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Kontrollleuchten finden sich heute auf so vielen Geräten des täglichen Bedarfs, dass wir sie wahrscheinlich gar nicht mehr bewusst wahrnehmen. Allein ein Drucker verfügt über mehr als drei Kontrollleuchten, die anzeigen, ob und wenn ja wie der Drucker arbeitet. Erscheint die Farbe rot, weiß man, ohne dass irgendeine weitere Information notwendig ist, dass irgendetwas mit dem Gerät nicht stimmt.

Weitere Beispiele lassen sich überall finden. Finde selbst Beispiele dafür, wo Kontrollleuchten eingesetzt werden.

Eine Kontrollleuchte ein- und auszuschalten ist recht einfach. Man muss sie nur von der Energiequelle trennen und sie geht aus; verbindet man sie wieder mit einer Energiequelle leuchtet sie. Ein gutes Beispiel ist die grüne Statusanzeige auf dem Board of Education. Sobald das Board eingeschaltet wird, leuchtet sie auf und erlischt mit dem Ausschalten.

Eine Leuchtdiode (LED) einschalten

Als Kontrollleuchten werden sehr häufig sogenannte LEDs (light-emitting-diode) eingesetzt. Wir werden einen ersten Schaltkreis mit einer LED aufbauen; verbindet man ihn mit einer BASIC Stamp und programmiert den Kontroller so, dass er die Energiezufuhr an die LED ein- bzw. ausschaltet, dann ist das sicherlich einfacher, als eine Drahtverbindung jedesmal zu lösen und wieder zusammen-zustecken oder einen Schalter mit der Hand zu betätigen.

In Lektion 1 lernst du

• mit einem Steckbrett umzugehen.
• was eine LED ist und wie sie beschaltet wird.
• was eine Kathode und eine Anode ist.
• was Durchlass- und Sperrrichtung bei einer Diode bedeuten.
• etwas über Kohleschichtwiderstände und ihren Farbcode.
• einen einfachen Schaltplan zu lesen.
• die technische und physikalische Stromrichtung auseinanderzuhalten.
• eine Schaltung mit einer oder mehreren LEDs nach Schaltplan aufzubauen.
• eine DUO-LED zu beschalten.
• die Befehle LOW und HIGH kennen.
• die Schleife DO .. LOOP kennen und anzuwenden.
• die Zählschleife FOR ... TO ... NEXT kennen und anzuwenden.
• den Befehl pause kennen und anzuwenden.

2 - Eine LED-Schaltung aufbauen und testen

Elektronische Bauteile sollte man immer auf Funktionstüchtigkeit testen, bevor man sie in eine Schaltung einbaut - das spart Ärger und Frust. Wir werden dies in der ersten Übung am Beispiel von zwei unterschiedlichen LED Schaltungen kennenlernen.

• In einer Prüfschaltung wird eine LED zum Leuchten gebracht.
• In einer zweiten Prüfschaltung wird eine LED so beschaltet, dass sie nicht leuchtet.

Erst nach diesen beiden einleitenden Übungen werden die Schaltkreise mit einer BASIC Stamp verbunden und über ein Programm so gesteuert, dass sie nach einem vorgegebenen Muster an- bzw. ausgeschaltet werden. Bevor wir soweit sind, schauen wir uns die benötigten elektronischen Bauteile an.

3 - Der Widerstand

Ein Widerstand ist ein elektronisches Bauteil, das hilft, den elektrischen Stromfluss in einer Schaltung zu begrenzen. Jeder Widerstand besitzt einen Wert, der ein Maß dafür ist, wie stark der Stromfluss begrenzt wird. Die Widerstandseinheit ist das Ohm und wird mit dem griechischen Buchstaben Omega abgekürzt. In dieser Lektion werden wir vornehmlich mit einem 470 Ohm Widerstand arbeiten. Die folgende Abbildung zeigt einen solchen Widerstand in zwei verschiedenen Darstellungsformen.

Ein Kohleschichtwiderstand besteht aus einem keramischen Körper, der farblich mit Ringen markiert ist und aus dem zwei Anschlussdrähte führen. Der keramische Körper ist verantwortlich für die Begrenzung des Stromflusses in einem Stromkreis.

Die Farbringe sind codierte oder verschlüsselte Zahlen. Gelesen werden sie immer von links nach rechts, wobei der Widerstand so gehalten werden muss, dass der Gold- oder Silberring rechts ist.

Ein 470 Ohm Widerstand wird durch die Farbringe gelb - violett - braun codiert. Der vierte Ring (meistens in gold oder silber) steht für die Genauigkeit des angegebenen Widerstandswertes oder den Toleranzwert. Gold entspricht einer maximalen Abweichung von 5% , Silber von 10% vom Nennwert. Wir werden uns um diesen vierten Ring nicht kümmern.

