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Ein einfacher Polaritätsprüfer und Spannungsdetektor wird untersucht.


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Komplexe Schaltungen

Spannungen einstellen


Komplexe Schaltungen

Attention pin

Im Praktikum Komplexe Schaltungen mit LEDs haben wir einen Spannungs-Tester beschrieben und aufgebaut.

Jetzt schauen wir uns diese Schaltung mit unserem neu erworbenen Wissen genauer an:

  • Wir messen und rechnen nach.

Das Ziel dieses Praktikums ist es, das Messen zu üben und das Verhalten von Schaltungen genauer zu untersuchen.

Aus dem Praktikum Parallelschaltungen wissen wir, dass wir LEDs nicht parallel schalten dürfen. Wir können sie aber antiparallel schalten.

Polaritaetspruefer.png
Bild 1: Polaritäts-Tester mit antiparallel geschalteten LEDs

Die Schaltung entspricht der Schaltung 3 aus Parallelschaltungen überein. Allerdings haben wir die Spannungsquelle nicht eingezeichnet, sondern zwei Prüfspitzen. Wir nehmen zunächst einfach zwei Drähte mit offenen Enden.

Wir bauen die Schaltung auf dem Steckboard auf.

Wir schließen die beiden Prüfspitzen an unsere 4,5V Batterie an:

  • Prüfspitze Plus an den Pluspol der Batterie: Die grüne LED leuchtet.
  • Prüfspitze Minus an den Pluspol der Batterie: Die rote LED leuchtet.
  • Mit dieser Schaltung können wir die Polarität einer Spannungsquelle bestimmen.

Wir testen eine 1,5V Zelle.

  • Und wir messen - Nichts. Egal, wie wir sie anschließen, keine LED leuchtet.

Schalten wir zwei Zellen in Reihe (Plus an Minus). Die Spannung der Stromversorgung beträgt jetzt 2 * 1,5V, also 3V.

  • Jetzt können wir die Polarität feststellen.
Attention pin

Batteriezellen

werden in Reihe geschaltet

  • Plus an Minus der nächsten Zelle
  • Batteriezellen sollten nicht parallel geschaltet werden.
  • Akku-Zellen dürfen niemals parallel geschaltet werden.
  • Zwischen den Zellen treten hohe Ausgleichsströme auf,
  • die die Zellen beschädigen können.

Aber warum leuchtet keine LED an einer 1,5V Zelle?

Die Spannung von 1,5V ist für eine LED zu niedrig. Eine rote LED hat eine Flussspannung von 1,8V und eine grüne von 2,2V. Die 1,5V reichen einfach nicht aus.

Bei 3V fällt an der LED die Flussspannung ab.

Die Flussspannung von LEDs kennen wir von den Schaltungen mit LEDs.

Mit einem Messgerät können wir die Flussspannung leicht messen.

  • Bei 3V fällt an der LED eine Spannung von 1,8V (grün 2,2V) ab.
  • Am Widerstand sind es 5V-1,8V=3,2V.
  • Bei 1,5V fällt an der LED die volle Spannung von 1,5V ab.
  • Am Widerstand fällt 0V ab, d.h. es fließt kein Strom.

Messungen mit einer dritten LED

Wir betrachten eine neue Schaltung.

Spannungspruefer.png
Bild 2: einfacher Spannungs-Tester mit drei LEDs

Die dritte LED3 liegt parallel zum Vorwiderstand R1 für LED1 und LED2. Wir müssen den Widerstand R2 einsetzen, da die LED3 sonst in Reihe mit der LED1 ohne Vorwiderstand betrieben würde. In der Schaltung haben wir eine Mischung aus zwei Parallelschaltungen, die in Reihe geschaltet sind.

Aber was soll das?

Die blaue und die grüne LED leuchten auf, wenn die Prüfspitze Plus an den Pluspol der Batterie angeschlossen wird.

Wirlich?

Bei 4,5V leuchten beide LEDs, die grüne hell und die blaue LED nur schwach. Bei 3V leuchtet nur die grüne LED.

Mit dieser Schaltung können wir leicht überprüfen, ob die Spannung über 4,5V liegt. Wir haben einen einfachen Spannungsdiskriminator.

Um das zu verstehen, müssen wir Spannungs- und Strompfeile in die Schaltung eintragen.

Spannungspruefer_U.png
Bild 3: Spannungs-Tester mit eingetragenen Spannungs- und Strompfeilen

Wir wenden die Regeln an

1. Stromkreis

Wir beginnen bei Plus und durchlaufen den Stromkreis über U1, Uled1 und Uv zurück nach Plus.

     =
     = + U1
     = + U1 + ULed1
+ Uv = + U1 + ULed1

Das + vor Uv und U1 kann weggelassen werden.

