Stromversorgung, Spannung und Strom
Wir betrachten die Schaltung mit einer LED aus einem allgemeineren Blickwinkel.
Wir gehen von der einfachen Schaltung einer LED an einer Stromversorgung aus.
Wir kennen nun die Symbole der Bauelemente in der Schaltung:
Stromversorgung, Widerstand und LED.
Diese Bauteile wollen wir uns nun nacheinander genauer ansehen.
Stromversorgung
Ohne Stromversorgung funktioniert keine Elektronik.
Anstelle des Begriffs Stromversorgung wird oft auch Spannungsquelle verwendet.
Häufig wird eine Batterie zur Stromversorgung von Elektronik verwendet.
Eine Batterie ist ein sehr gutes Beispiel für eine Stromversorgung.
Deshalb betrachten wir die Batterie etwas genauer.
Batterie
Polarität
- Die Anschlussrichtung der Batterie ist wichtig.
- Die Symbole mit + und - zeigen dies an.
- Der rote Anschluss der Batterie ist (meistens) Plus.
- Der schwarze ist dann Minus.
Spannung
Die Volt-Zahl der Batterie ist ebenfalls wichtig. Wir nennen sie Spannung in Volt, geschrieben V. Auf jeder einzelnen Zelle der Batterie ist der Plus-Pol mit + gekennzeichnet und zeigt an, welche Spannung eine Batterie hat: 1,5V. Es gibt Batterien mit anderen Spannungen, z.B. den 9V-Block. Wir haben in unserem Batterie-Halter dreimal 1,5V hintereinander geschaltet: Unsere Batterie hat damit eine Spannung von 4,5V.
Spannung bedeutet nichts anderes, als welche Möglichkeit, Potenz die Batterie oder Spannungsquelle hat.
- Eine Spannungsquelle mit 1,5V kann beispielsweise keine LED zum leuchten bringen.
- Dazu sind mindestens zwei Zellen oder 3V nötig.
- Wir kennen sicher die 230V der Netzspannung und wissen auch, dass die Netzspannung einen Menschen töten kann.
- Wen wir eine 1,5V Batterie anfassen, merken wir nichts.
- Offensichtlich gibt es Spannungen, die gefährlich sind.
- Wir werden nicht direkt mit der Netzspannung von 230V arbeiten, sondern verwenden Geräte, die ungefährliche Spannungen erzeugen, Netzgeräte.
- Ein USB-Netzgerät zum Aufladen eines Mobiltelefons liefert 5V. Mit dieser Spannung werden wir am häufigsten arbeiten. 12V-Netzgeräte werden z.B. für den Betrieb von LED-Beleuchtung verwendet.
Regel: Vorsicht
- Nur Fachkräfte mit entsprechender Ausbildung dürfen mit Spannungen über 60V arbeiten.
- Wir arbeiten in der Regel mit Spannungen von 1,5V bis 12V.
- Meistens arbeiten wir mit 5V. Das sind ungefähr drei Zellen einer Batterie oder das, was ein USB-Anschluss, eine USB-Powerbank oder ein USB-Netzteil liefert.
230V ist tabu
- Spannungen über 60V sind für Menschen gefährlich!
- Wir arbeiten nur mit 5V oder 12V
- 230V Netzspannung ist absolut tabu!
Strom
Die Spannung ist nicht alles, was wir über die Stromversorgung wissen müssen.
Wir haben LEDs mit unterschiedlichen Widerständen betrieben. Der Widerstand bestimmt, wie viel Energie wir der Stromversorgung entnehmen. Das ist die Ampere-Zahl oder der Strom in Ampere, geschrieben A.
- Die moderne Elektronik, mit der wir arbeiten, ist sehr sparsam.
- Wir arbeiten Tausendstel von Ampere, Milliampere, geschrieben mA. Unsere LED arbeitet mit 3mA.
- Elektrische Geräte, die am 230V-Netz betrieben werden, wie z.B. ein Föhn, verbrauchen bis zu 10A.
- Ein Computer kommt bei 230V mit etwa 1A aus.
