Seite wird geladen ...
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 115072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 1 23.05.2019 09:38:2523.05.2019 09:38:25
2
Vo
rw
o
r
t
Auch in diesem Jahr
g
ibt es wieder einen neuen Conrad-Elektronik-Kalender mit 24 Experimenten für den 1. bis zum
24. Dezember. Das zentrale Thema sind diesmal die Feldeffekttransistoren
(
FET
)
. Typische Aufgabenbereiche sind
Steuerungen, Sensoren, Zeitgeber und akustische Effekte. Zu jedem Versuch gibt es einen Schaltplan und eine Auf
-
bauzeichnung, die als Vorschlag zu verstehen ist. Oft lassen sich die Schaltungen kompakter und mit weniger Dräh
-
ten 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 dagegen genau verstehen. Die Versuchs
-
beschreibungen sollen beiden gerecht werden. Deshalb werden Aufbau und Funktion jeweils nur so knapp beschrie-
ben, wie es für den erfolgreichen Aufbau nötig ist. Im Anschluss werden die technischen Hintergründe in knapper
Form erläutert. So fi ndet man die entscheidenden Hinweise, mit denen man auch auf die Suche nach weiteren Infor
-
mationen gehen kann. Die grö
ß
te Freude bereiten die Experimente übrigens, wenn man zusammenarbeitet. Eltern
und Gro
ß
eltern können vielleicht wertvolle Er
f
ahrungen weitergeben und das Interesse der Kinder und Jugendlichen
wec
k
en.
Der verwendete Transistor J113 ist ein S
p
errschicht-FET (Junction FET, JFET), der zahlreiche interessante Versuche
ermö
g
licht. Zwar lassen sich alle wichti
g
en Grundschaltun
g
en auch mit den weiter verbreiteten bipolaren NPN
-
Transisto ren aufbauen, aber mit dem JFET er
g
eben sich oft
g
anz besondere Mö
g
lichkeiten. Der Kalender zei
g
t eini
g
e
der Chancen und Schwieri
g
keiten beim Einsatz von JFETs. Oft sind ei
g
ene Variationen nöti
g
und sinnvoll. Die Versu-
che bieten eine
g
ründliche Einarbeitun
g
in die Schaltun
g
stechnik mit JFETs.
Mit den vorhandenen Bauteilen lassen sich wesentlich mehr Schaltun
g
en bauen, als hier
g
ezei
g
t werden können.
Wer die vor
g
e
g
ebenen Versuche mit Interesse durcharbeitet, fi ndet schnell weitere Schaltun
g
svarianten und ähnli-
che Anwendun
g
en. Und auch
g
anz neue Schaltun
g
en lassen sich entwickeln. Ihrem Erfi ndun
g
sreichtum sind keine
Grenzen
g
esetzt!
Wir wünschen viel Freude und eine frohe Weihnachtszeit!
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 215072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 2 23.05.2019 09:38:4923.05.2019 09:38:49
3
A
lle
V
e
r
suche
im
Übe
r
blick
1 Der LED-Tes
t
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Batterieverbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 Gesteckter Au
f
bau
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
6
4 Nur in eine Richtung
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
7
5 Berührungssensor
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
r
8
6 Konstantstromquelle
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
9
7 Stromquelle für zwei LED
s
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
8 Geschaltete Helligkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1
9 Differenzverstärker
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
r
12
1
0
L
ichtsenso
r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
1
3
11 Lic
h
tgesteuerter Sc
h
a
l
te
r
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
12 Druck- und Temperatursensor
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
r
1
5
13 Sc
h
wingungssenso
r
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
6
14 Wechsel
f
eldsenso
r
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
15 Berührungsschalter
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
r
1
8
16 Stu
f
enloser Dimmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
17 Zufallszeitschalter
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
r
20
18 Mikrofonverstärker
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
r
2
1
19 LED-Wec
h
se
lbl
in
k
e
r
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
20
T
ongenerato
r
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
21 Gegenta
k
t
bl
in
k
e
r
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
22 Getasteter Umschalter
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
r
25
23 Signa
l
verstär
k
er . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
24 Wei
h
nac
h
t
l
ic
h
es LED-Fun
k
e
ln
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
7
An
h
an
g
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 315072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 3 23.05.2019 09:38:4923.05.2019 09:38:49
4
1. Ta
g
Grüne LED + Wi
d
erstan
d
10
k
1
De
r
LED
-
Test
Hinter dem 1. Türchen fi nden Sie eine
g
rüne LED und einen dazu passenden Widerstand. Zusätzlich benöti
g
en Sie
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, man braucht immer auch einen Vorwiderstand. Ohne diesen
Widerstand würde die LED überlastet und zerstört werden! Darüber hinaus muss die LED 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 abgefl acht. 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 den direkten Blick aus
kurzer Entfernung von unter einem Meter in eine leuchtende LED. Helle LEDs können Netzhautschäden verursachen.
