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Optoelektronik 1. Vorwort 2. Physikalische Grundlagen 3. Praktische Anwendungen 3.1 Leuchtdioden 3.2 Fotosensoren 3.3 Solarzellen 4. Literatur 1. Vorwort Glaubt man den Aussagen der Experten, so gehört den LED-Leuchtmitteln die Zukunft. Sie haben eine wesentlich höhere Lichtausbeute und verbrauchen damit viel weniger Energie als Energiesparlampen. Ihre Lebensdauer ist um ein Vielfaches höher und sie können mit ungefährlichen Niedervoltspannungen betrieben werden. LED’s entwickeln viel weniger Hitze und sind unempfindlich gegen Stöße und Vibrationen. Außerdem lassen sie sich in kleinen Abmessungen bauen, so dass man sie flächenhaft verteilen und damit wie eine Tapete an die Wand kleben kann. In Taschenlampen, als Signallampen und für spezielle Leuchteffekte in Reklamen und Partykellnern werden sie schon heute eingesetzt, vor allem aber in der Informationstechnologie. Viele von Ihnen kennen sicherlich den Krimi „Mörder ahoi“ von Agatha Christie, in dem Miss Marple ihrem Mister Stringer per Taschenlampe von einem Schiff aus Informationen und Aufträge zumorst. Aber mit Licht kann man nicht nur morsen, sondern auch komplexe Informationen übertragen. Man denke nur an moderne IR-Kopfhörer, bei denen Musik mit Infrarotlicht zum Kopfhörer gesendet wird, oder an Fernbedienungen, mit denen man elektronische Geräte mit Infrarot steuern kann. Ein anderes Beispiel sind so genannte Lichtleiter, in denen moduliertes IR-Licht Fernsehprogramme oder andere Informationen überträgt. Dieser Technik wird eine große Zukunft vorausgesagt, da moderne Glasfaserkabel viel mehr Kanäle gleichzeitig weiterleiten können als herkömmliche Kupferkabel. Auch in Lichtschranken werden lichtempfindliche Bauteile eingesetzt, um Türen, Lampen, Alarmanlagen und Zeitnahmen bei Sportveranstaltungen zu steuern oder Besucher zu zählen. LED’s wandeln elektrische Energie in Lichtenergie um. Dem umgekehrten Prozess, von den Physikern als Fotoeffekt bezeichnet, wird eine ebenso glänzende Zukunft prognostiziert. Solarzellen sollen nach dem Willen einiger Politiker die Energieprobleme der Zukunft lösen. Dazu ist sicherlich noch viel Entwicklungsarbeit nötig, da der heute aus der Sonnenenergie produzierte Strom schlichtweg zu teuer ist, um konkurrenzfähig zu sein. All das ist Grund genug, sich mit diesem Thema auch in der Schule zu befassen. Man vermittelt so den Schülern das Gefühl, quasi an vorderster Front des technischen Fortschritts zu stehen. Das motiviert nach meinen Erfahrungen die Schüler besonders, zumal den Lehrern vielfach der Vorwurf gemacht wird, mit ihren Inhalten im vorletzten Jahrhundert stehen geblieben zu sein und daher weit ab von der Erfahrungswelt der Schüler zu sein. Stolberg, im Januar 2009 Mein besonderer Dank gilt meiner Frau für das Korrekturlesen. 2. Physikalische Grundlagen Der Aufbau einer Solarzelle und einer Leuchtdiode entsprechen zunächst weitgehend denen einer normalen Siliziumdiode. Sie weisen einen dreischichtigen Aufbau auf (s.Abb.1).
Die rechte Schicht ist mit einem anderen Element wie Bor, Aluminium, Gallium oder Indium positiv dotiert. Sie besitzen ein Valenzelektron weniger als Silizium. Die linke Schicht enthält Spuren von Phosphor oder Arsen. Sie ist daher negativ dotiert, da diese Elemente ein Valenzelektron mehr besitzen als Silizium. Beide Schichten sind im isolierten Zustand nach außen elektrisch neutral. Jedoch sind die Gitterstrukturen gestört, da im p-dotierten Teil für ein fehlerfreies Kristallgitter Elektronen fehlen, in der n-dotierten Schicht im Überschuss vorliegen. Berühren sich beide Schichten, so bildet sich zwischen ihnen ein n/p-Übergang aus. Dabei wandern positive Ladungen aus der p-dotierten in die negative Schicht und negative Ladungen aus der n-dotierten in die positive Schicht und füllen die jeweiligen Lücken in der Gitterstruktur auf. Positive Löcher und negative Elektronen neutralisieren sich, man sagt, sie rekombinieren. Dabei wird Energie frei. Das hat jedoch zur Folge, dass die p-dotierte Schicht sich im Grenzbereich negativ auflädt wegen der hinein geflossenen Elektronen, die n-dotierte Schicht positiv wegen der abgewanderten Elektronen. Beide waren ja vorher neutral. Es entsteht zwischen den beiden Schichten ein elektrisches Feld, das der Elektronendrift entgegen wirkt. Ist es groß genug, so findet keine weitere Ladungstrennung mehr statt. Bei Silizium tritt dieser Fall bei normaler Dotierung etwa bei 0,6 V auf. Durch Verwendung mehrerer verschiedener Dotierungselemente kann man die Sperrspannung jedoch auf einige Volt erhöhen. Baut man dieses elektrische Feld ab, in dem man von außen eine Spannung an die Diode legt, so können ständig Ladungen zwischen den beiden Schichten fließen. Dazu muss man die p-dotierte Schicht mit dem Pluspol der Spannungsquelle, die n-dotierte Schicht mit dem Minuspol verbinden. Die Diode ist in Durchlassrichtung geschaltet. In beiden Schichten rekombinieren immer wieder positive Elektronenlücken und negative Elektronen. Die Elektronen werden ständig durch die Spannungsquelle nachgeliefert. Dabei wird Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung frei. Bei einer Sperrspannung von U =0,6V liegt diese Strahlung im Infrarotbereich, da nach quantenphysikalischen Gesetzen gilt: h*f = eU oder f = e*U/h und damit für die Wellenlänge λ = c/f = 3*108(m/s)/1,45*1014Hz
Es handelt sich um Wärmestrahlung. Verstärkt man das Feld dagegen durch ein äußeres elektrisches Feld, so sperrt die Diode. Dazu muss die Polung der äußeren Spannungsquelle umgekehrt werden. Bei Leuchtdioden wird durch Dotierung mit mehreren verschiedenen Elementen die Grenzspannung auf 1,1V – 3,5V erhöht. Damit liegt im Durchlassbetrieb die freiwerdende Strahlung im infraroten, sichtbaren oder gar ultravioletten Bereich, wie folgende Rechenbeispiele zeigen. Bei U1 = 1,3V bzw. erhält man analog zu der obigen Rechnung: λ1 = 956nm Die 1. Wellenlänge liegt im infraroten, die zweite im roten und die dritte im UV-Bereich. Ein Fotowiderstand besteht aus reinem Halbleitermaterial, also z.B. aus Silizium. Es leitet relativ schlecht, da sich im Gegensatz zu Metallen nur wenige Elektronen frei bewegen können. Sie sind zum weitaus größten Teil an die Atome gebunden. Man sagt, die meisten Elektronen befinden sich im Valenzband, nur wenige im Leitungsband. Zwischen beiden besteht eine Energielücke, die in Elektronenvolt bzw. Volt angegeben wird. Bestrahlt man den Halbleiter mit Licht, so werden Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband gehoben, wenn die Energie der Photonen ausreicht, um die Lücke zwischen beiden Bändern zu überwinden. Die Leitfähigkeit steigt, der Widerstand sinkt z.B. von 10MΩ bei Dunkelheit auf 200Ω bei hellem Sonnenlicht. Beim Silizium haben das Leitungsband und das Valenzband einen Energieabstand von W = 1,1eV. Damit genügt Licht der Wellenlänge λ = c*h/(e*U) um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Es handelt sich um infrarotes Licht. Fotodioden werden in Sperrrichtung betrieben. Dadurch steigt die Grenzspannung. Durch auftreffendes Licht passender Energie können in der Grenzschicht jedoch Elektronen und Löcher getrennt werden, die vom elektrischen Feld in die beiden Schichten abgetrieben werden, die Elektronen in die n-Schicht, die Löcher in die p-Schicht. Es fließt ein Strom, der proportional zur Intensität des eingestrahlten Lichtes ist. In einem zur Fotodiode in Reihe geschaltetem Widerstand baut sich eine Spannung auf, die weiter verstärkt wird und andere Bauteile steuert, bei einer Lichtschranke z.B. einen nach geschalteten Transistor. Fotodioden werden aber vor allem in CCD-Chips der Digitalkamera, des Camcorders und der Webcam eingesetzt. Das einfallende Licht wird durch Farbfilter in seinen Rot-, Grün- und Blauanteil zerlegt, so dass sie getrennt ausgewertet werden können. Es entsteht ein Bild im RGB-Farbcode. Bei Fototransistoren wird der Basisstrom nicht wie bei einem normalen Transistor durch eine von außen angelegte Spannung gesteuert, sondern durch Photonen. Die Intensität des eingestrahlten Lichtes regelt den Basisstrom und damit den Kollektor-Emitter-Strom. Bei Solarzellen wird keine Spannung von außen angelegt. Die Grenzspannung beträgt also 0,6V. Bestrahlt man die Zelle mit sichtbarem Licht, so werden in der Grenzschicht Elektronen und Löcher durch die Photonen getrennt. Ihre Energie ist jedoch größer als die Energie, die eigentlich zur Trennung von Elektronen und Löchern benötigt wird. Die überschüssige Energie liegt als kinetische Energie der Elektronen vor. Das elektrische Feld treibt sie in die n-Schicht und von dort über einen Verbraucher zur p-dotierten Schicht und zurück in die Grenzschicht. Die n-dotierte Schicht wird zum Minuspol, die p-dotierte zum Pluspol. In der Übergangsschicht rekombinieren sie wieder mit den durch die Bestrahlung entstandenen Löchern und das ganze Spiel beginnt von vorn. Die entnehmbare Spannung ist etwas kleiner als die Grenzspannung, da ansonsten das elektrische Feld, dass die Elektronen antreibt, komplett abgebaut würde und damit der Elektronenfluss zum Stillstand käme. Um den Schülerinnen und Schülern die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten moderner optoelektronischer Bauelemente demonstrieren zu können, habe ich eine Reihe von Versuchen entwickelt und geprüft, die ich in den folgenden Kapiteln vorstelle. Beginnen möchte ich mit den Leuchtdioden. Da inzwischen eine ganze Palette verschiedener LED’s angeboten wird, habe ich ein Versuchsbrett mit diversen Leuchtdioden und den für sie benötigten Stromquellen zusammengestellt. Mit ihm lassen sich ihre Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten sehr gut testen. 3. Praktische Anwendungen 3.1 Leuchtdioden 3.1.1 Aufbau des Versuchsbrettes Zum Aufbau des Brettes benötigt man folgende Teile: 1 Sperrholz- oder Pertinaxplatte 30cmx50cm Die einzelnen Baugruppen und Bauteile kann man beliebig auf der Platte anordnen, da die Ein- und Ausgänge aller Teile an Telefonbuchsen verlötet werden, über die sie nach Belieben miteinander verschaltet werden können. Eine Möglichkeit zeigen die Abbildungen 1 und 2.
