Erste Versuche mit Leuchtdioden(LED)

Erste Versuche mit Leuchtdioden(LED)
Der elektrische Strom kann nur in einem geschlossenen Stromkreis fließen. Doch wie erkennen wir
einen Stromkreis? Wir üben das mal an einigen Beispielen und machen uns so mit den wesentlichen
Teilen vertraut.
Ohne Batterie geht nichts! Wir nehmen uns das Übungsbrett mit den Leuchtdioden(LED). Um einen
Stromkreis aufzubauen, brauchen wir die 9V-Batterie. Dann noch einige Verbindungskabel, die wir
von jetzt an Leitungen nennen. Die Batterie liefert den elektrischen Strom. Wie groß der ist, werden
wir später messen. Zunächst aber wollen wir ihn durch eine LED schicken. Wir verbinden also den
Pluspol mit der LED 4 am Punkt a. Hier fließt der Strom in die LED hinein. Am anderen Anschluss
d der LED kommt er wieder heraus. Damit er in die Batterie zurück fließen kann, müssen wir ihm
eine Leitung zum negativen Pol schalten. Wir verbinden also den Punkt d der LED 4 mit dem
Minuspol. Und wenn ihr richtig hinschaut, könnt ihr entdecken, dass der Strom jetzt im Kreis
herum vom Pluspol durch die LED und zurück zum Minuspol fließen wird. In unserer Schaltung
immer rechts herum. Aber die Richtung ist dem Strom ganz egal. Wir erkennen auch den Stromfluss
daran, dass die LED leuchtet. Unterbrechen wir irgendwo den Stromkreis, dann wird sie dunkel.
Macht das bitte mal bei a oder d.
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Die Reihenschaltung
Wir haben soeben unseren ersten Stromkreis gebaut. Aber wie bringen wir auch noch zusätzlich die
LED 5 zum Leuchten? Tja, da gibt es zwei Möglichkeiten. Wir werden beide mal ausprobieren.
Zunächst stellen wir die sog. Reihenschaltung her:
Verfolgt bitte mal die Pfeile. Sie zeigen, wie der Strom im Kreis fließt. Zuerst durch die obere LED
4, danach auch noch durch die LED 5. Es ist doch verständlich, dass durch beide Leuchtdioden
derselbe Strom fließt, oder? Wo soll er denn auch sonst noch hin? Die Leitungen geben ihm keine
Chance, den Weg im Stromkreis zu verlassen. Da sie isolieren, kann er nicht einfach mal irgendwo
abzweigen oder sich aufteilen. Nix da! Er muss den Weg nehmen, den wir ihm vorgeben. Und weil
er ja durch beide Dioden dieselbe Stromstärke hat, sollten die Dioden auch gleich hell leuchten.
Prägen wir uns mal für einen Augenblick die Helligkeit der LEDs ein. Wir werden gleich eine
zweite Schaltung testen und einen Helligkeitsvergleich machen.
Die Parallelschaltung
Ihr ahnt es sicherlich schon: Der Strom soll jetzt einen parallelen Weg durch die Leuchtdioden
finden. Das kann er nur dann, wenn wir ihm durch die spezielle Verlegung der Leitungen dazu die
Möglichkeit geben. Wir bestimmen durch unsere Vorgaben,welche Wege der elektrische Strom
nehmen darf. Ihr seid die Meister, die ihn von nun an beherrschen. Also die Elektroniker, die mit
ihm zukünftig ganz gezielt umgehen werden. Aber wir müssen auch vorhersehen, was passiert,
wenn wir mit dem Strom spielen. Also schauen wir uns mal die folgende Schaltung an:
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Sie ist gar nicht so kompliziert, wie es auf den ersten Blick scheint. Der Strom teilt sich nach der
Batterie auf zwei parallele Wege auf. Einmal durchfließt er die obere Diode, zugleich aber auch die
untere. An den Punkten d fließen die Teilströme wieder zusammen. Gemeinsam erreichen sie den
Minuspol der Batterie.
