Elektronischer Schaltkreis

30 min

4.-6. Klasse

Einfach

Diese Handreichung dient zur Vorbereitung von Lehrkräften bei der Einführung von Steckbrettern, Leuchtdioden und Widerständen zum Aufbauen von elektronischen Schaltkreisen in den Klassenstufen 4 bis 6. Zu diesem Thema gibt es ein Arbeitsheft für Schüler*innen sowie einen Lehrleitfaden.

Lehrleitfaden als PDF Schüleraufgabe

Inhalt

Materialumfang:

Erläuterungen zum Heft

Vorschläge für den Unterricht

Lernziele

Video

Quiz

Übersicht

Diese Handreichung erläutert die Theorie zum Heft und zum praktischen Versuch. Sie enthält außerdem eine Anleitung zur Durchführung des Quiz und Vorschläge für die Unterrichtsgestaltung.

Zweck von Heft 2 ist es, die Schüler*innen mit Steckbrettern, Leuchtdioden und Widerständen vertraut zu machen sowie einfache elektronische Schaltkreise zu bauen. Die Schüler*innen müssen nicht genau verstehen, wie die einzelnen Komponenten funktionieren, sie sollen aber im Stande sein, einfache elektronische Schaltkreise nach Vorgabe aufzubauen.

Lernziele

Die Schüler*innen verstehen, wozu Steckbretter dienen
Die Schüler*innen können die Stromversorgungs- und Baubereiche auf einem Steckbrett identifizieren.
Die Schüler*innen verstehen, wie man Leuchtdioden auf einem Steckbrett anwendet.
Die Schüler*innen verstehen, wie man Widerstände auf einem Steckbrett anwendet.

Erklärung

Dieser Abschnitt enthält eine Erklärung der Gegenstände und Materialien, die im Zuge der Lektion eingeführt werden. Er dient zur Aktualisierung des Wissensstands der Lehrkraft, so dass auf gesonderte Recherchen im Zuge der Unterrichtsvorbereitung verzichtet werden kann.

Steckbrett

Ein Steckbrett , auch Steckplatine oder Breadboard genannt, ist ein Hilfsmittel für den Aufbau von elektronischen Schaltkreisen . Auf dem Steckbrett können elektronische Bauteile miteinander verbunden werden, ohne dafür feste Verbindungen zu löten. Dazu werden die Bauteile mit ihren Drahtenden in metallene Klemmen gesteckt, die zu elektrischen Leiterschienen gehören. Die Leiterschienen sind an einem Brett (Steckbrett) aus Kunststoff befestigt, das die sinnvolle Verbindung der Bauteile untereinander ermöglicht.

Im Heft ist das Steckbrett in zwei Bereiche unterteilt: den Stromversorgungsbereich und den Baubereich. Der Stromversorgungsbereich ist blau eingefärbt und dient zum Anschließen von Batterien oder einer anderen Stromversorgung (z. B. von einem micro:bit). Der Baubereich ist grün eingefärbt und dient zum Aufbauen der eigentlichen Schaltung. Es ist wichtig, dass die Schüler*innen verstehen, dass die Leiterschienen im Stromversorgungsbereich waagerecht und im Baubereich senkrecht verlaufen.

Es besteht keine elektrische Verbindung zwischen dem Stromversorgungs- und dem Baubereich. Diese muss von den Schüler*innen selbst hergestellt werden, indem sie eine Leitung oder eine Steckbrücke zwischen Stromversorgungs- und Baubereich einsetzen. Auch zwischen den beiden Hälften des Baubereichs besteht keine elektrische Verbindung. Um diese herzustellen, muss ebenfalls eine Leitung oder Steckbrücke eingesetzt werden.

Die Linien auf der nachstehenden Abbildung zeigen, wo die Verbindungen liegen.

