Elektronik-Grundlagen durch den Bau von Glühwürmchen lernen

• Der Beitrag erzählt, wie der Autor die Elektrotechnik von Grund auf lernt, indem er eine Schaltung baut, die ein Glühwürmchen nachahmt.
• Es wird erforscht, wie sich mit einer minimalen Schaltung wie dem Astable Multivibrator ein LED-Blinken realisieren lässt.
• Für den Nachtbetrieb und eine langsamere Blinkfrequenz wurden praktische Erfahrungen mit Komponenten wie LDR und Potentiometer gesammelt.
• Fehler, Ausfälle und die Erkenntnisse aus eigenen Experimenten werden eindrücklich geteilt.
• Die Bedeutung von echter Vertiefung und Freude beim Ausprobieren von Neuem wird erneut erkannt.

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Überblick

Der Artikel beginnt mit der Entscheidung des Autors, nach dem Fehlen von Glühwürmchen selbst eine Leuchte zu bauen, die deren Verhalten imitiert. Er beschreibt seinen Weg als ehrlichen Erfahrungsbericht mit Erfolgen, Fehlern und vielen Iterationen. Das Ziel war ein gleichzeitiges Lernen von Elektrogrunderkenntnissen und der Bau eines selbsttätigen „Glühwürmchens“.

Erste Versuche und Schaltungsaufbau

• Er stellt fest, dass eine Schaltung namens Astable Multivibrator die LED automatisch ein- und ausschalten kann.
• Bei noch völlig fehlendem Verständnis von Spannung und Strom lernt er schrittweise die Grundprinzipien von Widerständen, Kondensatoren, Transistoren und anderen Bauteilen.
• Mit Hilfe von KI-Chatbots und YouTube sammelt er erste Theorie und besorgt anschließend die Teile im Elektronikladen, um die erste Schaltung aufzubauen.
• Überraschenderweise blinkt die LED bereits im ersten Versuch korrekt.

Verbesserung und Weiterentwicklung

• In der Rückkopplungspraxis wurden folgende Probleme erkannt:
  • Die LED blinkte rund um die Uhr.
  • Die Blinkfrequenz war deutlich zu schnell im Vergleich zu echten Glühwürmchen.
• Zur Umsetzung eines nur nachts aktiven Verhaltens wurde das Prinzip des LDR (Light Dependent Resistor) eingeführt.
  • Durch die Einbindung eines LDR gelingt es, die LED nur bei Dunkelheit einzuschalten.
  • Mit einem zusätzlichen Serienwiderstand konnte außerdem die Empfindlichkeit auf Licht angepasst werden.
• Zur Anpassung der Blinkgeschwindigkeit kam ein Potentiometer zum Einsatz.
  • Durch einfaches Verändern des Widerstands wurde die LED-Blinkperiode zwischen 1 und 5 Sekunden eingestellt.
  • Auch der Kondensatorwert wurde experimentell verändert und optimiert.
• Um die Wiederholbarkeit der Experimente zu erhöhen, entwickelte er einen eigenen Astable Delay Simulator als Web-App und nutzte ihn aktiv.
  • Erwartete Blinkperiode und reale Schaltungsresultate wurden miteinander verglichen.

Energieverwaltung und Verifikation

• Der Leistungsbedarf der Schaltung wurde mit einem Multimeter in der Realität gemessen.
  • Die Kombination aus niedrigwertigem Kondensator und hochohmigem Widerstand erwies sich als vorteilhaft für die Batterielebensdauer.
  • Mit einem selbst entwickelten Battery Life Calculator wurde eine erwartete Batterielebensdauer von etwa 8 Monaten berechnet.

