Elektronik erleben

Der lebendige Schaltplan.

Vom geladenen Kondensator bis zur leuchtenden Ampel: Schalte ein, verfolge die Strompfade und entdecke, warum jedes Bauteil hier gebraucht wird.

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Lebendiger Schaltplan einer LernampelLinks die Quelle und RC-Freigabe, mittig Relaisspule mit Freilaufdiode und Transistor, rechts der geschaltete Lastkreis mit drei LED-Zweigen. Bauteile sind per Tab und Enter erklärbar; Bedienknöpfe befinden sich oberhalb. Vollständige textliche Beschreibung steht unter dem Plan.01 / VERSORGUNG02 / FREIGABE & ZEIT03 / RELAIS04 / LICHTSIGNALV+ · 12 V DC0 V · gemeinsames BezugspotentialVersorgung: V+ / 0 VStart/Stop → Speicher in U2mechanische Kopplung0,0 mA0,0 mA0,0 mAVersorgung: V+ / 0 V internAktiv bei geschlossenem K1.1Knotenpunkt = verbunden · Kreuzung ohne Punkt = nicht verbunden
Strompfad aktiv Spannung vorhanden Blau gestrichelt: Steuersignal Violett: mechanische Kopplung

Schalten & beobachten

Modellzeit0,0 s
Kondensator C10,00 V
Relais K1Abgefallen
AmpelAus

Werte verändern

Zeitkonstante τ = R1 × C1 = 1,00 s.

R1 oder C1 wechseln startet den Versuch im entladenen Zustand neu. Die LED-Widerstände kannst du im laufenden Versuch vergleichen.

Ströme & Schutz

Lade-/Entladestrom C1
1,20 mA
Spulenstrom K1
0,00 mA
Freilaufdiode D0
Sperrt
Rote / gelbe / grüne LED
0 / 0 / 0 mA

Die Lichtstärke ist anschaulich skaliert. Sie ist keine gemessene Kennlinie eines bestimmten LED-Typs.

Der Startspeicher ist aus. Drücke Start, um den Ablauf zu beobachten.

Starte mit „Start drücken“. Bauteil: darüberfahren für einen Satz, anklicken für Erklärung und Beispiel. „Zeit pausieren“ hält den Ablauf an. Bedienung und Messwerte stehen gemeinsam am Plan.

Vom Eingang zur Wirkung

So hängt die Schaltung zusammen

1 · Versorgung und geschlossener Weg

G1 ist eine ideale Gleichspannungsquelle mit 12 V beziehungsweise ausgeschaltet 0 V. Oben liegt V+, unten das gemeinsame Bezugspotential 0 V. Eine Spannung allein bedeutet noch keinen Stromfluss: Ein offener Kontakt unterbricht den betreffenden Lastkreis.

Helle Laufpunkte zeigen die technische Stromrichtung auf aktiven Pfaden. Sie sind keine maßstäbliche Darstellung von Elektronengeschwindigkeit. Dunkle Leitungen können weiterhin Spannung führen; der ruhige goldene Rand kennzeichnet die positive Versorgung.

2 · C1 macht Zeit sichtbar

Der Wechselschalter S1 verbindet R1 entweder mit V+ oder mit 0 V. C1 lädt beziehungsweise entlädt sich über R1. Sein Ladestrom ist anfangs groß und nimmt ab. Beim Entladen kehrt sich die Stromrichtung im R1-Zweig um.

Die Zeitkonstante beträgt τ = R1 × C1. Bei 10 kΩ und 100 µF sind das 1 s. Nach einer Zeitkonstante erreicht C1 beim Laden aus 0 V ungefähr 63 % der Endspannung.

U1 ist ein idealisierter Schmitt-Trigger: Er gibt ab 7,6 V frei und nimmt die Freigabe erst bei höchstens 4,4 V zurück. Diese Hysterese verhindert Hin- und Herschalten direkt an einer einzigen Schwelle.

3 · Kleine Ansteuerung, eigener Lastkreis

U2 verbindet den Startspeicher und U1 mit einer UND-Verknüpfung. Nur wenn beide aktiv sind, steuert es Q1 über RB an. Der Transistor schließt den Spulenstromkreis: V+ → K1 → Q1 → 0 V.

