Haus mit LED-Licht in jedem Zimmer

Was das Kind lernt

• Was eine Parallelschaltung ist: Jede LED hat ihren eigenen Weg zwischen den beiden Leiterbahnen, also leuchten die anderen weiter, wenn eine ausfällt.
• Dass eine LED eine Polung hat: Das lange Beinchen (+) kommt an die Plus-Bahn, nur dann leuchtet sie.
• Wie ein Diffusor (Transparentpapier) das Licht eines Punktes über das ganze Fenster verteilt.
• Wie man Kupferband als flaches Kabel benutzt und Ecken macht, ohne die Bahn zu unterbrechen.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlagen mit 100 % aus und prüfe die rote 50-mm-Linie in der Kopfzeile.
• Teste jede LED mit der Batterie: langes Beinchen an die +-Seite (die flache mit Schrift), kurzes Beinchen an die −-Seite. Sortiere die aus, die nicht funktionieren.
• Prüfe, dass die 3 LEDs dieselbe Farbe haben und ähnlich hell leuchten.
• Schneide Fenster und Tür vor der Einheit mit dem Cuttermesser aus, wenn die Kinder klein sind.
• Bereite für den Schlusstest einen Raum vor, den man abdunkeln kann.

Materialien und Werkzeuge

• Wellpappe — 1 Bogen, 40 × 35 cm
  einwellig, 3–4 mm (Versandkarton), glatt
• 5-mm-LEDs — 3 (+1 als Ersatz) kaufen
  warmweiß oder gelb, alle in DERSELBEN Farbe; mit ungekürzten Beinchen (etwa 25–28 mm)
• Knopfzelle CR2032 — 1 kaufen
  Lithium 3 V, 220 mAh
• CR2032-Batteriehalter mit Schalter und Kabeln — 1 kaufen
  mit EIN/AUS-Schalter und rotem (+) und schwarzem (−) Kabel, 10–15 cm
• Selbstklebendes Kupferband — ≈ 80 cm kaufen
  5–6 mm breit, möglichst mit leitfähigem Kleber
• Transparentpapier (oder Backpapier) — 3 Quadrate, 26 × 26 mm
  durchscheinend: verteilt das Licht
• Weißes A4-Blatt — 1
  zum Auskleiden der Rückwand B innen: wirft das Licht der LEDs zu den Fenstern zurück
• Klebeband — 1 Rolle
  durchsichtig oder Malerkrepp
• Heißklebesticks — 2
  für die Heißklebepistole
• Temperafarben oder Filzstifte — nach Belieben
  VOR dem Aufbau des Stromkreises verzieren

Werkzeuge

• Cuttermesser, Metalllineal und Schneidematte — Wände, Fenster und Tür schneiden Erwachsene
• Schere — Vorlagen, Transparentpapier und Kupferband zuschneiden
• Heißklebepistole — Wände und Dach verbinden Erwachsene
• Vorstecher oder Schaschlikspieß — 3-mm-Loch für die Kabel Erwachsene
• Spitzzange oder Pinzette — die LED-Beinchen biegen
• Klebestift — die Papiervorlagen auf den Karton kleben

Teile und Vorlagen

• A · Vorderwand (Außenseite) ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• B · Rückwand ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• C · Seitenwand mit Batteriehalter ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• D · Glatte Seitenwand ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• E · Dach ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• F · Fensterdiffusor ×3 — Transparentpapier
• G · Schaltungsvorlage (Innenseite der Vorderwand) ×1 — Papier

Schritt für Schritt

1. Teste die LEDs

   Nimm die CR2032-Batterie und halte das lange Beinchen jeder LED an die +-Seite (die flache mit Schrift) und das kurze an die −-Seite. Leuchtet sie, ist die LED in Ordnung. Leg 3 beiseite, die gleich hell leuchten.

   Prüfe: Leuchtet eine LED nicht, dreh sie um: Vielleicht waren die Beinchen vertauscht. Leuchtet sie dann immer noch nicht, ist sie kaputt.

2. Schneide die fünf Teile aus Erwachsene

   Klebe die Vorlagen A, B, C, D und E mit dem Klebestift auf den Karton und schneide mit Cuttermesser und Lineal an der durchgezogenen Linie entlang. Das Dach E misst 104 × 216 mm: Zeichne es direkt mit dem Lineal, wenn es nicht aufs Blatt passt. Danach sticht der Erwachsene mit dem Vorstecher das 3-mm-Loch in C, 20 mm von der Vorderkante und 28 mm von der Oberkante.

