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:

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 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

Zeit	Thema	Inhalt	Methoden und Materialien
3 h	Einstieg: Elektronische Schaltungen	Bauprojekt: Lichtpfeifer	Schülerpraktikum; Bauplan Lichtpfeifer 1, Bauplan Lichtpfeifer 2, Knickplan Plexigehäuse,  Bauteile,  Ätzvorlage I, KOSY-Platinenfräsdatei I ( 12 KB, mit nccad7 nutzbar) Fotos 1, 2, 3
4 h	Bauteile	Funktion der Bauteile: Widerstand, Leuchtdiode, Transistor, Kondensator; Aufnahme von Kennlinien	Unterrichtsgespräch, Demonstrationsversuche, Schülerpraktikum; Transistor ; Kondensator
7 h	Steuern einer CNC-Maschine von Prozessabläufen mit dem Computer	Bauprojekt Blinkherz: Vorübung: CNC-Fräsen von Namensschildern/Spielen; Platinenherstellung dazu mit KOSY	Platinenentwurf individuell am Computer - 984 KB Zip-File, Selbstbau der Schaltung; Bauplan Blinkherz, Foto, Bauteile, Ätzvorlage II KOSY-Platinenfräsdatei,II (12 KB, mit nccad7 nutzbar )
8 h	Überschrift Steuern und Regeln mit dem Operationsverstärker	Operationsverstärker, Spannungsteiler, Thermoschalter, Lichtschranke, Gegenkopplung, Mitkopplung, Hysterese	Schülerpraktikum, z.T. selbständige Erarbeitung anhand von Arbeitsblättern; Lehrerhinweise, Schülerhinweise, OP1, OP2, OP3, OP4, Foto Steckbrettaufbau
6 h	Steuern und Regeln mit dem Computer	Beispiele: Ampel, Fahrstuhl, Kreuzung, Temperatur- und Lichtregelungen, Linienauto, Roboter ...	CIUS, Fischertechnik, LEGO, qfix, ... Fotos: Ampel+CIUS, Linienauto, Temperaturregler
6 h	Schülerprojekte	Beispiele: Lichtgalgen, Lügendetektor, Pupille, Reglermodell, Temperaturregelung , automatische Bewässerung, Solarzellennachführung	Einzel- oder Gruppenarbeit; Bausätze, Bezugsquellen, Anleitung Reglermodell, Literatur und Internet
	Klassenarbeit		Wdh1, Wdh2, KA1 Zip-File 24 KB KA2 Zip-File 20 KB

Verwendete Materialien in der Übersicht

Arbeitsmaterialien	Bauplan Lichtpfeifer 1	Bauplan Lichtpfeifer 2
	Kondensator	Transistor
	Bauplan Blinkherz	Lehrerhinweise
	Schülerhinweise	OP1
	OP2	OP3
	OP4	Bausätze
	Bezugsquellen	Anleitung Reglermodell
	Literatur und Internet	Wdh1, Wdh2,
Abbildungen	Plexigehäuse	Ätzvorlage I
		Foto Blinkherz
	Ätzvorlage II	Foto Steckbrettaufbau
		Ampel+CIUS
	Linienauto	Temperaturregler
Zip-Files	Platinenentwurf	KOSY-Platinenfräsdatei I
	KA1 Zip-File 24 KB KA2 Zip-File 20 KB	KOSY-Platinenfräsdatei II