1 Einleitung
2 Versuche mit LEDs
2.1 Gebremster Strom
2.2 Farbwechsel
2.3 Strom gesperrt
2.4 Alles parallel
2.5 Die Kurven einer LED
2.6 Alle in einer Reihe
3 Kondensatoren
3.1 Energiespeicher
3.2 Lange und kurze Zeiten
3.3 Die Richtung wechseln
4 Tansistor-Grundschaltungen
4.1 Mehr Strom!
4.2 Anders gepolt
4.3 Elektronische Einbahnstraßen
4.4 Umgekehrt
4.5 Licht für eine Minute
4.6 Wenn es dämmert
4.7 Stromverstärkung hoch zwei
4.8 Ein ungleiches Paar
4.9 Die LED lernt sehen
4.10 Konstante Helligkeit
4.11 Gespiegelter Strom
5 NF-Verstärker
5.1 Knacken aus dem Lautsprecher
5.2 Verstärkte Töne
5.3 Zwei Stufen lauter
5.4 Radioklänge
5.5 Emitter folgt Basis
5.6 Im Gegentakt
6 Kippschaltungen
6.1 Flip und Flop
6.2 Zünden und Löschen
6.3 Getriggerte Helligkeit
6.4 Zurückgekoppelt
7 Blinkerschaltungen und Oszillatoren
7.1 Streng im Wechsel
7.2 An und Aus
7.3 Je heller desto höher
7.4 Spannung steuert Töne
7.6 Sägezähne
8 Operationsverstärker
8.1 Den kleinen Unterschied verstärken
8.2 Operation Vergleich
8.3 Verstärkung Eins
8.4 Spannung mal zwei
8.5 Verstärkte Töne
8.6 Dreieck und Rechteck
9 Der Timer NE555
9.1 Töne erzeugen
9.2 Präzise getaktet
9.3 Schwelle erreicht
9.4 Schneller Puls
9.5 Lügendetektor
10 Spezialanwendungen
10.1 Gepumpte Ladung
10.2 Kurzwellenklänge
10.3 Meeresrauschen
10.4 Weicher Blinker
10.5 Radio 97,0

1 Einleitung

Hier geht es um die wichtigsten Grundlagen der Elektronik. Was nutzt alle graue Theorie ohne die Praxis! Schnell werden Sie den Überblick gewinnen und über die vorgestellten Schaltungen hinaus eigene Ideen entwickeln und erproben. Zur Durchführung der Experimente benötigen Sie eine 9-V-Blockbatterie.

Das Steckfeld

Alle Versuche werden auf der Labor-Experimentierplatine aufgebaut. Das Steckfeld mit insgesamt 270 Kontakten im 2,54-mm-Raster sorgt für sichere Verbindungen der integrierten Schaltungen (ICs) und der Einzelbauteile.

Das Experimentierfeld

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 20 Kontakten bestehen. Das Steckfeld verfügt damit über zwei unabhängige Versorgungsschienen. Die Zeichnung zeigt alle internen Verbindungen. Man erkennt die kurzen Kontaktreihen im Mittelfeld und die langen Versorgungsschienen am Rand.

Die internen Kontaktreihen

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 und des Piezo-Schallwandlers ohne Knicken einsetzen.

Für die Versuche benötigen Sie kurze und längere Drahtstücke, die Sie passend von dem beiliegenden Schaltdraht abschneiden müssen. Zum Abisolieren der Drahtenden hat es sich als praktisch erwiesen, die Isolierung mit einem scharfen Messer rundherum einzuschneiden.

Die Batterie

Die folgende Übersicht zeigt Ihnen alle vorhandenen Bauteile in ihrem realen Aussehen und als Schaltsymbole, wie sie in den Schaltplänen verwendet wird. Statt einer Batterie könnte z.B. auch ein Labornetzteil verwendet werden.

Die Batterie real und als Schaltsymbol

Verwenden Sie keine Alkali-Batterie und keinen Akku, sondern nur einfache Zink-Kohle-Batterien. Zwar weist die Alkali-Batterie eine größere Lebensdauer auf, sie liefert jedoch im Fehlerfall, z.B. bei einem Kurzschluss, ebenso wie ein Akku sehr große Ströme bis über 5 A, die dünne Drähte oder die Batterie selbst stark erhitzen können. Der Kurzschlussstrom einer Zink-Kohle-Blockbatterie ist dagegen meist kleiner als 1 A. Damit können zwar bereits empfindliche Bauteile zerstört werden, eine Verbrennungsgefahr besteht aber nicht.

