- Ampelschaltung
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Unterrichtseinheit Elektronik - Steuern und Regeln

Inhalte

    • Autor
    • Vorbemerkungen
    • Bezug zu den Standards
    • Unterrichtsverlauf
    • Verwendete Materialien in der Übersicht

Autoren

Gert Förster, Justinus-Kerner-Gymnasium, Heilbronn, foerster-untergruppenbach@t-online.de

Vorbemerkungen

Als Zugang zu der Thematik bietet es sich an, die einzelnen Themen in den Rahmen einer für die Schüler attraktiven Fragestellung einzubetten. Die Einzelthemen vermitteln dann die Grundkenntnisse, die in ihrer Gesamtheit schließlich die Lösung der Fragestellung und den Bau eines entsprechenden Modells gestatten.

Mögliche Oberthemen:

Verkehrsregelung an einer Kreuzungmit Ampeln, Lichtschranken (anstelle von Induktionsschleifen), Anforderungsknöpfen für Fußgänger, Wartezeiten, Tonausgabe für Blinde, eigenem Ablaufprogramm
TemperaturregelungTemperaturfühler, Ventilator, Peltierelement
Bau eines Sensorfahrzeugsmit Sensoren für Helligkeit oder Berührung

Der Unterrichtsgang selbst geht vom Bau einer einfachen elektronischen Schaltung aus, dem "Lichtpfeifer", dessen Bauteile und Funktion erst anschließend erklärt werden. Dieses Vorgehen hilft, alle Schüler in der ersten Stunde aktiv werden zu lassen. Die Schüler bauen den Lichtpfeifer, bezahlen ihn und nehmen ihn mit nach Hause.
Nach der Erklärung von Transistorschaltungen und dem Kennenlernen des Kondensators setzen wir diesen im Bauprojekt "Blinkherz" ein ( 12 blinkende Leuchtdioden in Herzform angeordnet ). Es kann bei individueller Herstellung der Platine auch die Form eines Buchstabens, Pfeils oder eines anderen Symbols haben (s. Titelbild). Positive und negative Rückkopplung lassen sich gut am Operationsverstärker darstellen, den die Schüler experimentierend anhand von vier Arbeitsblättern kennenlernen. Dabei wäre es hilfreich, wenn ohmsche Widerstände und Spannungsteiler schon aus der Physik bekannt wären, was erst ab der 9. Klasse (G8) erwartet werden kann. Nach dieser Einführung sind viele Schüler in der Lage, aus käuflichen Elektronikbausätzen zu Hause fertige Schaltungen herzustellen und sie später ihren Mitschülern vorzustellen. Zum Steuern und Regeln mit dem Computer benutzen wir das Interface "CIUS", das fertig käufliche oder auch selbstgebaute Modelle ansteuern und abfragen kann. Ebenso denkbar sind z.B. Robotikbaukästen von Fischertechnik, LEGO oder qfix.
Für den Einsatz des Computers bei der Steuerung von Prozessabläufen verwenden wir die bisher schon an Haupt- und Realschulen eingesetzte computergesteuerte Fräsmaschine "KOSY", die den Schülern u.a. ermöglicht, Leiterplatten nach eigenen Ideen am Bildschirm zu entwerfen und in kurzer Zeit (4min) herstellen zu lassen. So tritt die Computersteuerung zweckgerichtet als Anwendung auf und wird nicht als gesonderter Unterrichtsinhalt empfunden. Natürlich entdecken die Schüler dabei im Menü rasch die reizvolle Möglichkeit, mit der Maschine auch Namensschilder, Spiele etc. herzustellen. Schilderrohmaterial dazu gibt es z.B. bei Externer http://www.gravograph.de.

Bezug zu den Standards

Prinzipien

a) Ursache und Wirkung

- Struktur - Funktionszusammenhang
- Lineare Kausalkette
- Positive und negative Rückkopplung
- Vernetzung

b) Systemgedanke

- Energie- und Informationsstrom
- Zusammenwirkung von Teilsystemen
- Steuerung und Regelung

Betrachtungsbereiche

a) Mensch

Die Schülerinnen und Schüler können einen Sinn des Menschen mit seiner technischen Entsprechung vergleichen (Z)

b) Technik

Die Schülerinnen und Schüler können Analogien zwischen technischen und natürlichen Systemen erkennen und beschreiben

