Projekte für Elektronikeinsteiger – Teil  1

Feuerwehrsirene und Morseübungsgerät

Dies ist der erste Beitrag einer Serie von Projekten für Elektronikeinsteiger. Die Reihe wendet sich vor allem – aber nicht nur – an Kinder und Jugendliche. Die Projekte sind einfach gehalten und können leicht auf lötfreien Steckbrettern, sogenannten Breadboards, aufgebaut werden. Als Bauteile werden überwiegend und soweit möglich Elemente aus den Prototypenadapter-Sets verwendet (siehe Abschnitt „Material“ am Ende des Beitrags), sodass alle Schaltungen besonders einfach nachgebaut werden können.

Feuerwehrsirene

Im ersten Teil geht es gleich hoch her: Eine vollautomatische Sirene ist nicht nur interessant und lehrreich, sie kann auch z. B. in ein Modell-Feuerwehrauto eingebaut werden.

Echte Einsatzfahrzeuge von Polizei, Feuerwehr und Notarzt haben im Straßenverkehr ein Sonder-Vorfahrtsrecht. Sie warnen daher alle anderen Verkehrsteilnehmer mit einem Blaulicht und einem Martinshorn. In verschiedenen Ländern werden für das Signalhorn unterschiedliche Tonfolgen eingesetzt. In Deutschland erklingt beispielsweise das bekannte Martinshorn mit seinen beiden klar getrennten Tonhöhen. In den USA dagegen hört man die bekannte „Kojak“-Sirene, ein auf- und abschwellendes Sirenensignal. Die in diesem Beitrag vorgestellte Sirene erzeugt das deutsche Martinshorn-Signal. Das Martinshorn hat übrigens nichts mit dem heiligen St. Martin zu tun, vielmehr ist es nach dem Hersteller benannt, der Signal-Instrumentenfabrik Max B. Martin. Es wurde aus Ruf- und Jagdhörnern entwickelt und schließlich ab ca. 1932 für Einsatzfahrzeuge verwendet.

Um den Erfolg sicherzustellen, wird ganz einfach mit einem Signalgenerator begonnen, der z. B. auch als Morseübungsgerät verwendet werden kann. Schrittweise wird dieser dann zu einer automatischen Polizei- oder Feuerwehrsirene ausgebaut.

Ein Morsetrainer

Bereits zwei Transistoren und eine Handvoll anderer Bauelemente reichen aus, um ein Morseübungsgerät aufzubauen. Bild 1 zeigt, wie die Schaltung auf einem lötfreien Steckbrett aussehen kann.

Hinweis: Die Schaltung sollte auf dem rechten Teil des Breadboards aufgebaut werden, da sie dann leicht für die weiteren Projekte in diesem Beitrag um- und aufgerüstet werden kann.

Die Spannungsversorgung erfolgt über eine 9-V-Blockbatterie. Diese wird über einen passenden Batterieclip (s. Materialliste am Ende des Beitrags) an die Schaltung angeschlossen. Der rote Draht in Bild 1 ist der Pluspol.

Am blauen Draht muss der Minuspol der Batterie liegen. Das Schaltbild dazu ist in Bild 2 zu sehen. Wenn alles richtig aufgebaut ist, ertönt beim Betätigen des Tasters ein lauter Piepton. Durch kurzes oder längeres Drücken des Tasters können nun hörbare Morsesignale erzeugt werden.

A ·-      B -...    C -.-.    D -..     E .     F ..-.
G --·     H ....    I ..      J .---    K -.-     L .-..
M --      N -.      O ---     P .--.    Q --.-    R .-.
S ...     T -       U ..-     V ...-    W .--     X -..-
Y -.--    Z --..

Wie funktioniert die Schaltung?

Die Schaltung des Morsetrainers wird auch als astabiler Multivibrator oder astabile Kippschaltung bezeichnet. Sie erzeugt eine periodisch veränderliche Ausgangsspannung, indem sie zwischen zwei Zuständen hin und her schaltet. Einer der Transistoren ist dabei leitend, der andere sperrt. Dadurch entlädt sich einer der Kondensatoren durch den Basiswiderstand des aktiven Transistors, während der andere Kondensator aufgeladen wird. Sobald der erste Kondensator entladen ist, ändert sich der Zustand der Schaltung und der zweite Transistor wird aktiv. Dies bewirkt, dass der zweite Kondensator entladen wird, während der Erste aufgeladen wird. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig und erzeugt eine Rechteckwelle am Ausgang der Schaltung (Bild 3). Der astabile Multivibrator wird bei unzähligen Schaltungen in der analogen und in der digitalen Elektronik verwendet und findet vielfältige Anwendungen u. a.

• bei der Erzeugung von Taktsignalen für digitale Schaltungen
• in der Ton- und Signalerzeugung
• bei Blinklichtern und optischen Signalgebern etc.

