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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.

a)

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
b)

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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a)

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

b)
Joachim Herz Stiftung
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 technische Stromrichtung an.

A
B
C
D
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).

 

 

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Elektronik

Halbleiterdiode