Mess- und Arbeitsmethoden

Die Schülerinnen und Schüler können
- Messungen durchführen und die Ergebnisse grafisch darstellen
- Diagramme erstellen, auswerten und interpretieren
- Einfache elektronische Schaltungen bauen
- Computer als Werkzeug nutzen für die Steuerung und Regelung von Prozessabläufen

Unterrichtsverlauf

ZeitThemaInhaltMethoden und Materialien
3 hEinstieg:

Elektronische Schaltungen

Bauprojekt: Lichtpfeifer Schülerpraktikum;
Interner Link Bauplan Lichtpfeifer 1,
Interner Link Bauplan Lichtpfeifer 2,
Interner Link Knickplan Plexigehäuse,
Interner Link Bauteile,
Interner Link Ätzvorlage I
Interner Link KOSY-Platinenfräsdatei I 
( 12 KB, mit nccad7 nutzbar)
Fotos
Interner Link 1,
Interner Link 2,
Interner Link 3

4 h Bauteile Funktion der Bauteile:

Widerstand, Leuchtdiode, Transistor, Kondensator;

Aufnahme von Kennlinien

Unterrichtsgespräch,

Demonstrationsversuche,

Schülerpraktikum;
Interner Link Transistor ;
Interner Link Kondensator

7 h Steuern einer CNC-Maschine von

Prozessabläufen mit dem Computer

Bauprojekt Blinkherz:

Vorübung: CNC-Fräsen von Namensschildern/Spielen;

Platinenherstellung dazu mit KOSY

Zip-File"/  Material individuell am Computer - 984 KB Zip-File,
Selbstbau der Schaltung;
Interner Link Bauplan Blinkherz,
Interner Link Foto,
Interner Link Bauteile,
Interner Link Ätzvorlage II
Zip-File"/ KOSY-Platinenfräsdatei,II
(12 KB, mit nccad7 nutzbar )
8 hÜberschrift

Steuern und Regeln mit dem Operationsverstärker

Operationsverstärker, Spannungsteiler, Thermoschalter, Lichtschranke,
Gegenkopplung, Mitkopplung, Hysterese
Schülerpraktikum,
z.T. selbständige Erarbeitung anhand von Arbeitsblättern;
Interner Link Lehrerhinweise,
Interner Link Schülerhinweise,
Interner Link OP1,
Interner Link OP2,
Interner Link OP3,
Interner Link OP4,
Interner Link Foto Steckbrettaufbau

6 hSteuern und Regeln mit dem ComputerBeispiele:
Ampel, Fahrstuhl, Kreuzung, Temperatur- und Lichtregelungen,

Linienauto, Roboter ...

CIUS, Fischertechnik, LEGO, qfix, ...
Fotos:
Interner Link Ampel+CIUS,
Interner Link Linienauto,
Interner Link Temperaturregler

6 hSchülerprojekteBeispiele:
Lichtgalgen, Lügendetektor,
Pupille, Reglermodell,
Temperaturregelung ,
automatische Bewässerung,
Solarzellennachführung
Einzel- oder Gruppenarbeit;
Interner Link Bausätze,
Interner Link Bezugsquellen,
Anleitung
Interner Link Reglermodell,
Interner Link Literatur und Internet


Klassenarbeit
Interner Link Wdh1,
Interner Link Wdh2,
KA1
Zip-File"/ Zip-File 24 KB
KA2 Zip-File"/ Zip-File 20 KB


Verwendete Materialien in der Übersicht

Arbeitsmaterialien

Interner Link Bauplan Lichtpfeifer 1

Interner Link Bauplan Lichtpfeifer 2


Interner Link Kondensator Interner Link Transistor

Interner Link Bauplan Blinkherz Interner Link Lehrerhinweise

Interner Link Schülerhinweise Interner Link OP1

Interner Link OP2 Interner Link OP3

Interner Link OP4 Interner Link Bausätze

Interner Link BezugsquellenAnleitung
Interner Link Reglermodell

Interner Link Literatur und Internet Interner Link Wdh1,
Interner Link Wdh2,
Abbildungen Interner Link Plexigehäuse Interner Link Ätzvorlage I

Interner Link Foto Blinkherz

Interner Link Ätzvorlage II Interner Link Foto Steckbrettaufbau

Interner Link Ampel+CIUS

Interner Link Linienauto Interner Link Temperaturregler
Zip-Files Interner Link  Material Interner Link  Material </a> <img src= I

KA1
Zip-File"/ Zip-File 24 KB Material
KA2
Zip-File"/ Zip-File 20 KB Material
Interner Link KOSY-Platinenfräsdatei Material II
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