Wir erhalten Uv = U1 + ULed1.

Die grüne LED1 hat eine Flussspannung von ULed1=2,2V.

Uv = U1 + 2,2V

Nur wenn Uv größer als ULed1=2,2V ist, fließt Strom durch LED1.

2. Stromkreis

Wir beginnen bei Plus und durchlaufen den Stromkreis über U2, ULed3, Uled1 und Uv zurück nach Plus.

     =
     = + U2
     = + U2 + ULed3
     = + U2 + ULed3 + ULed1
+ Uv = + U2 + ULed3 + ULed1

Wir erhalten Uv = U2 + ULed3 + ULed1.

Die blaue LED3 hat eine Flussspannung von ULed3=3,0V und die grüne ULed1=2,2V.

Uv = U2 + 3,0V + 2,2V
Uv = U2 + 5,2V

Nur wenn Uv größer als ULed3+ULed1=5,2V ist, fließt Strom durch LED3 und LED1.

Knoten 1

Wir betrachten die Knoten hinter R1. Wir können die Knoten als einen betrachten, da sie unmittelbar miteinander verbunden sind.

+ I1      =
+ I1 + I2 = 
+ I1 + I2 = + Led2
+ I1 + I2 = + Led2 + ILed1

Wir erhalten I1 + I2 = Led2 + ILed1.

Aber LED2 sperrt, also ist Led2=0 und I1 + I2 = ILed1.

Zusammenfassung

1.
Nur wenn die Versorgungsspannung Uv größer als ULed1=2,2V ist, leuchtet LED1.
2.
Nur wenn Uv größer als ULed3+ULed1=5,2V ist, leuchten LED3 und LED1.

Die Versorgungsspannung muss größer als 5,2V sein, damit LED3 und LED1 leuchten.

  • 5,2V sind höher als die 4,5V unserer Batterie.

Warum leuchtet die grüne LED1 bei 4,5V? Durch die blaue LED3 fließt doch kein Strom. Nun, der Strom fließt durch den Widerstand R1.

Auch bei 5V sollte die blaue LED3 nicht leuchten, denn 5V sind kleiner als 5,2V.

  • Wenn wir genau hinsehen, leuchtet die blaue LED3 sogar bei 4,5V ein wenig.
  • Bei 5V leuchtet die blaue LED etwa so hell, wie die grüne.

Um die Ursache zu finden, messen wir nach.

Wir bedenken auch, dass bei kleinen Strömen (weit unter 20mA) die Flussspannung der LEDs bis zu 0,4V niedriger sein kann.

Wir messen nach

Wir wollen die obigen Überlegungen mit einigen Messungen veranschaulichen.

Wir messen bei 4,5V

  • An der grünen LED1 messen wir die Spannung ULed1=1,9V. Damit könnte an der blauen LED3 und R2 eine Gesamtspannung von 4,5V-1,9V=2,6V abfallen.
  • An der blauen LED3 messen wir die Spannung ULed3=2,4V. Das sind sogar 0,6V weniger als die Flussspannung bei 20mA.
  • Blaue LEDs sind sehr effizient, sie leuchten schon bei kleinen Strömen.
  • An R2 messen wir die Spannung U2=0,2V und berechnen damit I2=U2/R2=0,2V/4,7kΩ~0,04mA
  • I2=0,04mA ist auch der Strom durch die blaue LED3. Das ist ein sehr kleiner Strom, der anscheinend ausreicht, um die blaue LED zum Leuchten zu bringen.
  • An R1 fällt die Spannung U1=Uv-ULed1=4,5V-1,9V ab. Damit ist der Strom durch R1 I1=U1/R1=1,9V/1kΩ=1,9mA.
  • Durch LED1 fließen ILed1=I1+I2=1,9mA+0,04mA=1,94mA.
Attention pin

Ohm

Wir berechnen den Strom durch den Widerstand R2 mithilfe des Ohmschen Gesetzes:

I  = U  / R
I2 = U2 / R2

Wir messen bei 5V

  • Wir messen an der grünen LED1 die Spannung von ULed1=1,9V und somit könnte an der blauen LED und R2 eine Gesamtspannung von 5V-1,9V=3.1V abfallen.
  • An der blauen LED3 messen wir die Spannung ULed3=2,5V.
  • Wir messen an R2 die Spannung U2=0,6V und somit ist I2=U2/R2=0,6V/4,7kΩ~0,13mA
  • Der Strom durch die blaue LED3 ist bei 5V größer als bei 4,5V und sie leuchtet heller.

Wir messen bei 1,5V

  • An der grünen LED1 fallen die vollen 1,5V ab. Sie leitet noch nicht.
  • Auch bei verpolter Spannung fallen an der roten LED2 die 1,5V ab.