Leuchtdiode

Eine Leuchtdiode, auch LED genannt, ist ein elektronisches Bauteil, das Strom in Licht umwandeln kann. Eine Leuchtdiode ist ein Bauelement vom Typ Diode, das den Strom nur in einer Richtung fließen lässt. Es ist daher wichtig, die Leuchtdiode richtig herum einzusetzen – im Gegensatz zu einem Widerstand , der den Strom in beiden Richtungen fließen lässt und deshalb beliebig eingesetzt werden kann. Eine Leuchtdiode hat normalerweise ein langes und ein kurzes Bein. Das lange Bein ist die Anode und auf der Abbildung mit einem "+" markiert. Das Plus-Bein gehört auf die Seite, an der die höchste Spannung anliegt; das ist die Richtung, aus der der Strom heranfließt (z. B. 5 V oder 3 V). Das kurze Bein ist die Kathode und auf der Abbildung mit einem "-" markiert. Das Minus-Bein gehört auf die Seite, wo die niedrigste Spannung anliegt; das ist die Richtung, in die der Strom abfließt (z. B. Erde/ GND /0V). Oftmals ist es erforderlich, vor oder nach einer Leuchtdiode einen Widerstand einzusetzen, damit die LED nicht einer zu hohen Spannung ausgesetzt wird. Ist die Spannung zu hoch, wird die LED zerstört. Mit einem Widerstand kann man auch beeinflussen, wie stark die LED leuchtet.

Widerstand

Ein Widerstand ist ein elektronisches Bauelement, das zur Verringerung der elektrischen Spannung und damit des elektrischen Stroms verwendet wird. Ein Widerstand wird also eingesetzt, um die Spannung in verschiedenen Teilen des Schaltkreises zu regeln. Der elektrische Widerstand wird in Ohm (Ω) gemessen, und Widerstände gibt es mit verschiedenen Widerstandswerten. Der Widerstandswert kann anhand der Farbringe am Widerstand abgelesen werden (siehe Abbildung unten). Je höher der elektrische Widerstand im Verhältnis zu den sonstigen Bauelementen in der Schaltung, um so stärker senkt der Widerstand die Spannung.

Ein Widerstand hat zwei Beine. Anders als bei der Leuchtdiode ist es egal, wie herum der Widerstand eingesetzt wird.

Chapter 243 Introduktion til Arduino Figur 2 Oversigt over hvordan farvekoderne paa modstande aflaeses

Baubereich

Im Abschnitt "Baubereich" des Hefts wird den Schüler*innen die Problemstellung auf der nachstehenden Abbildung gezeigt. Sie erfahren, dass die Leuchtdiode und der Widerstand in der Schaltkreisanordnung links falsch angeschlossen und in der Schaltkreisanordnung rechts korrekt angeschlossen sind. Nun sollen sie erklären, warum die eine Anordnung falsch und die andere richtig ist. Der Fehler in der linken Schaltkreisanordnung liegt darin, dass zwischen Leuchtdiode und Widerstand keine elektrische Verbindung besteht. In der Schaltkreisanordnung rechts befinden sich je ein Bein der Leuchtdiode und des Widerstands in derselben Leiterschiene. Dadurch sind sie verbunden, und es kann Strom vom Widerstand zur Leuchtdiode oder umgekehrt fließen.

Es wird empfohlen, die Problemstellung mit der ganzen Klasse aufzugreifen, damit alle Schüler*innen verstehen, wie man elektrische Bauelemente miteinander verbindet.

Aufgabe

Auf der Rückseite des Hefts ist eine Aufgabe aufgeführt, die die Schüler*innen ausführen können, nachdem sie das Heft gelesen haben. Bei der Aufgabe sollen die Schüler*innen einen einfachen Schaltkreis aufbauen, der eine Leuchtdiode zum Leuchten bringt. Weil bei diesem Versuch recht kleine Bauelemente zum Einsatz kommen, ist es eine gute Idee, die Schüler*innen mit kleinen Bechern oder Schälchen auszustatten, in die sie die Bauteile füllen können, damit nichts verloren geht. Es wird empfohlen, diesen Versuch nicht in Gruppen- sondern in Einzelarbeit durchzuführen, denn es ist wichtig, dass alle Schüler*innen Gelegenheit haben, Bauelemente im Steckbrett einzusetzen. Nachdem die Schüler*innen die Aufgabe gelöst haben, können sie sich die Lösung in dem Video anschauen, auf das im Heft mit einem QR-Code verlinkt wird.

