KOSMOS - easy electronic 200, Versuch 17

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easy electronic 200 - Versuch 17

Hier geht es noch zur ausführlichen Lösung der Aufgabe 10-1 vom Versuch 10. -

Bestimmen der Batteriepole

Beim 17. Versuch geht es weiterhin um einen einfachen Stromkreis, in dem zwei Leuchtdioden (LEDs) und zwar die rote Leuchtdiode 17 zusammen mit der parallel geschalteten grünen Leuchtdiode 26 wie folgt als Stromteiler eingesetzt werden. Dabei gilt es zu beachten, dass die beiden Leuchtdioden (LEDs) entgegengesetzt gepolt in den Stromkreis eingesetzt werden:

(Vergrößern: auf Bild klicken! | KOSMOS easy electronic, Seite 17)

Wie man anhand des obenstehenden Stromkreises sieht, besteht dieser aus

1. dem Widerstand

mit dem Widerstandswert R₄₀ = 100 Ω, der dazu dient, dass dieser den Stromfluss durch die grüne Leuchtdiode 26 und(!) die rote Leuchtdiode 17 begrenzt, damit die beiden LEDs nicht überlastet werden und durchbrennen,

2. der grünen Leuchtdiode (LED)

mit der grünen Leuchtdiode 26, die bei einer Durchlassspannung U_F = 2,1 V und einem Durchlassstrom I_F von I_F = 8 mA bis I_F = 12 mA, hell leuchtet.

3. der roten Leuchtdiode (LED)

mit der roten Leuchtdiode 17, die bei einer Durchlassspannung U_F = 1,6 V und einem Durchlassstrom I_F von I_F = 8 mA bis I_F = 12 mA, hell leuchtet.

4. den Verbindungsleitungen,

die alle einzelnen Bauelemente der Schaltung zu einem Stromkreis miteinander verbinden.

Wir ordnen die Bauelemente des Stromkreises neu an, sodass sich die Schaltung wie gewohnt von links nach rechts im Uhrzeigersinn lesen lässt:

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Wie der Name des Versuchs bereits sagt, lässt sich mit den beiden Leuchtdioden 17 (links) und 26 (rechts) z.B. die Polarität der beiden in Reihe geschalteten 1,5 Volt Batterien vom Typ „AA“ des Batteriefachs 19 feststellen oder überprüfen.

Das gilt aber nicht nur für die Batterien im Batteriefachs 19, sondern für jede Art von Spannungsquellen, Stromquellen, Elektrolytkondensatoren (die wir später noch kennenlernen werden), Elektromotoren, Dioden, Leuchtdioden, Transistoren (auch die werden wir später noch kennenlernen) usw.

Wie wir ja bereits wissen, arbeiten wir mit unserem Experimentierkasten „KOSMOS easy elctronic 200“ ausschließlich mit Gleichstrom, dessen Stromfluss sich nur in eine Richtung bewegt (= technische Stromrichtung)! Nämlich immer von Plus nach Minus bzw. vom Pluspol („+“) zum Minuspol („-“), wobei der Minuspol meistens dann auch gleichzeitig die (Gehäuse-) Masse („┴“) ist. Bei elektronischen Geräten und Mikrocontrollern usw. als engl. „ground“ (= „GND“) bezeichnet.

Wie aber funktioniert unsere Polaritätsanzeige überhaupt?

Wie wir bereits aus Versuch 10 mit der roten Leuchtdiode 17 wissen, handelt es sich bei Leuchtdioden (LEDs) um Halbleiter.

Demzufolge handelt es sich bei der Leuchtdiode um eine Diode mit der besonderen Eigenschaft, dass sie als elektrisches Ventil arbeitet, die den elektrischen Strom aber nur in eine Richtung, nämlich von Plus („+“) nach Minus („‑“) leitet, während dieser in umgekehrter Richtung gesperrt wird! Aber nicht nur das! Wenn die Leuchtdiode den elektrischen Strom in eine Richtung, nämlich von Plus („+“) nach Minus („‑“), durchleitet, leuchtet sie dabei auch noch. Deshalb der Name „Leuchtdiode“. Das tut sie aber nur, wenn wir die Leuchtdiode (LED) mit der richtigen Polung betreiben!

