Erfinderkiste – ein Logikspiel

Für unsere Kinder habe ich ein Logikspiel gebaut, welches „Erfinderkiste“ heißt und mit allem Zubehör in einer recht kompakten Holzkiste verstaut ist. Es beherbergt 21 kleine Holzklötzchen, in die verschiedene elektronische Schaltungen eingelassen sind, zudem Leitungen mit passenden Steckern und eine Schaltkonsole. Mit den Logikbausteinen lassen sich nach einem einfachen Regelschema eine großen Vielfalt an Erfindungen verwirklichen.

Das Spiel ist trotz der elektronischen Basis und der zu steckenden Leitungen kein Elektronikspiel, sondern ein Logikspiel. Es werden weder Elektronikkenntnisse benötigt noch vermittelt.

In dem recht ausführlichen Artikel erkläre ich euch, wie ich das Spiel gebaut habe, wie ihr es nachbauen könnt, wie es gespielt wird und führe es am Ende auch in einem Video vor.

Einleitung

Zuerst war die Kiste und nichts als die Kiste. Meine Frau hatte sie übrig und fragte mich, ob dafür noch Verwendung sei.


In dieser Kiste waren bereits drei verschieden große Fächer.


Hirnwindungen sind ja unergründlich, aber die Kiste lag nicht lange herum und schon war die Idee geboren und nahm vorerst im Kopf Gestalt an.

Bevor ich das Konzept und die Spielregel erkläre, muss ich erst den Aufbau zeigen, damit bekannt ist, was alles in der Erfinderkiste vorhanden ist.

Die Holzklötze

Ein superkompaktes Logikspiel sollte es werden. In jedem Klotz soll ein elektronisches Bauteil oder gar komplette Schaltungen untergebracht sein. Alles muss sehr robust ausgelegt sein. Kurzschlüsse und auch eine gewisse mechanische Beanspruchung seitens der Kinder muss das Spiel schadlos wegstecken.

Die Klötze werden jeweils mit Anschlussbuchsen versehen und können dann mit Leitungen verbunden werden. Hierbei wird nicht die elektrische, sondern eine logische Verbindung hervorgehoben. Die Buchsen haben zum einfachen Verständnis verschiedene Farben:

  • Grün: Eingang
  • Rot: Ausgang
  • Schwarz: Massebezug

Auf die Regeln dazu gehe ich später ein.

Zunächst stellte ich eine Liste mit gewünschten Funktionen für die Klötze auf. Außerdem bestimmten die Größe des größten Fachs in der Kiste, sowie die kleinste herstellbare Klötzchengröße die Anzahl der Holzklötze: 21 Stück sollten es werden.


Hier liegen die 21 Klötzchen, welche ich gemäß meiner Liste bereits nummeriert habe, da die Bearbeitung sich für die jeweiligen Klötzchen fortan leicht unterscheidet. Es gibt nur Nummern bis 19, weil es zwei verschiedene Klötzchen jeweils doppelt geben soll. Die Oberfläche der Klötzchen ist je 30×34 mm² groß.


Zunächst habe ich je zwei Bohrungen gesetzt, an denen später eine Bodenplatte angeschraubt werden soll. Mit solchen Schablonen, wie dem hier angelegten Holzstück habe ich dabei ständig gearbeitet und viel Zeit gespart.


Dann habe ich weitere Löcher gebohrt, die später zu einem großen Innenhohlraum aufgefräst werden sollen.


Die Löcher sind nicht in allen Klötzen gleich.


Mit einem noch größeren Bohrer habe ich die Löcher geweitet.


Zwei Klötze habe ich dabei beschädigt. Da ich noch mehr Holz hatte, habe ich neue angefertigt und diese hier entsorgt.


Im nächsten Arbeitsschritt habe ich einen Flachfräser in die Standbohrmaschine eingespannt und die Klötze gemäß ihres zukünftigen Verwendungszwecks ausgehöhlt.


Auf der Oberseite erhielten die meisten Klötze individuelle Aussparungen. Das meiste davon ist mit der Bohrmaschinen und Schlüsselfeilen hergestellt worden.



Weil die Klötze später lackiert werden sollen, weil das Holz sonst nicht lange schön aussehen würde, habe ich die Oberfläche abgeschliffen.


Aus alten Bilderrahmenrückwänden habe ich diese 21 Bodenplättchen gesägt, mit denen die Klötze später auf der Unterseite verschlossen werden.


In den Bodenplatten habe ich passende Bohrungen und Senkungen vorgenommen.


Die Bodenplatten waren bis hierher absichtlich etwas zu groß. Ich habe sie nun ebenfalls nummeriert, dann an die passenden Klötzchen angeschraubt und schließlich mit dem Bandschleifer auf die Größe der Klötzchen abgeschliffen, sowie die Kanten gerundet.


Dann wurden die Klötzchen lackiert.


Für die Aufkleber zur Beschriftung der Anschlüsse habe ich mit einem Flachfräser etwa 0,5 mm tiefe Fräsungen vorgenommen.


Als Steckverbinder sollen Zwergstecker zum Einsatz kommen. Wie sich später gezeigt hat, waren die nicht die beste Wahl, weil sie nach einigen Steckzyklen zu leichtgängig werden und manchmal schlechten Kontakt haben. Die Stecker müssen dann jedes Mal wieder aufgespreizt werden, damit sie in den Buchsen wieder guten Halt haben. Ein besseres Stecksystem habe ich aber leider nicht gefunden. Die Stecker müssen nämlich kompakt, preiswert und kaskadierbar sein, d.h. es müssen mehrere Stecker an einer Anschlussbuchse ansteckbar sein. Zudem müssen die Steckkräfte für den Kinderbetrieb gering sein. Hier im Foto sieht man zwei solche Buchsen, eine komplett und eine demontiert.