Links befinden sich die Stromquellen, rechts daneben
die Stufenschalter, über die die rechts liegenden LED-Gruppen angewählt werden
können. Die Full-Color-LED und die Dual-LED müssen getrennt angebracht werden,
da sie über mehrere Anoden- bzw. Kathodenanschlüsse verfügen und daher über
besondere Stromquellen betrieben werden. Der LED-Streifen
benötigt eine externe 12V-Spannungsquelle. Die beiden Hochleistungs-LED’s werden
rechts unten auf dem Brett angebracht. In ihrer Nähe wird auch der für sie
benötigte LED-Treiber befestigt.
An der Zenerdiode bzw. den beiden auf Durchlass geschalteten Dioden fällt eine Spannung von U1 = 1,5V ab. Davon entfallen auf die Bais-Emitter-Strecke ca. U2 = 0,7V. Es verbleiben zwischen Emitter und Minuspol U3 = 1,5V – 0,7V Um mit ihnen einen Strom von I1 = 2 mA aufrecht zu erhalten, muss der Emitterwiderstand R1 R1 = 0,8V/0,002A betragen. Für I2 = 20mA gilt: R2 = 40Ω. Passende gängige Werte sind 330Ω und 33Ω. Mit Hilfe eines in Reihe geschalteten Trimmers kann man den Strom jeweils herunterregeln, mit einem Trimmer R3 = 5kΩ auf I3 = 0,8V/(330Ω + 5kΩ) und mit einem Trimmer R4 = 500Ω auf I4 = 0,8V/(33Ω + 500Ω) Man benötigt für die Stromquellen pro Stück folgende Bauteile: 1 Zehnerdiode 1,5V oder
Abb.4 zeigt, wie man die Bauteile der
Stromquellen auf einer Lochrasterplatine verlötet.
Für ein Exemplar sind erforderlich: 1 Festspannungsregler 7805
Abb.6 macht deutlich, wie man die Teile auf der Platine verlöten muss. Man befestigt die fertigen Platinen mit je 2 Schrauben auf der Rückseite der Sperrholzplatte. Dabei werden sie an den Schrauben mit jeweils zwei Scheiben unterlegt, damit die Trimmer der Konstantstromquellen nicht zu weit aus der Platte herausragen. Die Trimmer führt man durch eine Bohrung auf die Vorderseite der Platte. Zum Schluss verlötet man die Anschlüsse der Platine mit den entsprechenden Buchsen. Bei der 5V-Stromquelle verschraubt man die Potentiometer an der Platte und verlötet ihren Mittenabgriff mit den Anschlüssen auf der Platine und ihren linken bzw. rechten Abgriff mit den Telefonbuchsen der entsprechenden Farbe. Ob man dabei den linken oder rechten Abgriff benutzen muss, hängt von der gewünschten Drehrichtung der Potis ab. Für die Hochleistungs-LED’s benötigt man einen speziellen Treiber. Sehr gut geeignet ist das IC RCD-24-0.35 der Firma recom-international, da es alle Bauteile in einem Gehäuse vereinigt bis auf einen Widerstand und ein Poti. Außerdem lassen sich damit die LED’s dimmen. Den Schaltplan entnehmen Sie Abb. 7.
Abb.7: LED-Treiber RCD-42-0.35 mit Dimmfunktion Man benötigt also:
Abb.8 zeigt die Verschaltung auf der Platine. Dabei müssen die Leiterbahnen unter dem IC mit einem scharfen Teppichmesser unterbrochen werden, da die Anschlüsse zu beiden Seiten des IC’s keine Verbindung haben dürfen. Man befestigt die fertige Platine mit je 2 Schrauben auf der Rückseite der Sperrholzplatte. Das Potentiometer und die Ein- und Ausgangsbuchsen, je eine schwarze für die Minuspole und je eine rote für die Pluspole, werden ebenfalls auf der Holzplatte verschraubt. Zum Schluss verlötet man mit Schaltlitze die Anschlüsse der Platine mit den entsprechenden Buchsen und dem Potentiometer. Als nächstes bestückt man die Platte über die Fassungen mit den Leuchtdioden. Die Anordnung ist im Prinzip beliebig. Ich habe sie in drei Gruppen zusammengefasst, die jeweils über einen 1x12 Stufenschalter angewählt werden können. Die erste Gruppe enthält die zwei IR-LED’s, alle Rocket-LED’s und die UV-LED. Man benötigt sie für einen Versuch. Die zweite Gruppe bilden die Standard-LED’s, die Blink-LED, die Effekt-LED und die RGB-LED, weil sie jeweils mit 20mA betrieben werden. Die dritte Gruppe besteht aus den Low-Current-LED’s. Sie kommen mit 2mA aus. Der mittlere Anschluss der Stufenschalter wird mit einer roten Telefonbuchse verlötet. Sie bildet den gemeinsamen Anodenanschluss der LED’s. Die Kathoden werden auf einer kleinen Platine mit Schaltlitze zusammengefasst und mit einer schwarzen Telefonbuchse verbunden. Über den Stufenschalter kann man so über eine gemeinsame Anoden- und Kathodenbuchse die LED’s einer Gruppe nacheinander anwählen. Die Full-Color- und die Dual-LED müssen getrennt verschaltet werden. Die Full-Color-LED enthält zwei blaue, eine rote und eine grüne LED. Sie besitzt somit vier Anodenanschlüsse, zwei für die Farbe blau, einen für rot und einen für grün. Außerdem hat sie zwei Kathodenanschlüsse, einen für eine blaue und die rote LED, den zweiten für die andere blaue und die grüne LED. Sie werden mit Telefonbuchsen entsprechender Farbe, 2xblau, 1xrot, 1xgrün und 2xschwarz verbunden. Die Dual-LED besitzt für jede der beiden Farben einen Anodenanschluss mit einer gemeinsamen Kathode. Auch sie werden über Schaltlitze mit Telefonbuchsen entsprechender Farbe verlötet. Zum Schluss klebt man den LED-Streifen auf die Vorderseite des Brettes und verbindet seine Anschlüsse mit einer roten Telefonbuchse für den Pluspol und einer schwarzen für den Minuspol. Er muss über eine externe Stromquelle mit 12V versorgt werden. 3.1.2 Versuche mit dem LED-Brett Versuch 1: Durchführung: Beobachtung: Ergebnis: Versuch 2: Durchführung: Beobachtung: Erklärung: Durch die Stromstärke der einzelnen Konstantstromquellen variiert man die Intensität der drei Grundfarben rot, grün und blau unabhängig von einander. Durch Mischen der drei Grundfarben in verschieden intensiven Anteilen lassen sich bis zu 16 Millionen herstellen. Diese Tatsache wird beim Computerbildschirm und beim Farbfernseher ausgenutzt, unabhängig davon, ob es sich um einen Röhren-, Plasma- oder LCD-Bildschirm handelt. Aus der Quantenphysik ist bekannt, dass rote Photonen weniger energiereich sind als grüne und diese weniger als violette. Daher ist bei einer roten LED bei gleicher Stromstärke die benötigte Betriebsspannung geringer als bei einer grünen bzw. blauen. Das kann man mit dem folgenden Versuch demonstrieren. Für den Versuch benötigt man allerdings die Wellenlängen des hauptsächlich ausgesandten Lichtes. Sie werden bei manchen LED’s vom Hersteller angegeben und zwar mit den Werten in Tabelle 1. Versuch 3: Durchführung:
Tabelle 1: Wellenlängen Beobachtung:
Tabelle 2: Messwerte
Auswertung: m = 0,4074*10-14Vs. Die Gerade lässt sich mit der bekannten Formel für die Photonenenergie beschreiben. Es gilt eU = h*f oder U = h*f/e mit e als Elementarladung und h als Planckschem Wirkungsquantum. Zwischen der Steigung m der Messkurve und dem Planckschem Wirkungsquantum besteht also folgender Zusammenhang: m = h/e und damit h = m*e Der Literaturwert beträgt: h = 6,63*10-34Js. Für die grüne LED habe ich den Mittelwert beider Varianten genommen. Die grüne Rocket-LED besitzt einen hohen Anteil an blauem Licht. Daher entspricht bei ihr der Wert eher dem Wert einer blauen LED. Die grüne Standard LED strahlt dagegen fast gelbliches Licht ab. Ihre Spannung unterscheidet sich daher kaum von der der gelben LED. Versuch 4: Durchführung:
Beobachtung: Erklärung: Die Materialien enthalten fluoreszierende Substanzen, die das eingestrahlte UV-Licht in sichtbares Licht umwandeln. In der Rinde der Rosskastanie und der Gewöhnlichen Esche findet man die beiden Cumarinverbindungen Aesculin und Fraxin, in der Rosskastanie vor allem das mit blauer Farbe fluoreszierende Aesculin und in der Esche überwiegend das blaugrün fluoreszierende Fraxin. Sie besitzen wie die übrigen fluoreszierenden Substanzen in ihrem chemischen Aufbau ein ausgeprägtes aromatisches System, dessen Elektronen durch UV-Licht in ein höheres Energieniveau gehoben werden können. Sie kehren über mehrere Energiestufen in ihren Grundzustand zurück. Die dabei ausgesendeten Energiequanten sind energieärmer als die eingestrahlten UV-Photonen. Sie liegen im sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums. Da Aesculin und Fraxin energiereiches UV-Licht in energieärmeres sichtbares Licht umwandeln können, werden Pflanzenextrakte aus der Rinde der Rosskastanie und der Esche in Bio-Lichtschutzsalben und Bio-Sonnenschutzcremes verwendet (vgl. Kapitel 3.2.2) Versuch 5: Durchführung: Beobachtung: Erklärung: Die Lichtausbeute moderner Hochleistungs-LED’s beläuft sich inzwischen auf 50-60%. Weitere Informationen dazu finden Sie in Kapitel 3.1.4. 3.1.3 Leuchtmobile
