Elektronik-Adventskalender 17
https://www.conrad.de/de/conrad-components-der-conrad-adventskalender-2017-1540858.html
Siehe auch:
Schaltungswettbewerb 2017
LM324-Anwendungen
Vorwort
Viele haben schon sehnsüchtig auf die Adventszeit gewartet, denn nun startet wieder ein Elektronik-Kalender mit 24 Versuchen. In diesem Jahr lautet das Thema Operationsverstärker (OPV) und Schallwandler. Im Mittelpunkt steht der vierfache OPV LM324, der viele interessante Versuche vor allen mit dem Piezo-Schallwandler erlaubt. Es können unterschiedliche Geräusche erzeugt werden, und mit etwas Geschick kann man sich sogar ein einfaches Musikinstrument aufbauen. Aber auch als Mikrofon oder Erschütterungssensor lässt sich der Piezo-Wandler einsetzen, wenn man seine schwachen Signale mit dem OPV verstärkt.
Alle Versuche kann man ganz ohne Vorkenntnisse erfolgreich aufbauen und testen. Die Aufbaubilder helfen dabei. Wer aber auch die Schaltpläne genau ansieht, kann die Versuche oft auch etwas anders aufbauen und hier und da sogar noch ein Drähtchen einsparen. Im Text wird immer zuerst der reine Aufbau und die erwartete Funktion beschrieben. Zusätzlich gibt es dann meist eine kurze Erklärung. Natürlich können hier nicht alle Grundlagen der Elektronik vermittelt werden, aber der eine oder andere wird vielleicht neugierig und findet dann selbst noch mehr heraus.
Bei einigen Versuchen gibt es zusätzliche Aufgabenstellungen, für deren Lösung Punkte vergeben werden. Ob eine Aufgabe vollständig gelöst wurde, entscheiden Sie selbst, oder Sie suchen sich einen Schiedsrichter, vielleicht ein Mitglied der Familie oder einen Freund. Am Ende werden alle Punkte addiert, und Sie können sehen, ob Sie vielleicht schon ein Meister der Elektronik sind.
Wir wünschen viel Freude und eine frohe Weihnachtszeit!
Inhalt
1 Elektrische Geräusche
2 Kontakt finden
3 Laden und Entladen
4 Licht und Sound
5 Integrierte Schaltung gut gelandet?
6 Berührungssensor
7 Nachleuchten bei Berührung
8 Lichtsteuerung
9 Von Rot nach Grün
10 Lichtsensor
11 Farbmischer
12 Erdbebensensor
13 Klatsch-Schalter
14 Tongenerator
15 Akustischer Temperatursensor
16 Wie ein Geigerzähler…
17 Elektronenorgel
18 Lichtorgel
19 Licht-Telegramme
20 Sirene
21 Licht-Alarm
22 Schwebungstöne
23 Orgel zweihändig
24 Funkelnde Sterne
1 Elektrische Geräusche
Aufbau: Hinter dem ersten Türchen findet sich ein zentrales Bauteil dieses Elektronik-Kalenders: Ein Piezo-Schallwandler mit Anschlussdrähten. Außerdem findet man im ersten Fach etwas Draht. Eine 9-Volt-Batterie muss zusätzlich besorgt werden. Falls keine neue Batterie vorhanden ist, reicht für die ersten Versuche auch eine stark gebrauchte Batterie, die für andere Geräte schon zu schwach ist. Halten Sie beide Kabel des Piezo-Schallwandlers an die Batterie. Beim ersten Anschluss hört man ein Knacken. Beim zweiten Mal bleibt es still, weil der Schallwandler bereits aufgeladen ist. Sie können aber die beiden Drähte der Piezo-Scheibe zusammenhalten oder mit einem Stück Draht verbinden, um sie damit zu entladen. Auch dabei hört man ein Knacken, und dann wieder beim neuen Aufladen. Voraussetzung ist aber, dass Sie die blanken Enden der Kabel nicht direkt berühren, denn auch über den Hautwiderstand kann eine Entladung sattfinden.
Erklärung: Die keramische Piezoscheibe ist zugleich ein kleiner Kondensator mit zwei Metallplatten und einem dazwischen liegenden Isolator. Die elektrischen Kräfte zwischen den Ladungen sorgen für eine Verformung des Isolators und damit für die Schallerzeugung. Wenn der Kondensator bereits auf 9 V aufgeladen wurde, bringt eine erneute Verbindung mit der Batterie keinen Unterschied mehr, sodass man nichts hört.
Aufgabe: Sie können durch wiederholtes Umpolen der Batterie Knack-Geräusche mit noch höherer Lautstärke erzeugen. Wenn Sie es demonstrieren können: 2 Punkte.
2 Kontakt finden
Das zweite Türchen verbirgt eine Steckplatine und einen Batterieclip für die 9-V-Batterie. Die weichen Kabel des Batterieclips sind an ihren Enden abisoliert und verzinnt, sodass man sie in die Kontaktlöcher der Steckplatine stecken kann. Sie sollten allerdings nur einmal eingesteckt werden und dann immer an derselben Position bleiben. Wenn alles abgeschaltet werden soll, nimmt man am besten die Batterie von Clip, lässt aber die Anschlussdrähte verbunden. Auf der Platine wird ein Drähtchen als Zugentlastung eingebaut, damit die Batteriekabel nicht zu stark bewegt werden.