- Ein Notebook kommt mit einer Batterie von 20V aus und verbraucht meistens weniger als 1A.
Stromkreis
Zurück zu unserer Schaltung. Sehen wir uns an, wie der Strom fließt.
- Der Strom fließt vom Plus-Pol der Batterie (das obere Plus) durch den Widerstand und die LED in Pfeilrichtung zum Minus-Pol der Batterie.
- Wenn man es genau nimmt, fließt der Strom weiter bis zum oberen Puls-Pol. Er fließt im Kreis. Deshalb spricht man oft vom Stromkreis.
Wir sparen uns diese Spitzfindigkeit. Für uns fließt der Strom von Plus der Stromversorgung zu Minus. Wir schenken uns auch die Spitzfindigkeiten mit Elektronen usw.
- Wenn der Stromkreis unterbrochen ist, d.h. wenn ein Taster nicht betätigt ist, die Batterie nicht angeschlossen ist, eine Drahtbrücke nicht gesteckt ist oder ... , fließt kein Strom und die LED leuchtet nicht.
LEDs
LEDs haben Polarität
Auch LEDs haben auch eine Polarität. In unseren ersten Versuchen haben wir festgestellt, dass eine LED nur leuchtet, wenn sie "richtig" herum eingesteckt ist. Die Polarität einer LED wird im Schaltbild durch den Pfeil ausgedrückt.
Die beiden Anschlüsse einer LED heißen Anode und Kathode. Der Strom fließt nur in der eingezeichneten Richtung von der Anode zur Kathode. An der Anode muss eine positive Spannung anliegen. An der Kathode eine negative. Wird die Polarität vertauscht wird, leuchtet die LED nicht.
1 - Kathode
2 - Anode
Anschlüsse einer LED
Die Anschlüsse einer LED sind unterschiedlich lang. Der lange Anschluss (2) ist die Anode, der kurze Anschluss (1) ist die Kathode.
Widerstände
Wir verwenden Widerstände, um den Strom durch die LEDs einzustellen.
Wir werden später sehen, dass Widerstände für viele Zwecke verwendet werden.
Ein Widerstand hat zwei Anschlüsse und einen Wert, hier 1kΩ. Die Anschlüsse eines Widerstands können vertauscht werden.
- Widerstände haben keine Polarität.
Widerstände haben unterschiedliche Werte, die in Ohm, Ω angegeben werden.
Wir arbeiten meistens mit Widerständen von 100Ω, 1kΩ, 10kΩ oder 100kΩ. Mit 1kΩ sind 1000Ω, 1 Kiloohm gemeint. Es gibt auch Megaohm, 1MΩ, das sind 1000000Ω (sechs Nullen). Oder ganz einfach anstelle von k drei Nullen anhängen und anstelle von M sechs Nullen anhängen.
Widerstände sind meistens durch farblich gekennzeichnet. Leider gibt es ein wenig Chaos, weil es manchmal vier oder fünf Ringe sind. Wer sich dafür interessiert, findet eine Beschreibung unter Farbcode für Widerstände.
Wer sich die Grundausstattung an Bauelementen besorgt hat, wird meistens Widerstände mit fünf Ringen haben.
LEDs lieben Widerstände
Eines müssen wir wissen: Wenn wir eine LED direkt an 5V oder eine 4,5V Batterie anschießen, wird sie zerstört. Eine LED muss immer mit einem Widerstand betrieben werden. Wir können auch nicht irgendeinen Widerstand nehmen.
- Ein Widerstand von 1kΩ - LEDs Favorit - schützt jede LED an 5V.
- Ein Widerstand von 150Ω ist schon grenzwertig, aber die LED leuchtet sehr hell.
- Unter 150Ω kann die LED zerstört werden (eine Drahtbrücke ist ein Kurzschluss mit 0Ω).
- Ein Widerstand von 100kΩ lässt eine LED kaum erkennbar glimmen.
- Eine blaue oder weiße LED leuchtet bei 10kΩ viel heller als eine rote.
- Wenn wir den Widerstand entfernen, fließt kein Strom und die LED ist aus.
