Elektronik Experimente

Gleich zu Anfang ein Hinweis: der Betrieb eines Senders, unabhängig seiner Bauart, ist außerhalb einer Amateurfunkt Lizenz generell Illegal! Das heißt, jeder der einen Sender baut und diesen unerlaubt in Betrieb setzt, muss sich bewusst sein, das dies mit einer hohen Geldstrafe geahndet werden kann. Lediglich der Aufbau, Besitz und/oder das Wissen, wie ein Sender funktioniert, ist nicht verboten. Weitere Hinweise zu diesem Thema lassen sich leicht im World Wide Web und auf der Seite der Bundesnetzagentur finden.

Als Vorlage zur Demonstration des Aufbaus diente mir die Anleitung auf der Seite von mosfetkiller.de. Interessant im Zusammenhang dieser Schaltung, ist die Verwendung eines Colpitts-Oszillators, wie er auch in der Einführung zur Elektronik des Experimentierkasten EE2003 erläutert wird. Mit ihm wird die Trägerfrequenz erzeugt, die zum Aussenden und Empfangen von modulierten Signale notwendig sind. Das Eingangssignal selbst (z.B. eingesteuert über einen MP3-Player/Smartphone), wird der Basis des Transitors zugeführt und dadurch frequenzmoduliert, der Trägerfrequenz des Oszillator aufgeprägt.

Hinweise zum Aufbau: Im obigen Bild ist der Sender mit der roten Mittelwellen-Spule aus den Philips Experimentierkästen dargestellt. Für die UKW Frequenz muss die rote Spule durch eine selbst gewickelte Spule ersetzt und die Kondensatoren des Colpitts-Oszillators mit entsprechenden Werte bestückt werden.

UKW-Radio - Kombination zweier Schaltungen

Für dieses UKW-Radio wurden zwei verschiedene Schaltungen aus den Anleitungsbüchern miteinander kombiniert. Der Empfänger stammt aus der UKW-Radioschaltung 4.6.1 des Experimentierkasten EE2010 und wurde bis einschließlich des Koppelkondensator C7 in die neue Schaltung übernommen. Die Empfängerschaltung selbst, besteht aus einem Pendelaudion, deren Empfangsfrequenz mit einem Potentiometer in Kombination mit einer Kapazitätsdiode verändert werden kann. Zur Erzeugung der Pendelschwingung wird ein Hartley-Oszillator eingesetzt, dessen langsamen Schwingungen mit der Empfangsfrequenz überlagert wird. In der Originalschaltung gibt es allerdings Probleme beim Schwingeinsatz des Oszillators. Durch Weglassen des Kondensators C3 (10 pF) kann dieses Problem einfach behoben werden. Das Pendelaudion eignet sich neben dem Empfang von amplitudenmodulierten Sendesignalen (z.B. Kurzwellen-Rundfunk), auch für die Demodulation frequenzmodulierter Signale, die beispielsweise im UKW-Sendebereich ihre Anwendung findet.

Die Verstärkerschaltung wiederum wurde aus den Experimentierkästen der ABC-Serie entnommen. Das Experiment 36 des Anleitungsbuches, beschreibt eine einfache Verstärkerschaltung mit dem integrierten Baustein TBA820. Dieser Baustein enthält bereits einen kompletten Niederfrequenz-Verstärker und eignet sich auch bei schwachen Signalen für eine gute Zimmerlautstärke.

Elektronisches Thermostat

Der Schmitt-Trigger in der Regelungstechnik

Diese Schaltung besteht in groben Zügen aus dem Schmitt-Trigger, wie im Experimentierkasten EE2003 beschrieben, sowie einen vorgeschalteten Transistor und stellt gleichzeitig ein einfaches Beispiel für den Meß- und Regelkreis dar. Bei einem Regelkreis handelt es sich um ein geschlossenes System bzw. um einen Prozess, bei dem abweichende Resultate (Abweichung vom Sollwert), vom System selbsttätig korrigiert werden.

Bei der Schaltung des Schmitt-Triggers als Thermostat, kommen diesen gleich zwei Aufgaben zu. Zum einen vergleicht der Schmitt-Trigger eingangsseitig den eingestellten Sollwert mit dem Meßergebnis, zum Anderem kann er ausgangsseitig einen Verbraucher zur Regulierung der Heizung schalten. (Sollte mit dieser Beispiel Schaltung tatsächlich ein Verbraucher gesteuert werden, muß dem Ausgang des Schmitt-Triggers ein leistungsfähiger Schalttransistor nachgeschalten werden.)