Fehlerquellen und Lösungen

• Problem (Incident) #1: Jumper-Wire-Problem
  • Als die Schaltung plötzlich nicht mehr funktionierte, wurden die Bauteile einzeln geprüft. Als Ursache wurden Kontaktprobleme und hoher Widerstand in den Jumper-Wires identifiziert.
  • Danach stellte er auf Hookup Wire um, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen.
• Problem (Incident) #2: Scheitern bei Simulatoren
  • Versuche mit echten Schaltungen in tinkercad.com und falstad.com wurden unzuverlässig, sobald die Schaltung komplexer wurde.
  • Er erkannte, dass manche Online-Simulatoren für komplexe analoge Schaltungen unzureichend sind.
• Problem (Incident) #3: Lötqualm
  • Beim Löten wurde deutlich, dass der Rauch die Atmung beeinträchtigt.
  • Er nutzte den Lüfter eines gebrauchten CPU-Kühlers und ein 12V-Netzteil als provisorischen Abluft- und Absaugsauger.
• Problem (Incident) #4: Teile-Wiederverwendung
  • Als nachts zusätzliche Kondensatoren benötigt wurden, wurden Komponenten direkt aus einer ausrangierten Stromversorgungsplatine entnommen und wiederverwendet.
• Problem (Incident) #5: Realer Glühwürmchen-Test
  • Im dunklen Raum konnte die fertiggestellte Schaltung beobachtet werden; sie imitiert erfolgreich ein echtes Glühwürmchen.

Hardware-Abschluss und unterschiedliche Ausführungen

• Für Gehäusebau und Montage wurden Heißkleber, ein günstiger 3D-Stift und weitere Hilfsmittel genutzt, um einen stabilen Standfuß und ein Gehäuse zu fertigen.
• Insgesamt wurden fünf „Glühwürmchen“ in verschiedenen Bauformen wie Breadboard- und Deadbug-Aufbau hergestellt und im Freien installiert.
• Es entsteht tiefe Zufriedenheit und Stolz, wenn nachts mehrere Lichtpunkte im Dunkeln flimmern.

Rückblick und Erkenntnisse

• Durch das Projekt wurde die echte Vertiefung und die Freude am Lernen durch Ausprobieren von Neuem erneut erlebt.
• Die Aufregung erinnerte an die anfängliche Begeisterung beim Einstieg in Programmiersprachen.
• Es entsteht der Wunsch, künftig Glühwürmchen zu bauen, die länger und intelligenter leuchten.
• Letztlich wird klar, dass der Lern- und Bauprozess selbst, mit allen Rückschlägen, den größten Sinn besitzt.

Abschluss

• Die Erfahrung, mit einem echten Projekt in die Elektrotechnik einzusteigen, macht deutlich, dass Fehler und Umwege ein wertvoller Teil des Lernens sind.
• Die Glühwürmchen-Schaltung ist ein gutes Einstiegsprojekt, das den Engineering-Mindset durch Funktion, Experiment und kreative Optimierung stärkt.
• Diese Reise wird noch weitergehen.

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Ich liebe Glühwürmchen wirklich, aber in den letzten Jahren sind sie irgendwohin verschwunden, sodass man in dunklen Nächten keine kleinen leuchtenden Punkte mehr sieht; ich vermisse das mehr, als ich erwartet hätte. Ich weiß nicht genau warum, aber Lichtverschmutzung und Pestizide sind große Ursachen, und die Populationen aller Insekten gehen stark zurück. Es gibt auch einen Artikel darüber, dass in deutschen Naturschutzgebieten innerhalb von 25 Jahren drei Viertel der fliegenden Insekten verschwunden sind Link

  • Soweit ich weiß, sind Glühwürmchen sehr anfällig für Rasenchemikalien und Lichtverschmutzung. Sie verbringen zwei Jahre als Larven und sind als erwachsene Tiere nur wenige Wochen über der Erde. Insektizide für den Rasen töten die Larven, und Licht stört die Paarung.
  • Ein weiterer Grund ist, dass Menschen Laub wegräumen. Glühwürmchen legen ihre Eier in Laubhaufen ab, und ohne Laub kommen auch keine Glühwürmchen mehr zur Paarung.
  • Ich erinnere mich, dass früher nachts beim Autofahren die Windschutzscheibe voller Insekten war. Heute ist das nicht mehr so.
  • Als ich vor 30 Jahren in die Heights in Houston zog, war die Gegend noch für Glühwürmchen bekannt, aber die langjährigen Anwohner sagten schon damals, dass es nicht mehr so sei wie früher. Vor etwa 20 Jahren waren sie fast alle verschwunden.

