Einstellbare Widerstände und Leuchtdioden

1.1 Vorwiderstände

Vorwiderstände, sind Widerstände, die in einer Schaltung vor nichtlineare Bauelemente (z.B.: Diode) geschaltet werden um diese zu entlasten, d.h. einen Spannungsabfall verursachen. Der Vorwiderstand hat dabei die Aufgabe die Eingangsspannung auf die Betriebsspannung des nichtlinearen Bauelementes zu reduzieren.     

1.2 Einstellbare Widerstände

Bei einstellbaren Widerständen kann die Größe des Widerstandswertes in einem bestimmten Bereich eingestellt werden.

Die Einstellung kann, je nach Ausführung, mit einer Drehachse, einem Schieber, oder mit Hilfe eines Schraubendrehers vorgenommen werden.

Einstellbare Widerstände gibt es in Form von Schicht- und Drahtwiderständen.

Bei Schichtwiderständen wird eine große Abriebfestigkeit und geringes Drehrauschen (Durch drehen des Schleifers verursachte Störspannung) angestrebt.

Durch drehen einstellbare Widerstände nennt man Potentiometer, Widerstände die durch schieben einstellbar sind, nennt man Schiebewiderstände.

            Schaltzeichen:                           

1.2 Leuchtdioden

LEDs (Licht emittierende Dioden) bestehen aus Mischkristallhalbleitern (z.B. Galliumarsenid (GaAs) ).Sie wandeln bei Betrieb in Durchlassrichtung elektrische Energie in Licht um, .

Durch entsprechende Dotierung erzeugt man ein n-leitendes Grundkristall. Auf dieses lässt man eine nur etwa 1µm dicke p-Zone mit hohem Dotierungsgrad (große Löcherdichte) aufwachsen. Dies hat zur Folge, dass die Elektronen von der n-Zone in die p-Zone wandern. Zwischen den beiden Zonen befindet sich die Raumladezone. Dort kommt es häufig zu Rekombinationen d.h. die Elektronen fallen mit den Löchern zusammen. Bei jeder dieser Rekombinationen wird Energie freigesetzt, die in Form von Licht bestimmter Wellenlänge abgestrahlt wird.

Ein wesentlicher Parameter für LEDs ist die Lichtstärke bei einem bestimmten Durchlassstrom.

Bei z.B. 20 mA: rote LEDs      1…1000 mcd  

                           grüne LEDs   1.... 200 mcd

Die zulässige Sperrspannung einer LED beträgt 3V, der max. zulässige Strom 50mA.

Schaltzeichen:     

2. Messung einer Diodenkennlinie mit Vorwiderstand

2.1 Messaufgabe

In dieser Aufgabe soll eine Leuchtdiode über einen festen Vorwiderstand und einen regelbaren Widerstand betrieben werden. Der Strom über die LED soll dabei in einem Bereich zwischen 0,1 und 25mA variiert werden. Es sollten mindestens 15 Messwerte ermittelt werden und eine Kennlinie des Stromes in Abhängigkeit der Spannung erstellt werden.

2.2 Inventarliste

1 Steckbrett

2 Digitalmultimeter 3230

1 Spannungsgenerator

1 Leuchtdiode V1

1 Potentiometer Rp= 5.5kΩ

6 Vorwiderstände Rv: Rv1=10kΩ

                                    Rv2=22kΩ

                                    Rv3=48kΩ

                                    Rv4=100kΩ

                                    Rv5=220kΩ                   

2.3 Messschaltung

2.4 Schaltungsbeschreibung

Für die Messaufgabe wurde eine Versorgungsspannung von 24V eingestellt und der Vorwiderstand wurde in Serie mit dem Potentiometer und der LED geschalten.

Der Vorwiderstand wurde so gewählt, dass auch im Falle von Rp = 0 maximal 10mA und 2V an der LED anliegen.

Es wurde eine spannungsrichtige Messung durchgeführt um den Spannungsabfall an der Diode unverfälscht messen zu können und die Dimensionierung des Schiebewiderstandes auf die Spannung auszulegen.

2.5 Messwerttabelle

2.4 Diagramm

3.) Messung der variablen Spannung eines Potentiometers

3.1 Messaufgabe

An einem Potentiometer mit R_P=4700Ω soll eine Last mit R1=1kΩ angeschlossen werden. Die Versorgungsspannung für das Potentiometer soll 24V betragen. Es ist die Spannung am Schleifer bei Leerlauf (U1) und Belastung (U2) für mindestens zehn Stellungen zu messen. In einem Diagramm sind die gemessenen Spannungen U1 und U2 in Abhängigkeit von p= R_X/R_P für Leerlauf und Belastung einzuzeichnen.

3.2 Messschaltung

3.3 Schaltungsbeschreibung

Da im Labor ein Potentiometer mit 4700Ω nicht zur Verfügung stand, wurde eines mit 5,5kΩ verwendet. Die Spannung U1 wurde im Leerlaufbetrieb ohne den Lastwiderstand R1 gemessen. Hingegen wurde die Spannung U2 im Lastbetrieb mit R1 ermittelt.

3.4 Messwerttabelle

Rechnung:

p = Rx / Rp = 4,47kΩ / 5,5kΩ =  0,81

3.5 Diagramm

Interpretation des Diagrammes:

Aufgrund des Potentiometers mit einem Widerstand von 5,5kΩ ist der Spannungsabfall zwischen U1 und U2 relativ groß (größer als 10%), wie man im Diagramm erkennen kann.

4.  Auswahl eines geeigneten Potentiometers für den 

     Betrieb als Spannungsquelle

4.1 Messaufgabe

Bei einer Last von  R1=1kΩ soll ein geeignetes Potentiometer gefunden werden, bei dem im gesamten Stellbereich nicht mehr als 10% Spannungsabfall zwischen Leerlauf- und Lastbetrieb auftreten. Wie in Punkt 2 soll wieder ein Diagramm mit den Spannungen U1 und U2 in Abhängigkeit von p erstellt werden.

4.2 Messschaltung

4.3 Schaltungsbeschreibung

Um auf den erforderlichen Potentiometerwert zu kommen ist es notwendig die Ersatzspannungsquelle auszurechnen. Man muss dabei mit der ungünstigsten Voraussetzung (Innenwiderstand ist am Größten) rechnen, die man bei der Schleifermittelstellung erreicht.

4.4 Berechnung eines geeigneten Potentiometers

R1 = 1kΩ

Ri = Rpges / 2 // Rpges / 2

Ri = Rpges / 4

Uri max. = 1,2V

Ur1 max. = 10,8V

R10% = (12V / 10,8V) *1000Ω

R10% = 1111,11Ω

Ri = R10% - R1 = 111.11Ω

Rpges. = (R10% - R1) x 4 = Ri x 4 = 444,44Ω

Da es kein Potentiometer mit 444,44Ω gibt, wurde eines mit 570Ω verwendet. 

4.5 Messwerttabelle

Rechnung:

Rx = U1 / I =  19,76V / 41,10mA = 480,78Ω

p = Rx / Rp = 480,78Ω / 570Ω =  0,84

4.6 Diagramm

Interpretation des Diagrammes:

Aufgrund der Verringerung des Widerstandes des Potentiometers auf 570 Ω konnte die Spannung U2 an die Spannung U1 angenähert werden.