Und achten Sie darauf, dass niemals beide LED-Anschlüsse gleichzeitig die Batterieanschlüsse berühren! Es muss
immer
d
er Wi
d
erstan
d
in Rei
h
e angesc
hl
ossen wer
d
en, sonst
b
rennt
d
ie LED
d
urc
h
. Ha
l
ten Sie
b
ei
d
e Bautei
l
e an
d
ie
Batterie, wie es die Zeichnung zeigt. Die LED leuchtet hell au
f
.
Elektronische Schaltun
g
en stellt man übersichtlich in Schaltbil
-
dern dar. Für
j
edes Bauteil
g
ibt es ein S
y
mbol. Die LED besteht
aus einem Dreieck für die Anode und einem
g
eraden Strich für
die Kathode. Das deutet die Stromrichtun
g
an. Zwei kurze Pfeile
nach außen stehen für das ab
g
e
g
ebene Licht. Der Widerstand
wird als rechtecki
g
es Kästchen
g
ezeichnet. Jeder Widerstand hat
einen
b
estimmten Wi
d
erstan
d
swert. Hier sin
d
es 10.000 O
h
m =
10 Kiloohm
(
10
k
, im Schaltbild kurz 10k
)
. Das reale Bauteil ist
mit Farbringen beschriftet
(
Braun, Schwarz, Orange für 10.000
und Gold für mögliche Abweichungen bis +/–5%
).
Das Schaltbild zei
g
t eine Reihenschaltun
g
. Der Strom fl ießt durch Batterie, Widerstand und LED. Der Widerstand hat
dabei die Auf
g
abe, die Stromstärke auf einen sinnvollen Wert zu be
g
renzen. Je
g
rößer der Widerstand, desto kleiner
die Stromstärke. Bei 10k
wird die LED zwar noch weit unterhalb ihres maximal erlaubten Stroms betrieben
,
sie
leuchtet aber schon recht hell
.
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 415072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 4 23.05.2019 09:38:4923.05.2019 09:38:49
5
2 Batteriever
b
in
d
un
g
Das 2. Türchen verbir
g
t einen Batterieclip für die 9-V-Batterie. Bauen Sie den Versuch vom ersten Ta
g
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 Verbindun
g
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
k
bestimmt den
Strom durch die LED. In diesem Fall kann man
davon ausgehen, dass etwa 2V an der LED
liegen, also noch 7V am Widerstand. Daraus
ergibt sich ein Strom von nur 0,7mA. Zum
Vergleich: LEDs werden meist
f
ür Ströme von
20mA ausge
l
egt. Diese grüne LED
k
ommt
je
d
oc
h
sc
h
on mit
d
eut
l
ic
h
weniger a
l
s 1mA
aus, um gut sic
h
t
b
ares Lic
h
t zu erzeugen.
2. Tag
Batteriec
l
ip
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 515072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 5 23.05.2019 09:38:5023.05.2019 09:38:50
6
3
Gestec
k
te
r A
ufbau
Öffnen Sie das 3. Türchen und nehmen Sie einen auf
g
ewickelten 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 durch vertikale Streifen mit jeweils fünf Kontakten leitend
verbunden sind. Zusätzlich gibt es am Rand 40 Kontakte für die Stromversorgung, die aus zwei horizontalen Kontakt-
federstreifen mit je 20 Kontakten bestehen. Das Steckfeld verfügt damit über zwei unabhängige Versorgungsschie
-
nen, die hier für den Pluspol und den Minuspol der Batterie verwendet werden.