Wie man diesen etwas kryptischen Farbcode entschlüsselt, zeigt die folgende Tabelle:

Ein Beispiel

Es wurde weiter oben behauptet, dass die Farbcodierung gelb-violett-braun einem Wert von 470 Ohm entspricht. Überprüfen wir das.

1. Zahl gelb         -> 4

2. Zahl violett      -> 7

3. Zahl braun        -> Anzahl Nullen 1

Setzen wir die Zahlen zusammen, 4 - 7 - 0, ergibt sich der bekannte Wert von 470.

Neben den Kohleschichtwiderständen gibt es auch Metallschichtwiderstände, Potentiometer und viele andere Bauformen von Widerständen, von denen wir einige in den folgenden Lektionen ansprechen werden.

4 - Die Leuchtdiode (LED)

Leuchtdioden werden in vielen Geräten verbaut. Sie finden sich in Handys, Autos, Glühbirnen, Fernsehern und vielen anderen Geräten des täglichen Gebrauchs und sie werden in den unterschiedlichsten Farben angeboten.

Eine LED verfügt über zwei Anschlüsse, die wir auch Elektroden nennen. Die längere Elektrode wird als Anode, die kürzere als Kathode bezeichnet. Eine besondere Eigenschaft jeder Diode ist, dass sie den elektrischen Strom nur in einer Richtung hindurchlässt. Sie wirkt also wie ein Ventil.

Am Bauteil kann man die Anode und Kathode durch die unterschiedlichen Längen der Elektroden auseinanderhalten. Der kürzeren Elektrode entspricht die Kathode, der längeren die Anode. Bei genauerem Hinsehen erkennt man auch, dass der runde Leuchtkörper der LED auf der Seite der kürzeren Elektrode (Kathode) abgeflacht ist. Damit gibt es zwei Möglichkeiten, Anode und Kathode einer LED zu bestimmen.

Im Schaltsymbol entspricht die Anode der Basis, die Kathode der Spitze des Dreiecks bzw. dem Querbalken.

Schaltskizze und Schaltungsaufbau

Meine Beobachtungen

Notiere deine Beobachtung und ergänze die Eintragungen.

1. Wird der Widerstand mit V_dd (Pluspol) verbunden, dann beobachte ich

______________________________________________________________

______________________________________________________________

oder ich kann sagen, wenn die Anode (das längere Beinchen der LED) mit dem Plus-Pol und die Kathode mit dem Minus-Pol der Energiequelle verbunden ist, dann

leuchtet die LED   o                           leuchtet die LED nicht   o

Kreuze die richtige Antwort an.

Meine Beobachtungen

2. Wird der Widerstand mit V_ss (Minuspol) verbunden, dann beobachte ich:

______________________________________________________________

______________________________________________________________

oder ich kann sagen, wenn die Anode mit dem Minus-Pol und die Kathode mit dem Plus-Pol der Energiequelle verbunden ist, dann

leuchtet die LED   o                           leuchtet die LED nicht   o

Kreuze auch hier die richtige Antwort an.

Meine Beobachtungen

• Eine LED leuchtet oder ist in Durchlassrichtung gepolt, wenn die Kathode mit dem ___________ - Pol
  
  und die Anode mit dem _____________ - Pol der Energiequelle verbunden ist.
   
• Eine LED leuchtet nicht oder ist in Sperrrichtung gepolt, wenn die Kathode mit dem __________ - Pol
  
  und die Anode mit dem _____________ - Pol der Energiequelle verbunden ist.

Wie arbeitet die Testschaltung?

Die Anschlüsse Vdd und Vss sind in ihrer Wirkung vergleichbar mit den Anschlüssen einer Batterie. Dem Anschluss Vdd entspricht der + - Pol, Vss der - Pol einer Batterie (Abbildung 1.6). Zwischen beiden Polen herrscht ein gewisser Ladungsdruck, der die Elektronen in den Zuleitungen in eine bestimmte Bewegungsrichtung zwingt; die Elektronen bewegen sich vom Minus- zum Pluspol (physikalische Stromrichtung). Wir sagen kurz: es fließt ein elektrischer Strom. Dieser wird in seiner Höhe begrenzt durch den Widerstand in der Leitung und er führt dazu, dass die LED Licht aussendet.

Abbildung 1.7 zeigt die zu Abbildung 1.6 entsprechende Schaltskizze. Der eingezeichnete Stromverlauf zeigt vom Plus- zum Minuspol (technische Stromrichtung). Wenn man zukünftig vom Stromverlauf spricht, sollte deutlich gemacht werden, welche Grundlage (technische oder physikalische Stromrichtung) man gewählt hat. Üblich ist die Angabe der technischen Stromrichtung, die wir auch in unseren Lektionen beibehalten werden, wenn nicht ausdrücklich etwas anderes gesagt wird.

