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Moderne Technik im Fach Natur und Technik (NuT)
Ein kurzer Streifzug durch unseren Kurs zur Digitalelektronik

Im Fach NuT müssen wir uns natürlich auch an die Verbindlichkeiten des Lehrplans halten. Dennoch gibt es Freiräume, in denen ganz gezielt faszinierende Zusammenhänge dargestellt und praktisch erprobt werden können.

So beginnen wir bereits im zweiten Halbjahr der neunten Klasse, die theoretischen Grundlagen zu erarbeiten, nach denen jeder Computer, jede selbsttätige Steuerung arbeitet. Es ist erstaunlich, dass so hochkomplexe Steuerungsanlagen wie beispielsweise eine vollautomatische Steuerung mit drei logischen Grundelementen erklärt werden können. Diese drei Grundelemente heißen UND-, OR- und NOT-Verknüpfungen. Es ist nicht schwer, diese logischen Verknüpfungen zu verstehen, und sie sind wirklich alles, was wir brauchen; sie bilden sozusagen unser Juwel und stehen deshalb fast ganz am Anfang unseres Digitalkurses.

Zu allererst müssen wir allerdings so zu denken lernen, wie es ein Computer auch tut. Er hat nur zwei Ziffern, nämlich eine Eins (1) und eine Null (0). Wobei die Eins durch einen geschlossenen Schalter und die Null durch einen geöffneten Schalter repräsentiert werden. Also müssen wir mit diesen beiden Zahlen umzugehen verstehen. Wir nennen diese Zahlen duale oder binäre Zahlen, und eine einzige solche Zahl heißt Bit (binary digit). Schreiben wir acht solcher Binärzahlen nebeneinander, so haben wir ein Byte, mehr brauchen wir nicht, tatsächlich benötigen wir fast immer nur vier Ziffern.

Zur praktischen Erprobung gibt es eine wunderbare Schaltung, die Großartiges leistet. Wir geben dieser Schaltung eine uns vertraute Dezimalziffer ein und erhalten eine binäre Ziffer, die durch vier Leuchtdioden angezeigt wird. Bei dieser praktischen Arbeit wollen wir differenzieren und den Schülern Alternativen anbieten. So können Schüler, die sich mehr zutrauen, die vier Leuchtdioden durch eine Ziffernanzeige ersetzen, sie haben dann genau die Schaltung verlötet, wie sie in der Tastatur jedes Taschenrechners zu finden ist. Oder als dritte Möglichkeit läßt sich ein elektronischer Stundenplan aufbauen, oder der Schüler kreiert eine eigene, ganz andere Schaltung.

Die drei genannten Möglichkeiten arbeiten alle mit Dioden, mit drei bis vier Dutzend. In Physik lernen wir parallel zum Technikunterricht, was eine Diode ist, nämlich ein elektrisches Ventil, entweder läßt sie Strom fließen oder sie sperrt. Anstelle von Dioden hätten wir auch richtige Ventile verwenden können, und den Strom müßten wir durch Wasser oder Druckluft ersetzen, das Ganze würde genauso funktionieren. Strom ist aber sehr viel feiner, leichter und schneller als Luft oder Wasser, und deshalb können Dioden so klein sein, das ist der entscheidende Unterschied.

Der nebenstehende Schaltplan zeigt uns an einem einfachen Beispiel, wie leicht das alles ist. Wir müssen nur den Weg verfolgen, den uns die Pfeilrichtungen der Dioden anzeigen. Wenn wir beim Pluspol losmarschieren, so wie der Strom auch, so kommen wir nur über einen geschlossenen Taster weiter zum Minuspol. Dabei leiten uns die einzelnen Dioden zu denjenigen Lampen, die bei der entsprechenden Schalterbetätigung aufleuchten sollen. Die Diode verhindert dabei aber auch, dass der Strom unkontrolliert rückwärts zu anderen Lampen fließen kann.

