Elektronik-Adventskalender 19/20
www.conrad.de/de/p/adventskalender-conrad-adventskalender-2019-elektronik-experimente-ab-14-jahre-1968204.html
Besprechung bei TechStage (heise online): www.techstage.de/ratgeber/Geschenk-Tipps-Nerdige-Adventskalender-2020-4583220.html
Schaltungs-Wettbewerb 2019
Vorwort
Auch in diesem Jahr gibt es wieder einen neuen Conrad-Elektronik-Kalender mit 24 Experimenten für den ersten bis zum 24. Dezember. Das zentrale Thema sind 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. Oft lassen sich die Schaltungen kompakter und mit weniger Drähten bauen, als es in einer übersichtlichen Zeichnung dargestellt werden kann.
Den Elektronik-Kalender kann man ganz unterschiedlich verwenden. Der Eine möchte vielleicht einfach nur alles genau nach Plan aufbauen und den Erfolg genießen. Der Andere will es genau verstehen. Die Versuchsbeschreibungen sollen beiden gerecht werden. Deshalb werden der Aufbau und die Funktion jeweils nur so knapp beschrieben, wie es für den erfolgreichen Aufbau nötig ist. Im Anschluss werden die technischen Hintergründe in knapper Form erläutert. So findet man die entscheidenden Hinweise, mit denen man auch auf die Suche nach weiteren Informationen gehen kann. Die größte Freude bereiten die Experimente übrigens, wenn man zusammen arbeitet. Eltern und Großeltern können vielleicht wertvolle Erfahrungen weitergeben und das Interesse der Kinder und Jugendlichen wecken.
Der verwendete Transistor J113 ist ein Sperrschicht-FET (Junction FET, JFET) und ermöglicht zahlreiche interessante Versuche. Zwar lassen sich alle wichtigen Grundschaltungen auch mit den weiter verbreiteten bipolaren NPN-Transistoren aufbauen, aber mit dem JFET ergeben sich oft ganz besondere Möglichkeiten. Der Kalender zeigt einige der Chancen und Schwierigkeiten beim Einsatz von JFETs. Oft sind eigene Variationen nötig und sinnvoll. Die Versuche bieten eine gründliche Einarbeitung in die Schaltungstechnik mit JFETs.
Mit den vorhandenen Bauteilen lassen sich wesentlich mehr Schaltungen bauen als hier gezeigt werden können. Wer die vorgegebenen Versuche mit Interesse durcharbeitet, findet schnell weitere Schaltungsvarianten und ähnliche Anwendungen. Und auch ganz neue Schaltungen lassen sich entwickeln. Ihrem Erfindungsreichtum sind keine Grenzen gesetzt!
Wir wünschen viel Freude und eine frohe Weihnachtszeit!
Inhalt
12 Druck- und Temperatursensor
24 Weihnachtliches LED-Funkeln
1 Der LED-Test
Grüne LED + Widerstand 10 kΩ
Hinter dem ersten Türchen finden Sie eine grüne LED und einen dazu passenden Widerstand. Zusätzlich benötigen Sie noch 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, sondern man braucht immer auch einen Vorwiderstand. Ohne diesen Widerstand würde die LED überlastet und 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). 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.
Der erste Versuch muss besonders vorsichtig ausgeführt werden. Achtung, vermeiden Sie einen direkten Blick in eine leuchtende LED aus kurzer Entfernung unter einem Meter. Helle LEDs können Netzhautschäden verursachen. Vermeiden Sie es, dass jemals beide LED-Anschlüsse gleichzeitig die Batterieanschlüsse berühren! Es muss immer der Widerstand in Reihe angeschlossen werden, sonst brennt die LED durch. Halten Sie beide Bauteile an die Batterie, wie es die Zeichnung zeigt. Die LED leuchtet hell auf.
