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Inhalt 1 Die Bauteile .................................................................................. 3 2 Die erste LED-Leuchte ..................................................................4 3 Mehr Licht! ..................................................................................8 4 Umschaltbare Helligkeit ............................................................ 10 5 Reihenschaltung mit zwei LEDs .................................................13 6 Parallel geschaltet ...................
23 Weißes Flackerlicht ................................................................44 24 Grünes Flackerlicht ..................................................................45 25 Flackern und Blinken mit sechs LEDs ..................................... 47 2 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 2 20.06.
1 Die Bauteile In diesem Paket geht es um spannende Projekte mit Leuchtdioden und weiteren elektronischen Bauteilen. Zusätzlich finden sich immer wieder Infokästen, die erklären, warum die Versuche so funktionieren, wie sie funktionieren. Natürlich ist es auch möglich, erst einmal nur die eigentlichen Versuche durchzuführen.
genau die richtigen Kontaktlöcher der Steckplatine gesteckt werden. Man sollte vorher mit einer Nadel kleine Löcher in die Schutzfolie auf der Rückseite der Platte stechen und die Kabel von unten hindurchstecken. Dadurch können sie nicht mehr leicht verrutschen. Der Schalter und die Sicherung sollten genau in die gezeigte Position gesteckt werden. Das passt dann für alle folgenden Versuche. So können keine großen Fehler mehr passieren.
und einen Widerstand. Das Endergebnis ist ein einfacher Stromkreis mit einer LED. Sie ist zwar nicht besonders hell, aber es gibt schon einen Schalter und alle wichtigen Teile, die auch in den folgenden Experimenten verwendet werden. Auf dem Bild sieht man genau, in welche Löcher des Steckbretts die Bauteile gesteckt werden müssen. Um die Bauteile auf das Steckbrett zu stecken, eignet sich eine kleine Flachzange. Man setzt die Drähte genau von oben ein. Wichtig ist die richtige Position der Anschlüsse.
LEDs so. Bei der weißen LED gibt es zusätzlich eine gelbliche Leuchtfarbe, die den LED-Kristall bedeckt. Es gibt LEDs, die äußerlich fast gleich aussehen. Aber ein Blick von vorn durch die Linse hilft jederzeit, die weiße LED auch zu erkennen, wenn sie ausgeschaltet ist. Der Widerstand darf in beliebiger Richtung eingebaut werden. Er trägt Farbringe (Gelb, Violett, Rot und Gold), die einen Zahlenwert darstellen. In diesem Fall besagen die Ringe, dass der Widerstand 4.700 Ohm (4.700 Ω) hat.
Schaltbilder Ein Schaltbild zeigt die Verbindungen der Bauteile in vereinfachter Form. Am Anfang ist es vielleicht etwas verwirrend, weil die wirklichen Bauteile anders aussehen. Wenn man sich aber daran gewöhnt hat, sagt ein Schaltbild wesentlich deutlicher, wie alles zusammengehört. Die Batterie besteht aus sechs Batteriezellen mit jeweils 1,5 V. Der längere Strich steht für den Pluspol. Die Sicherung wird als Kästchen mit einem Draht gezeichnet.
3 Mehr Licht! Die LED war im ersten Versuch noch nicht sehr hell. Hier wird nun ein anderer Widerstand eingebaut. Der erste Widerstand hatte 4,7 kΩ (4.700 Ohm, Gelb, Violett, Rot), dieser hat nur 0,47 kΩ (470 Ohm, Gelb, Violett, Braun). Er lässt daher deutlich mehr Strom hindurch. Damit wird die LED sehr viel heller. Widerstände und ihre Farbringe Die Farbringe auf den Widerständen stellen Zahlen dar. Sie werden beginnend mit dem Ring gelesen, der näher am Rand des Widerstands liegt.
Der Widerstandsfarbcode Farbe Ring 1 1. Ziffer Ring 2 2. Ziffer 0 Ring 3 Multiplikator 1 Ring 4 Toleranz Braun Rot Orange 1 2 3 1 2 3 10 100 1000 1% 2% Gelb 4 4 10000 Grün Blau 5 6 5 6 100000 1000000 Violett 7 7 10000000 Grau 8 8 Weiß 9 9 Schwarz 0,5 % Gold 0,1 5% Silber 0,01 10 % 9 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 9 20.06.