Für den Versuch wird Folgendes benötigt (pro Schüler*in/Gruppe):

1 Steckbrett
1 Leuchtdiode
1 Widerstand von 110 Ohm
2 AA-Batterien
1 Batterie halterung
2 Leitungen/Steckbrücken

Typische Fehler

Beim Lösen der Aufgabe können die Schüler*innen Fehler machen. Wenn die Leuchtdiode nach Fertigstellen des Schaltkreises nicht leuchtet, kann das folgende Gründe geben:

Einige Bauelemente sich nicht angeschlossen. Die Bauelemente, die miteinander verbunden werden sollen, müssen eine gemeinsame Leiterschiene haben. Es dürfen nie beide Beine eines Bauelements in der derselben Leiterschiene stecken.
Die Leuchtdiode ist verkehrt herum angeschlossen. Das lange Bein (+) muss mit dem Pluspol verbunden sein. Das kurze Bein (-) muss mit dem Wiederstand verbunden sein.
Die Batterien haben keinen Strom mehr.
Es wurde nicht der richtige Widerstand eingesetzt. Bei diesem Versuch soll ein Widerstand von 110 Ohm verwendet werden. Auch in den meisten anderen Fällen wird die Leuchtdiode noch leuchten, wenn auch mit veränderlicher Stärke. Liegt der elektrische Widerstand sehr hoch, also > 10 kΩ, wird die Leuchtdiode nicht leuchten. Liegt der elektrische Widerstand dagegen sehr niedrig, also < 20 Ω, wird die Leuchtdiode sehr stark leuchten, wodurch sie kaputtgehen kann.

Quiz

Zu dem Heft gibt es ein Quiz, das einen Eindruck davon vermittelt, wie gut die Schüler*innen das Material verstanden haben und ob es bestimmte Dinge gibt, an denen intensiver gearbeitet werden muss. Die Schüler*innen dürfen das Heft beim Quiz als Hilfsmittel benutzen, da sie so auch lernen, nach den Antworten im Heft zu suchen, anstatt die richtige Antwort zu raten.

Wenn du das Quiz mit deinen Schüler*innen durchführst, musst du zuerst einen Link für deine Klasse einrichten, damit du später die Ergebnisse abrufen kannst. Hier ist die Webadresse für die Quizregistrierung:

http://www.teknologiskolen.dk/haefter/haefte-2/

Klicke auf die Schaltfläche "Opret klassekode" (Klassencode erstellen). Dadurch gelangst du zu einer Webseite, die einen Link bereitstellt, den die Schüler*innen für den Zugang zum Quiz benötigen. Daneben werden zwei Codes angezeigt: der Code, den du zum Abrufen der Ergebnisse brauchst, und der Klassencode. Es ist wichtig, dass du beide Codes notierst. Sie sind in Fettschrift dargestellt.

Durch Klicken auf die Schaltfläche "Klik her for at generere et kortlink" (Kurzlink erstellen) gelangst du auf die Website www.kortlink.dk. Dort wird der lange Link, den deine Schüler*innen für den Zugang zum Quiz brauchen, in einen Kurzlink umgewandelt. Der Vorteil eines Kurzlinks ist, dass er sich schnell an die Tafel schreiben lässt und abgeschrieben werden kann, um den Quiz aufzurufen. Durch Klicken auf den Link wird eine neue Seite angezeigt, die so aussieht:

Den so erstellten Kurzlink (im Beispiel hier: kortlink.dk/24she) kannst du an die Tafel schreiben. Das erleichtert den Schüler*innen das Eingeben am Computer, Tablet oder Smartphone.

Wenn die Schüler*innen das Quiz öffnen, steht der Klassencode ganz oben wie in diesem Beispiel:

Die Schüler*innen dürfen den Klassencode nicht verändern. Falls beim Quizaufruf kein Klassencode angezeigt wird, kann er nachgetragen werden – du hast ihn auf der Webseite erhalten, auf der du den Quizzugang eingerichtet hast.

Um später die Antworten zum Quiz abzurufen, verwendest du diesen Link: http://www.teknologiskolen.dk/haefter/haefte-2/ Hier trägst du unter "Hent resultater" (Ergebnisse abrufen) den Klassencode und den PIN-Code ein, die du zuvor notiert hast. Durch Klicken auf den Button "Hent" (Abrufen) wird eine Excel-Datei mit anonymisierten Antworten heruntergeladen.

Vorschläge für die Unterrichtsgestaltung

Dieser Abschnitt enthält einige Beispiele dafür, wie du Heft 2 mit deiner Klasse benutzen kannst. Die Unterrichtsverläufe haben verschiedene Längen von 45, 60 und 90 Minuten.