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Klipp-Klapp, was geht ab?

Experimente mit Relais - Elektrik zum Anfassen für Kinder ab 11 Jahren

Auf dieser Webseite zeige ich du coole Experimente mit Relais. Wir werden Bauteile ausprobieren, die auch in der Industrie zur Steuerung von Maschinen benutzt werden. Es wird klappern, blinken und funken.

Material-Liste

Bitte Deine Eltern, die folgenden Teile zu besorgen. Dann hast du alles zusammen, was du für die Experimente brauchst:
AnzahlArtikel
6Relais OMRON GR2R-2 24V 2xUM, mit durchsichtigem Gehäuse
1Getriebemotor für 24V, maximal 1A (z.B. ZHAOWEI ZWPD028028-16-E)
10Glühlampen 24V 1,2W (beliebige Bauform)
10Widerstand 220 Ohm 1/4 Watt
6Elektrolyt-Kondensator 2200µF 35V
6Elektrolyt-Kondensator 470µF 35V
10Diode 1N4001 oder 1N4004
3Einbau-Druckschalter 1×Ein/Aus für min. 24V 1A in rot/gelb/grün (z.B. PBS-11A)
3Einbau-Drucktaster 1×Schließer für min. 24V 1A, in rot/gelb/grün (z.B. PBS-11B)
1Einbau-Drucktaster 1×Öffner für min. 24V 1A, in schwarz (z.B. PBS-11C)
1Netzteil 24V 1A (höchstens 3A), kurzschlussfest!
3Rollen Schaltdraht rot/weiß/gelb, jeweils 3 Meter, mit 0,5mm oder 0,8mm Durchmesser
1Packung Messleitungen mit Krokodilklemmen, 4 Stück genügen
Die Teile sind zum Beispiel beim Pollin Versand erhältlich.

Werkzeug:

AnzahlArtikel
1Lötkolben 20 oder 30 Watt
1Rolle Lötzinn maximal 1,5mm Durchmesser
1Ein Knubbel Stahlwolle oder ein altes Baumwoll-Tuch
1Seitenschneider
1Spitzzange
1Abisolierzange, passend für den Schaltdraht

Achtung: Beim Experimentieren soll immer ein Erwachsener dabei sein, denn die Werkzeuge und der Strom sind ein bisschen gefährlich.

Grundlagen

Ich möchte du nur ungerne mir langen Texten quälen. Aber ein kleines bisschen Grundlagen müssen sein, damit du die Experimente verstehst.

Was ist Strom?

Jedes Kind weiß, das Strom aus der Steckdose oder aus Batterien kommt. Er fließt durch Kabel, nicht durch Schläuche. Strom ist unsichtbar und hat keinen Geruch.

Jedes Metall enthält klitzekleine unsichtbare Teilchen, die durch das Metall hindurch kriechen können. Sie heißen "freie Elektronen". Wenn die Elektronen gemeinsam in eine bestimmte Richtung wandern, dann "fließt" der Strom:
 

Die blauen Punkte bedeuten "freie Elektronen". Eine Batterie regt freie Elektronen zum Wandern an. Sie sorgt dafür, das der Strom fließt und zum Beispiel eine Lampe zum Leuchten bringt.

Wenn du zu diesen Fragen nichts einfällt, dann sprich mit deinen Eltern darüber.

Wenn du einen Wasserschlauch zerschneidest, fließt das Wasser heraus. Bei Strom ist das jedoch anders. Wenn du einen Draht zerschneidest, stoppt der Stromfluss sofort. Denn die Elektronen können den Draht nicht verlassen. Außerdem wollen Elektronen immer dahin zurück kehren, woher sie gekommen sind. Wenn der Weg dorthin unterbrochen ist, wandern sie nicht weiter.

Spannung und Stromstärke

Mit der Spannung gibt man an, wie stark die Elektronen durch das Kabel gedrückt werden. Eine kleine 1.5 Volt Batterie drückt die Elektronen nur mit wenig Kraft durch das Kabel. Aus der Steckdose kommt der Strom mit viel mehr Druck, nämlich 230 Volt.

Die Spannung muss immer zu den angeschlossenen Geräten passen, denn zu viel Spannung macht die Geräte kaputt. Sie können zu viel Druck nicht aushalten.

Die Stromstärke gibt an, wie schnell der Strom verbraucht wird oder fließt. Eine kleine Glühlampe verbraucht nur wenig Strom, während ein starker Scheinwerfer viel Strom fließen lässt. Die Stromstärke wird mit der Einheit Ampere angegeben.

Wir werden mit einem Netzteil experimentieren, daß eine Spannung von 24 Volt liefert. Ein Aufkleber auf dem Netzteil gibt an, wie viel Strom (Ampere) es höchstens liefern kann.

Leistung

Wir interessieren uns häufig dafür, wie viel Kraft oder Leistung eine Maschine hat. Denn es ist schon ein großer Unterschied, ob eine Bohrmaschiene bescheidene 250 Watt oder satte 2000 Watt Leistung hat.

Bei elektrischen Geräten hängt die Leistung von der Spannung und der Stromstärke ab. Man muss beide Zahlen multiplizieren, um die Leistung zu berechnen. So hat zum Beispiel ein Wasserkocher, der bei 230 Volt 10 Ampere fließen lässt, eine Leistung von 2300 Watt.

10 Ampere ⋅ 230 Volt = 2300 Watt

Oder abgekürzt:

10A ⋅ 230V = 2300W

Kurzschluss

Ein Kurzschluss liegt vor, wenn der Strom ohne Hindernis direkt wieder zur Quelle zurück fließt. Die Stromstärke ist dann sehr hoch:

Obwohl du Netzteil angeblich kurzschlussfest ist, solltest du diese Situation unbedingt vermeiden. Bei einem Kurzschluss geht häufig etwas kaputt. Zum Beispiel könnten die Kabel verschmoren oder gar in Brand geraten. Außerdem habe ich schon öfters erlebt, das Netzteile trotz eingebautem Schutz kaputt gegangen sind.