4 Umschaltbare Helligkeit Mehr Helligkeit ist manchmal von Vorteil, hat aber auch einen Nachteil. Die Energie der Batterie wird nämlich schneller verbraucht. Praktischer ist es, wenn man sich aussuchen kann, ob man gerade viel oder wenig Licht braucht. Und dafür gibt es den zweiten Schalter, der über ein Kabel mit zwei dünnen Steckern verbunden wird. Wenn er auf ON steht, fließt mehr Strom, und die LED ist heller. Schalter 1 dient weiterhin für geringere Helligkeit.
Eigentlich sind es sogar drei Helligkeitsstufen. Schalter 1 ist für die einfache Helligkeit zuständig und Schalter 2 für die zehnfache Helligkeit. Aber wenn beide Schalter an sind, ergibt sich elffache Helligkeit. Man kann es leicht testen: Schalter 2 ist an, und Schalter 1 wird abwechselnd an- und ausgeschaltet. Der Unterschied ist aber sehr gering und kaum noch zu erkennen. Spannung, Widerstand und Strom Bekanntlich wird die elektrische Spannung in Volt (V) gemessen. Die Batterie hat 9 V.
Mit einem passenden Messgerät könnte man messen, wie viel Strom durch die LED fließt. Aber man kann es auch ausrechnen, wenn man weiß, wie groß die Spannung der Batterie gerade ist und welche Spannung an der LED liegt. Wenn die Batterie noch neu ist, hat sie eine Spannung von 9 V. Die LED braucht ungefähr 3 V. Da bleiben noch 6 V für den Widerstand.
5 Reihenschaltung mit zwei LEDs Hier kommt eine zweite weiße LED in den Stromkreis. Die Leuchte wird damit noch etwas heller. Die Helligkeit reicht schon aus, um damit in der Nacht zu lesen. Und wieder gibt es zwei Helligkeitsstufen. Man kann je nach Situation entscheiden, wie viel Licht gebraucht wird. Reihenschaltung Bei der Reihenschaltung fließt der gleiche Strom durch zwei oder mehr Verbraucher. Es ist ein „unverzweigter Stromkreis“, weil es nur einen Weg gibt.
Vereinfachtes Schaltbild einer Reihenschaltung Die Spannung teilt sich auf die Verbraucher im Stromkreis auf. In diesem Fall sind es zwei LEDs und ein Widerstand. Jede weiße LED braucht ungefähr 3 V. Zwei LEDs haben also einen Spannungsabfall von 6 V. Und weil die Batterie 9 V hat, bleibt ein Spannungsabfall von 3 V am Widerstand. In diesem Fall wird also die Batteriespannung zu gleichen Teilen auf drei Verbraucher aufgeteilt. Genauso verteilt sich der Energieverbrauch.
ten beide LEDs wie beim letzten Versuch. Aber tatsächlich sind sie jetzt etwas weniger hell. Parallelschaltung Die Parallelschaltung wird auch „verzweigter Stromkreis“ genannt. Der Strom durch den Widerstand teilt sich nämlich auf zwei LEDs auf. Die Hälfte des Stroms fließt durch die eine LED, die andere Hälfte durch die andere LED. Ein kleiner Test kann das beweisen: Wenn man das Kabel zwischen beiden LEDs entfernt, geht eine LED aus, aber die andere wird heller.
Parallelschaltung mit zwei LEDs 7 Licht-Morsegerät Ein Tastschalter schaltet in diesem Versuch die Signal-LED ein und aus. So entsteht ein einfaches Morsegerät. Die Signal-LED wird mit großer Helligkeit betrieben. Zusätzlich gibt es eine LED mit schwächerem Dauerlicht, die über den Schalter 1 eingeschaltet werden kann. 16 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 16 20.06.
Infos Morsezeichen 17 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 17 20.06.
8 Grüne Signale Hier wird eine grüne LED anstelle der weißen Signal-LED eingebaut. Das Licht dieser LED ist über noch größere Entfernungen zu erkennen. Damit lassen sich Botschaften mit Freunden austauschen, die sich in Sichtweite befinden. 18 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 18 20.06.
9 Ein elektrisches Testgerät In diesem Experiment wird ein Testgerät gebaut, mit dem man überprüfen kann, welche Dinge Strom leiten. Der Widerstand mit 10 kΩ (Braun, Schwarz, Orange) soll den Strom durch die LED noch weiter verringeren, denn viel Helligkeit wird hier nicht gebraucht. Dazu gibt es zwei Kabel mit Testspitzen. Mit ihnen kann man beliebige Gegenstände berühren. Wenn die LED angeht, weiß man, dass Strom hindurchfließt.
