Spannungen an einer blinkenden LED
Im Praktikum Blinkende LED haben wir die Schaltung eines einfachen Blinklichts untersucht.
Wir haben uns auf das zeitliche Verhalten des Blinkens konzentriert. Wie schnell blinkt die LED: Frequenz und Periode.
Mittelwerte
Nun betrachten wir die Spannung am Ausgang des LMC555 genauer.
Die Spannung ist für eine Zeit lang 5V und eine andere Zeit lang 0V.
Bisher hatten wir es 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 das Voltmeter liefert immer noch schwankende Werte.
Dieses Verhalten ist nachvollziehbar, weil die Spannung ständig ein- und ausgeschaltet wird.
Die Schaltung in Bild 2 glättet die Spannungsschwankungen am Ausgang des LMC555. Bei niedrigen Frequenzen funktioniert das nicht gut. Bei höheren Frequenzen mit C=0,1µF sieht es besser aus. Wir erhalten am Kondensator C2 etwa 2V.
Wenn wir LED2 entfernen, sind es etwa 2,2V. Wenn wir beide LEDs entfernen, sind es nicht ganz 2,5V. Wenn LED2 angeschlossen ist, fällt eine Spannung am Widerstand R4 ab. Außerdem belastet die LED1 den Ausgang des LMC555 etwas, sodass er nicht ganz 5V liefert.
Diese 2,5V sind der Mittelwert der Ausgangsspannung des LMC555. Sie ist für die Hälfte der Zeit 5V und die Hälfte der Zeit 0V, also im Mittel 5V/2=2,5V. Der Kondensator C2 mittelt die Ausgangsspannung. Dieses wird als Glättung bezeichnet.
Die 2,5V stimmen nicht ganz, weil das Verhältnis
R1+R2/R2=110kΩ/100kΩ=1,1
ist. Damit ergibt sich die mittlere Spannung Um als
Um = Uv * (R1+R2) / (R1+2*R2) = 5V * (10kΩ+100kΩ) / (10kΩ+2*100kΩ) = 2,62V
Wir müssten eigentlich 2,62V messen und nicht nur 2,5V. Das liegt daran, dass der LMC555 nicht genau 5V liefert.
Das werden wir später noch genauer untersuchen.
Wechselspannung
Wechselspannung
Wechselspannungen sind ziemlich unanschaulich:
- Wir können Wechselspannungen nicht mit dem Voltmeter verfolgen.
- Wechselspannungen sind andererseits abstrakt.
- Wir müssten Wechselspannungen anzeigen können.
- Das geht mit dem Oszilloskop.
Die Ausgangsspannung es LMC555 besteht aus zwei Anteilen:
- Einer konstanten Gleichspannung von Ug=2,5V,
- die ihre Polarität nicht ändert. Daher Gleichspannung.
- Einer Wechselspannung von Uw=±2,5V.
- Sie beträgt für eine gewisse Zeit +2,5V oder -2,5V.
- Sie wechselt ihre Polarität. Daher Wechselspannung.
- Die Wechselspannung hat eine bestimmte Frequenz, d.h. Anzahl der Wiederholungen pro Sekunde.
- Die Wechselspannung hat eine bestimmte Periode, d.h. die Dauer einer Wiederholung.
- Die Ausgangsspannung ist eine Mischspannung aus Gleich- und Wechselspannung.
- Sie ist Ua=Ug+Uw
- 2,5V+2,5V=5V
- 2,5V-2,5V=0V
Mit einem Widerstand und einem 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 einen negativen Spannungsanteil.
- Sie wechselt die Polarität.
- Sie hat eine Frequenz und Periode.
- Eine Mischspannung ist eine Überlagerung (Addition) einer Gleichspannung und einer Wechselspannung.
- Mit einer Schaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator kann der Mittelwert einer Mischspannung bestimmt werden.
- Das ist der Gleichspannungsanteil.
Messen mit dem Oszilloskop
Mit einem Oszilloskop kann der Verlauf von Wechselspannungen und Mischspannungen gemessen werden. Die ersten Untersuchungen werden wir in Einfache Anzeige eines Oszilloskops durchführen.