Elektronik
Inhalt
Transistoren
Was ist ein Transistor?
Transistoren sind sowohl als Schalter als auch als Verstärker unentbehrlich.
Ein Transistor besteht aus drei Halbleiterschichten, zwei n-Leitern und dazwischen einem p-Leiter (npn-Transistor, siehe Abbildung) oder umgekehrt (pnp-Transistor).
Ein Transistor besitzt drei Anschlüsse, die Basis (B), Emitter (E) und Kollektor (K) genannt werden.
Transistoren sind Schalter, die elektrisch gesteuert werden können. Fließt im Stromkreis Basis-Emitter ein schwacher Steuerstrom, so wird der Transistor leitend und es fließt auch im Emitter-Kollektor-Stromkreis Strom. Man kann einen Stromkreis über den Basisstrom eines Transistors ein- und ausschalten.
Ein Transistor kann auch als Verstärker eingesetzt werden. Verändert man den Emitter-Basis-Strom um einen kleinen Betrag, so ändert sich der Emitter-Kollektorstrom um ein Vielfaches.
Datenspeicherung
Ein Transistor kann als Datenspeicher benützt werden. Mit Transistoren kann man ein einfaches Schaltelement bauen (Flip-Flop-Schaltung), das sich jeweils in einem von zwei möglichen Zuständen befindet. Durch ein elektrisches Signal von außen kippt die Anordnung in den entsprechend anderen Zustand. Diese Schaltung kann dadurch als eine Speicherzelle für die Zustände 1 oder 0 eingesetzt werden.
Ein Transistor kann mikroskopisch klein gebaut werden. Auf dem Mikroprozessor eines Computers sind Milliarden Transistoren, die gleichzeitig Signale ein- und ausschalten. Diese Transistoren werden nicht aus Einzelteilen zusammengebaut, sondern direkt auf einem Siliziumplättchen untergebracht („integrierte Schaltung“).
Thyristoren
Thyristoren sind steuerbare Gleichrichter. Sie werden sowohl zur Drehzahlregelung von Elektromotoren mit geringer Leistung (Bohrmaschinen, Mixer, Staubsauger) als auch zur Drehzahlregelung von Motoren mit hoher Leistung (Elektrolokomotiven) eingesetzt. Sie finden im Alltag in Dimmern Verwendung, wo sie pulsierenden Strom zur Helligkeitsregulierung von Glühlampen oder LEDs erzeugen.
Sensoren
Arten von Sensoren
Sensoren (Fühler) messen den physikalischen Zustand von Bauteilen und liefern elektrische Signale. In vielen modernen Geräten und Fahrzeugen sind elektrische Sensoren eingebaut.
Elektrische Sensoren können einfache Schalter sein, die einen Schrittmotor ausschalten, wenn die maximale Strecke erreicht ist. Sensoren wie Dehnungsmessstreifen messen durch die Veränderung des elektrischen Widerstands die Längenausdehnung. Dadurch kann z. B. die Überlastung von Aufzügen bestimmt werden.
In elektrischen Thermometern sind Stoffe im Einsatz, die bei geringer Temperaturänderung ihren Widerstandswert deutlich verändern. Ein Beispiel dafür ist ein Heißleiter. Im kalten Zustand hat er einen großen elektrischen Widerstand. Erwärmt man ihn jedoch, so nimmt der Widerstand ab, d.h. der Stoff leitet den Strom immer besser. Aus der Größe des Stromflusses wird die Temperatur bestimmt und angezeigt.
Lichtsensoren (LDR, light dependent resistor) bestehen aus Halbleitermaterial, dessen Widerstand bei Lichteinfall kleiner wird. Lichtschranken enthalten einen solchen lichtempfindlichen Widerstand. Wird der Lichtweg zwischen den Schranken unterbrochen, wird der Widerstand größer. Dies kann zum Beispiel ein Lautsignal auslösen.
Widerstand eines LDR
Ordne ein LDR und eine Lichtquelle gegenüber an. Miss den Widerstand des LDRs mit einem Ohmmeter.
Suche nach unterschiedlichen Materialien, mit denen du den Lichtstrahl beeinflussen kannst. Miss jeweils den Widerstand.
Vergleiche die Ergebnisse und versuche eine Begründung zu finden.
Piezokristalle
Ein weiterer Sensor benutzt Piezokristalle. In Piezokristallen entsteht durch Dehnung oder Stauchung eine elektrische Spannung. Umgekehrt kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Längenänderung bewirkt werden. Mit Piezosensoren kann man Vibrationen und Erschütterungen messen. In einem Benzinmotor überwacht ein Piezosensor die Verbrennung im Motor. Treten stärkere Vibrationen auf, verändert das Motorsteuergerät die Kraftstoffzufuhr und den Zündzeitpunkt.
Widerstand eines LDR
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Bewegungsmelder
Wenn du einen dunklen Raum betrittst, wird häufig automatisch das Licht eingeschaltet. Das bewirkt ein Bewegungsmelder. Erkundige dich, welche Sensoren hier zum Einsatz kommen.