Der vorgeschalteten Transistor wird an seiner Basis über einen Spannungsteiler, bestehend aus einem Potentiometer und einem NTC (temperaturabhängiger Widerstand) angesteuert. Mit dem Potentiometer wird der Sollwert (Temperatur) eingestellt während dessen als Temperaturfühler der NTC als Messeinheit dient. Steigt die Temperatur, so nimmt der Widerstandswert des NTC ab und die Basisspannung des Transistor-Verstärkers wird negativer. Dadurch steigt die Spannung an seinem Kollektor, wodurch die obere Schwellspannung des Schmitt-Triggers erreicht wird und die LED (oder Lampe) erlischt. Dies entspricht dem Ausschalten der Heizung. Sinkt die Temperatur unter den Sollwert und wird dadurch der untere Schwellwert der Schaltung erreicht, so fängt die LED wieder an zu leuchten. Mit dem eingangsseitig vorgeschalteten Transistor wird das Meßergebnis dem Eingang des Schmitt-Triggers invertiert zur Verfügung gestellt. Durch diese Umkehr des Schaltsignals (Schwellspannung) entsteht ausgangsseitig betrachtet, eine nicht-invertierende Schmitt-Trigger Schaltung.

Das Anleitungsbuch mit weiteren Informationen zur Schaltung (Verdrahtungsplan, Schaltplan etc.), kann auf der Webseite von Norbert Schneider als PDF Datei herunterladen werden.

Hinweise zum Aufbau: Abweichend von der Beschreibung im Anleitungsbuch wurden statt des 10 kΩ Potentiometers und dem NTC mit 130 Ω, ein Trimmpoti mit 47 kΩ und ein NTC mit 1,5 kΩ verwendet. Somit kann diese Schaltung beim Austausch des NTC durch einen LDR (lichtempfindlicher Widerstand) auch als Dämmerungsschalter verwendet werden.

Pulsweitenmodulation zur Helligkeitssteuerung

Die Astabile Kippstufe als regelbare Stromquelle

Ein einfaches Experiment zur Helligkeitssteuerung kann mit der Astabilen Kippstufe durchgeführt werden. Allerdings läßt sich mit dem MultiFlop nur eine Mischung aus einer Pulsweiten- und Frequenzmodulation realisieren, was aber zur Stromsteuerung bzw. Dimmung einer Lampe ausreichend ist. Bei einer reinen Pulsweitenmodulation bleibt die Impulsfrequenz gleich und die Pulsbreite kann variiert werden (siehe Bild). Mit der Astabilen Kippstufe realisiert, ist die Pulsbreite fest eingestellt und die Frequenz regelbar. In der Regel werden die Bauteile für die Zeitkonstante (Widerstände und Kondensatoren) der Astabilen Kippstufe mit gleichen Werten (symetrisch) bestückt, wodurch ein Rechtecksignal mit einem Tastverhältnis von 1 : 1 entsteht. Ein einfaches Beispiel dafür ist eine Blinklichtschaltung, bei der die Leuchtdauer und die Blinkpause gleich lang sind. Um das Tastverhältnis zu ändern, wird die Schaltung unsymetrisch dimensioniert. Die Zeitkonstande für das Aufleuchten der Lampe wird dabei kleiner konzipiert als die der Blinkpause. Zur Regelung der Blinkpause kann die Zeitkonstante über ein Potentiometer eingestellt werden.

Die unten im Bild abgebildete Schaltung, entstammt dem Experimentierkasten EE2003 (Seite 128). Wird bei der Originalschaltung, dem Kondensator C2 ein Elektrolytkondensator mit 4,7 μF und dem Kondensator C1 ein Elektrolytkondensator mit 10 μF parallel geschalten, kann die Änderung der Zeitkonstante durch Regelung am Potentiometer sichtbar gemacht werden. Die Blinkdauer ist unabhängig der Poti-Einstellung gleich lang. Nur die Blinkpause kann vergrößert oder verkleinert werden. Wird mit einem Multimeter die Spannung am Lämpchen gemessen, kann man feststellen, das durch die Regelung des Lampenstroms, auch die Höhe der Spannung beeinflußt wird. Die einstellbare Spannung selbst, ist vom Lastwiderstand abhängig. Diese Schaltung eignet sich nicht als Spannungsquelle für digitale Schaltungen oder Schaltungen mit hohen Lastströmen.

Der Verdrahtungsplan für den Helligkeitsregler kann über die Seite von Norbert Schneider als PDF-Datei herunter geladen werden.

Gleichspannungswandler

Ein Spannungswandler für Gleichstrom, auch bekannt unter dem Begriff DC-DC-Wandler, ist eine elektronische Schaltung, mit der die eingangsseitig zugeführte Gleichspannung, in eine andere Gleichspannung mit einem höheren oder niedrigeren Wert und/oder umgekehrten Polarität umgewandelt werden kann. Dieses Experiment ist aus der späteren ABC-Serie entnommen, kann aber mit zwei zusätzlichen Silizium-Dioden (z.B. BA218 aus dem Ergänzungskasten EE2006), ebenso im Rahmen des Baukastens EE2003 durchgeführt werden.