Elektronische Schaltungen stellt man übersichtlich in Schaltbildern dar. Für jedes Bauteil gibt es ein Symbol. Die LED besteht aus einem Dreieck für die Anode und einem geraden Strich für die Kathode. Das deutet die Stromrichtung an. Zwei kurze Pfeile nach außen stehen für das abgegebene Licht. Der Widerstand wird als rechteckiges Kästchen gezeichnet. Jeder Widerstand hat einen bestimmten Widerstandswert. Hier sind es 10000 Ohm = 10 Kiloohm (10 kΩ, im Schaltbild kurz 10 k). Das reale Bauteil ist mit Farbringen beschriftet (Braun, Schwarz, Orange für 10 000 und Gold für mögliche Abweichungen bis +/-5%).
Das Schaltbild zeigt eine Reihenschaltung. Der Strom fließt durch Batterie, Widerstand und LED. Der Widerstand hat dabei die Aufgabe, die Stromstärke auf einen sinnvollen Wert zu begrenzen. Je größer der Widerstand, desto kleiner die Stromstärke. Bei 10 kΩ wird die LED zwar noch weit unterhalb ihres maximal erlaubten Stroms betrieben, sie leuchtet aber schon recht hell.
2 Batterie-Verbindung
Batterieclip
Das zweite 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. Außerdem verringern Kurzschlüsse die Lebensdauer der Batterie.
Der Widerstand von 10 kΩ bestimmt den Strom durch die LED. In diesem Fall kann man davon ausgehen, dass etwa 2 V an der LED liegen, also noch 7 V am Widerstand. Daraus ergibt sich ein Strom von nur 0,7 mA. Zum Vergleich: LEDs werden meist für Ströme von 20 mA ausgelegt. Diese grüne LED kommt jedoch schon mit deutlich weniger als 1 mA aus, um gut sichtbares Licht zu erzeugen.
3 Gesteckter Aufbau
Steckplatine + Draht
Öffnen Sie das dritte 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-mm-Raster (0,1 Zoll) sorgt für eine sichere Verbindung der Bauteile.
Das Steckfeld hat im mittleren Bereich 230 Kontakte, die jeweils durch vertikale Streifen mit 5 Kontakten leitend verbunden sind. Zusätzlich gibt es am Rand 40 Kontakte für die Stromversorgung, die aus zwei horizontalen Kontaktfederstreifen mit je 20 Kontakten bestehen. Das Steckfeld verfügt damit über zwei unabhängige Versorgungsschienen, die hier für den Pluspol und den Minuspol der Batterie verwendet werden.
Das Einsetzen von Bauteilen benötigt relativ viel Kraft. Die Anschlussdrähte knicken daher leicht um. Wichtig ist, dass die Drähte exakt von oben eingeführt werden. Dabei hilft eine Pinzette oder eine kleine Zange. Ein Draht wird möglichst kurz über dem Steckbrett gepackt und senkrecht nach unten gedrückt. So lassen sich auch empfindliche Anschlussdrähte wie die verzinnten Enden des Batterieclips ohne Knicken einsetzen. Manchmal hilft es auch, die Kontakte zuerst mit einer Nadel etwas zu weiten.
Bauen Sie die Schaltung aus dem ersten Versuch noch einmal auf der Steckplatine auf. Wieder handelt es sich um eine Reihenschaltung mit Widerstand und LED. Das Schaltbild zeigt die gleiche Schaltung, aber mit einer etwas anderen Anordnung der Bauteile, die dem realen Versuch möglichst ähnlich ist. Ein zusätzlicher kurzer Draht dient als Zugentlastung für die Batteriekabel und hält sie in ihrer Position fest. Entfernen Sie die Isolierung an den Enden auf einer Länge von 5 mm oder etwas mehr, sodass sie tief eingesteckt werden können und gut gehalten werden. Das gilt auch für alle Drahtverbindungen der folgenden Versuche.
4 Nur in einer Richtung
Transistor J113
Hinter dem vierten Türchen finden Sie das wichtigste Bauteil dieses Kalenders, einen Feldeffekttransistor J113. Es handelt sich um einen Sperrschicht-FET (J-FET, J für junction = Sperrschicht). Er enthält damit eine Diode, die den Strom nur in einer Richtung leitet. Seine drei Anschlüsse heißen Gate (G), Source (S) und Drain (D). Bei diesem Versuch leitet die Sperrschicht, die LED leuchtet also. Wenn man jedoch die beiden Anschlüsse vertauscht, geht die LED aus. Wenn Sie allerdings statt dem Source-Anschluss den Drain-Anschluss verwenden, ist die LED ebenfalls an.
