Schaltungen mit LEDs
Alternative Wege in die Elektronik
- Dieses Praktikum geht von einer schematischen Schaltung aus und zeigt dann, wie die Schaltung konkret aufgebaut wird.
- Im Praktikum Schalter und Leuchtdiode wird dagegen mit dem Aufbau begonnen, der dann als schematisches Schaltbild dargestellt wird.
- Das Praktikum Bau einer elektronischen Sicherung konzentriert sich auf den konkreten Aufbau einer elektronischen Schaltung.
- Es ist eine gute Idee die elektronische Sicherung unmittelbar nach diesem Praktikum aufzubauen.
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 teurer. 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 einfach zu bewältigen.
230V ist tabu
LEDs an 230V sind
tabu
- Wir betreiben LEDs nur an 5V oder 12V
- Die Netzspannung von 230V ist absolut tabu!
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 fünf Teilen.
- Im ersten Teil betrachten wir Schaltungen mit einer LED.
- Im zweiten Teil erweiterte Schaltungen mit LEDs werden Schaltungen mit mehreren LEDs und/oder Widerständen untersucht.
- Im dritten Teil wird das bisher erarbeitete etwas verallgemeinert: Batterie, Spannung und Strom.
- Im vierten Teil betrachten wir die Eigenschaften von LEDs.
- Im fünften Teil geht es um komplexere Schaltungen mit LEDs.
- Es wird ein einfacher Spannungsprüfer mit LEDs vorgestellt.
- Dort wird auch auf die Schaltung von LEDs für Beleuchtung eingegangen.
- Als Vorgeschmack auf Elektronik mit Transistoren wird eine Konstantstromquelle für LEDs vorgestellt.
Eine LED anschließen
Keine Leistungs-LEDs
Wir beschäftigen uns hier nur mit kleinen LEDs geringer Leistung. Sie haben eine Leistung von 0,06W. Sie haben eine Spannung zwischen 1,8V und 3,2V und müssen mit einem Vorwiderstand betreiben werden.
- LEDs mit höherer Leistung von 1W und mehr
- oder für höhere Spannungen von z.B. 12V
- oder für höhere Ströme von z.B. 350mA
- sind hiermit nicht gemeint.
Sie werden meistens nicht mit einem Vorwiderstand betrieben.
Oft müssen sie mit speziellen Netzgeräten betreiben werden.
Schaltung mit einer LED
Wir beginnen mit der einfachsten 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
- einen Widerstand und
- eine LED
Diese Bauelemente sind über Leitungen miteinander verbunden.
Im Folgenden betrachten wir, wie diese Bauelemente real aussehen.
LED
Eine LED hat zwei Anschlüsse, eine Anode und eine Kathode.
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.
- Siehe LEDs.
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.
Ein Widerstand hat zwei Anschlüsse und einen Wert, hier 1kΩ. Die Anschlüsse eines Widerstands dürfen vertauscht werden.
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.
- Siehe Widerstände
5V
- In unseren Praktika verwenden wir meistens 5V.
- Die Schaltungen sind so ausgelegt, dass sie mit Spannungen von 4V bis 5,5V laufen.
- Wir können also anstelle von 5V immer 4,5V verwenden,
- d.h. eine 4,5V Batterie einsetzen.
Stromversorgung, Spannungsquelle, Batterie
Die Stromversorgung ist in Bild 1 nur angedeutet.
Oft wird eine Stromversorgung auch als Spannungsquelle bezeichnet.
- Der Pfeil nach oben ist mit +5V beschriftet.
- Unten liegt der zweite Anschluss 0V. Damit ist der Minus-Anschluss gemeint.
- +5V beschreiben eine Stromversorgung mit einer Spannung von 5V.
- Daher der Begriff Spannungsquelle.
- In unseren Praktika sind dann aber auch 4,5V erlaubt.
- Die Anschlüsse einer Stromversorgung dürfen nicht vertauscht werden.
- Eine Verpolung der Stromversorgung kann Bauelemente zerstören,
- zumindest läuft die Schaltung nicht.
Konkret ist die Stromversorgung beispielsweise eine Batterie.
- Wir nehmen eine Batterie von 4,5V.
- Ein 9V-Block sollte nicht verwendet werden, weil seine Spannung von 9V einige unserer Bauelemente zerstören könnte.
- In Bild 6 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.
- In unseren Praktika können wir die 5V durch eine 4,5V Batterie ersetzen.
- Rechts ist eine Alternative ohne konkrete Spannung.
rot Plus-Pol
schwarz Minus-Pol
Unsere Schaltungen sollten mit 5V (4,5V) betrieben werden.
- Durch eine Spannung 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.
- Wir sollten für unsere Praktika keine 9V-Batterien verwenden, da viele elektronische Bauelemente nur mit maximal 5,5V betrieben werden dürfen.
Stromversorgung
Eine Stromversorgung bzw, Spannungsquelle hat die Anschlüsse:
- Plus
- Minus
- Die Anschlüsse dürfen nicht vertauscht werden.
- Bauelemente könnten zerstört werden.
Eine Stromversorgung bzw, Spannungsquelle hat eine Spannung
- Sie wird in V Volt angegeben.
