Semaforo a tre luci

Cosa imparerà

• Che un LED si accende solo in un verso: gamba lunga (anodo) verso il + e gamba corta (catodo) verso il −.
• Che cos'è un circuito in parallelo con un selettore: tutti i LED condividono il −, e la graffetta sceglie a quale arriva il +.
• Che due piste di rame che si toccano fanno un cortocircuito e non si accende nulla.
• Perché una pila a bottone non ha bisogno di resistenza con un LED (la sua resistenza interna limita la corrente) mentre delle pile stilo AA sì.
• La sequenza e il significato di un semaforo: verde, ambra, rosso.

Prepara prima

• Stampa le sagome al 100 % e controlla la linea rossa da 50 mm nell'intestazione. Il corpo (370 × 265 mm) non entra in un A4: disegnalo con il righello o unisci due fogli.
• Prova ogni LED con la pila: gamba lunga contro la faccia + (quella con la scritta), gamba corta contro la −. Metti da parte quelli che non si accendono.
• Spela 15 mm alle due estremità dei 4 fili e segna ciascuno con del nastro: R (rosso), A (ambra), V (verde) e − (comune).
• Taglia circa 20 strisce di nastro di rame da 5 mm: la pista comune da 198 mm, 3 strisce corte da 25 mm, i 6 tratti delle piste a L, 6 pezzetti da 10 mm per coprire le gambe e 4 da 15 mm per i fili. Le misure di ogni pista sono sulla sagoma A.
• Tieni a portata di mano una pila di ricambio: se si fa un cortocircuito lungo, la CR2032 si scarica.

Materiali e attrezzi

• LED da 5 mm — 3 (rosso, ambra/giallo, verde) da comprare
  diffusi (capsula colorata), 2–3,2 V, 20 mA; il verde «verde giallastro» si accende meglio con 3 V del verde puro
• Pila a bottone CR2032 — 1 da comprare
  3 V, al litio
• Portabatterie CR2032 con fili — 1 da comprare
  con filo rosso (+) e nero (−), meglio se con interruttore
• Nastro di rame — 1 m da comprare
  largo 5–6 mm, meglio con adesivo conduttivo
• Filo elettrico sottile isolato — 4 spezzoni da 20 cm
  0,2–0,5 mm², possibilmente di 4 colori (o segnalo con nastro colorato)
• Fermacampioni metallici — 4
  testa da 8–10 mm non verniciata, gambe da 15–20 mm
• Graffetta metallica — 1
  da 32 mm, non plastificata
• Cartone ondulato — 1 foglio da 40 × 45 cm
  3 mm (scatola da spedizioni), per il corpo, il coperchio e la base
• Cartoncino nero — 1 foglio A4
  180–250 g/m², per la facciata e le visiere
• Colla vinilica o pistola per colla a caldo — 1
  per chiudere la scatola e incollarla alla base
• Nastro adesivo trasparente — 1 rotolo
  per fissare i collegamenti di rame e i fili

Attrezzi

• Taglierino, righello di metallo e tappetino da taglio — tagliare lo sviluppo del corpo e la base adulto
• Forbici — ritagliare cartoncino, nastro di rame e visiere
• Matita appuntita o punteruolo — fare i buchi da 5 mm dei LED e da 3 mm dei fermacampioni adulto
• Penna scarica — segnare le pieghe
• Forbici o spelafili — spelare 15 mm dei fili adulto
• Colla stick — incollare sagome e facciata

Pezzi e sagome

• A · Corpo del semaforo (sviluppo, visto DALL'INTERNO) ×1 — cartone ondulato 3 mm
• B · Coperchio superiore ×1 — cartone ondulato 3 mm
• C · Base con selettore ×1 — cartone ondulato 3 mm
• D · Facciata nera ×1 — cartoncino nero
• E · Visiera ×3 — cartoncino nero
• F · Fili ×4 — filo elettrico sottile isolato

Passo passo

1. Prova i LED

   Tocca la faccia + della pila (quella con la scritta) con la gamba lunga di ogni LED e la faccia − con la gamba corta. Ogni LED deve accendersi. Se lo metti al contrario non si accende, ma non si rovina.

