Weihnachtsbaum mit LED-Lichtern

Was das Kind lernt

• Was eine Parallelschaltung ist: Jede LED hat ihren eigenen Weg zwischen der +-Bahn und der −-Bahn. Deshalb leuchten alle mit 3 V, und wenn eine ausfällt, leuchten die anderen weiter.
• Warum zwei LEDs in Reihe mit einer 3-V-Batterie nicht leuchten: Jede braucht etwa 2,8 V, zusammen also mehr als 5,5 V.
• Dass eine LED eine Polung hat: Das lange Beinchen kommt an +, das kurze an −; steckst du sie falsch herum, leuchtet sie einfach nicht.
• Dass eine Knopfzelle einen „Innenwiderstand“ hat, der den Strom begrenzt, und wann man einen Widerstand ergänzen muss (AA-Batterien, rote oder gelbe LEDs).
• Wie zwei flache Teile mit 4-mm-Schlitzen über Kreuz ineinandergreifen und eine Form bilden, die von allein steht.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlagen mit 100 % („Originalgröße“) aus und prüfe mit dem Lineal, ob das 50-mm-Quadrat 50 mm misst. Teil B (28 cm hoch) kommt auf zwei Blättern heraus, die an der Überlappungsmarke zusammengesetzt werden.
• Miss die Dicke deines Kartons: Ist er dicker als 3,5 mm, schneide alle Schlitze 1 mm breiter als auf der Vorlage angegeben.
• Teste die 8 LEDs vor der Einheit mit der CR2032 (langes Beinchen an der +-Seite). Alle sollten ähnlich hell leuchten; leg die beiseite, die viel heller leuchten als die anderen: Das sind meist rote, gelbe oder gelbgrüne 2-V-LEDs.
• Bewahre die Batterie bis zum Einsetzen in ihrer Verpackung an einem hohen Ort auf. Halte die Verpackung bereit, um die Batterie wieder hineinzulegen, falls sie herausgenommen werden muss.
• Schneide das Kupferband vorher zu: 1 Stück mit 40 cm (+-Bahn), 1 mit 52 cm (−-Bahn), 12 Flicken mit 10 mm, 1 Streifen mit 45 mm und 2 mit 25 mm für die Batterie.
• Für Gruppen: Schneide die Teile A, B, E und M selbst mit dem Cuttermesser aus und stich die Löcher für die LEDs vor der Einheit.

Materialien und Werkzeuge

• Wellpappe — 2 Stücke 20 × 29 cm und 1 Stück 10 × 15 cm
  einwellig, 3 mm, von einem Versandkarton, flach und nicht zerdrückt
• 5-mm-LEDs „für 3 V“ — 6 (+2 als Reserve) kaufen
  diffus oder klar, Durchlassspannung 2,8–3,2 V: weiß, warmweiß, blau, reingrün (520–525 nm) und rosa. Beinchen 25 mm oder länger
• Knopfzelle CR2032 — 1 kaufen
  Lithium, 3 V, 20 mm Durchmesser und 3,2 mm dick; am besten von einer Marke mit kindersicherer Verpackung
• Selbstklebendes Kupferband — ≈ 1,3 m kaufen
  5 oder 6 mm breit; am besten mit „leitfähigem Kleber“ (steht auf der Rolle)
• Große Büroklammer aus Metall — 1
  32 mm oder größer, aus blankem Draht ohne Kunststoffüberzug: Sie ist der Schalter
• Weißer Fotokarton — 1 Stück 4 × 4 cm
  200 g/m², für den Batteriedeckel
• Grüne und gelbe Temperafarbe — ≈ 40 ml Grün und 10 ml Gelb
  dickflüssig, mit wenig Wasser, damit sich der Karton nicht wellt
• Durchsichtiges Klebeband — ≈ 30 cm
  19 mm, um den Batteriedeckel zu verschließen und das Kupfer unter dem Rand der Batterie zu isolieren
• Klebestift — 1
  zum Aufkleben der Vorlagen
• Bastelkleber (Weißleim) — ≈ 10 ml
  für den Batterierahmen und den Stern
• 100-Ω-Widerstand (optional) — 1 pro roter, gelber oder oranger LED kaufen
  1/4 W; nur wenn du LEDs in diesen Farben ergänzen willst