Einfache Experimente

Glühlampen

Glühlampen gibt es in vielen unterschiedlichen Formen und Farben. Sie enthalten einem sehr dünnen metallischen Faden, durch den sich der Strom hindurch quetschen muss. Die vielen kleinen Elektronen müssen sich dabei ganz eng zusammen drängeln, um durch den Faden hindurch zu kommen. Dabei entsteht so viel Reibung, dass der dünne Faden glühend heiß wird.

Er verbrennt dabei allerdings nicht, weil die gläserne Hülle der Glühlampe keine Luft hinein lässt. Ohne Luft kann kein Feuer entfacht werden.

Meine Glühlampen sehen so aus: Das Foto zeigt, wo man die Drähte anschließen muss. Ein Draht gehört irgendwo an die metallische Hülse der Fassung, der andere Draht gehört an die Spitze.

Auch diese Bauform ist häufig anzutreffen:

Löten

Als erste Aufgabe sollst du zwei Drähte an Deine Glühlampe anlöten. Benutze den Seitenschneider, um zwei Stücke Draht mit ungefähr 8cm Länge von der Rolle abzuschneiden. Die Farbe ist egal:

Benutze dann die Abisolierzange, um an den Enden etwa 5mm von der Isolation zu entfernen. Wahrscheinlich wirst du die Stellschraube der Abisolierzange vorher auf die Dicke des Drahtes einstellen müssen:

Das Ergebnis sollte ungefähr so aussehen (zwei Stück davon):

Stecke jetzt den Lötkolben ein und warte etwa 5 Minuten ab, damit er sich aufheizen kann.

Achtung: Lötkolben werden ungefähr 350 Grad heiß! Das ist viel heißer, als Bügeleisen und Kochtöpfe. Fasse daher niemals die Spitze mit bloßen Händen an. Benutze eine hitzefeste Unterlage, zum Beispiel ein Holzbrett oder eine Glasplatte.

Wenn die Spitze des Lötkolbens du Lötzinn zum schmelzen bringt, ist er einsatzbereit. Stelle einen Ventilator auf, damit du gleich keine schädlichen Dämpfe einatmen musst. Für die folgenden Arbeiten kann eine helfende Hand oder ein kleiner Schraubstock sehr hilfreich sein.

Drücke die Spitze des Lötkolbens gegen das blanke Ende des Drahtes. Nach etwa 3 Sekunden ist der Draht heiß genug. Dann gibst du ein kleines bisschen Lötzinn dazu (nicht mehr als 2 Millimeter). Das Zinn schmilzt und umhüllt das blanke Ende des Drahtes mit einer dünnen glänzenden Schicht. Nimm den Lötkolben rechtzeitig weg, bevor die Plastik-Isolation des Drahtes verkokelt. Diesen Arbeitsgang nennt man "verzinnen".

Verzinne alle vier Enden der beiden Drähte. Anschließend sollst du noch die Anschlusspunkte an der Glühlampe verzinnen, wo die Drähte befestigt werden. Danach kannst du die beiden Drähte mit dem Lötkolben an die Glühlampe drücken, um sie zu befestigen. Das Ergebnis sollte so aussehen:

Falls das Zinn nicht glänzt oder Klumpen bildet, ist die Lötstelle unbrauchbar. Meistens ist Schmutz daran schuld. Die Spitze des Lötkolbens kannst du an einem Baumwolltuch oder einem Knubbel Stahlwolle reinigen. Vermasselte Drahtstücke schneidet man am besten ab oder wirft sie weg.

Wenn die Metall-Hülse deiner Glühlampe das Zinn nicht annimmt, schleife sie mit einer Feile an. Das geht auch sehr gut mit Nagelfeilen - aber Mama wird von der Idee wohl nicht begeistert sein.

Du solltest das Löten an einfachen Drahtstücken üben, bevor du teurere Bauteile kaputt machst.

Netzteil

Jetzt wo deine Glühlampe mit Drähten versehen ist, kannst du sie endlich ausprobieren. Verbinde die beiden Anschlüsse der Glühlampe mit dem Ausgang des Netzteils. Du kannst die beiden Anschlüsse der Glühlampe ruhig vertauschen. Sie wird trotzdem leuchten. Denn dem Glühfaden ist es egal, oder Strom links oder rechts herum fließt.

Das Netzteil reduziert die 230 Volt aus der Steckdose auf ungefährliche 24 Volt. So brauchst du keine Furcht vor einem Stromschlag haben.

Bei einem Labornetzteil, kann man die Ausgangsspannung beliebig einstellen. Die eingebauten Meßinstrumente zeigen die Höhe der Spannung und die Stärke des Stromflusses an.

In den folgenden Fotos werde ich immer wieder rote und schwarze Kroko-Kabel für die Verbindungen zum Netzteil verwenden. Diese beiden Farben werden auf der ganzen Welt gleich verwendet.

Reihenschaltung

Als Nächstes probiere die sogenannte Reihenschaltung aus: Bei der Reihenschaltung leuchten die beiden Glühlampen nur schwach, denn der Strom wird zwei mal hintereinander ausgebremst.

Bei der Reihenschaltung ist bemerkenswert, dass beide Glühlampen gleich hell leuchten. Dabei ist es egal, welche Glühlampe näher an der Stromquelle sitzt. In Stromkreisen ist die Stromstärke immer gleichmäßig verteilt.

Man kann das mit Wasser vergleichen. Die Stromstärke entspricht der Wassermenge, die durch einen Schlauch fließt. Wenn du den Schlauch zusammen drückst, fließt das Wasser im ganzen Schlauch langsamer.

