Be­trieb einer LED

Bezug zum Bil­dungs­plan

4. Spe­zi­fi­sches Me­tho­den­re­per­toire der Phy­sik

1. Die SuS kön­nen Zu­sam­men­hän­ge zwi­schen phy­si­ka­li­schen Grö­ßen un­ter­su­chen.
2. Die SuS kön­nen Ex­pe­ri­men­te unter An­lei­tung pla­nen, durch­füh­ren, aus­wer­ten, gra­fisch ver­an­schau­li­chen und ein­fa­che Feh­ler­be­trach­tun­gen vor­neh­men.
3. Die SuS kön­nen com­pu­ter­un­ter­stütz­te Mess­wert­er­fas­sungs- und Aus­wer­tungs­sys­te­me im Prak­ti­kum selbst­stän­dig ein­set­zen.

Un­ter­richt­li­cher Zu­sam­men­hang

Prak­ti­kum in der Kurs­stu­fe

Pro­blem­stel­lung

LEDs ge­win­nen als Leucht­mit­tel zu­neh­mend an Be­deu­tung. Aus wel­chen Grün­den? Wie be­treibt man eine LED?

Ziel

Durch ei­ge­nes Ex­pe­ri­men­tie­ren wer­den Sie neben der Kenn­li­nie von Di­oden wei­te­re in­ter­es­san­te Ei­gen­schaf­ten ken­nen­ler­nen. Sie wer­den den Ar­beits­punkt einer Diode fest­le­gen und eine Schal­tung zu ihrem si­che­ren Be­trieb ent­wer­fen. Dabei ge­win­nen Sie Si­cher­heit im Um­gang mit dem Mess­wert­er­fas­sungs­sys­tem CASSY.

Auf­ga­ben­stel­lung

Re­gis­trie­ren Sie mit dem Mess­wert­er­fas­sungs­sys­tem CASSY die Kenn­li­nie der LED.

Be­rück­sich­ti­gen Sie mit Hilfe des Da­ten­blat­tes die Grenz­wer­te für einen si­che­ren Be­trieb und legen Sie da­durch den Ar­beits­punkt für die LED fest.

Di­men­sio­nie­ren Sie eine Schal­tung für den Be­trieb.

Ge­rä­te

1	LED von Con­rad Elek­tro­nik Nr. 180 239 - 62: 10 mm Super Bright LED Lamp der Fa. Kingb­right
1	Da­ten­blatt der LED Die Da­ten­blät­ter der LED's kön­nen von der Home­page der Fa. Con­rad Elec­tro­nics her­un­ter­ge­la­den wer­den.
1	Steck­sys­tem mit 4,5 V - Flach­bat­te­rie (oder Schü­ler-Ex­pe­ri­men­tier­netz­ge­rät)
1	Po­cket-CASSY (524006) mit USB-Kabel mit 1 UIP-Sen­sor S (5240621)

Evtl. 1 Lux-Ad­ap­ter S (5240511) und Lux-Sen­sor (666 243)

Durch­füh­rung

1. U-I-Kenn­li­nie der LED
   1. Bauen Sie zur Fein­re­gu­lie­rung der Di­oden­span­nung eine Po­ten­tio­me­ter­schal­tung auf.

      