Zwischen Gate und Source des Feldeffekttransistors liegt im leitenden Zustand eine Spannung von rund 0,7 V wie bei einer in Durchlassrichtung eingebauten Si-Diode zwischen Anode und Kathode oder bei einem NPN-Transistor zwischen Basis und Emitter oder zwischen Basis und Kollektor. Ein NPN-Transistor würde sich in dieser Schaltung ganz ähnlich verhalten. Ganz anders ist es bei einem MOS-FET, der ein isoliertes Gate hat, das in keiner Richtung leitet.
5 Berührungs-Sensor
Widerstand 470 Ω
Einen weiteren Widerstand finden Sie hinter dem Türchen Nummer 5. Er hat 470 Ω und trägt die Farben Gelb, Violett, Braun. Setzen Sie ihn nun als Vorwiderstand in die Plusleitung der Batterie. Er dient ähnlich wie eine Sicherung zur 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.
Die eigentliche Schaltung dieses Tages zeigt die besonderen Eigenschaften eines JFET. Das Gate ist mit einem offenen Draht verbunden. Im Ruhezustand leuchtet die LED. Wenn Sie jedoch den offenen Draht kurz berühren, ändert sich die Helligkeit oder die LED geht aus. Meist geht sie dann nach einigen Sekunden oder Minuten wieder an. Sie können auch Ihre Hand nur in die Nähe des Gate-Drahtes halten und die Füße auf dem Boden bewegen oder anheben. Auch damit ändern Sie die Helligkeit. Schießen Sie das Gate auch einmal direkt an Source bzw. den Minuspol der Batterie (Masse, Ground, GND) an. Dann bleibt die LED an.
Die drei Anschlüsse Source, Gate und Drain des FET kann man mit den Anschlüssen Emitter, Basis und Kollektor eines NPN-Transistors vergleichen. Die Spannung am Gate oder an der Basis bestimmt jeweils den Stromfluss zwischen Source und Drain bzw. zwischen Emitter und Kollektor. Während aber der NPN-Transistor eine Spannung von + 0,5 V bis ca. + 0,7 V zwischen Basis und Emitter braucht, leitet der JFET schon bei einer Spannung von 0 V zwischen Gate und Source. Man sagt daher, dass dieser Transistor „selbstleitend“ ist. Um ihn zu sperren, braucht man eine negative Spannung von rund -2 V oder tiefer. In diesem Bereich ist die Gate-Diode gesperrt, der Eingang also extrem hochohmig. Deshalb reagiert das offene Gate schon auf kleinste elektrische Ladungen oder elektrische Felder. Unterhalb etwa -40V beginnt die GS-Diode wie eine Z-Diode zu leiten und schützt sich daher selbst vor noch größeren Spannungen.
6 Konstantstromquelle
LED weiß
Öffnen Sie das Türchen Nummer 6. Dahinter finden Sie eine weiße LED. Man erkennt sie an dem geblichen 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 zwischen einer schwachen und einer neuen Batterie wechseln, bleibt die Helligkeit gleich.
Der LED-Strom fließt durch Drain und Source sowie der Source-Widerstand von 10 kΩ. Dabei entsteht ein Spannungsabfall von rund 2 V am Widerstand. Die Source-Spannung liegt also 2 V über der GND-Spannung. Weil das Gate aber direkt an GND liegt, ist die Gate-Spannung gegenüber dem Source-Anschluss negativ und beträgt -2 V. Der Transistor ist also schon fast gesperrt, sodass nur noch ein kleiner Strom fließt. Dieser Strom ist aber sehr stabil, weil jede Stromänderung zu einer Änderung der Gate-Spannung und damit zu einer gegenläufigen Änderung des Drain-Stroms führt. Die Größe des konstanten Stroms hängt von den Eigenschaften des Transistors und vom Source-Widerstand ab. Eine Konstantstromquelle ist eine typische Aufgabe für einen JFET, weil sie mit minimalem Bauteileaufwand gebaut werden kann. Im Gegensatz zu einem JFET leitet ein MOS-FET wie der bekannte BS107 erst bei einer positiven Spannugn am Gate, sodass man ihn nicht in dieser Schaltung einsetzten könnte.