Wir messen bei 2V

  • Leider können viele von uns diese Messung nicht durchführen, weil sie keine 2V Spannungsquelle haben.
  • An der grünen LED1 fällt die Spannung ULed1=1,8V ab.
  • Dadurch fällt an R1 die Spannung U1=2V-1,8V=0,2V ab. Es fließt ein Strom von I1=U1/R1=0,2V/1kΩ=0,2mA, der auch durch LED1 fließt.
  • Die grüne LED1 leuchtet nur schwach.
  • Das Gleiche gilt für die rote LED2, wenn die Spannung verpolt ist.

Wir messen bei 3V

Als 3V-Spannungsquelle verwenden wir zwei 1,5V Zellen.

  • An der grünen LED1 fällt die Spannung ULed1=1,9V ab.
  • Damit fällt an R1 U1=3V-1,9V=1,1V ab. Es fließt ein Strom von I1=U1/R1=1,1V/1kΩ=1,1mA.
  • Die Spannung von U1=1,1V an R1 reicht nicht aus, um einen Strom in der blauen LED3 fließen zu lassen.
  • Deshalb ist ILed1=I1=1,1mA.
  • Die grüne LED1 leuchtet.

Zusammenfassung

Dieser Spannungs-Tester reagiert nicht nur auf die Polarität der Spannungsquelle, sondern auch auf deren Spannung:

  • Bei 1,5V leuchtet keine LED.
  • Bei 2V glimmt die grüne LED.
  • Bei 3V leuchtet die grüne LED.
  • Bei 4,5V leuchtet die grüne LED und die blaue LED glimmt.
  • Ab 5V leuchten die blaue und die grüne LED.
  • Bei falscher Polung leuchtet die rote LED, wenn die Spannung größer als 2V ist.

Spannungs-Tester

Die Schaltung in Bild 2 hat nur einen Fehler: Wenn wir sie an eine falsch gepolte Spannungsquelle anschließen, kann die blaue LED3 beschädigt werden.

Aber dann wird sie doch in Sperrrichtung betrieben!

Genau, das ist das Problem.

Weil LED2 leitet und Uv negativ ist, haben wir dann:

Uv = U2 + ULed3 + ULed2

Eigentlich müssten wir alle Spannungen mit einem negativen Vorzeichen versehen.
Wir vertauschen einfach alle Vorzeichen :-)
Oder wir fahren über alle Spannungspfeile in die entgegengesetzte Richtung.

Die LED3 sperrt, also fließt kein Strom durch R2 und somit ist U2=0V. An der roten LED1 fällt ULed2=1,8V ab.

Betrachten wir die Spannungen bei einer negativen Spannungsquelle von 12V.

12V   = 0V + ULed3 + 1,8V
ULed3 = 12V - 1,8V
ULed3 = 10,2V

An LED3 liegt eine Sperrspannung von mehr als 10V an, die eine LED beschädigen kann.

Was tun?

Wir kennen den Trick mit den antiparallelen LEDs und schalten einfach eine weitere LED antiparallel zu LED3. Die antiparallele LED4 lässt Strom fließen, während LED3 sperrt. Wir nehmen eine weitere rote LED, um die falsche Polarität zu unterstreichen.

../Spannungspruefer_OK.png
Bild 4: Der fertige Spannungs-Tester

Diese Schaltung kann problemlos für Spannungen bis 24V verwendet werden.

Wir bauen diesen Spannungs-Tester vorerst fest auf ein Steckboard auf.

../Spannungspruefer-brd.png
Bild 5: Spannungs-Tester auf Steckboard an 4,5V

Später, wenn wir löten können, werden wir ihn auf eine Platine aufbauen.

Der Aufbau eines Spannungs-Testers ist im Projekt Spannungs-Tester beschrieben.

Verpolter Spannungs-Tester

Wenn der Spannungs-Tester an eine negative Spannung angeschlossen wird, sollten beide roten LEDs leuchten.

Tatsächlich leuchtet aber nur LED2. Das hat seinen Grund:

Wir messen bei 5V.

  • An LED2 messen wir eine Spannung von 1,9V.
  • An R1 messen wir eine Spannung von 3,1V.
  • An R2 messen wir 1,2V.
  • I2=1,2V/4,7k~0,25mA ist der Strom durch die rote LED4. Eine rote LED ist nicht so effizient wie eine blaue LED. Wenn wir genau hinsehen, sehen wir, dass die rote LED4 sehr schwach glimmt.
  • Beide roten LEDs leuchten.
Attention attention

Hinweis:

Der Spannungs-Tester darf nicht für Netzspannung (z.B. 230V) verwendet werden: Lebensgefahr.

Er ist nur für Elektronikschaltungen bis 24V geeignet.