../../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik


Ein einfacher Prüfer fur die Polarität einer Spannungsquelle wird untersucht.


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Komplexe Schaltungen

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Im Praktikum Komplexe Schaltungen mit LEDs haben wir einen Spannungs-Tester beschrieben und aufgebaut.

An dieser Stelle betrachten wir diese Schaltung mit unserem neu erworbenem Wissen genauer:

  • Wir messen und rechnen nach.

Der Sinn dieses Praktikums ist, uns im Messen zu üben und das Verhalten von Schaltungen genauer zu untersuchen.

Aus dem Praktikum Parallelschaltungen wissen wir, dass wir keine LEDs parallel betreiben dürfen. Allerdings können wir sie antiparallel betreiben.

Polaritaetspruefer.png
Bild 1: Polaritäts-Tester mit antiparallel geschalteten LEDs

Die Schaltung stimmt mit Schaltung 3 aus Parallelschaltungen überein. Wir haben allerdings die Spannungsquelle nicht eingezeichnet, sondern zwei Prüfspitzen. Wir nehmen zunächst einfach zwei Drähte mit offenen Enden.

Wir bauen die Schaltung auf dem Steckboard auf.

Wir schließen die beiden Prüfspitzen an unsere Batterie:

  • Prüfspitze Plus an den Pluspol der Batterie: die grüne LED leuchtet.
  • Prüfspitze Minus an den Pluspol der Batterie: die rote LED leuchtet.

Wir können mit dieser Schaltung die Polarität einer Spannungsquelle feststellen.

Prüfen wir eine 1,5V Zelle.

  • Und wir messen - Nichts. Wie herum wir auch anschließen, keine LED leuchtet.

Schalten wir allerdings zwei Zellen in Reihe (Plus an Minus). Dann können wir die Polarität feststellen. Die Spannung der Stromversorgung ist nun 2 * 1,5V also 3V.

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Batteriezellen

Batteriezellen werden in Reihe geschaltet:

  • Plus an Minus
  • Was passiert, wenn zwei Zellen mit Minus an Minus angeschlossen werden?
  • Die Gesamtspannung ist 1,5V-1,5V=0V
  • Batteriezellen sollten nicht parallel angeschlossen werden.
  • Wenn überhaupt, dann gleiche Zellen in neuem Zustand.
  • Akku-Zellen dürfen nicht parallel angeschlossen werden.
  • Es treten hohe Ausgleichströme zwischen den Zellen auf,
  • die die Zellen beschädigen können.

Aber warum leuchtet keine LED an einer 1,5V Zelle?

Die Spannung von 1,5V ist zu gering für eine LED. Eine rote LED hat eine Flussspannung von 1,8V und eine grüne von 2,2V. Die 1,5V reichen einfach nicht aus.

Bei 3V fällt an der LED die Flussspannung ab.

Die Flussspannung von LEDs kennen wir aus den Schaltungen mit LEDs.

Mit einem Messgerät können wir dieses leicht überprüfen.

  • Bei 3V fällt an der LED eine Spannung von 1,8V (grün 2,2V) ab.
  • Am Widerstand sind es 5V-1,8V=3,2V
  • Bei 1,5V fällt an der LED die volle Spannung von 1,5V ab.
  • Am Widerstand fällt 0V ab, d.h. es fließt kein Strom.

Messungen mit einer dritten LED

Wir sehen uns eine neue Schaltung an.

Spannungspruefer.png
Bild 2: einfacher Spannungs-Tester mit drei LEDs

Die dritte LED3 liegt parallel zum Vorwiderstand R1 für LED1 und LED2. Wir müssen den Widerstand R2 einsetzen, weil sonst die LED3 in Reihe mit LED1 ohne Vorwiderstand betrieben würde. Bei der Schaltung haben wir eine Mischung aus zwei Parallelschaltungen, die in Reihe geschaltet sind.

Aber was soll das? Die blaue und grüne LED werden bei Plus am Pluspol der Batterie leuchten.

Tatsächlich?

An der 4,5V Batterie leuchten beide LEDs, die grüne hell und die blaue LED nur schwach. Bei 3V leuchtet nur die grüne LED.

Mit dieser Schaltung können wir einfach prüfen, ob die Spannung über 4,5V ist.