Eine für Schülerinnen und Schüler besonders interessante Anwendung der LED' s ist ein Mobile, das in allen Farben blinkt. Abb. 1 zeigt den Schaltplan des Leuchtmobiles. Benötigt werden folgende Bauteile: Kondensatoren: Man verlötet die Schaltung am einfachsten auf einer Platine, auf der die Anschlüsse für die benötigten vier IC’s vorgegeben sind. Es können darauf noch zusätzliche Bauteile untergebracht werden. Die einzelnen Anschlüsse der IC’s verbindet man über Schaltlitzen miteinander. Da TTL-LS-Bausteine eingesetzt werden, benötigt man als Betriebsspannung U = 5V. Sie wird durch den Festspannungsregler 7805 erzeugt. Schaut man auf die schwarze Seite des Reglers, wobei die Pins nach unten zeigen, so ist der linke Anschluss der Eingang, der mittlere die Masse und der rechte der 5V-Ausgang. Damit der Baustein unabhängig von der Güte der Eingangsspannung optimal arbeitet, kann man zwischen Eingang und Masse noch einen Kondensator von 1000 μF parallel legen mit dem +Pol am Eingang und zwischen Ausgang und Masse einen Kondensator von 100μF mit dem +Pol am Ausgang. Die Eingangsspannung kann zwischen 8V und 25V betragen. Sie kann einem Steckernetzteil mit 12V-Ausgang entnommen werden, das man über die beiden Bananenstecker mit den Telefonbuchsen auf dem Gehäusedeckel verbindet. Das IC 74LS13 ist als Taktgenerator geschaltet. Es enthält zwei NAND-Schmitt-Trigger mit je vier Eingängen. Die Taktfrequenz wird durch den Kondensator und die Reihenschaltung aus dem Widerstand 150Ω und dem Trimmpoti von 5kΩ bestimmt. Sie kann etwa zwischen 0,2Hz und 6Hz beliebig eingestellt werden. Ist das Poti ganz aufgedreht, so schwingt der Taktgenerator nicht mehr. Die Schaltung zeigt dann das letzte Leuchtbild der Leuchtdioden permanent an. Der Baustein 74LS390 enthält zwei unabhängige Dezimalzähler, die die beiden BCD-zu-7-Segmentdecoder 74LS47 ansteuern. Im Takte des Taktgebers zählen sie von 0 – 9 und beginnen dann von vorn. Die Leuchtdioden in den 6 Regenbogenfarben und weiß sind kreisförmig in Form zweier 7-Segmentanzeigen angeordnet (s. Abb.2). Sie zeigen die jeweilige Dezimalzahl der beiden Zähler an, wobei die Farben für die einzelnen Balken der 7-Segmentanzeige bei beiden Kreisen vertauscht sind. Die mittlere LED zwischen den beiden 7-Segmentanzeigen ist eine spezielle Effekt-RGB-LED, die eine eigene Steuerelektronik enthält und in einem bestimmten Zyklus alle Regenbogenfarben durchläuft. Sie wird über einen Widerstand von 150Ω direkt an die Ausgangsspannung des Spannungsreglers angeschlossen. Abbildung 3 zeigt die komplett verdrahtete Schaltung.
Das Trimmpoti wurde neben den beiden Telefonbuchsen für die Stromversorgung am Gehäusedeckel verschraubt, um die Taktfrequenz von außen variieren zu können. Als Gehäuse habe ich eine leere Mon-Cherie-Dose verwendet. Die Leuchtdioden wurden mit verchromten LED-Fassungen am Deckel verschraubt und über Schaltlitzen einerseits mit der Betriebsspannung und andererseits mit den Ausgängen der 7-Segment-Decoder verbunden. Die Schaltung bietet zahlreiche Variationsmöglichkeiten. Zum einen lässt sie sich beliebig um zusätzliche Leuchtdioden erweitern, wobei für jeweils sieben weitere LED’s ein neuer 7-Segment-Decoder benötigt wird. Die LS-Bausteine der 74er Reihe dürfen an ihren offenen Kollektorausgängen nur mit jeweils 20mA belastet werden, können also jeweils nur eine LED betreiben. Bei der Standardreihe können jeweils zwei LED’s gleichzeitig angeschlossen werden, allerdings sind die Bausteine dann erheblich teurer. Beachten muss man ferner, dass die rote, die orangefarbene und die gelbe LED über einen Vorwiderstand von 180Ω, die restlichen über einen Vorwiderstand von 100Ω mit den offenen Kollektorausgängen verbunden werden müssen. Dabei kann man den Widerstand von 180Ω notfalls aus einer Parallelschaltung der gängigeren Widerstände 220Ω und 1kΩ erzeugen. Die weiteren 7-Segment-Decoder können über die schon vorhandenen Dezimalzähler mit angesteuert werden oder durch eigene Dezimalzähler unabhängig von den beiden anderen betrieben werden. Zum zweiten sind bei der Anordnung der LED’s am Gehäuse der Fantasie keine Grenzen gesetzt. Man kann sie sogar in kleinen skizzenhaften Bildern anordnen. Zum dritten kann man den zweiten und alle weiteren Dezimalzähler nicht nur mit dem Taktgenerator takten, sondern auch über einen Ausgang des ersten oder eines anderen Dezimalzählers. So könnte man erreichen, dass die LED-Gruppen nicht im gleichen Takt blinken, sondern im Taktverhältnis 1:2, 1:5 oder 1:10. Als viertes könnte man die Dezimalzähler nicht bis 10, sondern nur bis 2 oder 5 zählen lassen. Dann würde sich das Leuchtbild der LED-Gruppen jeden 2., jeden 5. und nicht erst jeden 10. Takt wiederholen. Über Wahlschalter wäre es sogar möglich, diese Wahlmöglichkeiten von Anfang an in die Schaltung zu integrieren, wobei sich immer neue Farbmuster ergeben würden. 3.1.4 Leuchtmittel
Leuchtdioden werden längst nicht mehr nur als Signalleuchten in elektrischen Geräten verwendet. Sie finden zunehmend Verwendung als Leuchtmittel im Haushalt (s. Abb.1), z.B. in kleinen und großen Taschenlampen, in Lichterketten als einzelne Stränge oder als Netze, als Scheinwerferersatz in Form von LED-Clustern mit 38 LED’s oder als Lampenersatz in Form von LED-Power Tropfenlampen in handelsüblichen Lampenfassungen. In Kombination mit Infrarotbewegungsmeldern werden sie in Notleuchten eingesetzt und helfen so, Energie zu sparen z.B. in Durchgangsräumen. Sie werden entweder über herkömmliche Trafos oder spezielle LED-Konverter am Stromnetz mit 230 V betrieben. Leuchtdioden verbrauchen meist etwa genau so viel Energie wie Energiesparlampen und damit nur rund ein Fünftel der Energie einer normalen Glühlampe. Außerdem haben sie eine Lebensdauer von bis zu 50000 Stunden und halten damit 50 mal länger als normale Glühlampen und 3-4 mal länger als Energiesparlampen. Allerdings schwanken die Angaben der Hersteller sehr. High-Power-LED's sind teilweise bereits nach 5000 Stunden unbrauchbar, da sie dann einen Großteil ihrer Leuchtkraft verloren haben, normale LED's können dagegen nach Herstellerangeben bis zu 100000 Stunden Licht spenden. Die Lichtausbeute einer Lampe wird in lm/W oder in % angegeben. Um sie zu bestimmen, benutzt man den Versuchsaufbau nach Abb.2.
Versuch: Aufbau: Zunächst baut man den Versuch nach Abb.2 auf. Benötigt werden ein Wattmeter, ein Luxmeter, eine Sicherheitssteckdose und eine Lampenfassung. Man verdunkelt den Raum und schaltet alle anderen Lichtquellen ab. Durchführung: Der Abstand zwischen dem Messfühler des Luxmeters und der Lampe wird auf r = 0,3 m eingestellt. Dann dreht man die Lampe, bis das Luxmeter das Maximum bzw. das Minimum der Beleuchtungsstärke anzeigt. Anschließend stellt man den Messfühler oberhalb der Lampe im gleichen Abstand auf. Man erhält drei Messpunkte E1, E2 und E3 für die Beleuchtungsstärke, zwei in horizontaler und einen in vertikaler Richtung. Ergebnisse: In Tabelle 1 findet man in den Spalten 2 – 5 die Messergebnisse für verschiedene Lampen.
