Elektronik-Adventskalender 2016
https://www.conrad.de/de/adventskalender-conrad-adventskalender-2016-ab-14-jahre-1421383.html
Siehe auch: Kalenderwettbewerb 2016: Zähler und LEDs
Vorwort
Wie schon in den letzten Jahren gibt es auch 2016 wieder einen neuen Conrad-Elektronik-Kalender mit 24 Experimenten für den ersten bis zum 24. Dezember. Das Thema ist die digitale Elektronik. Es geht um digitale Zähler mit dem CMOS-Baustein 4060. Dieses IC enthält 14 digitale Teiler-Flipflops und zusätzlich einen vielseitig einsetzbaren Taktoszillator. Es ermöglicht ganz unterschiedliche und sehr vielseitige Anwendungen, die nicht nur lehrreich sind, sondern auch Spaß machen. Am Ende steht dann eine Schaltung, die als Darstellung eines Holzfeuers und fallender Sterne an den Weichnachtsbaum gehängt werden kann.
Es gibt ganz unterschiedliche Arten, den Elektronik-Kalender zu 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.
Mit den vorhandenen Bauteilen lassen sich noch 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
24 Feuerschein und fallende Sterne
1 Der LED-Test
Der erste Versuch im Advent soll 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 durch zu viel Strom zerstört! Die LED muss in der korrekten Richtung eingebaut werden. Sie besitzt zwei unterschiedliche Anschlüsse. Der kurze Draht ist der Minuspol (Kathode K) der längere Draht ist der Pluspol (Anode A). 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.
Hinter dem ersten Türchen finden Sie eine rote LED und einen dazu passenden Widerstand. Zusätzlich benötigen Sie noch eine 9-V-Blockbatterie. Der erste Versuch muss besonders vorsichtig ausgeführt werden. Achtung, vermeiden Sie einen direkten Blick in eine leuchtende LED aus kleinen Entfernungen von 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 10000 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 ausreichend hell.
2 Batterie-Verbindung
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 rote LED kommt jedoch schon mit weniger als 1 mA aus um deutlich sichtbares Licht zu erzeugen.
3 Gesteckter Aufbau
Öffnen Sie das dritte Türchen und nehmen Sie eine Steckplatine aus dem Fach. Damit vereinfacht sich der Aufbau komplizierter Schaltungen. Das Steckboard mit insgesamt 270 Kontakten im 2,54-mm-Raster (0,1 Zoll) sorgt für eine sichere Verbindung der Bauteile.
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.
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.
4 Lampenschalter
Hinter dem dritten Türchen finden Sie den für alle folgenden Versuche notwendigen Draht. Bauen Sie eine LED-Lampe mit Schaltkontakt. Schneiden Sie ein passendes Stück Draht von 4 cm Länge ab und entfernen Sie an den Enden die Isolierung auf einer Länge von etwa 5 mm. Dieser Draht soll als Verbindung zur LED eingebaut werden. Ein kürzerer Draht von 2 cm Länge wird als Zugentlastung eingebaut um die weichen Anschlussdrähte zu schonen. Der Batterieclip sollte immer verbunden bleiben, damit die Anschlüsse nicht übermäßig abnutzen.
Der einfache Schalter besteht aus zwei blanken Drahtstücken, die sich erst mit einem Fingerdruck berühren. Schneiden Sie dazu Drahtstücke von 2 cm Länge ab und entfernen Sie die Isolierung komplett.
5 Eine Schutzdiode
Eine weitere rote LED finden Sie hinter dem Türchen Nr. 5. Bauen Sie diese zweite LED mit in den Stromkreis ein. Dabei muss die Richtung stimmen, sonst fließt kein Strom. Wenn alles korrekt zusammengebaut wurde, leuchten beide LEDs. Und obwohl nun zwei LEDs in Reihe liegen, ist die Helligkeit der ersten LED fast gleich geblieben.