Das Einsetzen von Bauteilen er
f
ordert relativ viel Kra
f
t. Die Anschlussdrähte knicken daher leicht um. Wichtig ist,
dass die Drähte exakt von oben einge
f
ührt werden. Dabei hil
f
t eine Pinzette oder eine kleine Zange. Ein Draht wird
möglichst kurz über dem Steckbrett ange
f
asst und senkrecht nach unten gedrückt. So lassen sich auch emp
fi
ndliche
Anschlussdrähte wie die verzinnten Enden des Batteriecli
p
s einsetzen, ohne sie zu knicken. Manchmal hilft es auch,
d
i
e
K
o
n
ta
k
te
z
ue
r
st
mi
t
e
in
e
r N
ade
l
et
w
as
z
u
w
e
i
te
n.
Bauen Sie die Schaltung aus dem ersten Versuch noch einmal au
f
der Steckplatine au
f
. Wieder handelt es sich um
eine Rei
h
ensc
h
a
l
tung mit Wi
d
erstan
d
un
d
LED. Das Sc
h
a
l
t
b
i
ld
zeigt
d
ie g
l
eic
h
e Sc
h
a
l
tung, a
b
er mit einer etwas
an
d
eren Anor
d
nung
d
er Bautei
l
e,
d
ie
d
em rea
l
en Versuc
h
mög
l
ic
h
st ä
h
n
l
ic
h
ist. Ein zusätz
l
ic
h
er
k
urzer Dra
h
t
d
ient
als Zugentlastung
f
ür die Batteriekabel und hält sie in ihrer Position
f
est. Ent
f
ernen Sie die Isolierung an den Enden
au
f
einer Länge von 5mm oder etwas mehr, sodass sie tie
f
eingesteckt werden können und gut gehalten werden.
Das
g
ilt auch für alle Drahtverbindun
g
en der fol
g
enden Versuche. Sie können den Batterieclip als Schalter verwen-
den
,
indem Sie nur einen Kontakt fest verbinden und den anderen seitlich berühren lassen.
3. Ta
g
Dra
h
t + Stec
k
p
l
atine
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 615072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 6 23.05.2019 09:38:5023.05.2019 09:38:50
7
4. Tag
JFET
J
113
4 Nur in eine Ric
h
tun
g
Hinter dem 4. Türchen fi nden Sie das wichti
g
ste Bauteil dieses Kalenders. Es handelt sich um den Feldeffekttransis
-
tor
(
FET
)
J113, und zwar um einen Sperrschicht-FET
(
JFET, J für Junction = Sperrschicht
)
. Er enthält also eine Diode,
die den Strom nur in eine Richtung leitet. Seine drei Anschlüsse heißen Gate
(
G
)
, Source
(
S
)
und Drain
(
D
)
. In diesem
Versuch leitet die Sperrschicht, die LED leuchtet also. Wenn man jedoch die beiden Anschlüsse vertauscht, geht die
LED aus. Verwenden Sie allerdings anstelle des Source-Anschlusses den Drain-Anschluss, ist die LED ebenfalls an.
Zwischen Gate und Source des Feldeffekttransistors liegt im leitenden Zustand eine Spannung von rund 0,7V – 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 Schaltun
g
ähnlich verhalten. Ganz anders ist es bei einem MOS-FET, der ein isoliertes Gate hat, das in keiner Richtung leitet.