Parallelschaltung

Um die beiden Glühlampen mit ihrer vollen Helligkeit zu betreiben, musst du sie anders anschließen - und zwar in der sogenannten Parallelschaltung: Jetzt leuchten beide Glühlampen mit voller Helligkeit. Jede Glühlampe hat jetzt ihren eigenen Stromkreis.

Schalter und Taster

Mit einem Schalter kannst du das Licht ein- und aus schalten: Baue dieses Experiment zuerst mit dem gelben Schalter nach. Du kannst ihn so vom gelben Taster unterscheiden: Der Schalter rastet mit einem "Klick" ein, der Taster tut das nicht.

In dem oben dargestellten Schalter befindet sich der gleiche Mechanismus, wie in einem Kugelschreiber. Wenn man auf den Knopf drückt, geht das Licht immer abwechselnd an und aus.

Wenn der Schalter eingeschaltet ist, drückt er ein kleines Stück Metall gegen die beiden Anschlüsse. Wenn er ausgeschaltet ist, besteht keine Verbindung.

Taster sehen häufig genau so aus, aber sie haben keinen Einrast-Mechanismus. Sie lassen den Strom daher nur solange fließen, wie sie gedrückt werden. Probiere nun auch den gelben Taster aus.

Probiere danach den schwarzen Taster aus. Er verhält sich genau umgekehrt, denn er hat einen "Öffner" Kontakt. Wenn du ihn drückst geht die Lampe aus. Wenn du ihn loslässt, geht sie an.

Widerstände

Widerstände dienen dazu, den Stromfluss auszubremsen. Es gibt Widerstände, die den Strom sehr stark ausbremsen. Andere wiederum bremsen weniger stark. Die bunten Ringe auf dem Widerstand geben an, wie stark sie den Strom bremsen. Bei allen Experimenten auf dieser Seite werden Widerstände mit 220 Ohm verwendet. Sie haben Ringe in den Farben:

Mit dem folgenden Aufbau bekommst du ein Gefühl dafür, wie stark ein 220 Ohm Widerstand den Strom bremst: Die Glühlampe leuchtet ungefähr mit halber Helligkeit. Wenn der Widerstand 500 Ohm hätte, würde die Glühlampe nur noch schwach glimmen. Und bei 1000 Ohm oder mehr würde sie ganz dunkel bleiben.

Widerstände eignen sich also dazu, Glühlampen dunkler zu machen.

Du kannst fühlen, das der Widerstand ein bisschen warm wird. Während sich der Strom durch den Widerstand hindurch drängeln muss, reiben sich die Elektronen am Widerstand. Dabei erzeugen sie Wärme. Dieser Effekt ist im Grunde genommen der selbe, wie in der Glühlampe. Widerstände sollen allerdings nicht glühend heiß werden. Ihnen fehlt die schützende Hülle aus Glas, deswegen würden glühende Widerstände verbrennen.

Überlege: Was passiert wohl, wenn du das Netzteil anders herum anschließt? Also wenn der Strom anders herum durch Glühlampe und Widerstand fließt?

Antwort: Nichts passiert. Es spielt keine Rolle, ob der Strom vor oder hinter der Glühlampe ausgebremst wird. In beiden Fällen wird der Strom gleich stark ausgebremst.

Außerdem ist es völlig egal, in welche Richtung der Strom fließt. Die Glühlampe leuchtet in beiden Richtungen und der Widerstand bremst in beide Richtungen.

Dioden

Ganz anders verhält sich allerdings die Diode. Sie lässt den Strom nur in eine Richtung hindurch fließen. Probiere es aus:

Die Lampe leuchtet, wenn der Strom in die richtige Richtung durch die Diode fließt. Anders herum kann kein Strom fließen:

Die Diode ist mit einem Strich bedruckt, der den Minus-Pol markiert. Auf dieser Seite müssen die Elektronen in die Diode hinein fließen, nur dann können sie hindurch gelangen. Wenn der Strom von der falschen Seite kommt, blockiert die Diode den Stromfluss. Deswegen bleibt die Glühlampe dunkel.

Mit Dioden kann man richtig coole Sachen machen. Dazu kommen wir später.

Kondensatoren

Ein Eimer kann zum Aufbewahren von Wasser verwendet werden. Zum Aufbewahren von Strom verwendet man Batterien oder Kondensatoren. Das folgende Bild zeigt einen dicken Kondensator mit 2200µF. Sprich: Zweitausend-und-Zweihundert Mikro-Farad. Diese Zahl gibt an, wie viele Elektronen der Kondensator speichern kann:

Genau wie Batterien hat der Elektrolyt-Kondensator ebenfalls einen Plus-Pol und einen Minus-Pol. Der Minus-Pol ist durch den dicken Strich markiert und hat einen etwas kürzeren Draht.

Elektrolyt-Kondensatoren darf man nicht falsch herum anschließen, weil sie sonst explodieren. Also Vorsicht bitte. Außerdem darf man niemals mehr Spannung anlegen, als aufgedruckt ist. Der oben abgebildete Kondensator verträgt höchstens 35 Volt.

Stecke das Netzteil in die Steckdose und schließe danach den dicken 2200µF Kondensator richtig herum an das Netzgerät an. Dadurch wird er aufgeladen. Viel spannender ist allerdings wie schnell der Ladevorgang abläuft. Das dauert nämlich nur einen ganz kurzen Moment, etwa so lange wie ein Wimpernschlag. Dabei fließt so viel Strom, dass beim Verbinden manchmal ein Funke und ein Knall entsteht.

Nimm den aufgeladenen Kondensator nun in die Hand und halte ihn an eine Glühlampe. Die Glühlampe leuchtet für einen kurzen Moment auf, dann ist der Spuk zuende. Der Kondensator ist entladen.