3. Öffne Fenster und Tür Erwachsene

   Schneide die 3 Fenster (18 × 18 mm) aus der Wand A. Bei der Tür schneidest du nur die obere und die rechte Seite (28 und 45 mm) und knickst die linke, damit sie wie an einem Scharnier aufgeht.

   Prüfe: Die Fenster haben saubere Ecken und die Tür geht auf und zu, ohne zu reißen.

4. Verziere die Wände

   Bemale die Außenseiten von A, B, C, D und E mit Temperafarben oder Filzstiften (Dachziegel, Backsteine, Fensterrahmen). Lass alles 10 Minuten trocknen, bevor du weitermachst: Auf feuchter Farbe hält das Kupferband nicht.

5. Klebe die Diffusoren ein

   Klebe auf der Innenseite von A ein 26 × 26 mm großes Quadrat Transparentpapier F mit 4 dünnen Klebestreifen an den Rändern über jedes Fenster. Klebe dann die Vorlage G darüber, die Öffnungen genau über den Fenstern.

   Prüfe: Halte die Wand gegen das Licht: Alle drei Fenster wirken weißlich und die Vorlage G sitzt genau.

6. Klebe die beiden Kupferbahnen auf

   Klebe einen 122 mm langen Streifen Kupferband auf die Linie BAHN + (oben) und einen gleichen auf BAHN − (unten). Drück sie fest mit dem Fingernagel an. Von innen auf die Wand geschaut beginnen die Bahnen 8 mm vom linken Rand und enden 10 mm vor dem rechten – der Seite, an die die Wand C kommt: Dort schließt du die Kabel an.

   Prüfe: Die beiden Bahnen sind 36 mm voneinander entfernt und berühren sich nirgends.

7. Biege die LED-Beinchen

   Biege mit der Zange beide Beinchen jeder LED 8 mm unter ihrem Sockel (wo der Kunststoff endet) um 90°. Dann biegst du das lange Beinchen nach oben und das kurze nach unten, in einer Linie, sodass ein T mit der aufrecht stehenden LED in der Mitte entsteht. Kürze den Rest, sodass jedes Beinchen ab dem Knick 18 mm lang ist (das kurze darf 16 mm haben: Es muss nur auf dem Band der Bahn aufliegen).

   Tipp: Markiere das lange Beinchen vor dem Biegen mit einem roten Filzstiftpunkt: Nach dem Biegen sieht man nicht mehr, welches das lange war.

8. Setz die LEDs ein

   Leg das T jeder LED flach auf die Vorlage G, mit dem Knick in der Mitte seines Fensters: Die LED steht aufrecht, 8 mm von der Wand entfernt, und zeigt ins Innere des Hauses. Das +-Beinchen (rot markiert) liegt auf der oberen Bahn, das −-Beinchen auf der unteren. Befestige jedes Beinchen mit einem 15 mm langen Stückchen Kupferband darüber.

   Prüfe: Leg die Batterie in den Batteriehalter und stell den Schalter auf EIN. Halte das abisolierte Ende des roten Kabels an das Ende der Bahn + und das des schwarzen an die Bahn − (sind die Kabel nicht abisoliert, isoliere jetzt 10 mm von jedem ab): Alle drei LEDs müssen gleichzeitig leuchten. Schalte danach aus.
   Tipp: Die LEDs zeigen nicht zu den Fenstern: Das Licht geht nach innen, wird von der weiß ausgekleideten Rückwand zurückgeworfen und kommt durch die drei Fenster wieder heraus. So leuchtet jedes Fenster ganz und gleichmäßig, ohne hellen Punkt in der Mitte.

9. Bau die Wände zusammen Erwachsene

   Klebe ein weißes A4-Blatt auf die Innenseite der Rückwand B (in ihrer Form zugeschnitten). Klebe dann mit Heißkleber die Seitenwände C und D innen an A, bündig mit deren Kanten, und zuletzt die Rückwand B, das Blatt nach innen. Die Wand C kommt an die Seite, an der die Bahnen enden, mit dem 3-mm-Loch neben der Vorderwand.

   Prüfe: Der Kasten ist rechtwinklig und die LEDs haben sich nicht verschoben.

10. Schließ den Batteriehalter an Erwachsene

    Der Erwachsene klebt den Batteriehalter mit Heißkleber außen an die Wand C. Führe seine Kabel durch das 3-mm-Loch. Wenn du es in Schritt 8 nicht getan hast, isoliere von jedem 10 mm ab; leg das Kupfer des roten Kabels auf das Ende der Bahn + und das des schwarzen auf die Bahn − und deck sie mit 20 mm Kupferband ab, fest angedrückt.