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 715072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 7 23.05.2019 09:38:5123.05.2019 09:38:51
8
5 Berü
h
run
g
ssenso
r
Ein
e
n w
e
i
te
r
e
n Wi
de
r
sta
n
d
fi n
de
n
S
i
e
hin
te
r T
ü
r
c
h
e
n N
u
mm
e
r
5
. Er h
at
47
0
und trä
g
t die Farben Gelb, Violett,
Braun. Setzen Sie ihn nun als Vorwiderstand in die Plusleitung der Batterie. Er dient, ähnlich wie eine Sicherung, der
Strombegrenzung im Fehlerfall und soll die Bauteile der Schaltung schützen. Zugleich können Sie ihn als Hauptschal
-
ter 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 nach einigen Sekunden oder Minuten wieder an. Sie können
Ihre Hand auch nur in die Nähe des Gate-Drahts halten und die Füße auf dem Boden bewegen oder vom Boden
abheben. Auch dadurch ändern Sie die Helligkeit. Schließen 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 ver
g
leichen. Die Spannun
g
am Gate oder an der Basis bestimmt
j
eweils den Stromfl uss zwi-
sc
h
e
n
Sou
r
ce
u
n
d
Dr
a
in
b
zw. zwi
sc
h
e
n Emi
tte
r
u
n
d
K
o
ll
e
k
to
r. W
ä
hr
e
n
d
abe
r
de
r NPN-Tr
a
n
s
i
sto
r zwi
sc
h
e
n B
as
i
s
u
n
d
Emitter eine Spannun
g
von +0,5V bis ca. +0,7V braucht, leitet der JFET schon bei einer Spannun
g
von 0V zwischen
Gate und Source. Man sa
g
t daher, dass dieser Transistor „selbstleitend“ ist. Um ihn zu sperren, braucht man eine
ne
g
ative Spannun
g
von rund –2V oder tiefer. In diesem Bereich ist die Gate-Diode
g
esperrt, der Ein
g
an
g
also ex trem
hochohmi
g
. Deshalb rea
g
iert das offene Gate schon auf kleinste elektrische Ladun
g
en oder elektrische Felder. Unter
-
halb von etwa –40V be
g
innt die GS-Diode, wie eine Z-Diode zu leiten, und schützt sich daher selbst vor noch
g
röße
-
ren Spannungen
.
5. Ta
g
Wi
d
erstan
d
470
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 815072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 8 23.05.2019 09:38:5123.05.2019 09:38:51
9
6. Tag
Wei
ß
e LED
6 Konstantstromque
lle
Öffnen Sie Türchen Nummer 6. Dahinter fi nden Sie eine weiße LED. Man erkennt sie an dem
g
elblichen Fleck au
f
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 ein
-
stellt. Selbst wenn Sie eine schwache durch eine neue Batterie ersetzen, bleibt die Helligkeit gleich.
Der LED-Strom fl ießt durch Drain und Source sowie durch den Source-Widerstand von 10
k
. Dabei entsteht ein
Spannungsabfall von rund 2V am Widerstand. Die Source-Spannung liegt also 2V über der GND-Spannung. Weil
das Gate aber direkt an GND liegt, ist die Gate-Spannung gegenüber dem Source-Anschluss negativ und beträgt –2V.
Der Transistor ist also schon fast gesperrt, sodass nur noch ein kleiner Strom fl ießt. Dieser Strom ist aber sehr stabil,
weil jede Stromänderung zu einer Änderung der Gate-Spannung und damit zu einer gegenläufi gen 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 Au
f
gabe
f
ür einen JFET, weil sie mit minimalem Bauteile-
au
f
wand gebaut werden kann. Im Gegensatz zu einem JFET leitet ein MOS-FET wie der bekannte BS107 erst bei einer
positiven Spannung am Gate, so
d
ass man i
h
n in
d
ieser Sc
h
a
l
tung nic
h
t einsetzen
k
önnte
.
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 915072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 9 23.05.2019 09:38:5223.05.2019 09:38:52
1
0
7 Stromquelle
f
ür zwei LED
s
Ö
ffn
e
n
S
i
e
das
7. T
ü
r
c
h
e
n
u
n
d
n
e
hm
e
n
S
i
e
e
in
e
w
e
i
te
r
e
w
e
i
ße
LED h
e
r
aus
.
Sc
h
a
l
te
n
S
i
e
s
i
e
in R
e
ih
e
z
u
r v
o
rh
a
n
de
n
e
n
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 aufrechterhalten werden, solange die Batteriespannung für alle Verbraucher
ausreicht. Jede der beiden weißen LEDs benötigt rund 2,7V. Dazu kommen 2V für den Source-Widerstand. Man
braucht also mindestens 7,4V an der Batterie oder besser etwas mehr, weil die Stabilisierung besser wird, wenn die
Restspannung zwischen Source und Drain deutlich größer als 1V ist.