Die neue LED hat eine wichtige Funktion für die folgenden Versuche. Sie dient nämlich als Schutzdiode und soll eine falsche Polung der Batterie verhindern. Das morgen eingesetzte Bauteil ist nämlich sehr empfindlich gegen eine Falschpolung und soll gegen mögliche Fehler geschützt werden. Zugleich ist die LED eine einfache Stromanzeige, mit der man die korrekte Funktion einer Schaltung erkennen kann.
6 Digitaler Schaltkreis
Öffnen Sie das Türchen Nr. 6. Dahinter finden Sie das wichtigste Bauteil dieses Kalenders, das CMOS-IC 4060. Dieses IC mit 16 Anschlussbeinchen enthält insgesamt 14 Teiler-Flipflops und eine vielseitige Oszillatorschaltung. Die Anschlüsse 1 und 16 liegen an der linken Seite und sind durch eine Einkerbung gekennzeichnet. Einen zusätzlichen Hinweis bietet die Beschriftung, die man von der unteren Reihe (Pin1 bis Pin 8) aus lesen kann. Vor dem ersten Einsetzen des ICs müssen die Anschlüsse parallel ausgerichtet werden, weil sie nach der Produktion noch etwas zu weit nach außen stehen. Drücken Sie alle Beinchen einer Seite zusammen auf eine harte Tischfläche, um sie passend auszurichten. Setzen Sie das IC dann richtig herum auf die Steckplatine. Achtung, wenn es falsch herum eingesetzt wird, sind die Anschlüsse 8 (GND, Minus) und 16 (VCC, Plus) vertauscht, sodass die Betriebsspannung verpolt angeschlossen und das IC zerstört wird. In dem Fall hilft auch die Schutzdiode am Pluspol nichts, denn sie schützt nur gegen eine falsch herum angeschlossene Batterie.
Der erste Versuch verwendet einen Teil der Oszillatorschaltung an den Anschlüssen 10 und 11. Der Eingang OSC1 wird an GND (Minuspol, logisch Null) gelegt. Am Ausgang OSC2 liegt die LED mit ihrem Vorwiderstand. Wenn alles richtig aufgebaut wurde, leuchtet die LED. Das IC hat also die Spannung am Ausgang eingeschaltet (logisch Eins) und damit den Eingangszustand invertiert. Für die meisten Versuche mit dem 4060 muss zusätzlich der Reset-Eingang (RES) an GND gelegt werden. Die rote LED am VCC-Anschluss zeigt den Betriebsstrom an und schützt das IC. Wenn alles korrekt ist, leuchten beide LEDs gleich hell.
7 Ein offener Eingang
Öffnen Sie das fünfte Türchen und nehmen Sie einen Widerstand heraus. Er hat 22 Megaohm (22 MΩ, Rot, Rot, Blau) und wird in den folgenden Versuchen immer wieder in der Oszillatorschaltung gebraucht. Der Widerstand wird nur einseitig am Eingang OSC1 angeschlossen. Damit hat man einen „offenen Eingang“. Es ist unbestimmt, ob Eins oder Null anliegt, die LED ist entweder an oder aus. Das Ergebnis ist zufällig und kann durch Annähern mit dem Finger beeinflusst werden. Bereits in einem Abstand von einigen Zentimetern kann sich der Zustand des Gatters ändern. Verantwortlich dafür sind statische Ladungen und die damit verbundenen elektrischen Felder.
Durch kurzes Antippen mit dem Finger kann der Ausgang ein- oder ausgeschaltet werden. Im eingeschalteten Zustand leuchten beide LEDs, im ausgeschalteten Zustand können beide LEDs aus sein. Das IC braucht dann selbst praktisch keinen Strom mehr. Es kann aber auch Zustände geben, bei denen der Ausgang zwar noch aus ist, das IC aber trotzdem einen gewissen Strom braucht. Das ist dann der Fall, wenn die Eingangsspannung weder bei Null noch bei der Betriebsspannung sondern gerade irgendwo zwischen diesen Spannungen liegt. Solange der Eingang berührt wird, kann sich auch eine halbe Helligkeit einstellen, wobei die LEDs tatsächlich sehr schnell flackern. Dies liegt an den 50-Hz-Wechselfeldern des Stromnetzes, die dazu führen, dass der eigene Körper eine kleine Wechselspannung führt.