Wiederhole dieses Experiment einige male. Du wirst bemerken, dass der Kondensator wirklich so schnell aufgeladen wird, wie ich behauptet habe.

Wie du siehst, können Kondensatoren im Vergleich zu Batterien ziemlich wenig Energie speichern. Dafür kann man sie fast beliebig schnell aufladen, und das auch noch beliebig häufig. Selbst wenn du den Kondensator pausenlos benutzen würdest, kann er problemlos 30 Jahre alt werden. Batterien schaffen das nicht.

Die Frage der Fragen ist nun: Wozu soll das gut sein?
Wir werden Kondensatoren verwenden, um Lampen blinken zu lassen. Die Zeit des Ladevorgangs wird bestimmen, wie schnell die Lampen blinken. Dazu kommen wir später, wenn wir Relais benutzen.

Doch vorher möchte ich noch einmal auf die knallenden Funken eingehen. Hast du dabei ein gutes Gefühl, wenn es knallt? Nein, natürlich nicht, und damit liegst du total richtig. Diese Funken sind heiß, sie verbrennen die Oberfläche des Metalls. Deine Kroko-Klemmen haben jetzt schon einige schwarze Punkte, das sind Brandspuren! Auch das Netzteil leidet mit, womöglich hat es sich zum Selbstschutz bereits einmal abgeschaltet.

Außerdem stören solche Funken andere drahtlose Geräte in Deiner Umgebung: Smartphones, Radio, Fernseher, auch WLAN wird durch Funken kurzzeitig behindert. Aus diesem Grund sollte man starke Funken verhindern, wo immer es geht.

Vor etwas mehr als hundert Jahren hatten Tüftler entdeckt, dass man kurze Nachrichten (Telegramme) mit Hilfe von Funken an weit entfernte Empfänger übermitteln kann. Funken strahlen starke elektrische und magnetische Wellen aus. Diese Wellen können ohne Kabel weite Strecken durch die Luft reisen. Daher kommt der Begriff "Funk-Signal". Die Technik ist heute allerdings weiter fortgeschritten. Wir können Nachrichten inzwischen ohne buchstäbliche Funken übermitteln, mit viel weniger Energiebedarf. Allerdings lassen sich diese schwachen Signale recht leicht durch echte Funken stören.

Um den Funken zu verhindern, kannst du beim Aufladen einen Widerstand benutzen. Der Widerstand bremst den Strom aus. Somit entsteht nur noch ein ganz kleiner schwacher Funke. Es knallt nicht mehr. Es entstehen keine schwarzen Brandflecken. Das Beste dabei ist, dass du die drahtlosen Signale der Nachbarschaft nicht mehr störst.

Auch dieses mal sollst du den Kondensator wieder in eine Glühlampe entladen. Sie leuchtet genau so lange, wie zuvor. Der Kondensator speichert also immer noch genau so viel Energie, wie vorher.

Durch den Widerstand hat sich ledglich die Ladezeit geändert. Da der Widerstand den Strom ausbremst, lädt sich der Kondensator nun langsamer auf.

Wie lange der Ladevorgang dauert, kannst du ohne Messgeräte nicht feststellen. Aber wenn du anstelle des Widerstandes einfach eine Glühlampe benutzt, kannst du es direkt sehen: Die Glühlampe leuchtet zuerst hell auf und wird dann immer dunkler. Du kannst sehen, dass der Ladevorgang ungefähr 5 Sekunden dauert. Danach fließt kein Strom mehr, weil der Kondensator voll ist.

Relais

Kommen wir endlich zu den Relais. Relais enthalten Kontakte, die durch einen Elektromagneten betätigt werden. Am besten schaust du einfach mal nach, was in so einem Relais drin steckt: Auf der rechten Seite siehst du den Elektromagneten. Er besteht aus eine Spule mit dünnem Kupferdraht, in deren Mitte ein Eisenstab steckt. Wenn Strom durch den Draht fließt, verwandelt sich der Eisenstab in einen Magneten und zieht den Anker an.

Wir probieren aus, was passiert, wenn wir den Anker nach unten drücken: Der Anker ist mit einem Hebel verbunden, welcher die mittleren Kontakte bewegt. Hier im Detail erkennbar:

Das Relais drückt die mittleren Kontakte nach links. Dieser Effekt wird benutzt, um elektrische Maschinen zu steuern. Und genau darum wird es in den folgenden Experimenten gehen.

Probiere das Relais aus, indem du das Netzteil mit den Anschlüssen der Spule verbindest: Mit einem deutlich hörbaren "Klick" zieht der Elektromagnet den Anker an, wodurch die Kontakte bewegt werden.

Wechselschalter

Wir wollen eine Beleuchtung für den Keller bauen. Wenn das normale Licht ausgeschaltet wird, soll eine kleine Notbeleuchtung an gehen, damit niemand im Dunklen steht.

Verbinde ein Relais mit zwei Glühlampen, so wie in diesem Foto gezeigt: Die obere Glühlampe stellt die normale Beleuchtung des Kellers dar. Die untere Glühlampe soll unsere Notbeleuchtung sein.

Ein weißer Draht ist absichtlich lose, damit das Kellerlicht zunächst ausgeschaltet ist.

Vergrößerter Ausschnitt von Relais:

Die untere Glühlampe leuchtet, weil in dem Relais die blau markierten Kontakte verbunden sind: Der Strom fließt über den grün markierten Weg durch die Bauteile.

Durch die anderen Drähte fließt kein Strom, weil sie alle irgendwo in der Luft enden. Merke: Strom fließt nur, wenn er zurück zu seiner Quelle gelangen kann.

Halte nun den losen Draht an den freien Spulen-Anschluss des Relais: Das Relais schaltet mit einem deutlich "Klick" um, so dass jetzt die andere Lampe leuchtet.