Die Helligkeit einer LED hängt vom Strom ab, der durch die LED fließt. Der Strom wird durch den Widerstand vor der LED bestimmt.
- 3mA bei 1kΩ,
- 20mA bei 150Ω,
- 0,3mA bei 10kΩ und
- 0,03mA bei 100kΩ.
LEDs betreiben
- LEDs dürfen nicht ohne Widerstände betrieben werden.
- Oder mit spezieller Elektronik.
Achtung Spannung
Fatale Spannungen für LEDs
Von eigenen Versuchen sollten wir absehen.
- Selbst dann, wenn eine LED mit ihrem Favoriten dem 1kΩ Widerstand betrieben wird, kann eine Spannung eine LED zerstören.
- Eine 12V Spannung wird eine LED über einen 1kΩ Widerstand zum Leuchten bringen und nicht zerstören.
- Wenn die LED verkehrt herum angeschlossen ist, d.h. der Pfeil der LED zeigt auf Plus, können 12V eine LED zerstören.
- Eine verpolte Spannung von 5V übersteht jede LED. Über 5V ist Vorsicht geboten.
Fatale Spannungen für Widerstände
Von eigenen Versuchen sollten wir absehen.
- Unseren Favoriten, den 1KΩ Widerstand, können wir an jede unserer üblichen Spannungen (12V oder weniger) anschließen, ohne Gefahr zu laufen, den Widerstand zu beschädigen.
- Ein 100Ω Widerstand fühlt sich bei 4,5V richtig wohl, weil ihm etwas warm ums Herz wird.
- Ein 100Ω Widerstand, der 4,5V mochte, wird 12V kaum überstehen.
- Ein 10Ω Widerstand bei 4,5V wird heiß und er fängt an zu rauchen.
- An einer Zelle mit 1,5V findet es ein 10Ω Widerstand ganz gemütlich.
- Wenn wir einen 1Ω Widerstand an die 4,5V Batterie anschließen, wird es fatal.
Wenn der Widerstand kräftig ist, geht die Batterie in die Knie. Meistens segnet der Widerstand das Zeitliche.
-
Und die Moral von der Geschichte:
Vorsicht bei kleinen Widerständen und/oder hohen Spannungen.
Regeln
Die Begriffe Spannungsquelle, Stromquelle, Spannungsversorgung und Stromversorgung bedeuten dasselbe, sind synonym.
- Die Spannung einer Spannungsquelle wird in Volt V gemessen. Wir arbeiten meistens mit 5V.
- Der Strom fließt von Plus, + der Stromversorgung durch die Schaltung nach Minus, -.
- Eine LED wird immer über einen Widerstand angeschlossen.
- Eine LED leuchtet nur, wenn die Anode Richtung Plus und die Kathode Richtung Minus angeschlossen ist.
- Die Pfeilspitze der LED zeigt auf Minus.
- In die Leitung nach Plus oder nach Minus muss ein Widerstand geschaltet werden.
- Der Strom aus einer Spannungsquelle wird in Ampere A gemessen.
- Meistens arbeiten wir mit Tausendstel Ampere, Milliampere, mA.
- Manchmal arbeiten wir mit sehr kleinen Strömen, die in Mikroampere, µA, Millionstel Ampere angegeben werden.
- Widerstände bestimmen den Strom aus einer Spannungsquelle. Sie werden in Ohm, Ω, kΩ (Kiloohm) oder sogar MΩ (Megaohm) angegeben.
- für k 3 Nullen anhängen
- für M 6 Nullen anhängen
- Widerstände unter 100Ω sollten nicht direkt an 5V angeschlossen werden.
- Vorsicht bei kleinen Widerständen und/oder hohen Spannungen.
- Zu hohe Spannungen können Bauteile (LEDs) zerstören.
- Für Mess- und Anzeigezwecke wird ein Widerstand von 1kΩ empfohlen.
Natürlich gibt es auch Formeln, die das bestätigen, aber Regeln sind für Einsteiger anschaulicher und besser zu einprägsamer.