Diese Beispiel-Schaltung besteht im Wesentlichen aus zwei Elementen: einer Astabilen Kippstufe und dem eigentlichen Wandler, der in dieser Bauweise (obiges Bild) auch als Ladungspumpe bezeichnet wird. Da die erzeugte Gleichspannung später auch stufenlos einstellbar sein soll, kann die vorherige Schaltung zur Pulsweitenmodulation, als Kippstufe verwendet werden.

Der Gleichspannungswandler in diesen Experiment wandelt die vom Multivibrator erzeugte Rechteck-Spannung in eine regelbare negative Gleichspannung mit niedrigeren Wert (ca. -0,25V bis -3,5V) um. Im Einzelnen besteht diese Schaltung aus einer Einweggleichrichtung (C3 und D1) und der nachgeschalteten Diode mit Kondensator (D2 und C4). Solange der Transistor am Ausgang der Kippstufe nicht schaltet, wird der Kondensator C3 (obiges Bild) über den Kollektor-Widerstand des Transistors positiv aufgeladen. Schaltet nun der Transistor durch so entläd sich der Kondensator negativ über die Diode D2. An ihren Ausgang liegt nun eine negative Spannung, wodurch der Kondensator C4 an diesem Pol ebenfalls negativ aufgeladen wird. Liegt nun ein Verbraucher parallel zum Kondensator C4, kann sich der Kondensator C4 entladen. An seinem Minuspol liegt eine negative und an seinem Pluspol eine positive Spannung an. Die Höhe der Spannung ist abhängig von der Pulsbreite des Multivibrators.

Der im obigen Bild gezeigte Wandler, wird mit dem Pluspol des Kondensators C3, an den Kollektor des Ausgangs-Transistors angekoppelt. Die Kathode der Diode D1 verbindet man mit dem Minuspol der Schaltung. Am Ausgang der Schaltung, lässt sich nun eine in der Polarität umgekehrte regelbare Spannung entnehmen.

Spannungsregler

Die Betriebsspannung stabilisieren bzw. auf einen festen Wert einstellen

Für viele Schaltungen wird eine in der Höhe bestimmte und stabile Betriebsspannung benötigt, die unabhängig der Eingangsspannung ist. Die meisten Schaltungen aus den Philips Experimentierkästen können problemlos mit einer 9 V Blockbatterie betrieben werden. Eine Ausnahme bildet hierbei der Experimentierkasten EE2015 - Digitaltechnik. Die dort verwendeten integrierten Schaltkreise werden in der Regel, mit einer Versorgungsspannung von 5 V (max 5,5 V) betrieben. Mit einem Festspannungsregler aus der 78er Reihe, kann ohne großen Schaltungsaufwand, die Blockbatterie-Spannung von 9 V auf 5 V geregelt werden. Wie nun so eine Schaltung mit Festspannungsregler funktioniert und aufgebaut werden kann, ist auf der Seite von Michael Floessel, einfach und recht anschaulich beschrieben.

Hinweise zum Aufbau: Der im Bild verwendete Festspannungsregler (LM7806) verfügt über eine Ausgangsspannung von 6 V. Bei viele integrierte Schaltkreise (Logikgatter, Zählerbausteine, Mikrocontroller etc.) beträgt jedoch die maximal zulässige Versorgungsspannung 5,5 V. Am Pluspol des Spannungsreglers ist deshalb ausgangsseitig eine Diode in Reihe geschalten. An ihr fällt eine Spannung von ca. 0,7 V ab, so das die Versorgungsspannung auf ca. 5,3 V geregelt wird. Allerdings ist bei der Diode darauf zu achten, das diese den von der nachfolgenden Schaltung benötigten Strom verträgt.

Konstantstromquelle

Den Strom unabhängig von der Betriebsspannung einstellen

Für viele elektronische Schaltungen wird in der Regel eine konstante Betriebsspannung, z.B. von einem Netzgerät oder einer Batterie benötigt. Der notwendige Strom zum Betrieb der Schaltung, wird in diesem Fall von der Schaltung selbst bestimmt. Allerdings gibt es auch Schaltungen, bei denen Bauteile oder Verbraucher mit einem bestimmten Strom betrieben werden müssen. Unter anderem ist dies der Fall, wenn die Bauteile bei Schwankungen der Betriebsspannung, durch einen zu großen Strom zerstört werden könnten.

