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Einfaches Blinklicht mit einer LED


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Blinkende LED

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Bild 1: Ein einfaches Blinklicht

In dieser Schaltung befinden sich zwei neue Bauelemente,

  • der Timer 555 und
  • der Kondensator C.

Wer das Praktikum Spannungen wandeln bearbeitet hat, kennt diese beiden Bauelemente bereits.

Der Timer NE555 wurde in einer Teilschaltung verwendet wird, die eine Spannung ausgibt, die wiederholt ein- und ausgeschaltet wird.

Kondensatoren wurden auch im Praktikum Spannungen wandeln ebenfalls eingesetzt. Die folgende Beschreibung der Kondensatoren kann dann natürlich übersprungen werden.

BlinkendeLED-Steckboard.png
Bild 2: Blinklicht auf dem Steckboard

Der LMC555 ist die CMOS-Variante des NE555.

Der Kondensator ist das gelbe Bauelement unten links. Er hat den Aufdruck 4,7µF oder 475 und das ist wichtig, auf einer Seite ein + oder -. Der Kondensator kann nicht in beliebiger Richtung eingebaut werden, sondern der +-Anschluss muss mit dem Pin 2 des LMC555 verbunden werden und - mit 0V, Masse.

Kondensatoren

Kondensatoren kommen vielleicht zum ersten Mal im analogen Praktikum vor.

Kondensator-Symbol.png
Bild 3: Symbole für Kondensatoren
  • Es gibt ungepolte (Bild 3 links) und
  • gepolte Kondensatoren (Bild 3 rechts)
  • 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.
  • Kondensatoren werden meistens in µF, nF oder pF angegeben.
TantalKondensator.png
Bild 4: Tantalkondensatoren sind gepolt

Der Kondensator links in Bild 4 ist ein Tantalkondensator mit 4,7µF für bis zu 35V. Rechts liegt ein Tantalkondensator mit 10µF für bis zu 16V. Der positive Anschluss + liegt rechts.

Kerko.png
Bild 5: Keramikkondensatoren sind ungepolt

Die beiden in Bild 5 Keramikkondensatoren haben beide 100nF also 0,1µF.

Elko.png
Bild 6: Elektrolytkondensatoren sind gepolt

Auf Elektrolytkondensatoren wie in Bild 6 ist meistens der Wert und die maximal zulässige Spannung aufgedruckt. Da Elektrolytkondensatoren gepolt sind, ist ein Anschluss meistens mit - gekennzeichnet.

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

Die LED wechselt die Helligkeit

Die Schaltung bringt die LED zum Blinken. Sie blinkt etwa einmal pro Sekunde und sie ist etwa gleich lang an wie aus.

Offensichtlich legt der LMC555 eine Zeit lang Spannung an die LED an und eine Zeit lang nicht. Die Spannung am Ausgang des LMC555 ändert sich. Diese Änderung hat etwas mit Wechselspannung zu tun. Aber es ist keine Wechselspannung. Den genauen Zusammenhang werden wir später untersuchen.

Frequenz

Unsere LED blinkt etwa 1-mal pro Sekunde.

Wir ersetzen den Kondensator C durch einen mit 1µF. Die Beschriftung ist entweder 1µF oder 105. Wir müssen wieder auf die Polarität des Kondensators achten.

Die LED blinkt schneller, und zwar etwa 5-mal pro Sekunde.

Wir ersetzen den Kondensator C durch einen Keramikkondensator mit 0,1µF. Die Beschriftung ist entweder 0,1µF oder 100nF oder 104. Dieser Kondensator ist ungepolt und wir müssen nicht auf die Polarität achten.

Die LED blinkt nicht mehr. Sie blinkt immer noch. Wir können es nur nicht sehen.

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

Wir lassen unsere Schaltung in einem dunklen Raum laufen. Die LED ist die einzige Lichtquelle. Wenn wir eine Hand mit gespreizten Fingern über der LED hin und her bewegen, 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 gemeint.

Normalerweise arbeiten wir in der Elektronik mit sehr hohen Frequenzen. Digitalschaltungen arbeiten oft mit Frequenzen im Bereich von Megahertz, also Millionen Hertz (MHz) oder sogar GHz.

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

Das Blinklicht in Bild 1 haben wir mit verschiedenen Frequenzen betrieben. Sie hängt vom verwendeten Kondensator C ab.

Kondensator Frequenz
4,7µF 1,46Hz
1µF 7Hz
0,1µF 70Hz

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

Periode

Eine weitere interessante Größe ist die Periode (Periodendauer). Damit ist die Zeit gemeint, in der sich das Blinken der LED wiederholt.

  • Je höher die Frequenz ist, desto kürzer ist die Zeit des Blinkens, d.h. die Periode tp.

Zwischen der Frequenz f und der Periode tp besteht es eine einfache Beziehung:

tp = 1/f
f  = 1/tp

Frequenz, Zeit, Maßeinheiten

Wir haben gesehen, dass Frequenzen und Periodendauern ineinander umgerechnet werden können.

Nun wollen wir uns mit den Maßeinheiten für Frequenzen und Periodendauern (Zeit) beschäftigen.

Frequenz Periodendauer (Zeit)
1Hz 1s = 1000ms = 1000000µs
10Hz 0,1s = 100ms
100Hz 0,01s = 10ms
1000Hz = 1kHz 1ms = 1000µs = 1000000ns
10kHz 0,1ms = 100µs
1000000Hz = 1000kHz = 1MHz 1µs = 1000ns
10MHz 0,1µs = 100ns
1000MHz = 1GHz 1ns
Hz Hertz
kHz Kilohertz
MHz Megahertz
GHz Gigahertz
s Sekunde
ms Millisekunde
µs Mikrosekunde
ns Nanosekunde

Regeln

  • Die Frequenz einer Spannung gibt an, wie oft sich die Spannung pro Sekunde ändert.
  • Die Frequenz wird in Hz gemessen.
  • 1Hz ist einmal pro Sekunde und wir können es leicht nachvollziehen.
  • 10Hz ist zehnmal pro Sekunde. Das können wir zur Not mitzählen.
  • 100Hz nehmen wir nicht einmal als Flimmern wahr.
  • Moderne Geräte arbeiten mit kHz (1000, Tausend), MHz (1000000, Million) oder GHz (1000000000, Milliarde).
  • Die Periode ist die Zeit, nach der sich eine Änderung wiederholt.
  • Die Frequenz f und die Periode tp können ineinander umgerechnet werden:
   tp = 1/f
   f  = 1/tp