8 Rückkopplung
Einen Widerstand mit 10 kΩ (Braun, Schwarz, Orange) finden Sie hinter dem Türchen Nr. 8. Er wird diesmal als Schutzwiderstand am Eingang des ICs verwendet. Der 22-MΩ-Widerstand verbindet den zweiten Ausgang mit dem Eingang der Oszillatorschaltung. Die LED ist entweder an oder aus, man kann es nicht vorhersagen. Ein bestehender Zustand bleibt beliebig lange erhalten. Sie können den Zustand aber ändern, wenn Sie den freien Anschluss am Eingang mal an Plus und mal an Minus halten. Außerdem können Sie mit etwas Glück die LED ein- oder ausschalten, wenn Sie den Widerstand einfach nur mit dem Finger antippen oder mit einem Stück Draht berühren, das Sie in der Hand halten.
In dieser Schaltung liegen zwei Inverter hintereinander. Ein Eingangszustand Null wird nach dem ersten Inverter zu einem Zustand Eins und nach dem zweiten Inverter wieder zu Null. Über die Rückkopplung bleibt dann der Null-Zustand auch am Eingang erhalten. Umgekehrt erscheint auch ein Eins-Zustand am Ausgang wieder als Eins und bleibt bestehen. Wenn aber der Eingang auch nur ganz kurz in den anderen Zustand gebracht wird, kippt die Schaltung um. Dazu reicht oft ein zufälliger Impuls, der beim Berühren entsteht, weil Sie elektrisch geladen sind. Man nennt eine solche Schaltung auch eine Kippschaltung oder ein Flipflop. Die Schaltung ist damit gleichzeitig ein digitaler Speicher mit der Speichergröße 1 Bit. Wenn Sie die rechte LED am Ausgang OSC3 aus der Schaltung nehmen, ist die Schaltung auch im Eins-Zustand praktisch stromlos. Auch die linke LED ist dann dauerhaft aus. Nur im Umschaltmoment fließt Strom. Wenn Sie den Eingang berühren kann die linke LED leuchten.
9 Ein LED-Blinker
Hinter dem neunten Türchen finden Sie einen keramischen Scheibenkondensator mit der Kapazität 100 nF. Die Beschriftung lautet 104 und steht für 100 000 pF (Picofarad), also 100 nF (Nanofarad). Mit dem Kondensator lässt sich ein Oszillator bauen, also eine Schaltung, die selbständig immer wieder den Zustand wechselt. In diesem Fall entsteht ein langsames Blinklicht. Der hochohmige Widerstand mit 22 MΩ liegt diesmal zwischen OSC1 und OSC2 und bildet eine Gegenkopplung. Der Widerstand von 10 kΩ bildet zusammen mit dem Kondensator von 100 nF die Rückkopplung.
Die Geschwindigkeit der Umschaltung wird hauptsächlich durch den Kondensator mit 100 nF und den Widerstand mit 22 MΩ festgelegt. Beide Bauteile zusammen haben eine Zeitkonstante von 0,1 µF * 22 MΩ = 2,2 Sekunden. Und tatsächlich dauert jeder stabile Zustand etwa 2 Sekunden. In einer Minute ist der Ausgang daher etwa 15-mal an und 15-mal aus. Wenn Sie beide Anschlüsse des 22-MΩ-Widerstands mit dem Finger berühren, schalten Sie den Hautwiderstand in der Größenordnung von 1 MΩ parallel und verringern damit die Zeitkonstante. Je fester Sie die Drähte anfassen, desto schneller wird das Blinken.
An der Schutz-LED kann man erkennen, dass bereits jeweils vor dem Umschalten in den An-Zustand Strom zu fließen beginnt. Das ist ein Hinweis darauf, dass mittlere Spannungen am Eingang anliegen. Auch wenn Sie die rechte LED am Ausgang entfernen, können Sie das regelmäßige Ansteigen des Stroms sehen.