Die Beschriftungsaufkleber habe ich aus Papier und doppelseitigem Klebeband hergestellt.


Klotz Nr. 1: Lampe, gibt es doppelt

Zwei Klötze habe ich mit einfachen LEDs plus Vorwiderstand versehen. Es handelt sich um 10 mm breite LEDs in rot und weiß.

Die LEDs sind mit Heißkleber eingeklebt und direkt an den Anschlussbuchsen angelötet.



So sieht der fertige Klotz aus. Nur der Aufkleber in der Fräsung an der Oberseite fehlt noch.


Klotz Nr. 2: Zauberlampe

Die Zauberlampe ist eine LED mit automatischem Farbwechsel. Das ist keine großartige Funktion, aber hier habe ich an die kleineren Kinder gedacht, die das sicher faszinierend finden werden. Der Aufbau unterscheidet sich nicht vom eben gezeigten Klotz Nr. 1.



Klotz Nr. 3: Rot-Grün-Lampe

Noch ein weiteres Klötzchen ist mit Beleuchtung ausgestattet. Hier kommt aber eine Zweifarb-LED zum Einsatz. Je nachdem, welchen Eingang man verwendet, leuchtet die LED grün, rot oder in der Mischfarbe gelb.


So sieht der fertige Klotz mitsamt Aufklebern aus.


Klotz Nr. 4: Blaulicht

Dieser Klotz enthält einen Wechselblinker oder auch astabile Kippstufe genannt. Wenn es wie hier nur eine grüne Anschlussbuchse und nicht mehrere gibt, habe ich keinen Aufkleber als Beschriftung vorgesehen, weil die Bedeutung dann immer ist, dass der Klotz hiermit eingeschaltet wird. Zudem enthält der Klotz zwei Ausgänge, die ebenfalls im Wechsel geschaltet werden. Somit kann die Kippstufe auch andere Funktionen steuern.

Nachfolgend ist der Schaltplan der in diesem Klotz befindlichen Elektronik zu sehen (Anklicken zum Vergrößern).

Der Klotz hat einen etwas größeren Innenraum und Aussparungen für vier Buchsen und zwei LEDs.


Und hier ist die oben gezeigte Elektronik eingebaut. Ich habe die Bauteile einfach zu einem Klumpen zusammen gelötet. Später ist alles gegen Zugriff geschützt und gefährliche Spannungen gibt es im System ohnehin nicht.


Der fertige Klotz.


Klotz Nr. 5: Ampel automatisch

Die automatische Ampel ist schon recht unübersichtlich. Es handelt sich um eine Ampel mit bereits integrierter Steuerungslogik. Sobald man den Versorgungseingang mit dem Batteriesymbol und den Massebezug anschließt, startet die Ampel. Sie wechselt automatisch alle 20 Sekunden von rot über rot-gelb auf grün und später wieder zurück. Der schwarze Punkt hinter der Ampel ist ein integrierter Taster, mit dem die Ampel jederzeit sofort umgeschaltet werden kann. Der obere Eingang mit dem Taster-drück-Symbol hat denselben Zweck. Hier kann die Ampel aus der Ferne sofort umgeschaltet werden. Sobald dieser Umschalteingang betätigt wird, wird die Zeitsteuerung abgeschaltet und die Ampel kann dann ausschließlich ferngesteuert werden. Die drei Ausgänge sind jeweils aktiv, wenn die entsprechende Farbe leuchtet.

Nachfolgend ist der Schaltplan zu sehen.

Auch dieser Klotz ist recht gut ausgefüllt. Wie man sieht, kamen sogar SMT-Bauteile zum Einsatz.


Der fertige Ampel-Klotz.


Klotz Nr. 6: Ampel (passiv)

Es gibt diese weitere Ampel, die jedoch passiv funktioniert. Hier ist keine Steuerung enthalten. Stattdessen handelt es sich lediglich um drei LEDs mit jeweiligen Vorwiderständen.



Klotz Nr. 7: Drei Schalter

Dieser Klotz beinhaltet drei Schiebeschalter. Damit können die linken Eingänge jeweils mit den rechten Ausgängen verbunden oder getrennt werden.



Klotz Nr. 8: Warnlampe

Mein Sohn war zu der Zeit, als ich die Erfinderkiste baute, sehr an Warnschildern interessiert. Z.B. hat er solche Symbole aus meinen alten Reichelt-Katalogen ausgeschnitten ;)

Also musste auch ein leuchtendes Warndreieck in der Erfinderkiste enthalten sein.

Hierfür habe ich einen Klotz mit einem dreieckigen Ausschnitt versehen, ein passendes Plexiglasstück zurechtgefeilt und einen farbigen Aufkleber eingebaut.


Innen ist eine helle weiße LED platziert, die den Aufkleber aus möglichst großem Abstand beleuchtet, damit die Leuchtfläche schön homogen angestrahlt wird.



Klotz Nr. 9: Wippschalter

Hierzu kann man nicht viel sagen. Ich habe einen einfachen Wippschalter eingebaut.