Auch die Anschlusskabel des Piezo-Schallwandlers sollten möglichst nur einmal eingesteckt werden und dann in ihrer Position bleiben. Es hat sich bewährt, kleine Löcher durch die Folie auf der Rückseite der Steckplatine zu stechen und die Kabel dort hindurchzuführen. Die Anschlüsse der Piezoscheibe können damit ebenfalls immer an ihrer Position bleiben, selbst wenn dieses Bauteil bei einigen Versuchen nicht zum Einsatz kommt. Übrigens ist es gleichgültig, welcher Draht des Schallwandlers den oberen oder den unteren Kontakt darstellt, während es bei der Batterie entscheidend ist, dass der Pluspol (rot) oben angeschlossen wird.
Bauen Sie den Versuch mit einem Umschalter aus blankem Draht. Der obere Anschluss des Schallwandlers soll abwechselnd mit dem Pluspol und mit dem Minuspol der Batterie verbunden werden. Ziehen Sie die Isolierung des Drahtes ab und schneiden Sie mit einem Seitenschneider passende Stücke des verbleibenden Drahtes ab, aus denen dann die Schaltkontakte gebaut werden. Alle übrigen Verbindungsdrähte und das Drahtstück für die Zugentlastung des Batteriekabels behalten ihre Isolierung im mittleren Bereich und werden nur an den Enden auf einer Länge von etwa 5 mm abisoliert. Die Plastikisolierung ist weich genug, um sie mit den Fingernägeln anzuziehen. Alternativ kann man sie mir einem scharfen Messer rundherum einschneiden, ohne allerdings den Draht anzuritzen, der sonst leicht brechen könnte. Wenn alles korrekt aufgebaut ist, kann der Versuch beginnen. Mit dem selbst gebauten Umschalter können Sie die Piezoscheibe beliebig oft laden und entladen, wobei jedes Mal ein Geräusch entsteht.
Aber es geht auch ohne Batterie! Schließen Sie den Schallwandler mit dem Schalter kurz und drücken Sie mit einem spitzen Gegenstand leicht auf die Membran. Öffnen Sie dann den Kontakt und nehmen danach erst den mechanischen Druck von der Scheibe, die sich dabei elektrisch auflädt. Wenn der Kontakt dann wieder geschlossen wird, hört man ein deutliches Knacken. Aber nicht nur mechanischer Druck kann die Piezo-Scheibe aufladen, sondern auch eine Temperaturänderung. Erwärmen Sie die Scheibe bei offenem Kontakt durch Berühren. Sie lädt sich dabei auf und erzeugt beim Entladen ein Geräusch. Nach einiger Zeit der Abkühlung kann wieder ein Knacken erzeugt werden.
Aufgabe: Stellen Sie den ganzen Versuch für einige Zeit in die Kälte nach draußen. Holen Sie ihn dann wieder ins Warme und erzeugen Sie nacheinander mindestens fünf deutlich hörbare Knackgeräusche: 3 Punkte
3 Laden und Entladen
Hinter dem dritten Türchen finden Sie einen Widerstand mit 2,2 Kiloohm (2,2 kΩ). Er ist mit drei Farbringen gekennzeichnet (Rot, Rot, Rot). Ein vierter, goldener Ring kennzeichnet die Genauigkeitsklasse 5%. Schalten Sie diesen Widerstand parallel zum Schallwandler. Er sorgt dann immer für eine schnelle Entladung. Deshalb reicht diesmal ein einfacher Kontakt aus. Bei jedem Schließen und bei jedem Öffnen des Kontakts entsteht ein Geräusch. Lassen Sie den Schalter nicht lange geschlossen, denn der Widerstand verbraucht Energie. Die Batterie soll aber möglichst bis zum Ende der Versuche reichen.
Erklärung: Man kann leicht abschätzen, wann die Batterie entladen wäre. Die Stromstärke beträgt 9 V geteilt durch 2,2 kΩ, also etwa 4 mA. Bei einer Kapazität einer Alkali-Batterie von 500 mAh würde es 125 Stunden oder rund fünf Tage dauern, bis die Batterie leer ist.
Aufgabe: Bauen Sie zwei Berührungskontakte und schalten Sie Ihren Hautwiderstand in Reihe zum vorhandenen Widerstand von 2,2 kΩ. Der Hautwiderstand beträgt einige 100 kΩ, sodass die Entladung bei geringerem Strom sehr viel langsamer und leiser wird. Der bisherige Widerstand hat nur noch eine Schutzfunktion und begrenzt den Strom bei einem versehentlichen direkten Kontakt der Sensorkontakte. Durch mehr oder weniger starke Berührung können Sie den Widerstand verändern. Das Ziel ist, dass nur noch bei jedem Schließen des Schalters ein Knacken ertönt, nicht aber beim Öffnern: 4 Punkte
4 Licht und Sound
Öffnen Sie das Türchen Nummer 3 und finden Sie eine rote Leuchtdiode (LED). Bauen Sie die LED in die Plusleitung Ihres Aufbaus ein. Damit sehen Sie, wann der Schalter geschlossen ist und Strom fließt. Beim Einbau einer LED muss man auf die Richtung achten.
Sie besitzt zwei unterschiedliche Anschlüsse. Der kurze Draht ist der Minuspol (Kathode) der längere Draht ist der Pluspol (Anode). Wenn die LED eingebaut ist, kann man nur noch schlecht sehen welches der kurze Draht ist. Es gibt jedoch noch eine zweite Kennzeichnung. Der breitere untere Rand ist an der Kathodenseite abgeflacht. Außerdem ist bei allen LEDs in diesem Kalender der größere Halter im Inneren der LED mit der Kathode verbunden.
