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
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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.
... eine Eisenbahn darf nur über die Kreuzung
fahren, wenn
Schranke 1 UND Schranke 2 die Straße absperren
... 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.
... ein Aufzug kommt dann, wenn entweder der
Schalter auf der linken
Seite ODER der Schalter auf der rechten Seite
des Ganges gedrückt
wurde...
...
... Eine Alarmanlage soll ertönen, wenn NICHT
die richtige
Kombination eingegeben wurde....
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Das
Experimentiersystem und seine Komponenten
Mit 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 Eingabeeinheit
Zur 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
Verarbeitungseinheit
Wie 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 Ausgabeeinheit
Als 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.
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