Fällt euch auf, dass die Helligkeit jetzt wieder so ist, wie wir sie im einfachen Stromkreis von einer
Diode her kennen? Offensichtlich war der Strom in der Reihenschaltung geringer, denn die
leuchteten etwas dunkler. Jetzt hat er wieder seine alte Stärke.
Das Multimeter
Leider ist der Unterschied nicht so groß, dass ihr ihn gleich bemerkt hättet. Durch meine Hinweise
seid ihr aufmerksam geworden. Und es ist tatsächlich nicht leicht, die Stärke eines elektrischen
Stromes durch die Helligkeit der Leuchtdioden zu bestimmen. Zum Glück gibt es dazu Messgeräte.
Mit so einem Multimeter werden wir die unterschiedlichen Ströme bei den nächsten Versuchen
bestimmen. Ich habe nämlich die oberen drei LEDs mit besonderen Anschlüssen versehen, die uns
das Messen erleichtern werden. Aber zunächst müsst ihr den Umgang mit dem Multimeter üben.
So ein Messgerät ist ziemlich teuer. Und es wäre doch schade, wenn man es durch Unwissenheit
zerstört. Es kann nämlich noch mehr als nur den Strom messen. Wir lernen mit ihm etwas über die
elektrische Spannung und den elektrischen Widerstand. Strom, Spannung und Widerstand sind die
wichtigsten elektrischen Größen, die wir genau kennen sollten. Erst wenn wir mit diesen Begriffen
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sicher umgehen können, werden wir kleine elektronische Schaltung verstehen lernen. Mit unserem
„Fachchinesisch“ werden wir bald unkundige Mitschüler beeindrucken.
Dioden
Warum heißen Leuchtdioden Dioden? Sie haben auch die elektrische Eigenschaft, den Strom nur in
einer Richtung hindurch fließen zu lassen. Sie haben zwei(di) Anschlüsse. Der Strom fließt von der
Anode zur Kathode. Es sind elektronische Bauelemente, die man auch zu den Halbleitern zählt. Zu
dieser Familie gehören alle Dioden, Transistoren und integrierte Schaltkreise(IC). Es gibt noch
mehr Mitglieder, wir wollen uns aber zunächst auf die Dioden konzentrieren. Das Schaltsymbolist:
Eigentlich kennen wir es schon. Es fehlen hier die Pfeile, die die Lichtemission darstellen sollen.
Nur Leuchtdioden strahlen Licht aus. Die Anwendung für eine elektronische Diode ist eine andere.
Z.B. soll sie den Strom nur in einer Richtung durchlassen, in der anderen aber sperren. Diese
Wirkung wird häufig dann benötigt, wenn man es mit Wechselstrom zu tun hat. Der wechselt
nämlich ständig seine Polarität und möchte mal in diese, dann aber wieder in entgegengesetzter
Richtung fließen. Der Strom aus der Steckdose macht das 50 mal in der Sekunde. In unserem
Radio, das wir später bauen werden, sind Wechselströme, die in der Sekunde mehr als 500 000 mal
die Richtung ändern. Man nennt die Anzahl der periodischen Richtungsänderungen auch Frequenz.
So eine Diode hat also einen ganz bestimmten Zweck, wenn wir sie in einer elektronischen
Schaltung verwenden. Wir könnten sie z.B. als Schutz vor dem falschen Anschließen der Batterie
einsetzen. Eine LED hat nämlich nur eine geringe Sperrspannung. So wird diejenige Spannung
bezeichnet, die man anlegen darf, ohne dass die LED durch einen rückwärts gerichteten Strom
zerstört wird. Legt man an die LED mehr als +5V so an, dass der Pluspol der Batterie am Strich des
Symbols ist, dann wird sie den Spannungsdruck nicht aushalten und einfach durchbrechen. Sofort
würde ein großer Strom in falscher Richtung durch die LED fließen und sie zerstören. Die Höhe
dieser zulässigen maximalen Spannung wird als Sperrspannung in den Datenblättern von Dioden
angegeben. Wollen wir also unsere LED vor falscher Polarität und damit vor dem Anlegen von
unzulässiger Sperrspannung schützen, dann schalten wir in Reihe mit ihr einfache eine Diode, die
viel mehr Sperrspannung aushält als die LED.