    Prüfe: Stell den Schalter auf EIN: Alle 3 LEDs leuchten.
    Tipp: Ohne Batteriehalter: Lass die Bahnen durch einen Schlitz nach außen laufen, leg die Batterie mit der −-Seite auf die Bahn − und mach eine mit Kupfer beklebte Klappe aus Fotokarton, die mit der Bahn + verbunden ist und mit einer Wäscheklammer auf die Batterie gedrückt wird. Die Wäscheklammer ist der Schalter.

11. Setz das Dach auf Erwachsene

    Knick das Dach E am First und leg es auf die beiden dreieckigen Giebel von A und B, mit 8 mm Überstand vorne und hinten. Klebe es mit einer Raupe Heißkleber entlang der vier schrägen Kanten fest.

12. Schalte es im Dunkeln ein

    Mach das Licht im Zimmer aus, stell das Haus auf den Tisch und schalte auf EIN. Die drei Fenster müssen gleichmäßig leuchten, und auch durch den Türspalt fällt Licht.

Funktioniert es? Der Test

Schalte im dunklen Zimmer ein und schau aus 1 m Entfernung. Halte dann ein Fenster mit dem Finger zu und öffne die Tür.

Was passieren soll: Die 3 Fenster leuchten sanft und ähnlich hell. Nimmst du eine LED heraus, leuchten die anderen beiden weiter (parallel). Mit einer neuen CR2032 leuchtet das Haus ununterbrochen etwa 8–15 Stunden.

Wenn etwas nicht klappt

• Keine LED leuchtet — Bahnen + und − vertauscht, Schalter auf AUS oder Kabel schlecht mit dem Band verbunden. Lösung: Prüfe, ob das rote Kabel an der oberen Bahn ist. Drück die Verbindungen mit dem Fingernagel fest oder kleb ein weiteres Stück Kupferband darüber.
• Eine LED leuchtet, eine andere nicht — Diese LED ist falsch herum oder ihr Beinchen berührt die Bahn nicht richtig. Lösung: Dreh die LED um (lang oben) und drück ihr Stückchen Kupferband an. Teste sie direkt an der Batterie.
• Die LEDs leuchten sehr schwach — Batterie leer oder weiße LEDs mit hoher Durchlassspannung. Lösung: Wechsle die Batterie. Bleibt es so, nimm gelbe oder warmweiße LEDs mit 2,8–3 V. Schau das Haus im Dunkeln an.
• Eine leuchtet sehr hell, die anderen kaum — LEDs unterschiedlicher Farbe oder Sorte. Lösung: Nimm drei gleiche LEDs aus derselben Packung.
• Es funktioniert nur, wenn ich an einer Stelle drücke — Das Kupferband ist an einer Ecke gerissen oder der Kleber leitet nicht. Lösung: Leg an den Verbindungen Kupfer auf Kupfer, indem du das Bandende umschlägst (Metallseite auf Metallseite), oder verstärke mit einem weiteren Stück.
• Die Batterie wird warm — Kurzschluss: Die Bahnen + und − berühren sich. Lösung: Schalte aus, such die Berührungsstelle (oft ein schiefes Stück Band) und trenne sie mit normalem Klebeband.

Sicherheit

• Knopfzellen sind sehr gefährlich, wenn man sie verschluckt (sie können die Speiseröhre in 2 Stunden verätzen): Bewahre sie außerhalb der Reichweite von Kindern unter 6 Jahren auf und fahr sofort in die Notaufnahme, wenn eine verschluckt wurde.
• Schließ die LEDs nie ohne Widerstand an eine 9-V-Batterie an: Sie brennen durch und können heiß werden.
• Cuttermesser und Heißkleber benutzt ein Erwachsener.
• Die LED-Beinchen sind spitz: Biege sie nach innen und lass keine losen Spitzen abstehen.
• Schalte das Haus aus, wenn du es nicht anschaust; ein Kurzschluss erhitzt die Lithiumbatterie.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Der Strom kommt aus der +-Seite der Batterie wie Wasser aus einem Rohr, läuft über die obere Kupferbahn, fließt durch jede LED hinunter und über die untere Bahn zurück zur −-Seite. Jede LED hat ihren eigenen Weg, wie drei Rutschen nebeneinander: Geht eine kaputt, funktionieren die anderen weiter. Die LED lässt den Strom nur in eine Richtung durch, deshalb muss das lange Beinchen zum + zeigen. Das Transparentpapier ist wie eine Wolke: Es verteilt das Licht, damit das ganze Fenster leuchtet.