Info: Bei einer Reihenschaltung teilt sich die Batteriespannung von 9 V auf die einzelnen Verbraucher auf. An der LED liegt nun eine Spannung vom etwa 2 V, am Widerstand nur noch 7 V. Weil die Spannung am Piezo-Lautsprecher damit ebenfalls nur noch 7 V ist, wird das Knacken beim Betätigen des Schalters etwas leiser. Weil aber unser Ohr sehr viel größere Bereiche unterschiedlicher Lautstärken gewohnt ist, bleibt dieser kleine Unterschied praktisch unhörbar.
Aufgabe: Betätigen Sie den Schaltkontakt so, dass sich beide Drähte nur ganz leicht berühren oder schwach übereinander streichen. Damit entsteht ein kratzendes Geräusch im Lautsprecher, wie es oft in älteren Telefonen gehört wurde. Der Kontakt ist weder zuverlässig geschlossen noch ganz geöffnet. Die LED zeigt dann ein flackerndes Licht. Dieser Effekt ist allerdings nur mit viel Geschick zu erreichen: 4 Punkte.
5 Integrierte Schaltung gut gelandet?
Öffnen Sie das fünfte Türchen. Dahinter finden Sie das wichtigste Bauteil dieses Kalenders, den vierfachen Operationsverstärker LM324. Dieses IC (Integrated Circuit, Integrierte Schaltung) mit 14 Anschlussbeinchen enthält vier eigenständige Verstärker mit jeweils zwei Eingängen und einem Ausgang. Die einzelnen Verstärker sind austauschbar, aber die beiden Anschlüsse für die Betriebsspannung dürfen niemals verwechselt werden, weil das IC dadurch zerstört werden kann. Der Plus-Anschluss liegt am Pin 4, der Minusanschluss am Pin 11. Auf ihrer Experimentier-Platine hat man aber üblicherweise der Pluspol oben und der Minuspol unten. Das IC soll deshalb so eingesetzt werden, dass die Beschriftung auf dem Kopf steht.
Stellen Sie sich vor, der Vierfach-OPV wäre ein Raumfahrzeug, das auf dem Mars landen soll. Alle warten gespannt auf ein erstes Lebenszeichen, das beweist, dass das Raumschiff korrekt gelandet ist. In diesem Fall zeigt das Leuchten der roten LED, dass alles gut gelaufen ist. Und der Widerstand verhindert einen Schaden, falls doch ein Fehler passiert ist. Anders als auf dem Mars könnte man dann noch leicht alles berichtigen und wieder neu probieren.
Info: Ein Operationsverstärker verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen deinen beiden Eingängen. Bei größeren Unterschieden ist der Ausgang entweder ganz an oder ganz aus. In diesem Fall ist die Spannung am +Eingang höher als die am –Eingang, deshalb ist die LED an. Normalerweise liegt das IC an der vollen Betriebsspannung, nur diesmal liegt noch der Schutzwiderstand in der Plus-Leitung.
Aufgabe: Bauen Sie die Schaltung so um, dass ein anderer der vier möglichen Verstärker verwendet wird (1 Punkt). Oder probieren Sie es gleich mit allen drei anderen Verstärkern (3 Punkte).
6 Berührungssensor
Das Türchen Nummer 6 bringt einen Widerstand mit 330 kΩ (Orange, Orange, Gelb) zum Vorschein. Bauen Sie eine Schaltung mit offenem OPV-Eingang. Zwei Drähte mit blankem Ende führen nach außen. Im Normalzustand ist die LED an. Verbindet man die beiden Eingangs-Drähte, geht sie aus. Es reicht auch, beide Drähte mit dem Finger zu berühren, denn die Leitfähigkeit der Haut genügt schon, um den Zustand zu verändern. Berührt man nur den einen Draht am +Eingang, kann die LED an oder aus sein, manchmal auch flackern. Wenn sich elektrische Leitungen in der Nähe befinden, kann ein Brummen oder Summen aus dem Lautsprecher ertönen.
Info: Die Spannung zwischen den beiden Eingängen wird etwa 100.000-fach verstärkt. In diesem Fall aber wird der invertierende Eingang (-) direkt mit dem Ausgang verbunden. Die so erzeugte Gegenkopplung reduziert die Spannungsverstärkung auf eins. Am Ausgang steht also immer fast genau die gleiche Spannung wie am nichtinvertierenden Eingang (+). Die Spannungsverstärkung ist zwar nur noch 1-fach, aber der OPV liefert eine sehr große Stromverstärkung. Deshalb reagiert der Verstärker empfindlich auf schwache Störsignale.
Aufgabe: Berühren Sie die LED-Anode und den Eingang nur schwach. Die LED soll dabei nicht ganz ausgehen, sondern nur schwächer leuchten: 4 Punkte
7 Nachleuchten bei Berührung
Das siebte Türchen verbirgt ein ganz neues Bauteil, nämlich einen Kondensator mit 100 Nanofarad (100 nF). Es handelt sich um einen keramischen Scheibenkondensator, der mit dem Aufdruck 104 (100.000 pF, Pikofarad) gekennzeichnet ist. Bauen Sie diesen in Ihre Schaltung ein. Die LED ist diesmal gegen Plus angeschlossen, sodass sich der Ruhezustand umkehrt. Im Normalzustand ist die LED aus. Wenn Sie jedoch die Drähte kurzschließen oder mit dem Finger berühren, geht die LED an. Sie leuchtet dann lange nach und geht nur langsam wieder aus. Man könnte sich daraus ein Nachtlicht bauen, das bei einer einfachen Berührung angeht und dann allein wieder erlischt.
