Radioprojekt 2021

Ein simples UKW-Radio bauen zu Zeiten , wo jeder mit einem Smartphone ausgerüstet ist, das Radio, Telefon, Digicam, Navi und noch alles Mögliche mitbringt?
Ja, das geht und sogar mit Spaß, wie die Bilder zeigen. Es ist eben doch etwas Anderes, Dinge fertig zu kaufen, oder selber zu bauen. Die Schülerinnen und Schüler der Klasse E1AT (erster Durchgang 2015) hatten offenbar Freude am Bauen und dem einfachen Gerät.
Auch im Rahmen der Amateurfunk-AG bauen wir so ein Gerät.

Projektbeschreibung mit Änderungen 2021
Projekt UKW-Radio.pdf
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Das Radio - der Gerät ;-).

Einstieg zum "Gerät Radio": Wie funktioniert das eigentlich? Wie kann man sich die Arbeit der einzelnen Baugruppen vorstellen?
Der folgende Film (den es leider auf YouTube nicht mehr gibt) erklärt, wie ein Radio funktioniert, was es macht.
Lade daher das Video herunter und beantworte dann die folgenden Fragen:

Wie funktioniert eigentlich das Radio?
Die Sendung mit der Maus - Radio - YouTu
MP3 Audio Datei 41.2 MB
  1. Nenne die Bezeichnung der Wellen, auf denen Radio/Funk basiert.
  2. Erkläre den Begriff "Frequenz"
  3. Erkläre, wie sich sich die Wellenlänge (also der Abstand von "Berg zu Berg" oder "Tal zu Tal") ändert, wenn sich die Frequenz erhöht/verringert (Wenn du das noch nicht ganz verstanden hast - selber im Waschbecken oder der Badewanne ausprobieren ;-).
  4. Erkläre, was die Trägerfrequenz eigentlich "trägt".
  5. Erkläre die Funktion des zentralen "vielbeinigen" integrierten Schaltkreises (IC), der als ähnliches Muster auch in unserem Bausatz zum Einsatz kommt.
  6. Erkläre den Vorteil einer Lötverbindung gegenüber anderen elektrischen Verbindungsarten.

Die physikalischen Grundlagen: Felder und Wellen.

Zum Einstieg in die Physikalischen Grundlagen geht es um das Thema Felder und Wellen, denn ohne diese Größen gäbe es auch keine Funktechnik, kein Radio und keine Elektronik.
Hierzu passt der Einführungstext auf der Seite Physikalische Grundlagen.
Lade die pdf-Datei "felder-grundlagentext" herunter, lies sie mindestens 2x (ja, zweimal!)  durch und beantworte dann die Fragen zum Text.
Als Beitrag zur Allgemeinbildung und zur Entspannung schaue anschließend noch das Video über die "Äthertheorie" an.
Frage: Gibt's den Äther... oder nicht ... ?

Wie man sich das Gebilde "Antenne" überhaupt und die Vorgänge dort vorstellen kann (was ziemlich kompliziert ist), stellt die Animation im Wikipedia-Artikel schön dar.
Das animierte Video zum Thema Wellenausbreitung ergänzt dies noch.

Aufbau und elektronische Bauteile - eine Übersicht

Beim Zusammenbau von Bausätzen hat sich der folgende Ablauf bewährt. Daher bitte die in der  Anleitung genannten Schritte unbedingt beachten!

Wichtige Hinweise zum Aufbau - ausdrucken, lesen!
Aufbauhinweise Radio.pdf
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Beim Verlöten von elektronischen Bauteilen kann man einiges falsch machen.
Wie es richtig geht, kann man in der Beschreibung nachlesen, die bei jedem Bausatz mitgeliefert wird. Dort ist auch der Schaltplan abgebildet.

Bauanleitung, Lötanweisung
Anleitung.pdf
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Das folgenden Videos stellen die Arbeitsweise sehr gut dar:
Teil 1 - Grundlagen
Teil 2 - Löten auf Platinen, Entlöten.

Aufgabe: Fasse die wichtigsten Punkte stichpunktartig in einem Mindmap zusammen:

  • Voraussetzungen, Arbeitsmittel, Werkzeuge
  • Lötdämpfe ...?
  • Handhabung des Lötkolbens
  • Schrumpfschlauch - wozu?
  • Das Aussehen einer guten Lötstelle
  • Falsches Bauteil? Möglichkeiten zum Entlöten
  • Flussmittel - wozu?
  • ...