Tabelle 1: gemessene Lichtausbeuten in lm/W Auswertung: Auffallend ist zunächst die sehr unterschiedliche räumliche Abstrahlcharakteristik der einzelnen Lampen. Aus den drei Werten der Beleuchtungsstärken E1, E2 und E3 berechnet man den Mittelwert Em. Würde die Lampe rundum strahlen, so würde sie eine Fläche A ausleuchten, für die gilt: A = 4*π*r2 Davon muss man die Fläche abziehen, die die Fassung der Lampe abdeckt. Man kommt so näherungsweise auf eine beleuchtete Fläche A’ » 1m2. Damit ergibt sich für den Lichtstrom fm der Lampe in Lumen lm fm = Em*A’
Die Zahlenwerte für die mittlere Bestrahlungsstärke in lx und den Lichtstrom in lm stimmen somit überein. Die mittleren Lichtströme der einzelnen Lampen finden Sie in Spalte 6 der Tabelle 1. In der Literatur wird der Lichtstrom auf ein Watt zugeführter elektrischer Leistung bezogen. Die im Versuch ermittelten Werte enthält Spalte 7 der Tabelle. Wertet man die Angaben in verschiedenen Literaturquellen3),4),5),6) aus, so ergibt sich Tabelle 2.
Lichtausbeute verschiedener Lampen Die Messwerte in Tabelle 1 liegen sehr gut innerhalb der in der Literatur angegebenen Intervalle. Die hohe Lichtausbeute der Natriumdampflampe erklärt sich damit, dass das menschliche Auge im sichtbaren Spektralbereich von 400 – 800 nm eine Empfindlichkeit aufweist, die stark von der Wellenlänge abhängt (s. Abb.3, rote Linie.
Am Tage ist das Auge bei einer Wellenlänge von 555 nm besonders lichtempfindlich, in der Nacht bei 500 nm. Für diese Wellenlängen erzeugt eine Lichtquelle mit einer Strahlungsleistung von 1 W einen Lichtstrom von 683 lm. Natrium sendet Licht der Wellenlänge 589 nm aus. Aus der Kurve liest man für diese Wellenlänge eine Empfindlichkeit des Auges von 500 lm/W ab. Damit hat die Lampe eine mittlere prozentuale Lichtausbeute P von P = 175(lm/W)/500(lm/W) Eine grüne LED mit einer Wellenlänge von 527 nm und einer Lichtausbeute von 89 lm/W, für die das Auge ähnlich empfindlich ist, bringt es dagegen nur auf P = 86(lm/W)/500(lm/W) Experten erwarten jedoch in naher Zukunft eine weitere Steigerung der Lichtausbeute der LED’s. Das größte Problem dabei ist, das sich das Halbleitermaterial aufgrund seines Ohmschen Widerstandes erwärmt. Bei einer Dauertemperatur über 100°C wird es schnell unbrauchbar. Die Lebensdauer sinkt drastisch. Bei Temperaturen über 125°C wird die LED sogar zerstört. Daher muss man für eine ausreichende Kühlung sorgen. Will man die prozentuale Lichtausbeute einer weißen Lampe errechnen, so muss man zwei Punkte beachten. Zum einen ist weiß nicht gleich weiß. Betrachtet man z.B. das Licht einer Glühlampe mit einem Spektroskop, so stellt man fest, dass sie das ganze sichtbare Spektrum aussendet mit einer besonders hohen Intensität im roten Bereich. Bei einer weißen LED ist vor allem der violette Bereich besonders intensiv ausgeprägt. Dafür fehlt der Blauanteil fast vollständig. Und das weiße Licht einer Energiesparlampe zeichnet sich durch ein Linienspektrum mit einzelnen Linien im ganzen Spektralbereich von rot bis violett aus. Da das Auge aber im violetten und roten Bereich ähnlich empfindlich ist (s. Abb.3), fallen die Unterschiede zwischen einer LED-Lampe und einer Glühlampe kaum ins Gewicht. Und das Licht der Leuchtstoffröhren ist bereits auf die Kurve in Abb.3 abgestimmt. Zum zweiten benötigt man als Bezugspunkt eine mittlere Empfindlichkeit des menschlichen Auges im gesamten Spektralbereich. Die grüne Linie in Abb.3 entspricht näherungsweise dem gesuchten Mittelwert. Er beträgt 180 lm/W. Die grüne Fläche oberhalb der Linie ist nahezu identisch mit der grünen Fläche unterhalb der Mittelwertslinie. Mit diesem Wert kann man für die Lampen in Tabelle die prozentuale Lichtausbeute P berechnen. Für die Glühlampe erhält man: P = 12,3(lm/W)*100%/180(lm/W) Die Werte für die anderen Lampen entnehmen Sie der Spalte 2 in Tabelle 3. In Spalte drei sind die Angaben in der Litera-tur3),4),5),6) aufgeführt. Beide stimmen sehr gut überein.
LED-Lampen sind meiner Meinung nach die wahren Leuchtmittel der Zukunft, da sie wegen der ungefährlichen Betriebsspannung und der verschiedenen Farben sehr vielseitig eingesetzt werden können und die Energiesparlampen in der Lichtausbeute bereits überholt haben. Die neueste Generation weißer Hochleistungs-LED’s bringt es auf 100 lm/W und damit auf 55,6% Lichtausbeute. Außerdem sind die Energiesparlampen wegen ihres geringen Gehaltes an Quecksilber, Antimon, Blei und Strontium alles andere als umweltfreundlich und müssen sogar als Sondermüll entsorgt werden. Da die LED’s sehr klein sind und mit Spannungen von ein paar Volt auskommen, eignen sie sich hervorragend als Dekobeleuchtung, z.B. für die heimische Weihnachtsgrippe. Sogar Fliesenfugen lassen sich mit ihnen inzwischen zum Leuchten bringen, oder das Wasser aus dem Duschkopf erstrahlt in allen Farben. In ihn sind 12 verschieden farbige LED’s integriert, die über eine kleine Wasserturbine mit Strom versorgt werden. Erhältlich ist dieses kleine Wunderwerk der Technik unter www.wissenschaft-shop.de.
Mit dem elektronischen Trafo in Abb.5 kann man eine einzelne LED mit I = 20mA z.B. als Signalleuchte direkt an U = 230 V Wechselspannung betreiben. Berücksichtigt man den Aufbau des Gleichrichters DB105, so erhält man das Ersatzschaltbild nach Abb.6. Dabei wurde der Widerstand R3 = 200kΩ außer Acht gelassen, da er für die folgenden Berechnungen nicht von Bedeutung ist. Er sorgt dafür, dass sich der Kondensator nach Ziehen des Netzsteckers rasch entlädt, damit an den beiden Stiften des Steckers keine lebensgefährliche Spannung anliegt. Er stört durch seinen hohen Wert den Betrieb des Trafos ansonsten nicht.