10 Schnelles Flackern
Hinter dem Türchen Nummer 10 finden Sie einen Widerstand mit 100 kΩ (Braun, Schwarz, Gelb). Er soll nun den bisherigen Widerstand von 22 MΩ in der Oszillatorschaltung ersetzten. Das Blinken wird damit so schnell, dass es wie ein Dauerleuchten erscheint. Wenn Sie allerdings die ganze Schaltung hin- und her bewegen, sehen Sie leuchtende Striche mit Unterbrechungen. Mit gleichem Erfolg kann man den Aufbau durch einen bewegten Spiegel betrachten.
Die Zeitkonstante beträgt diesmal 100 kΩ * 100 nF = 10 ms. Der Ausgang ist 10 ms lang an und 10 ms lang aus. Daraus ergibt sich eine Gesamtperiode von 20 ms und eine Frequenz von 50 Hz, also in der Größenordnung der Netzfrequenz. Bis zu 16 Hz kann man noch als Flackern erkennen. Darüber sieht man meist nur noch ein Dauerleuchten.
11 Teiler durch 16
Hinter dem elften Türchen verbirgt sich ein Kondensator 10 nF (Beschriftung 103). Er bekommt eine Hilfsfunktion und liegt zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der Batterie. Dies ist eine übliche Maßnahme bei allen digitalen Schaltungen und hilft, Störsignale zu vermeiden. Der Oszillator wird wieder auf eine geringe Frequenz umgebaut. Und die zweite LED wird nun mit einem Vorwiderstand am Ausgang Q4 angeschlossen. Die LED ist abwechselnd etwa 30 s an und 30 s aus.
Anders als bisher liegt das IC nun direkt an der Batterie. Da bisher alles fehlerfrei funktioniert hat, können Sie nun riskieren, auch ohne Verpolungsschutz zu experimentieren. Die zweite LED ist daher frei für den eigentlichen Versuch und zeigt die geteilte Frequenz. Zwischen dem Oszillator und Q4 liegen vier Teilerstufen, die die Frequenz des Taktsignals jeweils durch zwei teilen. Insgesamt kommen also 16 Taktimpulse auf einen Ausgangsimpuls. Die Taktperiode beträgt 4 s am Oszillator und etwa eine Minute am Ausgang Q4.
12 Zähler von Null bis Drei
Im zwölften Fachen findet sich ein weiterer Widerstand mit 10 kΩ (Braun, Schwarz, Orange), der seinen Einsatz im Oszillator findet. Die Frequenz wird zwar wieder auf etwa 50 Hz erhöht, aber diesmal liegt eine LED am Ausgang Q5, der das Taktsignal durch 32 teilt. An den beiden LEDs sieht man daher ein schnelleres und ein langsameres Blinken. Beide Signale zusammen kann man als 2-Bit-Binärzahl lesen.
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Ausgang Q5 |
Ausgang Q4 |
Zahlenwert |
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0 |
0 |
0 |
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0 |
1 |
1 |
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1 |
0 |
2 |
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1 |
1 |
3 |
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0 |
0 |
0 usw. |
Der Zähler zählt also immer wieder von Null bis Drei. Dann kommt ein Überlauf, und es geht weiter mit Null. Genauer betrachtet zeigen die LEDs Vielfache von 8, also 0, 8, 16 und 24 Eingangsimpulse des Oszillators. Die ersten drei Teilerstufen wirken als Vorteiler durch 8 und liefern ein Taktsignal von etwa 6 Hz, das mit dem Auge noch gut zu verfolgen ist. Wer den Zähler langsamer sehen möchte, kann den 22-MΩ-Widerstand in die Schaltung einsetzen. Der Zählerstand wechselt dann etwa im Takt von halben Minuten, sodass man eine einfache Digitaluhr gebaut hat.
13 Drei-Bit-Zähler bis 7
Hinter dem Türchen Nr. 13 finden Sie eine gelbe LED. Damit soll nun der Zähler auf drei Bit erweitert werden. Damit gibt es insgesamt acht verschiedene Zählerstände zwischen 000 (null) und 111 (sieben). Die beiden roten LEDs an den Ausgängen Q5 und Q6 teilen sich einen gemeinsamen Vorwiderstand. Das Blinken mit der geringsten Frequenz entsteht an Q6.