6 - Das Steckbrett

Eine Schaltung mit Hilfe eines Steckbretts aufzubauen ist einfach. Der erste Versuch hat hoffentlich geklappt. Die LED und der Widerstand wurden jeweils in bestimmte Löcher auf dem Steckbrett gesteckt und die schwarzen Steckleisten links und oben am Steckbrett tragen bestimmte Bezeich-nungen, auf die wir jetzt noch etwas näher eingehen wollen.

Für den Aufbau eines Schaltkreises benutzen wir ein weißes Steckbrett mit schwarzen Buchsenleisten, die oben und links angebracht sind (Abb. 1.8). Die obere Buchsenleiste (beschriftet mit: Vdd (Plus) oder Vin und Vss (Minus)) ist die Anschlussleiste für die Spannungsversorgung, während die Anschlüsse der linken Buchsenleiste (beschriftet mit: P0, P1 ... P15) mit den Eingabe/Ausgabe Pins der BASIC Stamp verbunden sind. Mit Hilfe des weißen Steckbretts kann schnell und sicher ein lötfreier Schaltungsaufbau realisiert werden.

• Ein-/ Ausgabepins bezeichnen wir kürzer mit I/O Pin. I steht für Input, O für Output.
• Erst wenn ein Schaltungsaufbau auf dem Steckbrett mit einem oder mehreren I/O Pins verbunden ist, kann über ein Programm die BASIC Stamp Einfluss auf die Schaltung nehmen, indem es zum Beispiel auf ein Eingangssignal wartet (input) oder indem es ein Signal nach draußen sendet (output).
• Auf diese Weise kann eine LED über ein Programm mit Hilfe der BASIC Stamp ein- und ausgeschaltet werden oder es kann abgefragt werden, ob ein Taster gedrückt wurde oder nicht.

In jeder Reihe befinden sich auf dem Steckbrett insgesamt 10 Stecklöcher; jeweils 5 auf der linken und 5 auf der rechten Seite. Getrennt sind sie durch eine breite Schneise. Die jeweils 5 Löcher auf einer Seite sind miteinander elektrisch verbunden. Insgesamt gibt es damit 17 Reihen zu jeweils 2 mal 5 Stecklöchern. In Abbildung 2.4 sind die miteinander elektrisch verbundenen Löcher durch schwarze Balken verbunden.

Eine LED mit der BASIC-Stamp ein- und ausschalten

In Aufgabe 2.1 haben wir gesehen, dass sich eine LED durch unterschiedliches Verkabeln ein- und ausschalten lässt. Dazu musste die Verbindung zwischen LED und der Spannungsversorgung jeweils neu gesteckt werden.

In der folgenden Schaltung übergeben wir das mechanische Umstecken des Drahtes an die BASIC-Stamp. Sie soll elektronisch dafür sorgen, dass die LED ein- und ausgeschaltet wird und uns entlasten, jedesmal einen oder mehrere Drähte umstecken zu müssen. Wie das geht, wird in der folgenden Schaltung gezeigt.

Schaltskizze und Schaltungsaufbau

Der in der Schaltung verbaute Widerstand von 470 Ohm (wird auch Vorwiderstand genannt) ist notwendig und darf auf keinen Fall weggelassen werden. Ohne ihn würde ein zu großer Strom durch die LED fließen und dafür sorgen, dass eine Reihe von elektronischen Bauteilen zerstört würden.

Das Programm LED_01.bs2

Wie arbeitet das Programm LED_01.bs2?

Zeile 4

Der debug-Befehl sorgt dafür, dass der in rot markierte Text im Terminal erscheint.

Zeile 5

Hier beginnt eine sogenannte Endlosschleife DO .. LOOP. Alle Befehle zwischen diesen beiden Worten werden nacheinander und immer wieder ausgeführt; solange, bis die Energiequelle abgeschaltet wird.

In der Spalte Pseudocode wird mit einfachen Worten versucht zu erklären, was das BASIC-Programm tut.

Was ist eine Millisekunde? Eine Millisekunde (1 ms) ist der tausendste Teil einer Sekunde. Damit entsprechen 1000 ms einer Sekunde.

Meine Ergebnisse

Ich erhöhe die Blinkfrequenz der LED dadurch, dass ich im Programm ..

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Ich sehe die LED nicht mehr blinken, wenn ich folgende Veränderungen im Programm vorgenommen habe:

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Welchen Einfluss der pause-Befehl auf das Blinkverhalten einer LED haben kann, wird mit der nächsten Schaltung untersucht. Experimentiere ein wenig damit herum und bekomme ein Gefühl für die Reaktion der LED.