Werkzeuge

• Cuttermesser mit Metalllineal und Schneidematte — die Umrisse der Teile, die Schlitze und die Öffnung im Batterierahmen ausschneiden Erwachsene
• Schere — den Deckel aus Fotokarton ausschneiden und die Stücke Kupferband abschneiden
• Reißzwecke oder feiner Vorstecher — die 12 Löcher mit 1,5 mm für die Beinchen der LEDs stechen Erwachsene
• Kugelschreiber oder Schaschlikspieß (Holzspieß) — das Kupferband festreiben, damit es gut klebt, und die Ecken falten
• Flachpinsel, 2 cm — den Baum und den Stern bemalen
• Kleine Zange oder Nagelknipser (optional) — überstehende Beinchen der LEDs kürzen Erwachsene
• Multimeter (optional) — die Spannung der Batterie bei den Experimenten messen

Teile und Vorlagen

• A · Baum mit den Lichtern (vorderes Teil) ×1 — Wellpappe 3 mm
• B · Querbaum (seitliches Teil) ×1 — Wellpappe 3 mm
• E · Stern ×1 — Wellpappe 3 mm
• M · Batterierahmen ×1 — Wellpappe 3 mm
• T · Batteriedeckel ×1 — Fotokarton 200 g/m²

Schritt für Schritt

1. Klebe die Vorlagen auf

   Schneide die Vorlagen A, B, E und M mit 5 mm Rand aus und klebe sie mit dem Klebestift auf den Karton, mit den Kartonwellen senkrecht (von oben nach unten durch den Baum). Die Vorlage A kommt auf die Seite, die die RÜCKSEITE wird: Darauf klebst du später das Kupfer. Setze die zwei Blätter von B zusammen, sodass die Überlappungsmarken übereinanderliegen.

   Prüfe: Die Kartonwellen verlaufen von oben nach unten, genau wie die Schlitze in der Mitte.
   Tipp: Bestreiche die ganze Vorlage, auch die Ränder und die Linien der Bahnen: Das Kupfer wird auf das Papier geklebt.

2. Schneide Baum A und Baum B aus Erwachsene

   Schneide mit Cuttermesser und Metalllineal den Umriss von A und B entlang der durchgezogenen Linie aus. Schneide auch ihre Schlitze: bei A den oberen (4 mm breit und 95 mm lang); bei B den unteren, der 2 Abschnitte hat: 105 mm mit 10 mm Breite ab dem Fuß und weitere 35 mm mit 4 mm Breite.

   Prüfe: Der Schlitz von A reicht bis zur Mitte des Baums (95 mm von seinem oberen Rand) und der von B bis zu seiner Mitte (140 mm vom Fuß).
   Tipp: Schneide bei den Schlitzen zuerst die zwei langen Seiten am Lineal entlang und dann das Ende: Drück den Streifen mit dem Finger heraus.

3. Schneide Stern, Rahmen und Deckel aus Erwachsene

   Schneide mit dem Cuttermesser den Stern E (80 mm, mit einem Schlitz 4 × 25 mm in der unteren Spitze) und den Rahmen M (Quadrat mit 30 mm und einer runden 21-mm-Öffnung in der Mitte) aus. Schneide mit der Schere aus dem Fotokarton den Deckel T mit 30 × 30 mm und zwei Quadrate mit 12 × 12 mm für das Polster.

   Prüfe: Eine Batterie CR2032 (20 mm) passt ohne Druck in die Öffnung des Rahmens und liegt fast bündig mit dem Karton.

4. Probiere die Kreuzverbindung aus

   Stell A auf. Schieb B von oben über Kreuz darauf, sodass sein unterer Schlitz in den oberen Schlitz von A gleitet, bis beide Füße den Tisch berühren. Prüfe, ob der Baum gerade steht, und nimm ihn wieder auseinander, indem du B nach oben ziehst: Am Ende baust du ihn wieder zusammen.