Ein Widerstand für zwei LEDs ist möglich, führt aber zu einem besonderen Effekt. Die rote LED an Q6 zeigt zwei Helligkeitsstufen. Solange Q5 und Q6 angeschaltet sind, teilt sich der Strom durch den Vorwiderstand auf zwei LEDs auf. Mit Absicht werden bei den ersten Versuchen relativ große LED-Vorwiderstände von 10 kΩ verwendet. Damit erhält man nur eine gemäßigte Helligkeit und kann experimentieren ohne geblendet zu werden. Außerdem wird so Energie gespart, sodass die Batterie möglichst bis zum Ende der Versuche durchhält.
14 Dreiviertel-Takt
Einen weiteren Widerstand mit 10 kΩ (Braun, Schwarz, Orange) finden Sie hinter dem 14. Türchen. Er wird nun zwischen VCC und RES eingebaut. Zusätzlich werden zwei LEDs von Q5 und Q6 zum Reset-Eingang gelegt. Aber Achtung, diesmal liegen die Kathoden an den Ausgängen. Das Ergebnis ist ein ganz besonderer Blinker, der drei Zustände annimmt, Blinken im Dreivierteltakt!
Bisher konnten Eingangsimpulse immer nur durch Zwei geteilt werden. Möglich sind also Teilerverhältnisse von 16, 32, 64 usw. bis maximal 16384 am Ausgang Q14. Wenn man aber den Reset-Eingang und zusätzliche Dioden verwendet, kann fast jeder beliebige Teiler erreicht werden. Ein Widerstand versucht den Reset-Eingang hochzuziehen. Aber die angeschlossenen Dioden halten die Spannung klein, solange noch mindestens einer der verwendeten Ausgänge auf Null liegt. In diesem Fall läuft der Zähler bis Q5 und A6 hochschalten. Dann wird unverzüglich ein Reset ausgeführt und der Zähler auf Null gesetzt. Für die beiden Ausgänge heißt das, dass nur drei mögliche Zustände vorkommen: 00, 01, und 10. So entsteht ein Dreier-Teiler. Mit dieser Methode können auch andere fast beliebige Teilerverhältnisse erzeugt werden. Mit zwei Dioden kann man zum Beispiel einen Teiler durch 5 oder durch 9 bauen.
15 Gestoppter Zähler
Das 15. Türchen bringt einen Tastschalter zum Vorschein. Beachten Sie die Einbaurichtung. Der Schaltkontakt liegt jeweils zwischen zwei nebeneinanderliegenden Beinchen. Der Taster wird nun verwendet, um den Oszillator zu stoppen. Ein Zähler mit drei Ausgängen kennt acht verschiedene Zustände. Die Aufgabe besteht nun darin, den Zähler immer genau in dem Moment anzuhalten, wenn gerade alle drei LEDs an sind.
Diesmal wird der kleinere Kondensator mit 10 nF im Oszillator verwendet. Die Frequenz wird damit zehnfach höher, und die Aufgabe entsprechend schwieriger. Der Tastschalter legt im geschlossenen Zustand die volle Betriebsspannung an den Oszillatoreingang und verhindert damit weitere Schwingungen. Sobald der Kontakt geöffnet wird, startet der Oszillator erneut.