Es geht auch langsamer: Polizeiblinker

Wie schnell eine astabile Kippschaltung schwingt, hängt von den Werten der verwendeten Kondensatoren und den Widerständen ab (s. Abschnitt „Für Spezialisten: Thema Oszillatoren“). Wenn man für diese Komponenten andere Werte wählt, kann man auch sehr langsame Kippschwingungen erzeugen. Mit den Ersetzungen

• zwei LEDs (mit Vorwiderständen) für die 100-Ω-Widerstände
• 100 kΩ für die 4,7-kΩ-Widerstände
• 10 Mikrofarad für die Kondensatoren

erhält man einen „Wechselblinker“. Statt 1500 mal pro Sekunde wie im Morsetrainer kippt diese Schaltung (Bild 4) nur noch etwas weniger als einmal pro Sekunde.

Auf der linken Hälfte des Breadboards ist noch genügend Platz, um den Morsesummer und den Polizeiblinker gleichzeitig aufzubauen. Warum es sinnvoll ist, beide Schaltungen nebeneinander aufzubauen, wird im folgenden Abschnitt klar. Wenn man nur den Blinker verwenden will, kann man auch den Morsesummer selbst umbauen, indem man die entsprechenden Komponenten ersetzt (Bild 5).

Vollautomatische Sirene

Aus dem Morsetrainer und dem Polizeiblinker kann man eine vollautomatische Sirene (Bild 6) bauen. Man muss nur dafür sorgen, dass der Blinker die Tonhöhe umschaltet. Dazu müssen die beiden Schaltungsteile wie in Bild 7 gezeigt verbunden werden.

Hinweis: Bitte beachten, dass die beiden 4,7-kΩ-Widerstände im Vergleich zu Bild 1 um einen Steckplatz nach oben versetzt werden müssen! Die oberste Kontaktleiste wird hier ebenfalls verwendet.

Wenn die Schaltung an die Versorgungsspannung angeschlossen wird, blinken abwechselnd die beiden LEDs und die Tonhöhe ändert sich dabei im gleichen Takt. Das Umschalten der Tonhöhe erfolgt über die Verbindung der beiden Kippstufen. Die beiden Widerstände mit 10 kΩ und 680 Ω in der Mitte der Schaltung leiten das Signale des linken Multivibrators an die beiden 4,7-kΩ-Widerstände der rechten Stufe. Dadurch ändert sich die Frequenz des Tones. Die Umschaltung erfolgt im gleichen Takt wie das Schalten des LEDs. Deshalb ändert sich die Tonhöhe genau im Takt mit den LEDs.

Für Spezialisten: Oszillatoren und Frequenzen

Die Frequenz des Tonsignals des Morsetrainers kann mit der Formel
f = 1,44/(2*R*C)
mit R = R2 = R3 und C = C1 = C2 berechnet werden. Setzt man die Werte ein, erhält man:
f = 1,44/(2 * 4700 Ω * 100 nF) = 1,44 / (2 * 4700 * 100 * 10-9) Hz = 1,5 kHz
Die Messung bestätigt diesen Wert.

Für den Blinker ergibt sich:
f = 1,44 / (2 * 100 kΩ * 10 µF) = 1,44 / (2 * 100 000 * 10*10-6) Hz = 0,72 Hz
oder eine Blinkzeit von T = 1/f ≈ 1,4 s.
Die LEDs blinken also etwas langsamer als 1x pro Sekunde.

Dies zeigt, dass astabile Multivibratoren in weiten Frequenzbereichen eingesetzt werden können. Die niedrigsten auf diese Weise erreichbaren Frequenzen liegen bei weit unter einem Hz. Mit Kondensatoren von bis zu 1000 µF sind sogar Schaltzeiten von bis zu einer Minute erreichbar. Am oberen Ende der Frequenzskala sind bis über 100 kHz möglich. Darüber spielen parasitäre Kapazitäten etc. eine zunehmende Rolle, sodass die Schaltungen nicht mehr sicher anschwingen. Man muss dann auf andere Techniken ausweichen.

Ausblick

Nachdem in diesem Artikel der Aufbau von Blinkern und Sirenen mit astabilen Kippstufen im Vordergrund stand, soll es im nächsten Beitrag um die Grundlagen der Sensortechnik gehen. Dabei werden wieder die bereits bekannten Transistoren eingesetzt. Diese dienen dann dazu, geringste Ströme zu verstärken. Mithilfe eines selbst gebauten Sensors entstehen so unter anderem ein Regenmelder und eine hochempfindliche Sensortaste.

Material

Über den Autor
Dr. Günter Spanner ist als Autor zu den Themen Elektronik, Sensortechnik und Mikrocontroller einem weiten Fachpublikum bekannt. Schwerpunkt seiner hauptberuflichen Tätigkeit für verschiedene Großkonzerne wie Siemens und ABB ist die Projektleitung im Bereich Entwicklung und Technologie-Management. Der Dozent für Physik und Elektrotechnik hat zudem zahlreiche Fachartikel und Bücher veröffentlicht sowie Kurse und Lernpakete erstellt.