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Schaltungen mit LEDs

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Alternative Wege

  • Dieses Praktikum geht von einer schematischen Schaltung aus und zeigt dann, wie die Schaltung konkret aufgebaut wird.
  • Im Praktikum Schalter und Leuchtdiode wird der dagegen mit dem konkreten Aufbau begonnen, der dann als schematisches Schaltbild dargestellt wird.

LEDs sind heute der Ersatz für Glühlampen. Sie sind etwa sechs mal so effizient wie Glühlampen und sollen zehn bis zwanzig mal so lange halten. Sie sind allerdings auch wesentlich teurer. LEDs für Beleuchtungszwecke kosten bis zu zehn mal so viel wie eine Glühlampe. Da kommt so mancher Bastler auf die Idee, seine eigene LED-Lampe zu bauen.

  • LED-Lampen als Ersatz für Glühbirnen, die am 230V-Netz betrieben werden, sind für uns TABU. Wir arbeiten nur mit Spannungen bis 24V.
  • Wir werden uns auch nicht mit Lampen hoher Leistung beschäftigen. Die Kühlprobleme sind für einen Anfänger nicht zu bewältigen.

Übersicht

Wir betrachten hier Grundschaltungen mit LEDs

  • Wie wird eine einzelne LED angeschlossen?
  • Wie wird eine Überlastung der LED vermieden?
  • Wie kann man mehrere LEDs anschließen?
  • Welche Grundschaltungen für mehrere LEDs gibt es?
  • Wie wird dabei die Überlastung einzelner LEDs vermieden?

Diese Praktikum besteht aus zwei Teilen.

  • Im ersten Teil betrachten wir Schaltungen mit einer LED.
  • Dort wird auch auf die Schaltung von LEDs für Beleuchtung eingegangen.

Eine LED anschließen

Schaltung mit einer LED

Wir beginnen mit der einfachsten Schaltung, mit einer LED.

Eine_LED.png
Bild 1: Schaltung mit einer LED

Die Schaltung beschreibt symbolisch, wie die einzelnen Bauelemente angeschlossen werden müssen, um eine LED zum Leuchten zu bringen.

Wir haben drei wichtige Elemente (von links nach rechts)

  • eine Stromversorgung, Batterie
  • einen Widerstand und
  • eine LED

Diese Bauelemente sind über Leitungen miteinander verbunden.

Im Folgenden betrachten wir, wie diese Bauelemente real aussehen.

LED

LED_Symbol.png
Bild 2: Symbol einer LED

Eine LED hat zwei Anschlüsse, eine Anode und eine Kathode.

LED_3mm.png
Bild 3: Eine 3mm LED

Die Anschlüsse einer LED sind unterschiedlich lang. Der lange Anschluss (2) ist ist die Anode, der kurze (1) die Kathode.

Die Anode muss an den Plus-Pol der Stromversorgung angeschlossen werden, wenn die LED leuchten soll. Wird die Kathode an den Plus-Pol angeschlossen bleibt sie dunkel.

Widerstand

Zwischen der Anode der LED und dem Plus-Pol liegt der Widerstand.

Dieser Widerstand ist wichtig! Ohne Widerstand würde die LED zerstört - sie würde nur einmal hell aufblitzen.

Widerstand_Symbol.png
Bild 4: Symbol eines Widerstands

Ein Widerstand hat zwei Anschlüsse und einen Wert, hier 1kΩ. Die Anschlüsse eines Widerstands dürfen vertauscht werden.

Widerstand1kOhm.png
Bild 5: 1kΩ Widerstände mit 5 und 4 Ringen

Ein Widerstand ist oft farbig gekennzeichnet. Es gibt Widerstände mit 4 oder 5 Ringen. Wir verwenden einen Widerstand mit den Farbringen

  • braun - schwarz - rot - gold

oder

  • braun - schwarz - schwarz - braun - braun.

Es ist unser Liebling mit 1 Kilo-Ohm, 1kΩ. Wir gehen später auf Widerstände ein.

Batterie

Natürlich brauchen wir eine Stromversorgung, eine Spannungsquelle. Wir nehmen eine Batterie von 4,5V.

Spannungsquelle.png
Bild 6: Symbole für Spannungsquellen
  • Links ist eine Spannungsquelle aus drei 1,5V Batterien dargestellt. Sie liefert 4,5V.
  • Die Symbole in der Mitte stellen die Spannungsquelle etwas allgemeiner dar. Sie soll 5V haben.
  • Diese Darstellung werden wir meistens verwenden.
  • Außerdem können wir in unseren Praktika meistens die 5V durch eine 4,5V Batterie ersetzen.
  • Rechts ist eine Alternative ohne konkrete Spannung.
../AAA_Batteriehalter.png
Bild 7: Dieser Batteriehalter für 3 Mignon-Zellen (AA) hat außerdem einen Ein/Ausschalter

rot Plus-Pol

schwarz Minus-Pol

Unsere Schaltungen sollten mit 5V (4,5V) betrieben werden.