Der Bausatz

Der Bausatz beinhaltet folgende Teile, die auf Vollständigkeit zu prüfen sind:

  1. Gehäuse, fertig gebohrt
  2. Elektronik-Bausatz selbst
  3. Antenne
  4. Lautsprecher
  5. Batterie 9V
  6. Beutel mit Kleinmaterialien:
    Schalter mit passender Gummitülle (gelb oder rot), Drehknöpfe groß/klein mit Deckel, LED, Gewindeschraube/Mutter/U-Scheiben M3, Distanzhülse

Widerstandsbauteile

Beim Zusammenbauen begegnen uns viele verschiedene Bauelemente. Wir beginnen hier mit dem "einfachsten"Bauteil, dem Widerstand.
Schaut euch dazu das folgende Video an und beantwortet dazu die Fragen:

  1. Der Begriff Widerstand hat zwei Bedeutungen. Erkläre beide Bedeutungen.
  2. Strecken haben z.B. die Einheit m (Meter), Spannungen die Einheit V (Volt). Da das beides gerne verwechselt wird: Nenne die Einheit des elektrischen Widerstandes und das Formelzeichen (ok - das ist simpel).
  3. Notiere, nach wem diese Einheit benannt wurde.
  4. Die Bauteile einer elektronische Schaltung sind auf einer Grundplatte befestigt. Wie nennt man diese "Platte" (Fachbegriff)?
  5. Recherche im Weg oder Vorwissen:  Erkläre, was beim Verlöten von Halbleiter-Bauteilen besonders zu beachten ist.
  6. Recherche im Web oder Vorwissen: Erkläre den Unterschied zwischen "bedrahteten Bauteilen" und SMD-Bauteilen.
  7. Nenne drei Typen (Bauformen) von Widerständen.
  8. In einer Tabelle:
    Zeichne
    das Schaltzeichen von Widerstand, Kondensator, Spule, Diode, LED, Transistor und ergänze den Kennbuchstaben (die so genannten "Betriebsmittel-Kennzeichnungen").
  9. Fertig!

 

Kondensatoren und Spulen

Kondensatoren und Spulen (Induktivitäten) hängen eng mit den Themen der Felder zusammen. Das Verhalten der Bauteile wird  ausführlich im 2. Lehrjahr besprochen weshalb hier nur eine kurze Übersicht gegeben werden soll.

  • Kondensatoren sind "Bauteile des Elektrischen Feldes". In ihnen bauen sich mit steigender Spannung wachsende Elektrische Felder (E) auf.
  • Spulen sind "Bauteile des Magnetischen Feldes". In ihnen bauen sich mit steigenden Strom wachsende Magnetische Felder (B) auf.
  • Kondensator und Spule sind Energiespeicher.
    - Der Kondensator speichert Energie im E-Feld
    - Die Spule speichert Energie im B-Feld.
  • Die Kenngröße dieser "Energiespeicherfähigkeit" ist
    - Bei Kondensatoren die Kapazität
    - Bei Spulen die Induktivität.
  • Spulen und Kondensatoren sind, im Gegensatz zu ohm'schen Widerständen, Bauteile, deren Eigenschaften (z.B. der Wechselstromwiderstand) von der Frequenz abhängen.
  • Schaltet man Spule und Kondensator zusammen, so treffen zwei Energiespeicher zusammen, die Ihre Energien wechselseitig austauschen können. Das ist die Voraussetzung für ein System, dass Schwingungen erzeugen kann. Eine solche Zusammenschaltung heißt Schwingkreis, die Baugruppe zur Schwingungserzeugung nennt sich Oszillator (von oszillieren = Schwingen).
  • Der Oszillator bestimmt sowohl beim Sender als auch Empfänger die Frequenz des ausgesendete/empfangenen Signals.
  • In unserem Bausatz ist die Spule als "gedruckte Spule" in Form einer Leiterbahn auf der Platine aufgebracht und muss daher nicht aus Draht angefertigt werden.

 

Aufgabe:
Erstelle mit Hilfe des Fachkundebuches und der Tabellenbücher eine Tabelle, die Kondensator und Spule gegenüber stellt. Die Tabelle soll folgende Angaben enthalten:

  • Kurzbezeichnung der Bauteile (Abkürzung)
  • Schaltzeichen
  • Kleine Bauteilkunde: Beispiele für Bauformen (Typen,Materialien, technische Daten.
  • Einsatzbereiche von Kondensatoren und Spulen in der Elektronik. Wo kommen sie zum Einsatz und wofür?
  • Formel zur Berechnung
    - der Kapazität eines Plattenkondensators
    - der Induktivität einer Zylinderspule
    mit zwei selbst gewählten Beispielrechnungen.

Erkläre nun noch (siehe Video), wie man sich die Erzeugung von Schwingungen im LC-Schwingkreis vorstellen kann.

