Halbleiterdiode

Aufgabe

Zauberschaltung

Schwierigkeitsgrad: schwere Aufgabe

Der abgebildete Versuch zeigt Ergebnisse, die mit dem physikalischen Grundverstand scheinbar nicht in Einklang zu bringen sind. Dabei sind scheinbar zwei gleichartige Glühlampen L₁ und L₂ in Serie zu zwei Schaltern S₁ und S₂ geschaltet und an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen.

Abb. 1 Beobachtungen bei der Durchführung des Experimentes zur Zauberschaltung

Im Experiment beobachtest du Folgendes:

A: Sind beide Schalter geöffnet, so leuchtet keine der beiden Lampen.
B: Ist Schalter S₁ geschlossen und Schalter S₂ geöffnet, so leuchtet L₁ und L₂ bleibt dunkel.
C: Ist Schalter S₁ geöffnet und Schalter S₂ geschlossen, so bleibt L₁ dunkel und L₂ leuchtet.
D: Sind beide Schalter geschlossen, so leuchten beide Lampen.

Nenne die beiden Ergebnisse, die mit dem gesunden Menschenverstand in Einklang zu bringen sind und die beiden Ergebnisse, die für Verwunderung sorgen.

In der folgenden Tabelle sind die Beobachtungen zusammengefasst. Dabei bedeuten: S: = 0 Schalter offen; S:= 1 Schalter geschlossen; L:= 0 Lampe dunkel; L: = 1 Lampe hell.

**Tab. 1** Tabellarische Darstellung der Beobachtungen
	S₁	S₂	S₃	S₄
A	0	0	0	0
B	1	0	1	0
C	0	1	0	1
D	1	1	1	1

Erstelle einen Schaltplan mit vier Halbleiterdioden, bei der sich die beobachteten Versuchsergebnisse zeigen.

Erläutere für alle vier Schalterstellungen das Verhalten der Schaltung.

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Vorlesen

Die Beobachtungen A und D sind normal zu erklären, die Beobachtungen B und C jedoch nicht.

**Abb. 2** Mögliche Schaltskizze der Zauberschaltung

An den Versuchen B und C kann man erkennen, dass im Schaltbild auf der Hauptseite nicht alle Elemente der Schaltung dargestellt waren. Um die beobachteten Ergebnisse zu erreichen, muss parallel zu jedem Schalter und parallel zu jeder Lampe je eine Diode geschaltet sein. Abb. 2 zeigt einen möglichen Schaltplan für diese Schaltung.

Das Versuchsergebnis einer solchen Schaltung ist in der folgenden Animation gezeigt. Dabei symbolisiert eine grüne Diode, dass diese in Durchlassrichtung gepolt ist, eine rote Diode ist in Sperrrichtung gepolt. Die lila Pfeile deuten die Stromrichtung an.

Abb. 3 Erklärung des Experimentes zur Zauberschaltung

A: In keiner der beiden Halbperioden fließt Strom durch eine Lampe.

B: In der zweiten Halbperiode fließt Strom durch Lampe 1. (L₂ ist durch die parallel geschaltete Diode kurzgeschlossen).

C: In der ersten Halbperiode fließt Strom durch Lampe 2. (L₁ ist durch die parallel geschaltete Diode kurzgeschlossen).

D: In der ersten Halbperiode fließt Strom durch Lampe 2. (L₁ ist durch die parallel geschaltete Diode kurzgeschlossen). In der zweiten Halbperiode fließt Strom durch Lampe 1. (L₂ ist durch die parallel geschaltete Diode kurzgeschlossen).

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