Zurück zum Menü 12 12.1.3 BEMAs Experimentiersystem Erstellt am 01.06.2011 ----- © BEMA |
Hallo zusammen, hier möchte ich ein Projekt vorstellen, das ich als Techniklehrer mit Schülern realisiert habe. Die erstellte Schaltung soll dazu dienen, die Funktionen elektronischer Bauteile für Schüler nachvollziehbar zu machen. bema ---------------------------------------------------------------
Digitaltechnische
Anwendungen
sind wesentlicher Bestandteil aller industriellen
Bereiche und
prägen und erleichtern auch mehr oder weniger
unmittelbar das
Leben der Menschen.
Was aber passiert eigentlich bei der Digitatechnik? Und was sind diese kleinen schwarzen Chips? Antworten darauf gibt das Digitaltechnik-Experimentiersystem, das von Schülern einer 8. Klasse mitentwickelt und hergestellt wurde. Es strotzt nicht gerade vor Ästhetik und Perfektion, macht aber digitaltechnische Schaltungen und die Funktionsweise von IC´s leicht nachvollziehbar. Die Idee für dieses Experimentiersystem bekam ich durch das Buch "Einführung in die Digitalelektronik 1", welches von Jean Pütz herausgegeben wurde. Hierin wird ein ähnliches Experimentiersystem vorgestellt. Das folgende Bild gibt einen ersten Eindruck von dem System: Zu sehen ist eine "A (NICHT) ODER B" - Schaltung. Die LED leuchtet, wenn Schalter A nicht betätigt ist oder wenn Schalter B betätigt ist. Fangen wir aber vorne an: Was ist Digitaltechnik? Es erscheint immer wieder rätselhaft, aber tatsächlich können Computer nur zwischen zwei Zuständen unterscheiden: Ob Strom vorhanden ist oder nicht. Es gibt also nur diese zwei Zustände, die oft als "0" (kein Strom) und "1" (Strom vorhanden) bezeichnet werden. Der Computer kann aber noch etwas mehr: Er kann die Nullen und Einsen miteinander verknüpfen und dann ein Ergebnis ausgeben. Es gibt im Prinzip nur drei Möglichkeiten für diese Verknüpfungen, sie lauten "UND", "ODER", "NICHT". Die folgenden Beispiele sollen dir einen kleinen Eindruck davon geben, wie elektronische "Entscheidungen" mittels Verknüpfungen von Nullen und EINSEN zustande kommen.
... an einer Sschneidemaschine darf das Messer nur dann ausfahren, wenn der Bediener Schalter 1 UND Schalter 2 gedrückt hält Hier werden also jeweils 2 Eingänge mit einem UND-Glied verknüpft, davon abhängig ist der Ausgang, also die auszuführende Aktion.
...
------------------------------------------------------------------------------ Das Experimentiersystem und seine KomponentenMit dem Experimentiersystem kannst du ebenfalls Informationen eingeben, verarbeiten und wieder ausgeben lassen.An Rechenanlagen und Computern gibt es die folgenden Einheiten: - die EINGABE (bei Computern z.B. per Tastatur, an Kaufhaus-Kassen per Strichcode-Scanner, usw.) - die VERARBEITUNG (z.B. der eigentliche Computerprozesser) - die AUSGABE (z.B. per Monitor, Drucker, usw.) Die EingabeeinheitZur Eingabe von
Daten in unser
Experimentiersystem haben wir Schiebeschalter
gewählt, weil
dadurch sehr leicht nachvollziehbar binäre
Signale eingegeben
werden können (Schalter aus (="0") oder Schalter
an (="1").
