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Eine LED zum Leuchten bringen



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Die Bauteile

Was ist eine LED?

Eine LED ist ein lichtemittierendes Bauelement (dafür steht das L und das E in der Abkürzung LED) und das den Strom nur in einer Richtung durchlässt (sowas bezeichnet man als Diode, das D in LED).

Hier ist so eine LED abgebildet.

LED Sie hat einen 5 mm breiten, rot gefärbten Körper aus Plastik und zwei Anschlussdrühte aus Metall. Weil sie nur in einer Richtung den Strom leitet, ist es nicht egal, wie die beiden Anschlüsse mit einer Stromquelle verbunden werden. Der längere Draht ist die Plusseite, der kürzere die Minusseite. Manchmal wird die Plusseite der Diode auch als Anode, die Minusseite als Kathode bezeichnet. Diese Bezeichnungen stammen aus der uralten Röhrentechnik, sind aber heute noch gebräuchlich.

Hat man die Drähte mit der Petze (Seitenschneider) abgeschnitten, erkennt man die Kathodenseite an der Abflachung im Ring des Gehäuses.

Es gibt viele Bauformen von LEDs. Gebräuchlich sind auch die kleinen 3 mm breiten runden LEDs. Daneben gibt es auch größere runde, eckige oder flächige Ausführungen.

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Die Kennlinie einer LED

LED-Kennlinie Eine LED ist ein eigenartiges Bauelement: ist die Spannung zu niedrig (z. B. nur 1 Volt), dann leuchtet sie gar nicht. Erst ab etwa 1,5 Volt beginnt sie Licht abzugeben. Aber Obacht, ist die Spannung über 2 Volt, dann fließt zu viel Strom und die LED geht kaputt. Also niemals eine LED direkt an die 9V-Batterie anschließen, sie leuchtet nur ganz kurz sehr hell auf und geht in Bruchteilen von Sekunden kaputt, weil der Strom aus der Batterie viel zu hoch wäre (praktisch alles was die Batterie an Strom liefern kann, und jedenfalls viel zu viel für die arme kleine LED).

Das Diagramm zeigt dieses eigenartige Verhalten.

Unterhalb von etwa 1,5 Volt fließt überhaupt kein Strom. Wird der Strom gesteigert, dann steigt die Spannung an der LED danach nur noch sehr sanft an. Bis zu einem Strom von 30 mA sind etwa 2,1 V erreicht.

Das Diagramm gilt aber nur für rote Leuchtdioden. Andere Farben haben andere Spannungen und Ströme. Also besser nachmessen.

Der Widerstand

Widerstand Das Bild zeigt einen Widerstand von 470 Ohm. Ohm wird auch mit dem griechischen Zeichen für das große O, nämlich Omega, Ω, abgekürzt. Wir haben also 470 Ω vor uns.

Die bunten Ringel sind der Code, um welchen Widerstand es sich handelt, da es Hunderte verschiedene Werte davon gibt. Der erste Ring ist gelb, der zweite violett, der dritte schwarz und der vierte ebenfalls schwarz. Ob die Ringfolge von links nach rechts oder von rechts nach links geht, zeigt der Abstand zum Rand: der Ring mit dem geringeren Abstand zum Rand ist der Erste.

Die Farbe der Ringe ist folgendermaßen festgelegt:
Die ersten drei Ringe geben die Zahl 470 an (gelb, violett, schwarz). Der vierte Ring bezeichnet die Zahl der anzuhängenden Nullen. Da er schwarz ist, also Null, kommt keine weitere Null hinzu.

Die weiteren Ringe geben an, welchen Temperaturbereich und welche Genauigkeit der Widerstand einhält. Diese Codes brauchen uns hier erst mal nicht interessieren, weil es uns nicht auf Genauigkeit ankommt.

Widerstände gibt es nicht in beliebiger Größe zu kaufen. Die Reihe 1,0 - 1,2 - 1,5 -1,8 - 2,2 - 2,7 - 3,3 - 4,7 - 5,6 - 6,8 - 8,2 - 9,1 heißt E-12-Reihe. Von diesen Sorten gibt es das zehn-, das hundert-, das tausendfache, das zehntausendfache und das hunderttausendfache an Widerstand zu kaufen. Der 470-Ohm- Widerstand stammt aus dieser Reihe (4,7 mal 100).