Diese Schaltung stammt aus der späteren ABC-Serie (Experiment 167) und kann mit zwei zusätzlichen Silizium-Dioden (z.B. BA218 aus dem Ergänzungskasten EE2006) und einer LED, ebenso im Rahmen des Baukastens EE2003 durchgeführt werden. Der eigentlichen Konstantstromquelle ist noch ein Transitor in Emitterschaltung vorgeschalten, welcher über ein Potentiometer angesteuert, eine regelbare Spannungsquelle darstellt. Wird nun der Schleifer des Potentiometers in Richtung Pluspol gedreht und somit die Spannung an der Konstantstromquelle erhöht, leuchtet die LED bis zu einem bestimmten Punkt immer heller. Weitere Spannungserhöhungen über diesen Punkt hinaus, bewirken allerdings keine Erhöhung des Stromflusses sowie Zunahme der Helligkeit an der LED mehr. Die Stromstärke hat ab diesen Punkt, ihre feste und konstante Größe erreicht.

Die maximale Stromstärke wird vom Emitterwiderstand der Schaltung bestimmt. Dazu muss an ihm eine bestimmte und vor allem konstante Spannung anliegen. Dies erfolgt durch die Ansteuerung des Transistors über den Spannungsteiler R1 sowie der beiden Dioden (D1 u. D2). An den beiden Dioden fällt auch bei Erhöhung der Eingangsspannung nur eine maximale Spannung (ca. 1,4 V) ab. Der Transistor wird dabei mit ausreichender Steuerspannung versorgt, und schaltet durch. Da die Spannungsverstärkung im Kollektorkreis eines Transistors immer kleiner eins ausfällt und an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors gleichzeitig eine Spannung von ca. 0,7 V abfällt, bleibt von der Steuerspannung (ca. 1,4 V) nur eine Restspannung ca. 0,7 V für den Emitterwiderstand übrig. Das Verhältnis von Emitterspannung und Emitterwiderstand bestimmen damit die maximale Stromstärke der Konstantstromquelle.

Gegentaktverstärker

Verstärker mit zwei komplementären Transistoren

Die Idee zu diesem Experiment stammt aus der Beschreibung zum NF-Gegentaktverstärker einer anderen Webseite. Auf die Elektroniker Seite.de werden sowohl die benötigten Bauteile als auch der Schaltplan aufgezeigt. Daneben gibt es noch eine interessante Beschreibung, wie diese Gegentakt-Endstufe funktioniert. Zur Realisierung der Schaltung, wird in Bezug auf den Experimentierkasten EE2003, zusätzlich mindestens ein PNP Transistor (BC 558), zwei einfache Silizium-Dioden (z.B. BA218 aus dem Ergänzungskasten EE2006) und ein weiterer Elektrolyt-Kondensator (470 μF) benötigt. Die beiden Komplementär-Transistoren habe ich dabei auf ehemals defekte Originalplatinen montiert. Diese einfache Schaltung erzeugt eine Ausgangsleistung von ca. 0,5 W. Versuchsweise habe ich diese kleine Endstufe an eine 120 W HiFi-Lautsprecherbox angeschlossen. Die vom Verstärker erzeugte Leistung (das hat mich absolut überrascht), reicht in dieser Kombination für mehr als einfache Zimmerlautstärke.

Für die beiden Komplementär-Transistoren (BC 548 u. BC 558) kann ersatzweise auch der blaue und weiße Transistor aus den Philips Experimentierkästen verwendet werden. Komplementär sind diese beiden Transistoren allerding nur, wenn der blaue PNP Transistor dem Typ BC308 und der weiße NPN Transistor dem Typ BC238 entspricht. Vorsicht mit dem blauen Transistor des Typs BC158 - dieser könnte bei Verwendung in dieser Schaltung eventuell zerstört werden.

Verstärker mit Klangregelung

Gegentaktverstärker mit vorgeschaltetem Klangregler

Der Aufbau des Klangregel-Netzwerkes ist aus der Verstärkerschaltung 1.05 des Erweiterungskastens EE2004, bis einschließlich des Elektrolyt-Kondensators C6 entnommen und kann experimentell auch dem oben beschriebenen Gegentaktverstärker vorgeschalten werden. Die Schaltung selbst, besteht im Wesentlichen aus einem Widerstandsnetzwerk, das die Bässe anhebt, sowie einem RC-Netzwerk, bei dem die Klangfarbe bzw. die hohen Töne mittelts eines Potentiometers eingestellt werden können. Den Keramik-Kondensator C5 habe ich zu Testzwecken auch mal durch einen Wert mit 1.000 pF (statt 10.000 pF) ersetzt. Die Regelung der Höhen klingt, zumindest für meine Ohren, mit dieser Änderung im tieferen Bereich etwas klarer.

Das Anleitungsbuch mit weiteren Informationen zur Schaltung (Verdrahtungsplan, Schaltplan etc.), kann auf der Webseite von Norbert Schneider als PDF Datei herunterladen werden.