Ampel mit drei Lichtern

Was das Kind lernt

• Dass eine LED nur in eine Richtung leuchtet: langes Bein (Anode) zum +, kurzes Bein (Kathode) zum −.
• Was eine Parallelschaltung mit Wahlschalter ist: Alle LEDs teilen sich den −, und die Büroklammer wählt, zu welcher das + gelangt.
• Dass zwei Kupferbahnen, die sich berühren, einen Kurzschluss bilden und dann nichts leuchtet.
• Warum eine Knopfzelle mit einer LED keinen Widerstand braucht (ihr Innenwiderstand begrenzt den Strom), AA-Batterien aber schon.
• Die Reihenfolge und Bedeutung der Ampelfarben: Grün, Gelb, Rot.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlagen in 100 % und prüfe die rote 50-mm-Linie in der Kopfzeile. Der Körper (370 × 265 mm) passt nicht auf A4: Zeichne ihn mit dem Lineal oder klebe zwei Blätter zusammen.
• Teste jede LED mit der Batterie: langes Bein an die +-Seite (die mit der Schrift), kurzes Bein an die −-Seite. Leg die LEDs beiseite, die nicht leuchten.
• Isoliere die 4 Kabel an beiden Enden 15 mm ab und markiere jedes mit Klebeband: R (Rot), A (Gelb), V (Grün) und − (gemeinsam).
• Schneide etwa 20 Streifen Kupferband à 5 mm Breite: die gemeinsame Bahn mit 198 mm, 3 kurze Streifen mit 25 mm, die 6 Abschnitte der L-Bahnen, 6 Stückchen à 10 mm zum Abdecken der Beine und 4 à 15 mm für die Kabel. Die Maße jeder Bahn stehen auf Vorlage A.
• Halte eine Ersatzbatterie bereit: Bei einem längeren Kurzschluss entlädt sich die CR2032.

Materialien und Werkzeuge

• 5-mm-LEDs — 3 (Rot, Gelb/Orange, Grün) kaufen
  diffus (farbiges Gehäuse), 2–3,2 V, 20 mA; ein „gelbgrünes“ Grün leuchtet mit 3 V heller als reines Grün
• Knopfzelle CR2032 — 1 kaufen
  3 V, Lithium
• CR2032-Batteriehalter mit Kabeln — 1 kaufen
  mit rotem (+) und schwarzem (−) Kabel, am besten mit Schalter
• Kupferband — 1 m kaufen
  5–6 mm breit, am besten mit leitfähigem Kleber
• Dünnes isoliertes Kabel — 4 Stücke à 20 cm
  0,2–0,5 mm², möglichst in 4 Farben (oder mit farbigem Klebeband markieren)
• Musterbeutelklammern aus Metall — 4
  Kopf 8–10 mm ohne Lack, Beine 15–20 mm
• Büroklammer aus Metall — 1
  32 mm, ohne Kunststoffüberzug
• Wellpappe — 1 Bogen 40 × 45 cm
  3 mm (Versandkarton), für Körper, Deckel und Sockel
• Schwarzer Fotokarton — 1 A4-Blatt
  180–250 g/m², für die Front und die Blenden
• Bastelkleber (Weißleim) oder Heißklebepistole — 1
  zum Schließen des Kastens und zum Aufkleben auf den Sockel
• Durchsichtiges Klebeband — 1 Rolle
  zum Sichern der Kupferverbindungen und der Kabel

Werkzeuge

• Cuttermesser, Metalllineal und Schneidematte — Abwicklung des Körpers und Sockel ausschneiden Erwachsene
• Schere — Fotokarton, Kupferband und Blenden zuschneiden
• Spitzer Bleistift oder Vorstecher — die 5-mm-Löcher für die LEDs und die 3-mm-Löcher für die Musterbeutelklammern stechen Erwachsene
• Leerer Kugelschreiber — Falzlinien rillen
• Schere oder Abisolierzange — die Kabel 15 mm abisolieren Erwachsene
• Klebestift — Vorlagen und Front aufkleben

Teile und Vorlagen

• A · Ampelkörper (Abwicklung, von INNEN gesehen) ×1 — Wellpappe 3 mm
• B · Oberer Deckel ×1 — Wellpappe 3 mm
• C · Sockel mit Wahlschalter ×1 — Wellpappe 3 mm
• D · Schwarze Front ×1 — schwarzer Fotokarton
• E · Blende ×3 — schwarzer Fotokarton
• F · Kabel ×4 — dünnes isoliertes Kabel

Schritt für Schritt

1. Teste die LEDs

   Halte das lange Bein jeder LED an die +-Seite der Batterie (die mit der Schrift) und das kurze Bein an die −-Seite. Jede LED muss leuchten. Andersherum leuchtet sie nicht, geht aber auch nicht kaputt.