Draht untersucht, wird es keinen Unterschied geben, weil alle Metalle gute Leiter sind. 20 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 20 20.06.
Zusatzversuch Das Testgerät eignet sich auch zur Untersuchung elektrischer Bauelemente. Die Widerstände aus dem Paket leiten den Strom unterschiedlich gut. Eine LED leitet nur in einer Richtung. Und man kann überprüfen, ob eine Glühlampe noch funktioniert oder schon durchgebrannt ist. 10 Rotes und grünes Licht Ziel dieses Versuchs ist der Vergleich der Helligkeiten verschiedenfarbiger LEDs. Eine rote LED soll in Reihe zur grünen LED geschaltet werden.
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11 Ein Farbenumschalter Mit einem Widerstand von 2,2 kΩ (Rot, Rot, Rot) und zwei LEDs soll eine ganz besondere Schaltung gebaut werden, ein Grün-Rot-Umschalter. Immer wenn man auf den Taster drückt, geht die rote LED an, aber die grüne LED geht aus. Bei geschlossenem Schaltkontakt ist das eigentlich nur eine ganz normale Parallelschaltung wie in Versuch 6. Aber da wurden zwei gleiche LEDs verwendet, diesmal sind es zwei verschiedene. Die grüne LED braucht eine größere Spannung als die rote LED.
Die PTC-Sicherung Alle Versuche verwenden eine Sicherung, die in Aktion tritt, wenn mal ein Fehler passiert. Sollte man versehentlich einen Kurzschluss verursachen, könnte ein Draht glühend heiß werden, oder die Batterie könnte überhitzen und im schlimmsten Fall sogar explodieren. Aber die Sicherung kann das verhindern. Viele Sicherungen brennen einfach durch, wenn man einen Kurzschluss baut. Aber diese Spezialsicherung ist anders.
zu großer Strom fließt, wird die PTC-Sicherung heiß und lässt nur noch sehr wenig Strom hindurch, weil ihr Widerstand stark ansteigt. Daher kommt auch der Name. PTC steht für „Positiver Temperatur-Koeffizient“ und bedeutet, dass der Widerstand steigt, wenn die Temperatur steigt. Bei einer Spannung von 9 V wird eine Temperatur von etwa 60 Grad erreicht. Schaltet man dann den Strom ab und beseitigt den Fehler, kühlt die Sicherung ab und ist wieder wie neu.
13 Einstellbare Helligkeit Das Potentiometer (kurz Poti) ist ein einstellbarer Widerstand mit drei Anschlüssen. Solche Bauteile verwendet man auch als Lautstärkeregler in Radios. Aber hier soll damit die Helligkeit einer grünen LED eingestellt werden. Je weiter man den Drehknopf nach rechts dreht, desto heller wird die LED. Bisher wurden ja schon unterschiedliche Widerstände zwischen 0,47 kΩ und 10 kΩ verwendet. Das Poti kann zwischen 0 kΩ und 10 kΩ eingestellt werden.
Das geöffnete Poti 27 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 27 20.06.
14 Rot – Grün – Weiß Mit einem weiteren Kabel kann auch der dritte Anschluss des Potis verbunden werden. Damit kann man die elektrische Spannung in der Schaltung einstellen. Am Schleifer des Potis sind insgesamt drei LEDs angeschlossen. Die rote und die grüne LED haben ihren eigenen Vorwiderstand. Die weiße LED ist zwar direkt angeschlossen, aber bei voller Helligkeit wirkt der Widerstand von 470 Ω. Dreht man den Knopf ganz nach links, sind alle LEDs aus.
Zusatzversuch: Spektralfarben Eine CD kann wie ein Spiegel verwendet werden, um die drei LEDs anzuschauen. Durch eine passende Änderung des Winkels sieht man die weiße LED als Streifen in allen Regenbogenfarben. Das Lichtspektrum wird auseinandergezogen, weil die CD enge Linien hat, die zu einer Interferenz der Lichtwellen führen. Die Linien der roten und der grünen LED werden auch etwas auseinandergezogen, aber sie enthalten nur einen kleinen Teil des Lichtspektrums.