Vertauschen Sie einmal testweise die Anschlüsse D und S in der Schaltung. Alles
f
unktioniert unverändert. JFETs sind
nämlich symmetrisch au
f
gebaut, sodass Source und Drain austauschbar sind. Das gilt auch
f
ür alle
f
olgenden Ver
-
suc
h
e. Im Gegensatz
d
azu sin
d
d
ie ver
b
reiteten MOS-FETs unsymmetrisc
h
.
7. Ta
g
Wei
ß
e LED
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 1015072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 10 23.05.2019 09:38:5223.05.2019 09:38:52
11
8
. Ta
g
T
astsc
h
a
l
ter
8 Gesc
h
a
l
tete He
ll
i
gk
ei
t
Hinter Türchen Nummer 8 fi nden Sie einen Tastschalter. Er wird hier ein
g
esetzt, um eine der beiden weißen LEDs zu
überbrücken. Dann leuchtet 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 nun aus, die Helligkeit der anderen LED ändert sich aber nicht oder kaum.
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 1115072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 11 23.05.2019 09:38:5323.05.2019 09:38:53
12
9
D
iffe
r
en
zv
e
r
stä
rk
er
Hinter dem 9. Türchen fi nden Sie einen zweiten Transistor J113. Er wird mit dem ersten JFET und einem
g
emeinsamen
Source-Widerstand verbunden. Bei geöffnetem Schalter können Sie die Gate-Spannung und damit den Drain-Strom
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 sin
d
zwei Daten entsc
h
ei
d
en
d
:
d
ie Sperrspannung,
b
ei
d
er
d
er Transistor gera
d
e nic
h
t me
h
r
l
eitet,
und der Drain-Strom bei einer Gate-Spannun
g
von 0V. Für den J113 beträ
g
t der Drain-Strom bei einem
g
e
g
en Source
kurz
g
eschlossenen Gate mindestens 2mA. In den meisten Fällen fi ndet man
j
edoch Ströme zwischen 10mA und
20mA. Die Sperrspannun
g
lie
g
t zwischen –0,5V und –3V, meist
j
edoch zwischen –1,5V und –2V. Die relativ
g
roßen
Unterschiede müssen in vielen Schaltun
g
en berücksichti
g
t werden.
9. Ta
g
JFET
J
113
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 1215072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 12 23.05.2019 09:38:5423.05.2019 09:38:54
1
3
10. Tag
Ge
lb
e LED
1
0
L
ichtsenso
r
Hinter Türchen Nummer 10 fi nden Sie eine
g
elbe LED, die hier als Lichtsensor ein
g
esetzt wird. Wie eine Fotodiode
oder eine Solarzelle erzeugt eine LED bei Beleuchtung von außen eine elektrische Spannung. Diese steuert den JFET
an und beeinfl usst 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 Ände
-
rung der Lichtverhältnisse ändert auch die LED-Helligkeit
.
Eine gelbe LED kann eine Spannung von bis zu 1,5V erzeugen, also wesentlich mehr als eine Silizium-Fotozelle, die
es auf 0,5V bringt. Allerdings kann sie nur einen sehr kleinen Strom von wenigen Nanoampere liefern, sodass man
die Fotospannung einer LED nur mit Schwierigkeiten messen kann. Aber der extrem hochohmige Eingang des JFE
T
kann problemlos mit einer LED als Fotozelle angesteuert werden. Testen Sie auch die grüne LED als Fotosensor.
Bei einer geeigneten Abschattung leuchtet die wei
ß
e LED sehr schwach. Dann ist die gesamte Schaltung extrem
empfi ndlich für statische elektrische Felder. Schon ein leichtes Anheben der Steckplatine oder die Annäherun
g
einer
Hand kann den Strom ändern. Auch ein Anheben der Füße kann deutlich erkannt werden. Jede Änderun
g
des elek
-
trischen Felds führt zu einer Änderun
g
der Gate-Spannun
g
, die wiederum den FET-Strom verändert
.