Um das zu verstehen, müssen wir Spannungs- und Strompfeile in die Schaltung eintragen.

Spannungspruefer_U.png
Bild 3: Spannungs-Tester mit eingetragenen Spannungs- und Strompfeilen
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Anwendung der Regeln

für einen Stromkreis

Wir beginnen bei Plus und durchlaufen den Stromkreis über U2, ULed3, Uled1 und Uv wieder nach Plus.

     =
     = + U2
     = + U2 + ULed3
     = + U2 + ULed3 + ULed1
+ Uv = + U2 + ULed3 + ULed1

Das + vor Uv und U2 können wir und schenken.

für einen 2. Stromkreis

Wir beginnen bei Plus und durchlaufen den Stromkreis über U1, Uled1 und Uv wieder nach Plus.

     =
     = + U1
     = + U1 + ULed1
+ Uv = + U1 + ULed1

Wir haben Uv = U2 + ULed3 + ULed1.

Die blaue LED3 hat eine Flussspannung von ULed3=3,0V und die grüne ULed1=2,2V.

Nur, wenn die Spannungsquelle eine Spannung hat, die größer ist als U2+ULed3+ULed1, wird auch Strom durch die LED3 fließen und die blaue LED leuchten:

Uv > U2 + 3,0V + 2,2V
Uv > U2 + 5,2V

An den beiden LED zusammen fallen 5,2V ab

  • 5,2V liegen über den 4,5V unserer Batterie.

Warum leuchtet dann die grüne LED? Durch die blaue fließt doch kein Strom. Nun, der Strom kommt über den Widerstand R1.

Auch bei 5V sollte die blaue LED3 nicht leuchten, weil 5V kleiner als 5,2V ist.

  • Wenn wir genauer hinsehen, glimmt die baue LED3 bei 4,5V etwas.
  • Bei 5V leuchtet die blaue LED etwa so hell, wie die grüne.

Um die Ursachen zu untersuchen, messen wir nach.

Außerdem bedenken wir, dass bei geringen Strömen (weit unter 20mA) die Flussspannung von LEDs bis zu 0,4V geringer sein kann.

Wir messen bei 4,5V

  • Wir messen an der grünen LED1 die Spannung ULed1=1,9V. Damit könnten an der blauen LED3 und R2 eine Gesamtspannung von 4,5V-1,9V=2,6V abfallen.
  • wir messen an der blauen LED3 die Spannung ULed3=2,4V. Das sind sogar 0,6V unter der Flussspannung bei 20mA.
  • blaue LEDs sind sehr effizient sie leuchten schon bei geringen Strömen.
  • Wir messen an R2 die Spannung U2=0,2V und berechnen damit I2=U2/R2=0,2V/4,7kΩ~0,04mA
  • I2=0,04mA ist auch der Strom durch die blaue LED3. Es ist ein sehr geringer Strom, der anscheinend für die blaue LED ausreicht, um zu glimmen.
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Ohm

Den Strom durch den Widerstand R2 berechnen wir mithilfe des Ohmschen Gesetzes:

I  = U  / R
I2 = U2 / R2

Wir messen bei 5V

  • Wir messen an der grünen LED1 eine Spannung von ULed1=1,9V und damit könnten an der blauen LED und R2 eine Gesamtspannung von 5V-1,9V=3.1V abfallen.
  • wir messen an der blauen LED3 ULed3=2,5V.
  • Wir messen an R2 die Spannung U2=0,6V und damit ist I2=U2/R2=0,6V/4,7kΩ~0,13mA
  • Der Strom durch die blaue LED3 ist bei 5V wesentlich größer als bei 4,5V und sie leuchtet heller.

Wir messen bei 1,5V

  • An der grünen LED1 fallen die vollen 1,5V ab. Sie leitet noch nicht.
  • Auch bei verpolter Spannung fallen die 1,5V an der roten LED2 ab.

Wir messen bei 2V

  • Viele von uns können diese Messung leider nicht durchführen, weil sie keine 2V Spannungsquelle haben.

Die grüne LED1 glimmt ein wenig.