In dieser Schaltung würde ohne die Diode an der LED direkt die Batteriespannung von +12 V
anliegen. Da die Sperrspannung der LED nur max. +5V sein darf, würde sie zerstört. Die
nachgeschaltete Diode aber hält z.B. +1000V aus, bevor sie durchbricht. Die hohe Batteriespannung
kann also nicht mehr an die LED gelangen und die wird so geschützt. Dennoch kann man die LED
bei richtiger Polung ihrer Anschlüsse normal betreiben:
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Jetzt kann der Strom fließen, denn beide Dioden sind in Leitrichtung geschaltet.
Der Einweg-Gleichrichter
Ihr habt also erkannt, dass „normale Dioden“ sehr nützlich sind. Man verwendet sie z.B. sehr häufig
dafür, den Wechselstrom aus unseren Steckdosen in einen Gleichstrom zu wandeln. Immer wenn die
Stromrichtung stimmt, lassen die Dioden den Wechselstrom hindurch. Wenn die Richtung wechselt,
dann sperren die Dioden. Es kann also zur halben Zeit ein Strom fließen, der seine Richtung nicht
ändert. Solche Dioden nennt man Gleichrichterdioden oder einfach Gleichrichter. Sie lassen den
Strom nur in gleicher Richtung hindurch. Man macht auf diese Weise aus einem Wechselstrom
einen Gleichstrom. Die folgende Schaltung zeigt das Prinzip. Es ist eine Einweg-GleichrichterSchaltung:
Der Kondensator C1 wird Ladekondensator genannt. Er gibt in der Sperrphase die zuvor
eingespeicherte Energie(Strom) wieder an den Verbraucher ab. Somit wird die „stromlose Zeit“
überbrückt. Dennoch ist der Gleichstrom etwas „verbrummt“, wenn man so einen Gleichrichter mit
der 50Hz-Wechselspannung aus unserem Lichtnetz betreibt. Man muss noch einen kleinen
Widerstand und einen zweiten Kondensator dazu schalten, um eine einigermaßen brummfreie
Gleichspannung zu gewinnen. So ähnlich sind die älteren Steckernetzteile alle aufgebaut. Sie
enthalten einen Transformator, der die Netzspannung von 230V auf ca. 12V herunter transformiert.
Dann folgt ein Gleichrichter und zwei Ladekondensatoren. Allerdings verwendet man einen
Vollweg-Gleichrichter, der die Umwandlung des Wechselstroms in den Gleichstrom mit einem
besseren Wirkungsgrad macht. Seine Schaltung werden wir uns nun vornehmen.
Für das Studium des Vollweg-Gleichrichters habe ich euch ein Übungsbrett gebastelt.
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Der Vollweg-Gleichrichter
Es werden vier Dioden sehr trickreich so geschaltet, dass immer zwei von ihnen zugleich leiten oder
sperren.
Nehmen wir mal an, dass am Punkt a der positive Pol der Batterie angeklemmt ist und an h der
negative Pol. Dann fließt der Strom von a nach b, weiter von b nach c und über den Widerstand
nach e. Von dort über die Diode D4 nach und h in die Batterie zurück.
Vertauschen wir die Klemmen der Batterie am linken Eingang der Schaltung, so fließt der Strom im
Widerstand aber wieder in derselben Richtung von rechts nach links. Ganz egal, wie wir an die
Klemmen die Pole der Batterie anschließen, der Strom wird seine Richtung durch den Widerstand
beibehalten. Im allgemeinen verwendet man diesen Gleichrichter, um aus einem Wechselstrom
einen Strom gleicher Richtung zu erhalten, also einen Gleichstrom. Auch dieser Gleichrichter
braucht noch Ladekondensatoren, um eine brummfreie Spannung zu erzeugen.