Klotz Nr. 10: Taster

In diesen Klotz ist ein Taster integriert. Der Taster hat jedoch die Besonderheit, dass er als Wechsler fungiert, also einen Ruhekontakt und einen Arbeitskontakt hat. Darum kann der Klotz mit zwei Ausgängen versehen werden. Der obere Ausgang ist aktiv, wenn der Taster gedrückt ist und der untere Ausgang, wenn der Taster losgelassen ist.




Klotz Nr. 11: Tongenerator

Dieser Klotz enthält einen Tongenerator. Er kann drei verschiedene Töne erzeugen. Der obere Eingang lässt ein Martinshorn ertönen, der mittlere eine auf- und wieder abschwellende Frequenz, wie eine Alarmanlage, und der untere Eingang erzeut einen Piepton. Martinshorn und Alarmanlage ertönen solange die Eingänge aktiv sind. Der Piepton ertönt nur einmalig. Er ist gut geeignet, um Flanken, also Einschaltvorgänge, zu signalisieren. Nachfolgend ist der Schaltplan zu sehen.



Klotz Nr. 12: Zähler, gibt es doppelt

Jetzt kommen wir mal langsam zu den etwas komplexeren Klötzen, die nicht nur einfache Lampen und Schalter enthalten. Hier gibt es in doppelter Ausführung einen Zähler. Dieser Klotz enthält eine einstellige Ziffernanzeige. Sobald der Versorgungseingang mit Batteriesymbol aktiv ist, leuchtet die Anzeige auf. Mit Pulsen auf die Plus- und Minuseingänge kann der Zähler betätigt werden. Am roten Ausgang werden Überläufe ausgegeben. Wird der Überlauf eines Zählers auf den Inkrementeingang (Plussymbol) des anderen Zählers geschaltet, kann man ein mehrstelliges Zählwerk bauen. Nachfolgend ist der Schaltplan zu sehen (Anklicken zum Vergrößern).



Klotz Nr. 13: Lichtschranke 1 (Sender)

Definitiv spannend für die Kinder ist die Lichtschranke. Dabei handelt es sich um ein Paar aus diesem Senderklotz und einem Empfänger (nachfolgend). Diese können aufeinander ausgerichtet platziert werden. Der Sender kann lediglich eingeschaltet werden. Der Zustand wird über eine kleine Leuchtdiode signalisiert. Nachfolgend ist der Schaltplan zu sehen. Die enthaltene Infrarotleuchtdiode wird mithilfe eines klassischen TLC555-Chips gepulst betrieben. Darauf kann der Empfänger reagieren und das Infrarotlicht der Lichtschranke somit von anderen Infrarotlichtquellen, wie z.B. dem Sonnenlicht, unterscheiden.

Den Aufbau mit der Infrarotleuchtdiode habe ich aus einer Ventilkappe von einem Fahrradschlauch und einer Kunststoffdistanzhülse hergestellt.



Der Sender sendet das unsichtbare Licht zur rechten Seite des Klotzes aus, während der Empfänger es von der linken Seite aus empfängt.


Klotz Nr. 14: Lichtschranke 2 (Empfänger)

Und hier folgt nun der Empfänger der Lichtschranke. Der Klotz enthält einen Eingang zur Inbetriebnahme. Der obere Ausgang ist bei nicht-unterbrochener Lichtschranke aktiv und der untere bei unterbrochener Lichtschranke. Beide Ausgänge verfügen über eine Kontroll-LED.

Nachfolgend ist der Schaltplan zu sehen.



Klotz Nr. 15: Helligkeitssensor

Dieser Klotz lässt ebenfalls sehr spannende Experimente zu, weil er das Umgebungslicht wahrnimmt. Unter der mittig eingelassenen Hülse sitzt ein Helligkeitssensor. Die Ausgänge sind dann bei einem jeweiligen Lichtlevel aktiv: Bei Nacht oder Dämmerung ist der untere Ausgang mit Mondsymbol aktiv und bei Tageslicht der mittlere mit Sonnensymbol. Wird der Sensor dagegen aktiv beleuchtet, nimmt er noch mehr Licht wahr und aktiviert den oberen Ausgang.

Nachfolgend ist der Schaltplan zu sehen.




Klotz Nr. 16: Frequenzgenerator

Der Frequenzgenerator hilft bei vielen Aufgabenstellungen weiter. Es ist eine einfache TLC555-Schaltung, die eine Rechteckfrequenz mit einstellbarer Rate erzeugt. Der Ausgang gibt also ein „Blinken“ aus. Die kleine Kontroll-LED zeigt dabei wieder den Zustand an.

Nachfolgend ist der Schaltplan zu sehen.




Klotz Nr. 17: Temperatursensor

Dieser Klotz erfasst die Temperatur und gibt sie – ähnlich wie beim Helligkeitssensor – in drei Leveln aus. Der Sensor ist jedoch nicht im Klotz eingebaut. Stattdessen ist mittig eine spezielle Buchse eingebaut, an der ein kabelgebundener Temperatursensor angeschlossen werden kann. Somit können die Kinder z.B. die Temperatur in einem Wasserglas oder an anderen warmen und kalten Gegenständen erfassen.

