Unterrichts- und Lernmaterial für Mikrocontroller
Unterrichts- und Lernmaterial fürMikrocontroller

1 - Kennlinien verschiedener LEDs ausmessen

Hier lernst du einige Hauptmerkmale von LEDs kennen und du erfährst, warum man den Strom durch eine LED begrenzen muss und wie man das macht. Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes wird der Widerstandswert zur Begrenzung des Stroms durch eine LED berechnet. Über Spannungsmessungen an einer LED wird gezeigt, wie sich der Spannungsabfall ändert, wenn die Versorgungspannung erhöht oder erniedrigt wird. In weiteren Schritten wird mit LEDs in Serien- und Parallelschaltung experimentiert.

Bauteil

Abbildung 1 - Zwei LEDs in den Farben blau (runde Form) und rot (eckige Form)

Schaltsymbol

Abbildung 2 - Schaltsymbol einer LED (light emitting diode)

Stichworte

Lichtaussendende Diode, LED, Strom, Spannung, Widerstand, Ohmsches Gesetz, Parallelschaltung, Reihenschaltung, Durchlassspannung, Kennlinie

Benötigtes Material für das Thema LEDs
Material
  • 1x  Prop-BoE, Prop-AB, Arduino UNO oder BoE mit BASIC Stamp2
  • 4x  LEDs verschiedener Farbe (rot, grün, gelb, blau oder orange); alle LEDs sollten den gleichen Durchmesser, entweder 3mm oder 5mm haben
  • 1x  Potenziometer, 10 kOhm
  • 1x  Widerstand, 100 Ohm
  • 1x  Widerstand, 470 Ohm
  • 1x  Steckbrett
  • 1x  Voltmeter und Amperemeter oder ina219 Stromsensor-Modul
  • 1x  Spannungsquelle mit variabler Ausgangsspannung, 0 ... 12V

Die Helligkeit einer leuchtenden Glühbirne nimmt zu, wenn die anliegende Versorgungsspannung zunimmt - zum Beispiel bei alten Dimmerschaltungen für Glühbirnen. Erhöht man die anliegende Spannung über den vom Hersteller vorgegebenen Wert, brennt die Birne durch oder ihre Lebensdauer nimmt stark ab.

Bei einer LED hängt die Helligkeit hingegen vom Strom ab, der durch sie hindurchfließt. Erhöht man den Strom über einen vorgegebenen maximalen Wert, wird die LED verglühen. Aus diesem Grund muss der Strom durch sie mit einem Widerstand, dem sogenannten Vorwiderstand, begrenzt werden.

Im folgenden Experiment erfährst du,

  • wie man die notwendigen Daten über eine LED dem sogenannten Datenblatt entnimmt.
  • wie man mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes einen Widerstandswert berechnet.
  • wie Änderungen der Stromstärke die Helligkeit einer LED beeinflussen.
  • wie man einen Vorwiderstand für eine beliebige LED berechnet, wenn kein Datenblatt zur Verfügung steht.
  • wie man die Kennlinie von einer LED aufnimmt.

2 - Das Datenblatt mit Kenngrößen

Lade dir aus dem Internet das Datenblatt zu einer LED auf den Rechner, zum Beispiel über das Stichwort des Herstellers in der Suchmaschine. In der Regel enthält das Datenblatt Aussagen über:

Abbildung 3 - Auszug aus einem LED-Datenblatt

Abstrahlwinkel

Das Licht einer LED wird kegelförmig abgestrahlt. Der Abstrahlwinkel wird zwischen der Achse dieses Kegels und seiner (gedachten) Mantelfläche gemessen. Ein Abstrahlwinkel von 20° entspricht einem Öffnungswinkel von 40°, wie die folgende Abbildung zeigt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 4 - Abstrahlwinkel einer LED und Öffnungswinkel des Kegels.

Farben

Je nach Hersteller werden unterschiedliche Farben für LEDs angeboten. Es gibt sie in farblos klar, in orange (585nm - 595nm), rot(620nm - 750nm), grün (500nm - 530nm), blau (430nm - 480nm) und weiteren Zwischentönen. Die Einheit nm hinter den Zahlen steht für Nanometer, was gleichbedeutend mit einem milliardstel Meter oder  

Durchlassspannung, Durchlassstrom, Spitzenstrom

Vom Hersteller wird für jede Diode die Durchlassspannung (typ.) mit mittlerem Durchlassstrom und der maximale Durchlassstrom (Spitzenstrom) angegeben. Aus dem Datenblatt (Abb. 3) entnimmt man zum Beispiel für die Durchlassspannung 2,0 V einen mittleren Durchlassstrom von 20mA und einen maximal zulässigen Spitzenstrom von 100mA für sehr kurze Zeit.

3 - Eine LED beschalten

Ein elektrischer Strom kann nur in einer Richtung durch eine LED hindurchfließen. Wählt man die technische Stromrichtung (Ladung fließt von Plus nach Minus), dann sagt man:

Bei einer Diode ist die Kathode immer an der flachen Seite des Gehäuses zu finden und sie hat einen kürzeren Draht, während die Anode immer durch den längeren Draht gekennzeichnet ist.

Drei Eselsbrücken

Kathode und kürzerer Draht kann man sich leicht merken, beides fängt mit k an oder das Schaltsymbol der LED ist ein Pfeil, der in die Richtung zeigt, wie der Strom fließt: von Plus nach Minus. Als dritte Eselsbrücke bietet sich an: der Querbalken vorne am Dreieck des Schaltsymbols hat starke Ähnlichkeit mit dem Minuspol-Zeichen.

