Elektrische Stromkreise und Schaltungen

Elektrische Stromkreise und Schaltungen Übung

• Benenne die Schaltsymbole.

  Tipps

  Eine Batterie hat einen Pluspol und einen Minuspol. Das kannst du im Schaltzeichen erkennen.

  Eine Glühlampe wird im Schaltpan als ein Kreis dargestellt. Dieser ist zusätzlich mit einem X (Kreuz) versehen.

  So könnten die Schaltsymbole in einem Schaltplan einen elektrischen Stromkreis darstellen.

  Lösung

  Im Bild siehst du die richtige Lösung:

  
  

  Eine Batterie ist eine elektrische Quelle. Sie hat zwei Pole: einen Pluspol und einen Minuspol. Diese sind im Schaltzeichen sichtbar: Der Pluspol wird als dünner langer Strich dargestellt, während der Minuspol als kurzer dicker Strich gezeichnet wird. Manchmal werden als Schaltzeichen auch nur zwei kleine Kreise dargestellt.

  
  

  Die elektrischen Leitungen werden als einfache Striche dargestellt. Um die Übersicht auch in komplizierten Schaltungen zu behalten, wird Stromkreisen üblicherweise eine eckige Form gegeben.

  
  

  Die Glühlampe ist ein elektrischer Verbraucher. Du erkennst sie immer an einem Kreis, der mit einem X (Kreuz) versehen ist.

  
  

  Mit einem Schalter kann der Stromkreis geschlossen oder geöffnet werden. Diese Möglichkeit wird mit einem Strich zwischen zwei Punkten gezeigt. Ist der Schalter geöffnet, sieht man, dass keine Verbindung zwischen den beiden Punkten besteht: Der Strich zeigt schräg nach oben. Ist der Schalter geschlossen, sind beide Punkte miteinander verbunden.

• Beschreibe die Funktion verschiedener Schaltungsarten.

  Tipps

  Die UND-Schaltung kann als Sicherheitsschaltung an Maschinen verwendet werden: Nur wenn beide Schalter mit der Hand gedrückt werden, beginnt die Maschine zu arbeiten.

  Eine Wechselschaltung kann genutzt werden, um in einem langen Flur das Licht von verschiedenen Stellen aus ein- oder auszuschalten.

  Lösung

  Die Welt der Schaltungen bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten, elektrische Ströme zu steuern und Geräte zu betreiben. Unter den grundlegenden Schaltungsarten sind die UND-Schaltung, die ODER-Schaltung und die Wechselschaltung bedeutend. Jede dieser Schaltungen hat ihre eigenen charakteristischen Merkmale und Anwendungen.

  In diesem Lösungsweg werden wir einen genaueren Blick auf jede dieser Schaltungen werfen, ihre Funktionsweise verstehen und herausfinden, wie sie dazu verwendet werden, elektrische Ströme zu steuern und den Betrieb von Geräten zu ermöglichen:

  Bei einer UND-Schaltung müssen die beiden Schalter $\text{S}1$ und $\text{S}2$ geschlossen sein, damit die Glühlampe leuchtet.

  Bei einer ODER-Schaltung muss einer der beiden Schalter $\text{S}1$ oder $\text{S}2$ geschlossen sein, damit die Glühlampe leuchtet. Auch wenn beide Schalter geschlossen sind, leuchtet die Glühlampe.

  Mit einer Wechselschaltung kann die Glühlampe sowohl mit dem Schalter $\text{S}1$ als auch mit dem Schalter $\text{S}2$ eingeschaltet oder ausgeschaltet werden.

• Entscheide, in welchen Stromkreisen keine Parallelschaltung von Glühlampen dargestellt ist.

  Tipps

  Bei einer Reihenschaltung von zwei Glühlampen sind die Glühlampen $1$ und $2$ nur durch eine Leitung miteinander verbunden.

  Bei einer Parallelschaltung von zwei Glühlampen sind die Glühlampen $1$ und $2$ durch zwei Leitungen miteinander verbunden.

  Lösung

  Schaue dir alle Schaltpläne genau an:

  Schließe erst einmal die aus, bei denen es sich um eine Parallelschaltung von Glühlampen handelt: Beide Leitungen der ersten Glühlampe müssen mit der zweiten Glühlampe verbunden sein.

  Ist das nicht der Fall, handelt es sich um eine Reihenschaltung: Hier ist jeweils nur eine Leitung der ersten Glühlampe mit der zweiten Glühlampe verbunden.

  Das wären:

  • Bild $\boldsymbol{1}$
  • Bild $\boldsymbol{3}$
  • Bild $\boldsymbol{5}$

  Diese Bilder sind also anzukreuzen.

• Bestimme die Art der Schaltung für die genannten Anforderungen an die Türöffnung im Escape-Room.

  Tipps

  Zur Öffnung einer Tür an einem entfernten Ort kann eine ODER-Schaltung genutzt werden.

  Überbrückte oder aus einem Stromkreis entfernte Verbraucher können zu einem Kurzschluss führen.

  In einem Treppenhaus findet man oft Wechselschaltungen. So kann man das Licht für das Treppenhaus in der ersten Etage anschalten, aber im Erdgeschoss auch wieder ausmachen.