16 Highspeed-Würfel
Hinter dem Türchen Nr. 16 finden Sie einen Widerstand mit 4,7 kΩ (Gelb, Violett, Rot). Der Oszillator wird nun noch einmal umgebaut und soll so schnell werden, dass man die einzelnen Blinkmuster nicht mehr unterscheiden kann. Das Ergebnis ist dann reiner Zufall, wie bei einem echten Würfel. Wenn man auf die Taste drückt, bleibt der Würfel in einem von acht möglichen Zuständen stehen. Im Vergleich zu einem normalen Würfel dürfen die Zustände 000 (Null) und 111 (Sieben) nicht gewertet werden. Alle übrigen Ergebnisse stehen für die Zahlen 1 bis 6. Beim Würfeln kann man also gleich auch noch das binäre Zahlensystem lernen:
1=001b, 2=010b, 3=011b, 4=100b, 5=101b, 6=110b
Ein Oszillator ohne den Kondensator, das mag zunächst verwundern. Tatsächlich ist aber ein sehr kleiner Kondensator vorhanden. Zwei nebeneinander liegende Kontaktstreifen der Steckplatinen bilden einen Kondensator mit etwa 4 Pikofarad (4 pF). Mit dem Widerstand von 22 MΩ ergibt sich damit eine Taktfrequenz von etwa 5 kHz. An Q6 erscheint die durch 64 geteilte Frequenz mit etwa 80 Hz. Diese schnellen Wechsel kann das menschliche Auge nicht mehr verfolgen. Noch schneller wird der Oszillator mit einem Widerstand von 100 kΩ. Er schwingt dann mit etwa 600 kHz und macht sich sogar in einem nahen Mittelwellenradio bemerkbar. Der Oszillator des CD4060 funktioniert mit den Bauteilen des Kalenders in einem riesigen Bereich zwischen 0,25 Hz und 600 kHz. Zusätzlich können Sie durch direktes Berühren des Eingangs meist einen genauen 50-Hz-Takt erzeugen. In diesem Versuch führt das dazu, dass die Blinkmuster deutlich langsamer durchlaufen werden.
17 Lichtsensor
Eine weitere gelbe LED verbirgt sich hinter dem Türchen Nr. 17. Beide gelbe LEDs zusammen sollen nun einen Lichtsensor bilden. Wenn viel Licht auf die gelben LEDs fällt, erhält man ein schnelles Flackern der roten LEDs. Bei Dunkelheit wird das Blinken sehr langsam.
Der Oszillator arbeitet wieder mit dem extrem kleinen Kondensator aus zwei Kontakten der Steckplatine. Sogar mit einem großen Widerstand von 22 MΩ ergab sich damit eine hohe Frequenz. Die beiden gelben LEDs bilden aber einen noch viel größeren Widerstand, der noch dazu von der Umgebungshelligkeit abhängig ist. Beide LEDs sind so in Reihe geschaltet, dass immer eine von beiden in Sperrrichtung betrieben wird. Eigentlich dürfte also kein Strom fließen. Wenn aber Licht auf den LED-Kristall fällt, verhält sich die LED wie eine Fotodiode. Nun fließt auch in Sperrrichtung ein kleiner Strom. Je mehr Licht auf die LEDs fällt, desto größer wird dieser Strom und desto höher wird die Oszillatorfrequenz.
18 Tasten-Zähler
Hinter dem Türchen Nr. 18 findet sich ein Widerstand mit 4,7 kΩ (Gelb, Violett, Rot). Damit kann nun eine weitere LED mit größerer Helligkeit betrieben werden. Insgesamt vier LEDs zeigen vier Bit einer Binärzahl. Es können damit sechzehn Zahlen zwischen 0 und 15 dargestellt werden. Der Zähler läuft aber diesmal nicht von allein, sondern der Takt wird durch den Tastschalter erzeugt.
Nach jeweils acht Tastendrücken sollte ein Pegelwechsel an Q4 zu beobachten sein. Tatsächlich sind die Wechsel aber wesentlich häufiger. Es reichen meist drei oder vier Tastenbetätigungen für eine Änderung an den Ausgängen. Das liegt am Kontaktprellen des Schalters, dessen Kontakte beim Schließen mehrfach zurückprallen. Mit einer Betätigung erzeugt man daher eine kurze Serie von Impulsen, die alle gezählt werden.
19 Taste entprellen
Das Türchen Nr. 19 bringt einen Widerstand mit 2,2 kΩ (Rot, Rot, Rot) zum Vorschein. Damit haben Sie einen weiteren Widerstand für eine größere Helligkeit. Die wesentliche Änderung des Versuchs besteht in einem zusätzlichen Kondensator parallel zum Eingang OSC1. Er dient zur Tasten-Entprellung. Damit wird nun mit jedem Tastendruck genau ein Impuls gezählt. Nach jeweils acht Impulsen ändert sich der Ausgang Q4. Und nach jeweils 128 Impulsen erreicht der Zähler wieder seinen Ausgangszustand. Damit hat man einen zuverlässigen Ereigniszähler.