15 Einstellung von Grün bis Rot In diesem Versuch entsteht ein LED-Licht mit einstellbarer Farbe. Es leuchtet entweder rot oder grün oder in beiden Farben. Mit dem Poti kann man die Helligkeit beider LEDs einstellen. Wenn die grüne LED bei einer Linksdrehung heller wird, leuchtet die rote schwächer. Und wenn man das Poti mehr nach rechts dreht, wird die rote LED heller und die grüne schwächer.
Mit dem Poti kann man alle Farben und alle Zwischentöne im Bereich Rot – Gelb – Grün einstellen. 16 Automatisches Blinklicht Die rote Blink-LED ist eine spezielle Leuchtdiode mit zusätzlicher interner Elektronik. Wenn man sie wie eine normale LED 31 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 31 20.06.
mit einem Vorwiderstand einbaut, schaltet sie sich immer wieder ein und aus. Nur zum Vergleich soll die rote LED mit einstellbarer Helligkeit daneben platziert werden. 32 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 32 20.06.
Die Blink-LED Die Blink-LED enthält einen Transistor als elektronischen Schalter. Zusätzlich sind weitere Transistoren und andere Bauelemente nötig, die zusammen eine komplexe Schaltung bilden und die Aufgabe haben, den genauen Zeitablauf zu steuern. Alles zusammen ist auf einem kleinen Stück Silizium aufgebaut, der neben dem LED-Kristall eingebaut ist. 17 Blinker – Rot und Grün Nun soll der Blinker so erweitert werden, dass zwei LEDs gleichzeitig blinken.
Das Prinzip der Reihenschaltung 18 Wechselblinker Wie der Farbwechsel funktioniert, wurde schon in Versuch 11 getestet. Aber dort wurde ein Tastschalter eingesetzt, um eine rote LED einzuschalten. Diesmal ist es der automatische Schalter, der in der Blink-LED mit eingebaut ist, der LEDController. Hier werden die rote Blink-LED und die grüne LED parallel geschaltet. Und weil die grüne LED mehr Spannung 34 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 34 20.06.
braucht als eine rote LED, leuchtet sie nur in den Blinkpausen. Außerdem wird nun die LED mit der Farbe Pink eingesetzt. Sie soll zunächst mit einstellbarer Helligkeit ausprobiert werden. Vertauscht man die grüne und die pinkfarbene LED, blinkt die pinkfarbene LED, und die grüne zeigt ein gleichmäßiges Leuchten mit einstellbarer Helligkeit. Damit ist bewiesen, dass auch eine pinkfarbene LED mehr Spannung braucht als eine rote LED. 35 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 35 20.06.
Aufbau der pinkfarbenen LED Die pinkfarbene LED ist ähnlich aufgebaut wie die weiße LED. Der eigentliche LED-Kristall strahlt blaues Licht ab. Er ist aber mit einem Leuchtstoff überzogen, der einen Teil des blauen Lichts einfängt und als rotes Licht wieder abstrahlt. So kommt es, dass die pinkfarbene LED eigentlich zwei Farben hat: Rot und Blau. Der Blick über eine CD verrät es … 36 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 36 20.06.
19 Ein Wechselblinker mit vier LEDs Nun soll ein Wechselblinker mit vier Farben gebaut werden. Eine gelbe LED liegt in Reihe zur Blink-LED und blinkt daher im gleichen Takt. Parallel dazu liegt eine Reihenschaltung aus einer grünen und einer pinkfarbenen LED. Diese beiden LEDs brauchen mehr Spannung und leuchten immer dann, wenn Rot und Gelb gerade aus sind. Vereinfachtes Schaltbild 37 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 37 20.06.
Zusatzversuch: In der Schaltung sollen unterschiedliche Vorwiderstände getestet werden. Je kleiner der Widerstand, desto größer wird die Helligkeit. Aber funktioniert die Umschaltung auch noch mit den kleinsten Widerständen? 20 Alarmanlage mit Blinkanzeige Mit zwei LEDs kann eine einfache Alarmanlage gebaut werden. Die grüne LED leuchtet dauerhaft, die rote zunächst nicht, weil das Kabel sie kurzschließt.
