Einstieg
Wer war an der Schublade?
Die Schaltung liegt in einer geschlossenen Schublade. Drinnen ist es dunkel. Dann zieht jemand im hellen Raum die Schublade auf.
Was macht die Schaltung?
Sie piept, sobald Licht hineinfällt – wenn das Poti passend eingestellt ist. Und tatsächlich: Der LDR liegt nicht im selben Stromkreis wie der Summer.
Wie kann der LDR einen Summer einschalten, mit dem er gar nicht in einem Stromkreis liegt?
Station 1 · Bauteile
Wer ist wer?
Auftrag: Tippt eine Nummer an, dann den passenden Begriff. Erst alle sieben zuordnen, dann prüfen.
Begriffe
Sensor: LDR – hell: kleiner Widerstand, dunkel: großer.
Steuerung: Transistor schaltet, Poti legt die Schwelle fest.
Aktor: der Summer.
Poti: Schleifer (Pfeil, Mittelbein) und ein Außenbein sind angeschlossen, das dritte Beinchen ist frei (○).
BC547: flache Seite zu euch, Beinchen nach unten – links C, Mitte B, rechts E.
Station 2 · Stromkreise
Wo fließt welcher Strom?
Auftrag: Fahrt mit dem Finger von Plus nach Minus – einmal durch den Summer, einmal in die Basis. Was gehört wohin?
Arbeitsstromkreis: Hier fließt der Strom, der die Arbeit macht.
Steuerstromkreis: Hier fließt der Strom, der den Transistor steuert.
Steuerstromkreis: Plus → LDR → Basis → Emitter → Minus
Arbeitsstromkreis: Plus → Summer → Kollektor → Emitter → Minus
Am Emitter fließen beide Ströme zusammen.
Station 2 · Steuerstrom
Wie viel Strom braucht die Basis?
Auftrag: Schätzt zuerst und begründet, dann auflösen.
SteuerstromkreisArbeitsstromkreis
Durch den Summer fließen zum Beispiel 15 mA. Wie viel Strom muss mindestens in die Basis fließen, damit der Transistor diese 15 mA durchlässt?
Der BC547 verstärkt den Strom etwa 110- bis 800-fach (Gruppe A, B oder C). Für 15 mA reichen also rund 0,02 bis 0,14 mA. Am Emitter kommen beide Ströme zusammen.
Schon ein kleiner Strom im Steuerstromkreis reicht, um einen größeren Strom im Arbeitsstromkreis zu schalten.
Station 3 · Spannungsteiler
Wie viel Spannung bleibt für die Basis?
✎ Zettel und Stift · jede und jeder für sich6 Minuten
LDR und Poti liegen in Reihe an 9 V, das Poti steht auf 1 kΩ. Den Transistor denkt ihr euch für diese Aufgabe weg.
- Hell: Der LDR hat 2 kΩ. Welche Spannung liegt am Poti, welche am LDR?
- Abgedunkelt: Der LDR hat 17 kΩ. Welche Spannung liegt jetzt am Poti?
- Der Transistor schaltet ab etwa 0,7 V an der Basis. In welchem Fall piept der Summer?
Tipp: Die 9 V teilen sich im Verhältnis der Widerstände auf. Ohne Taschenrechner lösbar.
Für Schnelle: Bei welchem LDR-Widerstand liegen genau 0,7 V am Poti?
1. 2 kΩ : 1 kΩ = 2 : 1, also 3 Teile zu je 3 V: LDR 6 V, Poti 3 V.
2. 17 kΩ : 1 kΩ = 17 : 1, also 18 Teile zu je 0,5 V: Poti 0,5 V (LDR 8,5 V).
3. Hell: 3 V > 0,7 V → der Summer piept. Abgedunkelt: 0,5 V < 0,7 V → still.
Für Schnelle: Am LDR bleiben 8,3 V. Er muss 8,3 : 0,7 ≈ 12-mal so groß sein wie das Poti, also etwa 12 kΩ.
Station 4 · Justieren und messen
Liegen im Hellen wirklich 3 V an?
✋ Ausprobieren · an eurer Platine12 Minuten
- Material
- eure Alarmanlage, 9-V-Block, Multimeter (Gleichspannung, Bereich 20 V), kleiner Schraubendreher
- Rollen
- zu zweit: eine Person stellt ein, eine misst und schreibt auf
- Vermutet: Nach der Rechnung liegen im Hellen 3 V am Poti. Was zeigt das Multimeter, wenn der Summer piept?
- Justiert: Dreht das Poti, bis der Summer bei Raumlicht gerade eben piept. Finger auf den LDR: Jetzt muss er still sein.
- Messt die Spannung am Poti, also zwischen Basis und Emitter: einmal mit Finger auf dem LDR, einmal ohne.
Auswertung: Was habt ihr gemessen – und warum keine 3 V?
Finger drauf: deutlich unter 0,7 V, oft nur ein paar Hundertstel bis Zehntel Volt.
Summer piept: etwa 0,7 V. Selbst mit einer Lampe direkt auf dem LDR steigt sie nur noch wenig, bis etwa 0,9 V.
Die Basis-Emitter-Strecke verhält sich wie eine Diode: Ab etwa 0,7 V lässt sie Strom durch. Mehr Licht treibt dann mehr Strom in die Basis, die Spannung steigt kaum noch.