Info: Diese Schaltung funktioniert nicht mit jedem beliebigen OPV, sondern ist auf eine spezielle Eigenschaft genau dieses Typs angewiesen. Der LM324 enthält bipolare Operationsverstärker mit PNP-Eingangsstufen, die bis herunter zur negativen Spannung und sogar noch etwas darunter arbeiten. Der Basisstrom der Eingangstransistoren ist etwa 30 nA, also 0,03 µA. Dieser sehr kleine Strom lädt den Kondensator am Eingang nur langsam auf. Die Eingangsspannung steigt mit rund 0,3 V/s an. Es dauert daher etwas länger als 20 s, bis die Spannung über 7 V gestiegen ist und die LED ausgeht.
Aufgabe: Berühren Sie die Eingänge so schwach, dass die LED noch nicht ausgeht, aber auch nur gleichmäßig schwach leuchtet. Sie müssen selbst herausfinden, wie Sie mit Ihren Fingern genau den richtigen Widerstand bilden: 3 Punkte
8 Lichtsteuerung
Noch eine LED kommt hinter dem achten Türchen zum Vorschein. Sie ist grün und soll nun anstelle der roten LED an den Ausgang des OPV gelegt werden. Die rote LED dagegen bekommt eine neue Aufgabe: Sie wird zur Fotodiode und ist damit ein wirksamer Lichtsensor. Beachten Sie die Einbaurichtung mit der Kathode am Eingang des OPV. Wenn Sie die rote LED mit einer hellen Taschenlampe bestrahlen, geht die grüne LED an.
Info: Eine Fotodiode ist aufgebaut wie jede andere Diode oder Leuchtdiode. In Sperrrichtung bildet sich eine isolierende Sperrschicht, die jeden Stromfluss verhindert. Wenn jedoch Licht in die Sperrschicht eindringt, werden einzelne Elektronen aus ihren Bindungen befreit und können sich frei bewegen. Dann fließt ein Strom. Weil ein LED-Kristall nur eine geringe Fläche hat, fällt nur wenig Licht hinein und erzeugt nur einen sehr kleinen Fotostrom. In diesem Fall reicht ein Fotostrom von etwa 30 nA, um die LED einzuschalten.
Aufgabe: Bauen Sie zusätzlich einen Kondensator wie am Tag 7 mit ein. Damit verlangsamt sich das Einschalten und man beobachtet ein Nachleuchten der grünen LED: 2 Punkte
9 Von Rot nach Grün
Hinter dem Türchen Nummer 9 finden Sie einen Widerstand mit 4,7 kΩ (Gelb, Violett, Rot). Er dient hier als Vorwiderstand für die grüne LED. Weil nun beide LEDs am Ausgang liegen, bestimmt die Ausgangsspannung das Helligkeitsverhältnis zwischen beiden Farben. Wenn der Drahtschalter geschlossen wird, geht die rote LED an. Öffnet man den Schalter, wird die rote LED langsam schwächer und die grüne immer heller, bis am Ende nur noch die grüne LED leuchtet
Info: Der Eingangsstrom durch den +Eingang erzeugt einen Spannungsabfall von etwa 10 mV am Widerstand von 330 kΩ. Bei geschlossenem Schalter ist die Spannung am invertierenden Eingang null Volt, die Ausgangsspannung also hoch. Öffnet man den Schalter, beginnt der Kondensator sich zu entladen. Weil er jedoch zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang liegt, verlangsamt sich die Entladung. Eine solche Schaltung nennt man auch einen Integrator. Die Ausgangsspannung ändert sich proportional zum Ladestrom und der Zeit.
Aufgabe: Bauen Sie die Schaltung so um, dass statt des Schalters ein Berührungskontakt steht. Diesmal muss der Fingerdruck stärker sein, denn man muss einen Widerstand unter 330 kΩ erreichen. Eventuell muss der Finger leicht angefeuchtet werden: 3 Punkte
10 Lichtsensor
Eine gelbe LED kommt hinter dem zehnten Türchen zum Vorschein. Sie eignet sich gut als Lichtsensor. In Abhängigkeit von der Helligkeit zeigt die Schaltung entweder Rot oder Grün.
Info: Prinzipiell kann jede LED auch als Fotosensor eingesetzt werden. Tauschen Sie die LEDs aus und testen Sie, welche der LEDs bei einer gegebenen weißen Lichtquelle die größte Empfindlichkeit aufweist. Mit einer Taschenlampe kann man dazu die Entfernung messen, bei der der Ausgang umschaltet. Um die Messung zu beschleunigen, sollte man den Kondensator entfernen.
Aufgabe: Führen Sie Versuche ohne Kondensator mit verschiedenen Lichtquellen durch. Suchen Sie Bereiche, in denen beide LEDs am Ausgang etwa gleich stark leuchten. Damit können Sie beweisen, dass diese Lampen schnell flackern. Eine stark flackernde Lampe zeigt einen großen Bereich, in dem beide LEDs leuchten. Finden Sie die am stärksten flackernde Lampe in Ihrer Wohnung: 4 Punkte
11 Farbmischer
Hinter dem elften Türchen verbirgt sich ein Elektrolytkondensator (Elko) mit 22 µF (Mikrofarad). Achtung, bei einem Elko muss immer die Polung beachtet werden. Der Minuspol ist mit einem dicken weißen Strich gekennzeichnet. Nur in der korrekten Einbaurichtung isoliert der Kondensator gut. In der falschen Richtung fließt Strom und kann den Elko langsam zerstören. Hier wird der Elko verwendet, um einen einmal eingestellten Zustand für lange Zeit zu halten. Mit dem selbst gebauten Schalter kann man den Kondensator laden oder entladen. Damit ändert man die Ausgangsspannung des OPV und damit die Helligkeit der roten und der grünen LED. So lässt sich eine beliebige Farbmischung einstellen.