Die drei Level sind hier so ausgelegt, dass Kinder sie auch leicht erreichen können. Der untere Ausgang mit Eissymbol steht für „kalt“ und wird bei Temperaturen unter 17 °C aktiv. Das kann z.B. erreicht werden, wenn der Sensor in ein Wasserglas mit frischem Leitungswasser gehängt wird. Der mittlere Ausgang mit Sonnensymbol steht für „warm“ und gibt Temperaturen von ca. 18…31 °C aus. Der obere Ausgang mit Feuersymbol steht für „heiß“ und wird bei Temperaturen ab 32 °C aktiv. Das kann man z.B. durch Anhauchen des Sensors erreichen oder indem man den eigenen Körper an einer warmen Stelle berührt.

So sieht der Schaltplan aus.



Vom Temperatursensor fehlt mir gerade ein Foto. Es handelt sich um ein Stück Leitung mit einem Klinkenstecker an der einen Seite und einem NTC an der anderen Seite. Dessen Widerstandswert ist oben im Schaltplan eingezeichnet.

Klotz Nr. 18: Merker

Einer der wichtigsten Klötze für komplexere Logikschaltungen ist der Merker. Aus elektrischer Sicht ist ein diskretes Flipflop mit definiertem Initialisierungszustand enthalten. Das muss der Spieler aber nicht wissen. Der Klotz kann sich eine zweiwertige Information merken, also so etwas wie an oder aus, heiß oder kalt, irgendetwas ist passiert oder noch nicht, oder was auch sonst man gerne zuweisen möchte. Zum Betrieb muss der Versorgungseingang mit Batteriesymbol aktiviert werden. Links sieht man zwei Eingänge mit einem Kopfsymbol. Der obere Eingang zeigt einen Kopf mit einem enthaltenen Gehirn. Mit diesem Eingang soll der Merker sich etwas merken. Der mittlere Eingang zeigt einen Kopf ohne Gehirn und stattdessen mit einem ‚X‘. Das ist der Löscheingang, also der Klotz soll die Information wieder vergessen. Die Ausgänge geben an, ob der Merker sich etwas gemerkt hat – Kopf mit Gehirn – oder nicht – Hohlkopf ohne Gehirn. Wie üblich haben die Ausgänge auch hier wieder Kontroll-LEDs.

Nachfolgend ist der Schaltplan zu sehen.



Klotz Nr. 19: Effektgenerator

Der Effektgenerator vereint ein paar praktische Funktionen in einem Klotz. Sobald er über den grünen Eingang aktiviert wurde, gibt der Klotz gleichzeitig auf allen Ausgängen unterschiedliche Muster aus. Der obere Ausgang mit Blitzsymbol erzeugt eine Art Gewitter, d.h. unregelmäßiges Blitzen, auch Doppelblitze. Der mittlere Ausgang mit Würfelsymbol ist ein Zufallsgenerator. Er schaltet recht selten, im Mittel alle 30 Sekunden in zufälligen Zeitabständen. Damit kann man z.B. Spiele bauen, die sich unvorhersehbar verhalten. Der untere Ausgang mit dem Uhr-1-Min-Symbol gibt genau jede Minute einen Puls aus. Nachfolgend ist der Schaltplan zu sehen.



Die Kiste

Die Kiste enthält also drei Fächer. In dem großen Fach sollen die Klötze untergebracht werden. In dem langen unteren Fach werden die Leitungen verstaut und in dem rechten Fach soll die Konsole eingebaut werden.


Zunächst habe ich ein Stück Holz in der Größe des rechten Fachs zugeschnitten.


Mit einem Fräser in der Standbohrmaschine und einem Kreuztisch habe ich eine Kante abgetragen und eine Ecke rundgefräst.



Danach habe ich die Ausschnitte für die Bedien- und Anzeigekomponenten angelegt.


Weil ich ein altes Drehspulmessinstrument herumliegen hatte und das für Kinder sicher interessant zu beobachten ist, habe ich es ebenfalls integriert und werde damit den Stromfluss visualisieren.


Die Skala des Drehspulinstruments passt nicht für den vorgesehenen Zweck. Darum habe ich das Drehspulinstrument geöffnet.


Der Lack auf dem Zeiger war größtenteils abgeblättert. Mit Nagellack habe ich ihn neu lackiert.


Hier sieht man die eigene Skala, die ich eingesetzt habe. Die Skala ist absichtlich nicht linear (Abstand von 0 zu 50 größer als von 50 zu 100, usw.), damit man kleine Stromflüsse besser visualisieren kann. Die Kompensation der Nichtlinearität kann ja nachher per Software leicht umgesetzt werden.


Hier sieht man, wie ich die Konsolenfrontplatte an der Kiste befestigen möchte. Da Akkus aber keine Ladeschaltung in dem Fach untergebracht sind, soll man die Konsole leicht wieder öffnen können. Also sind an der Stirnseite oben zwei Schrauben in die Frontplatte eingelassen, die etwas hervorstehen und in passende Bohrungen an der Kiste eingeführt werden. Anschließend kann die Frontplatte mit einer einzigen Schraube an der Unterseite stabil befestigt werden.


Dann habe ich auch die Frontplatte lackiert.


Hier sind alle Komponenten eingebaut. Rechts neben dem Drehspulmessinstrument kann man eine kleine weiße LED erkennen, die durch das transparente Gehäuse in das Zeigerinstrument hineinleuchtet.


Auf der Rückseite der Kiste habe ich eine Aussparung für die Hohlsteckerbuchse gefertigt.


Unter diesem erläuternden Textblock sieht man nun den Schaltplan für die Konsolenelektronik (Anklicken zum Vergrößern!).