   Prüfe: Von oben gesehen bilden die zwei Teile ein Kreuz mit 4 gleich langen Armen, und die Füße sind auf gleicher Höhe.
   Tipp: Geht es sehr schwer, mach den schmalen Schlitz 1 mm breiter; wackelt es, klebe einen Streifen Malerkrepp in den Schlitz von A.

5. Bemale Baum und Stern

   Male die Vorderseite von A (die OHNE Vorlage) und beide Seiten von B grün an. Male den Stern E auf beiden Seiten gelb an. Lass alles 20 Minuten auf Zeitungspapier trocknen; mach in der Zwischenzeit Schritt 6. Bemale die Rückseite von A nicht.

   Prüfe: Die Vorlage auf A ist noch sauber, und man kann die Linien der Bahnen lesen.
   Tipp: Mit einem Finger in weißer oder roter Temperafarbe kannst du Kugeln und eine Girlande malen, die die Stellen verbindet, an denen die LEDs sitzen werden.

6. Teste die LEDs mit der Batterie Erwachsene

   Der Erwachsene hält die CR2032 zwischen die zwei Beinchen jeder LED: Das lange Beinchen berührt die +-Seite (die mit der Schrift), das kurze die −-Seite. Teste die 6 LEDs und die 2 Reserve-LEDs nacheinander. Alle sollten ähnlich hell leuchten. Leg die Batterie zurück in ihre Verpackung.

   Prüfe: Du hast 6 LEDs ausgesucht, die gleich gut leuchten. Drehst du die Batterie um, leuchtet keine: Die Polung ist wichtig.
   Tipp: Leg jede LED beiseite, die viel heller leuchtet als die anderen: Sie ist eine 2-V-LED (rot, gelb, gelbgrün) und würde in Parallelschaltung die anderen im Dunkeln lassen.

7. Klebe die +-Bahn aus Kupfer auf

   Leg die Vorlage A vor dich und klebe ein ≈ 35 cm langes Stück Kupferband auf die mit „+“ markierte Linie, ohne es durchzuschneiden: die linke +-Bahn hinunter, um die Ecke, auf der unteren Linie quer durch den Baum (137 mm von seinem oberen Rand) und die rechte +-Bahn hinauf. Zieh das Schutzpapier nach und nach ab.

   Prüfe: Die +-Bahn ist ein einziges, U-förmiges Stück und berührt keine „−“-Linie. Reib sie mit dem Kugelschreiber fest, damit sie gut klebt.
   Tipp: An jeder Ecke, ohne zu schneiden: Falte das Band nach hinten auf sich selbst und dreh es in die neue Richtung; der Knick liegt schräg und das Kupfer bleibt ganz.

8. Klebe die −-Bahn aus Kupfer auf

   Klebe ein weiteres ≈ 47 cm langes Stück Kupfer auf die „−“-Linie: die linke −-Bahn (die äußere) hinunter, um die Ecke, auf der untersten Linie quer hinüber (8 mm über dem unteren Rand der Zweige) und die rechte −-Bahn hinauf. Die +- und die −-Bahn verlaufen parallel im Abstand von 7 mm.

   Prüfe: Es gibt zwei U aus Kupfer, eines im anderen, die sich nirgends berühren. Schau dir die unteren Ecken genau an.

9. Stich die Löcher für die LEDs Erwachsene

   Leg A mit der Vorlage nach oben auf ein Stück alten Karton. Stich mit der Reißzwecke die 12 markierten Löcher (6 Paare, eins pro LED, mit 3 mm Abstand zwischen den Punkten, zwischen den zwei Bahnen), bis sie auf der grünen Seite herauskommt. Dreh die Reißzwecke, damit die Löcher etwa 1,5 mm groß werden.

   Prüfe: Auf der grünen Seite siehst du 6 Paare kleiner Löcher. Keines hat das Kupferband zerschnitten.

10. Steck die LEDs ein und biege die Beinchen

    Steck von der grünen Seite aus die zwei Beinchen einer LED in ein Lochpaar, bis ihr Fuß den Karton berührt. Dreh den Baum um: Das lange Beinchen muss aus dem „+“-Loch kommen (dem neben der +-Bahn). Biege das lange Beinchen flach auf die +-Bahn und das kurze auf die −-Bahn. Wiederhole das mit allen 6 LEDs.