   Prüfe: Alle 3 LEDs leuchten; leg die beiseite, die es nicht tut.

2. Zeichne und schneide den Körper Erwachsene

   Zeichne die Abwicklung A (370 × 265 mm) mit senkrechten Kartonwellen auf die Pappe und klebe die Vorlage auf die Seite, die innen liegen wird. Schneide den Umriss mit Cuttermesser und Lineal aus, auch die Kerbe von 20 × 8 mm. Rille die Falzlinien mit einem leeren Kugelschreiber, aber falte noch nicht.

3. Stich die Löcher Erwachsene

   Leg die Pappe auf einen großen Radiergummi oder ein Stück Kork und stich die 3 Löcher von 5 mm in die Vorderseite mit einem spitzen Bleistift, den du drehst, bis das LED-Gehäuse hindurchpasst.

   Prüfe: Die LED steckt von innen bis zu ihrem Rand drin, und die Kuppel schaut außen heraus.

4. Klebe die schwarze Front auf

   Stich die 3 Löcher in die Front D und schneide an ihrem unteren Rand dieselbe Kerbe von 20 × 8 mm aus wie am Körper. Klebe sie mit dem Klebestift außen auf die Vorderseite; steck dabei einen Bleistift durch jedes Loch, damit beide übereinanderliegen, und lass die Kerben zusammenpassen. Klebe auch die drei Blenden E jeweils 22 mm über jedes Loch.

5. Setz die LEDs ein

   Leg die Pappe flach hin, mit der Innenseite zu dir, und steck jede LED von innen in ihr Loch: Rot oben, Gelb in der Mitte, Grün unten. Dreh jede so, dass das LANGE Bein rechts und das kurze links liegt, und biege die Beine flach zur Seite.

   Prüfe: Von innen gesehen zeigen alle 3 langen Beine nach rechts (zu den Buchstaben R, A, V).

6. Klebe die gemeinsame Bahn

   Klebe einen Streifen Kupferband von 198 mm auf die Linie „−“ (senkrecht, links von den LEDs, von 40 bis 238 mm ab oberem Rand) und drei kurze Streifen von 25 mm von dieser Bahn zu jedem kurzen Bein. Jeder kurze Streifen beginnt auf dem linken Rand der langen Bahn und überlappt sie so etwa 5 mm: Reibe sie mit dem Fingernagel fest.

7. Klebe die Bahnen der Lichter

   Klebe die drei L-Bahnen nach der Vorlage: R (waagerecht 29 mm + senkrecht 193 mm), A (19 + 113 mm) und V (9 + 33 mm). Lass mindestens 4 mm zwischen den Bahnen: Keine darf eine andere berühren.

   Prüfe: Keine Bahn berührt die daneben. Wenn doch, schneide das überstehende Kupfer mit der Schere ab.

8. Verbinde die Beine mit dem Kupfer

   Drück jedes Bein flach auf seine Bahn (das kurze auf die gemeinsame, das lange auf sein L) und schneide den Rest des Beins ab. Achtung beim langen Bein der grünen LED: Ihr waagerechter Abschnitt ist nur 9 mm lang, und Bahn A liegt 10 mm weiter, also kürze es etwa 10 mm hinter der LED, genau über Bahn V; das der gelben auf etwa 20 mm. Deck jedes Bein mit einem 10-mm-Stückchen Kupferband ab, reibe kräftig und sichere jede Verbindung mit durchsichtigem Klebeband.

   Prüfe: Kein Bein führt über eine fremde Bahn (achte vor allem auf Grün).
   Tipp: Hat dein Kupferband keinen leitfähigen Kleber, falte das Ende des oberen Streifens um, damit Kupfer auf Kupfer liegt.

9. Schließe die Kabel an

   Leg das blanke Kupfer jedes Kabels auf das Ende seiner Bahn (bei 238 mm, neben der Kerbe), deck es mit 15 mm Kupferband ab und darüber Klebeband. Kabel − an die gemeinsame Bahn, R, A und V an ihre eigene. Führe die 4 Kabel durch die Kerbe nach außen.

10. Teste vor dem Schließen

    Halte das Kabel − an die −-Seite der Batterie und das Kabel R an die +-Seite: Nur Rot darf leuchten. Wiederhole das mit A und V. Behebe jetzt jeden Fehler, solange es noch leicht geht.

    Prüfe: Jedes Kabel schaltet genau ein Licht ein, keines zwei.

11. Schließ den Körper

    Falte die 4 senkrechten Falzlinien auf 90° und klebe die 10-mm-Klebelasche innen an die gegenüberliegende Seitenwand. Falte die unteren Klebelaschen nach außen. Klebe den Deckel B oben auf, mit den Laschen außen.