• Die Software ist sauber, und der Kontrast dazu, wie chaotisch das Schaltbild ist, wirkt wirklich schockierend. Trotzdem funktioniert es, und das ist beeindruckend. Die meisten Leute würden heute wohl einfach einen Timer mit einem Mikrocontroller bauen und es dabei belassen, aber darin läge für mich kein Spaß. Analoges Design hat eine minimalistische Eleganz und eine besondere Befriedigung darin, Elektronen direkt zu beherrschen.

  • Die meisten Maker-Communities heute bevorzugen eher billige, schnelle und einfach funktionierende Lösungen, aber meiner Erfahrung nach ist die DIY-Synth-Community genau das Gegenteil. Dort mag man sehr einfache Schaltungen mit klaren Grundlagen und versucht teils sogar, ICs zu vermeiden.
  • Analoge Schaltungen sind wirklich ein spannendes Feld. Vielleicht wirken sie gerade deshalb so faszinierend, weil ich noch nicht viel davon erkundet habe. Ich habe früher auch mit Vakuumröhren experimentiert und hatte viel Freude daran. Transistoren waren lange zu schwierig für mich, aber auf Grundlage von Büchern von Forrest Mims III habe ich einen Transistor-Spielplatz gebaut und mir mit Logikgattern Vertrautheit erarbeitet. Material dazu gibt es hier und hier.
  • Ich habe so etwas kürzlich nach langer Zeit wieder angefasst und frage mich, wie günstig man Stand 2025 einen einfachen Arduino-artigen Chipsatz mit ein paar GPIOs zum Ansteuern einer gelben LED bekommen kann.
  • Ich werde immer noch nicht ganz damit warm, dass die Symbolik in Schaltplänen der tatsächlichen Funktionsweise oft entgegengesetzt ist und alle das einfach hinnehmen.

• Einer der grundlegenden Gründe dafür, dass der Autor weniger Glühwürmchen sieht, ist, dass Insektenpopulationen weltweit jedes Jahr um 2 bis 10 % zurückgehen weiterer Link

  • Ich finde dieses Phänomen wirklich schockierend.

• Dieser Beitrag hat bei mir viele Gefühle ausgelöst. In Philip K. Dicks "Träumen Androiden von elektrischen Schafen?" sind wilde Tiere infolge des Krieges ausgestorben, sodass die meisten Menschen elektrische Tiere als Haustiere halten. Die kreativen elektronischen Glühwürmchen in diesem Post wirken deshalb noch trauriger und bedeutungsvoller, wenn man bedenkt, dass künstliche Beleuchtung und LED-Lichtverschmutzung die Paarung und Kommunikation echter Glühwürmchen tatsächlich stören und so ihre Populationen zurückgehen Studie 1, Studie 2

• Obwohl ich einen Bachelor in Elektrotechnik habe, verstehe ich Schaltungen, besonders solche mit Transistoren, immer noch nicht richtig. Ich habe versucht, mir den elektrischen bzw. elektronischen Fluss auf verschiedene Arten vorzustellen, aber kein Denkmodell gefunden, das alles zu 100 % erklärt. Vermutlich fällt es mir schwer, weil ich lieber schrittweise in einem algorithmischen Ablauf denke, statt im Kopf gleichzeitig mit vielen Variablen zu rechnen.

