Erklärtes Beispiel
Ein Öffner T liegt allein im Lampenweg. T = 1 heißt: T ist betätigt. Dann öffnet der Kontakt und L wird 0. Darum gilt L = ¬T.
Bei parallelen Wegen werden die vollständigen Wege mit ODER verbunden.
B04 · Name: ____________________ · Datum: __________
✓ Kurzcheckallein
Kurzcheck · Öffner und ODER
In einem parallelen Zweig liegt Öffner A, im anderen Schließer B.
Legende: A/B = 1: Schalter betätigt. Beim Öffner A bedeutet betätigt: Kontakt offen. L = 1: Lampe leuchtet.
- Stelle den Term der Schaltung auf.
- Prüfe ihn. Gezählt wird der erste vollständige Prüfversuch; Korrekturen bleiben möglich.
- Begründe in ein bis zwei Sätzen, warum das ODER hier einschließend ist.
- Vergleiche deinen Satz und stufe dich privat ein.
Das hältst du fest: geprüfter Term, Begründung und Selbsteinstufung.
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✓ FörderungalleinWiederholungscheck
Förderung und Wiederholungscheck
Einstiegsvertiefung
Wenn dein Kurzcheck sicher war: Nenne zwei Vorteile und zwei Nachteile eines mechanischen Relais gegenüber einem handbetätigten Schalter.
Wiederholungscheck für alle
Legende: T = 1: Öffner betätigt. L = 1: Lampe leuchtet.
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B04 · Der Transistor – ein Schalter ohne Hand
◉ Einstiegallein
Wie schaltet man ohne Hand?
Frühe Steuerungen nutzten Relais. In einem Prozessor müssen jedoch Milliarden Schalter sehr schnell und ohne bewegliche Teile arbeiten.
Dein Ziel heuteIch kann einen NPN-Transistor als Schalter erklären sowie UND und ODER im idealen Transistormodell skizzieren und begründen.
Das hältst du fest: eine Vermutung: Was ersetzt die Hand?
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✎ Auftrag 1zu zweit
1 · Zwei getrennte Stromkreise
Ein Taster schaltet Strom durch eine Spule. Der Elektromagnet bewegt einen Kontakt in einem getrennten Laststromkreis mit Lampe.
Legende: A = 1: Taster A betätigt. L = 1: Lampe leuchtet.
- Sage voraus, was bei A = 0 und A = 1 geschieht.
- Betätige A und beobachte Steuer- und Laststromkreis getrennt.
- Erkläre die Wirkungskette mit drei Pfeilen.
Das hältst du fest: Wirkungskette vom Taster bis zur Lampe
Werkzeug: Interaktives Relaismodell; Steuerpfad violett, Laststrompfad orange
Leichterer Einstieg
Verfolge zuerst nur den linken Steuerkreis: Batterie → Taster A → Spule → Batterie. Ergänze erst danach, was der Kontakt K im rechten Lampenkreis macht.
Gestufte Hilfen
Hinweis
Zwischen Spule und Kontakt gibt es eine mechanische Wirkung, keine elektrische Leitung.
Wortbank und Satzanfänge
Taster · Steuerstrom · Elektromagnet · Kontakt · Laststrom · Lampe
Schritt für Schritt
A betätigt → Strom durch Spule → Elektromagnet zieht Kontakt an → Lastkreis geschlossen → Lampe leuchtet.
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▣ WissenHeft
Wissen · NPN-Transistor als Schalter
Anschlüsse
Der NPN-Transistor hat Basis B, Kollektor C und Emitter E. In unserem Schaltermodell liegt der Emitter an Masse.
Steuerung
Ein kleiner Strom fließt über den Basiswiderstand zur Basis. Der Widerstand begrenzt diesen Basisstrom.
Laststrom
Die Kollektor-Emitter-Strecke ist der Weg durch den Transistor, durch den der Laststrom fließt. Mit Basisstrom lässt der Transistor dort Strom durch. Ohne Basisstrom sperrt er.
Gemeinsame Masse
Basis- und Laststromkreis teilen sich in dieser Schaltung Emitter und Masse. Beim Relais sind die beiden Kreise dagegen elektrisch getrennt.
Modellgrenze
Der echte BJT ist kein idealer Schalter. Es gibt Spannungsabfälle, Grenzwerte, Wärme und Schaltzeiten. Unser Modell zeigt nur die logische Schaltidee.
MOSFET-Wissenskarte
In Prozessoren arbeiten meist Feldeffekttransistoren. Ein MOSFET wird durch eine Spannung am Gate gesteuert. Auch er kann im Modell sperren oder Strom durchlassen.