21 Ein Geschicklichkeitsspiel Bei diesem Spiel muss man versuchen, den Taster ganz genau im Takt der roten Blink-LED zu betätigen. Wenn man den Taster drückt, bleibt die grüne LED aus. Wenn man ihn loslässt, blinkt sie im gleichen Takt wie die rote Blink-LED. Der Widerstand für die grüne LED hat 15 kΩ (Braun, Grün, Orange) und lässt deshalb nur wenig Strom fließen. Das ist wichtig, weil 39 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 39 20.06.
man bei diesem Spiel die LEDs genau ansehen muss, aber trotzdem nicht geblendet werden darf. Der Taster soll nun immer wieder gedrückt und nur dann kurz losgelassen werden, wenn die Blink-LED gerade aus ist. Verpasst man den Zeitpunkt, blitzt die grüne LED auf. Es kommt auf eine schnelle Reaktion an! Wie oft gelingt es, den Schalter zu betätigen, ohne dass die LED einmal aufblitzt? 40 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 40 20.06.
Brückenschaltung Eine Brückenschaltung besteht aus zwei Reihenschaltungen und einem Bauteil zwischen beiden. Auf der linken Seite enthält die Reihenschaltung einen Widerstand und die Blink-LED. Auf der rechten Seite sind es ein Widerstand und ein Schalter. Zwischen beiden liegt eine LED und bildet die Brücke.
Achtung, man darf niemals direkt in die LED schauen, wenn sie eingeschaltet ist. Besonders das blaue Licht kann die Netzhaut schädigen. Weil das Auge für blaues Licht weniger empfindlich ist, erscheint die blaue LED weniger hell, ist aber trotzdem besonders gefährlich für die Augen. Die Farbwechsel-LED wird bei diesem Versuch mit einstellbarer Helligkeit betrieben. Man kann einen weiteren Versuch durchführen.
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Pulsweitenmodulation Die einzelnen LEDs werden nicht nur ein- und ausgeschaltet, sondern erscheinen auch heller oder dunkler. Manchmal steigt die Helligkeit gleichmäßig an. Da könnte man vermuten, dass eine Art Poti eingebaut ist, um die Stromstärke zu verändern. Aber tatsächlich werden die LEDs in schneller Folge ein- und ausgeschaltet. Wenn man den ganzen Aufbau schnell hin- und herbewegt, kann man Lichtstriche unterschiedlicher Länge sehen.
24 Grünes Flackerlicht Diesmal soll die grüne LED im Gegentakt zur FarbwechselLED leuchten. Sie muss dazu parallel geschaltet werden. Der geeignete Widerstand hat 1,5 kΩ (Braun, Grün, Rot). Immer wenn der Farbwechselcontroller gerade die rote LED einschaltet, geht die grüne LED aus. So entsteht ein interessantes 45 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 45 20.06.
Flackern der grünen LED. Und auch an der grünen LED sieht man manchmal stufenlose Änderungen der Helligkeit. Zusatzversuch Man kann in dieser Schaltung viele unterschiedliche Widerstände zwischen 470 Ω und 22 kΩ testen. So lassen sich ganz unterschiedliche Helligkeiten einstellen. Das Ziel kann mehr Helligkeit sein (kleinerer Widerstand) oder eine längere Batterielebensdauer (größerer Widerstand). 46 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 46 20.06.
25 Flackern und Blinken mit sechs LEDs Mit insgesamt sechs LEDs und zwei gleichen Widerständen von 1 kΩ (Braun, Schwarz, Rot) soll zum Abschluss ein farbenfrohes und abwechslungsreiches LED-Licht gebaut werden, bei dem alle LEDs blinken oder flackern. Eigentlich enthält das Paket ja nur zwei LEDs mit einem eingebauten Controller. Aber es gibt ja einige Schaltungstricks, mit denen auch weitere LEDs blinken oder flackern können.
Sechs LEDs sind nun eingebaut, aber zwei weiße LEDs sind noch ohne Aufgabe. Es kann eine reizvolle Aufgabe sein, sie zusätzlich einzubauen. Dazu gibt es ganz unterschiedliche Möglichkeiten. Anregungen liefern die vorgestellten Experimente. Insgesamt lassen sich mit den vorhandenen Bauteilen noch unzählige neue Schaltungen entwickeln. 48 15019 Leuchtdioden_NEU.indd 48 20.06.
Impressum Liebe Kunden! Dieses Produkt wurde in Übereinstimmung mit den geltenden europäischen Richtlinien hergestellt und trägt daher das CE-Zeichen. Der bestimmungsgemäße Gebrauch ist in der beiliegenden Anleitung beschrieben. Bei jeder anderen Nutzung oder Veränderung des Produktes sind allein Sie für die Einhaltung der geltenden Regeln verantwortlich. Bauen Sie die Schaltungen deshalb genau so auf, wie es in der Anleitung beschrieben wird.
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