte erfordert ein wenig Übung. Das folgende Bild zeigt den Aufbau eines lichtgesteuerten Schalters, links mit dem Transistor BC141, rechts mit dem BC 547. Zur Erhöhung der Übersicht (insbesondere bei der Fehlersuche) wird empfohlen, die Anordnung der Transistoren verbindlich festzulegen.
Die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors wird grundsätzlich durch einen Vorwiderstand (220 Ω oder mehr) geschützt. Es empfiehlt sich, möglichst nur einen Transistortyp (z.B. Si-NPN), etwa den BC 547 zuverwenden, der relativ unempfindlich gegen Fehlschaltungen zu sein scheint. Auch eine Leuchtdiode muß immer mit einem Vorwiderstand (etwa 220 Ω) betrieben werden.
Um einen Trimmwiderstand flexibel beschälten zu können, sollte er grundsätzlich (wie in obiger Schaltung) in der Mitte der Steckplatte angebracht werden.
Achtung: Bei Elektrolytkondensatoren ist unbedingt auf die Polung zu achten. Vertauscht man die Pole, so deformiert sich der Elko unter starker Wärme- und Gasentwicklung, wobei er explosionsartig bersten und gefährliche Verletzungen verursachen kann.
Die Pole der Elektrolytkondensatoren sind gekennzeichnet.
Integrierte Schaltungen werden grundsätzlich so auf die Experimentierplatte gesteckt, daß die auf dem IC angebrachte Einkerbung nach links zeigt. Die Beschriftung steht aufrecht. Die oberen Anschlüsse stecken dann in der oberen Hälfte der Platte, die unteren Anschlüsse in der unteren. Insgesamt passen bis zu sechs IC auf eine Platte.
Bei den meisten IC liegt der 0V-Anschluß rechts unten und der 5V-Anschluß links oben. Diese sollten immer als erstes mit möglichst kurzen Drähten versorgt werden. Die Anschlüsse von IC, bei denen die Stromversorgung an anderer Stelle liegt (z.B. SN 7476), sollte man durch zwei Farbtupfer kennzeichnen.
Es wird empfohlen, nur Standard-IC (Serie SN) zu verwenden, die relativ unempfindlich gegen Berührung und gegen Spannungsspitzen im Stromnetz sind. Sie lassen sich zur Aufbewahrung übersichtlich auf eine Styropor-Platte stecken. Die Beschaltung der IC ist den speziellen Handbüchern zu entnehmen.
Zum Versuchsaufbau
Da der Aufbau der Experimentierplatte und die Form der Bauteile die Gestaltung einer Schaltung erheblich einschränken, wird sich die in einem Schaltplan vorgenommene Anordnung bei der technischen Realisierung nicht verwirklichen lassen. Diese Umsetzung, die ein genaues Hinsehen verlangt, stellt eine wichtige Übung dar. Bei ungeübten Schülern ist es jedoch sinnvoll, in einer Zwischenstufe die Platzierung der ihnen noch unbekannten Bauteile auf der Experimentierplatte graphisch vorzugeben. Auf diese Weise sollte jeder Schüler zunächst einige Standardschaltungen kennenlernen, bevor von ihm erwartet wird, daß er die Anordnung der Bauteile selbst festlegt.
Beim Zusammenstecken nimmt man sich der Reihe nach kleinere zusammenhängende Einheiten mit klar erkennbaren Anschlußverbindungen (Eingängen und Ausgängen) vor:
- Zuerst werden die platzbedürftigen IC, Relais und Schalter aufgesteckt. Auch die Transistoren und Leuchtdioden werden neben den Bauteilen, an die sie angeschlossen werden sollen, angebracht - oder es wird zumindest Platz für sie frei gelassen.
- Nun werden die kurzen Drahtverbindungen (z.B. die Versorgungsspannung und Masseanschlüsse) angebracht. Auch unproblematische Verbindungen (z.B. zu einer LED-Anzeige oder eine RESET-Leitung) können gleich mit kurzen Drähten flach auf der Platte verlegt werden.