Dioden und Transistoren

Weitere wichtige Bauteile sind Dioden und Transistoren.
Lies die "Kurzinfo Dioden" durch ....

Eine ganz kurze Kurzinfo ;-).
Diode-Kurzinfo.pdf
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...und beantworte die folgenden drei Fragen:

  1. Was machen Dioden?
  2. Bei welcher Spannungshöhe in Vorwärtsrichtung beginnt eine Si-Diode zu leiten?
  3. Nenne drei Anwendungen von Dioden.

 

Eine seht gute animierte Erklärung zur grundlegenden Funktion findet sich hier:

Aufgaben/Fragen zum Video:

  1. Nenne die Anzahl der Transistoren, aus denen aktuelle Smartphone-Prozessoren bestehen.
  2. Erkläre, wofür Transistoren hauptsächlich verwendet werden.
  3. Aus welchem Material bestehen aktuelle Dioden und Transistoren? Wie kann man sich den Aufbau auf der Ebene der Atome vorstellen?
  4. Erkläre die Begriffe N- und P-Dotierung und welche Bedeutung sie für die Leitfähigkeit haben.
  5. Erkläre, was an der Grenze zwischen N- und P-dotiertem Silizium passiert.
    Welcher typische Spannungswert ist damit verbunden?
  6. Skizziere den Aufbau eines Transistors, ausgehend von der Diode.
  7. Erkläre den Zusammenhang zwischen Basis- und Kollektorstrom.
  8. Gib die Formel zur Berechnung der Stromverstärkung B und einen typischen Wert dafür an.
  9. Nenne die Bezeichnung des hier gezeigten Transistor-Grundtyps.
  10. Erkläre, durch welche Maßnahme sich die Verstärkung einer Schaltung weiter erhöhen lässt.

Blockschaltbild - Grundfunktionen

Was ist Modulation? Welche Modulationsarten gibt es?
Was bedeutet Mischen gegenüber Verstärken?
Wie funktioniert ganz grundlegend ein Sender und ein Empfänger?
Wo kann ich die Grundfunktionen im Schaltbild unseres Radios erkennen?

(Präsenzunterricht mit Videoübertragung)

Was ist was und wo? Den Schaltplan verstehen.
Schaltplan.pdf
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Nicht alle IC laufen bei der Bahn ...

IC (was heißt das eigentlich?) gibt es tatsächlich nach wie vor nicht nur in Form von digitalen Schaltkreisen, sondern auch mit analogem Innenleben. Zur Vereinfachung der Schaltung sind zwei integrierte analoge IC, in Form von SMD-Bauteilen, bereits auf der Platine vorbestückt - danke schön ;-)!

IC TDA 7088 - das halbe Radio
Empfängerbaustein für UKW-FM-Radio
TDA7088T.pdf
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LM 386 - Hier gibt's ein Watt auf die Ohren.
lm386.pdf
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Wiederholungsaufgaben/Aufgaben zu den IC TDA 7088 und LM 386:

Wiederholungsfragen Schluss_21.pdf
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Das leuchtet ein: LED einbauen

Als Betriebszustandsanzeige, provisorische Batterieanzeige und auch als weitere Übung statten wir das Radio noch mit einer grünen LED aus.
Völlig einfach ... aber in der Praxis dann plötzlich doch ein Problem. Wie verdrahte ich das Ding? Findet es selber heraus!
Hinweis: Es ist ja schön, wenn die LED beim Einschalten leuchtet. Das Radio sollte aber trotzdem auch noch funktionieren (-; ...

LED mit Vorwiderstand verdrahten
Ergänzungsaufgabe.pdf
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Und 'rein damit: Einbau ins Gehäuse

In den Vorjahren habt ihr die Gehäuse immer selbst vorbereitet, gebohrt. Dazu gibt es passende Bohrschablonen, die genau an die Geometrie der Platine und der Bedienelemente angepasst ist. Da auch das in diesem Jahr nicht geht, wurden die Gehäuse vorgefertigt (Danke Herr Ziegler und die 2BFM!).
Die folgende Anleitung ist dennoch wichtig, da sie den mechanischen Zusammenbau (Antenne, Batterie, LED, Schalter,...) genau darstellt. Diese Arbeitsanweisung ist unbedingt zu beachten!

Arbeitsanweisung mechanische Fertigung
AP_Gehäusebearbeitung UKW-Radio.pdf
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Zum Schluss ...

Die Geschichte des Radios. Zum Anhören, natürlich ;-)!

Und noch etwas Besonderes:
Eine kurze Ansprache (in Farbe) von Albert Einstein zur Eröffnung der Funkausstellung Berlin 1930.