Der rote Strompfad gilt für die eine, der grüne für die andere Halbwelle der Wechselspannung. Es liegt jeweils eine Reihenschaltung aus dem Widerstand R1 = 1kΩ, dem Kondensator C = 0,22 μF, dem Widerstand R2 = 100Ω, der Leuchtdiode und zwei Dioden vor. Nach den Gesetzen im Wechselstromkreis gilt für die Impedanz Z daher Z = sqr(R2 + RC2). Darin ist R der gesamte Ohmsche Widerstand und RC der kapazitative Widerstand des Kondensators. Mit RC = 1/(2π*50Hz*0,22*10-6F)
und R = (1000Ω + 100Ω +100Ω) ergibt sich: Z = 14526Ω, wobei der Widerstand der LED mit 100Ω angenommen wurde, da LED’s etwa folgende Betriebswerte haben: ULED = 2V Außerdem wurden die Durchlasswiderstände der Dioden vernachlässigt. Mit der Netzspannung Ueff = 230V erhält man für die effektive Stromstärke Ieff Ieff = Ueff/Z und für die Scheitelstromstärke I0 I0 = Ieff*sqr(2) Die LED wird optimal mit Strom versorgt. Für die Spannungen an den einzelnen Bauteilen errechnen sich folgende Effektivwerte: Ueff(C) = 14476Ω*0,0158A Dabei sind die ersten beiden Spannungen Wechselspannungen, die zwei letzten pulsierende Gleichspannungen. An der Leuchtdiode liegt eine Spitzenspannung U0 an, für die gilt: U0(LED) = 1,58V*sqr(2) Sie wird auch optimal mit Spannung versorgt. Berücksichtigt man die Durchlassspannung der beiden Dioden mit etwa 0,7V, so müssen an der Wechselstromseite des Gleichrichters U~
= (2*1,58V + 2*0,7V) anliegen. Die Phasenverschiebung j zwischen U und I errechnet sich zu j = arctan(-RC/R) und die aufgenommene Wirkleistung Peff zu Peff = Ueff*Ieff*cosj An der LED wird eine Wirkleistung PLED PLED = 1,58V*0,0158A umgesetzt. Die Schaltung hat einen Wirkungsgrad h1 von h1 =
0,025W*100%/0,3W Berücksichtigt man noch, dass eine LED eine Lichtausbeute von ca. 25% hat, so erhält man letztendlich einen Wirkungsgrad h2 h2 = 8,3%*0,25 Würde man die LED durch ein kleines etwa gleichhelles Glühlämpchen z.B. mit den Kenndaten 4V/0,1A ersetzen, so wäre der Wirkungsgrad noch sehr viel geringer, weil der benötigte Strom in etwa auf den sechsfachen Wert steigt und die Verlustleistung am Ohmschen Widerstand 1kΩ quadratisch mit der Stromstärke zunimmt. Außerdem ist ihre Lichtausbeute viel kleiner als die einer LED. Der Grund für den geringen Wirkungsgrad der Schaltung ist in der sehr ungünstigen Betriebsspannung von 230V zu sehen. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, müsste man als Vorwiderstand der LED einen rein kapazitativen Widerstand einsetzen, da an ihm nur eine Blindleistung auftritt. Der benötigte Kondensator müsste dazu eine Kapazität C von C = 0,219μ F haben. Der in der Schaltung eingesetzte Kondensator wäre also ausreichend. Aber bei rein kapazitativem Vorwiderstand könnten beim Einschalten je nach Phasenlage der Wechselspannung kurzzeitig hohe Stromspitzen auftreten, die die LED zerstören könnten, da der Ladestrom eines Kondensators am Anfang sehr hoch ist. Der Ohmsche Zusatzwiderstand verhindert zwar diese Spitzen nicht ganz, reduziert sie aber auf ein ungefährliches Maß. Leider ist die Schaltung aus energetischer Sicht daher wenig effektiv. Ähnlich ungünstig sind auch die Bedingungen in den LED-Notleuchten, in denen 3 LED’s bei einer Leistungsaufnahme von 0,9 W betrieben werden. Trotzdem lohnt sich ihr Einsatz auf jeden Fall. Ansonsten müsste man die Räume mit einer 25W-Glühlampe oder einer 5W-Energiesparlampe beleuchten, ganz abgesehen davon, dass die Lebensdauer von Energiesparlampen drastisch sinkt, wenn sie ständig nur kurz ein- und ausgeschaltet werden. Zum Schluss sei noch erwähnt, das R1 mindestens für eine Leistung P1 = R*Ieff2 der Kondensator C für eine Wechselspannung U = 2*sqr(2)*Ueff(C) ausgelegt sein muss. Der Trafo ist als fertig verlöteter Baustein bei Conrad-Electronic erhältlich, muss allerdings vor dem Anschluss ans Stromnetz berührungssicher in ein Plastikgehäuse eingebaut werden. Misst man den Bausatz durch, so erhält man folgende Messwerte: Ueff(C) = 230V Die berechneten und gemessenen Werte stimmen sehr gut überein. Die Messung darf allerdings aus Sicherheitsgründen nur von einem Fachmann durchgeführt werden, wobei man eine spezielle Prüfsteckdose und besondere Prüfklemmen verwenden muss. Wesentlich effizienter mit Wirkungsgraden zwischen 70% und 97% arbeiten so genannte LED-Konverter, wie sie vor allem für Hochleistungs-LED’s angeboten werden. In ihnen wird die Gleichspannung der Stromquelle durch einen Schaltregler mit einer hohen Frequenz zwischen 20kHz und 100kHz ständig ein- und ausgeschaltet, also zerhackt. Während der Einschaltphasen wird Energie in kleinen Portionen von der Stromquelle zu einem Zwischenspeicher gepumpt. Er besteht aus einer Spule, die mit einer Diode und dem Verbraucher in Reihe geschaltet ist. Meist liegt parallel zum Verbraucher noch ein Kondensator, der den Strom glättet. Die Diode sorgt dafür, dass der Strom nur in eine Richtung fließen kann. Schließlich benötigt die LED Gleichstrom. Je nach Anordnung der Bauteile können Gleichspannungen hoch- bzw. runtergeregelt werden. Die grundsätzlichen Vorgänge machen die Schaltungen in Abb. 7 deutlich. Bei 7a) handelt es sich um einen Abwärtsregler, bei 7b) um einen Aufwärtsregler, d.h. bei der Schaltung in Abb.7a ist die Ausgangsspannung Ua kleiner als die Eingangsspannung Ue, bei 7b ist es umgekehrt.
Ist in Abb. 7a der Schalter S geschlossen, so fließt
ein exponentiell ansteigender Strom durch die Spule. Er baut in ihr ein
Magnetfeld auf, bringt die LED zum Leuchten und lädt den Kondensator auf. Öffnet
man den Schalter, so treiben die Energien des Magnetfeldes in der Spule und des
elektrischen Feldes im Kondensator den Strom durch die LED und die Diode weiter an. Er wird
jedoch exponentiell kleiner, da beide Felder sich mehr und mehr abbauen.
Schließt man den Schalter wieder, so beginnt das ganze Spiel von vorn. Da
die Spule nur während der Einschaltphase mit der Stromquelle verbunden ist, ist
die Ausgangsspannung Ua geringer als die Eingangsspannung Ue,
bei gleichlanger Ein- und Ausschaltphase und nicht zu großer Last etwa halb so
groß. In der Praxis ersetzt man den Schalter durch einen Transistor, der mit einer Rechteckspannung an seiner Basis ein- und ausgeschaltet wird. Das zeigen die folgenden Versuche mit den Schaltungen nach Abb. 7c und Abb. 7d.
Versuch 1: Durchführung: Beobachtung:
Messergebnisse: Ue = 2,5V Auswertung: Pe = Ue*Ie Pa = Ua*Ia und für den Wirkungsgrad h h = Pa*100%/Pe Versuch 2: Durchführung: Beobachtung:
Messergebnisse: Ue = 2,5V Auswertung: Pe = Ue*Ie Pa = Ua*Ia und für den Wirkungsgrad h
h = Pa*100%/Pe Die Oszillographenbilder in Abb.7e und 7h bestätigen die obigen Überlegungen zur Funktion des Auf- bzw. Abwärtsreglers. Steuert man das Abtastverhältnis des Rechteckgenerators mit einem kleinen Teil der Spulenspannung über einen Rückkopplungswiderstand oder einen Spannungsteiler, dann regelt sich die Schaltung auf den eingestellten Strom oder die eingestellte Spannung ständig selbst nach. Das gilt auch, wenn sich die Betriebspannung ändert, weil z.B. die Batterie leerer wird. Die Einschaltphase verlängert sich, die Ausschaltphase verkürzt sich. Der Eingangsstrom fließt länger. Die mittlere Eingangsstromstärke steigt, so dass die übertragene Energieportion gleich bleibt. Führt man den Rückkopplungswiderstand als Potentiometer aus, so kann man die Schaltung dimmen. Durch die hohe Schaltfrequenz der Konverter kommt die Speicherdrossel außerdem ohne Eisenkern aus. Sie kann sehr klein ausgelegt sein. Die Verluste im Eisenkern aufgrund von Wirbelströmen entfallen. Außerdem passt die Schaltung in ein kleines Gehäuse, z.B. in den Schraubsockel einer herkömmlichen Glühbirne. Die Speicherdrossel kann auch als Überträger ausgelegt sein, so dass ihre Energie auf einen zweiten, galvanisch getrennten Kreis übertragen werden kann. Das ist vor allem bei Netzbetrieb aus Sicherheitsgründen wichtig. Gleichzeitig kann durch den Überträger über das Windungsverhältnis der beiden Spulen die Ausgangsspannung eingestellt werden. Inzwischen gibt es von einigen Herstellern Schaltregler in Form integrierter Schaltungen, die den Rechteckoszillator, den Treibertransistor und diverse Zusatzfunktionen wie Energiesparmodus bei geringer Belastung und Ein- und Ausschaltautomatik bei Überlastung, Kurzschluss oder Überhitzung in einem Gehäuse vereinigen. Einen Schalttrafo auf der Basis des Schaltregler-IC’s LNK5017), der für 230V Wechselspannung ausgelegt ist, hat z.B. die Firma Power Integrations entwickelt. Er wird vielfach als Akkuladegerät für Handys, Digitalkameras, MP3-Player oder Rasierapparate benutzt. Von der Firma Barthelme wurde die Schaltung zum LED-Konverter weiterentwickelt. Er wird von Conrad-Electronic als fertig aufgebautes Gerät unter der Bezeichnung MPL1 vertrieben. Laut Datenblatt des LNK5017) besitzt der Schaltregler, auf dem der Konverter beruht, den grundsätzlichen Aufbau nach Abb.10.
Zunächst wird die Netzspannung gleichgerichtet. Die Siebkette filtert hochfrequente Spannungsanteile heraus und verhindert so eine Rückwirkung der Schaltung auf das Stromnetz, wodurch die Oberwelligkeit des sinusförmigen Netzstromes erhöht würde. Daher liegt die Spule L1, die die Gleichspannungsanteile ungehindert passieren lässt, zwischen zwei Kondensatoren C1 und C2, die die hohen Frequenzen auf beiden Seiten kurzschließen. Die Gleichspannung wird geglättet und vom Schaltregler-IC LNK501 zerhackt. Es arbeitet im Normalbetrieb mit einer Frequenz f = 42kHz und im Energiesparmodus mit f = 30kHz. Wird der Regler mit der Betriebsspannung verbunden, so lädt sich der Kondensator C3 intern auf 5,6 V auf. Er aktiviert den Oszillator und das IC nimmt seine Arbeit auf. Energie wird portionsweise zur Speicherdrossel Lp transportiert, die als Überträger ausgelegt ist. Ein kleiner Teil der in der Primärwicklung gespeicherten Energie treibt den Rückkopplungszweig an, der aus R2, D1, R1 und C3 gebildet wird. R2 begrenzt die Stromspitzen, die beim Schalten von Induktivitäten auftreten können, auf ein ungefährliches Maß. D1 hält den Stromfluss durch die Spule während der Ausschaltzeiten des Oszillators aufrecht. An C4 baut sich eine Spannung auf, die den für die Rückkopplung benötigten Strom durch den Rückkopplungswiderstand R1 liefert und so das IC steuert. C3 hält diesen Strom während der Einschaltzeiten des Oszillators aufrecht, in denen der Rückkopplungskreis stromlos ist, da die Diode D1 sperrt. Steigt die Spannung im Primärkreis des Transformators, so nimmt der Rückkopplungsstrom ebenfalls zu. Über seine Größe werden die Zusatzfunktionen der Schaltung gesteuert. Welche Vorgänge dabei im Einzelnen ablaufen, lässt sich am besten anhand der U/I-Kennlinie des Konverters erklären. Sie kann man mit der Schaltung nach Abb. 11 aufnehmen.