Jetzt leuchtet die obere Glühlampe, weil das Relais nun andere Kontakte miteinander verbindet. Ich habe sie wieder blau markiert: Der Strom fließt über den grün markierten Weg durch die Bauteile.

Es gibt jetzt noch einen zweiten Stromkreis, der durch die Spule des Relais führt: Man nennt diesen Stromkreis den "Steuerkreis", weil er das Relais steuert.

Um die Schaltung zu vervollständigen kommt jetzt noch ein Schalter dazu:

Schaltpläne

Elektroniker zeichnen Schaltpläne, um ihre Arbeiten zu dokumentieren. Das kann man gut und gerne mit Stift und Papier machen. Ich habe das Zeichenprogramm KiCad benutzt.

Der Plan für die obige Wechselschaltung sieht so aus:

Links siehst du das Symbol für eine Batterie, das wir ebenfalls für Netzteile benutzen dürfen.

In der Mitte ist das Relais dargestellt, mit den Spulen-Anschlüssen A1 und A2, sowie den Schaltkontakten. Der Hebel, der die Kontakte bewegt, wird durch die gestrichelte Linie angedeutet.

Die roten Kreise mit X stellen Glühlampen dar. Die linke Glühlampe X1 ist mit dem Kontakt verbunden, der in Ruhelage eingeschaltet ist. Die rechte Glühlampe X2 ist mit dem anderen Kontakt verbunden.

Die grünen Linien sind elektrische Verbindungen, in unserem Fall angelötete Drähte.

All diese Symbole werden auf der ganzen Welt so gezeichnet und verstanden. Nur die Farben sind nicht festgelegt. Man könnte den ganzen Plan auch in schwarz zeichnen.

Die Bauteile sind durchnummeriert (X1, X2, und so weiter), um sie eindeutig zu kennzeichnen.

Die Beschriftungen der Relais-Anschlüsse haben eine bestimmte Bedeutung:

Auch die Einer-Stelle der Kontakt-Nummern haben eine Bedeutung. Schau du das Bild an, dann erkennst du sie.

In der Industrie weden die Anschlüsse von Relais fast immer genau so beschriftet. Neu bei Autos hat man sich leider eine völlig andere Beschriftung ausgedacht.

Selbsthaltung

Die Notbremse in einem Zug bleibt von alleine ständig aktiviert, wenn man einmal kurz den Not-Taster drückt. Der Fahrgast kann die Notbremse nicht wieder abschalten.

Wir bauen eine solche Schaltung nach, allerdings mit einer Glühlampe anstelle der Bremse:

Schaltplan:

Wenn ein Fahrgast den Taster betätigt, folgt der Stromfluss der grünen Markierung:

Da die Lampe mit der Spule des Relais verbunden ist leuchtet sie ebenfalls, wenn das Relais eingeschaltet ist.

Wenn der Taster losgelassen wird, fließt der Strom trotzdem weiter, weil inzwischen der Kontakt des Relais geschlossen ist:

Um die Notbremse zu lösen, musst du die Stromversorgung kurz unterbrechen. Wenn du möchtest, kannst du dazu den schwarzen Taster mit dem Öffner Kontakt hinzufügen:

Beachte das neue Symbol für den öffnenden Taster im Schaltplan:

Summer

Rauchmelder haben einen sehr lauten Signal-Ton, wenn sie Alarm schlagen. Solche Piepser kann man fertig kaufen. Wenn du jedoch einen weniger aufdringlichen Ton benötigst, dann lasse ein Relais summen:

Der Schaltplan dazu sieht so aus:

Am Anfang ist der Kontakt des Relais geschlossen, so dass Strom durch die Spule des Relais fließen kann. Der Stromfluss aktiviert den Magneten des Relais, welcher die Kontakte öffnet. Dann fließt kein Strom mehr. Dadurch lässt der Magnet wieder locker, so dass sich der Vorgang wiederholt.

Das Relais unterbricht seinen eigenen Stromkreis immer wieder. Es schaltet ganz schnell abwechselnd an und aus. Dabei macht es ein angenehmes summendes Geräusch.

Elektroschocker

Fasse mal mit einem Finger an die beiden Spulen-Anschlüsse des gerade aufgebauten Summers.

Du spürst ein kräftiges kribbeln, weil die Spule des Relais du viele kleine Stromschläge verpasst.

Alle Spulen geben beim Unterbrechen des Stromflusses kurze Impulse mit sehr hoher Spannung ab. Das können durchaus mehrere hundert Volt werden. So hast du ohne Absicht deinen ersten Elektroschocker gebaut.

Mit einer 9V Block Batterie und einem 6V Relais könntest du diese Schaltung sogar etwas kleiner in ein tragbares Gehäuse einbauen.

Klicker

Die Summer-Schaltung lässt sich mit nur zwei zusätzlichen Bauteilen dazu bringen, langsamer zu arbeiten. Dann macht sie ein klickendes Geräusch.

Verwende dazu den kleineren 470µF Kondensator. Achte darauf, ihn richtig herum einzubauen, damit er nicht kaputt geht. Der Minus-Pol ist mit einem dicken Strich gekennzeichnet.

Der Schaltplan dazu sieht so aus:

Am Anfang ist der Kontakt des Relais geschlossen, so dass Strom durch den Widerstand in den Kondensator fließt. Er lädt sich dabei auf. Ich habe den Lade-Strom in grün eingezeichnet:

Wenn der Kondensator genug Spannung geladen hat, schaltet das Relais um. Dann öffnet der Kontakt, so dass der Ladestrom unterbrochen wird.

Der Kondensator entlädt sich nun durch das Relais. Das dauert eine Weile. Ich habe den Entlade-Strom in orange eingezeichnet:

Wenn der Kondensator entladen ist, schaltet das Relais wieder in die Anfangs-Position zurück, so dass sich der Vorgang wiederholt. Der Vorgang wiederholt sich immer wieder, so dass das Relais munter vor sich hin klappert: Klipp-Klapp, Klipp-Klapp, Klipp-Klapp.