7 Stromquelle für zwei LEDs
LED weiß
Öffnen Sie das siebte Türchen und nehmen Sie eine weitere weiße LED heraus. Schalten Sie diese 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.
Der konstante Strom kann natürlich nur aufrecht gehalten werden, solange die Batteriespannung für alle Verbraucher ausreicht. Jede der beiden weißen LEDs benötigt rund 2,7 V. Dazu kommen 2 V für den Source-Widerstand. Man braucht also mindestens 7,4 V an der Batterie oder besser etwas mehr, weil die Stabilisierung besser wird, wenn die Restspannung zwischen Source und Drain deutlich größer als 1 V ist.
Vertauschen Sie einmal testweise die Anschlüsse D und S in der Schaltung. Alles funktioniert unverändert. JFETs sind nämlich symmetrisch aufgebaut, sodass Source und Drain austauschbar sind. Das gilt auch für alle folgenden Versuche. Im Gegensatz dazu sind die verbreiteten MOS-FETs unsymmetrisch.
8 Geschaltete Helligkeit
Taster
Hinter dem Türchen Nummer 8 finden sie einen Tastschalter. Er wird hier eingesetzt, um eine der beiden weißen LEDs zu überbrücken. Es leuchtet dann 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 dann aus. Die Helligkeit der anderen LED ändert sich aber nicht oder kaum.
9 Differenzverstärker
FET J113
Hinter dem neunten Türchen finden Sie einen zweiten Transistor J113. Er wird nun mit dem ersten JFET und einem gemeinsamen Source-Widerstand verbunden. Bei geöffnetem Schalter können Sie die Gatespannung und damit den Drainstrom 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. Eine Spannungsdifferenz zwischen beiden Gates führt zu unterschiedlichen Drain-Strömen.
Bei geschlossenem Schalter liegen beide Gates an der gleichen Spannung. Sie können dann überprüfen, wie sich beide Transistoren unterscheiden. Wenn beide JFETs gleiche Daten haben, sind die LEDs gleich hell. Aber es kann auch große Unterschiede geben. Markieren Sie dann den Transistor mit dem größeren Strom mit einem Farbpunkt oder einem Aufkleber. Der Unterschied wird bei späteren Versuchen noch relevant sein.
Für einen JFET sind zwei Daten entscheidend: Die Sperrspannung, bei der der Transistor gerade nicht mehr leitet und der Drain-Strom bei einer Gate-Spannung von 0 V. Für den J113 beträgt der Drain-Strom bei einem gegen Source kurzgeschlossenem Gate mindestens 2 mA. In den meisten Fällen findet man jedoch Ströme zwischen 10 mA und 20 mA. Die Sperrspannung liegt zwischen -0,5 V und – 3 V, meist jedoch zwischen -1,5 V und -2 V. Die relativ großen Unterschiede müssen in vielen Schaltungen berücksichtigt werden.
10 Lichtsensor
Gelbe LED
Hinter dem Türchen Nummer 10 finden Sie eine gelbe LED. Die wird hier als Lichtsensor eingesetzt. Wie eine Fotodiode oder eine Solarzelle erzeugt eine LED bei Beleuchtung von außen eine elektrische Spannung. Diese steuert den JFET an und beeinflusst damit 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. Eine Änderung der Lichtverhältnisse ändert auch die LED-Helligkeit.
Eine gelbe LED kann eine Spannung von bis zu 1,5 V erzeugen, also wesentlich mehr als eine Silizium-Fotozelle, die es auf 0,5 V bringt. Allerdings kann sie nur einen extrem kleinen Strom von wenigen Nanoampere liefern, sodass man die Fotospannung einer LED nur mit Schwierigkeiten messen kann. Aber der extrem hochohmige Eingang des JFET kann problemlos mit einer LED als Fotozelle angesteuert werden. Testen Sie auch die grüne LED als Fotosensor.