Beschriftetes Schaltermodell
Der ganze Text zum Nachlesen
Ein NPN-Transistor hat die Anschlüsse Basis B, Kollektor C und Emitter E. Der Emitter liegt in unserem Modell an Masse. Eingang A führt über einen Basiswiderstand zur Basis. Der Basiswiderstand begrenzt den kleinen Steuerstrom. Fließt Basisstrom, lässt der Transistor Strom von C nach E durch. Die Kollektor-Emitter-Strecke ist der Weg durch den Transistor, durch den der Laststrom fließt. Ohne Basisstrom sperrt dieser Weg und die Lampe bleibt aus. Das Modell ist vereinfacht, denn echte Transistoren haben Grenzwerte, Spannungsabfälle und Schaltzeiten.
Merksatz: Basisstrom vorhanden → der Transistor lässt über C–E Strom durch. Kein Basisstrom → C–E sperrt.
Relais und Transistor vergleichen
Ein Relais ist anschaulich und trennt Steuer- und Lastkreis, aber es ist groß, langsam und verschleißt. Ein Transistor hat keine beweglichen Teile und kann sehr klein und schnell schalten.
Das hältst du fest: Anschlüsse B/C/E, Rolle des Basiswiderstands und zwei Modellgrenzen.
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✎ Auftrag 2alleinHeft
2 · Ein Transistor schaltet L
Eingang A führt über einen Basiswiderstand zur Basis. Die Lampe liegt im Laststromkreis oberhalb des NPN; der Emitter liegt an Masse.
Legende: A = 1: Basisstrom fließt. L = 1: Lampe leuchtet.
- Vergleiche A = 0 und A = 1 im T1-Modell.
- Fülle die Zweizeilentabelle.
- Erkläre getrennt Basisstrompfad und Laststrompfad.
Das hältst du fest: Tabelle L = A und eine Erklärung beider Strompfade
Werkzeug: T1 · realer Einzel-BJT, animiert
Leichterer Einstieg
Vergleiche nur A = 0 und A = 1. Suche zuerst den violetten Weg zur Basis. Prüfe danach, ob der orange Weg von +U durch Lampe und C–E bis Masse geschlossen ist.
Gestufte Hilfen
Hinweis
A steuert die Leitfähigkeit von C–E; die Lampe liegt nicht im Basisstrompfad.
Wortbank und Satzanfänge
Basiswiderstand · Basisstrom · C–E-Strecke · leitend · sperrt · Laststrom
Schritt für Schritt
A=0: kein Basisstrom → C–E sperrt → kein Laststrom. A=1: Basisstrom → der Transistor lässt über C–E Strom durch → Laststrom durch Lampe.
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✎ Auftrag 3zu zweitHeft
3 · Zwei Transistoren: UND und ODER
Vergleiche zwei Darstellungen. T2 zeigt elektrisch gesteuerte Kontakte als ideales Funktionsmodell. T3 zeigt die kursarbeitsnahe NPN-Skizze. Die Basisstromkreise fehlen dort bewusst.
Legende: A/B = 1: Der jeweilige Transistor lässt im Modell Strom über C–E durch. L = 1: Lampe leuchtet.
- Teste im T2-Modell zwei Kontakte in Reihe. Fülle die UND-Tabelle.
- Vergleiche mit T3: Der obere Emitter ist mit dem unteren Kollektor verbunden. Der untere Emitter liegt an Masse.
- Teste im T2-Modell zwei Kontakte parallel. Fülle die ODER-Tabelle.
- Vergleiche mit T3. Die Skizzen zeigen nicht den echten inneren Aufbau eines Logikgatters.
Das hältst du fest: UND- und ODER-Tabelle plus zwei beschriftete Skizzen im Heft
Werkzeug: T2 animiert und T3 statisch nebeneinander
Reihe · UND
Parallel · ODER
Leichterer Einstieg
Bearbeite zuerst nur die Reihenschaltung. Stelle A = 1 ein und vergleiche B = 0 mit B = 1. Erst wenn die UND-Tabelle fertig ist, wechselst du zur Parallelschaltung.
Gestufte Hilfen
Hinweis
T2 erklärt die Funktion; T3 übt das Erkennen der vereinfachten Transistorsymbole.
Wortbank und Satzanfänge
in Reihe · beide lassen Strom durch · parallel · mindestens einer lässt Strom durch · Basisstromkreise weggelassen
Schritt für Schritt
Reihe: Prüfe jede C–E-Strecke. Parallel: Suche mindestens einen durchlässigen Zweig. Übertrage nur diese ideale Schaltfunktion auf T3.
