Ziel ist es, dass wir in diesem Semester eine umfangreiche Ampelsteuerung entwickeln und programmieren. Bis wir jedoch soweit sind, schauen wir uns die Grundlagen der Elektrotechnik, der Logik und der maschinennahen Programmierung an.
Die geplante Ampelsteuerung soll insgesamt vier bis fünf Kreuzungen enthalten (je nach Anzahl der Teilnehmenden). Wir entwerfen die Schaltungen anhand von LEGO-City-Straßenplatten. So, dass das Endergebnis als dauerhaftes Projekt in der Schule ausgestellt werden kann.
Optional entwerfen wir außerdem eine Tag-/Nacht-Lichtsteuerung für die Straßenbeleuchtung.
Bauelemente
| Element | Schaltzeichen |
|---|---|
| Widerstand |  |
| Kondensator |  |
| Spule |  |
| Diode |  |
| LED |  |
Der Stromkreis
Grundlagen
Ein Stromkreis besteht aus einer Spannungsquelle und mindestens einem Verbraucher. Damit ein Strom fließen kann, brauchen wir einen geschlossenen Stromkreis.
- Spannungsquelle
- Verbraucher (Widerstand)
Ein Widerstand verbraucht Strom und wird dabei warm. Damit wir aber auch sehen, dass gerade ein Strom fließt, schalten wir hinter den Widerstand noch eine LED.
Schaltplan
- Spannungsquelle
- Verbraucher (Vorwiderstand)
- LED
Steckbrett
Eine LED verbraucht auch Strom. Sie ist also auch ein Verbraucher. ABER: Bekommt eine LED zu viel Strom, brennt sie durch. Daher brauchen wir für eine LED immer einen Vorwiderstand.
Logik
Bei logischen Schaltungen unterscheiden wir immer zwischen JA und NEIN.
- im Alltag sagen wir auch AN und AUS
- In der Computersprache ist das gleichbedeutend mit $1$ und $0$
- In der Elektronik spricht man auch von HIGH und LOW
Identität-Schaltung
In der Logik sprechen wir immer dann von einer Identität, wenn Eingang $=$ Ausgang ist. Das bedeutet:
- wenn INPUT $= 0$, dann ist auch OUTPUT $ = 0$
- wenn INPUT $= 1$, dann ist auch OUTPUT $ = 1$
Wahrheitstabelle
| Input | Output |
|---|---|
| $0$ | $0$ |
| $1$ | $1$ |
Ergebnis: Wenn wir den Taster drücken, leuchtet die LED. Wenn wir den Taster NICHT drücken, leuchtet die LED ebenfalls NICHT.
Schaltung
Steckbrett
Logikdiagramm
NICHT-Schaltung
Die NICHT-Schaltung sorgt dafür, dass der Ausgang immer das Gegenteil vom Eingang ist. Das bedeutet:
- wenn INPUT $= 0$, dann ist OUTPUT $ = 1$
- wenn INPUT $= 1$, dann ist OUTPUT $ = 0$
Wahrheitstabelle
| Input | Output |
|---|---|
| $0$ | $1$ |
| $1$ | $0$ |
Ergebnis: Wenn wir den Taster drücken, geht die LED aus. Wenn wir den Taster NICHT drücken, leuchtet die LED.
Schaltung
Erklärung: Der Widerstand R2 lässt den Strom viel einfacher durch als die LED. Der Widerstand ist hier also für den Strom viel geringer. Daher fließt der Strom viel lieber durch R2. Die LED bekommt nun so wenig Strom, dass sie nicht mehr leuchtet.
Steckbrett
Logikdiagramm
UND-Schaltung
Die UND-Schaltung sorgt dafür, dass wir immer alle Inputs auf AN schalten müssen, damit der Output auch auf AN schaltet:
Wahrheitstabelle
| Input A | Input B | Output |
|---|---|---|
| $0$ | $0$ | $0$ |
| $1$ | $0$ | $0$ |
| $0$ | $1$ | $0$ |
| $1$ | $1$ | $1$ |
Ergebnis: Die LED leuchtet nur, wenn wir BEIDE Taster drücken.
Schaltung
Erklärung: Der Strom kann nur dann durch die LED fließen (Output), wenn wir beide Taster drücken (Input A und B).
Steckbrett
Logikdiagramm
ODER-Schaltung
Die ODER-Schaltung sorgt dafür, dass wir nur einen der beiden Taster drücken müssen, damit die LED leuchtet. Wir können sogar beide Taster gleichzeitig drücken.
Wahrheitstabelle
| Input A | Input B | Output |
|---|---|---|
| $0$ | $0$ | $0$ |
| $1$ | $0$ | $1$ |
| $0$ | $1$ | $1$ |
| $1$ | $1$ | $1$ |
Ergebnis: Die LED leuchtet, sobald wir mindestens EINEN Taster drücken.
Schaltung
Erklärung: Der Strom kann immer dann durch die LED fließen (Output), sobald wir mindestens einen der Taster (Input A oder B) drücken.
Steckbrett
Logikdiagramm