    Prüfe: Jedes Beinchen liegt auf seiner Bahn, und die Beinchen derselben LED berühren sich nicht.
    Tipp: Kommt das lange Beinchen aus dem „−“-Loch, zieh die LED heraus und dreh sie um eine halbe Umdrehung. Kürze Beinchen, die mehr als 10 mm über ihre Bahn hinausragen (das macht ein Erwachsener mit der Zange).

11. Befestige jedes Beinchen mit einem Kupferflicken

    Klebe einen 10-mm-Flicken Kupferband über jedes Beinchen, auf die Bahn, und reib ihn mit dem Kugelschreiber kräftig fest, damit das Beinchen fest gegen das Kupfer darunter gedrückt wird. Das sind 12 Flicken, einer pro Beinchen.

    Prüfe: Zieh von der grünen Seite aus vorsichtig an jeder LED: Sie bewegt sich nicht.
    Tipp: Hat dein Band keinen leitfähigen Kleber, sorgt dieser Flicken für den Kontakt: Drück auf beiden Seiten des Beinchens gut an.

12. Bereite das Batteriefach vor

    Klebe einen 45-mm-Kupferstreifen von der Mitte des mit „BATTERIE“ markierten Quadrats nach links und dann nach unten, bis 3 mm vor der −-Bahn („CLIP“-Bereich). Deck das Kupfer, das unter dem Rand der Batterie liegen wird, mit durchsichtigem Klebeband ab und lass in der Mitte 5 mm frei. Klebe den Rahmen M mit Bastelkleber auf das Quadrat und zuletzt einen Kupferstreifen von der +-Bahn bis über die obere Seite des Rahmens.

    Prüfe: In der Öffnung des Rahmens ist nur das Kupfer in der Mitte zu sehen; der Streifen im „CLIP“-Bereich berührt die −-Bahn nicht.
    Tipp: Um Kupfer mit Kupfer zu verbinden, falte 5 mm vom Ende des Streifens nach hinten (Kupfer nach außen), bevor du es auf die +-Bahn legst, und kleb ein Stückchen Klebeband darüber.

13. Setz die Batterie ein und schließ den Deckel Erwachsene

    Klebe in die Mitte der Unterseite des Deckels T ein Polster aus Fotokarton, 12 × 12 mm (zwei, wenn dein Karton 4 mm dick ist), und darauf einen 22-mm-Kupferstreifen vom oberen Rand des Deckels aus. Der Erwachsene legt die Batterie mit der +-Seite (Schrift) nach außen in die Öffnung, legt den Deckel mit dem Kupfer zur Batterie darauf und klebt ihn an allen 4 Seiten mit Klebeband fest.

    Prüfe: Die Batterie ist nicht zu sehen und lässt sich nicht herausnehmen, ohne das Klebeband aufzuschneiden; der Deckel bewegt sich nicht.
    Tipp: Drück vor dem Zukleben mit dem Finger auf den Deckel und berühre mit der Büroklammer den „CLIP“-Bereich: Leuchten die LEDs, stimmt der Kontakt.

14. Schalte mit der Büroklammer ein

    Schieb die Büroklammer von unten auf den unteren Rand der Zweige, genau im „CLIP“-Bereich, sodass ihr hinterer Teil gleichzeitig auf dem Ende des Batteriestreifens und auf der −-Bahn liegt. Die 6 LEDs gehen alle gleichzeitig an. Zum Ausschalten nimmst du die Büroklammer ab.

    Prüfe: Mit Büroklammer leuchten die 6 LEDs, ohne keine. Leuchtet eine nicht, prüfe, wie herum sie steckt, und ihre Flicken.
    Tipp: Lass die Büroklammer am Rand stecken, aber 2 cm neben dem „CLIP“-Bereich, damit sie nicht verloren geht.