Wenn wir so verfahren, erkennen wir schnell:

Bei geschlossenem Schalter S1 leuchten die Lampen L1 und L2. Bei geschlossenem Schalter S2 leuchten die Lampen L2 und L3. Bei geschlossenem Schalter S3 leuchtet nur die Lampe L3. Und das war die Aufgabe, die zu lösen war.

 
Wenn wir jetzt fortschreiten, so verwenden wir keine diskreten Bausteine mehr, wie Dioden und Transistoren, sondern ICs. Das sind Bauelemente, die auf minimalster Fläche Hunderte oder Tausende von Transistoren und Dioden enthalten - absolute Meisterleistungen menschlicher Erfindungsgabe. In diesen ICs finden wir die oben genannten drei Verknüpfungen. Wir haben inzwischen gelernt, mit ihnen umzugehen. Wir können sie so hinschreiben wie in der Mathematik die Addition oder die Multiplikation, nur ist es einfacher, wir haben ja nur zwei Zahlen. Wenn wir schreiben ,,a + b", so heißt das ,,a OR b", schreiben wir ,, ab", so bedeutet es ,,a AND b". Am besten verdeutlichen wir wieder durch ein einfaches Beispiel:

Drei Personen sollen über irgend etwas abstimmen. Eine Lampe y soll anzeigen, falls eine Mehrheit zustimmt.

Zunächst schreiben wir in einer Tabelle alle Möglichkeiten auf, die es gibt, es sind acht. Dann sagen wir, eine Ja-Stimme entspricht einer ,,1", eine Nein-Stimme einer ,,0". Die Lampe y soll leuchten, falls y den Wert ,,1" hat. Die Tabelle sieht dann so aus:

 

Was wir links in der Tabelle sehen, können wir auch in Worten hinschreiben:

Die Lampe y leuchtet genau dann, wenn a und b zustimmen, oder wenn a und c zustimmen, oder wenn b und c zustimmen, oder wenn a und b und c zustimmen.

In unserer Formelsprache läßt sich das viel übersichtlicher und kürzer formulieren:

y = ab + ac + be + abc

Diese Formel läßt sich noch vereinfachen; auch dafür gibt es eine einfache Methode und wir erhalten schließlich die logische Funktion:

y = ab + ac + be.
Wenn wir die Funktionsgleichung ermittelt haben, dann ist die Schaltung schnell zusammengelötet, wir brauchen nämlich nur einen einzigen IC, und der ist weniger als ein Quadratzentimeter groß.

Nun, dieses einfache Beispiel zeigt uns etwas, wir haben zwar zwei Zahlen, aber wir müssen nicht rechnen. Wir legen uns die Sachen so geschickt zurecht, dass sie sich beinahe von selbst hinschreiben.

Doch wir wollen am Ende des zehnten Schuljahrs tatsächlich schwierige Zusammenhänge kennenlernen. Dazu benötigen wir zwei Schaltungen. Einmal eine Schaltung, die Impulse zählen kann, einen Zähler, und dann eine Schaltung, die diese Impulse erzeugt, einen Taktgenerator. Unser Zähler, den wir bauen, kann zwar nur bis sechzehn zählen, aber das reicht. Unser Impulsgenerator läßt sich mit zwei Transistoren oder mit einem kleinen IC (555) aufbauen.

Jetzt können wir einen Lottozahlen-Generator bauen.; das ist wirklich eine anspruchsvolle Sache. Wir fangen den Zufall ein und simulieren den gleichen Vorgang, der sich in einer großen Glasglocke zwischen 49 Kugeln abspielt.

Zählschaltungen sind aber längst nicht nur geeignet, um Pläsierapparate wie Würfel oder Glücksspielmaschinen zu simulieren, sie verkörpern ein Universalprinzip, nämlich dergestalt, dass sie festdefinierte Arbeitsvorgänge mit beliebiger Periodizität gleichbleibend wiederholen. So können wir mit unseren Zählschaltungen mehrere Motoren ansteuern, die sich je nach Zählerstand drehen, linksherum und rechtsherum - genauso wie ein Roboter.