Der beiliegende Batterieclip besitzt ein Anschlusskabel mit biegsamer Litze. Die Kabelenden sind abisoliert und verzinnt. Sie sind damit steif genug, um sie in die Kontakte des Steckbretts einzuführen. Allerdings können sie durch häufiges Stecken ihre Form verlieren und aufspleißen. Es wird daher empfohlen, die Batterieanschlüsse immer angeschlossen zu lassen und nur den Clip von der Batterie abzuziehen.

Leuchtdioden

Das Lernpaket enthält eine rote und eine grüne LED. Hier muss grundsätzlich die Polung beachtet werden. Der Minus-Anschluss heißt Kathode und liegt am kürzeren Anschlussdraht. Der Plus-Anschluss ist die Anode. Im Inneren der LED erkennt man einen kelchartigen Halter für den LED-Kristall, der an der Kathode liegt. Der Anodenanschluss ist mit einem extrem dünnen Drähtchen mit einem Kontakt auf der Oberseite des Kristalls verbunden. Achtung, anders als Glühlämpchen dürfen LEDs niemals direkt mit einer Batterie verbunden werden. Es ist immer ein Vorwiderstand nötig.

Die Leuchtdiode

Widerstände

Die Widerstände im Lernpaket sind Kohleschichtwiderstände mit Toleranzen von 5%. Das Widerstandsmaterial ist auf einen Keramikstab aufgebracht und mit einer Schutzschicht überzogen. Die Beschriftung erfolgt in Form von Farbringen. Neben dem Widerstandswert ist auch die Genauigkeitsklasse angegeben.

Ein Widerstand

Widerstände mit einer Toleranz von 5% gibt es in den Werten der E24-Reihe, wobei jede Dekade 24 Werte mit etwa gleichmäßigem Abstand zum Nachbarwert enthält.

Tabelle 1.1: Widerstandswerte nach der Normreihe E24

1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0
3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1

Der Farbcode wird ausgehend von dem Ring gelesen, der näher am Rand des Widerstands liegt. Die ersten beiden Ringe stehen für zwei Ziffern, der dritte für einen Multiplikator des Widerstandswerts in Ohm. Ein vierter Ring gibt die Toleranz an.

Ein Widerstand mit den Farbringen Gelb, Violett, Braun und Gold hat den Wert 470 Ohm bei einer Toleranz von 5%. Im Lernpaket befinden sich jeweils zwei Widerstände der folgenden Werte:

470 Ohm gelb, violett, braun
1 kOhm braun, schwarz, rot
10 kOhm braun, schwarz, orange
100 kOhm braun, schwarz, gelb
1 MOhm braun, schwarz, grün

Kondensatoren

Ein Kondensator besteht aus zwei Metallflächen und einer Isolierschicht. Legt man eine elektrische Spannung an, bildet sich zwischen den Kondensatorplatten ein elektrisches Kraftfeld, in dem Energie gespeichert ist. Ein Kondensator mit großer Plattenfläche und kleinem Plattenabstand hat eine große Kapazität, speichert also bei einer gegebenen Spannung viel Ladung. Die Kapazität eines Kondensators wird in Farad (F) gemessen. Die hier verwendeten Kondensatoren haben Kapazitäten zwischen 10 nF (0,00000001 F) und 100 µF (0,0001 F)

Das Isoliermaterial (Dielektrikum) vergrößert die Kapazität gegenüber Luftisolation. Die keramischen Scheibenkondensatoren verwenden ein spezielles Keramikmaterial, mit dem man große Kapazitäten bei kleiner Bauform erreicht. Das Lernpaket enthält je einen keramischen Scheibenkondensator mit 10 nF (Beschriftung 103, 10000 pF) und mit 100 nF (Beschriftung 104, 100000 pF).