15. Baue den Baum über Kreuz zusammen

    Nimm die Büroklammer ab und stell A mit den Lichtern zu dir auf. Schieb B von oben über Kreuz darauf, sodass sein unterer Schlitz in den oberen Schlitz von A gleitet, wie in Schritt 4, bis beide Füße den Tisch berühren. Der breite Teil des Schlitzes von B gleitet über die Kupferbahnen, ohne an ihnen zu reiben.

    Prüfe: Der Baum steht von allein und gerade, und das Kupferband auf der Rückseite hat sich nicht gelöst.

16. Setz den Stern auf und schalte ihn ein

    Gib einen Tropfen Bastelkleber auf die Spitze von B und steck den Schlitz des Sterns E darauf, mit dem Stern nach vorn (wie A), bis die Spitze das Ende des Schlitzes berührt. Lass ihn 10 Minuten trocknen, steck die Büroklammer an und mach das Licht aus.

    Prüfe: Der Stern sitzt gerade oben auf dem Baum, ohne die Zweige von A zu berühren, und die 6 LEDs leuchten im Dunkeln.
    Tipp: Stell den Baum in eine Ecke oder an die Wand: So bleibt die Rückseite mit dem Kupfer und der Batterie verborgen.

Funktioniert es? Der Test

Steck in einem dunklen Zimmer die Büroklammer an und betrachte den Baum von vorn aus 2 m Entfernung. Nimm dann eine der LEDs heraus (zieh ihre zwei Flicken ab) und schau noch einmal hin. Nimm zum Schluss die Büroklammer ab.

Was passieren soll: Mit Büroklammer gehen die 6 LEDs gleichzeitig und ähnlich hell an und sind im Dunkeln aus 2 m gut zu sehen. Nimmst du eine LED heraus, bleiben die anderen 5 an (und leuchten etwas heller): Das beweist, dass sie parallel geschaltet sind. Ohne Büroklammer gehen alle aus. Die Batterie wird nicht warm.

Wenn etwas nicht klappt

• Keine LED leuchtet — Die Batterie liegt falsch herum, der Deckel drückt nicht auf die Batterie, die Büroklammer berührt nicht beide Kupferbereiche oder eine Ecke der Bahnen ist durchgeschnitten. Lösung: Prüfe (der Erwachsene), ob die +-Seite der Batterie zum Deckel zeigt und ob das Polster unter dem Kupfer des Deckels liegt. Schieb die Büroklammer weiter hinauf. Ist eine Bahn durchgeschnitten, klebe einen Kupferflicken über die Schnittstelle, mit dem Trick, das Ende umzufalten (Kupfer auf Kupfer).
• Eine LED leuchtet nicht, die anderen schon — Diese LED steckt falsch herum (langes Beinchen auf der −-Bahn) oder eines ihrer Beinchen hat keinen Kontakt. Lösung: Zieh ihre Flicken ab, nimm sie heraus, dreh sie um eine halbe Umdrehung und setz sie wieder ein, mit dem langen Beinchen auf der +-Bahn. Reib die Flicken mit dem Kugelschreiber gut fest.
• Manche LEDs leuchten sehr hell, andere fast gar nicht — Du mischst 2-V-LEDs (rot, gelb, orange oder gelbgrün) mit 3-V-LEDs: Die 2-V-LED zieht fast den ganzen Strom. Lösung: Tausche die 2-V-LEDs gegen 3-V-LEDs (weiß, blau, reingrün, rosa) aus oder setz einen 100-Ω-Widerstand zwischen das lange Beinchen der 2-V-LED und die +-Bahn.
• Das Licht flackert oder geht aus, wenn du den Baum bewegst — Ein Wackelkontakt: die Büroklammer, ein Flicken oder der Batteriedeckel. Lösung: Reib alle Flicken noch einmal fest. Liegt es an der Büroklammer, leg ein viermal gefaltetes Stück Alufolie (10 × 30 mm) darunter. Liegt es an der Batterie, klebt der Erwachsene einen weiteren Streifen Klebeband fest angedrückt über den Deckel.
• Die Batterie wird warm oder ist nach wenigen Minuten leer — Kurzschluss: Die +-Bahn berührt die −-Bahn, ein Beinchen berührt die falsche Bahn oder das Kupfer am Boden des Rahmens berührt den Rand der Batterie. Lösung: Nimm sofort die Büroklammer ab. Such die Stelle, an der sich die zwei Bahnen berühren (vor allem an den Ecken und unter dem Rand der Batterie), und trenne sie oder isoliere sie mit durchsichtigem Klebeband.
• Die Teile passen nicht ineinander oder der Baum wackelt — Dein Karton ist dicker oder dünner als 3 mm. Lösung: Geht es nicht hinein, mach den schmalen Schlitz von B und den von A 1 mm breiter. Wackelt es, klebe einen Streifen Malerkrepp innen in den Schlitz von A oder gib einen Tropfen Kleber an die Kreuzung.
• Die Lichter sind schon am ersten Tag sehr schwach — Die Batterie ist alt oder es ist eine dünnere CR2025/CR2016, die nicht bis an den Deckel reicht. Lösung: Nimm eine neue CR2032. Bei einer dünneren Batterie klebst du ein weiteres Polster aus Fotokarton unter das Kupfer des Deckels.

