Leuchtdioden werden in vielen Arduino - Experimenten eigesetzt. Schnell lernt man, dass für jede Leuchtdiode ein Vorwiderstand eingesetzt werden muss. Warum ist das so ?
Da wäre es doch praktisch, wenn wir eine Leuchtdiode mit eingebautem Widerstand hätten. Deshalb kommt zum Schluss noch eine kleine Bastelarbeit.
Die Ausgangslage
Auch heute blinkt es wieder. Deutlich sieht man die drei Leuchtdioden mit ihren Widerständen, die an Pin 6, 9 und 12 des Arduinos angeschlossen sind.
Hier seht ihr auch das Schema der Schaltung. Ein Schaltschema ist sehr viel übersichtlicher als ein Bild eines Breadboards mit vielen Bauteilen und Drähten. Ich empfehle euch, wo immer möglich mit einem Schaltschema zu arbeiten.
Das Experiment
In unserem Experiment lassen wir den Arduino weg. Stattdessen verbinden wir die Leuchtdioden direkt mit einer 9 V - Batterie.
Wir sehen das Schema unseres Testaufbaus, wie ich ihn im Simulator erstellt habe.
Allerdings weichen unsere Messwerte in einem Punkt stark von dem im Simulator berechneten Wert ab.
Element
Batterie Experiment
Batterie Simulator
Rote LED Experiment
Rote LED Simulator
Grüne LED Experiment
Grüne LED Simulator
Blaue LED Experiment
Blaue LED Simulator
Spannung
8.7 V
8.7 V
2.2 V
2.17 V
2.3 V
2.27 V
3.3 V
3.23 V
Strom
77 mA
83.8 mA
30 mA
29.7 mA
29 mA
29.2 mA
25 mA
24.9 mA
Auf den ersten Blick sieht alles sehr gut aus. Eigentlich haben wir nur eine kleine Abweichung im Gesamtstrom. Aber der ist tragisch. Wir verletzen damit ein Grundprinzip der Elektrotechnik: der Gesamtstrom muss der Summe der Teilströme entsprechen.
Unsere gemessenen Teilströme geben eine Summe von 84 mA, gemessen haben wir nur 77 mA. Woher kommt dieser Messfehler ? Der Hersteller des Multimeters gibt einen maximalen Fehler von 1.8 % im Bereich von 40 mA an. Das haben wir weit überschritten.
Wo das Problem genau liegt, habe ich nicht herausgefunden. Wenn ich die Messung mit dem Multimeter von Fluke durchführe, erziele ich weit bessere Ergebnisse.
Diese Beispiel zeigt, dass man gegenüber Messwerten immer etwas misstrauisch sein soll.
Eine andere Geschichte sind die 8.7 V. In einem früheren Video hatten wir noch mehr als 9 V gemessen. Wenn wir die Batterie unbelastet messen kommen wir immer noch auf gut 9 V. Warum also 8.7 V? Batterien erzeugen den Strom durch einen chemischen Vorgang. Sie haben einen Innenwiderstand, der führt dazu, dass die Spannung bei Stromentnahme abnimmt. Dieser Innenwiderstand ist nicht konstant. Er wird mit abnehmendem Ladezustand der Batterie grösser. Deshalb genügen die knapp 80 mA, um die Ausgangsspannung der Batterie merklich zu verkleinern. Das hat zwar nichts mit unserem Messfehler zu tun, sollte aber beim Experimentieren berücksichtigt werden.
Was sind Leuchtdioden
Eine Leuchtdiode, auch LED (von light-emitting diode) ist ein Halbleiterbaustein, der Licht aussenden kann. Wie eine normale Glühbirne gibt er die aufgenommene Energie in Form von Licht und Wärme ab. Im Gegensatz zur Glühbirne, ist der Anteil des Lichts aber wesentlich höher. Dafür müssen aber für ihren Betrieb verschiedene Dinge berücksichtigt werden.
Es gibt sie in verschiedenen Bauformen und Farben. Grundsätzlich haben sie zwei Anschlüsse. Es gibt auch Modelle mit mehr Anschlüssen. Da sind aber einfach mehrere verschiedenfarbige LED's in einem Gehäuse verbaut, dadurch ist es möglich die Farbe zu wechseln.
Die wichtigsten Eigenschaften
Grundsätzlich ist eine LED auch nichts anderes als eine Diode und übernimmt daher auch diese Eigenschaften. Über Dioden werden wir zu einem späteren Zeitpunkt sprechen, darum werden wir hier einfach einige Dinge ohne grosses Hinterfragen zur Kenntnis nehmen.
- Dioden sind polaritätsabhängig. Der Strom fliesst nur in Pfeilrichtung. Man nennt das auch Durchlassrichtung.
- An der Diode liegt immer eine mehr oder weniger konstante Spannung an. Diese beträgt bei einer roten Standardled ca. 2.2 V und ändert sich mit steigendem Strom nur gering. Diese Spannung ist vom Diodentyp, hauptsächlich aber von der Farbe abhängig.
- Dioden benötigen immer einen Vorwiderstand! Er regelt den Strom, der durch die Diode fliesst.
Der Strom kann überschlagsmässig wie folgt berechnet werden:
(Batteriespannung - Diodenspannung) / Vorwiderstand
In unserem Beispiel (5 V - 1.96V) / 220 Ohm
Eine LED für das Experimentierbrett
Beim Experimentieren ist es sehr mühsam, wenn mit jeder LED ein Widerstand gesucht und verbaut werden muss. Aus diesem Grund zeige ich im Video, wie man schnell eine eigene LED mit eingebautem Widerstand herstellen kann.
Material:
- LED
- Widerstand (z. Bsp. 220 Ohm)
- Schrumpfschlauch rot
- Schrumpfschlauch schwarz
Es ist egal, ob wir den Widerstand an die Kathode (-) oder Anode (+) der LED anschliessen. Wichtig ist aber, dass der rote Schrumpfschlauch an der Anode und der schwarze Schrumpfschlauch an der Kathode angebracht wird. Wenn etwas unklar ist, dann schaut euch das Video an.
Das Endprodukt ist ein praktisches Bauteil, das wir beim Experimentieren vielfältig einsetzen können.
Willst du es genauer wissen ?
Wikipedia ist immer eine gute Informationsquelle:
Leuchtioden
Auf diesen Webseiten findet ihr weitere Erklärungen:
www.elexs.de/led1.htm
www.elexs.de/kap2_6.htm
Hier noch einige Videos:
Elektronik
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