4.4 Der Blitz-Merker
Beschreibung der
Schaltung
Diese Schaltung hat zwei Schalter, einen zum Aufladen und einen zum Entladen
des Kondensators. Beide Schalter erzeugen Lichtblitze an der roten LED, aber
nur abwechselnd. Der Kondensator „merkt“ sich den letzten Zustand, geladen oder
entladen. Beim Aufladen gibt es einen Spannungsabfall am 1-kΩ-Widerstand,
sodass über den 10-kΩ-Widerstand ein Basisstrom fließt. Beim Entladen legt man
die positive Seite des Kondensators an die Basis, sodass ebenfalls ein
Basisstrom fließt. So wird erreicht, dass beide Vorgänge einen Lichtblitz
erzeugen.
Die
Schaltung eignet sich als kleines Ratespiel. Der erste Spieler lädt oder
entlädt den Kondensator und kennt deshalb den Ladezustand. Der zweite Spieler
muss nun raten und den Jumper möglichst so aufsetzen, dass wieder ein Lichtblitz
entsteht. Dann vertauschen sich die Rollen. Nach insgesamt zehn Runden steht
fest, wer von beiden Spielern die Aktionen des Gegners besser voraussagen kann.
Wer in deutlich mehr als der Hälfte aller Fälle richtig geraten hat, ist ein
echter Gedankenleser.
Messungen
Wenn jeder Spieler ein Messgerät benutzen darf, sollte jeder Versuch ein
Treffer werden. Voraussetzung ist allerdings, dass die Spannung am Kondensator
nicht durch eine übermäßig lange Messung stark verändert wird.
Ohne
Messung kennt man die Ladung des Kondensators nicht. Menschen können keine
kleinen Spannungen oder elektrische Felder sehen oder fühlen. Aber manche Tiere
können das. Der Hammerhai fühlt kleinste elektrische Spannungen und entdeckt
damit im Sand versteckte Fische.
Nach
neuester Forschung können auch Bienen eine elektrische Ladung erkennen und
wissen dann, ab eine Blüte gerade schon von einer anderen Biene besucht
wurde. Wir Menschen können das übrigens auch, aber nur bei sehr hohen
Spannungen. Wenn man eine Wolldecke entfaltet, kann sie sich auf einige tausend
Volt aufladen. Wenn man dann mit dem Handrücken in die Nähe kommt, richten sich
feinste Härchen auf der Haut auf, und das spüren wir. Genau so funktioniert das
auch bei den Bienen, nur wesentlich empfindlicher.
Simulation in EveryCircuit
Die Kurven
im oberen Teil der Grafik zeigen die Stromverläufe durch die Bauteile:
Grün: Kondensator C1
Violett: Widerstand R2
Orange: LED1
Die einzelnen Abschnitte zeigen die jeweiligen Schalterstellungen und ihre
Auswirkung auf den Stromfluß:
1.
Schalter S1 offen, Schalter S2 offen: Es
fließt kein Strom durch die Schaltung, da Transistor T1 ohne Basisstrom sperrt.
2.
S1 geschlossen, S2 offen: Strom fließt
durch C1 und über den Stromteiler, gebildet aus R1 (nach Masse) und R2 (über
die Basis und den Emitter von T1 nach Masse). Der Transistor schaltet durch,
die LED leuchtet auf bis C1 geladen ist und sperrt. Damit sperrt auch der
Transistor, die LED verlischt.
3.
S1 offen, S2 offen: wie Abschnitt 1
4. S1 offen, S2 geschlossen: Der Kondensator entlädt über S2 und teilt sich auf nach der
Basis-Emitter-Strecke von T1 und nach R2. Der Transistor wird durchgeschaltet,
die LED leuchtet auf. Der Emitterstrom von T1 fließt über R1 zurück zum
Kondensator. Ein kleinerer Teil des Stromes fließt über R2 zum Kondensator. C1
bildet so einen geschlossenen Stromkreis. Ist der Kondensator entladen, fließt
auch kein Strom mehr durch die Basis von T1. Der Transistor sperrt und die LED
verlischt.
Hinweis:
Die Stromrichtung in der
Simulation (grüner und violetter Pfeil) sollte eigentlich vom Pluspol zum
Minuspol des Kondensators zeigen. Aus diesem Grund werden die Kurven für C1 und
R2 mit negativen Werten ausgegeben. Eventuell liegt hier ein Fehler im
Schaltungssimulator vor, der sich aber auf die Funktion nicht auswirkt.
Was
passiert, wenn Widerstand R1 aus der Schaltung entfernt wird?
Schalter S1 geschlossen, Schalter S2 geöffnet:
Der Kondensator lädt über R2 und die
Basis-Emitter-Strecke des Transistors. T1 schaltet durch und die LED leuchtet
auf bis der Kondensator geladen ist. Damit fließt kein Strom mehr über die
Basis-Emitter-Strecke von T1. Der Transistor sperrt und die LED verlischt.
Schalter S1 geöffnet, Schalter S2 geschlossen:
Es kann kein Strom über die Basis-Emitterstrecke des Transistors fließen, da sein Emitter mit dem Minuspol des Kondensators keinen geschlossenen Stromkreis bildet. Der Transistor wird damit nicht durchgeschaltet und die LED bleibt dunkel. Der Kondensator entlädt über S2 und R2 und bildet mit diesen beiden Bauteilen einen geschlossenen Stromkreis. Die LED leuchtet daher nur beim Aufladen von C1 auf. Siehe die orangefarbene Kurve für die LED in Abschnitt 4 die auf 0 Ampere bleibt:
Fazit
Sowohl beim Laden des Kondensators als auch beim Entladen leuchtet die LED auf.
Die Screenshots zeigen das Aufleuchten leider nicht, aber die orangefarbenen
Stromkurve für die LED weist Werte im Milliampere-Bereich auf, wenn auch nur
für jeweils kurze Dauer. Damit ist das Aufblitzen verifiziert. Wenn um die Funktion von R1 ein Geheimnis
bestanden hat, sollte es mit dem zweiten Versuch gelüftet sein ;-)