  • An der grünen LED1 fallen ULed1=1,8V ab.
  • Damit fällt an R1 die Spannung U1=2V-1,8V=0,2V ab. Es fließt ein Strom von U1/R1=0,2V/1kΩ=0,2mA.
  • Die grüne LED1 glimmt ein wenig.
  • Das gleiche gilt für die rote LED2 bei verpolter Spannung.

Wir messen bei 3V

Als 3V Spannungsquelle nehmen wir zwei 1,5V Zellen.

  • An der grünen LED1 fallen ULed1=1,9V ab.
  • Damit fällt an R1 U1=3V-1,9V=1,1V ab. Es fließt ein Strom von I1=U1/R1=1,1V/1kΩ=1,1mA.
  • Die grüne LED1 leuchtet.
  • Die Spannung von U1=1,1V an R1 reicht nicht, um Strom in der blauen LED3 fließen zu lassen.

Zusammenfassung

Dieser Spannungs-Tester reagiert nicht nur auf die Polarität der Spannungsquelle, sondern auch auf deren Spannung:

  • Bei 1,5V leuchtet keine LED
  • Bei 2V glimmt die grüne LED
  • Bei 3V leuchtet die grüne LED
  • Bei 4,5V leuchtet die grüne LED und die blaue glimmt
  • Ab 5V leuchten die blaue und die grüne LED
  • Bei falscher Polarität leuchtet die rote LED.

Spannungs-Tester

Die Schaltung in Bild 2 hat nur einen Fehler: Wenn wir sie an eine falsch gepolte Spannungsquelle anschließen, kann die blaue LED3 beschädigt werden.

Aber dann wird sie doch in Sperrrichtung betrieben!

Genau, das ist das Problem.

Dann ist, weil LED2 leitet und Uv negativ ist:

Uv = U2 + ULed3 + ULed2

Die LED3 sperrt, es fließt also kein Strom durch R2 und damit ist U2=0V. An der roten LED1 fallen ULed2=1,8V ab.

Betrachten wir die Spannungen bei einer negativen Spannungsquelle von 12V.

Eigentlich müssten wir alle Spannungen mit negativem Vorzeichen versehen.
Wir drehen einfach alle Vorzeichen um :-)
Oder fahren über alle Spannungspfeile gegen die Richtung.

12V   = 0V + ULed3 + 1,8V
ULed3 = 12V - 1,8V
ULed3 = 10,2V

An LED3 fällt eine Sperrspannung über 10V ab und die kann für eine LED tödlich sein.

Was machen?

Wir kennen den Trick mit den antiparallelen LEDs und schalten einfach zu LED3 eine weitere LED antiparallel. Die antiparallele LED4 lässt Strom fließen, wenn LED3 sperrt. Wir nehmen eine rote LED, damit die falsche Polarität unterstrichen wird.

../Spannungspruefer_OK.png
Bild 4: Der fertige Spannungs-Tester

Diese Schaltung kann bei Spannungen bis zu 24V problemlos eingesetzt werden.

Diesen Spannungs-Tester können wir vorerst fest auf ein Steckboard aufbauen.

../Spannungspruefer-brd.png
Bild 5: Spannungs-Tester auf Steckboard an 4,5V

Später, wenn wir löten können, bauen wir ihn auf eine Platine auf.

Der Aufbau eines Spannungs-Testers wird im Projekt Spannungs-Tester beschrieben.

Verpolter Spannungs-Tester

Wird der Spannungs-Tester an eine negative Spannung angeschlossen, sollten die beiden roten LEDs leuchten.

Tatsächlich ist nur LED2 zu erkennen. Dafür gibt es Gründe:

Wir messen bei 5V.

  • Wir messen an LED2 eine Spannung von 1,9V.
  • Wir messen an R1 eine Spannung von 3,1V.
  • An R2 messen wir 1,2V.
  • I2=1,2V/4,7k~0,25mA ist der Strom durch die rote LED4. Eine rote LED ist nicht so effizient wie eine blaue LED. Wenn wir genau hinsehen, erkennen wir, dass die rote LED4 ganz schwach glimmt.
  • Beide roten LEDs leuchten.
Attention attention

Hinweis:

Der Spannungs-Tester darf nicht für Netzspannung (z.B. 230V) verwendet werden: Lebensgefahr.

Er ist nur für Elektronikschaltungen mit bis zu 24V geeignet.