Die LED leuchtet also, weil wir sie mit der richtigen Polung betreiben und weil sie dabei elektrisch leitend ist!

Weil aber beim Leuchten der LED nur kleine Durchlassströme im Bereich von [ 0,010 A, …, 0,020 A ] = [ 10 mA, …, 20 mA ] fließen dürfen, müssen wir die LED vor zu großen Stromstärken schützen, indem wir den Vorwiderstand 40 mit dem Widerstandwert R_Vor = 100 Ω vor (oder nach) der LED in Reihe schalten! Demzufolge arbeitet der Vorwiderstand 40 mit der LED in einer Reihenschaltung. Und zwar genau genommen als sogenannter unbelasteter Spannungsteiler (siehe Versuch 10).

Wenn wir also an die Anschlussklemme A den Pluspol („+“) des Batteriefachs 19 (links) und an die Anschlussklemme B den Minuspol („-“) anschließen, dann wir die grüne Leuchtdiode 26 in Durchlassrichtung betrieben, sodass diese den Strom durchlässt und dabei hell leuchtet:

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Wenn wir hingegen an die Anschlussklemme A den Minuspol („-“) des Batteriefachs 19 (rechts) und an die Anschlussklemme B den Pluspol („+“) anschließen, dann wir die rote Leuchtdiode 17 in Durchlassrichtung betrieben, sodass diese den Strom durchlässt und dabei hell leuchtet:

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Damit wir bei unseren Polaritäts-Tests nicht ständig die Batteriefächer 19 (rechts und links) an- und abklemmen müssen, erweitern wir unseren Versuchsaufbau, indem wir links den (Schiebe-) Schalter 14 und rechts den Taster 15 hinzufügen:

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Jetzt lässt sich wahlweise entweder das linke Batteriefach 19 für den Polaritäts-Test

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oder das rechte Batteriefach 19 mit der umgekehrten Polarität an unsere Polaritätsanzeige mit den beiden Leuchtdioden und zwar der Leuchtdiode 17 (links) sowie der Leuchtdiode 26 (rechts) in Betrieb nehmen bzw. anschalten:

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Wenn wir die beiden Schalter, d.h. den (Schiebe-) Schalter 14 (links oben) und den Taster 15 (rechts unten) fortwährend abwechselnd betätigen, dann würden die beiden LEDs ebenfalls abwechselnd grün und rot leuchten. Dabei entspricht der grün-rote Spannungsverlauf an den beiden Leuchtdioden dem einer Rechteckschwingung:

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Wie man im obenstehenden Diagramm sieht, verläuft der Spannungsverlauf der roten Leuchtdiode 17 im unteren, negativen Spannungsbereich, da die rote Leuchtdiode 17 mit der umgepolten Spannungsquelle des Batteriefachs 19 betrieben wird!

Wir werden übrigens später die beiden Schalter, d.h. den (Schiebe-) Schalter 14 (links oben) und den Taster 15 (rechts unten) durch zwei Transistoren aus dem Experimentierkasten ersetzen, sodass die beiden LEDs elektronisch gesteuert abwechselnd blinken!

Das abwechselnde Blinken der beiden LEDs müsstest du übrigens schon mal gesehen haben! Und zwar an einem beschrankten Bahnübergang, der neben der Halbschranke links und rechts je ein abwechselnd rot blinkendes Warnsignal hat.

Mit elektrischem Strom einen anderen Strom ausschalten

Wenn man die Batteriepole („+“) und („-“) einer Batterie direkt mit einem dicken Kabel verbindet, dann wird die Batterie kurzgeschlossen, sodass wegen des fehlenden Lastwiderstandes R_Last, z.B. in Form einer der Glühlampen oder Leuchtdioden, ein sehr großer Kurzschlussstrom fließt, der die Batterie erhitzt, sodass dass sich diese stark ausdehnt und früher oder später platzt, sodass der giftige und stark ätzende Elektrolyt ausläuft und das Batteriefach 19 zerstört!

Wie man in der nachfolgenden Schaltung sieht, werden die beiden Schalter 14 und 15 gleichzeitig betätigt, d.h. geschlossen, sodass die Batteriepole der beiden Batterien miteinander verbunden sind!