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Mit der Schaltung können wir aber auch sicherstellen, dass unsere LED immer leuchtet, wenn wir
eine Batterie oder eine Wechselstromquelle an den Eingang a-h anschließen. Unabhängig von der
Batteriepolung leuchtet die LED1und kann auch nicht durch falsche Polung zerstört werden:
Immer dann, wenn man nicht sicherstellen kann, dass jemand die Batterie oder eine andere
Stromversorgung(Netzgerät) korrekt gepolt anschließt, kommt diese Schaltung zur Anwendung.
Man nennt sie auch Verpolungsschutzschaltung. Sie ist sehr wichtig, wenn durch falsche Polung
eine ganze elektronische Einheit gefährdet wäre.
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Die Welt der Dioden
Im Übungsbrett habe ich den Vollweggleichrichter mit Leuchtdioden gebaut, damit ihr sehen könnt,
wie der Strom fließt. In der Praxis nimmt man natürlich „normale Dioden“, die mehr Strom
aushalten und eine höhere Sperrspannung haben. In der Gleichrichtertechnik findet man Dioden für
sehr große Ströme oder hohe Sperrspannungen. Reicht die Sperrspannung einer einzelnen Diode
nicht aus, schaltet man mehrere in Reihe.
Aber Dioden sind fast überall in der Elektronik unentbehrlich. Durch eine aufgedruckte
Kennzeichnung oder Farbringe sind sie Datenblättern zugeordnet. Eine Diode 1N4001 hat 50V und
eine 1N4007 1000V Sperrspannung. Sie können beide maximal 1 A durchlassen. Eine Signaldiode
1N4148 wird man wohl kaum in Steckernetzteilen finden, denn sie ist nur für wenige mA ausgelegt
und dient anderen Zwecken als der profanen Gleichrichtung.
Die Hersteller haben verabredet, dass dieselben Kennzeichnung auch gleiche Eigenschaften der
Dioden garantieren. So ist eine Diode aus japanischer Fertigung genauso verwendbar wie eine aus
deutscher Produktion bei Infineon. In Amerika ist es üblich, eine Diode mit der Kennzeichnung
1N... zu bedrucken. Beginnt sie aber mit 2N...., dann handelt es sich um einen Transistor.
Auch andere Typbezeichnungen sind üblich. Eine BA 212 z.B. kennzeichnet eine
Kapazitätsdiode(Varactor), die spezielle gezüchtet wurde, um mit veränderlicher
Sperrschichtkapazität in der Funktechnik Schwingkreise abzustimmen oder Frequenzen zu
stabilisieren. Solche Dioden findet man in Radios und Fernsehern. Hier sind auch Dioden mit
besonderen Eigenschaften für das Mischen von Wechselströmen unterschiedlicher
Frequenz(Mischerdioden). Ebenso für das Erzeugen von hochfrequenten Wechselströmen
(Tunneldioden). Es gibt sie auch als veränderliche Widerstände in der Funk- und Messtechnik.
Mit sog. Zenerdioden stabilisiert man elektrische Gleichspannungen. Besonders genaue
braucht man für die Erzeugung temperaturstabiler Referenzspannungen in der
Messtechnik(Referenzdioden).
Man kann auch Kälte mit Dioden erzeugen(Peltierelement). Und in der ebenfalls flächigen Bauform
gewinnt man in der Solartechnik aus dem Sonnenlicht elektrischen Strom.
Integriert man tausende oder millionen Fotodioden auf einer Sliziumscheibe, kann man damit
Bilder aufnehmen und speichern(Digitale Kamera oder Camcorder).