Bei einer geeigneten Abschattung leuchtet die weiße LED gerade sehr schwach. Dann ist die gesamte Schaltung extrem empfindlich für statische elektrische Felder. Schon ein leichtes Anheben der Steckplatine oder die Annäherung einer Hand kann den Strom ändern. Auch ein Anheben der Füße kann deutlich erkannt werden. Jede Änderung des elektrischen Feldes führt zu einer Änderung der Gate-Spannung, die wiederum den FET-Strom verändert.
11 Lichtgesteuerter Schalter
LED rot
Hinter dem elften Türchen verbirgt sich eine rote LED. Auch sie wird hier als Fotozelle eingesetzt. 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.
Die Spannung am Gate kann gegenüber dem Minuspol der Batterie (GND) positiv oder negativ werden. Entscheidend ist, welche der beiden Fotodioden mehr Licht erhält und deshalb mehr Strom liefert. Die stärker beleuchtete LED setzt sich gegen die andere durch und bestimmt die Richtung der Spannung. Auch bei gleicher Helligkeit setzt sich eine der beiden LEDs durch. Welche, das kann auch von der Farbe des verwendeten Lichts abhängen. Lassen Sie auch die grüne LED einmal gegen die rote und einmal gegen die gelbe LED antreten.
12 Druck- und Temperatursensor
Piezo
Im zwölften Fach finden Sie einen Piezo-Schallwandler. Er kann als Lautsprecher, Mikrofon und 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. Je nach Transistor kann es sinnvoll sein, eine LED mit einer anderen Farbe einzusetzen. Der größte Ruhestrom fließt mit der roten LED, weil sie die kleinste Spannung hat.
Auch eine Temperaturänderung führt zu einer Signalspannung und damit zu einer Änderung der LED-Helligkeit. Berühren Sie den Sensor mit dem Finger, um ihn leicht zu erwärmen. Die Änderung wird sofort sichtbar. Lassen Sie dann den Sensor wieder los, sodass er sich allmählich wieder abkühlt. Drücken Sie kurz auf den Taster, um den Sensor zu entladen. Die Helligkeit ändert sich schnell, solange der Sensor noch abkühlt. Sie können die Richtung der Änderung umkehren, indem Sie die Anschlüsse des Piezo-Sensors vertauschen.
13 Schwingungssensor
Widerstand 10 MΩ
Hinter dem Türchen Nummer 13 finden Sie einen Widerstand mit 10 Megaohm (10 MΩ, Braun, Schwarz, Blau). Er wird nun parallel zum Piezowandler angeschlossen. Damit stellt sich jederzeit eine mittlere Eingangsspannung von null Volt ein. Schon geringe Schwingungen werden als Flackern der LED sichtbar. Mit einem kleinen Gewicht von bis zu 50 Gramm auf dem Sensor kann man Schwingungen des Bodens oder des Tisches beobachten.
Der Arbeitspunkt der Schaltung, also der Strom bei geschlossenem Schalter, hängt stark von den Transistoreigenschaften ab. Falls Sie Unterschiede im Strom der beiden JFETs gefunden haben, werden diese auch hier beobachtet. Sie können die Unterschiede teilweise durch die verwendete LED ausgleichen, weil jede LED bei einer anderen Spannung arbeitet. Für einen JFET mit besonders großem Strom sollte man statt der roten LED eine weiße LED verwenden. Damit steigt die Source-Spannung, sodass das Gate gegenüber dem Source-Anschluss negativer wird und den Strom verringert. Testen Sie beide Transistoren und verschiedene LEDs.
14 Wechselfeldsensor
Widerstand 22 kΩ
Einen Widerstand mit 22 kΩ (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 Piezo-Wandler als Lautsprecher. Halten Sie die Antenne nahe an eine elektrische Leitung. Aus dem Lautsprecher hören Sie dann ein Brummen oder Summen. Gleichzeitig ändert sich die LED-Helligkeit, oder Sie erkennen ein Flackern.
Das Brummen wird deutlicher hörbar, wenn Sie einen möglichst langen Antennendraht verwenden und gleichzeitig den Minuspol der Batterie berühren. Halten Sie auch einmal den Piezolautsprecher direkt ans Ohr und lauschen Sie auf schwache Wechselfelder.