12. Bereite den Sockel vor Erwachsene

    Schneide den Sockel C (160 × 180 mm) aus und stich die 4 Löcher von 3 mm. Wickle das Kupfer von Kabel R um den Schaft einer Musterbeutelklammer und steck sie in Loch R; mach dasselbe mit A und V. Biege die Beine unten auseinander.

    Prüfe: Jedes Kabel sitzt fest unter dem Kopf seiner Musterbeutelklammer und löst sich bei leichtem Ziehen nicht.

13. Bau den Drehpunkt und die Batterie ein

    Häng an die Musterbeutelklammer P die Büroklammer ein und wickle das rote Kabel (+) des Batteriehalters darum; steck sie nicht zu fest in ihr Loch, damit sich die Büroklammer drehen kann. Verbinde das schwarze Kabel (−) des Batteriehalters mit dem Kabel −, indem du die Kupferenden verdrillst, und umwickle sie mit Klebeband. Klebe den Batteriehalter in sein Rechteck.

14. Klebe die Ampel auf den Sockel

    Stell den Körper aufrecht auf das Rechteck AMPEL, mit der Front zum Wahlschalter, und klebe die nach außen gefalteten unteren Klebelaschen mit Kleber oder Heißkleber auf den 15-mm-Streifen rund um das Rechteck (nicht darauf). Führe die Kabel durch die Kerbe, ohne sie zu quetschen.

    Prüfe: Keine Klebelasche ragt über den Sockel hinaus: Die hintere reicht genau bis zur Kante.

15. Teste den Wahlschalter

    Leg die Batterie in den Batteriehalter und dreh die Büroklammer: Auf R leuchtet Rot, auf A Gelb, auf V Grün, und auf OFF ist alles aus. Übe die Reihenfolge Grün (10 s), Gelb (3 s), Rot (10 s).

16. Bemale die Ampel

    Mal die Seitenwände, die Rückseite und den Deckel mit Temperafarbe schwarz an (die Front ist schon schwarz). Du kannst einen weißen Streifen auf den Sockel malen. Lass alles 20 Minuten trocknen.

Funktioniert es? Der Test

Dreh die Büroklammer mit neuer Batterie durch alle vier Stellungen. Dann dunkle das Zimmer ab und schau dir die Ampel aus 3 m Entfernung an.

Was passieren soll: Jede Stellung schaltet genau eine LED ein, und OFF schaltet alle aus. Rot und Gelb leuchten kräftig; Grün kann etwas schwächer wirken (es braucht mehr Spannung). Eine CR2032 reicht für mehrere Stunden Dauerlicht.

Wenn etwas nicht klappt

• Eine LED leuchtet nicht — LED verkehrt herum oder lockere Kupferverbindung. Lösung: Prüfe, ob das lange Bein an seiner Bahn R/A/V liegt. Verstärke die Verbindung mit einem weiteren Stückchen Kupferband und reibe kräftig.
• Keine leuchtet — Batterie verkehrt im Halter, leere Batterie oder unterbrochene gemeinsame Bahn. Lösung: Prüfe die Batterie (+ zum markierten Kontakt). Prüfe, ob das Kabel − bis zur gemeinsamen Bahn reicht.
• Zwei Lichter leuchten gleichzeitig — Zwei Bahnen berühren sich, oder die Büroklammer berührt zwei Musterbeutelklammern. Lösung: Trenne die Bahnen, indem du überstehendes Kupfer abschneidest; kürze die Büroklammer oder setze die Musterbeutelklammern weiter auseinander.
• Die Batterie wird warm und nichts leuchtet — Kurzschluss: Das + berührt direkt das −. Lösung: Nimm die Batterie sofort heraus. Such nach Kupfer der gemeinsamen Bahn, das ein +-Kabel berührt.
• Grün leuchtet kaum — Reingrüne LEDs brauchen etwa 3 V, die Grenze der CR2032. Lösung: Nimm eine neue Batterie oder eine „gelbgrüne“ LED (2,1 V). Du kannst auch 2 AA-Batterien mit 100-Ω-Widerstand verwenden.
• Sie flackert beim Berühren — Lockere Kupferverbindung oder Kabel nicht fest unter der Musterbeutelklammer. Lösung: Drück den Kopf der Musterbeutelklammer fest und mach die fehlerhafte Verbindung neu.