Widerstandsmessung Falls die Ringfarben mal abgerubbelt sind oder der Farbenkauderwelsch allzu undurchschaubar ist, kann man den Widerstand auch messen. Wir klemmen die beiden Prüfspitzen an den Widerstand, schalten das Universalmessgerät ein und stellen es auf Widerstandsmessung 2000 Ohm. Dann sollte so was wie im Bild zu sehen sein, ein Wert um die 470 herum.


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Die Bauteilliste

Die Bauteile sind vom Zimmermann-Elekronikshop Darmstadt oder Versandhandel Reichelt der vom Versandhandel Conrad erhältlich.

Die Schaltung

LED-Test Das ist das Schaltbild unserer ersten Schaltung.

Elektroniker unterhalten sich überwiegend mit Bildern, die sie Schaltbilder nennen. Zeigt ein Elektroniker einem anderen Elektroniker so ein Schaltbild, weiß der sofort Bescheid. Jedenfalls dann, wenn es so einfach ist wie das hier. Der Elektroniker weiß sofort, dass unsere erste Schaltung aus genau drei Bauteilen besteht, einer Batterie, einem Widerstand und einer Leuchtdiode. Damit der das auch ohne große Beschriftung sieht, haben alle drei Komponenten im Schaltbild eine spezifische Form, genannt Symbol. Die Symbole sind genormt, daher verstehen sich die zwei Elektroniker auch sofort.

Das Schaltbild sagt, dass der Pluspol der Batterie mit einem Widerstand verbunden ist, die andere Seite des Widerstands mit der Anode der LED und die Kathode der LED mit dem Minuspol der Batterie.

Damit ist auch schon klar, was der Widerstand so macht: er bremst den Strom durch die LED und lässt nur so viel Strom durch, dass die LED nicht kaputt geht. Er hat 470 Ohm, womit die Elektroniker die Größe des Widerstandes beschreiben. Ohm war ein Physiker, der sich mit dem Widerstand verschiedener Drahtsorten befasst hat und nach dem die Widerstandsgröße benannt wurde. Wir kommen gleich noch darauf zurück.

In dieser Schaltung fließen etwa 15 mA Strom durch die LED. Gemäß der obigen Kennlinie der LED hat diese bei 15 mA Strom eine Spannung von etwa 1,9 Volt. Der Rest der Batteriespannung, nämlich 9 minus 1,9, also 7,1 Volt liegen am Widerstand. Würden wir einen größeren Widerstand einbauen, würde der Strom durch die LED niedriger werden, ihre Spannung bliebe aber in etwa gleich hoch.

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Aufbau der Schaltung

LED-Widerstand Der Aufbau erfolgt auf unserem Experimentierbrett. Zuerst biegen wir die beiden Drahtenden des Widerstands nach unten und schneiden alles was mehr als 5 mm lang ist mit der Petze ab. Die Drahtstücke heben wir auf, wir brauchen sie bei späteren Experimenten wieder. Dann stecken wir den Widerstand wie unten gezeigt in das Expermentierbrett. Er muss mit einer Seite in der Zeile stecken, die später die Plus-Batteriespannung hat.

LED-LED Nun stecken wir die LED in das Experimentierboard. Der längere Anschluss kommt in die gleiche Reihe wie der Widerstand nach Plus, der kürzere in die Spalte daneben.

LED-Brücke Nun kommt von der Kathode eine Drahtbrücke zur Minusleitung.

LED-Batterieclip Nun wird der Batterieclip mit den beiden Stromversorgungsleitungen auf dem Brett verbunden. Die rote Drahtseite geht an die Plusschiene, die schwarze nach Minus.

LED-Spannung Zuletzt stecken wir die Batterie an den Clip. Nun sollte die LED hell leuchten. Tut sie das nicht, sofort die Batterie abklemmen, damit nicht noch mehr kaputt geht, und dann den Fehler suchen.


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Ausmessen der Schaltung

Strom messen Jetzt kann man den Strom durch die LED messen. Dazu klemmen wir eine Seite des Batterieclips von der Batterie ab und klemmen das Messgerät dazwischen. Das schalten wir in den Messbereich Strom auf 20 oder 200 mA. Jetzt zeigt das Messgerät den Strom durch die LED an. Er sollte um die 15 mA liegen.

Spannung messen Zur Messung der LED-Spannung klemmen wir die Batterie wieder an den Clip, schalten das Messgerät auf Spannungsmessung in den Messbereich 20 Volt und klemmen die Messklemmen an die LED-Anschlussdrähte an. Jetzt zeigt das Messgerät die Spannung an der LED an. Sie sollte um die 2,0 Volt liegen.



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Ein wenig Rechnen

Jetzt brauchen wir einen einfachen Taschenrechner oder das Ding, das in dem Computer als Taschenrechner vorhanden ist und so aussieht wie einer. Wir ziehen von der Batteriespannung (9 Volt) die 2 Volt der LED ab und teilen durch 470 Ohm. Das Ergebnis ist 0,0149. Wenn wir nun noch mit 1000 malnehmen, haben wir 14,9. Das ist genau der Strom durch die LED, wie wir ihn gemessen haben, in mA.

Jetzt noch eine Testfrage: Welchen LED-Strom kriegen wir, wenn wir statt des 470 Ω den nächstniedrigen oder den nächsthöheren Widerstand der E-12-Reihe vor die LED schalten? (Spicken kann man hier!)

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Die LED für Wechselstrom umbauen

Schaltbild Manchmal hat man es nicht mit Gleichspannung wie aus einer Batterie zu tun sondern mit Wechselstrom. Der wechselt 50 mal in der Sekunde seine Polarität. Damit die LED in Sperrrichtung nicht kaputt geht, kommt eine Diode vor die LED. Die Diode sperrt den Strom, wenn er gerade in falscher Richtung fließt.

Diode 1N4148 Die Diode ist sehr klein und trotzdem mit ihrem Namen, 1N4148, beschriftet. Der schwarze Ring auf einer Seite gibt an, welche Seite die Kathode ist. Maximal verträgt diese Diode einen Strom von 100 mA. Es gibt größere Dioden, die 1 A, 10 A oder einige 100 A vertragen.



LED mit Diode Der Umbau ist einfach: die Drahtbrücke zum Minuspol wird durch die Diode ersetzt. Nun können wir die Batterie richtig oder falsch herum anschließen, die LED geht nicht kaputt. Sie leuchtet halt nur nicht, wenn die Batterie falsch herum angeschlossen ist.

Graetzgleichrichter Wenn die Leuchtdiode leuchten soll egal wie herum die Batterie angeschlossen ist braucht es etwas mehr, nämlich vier Dioden. Sie sorgen dafür, dass der Strom immer richtig herum durch die Diode fließt. Die Anordnung heißt Graetz-Gleichrichter, nach seinem Erfinder.

Graetz positiv Und hier stoßen wir auf eine verwirrende Doppeldeutigkeit der Elektronik und Elektrik. Wir wissen heute, dass es kleine elektrisch geladene Teilchen sind, die der Strom, angetrieben durch die Batterie, durch die metallenen Kabel schiebt. Die sind negativ geladen. Davon hat aber einer der Erfinder des Stroms, der Italiener Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta aber noch nichts gewusst, die negativ geladenen Elektronen wurden erst 50 Jahre nach seinem Tod erfunden. Da Volta die Batterie erfunden hat, fließt nach ihm (und beim Elektroniker auch heute noch) der Stromfluss immer von Plus nach Minus, während sich die Elektronen entgegengesetzt, also von Minus nach Plus bewegen. Es gibt also die Bewegung nach Volta (in grün eingezeichnet) und die der Elektronen (in rot eingezeichnet). Die drei Farben (rot, weißer Zwischenraum, grün) habe ich warum so ausgewählt?

Ist die Minusseite der Stromquelle unten angeschlossen, dann fließen die Elektronen durch die rechte untere Diode der Brücke, dann durch die LED und über die linke obere Diode zum Pluspol der Stromversorgung. Beim Volta'schen Fluss ist es genau umgekehrt.

Graetz negativ Ist die Stromrichtung umgekehrt, dann fließen die Elektronen durch die rechte obere Diode, dann durch die LED und durch die untere linke Diode in die Stromquelle zurück. Nach Volta halt nur umgekehrt.

Wie auch immer die Stromquelle gepolt ist, fließt der Strom nun immer in der gleichen Richtung durch die LED, dank der vier Dioden drumherum.

Dioden wie die 1N4148 haben übrigens in Durchlassrichtung auch eine Spannung, nämlich etwa 0,7 Volt. Bei der Graetz-Methode sind immer zwei Dioden in Durchlassrichtung, die Batteriespannung erniedrigt sich also um ca. 1,4 V. Der Strom ist also
I = 1000 * (9V - 2V - 1,4V) / 470 = 11,9 mA

Wenn 0,7 V etwas zu viel ist, nehme man Schottky-Dioden, die haben nur 0,4 V Durchlassspannung.

Graetz-Experimentierbrett So sieht die Brücke auf dem Experimentierbrett aus.

Noch mehr über LEDs

Hier und hier gibt es noch viel mehr über LEDs.

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