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Aufgabe

Widerspenstige Ampel

Schwierigkeitsgrad: schwere Aufgabe

Hinweis: Diese Aufgabe wurde im Rahmen des bundesweiten Wettbewerbs Physik 2011 - 1. Runde - Juniorstufe (2. Aufgabe) gestellt. Wenn Du dich mit den neuen Aufgaben des Wettbewerbs auseinandersetzen willst, so gehe zur MNU-Seite (Wettbewerb Physik).

Du benötigst für diesen Versuch Leuchtdioden (LED) in den Farben rot, grün und gelb, Vorwiderstände von mindestens \(220\rm{\Omega}\), eine Fahrradglühlampe, eine Spannungsquelle für \(9\rm{V}\), mehrere Schalter, Leitungen und Krokodilklemmen.

a)Baue die abgebildete Schaltung mit einer roten und einer grünen LED sowie einer Fahrradglühlampe auf. Achte darauf, dass jede LED einen Vorwiderstand haben muss.
Untersuche das Leuchtverhalten beim Betätigen der Schalter S1 und S2. Beschreibe und erkläre deine Beobachtungen.
Erläutere, ob man diese Schaltung verwenden kann, um aus drei Räumen zu überwachen, ob zwei Türen geschlossen sind.

b)Gib bildlich an, welche Farbreihenfolge du bei einer Ampel beobachtest, die den Fahrzeugverkehr an einer Kreuzung regelt.
Beschreibe diese Reihenfolge und verändere die Schaltung aus Aufgabeteil a) so, dass damit die Farbreihenfolge einer Verkehrsampel simuliert werden kann.

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a)Die konkrete Schaltung wird z.B. mit einer roten und einer grünen LED, zwei Widerständen mit \(270\rm{\Omega}\) und einer Fahrradglühlampe \((6\rm{V}/0,1\rm{A})\) aufgebaut.

Beide Schalter sind offen

Man beobachtet, dass beide LEDs leuchten, die Glühlampe jedoch nicht. Der Grund hierfür ist, dass die Glühlampe mit den in der Skizze angegebenen Daten  einen Widerstand von \(60\rm{\Omega}\) hat. Dies ist im Vergleich zu den beiden in Serie liegenden Vorwiderständen ein relativ kleiner Wert. Somit fällt an der Glühlampe (Spannungsteilerschaltung) nur etwa eine Spannung von \(0,9\rm{V}\) ab. Dies bedeutet, dass die Glühlampe nicht leuchtet, die beiden LEDs dagegen schon, da diese schon bei einem Stromfluss von wenigen Milliampere eine Leuchterscheinung zeigen.

Nur einer der beiden Schalter ist geschlossen

Die LED, die parallel zum geschlossenen Schalter liegt ist kurzgeschlossen und leuchtet deshalb nicht. Durch die andere LED fließt nun mehr Strom als bei Fall 1, sie leuchtet also heller. Die an der Glühlampe anliegende Spannung reicht immer noch nicht für eine Leuchterscheinung aus.

Beide Schalter sind geschlossen

Beide LEDs sind kurzgeschlossen, sie leuchten also nicht. Die Glühlampe leuchtet nun sehr hell, da die an ihr anliegende Spannung größer als die Betriebsspannung ist.

Zusammenfassung der Schaltzustände

Schalter S1 Schalter S2 LED1 leuchtet LED2 leuchtet Glühlampe leuchtet
offen offen schwach schwach nicht
offen geschlossen hell nicht nicht
geschlossen offen nicht hell nicht
geschlossen geschlossen nicht nicht sehr hell

Eignung für die Überwachung des Schließzustandes von zwei Türen (z.B. Hauseingangstüren) von drei verschiedenen Räumen aus

Man baut z.B. an die Eingangstüren Kontakte, so dass die Türen wie Schalter wirken. Ist eine Tür geschlossen so ist der Schalter geschlossen und umgekehrt. Die drei Signallampen mögen sich in drei verschiedenen Zimmern des Hauses befinden.

Aus der obigen Tabelle ist zu ersehen, dass die Schaltung nicht geeignet ist, den Schließzustand der Türen zu überwachen. So leuchtet z.B. LED1 nicht, gleich ob Schalter S2 geschlossen oder offen ist.

b)Die Lichterfolge von Ampeln (rot - rot/gelb - grün - gelb) in Deutschland kann durch die abgebildete Schaltung realisiert werden.

Ampelbild S1 S2 S3
1 geschlossen offen offen
2 geschlossen geschlossen offen
3 offen offen geschlossen
4 offen geschlossen offen