Frage: Gibt es dabei einen Kurzschluss oder nicht?

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Wenn man die obenstehende Schaltung Schritt für Schritt umkrempelt, d.h. einzelne Schaltungsteile umklappt,

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Bei der obenstehenden Schaltung gilt es zu beachten, dass die beiden Punkte A auf ein und demselben Spannungspotential liegen! Aber nur so lange der (Schiebe-) Schalter 14 und der Taster 15 gleichzeitig eingeschaltet sind!

Das bedeutet praktisch, dass die beiden Punkte A elektrisch miteinander verbunden sind, sodass es der Verbindung ganz rechts mit der Beschriftung „Kurzschluss“ eigentlich gar nicht bedarf, diese also elektrisch überflüssig ist und demzufolge weggelassen werden kann!

Demzufolge kann man also durch gleichzeitiges Einschalten des (Schiebe-) Schalter 14 und des Taster 15 einen Kurzschluss auslösen, sodass es zwischen den Punkten A und B, B und A sowie A und A keinen Potentialunterschied (= Spannungsabfall) mehr gibt, sodass die beiden Leuchtdioden nicht mehr leuchten können!

Diesbezüglich verhält es sich also tatsächlich so, dass man mit dem Kurzschlussstrom die Ströme durch die beiden Leuchtdioden quasi „abschalten“ kann!

Aber ja, die Ströme durch die beiden Leuchtdioden durch den Kurzschlussstrom auszuschalten ist nicht nachhaltig, nicht ungefährlich und die absolute Energieverschwendung!

Werfen wir bei dieser Gelegenheit noch einen Blick auf den Versuchsaufbau bei dem der absichtlich herbeigeführte Kurzschluss verhindert, dass die beiden Leuchtdioden 17 und 26 sowie das Glühlampchen 18 (2,5 V / 0,3 A) mit Spannung und Strom versorgt werden, sodass diese dunkel bleiben und nicht leuchten:

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Während also die beiden Leuchtdioden 17 und 26 polaritätsabhängig reagieren und nur dann leuchten, wenn diese in Durchlassrichtung mit dem richtigen Spannungspotential betrieben werden, leuchtet das Glühlämpchen 18 richtungsunabhängig in beide Richtungen des Stromflusses, lässt sich das Glühlämpchen 18 eben nicht als Polaritätsanzeige verwenden! Vorausgesetzt natürlich, dass nur einer der Schalter eingeschaltet wird, damit es zu keinem Kurzschluss kommt (siehe die beiden nachfolgenden Bilder):

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Der im Bild „easy-electronic_200, V-17-14“ absichtlich herbeigeführte Kurzschluss ist nicht nur wegen des hohen Kurzschlussstromes von ca. I_Kurz = 5 A und der Erhitzung der Batterien gefährlich, sondern lässt sich auch konstruktiv nutzen, indem man in den Kurzschlussstromzweig das Glühlämpchen 27 mit der Nennspannung U_{Glüh_27} = 6 V und dem Nennstrom I_{Glüh_27} = 0,5 A wie folgt einsetzt:

(Zum Vergrößern bitte auf das Bild klicken!)

Wie man in der obenstehenden Schaltung sieht, gibt es insgesamt drei Maschen (= Stromkreise), jeweils von links nach rechts im Uhrzeigersinn:

· die linke Masche

mit dem Batteriefach 19 auf der linken Seite, dem (Schiebe-) Schalter 14 und dem Glühlämpchen 18 und der Parallelschaltung mit dem dicken Glühlämpchen 27, dem (LED-Vor-) Widerstand 40 und der roten Leuchtdiode 17,

· die rechte Masche

mit dem (Reed-) Magnetschalter 12, mit dem Batteriefach 19 auf der rechten Seite, der grünen Leuchtdiode 26 und dem (LED-Vor-) Widerstand 40,

· die äußere Masche (ganz außen herum)

mit dem Batteriefach 19 auf der linken Seite, dem (Schiebe-) Schalter 14, dem dicken Glühlämpchen 27, dem (Reed-) Magnetschalter 12 und dem Batteriefach 19 auf der rechten Seite.