Info: Die Grundschaltung ist wieder ein Integrator, wobei diesmal der Eingangsstrom je nach Schalterstellung positiv, null oder negativ sein kann. In der neutralen Mittelestellung des Schalters sollte sich die Ausgangsspannung nicht ändern. Tatsächlich aber führt der unvermeidliche Isolationsfehler des Elkos und der Eingangsstrom des OPV zu einer langsamen Änderung.
Aufgabe: Bauen Sie den Schalter zu einem doppelten Berührungssensor mit vier blanken Drähten um. Je nachdem, welche Kontakte man mit dem Finger berührt, ändert sich der Anteil der beiden Farben: 5 Punkte
12 Erdbebensensor
Einen Widerstand mit 330 kΩ (Orange, Orange, Gelb) finden Sie hinter dem Türchen Nr. 12. Er wird nun eingesetzt, um den Piezo-Schallwandler zu einem Erschütterungssensor zu machen. Laute Geräusche und starke Erschütterungen lassen die beiden LEDs flackern. Heben und senken Sie den gesamten Aufbau, dann leuchtet abwechselnd die rote und die grüne LED. Die Piezoscheibe verhält sich wie ein Beschleunigungssensor. Wenn Sie damit durch den Raum gehen, wird deutlich jeder Schritt angezeigt.
Info: Der Operationsverstärker wird hier ohne Gegenkopplung als Komparator betrieben. Im Ruhezustand sind beide Eingangsspannungen gleich, sodass man nicht vorhersagen kann, wie der Ausgang sich verhält. Der OPV hat nämlich einen kleinen Offset-Fehler in der Größenordnung von einem Millivolt, der hier im Ruhezustand den Ausschlag gibt. Sobald aber die vom Wandler erzeugte Signalspannung deutlich größer als 1 mV ist, bestimmt diese den Ausgangszustand.
Aufgabe: Beschwerden Sie die Membran mit einem kleinen Gewicht von maximal 10 g. Der Sensor wird damit noch empfindlicher für Bodenerschütterungen. Versuchen Sie, den Sensor so aufzustellen, dass er die Schritte einer Person im Raum anzeigt: 5 Punkte
13 Klatsch-Schalter
Einen weiteren Widerstand mit 100 kΩ (Braun, Schwarz, Gelb) finden Sie hinter dem 13. Türchen. Damit soll ein Klatsch-Schalter gebaut werden, der die LEDs bei lauten Geräuschen oder nach einem Antippen des Sensors umschaltet. Beachten Sie beim Einbau die korrekte Polung des Elkos, dessen Minuspol an den nichtinvertierenden Eingang gehört. Im Ruhezustand ist die grüne LED an. Es dauert etwa eine halbe Minute, bis sich der Sensor von selbst auf maximale Empfindlichkeit eingestellt hat. Ein Geräusch oder eine Erschütterung bewirkt dann ein abruptes Umschalten von Grün auf Rot. Dann dauert es etwa eine halbe Minute bis die Schaltung wieder in den Zustand Grün umschaltet. Der Wechsel von Rot nach Grün ist ein langsames Überblenden. Wenn die rote LED ganz aus ist, dauert es noch etwa zehn Sekunden, bis die Schaltung wieder bereit für neue Geräusche ist. Mit einem sehr starken Signal kann man allerdings bereits früher umschalten. Genauso kann man mit einem lauten Geräusch die Rot-Phase abkürzen. Wenn es durchgehend sehr laut ist, erzeugt die Schaltung ein etwas schnelleres Dauer-Umschalten.
Info: Diese Funktion dieser Schaltung ist nicht ganz einfach zu durchschauen. Ein idealer Operationsverstärker würde sich ganz anders verhalten. Hier werden jedoch besondere Eigenschaften des bipolaren OPV mit PNP-Eingangsstufe ausgenutzt. Der Eingangsstrom liegt bei etwa 30 nA, sodass ein Spannungsabfall von 10 mV am invertierten Eingang liegt, am nichtinvertierten Eingang dagegen nur 3 mV. Der Unterschied reicht aus um einen stabilen Ruhezustand zu erzeugen. Der Sensor muss mindestens 7 mV aufbringen um den Zustand zu ändern. Beim Umkippen in den Rot-Zustand zieht der Elko die Spannung am +Eingang hoch und hält diesen Zustand durch die Rückkopplung stabil. Er muss sich dann soweit aufladen, dass die Eingangsspannung unter 3 mV absinkt, was etwa eine halbe Minute dauert. Dann kippt der Ausgangszustand um. Damit würde der Eingang um einige Volt unter Null gezogen, was allerdings nicht mehr zum normalen Arbeitsbereich des OPV gehört. Unterhalb von -0,5 V kehrt sich die Funktion des OPV um. Aus einer Rückkopplung wird daher für eine gewisse Zeit eine Gegenkopplung, die Schaltung arbeitet als Integrator. Deshalb ändert sich der Ausgangszustand nur langsam.