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 1315072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 13 23.05.2019 09:38:5423.05.2019 09:38:54
14
11 Lic
h
t
g
esteuerter Sc
h
a
l
ter
Hinter dem 11. Türchen verbir
g
t sich eine rote LED. Auch sie dient hier als Fotozelle. 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. Entschei
-
dend 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 ist, kann auch von der Farbe des verwendeten Lichts abhängen. Lassen
Sie die grüne LED einfach mal gegen die rote und dann gegen die gelbe LED antreten.
11. Ta
g
R
ote
LED
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 1415072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 14 23.05.2019 09:38:5523.05.2019 09:38:55
15
12 Druc
k
- un
d
Temperatursensor
Hinter Türchen 12 fi nden Sie einen Piezoschallwandler. Er kann als Lautsprecher, als Mikrofon und als Schwin
g
un
g
s-
sensor eingesetzt werden. Hier arbeitet er als Drucksensor. Der kleinste Druck auf die Membran erzeugt eine Signal
-
spannung, die zu einer Stromänderung und zu einem Flackern der roten LED führt. Der Tastschalter dient dazu,
einen defi nierten 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 fl ießt 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 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
um
k
e
h
ren, in
d
em Sie
d
ie Ansc
hl
üsse
d
es Piezosensors vertausc
h
en.
1
2. Tag
Piezosc
h
a
ll
wan
dl
er
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 1515072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 15 23.05.2019 09:38:5623.05.2019 09:38:56
1
6
13 Sc
h
win
g
un
g
ssenso
r
Türchen Nummer 13
p
räsentiert Ihnen einen Widerstand mit 10 M
(10 Me
g
aohm, Braun, Schwarz, Blau). Er wird
nun parallel zum Piezowandler angeschlossen. Damit stellt sich jederzeit eine mittlere Eingangsspannung von 0V
ein. Schon geringe Schwingungen werden durch ein Flackern der LED sichtbar. Mit einem kleinen Gewicht von bis zu
50 Gramm auf dem Sensor kann man Schwingungen des Bodens oder des Tischs beobachten
.
Der Arbeitspunkt der Schaltung, also der Strom im Ruhezustand, hängt stark von den Transistoreigenschaften ab.
Falls Sie Unterschiede im Strom der beiden JFETs gefunden haben, werden sie 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.
13. Ta
g
Wi
d
erstan
d
10
M
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 1615072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 16 23.05.2019 09:38:5623.05.2019 09:38:56
17
14 W
echselfeldsensor
Ein
e
n Wi
de
r
sta
n
d
mi
t
22
k
(Rot, Rot, Oran
g
e) fi nden Sie hinter dem 14. Türchen. Er arbeitet hier als Schutzwider
-
stand 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 Piezowandler als Lautsprecher. Halten Sie die Antenne nahe an eine
elektrische Leitung. Aus dem Lautsprecher ertönt 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 gleichzeiti
g
den Minuspol der Batterie berühren. Halten Sie auch einmal den Piezolautsprecher direkt ans Ohr und lauschen Sie
auf schwache Wechselfelder.
Ohne äu
ß
ere Ein
fl
üsse 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 au
f
. Ohne die
Wechselspannun
g
bleibt der JFET dann für eini
g
e Zeit
g
esperrt.
Auch statische elektrische Felder können den Transistor ansteuern. Hat man sich elektrisch auf
g
eladen, führt eine
Annäherun
g
mit der Hand zu einer
Ä
nderun
g
der LED-Helli
g
keit. Aber der Lautsprecher bleibt still, weil die
Ä
nderun
-
g
en zu lan
g
sam
g
eschehen.