- In der Regel darf die Spannung einer Spannungsquelle um ±5% abweichen.
- Anstelle von 5V sind 4,5V bis 5,5V erlaubt.
Aufbau der Schaltung
Kein Chaos
- Wir bauen unsere Schaltungen auf dem Steckboard sauber strukturiert auf.
- Damit lernen wir, wie Schaltungen später auf Platinen aufgebaut werden.
- Wir lernen das Erstellen von Layouts von Platinen sozusagen nebenbei.
Aufbau auf dem Steckboard
Wir bauen die meisten Schaltungen unserer Praktika auf Steckboards auf.
Das Steckboard besteht aus mehreren Gruppen von jeweils fünf Kontakten, die miteinander verbunden sind.
Die vertikalen Gruppen haben untereinander keinen Kontakt.
Die Gruppen in einer horizontalen Reihen sind alle 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.
- Siehe Aufbau auf Steckboards
Die Anschlüsse in der selben Kontaktgruppe sind miteinander verbunden. Weitere Verbindungen werden mit Drahtbrücken erstellt.
In Bild A liegen rechts einige 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.
Die LED leuchtet nicht
Wenn die LED nicht leuchtet, kann es mehrere Gründe geben:
- Die LED ist falsch herum eingebaut.
- LED einfach umdrehen
- Der Anschluss zum Widerstand ist die Anode. Dieser Anschlussdraht sollte länger als der andere sein.
- Die Bauelemente sind falsch in das Steckboard eingesteckt.
- Verbundene Bauelemente oder Drahtbrücken müssen immer in der selben Kontaktgruppe gesteckt sein.
- Die Batterie ist verpolt, Plus und Minus sind vertauscht.
- Der Schalter des Batteriehalters ist nicht eingeschaltet.
- Zur Not wird die ganze Schaltung noch einmal neu aufgebaut.
Alternative Schaltungen
In dieser Schaltung sind die LED und der Widerstand vertauscht. Was passiert? Nichts besonders! 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.
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:
Die Anode liegt an Plus, am Widerstand.
- 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 bauen Schaltungen häufig auf Steckboards auf.
- Widerstände haben Werte, die durch Farbringe angegeben werden.
- Wir schließen LEDs niemals unmittelbar an 230V Netzspannung an.
- Wir verwenden möglichst 4,5V Batterien oder
- ein Labornetzgerät 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.
Wir machen Fehler
Selbstverständlich machen Elektroniker Fehler
- erfahrene ebenso wie Anfänger.
Wir sollten Vorkehrungen treffen, dass Fehler
- keine fatalen Folgen haben und
- Bauelemente nicht beschädigt werden.
- Dagegen helfen Sicherungen.
Sicherungen
Eine Sicherung ist eine sinnvolle und notwendige Ergänzung für eine Stromversorgung per Batterie. Auch andere einfache Stromversorgungen wie eine USB-Powerbank mit dem USB-Adapter sollten damit ergänzt werden.
PTC-Sicherung
Eine PTC-Sicherung ist sehr einfach und wirkungsvoll.
- Es ist ein einfaches Bauelement mit zwei Anschlüssen, die beliebig angeschlossen werden können.
- Sie schützt unsere ersten Schaltungen ausreichend.
- Sie ist sofort nach Behebung des Fehlers wieder betriebsbereit.
- Für empfindliche elektronische Bauelemente ist sie leider viel zu langsam.
- Wir verwenden die
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Die Sicherung wird einfach in die + (Plus) Leitung eingeschaltet.
Am besten wird die PTC-Sicherung auf einem Steckboard eingebaut.
- Die beiden Leitungen links kommen von der Stromversorgung, einer Batterie oder einer USB-Powerbank.
- Die rote Leitung ist die + (Plus) Leitung.
- Schwarz ist die - (Minus) Leitung.
- Die PTC-Sicherung ist das gelbe Bauelement links oben.
- Es verbindet die ankommende + (Plus) Leitung mit dem + (Plus) des Steckboards.
- Die PTC-Sicherung darf mit keinem anderen Bauteil in Berührung kommen.
- Die schwarze - (Minus) Leitung wird unmittelbar an die des Steckboards angeschlossen.
- Ganz rechts liegen zwei Drahtbrücken, die die oberen Versorgungsleitungen des Steckboards mit den unteren verbinden.
- In der Mitte liegen eine LED mit einem Vorwiderstand.
- Die LED zeigt an, dass die Versorgungsspannung anliegt.
- Diesen Aufbau mit PTC-Sicherung und LED mit Vorwiderstand sollten wir immer verwenden, wenn wir Versuche durchführen.
Elektronische Sicherung
Eine elektronische Sicherung ist besser und zuverlässiger als eine PTC-Sicherung und sollte möglichst früh aufgebaut werden.
Labornetzgeräte können auch auf kleine Stromstärken eingestellt werden. Sie reagieren häufig - fast alle - zu langsam, um bei kleinen Stromstärken einen guten Schutz zu bieten. Eine elektronische Sicherung ist auch hier angebracht.
In Bau einer elektronischen Sicherung bauen wir eine einfache elektronische Sicherung auf.
Im Praktikum Einfache elektronische Sicherung werden wir lernen, wie eine elektronische Sicherung funktioniert.