Ein keramischer Kondensator

Größere Kapazitäten erreicht man mit Elektrolytkondensatoren (Elkos). Das Dielektrikum besteht hier aus einer sehr dünnen Schicht Aluminiumoxid. Der Elko enthält einen flüssigen Elektrolyten und aufgewickelte Aluminiumfolien mit großer Oberfläche. Die Spannung darf nur in einer Richtung angelegt werden. In der falschen Richtung fließt ein Leckstrom und baut die Isolationsschicht allmählich ab, was zur Zerstörung des Bauteils führt. Der Minuspol ist durch einen weißen Streifen gekennzeichnet und hat einen kürzeren Anschlussdraht. Das Lernpaket enthält zwei Elkos mit 100 µF und einen mit 22 µF.

Der Elektrolytkondensator

Transistoren

Transistoren sind Bauelemente zur Verstärkung kleiner Ströme. Die verwendeten bipolaren Transistoren unterscheiden sich in der Polarität. Das Lernpaket enthält drei NPN-Transistoren BC547 und einen PNP-Transistor BC557.

Transistoren

Die Anschlüsse des Transistors heißen Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C). Bei beiden Transistoren liegt der Basisanschluss in der Mitte. Der Emitter liegt rechts, wenn Sie auf die Beschriftung schauen und die Anschlüsse nach unten zeigen.

Die Si-Dioden

Eine Diode ist ein elektrisches Ventil und lässt Strom nur in einer Richtung hindurch. Man unterscheidet Dioden nach ihrem Ausgangsmaterial Germanium (Ge) oder Silizium (Si). Die Dioden im Lernpakt sind Si-Dioden vom Typ 1N4148. Es handelt sich um Universaldioden für Ströme bis 100 mA. Beim Einbau muss grundsätzlich die Richtung beachtet werden. Die Kathode ist mit einem schwarzen Ring gekennzeichnet.

Die Diode 1N4148

Der Fotowiderstand

Der Fotowiderstand (Light Dependent Resistor, LDR) ist ein Lichtsensor auf der Basis von Cadmiumsulfid (CdS). Er ändert seinen elektrischen Widerstand zwischen ca. 1 MOhm bei Dunkelheit und 1 kOhm bei hellem Licht.

Der Fotowiderstand

Der Tastschalter

Der Tastschalter im Lernpaket besitzt einen Schließerkontakt mit zwei Anschlüssen, die jedoch doppelt herausgeführt sind.

Der Tastschalter

Der Piezo-Schallwander

Der Schallwandler dient als einfacher Lautsprecher und als Mikrofon oder Schwingungssensor. Der Aufbau ähnelt dem eines keramischen Scheibenkondensators, wobei allerdings das Dielektrikum zusätzlich elektrisch vorgespannt ist. Dadurch entsteht eine Kopplung zwischen mechanischer Spannung und elektrischer Spannung. Der piezoelektrische Effekt tritt in ähnlicher Weise auch bei natürlichen Quarzkristallen auf.

Der Schallwandler

Die integrierten Schaltkreise

Das Lernpaket enthält zwei integrierte Schaltungen (Integrated Circuits, ICs) im achtpoligen DIP-Gehäuse. Der LM358 ist ein zweifacher Operationsverstärker. Der NE555 ist ein Präzisions-Timerbaustein. Beim Einsetzen der ICs muss die korrekte Richtung beachtet werden. Der Pin1 ist jeweils durch einen Punkt markiert.

Die beiden ICs

Hier beide ICs mit ihrer Pin-Nummerierung. Achten Sie beim Einsetzen der ICs auf die Beschriftung. Vermeiden Sie eine Verpolung, die zur Zerstörung des Bauteils führen könnte.

Vor dem ersten Einsatz der ICs müssen die Anschlussbeinchen sorgfältig parallel ausgerichtet werden. Durch den Herstellungsprozess sind sie etwas gespreizt und können daher beim Einsetzen in das Steckbrett leicht umbiegen. Wenn beide Anschlussreihen parallel stehen, lassen sie sich leicht aufstecken. Wenn sie wieder aus dem Steckbrett entfernt werden sollen, müssen sie z.B. mit einem feinen Schraubendreher vorsichtig ausgehebelt werden, um die Anschlüsse nicht zu verbiegen.