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Eine einfaches Blinklicht.


Blinkende LED


Blinkende LED

BlinkendeLED.png
Bild 1: Ein einfaches Blinklicht

In dieser Schaltung befinden sich zwei Bauelemente, die wir noch nicht kennen:

  • Die integrierte Schaltung LMC555
  • und den Kondensator C1.
BlinkendeLED-Steckboard.png
Bild 2: Blinklicht auf dem Steckboard

Der LMC555 hat ein Dual-Inline-Gehäuse mit acht Anschlüssen. Der Anschluss 1 befindet sich links unten. Die Anschlüsse werden entgegen den Uhrzeigersinn weitergezählt. Die Anschlüsse sind im Schaltbild angegeben.

Der Kondensator ist das gelbe Bauelement unten links. Er hat den Aufdruck 10µF oder 105 und das ist wichtig, auf einer Seite ein + oder -. Der Kondensator kann nicht in beliebige Richtung eingesetzt werden, sondern der +-Anschluss muss mit dem Pin 2 des LMC555 verbunden werden und - mit Masse.

Kondensatoren

Kondensatoren kommen vielleicht im Laufe des analogen Praktikums zu ersten Mal vor.

Kondensator-Symbol.png
Bild 3: Symbole für Kondensatoren
  • Es gibt ungepolte (Bild 3 rechts) und
  • gepolte Kondensatoren (Bild 3 links)
  • Wir verwenden hier gepolte Kondensatoren.
  • Sie haben die Anschlüsse Plus + und Minus -, die wir nicht vertauschen dürfen.
  • Kondensatoren haben eine Kapazität, die in Farad gemessen wird.
  • Meistens werden die Werte von Kondensatoren in µF oder nF angegeben.
TantalKondensator.png
Bild 4: Tantalkondensatoren sind gepolt

Der Kondensator rechts in Bild 4 ist ein Tantalkondensator mit 10µF für 16V. Der positive Anschluss + liegt rechts.

Kerko.png
Bild 5: Keramikkondensatoren sind ungepolt
Elko.png
Bild 6: Elektrolytkondensatoren sind gepolt

Wir beschäftigen uns zunächst nicht mit der Funktionsweise der Schaltung in Bild 1, sondern deren Wirkung.

Die LED wechselt die Helligkeit

Die Schaltung bringt die LED zum blinken. Sie blinkt etwa einmal in der Sekunde und sie ist etwa genauso lange an wie aus.

Durch den LMC555 wird offensichtlich für eine gewisse Zeit Spannung an die LED gelegt und für eine gewisse Zeit nicht. Die Spannung am Ausgang des LMC555 ändert sich. Diese Änderung hat etwas mit Wechselspannung zu. Es ist aber nicht Wechselspannung. Wie das genau zusammenhängt, werden wir später untersuchen.

Frequenz

Unsere LED blinkt etwa 1 mal pro Sekunde.

Wir tauschen den Kondensator C1 gegen einen mit 1µF aus. Die Beschriftung ist entweder 1µF oder 105. Wir müssen wieder die Polarität des Kondensators beachten.

Die LED blinkt schneller und zwar etwa 10 mal pro Sekunde.

Wir tauschen den Kondensator C1 gegen einen Keramikkondensator mit 0,1µF aus. Die Beschriftung ist entweder 0,1µF oder 100nF oder 104. Dieser Kondensator ist ungepolt und wir müssen die Polarität nicht beachten.

Die LED blinkt nicht mehr. Sie blinkt dennoch. Wir können es nur nicht erkennen.

Mit einem Trick können wir nachweisen, dass die LED tatsächlich blinkt.

In einem dunklen Raum lassen wir unsere Schaltung laufen. Die LED ist die einzige Lichtquelle. Wenn wir eine Hand mit gespreizten Fingern über den LED hin- und herbewegen, sehen wir unsere Finger hüpfen. Das ist der Stroboskopeffekt, der nur bei flackerndem Licht auftritt.

Wie schnell die LED blinkt, ist eine wichtige Information.

Mit Frequenz geben wir an, wie oft die LED pro Sekunde blinkt, der LMC555 die Spannung ein- und ausschaltet.

Mit 1 Hertz, 1Hz ist die Frequenz einmal pro Sekunde (1/s) gemeint.