Der 4060 kann Impulse zählen, die kürzer als eine Mikrosekunde sind. Der Kondensator von 100 nF hat zusammen mit dem Widerstand von 10 kΩ eine tausendfach längere Zeitkonstante von einer Millisekunde. So lange dauert es also, bis der Kondensator sich nach dem Öffnen des Kontakts entladen hat. Weil aber das Tastenprellen wesentlich schneller ist, erkennt der Zähler jeweils nur einen Impuls. Dieser zuverlässige 4-Bit-Zähler kann auch größere Zahlen darstellen, wenn man die höherwertigen Ausgänge verwendet. Insgesamt braucht man 16384 Tastendrücke bis alle Ausgänge einschließlich Q14 wieder ihren Ausgangszustand erreichen.
20 Mehrfach-Blinkmuster
Öffnen Sie das Fach Nr. 20 und nehmen Sie einen Widerstand mit 1 kΩ (Braun, Schwarz, Rot) heraus. Damit haben Sie den passenden Vorwiderstand für maximale Helligkeit. Diesmal sollen ganz besondere Blinkmuster entstehen. Jede der gelben LEDs blinkt viermal hintereinander und macht dann eine Pause, in der die andere LED blinkt. Die beiden roten LEDs blinken jeweils einmal und machen dann eine längere Pause
Die besonderen Blinkmuster entstehen, weil die LEDs nur in einer Richtung Strom leiten. Die untere gelbe LED leuchtet nur dann, wenn Q7 gerade ausgeschaltet ist und Q4 gerade an. So kann man mit LEDs an weiteren Ausgängen sehr unterschiedliche Muster erzeugen. Übrigens ist es in diesem Fall erlaubt, LEDs auch ohne Widerstände direkt zwischen zwei Ausgänge zu schalten. Die Ausgangstransistoren des 4060 haben bei einer Betriebsspannung von 9 V einen On-Widerstand von etwa 300 Ω. Beide Ausgänge zusammen haben damit einen Widerstand von 600 Ω. Daraus ergibt sich ein LED-Strom von rund 10 mA, der noch deutlich unter den erlaubten 20 mA liegt.
21 Vier Helligkeitsstufen
Ein besonders helle grüne LED befindet sich hinter dem Türchen Nr. 21. Sie soll in diesem Versuch stufenweise heller werden. Es gibt vier Helligkeitsstufen, 0, 1, 2 und 3, die nacheinander durchlaufen werden. Die rote LED zeigt gleichzeitig den Takt.
Die Schaltung entspricht in ihrer Funktion einem Digital-Analog-Wandler, der digitale Zahlen in analoge Spannungen oder Ströme umsetzt. Q7 schaltet einen großen Strom durch den 1-kΩ-Widerstand ein und aus. Damit entsteht eine große Helligkeitsstufe. Zusätzlich schaltet Q6 einen kleineren Strom durch den 2,2-kΩ-Widerstand ein und aus, der sich zum größeren Strom hinzuaddiert. So entstehen insgesamt vier Helligkeitsstufen.
22 Farb-Blitzer
Hinter dem Türchen Nr. 22 kommt ein Elektrolytkondensator (Elko) mit 100 µF (Mikrofarad) zum Vorschein. Er hat eine tausendfach größere Kapazität als der bisher verwendete Scheibenkondensator mit 100 nF. So erreicht man große Ladeströme, die als LED-Lichtblitze sichtbar werden. Hier entstehen abwechselnd grüne und gelbe Lichtblitze in einem längeren Abstand. Jeder Blitz klingt in etwa einer halben Sekunde allmählich ab. Damit man nicht zu lange auf die Blitze warten muss, wird der kleinere Kondensator mit 10 nF in den Oszillator eingebaut. Die rote LED zeigt das heruntergeteilte Taktsignal.
