Schaltungen mit LEDs
Alternative Wege zur Elektronik
- Dieses Praktikum geht von einer schematischen Schaltung aus und zeigt dann, wie die Schaltung konkret aufgebaut wird.
- Im Praktikum Schalter und Leuchtdiode wird dagegen mit dem Aufbau begonnen, der dann als schematisches Schaltbild dargestellt wird.
- Das Praktikum Bau einer elektronischen Sicherung beschäftigt mit dem konkreten Aufbau einer elektronischen Schaltung.
- Es ist eine gute Idee, die Elektronische Sicherung gleich nach diesem Praktikum zu bauen.
LEDs sind heute der Ersatz für Glühlampen. Sie sind etwa sechsmal effizienter wie Glühlampen und halten zehn- bis zwanzigmal länger. Sie sind allerdings auch teurer. Da kommt so mancher Bastler auf die Idee, seine eigene LED-Lampe zu bauen.
- LED-Lampen als Ersatz für Glühbirnen, die am 230V-Netz betrieben werden, sind für uns TABU. Wir arbeiten nur mit Spannungen bis 24V.
- Wir werden uns auch nicht mit Lampen hoher Leistung beschäftigen. Die Kühlprobleme sind für einen Einsteiger nicht einfach zu bewältigen.
230V ist tabu
LEDs an 230V sind
tabu
- Wir betreiben LEDs nur an 5V oder 12V
- 230V Netzspannung ist absolut tabu!
Übersicht
Wir betrachten hier Grundschaltungen mit LEDs
- Wie schließe ich eine einzelne LED an?
- Wie vermeide ich eine Überlastung der LED?
- Wie schließe ich mehrere LEDs an?
- Welche Grundschaltungen für mehrere LEDs gibt es?
- Wie vermeide ich die Überlastung einzelner LEDs?
Das Praktikum besteht aus fünf Teilen.
- Im ersten Teil betrachten wir Schaltungen mit einer LED.
- Im zweiten Teil erweiterte Schaltungen mit LEDs werden Schaltungen mit mehreren LEDs und/oder Widerständen betrachtet.
- Im dritten Teil wird das bisher Erarbeitete etwas verallgemeinert: Batterie, Spannung und Strom.
- Im vierten Teil betrachten wir die Eigenschaften von LEDs.
- Im fünften Teil geht es um komplexere Schaltungen mit LEDs.
- Ein einfacher Spannungsprüfer mit LEDs wird vorgestellt.
- Es geht auch um die Schaltung von LEDs für Beleuchtungszwecke.
- Als Vorgeschmack auf die Elektronik mit Transistoren wird eine Konstantstromquelle für LEDs vorgestellt.
Eine LED anschließen
Keine Leistungs-LEDs
Wir beschäftigen uns hier nur mit kleinen LEDs geringer Leistung. Sie haben eine Leistung von 0,06W. Sie haben eine Spannung zwischen 1,8V und 3,2V und müssen mit einem Vorwiderstand betrieben werden.
- LEDs mit höherer Leistung von 1W und mehr
- oder für höhere Spannungen von z.B. 12V
- oder für höhere Ströme von z.B. 350mA
- sind hier nicht gemeint.
Sie werden meistens nicht mit einem Vorwiderstand betrieben.
Sie müssen oft mit speziellen Stromversorgungen betrieben werden.
Schaltung mit einer LED
Beginnen wir mit der einfachsten Schaltung, mit einer LED.
Die Schaltung beschreibt symbolisch, wie die einzelnen Bauelemente angeschlossen werden müssen, um eine LED zum Leuchten zu bringen.
Wir haben drei wichtige Elemente (von links nach rechts)
- eine Stromversorgung
- einen Widerstand und
- eine LED
Diese Bauelemente sind über Leitungen miteinander verbunden.
Im Folgenden sehen wir uns an, wie diese Bauelemente real aussehen.
LED
Eine LED hat zwei Anschlüsse, eine Anode und eine Kathode.