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Training
Wortgitter zu Elektronik
Touchscreens
Es gibt mehrere Versionen von Touchscreens. Resistive (von Resistor = Widerstand) Touchscreens bestehen aus zwei leitenden Platten. Durch Druck wird der elektrische Widerstand zwischen den Platten geändert und der Ort wird registriert.
Bei kapazitiven Touchscreens (ein Kondensator ist ein elektrisches Bauelement, welches Ladung speichern kann) wird die elektrische Ladung durch Berührung mit dem Finger verändert. Auch hier wird der Ort festgestellt und weiterverarbeitet.
Resistive Touchscreens funktionieren durch Berührung mit allen Gegenständen, kapazitive nur mit dem Finger. Mit Handschuhen kann man diese nicht mehr betätigen.
Nenne aus dem Text alle Informationen zu resistiven Touchscreens sowie alle zu kapazitiven Touchscreens und gliedere sie in zwei Listen. Stelle die Eigenschaften anschließend einander gegenüber.
Formuliere: „Während …“, „Im Gegensatz zu …“, „Der eine …, der andere“
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Untersuche Touchscreens in deiner Umgebung. Berühre sie mit dem Finger bzw. mit einem Gegenstand wie einem Bleistift und stelle fest, ob sie auf resistivem oder kapazitivem Prinzip funktionieren.
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Lichtschranken
Es gibt verschiedene Arten von Lichtschranken.
Bei der Einweg-Lichtschranke befindet sich gegenüber der Lichtquelle, die meistens Infrarot-Strahlung aussendet, ein Empfänger mit einem lichtempfindlichen Bauteil. Wird der Lichtweg unterbrochen, löst der Empfänger ein Signal aus
Bei der Reflex-Lichtschranke ist im Senderbauteil auch der Empfänger untergebracht. Ein Reflektor gegenüber sendet die Lichtsignale zurück. Bei Unterbrechung des Lichtweges wird ein Signal ausgelöst.
Bei geringer Entfernung von einer Reflex-Lichtschranke kann jeder Gegenstand als Reflektor dienen. Dann reagiert der Empfänger, sobald sich ein Gegenstand der Lichtschranke nähert.
Schreibe einige Anwendungen von Lichtschranken und ihre Aufgabe auf. Fotografiere eine Lichtschranke und erkläre, wie sie funktioniert.
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Händewaschen
Beschreibe die Bauteile, die in der Abbildung zu sehen sind, und auch ihre Funktionen.
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LDR
Stelle die Schaltung, wie im Bild gezeigt, zusammen.
Der Transistor ist ein npn-Transistor. Lege 6 V Gleichspannung an.
Setze dann links vom Transistor einen LDR-Baustein an der freien Stelle in den Basisstromkreis ein.
Die Glühlampe leuchtet nicht.
Beleuchte den LDR mit einer Taschenlampe (eventuell vom Mobiltelefon) und beobachte die Glühlampe.
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Summer
Stelle die Schaltung mit dem npn-Transistor nach dem Bild zusammen. Zwischen den Klemmen, die sich zwischen Basis und Emitter befinden, wird ein Stück Draht eingespannt. Im Basis-Kollektor-Stromkreis befindet sich ein Summer. Lege 6 V Gleichspannung an.
Trenne dann den Draht zwischen den Klemmen durch und beschreibe, was geschieht.
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Stromverstärkung
Stelle die Schaltung, wie im Bild gezeigt, zusammen. Ein Amperemeter befindet sich im Basisstromkreis, das zweite im Emitter-Kollektor-Stromkreis. Verwende einen großen Widerstand (z. B. 47 kΩ).
Lege 6 V Gleichspannung an und lies die beiden Amperemeter ab. Trage die Stromstärken in die Tabelle ein. Basiswiderstand 47 kΩ
Lege 6 V Gleichspannung an und lies die beiden Amperemeter ab. Trage die Stromstärken in die Tabelle ein. Basiswiderstand 10 kΩ
Hallsensor
Ein vielfältig anwendbarer Sensor ist der Hallsensor. Bringt man einen Magneten in die Nähe eines stromdurchflossenen Leiters oder Halbleiterplättchens, verändert sich der Stromfluss. Mit diesem sogenannten Halleffekt kann eine Vielzahl von Anwendungen umgesetzt werden, wie Sensoren zur Drehzahl- und Positionsbestimmung oder ein Sensor, der erkennt, ob der Sicherheitsgurt im Gurtschloss steckt.
Eine Anwendung findet der Hallsensor beim Fahrradtachometer.
Auf der Speiche ist ein Magnet montiert, der jedes Mal beim Passieren des an der Gabel montierten Sensors einen Kontakt schließt. Die Spannungsversorgung erfolgt durch die Batterie im Anzeigemodul des Tachometers, das auf der Lenkstange montiert ist. Auf diese Weise werden die Umdrehungen eines Rades gezählt und daraus wird die Geschwindigkeit berechnet.
Plane ein Experiment, das den Schaltvorgang beim Fahrradtachometer nachahmt.
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Lückentext
Merke
Elektronik - Zusammenfassung
Transistoren sind Bauteile aus Halbleitern. Transistoren dienen als Schalter, Verstärker und Datenspeicher. Sensoren messen physikalische Eigenschaften von bestimmten Objekten und lösen meist weitere Aktionen aus.