Sicherheit

• Knopfzellen sind sehr gefährlich, wenn sie verschluckt werden (sie verätzen die Speiseröhre innerhalb von 2 Stunden): Bewahre sie außer Reichweite von Kindern unter 6 Jahren auf und nimm einen Batteriehalter mit verschraubtem Deckel, wenn kleine Kinder in der Nähe sind.
• Wenn jemand eine Knopfzelle verschluckt, sofort in die Notaufnahme.
• LED-Beine stechen: Biege sie flach und halte die LED beim Abschneiden fest, damit nichts wegspringt.
• Cuttermesser und Vorstecher benutzt ein Erwachsener, mit Schneidematte.
• Schließ die LEDs nie ohne Widerstand an AA- oder 9-V-Batterien an: Sie brennen sofort durch.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Strom ist wie Wasser, das auf der +-Seite aus der Batterie kommt und zur −-Seite zurückwill. Eine LED ist wie eine Tür, die nur in eine Richtung aufgeht: Steckst du sie verkehrt herum ein, kommt der Strom nicht durch und sie leuchtet nicht. Die Büroklammer ist wie ein Verkehrspolizist: Sie bestimmt, welchen Weg der Strom nimmt, und nur das Licht auf diesem Weg geht an. Alle Lichter teilen sich den Rückweg, und das ist die lange Kupferbahn.

Für Erwachsene

Eine LED ist eine Halbleiterdiode: Sie leitet nur in Durchlassrichtung (Anode, langes Bein, auf höherem Potenzial) und gibt Licht ab, dessen Farbe vom Material abhängt, das auch die Schwellenspannung bestimmt: ≈ 1,8–2,1 V bei Rot und Gelb, 2,1 V bei Gelbgrün und ≈ 3 V bei reinem Grün. Oberhalb der Schwelle steigt der Strom sehr schnell an, deshalb begrenzt man ihn normalerweise mit einem Widerstand: R = (V_Batterie − V_LED) / I, zum Beispiel (3 − 2) V / 0,01 A = 100 Ω bei 2 AA-Batterien. Die CR2032 hat einen Innenwiderstand von 10–40 Ω, der den Strom von selbst auf etwa 10–20 mA begrenzt; deshalb ist hier kein Widerstand nötig. Die Schaltung ist eine Parallelschaltung mit gemeinsamer Kathode: Die drei LEDs teilen sich die −-Bahn, und ein einpoliger Umschalter mit vier Stellungen (die Büroklammer: R, A, V und aus) legt das + an eine von ihnen. Zwei sich berührende Bahnen bilden einen Kurzschluss (fast kein Widerstand), der die Batterie entlädt und der LED keine Spannung lässt.

• LED: Leuchtdiode: winzige Lampe, die nur leuchtet, wenn der Strom über das lange Bein hineinfließt.
• Polarität: welches Ende + ist und welches −.
• Parallelschaltung: Verbindung, bei der jede LED ihren eigenen Weg von der Batterie hat.
• Wahlschalter: Schalter, der zwischen mehreren Wegen auswählt.
• Kurzschluss: direkter Weg von + nach −, ohne durch etwas hindurchzugehen: Die Batterie entlädt sich und wird warm.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene schneidet den Körper aus, sticht die Löcher und klebt das Kupfer; das Kind setzt die LEDs ein (langes Bein nach rechts), klebt Front und Blenden auf und spielt mit dem Wahlschalter „Grün, Gelb, Rot“.
• 8–10 Jahre: Sie machen alles außer den Schnitten mit dem Cuttermesser. Lass sie jede LED vor und nach dem Kleben selbst mit der Batterie testen und den Fehler suchen, wenn eine nicht leuchtet.
• 11–12 Jahre: Lass sie den Schaltplan mit Symbolen zeichnen, den nötigen Widerstand für 2 AA-Batterien berechnen und den Fußgängertaster oder den Summer ergänzen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Paare, eine Ampel pro Paar. Vor der Einheit: Körper ausschneiden und Löcher stechen, Kupferstreifen schneiden und Kabel abisolieren; Knopfzellen verwahren und erst am Ende austeilen (Kontrolle von Kleinteilen). Einheit von 90 min: 10 min LED + Batterie in der Hand, 60 min Bauen, 20 min „Stadt“, in der die Ampeln in einem Modell mit Papierstraßen zusammenkommen. Sammle am Ende alle Batterien wieder ein.

Challenges

• Bau eine Kreuzung mit 2 Ampeln, die über einen einzigen Wahlschalter gesteuert werden.
• Ergänze eine Fußgängerampel mit rotem und grünem Männchen, gezeichnet auf Transparentpapier.
• Bau einen Summer ein, der bei Fußgänger-Grün ertönt.
• Ersetze die LEDs durch Linsen: Fenster mit Ø 30 mm aus Transparentpapier und die LED 10 mm dahinter.
• Entwirf einen Drehschalter aus Karton mit einem Rad statt einer Büroklammer.

Weitere kostenlose Projekte

• Schwebendes Gespenst mit statischer Elektrizität
• Kürbislaterne mit flackerndem Licht
• Röhren-Taschenlampe mit Schalter
• Stromkreise aus leitfähiger Knete
• Tischventilator mit Motor
• Türalarm mit Summer
• Zitronenbatterie, die eine LED leuchten lässt
• Haus mit LED-Licht in jedem Zimmer
• Spukhaus mit leuchtenden Augen
• Taster-Telegraf

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