Elektrische Stromkreise und Schaltungen

Elektrische Stromkreise und Schaltungen Übung

• Benenne die Schaltsymbole.

  Tipps

  Eine Batterie hat einen Plus- 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 Plus- und einen Minuspol. Diese sind im Schaltzeichen sichtbar. Der Pluspol wird als dünner langer Strich 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 gezeichnet. 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 im Schalter mit dem zwischen zwei Punkten befindlichen schrägen nach oben zeigenden Strich gezeigt. Ist der Schalter geöffnet, sieht man, dass zwischen den beiden Punkten keine Verbindung besteht. Ist der Schalter geschlossen, sind beide Punkte miteinander verbunden.

• Beschreibe die Funktion verschiedener Schaltungsarten.

  Tipps

  Die UND-Schaltung kann als Sicherheitsschaltung an Maschinen genutzt 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 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 mit einer Leitung miteinander verbunden.

  Bei einer Parallelschaltung von zwei Glühlampen sind die Glühlampen $1$ und $2$ mit 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 $1$,
  • Bild $3$ und
  • Bild $5$.

  Diese Bilder kannst du nun ankreuzen.

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

  Tipps

  Zur Öffnung einer Türe 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 Türe öffnet.

  • „An der Türe des Raumes befinden sich zwei Schalter. Die Türe öffnet 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.

  • „Hinter einer Türe 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. Wenn die Tür verschlossen ist, müssen beide Schalter geöffnet sein. Mit dem Schalter aus dem anderen Raum kann die Türe dann geöffnet werden, wenn in meinem Raum kein Schalter zu finden ist.

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

  $\quad \Rightarrow$ ODER-Schaltung

  
  

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

  • Die Türe eines Raumes lässt sich nicht öffnen. 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

  Mit einem Schlüssel wird eine Türe geöffnet.

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

  Lösung

  Schau dir zuerst alle Elemente an. Sortiere alle 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 und
  • der Schalter.

• Ermittle 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 angeschaltet ist.

  Lösung

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

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

  
  

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

  Schaltung $1$:

  Die Schaltung $1$ kann nicht die richtige Lösung sein. Es gibt nur zwei Schalter aber vier Türen mit separaten Schaltern.

  Schaltung $2$:

  Die Schaltung $2$ könnte die richtige Schaltung sein. Wenn ein Schalter geschlossen wird, leuchtet die Lampe. Werden alle anderen Schalter geschlossen, leuchtet die Lampe auch. Es gibt vier Schalter für vier Türen.

  Schaltung $3$:

  Die Schaltung $3$ kann nicht die richtige Schaltung sein. Es müssen mindestens zwei Schalter geschlossen sein, damit die Lampe leuchtet. Dennoch gibt es vier Schalter für vier Türen.

  Schaltung $4$:

  Die Schaltung $4$ kann nicht die richtige Schaltung sein. Die Lampe würde immer leuchten, jedoch tut sie es nicht.

  $\Rightarrow$ Es passt also nur die Schaltung $2$ zu unserer Aufgabe und kann angekreuzt werden.