Als gewöhnliche Fotodioden sind sie in den Empfängern von Infrarot-Fernsteuerungen aller Art zu
finden. Auch in Lichtschranken in der Industrie ,in Haushaltsgeräten und Werkzeugen verbergen
sie sich. Als besonders geformte Leuchtdioden zeigen sie mit den alphanumerischen Anzeigen
Buchstaben, Ziffern und Symbole an(Aufzug, Taschenrechner, Armbanduhr).
Als sehr empfindliche Fotodioden dienen sie zum Nachweis radioaktiver Strahlung.
Seit man auch Leuchtdioden mit weißem Licht herstellen kann, verdrängen sie mehr und mehr die
Glühlampen. Aber:
VORSICHT!
Schaut bitte niemals direkt in eine weiß strahlende LED! Das intensive Licht kann die Netzhaut
verbrennen.
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Gleiches gilt für alle Laserdioden! Laserpointer mit rotem oder grünem Lichtstrahl sind ebenso
gefährlich. Niemals darf man sie direkt auf die Augen richten.
In den CD- bzw- DVD-Geräten dienen LEDs oder Laserdioden, die ultraviolettes Licht(UVStrahlen) abgeben, zum Lesen und Beschreiben(Brennen) von den bekannten
Datenspeicherscheiben. Sie sind besonders heimtückisch, da man die Strahlen nicht sehen kann.
Beim Umgang mit solchen Dioden muss man zwingend eine spezielle Schutzbrille tragen. Deshalb
lasst bitte solche Basteleien mit UV-Dioden aller Art links liegen und überlasst eventuell
notwendige Reparaturen den Fachleuten!
In der Industrie werden leistungsstarke Laserdioden für das Schneiden von Blechen oder auch
anderen schwierig zu bearbeitenden Stoffen( Keramiken) eingesetzt. Man kann damit auch
schweißen.
Sind Leuchtdioden in großen Flächen zu Millionen integriert, dann zeigen sie uns bunte Bilder in
Flachbildfernsehern, Bildschirmen der Computer und Handys.
In Computern sind aber auch schnelle Schaltdioden, die innerhalb von Nanosekunden(10^-9 s) den
Strom sperren und wieder leitend werden können. Es sind sog. Schaltdioden, mit denen man auch
mechanische Schalter ersetzen kann. Solche „Schalter“ aus Silizium haben keinen Verschleiß.
In der Radartechnik(Geschwindigkeitskontrolle) werden Gunn-Dioden angewendet. Sie erzeugen
Radiowellen mit sehr hoher Frequenz.
In Nachtsichtgeräten nehmen spezielle Fotodioden infrarotes Licht(nicht sichtbar) als Bild auf und
speichern es kurzzeitig. Sie geben dann elektrische Ströme wieder ab, wenn das Bild elektrisch
ausgelesen und damit ein Bild erzeugt wird. Auf diese Weise kann man durch die Dunkelheit oder
durch Nebel hindurch sehen.
Mit Laserdioden misst man Entfernungen. In Diskotheken blitzen sie in Spiegeln und zeichnen
Figuren. Sie locken die Gäste mit weit sichtbaren Strahlen in den Nachthimmel an.
Ich habe sicherlich vergessen noch einige Anwendungen aufzuzählen, aber das soll jetzt mal genug
sein. Ihr habt also erkannt, dass man in unserer Welt überall Dioden finden könnte. Sie beherrschen
die Elektronik jeden Tag ein bisschen mehr. Und wenn man sie zu besonderen Konstruktionen
zusammenfügt, haben sie plötzlich mehr als zwei Anschlüsse und werden zu Transistoren und
anderen interessanten Halbleitern. Die sind noch bedeutsamer. Aber dazu kommen wir später.
Jetzt bastelt mal zunächst mit Dioden. Man kann viel Spaß damit haben und immer wieder Neues
mit ihnen entdecken. Manchmal auch sehr schöne Objekte bauen(Leuchtbilder, Schmuck).
DF8ZR, 13.09.2009
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