- Erst jetzt werden die "hohen" Bauteile (Kondensatoren und Widerstände) aufgesteckt, und zwar so, daß möglichst keine weiteren Drahtverbindungen nötig werden.
- Schließlich werden die fehlenden Drahtverbindungen verlegt. Dabei wird - dem Schaltplan folgend - jeweils ein Bauteil vorgenommen und vollständig beschaltet.
- Verbindungen, mit denen noch experimentiert werden soll, werden ganz am Schluß über die anderen Drähte gelegt, so daß sie leicht erreichbar und korrigierbar bleiben. Um in mehreren Etagen bauen zu können, sind die Drähte zu Beginn möglichst kurz zu wählen.
Logisch zusammenhängende Verbindungen kennzeichnet man am besten durch eine gemeinsame Drahtfarbe (z.B. eine RESET-Leitung, die zu verschiedenen Bausteinen führt, oder die parallel verlaufenden Verbindungen von einem 4-Bit-Speicherregister zu einer 4-Bit-Anzeige).
Unbeschaltete Eingänge eines IC verhalten sich in der Regel so, als lägen 5V an, so daß man Schaltungen oftmals vereinfacht aufbauen kann. In kritischen Situationen kann jedoch im IC die Spannung abfallen und den Eingang auf den Pegel "Low" ziehen. Dadurch können ärgerliche Fehler auftreten (etwa, wenn es sich um einen Rücksetzeingang handelt). In solchen Fällen muß der Eingang dann doch mit der 5V-Schiene verbunden werden.
Eine wichtige Verabredung ist: Die Anschlüsse von Transistoren, Kondensatoren, Widerständen usw. dürfen nicht verbogen werden. Auch sollte die Drähte nicht geknickt werden, sondern immer bogenförmig sein. Nur so ist gewährleistet, daß sie lange brauchbar bleiben. Eine standardisierte Form und Anordnung der Bauteile erleichtert im übrigen den Überblick über eine Schaltung.
Zum Schluß soll auf eine ärgerliche Fehlerquelle hingewiesen werden:
Wenn ein Draht zu tief in die Kontaktbuchse des Experimentierbretts gesteckt wird, wird statt des kurz abisolierten Kupferdrahtes die Isolierung von den Kontaktfedern festgehalten, und der beabsichtigte Kontakt kommt nicht zustande.
Anschluß von Bauteilen an einen Computer
Für die Verbindung eines Computers mit einer externen Schaltung bietet sich der in der Regel vorhandene User-Port oder Game-Port an.
"Beim Anschluß von Bauelementen an die Kontakte des 'user port's' ist eine Beschädigung der Bauteile im Rechner nicht auszuschließen. Wenn keine externen Spannungsquellen verwendet werden, treten zwar relativ selten Defekte auf. Das Risiko einer Beschädigung des Rechners erscheint für einen Unterrichtseinsatz zu groß. In der Ausbildung oder im Unterricht sollte deshalb ein Interface zur Verfügung stehen, welches bei beliebiger Beschaltung keinen Schaden nimmt und zusätzlich den Computer vor Beschädigungen schützt. Gleichzeitig kann durch eine geeignete Schaltungsauslegung die Ansteuerung externer Bauelemente vereinfacht werden." [Hansen/Schwarze 2.5]
Eine solche Interface-Schaltung wird in "Das Musterlabor Mikroelektronik" von Hansen/Schwarze beschrieben. Der Interface ist auch im Handel erhältlich. Auch verschiedene Lehrmittelfirmen bieten Interface-Karten dieser Art an. Es sollte mindestens ein Rechner mit einer für Unterrichtszwecke geeigneten 8-Bit-Ein-/Ausgabeeinheit zur Verfügung stehen, damit die Schüler die so wichtige Schnittstelle zwischen Hardware und Software durch praktische Erfahrungen kennenlernen können.