Aufgabe: Nehmen Sie den Elko aus der Schaltung und setzen Sie den Scheibenkondensator mit 100 nF ein, um den Vorgang zu beschleunigen. Bauen Sie damit die Schaltung so um, dass bei jedem Geräusch ein roter Lichtblitz entsteht: 3 Punkte
14 Tongenerator
Das 14. Türchen bringt einen weiteren Widerstand mit 100 kΩ (Braun, Schwarz, Gelb) zum Vorschein. Bauen Sie nun einen Signalgenerator, der einen lauten Ton erzeugt. Zusätzlich wird das Ausgangssignal an der grünen LED angezeigt. Man sieht zunächst nur ein gleichförmiges Leuchten. Wenn Sie aber die Augen schnell bewegen, ist ein schnelles Ein- und Ausschalten der LED zu erkennen.
Info: Ein Spannungsteiler mit zwei gleichen Widerständen legt die halbe Betriebsspannung an den +Eingang des OPV. Ein zusätzlicher Widerstand zum Ausgang bildet eine Rückkopplung, die den Ausgangszustand entweder bei hoher Spannung oder bei kleiner Spannung festhält. Zusätzlich gibt es eine Gegenkopplung zum invertierenden Eingang, die allerdings mit einem Kondensator verzögert wird. Immer wenn sich der Kondensator weit genug aufgeladen oder entladen hat, wird der Ausgangszustand umgeschaltet. So entstehen regelmäßige Schwingungen.
Aufgabe: Ersetzen Se den 100-kΩ-Winderstand in der Gegenkopplung durch einen wesentlich kleineren Widerstand von 4,7 kΩ. Der Ton wird dadurch sehr viel höher: 2 Punkte
15 Akustischer Temperatursensor
Hinter dem Türchen Nr. 16 finden Sie einen Widerstand mit 10 kΩ (Braun, Schwarz, Orange) der nun statt des Widerstands mit 100 kΩ eingesetzt werden soll. Damit entsteht ein hoher Ton. Berühren Sie den Kondensator mit zwei Fingern. Er wird sich dabei leicht erwärmen, was zu einer Änderung der Tonhöhe führt.
Info: Die meisten elektrischen Bauteile ändern ihre Eigenschaften mit der Temperatur. Bei vielen keramischen Kondensatoren ist dieses Verhalten besonders ausgeprägt. Genauer betrachtet wird die Kapazität nahe der Raumtemperatur von 20 °C maximal und sinkt bei höheren und bei sehr viel tieferen Temperaturen deutlich ab. Eine Erwärmung mit den Fingern führt daher zu einer höheren Tonfrequenz.
Aufgabe: Stellen Sie die Schaltung für einige Minuten hinaus in die Kälte und untersuchen Sie den Einfluss tiefer Temperaturen. Stellen Sie die Schaltung direkt auf die Heizung und suchen Sie den wärmsten Ort im Zimmer: 4 Punkte
16 Wie ein Geigerzähler…
Hinter dem 16. Türchen finden Sie einen weiteren Scheibenkondensator, diesmal mit nur 10 nF (Aufdruck 103). Bauen Sie diesen in den Tongenerator ein. Auch veränderte Widerstände kommen zum Einsatz, um die Tonhöhe anzupassen. Außerdem wird der bisher in der Gegenkopplung eingesetzte Widerstand durch eine rote LED ersetzt, die nun als Lichtsensor arbeitet. Das Ergebnis ist ein Tongenerator, dessen Frequenz von der Helligkeit abhängt. Wenn es sehr dunkel ist, hört man nur noch ein Knattern. Wenn Licht auf den Sensor fällt, erhöht sich die Frequenz des Tons. Mit etwas Phantasie hört sich das an wie ein Geigerzähler, wenn man eine radioaktive Probe annähert.
Info: Die LED hat in diesem Versuch zwei Funktionen. In Durchlassrichtung verhält sie sich wie jede andere Diode und sorgt für eine schnelle Entladung des Kondensators. In Sperrrichtung dagegen isoliert sie und lässt nur einen Strom fließen, der von der Helligkeit abhängig ist. Die Schaltung erzeugt daher kurze Impulse, deren Frequenz mit der Helligkeit steigt.
Aufgabe: Bauen Sie zusätzlich den Kondensator mit 100 nF ein, sodass die Frequenz noch geringer wird. Bei Dunkelheit sollte man dann nur noch ein vereinzeltes Knacken hören und sieht dann auch schwache Lichtblitze der rote LED. Testen Sie, welche LED den geringsten Sperrstrom aufweist und damit bei Dunkelheit die geringste Frequenz erzeugt. Der Aufbau erinnert dann noch deutlicher an einen Geigerzähler. 4 Punkte
17 Elektronenorgel
Hinter dem Türchen Nummer 17 finden Sie einen weiteren Widerstand mit 100 kΩ (Braun, Schwarz, Gelb). Bauen Sie den Tongenerator zu einer Elektronenorgel um. Übliche Instrumente haben viele Tasten, dieses kommt mit zwei Kontakten aus, die als Berührungssensor funktionieren. Wenn man beide Kontakte mit den Fingern berührt, bildet man damit einen Widerstand, der den Ton bestimmt. Ein festerer Druck erzeugt einen höheren Ton.
Info: Die Schaltung ähnelt dem Geigerzähler-Oszillator vom vorigen Tag, hat aber mit dem Widerstand von 100 kΩ im Rückkopplungszweig einen angepassten Frequenzbereich. Außerdem gibt es jetzt einen Puffer-Verstärker mit einfacher Spannungsverstärkung, der für eine gute Trennung des Schallgebers sorgt. Damit werden Rückwirkungen auf den Oszillator vermieden, die im Bereich von Eigenresonanzen des Wandlers auftreten könnten.