Während es sich bei der linken und rechten Masche um einen Stromkreis mit nur einem Batteriefach 19 handelt, enthält die äußere Masche insgesamt zwei Batteriefächer 19!

Da es in der linken und rechten Masche nur jeweils ein Batteriefach 19 werden diese mit einer Batteriespannung von U_Batt = 3,0 V betrieben, sodass in diesen Maschen das Glühlämpchen 27 mit der Nennspannung U_{Glüh, Nenn} = 6,0 V in etwa nur halb so hell leuchten würde.

Da es in der äußeren Masche jeweils zwei in Reihe geschaltete Batteriefächer 19 gibt, wird diese mit einer Batteriespannung von U_Batt = 6,0 V betrieben, sodass das Glühlämpchen 27 mit der Nennspannung U_{Glüh, Nenn} = 6,0 V maximal hell leuchtet!

Achtung: Würde man in der äußeren Masche mit den zwei in Reihe geschalteten Batteriefächern 19 und der Gesamtbatteriespannung von U_{Batt, ges} = 2 * 3,0 V = 6,0 V das Glühlämpchen 18 mit der Nennspannung U_{Glüh, Nenn} = 3,0 V betreiben, dann würde es wegen der 12 Volt Batteriespannung sofort durchbrennen!

Nachfolgend sieht man den auseinander geklappten Schaltplan zum obenstehenden Versuchsaufbau mit den zwei Batteriefächern 19, den beiden Glühlämpchen 18 und 27 sowie der roten und grünen LEDs nebst gemeinsamen Vorwiderstand 40:

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Hobbybastler, die schon mal mit Operationsverstärkern (OPV) gearbeitet haben, wissen, dass diese eine etwas „komische“ Stromversorgung benötigen. Und zwar mit U_{Netz 1} = +5 V, U_{Netz
2} = 0 V (= „┴“ bzw. „GND“) und U_{Netz 3} = -5 V.

Da ist dann guter Rat teuer, weil es im Allgemeinen keine speziellen Netzteile für OPVs gibt. Aber man muss sich nur zu helfen wissen und wissen, dass sich zwei einzelne 5 V Steckernetzteile, wie man im obenstehenden Bild sieht, zusammenschalten lassen! Dabei müssen die beiden 5 V Steckernetzteile mit der richtigen Polung, wie oben im Bild zu sehen, in Serie, d.h. in einer Reihenschaltung, geschaltet werden!

Achtung:

Die zwei einzelnen 5 V Steckernetzteile dürfen ausgangsseitig nur in Serie zusammen geschaltet werden, wenn diese mittels (Trenn-) Transformator vom lebensgefährlichen(!) 230 V~ Wechselstromnetz galvanisch getrennt sind!

Außerdem sollte es sich bei den zwei einzelnen 5 V Steckernetzteilen nicht um elektronisch stabilisierte Netzteile handeln, da bei diesen meistens der Minuspol („-“) geerdet ist, d.h. mit dem gelb-grünen Schutzleiter („PE“) verbunden ist.

Würde man zwei elektronische Netzteile ausgangsseitig auf der Sekundärseite in Serie miteinander gemäß Reihenschaltung verbinden, gäbe es im Falle der Schutzerdung einen Kurzschluss!

Elektrische Geräte mit Schutzerdung erkennt man an dem sogenannten „Schukostecker“.

(Stecker-) Netzteile die nicht geerdet sind, d.h. über keinen Schutzleiter verfügen, erkennt man daran, dass diese ein isoliertes Kunststoffgehäuse und einen einfachen Eurostecker (ohne gelb-grünen Schutzleiter) haben!

Damit der Schaltplan mit dem Experimentieraufbau übereinstimmt, wird die grüne Leuchtdiode 26 im oberen Teil der Schaltung gegen die rote Leuchtdiode 17 getauscht und im unteren Teil der Schaltung wird die rote Leuchtdiode 17 die grüne Leuchtdiode 26 eingetauscht:

(Zum Vergrößern bitte auf das Bild klicken!)