Ohne äußere Einflüsse entlädt sich das Gate langsam, sodass der JFET leitet und die LED leuchtet. Wenn aber eine Wechselspannung an das Gate gelangt, wirkt die GS-Diode als Gleichrichter und lädt das Gate negativ auf. Ohne die Wechselspannung bleibt der JFET dann für einige Zeit gesperrt.
Auch statische elektrische Felder können den Transistor ansteuern. Hat man sich elektrisch aufgeladen, dann führt eine Annäherung mit der Hand zu einer Änderung der LED-Helligkeit. Aber der Lautsprecher bleibt still, weil die Änderungen zu langsam sind.
15 Berührungsschalter
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 diese für lange Zeit. Bauen Sie zwei Berührungsschalter aus abisolierten Drahtstücken. Wenn Sie die nebeneinander liegenden Drähte mit dem Finger berühren, können Sie den Kondensator aufladen und entladen. Entsprechend werden die LEDs ein- oder ausgeschaltet. Der jeweilige Zustand bleibt bis zu eine Stunde erhalten.
Die Souce-Spannung wird im leitenden Zustand des JFET durch zwei in Reihe liegende LEDs um bis zu 5 V angehoben. So wird erreicht, dass der Transistor im ausgeschalteten Zustand sicher sperrt. Erst wenn der Kondensator auf rund 3 V aufgeladen wurde, beginnt der JFET zu leiten. Die Spannung am Gate kann bis an die Drain-Spannung erhöht werden, ohne dass ein Gate-Strom fließt.
16 Stufenloser Dimmer
Kondensator 100 nF
Hinter dem 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 wird die Aufladung und Entladung über einen Widerstand mit 10 MΩ verlangsamt. Man kann also auf einen mittleren Zustand mit einer beliebigen Helligkeit einstellen. Der eingestellte Zustand bleibt für längere Zeit erhalten.
Integrator …
17 Zufalls-Zeitschalter
RGB-LED
Hinter dem Türchen Nummer 17 findet sich eine besondere LED im klaren Gehäuse. Es handelt sich um eine Automatik-Farbwechsel-LED mit drei Farben (RGB). Im ausgeschalteten Zustand 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. Dann dauert es wenige Sekunden bis zu mehrere Minuten, bis die LEDs wieder ausgehen. Der Zufallsschalter lässt sich für ein einfaches Spiel einsetzen. Wer erreicht die längste Einschaltdauer?
Bei entladenem Gate ist der linke JFET leitend, sodass seine Drain-Spannung fast ganz auf 0 V gezogen wird. Damit ist der rechte JFET gesperrt. Wenn man den Eingang mit dem Finger berührt, wird meist eine 50-Hz-Wechselspannung von einigen Volt angelegt. Die Gate-Diode begrenzt die Spannung auf den Bereich zwischen etwa +0,5 V (Diode leitet) und -40 V, (Durchbruchspannung der GS-Diode). Der Transistor schaltet dabei in schneller Folge ein und aus. Das Gate lädt sich gleichzeitig im Mittel negativ auf. Die genaue Spannung im Moment des Loslassens ist zufällig. Wenn sie gerade nahe 0 V liegt, bleiben die LEDs aus. Ist die Gate-Spannung stark negativ, sind die LEDs an. Das Gate bildet einen kleinen Kondensator von etwa fünf Picofarad (5 pF), der sich nur sehr langsam entlädt. Je negativer die Gate-Spannung ist, desto länger dauert die Entladung.
Eine ausreichend große Wechselspannung durch eine Berührung entsteht nur dann, wenn der Versuch sich nahe genug an elektrische Leitungen oder Geräten befindet. Sie können den Effekt verstärken, wenn Sie eine Lampe oder ein anderes Gerät berühren. Oder Sie erzeugen eine zufällige Spannung durch Reibung, oder indem Sie die Füße vom Boden abheben.
18 Mikrofonverstärker
Widerstand 10 MΩ
Ein weiterer Widerstand mit 10 MΩ (Braun, Schwarz, Blau) verbirgt sich hinter dem 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.