  • Im Studium hatte ich einen brutal harten Kurs, in dem wir jede Woche mit einer neuen analogen Schaltung ein anderes Problem lösen mussten. Anfangs durften wir nur BJTs, Widerstände und Kondensatoren verwenden. Später mussten wir mit Transistoren einen 555-Timer direkt nachbauen und damit sozusagen die Erlaubnis für die Nutzung von „ICs“ freischalten. Am Ende durften wir opamps und verschiedenere ICs verwenden. Auch 20 Jahre später ist mir dank dieses Kurses ein intuitives Verständnis für analoge Elektronik geblieben. Es gibt keine Abkürzung; stetige Anstrengung ist am wichtigsten. Bei den heutigen Diskussionen über das Lernen mit AI ist der entscheidende Punkt letztlich derselbe: Motivation ist das Wichtigste. AI kann den Lernprozess angenehmer machen, aber am Wesen der Sache ändert sich nichts.
  • Ich neige dazu, es im Kopf mit etwas wie „Wenn ich 0x69 auf den GPIO schreibe, geht die LED an“ abzuschließen, und habe das Gefühl, dass genau das das Problem ist.
  • Das, was ich studiert habe (Electronic Engineering BEng), passte eher zu solchen Themen, während ein allgemeiner Electrical Engineering BEng eher in Richtung Leistungstechnik, Regelung und Motoren ging und damit von solchen Hobby-Schaltungen weiter entfernt war.

• Ich habe zwar mit dem Programmieren angefangen, wusste aber über analoge Schaltungen praktisch nichts. Ich habe zwar auch den 160-in-one-Baukasten von Radio Shack nachgebaut, dachte dabei aber, jedes Bauteil erledige einfach nur eine Aufgabe wie ein Arbeitsschritt auf einem Fließband. Erst an der Universität, als ich LRC-Schaltungen lernte und die Konzepte von Wellen und Schwingungen dazukamen, habe ich den magischen Reiz von Schaltungen wirklich gespürt. Das wirklich Interessante ist nicht jedes einzelne Bauteil, sondern dass man durch ihre Kombination ein „Wellensystem“ schafft. Strom und Spannung lassen sich so auf vielfältige Weise gestalten und nutzen.

  • Als Kind hatte ich das ScienceFair Advanced Electronics Lab von RadioShack, den Baukasten mit 300 Projekten Produktfoto. Erst gestern habe ich ihn in einem sehr alten Elektronikladen wiederentdeckt und überlege nun nostalgisch, ob ich ihn an meinen Neffen weitergeben oder aufrüsten und verschenken soll. Beim erneuten Anschauen wurde mir zweierlei klar: 1) Dinge wie LRC-Schaltungen versteht man ohne Oszilloskop nicht wirklich; ich wünschte, ich hätte als Kind wenigstens ein billiges Oszilloskop gehabt. 2) Die Anleitung des Baukastens war viel zu oberflächlich und regte keine kreative Erkundung an. Weil die Erklärungen so dürftig waren, habe ich die Konzepte erst an der Uni richtig verstanden. Am meisten Spaß machte mir damals letztlich, rote LEDs durchzubrennen, aber ich wurde dadurch mit Symbolen und Breadboards vertraut und entwickelte ein Gefühl der Vertrautheit mit Elektrizität.
  • Ich frage mich, ob es heute einen guten Bausatz gibt, der diese alten Radio-Shack-Kits ersetzen könnte.
  • Ich wollte den 160-in-one unbedingt haben, habe ihn aber am Ende nie bekommen. Stattdessen habe ich viele verschiedene Radio-Shack-Bausätze gebaut.

• Dass Insekten verschwinden, merke ich auch beim Angeln. Ich angle mein ganzes Leben lang, und auch ältere Angler sagen oft, dass es weniger Insekten gibt. Ich denke, dass manche Köder, die früher gut funktioniert haben, heute auch deshalb schlechter funktionieren, weil Fische diese Insekten über Generationen hinweg nicht mehr erlebt haben.

  • Das habe ich auch schon gehört, aber meiner Erfahrung nach sind Pestizide der größte Grund. Man versprüht Gift gegen Mücken, Flöhe, Ameisen und Kakerlaken, und am Ende nimmt dadurch die gesamte Insektenwelt ab. Seit ich meinen Service für die Rasenpflege gekündigt habe, kommen wieder Vögel auf Nahrungssuche, an den Lantana-Blüten sind massenhaft Schmetterlinge, und nachts sehe ich auch wieder einige Glühwürmchen.