Da Glühlampen wegen ihres schlechten Wirkungsgrades, der geringen Lichtausbeute und der starken Wärmeentwicklung richtige Energieverschwender sind, verzichten wir ab jetzt auf diese, sodass nur noch die beiden Leuchtdioden 17 und 26 nebst (Vor-) Widerstand 40 zum Einsatz kommen:

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Jetzt erkennt man in der obenstehenden Schaltung sofort, dass die rote Leuchtdiode 17 und die grüne Leuchtdiode 26 parallel geschaltet sind. Damit die beiden Leuchtdioden in Durchlassrichtung nicht wegen des sehr kleinen Durchlasswiderstandes und der damit verbundenen großen Stromstärke durchbrennen, müssen wir den Durchlassstrom durch beide, entgegengesetzt gepolten Leuchtdioden entsprechend begrenzen!

Dazu dient der (Vor-) Widerstand 40, den sich beide Leuchtdioden elektrisch nur scheinbar teilen, da beide Leuchtdioden entgegengesetzt gepolt sind und mit entgegengesetzter Polarität abwechselnd in die eine oder andere Stromflussrichtung arbeiten!

In der obenstehenden Schaltung erkennt man außerdem auf Anhieb, dass die beiden Batteriefächer 19 elektrisch in Reihe geschaltet sind, sodass die obere Masche AB mit der Batteriespannung U_{Batt, AB} = 3,0 V betrieben wird und die rote Leuchtdiode 17 mit elektrischer Energie versorgt, während die untere Masche BC mit der Batteriespannung U_{Batt, BC} = 3,0 V die grüne Leuchtdiode 26 mit elektrischer Energie versorgt. Dabei arbeiten die Masche AB (oben) und Masche BC (unten) vollkommen unabhängig voneinander, sofern nur einer der Schalter 14 oder 15 betätigt wird!

In der obenstehenden Schaltung erkennt man ferner, dass es auch noch den äußeren Stromkreis mit der Masche AC und dem Widerstand 41 gibt, die von den beiden in Reihe geschalteten Batteriefächern 19 mit der Gesamtspannung von U_{Batt,
AC} = 2 * 3,0 V = 6,0 V(!) mit elektrischer Energie versorgt werden.

Dabei gilt es zu beachten, dass im äußeren Stromkreis mit der Masche AC wegen der Gesamtspannung von U_{Batt, AC} = 2 * 3,0 V = 6,0 V(!) der beiden in Reihe geschalteten Batteriefächern 19 der annährend doppelt so große Strom I_R41 durch den Widerstand 41 mit R₄₁ = 1 kΩ = 1000 Ω fließt:

I_R41 = U_R41 / R₄₁ = U_{Batt, AC} / R₄₁

= 6,0 V / 1 kΩ = 6,0 V / 1 * 1000 Ω = 6,0 V / 1 * 1000 V/A = 6 * 0,001 A = 0,006 A = 6 mA

Zum Vergleich die Stromstärke I_BC in der unteren Masche BC mit dem Vorwiderstand R₄₀ = 100 Ω:

I_R40 = U_R40 / R₄₀ = ( U_{Batt, AC} – U_{LED
26} ) / R₄₀

= ( 3,0 V - 2,1 V ) / 100 Ω = 0,9 V / 100 V/A = 0,009 A = 9 mA

Hoppla, haben wir da falsch gerechnet? Die Stromstärke I_BC = 9 mA in der unteren Masche BC mit der Batteriespannung U_{Batt BC} = 3,0 V ist ein Drittel größer als die Stromstärke I_AC = 6 mA in der äußeren Masche AC mit der Gesamtspannung U_{Batt AC} = 6,0 V!

Nein, wir haben nicht falsch gerechnet! Der Widerstand 41 mit R₄₁ = 1 kΩ in der äußeren Masche AC ist 10x so groß als der Vorwiderstand R₄₀ = 100 Ω in der unteren Masche BC! Und das auch noch bei einer doppelt so großen Gesamtspannung U_{Batt AC} = 6,0 V!

Merke:

Durch einen großen Widerstand fließt ein kleiner Strom und durch einen kleinen Widerstand fließt ein großer Strom!

Bedingung: An beiden Widerständen liegt in etwa die gleich große Spannung!