   Verifica: I 3 LED si accendono; metti da parte quello che non lo fa.

2. Disegna e taglia il corpo adulto

   Disegna lo sviluppo A (370 × 265 mm) sul cartone con le onde in verticale e incolla la sagoma sul lato che resterà dentro. Taglia il contorno con taglierino e righello, compresa la tacca da 20 × 8 mm. Segna le pieghe con la penna scarica, senza piegare ancora.

3. Fora i buchi adulto

   Appoggia il cartone su una gomma da cancellare grande o su un pezzo di sughero e fora i 3 buchi da 5 mm del lato frontale con una matita appuntita, girandola finché non entra la capsula del LED.

   Verifica: Il LED entra dall'interno fino al suo bordino e la cupola spunta fuori.

4. Incolla la facciata nera

   Fora i 3 buchi della facciata D e ritaglia sul suo bordo inferiore la stessa tacca da 20 × 8 mm che ha il corpo. Incollala all'esterno del lato frontale con la colla stick, infilando una matita in ogni buco per allineare i due e con le tacche che coincidono. Incolla anche le tre visiere E, 22 mm sopra ogni buco.

5. Metti i LED

   Con il cartone piatto e il lato interno verso di te, infila ogni LED dall'interno nel suo buco: rosso in alto, ambra in mezzo, verde in basso. Gira ciascuno in modo che la gamba LUNGA resti a destra e quella corta a sinistra, e piega le gambe piatte verso i lati.

   Verifica: Guardando dall'interno, le 3 gambe lunghe puntano a destra (verso le lettere R, A, V).

6. Incolla la pista comune

   Incolla una striscia di nastro di rame da 198 mm sulla linea «−» (verticale, a sinistra dei LED, da 40 a 238 mm dall'alto) e tre strisce corte da 25 mm da quella pista fino a ogni gamba corta. Ogni striscia corta comincia sul bordo sinistro della pista lunga, così la sovrappone di circa 5 mm: strofinale con l'unghia.

7. Incolla le piste di ogni luce

   Incolla le tre piste a L secondo la sagoma: R (tratto orizzontale da 29 mm + verticale da 193 mm), A (19 + 113 mm) e V (9 + 33 mm). Lascia almeno 4 mm tra le piste: nessuna deve toccarne un'altra.

   Verifica: Nessuna pista tocca quella accanto. Se si toccano, taglia il rame in eccesso con le forbici.

8. Collega le gambe al rame

   Schiaccia ogni gamba sulla sua pista (corta sulla comune, lunga sulla sua L) e taglia quello che avanza della gamba. Attento alla gamba lunga del verde: il suo tratto orizzontale misura solo 9 mm e la pista A è 10 mm più in là, quindi tagliala a circa 10 mm dal LED, proprio sopra la pista V; quella dell'ambra, a circa 20 mm. Copri ogni gamba con un pezzetto di nastro di rame da 10 mm, strofinando forte, e copri ogni collegamento con nastro adesivo trasparente.

   Verifica: Nessuna gamba passa sopra una pista che non è la sua (guarda soprattutto il verde).
   Trucco: Se il tuo nastro di rame non ha adesivo conduttivo, ripiega su se stessa la punta della striscia di sopra in modo che tocchi rame contro rame.

9. Collega i fili

   Metti il rame spelato di ogni filo sulla fine della sua pista (a 238 mm, vicino alla tacca), coprilo con 15 mm di nastro di rame e sopra nastro adesivo. Filo − alla comune, R, A e V alla propria. Fai uscire i 4 fili dalla tacca.

10. Prova prima di chiudere

    Tocca la faccia − della pila con il filo − e la faccia + con il filo R: deve accendersi solo il rosso. Ripeti con A e V. Correggi adesso qualsiasi difetto, che è ancora facile.