• Mit dem Schaltungssimulator von tinkercad.com haben einfache Schaltungen funktioniert, aber der von mir gebaute astable multivibrator lief nicht korrekt. Bei falstad.com/circuit war das Ergebnis dasselbe. Dadurch habe ich gelernt, dass solche Simulatoren bei komplexeren Schaltungen oft nicht richtig funktionieren. Falls es Hobby-Software für Schaltungsdesign und -simulation gibt, die man unter macOS oder online nutzen kann, würde ich wirklich gern Empfehlungen hören. Ich habe kicad, diylc, fritzing und einiges andere ausprobiert, aber nichts davon taugt für mich. Ich habe fast das Gefühl, als hätten die Leute, die solche Software bauen, auf eine ganz bestimmte Weise einen Knacks im Denken. Meine ideale Software würde elektronisches und räumliches Schaltungsdesign, Funktionstests und Platinenherstellung vereinen, besonders mit Unterstützung für Stripboard.

  • Als Programmierer denke ich instinktiv: „So schwer kann es doch nicht sein, einen Schaltungssimulator zu bauen?“ Aber gerade die Tatsache, dass es bis heute nicht wirklich zufriedenstellend gelöst wurde, bringt mich ins Grübeln.
  • Nach meiner Erfahrung als Hobbyist ist es am besten, Schaltungsdesign und Simulation in unterschiedlichen Programmen zu machen: LTspice für die Simulation, KiCad/EasyEDA für das Board-Design. Um mit solcher Software gut zurechtzukommen, braucht man anscheinend eine ziemlich eigenartige Denkweise. Zum Beispiel ist die Funktion in LTspice gut, mit der sich Bauteilwerte in Simulationen variieren lassen, aber das Ganze ist beim Lernen so unerquicklich und mühsam, dass es fast frustrierend ist.
  • Ich kenne astable multivibrators nicht und würde dazu gern noch einmal nachfragen.

• Ich denke, wenn ein Simulator nicht richtig funktioniert, könnte das auch daran liegen, dass die reale Schaltung parasitäre Eigenschaften ausnutzt. Zum Beispiel weiß ich auch vom joule thief, dass er auf dem Papier keinen Kondensator hat, aber Widerstand, Induktivität und Kapazität der realen physischen Bauteile das tatsächliche Verhalten beeinflussen.

• Glühwürmchen blinken auch als Reaktion auf Licht. Mit einem ausreichend empfindlichen Lichtsensor könnten diese „elektronischen Glühwürmchen“ vielleicht miteinander kommunizieren. Vielleicht könnten sie sogar mit echten Glühwürmchen kommunizieren. Wenn man die Schaltung so auslegt, dass sie nur auf Änderungen der Umgebungshelligkeit reagiert, könnte man außerdem verhindern, dass sie tagsüber ständig ausgelöst wird.

  • Das geht schon mit einer einfachen Kombination aus CdS-Fotozelle und Transistor. Echte Glühwürmchen synchronisieren sich auf ähnliche Weise. Wenn man an den Trigger-Transistor der Schaltung eine CdS-Fotozelle und einen Widerstand in Reihe anschließt, kann sie auf externe Lichtimpulse reagieren und aufleuchten, dabei aber trotzdem autonom weiterblinken.
  • Es gibt auch ein Produkt namens Le Dominoux, das mit einem 555 auf ähnliche Weise funktioniert und sich gegenseitig triggert Video
  • Im Insect Museum in San Francisco wurde ein Kunstwerk geschaffen, bei dem jedes Glühwürmchen eine Fotodiode bekam. Es wurde in einem dunklen Raum installiert, und die Fenster wurden gefiltert, sodass die Glühwürmchen das Blinken der anderen gut wahrnehmen konnten.
  • Ich hatte einen ähnlichen Gedanken und habe mir vorgestellt, ob man mit künstlichen Glühwürmchen echte Glühwürmchen zurücklocken könnte. Aber die Lichtsignale echter Glühwürmchen sind Paarungsbotschaften, also scheint diese auf Photonen basierende Kommunikation ein viel komplexeres System zu sein, das sich nicht einfach dadurch erklären lässt, dass nur eine einzelne Leuchtdiode zufällig blinkt. Am Ende würden die Glühwürmchen solche „seltsamen Signale“ wohl einfach ignorieren und wegfliegen.