  • Oben links sieht man die Einspeisung der Spannung. Dort gibt es einen Schalter (SW2) zur Auswahl, ob man per Steckernetzteil oder per Batterie speist und einen Hauptschalter (SW3).
  • Oben mittig ist der Spannungsregler (U3) zu sehen, der ein Step-Up-Down-Schaltregler ist. Er erzeugt immer 3,3V, auch wenn die Spannung der Batterien bereits unterhalb dieser Spannung liegt. Außerdem verfügt er über einen Shutdown-Eingang („SHDN“), mit dem der Regler deaktiviert werden kann.
  • Rechts neben dem Spannungsregler liegt in Reihe dazu ein Feldeffekttransistor (Q7), der als Aktivierung dient. Mit diesem kann die Versorgung der Klötze abgeschaltet werden, während die Konsole aber weiterhin mit Spannung versorgt ist.
  • Rechts davon in Serie gibt es eine Multifuse (F1) als zusätzliches Sicherungselement.
  • Oben rechts ist die Spannungsausgabe für die Klötze zu sehen. Der Anschluss (P2) ist in der Kiste mit drei roten und drei schwarzen Buchsen realisiert.
  • Der Rückstrom muss über einen Shunt (R20), also einen geringen Widerstand fließen. Dabei entsteht eine geringe Spannung, die ein Analog-Digital-Wandler im Microcontroller (IC1) messen kann. Damit kennt der Microcontroller den gesamten Stromfluss. Sollte der Stromfluss zu hoch sein, z.B. wenn jemand einen Kurzschluss steckt, kann der Microcontroller innerhalb von Mikrosekunden über die Aktivierung an Q7 die Spannung wegschalten.
  • Auf der linken Seite in mittlerer Höhe ist ein Schaltungsteil zu sehen, der eine schwache Batterie erkennen kann. Sobald die Spannung der Batterien unter einen bestimmten Wert sinkt, bedient dieser Schaltungsteil den Shutdown-Eingang des Spannungsreglers (U3) und verhindert damit, dass die Batterien (Akkus) tiefentladen werden können. Eine LED (D2) signalisiert das, jedoch läuft sie mit sehr geringem Strom.
  • Unten links ist ein Fehlermerker als diskretes FlipFlop realisiert. Der Microcontroller (IC1) kann diesen Fehlermerker setzen, worauf hin dieser jedoch den Shutdown-Eingang des Spannungsreglers (U3) bedient, was auch den Microcontroller abschaltet. Dies dient dazu, weil bei einem gesteckten Kurzschluss auch der Microcontroller verhungern kann und möglicherweise in einen undefinierten Zustand käme. So wird aber der Microcontroller im Fehlerfall mit abgeschaltet. Das FlipFlop selbst wird hochohmig direkt durch die Batterie gespeist und bleibt daher in seinem Zustand stehen, wenn der Rest abgeschaltet wird. Eine rote Blink-LED (D3) zeigt diesen Zustand an. Durch Betätigen der Reset-Taste (SW1) kann das Flipflop wieder umgekippt werden und die Elektronik wird wieder hochgefahren.
  • Rechts unter dem Microcontroller sehen wir noch einen Pieper (SP1), eine Spannungsreferenz (U4) für die Analogmessung, den Anschluss des Drehspulmessinstruments (M1) und die zugehörige weiße LED (D6).

Weil in die Konsole auch die Batterien eingebaut werden sollen, hat die Leiterplatte diese Form bekommen, um möglichst den gesamten restlichen Platz auszunutzen. Das Holzstück mit der gleichen Grundfläche habe ich zur Befestigung der Leiterplatte hergestellt.


In das Befestigungsholz habe ich Schrauben gesteckt und es dann am Boden des Konsolenfachs festgeklebt. Somit brauche ich die Kiste nicht durchbohren und sie bleibt von außen ansehnlich.


Mit einem Stück Holz habe ich die Halterung angepresst, während der Holzleim trocknete.


Die Platine habe ich mit allen Bauteilen aus dem eben gezeigten Schaltplan bestückt.


So sieht die Rückseite aus.


Dann habe ich die vier Batterien, die in zwei Doppelbatteriehaltern untergebracht sind, und die Komponenten im Deckel der Konsole an die Platine angelötet. Alle Leitungen sind so lang, dass man den Deckel später ungehindert aufklappen kann.


Die beiden Batteriepacks sind seitlich verstaut. Es ist so eng, dass sie sich nicht bewegen können. Da klappert nichts.


Hier ist die Konsole verschlossen und bereits eingeschaltet. Die grüne LED signalisiert, dass die roten und schwarzen Anschlüsse aktiv sind. Man sieht auch die Beleuchtung des Drehspulinstruments.


Weiter geht es mit dem Deckel. Zunächst habe ich den Aufkleber entfernt. Dann habe ich drei Leisten und eine Platte zugesägt. Die später sichtbaren Enden der Leisten und die Holzplatte habe ich lackiert.


Das habe ich dann alles in den Deckel eingeleimt und damit eine Tasche für ein Heft mit Aufgabenstellungen geschaffen. Dieser kleine lackierte Holzknubbel, den ich ebenfalls in den Deckel eingeklebt habe, bedient den Hauptschalter auf der ‚0‘-Seite, wenn man die Box schließt. Es ist somit nicht möglich, die Box zu verschließen und sie eingeschaltet zurückzulassen. Das wird im Video unten auch nochmal gezeigt.


Einen dieser Möbelrutscher habe ich in Viertelkreise zerschnitten und auf der Unterseite der Kiste angebracht. Ich wollte, dass die Rutscher bis in die Ecken der Box ragen, damit die Box beim Abstellen über eine Ecke keine Dellen auf Tische macht.



Weiterhin habe ich einen Satz Leitungen verschiedener Längen angefertigt. Die Menge reicht auch für größere Aufbauten. Die oberen Leitungen sind im Foto umgefaltet, also besonders lang. Übrigens haben sich die Leitungen als nicht sehr haltbar gezeigt, weil sie beim Spielen direkt hinter den Steckern abgebrochen sind, in relativ kurzer Zeit. Also habe ich später Aderendhülsen auf die Leitungen gequetscht und diese in die Stecker montiert. Das hält sehr gut. Im Video unten kann man die modifizierten Leitungen sehen.


Fertig

Jetzt ist die Kiste komplett.


Im Deckel ist nun das Heft mit Aufgabenstellungen untergebracht. Das will ich einmal genauer zeigen.


Man kann das Heft nach rechts aus der Tasche ziehen.


Es enthält viele Aufgabenstellungen in vier Schwierigkeitsstufen. Stufe 1 ist für kleine Kinder von z.B. 3 Jahren. Stufe 4 ist selbst für Erwachsene anspruchsvoll.

Hier zeige ich je eine Beispielaufgabe aus jedem Level. Im Level 1 „Für kleine Erfinder“ lernt man die Funktionen der einfacheren Bausteine kennen und baut Schaltungen aus höchstens zwei bis drei Klötzen. Meist sind das – so wie hier – sogar nur statische Schaltungen, die ganz ohne Bedingungen auskommen.


In Level 2 „Für Erfinder“ kommen bereits einfache bedingte Schaltungen vor. Hier soll z.B. ein Thermometerklotz mit dem passiven Ampelklotz verbunden werden. Somit kann die Temperatur sichtbar angezeigt werden.


Level 3 „Für Meistererfinder“ ist schon anspruchsvoll für Kinder. Diese Stoppuhr, die auch nachfolgend im Artikel und im Video unten vorgeführt wird, erfordert schon einige Klötze und man muss sich Gedanken machen, wie eine Stoppuhr eigentlich funktioniert.


Schließlich gibt es das Level 4 „Für Genies“, in dem die schwierigsten Aufgaben, die mir eingefallen sind, untergebracht sind. Auch diesen Geschwindigkeitsblitzer führe ich nachfolgend im Artikel und im Video vor.


Hier sieht man ein schönes Gruppenfoto aller Klötze.


Die Spielregel

Die Spielregel ist nun nicht als eine elektrische, sondern logische Verbindungsanweisung ausgelegt und außerdem so einfach, dass selbst 4-jährige Kinder das verstehen:

  • Schwarz darf nur mit schwarz verbunden werden!
  • Grün kann immer an rot angeschlossen werden!

Das war’s! Verständlich wird es aber, wenn man den Kindern folgendes Vorgehen erklärt: Ich gehe immer von einer grünen Buchse aus und frage „Wann soll das funktionieren?“. Die Antwort kann jeder rote Anschluss geben. Beispiele? Bitteschön:

  • „Wann soll der Zählerklotz hochzählen?“„Wenn die Lichtschranke unterbrochen wird“
  • „Wann soll der Tongenerator piepen?“„Wenn der Taster gedrückt wird“
  • „Wann soll das Warnsymbol leuchten?“„Immer“ (dann direkt an die roten Buchsen der Konsole anschließen)

Hier folgt noch ein bildliches Beispiel. Es geht darum, wann die weiße Lampe auf der rechten Seite leuchten soll. Folgende nummerierte Verbindungsmöglichkeiten sind angedeutet:

  1. Die weiße Lampe soll immer leuchten, also Anschluss an die Konsole.
  2. Die weiße Lampe soll leuchten, wenn der Wippschalter eingeschaltet ist.
  3. Die weiße Lampe soll leuchten, wenn der Temperatursensor eine niedrige Temperatur feststellt.
  4. Die weiße Lampe soll leuchten, wenn der Zähler einen Überlauf erfährt, d.h. wenn er zuvor bis 9 gezählt hat und nochmals inkrementiert wurde.

Im nächsten Bild sehen wir ein Beispiel für eine bedingte Schaltung. Die Rot-Grün-Lampe soll bedingt rot oder grün leuchten. Dazu wurden folgende Fragen gestellt und beantwortet:

  • „Wann soll die Rot-Grün-Lampe rot leuchten?“„Wenn der Taster gedrückt ist.“
  • „Wann soll die Rot-Grün-Lampe grün leuchten?“„Wenn der Taster losgelassen ist.“
  • „Wann soll der Taster bedienbar sein?“„Immer.“

Im unten folgenden Video kann man sich die Funktion dieses Beispiels und auch der nachfolgenden Beispiele ansehen.

Im nachfolgenden Beispiel ist sichtbar, dass mehrere Klötze mit ihren Eingängen gemeinsam an einen Ausgang eines Klotzes geschaltet werden können. Die Zwergstecker an den Leitungen erlauben, weitere Stecker quer einzustecken. Im Beispiel folgt auf jedes Blinken des Frequenzgenerators, dass sowohl der Zähler hochzählt, als auch dass die Warnlampe mitblinkt. Ich mache hier nochmal das Frage-Antwort-Spielchen:

  • „Wann soll der Frequenzgenerator aktiv sein?“„Immer.“
  • „Wann soll der Zähler eingeschaltet sein?“„Immer.“
  • „Wann soll die Warnlampe leuchten?“„Wenn der Frequenzgenerator blinkt.“
  • „Wann soll der Zähler hochzählen?“„Wenn der Frequenzgenerator blinkt.“

Jetzt zeige ich, dass es umgekehrt auch möglich ist, einen Eingang an mehrere Ausgänge anzuschließen. Der Eingang wird immer dann bedient, wenn mindestens einer der angeschlossenen Ausgänge aktiv ist. Das Frage-Antwort-Spiel in diesem Beispiel würde lauten:

  • „Wann soll die rote Lampe leuchten?“„Wenn die Ampel gerade auf rot steht ODER/UND wenn der Frequenzgenerator blinkt“.

Daraus resultiert, dass die rote Lampe also dauerhaft leuchtet, solange die Ampel rot ist und ansonsten blinkt.

Elektrisch gesehen wären gegeneinandergeschaltete Ausgänge mit unterschiedlichen Zuständen problematisch. Da ich aber in jeden Ausgang die folgende Treiberstufe integriert habe, ist die Oder-Verschaltung möglich, weil sich dieser Ausganstreiber nicht rückwärts speisen lässt. Ich habe dazu zwei Feldeffekttransistoren mit den Source-Seiten gegeneinander verschaltet. Somit ist kein Stromfluss vom Ausgang in die Schaltung möglich.

Beispiel: Ampel mit Nachtschaltung

Kommen wir nun zum ersten Beispiel, das auch einen echten Anwendungsbezug hat. Hier ist eine Ampel mit automatischer Nachtschaltung aufgebaut worden. Am Tag soll die Ampel normal funktionieren. Nachts soll sie nur gelb blinken.

Zur Lösung der Aufgabe soll die passive Ampel (unten rechts, „Ampel“) dienen. Zunächst gibt es den Helligkeitssensor. Er ist immer in Betrieb. Am Tag aktiviert er den Klotz „Ampel automatisch“. Das Licht der automatischen Ampel können wir vergessen. Wir nutzen hier die Ampelfunktion, die in diesem Klotz steckt und ebenfalls dessen Ausgänge bedient. Die passive Ampel schließen wir nun eins zu eins an die automatische Ampel an und erreichen damit, dass die passive Ampel die automatische Ampel kopiert. Nachts aktiviert der Helligkeitssensor stattdessen den Frequenzgenerator, der auf eine langsame Blinkfrequenz eingestellt wird. Das gelbe Licht der passiven Ampel ist dort angeschlossen und blinkt nun. Besonders ist hier, dass das gelbe Licht der passiven Ampel die Veroderung nutzt. Es leuchtet sowohl, wenn das gelbe Licht der aktiven Ampel leuchtet, als auch wenn der Frequenzgenerator blinkt.

Im unten folgenden Video kann man dieses und die folgenden Beispiele in Aktion sehen.

Beispiel: Treppenhauslicht

Dieses Beispiel zeigt eine Logikschaltung für ein Treppenhauslicht. Dieses soll per Taster eingeschaltet werden und nach Ablauf einer Zeitspanne wieder ausgehen. Außerdem soll man am Taster nachtasten können, d.h. bei einem Tastendruck während ablaufender Zeit beginnt die Zeit von vorne.

Ein zentrales Element ist hier der Merker, dessen Funktion oberhalb bereits erklärt wurde. Er merkt sich, ob der Taster gedrückt wurde, denn der Taster wird ja nur kurz betätigt, und die Schaltung soll anschließend für einige Zeit aktiv bleiben.

  • Der immer aktive Taster bedient also den Merker, welcher sich darauf hin merkt, dass der Taster betätigt wurde.
  • Das Licht wird eingeschaltet, wenn der Merker sich gemerkt hat, dass der Taster betätigt wurde.
  • Gleichzeitig wird auch der Frequenzgenerator eingeschaltet, der nun ein zweistelliges Zählwerk antreibt, um eine gewisse Zeitspanne zu überbrücken.
  • Der Frequenzgenerator lässt den rechten Zähler – die Einerstelle – runterzählen. Sobald die Einerstelle einen Unterlauf hat, also wieder bei Null angelangt ist, wird mit ihrem Ausgang der Dekrementeingang des linken Zählers – der Zehnerstelle – bedient. Somit zählt der Zähler 100 Schritte abwärts.
  • Der Zähler würde nun endlos im Kreis zählen, allerdings ist der Überlauf der Zehnerstelle auf den Vergessen-Eingang des Merkers geschaltet. Nach 100 Schritten vergisst der Merker also, dass der Taster jemals betätigt wurde. Infolgedessen werden der Frequenzgenerator, sowie das Licht abgeschaltet.
  • Die Nachtastmöglichkeit wurde realisiert, indem die Zähler nicht immer aktiv sind, sondern nur bei losgelassenem Taster. Bei jeder Tasterbedienung sind sie also kurz abgeschaltet und stehen anschließend wieder auf Null.

Beispiel: Stoppuhr

Hier sehen wir eine Stoppuhr. Sie kann bis 99 Sekunden laufen. Man kann sie jederzeit Starten und Anhalten und sowohl im laufenden als auch angehaltenen Zustand zurücksetzen.

  • Der Frequenzgenerator wird auf ein Blinken von einer Sekunde eingestellt. Er ist nur aktiv, wenn er am Wippschalter eingeschaltet wird.
  • Die Zähler funktionieren wieder als zweistelliges Zählwerk, dieses Mal aufwärts zählend. Der Zähler zählt durch den Frequenzgenerator angetrieben sekündlich aufwärts. Ein Überlauf der Zehnerstelle, also von 99 zu 100 hat keine Konsequenz.
  • Der Taster unterbricht bei Betätigung die Versorgung der Zähler und setzt sie damit auf Null zurück.

Beispiel: Taschenrechner

Der hier aufgebaute Taschenrechner kann nur subtrahieren, und zwar nur einstellige Zahlen. Das Ergebnis muss außerdem größer oder gleich Null sein. Dennoch ist das ein schönes Beispiel. Bedient wird der Rechner, indem immer nur einer der drei Schalter auf dem Klotz „Drei Schalter“ eingeschaltet wird und dann mit dem Taster eine Eingabe gemacht wird. Schaltet man den ersten Schalter ein, kann man mit dem Taster den Minuend eingeben, der auf dem linken Zähler dargestellt wird. Man tastet z.B. 4×, um eine Vier einzugeben. Dann schaltet man nur den zweiten Schalter ein und kann mit dem Taster den Subtrahend eingeben, der auf dem rechten Zähler angezeigt wird. Schließlich schaltet man nur den dritten Schalter ein und löst mit dem Taster die Berechnung aus. Auf dem linken Zähler steht anschließend das Ergebnis. Mit dem Wippschalter kann der Rechner für die nächste Rechenaufgabe zurückgesetzt werden.

Beispiel: Geschwindigkeitsblitzer

Hier haben wir einen Straßenabschnitt, auf dem zu schnell fahrende Autos geblitzt werden sollen. Die gesamte Messeinrichtung soll zudem automatisch zurücksetzend sein, also automatisch bei jedem neuen Auto wieder funktionieren.

Zunächst hat man das Problem, dass die Erfinderkiste nur eine Lichtschranke enthält. Um eine Geschwindigkeit zu erfassen, müssen jedoch zwei Wegpunkte abgesteckt werden. Hier kann man auf die Idee kommen, eine Lampe und den Helligkeitssensor als weitere Lichtschranke gegenüberzustellen. Der Helligkeitssensor hat einen Ausgang für aktive Beleuchtung. Dieser ist aktiv, wenn die Lichtschranke nicht unterbrochen ist. Sobald das Auto in die Lichtschranke fährt, wechselt der Helligkeitssensor auf Tag oder Nacht. Aus dem Grund sind diese beiden Ausgänge hier zusammengeschaltet.

Prinzipiell funktioniert das nun so: Die erste Lichtschranke ist immer aktiv. Fährt ein Auto hindurch, merkt der Merker sich, dass sich ein Auto im Messabschnitt auf der Straße befindet. Der Merker startet eine Zeitmessung, indem der Frequenzgenerator einen einstelligen Zähler durchlaufen lässt. Sobald der Zähler überläuft, wird die ganze Schaltung zurückgesetzt. Fährt das Auto schnell, erreicht es die zweite Lichtschranke, bevor der Zähler überläuft. Die zweite Lichtschranke ist nur dann aktiv, wenn die Messung noch läuft und löst bei Unterbrechung einen Blitz mit der roten Lampe und noch einen Piepton aus. Ist das Auto langsam, ist der Zähler schon übergelaufen, bevor es die zweite Lichtschranke erreicht und diese ist dann nicht mehr aktiv. Über den Abstand der Lichtschranken und die Frequenz des Frequenzgenerators kann man die höchste zulässige Geschwindigkeit festlegen.

Praxisbericht

Mit dem Artikel bin ich etwas im Verzug. Die Erfinderkiste habe ich unseren Kindern bereits Weihnachten 2016 geschenkt. Dafür habe ich nun aber auch fast zwei Jahre Praxiserfahrung. Unsere Kinder haben anfangs viel und später immer wieder mal mit der Erfinderkiste gespielt. Alleine die vielen Lämpchen haben deutliche Anziehungskraft auf Kinder ;)





Einfachere Schaltungen hat mein damals 5-jähriger Sohn sofort, quasi am ersten Tag verstanden. Das Prinzip, grüne Eingänge auf rote Ausgänge zu verschalten ist wirklich kinderleicht. Dabei muss man es nicht Eingang und Ausgang nennen, man kann auch Frage und Antwort dazu sagen, wie oben gezeigt.

Durch kompliziertere Schaltungen ist selbst der älteste, inzwischen 7 Jahre alt, noch nicht durchgestiegen. Ich habe da keine Erwartungen, aber das zeigt, dass das Spiel vermutlich später nochmal in vollem Umfang interessant wird. Ich bin mal gespannt, ab welchem Alter z.B. der oben gezeigte Geschwindigkeitsblitzer halbwegs verstanden wird. Auch erwachsene Spieler, denen ich mal eine bestimmte Aufgabenstellung gegeben habe, hatten zwar das Prinzip schnell raus, aber deswegen die schwierigeren Aufgaben nicht sofort lösen können und es bei manchen Rätseln auch nicht geschafft.

In diesem Video stelle ich die Erfinderkiste nochmal vor und führe auch die oben gezeigten Beispiele vor:

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