Die Eingabeeinheit besitzt vier Schalter. Dies erlaubt allein 2 hoch 4, also 16 verschiedene Schalterstellungen. Die vier Schalter wurden mit A,B,C und D gekennzeichnet. Damit wir optisch gut erkennen können, in welchem Zustand sich unsere Eingabeschalter befinden, haben wir hinter die Schalter Leuchtdioden geschaltet: Wird der Schalter auf "an" gestellt, so dass Strom fließen kann, so signalisiert die LED durch Leuchten diesen "1"-Wert. An den Lötnägeln rechts neben den LEDs liegt dann ebenfalls Strom an. Auf dem Bild seht ihr, dass Schalter A und B eingeschaltet wurden. Die
Stromversorgung kann
über eine 4,5V Flachbatterie erfolgen. Ich
finde einen
Transformator allerdings wesentlich
praktikabler. Der Strom
fließt über die Bananenstecker über
Kupferleitbahnen,
die in die Schlitze der Holzhalterung
eingeklebt wurden. Auf den
Rückseiten der Eingabe-, Verarbeitungs- und
Ausgabeeinheiten sind
ebenfalls Kupferleitbahnen angebracht. Durch
bloßes
Hineinschieben der Einheiten in die
Halterung werden diese direkt mit
Strom versorgt.
Durch diese Art der Stromversorgung erspart man sich eine Menge Anschlussdrähte, denn jede einzelne Einheit muss mit Strom versorgt werden. Dies würde würde sehr viele verschiedene Leitungen erfordern, die beim Experimentieren nur zu verwirrendem Kabelgewirr führen würden. Die VerarbeitungseinheitWie der Name schon sagt, werden in dieser Einheit die eingegebenen Informationen verarbeitet.In den letzten Jahrzehnten wurden technische Bauteile immer kleiner und leistungsfähiger. Für Endverbraucher ist dies sehr nützlich und schön (Handys, Mp3-Player,...) allerdings wird es immer schwieriger zu verstehen, wie die Geräte, die wir täglich nutzen, funktionieren. Daten werden unter anderem in sogenannten Mikrochips, den sogenannten ICs verarbeitet. Sie sind klein und lassen uns durch ihr bloßes Aussehen nicht unmittelbar erkennen, wie sie funktionieren. Genauere Informationen zu den verwendeten ICs findest du hier: http://de.wikipedia.org/wiki/Integrierter_Schaltkreis und hier: http://de.wikipedia.org/wiki/Transistor-Transistor-Logik Um die
Funktionsweise von
diesen Mikrochips besser zu verstehen,
haben wir sie
"größer" gemacht: Jeder unserer ICs hat
14 Anschlussbeine,
die sehr nah beieinander liegen. Diese
Anschlussbeine haben wir
"entzerrt", in dem wir Lötnägel in der
Original-Anordnung auf
große Platinen gelötet haben. Den IC
kann man in einen
Sockel in der Mitte der Platine stecken.
Die Anschlüsse im Sockel
wurden mit den jeweiligen Lötnägeln
verbunden: Das obere
linke Anschlussbein des ICs entspricht
damit dem oberen linken
Lötnagel auf unserer Platine usw.
Da die Größe der ICs genormt ist, können wir ICs mit verschiedenen Funtionen auf den Sockel stecken. Die Typbezeichnung auf dem IC gibt Aufschluss über Funktionsweise des ICs. So enthält ein IC mit der Bezeichnung "74HC08" zum Beispiel vier "UND-Glieder". Jedes dieser UND-Glieder hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Die jeweiligen Funktionen der ICs haben wir auf Pappschablonen gezeichnet. So können wir auf einen Blick erkennen, was der IC bewirkt und welcher Anschluss wie beschaltet werden muss. Wir haben je eine Schablone für einen IC mit "UND", "ODER" und " NICHT"-Funktion erstellt. Die AusgabeeinheitAls Ausgabeeinheit dient in unserem Fall eine 4fache LED-Anzeige. Die LEDs wurden mit den Bezeichnungen Z1 bis Z4 beschriftet. Die drei Einheiten können nun aneinandergeschaltet werden und digitaltechnische aufgabenstellungen aufgebaut werden. Es können auch 2 Verarbeitungseinheiten miteinander kombiniert werden, siehe erstes Bild auf dieser Seite. Liebe Grüße, BEMA
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