Aufgabe
••• Überblick Arbeitsaufgabe

Die Gärtnerei Grünfinger möchte ihr Treibhaus in den Wintermonaten durch ein Warmluftgebläse heizen. Zur Temperaturerfassung befinden sich im Treibhaus an drei verschiedenen Stellen Temperatursensoren, welche so eingestellt sind, dass sie beim Unterschreiten von 20 Grad Celsius ein 1-Signal liefern. Das Warmluftgebläse soll nur dann eingeschaltet werden, wenn zwei der drei Sensoren eine Temperaturunterschreitung melden. Die Anlage wird von zentraler Stelle mittels Schlüsselschalter S1 ein- und ausgeschaltet und zusätzlich über den Not-Aus S0 abgesichert. Der Betrieb des Gebläses soll durch eine Meldeleuchte angezeigt werden. Sie haben mit Ihrer Firma den Auftag bekommen, die Steuerung mittels integrierter Schaltkreise der NAND-Technik zu realisieren. Verfahren Sie dazu nach dem unten beschriebenen Ablauf!

Für die Bearbeitung des gesamten WebQuests haben Sie insgesamt 7 Doppelstunden Zeit. Und nun viel Spass und Erfolg bei der Reise in die Digitaltechnik!

••• 1. Schritt: Erarbeitung der digitalen Grundfunktionen
  1. Die Kenntnis der digitalen Grundfunktionen ist Voraussetzung für den Entwurf der Schaltung. Bearbeiten Sie dazu bitte folgendes Arbeitsblatt: Digitale Grundfunktionen
  2. Alle Grundfunktionen verstanden? Gut, dann sind Sie ja bereit für drei kleine Tests. Keine Angst, sie sind nicht schwer und Spaß machen sie hoffentlich auch: 
••• 2. Schritt: Erarbeitung der Gesetze der Schaltalgebra
  1. Nun kennen Sie schon einige Funktionen, mit denen Sie die Schaltung für die Gebläsesteuerung entwickeln können. Vor dem Schaltungsentwurf müssen Sie sich nur noch mit den Gesetzen der Schaltalgebra befassen. Dies ist notwendig, um Schaltungen zu vereinfachen und ggf. umwandeln zu können. Arbeiten Sie dazu die wichtigsten Regeln auf der Seite "Boolesche Algebra" durch:
    • Kommutativgesetz
    • Assoziativgesetz
    • Distributivgesetz
    • Morgansche Regeln (1. und 2. Gesetz)
  2. Simulieren Sie nun für jedes Gesetz mit einem Programm Ihrer Wahl die jeweiligen Schaltungen und überprüfen Sie die Richtigkeit der Gesetze!
  3. Das so genannte Karnaugh-Veitch-Diagramm (KV-Diagramm) ist ein grafisches Verfahren zur Vereinfachung von Schaltfunktionen. Suchen Sie sich im Internet Beispielseiten, wo die Vorgehensweise erklärt wird! Rechnen Sie dazu ein Beispiel mit drei Variablen (= 8 Felder im KV-Diagramm) durch! Das Ergebnis können Sie nun mit Hilfe der KV-Software der Uni Karlsruhe überprüfen. Selbstverständlich können Sie dazu auch Ihr Lehr- oder Tabellenbuch zu Hilfe nehmen.
  4. Trauen Sie sich jetzt zu, Schaltungen mit den oben beschriebenen Gesetzen zu vereinfachen und umzuwandeln? Mit dem Arbeitsblatt "Schaltalgebra" können Sie Ihr Wissen checken.
••• 3.Schritt: Entwurf und Simulation der Schaltung

Entwerfen Sie nun die Schaltung für die oben beschriebene Aufgabe in Electronics Workbench oder einem vergleichbaren Programm. Gehen Sie dabei in folgender Reihenfolge vor: 
  1. Erstellen Sie die Zuordnungsliste der Ein- und Ausgänge sowie die Wertetabelle! 
  2. Lesen Sie die Funktionsgleichung aus der Wertetabelle aus!
  3. Vereinfachen Sie die Schaltung über das KV-Diagramm! Überprüfen Sie Ihr Ergebnis mit der KV-Software der Uni Karlsruhe!
  4. Da die Steuerung in NAND-Technik realisiert werden soll, müssen Sie nun die Schaltung umwandeln. Nutzen Sie dazu die Informationen, die Sie auf der Seite  "Boolesche Algebra" gefunden haben!
  5. Setzen Sie nun Ihre Schaltung mit integrierten Schaltkreisen (ICs) um! Um einen Überblick über derartige Bausteine zu bekommen, schlagen Sie bei Wikipedia den Begriff "Logikfamilie" nach. Wählen Sie die aus Ihrer Sicht geeigneten Bausteine aus und begründen Sie Ihre Entscheidung! Pinbelegungen können Sie u. a. dem eBook "Angewandte Mikroelektronik" entnehmen. 
••• 4.Schritt: Erweiterung der Schaltung (optional)
  1. Sie haben aus sicherer Quelle erfahren, dass die Gärtnerei Grünfinger bald eine Zweigstelle eröffnen möchte, für die umfangreiche Elektroarbeiten zu realisieren sind. Daher möchten Sie nun bei dem anstehenden Auftrag einen besonders guten Eindruck machen. Sie überlegen sich deshalb, wie Sie die Gebläsesteuerung sinnvoll erweitern können. Fertigen Sie dazu ein aussagekräftiges Angebot für die Gartenbaufirma an!
  2. Um den Erweiterungsauftrag ggf. schnell umsetzen zu können, entwickeln Sie bereits die dafür notwendige Schaltung. Gehen Sie dabei wie in Schritt 3 beschrieben vor! Simulieren Sie diese mit Electronics Workbench oder einem vergleichbaren Programm!
••• 5.Schritt: Dokumentation und Präsentation
  1. Dokumentieren Sie Ihre Erkenntnisse in geeigneter Form!
  2. Tauschen Sie die Dokumentation mit Ihren Kolleginnen und Kollegen aus und geben Sie sich gegenseitig ein konstruktives Feedback!
  3. Präsentieren Sie nun Ihre Ergebnisse und Ihre Vorgehensweise (maximal 15 Minuten)! Visualisieren Sie Ihren Vortrag so, dass Ihre Zuhörer/innen Ihnen leicht folgen können!

Autor: Jürgen Schlegel • eMail: jschlegel@fes-wiesbaden.de