  • Über 5V kann eine LED verstört werden, wenn sie falsch gepolt wird, also mit der Kathode an den Plus-Pol angeschlossen wird.
  • Unter 3V leuchtet die LED möglicherweise nicht.

Aufbau der Schaltung

Wir bauen die meisten Schaltungen unserer Praktika auf Steckboards auf.

LED-einfach-brd.png
Bild A: Aufbau der Schaltung auf ein Steckboard

Das Steckboard besteht aus mehreren Gruppen von jeweils fünf Kontakten, die miteinander verbunden sind.

Die vertikalen Gruppen haben untereinander keinen Kontakt.

Die Gruppen in den horizontalen Reihen sind miteinander verbunden. Sie werden meistens für die Stromversorgung Plus + und Minus - verwendet.

Bauelemente werden so in die Kontakte gesteckt, das jeder Anschluss in einer anderen Kontaktgruppe steckt.

Die Anschlüsse in der selben Kontaktgruppe sind miteinander verbunden. Weitere Verbindungen werden mit Drahtbrücken erstellt.

Rechts liegen Bauelemente

  • eine LED mit ungekürzten Anschlüssen; der lange Draht ist die Anode
  • eine LED mit gekürzten Anschlüssen
  • die Drähte werden auf etwa 8mm gekürzt; der Draht für die Anode ist etwas länger
  • ein Widerstand mit ungekürzten Anschlüssen;
    1kΩ mit den Farben braun - schwarz - schwarz - braun - braun
  • die Drähte des Widerstands werden um 90° gebogen und auf etwa 8mm gekürzt
  • zwei Drahtbrücken

Oben links ist die Schaltung von Bild 1 aufgebaut, unten links die von Bild 8.

Eine_LED_2.png
Bild 8: Alternative Schaltung mit einer LED

In dieser Schaltung sind die LED und der Widerstand vertauscht. Was passiert? Nichts! Die LED in Bild 8 leuchtet ebenso wie in Bild 1. Die beiden Bauteile sind in Reihe geschaltet. In Reihe geschaltete Bauelemente können vertauscht werden.

Eine_LED_3.png
Bild 9: Fehlerhafte Schaltung mit einer LED

In Bild 9 sind gegenüber Bild 1 die Anschlüsse der LED vertauscht.

  • Die Anode der LED liegt an Plus. Die LED wird nicht leuchten.

Man kann es sich einfach merken: Die LED leuchtet, wenn der Pfeil von Puls nach Minus zeigt.

LED-Tester

Unsere obigen Erfahrungen können wir gleich anwenden. Wir können feststellen, welcher Anschluss einer LED die Anode ist. Das ist ganz hilfreich, wenn wir eine LED haben, deren Anschlüsse gekürzt wurden und gleich lang sind.

Wir bauen einfach eine Schaltung wie Bild 1 auf und stecken die LED ein.

  • Wenn die LED leuchtet, wissen wir, welcher Anschluss die Anode ist.
  • Leuchtet die LED in beide Richtungen nicht, ist sie offensichtlich defekt.

Nachdem wir die Anschlüsse der LED festgestellt haben, kürzen wir gleich den der Kathode.

Regeln anstelle von Formeln

Wir kommen auch ohne Formeln aus.

Dafür müssen wir einige Regeln beachten.

Gegen diese Regeln können wir zwar verstoßen, aber nur, wenn wir uns über die Konsequenzen im Klaren sind.

  • Ein Schaltbild ist eine schematische Darstellung einer Schaltung.
  • Wir baue Schaltungen häufig auf Steckboards auf.
  • Widerstände haben Werte, die durch Farbringe angegeben werden.
  • Wir schließen LEDs niemals unmittelbar an 220V Netzspannung an.
  • Wir verwenden möglichst 4,5V Batterien oder
  • elektronische Steckernetzteile mit 5V.
  • Eine Spannungsquelle hat einen Plus- und Minuspol.
  • LEDs haben eine Anode und eine Kathode.
  • Die Anode einer LED muss immer an Plus angeschlossen sein.
  • LEDs werden immer mit Vorwiderstand betrieben.
  • Der Vorwiderstand kann vor der Anode oder hinter der Kathode einer LED liegen.
  • Das Tool LED berechnet Vorwiderstände für LEDs.
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230V ist tabu

  • Wir betreiben LEDs nur an 5V oder 12V
  • Die Netzspannung von 230V ist absolut tabu!