Normalerweise arbeiten wir in der Elektronik mit sehr hohen Frequenzen. Digitalschaltungen werden oft mit Frequenzen im Bereich von Megahertz, d.h. Millionen Hertz (MHz) betrieben oder gar GHz.

   1000Hz =       1kHz
1000000Hz =    1000kHz =    1MHz
            1000000kHz = 1000MHz = 1GHz

Das Blinklicht in Bild 1 haben wir mit verschiedene Frequenzen betrieben. Sie hängt von dem verwendeten Kondensator C1 ab.

Kondensator Frequenz
10µF 0,7 Hz
1µF 7 Hz
0,1µF 70Hz

Tatsächlich hängt die Frequenz nicht nur von dem Kondensator C1, sondern auch von den Widerständen R1 und R2 ab. Das Tool Astabiler Timer 555 hilft bei der Berechnung der Frequenz und Bauelemente.

Mittelwerte

Wir betrachten die Spannung am Ausgang des LMC555 genauer.

Die Spannung ist für eine gewisse Zeit 5V und eine andere Zeit 0V.

Bisher hatten wir meistens mit Spannungen zu tun, die immer den gleichen Wert hatten. Jetzt haben wir es mit einer stark schwankenden Spannung zu tun.

Wenn wir die Spannung am Ausgang des LMC555 messen, ist das Voltmeter völlig irritiert. Es liefert immer wieder andere Werte. Bei einem Kondensator von 0,1µF ist es zwar etwas ruhiger, aber es schwankt immer noch.

Dieses Verhalten ist nachvollziehbar, weil die Spannung immer wieder ein- und ausgeschaltet wird.

Glaettung.png
Bild 5: Eine Spannung glätten

Die Schaltung in Bild 5 glättet die Schwankungen vom Ausgang des LMC555. Das gelingt bei niedrigen Frequenzen nicht gut. Bei C1=0,1µF erhalten wir am Kondensator C2 etwa 2V. Entfernen wir LED2 sind es etwa 2,2V. Entfernen wir beide LEDs sind es nicht ganz 2,4V. Wenn LED2 angeschlossen ist, fällt eine Spannung am Widerstand R4 ab. Die LED1 belastet den Ausgang des LMC555, dass er nicht ganz 5V liefert.

Diese 2,5V sind der Mittelwert der Spannung am Ausgang des LMC555. Er ist für die Hälfte der Zeit je 5V und 0V, also 5V/2=2,5V. Der Kondensator C2 mittelt die Ausgangsspannung. Diese wird als Glättung bezeichnet.

Die 2,5V stimmen nicht ganz, weil das Verhältnis R1+R2/R2=110kΩ/100kΩ=1,1 ist.

Um = Uv * (R1+R2) / (R1+2*R2) = 5V * (10kΩ+100kΩ) / (10kΩ+2*100kΩ) = 2,62V

Das sehen wir uns später genauer an.

Wechselspannung

Die Spannung am Ausgang des LMC555 besteht aus zwei Anteilen:

  • Einer konstanten Gleichspannung Ug von 2,5V
  • die ihre Polarität nicht wechselt. Daher Gleichspannung.
  • Einer Wechselspannung Uw von ±2,5V.
  • Sie ist für eine gewisse Zeit +2,5V oder -2,5V
  • Sie wechselt ihre Polarität. Daher Wechselspannung.
  • Die Ausgangsspannung ist eine Mischspannung aus Gleich- und Wechselspannung
  • Sie ist Ua=Ug+Uw
  • 2,5V+2,5V=5V
  • 2,5V-2,5V=0V

Wechselspannung-Gleichspannung.png

Durch einen Widerstand und einen Kondensator kann der Gleichspannungsanteil bestimmt werden.

Eine Mischung aus Gleich- und Wechselspannung wird als Mischspannung bezeichnet.

Regeln

  • Eine Gleichspannung hat immer den gleichen Wert in Volt.
  • Eine Wechselspannung hat einen positiven und negativen Spannungsanteil.
  • Sie wechselt die Polarität.
  • Eine Mischspannung ist eine Überlagerung (Addition) einer Gleich- und Wechselspannung
  • Mit einer Schaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator kann der Mittelwert einer Mischspannung bestimmt werden.
  • Es ist der Gleichspannungsanteil

Im folgenden Praktikum sehen wir, wie eine Gleichspannung digital erzeugt werden kann. Das PWM genannte Verfahren wir häufig bei Mikrocontrollern angewandt.