Aufgabe: Üben Sie mit diesem Instrument und spielen Sie ein Weihnachtslied. Wenn Andere das Lied erkennen können: 5 Punkte
18 Lichtorgel
Öffnen Sie das Türchen Nummer 18 und nehmen Sie einen Widerstand mit 330 kΩ (Orange, Orange, Gelb) heraus. Bauen Sie außerdem wieder die LED als Lichtsensor ein. Mit einer Taschenlampe oder einer anderen Lichtquelle könnten Sie nun den Ton verändern. Eine stärkere Annäherung der Lampe erhöht die Frequenz. Der Ausdruck „Lichtorgel“ steht meist für ein Gerät, das Licht in Abhängigkeit von Klängen steuert. Hier ist es umgekehrt: Das Licht bestimmt die Tonhöhe.
Info: Die Schaltung verwendet wieder einen Pufferverstärker für eine ungestörte Tonwidergabe. Mit der LED als Fotodiode ergibt sich bei mittlerer Helligkeit nur ein geringer Ladestrom. Durch die angepassten Widerstände wird der Ton jedoch hoch genug und in einen gut spielbaren Bereich verschoben.
Aufgabe: Spielen Sie mit einer hellen Taschenlampe ein Weihnachtslied. Wenn Ihr Lied erkannt wird: 5 Punkte
19 Licht-Telegramme
Einen Widerstand mit 10 kΩ (Braun, Schwarz, Orange) finden Sie im Fach Nummer 19. Bauen Sie einen Tongenerator, der sich mit einer Lichtquelle einschalten lässt. Die gelbe LED dient als Lichtsensor, die rote LED als elektronischer Schalter für den Tongenerator. Die Schaltung ist ein Empfänger für Licht-Telegrafie. Senden Sie zum Beispiel einen SOS-Notruf (… --- …), der von jedem verstanden wird.
Info: Die Schaltung besteht aus schon bekannten Baugruppen. Der Ausgang des linken OPV ist im Ruhezustand positiv. Die rote LED leitet dann und stoppt damit den Tongenerator. Bei einem genügend großen Sensorstrom wird der Ausgang des Lichtsensors umgeschaltet. Die rote LED wird dann in Sperrrichtung betrieben und der Tongenerator eingeschaltet.
Aufgabe: Bauen Sie parallel zur Sensor-LED einen Schaltkontakt oder Berührungssensor als Morsetaste ein. Der Lichtempfänger wird dadurch zu einem Sende-Empfänger. Sie können auf empfangene Nachrichten antworten: 4 Punkte
20 Sirene
Öffnen Sie das Türchen Nummer 20 und nehmen Sie einen Widerstand mit 33 kΩ (Orange, Orange, Orange) heraus. Bauen Sie eine Sirene. Hier werden zum ersten Mal alle vier Verstärker des LM324 gemeinsam verwendet. Weil sehr viele Bauteile eingesetzt werden, ist der Aufbau recht komplex.
Info: Die Schaltung besteht aus zwei Oszillatoren unterschiedlicher Frequenz. Direkt am Elko des ersten Oszillators liegt eine langsam ansteigende und wieder abfallende Spannung, die mit einem Pufferverstärker zum eigentlichen Tongenerator gelangt und dort die Eingangsspannung moduliert. Der höchste Ton wird erzeugt, wenn die Spannung gerade in der Mitte liegt. Sowohl bei höherer als auch bei geringerer Eingangsspannung sinkt die Ausgangsfrequenz. Weil der bipolare OPV nicht über den vollen Spannungsbereich arbeitet, findet man zwei Phasen, einmal tiefer und einmal weniger tief.
Aufgabe: Bauen Sie zusätzlich eine LED mit einem passenden Vorwiderstand ein, sodass man den Signalverlauf des langsamen Oszillators sehen kann: 3 Punkte
21 Licht-Alarm
Ein Widerstand mit 3,3MΩ (Orange, Orange, Grün) kommt hinter dem Türchen Nummer 21 zum Vorschein. Er wird nun in einem langsamen Oszillator verwendet. Zusätzlich gibt es einen Lichtsensor, der den Ton einschaltet. Diese Alarmanlage kann verwendet werden, um Weihnachtsgeschenke vor der vorzeitigen Entdeckung zu schützen. Wenn jemand in den verbotenen Raum kommt und das Licht einschaltet, ertönt ein unterbrochener Alarmton. Ohne Alarm sieht man einen Wechselblinker mit der roten und der grünen LED, der als Bereitschaftsanzeige dienen kann.
Info: Auch diese Schaltung besteht aus schon bekannten Baugruppen. Diesmal gibt es zwei Dioden, die den Oszillator stoppen können. Nur wenn die rote und die grüne LED gesperrt sind, entsteht der Ton.
Aufgabe: Verwenden Sie die noch übrigen Widerstände und Kondensatoren um die Tonhöhe oder die Wiederholfrequenz zu verändern: 2 Punkte
22 Schwebungstöne
Im Fach Nummer 22 finden Sie einen weiteren Kondensator von 100 nF (104). Damit können zwei Oszillatoren mit gleicher Frequenz aufgebaut werden. Beide Töne gelangen zum Lautsprecher. Ändern Sie die Frequenz eines der Oszillatoren, indem Sie den Kondensator mit dem Finger erwärmen. Dabei entstehen Schwebungstöne. Nach der Abkühlung nähern sich die Frequenzen einander an, die Schwebung wird langsamer, bis sie ganz verschwindet.