Versuch 3: Durchführung: Beobachtung:
Tabelle 1: Messwerte
Vor allem der Konstantstrommodus ist für den LED-Betrieb bestens geeignet. Eine weiße LED mit einer Leistung von 1W besitzt laut Hersteller folgende Kenndaten: U = 3,2 V Aus der U/I-Kennlinie in Abb.12 kann man entnehmen, dass der Schaltregler diese Werte im Punkt P1 an seinem Ausgang fast optimal liefern kann. Für eine rote Hochleistungs-LED der Leistung 1W gilt laut Hersteller: U = 2,5V In Punkt P2 der Kennlinie werden diese Werte in fast idealer Weise erreicht. Schließt man zwei weiße LED’s in Reihe, was laut Hersteller möglich ist, so sinkt die Helligkeit beider LED’s drastisch ab. Sie werden nur noch mit einem kleinen Teil ihrer vollen Leistung betrieben. Nachmessen lieferte für die Spannung und die Stromstärke: U = 5,4V wobei für den optimalen Betrieb folgende Werte erforderlich gewesen wären: U = 2*3,2V Diese Werte kann der Schaltregler an seinem Ausgang nicht liefern. Vor allem die hohe benötigte Spannung bereitet ihm Probleme, die er näherungsweise nur in Punkt P3 der Abb.12 bei einem Strom zur Verfügung stellen kann, der die LED’s gerade noch zum Leuchten bringt. Laut Hersteller soll man an den Konverter nicht zwei rote LED’s in Reihe gleichzeitig anschließen. Warum das so ist, geht aus der Bedienungsanleitung nicht hervor. Möglicherweise befindet sich der Konverter dann in der Nähe des Übergangsbereiches zwischen konstanter Spannung und konstanter Stromstärke. Da LED’s erhebliche Toleranzen aufweisen, könnten die LED’s sich in einem nicht vorhersagbaren Zustand befinden, so dass sie entweder hell oder nur gering leuchten. Den elektrischen Wirkungsgrad der Schaltung ermittelt man, in dem man die Eingangsleistung PE mit einem Wattmeter (s. Abb.11) bestimmt. Man misst bei maximaler Ausgangsbelastung PA (s. Abb.12) PA = 0,350A*4,2V des Konverters eine Eingangsleistung PE = 2,15W. Damit erhält man einen Wirkungsgrad h = PA*100%/PE Für alle anderen Punkte der Kennlinie ergeben sich ähnliche Werte. Laut Datenblatt des LNK5017) besitzt die Schaltung einen Wirkungsgrad von ca. 72%, was mit dem gemessenen Wert recht gut übereinstimmt. Andere Firmen haben LED-Konverter auf der Basis von Schaltreglern entwickelt, mit denen sich bis zu 16 LED’s in zwei getrennten Kreisen gleichzeitig bei voller Leistung von 1W pro LED betreiben lassen. Ein solcher dimmbarer Konverter der Firma Voltcraft mit der Bezeichnung Plus V12x350 besitzt bei einer Eingangsleistung pro Kreis PE = 12,1W und einer Ausgangsleistung pro Kreis PA = 0,35A*27V einen Wirkungsgrad von h = 9,45W*100%/12,1W Er ist ebenfalls für Netzbetrieb ausgelegt. Andere integrierte Schaltungen sind für niedrigere Eingangsgleichspannungen kon-ipiert. Dadurch steigt der Wirkungsgrad. Die Firma recom-international verkauft z.B. den LED-Treiber RCD-24-0.35. Alle Bauteile inklusive Diode, Spule und Glättungskondensator sind in einem Gehäuse untergebracht. Mit nur einem externen Widerstand und einem Poti kann man bis zu sieben LED’s zu je 1W Leistung gleichzeitig betreiben und dimmen. Die Betriebsspannung sollte an die Zahl der LED’s angepasst werden, um die Verluste möglichst gering zu halten. Man benötigt 3,5 V pro LED. Dann erreicht man einen Wirkungsgrad bis 97%. Der Widerstand und das Poti müssen so für die Betriebsspannung ausgelegt werden, dass am Dimmereingang eine Spannung zwischen 0V und 4,5 V anliegt. Dann werden die LED’s von dunkel bis hell durchgesteuert. Der Aufbau der Schaltung auf einer Lochrasterplatine wurde schon in Kapitel 3.1.1 vorgestellt. Weitere Informationen entnehmen Sie dem Datenblatt, das sie unter www.conrad.de/produktinfo mit der Artikelbezeichnung 180321 downloaden können. In LED-Taschenlampen werden Aufwärtsregler eingesetzt, damit die Helligkeit der LED konstant bleibt, wenn der Ladungszustand der Akkus sinkt. Fällt die Spannung unter einen Grenz-wert, so erlischt die LED fast schlagartig. Beim Aufwärtsregler LT1073 der Firma Linear Technology benötigt man als externe Bauteile eine Speicherdrossel, einen Glättungskondensator, eine Diode und 3 Widerstände, um den Strom zu begrenzen und die Rückkopplungsspannung zu gewinnen. Abb.13 zeigt eine typische Anwendung der Schaltung.
Mit ihr lässt sich eine weiße LED mit einer Mignonzelle von 1V – 1,5 V betreiben. Die integrierte Schaltung bietet weitere interessante Möglichkeiten. Man kann Spannungen bis zu 12 V aus einer 5V Batterie erzeugen. Sie kann auch als Abwärtsregler benutzt werden. Nähere Informationen entnehmen Sie dem Datenblatt, das sie unter www.conrad.de/produktinfo mit der Artikelbezeichnung 151773 abrufen können. Wegen der integrierten Bauweise sind die Schaltwege kurz. Die Verluste werden geringer, der Wirkungsgrad steigt laut Hersteller bis auf 97%. Die Verschaltung auf einer Lochrasterplatine zeigt Abb.14.
Für ein Modell der Taschenlampe benötigt man außer der Platine noch folgende Teile: 1 Mikroschalter Zunächst befestigt man die Platine mit den Schräubchen auf den Holzleisten. Dann klebt man die Leisten ebenso wie den Batteriehalter mit etwas Patex auf den Boden der Ferrero-Rocher-Dose. Für die LED-Fassung bohrt man mit einem Holzbohrer ein 8mm-Loch in den Deckel der Dose, für den Mikroschalter ein 6m-Loch und verschraubt die Teile am Deckel. Man setzt die LED ein und verbindet die einzelnen Teile mit Schaltlitze gemäß Abb. 13 und 14. Zwischen den Pluspol der Batterie und den Pluspolanschluss der Platine legt man den Mikroschalter, damit man die LED ein- und ausschalten kann. Fertig ist die Luxusausführung der Taschenlampe. Sie ist wegen der vielen Bauteile allerdings nicht ganz billig. Dafür leuchtet sie bis zum Schluss mit stets gleicher Helligkeit und die Batterie hält sehr lange. 3.2 Fotosensoren 3.2.1 Fotowiderstände Fotowiderstände steuern vor allem elektronische Schaltungen, die auf das Tageslicht reagieren. Sie schalten bei eintretender Dunkelheit die Straßenlampen an oder fahren die Rollläden automatisch herunter. Alarmanlagen lassen sich mit ihnen in der Nacht scharf machen, oder schummrige Seitenwege automatisch beleuchten. Ein solcher Dämmerungsschalter funktioniert wie folgt. Ein Fotowiderstand registriert laufend die Helligkeit. Sein Widerstandswert hängt vom Lichteinfall ab. Dieser Wert wird in zwei Komparatoren, die in einem IC untergebracht sind, mit einem Sollwert verglichen. Stimmen beide überein, so wechselt das Relais seinen Zustand, gesteuert über den Ausgang des Komparators und einen Schalttransistor. Die Schaltung weist eine Hysterese auf, so dass die beiden Schaltvorgänge für hell und dunkel bei etwas unterschiedlichen Helligkeitswerten erfolgen. Ansonsten würde das Relais zum Schwingen neigen, bei kleinen Schwankungen der Helligkeit in der Nähe der Schaltschwelle mehrfach ein- und ausschalten. Die Schwellen können über zwei Potis getrennt eingestellt werden. Bei Helligkeit ist das Relais angezogen und eine Kontrollleuchtdiode zeigt diesen Zustand an. Die Schaltung ist als Bausatz bei der Firma Conrad-Electronic erhältlich. Abb.1 zeigt den fertigen Aufbau, untergebracht in einer Mon-Cheri-Dose. Mit dem Schalter kann man einige Versuche vorführen, mit denen sich die Anwendungsmöglichkeiten demonstrieren lassen.