Entscheidend für jede Verstärkerstufe ist ein geeigneter Arbeitspunkt, also ein mittlerer Drain-Strom, der durch Änderungen der Gate-Spannung größer oder kleiner werden kann. Weil die JFETs starken Exemplar-Streuungen unterliegen, kann es nötig werden, die LEDs in den Source-Leitungen auszutauschen. Wenn in einer Stufe der JFET bereits voll leitet, können Sie eine grüne oder weiße LED in die Source-Leitung legen, um das Gate negativer vorzuspannen. Die LEDs am Drain-Anschluss ändern dagegen nichts am Strom durch den Transistor. Optimale Arbeitspunkte sind gefunden, wenn die zweite Stufe deutlich empfindlicher auf Geräusche oder Erschütterungen reagiert als die erste. Man sieht daran, dass das Mikrofonsignal in zwei Stufen verstärkt wird.
19 LED-Wechselblinker
Widerstand 22 kΩ
Das Türchen Nummer 19 bringt einen Widerstand mit 22 kΩ (Rot, Rot, Orange) zum Vorschein. Damit bauen Sie einen Wechselblinker. Die Schaltung ähnelt dem Signalverstärker vom 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. Ein JFET mit größerer Sperrspannung braucht vielleicht eine weiße LED, einer mit besonders kleiner Sperrspannung vielleicht eine rote LED.
Entfernen Sie einen der Kondensatoren aus der Schaltung. Die Rückkopplung existiert dann nicht mehr, das Blinken hört auf. Im Idealfall leuchten beide LEDs nur schwach. Damit stimmt der Arbeitspunkt beider Transistoren, denn der Strom kann sowohl größer als auch kleiner werden, sobald die Gate-Spannung sich ändert. Setzten Sie eventuell andere LEDs ein, die sich bereits beim letzten Versuch bewährt haben. Mit dem neuen Einsetzten des Kondensators ist der Wechselblinker wieder aktiv. Die Blinkphasen entsprechen ungefähr der Zeitkonstante 100 nF * 10 MΩ = 1 s.
20 Tongenerator
Widerstand 10 kΩ
Öffnen Sie das Fach Nummer 20 und nehmen Sie einen weiteren Widerstand
mit 10
kΩ 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.
Die Zeitkonstante beträgt diesmal 100 nF * 22 kΩ = 2,2 ms. Eine vollstände Schwingung dauert theoretisch 4,4 ms, sodass eine Frequenz von 230 Hz am Lautsprecher liegen sollte. Das ist aber nur eine grobe Näherung, denn die genaue Frequenz hängt auch noch von andern Eigenschaften der Schaltung ab. Aber man kann abschätzen, dass ein tiefes Knattern entstehen sollte, was auch tatsächlich geschieht.
21 Gegentakt-Blinker
Widerstand 4,7 kΩ
Ein Widerstand mit 4,7 kΩ (Gelb, Violett, Rot) befindet sich hinter dem Türchen Nummer 21. Er soll nun als gemeinsamer Source-Widerstand für beide JFETs eingesetzt werden. Die Grundschaltung ist daher ein Differenzverstärker, wie er bereits am Tag 9 getestet wurde. Wenn die beiden Transistoren ausreichend ähnliche Eigenschaften haben, blinken die beiden weißen LEDs im Wechsel. Sie können dann die gelbe und die grüne LED entfernen.
Bei extrem unterschiedlichen Daten der beiden JFEs bleibt einer von beiden Transistoren immer gesperrt, und die weiße LED des andern leuchtet permanent. In dem Fall muss die Verbindung zwischen beiden Source-Anschlüssen aufgetrennt werden. Der Widerstand von 4,7 kΩ wird entfernt, und für jeden Transistor wird die passende LED in der Source-Leitung gesucht.
Wenn Ihre beiden Transistoren ausreichend gleich sind, kommen sie mit dem gemeinsamen Source-Widerstand von 4,7 kΩ aus. In dieser Schaltung beeinflusst der Strom eines Transistors den des andern in Gegenrichtung. Wenn der linke Transistor stärker leitet, steigt der Spannungsabfall am gemeinsamen Widerstand, und der rechte Transistor wird stärker gesperrt. Das führt zu eiern Kopplung beider Stufen. Man kann deshalb einen der beiden Kondensatoren herausnehmen, und das Blinken geht trotzdem weiter.