    Verifica: Ogni filo accende una sola luce e nessuno ne accende due.

11. Chiudi il corpo

    Piega le 4 pieghe verticali a 90° e incolla la linguetta da 10 mm all'interno dell'altro fianco. Piega verso l'esterno le linguette in basso. Incolla il coperchio B in alto con le alette all'esterno.

12. Prepara la base adulto

    Taglia la base C (160 × 180 mm) e fora i 4 buchi da 3 mm. Avvolgi il rame del filo R attorno al gambo di un fermacampione e infilalo nel buco R; fai lo stesso con A e V. Apri le gambe sotto.

    Verifica: Ogni filo resta bloccato sotto la testa del suo fermacampione e non si stacca tirando piano.

13. Monta il perno e la pila

    Sul fermacampione P aggancia la graffetta e avvolgi il filo rosso (+) del portabatterie; infilalo nel suo buco senza stringere troppo, così la graffetta gira. Unisci il filo nero (−) del portabatterie con il filo − attorcigliando i rami e copri con nastro. Incolla il portabatterie nel suo rettangolo.

14. Incolla il semaforo alla base

    Metti il corpo in piedi sul rettangolo SEMAFORO, con la facciata rivolta verso il selettore, e incolla con colla vinilica o colla a caldo le linguette inferiori, piegate verso l'esterno, sulla fascia da 15 mm che circonda il rettangolo (non sopra di esso). Fai passare i fili dalla tacca senza schiacciarli.

    Verifica: Nessuna linguetta sporge dalla base: quella posteriore arriva giusto al bordo.

15. Prova il selettore

    Metti la pila nel portabatterie e gira la graffetta: su R si accende il rosso, su A l'ambra, su V il verde, e su OFF si spegne tutto. Esercitati con la sequenza verde (10 s), ambra (3 s), rosso (10 s).

16. Dipingi

    Dipingi di nero con la tempera i fianchi, il retro e il coperchio (la facciata è già nera). Puoi dipingere una striscia bianca sulla base. Lascia asciugare 20 minuti.

Funziona? La prova

Con la pila nuova, gira la graffetta nelle quattro posizioni. Poi abbassa la luce della stanza e guarda il semaforo da 3 m.

Cosa deve succedere: Ogni posizione accende un solo LED e OFF li spegne tutti. Rosso e ambra brillano intensi; il verde può sembrare un po' più debole (ha bisogno di più tensione). La pila CR2032 basta per diverse ore di luce continua.

Se qualcosa non va

• Un LED non si accende — LED al contrario o collegamento di rame allentato. Soluzione: Controlla che la gamba lunga vada alla sua pista R/A/V. Ripassa il collegamento con un altro pezzetto di nastro di rame e strofina forte.
• Non se ne accende nessuno — Pila al contrario nel portabatterie, pila scarica o pista comune interrotta. Soluzione: Controlla la pila (il + verso il contatto segnato). Verifica che il filo − arrivi alla pista comune.
• Si accendono due luci insieme — Due piste si toccano o la graffetta tocca due fermacampioni. Soluzione: Separa le piste tagliando il rame in eccesso; accorcia la graffetta o allontana di più i fermacampioni.
• La pila si scalda e non si accende nulla — Cortocircuito: il + tocca direttamente il −. Soluzione: Togli subito la pila. Cerca del rame della pista comune che tocca un filo +.
• Il verde si accende appena — I LED verdi puri hanno bisogno di circa 3 V, il limite della CR2032. Soluzione: Usa una pila nuova o un LED «verde giallastro» (2,1 V). Puoi anche usare 2 pile stilo AA con una resistenza da 100 Ω.
• Sfarfalla quando lo tocchi — Collegamento di rame allentato o filo bloccato male sotto il fermacampione. Soluzione: Stringi la testa del fermacampione e rifai il collegamento difettoso.