Versuch 1: Durchführung:
Beobachtung: Folgerung: Versuch 2: Durchführung: Beobachtung: Folgerung:
Versuch 3: Durchführung: Beobachtung: Folgerung: Mit der Schaltung könnte man die Besucher in einem Zoo oder Museum zählen. Dazu müsste man den Fotowiderstand mit einer eigenen Lampe beleuchten. Wird der Lichtstrahl durch einen Besucher unterbrochen, so löst er einen Zählimpuls aus. Besser geeignet wäre allerdings eine IR-Lichtschranke, die in Kapitel 3.3.3 näher beschreiben wird. Sie reagiert weniger empfindlich auf störendes Umgebungslicht. Ist die Dämmerungsschaltung von vorneherein vorgesehen, einen Zähler zu steuern, so würde man auf das Relais verzichten und das Steuersignal direkt am Transistor des Dämmerungsschalters abgreifen und elektronisch aufbereiten. 3.2.2 Fotodioden Fotodioden werden außer in CCD-Chips von Digitalkameras heute kaum noch in elektronischen Schaltungen verwendet, aber in der Physik sind einige interessante Versuche mit ihnen möglich, die das elektromagnetische Spektrum betreffen. Es gibt Fotodioden, die für Infrarotlicht, sichtbares Licht oder ultraviolettes Licht empfindlich sind. Mit ihnen lassen sich die einzelnen Wellenlängen im Spektrum einer Lampe nachweisen. Dazu dient der Versuchsaufbau nach Abb.1.
Versuch 1: Durchführung: Beobachtung: Folgerung: Versuch 2: Durchführung: Beobachtung: Folgerung: sin α = k*λ/g größer als die des sichtbaren Bereiches. Darin
bedeuten: Violettes Licht hat eine Wellenlänge von ca. 450 nm, nahes Infrarot von etwa 900nm, also genau doppelt so groß. Daher wird es nach obiger Formel unter Winkeln gebeugt, die bei kleinen Winkeln etwa doppelt so groß wie die des violetten Lichtes. Das 2. Nebenmaximum des violetten Lichtes wird also vom 1. Nebenmaximum des infraroten Lichtes überlagert.
Versuch 3: Durchführung: Beobachtung: Erklärung: Das UV-Licht der UV-LED durchdringt das Glas und das Wasser und wird zunächst von der UV-Fotodiode empfangen. Je nach Standort wirkt das Glas wie eine Linse. Aesculin absorbiert das violette Licht der UV-LED und wandelt es in sichtbares blaues Licht etwa der Wellenlänge 450nm um. Dieses Licht wird von der UV-Fotodiode nicht mehr registriert, da sie nur im Wellenlängenbereich von 215 – 387nm empfindlich ist. 3.2.3 Fototransistoren Fototransistoren werden vor allem eingesetzt, wenn es darum geht, mit Licht Informationen zu übertragen oder andere Geräte zu steuern. Musikliebhaber überspielen mit Infrarotlicht Musik vom Verstärker auf die Lautsprecher des Kopfhörers. Infrarotlichtschranken überwachen die Eingänge an Kaufhäusern oder zählen die Besucher in einem Zoo. Angeregt vom Krimi von Agatha Christie habe ich im folgenden versucht, eine elektronische Schaltung zu entwerfen, mit der man mit einer Leuchtdiode im sichtbaren bzw. infraroten Bereich Musik übertragen kann. Dazu benötigt man eine Elektronik, die das Signal aus dem Ohrhörerausgang eines Radio- oder Kassettenrekorders so aufarbeitet, dass man damit die Helligkeit der LED modulieren kann. Die LED kann man auf keinen Fall direkt an diesen Ausgang anschließen, da die IR-LED relativ viel Strom benötigt und damit der Ohrhörerausgang überlastet wäre. Außerdem hat ein Ohrhörer meist einen Widerstand von 100Ω oder mehr, die IR-LED dagegen bei Volllast für den Typ LI521 nur einen Widerstand von R3 = 1,5V/0,05A Ferner liefert ein Ohrhörerausgang nur Spannungen im mV-Bereich. Man benötigt also eine einfache Verstärkerschaltung, die zugleich die Impedanz des Ohrhörerausgangs herabsetzt. Abbildung 1 zeigt die Schaltung, die das leistet.
Die Schaltung besteht aus zwei Transistorstufen. In der ersten Stufe wird die Spannung des Radioausgangssignals verstärkt. Dazu reicht ein preiswerter Kleintransistor vollkommen aus. Um zu verhindern, dass die Gleichspannung der elektronischen Schaltung den Ohrhörerausgang des Radios beschädigen kann, sind beide über einen Kondensator von 10 nF entkoppelt. Die typische Kleintransistorverstärkerstufe steuert einen zweiten Transistor, der die für die LED benötigte Stromstärke liefert. Da mit der Schaltung zu Demonstrationszwecken eine LED im sichtbaren Bereich und im infraroten Bereich betrieben werden soll, muss man bei der Beschaltung des zweiten Transistors einen Kompromiss eingehen. Die verwendete IR-LED benötigt bei Volllast folgende Betriebswerte U = 1,5V eine weiße LED dagegen U = 3,2V Um keine der beiden zu überlasten, legt man den Vorwiderstand RV so aus, dass für die Betriebsspannung UB und den Betriebsstrom IB maximal gilt UB = 1,5V Damit erhält man für den Vorwiderstand RV = (Uges - UB)/IB Darin ist Uges die Spannung der Spannungsquelle von 6V und UB die Spannung, die an der LED abfällt. Gängig sind 220Ω. Zusätzlich wurde ein Widerstand RE = 100Ω in Emitterschaltung eingebaut, um den Arbeitspunkt des Transistors zu stabilisieren. Schaltet der Transistor stärker durch, so steigt der Strom und damit der Spannungsabfall am Emitterwiderstand RE. Das Potential des Emitters wird angehoben, die Spannung zwischen Emitter und Basis sinkt. Der Transistor sperrt zunehmend und wirkt so dem zu großen Strom entgegen. Da aber nur der Gleichstromanteil gering gehalten werden soll, die Niederfrequenzschwankungen, die durch den Ohrhörerausgang des Radios verursacht werden, aber gerade an die LED übertragen werden sollen, schaltet man zum Emitterwiderstand einen Kondensator parallel, der nur den Gleichstrom sperrt, den Wechselstrom jedoch ungehindert passieren lässt. Damit auch tiefe Frequenzen nicht unterdrückt werden, muss der Kondensator einen recht hohen Wert von 100 μF haben. Mit den angegebenen Werten leuchten beide LED’s zwar nicht optimal, aber doch so hell, dass man die Übertragung von Musik über eine Entfernung von ein bis zwei Metern demonstrieren kann. Die Verschaltung auf einer Lochrasterplatine zeigt Abb.2.
Man benötigt für den LED-Sender folgende Bauteile: Transistoren: Schneiden Sie zunächst die Platine auf eine Größe von etwa 6cmx9cm zurecht. Dann verlöten Sie die einzelnen Bauteile und die Anschlusslitzen wie in Abb.2 angegeben auf der Platine. Die 0. Bahn in der Zeichnung entspricht dabei der 8. Bahn von oben auf der Platine. So haben Sie genügend Spielraum, um die Platine mit den Schräubchen an den Holzleisten zu befestigen. Die Holzleisten kleben Sie mit ein paar Tropfen Patex auf den Boden der Ferrero Rocher Dose. Als Anschlüsse für die Betriebsspannung, die LED’s und den Ohrhörerausgang dienen Telefonbuchsen, die man im Deckel des Gehäuses verschraubt. Bohren Sie dazu mit einem Holzbohrer sechs 8mm-Löcher in den Deckel. Am besten ordnen Sie die Buchsen paarweise an. Eine schwarze Buchse bildet den Minuspol der Betriebsspannung, die zweite die Kathode der LED. Eine rote wird mit dem Pluspol für die Betriebspannung der Platine, die zweite mit der Anode der LED verbunden. Über die gelben Buchsen wird das Signal des Ohrhörerausganges in die Schaltung eingespeist. Die Leuchtdioden werden wie der Fototransistor der Empfängerschaltung in einen Gummistopfen mit zwei Kupplungen, einer roten für die Anode und einer schwarzen für die Kathode der LED, eingebaut, damit man sie mit einer Klemme an einem Stativ befestigen kann. Eine genaue Anleitung finden Sie weiter unten bei der Empfängerschaltung. Das Kabel für den Ohrhörerausgang stellen Sie wie folgt her. Entfernen Sie zunächst am dreiadrigen Kabel an einer Seite die äußere Isolierung auf einer Länge von 5cm, auf der anderen Seite auf einer Länge von 2cm. Anschließend isolieren Sie die einzelnen Adern an beiden Seiten auf einer Länge von 0,5cm ab. Am am wenigsten abisolierten Ende des Kabels befestigen Sie den Klinkenstecker, an der anderen Seite zwei rote und eine schwarze Telefonbuchse. Die schwarze Buchse sollte dabei mit der Masse des Klinkensteckers verbunden sein, die roten bei einem Stereo-Ohrhörerausgang mit je einem Kanal. Sollte es sich um einen Monoausgang handeln, so lassen Sie ein Kabel frei. Bei einem Stereoausgang stecken Sie die roten Bananenstecker aufeinander, da das Lichtradio nur Monosignale überträgt. Damit ist das Anschlusskabel für den Radioausgang fertig.