• Gib das Programm in den BASIC Stamp Editor ein.
• Speicher es unter dem Namen flash.bs2 auf einem Stick ab.
• Starte das Programm und überprüfe, ob die LED einmal kurz aufleuchtet.
• Veränder die Pausenzeiten, indem durch die Werte erhöhst und verkleinerst. Versuche jedesmal zu erklären, warum sich die Schaltung so verhält, wie sie es dir anzeigt.

Das Programm LED_02.bs2

Meine Beobachtungen

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Wie arbeitet das Programm LED_02.bs2?

Zeile 4

Es wird eine Variable zaehler vom Typ Byte deklariert.

Was ist ein Byte? Ein Byte setzt sich aus 8 Bit zusammen. Ein Bit ist die kleinste Speichereinheit, die nur 0 oder 1 speichern kann. Ein Byte kann alle Zahlen zwischen 0 und 255 speichern. Die BASIC Stamp verfügt über vier verschiedene Variablentypen, die sich in ihren Wertebereichen unterscheiden:

Variablentyp           Wertebereich

Bit                    0 und 1

Nib                    0 bis 15

Byte                   0 bis 255

Word                   0 bis 65535

Zeile 6 ff

Die FOR…NEXT Schleife arbeitet mit einer Zählvariablen, die hier zaehler genannt wird.

Regeln für die Festlegung von Variablennamen

1. Es dürfen keine von PBASIC benutzten Worte genommen werden. Dies sind sogenannte reservierte Worte, von denen du einige bereits kennst: DEBUG, PAUSE, HIGH, LOW, DO und LOOP.
2. Ein Name darf keine Leerstelle enthalten. 

Alle Namen müssen mit einem Buchstaben oder Zeichen beginnen und dürfen nicht mehr als 33 Zeichen enthalten; das erste Zeichen darf keine Zahl sein.

Schaltskizze und Schaltungsaufbau

Pseudocode

Starte mit dem Ein- und Ausschalten der LEDs

     Schalte LED1 an Pin 14 ein

     Schalte LED2 an Pin 15 ein

     Pause von 0,5 Sekunden

     Schalte LED1 an Pin 14 aus

     Schalte LED2 an Pin 15 aus

     Pause von 0,5 Sekunden

Wiederhole das Ganze

Was meinst du?

Kann man wirklich sagen, dass beide LEDs gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden? Gib eine Begründung deiner Meinung.

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Pseudocode

Starte mit dem Ein- und Ausschalten der LEDs

     Schalte LED1 an Pin 14 ein

     Schalte LED2 an Pin 15 ein

     Pause von 0,5 Sekunden

     Schalte LED1 an Pin 14 aus

     Schalte LED2 an Pin 15 aus

     Pause von 0,5 Sekunden

Wiederhole das Ganze

Was meinst du?

Kann man wirklich sagen, dass beide LEDs gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden? Gib eine Begründung deiner Meinung.

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Die Duo-LED

Wie dem Schaltsymbol einer Duo LED zu entnehmen ist, besteht sie aus zwei Dioden, die in einem Diodenkörper untergebracht sind. Abbildung 2.10 zeigt, wie die Spannungsversorgung anzulegen ist, damit die LED rot aufleuchtet. Vertauscht man die Polung, leuchtet sie grün auf. Wie bei den anderen LEDs gilt auch hier, werden beide Anschlüsse eines Schaltkreises mit V_ss oder V_dd verbunden, leuchtet die LED nicht.

Schaltungsaufbau

Pseudocode

Starte mit dem Ansteuern der LED.

     Setze Pin 14 der LED auf 1

     Setze Pin 15 der LED auf 0 (Durchlassrichtung für rote LED)

     Pause von 2 Sekunden

     Setze Pin 14 der LED auf 0

     Setze Pin 15 der LED auf 1 (Durchlassrichtung für grüne LED)

     Pause von 5 Sekunden

     Setze Pin 15 der LED auf 0 (beide LED in Sperrichtung)

Wiederhole das Ganze

Pseudocode

Starte mit dem Ansteuern der LEDs.

     Setze Pin 14 der DUO-LED auf 1

     Setze Pin 15 der DUO-LED auf 0

     Pause von 3 Sekunden

     Setze Pin 14 der DUO-LED auf 0

     Setze Pin 15 der DUO-LED auf 1

     Wiederhole 10 mal

            Setze Pin 10 der LED gelb auf 1

           Pause von 0,5 Sekunden

           Setze Pin 10 der LED gelb auf 0

           Pause von 0,5 Sekunden

    Setze Pin 14 der DUO-LED auf 1

    Setze Pin 15 der DUO-LED auf 0

Wiederhole das Ganze

Kurzvortrag 1

Die Leuchtdiode (LED): Aufbau, Material, Bauformen, Anschlussbelegung, Stromverbrauch, ..., Einsatzgebiete.