Weihnachtspyramiden-Drehzahlmessung
von Fritjof Flechsig und Familie
Wir haben bei uns auf dem Adventstisch zwei schöne Weihnachts-Pyramiden. Eine, die größere der beiden, zieht gemächlich ihre Runden. Die andere, etwas kleinere Pyramide flitzt so schnell, dass sich das Jesuskind vermutlich leicht grün gefärbt über den Krippenrand hängen und Neptun opfern würde. Schon in der vorherigen Weihnachtszeit haben wir probiert herauszubekommen, wie schnell sich diese kleine Pyramide dreht. Dazu versuchten wir, die Durchläufe der Jesus-Krippe zu zählen. Das war aber mühsam, fehlerträchtig und zum Adventskaffee irgendwie unlustig, so dass wir darüber hinweg gekommen sind. In diesem Jahr haben wir uns beim Auspacken der Pyramiden wieder an das grüne Jesuskind erinnert. Und als im Adventskalender ein Zählerbaustein behandelt wurde, reifte die Idee, eine Schaltung zu bauen, welche die Umdrehungen der Pyramide zuverlässiger auszählen kann. Und dies ist das Resultat:
Das Herz der Schaltung bildet eine Lichtschranke, welche die Durchläufe der Flügelblätter der Pyramide zählt. Die Lichtschranke besteht aus einer weißen LED (die ist nämlich schön hell) als Lichtquelle und einer als Photodiode geschalteten roten LED. Der minimale Photostrom der roten LED wird durch das als Verstärker beschaltete erste Gatter (genauer ist das Gatter zusammen mit dem 22MOhm-Widerstand ein Transimpedanzverstärker) soweit verstärkt, dass die nachfolgenden digitalen Teile des Zählerbausteins zuverlässig geschaltet werden. Der 10nF-Kondensator an PIN 9 des 4060 hat sich als sehr wesentlich erwiesen, da ansonsten der Durchlauf eines Flügels "prellt" - d.h. der Zähler zählt den Durchlauf mehrfach. Der Rest des Aufbaus ist ein 6-bit Zähler, welcher allerdings nur jeden achten Durchlauf eines Flügels zählt. Ein Druck auf den Taster setzt den Zähler auf Null.
Die Kinder haben die Schaltung auf ein Gestell aus Lego gesetzt und so neben die Pyramide platziert, dass die Flügel der Pyramide die Lichtschranke zuverlässig unterbrechen (und die Kerzen keines der Plastikteile ankokeln). Für eine Messung stoppten wir mit einer Stoppuhr die Zeit zwischen einem Reset des Zählers und dem Zeitpunkt, wenn wieder alle sechs LEDs erloschen sind, also wenn der Zähler bis 64 gezählt hat. Nach etwas Umrechnerei (die große Pyramide hat zwölf Flügelblätter, die kleinere nur sieben) können wir nun als Ergebnis die folgenden Umdrehungsdauern präsentieren:
Große Pyramide: 5- 6 Sekunden pro Umdrehung
Kleine Pyramide: 1,2 - 1,8 Sekunden pro Umdrehung, bei frischen Kerzen einmal sogar unter 1 Sekunde gemessen!!
Und damit ist das große Familienrätsel der letztjährigen Adventszeit in diesem Jahr gelöst!
Fritjof Flechsig mit Kindern, 12 und (fast) 14 Jahre, und Frau.