2009: Projektarbeit am Konrad Wachsmann Oberstufenzentrum
Wie immer zum Ende des Schuljahres beschäftigen sich Schülerinnen und Schüler in Projektwochen. Den Anfang bilden die Assistenten für Computer- und Automatisierungstechnik. Nach den schriftlichen Prüfungen bleiben noch gut 3 Wochen bis zum Schuljahresende. Die Schüler haben die Aufgabe bekommen, eine Digitaluhr der besonderen Art anzufertigen. Die Anzeige können nur Eingeweihte ablesen, die den digitalen Code kennen.
Die Uhr soll aus 20 großflächigen Leuchtdioden bestehen. Alle Baugruppen müssen unter Acrylglas sichtbar bleiben, um so die Verarbeitung des Zeitsignals erlebbar zu machen. Die angehenden Assistenten für Computer- und Automatisierungstechnik entwickeln die elektronischen Schaltungen, übertragen diese in den Computer, um anschließend die Leiterplatten zu entwickeln. Diese werden dann in einem chemischen Prozess geätzt. Anschließend müssen die Leiterplatten bestückt werden. Viel Zeit wird danach noch für die Fehlersuche benötigt. So kommt es immer wieder vor, dass bestimmte Schaltkreise nicht harmonisieren und andere verwendet werden müssen. Diese Fehler können oft in der Computersimulation nicht nachvollzogen werden.
Verarbeitet werden sollen 7 Leiterplatten für die verschiedenen Baugruppen. Zum Beispiel für die Stromversorgung oder die Baugruppe für die Gewinnung des Zeitsignals aus dem gewöhnlichen Stromnetz und der Frequenzteiler – um das Zeitsignal herunterzurechnen. Diese Baugruppe liefert dann das Taktsignal für den Sekundenzähler. Dem schließen sich noch der Minuten- und der Stundenzähler an. Um die Uhr auch stellen zu können, ist der letzte Baustein notwendig.
Nicht zu kurz kommen soll auch das Design der Digitaluhr. Sie soll schließlich öffentlichkeitswirksam im Oberstufenzentrum installiert werden, um bei Schülern Neugier für die Informatik zu erwecken und das Dualzahlensystem zu veranschaulichen.
Durch die einzelnen Baugruppen konnte gut arbeitsteilig gearbeitet werden.
Hier der Blockplan:
Hier der Baustein 100 Hz-Takt und Stromversorgung:
Als Energie und Taktquelle dient ein Trafo der ausgangsseitig 6 bis 12 Volt liefert. Die 50Hz Netzfrequenz sind sehr stabil und in den letzten Jahren als Takt sogar besser geeignet als ein Quarz. An der Wechselspannung werden 2 Gleichricherbrücken angeschlossen. Die obere im Bild ist für die Stromversorgung, die untere Brücke dient der Grundlage des zu gewinnenden Taktes. Diese Spannung für die Schaltkreise wird durch den Schaltkreis L4941 auf 5 V stabilisiert. Diese stabile Spannung wird auch von der unten liegenden Transistorschaltung benötigt. Der Arbeitspunkt des Transistors ist so eingestellt, dass der nicht leitend ist. Durch einen starken Impuls von der unten liegenden Gleichrichterbrücke wir dieser schlagartig durchgesteuert und es entsteht eine gute Rechteckspannung von 100 Hz, die als Taktgrundlage des Frequenzteilers dient.
Hier der Frequenzteiler, um aus 100Hz den Sekundentakt zu gewinnen
Das Prinzip ist einfach. Die 100Hz aus dem Taktgeber durchlaufen zwei 1:10 Zähler. Alle 10 Takte durchläuft der Ausgang QD eine Periode. Dieser Ausgang ist dann wieder geeignet als Eingang für den zweiten Dekadenzähler. Das bedeutet wenn 100Hz in den Zähleingang reingehen wird am Ausgang QD jeder 10-.te Impuls auf den nächsten Zähler gelenkt. Der nächste Zähler arbeitet nach dem gleichen Prinzip. So werden aus 100Hz 1Hz. Das ist die Grundlage für unsere Uhr. Zusätzlich wurde die Schaltung noch mit einer LED versehen, damit man den Takt sehen kann und um auch die Fehlersuche zu erleichtern.
Hier die Schaltung des Sekunden – und Minutenzählers:
Im Sekunden- und Minutenzähler, die beide identisch sind, kommt der Sekundentakt rein und geht in den ersten Dekadenzähler. Der Schaltkreis für die Einerstelle zählt dual wieder von 0 bis 9 und setzt sich selbst zurück. Der Ausgang QD der der 8 entspricht übergibt dem zweiter Zähler den Impuls, der der Zehnerstelle entspricht. Dabei beginnt die Zählung mit der Abwärtsflanke. Normalerweise zählt auch dieser Zähler von 0 bis 9, wird aber durch die Ausgänge QB und QC die für die Zahlen 2 und 4 stehen und 6 ergeben, zurückgesetzt weil ja die Zehnerstellen der Sekunden und Minuten nur bis 6 zählen.
Hier der Schaltung des Stundenzählers
Die Zehnerstelle zählt wie gewohnt von 0 bis 9 und wird danach zurückgesetzt. Wieder wird der Taktausgang QD als Takteingang für die Zehnerstelle des Stundenzählers genutzt. Für die Zehnerstelle kommen aber nur die Ziffern 0,1 und 2 in Frage und bei 24 müssen beide Zähler zurückgesetzt werden, das entspricht der 4 von QC des Zählers der Einerstelle und 2 von QB des Zehnerstellenzählers. Beide Ausgänge werden auf die Rücksetzeingänge 2 und 3 der Schaltkreise gelegt
Hier nun der Anzeigebaustein
Verwendet werden soll eine Flächen-LED die 4 einzelne LED’s beinhaltet. Die Energie wird dabei am optimalsten ausgenutzt, wenn je 2 in Reihe und diese dann wieder parallel geschaltet werden. Der LED-Block kann nicht direkt an die Ausgänge der Zähler geschaltet werden, da die Last zu groß werden würde. So bleibt noch eine Transistor-Verstärkerschaltung.
Ich verwende 2 Widerstände einen 1kOhm und 22Ohm und einen Transistor. Durch den 22Ohm Widerstand ergab sich genau die optimale Stromstärke durch die LED’s. Der Laststrom der Ausgänge der Zähler wird durch den 1kOhm Widerstand genügend gedämmt.
Hier die Fotos der einzelnen Bausteine
Stromversorgung und Taktgeber
Frequenzteiler
Minuten- und Sekundenzähler
Anzeigebausteine
Stelleinheit
Bei der Stelleinheit soll der Sekundentakt wahlweise auf den den Minuten – und den Stundenzähler gelegt werden. Leider ist die Schaltung nicht mehr vorhanden…
Diese Arbeit wurde im September 2009 mit dem Forschungspreis für “herausragende technisch-naturwissenschaftliche Arbeiten der Klassenstufen 9-10 des Landes Brandenburg” von Verein “Freunde des IHP” mit einer Teilnehmerurkunde ausgezeichnet