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✎ Auftrag 4alleinHeft
4 · Kursarbeitsnahe Erklärung
Eine Aufgabe zeigt zwei NPN-Transistoren in Reihe mit einer Lampe. Die Basisstromkreise sind nicht eingezeichnet.
Legende: A/B = 1: Der jeweilige Transistor lässt im Modell Strom über C–E durch. L = 1: Lampe leuchtet.
- Zeichne die T3-Reihenskizze beschriftet ins Heft: Lampe, C, B, E, A, B und Masse.
- Erkläre in drei bis fünf kurzen Sätzen, wann die Lampe leuchtet.
- Nenne eine Modellgrenze. Schreibe dazu, dass die Basisstromkreise fehlen.
Das hältst du fest: beschriftete Skizze und fachsprachliche Erklärung
Werkzeug: Heftskizze und Antwortfeld
Leichterer Einstieg
Nutze vier Satzanfänge: „Oben liegt …“ – „Nur wenn A und B …“ – „Bei einer 0 …“ – „Die Skizze vereinfacht, weil …“
Gestufte Hilfen
Hinweis
Die Lampe leuchtet nur, wenn beide C–E-Strecken einen durchgehenden Laststrompfad bilden.
Wortbank und Satzanfänge
oberer Emitter · unterer Kollektor · unterer Emitter an Masse · beide lassen Strom durch · vereinfachtes Modell
Schritt für Schritt
Satz 1: Aufbau. Satz 2: Fall A=B=1. Satz 3: Fall mit mindestens einer 0. Satz 4: Modellgrenze.
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✎ Auftrag 5allein
5 · Spannung am Ausgang Y
Ein Pull-up-Widerstand verbindet +U mit dem Punkt Y. Ein NPN verbindet Y bei A = 1 mit Masse. Y ist ein Spannungsausgang, keine Lampe.
Legende: A = 1: Basisstrom fließt über den Basiswiderstand; der Transistor lässt über C–E Strom durch. Y = 1: hoher Spannungsbereich gegenüber Masse. Y = 0: niedriger Spannungsbereich.
- Sage den Pegel Y für A = 0 voraus.
- Schalte A = 1 und beobachte den Laststrompfad nach Masse.
- Fülle die Tabelle und erkläre, warum der Ausgang invertiert.
- Unterscheide ausdrücklich Lampenwirkung L und Spannungspegel Y.
Das hältst du fest: Invertertabelle Y = ¬A und eine Pegelerklärung
Werkzeug: T1-Inverter mit Pegelmarke „hoch (1) / niedrig (0)“
Leichterer Einstieg
Fülle zuerst nur zwei Pfeilketten aus: A=0 → C–E sperrt → Y ____. A=1 → C–E lässt Strom nach Masse durch → Y ____. Übertrage danach die Werte in die Tabelle.
Gestufte Hilfen
Hinweis
Wenn der Transistor sperrt, zieht der Widerstand Y nach oben. Wenn er Strom durchlässt, zieht er Y nach Masse.
Wortbank und Satzanfänge
Pull-up-Widerstand · hoher Pegel · niedriger Pegel · gegenüber Masse · invertiert
Schritt für Schritt
A=0 → C–E sperrt → keine Verbindung nach Masse → Y hoch. A=1 → Strom durch C–E → Y mit Masse verbunden → Y niedrig.
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▮ Rückblickallein
Rückblick · Schalter ohne Hand
Erkläre einer Person aus deinem Kurs in vier Sätzen den Weg vom Eingang A zur Lampenwirkung L bei einem einzelnen NPN-Schalter. Nenne danach den Unterschied zum Spannungsausgang Y des Inverters.
Das hältst du fest: Vier-Satz-Erklärung und Unterschied L/Y.
Brücke: Diese Transistorschaltungen braucht man ständig. Wie kann man sie verpacken und einfacher darstellen?
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Dateinamen: B04_Nachname_Vorname_Folienheft.pdf und B04_Nachname_Vorname_Arbeitsstand.json
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◇ Knobelnzusätzlich
Knobeln · Vom NAND zum UND
Unter dem Pull-up-Widerstand liegen zwei idealisierte NPN-Schalter in Reihe. Y wird genau dann niedrig, wenn beide leiten.
Legende: A/B = 1: jeweilige C–E-Strecke leitend. Y = 1: hoher Pegel gegenüber Masse.
- Fülle die Tabelle für Y.
- Stelle den NAND-Term auf.
- Begründe, wie aus NAND durch einen zusätzlichen Inverter ein UND-Spannungsausgang entsteht.
Das hältst du fest: Tabelle, NAND-Term und Folgerung.