Tausche den Kondensator durch einen dicken 2200µF Kondensator aus, und schon klappert es langsamer:

Warum klappert das Relais jetzt langsamer? Weil der dickere Kondensator mehr Zeit zum Aufladen braucht. Und beim Entladen hat er mehr gespeicherte Energie, die das Relais versorgt.

Dennoch macht das Relais immer noch: Klipp-Klapp, Klipp-Klapp, Klipp-Klapp.

Nun gehen wir noch einen Schritt weiter, und sorgen dafür, dass das Relais gleichmäßiger klappert. Es soll so klingen: Klipp, Klapp, Klipp, Klapp, Klipp, Klapp. Dazu musst du lediglich die Verdrahtung ein bisschen abändern. Die Bauteile bleiben die selben, wie vorher:

Der Schaltplan dazu:

Am Anfang ist der Kontakt des Relais geschlossen, so dass Strom durch den Widerstand in den Kondensator fließt. Er lädt sich dabei wie gehabt auf. Ich habe den Lade-Strom wieder in grün eingezeichnet:

Wenn der Kondensator genug Spannung geladen hat, schaltet das Relais um. Dann öffnet der Kontakt, so dass der Ladestrom unterbrochen wird. Jetzt entlädt sich der Kondensator über die beiden orange markierten Stromkreise:

Der entscheidende Unterschied zur vorherigen Schaltung ist, dass der Kondensator sich dieses mal nicht nur durch das Relais entlädt, sondern auch durch den Widerstand. Dadurch entlädt er sich ungefähr genau so schnell, wie er sich auflädt. Und deswegen ist das Klick-Klack dieses mal gleichmäßiger.

Ich habe den Entladestrom durch das Relais als dünnere Linie eingezeichnet, weil dort weniger Strom fließt. Denn das Relais bremst den Strom stärker aus, als der Widerstand.

Blinker

Den Klicker kannst du ganz einfach zu einem Blinker umbauen. Du musst dazu nur eine Glühlampe hinzufügen:

Der Schaltplan dazu sieht so aus:

Während der Kondensator aufgeladen wird, leuchtet die Lampe mit. Ich habe den Stromkreis der Lampe grün eingezeichnet:

Polwender

Der Polwender ist eine Schaltung, mit der man die Laufrichtung eines Motors umschaltet.

Diese Schaltung kann zum Beispiel zur Steuerung eines Ventilators verwendet werden. Mit dem Schalter stellt man ein, ob der Ventilator frische Luft hinein blasen soll, oder ob er die verbrauchte Luft absaugen soll.

Detail-Foto:

Schaltplan:

Wenn das Relais aus geschaltet ist, läuft der Motor links herum:

Wenn das Relais ein geschaltet ist, fließt der Strom anders herum durch den Motor. Deswegen dreht er sich nun in die andere Richtung:

Nachtlicht

Folgende Aufgabe ist zu erledigen: Eine vorhandene Lichtanlage soll mit einem zusätzlichen Nachtlicht erweitert werden. Aus Kostengründen will man keine neuen Kabel zu den Lampen verlegen. Du hast nur 2 Drähte zu den Lampen zur Verfügung.

Da hilft uns die Polwender-Schaltung in Kombination mit zwei Dioden weiter:

Anstelle des Motors haben wir nun zwei Dioden und die Glühlampen mit dem Relais verbunden. Achte darauf, dass die Dioden in unterschiedliche Richtung eingebaut sind.

Schaltplan:

In Ruhelage ist Pin 11 vom Relais an Minus und Pin 21 ist mit dem Plus-Pol verbunden. Dann leitet nur die Diode D1, so dass das Nachtlicht leuchtet:

Wenn das Relais eingeschaltet ist, ist die Polung umgekehrt. Dann ist Pin 11 vom Relais an Plus und Pin 21 ist mit dem Minus-Pol verbunden. Dabei leitet nur die Diode D2, so dass das Tag-Licht leuchtet:

Fortgeschrittene Experimente

Wechselschaltung

Wir bauen jetzt die Beleuchtung für eine Treppe. Oben und unten ist jeweils ein Lichtschalter angebracht. Man kann das Licht mit beiden Schaltern abwechselnd ein und aus schalten - daher der Name "Wechselschaltung".

Detail-Foto vom linken Relais:

Detail-Foto vom rechten Relais:

Schaltplan:

Der Schaltplan zeigt die Relais in ausgeschaltetem Zustand. Bei beiden Relais ist der Ausgang (21) mit dem Plus-Pol des Netzteils verbunden. Die Lampen sind daher an beiden Seiten mit Plus verbunden, so können sie nicht leuchten:

Wenn du jetzt das linke Relais RL1 mit dem Schalter SW1 einschaltest, dann wird dessen Ausgang mit dem Minus-Pol des Netzteils verbunden. Die Lampen bekommen dann von links Minus und von rechts Plus. Daher leuchten sie:

Wenn du danach auch noch das rechte Relais RL2 mit dem Schalter SW2 einschaltest, dann wird auch dessen Ausgang mit dem Minus-Pol des Netzteils verbunden. Die Lampen sind jetzt an beiden Seiten mit Minus verbunden, daher leuchten sie nicht:

Nun kannst du wieder das linke Relais aus schalten. Dessen Ausgang ist dann wieder mit dem Plus-Pol verbunden. Die Lampen bekommen nun von Links Plus und von rechts Minus. Deswegen leuchten sie:

Zusammengefasst gibt es in dieser Wechselschaltung also vier Zustände:

Linkes RelaisRechtes RelaisLampen
aus (+)aus (+)aus
ein (-)aus (+)leuchten
ein (-)ein (-)aus
aus (+)ein (-)leuchten

Motor-Steuerung

Die obige Wechselschaltung lässt sich mit nur wenigen Handgriffen in eine Motorsteuerung umbauen. Damit könntest du zum Beispiel eine Zugbrücke hoch und runter fahren. In Autos werden auf diese Weise die Fensterscheiben angetrieben.