  Lösung

  Bei einer UND-Schaltung müssen beide Schalter gedrückt werden, damit sich die Tür öffnet. Dazu passt die folgende Beschreibung:

  • An der Tür des Raumes befinden sich zwei Schalter. Die Tür öffnet sich nur, wenn beide Schalter gleichzeitig gedrückt werden.

  $\quad \Rightarrow$ UND-Schaltung

  
  

  In großen oder langen Räumen kann das Licht von jedem beliebigen Ort ein- oder ausgeschaltet werden, wenn eine Wechselschaltung verwendet wird. Dazu passt diese Beschreibung:

  • Hinter einer Tür befindet sich ein sehr langer dunkler Flur. Zum Betreten des Flures muss das Licht eingeschaltet und zum Verlassen ausgeschaltet sein.

  $\quad \Rightarrow$ Wechselschaltung

  
  

  Die Türöffnung funktioniert mit einer ODER-Schaltung. Ist die Tür verschlossen, müssen beide Schalter geöffnet sein. Mit dem Schalter aus dem anderen Raum kann die Tür geöffnet werden, wenn in meinem Raum kein Schalter zu finden ist. Dazu gehört folgende Beschreibung:

  • Ein Raum kann nur dann geöffnet werden, wenn wenigstens eine weitere Person in einem der anderen Räume ist. Nach dem Klingeln kann diese Person die Tür von ihrem Raum aus mit einem Türöffner entriegeln.

  $\quad \Rightarrow$ ODER-Schaltung

  
  

  Werden alle Verbraucher aus einem Stromkreis entfernt oder überbrückt, ist der Pluspol der Spannungsquelle mit dem Minuspol verbunden und der Leitungswiderstand ist sehr gering: Es entsteht ein Kurzschluss. Die Leitungen können sich stark erwärmen oder sogar abbrennen. Dazu gehört diese Beschreibung:

  • Die Tür eines Raumes lässt sich nicht öffnen. Denn die Schaltung wurde manipuliert: Der Pluspol der Spannungsquelle wurde einfach mit dem Minuspol verbunden. Der Schalter und das elektronische Türschloss wurden aus dem Stromkreis entfernt.

  $\quad \Rightarrow$ Kurzschluss

• Gib an, welche Bauteile zu einem einfachen Stromkreis gehören.

  Tipps

  Eine Schnur ist keine Leitung.

  Mit einem Thermometer lässt sich die Temperatur messen. Sie hat nichts mit einem einfachen elektrischen Stromkreis zu tun.

  Lösung

  Zuerst schauen wir uns alle Elemente an. Danach sortieren wir die aus, die nichts mit einem elektrischen Stromkreis zu tun haben. Das sind:

  • das Thermometer
  • die Schnur

  Die richtigen Elemente bleiben dann übrig:

  • die elektrische Quelle
  • der Verbraucher
  • die Leitungen
  • der Schalter

• Analysiere die Schaltbilder, die hinter der Beleuchtung des Escape-Rooms stecken.

  Tipps

  Für eine Wechselschaltung müsste das zusätzliche Öffnen weiterer Türen das Licht wieder ausschalten.

  Sobald sich eine Tür öffnet, muss einer der Schalter geschlossen werden.

  Die Lampe im Schaltplan Nummer $4$ leuchtet nicht, obwohl alle Schalter geschlossen sind.

  Lösung

  Schaue dir alle Bilder genau an und beachte die vorgegebenen Bedingungen:

  • Das Licht schaltet sich nur dann ein, wenn eine der vier Türen geöffnet ist. Werden weitere Türen geöffnet, passiert nichts: Das Licht bleibt eingeschaltet.
  • Jede Tür verfügt über einen separaten Schalter.

  
  

  Gehe nun alle Schaltungen durch und überlege, was passiert, wenn du die vorhandenen Schalter einzeln oder zusammen betätigst.

  Schaltung $\boldsymbol{1}$:
  Die erste Schaltung kann nicht die richtige Lösung sein. Es gibt nämlich nur zwei Schalter, aber vier Türen mit separaten Schaltern.

  Schaltung $\boldsymbol{2}$:
  Die zweite Schaltung könnte die richtige Schaltung sein: Wenn ein Schalter geschlossen wird, dann leuchtet die Lampe. Werden alle anderen Schalter geschlossen, leuchtet die Lampe auch. Es gibt vier Schalter für vier Türen.

  Schaltung $\boldsymbol{3}$:
  Die dritte Schaltung kann nicht die richtige Schaltung sein. Denn es müssen mindestens zwei Schalter geschlossen sein, damit die Lampe leuchtet. Davon abgesehen gibt es vier Schalter für vier Türen.

  Schaltung $\boldsymbol{4}$:
  Die vierte Schaltung kann auch nicht die richtige Schaltung sein: Die Lampe würde immer leuchten, jedoch tut sie es nicht.

  $\Rightarrow$ Es passt also nur Schaltung $\boldsymbol{2}$ zu unserer Aufgabe und ist somit anzukreuzen.