Blinkende LED
In dieser Schaltung befinden sich zwei neue Bauelemente,
- der Timer 555 und
- der Kondensator C.
Wer das Praktikum Spannungen wandeln bearbeitet hat, kennt diese beiden Bauelemente bereits.
Der Timer NE555 wurde in einer Teilschaltung verwendet, die eine Spannung ausgibt, die wiederholt ein- und ausgeschaltet wird.
Kondensatoren wurden im Praktikum Spannungen wandeln ebenfalls eingesetzt. Die folgende Beschreibung der Kondensatoren kann dann natürlich übersprungen werden.
Der LMC555 ist die CMOS-Variante des NE555.
Der Kondensator ist das gelbe Bauelement unten links. Er hat den Aufdruck 4,7 µF oder 475 und das ist wichtig, auf einer Seite ein + oder -. Der Kondensator kann nicht in beliebiger Richtung eingebaut werden, sondern der +-Anschluss muss mit dem Pin 2 des LMC555 verbunden werden und - mit 0 V, Masse.
Kondensatoren
Kondensatoren kommen vielleicht zum ersten Mal im analogen Praktikum vor.
- 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.
- Kondensatoren werden meist in µF, nF oder pF angegeben.
Der Kondensator links in Bild 4 ist ein Tantalkondensator mit 4,7 µF für bis zu 35 V. Rechts liegt ein Tantalkondensator mit 10 µF für bis zu 16 V. Der positive Anschluss + liegt rechts.
Die beiden Keramikkondensatoren in Bild 5 haben beide 100 nF, also 0,1 µF.
Auf Elektrolytkondensatoren wie in Bild 6 sind meist der Wert und die maximal zulässige Spannung aufgedruckt. Da Elektrolytkondensatoren gepolt sind, ist ein Anschluss meist mit - gekennzeichnet.
Wir wollen uns zunächst nicht mit der Funktionsweise der Schaltung in Bild 1 beschäftigen, sondern mit ihrer Wirkung.
Die LED wechselt die Helligkeit
Die Schaltung bringt die LED zum Blinken. Sie blinkt etwa einmal pro Sekunde und sie ist etwa gleich lang an wie aus.
Offensichtlich legt der LMC555 eine Zeit lang Spannung an die LED an und eine Zeit lang nicht. Die Spannung am Ausgang des LMC555 ändert sich. Diese Änderung hat etwas mit Wechselspannung zu tun. Aber es ist keine Wechselspannung. Den genauen Zusammenhang werden wir später untersuchen.
Frequenz
Unsere LED blinkt etwa 1-mal pro Sekunde.
Wir ersetzen den Kondensator C durch einen mit 1 µF. Die Beschriftung ist entweder 1 µF oder 105. Wir müssen wieder auf die Polarität des Kondensators achten.
Die LED blinkt schneller, und zwar etwa 5-mal pro Sekunde.
Wir ersetzen den Kondensator C durch einen Keramikkondensator mit 0,1 µF. Die Beschriftung ist entweder 0,1 µF oder 100 nF oder 104. Dieser Kondensator ist ungepolt und wir müssen nicht auf die Polarität achten.
Die LED blinkt nicht mehr. Sie blinkt immer noch, wir können es nur nicht sehen.
Mit einem Trick können wir nachweisen, dass die LED wirklich blinkt.
Wir lassen unsere Schaltung in einem dunklen Raum laufen. Die LED ist die einzige Lichtquelle. Wenn wir eine Hand mit gespreizten Fingern über der LED hin und her bewegen, 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, 1 Hz ist die Frequenz einmal pro Sekunde gemeint.
Normalerweise arbeiten wir in der Elektronik mit sehr hohen Frequenzen. Digitalschaltungen arbeiten oft mit Frequenzen im Bereich von Megahertz, also Millionen Hertz (MHz) oder sogar GHz.
1000Hz = 1kHz
1000000Hz = 1000kHz = 1MHz
1000000kHz = 1000MHz = 1GHz
Das Blinklicht in Bild 1 haben wir mit verschiedenen Frequenzen betrieben. Die Frequenz hängt vom verwendeten Kondensator C ab.
| Kondensator | Frequenz |
| 4,7 µF | 1,46 Hz |
| 1 µF | 7 Hz |
| 0,1 µF | 70 Hz |
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 weitere interessante Größe ist die Periode (Periodendauer). Damit ist die Zeit gemeint, in der sich das Blinken der LED wiederholt.
- Je höher die Frequenz ist, desto kürzer ist die Zeit des Blinkens, d. h. die Periode tp.
Zwischen der Frequenz f und der Periode tp besteht eine einfache Beziehung:
tp = 1/f f = 1/tp
Frequenz, Zeit, Maßeinheiten
Wir haben gesehen, dass Frequenzen und Perioden ineinander umgerechnet werden können.
Nun wollen wir uns mit den Maßeinheiten für Frequenzen und Perioden (Zeit) beschäftigen.
| Frequenz | Periode (Zeit) |
| 1 Hz | 1s = 1000ms = 1000000µs |
| 10 Hz | 0,1s = 100ms |
| 100 Hz | 0,01s = 10ms |
| 1000 Hz = 1 kHz | 1ms = 1000µs = 1000000ns |
| 10 kHz | 0,1ms = 100µs |
| 1000000 Hz = 1000 kHz = 1 MHz | 1µs = 1000ns |
| 10 MHz | 0,1µs = 100ns |
| 1000 MHz = 1 GHz | 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 gemessen.
- 1 Hz ist einmal pro Sekunde, und wir können es leicht nachvollziehen.
- 10 Hz ist zehnmal pro Sekunde. Das können wir zur Not mitzählen.
- 100 Hz 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.
- Die Frequenz f und die Periode tp können ineinander umgerechnet werden:
tp = 1/f f = 1/tp