Um die Funktionsweise der Schaltung mit den drei Stromkreisen und eines speziellen Effektes, den wir gleich noch sehen werden, besser zu verstehen, betrachten wir als nächstes die linke Masche AB bei geschlossenem Schalter 14, sodass die rote Leuchtdiode 17 leuchtet:

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Betrachten wir als nächstes die rechte Masche BC bei geschlossenem Taster 15 (= Reedschalter), sodass die grüne Leuchtdiode 26 leuchtet:

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Was fällt dir auf, wenn du die beiden Maschen AB (links) und BC (rechts) miteinander vergleichst?

Tipp:

Schau dir die beiden Batteriefächer 19 an und überlege, welche der beiden Widerstände R₄₀ und R₄₁ zu welchen Maschen AB (links) und BC (rechts) gehören (siehe auch Bild „easy-electronic_200, V-17-20.jpg“)

Frage:

Welche der beiden Widerstände R₄₀ oder R₄₁ wird sowohl von der Masche AB (links) als auch von der Masche BC (rechts) gemeinsam genutzt?

Frage:

Welche der beiden Widerstände R₄₀ oder R₄₁ wird einzig und allein von der Masche AB (links) genutzt?

Als nächstes betrachten wir wieder die linke Masche AB bei geschlossenem Schalter 14, sodass die rote Leuchtdiode 17 leuchtet (siehe Bild „easy-electronic_200, V-17-21.jpg“ weiter oben).

Wir genießen das Leuchten der roten Leuchtdiode 17, halten einen Moment inne und schalten nach einer kleinen Pause von zwei Minuten mit dem runden, schwarzen (Dauer-) Magneten den Magnetschalter 12 (rechts oben in der Masche BC) ein, sodass die grüne Leuchtdiode 26 in der Masche BC leuchtet:

(Zum Vergrößern bitte auf das Bild klicken!)

Frage:

Weshalb geht die rote Leuchtdiode 17 (links) aus, wenn man den Magnetschalter 12 (rechts oben in der Masche BC) einschaltet, sodass die grüne Leuchtdiode 26 leuchtet!?

Tipp:

Schau dir den Schaltplan „easy-electronic_200, V-17-20.jpg“ an, da es wesentlich übersichtlicher ist.

Frage:

Wie groß ist die Spannung U_R41 am Widerstand R₄₁ = 1 kΩ, wenn jedes Batteriefach 19 (links und rechts) über eine Batteriespannung U_Batt = 3,0 V verfügt?

Da die beiden Batteriefächer 19, wie man im Schaltplan „easy-electronic_200, V-17-20.jpg“ sehr gut sieht, elektrisch in Reihe geschaltet sind, liegt am Widerstand R₄₁ = 1 kΩ die Gesamtspannung von U_{Batt, AC} = 2 * 3,0 V = 6,0 V(!) an. Demzufolge berechnet sich die Stromstärke I_R41 wie folgt:

I_R41 = U_R41 / R₄₁ = U_{Batt, AC} / R₄₁

= 6,0 V / 1 kΩ = 6,0 V / 1000 Ω = 0,006 A = 6 mA (siehe auch weiter oben: Stromstärke I_AC = 6 mA)

Frage:

Wie groß ist die Stromstärke I_R40 am Widerstand R₄₀ = 100 Ω, wenn das rechte Batteriefach 19 über eine Batteriespannung U_Batt = 3,0 V verfügt?

Die Stromstärke I_R40 durch den Vorwiderstand R₄₀ berechnet sich wie folgt:

I_R40 = U_R40 / R₄₀ = ( U_{Batt, BC} – U_{LED
26} ) / R₄₀

= ( 3,0 V - 2,1 V ) / 100 Ω = 0,9 V / 100 Ω = 0,009 A = 9 mA (siehe auch weiter oben: Stromstärke I_BC = 9 mA)

Spannung und Strom haben eine Richtung, sind richtungsabhängig!

