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Betrieb einer LED

Hinweis

Es wird darauf hingewiesen, dass für jedes Experiment entsprechend der eigenen Durchführung vor der erstmaligen Aufnahme der Tätigkeit eine Gefährdungsbeurteilung durchgeführt und dokumentiert werden muss. Jede fachkundige Nutzerin/jeder fachkundige Nutzer muss die aufgeführten Inhalte eigenverantwortlich prüfen und an die tatsächlichen Gegebenheiten anpassen.

Weder die Redaktion des Lehrerfortbildungsservers noch die Autorinnen und Autoren der veröffentlichten Experimente übernehmen jegliche Haftung für direkte oder indirekte Schäden, die durch exakten, veränderten oder fehlerhaften Nachbau und/oder Durchführung der Experimente entstehen. Weiterführende Informationen erhalten Sie unter www.gefahrstoffe-schule-bw.de

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.

      Potentiometerschaltung

    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)

Versuchsaufbau I a) b)

Zu I. c)

Diagramm 1c)

Zu II. a)

Versuchsaufbau II a)

Diagramm II a)

Zu II. b)

Diagramm 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.

Diagramm III

Zu V.

Diagramm 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