14. Tag
Wi
d
erstan
d
22
k
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 1715072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 17 23.05.2019 09:38:5723.05.2019 09:38:57
1
8
15 Berü
h
run
g
ssc
h
a
l
ter
Das 15. Türchen brin
g
t einen Kondensator mit 100nF (100 Nanofarad, Aufdruck 104) zum Vorschein. Ein solcher
Kondensator kann auf eine beliebige Spannung aufgeladen werden und behält sie für lange Zeit. Bauen Sie zwei
Berührungsschalter aus abisolierten Drahtstücken. Wenn Sie die nebeneinanderliegenden Drähte mit dem Finger
berühren, können Sie den Kondensator aufl aden und entladen. Entsprechend werden die LEDs ein- oder ausgeschal
-
tet. Der jeweilige Zustand bleibt bis zu eine Stunde lang erhalten.
Die Source-Spannung wird im leitenden Zustand des JFET durch zwei in Reihe liegende LEDs um bis zu 5V angeho
-
ben. So wird erreicht, dass der Transistor im ausgeschalteten Zustand sicher sperrt. Erst wenn der Kondensator auf
rund 3V aufgeladen ist, beginnt der JFET zu leiten. Die Spannung am Gate kann bis an die Drain-Spannung erhöht
werden, ohne dass ein Gate-Strom fl ießt.
15. Ta
g
Kon
d
ensator 100 nF
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 1815072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 18 23.05.2019 09:38:5823.05.2019 09:38:58
19
1
6
Stufenlose
r D
immer
Hinter Türchen Nummer 16 fi nden Sie einen weiteren Kondensator mit 100 nF
(
104
)
. Bauen Sie damit einen stufen
-
losen Dimmer. Beide Kondensatoren liegen nun zwischen Gate und Drain. Damit werden Aufl adung und Entladung
über einen Widerstand mit 10 M
verlangsamt. Man kann also auf einen mittleren Zustand mit einer beliebigen
Helligkeit einstellen. Der eingestellte Zustand bleibt für längere Zeit erhalten.
1
6. Tag
K
on
d
ensator 100 nF
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 1915072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 19 23.05.2019 09:38:5923.05.2019 09:38:59
20
17 Z
ufalls
z
eitschalter
Hin
te
r
de
m 17. T
ü
r
c
h
e
n fi n
det
s
i
c
h
e
in
e
beso
n
de
r
e
LED in kl
a
r
e
m
Ge
h
äuse
. E
s
h
a
n
de
l
t
s
i
c
h
u
m
e
in
e
A
uto
m
at
ik-F
a
r
b-
wechsel-LED mit drei Farben
(
RGB
)
. Ist sie ausgeschaltet, 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 einge
-
schaltet. Man berührt den offenen Eingang einmal oder mehrmals kurz mit dem Finger, bis die LEDs an sind. Dann
dauert es wenige Sekunden bis 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 0V gezogen wird. Damit
ist der rechte JFET gesperrt. Wenn man den Eingang mit dem Finger berührt, wird meist eine 50-Hz-Wechselspan
-
nung von einigen Volt angelegt. Die Gate-Diode grenzt die Spannung ein auf den Bereich zwischen etwa +0,5
V
(Diode leitet) und –40V (Durchbruchspannung der GS-Diode). Der Transistor schaltet dabei in schneller Folge ein
und aus. Das Gate lädt sich gleichzeitig im Mittel negativ au
f
. Die genaue Spannung im Moment des Loslassens ist
zu
f
ällig. Wenn sie gerade nahe 0V 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 (5pF), der sich nur sehr langsam entlädt. Je
negativer
d
ie Gate-Spannung ist,
d
esto
l
änger
d
auert
d
ie Ent
l
a
d
ung
.
Eine ausreichend
g
roße Wechselspannun
g
durch eine Berührun
g
entsteht nur dann, wenn sich der Versuch nahe
g
enu
g
an elektrischen Leitun
g
en oder Geräten befi ndet. Sie können den Effekt verstärken, wenn Sie eine Lampe oder
ein anderes Gerät berühren. Oder Sie erzeu
g
en eine zufälli
g
e Spannun
g
– etwa durch Reibun
g
oder indem Sie die
F
üße
v
o
m B
ode
n
ab
h
ebe
n.
17. Ta
g
Far
b
wec
h
se
l
-LE
D
15072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 2015072-1 Conrad Adventskalender 2019_NEU_02.indd 20 23.05.2019 09:38:5923.05.2019 09:38:59
/