„Bei uns kommt der Strom aus der Steckdose!“ lautet ein dummer Spruch, weil der Strom nämlich vom Dynamo (= Generator) des Elektrizitätswerkes stammt und prinzipiell dort hin auch wieder zurück fließt! Vorausgesetzt, dass es zwischen dem Erzeuger (= engl. „source“, d.h. Quelle) und dem Verbraucher (engl. „drain“, d.h. Senke, Abfluss) ein entsprechendes Potential- bzw. Spannungsgefälle, bei Gleichstrom vom Pluspol („+“) zum Minuspol („-“), gibt!

Demzufolge kann bei den beiden entgegengesetzt gepolten Leuchtdioden 17 und 26 immer nur eine LED leuchten! Und zwar je nach Polarität entweder die rote Leuchtdiode 17 (oben) oder die grüne Leuchtdiode 26 (unten).

Schließt man den (Schiebe-) Schalter 14 (links oben) in der Masche AB, dann leuchtet die rote Leuchtdiode 17 (links).

Schaltet man einzeln den Magnetschalter 12 (links unten in der Masche BC) ein, dann leuchtet die entgegengesetzt gepolte grüne Leuchtdiode 26 (unten).

Schließt man den (Schiebe-) Schalter 14 (links oben) in der Masche AB, dann leuchtet die rote Leuchtdiode 17 (oben), da diese vom oberen Batteriefach 19 (= blauer Umlaufkreis) mit Energie versorgt wird.Schaltet man dann zusätzlich noch den Magnetschalter 12 (links unten in der Masche BC) ein, dann erlischt die rote Leuchtdiode 17 (oben), da jetzt das untere Batteriefach 19 (= grüner Umlaufkreis) die entgegengesetzt gepolte grüne Leuchtdiode 26 (unten) mit mehr elektrischer Energie, d.h. mit einer höheren Spannung versorgt.

Der Grund dafür ist nämlich der, dass es in der Masche BC keinen(!) zusätzlichen Widerstand R₄₁ = 1 kΩ gibt, der mit seinem Spannungsabfall die verbleibende Spannung U_{LED 26} an der grünen Leuchtdiode 26 (unten) reduzieren könnte:

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Hier noch zum Beweis die entsprechende Berechnung der unterschiedlichen Stromstärken I_LEDs:

I_{LED 17} = U_{LED 17} / r_{LED 17} → r_{LED 17} ist der teils veränderliche, dynamische Durchlasswiderstand der LED

→ U_{LED 17} = U_F = 1,6 V → I_{LED 17} = I_F = 10 mA → damit die LED hell leuchtet!

Spannungsumlauf in der oberen Masche AB liefert:

U_R41 + U_R40 + U_{LED 17} - U_{Batt AB} = 0 →

U_R41 + U_R40 = U_{Batt AB} - U_{LED
17}

= U_{Batt
AB} – U_F

= 2,92 V - 1,67 V = 1,25 V → mit dem Multimeter gemessene Werte!

U_R41 + U_R40 = I_{LED 17} * ( R₄₁ + R₄₀ ) →

I_{LED 17} = ( U_R41 + U_R40 ) / ( R₄₁ + R₄₀ )

= 1,25 V / ( 1 kΩ + 100 Ω ) = 1,25 V / 1,1 kΩ ≈ 1,14 mA für die rote Leuchtdiode 17

I_{LED 26} = U_{LED 26} / r_{LED 26} → r_{LED 26} ist der teils veränderliche, dynamische Durchlasswiderstand der LED

→ U_{LED 26} = U_F = 2,1 V → I_{LED 26} = I_F = 10 mA → damit die LED hell leuchtet!

Spannungsumlauf in der unteren Masche BC liefert:

U_R40 + U_{LED 26} - U_{Batt BC} = 0 →

U_R40 = U_{Batt BC} - U_{LED 26}

= U_{Batt
BC} – U_F

= 2,94 V - 2,27 V = 0,67 V → mit dem Multimeter gemessene Werte!

U_R40 = I_{LED 26} * R₄₀ →

I_{LED 26} = U_R40 / R₄₀

= 0,67 V / 100 Ω = 0,0067 A = 6,7 mA für die grüne Leuchtdiode 26

Merke:

Der elektrische Strom sucht sich immer den Weg des geringsten Widerstandes!

