Mit NPN-Transistoren ein NICHT-Gatter bauen
Übersicht
Auf einen Blick
Schlüsselbegriffe: Transistor-Logik, NPN-Transistor; Widerstände, LED, Invertierer, Boole'sche Algebra, Gatter, NICHT-Gatter
Alter: 14 – 17 Jahre
Erforderliche Kenntnisse/Fähigkeiten: Grundlagen der Elektronik, Schaltkreisdesign, Arbeiten in der virtuellen Umgebung von Tinkercad
Zeitrahmen: 1-2 Stunden, um mit Tinkercad den Schaltkreis zusammenzustellen.
Autor: Astrinos Tsoutsoudakis (GR)
Ein NPN-Transistor (mit den drei Anschlüssen Basis, Kollektor und Emitter) verhält sich wie ein elektronischer Schalter, der über die Spannung am Basis-Anschluss gesteuert wird. Ein Schaltkreis mit einem NPN-Transistor besteht in der Regel aus einer Spannungsquelle, einem den Strom begrenzenden Widerstand an der Basis, dem NPN-Transistor selbst und einer Last (z. B. einer LED mit einem Widerstand), die an den Kollektor angeschlossen ist. Der Emitter ist mit Masse verbunden.
Niedrige Eingangsspannung
Wenn an der Basis des Transistors eine niedrige Spannung (oder 0 V, LOW) anliegt, fließt kein nennenswerter Strom von der Basis zum Emitter: Der Transistor ist „ausgeschaltet“ oder im Sperrzustand. Da der Transistor zwischen Kollektor und Emitter einen offenen Stromkreis bildet, kann der Strom nicht von der Spannungsquelle über die Last zur Masse fließen. Dies führt dazu, dass die gesamte Spannung über die Last abfällt, wodurch am Ausgang eine hohe Spannung anliegt (HIGH).
Hohe Eingangsspannung
Wenn an der Basis des Transistors eine hohe Spannung (z. B. 5 V, HIGH) anliegt, fließt ein kleiner Strom von der Basis zum Emitter: Der Transistor ist „eingeschaltet“. Kollektor und Emitter werden kurzgeschlossen. Dadurch kann ein großer Strom von der Spannungsquelle über die Last zur Masse fließen. Da der Transistor nun einen sehr geringen Widerstand hat, fällt fast die gesamte Spannung über die Last ab. Dies führt dazu, dass die am Kollektor gemessene Ausgangsspannung sehr niedrig ist (LOW).
Ein NICHT-Gatter (oder Invertierer) invertiert das digitale Signal am Eingang – er kehrt es um. Wenn der Eingang EIN ist, ist der Ausgang AUS, und wenn der Eingang AUS ist, ist der Ausgang EIN. Ihr werdet dieses grundlegende Logikgatter mit einem NPN-Transistor bauen, der hier als elektronischer Schalter agiert. 
Schaltkreis eines NPN-Transistors
Symbol eines NPN-Transistors
Benötigte Materialien:
- Online-Tool: tinkercad.com
Hardware (falls der Schaltkreis tatsächlich gebaut werden soll)
| Name | Menge | Bauteil |
|---|---|---|
| Bat1 | 1 | 4 AA Batterien |
| S1 | 1 | Taster |
| R1/R3 | 2 | Widerstand 2 kΩ |
| T1 | 1 | NPN Transistor |
| D1 | 1 | Blaue LED |
Aufgaben für Lehrkräfte
- Tinkercad Classrooms installieren und Schaltpläne zur Verfügung stellen.
- Binärzahlen (Einführung in binäre Zahlen) und klassische Logikgatter (Einführung in Logikgatter) einführen
- Den Schüler*innen helfen, die elektronischen Bauteile – Transistoren, Widerstände, Taster, LED – richtig zu platzieren.
- Zu Fragen und Diskussionen ermuntern.
- Mit kurzen Quizfragen, Diskussionen oder Mini-Präsentationen überprüfen, was die Schüler*innen verstanden haben.
Aufgaben für Schüler*innen
- Grundlagen der Elektronik erlernen.
- Den Schaltplan mit Tinkercad erstellen.
- Die Vorgehensweise dokumentieren und Ergebnisse präsentieren.
- Kreativ über Verbesserungsvorschläge nachdenken.
Hier können Sie die Tinkercad‑Simulation zur eigenen Nutzung aufrufen.
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