Sicurezza

• Le pile a bottone sono molto pericolose se ingerite (bruciano l'esofago in 2 ore): tienile fuori dalla portata dei bambini sotto i 6 anni e usa portabatterie con coperchio a vite se ci sono bambini piccoli.
• Se qualcuno ingoia una pila a bottone, vai subito al pronto soccorso.
• Le gambe dei LED pungono: piegale piatte e tagliale tenendo fermo il LED perché non schizzino via.
• Il taglierino e il punteruolo li usa un adulto, con il tappetino da taglio.
• Non collegare i LED a pile stilo AA o da 9 V senza resistenza: si bruciano all'istante.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

L'elettricità è come acqua che esce dalla pila dal lato + e vuole tornare al lato −. Un LED è come una porta che si apre solo in un verso: se lo metti al contrario, l'elettricità non passa e non si accende. La graffetta è come un vigile: decide da che strada passa l'elettricità, e si accende solo la luce di quella strada. Tutte le luci condividono la strada del ritorno, che è la pista lunga di rame.

Per l'adulto

Un LED è un diodo a semiconduttore: conduce solo con polarizzazione diretta (anodo, gamba lunga, a potenziale maggiore) ed emette luce il cui colore dipende dal materiale, che fissa anche la sua tensione di soglia: ≈ 1,8–2,1 V nel rosso e nell'ambra, 2,1 V nel verde giallastro e ≈ 3 V nel verde puro. Sopra la soglia la corrente cresce molto in fretta, quindi di solito la si limita con una resistenza: R = (V_pila − V_LED) / I, per esempio (3 − 2) V / 0,01 A = 100 Ω con 2 pile stilo AA. La CR2032 ha una resistenza interna di 10–40 Ω che da sola limita la corrente a circa 10–20 mA, per questo qui la resistenza non serve. Il circuito è un parallelo a catodo comune: i tre LED condividono la pista −, e un commutatore a una via e quattro posizioni (la graffetta: R, A, V e spento) applica il + a uno di essi. Due piste a contatto formano un cortocircuito (resistenza quasi nulla) che scarica la pila e non lascia tensione per il LED.

• LED: diodo a emissione di luce: lampadina minuscola che si accende solo se la corrente entra dalla gamba lunga.
• polarità: quale estremità è + e quale è −.
• parallelo: collegamento in cui ogni LED ha la sua strada dalla pila.
• selettore: interruttore che sceglie tra più strade.
• cortocircuito: strada diretta dal + al − senza passare per niente: la pila si scarica e si scalda.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto taglia il corpo, fora e incolla il rame; il bambino mette i LED (gamba lunga a destra), incolla la facciata e le visiere e gioca con il selettore a «verde, ambra, rosso».
• 8–10 anni: Fanno tutto tranne i tagli con il taglierino. Che siano loro a provare ogni LED con la pila prima e dopo averlo incollato, e a cercare il guasto se qualcuno non si accende.
• 11–12 anni: Che disegnino lo schema elettrico con i simboli, calcolino la resistenza necessaria con 2 AA e aggiungano il pulsante pedonale o il cicalino.

In gruppo o in classe

A coppie, un semaforo per coppia. Prima della sessione: tagliare e forare i corpi, tagliare le strisce di rame e spelare i fili; tenere da parte le pile a bottone e distribuirle solo alla fine (controllo dei pezzi piccoli). Sessione di 90 min: 10 min di LED + pila in mano, 60 min di montaggio, 20 min di «città» unendo i semafori in un plastico con strade di carta. Ritira tutte le pile alla fine.

Sfide

• Fai un incrocio con 2 semafori coordinati da un solo selettore.
• Aggiungi un semaforo pedonale con l'omino rosso e verde disegnati su carta da lucido.
• Metti un cicalino che suoni con il verde pedonale.
• Sostituisci i LED con delle lenti: finestre da Ø 30 mm con carta da lucido e il LED 10 mm dietro.
• Progetta un selettore girevole di cartone con una ruota al posto della graffetta.

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