Wenn es also in einer Masche bzw. einem Stromkreis irgendwo einen kleinen bzw. kleineren Widerstand gibt, dann fließt der dicke Strom dort hin!

Da der Gesamtwiderstand R_AB = R₄₁ + R₄₀ = 1,1 kΩ in der Masche AB größer ist, fließt dort der kleinere Strom I_{LED
17} = 1,14 mA. Und, da der Widerstand R_BC = R₄₀ = 100 Ω in der Masche BC kleiner ist, fließt dort der größere, entgegengesetzt gepolte Strom I_{LED 26} = 6,7 mA.

Da aber beide Ströme I_{LED 17} und I_{LED 26} wegen der unterschiedlichen Polarität der beiden Batteriefächer 19 entgegengesetzt fließen, hebt der größere Strom I_{LED 26} = 6,7 mA den kleineren, entgegengesetzt fließenden Strom I_LED 17 = 1,14 mA einfach auf, sodass dessen rote Leuchtdiode 17 erlischt und nur noch die grüne Leuchtdiode 26 leuchtet!

(Zum Vergrößern bitte auf das Bild klicken!)

Bei der obenstehenden Schaltung (siehe Bild „easy-electronic_200, V-17-24.jpg“) haben wir es mit zwei Batteriefächern 19 zu tun, deren Batterien hintereinander, d.h. in Reihe geschaltet sind, sodass sich deren Einzelspannungen U_AB = 3.0 V und U_BC = 3.0 V zur Gesamtspannung U_AC = 6 V addieren:

( - U_AB ) + ( - U_BC ) + ( + U_R41 ) = 0 → Die Summe aller Spannungen ist gleich Null! Siehe Bild oben!

( - U_AB ) + ( - U_BC ) + ( - U_AC ) = 0 → mit + ( - U_AC ) = - U_AC

( - U_AB ) + ( - U_BC ) - U_AC = 0 → - U_AC auf rechte Seite bringen!

( - U_AB ) + ( - U_BC ) = U_AC → die Spannung U_R41 ist gegenüber der Spannung U_AC negativ: U_AC = - U_R41

- U_AB - U_BC = - U_R41 → rechte und linke Seite der Gleichung vertauschen!

- U_R41 = - U_AB - U_BC → rechte und linke Seite der Gleichung mit -1 multiplizieren!

U_R41 = U_AB + U_BC → U_R41 = U_AB + U_BC = 3.0 V + 3.0 V = 6.0 V

Dabei bedeutet der Merksatz „Die Summe aller Spannungen ist gleich Null!“, dass in einem geschlossenen System, hier die äußere Masche AC, keine Spannung verloren geht, abhanden kommt oder hinzugefügt wird.

Gleiches gilt übrigens auch für Stromknoten: „Die Summe aller Ströme ist gleich Null!“. Auch bei diesem geht kein Strom verloren, kommt kein Strom abhanden und wird kein Strom von außerhalb des Systems hinzugefügt!

Frage:

Welches Bauteil, d.h. welche Leuchtdiode wird mit der obenstehenden Schaltung elektrisch, nicht mechanisch(!) durch Betätigen des Schalters 14 und/oder Schließen des Magnetschalters 12, gesteuert?

Insgesamt haben wir es mit drei Stromkreisen zu tun:

· dem oberen 3 Volt Stromkreis mit der kleinen Masche AB,

· dem unteren 3 Volt Stromkreis mit der kleinen Masche BC und

· dem äußeren 6 Volt Stromkreis mit der großen Masche AC.

Dabei sind die zunächst vollkommen unabhängigen, kleinen Masche AB und BC über den Widerstand R₄₁ = 1 kΩ mit der großen, äußeren Masche AC miteinander elektrisch verbunden, sodass sich von nun alle Maschen elektrisch beeinflussen! Mit der Folge, dass z.B. die rote Leuchtdiode 17 ausgeht, wenn man die grüne Leuchtdiode 17 mittels Magnetschalter 12 einschaltet!

Antwort:

Mittels des Magnetschalters 12 in der unteren Masche BC lässt sich die rote Leuchtdiode 17 in der oberen Masche AB elektrisch steuern, d.h. ein- oder ausschalten!

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