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


Wir lernen die grundlegenden Eigenschaften von Batterie, Widerstand uns LED kennen.


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Stromversorgung, Spannung und Strom

Wir betrachten die Schaltung mit einer LED unter einem allgemeineren Blickwinkel.

Wir gehen von der einfachen Schaltung einer LED an einer Stromversorgung aus.

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Bild 1: Schaltung mit einer LED

Wir kennen inzwischen die Symbole der Bauelemente in der Schaltung:

Stromversorgung, Widerstand und LED.

Wir betrachten jetzt diese Bauelemente nacheinander näher.

Stromversorgung

Ohne Stromversorgung läuft keine Elektronik.

Anstelle des Begriffs Stromversorgung wird oft auch Spannungsquelle verwendet.

Of wird zur Stromversorgung einer Elektronik eine Batterie eingesetzt.

Eine Batterie ist ein sehr gutes Beispiel für eine Stromversorgung.

Deshalb gehen wir auf die Batterie genauer ein.

Batterie

Polarität

  • Die Anschlussrichtung der Batterie ist wichtig.
  • Das wird durch die Symbole mit + und - dargestellt.
  • Der rote Anschluss der Batterie ist (meistens) Plus.
  • Der schwarze ist dann Minus.
    Manchmal ist Minus blau. - Elektroniker wollen auch Spaß haben.

Spannung

Die Volt-Zahl der Batterie ist ebenso wichtig. Wir nennen sie Spannung in Volt, geschrieben V. Auf jeder einzelnen Zelle der Batterie ist der Plus-Pol mit + gekennzeichnet und angegeben, welche Spannung eine Batterie hat: 1,5V. Es gibt Batterien mit anderen Spannungen, z.B. den 9V-Block. Wir haben in unserem Batterie-Halter drei mal 1,5V hintereinander geschaltet: Unsere Batterie hat damit eine Spannung von 4,5V.

Spannung heißt 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 sicherlich die 230V der Netzspannung und wissen auch, dass die Netzspannung einen Menschen töten kann.
  • Fassen wir eine 1,5V Batterie an, merken wir nichts.
  • Offensichtlich gibt es Spannungen die gefährlich sind.
  • Wir werden nicht unmittelbar mit der Netzspannung von 230V arbeiten, sondern Geräte verwenden, die ungefährliche Spannungen erzeugen, Netzgeräte.
  • Ein USB-Netzgerät zum Laden eines Handys liefert 5V. Das ist die Spannung mit der wir am häufigsten arbeiten werden. 12V-Netzgeräte werden z.B. für den Betrieb von LED-Beleuchtung verwendet.

Regel: Vorsicht

  • Nur Fachleute mit einer entsprechenden Ausbildung dürfen an Spannungen über 60V arbeiten.
  • Wir arbeiten in der Regel mit Spannungen von 1,5V bis 12V.
  • Meistens arbeiten wir mit 5V. Das sind in etwa die drei Batteriezellen oder das, was ein USB-Anschluss, eine USB-Powerbank oder USB-Netzteil liefern.
Attention attention

230V ist tabu

  • Spannungen über 60V sind für Menschen gefährlich!
  • Wir arbeiten nur mit 5V oder 12V
  • Die Netzspannung von 230V ist absolut tabu!

Strom

Die Spannung ist nicht alles, was wir über die Stromversorgung wissen müssen.

Wir haben LEDs mit verschiedenen Widerständen betrieben. Der Widerstand bestimmt, wie viel Energie wir der Stromversorgung entnehmen. Dieses ist die Ampere-Zahl oder der Strom in Ampere, geschrieben A.

  • Moderne Elektronik, mit der wir arbeiten, ist sehr genügsam.
  • Wir arbeiten tausendstel von Ampere, Milliampere, geschrieben mA. Unsere LED wird mit 3mA betrieben.
  • Elektrische Geräte, die am 230V-Netz betrieben werden, wie ein Föhn, brauchen schon mal 10A.
  • Ein Computer begnügt sich an 230V mit etwa 1A.
  • Ein Notebook kommt mit einer Batterie von 20V aus und braucht meistens weniger als 1A.

Stromkreis

Zurück zu unser 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 wird oft vom Stromkreis gesprochen.

Wir schenken 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, ein Taster nicht betätigt, die Batterie nicht angeschlossen, eine Drahtbrücke nicht gesteckt ist oder ... , fließt kein Strom und die LED leuchtet nicht.

LEDs

LEDs haben Polarität

Auch LEDs haben Polarität. In unseren ersten Versuchen haben wir festgestellt, dass eine LED nur leuchtet, wenn sie "richtig" herum eingesteckt wurde. Die Polarität einer LED wird im Schaltbild durch den Pfeil ausgedrückt.