Für Erwachsene

Die drei LEDs liegen parallel zwischen den beiden Bahnen, also bekommt jede dieselbe Spannung (die der Batterie minus den vernachlässigbaren Abfall auf den Bahnen). Eine LED ist eine Diode: Sie leitet nur in Durchlassrichtung, ab ihrer Schwellenspannung (≈ 2 V gelb/rot, ≈ 2,8–3,1 V weiß). Oberhalb dieser Schwelle steigt der Strom fast exponentiell, daher braucht man normalerweise einen Vorwiderstand. Bei einer CR2032 ist das nicht nötig: Ihr Innenwiderstand (≈ 10–30 Ω, je leerer, desto höher) begrenzt den Gesamtstrom auf etwa 10–25 mA. Mit 220 mAh Kapazität und ≈ 15 mA Verbrauch hält sie in der Größenordnung von 10 h. Gemischte Farben funktionieren nicht, weil die LED mit der niedrigsten Schwellenspannung die Spannung der Parallelschaltung unter die Schwelle der anderen drückt. Das Transparentpapier ist ein Diffusor: Es streut das Licht in viele Richtungen (Streuung an den Zellulosefasern) und macht aus einer fast punktförmigen Quelle eine gleichmäßiger beleuchtete Fläche; 8 mm Abstand zur LED vergrößern die beleuchtete Fläche. Das Kupferband wirkt als flacher Leiter; sein Kleber leitet möglicherweise nicht, deshalb sollte an den Verbindungen Kupfer auf Kupfer liegen.

• Parallelschaltung: Verbindung, bei der jedes Gerät seinen eigenen Weg zwischen den beiden Polen der Batterie hat.
• Polung: die +-Seite und die −-Seite einer Batterie oder einer LED.
• LED: Leuchtdiode: ein kleines Licht, das nur in eine Richtung funktioniert.
• Diffusor: Material, das Licht verteilt und weicher macht.
• Kurzschluss: wenn sich + und − direkt berühren, ohne durch etwas hindurchzugehen: Die Batterie entlädt sich und wird heiß.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene schneidet und baut das Haus und biegt die LED-Beinchen. Das Kind verziert, klebt die Diffusoren und die Kupferbahnen (markierte Linien) und setzt die LEDs mit dem roten Beinchen nach oben ein. Konzentriere dich auf „Der Strom hat einen Hinweg und einen Rückweg“.
• 8–10 Jahre: Sie machen alles außer Cuttermesser und Heißkleber. Lass sie jede LED vor dem Einsetzen mit der Batterie testen und den Fehler selbst finden, wenn eine nicht leuchtet.
• 11–12 Jahre: Lass sie für jedes Zimmer einen Schalter einbauen (Kupferklappe an der +-Bahn jeder LED) und den Schaltplan mit Symbolen zeichnen. Challenge: mit einem Multimeter Spannung und Strom bei 1, 2 und 3 LEDs messen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Zweiergruppen, ein Haus pro Paar (≈ 2 € pro Haus für LEDs, Batterie und Batteriehalter). Vor der Einheit: die Kartonteile zuschneiden (oder 1-L-Milchkartons als Hauskörper nehmen), die Vorlagen G ausdrucken und das Kupferband in 122-mm-Streifen schneiden. Einheit von 90 min: 10 min Vorführung von LED und Batterie, 60 min Bauen, 20 min, um das Licht im Klassenzimmer auszumachen und die Häuser auf einem Tisch zu einem „Viertel“ zusammenzustellen. Halte Ersatz-LEDs und -Batterien bereit.

Challenges

• Füge eine vierte LED auf dem Dachboden hinzu (Fenster im Giebel), ohne eine neue Bahn von der Batterie aus zu legen.
• Bau für jedes Fenster einen eigenen Schalter ein.
• Bau eine Straßenlaterne aus einer LED, einem Strohhalm und zwei Kupferstreifen, angeschlossen an dieselbe Batterie.
• Sorg dafür, dass das Haus beim Öffnen der Tür angeht (die Tür schließt beim Bewegen den Stromkreis).

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
• Ampel mit drei Lichtern
• Spukhaus mit leuchtenden Augen
• Taster-Telegraf

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