   2. Schlie­ßen Sie das Mess­wert­er­fas­sungs­sys­tem so an, dass Sie die Strom­stär­ke durch die Diode als Funk­ti­on der an der Diode an­lie­gen­den Span­nung auf­neh­men kön­nen.
   3. Ent­neh­men Sie dem Da­ten­blatt die ma­xi­ma­le Dau­er­strom­stär­ke sowie die Spit­zen­strom­stär­ke durch die Diode. Neh­men Sie die U-I-Kenn­li­nie auf.
      Kurz­zei­tig darf die Strom­stär­ke ein Viel­fa­ches der Dau­er­strom­stär­ke be­tra­gen.
      Hal­ten Sie aber die Mess­dau­er so kurz wie mög­lich!
2. Evtl.: Wie hängt die Hel­lig­keit der LED von den Be­triebs­da­ten der Diode ab?
   1. Er­mit­teln Sie mit Hilfe des Lux-Sen­sors die Be­leuch­tungs­stär­ke als Funk­ti­on des Di­oden­stroms. In­ter­pre­tie­ren Sie das Schau­bild.
   2. Gibt es einen Be­triebs­zu­stand, in dem die Licht­aus­beu­te be­son­ders ef­fek­tiv ist?
3. Ar­beits­punkt für die LED fest­le­gen. (Der Ar­beits­punkt ist das Span­nungs-Strom­stär­ke-Wer­te­paar, bei dem die LED si­cher be­trie­ben wer­den soll)
   1. Ent­neh­men Sie dem Da­ten­blatt die ma­xi­mal zu­läs­si­ge Dau­er­strom­stär­ke durch die Diode und tra­gen Sie sie in das U-I-Dia­gramm die ein.
   2. Ent­neh­men Sie dem Da­ten­blatt die ma­xi­ma­le Ver­lust­leis­tung Pmax. Tra­gen Sie das Schau­bild der Funk­ti­on I(U) = P _max /U in das U-I-Dia­gramm ein und dis­ku­tie­ren Sie deren Be­deu­tung.
   3. Legen Sie den Ar­beits­punkt für den Be­trieb der Leucht­di­ode fest.
4. Be­trieb der LED
   1. Wel­chen Wi­der­stand muss man mit der LED in Reihe schal­ten, um sie in ihrem Ar­beits­punkt zu be­trei­ben?
   2. Rea­li­sie­ren Sie wenn mög­lich die Schal­tung.
5. Zu­satz: Glei­chung der U-I-Kenn­li­nie
   1. Für die Strom­stär­ke durch die Diode als Funk­ti­on der Di­oden­span­nung fin­det man in der Li­te­ra­tur fol­gen­de Glei­chung: mit dem Sperr­strom und der Tem­pe­ra­tur­span­nung mit dem Idea­li­sie­rungs­fak­tor m≈1.
   2. Ent­neh­men Sie dem Da­ten­blatt die Stär­ke des Sperr­stroms.
   3. Pas­sen Sie die Glei­chung den Mess­wer­ten durch ge­eig­ne­te Wahl von m mög­lichst gut an. Wel­chen Wert er­hal­ten Sie für m?

Ver­suchs­bei­spiel

Zu I. a), b)

Zu I. c)

Zu II. a)

Zu II. b)

Bei 1,7 V / 12 mA ist das Ver­hält­nis von Be­leuch­tungs­stär­ke zu Di­oden­strom­stär­ke ma­xi­mal. Die Diode leuch­tet nicht am hells­ten, die Licht­aus­beu­te ist hier je­doch op­ti­mal.

Zu III.

Zu V.

Hin­weis:

Das Ver­suchs­bei­spiel wurde mit einer Stan­dard-LED der Fa. Ley­bold durch­ge­führt, da die LED der Fa. Con­rad zu die­sem Zeit­punkt für die Ex­pe­ri­men­te nicht zur Ver­fü­gung stand. Auf­grund ihrer Größe und deren An­wen­dungs­mög­lich­kei­ten (neu­er­dings üb­li­che Di­oden bei der KFZ-Be­leuch­tung) ist die von Con­rad aus Mo­ti­va­ti­ons­grün­den vor­zu­zie­hen. Auch ste­hen dafür Da­ten­blät­ter zur Ver­fü­gung.

Ach­tung:

Weiße, su­per­hel­le Di­oden sind wegen mög­li­cher Au­gen­schä­den für Schü­ler­ex­pe­ri­men­te un­ge­eig­net!

Down­load

Be­trieb einer LED: Her­un­ter­la­den [doc] [395 KB]

 

Wei­ter mit Cassy 2: Diode und Wi­der­stand