Schaltplan: Anstelle der Lampen haben wir jetzt in der Mitte den Getriebemotor. Und die beiden Druckschalter wurden durch Druck-Taster ausgetauscht. Alles andere ist gleich geblieben.

Wenn du nun den linken Taster drückst, dreht sich der Motor links herum. Wenn du den rechten Taster drückst, dreht sich Motor rechts herum.

Der Motor wechselt seine Laufrichtung, weil der Strom je nach gedrückter Taste entweder von links nach rechts oder von rechts nach links fließt. Der Strom fließt immer vom Minus-Pol zum Plus-Pol.

Wenn du beide Taster gleichzeitig drückst ... denk mal nach, was dann passiert.

Die Schaltung hat wieder vier Zustände:

Linkes RelaisRechtes RelaisMotor
aus (+)aus (+)aus
ein (-)aus (+)Linkslauf
ein (-)ein (-)aus
aus (+)ein (-)Rechtslauf

Kontrolllampe

Im folgenden Experiment simulieren wir ein Küchengerät, das eine Mikrowelle mit einem Grill kombiniert. Die Kontrolllampe soll bei beiden Funktionen mit an gehen:

Die linke Lampe X1 stellt die Mikrowelle dar und die rechte Lampe X2 stellt den Grill dar.

Jetzt sollst du überlegen, welche Bauteile oder Verbindungen hinzugefügt werden müssen, damit die mittlere Lampe richtig funktioniert. Sie soll zusammen mit der Mikrowelle an gehen, aber auch zusammen mit dem Grill.

Erster Versuch: Einfach die Kontrolllampe mit Mikrowelle und Backofen verbinden:

Kann das funktionieren? Denk nach, bevor du weiter liest!



Nein, es funktioniert nicht. Denn jetzt sind alle drei Lampen direkt miteinander verbunden. Wenn jemand die Mikrowelle einschaltet, geht zwar die Kontrollleuchte mit an, aber auch der Grill. Der soll aber aus bleiben! Auch den Grill kann man jetzt nicht mehr einzeln einschalten.

Vielleicht möchtest du diese falsche Schaltung aufbauen, um sie auszuprobieren. Manchmal begreift man elektrische Schaltungen besser, wenn man sie wirklich aufbaut.

Du brauchst ein Bauteil, das den Stromfluss nur in eine bestimmte Richtung erlaubt. Welches Bauteil wäre das? Die Diode. Genauer gesagt werden zwei Dioden benötigt, und zwar so:

Schauen wir uns an, wie der Strom fließt, wenn die Mikrowelle eingeschaltet ist:

Der grüne Stromkreis zeigt, wie der Strom durch die Mikrowelle fließt. Der orange Pfad zeigt, wie der Strom durch die Kontrollleuchte und die Diode fließt.

Die Elektronen des Stromflusses fließen vom Minus-Pol des Netzteils zum Plus-Pol, also in die Richtung des orangen Pfeils.

Die Diode ist allerdings entgegen gesetzt gezeichnet. Irgend jemand war vor über hundert Jahren wohl der Meinung das die Diode zum Minus Pol zeigen soll - also genau entgegen der Strom-Richtung. Dabei kann man schon mal durcheinander kommen. Leider sind die Symbole festgelegt, und zwar Weltweit. Du wirst du daran gewöhnen müssen.

Am besten merkt man sich das so: Die Diode lässt den Strom nur durch, wenn ihr Strich auf der Seite des Minus Pols liegt. Das gilt sowohl für den Strich im Schaltplan als auch für die Markierung am Bauteil. Vergiss einfach den Pfeil, denke lieber an den Minus-Strich.

Warum geht der Grill nicht mit an? Schau her:

Ich habe den Strom-Pfad durch den Grill in blau hinzugefügt. Bei der Diode D2 geht es allerdings nicht weiter, weil sie den Strom in diese Richtung nicht hindurch lässt. Deswegen bleibt der Grill aus.

Jetz schauen wir uns die andere Seite an. Die Mikrowelle wird ausgeschaltet, und der Grill soll jetzt benutzt werden. Es ergibt sich folgendes Bild:

Der grüne Stromkreis treibt den Grill an, und in orange habe ich den Stromfluss für die Kontrollleuchte eingezeichnet. Der (blaue) Strom kommt durch die Diode nicht durch, denn auf dieser Seite ist nicht ihr Minus-Strich.

Alles verstanden? Probiere es einfach mal in einem Probeaufbau aus, vielleicht wird es dann verständlicher: Hier leuchten gerade alle Lampen, weil ich beide Seiten (Mikrowelle und Grill) gleichzeitig eingeschaltet habe.

Wenn nur die Mikrowelle eingeschaltet ist, sieht es so aus:

Wenn der Grill eingeschaltet ist, sieht es so aus:

Falls bei du die mittlere Lampe nicht leuchten will, hast du vielleicht die Dioden falsch herum eingebaut. Oder du hast das Netzteil falsch herum angeschlossen. Versuche mal, die beiden Kroko-Kabel vom Netzteil zu vertauschen.

Einschaltverzögerung

Wenn man viele Geräte gleichzeitig einschaltet, springt manchmal die Sicherung raus. Schuld daran ist, dass die Geräte beim Einschalten ganz kurz sehr viel Strom verbrauchen.

Um dieses Problem zu lösen, schalten wir die Geräte automatisch nacheinander ein:

Schaltplan: Achtung: Das Relais 4 ist ein bisschen anders verbunden!