Und warum steht das Poti bei jeder Gruppe anders? LDRs streuen stark (für den großen LDR nennt der Händler 2 bis 5 kΩ bei 10 Lux), und am Fenster ist es heller als an der Wand.
Station 5 · Simulation
Einstellen am Bildschirm
Auftrag: Poti so einstellen, dass der Summer bei 500 lx gerade eben piept. Bei welcher UBE?
Steuerstromkreis: BasisstromArbeitsstromkreis: Strom im Summer
Station 6 · Erklären
So funktioniert die Alarmanlage
Auftrag: Tippt so oft auf eine Lücke, bis das passende Wort dasteht. Dann prüfen.
Station 7 · Bauteile auswählen
250 Ω, 1 kΩ oder 10 kΩ?
Auftrag: Entscheidet euch und begründet. Dann auflösen und in der Simulation nachprüfen.
Im Materialschrank liegen Potis mit 250 Ω, 1 kΩ und 10 kΩ. Mit welchem lässt sich die Alarmanlage am feinsten einstellen?
Bei 9 V und Raumlicht braucht die Schaltung am Poti nur rund 10 bis 140 Ω, mit dem großen LDR weniger, mit dem kleinen mehr. Entscheidend ist, wo dieser Bereich auf dem Drehweg liegt:
1 % weiterdrehen verschiebt die Helligkeit, ab der es piept: beim 250-Ω-Poti um 5–15 %, beim 1-kΩ-Poti um 20–40 %, beim 10-kΩ-Poti um 75–95 %.
Station 8 · Umbauen
Oben und unten tauschen
Auftrag: Vergleicht beide Spannungsteiler. Vermutet, dann auflösen.
Poti oben, LDR unten: Wann piept die Schaltung jetzt?
Jetzt liegt der LDR parallel zur Basis-Emitter-Strecke. Wird es dunkel, wird er groß, und an ihm bleibt mehr Spannung. Ab etwa 0,7 V schaltet der Transistor: ein Dämmerungsschalter wie beim Nachtlicht.
Beim Nachbau braucht das Poti oben einen viel größeren Wert, etwa 47 bis 100 kΩ statt 1 kΩ, denn oben muss fast die ganze Spannung abfallen.
MerkeSensor oben: schaltet ein, wenn sein Widerstand klein wird. Sensor unten: schaltet ein, wenn sein Widerstand groß wird.
Station 9 · Anderer Sensor
Ein Hitzewarner für das Terrarium
✎ Zettel und Stift · jede und jeder für sich8 Minuten
Ein NTC (Heißleiter) hat bei Wärme einen kleinen und bei Kälte einen großen Widerstand. Der Summer soll piepen, wenn es zu warm wird.
- Kommt der NTC nach oben (statt LDR) oder nach unten (statt Poti)?
- Zeichnet den Schaltplan.
- Begründet in zwei Sätzen mit dem Spannungsteiler.
Für Schnelle: Ein Frostwarner soll bei Kälte piepen. Wohin kommt der NTC jetzt?
Nach oben, an die Stelle des LDR. Wird es warm, wird der NTC klein. Dann bleibt am Poti mehr Spannung, und ab etwa 0,7 V schaltet der Transistor.
Für Schnelle: Nach unten, parallel zur Basis-Emitter-Strecke. Kälte → NTC groß → mehr Spannung unten.
Abschluss
Check
Auftrag: Jede und jeder entscheidet sich zuerst, dann auflösen.
Das Poti steht ganz auf 0 Ω. Was passiert, wenn Licht auf den LDR fällt?
Die Basis ist dann direkt mit Minus verbunden. Für die Basis-Emitter-Strecke bleiben 0 V, der Transistor sperrt.
Der Summer piept. Was zeigt das Multimeter zwischen Basis und Emitter?
Ab etwa 0,7 V leitet die Basis-Emitter-Strecke. Mehr Licht bringt mehr Basisstrom, aber kaum mehr Spannung.
Welches Bauteil liegt im Arbeitsstromkreis?
Arbeitsstromkreis: Plus → Summer → Kollektor → Emitter → Minus. LDR und Poti gehören zur Steuerung.
Ausblick
Weiterbauen und simulieren
Auftrag: Sucht euch einen Umbau aus. Vermutet zuerst, was passiert. Dann baut oder simuliert ihn.
Andere Aktoren statt Summer
- LED mit 470-Ω-Vorwiderstand: Licht statt Ton.
- Relais: schaltet größere Verbraucher. Parallel zur Spule gehört eine Freilaufdiode, sonst kann die Spannungsspitze beim Abschalten den Transistor zerstören.
- Lämpchen oder helle LED, die auf den LDR leuchtet: Einmal an, hält sie sich selbst an (Selbsthaltung). So funktioniert die „Magische Lampe“.
- NTC oben: Hitzewarner. LDR unten: Nachtlicht.
Am Rechner
- Tinkercad Circuits: Schaltung auf dem virtuellen Steckbrett nachbauen und mit dem Multimeter messen. Als Aktor besser eine LED mit Vorwiderstand nehmen.
- Falstad-Simulator: läuft ohne Anmeldung im Browser und zeigt Spannungen und Ströme farbig.
- Klicktafeln: Calliope-Lichtsensor · Motor über Transistor (Arduino)