Sicherheit

• Knopfzellen sind sehr gefährlich, wenn ein Kind sie verschluckt: Innerhalb von 2 Stunden können sie die Speiseröhre von innen verätzen. Einsetzen und Herausnehmen macht immer ein Erwachsener, der Deckel des Batteriehalters wird an allen 4 Seiten mit Klebeband verschlossen, und neue und leere Batterien bleiben in ihrer Verpackung, außer Reichweite. Wenn du vermutest, dass ein Kind eine verschluckt hat, fahr sofort in die Notaufnahme (112), auch wenn es keine Beschwerden hat.
• Verwende an einem Kartonbaum niemals Kerzen oder Lichter mit Netzstecker: Dieses Projekt funktioniert nur mit LEDs und einer 3-V-Batterie, die kaum warm werden.
• Das Cuttermesser benutzt ein Erwachsener, mit Metalllineal und Schneidematte, und schneidet immer von der haltenden Hand weg. Die Reißzwecke oder den Vorstecher benutzt ebenfalls ein Erwachsener (oder ein älteres Kind unter Aufsicht), auf einem alten Karton.
• Verbinde die +-Bahn und die −-Bahn niemals direkt mit der Büroklammer, mit Alufolie oder mit Kupfer: Das ist ein Kurzschluss, der die Batterie erhitzt und leert. Die Büroklammer kommt nur in den „CLIP“-Bereich.
• Die Ränder des Kupferbands und die Spitzen der LED-Beinchen piksen ein wenig: Biege sie flach und wasch dir am Ende die Hände.
• Wenn Kinder unter 3 Jahren in der Nähe sind, räum die Büroklammer, die Reserve-LEDs und die Reste weg: Das sind Kleinteile. Leere Batterien kommen in die Batteriesammelbox.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Der Strom kommt aus der Batterie über die +-Bahn aus Kupfer, fließt durch das lange Beinchen in jede LED hinein, durch das kurze wieder heraus und über die −-Bahn zurück zur Batterie. Das ist wie eine Leiter: Die zwei Bahnen sind die Holme und jede LED ist eine Sprosse. Jede LED hat ihre eigene Sprosse, deshalb leuchten alle, und wenn du eine wegnimmst, leuchten die anderen weiter: Das nennt man „parallel“. Schaltest du dagegen zwei LEDs hintereinander („in Reihe“), muss die Batterie den Strom durch beide drücken, und dafür ist sie nicht stark genug: Keine leuchtet. Die Büroklammer ist eine Brücke: Steckst du sie an, ist der Weg geschlossen und das Licht geht an; nimmst du sie ab, ist der Weg unterbrochen.