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Symbol einer LED

Die beiden Anschlüsse einer LED werden als Anode und Kathode bezeichnet. Der Strom fließt nur in der gezeichneten Richtung von der Anode zur Kathode. An der Anode muss eine positive Spannung liegen. An der Kathode negative. Wenn die Polarität vertauscht wird, leuchtet die LED nicht.

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1 - Kathode
2 - Anode

Anschlüsse einer LED

Die Anschlüsse einer LED sind unterschiedlich lang. Der lange Anschluss (2) ist die Anode der kurze (1) die Kathode.

Widerstände

Wir verwenden Widerstände, um den Strom durch LEDs einzustellen.

Wir werden später sehen, dass Widerstände für viele Zwecke verwendet werden.

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Symbol eines Widerstands

Ein Widerstand hat zwei Anschlüsse und einen Wert, hier 1kΩ. Die Anschlüsse eines Widerstands dürfen vertauscht werden.

  • Widerstände haben keine Polarität.
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1kΩ Widerstände mit 5 und 4 Ringen

Widerstände haben unterschiedliche Werte, die in Ohm, Ω angegeben werden.

Wir arbeiten meistens mit Widerständen von 100Ω, 1kΩ, 10kΩ, 100kΩ. Mit 1kΩ sind 1000Ω, 1 Kiloohm gemeint. Es gibt noch Megaohm, 1MΩ, das sind 1000000Ω (6 Nullen). Oder ganz einfach für k 3 und für M 6 Nullen anhängen.

Widerstände sind meistens durch einen Farbcode 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 von Bauelementen beschafft hat, wird meistens Widerstände mit fünf Ringen haben.

LEDs lieben Widerstände

Eines müssen wir wissen: Wenn wir eine LED unmittelbar an 5V oder eine 4,5V Batterie anschießen, wird sie zerstört. Eine LED muss immer mit einem Widerstand betrieben werden. Wir können auch nicht jeden beliebigen Widerstand nehmen.

  • Ein Widerstand mit 1kΩ - LEDs Liebling - 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, ein Kurzschluss ist 0Ω).
  • Ein Widerstand von 100kΩ lässt eine LED kaum erkennbar glimmen.
  • Eine blaue oder weiße LED leuchtet bei 10kΩ wesentlich heller als eine rote.
  • Wenn wir den Widerstand herausnehmen, fließt kein Strom und die LED ist aus.

Die Helligkeit einer LED hängt vom Strom durch die LED ab. 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.
Attention attention

LEDs betreiben

  • LEDs dürfen nicht ohne Widerstände betrieben werden.
  • Oder an einer speziellen Elektronik.

Achtung Spannung

Fatale Spannungen für LEDs

Von eigenen Versuchen sollten wir absehen.

  • Selbst dann, wenn eine LED mit ihrem Liebling 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.
  • Wird die LED falsch herum angeschlossen, der Pfeil der LED zeigt nach Plus, kann 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 Liebling, den 1KΩ Widerstand, können wir an jede unserer üblichen Spannungen (12V oder kleiner) anschließen, ohne Gefahr zu laufen, dass der Widerstand beschädigt wird.
  • Ein 100Ω Widerstand an 4,5V fühlt sich richtig wohl, weil ihm etwas warm ums Herz wird.
  • Der 100Ω Widerstand, der 4,5V mochte, wird 12V kaum überstehen.
  • Ein 10Ω Widerstand an 4,5V wird heiß und er fängt an zu rauchen.
  • An einer Zelle mit 1,5V findet es ein 10Ω Widerstand ganz gemütlich.
  • Schließen wir einen 1Ω Widerstand an die 4,5V Batterie, 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 Spannung einer Stromquelle wird in Volt V gemessen. Wir arbeiten meistens mit 5V.
  • Der Strom fließt von Plus, + der Stromversorgung über die Schaltung nach Minus, -.
  • Eine LED wird immer über einen Widerstand angeschlossen.
  • Eine LED leuchtet nur, wenn die Anode an Plus und die Kathode an Minus angeschlossen ist.
  • Die Pfeilspitze der LED zeigt nach Minus.
  • In die Leitung nach Plus oder nach Minus muss ein Widerstand geschaltet sein.
  • Der Strom aus einer Spannungsquelle wird in Ampere A gemessen.
  • Wir arbeiten meistens 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, (Kiloohm) oder gar (Megaohm) angegeben.
  • für k 3 Nullen anhängen
  • für M 6 Nullen anhängen
  • Widerstände unter 100Ω sollten nicht unmittelbar an 5V angeschlossen werden.
  • Vorsicht bei kleinen Widerständen und/oder hohen Spannungen.
  • Zu hohe Spannungen können Bauteile (LEDs) zerstören.
  • Für Mess- und Anzeigezwecke ist ein Widerstand von 1kΩ angebracht.

Es gibt natürlich auch Formeln, die das bestätigen, aber Regeln sind für Anfänger klarer und besser zu merken.