4 - Berechnung des Vorwiderstandes einer LED

Um eine LED zum Leuchten zu bringen, sollte man IMMER einen Vorwiderstand in den Schaltkreis mit einbauen. Nehmen wir eine 9V-Blockbatterie, die eine rote LED zum Leuchten bringen soll. Der Schaltkreis dazu:

Abbildung 5 - Schaltkreis mit LED mit Vorwiderstand R

Die Durchlassspannung einer roten LED bewegt sich je nach Ausführungsform zwischen 1,7 und 2,1 V. Wir legen fest, dass dieser Spannungswert bei 1,8V liegt, dann müssen über dem Vorwiderstand R noch 7,2V abfallen. Der Kreis mit eingeschriebenem V symbolisiert jeweils ein Spannungsmessgerät.

Abbildung 6 - Spannungsabfall über einer LED rot und ihrem Vorwiderstand bei einer Versorgungsspannung von 9 Volt.

Nehmen wir weiter an, dass durch die Diode ein Strom von 20mA Stärke fließt; das ist ein ziemlich gängiger Wert für die meisten Dioden. Mit diesen Festlegungen und dem Ohmschen Gesetz lässt sich jetzt der Vorwiderstand berechnen.

Der dem berechneten Wert von 450 Ohm am nächsten gelegene Normwert ist 470 Ohm. Der wird in die Schaltung eingebaut und die LED sollte leuchten.

Durchlassstrom einer LED
Aufgaben
  • Baue die Schaltung nach Abb. 7 auf einem Steckbrett auf und überzeuge dich davon, dass die LED leuchtet.
  • Schließe ein Stromstärkemessgerät an und überprüfe, wie hoch der Durchlassstrom bei der LED ist.
  • Ein Aufbau mit dem Stromstärkemodul INA219 und dem Arduino UNO zeigt im Terminal sowohl die Durchlassstromstärke als auch die Diodenspannung an. Als Programm wurde dazu LED_Durchlassstrom.ino benutzt.
Abbildung 7 - Messschaltung zur Bestimmung der Stromstärke

Programm LED_Durchlassstrom.ino

Die Terminalausgabe für die Stromstärke im Schaltkreis liegt bei 14,3 mA, der Spannungsabfall über der Diode bei 1,84 V und über dem Widerstand R = 470 Ohm bei 6,7 V. Der Schaltkreis wurde von einer 9V Blockbatterie gespeist (Ladezustand unbekannt).

Abbildung 8 - Terminalausgabe des Durchlassstromes und der Diodenspannung

5 - Kennlinienaufnahme von mehreren LEDs

Die Kennlinie wird mit dem Modul INA219 aufgenommen. Das zugehörige Programm gibt im Terminal für jeden eingestellten Spannungswert den Stromfluss durch die LED an.

Kennlinie einer LED aufnehmen
Material
  • 1x  Arduino UNO Board und USB-Verbindungskabel
  • 1x  INA219 Modul zur Strom- und Spannungsmessung
  • 1x  Widerstand, 100 Ohm
  • 3x  LED - rot, gelb, grün
  • 1x  Potenziometer, 10 kOhm
  • 6x  Steckdraht
  • 1x  Steckbrett
Aufgaben
  • Baue die Schaltung aus Abb. 9 auf dem Steckbrett auf und verbinde sie mit dem Arduino UNO.
  • Verbinde die Mikrocontrollerplatine über den USB-Port mit einem Rechner. Von den drei zur Verfügung stehenden LEDs wähle als erste die rote aus.
  • Übertrage das Programm LED_Kennlinie.ino in den Editor und speichere es ab.
  • Starte das Programm.
  • Nimm die Kennlinie der drei LEDs (rot, grün, gelb) auf. Bewege den Schleifer des Potenziometers ganz nach links und notiere die im Terminal angezeigten Werte für U_Diode und I_Diode. Drehe den Schleifer ganz vorsichtig weiter und erhöhe den Spannungswert bei jedem Schritt um 0,02V. Notiere für jede der drei LEDs die Messwerte.
  • Trage die Messwerte der drei LEDs in eine Excel-Tabelle ein und erstelle einen Graphen, der die Kennlinien der drei LEDs in einem Achsenkreuz zeigt.

Die Messschaltung

Abbildung 9 - Arduino UNO mit INA219 Stromsensor zur Aufnahme von LED-Kennlinien.

Das Programm LED_Kennlinie.ino

6 - Die Ergebnisse

Trägt man die Messdaten in eine Excel-Tabelle ein und erstellt einen Graphen für jede LED-Messreihe, dann ergib sich ein Bild nach Abb. 10.

Abbildung 10 - Strom-Spannungs-Kennlinie von einer roten, gelben und grünen LED.

Wenn man zusätzlich die Durchlassspannung einer unbekannten Diode bestimmen möchte, sollte man mit einer Konstantstromquelle arbeiten, die 20mA Nennstrom bereitstellt. Die Spannung, die dabei über der LED abfällt entspricht der Durchlassspannung. Da dieser Wert u.a. temperaturabhängig ist, kann es sich nur um einen Näherungswert handeln, mit dem sich aber gut arbeiten lässt.

Eine solche Schaltung ist schnell aufgebaut; vielleicht ergänze ich das hier noch;-)

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© Reinhard Rahner - Gettorf