Info: Wenn zwei Töne nahe beieinander liegen, hört man eine auf- und absteigende Lautstärke im Takt der Differenz beider Töne. Wenn der Frequenzunterschied sehr gering ist, rasten die beiden Oszillatoren auf eine gemeinsame Frequenz ein. Sie können aber noch unterschiedliche Phasen haben, was die Lautstärke und den Klang verändert. Die Herausforderung besteht darin, beide Oszillatoren möglichst gut gegeneinander zu entkoppeln, damit auch geringe Frequenzunterschiede möglich sind. Dazu dienen die beiden Pufferverstärker und der Elko an der Betriebsspannung.
Aufgabe: Erwärmen Sie beide Kondensatoren so gleichmäßig, dass die Oszillatoren immer die gleiche, ansteigende Frequenz haben. Das erfordert etwas Übung und viel Geschick, denn Sie müssen am Klang erkennen, wann einer der Oszillatoren aus der Kopplung auszubrechen droht: 3 Punkte
23 Orgel zweihändig
Ein zweiter Kondensator mit 10 nF (103) findet sich hinter dem Türchen Nummer 23. Damit soll nun eine zweistimmige Orgel gebaut werden. Die Töne werden durch den Fingerdruck auf die Sensordrähte verändert. Zwei völlig unabhängige Töne erhält man jedoch nur, wenn die beiden Sensoren von zwei Personen berührt werden, die ansonsten gut voneinander isoliert sind. Sobald sie sich an den Händen berühren, beeinflusst jeder den Ton des anderen.
Info: Die Schaltung unterscheidet sich kaum von Schwebungsoszillator des letzten Tages. Weil aber der Hautwiderstand wesentlich größer ist als die dort eingesetzten 10 kΩ, müssen die Kondensatoren verkleinert werden.
Aufgabe: Ersetzen Sie einen der beiden Kondensatoren durch einen mit 100 nF und die zugehörigen Sensordrähte durch einen Widerstand mit 33 kΩ. Dadurch erhält die Orgel eine permanente zweite Stimme mit konstantem Ton, ähnlich wie bei einem Dudelsack. Sie können nun wohlklingende Zweiklänge spielen. Nur einem wirklichen Musik-Genie wird es allerdings gelingen, damit einen zweistimmigen Weihnachts-Choral zu spielen. Wenn Sie es überzeugend schaffen, erhalten Sie 10 Punkte, wenn das Ergebnis noch nicht so ganz überzeugt, entsprechend weniger.
24 Funkelnde Sterne
Bisher gab es immer nur relativ hochohmige Widerstände, um die Batterie zu schonen, die möglichst bis Weihnachten durchhalten sollte. Aber hinter dem letzten Türchen finden Sie einen Widerstand mit nur 1 kΩ (Braun, Schwarz, Rot). Am Weihnachtsabend sollen keine schrägen Klänge die Stimmung trüben, deshalb wird die Piezoscheibe nicht als Lautsprecher sondern als Schallsensor eingesetzt. Sobald die Familie mit genügend Einsatz ein Weihnachtslied singt, beginnen drei LEDs mit einem sanften Flackern, das nach einiger Zeit schwächer wird und dann aufhört. Dieses festliche Licht kann am Weihnachtsbaum befestigt werden. Und wenn keiner mehr singen will, kann man auch einen Zweig des Weihnachtsbaums antippen, damit der Sensor das Licht neu startet.
Info: Der eigentliche Sensor ist der schon vom Tag 13 bekannte Klopf-Sensor mit langsam abfallender Ausgangsspannung. Er versorgt über einen Vorwiderstand von 1 kΩ die drei LEDs, die zusätzlich von drei OPVs gesteuert werden. Das eigentlich Neue an diesem Versuch der der Phasenschieber-Oszillator mit drei Stufen. Die LED werden damit nacheinander und mit weichen Übergängen eingeschaltet.
Aufgabe: Nun wurden 24 Versuche erfolgreich aufgebaut, aber das ist noch lange nicht das Ende der Möglichkeiten. Unzählige weitere Schaltungen sind mit den vorhandenen Bauteilen möglich. Erfinden Sie eine eigene Schaltung, die sich möglichst stark von allen vorgestellten Versuchen unterscheidet: 10 Punkte
Anhang
Auswertung der erzielten Punkte
0 bis 30 Punkte: Es kann nur besser werden.
31 bis 60 Punkte: Sie haben Geschick und Sachverstand bewiesen.
61 bis 100 Punkte: Sie erhalten hiermit den Titel: Meister der experimentellen Elektronik.
Bauteile im Kalender
1 Piezo-Schallwandler + Draht
2 Batterie-Clip + Steckboard
4 Widerstand 2,2 kΩ
4 LED rot
5 LM324
6 Widerstand 330 kΩ
7 Kondensator 100 nF
8 LED grün
9 Widerstand 4,7 kΩ
10 LED gelb
11 Elko 22 µF
12 Widerstand 330 kΩ
13 Widerstand 100 kΩ
14 Widerstand 100 kΩ
15 Widerstand 10 kΩ
16 Kondensator 10 nF
17 Widerstand 100 kΩ
18 Widerstand 330 kΩ
19 Widerstand 10 kΩ
20 Widerstand 33 kΩ
21 Widerstand 3,3 MΩ
22 Kondensator 100 nF
23 Kondensator 10 nF
24 Widerstand 1 kΩ