Die Lichtempfängerschaltung ist ganz einfach konzipiert. Abb. 3 zeigt den erforderlichen Aufbau. Man benötigt zunächst ein lichtempfindliches Bauteil. Am besten eignet sich ein Fototransistor. Fototransistoren besitzen keinen Basisanschluss, so dass die Basisbeschaltung entfällt. Sie werden bei Lichteinfall automatisch leitend, ähnlich wie eine Solarzelle und zwar umso besser, je mehr Licht einfällt. Man muss lediglich einen Kollektorarbeitswiderstand einbauen. Für den hier verwendeten Fototransistor BPW 40 sind dafür 10kΩ typisch. Er ist außerdem im infraroten und im sichtbaren Bereich empfindlich. Mit dem Kondensator wird die am Transistor durch die Betriebsspannung zusätzlich entstehende Gleichspannung ausgekoppelt, denn der nachgeschaltete NF-Verstärker soll ja nur die niederfrequenten Signalspannungen verstärken. Sein Eingang könnte durch den Gleichstrom sogar zerstört werden. Um dem Eingang des Verstärkers einen festen Eingangswiderstand zu bieten, wurde zu seinem Eingang zusätzlich ein zweiter Widerstand parallel geschaltet. Der Verstärker arbeitet dann wesentlich stabiler. Er ist aber nicht unbedingt erforderlich. Den NF-Verstärker kann man sich selbst zusammenlöten. Eine entsprechende Bastelanleitung findet man z. B. in einem Elektronikbuch von Jean Pütz1). Aber auch in jedem Elektronikkatalog werden preiswerte Bausätze für einfache Mono-NF-Verstärker mit einer Leistung von einigen Watt angeboten. Sie kosten meist unter 10 €. Für den Aufbau der Empfängerschaltung benötigt man folgende Bauteile: Transistor: Die Kosten belaufen sich ohne Netzgerät, Verstärker, Lautsprecher und Stativ auf 5-10 €. In vielen Physiksammlungen sind die Zusatzgeräte sowieso vorhanden. Aus diesen Bauteilen lässt sich der Empfänger wie folgt zusammenbauen. Bohren Sie als erstes zwei kleine Löcher in den Gummistopfen. Am besten eignet sich dazu ein spezieller Bohrer für Stopfen, wie er in vielen Chemiesammlungen vorhanden ist. Auf der dickeren Seite des Stopfens erweitern Sie die Löcher bis etwa zur Mitte des Stopfens auf ca. 8mm Durchmesser. Dann stecken Sie von der dünneren Seite die Anschlüsse des Fototransistors durch die kleinen Löcher und verschrauben sie auf der anderen Seite des Stopfens mit den Kupplungen. Dabei müssen Sie auf die Polung des Transistors achten. Dreht man ihn um, so dass die Anschlüsse auf einen zu und die abgeflachte Seite am Gehäuse nach links zeigt, so ist der linke Anschluss der Kollektor C und der rechte folglich der Emitter E. C muss nun an der roten Kupplung, E an der schwarzen befestigt werden. Danach drücken Sie vorsichtig die Kupplungen in die erweiterten Löcher auf der dickeren Seite des Stopfens, so dass sie fest im Stopfen sitzen. Danach schneiden Sie mit einem scharfen Messer den Boden des Filmdöschens ab und stülpen es über den Stopfen auf der Seite, auf der sich der Fototransistor befindet. Es schützt den Fototransistor vor Streulicht aus der Umgebung.
Als nächstes schneiden Sie sich die Platine auf eine Größe von 5cmx7cm zurecht. Dann verlöten Sie die wenigen Bauteile gemäß der Abb. 4 auf der Platine. Dabei entspricht die 1. Bahn in der Zeichnung der 5. Bahn von oben auf der Platine. Denken Sie dabei auch an die Litzen für die einzelnen Anschlüsse. Eine Länge von 10cm sollte für sie ausreichend sein. Schrauben Sie die fertige Platine an den Holzleisten fest und kleben Sie die Holzleisten samt der Platine auf den Boden der Ferrero Rocher Dose. Danach müssen Sie den Deckel der Dose bearbeiten. Bohren Sie mit einem Holzbohrer vorsichtig sechs 8mm-Löcher in den Deckel. Ordnen Sie die Löcher jeweils paarweise an und zwar an einer Stelle des Deckels, der nach dem Zusammenbau der Dose nicht über der Platine liegt. Sonst könnte es Platzprobleme geben. Im ersten Lochpaar verschrauben Sie eine schwarze und eine rote Telefonbuchse, im nächsten ebenfalls und im letzten die beiden gelben. Die 1. schwarze Buchse verbinden sie über die entsprechende Schaltlitze mit dem Minuspol der Platine (s. Abb. 4), die rote mit dem Pluspol, die 2. schwarze mit dem Emitteranschluss des Fototransistors und die 2. rote mit dem Kollektoranschluss und die gelben mit den NF-Anschlüssen der Platine. Dabei ist es hilfreich, zunächst je eine kleine Öse aus Kupferdraht an den Buchsen zu verschrauben und an diese Ösen dann die Litzen zu löten. Das geht meist einfacher. Die Dose können Sie verschließen und mit einem Streifen Isolierband zukleben. Damit ist auch der Empfänger einsatzbereit. Mit den Schaltungen lassen sich einige interessante Versuche anstellen. Dabei kann man sowohl die LED mit sichtbarem Licht als auch die IR-LED verwenden. Die LED, die sichtbares Licht aussendet, macht es möglich, die Helligkeitsschwankungen mit bloßem Auge zu beobachten. Man benötigt in beiden Fällen den Versuchsaufbau in Abb.5.
Versuch 1: Durchführung: Beobachtung: Erklärung: Versuch 2: Durchführung: Beobachtung: Erklärung: Versuch 3: Durchführung: Beobachtung: Erklärung: Versuch 4: Durchführung: Beobachtung: Erklärung: Versuch 5: Durchführung: Beobachtung: Versuch 6: Durchführung: Beobachtung: Erklärung: Versuch 7: Durchführung: Beobachtung: Erklärung: Pappe ist lichtundurchlässig. Daher können die modulierten Lichtwellen sie nicht durchdringen. Versuch 8: Durchführung: Beobachtung: Versuch 9: Durchführung: Beobachtung: (s. Abb. 6 – 8) Erklärung:
Folgerungen:
Eine IR-Lichtschranke arbeitet fast nach dem gleichen Prinzip wie eine Fernbedienung. In einem Modulator wird das Licht einer IR-LED mit einem Rechteckimpuls moduliert, der mit einem Timer der Reihe 555 gewonnen wird. Der Empfänger nimmt die gepulste Strahlung und alle anderen IR-Strahlen über einen Fotowiderstand auf. Er filtert mit einen Operationsverstärker und einigen passiven Bauteilen das Modulationssignal mit einer Frequenz von ca. 7kHz heraus, richtet das Signal gleich, demoduliert es und summiert es über mehrere Perioden an einem Kondensator auf. Dessen Spannung steuert die Basis eines Transistors und schaltet ihn mit einer gewissen Verzögerung durch bzw. beim Ausbleiben des Signals ab. Der Transistor regelt den Schaltzustand eines Relais oder ruft an einem Zähler einen Zählimpuls hervor. Dieser Schaltungsaufbau hat mehrere Vorteile. Den Empfänger lassen die allgegenwärtigen IR-Strahlen beliebiger Frequenzen kalt. Außerdem ist IR-Licht für das menschliche Auge unsichtbar und kann daher optimal in Alarmanlagen und beim Objektschutz eingesetzt werden kann. Die Anlage bleibt ungebetenen Besuchern verborgen. Einen Bausatz aus einem Empfänger und einem Sender erhält man bei Conrad-Electronic. Abb. 9 zeigt die fertig aufgebaute Schaltung, untergebracht in einer Ferrero-Rocher-Dose.
Die IR-LED LD 274 (im Bild links) baut man wie beim Lichtsender mit zwei Kupplungen in einen Gummistopfen ein, damit man sie variabel einsetzen kann. Im Empfänger wird der gleiche Fototransistor BPW 40 (im Bild rechts) wie in allen Schaltungen dieses Kapitels benutzt, weil er auch im infraroten Bereich sehr empfindlich ist. Mit der IR-Lichtschranke kann man die gleichen Versuche durchführen, die in Kapitel 3.2.1 für den Dämmerungsschalter ausführlich beschrieben sind. Die Schaltimpulse werden ausgelöst, in dem man den IR-Strahl zwischen der LED und dem Fototransistor mit der Hand kurz unterbricht. 3.3 Solarzellen 3.3.1 Versuche mit einer Solarbatterie Für eine Solarbatterie befestigt man vier oder mehr gekapselte Solarzellen auf einer Sperrholzplatte bzw. Pertinaxplatte. Ihre Größe richtet sich nach der Größe der Solarzellen. Die Holzplatte nagelt man an den Kopfseiten und in der Mitte auf drei Holzlatten der Dicke 2cmx2,8cm. Als Seitenteile dienen 3cm breite Streifen aus Sperrholz oder Pertinax. Die Pole der Solarzellen bestehen aus Messingstreifen, die am Plastikgehäuse verschraubt sind. Diese Schrauben kann man benutzen, um die Solarzellen auf der Sperrholzplatte zu befestigen. An die Messingplättchen lötet man jeweils ein Stück Schaltlitze. Für jede Solarzelle verschraubt man an der Holzplatte eine schwarze Telefonbuchse für den Minuspol der Zelle und eine rote für den Pluspol. Sie werden über die Schaltlitzen mit den Polen der Solarzelle verbunden. Die fertige Solarbatterie sieht wie in Abb.1 aus. Für die folgenden Versuche benutzt man den Batterietester aus dem Artikel „Zwei empfindliche Anzeigelämpchen für die Elektrochemie.“
Versuch 1: Durchführung: Beobachtung: Der Motor läuft, wenn auch langsam, die LED leuchtet nicht. Erklärung: Solarzellen liefern nur eine Spannung von 0,4 bis 0,5 V. Das reicht für den Motor, nicht aber für die LED. Zum Beweis ersetzt man den Motor bzw. die LED durch ein Voltmeter. Versuch 2: Durchführung: Beobachtung: Erklärung: Versuch 3: Durchführung: Beobachtung: Die LED leuchtet nicht, der Motor läuft schneller als in Versuch 1. Erklärung: Versuch 4: Durchführung: Beobachtung: Erklärung: 3.3.2 Eigenschaften einer Solarzelle Versuch 1:
Durchführung: R = U/I und P = U*I. