Logische Grundoperationen
Schalter
Es wäre falsch, sich für das Verständnis des Computers nur auf die Betrachtung von Leitungen zu beschränken. Genau so wichtig sind die Schalter, welche diese Leitungen ein und auschalten. Erst dadurch kann der Computer selbständig arbeiten und Zahlen miteinander verrechnen.
Die Schalter, welche man zum Bau eines Computers verwendet sind aber nicht gewöhnliche Schalter, welche von Hand betätigt werden. Stattdessen setzt man Schalter ein, welche durch Strom betätigt werden. In der Anfangszeit des Computers waren dies elektromagnetische Schalter, Relais genannt.
Ein Relais ist ein Schalter, welcher durch einen Elektromagneten angetrieben wird. Wenn der Elektromagnet mit der Batterie verbunden wird, so fliesst ein Strom. Dieser erzeugt ein Magnetfeld, welches einen Eisenbügel (Anker) anzieht. Dadurch werden die Kontakte des Schalters bewegt. Je nach Art des Relais schliessen sich die Kontakte oder öffnen sich.
- Elektromagnet: Aus
- Elektromagnet: Ein
Sobald das Relais von der Batterie getrennt wird, verschwindet das Magnetfeld und der Anker fällt durch eine Feder in die Ausgangslage zurück.
Relais-Schalter
Das Relais in unserem Baukasten kann sowohl als Standard ON als auch als Standard OFF Relais arbeiten - es ist ein sogenanntes Umschaltrelais und hat deshalb drei Kontakte.
Relais
Symbol Relais- Links ist der kupferfarbige Elektromagnet zu sehen. Im Symbol ist er als gewellte Linie dargestellt.
- Die beiden Anschlussstifte des Elektromagneten befinden sich ebenfalls links (im Bild ist nur einer zu sehen).
- Auf der rechten Seite sind die Kontakte des Umschalters zu sehen. Der mittlere Kontakt wird durch den Elektromagneten bewegt und berührt entweder
- den linken Kontakt (Ausgangslage, Elektromagnet nich mit Batterie verbunden) oder
- den rechten Kontakt (Arbeitslage, Elektromagnet mit Batterie verbunden).
- LED
- 1x rot
- 1x gelb
- 1x grün
- 1x gelb
- Relais
- 1x Umschaltrelais
- Grundausstattung
- Batterie, Steckbrett, Verbindungskabel
Logische Grundoperationen
Mithilfe von zwei Relais lässt sich der Grundbaustein für den Bau eines Computers bauen - ein sogenanntes NAND-Gatter. Basierend auf diesem Baustein können alle weiteren logischen Operationen realisiert werden.
Doch was ist ein Gatter? Im folgenden Video1 sehen Sie eine allgemeine Einführung zu den in der Informatik gängigen Gattern UND, ODER und NICHT.
NAND-Gatter
Ein NAND-Gatter (NOT AND) ist ein logisches Gatter mit zwei Eingängen und einem Ausgang. Der Ausgang ist genau dann 0, wenn beide Eingänge 1 sind. In allen anderen Fällen ist der Ausgang 1.
| Eingang A | Eingang B | Ausgang E |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Simulation NAND-Gatter
Bevor wir das NAND-Gatter mit Relais aufbauen, können wir es zuerst in einer Simulation ausprobieren.
- Link
- 👉 nandgame.com
Versuchen Sie, das erste Level des Spiels zu lösen und halten Sie dann einen Screenshot des fertigen Gatters im Antwortfeld fest.
NAND-Gatter mit Relais
Material
- 1
- LED grün
- 2
- LED gelb
- 1
- Schalter (Doppelschalter)
- 2
- Relais (Umschaltrelais)
- 1
- Schaltbrett, Batterie, Verbindungskabel
Versuchen Sie, das NAND-Gatter vom NAND-Spiel real nachzubauen. Dabei...
- sollen mit gelben LEDs die Eingänge A und B dargestellt werden (wenn z.B. Schalter A an ist, soll das gelbe LED leuchten).
- soll der Ausgang des NAND-Gatters soll mit einer grünen LED dargestellt werden (wenn der Ausgang
1ist, soll die grüne LED leuchten).
NOT, AND, OR, XOR
Halten Sie jeweils einen Screenshot des fertigen Gatters im Antwortfeld fest.
Bauen Sie wahlweise ein AND, oder etwas komplexer ein OR-Gatter nur mit Relais nach.
- Verwenden Sie für die Eingänge gelbe LEDs und für den Ausgang eine grüne LED.
- Versichern Sie sich, dass es korrekt funktioniert.
- Fügen Sie ein Foto/Screenshot Ihres fertigen Gatters im Antwortfeld ein.
⭐ Vereinfachung der Schaltung
Die Gatter AND und OR können theoretisch mit nur zwei Relais gebaut werden, wenn nicht ein NAND als Grundbaustein verwendet wird, sondern direkt mit Standard ON und Standard OFF Relais gearbeitet wird.