Für Erwachsene

Stromkreis: Eine Lithiumzelle CR2032 (3,0 V Nennspannung, ≈ 3,1–3,2 V im Neuzustand, 225 mAh bei geringem Strom) versorgt 6 LEDs mit 5 mm, die über zwei Bahnen aus Kupferband parallel geschaltet sind (vernachlässigbarer Widerstand, wenige mΩ pro Abschnitt). Alle LEDs sind InGaN-LEDs (weiß, warmweiß, blau, grün mit 520–525 nm, rosa) mit einer Durchlassspannung Vf ≈ 2,7–3,0 V bei wenigen mA; deshalb teilen sie sich den Strom gut: Bei gleicher Spannung an den Anschlüssen nimmt jede einen ähnlichen Strom auf. Kommt eine AlGaInP-LED dazu (rot, orange, gelb, Vf ≈ 1,8–2,1 V), legt sie die Spannung der Bahnen auf etwa 2 V fest, und die InGaN-LEDs, die bei 2 V kaum leiten, bleiben fast dunkel: Das ist das „Current Hogging“ (Stromübernahme) parallel geschalteter Dioden. Lösung: ein Vorwiderstand in Reihe zu jeder LED mit niedriger Vf; mit 100 Ω ist I = (2,8 − 1,9) / 100 ≈ 9 mA. Reihe gegen parallel: In Reihe addieren sich die Durchlassspannungen (2 × 2,8 ≈ 5,6 V; selbst 2 rote brauchen ≈ 3,7 V), daher fließt bei 3 V kein nennenswerter Strom und keine leuchtet; parallel liegen an jeder LED die vollen 3 V. Innenwiderstand: Die CR2032 hat neu ≈ 10–20 Ω (er steigt beim Entladen und bei Kälte), daher ist ihr Kurzschlussstrom auf etwa 150–300 mA begrenzt, und unter LED-Last sinkt die Klemmenspannung: Bei eingeschaltetem Baum misst man ≈ 2,7–2,9 V, und insgesamt fließen ≈ 10–20 mA (Schätzung: 2–3 mA pro LED, genug, um in Innenräumen gut sichtbar zu sein). Dieser Innenwiderstand übernimmt die Rolle des Vorwiderstands, und deshalb brennt eine 3-V-LED, die direkt an einer CR2032 hängt, nicht durch. Bei 2 AA-Batterien ist das anders (Innenwiderstand insgesamt ≈ 0,1–0,3 Ω): Dort braucht man sehr wohl einen Widerstand pro LED, R = (V − Vf) / I, zum Beispiel 100 Ω für eine rote LED an 3 V und ≈ 15–22 Ω für eine weiße. Laufzeit: Bei dauerhaft 15–20 mA sinkt die nutzbare Kapazität einer CR2032 auf ≈ 100–150 mAh, man rechnet also mit etwa 6–12 Stunden Licht bei abnehmender Helligkeit; deshalb gibt es einen Schalter. Leistung: 2,8 V × 0,015 A ≈ 0,04 W, das erwärmt den Karton nicht. Polung: Die LED ist eine Diode; sie leitet von der Anode (langes Beinchen, +) zur Kathode (kurzes Beinchen, −, abgeflachte Seite des Gehäuses). Andersherum leitet sie nicht, und bei 3 V nimmt sie keinen Schaden (die typische maximale Sperrspannung beträgt 5 V). Schalter: Die Büroklammer aus Stahl verbindet das Ende des Batteriestreifens mit der −-Bahn; ihr Übergangswiderstand (Zehntel Ohm) ist gegenüber dem Innenwiderstand der Batterie vernachlässigbar. Sicherheit bei Knopfzellen: 3 V verursachen keinen Stromschlag, aber wird eine verschluckt und bleibt in der Speiseröhre stecken, erzeugt der Strom durch die Schleimhaut am Minuspol Hydroxid und innerhalb von 2 Stunden eine schwere Verätzung; deshalb ist der Batteriehalter zugeklebt. Aufbau: Die zwei Teile werden mit einer Kreuzüberblattung zusammengesteckt; der Schlitz von A (95 mm) und der ungeschlitzte Teil von B überlappen sich entlang der Achse, und die Summe der Schlitze (95 + 140 mm) ist die Höhe der Kreuzung (235 mm). Der 10 mm breite Abschnitt im Schlitz von B lässt auf jeder Seite von A 3,5 mm Luft, damit Bahnen und Flicken ohne Reiben durchpassen.