Bei einem Elko muss die Einbaurichtung beachtet werden. Der Minuspol ist durch einen weißen Strich gekennzeichnet. Wenn man den Elko für längere Zeit falsch herum an eine Spannung legt, kann er zerstört werden und im schlimmsten Fall sogar platzen. Hier liegt der Pluspol an Q12, wo die Spannung abwechselnd +9 V und 0 V ist. Es müssen zwei LEDs in Gegenrichtung angeschlossen werden, damit der Elko sich abwechselnd laden und entladen kann.
23 Vierer-Blinklicht
Im Fach Nr. 23 finden Sie eine weiße LED. Vier LEDs sollen nun nacheinander so blinken, dass niemals zwei LEDs gleichzeitig an sind. Trotzdem werden dafür nur zwei Zählerausgänge gebraucht. Die Ausgänge Q12 und Q13 erzeugen sehr langsame Wechsel. Damit es nicht zu lange dauert wird der Oszillator wieder mit dem kleineren Kondensator von 10 nF auf eine höhere Taktfrequenz eingestellt.
Die Schaltung bildet einen 1-aus-4-Dekoder, der einzelne Zustände aus vier möglichen Binärzahlen an zwei Ausgängen dekodiert. Dafür braucht man im Normalfall weitere logische Schaltungen, die aber hier nicht vorhanden sind. Die Schaltung funktioniert nur mit einem Trick und beruht darauf, dass die verschiedenen LEDs bei unterschiedlichen Spannungen arbeiten. Die roten LEDs leuchtet bei weniger als 1,8 V, die grüne und die weiße LED brauchen dagegen deutlich mehr als 2 V. Wenn Q13 eingeschaltet ist, liefert der 10-kΩ-Vorwiderstand Strom für die grüne LED. Ist aber gleichzeitig Q12 im Null-Zustand, liegt die rote LED praktisch parallel zur grünen LED und leitet den Strom wegen der geringeren LED-Spannung vollständig ab. Q12 entscheidet damit, ob die grüne oder die untere rote LED leuchtet. Im 1-Zustand von Q13 leuchtet dagegen entweder die weiße oder die obere rote LED.
24 Feuerschein und fallende Sterne
Hinter dem letzten Türchen finden Sie einen weiteren Widerstand mit 1 kΩ (Braun, Schwarz, Rot). Er wird für ein festliches Licht gebraucht, das am Ende der Versuche den Weihnachtsbaum schmücken darf. Zwei rote und zwei gelbe LEDs stehen für ein Holzfeuer, das ein relativ gleichmäßiges Licht erzeugt und nur schwach flackert. Manchmal aber erleuchtet für einen kurzen Moment ein fallender Stern die Nacht, dargestellt durch eine grüne oder eine weiße LED.
Die Grundhelligkeit der roten und gelben LEDs wird durch zwei Widerstände mit 1 kΩ vorgegeben. Größere Widerstände mit 4,7 kΩ und 10 kΩ schalten kleinere Ströme von verschiedenen Zählerausgängen hinzu und sorgen für ein schwaches und scheinbar unregelmäßiges Flackern. Es hat eine beruhigende Wirkung und ist auch für längere Zeit gut anzusehen. Die selten auftretenden Lichtblitze werden mit dem Ausgang Q10 und einem Elko von 100 µF erzeugt. Änderungen sind leicht möglich. Experimentieren Sie mit andern Zählerausgängen und veränderten Widerständen und bauen Sie Ihr ganz eigenes Weihnachtslicht.
Anhang
Bauteile im Kalender
1 LED rot + Widerstand 10 kΩ
2 Batterie-Clip
3 Steckboard
4 Draht
5 LED rot
6 CD4060
7 Widerstand 22 MΩ
8 Widerstand 10 kΩ
9 Kondensator 100 nF
10 Widerstand 100 kΩ
11 Kondensator 10 nF
12 Widerstand 10 kΩ
13 LED gelb
14 Widerstand 10 kΩ
15 Tastschalter
16 Widerstand 4,7 kΩ
17 LED gelb
18 Widerstand 4,7 kΩ
19 Widerstand 2,2 kΩ
20 Widerstand 1 kΩ
21 LED grün
22 Elko 100 µF
23 LED weiß
24 Widerstand 1 kΩ