Die Schaltung funktioniert folgendermaßen:

Zuerst sind alle Relais ausgeschaltet, so wie im obigen Plan gezeichnet. Der Kondensator C1 lädt sich durch den Widerstand R1 langsam auf. Nach einer Sekunde hat er so viel Spannung geladen, dass das Relais RL1 einschaltet.

Der Ausgang (11) dieses Relais schaltet die Lampe X1 ein. Außerdem fließt ein Ladestrom von R2 zum Kondensator C2. Nach einer Sekunde hat er so viel Spannung geladen, dass das Relais RL2 einschaltet.

Der Ausgang (11) dieses Relais schaltet die Lampe X2 ein. Außerdem fließt ein Ladestrom von R3 zum Kondensator C3. Nach einer Sekunde hat er so viel Spannung geladen, dass das Relais RL3 einschaltet.

Der Ausgang (11) dieses Relais schaltet die Lampe X3 ein. Außerdem fließt ein Ladestrom von R4 zum Kondensator C4. Nach einer Sekunde hat er so viel Spannung geladen, dass das Relais RL4 einschaltet.

Der Ausgang (11) dieses Relais schaltet die Lampe X4 ein.

Somit wurden die vier Lampen schön der Reihe nach eingeschaltet. Anstelle der Lampen könnten auch andere Geräte an die Relais angeschlossen sein.

Dieses mal sollst du den Schaltplan ausdrucken und den Ladestrom der Kondensatoren markieren. Kannst du das? (Lösung)

Ich weiß dass diese Aufgabe ziemlich schwierig ist. Doch wenn du das schaffst, kannst du sicher bald auch eigene Schaltungen entwerfen. Die Mühe lohnt sich also.

Drcuke den Plan nochmal aus und Zeichne den Stromfluss durch die Lampen ein. (Lösung)

Lauflicht

Die obige Schaltung lässt sich durch Ändern einer einzigen Verbindung zu einem Lauflicht umbauen. Und zwar das gelbe Kroko-Kabel: Damit könnte man zum Beispiel ein Schild in einem Schaufenster beleuchten. Oder einen Wegweiser.

Schaltplan:

Wie bei der Einschaltverzögerung gehen die Lampen eine nach der anderen an. Wenn alle vier Lampen an sind, ist der Ausgang (21) von Relais R4 getrennt, so dass sich der erste Kondensator C1 langsam in das Relais RL1 entlädt. Irgendwann ist er leer genug, so dass das erste Relais RL1 abschaltet. Dem folgen dann auch die anderen Relais einer nach dem anderen.

Wenn alle Lampen aus sind, ist der Ausgang (21) von Relais R4 wieder mit dem Plus-Pol des Netzteil verbunden, so dass sich der ganze Ablauf wiederholt.

Zuerst gehen die vier Lampen nacheinander an, dann folgt eine Pause, dann gehen sie wieder aus. Dann wieder an ... und so weiter.

Wenn du den Anschluss (24) von Relais RL4 mit dem Minus-Pol des Netzteil verbindest, dann wird die Pause zwischen den Durchläufen kürzer, weil sich dann der Kondensator C1 über diese neue Verbindung schneller entlädt.

Kannst du das nachvollziehen? Drucke den Plan aus und markiere den Ladestrom von C1. Zeichen in einer anderen Farbe die gerade genannte zusätzliche Verbindung (von Anschluss 24 von RL4 zum Minus-Pol des Netzteils) ein. Markiere dann den Entladestrom von C1 der sich dadurch ergibt. (Lösung)

Buzzer

Zum Schluss stelle ich du eine Schaltung vor, in der die meisten Bauteile eine sinnvolle dauerhafte Verwendung finden. Und zwar einen Quiz-Buzzer, wie du ihn aus dem Fernsehen kennst. Da stellt ein Moderator eine Frage, und die Kandidaten müssen schnell einen Knopf drücken, wenn sie die Antwort kennen. Derjenige, der zuerst gedrückt hat, dessen Licht geht an. Er darf die Frage beantworten.

Der erste und schwierigere Teil der Schaltung sieht so aus:

Die drei linken Relais sind so beschaltet, dass sie eingeschaltet bleiben, wenn man den Taster kurz drückt. Dazu dient die grüne Verbindung. Das rechte Relais deaktiviert die Taster, sobald ein Licht an ist. So wird sichergestellt, das nur ein Kandidat sein Licht einschalten kann.

Schaltplan:

Die Dioden an den Tastern sorgen dafür, das nicht mehrere Relais gleichzeitig einschalten, wenn zwei Kandidaten gleichzeitig auf ihre Taster drücken.

Drucke diesen Plan aus und zeichne ein, wie der Strom fließt, wenn Taster SW1 gedrückt wird. Warum schaltet danach das Relais RL4 ein? Haben die Taster danach noch Strom? (Lösung)

Ersetze in Gedanken die drei Dioden durch Drähte: Wenn nun zwei Kandidaten gleichzeitig auf ihre Knöpfe drücken, gehen zwei Lampen an. Überlege, warum das so ist. Obwohl das Relais RL4 seinen Ausgang (12) sofort aus schaltet, sobald die erste Lampe an ist, findet der Strom nun einen unerwünschten Weg zu den anderen Tastern. Zeichne diesen unerwünschten Weg ein. (Lösung)

Füge zwei weitere Relais hinzu, wie im folgenden Plan gezeigt:

Kannst du erklären, was die Relais bewirken? Du hast diese Schaltungsteile bereits einzeln ausprobiert:

Darüber hinaus habe ich ganz oben noch einen Taster mit Öffner-Kontakt (also den schwarzen) eingezeichnet, womit der Moderator die Lampen wieder aus machen kann.

Ende