22 Getasteter Umschalter
Taster
Hinter dem Türchen Nummer 22 kommt ein weiterer Tastschalter zum Vorschein. Er wird nun für einen elektronischen Umschalter mit zwei Tasten gebraucht. Sie schalten zwischen zwei LEDs um. Es genügt jeweils ein kurzer Tastendruck, um einen Zustand einzuschalten, der dann beliebig lange stabil bleibt. Die jeweils abgeschaltete LED leuchtet noch mit geringer Resthelligkeit weiter.
Die eventuell nötigen Anpassungen an die unterschiedlichen Transistordaten bewähren sich auch in diesem Versuch. Sie können den Teil der Schaltung vom letzten Aufbau übernehmen, also zum Beispiel nur mit dem gemeinsamen Source-Widerstand oder mit getrennten LEDs in den Source-Leitungen arbeiten.
Diese Schaltung nennt man auch RS-Flipflop (R = Reset, Löschen, S = Set, Setzen). Sie ist eine der wichtigsten Schaltungen der Computertechnik und dient oft als Speicher. Die gespeicherte Information von einem Bit bleibt beliebig lange erhalten, wenn sie nicht absichtlich geändert wird.
23 Signalverstärker
NPN-Transistor
Im Fach Nummer 23 finden Sie eine NPN-Transistor BC547. Er wird in einer zusätzlichen Verstärkerstufe des JFET-Signalverstärkers verwendet. Als Signalquelle dient die Farbwechsel-LED. Man hört ungewöhnliche Klänge aus dem Piezo-Lautsprecher und sieht ein Flackern an allen LEDs.
Die Farbwechsel-LED besitzt einen internen Controller, der die drei eingebauten LEDs in schneller Folge ein- und ausschaltet. Dabei entstehen Spannungssprünge an den äußeren Anschlüssen, die hier den Verstärker ansteuern. Anders als ein JFET braucht der NPN-Transistor eine positive Steuerspannung. Die Schaltung zeigt die entscheidenden Unterschiede beider Transistortypen. Während die JFETs mit ihren Gates an GND liegen, braucht der NPN-Transistor eine positive Spannung an seiner Basis. Der BC547 ist als Emitterfolger geschaltet, der von der positiven Drain-Spannung des ersten JFET angesteuert wird.
24 Weihnachtliches LED-Funkeln
Widerstand 1 kΩ
Hinter dem letzten Türchen finden Sie einen Widerstand mit 1 kΩ (Braun, Schwarz, Rot). Mit ihm sollen größere LED-Ströme erreicht werden. Damit bauen Sie ein festlich blitzendes Weihnachtslicht mit allen vorhandenen LED. Das unregelmäßige Flimmern, Flackern und Blitzen soll an Sterne und Kerzenlichter erinnern.
Am Ende dieser Versuchsreihe haben Sie sicher noch weitere Ideen, was Sie mit diesen Bauteilen probieren könnten. Denn hier konnte nur ein kleiner Teil aller möglichen Anwendungen gezeigt werden. Einzelne Schaltungen können verändert und für besondere Zwecke optimiert werden. Oder Sie setzen ganz neue Ideen um. Bleiben Sie kreativ!
Anhang
Bauteile im Kalender
1 Grüne LED + Widerstand 10 kΩ
2 Batterieclip
3 Steckplatine + Draht
4 JFET J113
5 Widerstand 470 Ω
6 Weiße LED
7 Weiße LED
8 Tastschalter
9 JFET J113
10 Gelbe LED
11 Rote LED
12 Piezo-Schallwandler
13 Widerstand 10 MΩ
14 Widerstand 22 kΩ
15 Kondensator 100 nF
16 Kondensator 100 nF
17 Farbwechsel-LED
18 Widerstand 10 MΩ
19 Widerstand 22 kΩ
20 Widerstand 10 kΩ
21 Widerstand 4,7 kΩ
22 Tastschalter
23 Transistor BC547B
24 Widerstand 1 kΩ