Die Anschlüsse einer LED haben unterschiedliche Längen. Der lange Anschluss (2) ist ist die Anode, der kurze (1) die Kathode.
Die Anode muss an den Plus-Pol der Stromversorgung angeschlossen werden, wenn die LED leuchten soll. Wird die Kathode an den Plus-Pol angeschlossen, bleibt sie dunkel.
- Siehe LEDs.
Widerstand
Zwischen der Anode der LED und dem Plus-Pol befindet sich der Widerstand.
Dieser Widerstand ist wichtig! Ohne Widerstand würde die LED zerstört - sie würde nur einmal hell aufblitzen.
Ein Widerstand hat zwei Anschlüsse und einen Wert, hier 1kΩ. Die Anschlüsse eines Widerstands können vertauscht werden.
Ein Widerstand ist oft farblich gekennzeichnet. Es gibt Widerstände mit 4 und mit 5 Ringen. Wir verwenden einen Widerstand mit den Farbringen
- braun - schwarz - rot - gold
oder
- braun - schwarz - schwarz - braun - braun.
Das ist unser Favorit mit 1 Kilo-Ohm, 1kΩ. Auf Widerstände kommen wir später zurück.
- Siehe Widerstände
5V
- In unseren Praktika verwenden wir meistens 5V.
- Die Schaltungen sind für Spannungen von 4V bis 5,5V ausgelegt.
- Wir können also immer 4,5V statt 5V verwenden,
- d.h. eine 4,5V Batterie.
Stromversorgung, Spannungsquelle, Batterie
Die Stromversorgung ist in Bild 1 nur angedeutet.
Oft wird eine Stromversorgung auch als Spannungsquelle bezeichnet.
- Der Pfeil nach oben ist mit +5V beschriftet. Damit ist der Plus-Pol gemeint.
- Unten ist der zweite Anschluss mit 0V beschriftet. Damit ist der Minus-Pol gemeint.
- +5V beschreibt eine Stromversorgung mit einer Spannung von 5V.
- Daher der Begriff Spannungsquelle.
- In unseren Praktika sind aber auch 4,5V erlaubt.
- Die Anschlüsse einer Stromversorgung dürfen nicht vertauscht werden.
- Eine Verpolung der Stromversorgung kann Bauelemente zerstören.
- Zumindest funktioniert die Schaltung nicht.
Konkret ist die Stromversorgung z.B. eine Batterie.
- Wir nehmen eine 4,5V-Batterie.
- Eine 9V-Batterie sollte nicht verwendet werden, weil die Spannung von 9V einige unserer Bauelemente zerstören könnte.
- In Bild 6 links ist eine Spannungsquelle aus drei 1,5V-Batterien dargestellt. Sie liefert 4,5V.
- Die Symbole in der Mitte stellen die Spannungsquelle etwas allgemeiner dar. Sie soll 5V liefern.
- Diese Darstellung werden wir meistens verwenden.
- In unseren Praktika können wir die 5V durch eine 4,5V-Batterie ersetzen.
- Rechts ist eine Alternative ohne konkrete Spannung.
rot Plus-Pol
schwarz Minus-Pol
Unsere Schaltungen sollten mit 5V (4,5V) betrieben werden.
- Eine Spannung über 5V kann eine LED verstören, wenn sie falsch gepolt ist, also mit der Kathode an den Plus-Pol angeschlossen ist.
- Unter 3V leuchtet die LED möglicherweise nicht.
- Wir sollten in unseren Praktika keine 9V-Batterien verwenden, da viele elektronische Bauelemente nur mit maximal 5,5V betrieben werden können.
Stromversorgung
Eine Stromversorgung oder Spannungsquelle hat die Anschlüsse:
- Plus
- Minus
- Die Anschlüsse dürfen nicht vertauscht werden.
- Bauelemente können zerstört werden.
Eine Stromversorgung oder Spannungsquelle hat eine Spannung
- Diese wird in V Volt angegeben.
- In der Regel darf die Spannung einer Spannungsquelle um ±5% abweichen.
- Anstelle von 5V sind 4,5V bis 5,5V zulässig.
Aufbau der Schaltung
Kein Chaos
- Wir bauen unsere Schaltungen sauber strukturiert auf dem Steckboard auf.
- Dabei lernen wir, wie Schaltungen später auf Platinen aufgebaut werden.
- Sozusagen nebenbei lernen wir, das Erstellen von Layouts von Platinen.
Aufbau auf dem Steckboard
Die meisten Schaltungen unserer Praktika bauen wir auf einem Steckboard auf.
Das Steckboard besteht aus mehreren Gruppen von jeweils fünf Kontakten, die miteinander verbunden sind.
Die senkrechten Gruppen haben untereinander keinen Kontakt.
Die Gruppen in einer horizontalen Reihe sind alle miteinander verbunden. Sie werden meistens für die Stromversorgung Plus + und Minus - verwendet.
Bauelemente werden so in die Kontakte gesteckt, dass jeder Anschluss in eine andere Kontaktgruppe gesteckt wird.
- Siehe Aufbau auf Steckboards
Die Anschlüsse in derselben Kontaktgruppe sind miteinander verbunden. Weitere Verbindungen werden durch Drahtbrücken hergestellt.
In Bild A sind rechts einige Bauelemente zusehen:
- Eine LED mit ungekürzten Anschlüssen; der lange Draht ist die Anode
- Eine LED mit gekürzten Anschlüssen
- die Drähte sind auf etwa 8mm gekürzt; der Draht für die Anode ist etwas länger.
-
Ein Widerstand mit ungekürzten Anschlüssen;
1kΩ mit den Farben braun - schwarz - schwarz - braun - braun
- die Drähte des Widerstands werden um 90° gebogen und auf etwa 8mm gekürzt
- Zwei Drahtbrücken
Oben links ist die Schaltung aus Bild 1 aufgebaut, unten links die Schaltung aus Bild 8.
Die LED leuchtet nicht
Wenn die LED nicht leuchtet, kann das verschiedene Ursachen haben:
- Die LED ist falsch herum eingebaut.
- LED einfach umdrehen
- Der Anschluss an den Widerstand ist die Anode. Dieser Draht sollte länger sein als der andere.
- Die Bauelemente sind falsch in das Steckboard eingesteckt.
- Verbundene Bauelemente oder Drahtbrücken müssen immer in die gleiche Kontaktgruppe gesteckt werden.
- Die Batterie ist verpolt, Plus und Minus sind vertauscht.
- Der Schalter am Batteriehalter ist nicht eingeschaltet.
- Gegebenenfalls muss die gesamte Schaltung neu aufgebaut werden.
Alternative Schaltungen
In dieser Schaltung werden die LED und der Widerstand vertauscht. Was passiert? Nichts Besonders! Die LED in Bild 8 leuchtet ebenso wie in Bild 1. Die beiden Bauelemente sind in Reihe geschaltet. In Reihe geschaltete Bauelemente können vertauscht werden.
In Bild 9 sind die Anschlüsse der LED gegenüber Bild 1 vertauscht.
- Die Anode der LED liegt an Minus. Die LED leuchtet nicht.
Das kann man sich leicht merken: Die LED leuchtet, wenn der Pfeil von Puls auf Minus zeigt.
LED-Tester
Wir können unsere obigen Erfahrungen sofort anwenden. Wir können herausfinden, welcher Anschluss einer LED die Anode ist. Das ist ganz nützlich, wenn wir eine LED haben, deren Anschlüsse gekürzt wurden und gleich lang sind.
Wir bauen einfach eine Schaltung wie in Bild 1 auf und stecken die LED ein.
- Wenn die LED leuchtet, wissen wir, welcher Anschluss die Anode ist:
Die Anode liegt an Plus, dem Widerstand.
- Leuchtet die LED in beiden Richtungen nicht, ist sie offensichtlich defekt.
Nachdem wir die Anschlüsse der LED gefunden haben, kürzen wir den der Kathode.
Regeln anstelle von Formeln
Wir kommen auch ohne Formeln aus.
Dafür müssen wir ein paar Regeln beachten.
Wir können diese Regeln brechen, aber nur dann, wenn wir uns über die Folgen im Klaren sind.
- Ein Schaltbild ist die schematische Darstellung einer Schaltung.
- Wir bauen Schaltungen oft auf Steckboards auf.
- Widerstände haben Werte, die durch Farbringe angegeben werden.
- Wir schließen LEDs nie direkt an 230V Netzspannung an.
- Wir verwenden nach Möglichkeit 4,5V-Batterien oder
- ein Labornetzgerät mit 5V.
- Eine Spannungsquelle hat einen Plus- und einen Minus-Pol.
- LEDs haben eine Anode und eine Kathode.
- Die Anode einer LED muss immer an Plus angeschlossen werden.
- LEDs werden immer mit einem Vorwiderstand betrieben.
- Der Vorwiderstand kann vor der Anode oder hinter der Kathode einer LED liegen.
- Das Tool LED berechnet Vorwiderstände für LEDs.
Wir machen Fehler
Natürlich machen Elektroniker Fehler
- Erfahrene genauso wie Einsteiger.
Wir sollten Vorkehrungen treffen, damit Fehler
- keine fatalen Folgen haben und
- Bauelemente nicht beschädigt werden.
- Sicherungen helfen dabei.
Sicherungen
Eine Sicherung ist eine sinnvolle und notwendige Ergänzung zu einer Batterieversorgung. Auch andere einfache Stromversorgungen, wie eine USB-Powerbank mit dem USB-Adapter, sollten damit ergänzt werden.
PTC-Sicherung
Eine PTC-Sicherung ist sehr einfach und effektiv.
- Es handelt sich um einfaches Bauelement mit zwei Anschlüssen, die beliebig herum angeschlossen werden können.
- Sie schützt unsere ersten Schaltungen ausreichend.
- Sie ist sofort nach Beseitigung des Fehlers wieder einsatzbereit.
- Für empfindliche elektronische Bauelemente ist sie leider viel zu langsam.
- Wir verwenden die
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Die Sicherung wird einfach in die + (Plus) Leitung geschaltet.
Am besten wird die PTC-Sicherung auf einem Steckboard eingebaut.
- Die beiden Leitungen links kommen von der Stromversorgung, einer Batterie oder einer USB-Powerbank.
- Die rote Leitung ist die + (Plus) Leitung.
- Die schwarze Leitung ist die - (Minus) Leitung.
- Die PTC-Sicherung ist das gelbe Bauelement oben links.
- Es verbindet die ankommende + (Plus) Leitung mit dem + (Plus) des Steckboards.
- Die PTC-Sicherung darf keine anderen Bauteile berühren.
- Die schwarze - (Minus) Leitung wird direkt mit der des Steckboards verbunden.
- Ganz rechts befinden sich zwei Drahtbrücken, die die oberen Versorgungsleitungen des Steckboards mit den unteren verbinden.
- In der Mitte befindet sich eine LED mit einem Vorwiderstand.
- Die LED zeigt an, dass die Versorgungsspannung anliegt.
- Diese Anordnung mit PTC-Sicherung und LED mit Vorwiderstand sollten wir immer verwenden, wenn wir Versuche durchführen.
Elektronische Sicherung
Eine elektronische Sicherung ist besser und zuverlässiger als eine PTC-Sicherung und sollte so früh wie möglich eingebaut werden.
Labornetzgeräte können auch auf kleine Ströme eingestellt werden. Sie reagieren oft zu langsam, um bei kleinen Strömen einen guten Schutz zu bieten. Auch hier ist elektronische Sicherung sinnvoll.
In Bau einer elektronischen Sicherung bauen wir eine einfache elektronische Sicherung.
Im Praktikum Einfache elektronische Sicherung lernen wir, wie eine elektronische Sicherung funktioniert.