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Ein 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 Bauelemente, die wir noch nicht kennen:

  • Die integrierte Schaltung LMC555
  • und den Kondensator C.
BlinkendeLED-Steckboard.png
Bild 2: Blinklicht auf dem Steckboard

Der LMC555 hat ein Dual-Inline-Gehäuse mit acht Anschlüssen. Der Anschluss 1 befindet sich links unten. Er ist durch einen Punkt gekennzeichnet. Die Anschlüsse werden entgegen den Uhrzeigersinn weitergezählt. Die Anschlüsse sind im Schaltbild angegeben.

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 beliebige Richtung eingesetzt werden, sondern der +-Anschluss muss mit dem Pin 2 des LMC555 verbunden werden und - mit Masse.

Kondensatoren

Kondensatoren kommen vielleicht im Laufe des analogen Praktikums zu ersten Mal 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.
  • Meistens werden die Werte von Kondensatoren in µF oder nF 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. Weil Elektrolytkondensatoren gepolt sind, ist ein Anschluss meistens mit - gekennzeichnet.

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

Die LED wechselt die Helligkeit

Die Schaltung bringt die LED zum blinken. Sie blinkt etwa einmal in der Sekunde und sie ist etwa genauso lange an wie aus.

Durch den LMC555 wird offensichtlich für eine gewisse Zeit Spannung an die LED gelegt und für eine gewisse Zeit nicht. Die Spannung am Ausgang des LMC555 ändert sich. Diese Änderung hat etwas mit Wechselspannung zu. Es ist aber nicht Wechselspannung. Wie das genau zusammenhängt, werden wir später untersuchen.

Frequenz

Unsere LED blinkt etwa 1 mal pro Sekunde.

Wir tauschen den Kondensator C gegen einen mit 1µF aus. Die Beschriftung ist entweder 1µF oder 105. Wir müssen wieder die Polarität des Kondensators beachten.

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

Wir tauschen den Kondensator C gegen einen Keramikkondensator mit 0,1µF aus. Die Beschriftung ist entweder 0,1µF oder 100nF oder 104. Dieser Kondensator ist ungepolt und wir müssen die Polarität nicht beachten.

Die LED blinkt nicht mehr. Sie blinkt dennoch. Wir können es nur nicht erkennen.

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

In einem dunklen Raum lassen wir unsere Schaltung laufen. Die LED ist die einzige Lichtquelle. Wenn wir eine Hand mit gespreizten Fingern über den LED hin- und herbewegen, 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 (1/s) gemeint.

Normalerweise arbeiten wir in der Elektronik mit sehr hohen Frequenzen. Digitalschaltungen werden oft mit Frequenzen im Bereich von Megahertz, d.h. Millionen Hertz (MHz) betrieben oder gar GHz.

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

Das Blinklicht in Bild 1 haben wir mit verschiedene 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 andere interessante Größe ist die Periode. Damit ist die Zeit gemeint, in der sich das Blinken der LED wiederholt.

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

Zwischen Frequenz f und Periode tp gibt es eine einfache Beziehung:

tp = 1/f
f  = 1/tp

Frequenz, Zeit, Maßeinheiten

Wir haben gesehen, dass Frequenzen und Periodendauer ineinander umgerechnet werden können. Periodendauer ist die Zeit für einen Takt.

An dieser Stelle befassen wir uns mit Maßeinheiten für Frequenzen und Periodendauer (Zeit).

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 (pro Sekunde) gemessen.
  • 1Hz ist einmal pro Sekunde können wir leicht nachvollziehen.
  • 10Hz, zehn mal pro Sekunde 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.
  • Frequenz f und Periode tp können in einander umgerechnet werden:
   tp = 1/f
   f  = 1/tp