• Parallelschaltung: mehrere Wege gleichzeitig zwischen der +-Bahn und der −-Bahn: Jede LED hat ihren eigenen.
• Reihenschaltung: ein einziger Weg, der durch ein Teil nach dem anderen führt; fällt eines aus, ist alles unterbrochen.
• Polung: die +-Seite und die −-Seite einer Batterie oder einer LED; die LED leuchtet nur in einer Richtung.
• Innenwiderstand: die „Bremse“, die jede Batterie in sich hat: Sie lässt nicht mehr Strom heraus, als sie liefern kann.
• Kurzschluss: + und − ohne etwas dazwischen verbinden: Die Batterie wird heiß und ist sehr schnell leer.
• Bahn: ein auf den Karton geklebter Weg aus Kupfer, der wie ein Kabel funktioniert.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene schneidet die Teile aus, sticht die Löcher, klebt die Bahnen auf und setzt die Batterie ein. Das Kind klebt die Vorlagen auf, malt, testet die LEDs mit der Batterie, die der Erwachsene hält, steckt die LEDs von der grünen Seite ein und reibt die Flicken mit dem Kugelschreiber fest. Konzentriere dich auf „langes Beinchen an +“ und „die Büroklammer schließt den Weg“.
• 8–10 Jahre: Sie machen alles außer den Schnitten mit dem Cuttermesser, den Löchern und der Batterie. Lass sie das Experiment „Reihe gegen parallel“ machen und mit dem Bild der Leiter erklären, warum 5 LEDs weiterleuchten, wenn sie eine wegnehmen.
• 11–12 Jahre: Lass sie den Schaltplan mit Symbolen zeichnen, die Batterie mit und ohne Last messen und den Innenwiderstand berechnen. Challenge: den Widerstand berechnen, den man bräuchte, um den Baum mit 2 AA-Batterien zu betreiben (einen pro LED), und vergleichen, wie lange er dann leuchten würde.

In der Gruppe oder in der Klasse

Ein Baum pro Zweierteam (≈ 1,50 € pro Baum für LEDs, Batterie und Kupfer). Vor der Einheit: A, B, E und M mit dem Cuttermesser ausschneiden, die Löcher stechen, die 3-V-LEDs nach Farben sortieren und das Kupferband in Stücke schneiden, in Umschlägen pro Team. Die Batterien behält der Erwachsene und setzt sie am Ende selbst ein, eine nach der anderen. Einheit von 2 Stunden: 15 min Vorführung (Reihe gegen parallel mit 2 LEDs und warum wir keine Kerzen verwenden), 20 min Malen, 30 min Kupferbahnen, während die Farbe trocknet, 25 min LEDs und Flicken, 15 min Batterie (der Erwachsene geht von Tisch zu Tisch) und 15 min Zusammenbauen und gemeinsames Einschalten im Dunkeln. Halte 6 LEDs, 2 Batterien und eine Rolle Kupferband als Reserve bereit. Zähl am Ende die Batterien: so viele eingesetzt und zugeklebt, wie es Bäume gibt.

Challenges

• Ergänze eine 7. LED: Such eine Stelle zwischen den zwei Bahnen, stich zwei Löcher und schließ sie genauso an. Wie viel schwächer leuchten die anderen?
• Setz eine rote LED mit ihrem 100-Ω-Widerstand ein und prüfe, dass sie den anderen kein Licht mehr klaut.
• Bring den Stern zum Leuchten: Klebe hinter ihn eine warmweiße LED mit eigener CR2032 in einem Batteriefach aus Fotokarton wie dem am Baum, zugeklebt (das baut ein Erwachsener).
• Ersetze die Büroklammer durch einen Taster: eine Lasche aus Fotokarton mit Alufolie, die beim Drücken die zwei Kupferbereiche verbindet.
• Entwirf einen größeren Baum mit zwei zusätzlichen Etagen: Wie viele LEDs schafft eine einzige CR2032, bevor sie zu schwach aussehen?

Weitere kostenlose Projekte

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

Alle Projekte ansehen