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<span class="iconify mr-1 svg-loading" data-icon="mdi:arrow-left"></span>===== Elektronik-Projekte===== Hier lernst du wichtige elektronische Bauteile wie Transistoren und LEDs kennen und wie du diese in elektronischen Schaltungen nutzen kannst. Du lernst ausserdem wichtige Feritigkeiten, die du brauchst, um Elektronikprojekte zum Laufen zu bringen: Diese sind: * Schaltungen zeichnnen. * Schaltungen auf Breadboars aufbauen, testen, verbessern. * Schaltungen auf Standard-Leiterplatten aufbauen; bestücken, verdrahten, löten. * Fehler in Schaltungen suchen, finden und beheben. * Mechanische Teile wie z.B. Gehäuse zeichnen und bearbeiten. * Geräte wie Lasercutter, Bohrmaschinen oder 3D-Drucker für die Herstellung oder Beaarbeitung mechanischer Teile nutzen. <nodisp2> HIDDEN – Verbessern für 2024: * SuS waren sehr langsam und haben kaum was von der Schaltung verstanden. Sie haben nach Anleitung gebastelt, einiges davon beachtet, anderes nicht, sicher viel Feritgkeiten kennengelernt, aber sich stets geweigert, aufgrund des Schemas ihr Schaltung zu bauen und zu kontorllieren (stattdessen immer ihre vorgebaute Schaltung auf Breadboard abgeschaut). * Folgende Änderungs-Ideen: * Übersetzung Schema-Breadboard besser üben. * Dann sicherstellen, dass nur noch das Schema der Lichtempfindlichen Lampe als Vorlage für Verdrahtung etc. dient. Und auch, dass diese Schaltung versetanden wird. Wenn nötig jede Woche wiederholden, bis jeder und jedem ganz klar, wie die Schaltung funktioniert. * Kürzere Anleitung, evtl. mit mehr Bildern und nur das Wichtigste. Teil mit dem Widerständen ausprobieren weglassen. Nur noch eine Variante: Alle parallel. * Evtl. LDR mit Fenster schon vorbereitet. * Evtl. mehr Zeitdurck: (Zwischen-)Meilensteine, die bis dann und dann erreicht sein müssen. * Ziel: Bis Ende November fertig, sodass Projekt Laterne noch vor Weihnachten abgeschlossen werden kann. Dann Arduino, dann eigenes Projekt. </nodisp> ==== Projekt 1 – Sternbildbox (eine lichtempfindliche Leuchtbox) ==== Wir beginnen mit einer einfachen Schaltung, die auf der bereits bekannten Spannungsteiler-Schaltung basiert. Diese wird dann Schritt für Schritt erweitert. Am Ende sollst du ein Box in der Hand haben, die du selbst gestaltet hast und die bei passender Dunkelheit leuchtet. {{:talit:electronics:pasted:20220922-100857.png?300}} \\ === Aufgabe A – Lichtempfindliche Lampe aus Spannungsteiler und unipolarem Transistor IRF610 (einzeln) === - Zeichne eine Schaltung **von Hand auf Papier** und zeige sie der Lehrperson: - Die 4-V-Spannungsquelle links führt nach rechts auf einen Spannungsteiler bestehend aus 10k-Poti und LDR **untereinander**. - Zwischen Poti und LDR gehts nach rechts weg: auf einen 100-Ω-Widerstand und von da zum Gate des Transistor (N-channel MOSFET). - Die Source (S) des Transistors ist mit GND (Minuspol der Spannungsquelle) verbunden. - Der Drain (D) des Transistors ist mit einer 4-V-Glühlampe verbunden; das andere Ende der Glühlampe geht zum Pluspol der Spannungsquelle. - Baue die Schaltung auf **Everycircuit** auf, starte die Simulation, stelle das Poti richtig ein und zeige die Simulation der Lehrperson. - Als Poti nimmst du einfach einen Widerstand, den du erstmal auf 7 kΩ einstellst. - Als LDR nimmst du einen Widerstand, den du erstmal auf 100 kΩ einstellst. - Als Transistor nimmst du einen N-channel MOSFET. - Setze den Parameter KP ganz hoch auf 100 mA/V². Dieser Wert gibt die Änderung der Leitfähgikeit zwischen Drain und Source in Abhängigkeit der Gate-Source-Spannung an. - Setze den Parameter VTO auf 2 V. Ab dieser Spannung wird der Transistor zwischen Drain und Source leitend. Wie schnell die Leitfähigkeit zunimmt, hängt von KP ab. - Die Spannungsquelle stellst du auf 5V, die Lampe auf 4V und 1.2 W. - Der LDR hat ca. 100 kΩ bei Dunkelheit und wenn es hell ist 5 kΩ oder weniger. === Aufgabe B – Breadboards kennenlernen === Mit Breadboards (engl. für Brotbrett) kannst du elektronische Schaltungen schnell aufbauen und testen. Die Bauteile und die Verbindungen können einfach hineingesteckt werden. Folgendes Bild zeigt, wie die Leitungen innerhalb eines Breadboards verlaufen: {{:ef_informatik:breeadboard_orig.png?400|}} * Die rot und blau markierten Leitungen verlaufen oben und unten horizontal. Sie werden üblicherweise für die **Spannungsversorgung** genutzt: <color #ed1c24>Rot = Pluspol der Spannungsquelle</color>; <color #00a2e8>Blau = Minuspol der Spannungsquelle</color>. * Die grün markierten Leitungen verlaufen vertikal und verbinden immer fünf Löcher miteinander. == B1 – Und-Schaltung == - Zeichne eine Schaltung aus Spannungsquelle, zwei Tasten und einer LED mit Widerstand, sodass die LED nur dann leuchtet, wenn beide Tasten gedrückt sind. - Baue diese Schaltung auf dem Breadboard auf und teste sie. - Verwende als Spannungsquelle ein USB-Breakout-Board. Verbinde GND mit den blauen Linien und 5V (oder VBUS bei USB-C) mit den roten Linien. - Tipp1: Die LED leitet (wie alle Dioden) nur in eine Richtung. Achte darauf, dass Pluspol (Anode) und Minuspol (Kathode) am richtigen Ort sind. - Tipp2: Platziere die Tasten über der Fuge in der Mitte. {{:talit:electronics:pasted:20230926-105022.png?300|}} {{:talit:electronics:pasted:20230926-104825.png?150|}} {{:talit:electronics:pasted:20230926-104919.png?150|}} == B2 – Oder-Schaltung == - Zeichne eine zweite Schaltung mit den gleichen Bauteilen, diesmal soll die LED leuchten, wenn die eine Taste, die andere oder beide gedrückt sind. - Baue auch diese Schaltung auf und teste, ob sie funktioniert. \\ === Aufgabe C – Lichtempfindliche Lampe aufbauen, testen und erweitern === - Baue deine Schaltung aus Aufgabe A auf dem Breadboard auf und teste sie. - Als Spannungsquelle verwendest du ein USB-Breakout-Board. - Verwende die bereitgestellten Bauteile. - Mit dem Poti kannst du die Empfindlichkeit einstellen. Teste evtl. in einem dunklen Raum. - Ersetze die Lampe durch eine LED mit Vorwiderstand (150 bis 330 Ω) und teste erneut. - Versuche nun, möglichst viele LEDs anzuschliessen (maximal 16), erweitere Schrittweise und teste immer wieder. Beachte Folgendes: - Du kannst LEDs in Reihe oder Parallel schalten, aber beachte: - Rote oder grüne LEDs benötigen ca. 2 V, damit sie schön leuchten, blaue und weisse ca. 2.3 bis 2.5 V. Siehe Diagramm unten. - Jeder parallele LED-Zweig sollte einen eigenen Widerstand haben. Er wird so gewählt, dass der Strom durch die LEDs auf ca. 10 bis 20 mA begrenzt ist. - Ergänze die Schaltung um einen Schalter, mit dem du die gesamte Schaltung ein- und ausschalten kannst. {{:talit:electronics:pasted:20230926-111448.png?300|}} === Aufgabe D – Sternbildbox zeichnen, Teil 1 === Für die Box verwenden wir den Lasercutter: Dieser schneidet die einzelnen Wände aus Sperrholz aus, sodass wir sie anschliessend zusammenstecken können. - Generiere auf [[https://www.festi.info/boxes.py]] eine SVG-Zeichnung für deine Box und speichere die SVG-Datei in einem Ordner für dieses Projekt. - Als Wandstärke (thickness) gibst du 4mm ein. - Bestimme Breite, Tiefe und Höhe der Box grosszügig: Du brauchst später ausreichend Platz für die Verdrahtung im Innern der Box! - [[https://www.festi.info/boxes.py/BasedBox?FingerJoint_angle=90.0&FingerJoint_style=rectangular&FingerJoint_surroundingspaces=2.0&FingerJoint_edge_width=1.0&FingerJoint_extra_length=0.0&FingerJoint_finger=2.0&FingerJoint_play=0.0&FingerJoint_space=2.0&FingerJoint_width=1.0&x=120&y=80&h=60&outside=0&thickness=4&format=svg&tabs=0.0&debug=0&labels=0&labels=1&reference=100&inner_corners=loop&burn=0.1&render=0|Dies sind die Einstellungen]] einer bereits gebauten Box. - Suche nach einem beliebigen Sternbild (zum Beispiel das deines Sternzeichens) und lade dieses ebenfalls in deinen Projektordner. - Installiere[[https://flux3dp.com/downloads/|Beam Studio]], die App für den Lasercutter. - In Beam Studio: Öffne die auf boxes.py erstellte SVG-Datei: - Ctrl + O, dann Option "Single Layer"/"Einzelne Schicht" wählen. - "Dissassemble"/"Zerlegen" klicken und bestätigen. - Lösche aus der bestehenden Zeichnung, was du nicht brauchst. Zum Beispiel die Texte. Evtl. musst du erst die Gruppierungen aufheben. - Nenne die aktuelle Ebene um, zum Beispiel in "Walls", und erstelle zwei neue Ebenen: Eine für die Ausschnitte ("Cutouts") und eine für die Lasergravur ("Engraving"). - Du kannst auch auf zusätzlichen Ebenen Bilder laden, die dir als Vorlage dienen und diese Ebenen für die Produktion ausblenden. - Speichere deine Datei als .beam. === Aufgabe E – Sternbildbox zeichnen, Teil 2 === Du hast nun eine beam-Studio-Datei mit mindestens drei Ebenen. Auf der Ebene "Walls" sind die Wände eingezeichnet. - Ordne die Ebenen wie folgt: Zuoberst die Gravur-Ebene, dann jene für die Ausschnitte, dann für die Wände. Der Grund: Der Lasercutter arbeitet die Ebenen von oben nach unten durch. Ein bereits ausgeschnittenes Stück fällt etwas nach unten und sollte danach nicht mehr graviert oder geschnitten werden. - Lade {{ :talit:electronics:sidewall-cutouts.svg?linkonly |}} mit Ausschnitten für Schalter etc. herunter und speichere sie in deinem Projektordner. - Wähle die Ebene für die Ausschnitte und lade die SVG-Datei über File->Open (Ctrl + O). - Platziere die vier Ausschnitte **an den richtigen Stellen**. Die Texte kannst du löschen oder auf eine andere Ebene verschieben. - Lade deine Sternbildgrafik über File->Open (Ctrl + O). **Tipp:** Erstelle zuerst eine neue Ebene und lade die Sternbildgrafik auf diese Ebene. - Platziere und skaliere die Sternbildgrafik auf dem Deckel der Box. - Erstelle auf der Ebene "Cutouts" kreisförmige Ausschnitte für die LEDs: Benutze die LED-Loch-Lehre, um die richtigen Durchmesser zu finden. Platziere die Kreise dort, wo die Sterne sind. - Wähle nun die Ebene "Engraving". Hier kannst du Linien, Texte oder Pixel-Bilder einfügen, die bloss eingraviert, nicht geschnitten werden sollen. - Speichere deine .beam-Datei. === Aufgabe F – Sternbildbox: Wände herstellen und vorbereiten=== Wenn deine Zeichnung fertig ist und die Lehrperson sie für gut (genug) befunden hat: - Lies zuerst das [[makerspace:lasercutter|Wiki zum Lasercutter]] von Anfang bis zum Schluss durch. - Gehe in den Makerspace und produziere die Zeichnung. - Wenn deine Wände fertig geschnitten und graviert sind: Baue sie vorsichtig zusammen und überprüfe, ob alles stimmt. - Falls nicht: Überarbeite deine Zeichnung sorgfältig: Beim nächsten Mal muss alles stimmen. - Falls schon: Baue die Wände wieder VORSICHTIG auseinander, damit du dann die elektronischen Buteile befestigen kannst. === Aufgabe G – Sternbildbox: Leiterplatte bestücken und löten === <nodisp2> ++++ HIDDEN Anpassen:| * Schema einfügen und Anleitung evtl. so anpassen, dass SuS ausgehend vom Schema Ihre Verdrahtung vornehmen – nicht ausgehend von Ihrem bestehenden Aufbau! * Evtl. Übersetzung Schema-Breadboard ausgiebiger üben. * Für Holzbox: evtl. Checkliste vor Start des Lasercutters durchgehen: Masse gesamt (Breite und Höhe), eingestellte Wandstärke, Layers und deren Einstellungen ++++ </nodisp> - Zähle die LEDs, du an der Deckplatte deiner Leuchtbox anbringen möchtest. - Löte folgende Bauteile auf deine Breadboard-Leiterplatte und verbinde sie korrekt: - Anschlusskabel für Speissung (Rot für Pluspol, Schwarz für Minuspol)\* - Anschlusskabel für Potentiometer und für LDR (je zwei, am besten zwei grüne für das Poti und zwei gelbe für den LDR)\* - Vorwiderstand für den Tranistor - Transistor IRF610 - Vorwidersände für die LEDs: - Falls du jeweils zwei LEDs in Reihe schaltest, brauchst pro LED-Paar einen Vorwiderstand; falls du alle LEDs parallel schaltest, brauchst du für jede LED einen Vorwidertand. - Um die richtigen Vorwiderstand zu finden, testest du mit deiner Schaltung auf dem Bread-Board und den richtigen LEDs: LEDs unterschiedlicher Farben und Durchmesser haben unterschiedliche Durchlassspannungen und -Ströme. Deshalb solltest du für jede LED bzw. jedes LED-Paar den richtigen Vorwiderstand finden. Beginne mit 150 Ω und passe entsprechend an, um die LED heller oder weniger hell leuchten zu lassen. - Buchsenleiste, damit du die Kabel zu den LEDs ein- und ausstecken kannst. (Anzahl Pins = Anzahl Vorwiderstände + 1): Von jedem Vorwiderstand soll später ein Kabel zum Pluspol einer LED gehen. Ein zusätzliches (graues oder blaues) Kabel verbindet den Drain des Transistors mit den Minuspolen aller LEDs (bzw. aller LED-Paare). - **Baue nun dein Breadboard zurück**: Entferne alle Bauteile und Kabel und sortiere sie korrekt in die Bauteilsammlungen ein. * Achtung: Kabel, aka //Litzen//, müssen für das Löten **IMMER** vorbereitet werden. Das geht so: - Ende(n) **abisolieren**: 2-3 mm. - Kupfer-Adern **verdrillen**: Zwischen Daumen und Zeigefinger festhalten und drehen, bis alle Adern wie bei einem Seilbahn-Drahtseil schön ineinander verdreht sind. - Verdrilltes Adern **verzinnen**: Lötzinn so zurechtbiegen, dass es von der Arbeitsfläche 5-10 cm nach oben schaut. Die Lötspitze ans Ende des Lötzinns führen, dann dem Lötzinn langsam nach unten folgen, sodass sich an der Unterseite der Lötspitze ein Tropfen flüssigen Lötzinns bildet. Das abisolierte, verdrillte Ende der Litze rasch durch diesen Lötzinn-Tropfen ziehen. === Aufgabe H – Deckplatte vorbereiten === - Bringe alle LEDs an der Deckplatte an. Evtl. musst du sie mit Heissleim befestigen. - Achte darauf, dass du alle LEDs möglichst gleich ausrichtest, sodass die Anoden (Pluspol, längerer Anschluss) aller LEDs in //eine// Richtung schauen. - Biege mit einer kleinen Flachzange die Kathoden (Minuspol, kürzerer Anschluss) der LEDs so um, dass sie korrekt miteinander verbunden sind – so entsteht ein Kathoden-Netzwerk: - Falls jeweils zwei LEDs in Reihe sind: Jeweils die Kathode der ersten mit der Anode der nächsten verbinden. Dann die Kathoden jeder zweiten LED miteinander verbinden. - Falls alle LEDs parallel sind: Alle Kathoden miteinander verbinden. - Löte alle Verbindungsstellen zusammen. - Verwende ein Flachbandkabel mit so vielen Litzen, wie du Anschlüsse brauchst (Anzahl Vorwidersände + 1): Schneide es **ausreichend lang** ab: so dass eine Verbindung von der Leiterplatte zur "hintersten" LED den Wänden entlang möglich ist. Lieber zu lange als zu kurz! - Bereite alle Enden des Flachbandkabels vor: 2-3 mm abisolieren, verdrillen, verzinnen. - Löte an einem Ende deines Kathoden-Netzwerks die äusserste Litze des Flachbandkabels an: Diese wird später mit dem Drain-Anschluss des Transistors verbunden. - Kürze die verbleibenden Anoden der LEDs auf ca. 5 mm und verzinne die nun kurzen Anschlüsse. - Löte die restlichen Kabel des Flachbandkabels an den Anoden an. Achte auf die richtige Reihenfolge, falls du unterschiedliche Vorwiderstände verwendest. - Löte die anderen Enden des Flachbandkabels an eine Stiftleiste an, sodass die Anschlüsse mit der Buchsenleiste auf deiner Leiterplatte übereinstimmen. Verzinne erst jeden Pin der Stiftleiste. === Aufgabe J – Sternbildbox verdrahten === - Befestige den USB-C- oder Micro-USB-Anschluss (auf einem kleinen Sperrholzzuschnitt mit Leim und Holzschrauben) an der richtigen Stelle. - Befestige das Potentiometer: Neben dem kreisrunden Ausschnitt wird ein Sackloch für die sichere Befestigung benötigt. Bohre dieses Loch vorsichtig, nutze den Anschlag der Bohrmaschine, damit du nicht zu tief bohrst. - Löte den LDR auf einen passenden Plexiglaszuschnitt mit Sekundenkleber. Wenn die Verbindung hält, platzierst du das Plexiglas in der Seitenwand. - Befesitge den Schalter an der richten Stelle mittels passender Schrauben und Muttern. - Befestige die Leiterplatte auf der Grundplatte deiner Leuchtbox. Verwende Holzschrauben und Distanzhülsen. - Stecke Wände und Grundplatte zusammen. Verwende Weissleim für besseren Halt. - Ziehe die letzten Verbindungen und löte sie fest: - Vom USB-Anschluss-GND zum GND der Leiterplatte. - Vom USB-Anschluss-Pluspol zum Schalter, von da zum Pluspol der Leiterplatte - Löte die richtigen Litze am Potentiometer an: Eine Litze wird mit einem Anschluss, die andere mit den beiden anderen Anschlüssen des verbunden. - Stülpe Schrumpfschläuche über die Litzen für den LDR, löte die Litzen fest, führe die Schrumpfschläuche über die Lötstellen und schrumpfe sie fest. - Stecke die Stiftleiste von den LEDs in die passende Buchsenleiste. === Aufgabe K – Sternbildbox testen und zusammenbauen === - Schliesse ein USB-Netzgerät mit geeignetem Kabel an und teste, ob alles funktioniert. - Falls ja: Fasse evtl Kabel mit Kabelbindern zusammen und stelle deine Box fertig. - Falls nein: suche den oder die Fehler; gehe dabei möglichst systematisch vor (Ausschlussverfahren).