Das Relais benötigt im Modell genügend Spulenstrom und etwas Anzugszeit. Erst dann schließt der mechanisch gekoppelte Schließer K1.1. Die violette Linie zwischen Spule und Kontakt ist keine elektrische Leitung.

Stop löscht den Startspeicher direkt. S1 lädt oder entlädt dagegen C1 und wirkt deshalb verzögert. S1 ist hier keine Not-Halt-Funktion.

4 · Warum D0 beim Abschalten leitet

Der Strom einer Spule kann nicht schlagartig verschwinden. Sperrt Q1, fließt der verbleibende Spulenstrom über die Freilaufdiode zurück zum oberen Spulenanschluss. Er nimmt dabei ab; die Stromrichtung in der Spule bleibt zunächst gleich.

Die Kathode von D0 liegt oben, die Anode unten. Im normalen eingeschalteten Zustand sperrt die Diode. Probiere Stop in der Zeitlupe aus: Spulenstrom, Diodenleitung und Abfallen des Kontakts sind verschiedene Zustände.

5 · Die Ampel folgt einem Ablauf

Der geschlossene Kontakt versorgt drei parallele Lastzweige. U3 schaltet die Transistoren Q2–Q4 in der Reihenfolge Rot (3 s), Rot + Gelb (1 s), Grün (3 s), Gelb (1 s). Beim erneuten Anziehen startet der Ablauf wieder mit Rot.

U3 ist ein ausdrücklich vereinfachter Funktionsblock mit Zeitbasis und passenden Ausgangsstufen. Die blaue gestrichelte Darstellung zeigt die Ansteuerung; Versorgung und interne Basiswiderstände des Blocks sind benannt, aber nicht einzeln ausgebreitet.

6 · Jede LED braucht ihren Vorwiderstand

R2, R3 und R4 begrenzen den Strom jeweils ihres LED-Zweigs. Im eingeschalteten Modell gilt näherungsweise I = (12 V − ULED − 0,2 V) / R. Rot und Gelb verwenden 2,0 V, Grün 2,2 V als feste Durchlassspannungen.

Bei 680 Ω fließen durch Rot ungefähr 14,4 mA. Ein größerer Widerstand senkt den Strom. Bei über 20 mA erscheint ein Hinweis auf die überschrittene Modellgrenze; reale zulässige Werte stehen im Datenblatt.

Was dieses Lernmodell zeigt – und wo es vereinfacht

Dies ist ein Funktionsschaltplan für eine Lernampel, keine Bauanleitung, keine echte Verkehrssteuerung und keine sicherheitsgerichtete Steuerung. Leitungswiderstände und die Versorgungsströme von U1–U3 werden nicht berechnet. Die ausgeschaltete ideale Quelle wird auf 0 V gesetzt, damit C1 über den gezeichneten Pfad entladen werden kann.

RC-Verläufe werden exponentiell berechnet. Das Relaismodell verwendet 400 Ω, 8 H, 0,2 V Transistor-Spannungsabfall und 0,7 V Dioden-Spannungsabfall. Anziehen: mindestens 20 mA für 60 ms; Abfallen: höchstens 8 mA für 30 ms. Das sind festgelegte Lernparameter und keine Daten eines konkreten Relais.

Q1–Q4 sind als ausreichend angesteuerte Schalter modelliert. Basisströme, Verstärkungsfaktor, thermische Grenzen und reale LED-Kennlinien werden nicht simuliert. Die Laufpunkte unterhalb der kleinen Anzeigeschwelle von 1 µA werden ausgeblendet. Elektrische Energie wird nicht durch die Punktbewegung oder deren Tempo quantifiziert.

Das Modell startet ruhig und läuft erst nach deiner Bedienung. Bei reduzierter Bewegung entfallen laufende Lichtpunkte. Eingaben und Simulationszustand bleiben nur auf der geöffneten Seite. Aufgabenbelohnungen verwenden die bestehende Speicherwahl.

Vom Steuersignal zur Kontaktbewegung: Schütz, Anker und Selbsthaltung gemeinsam beobachten →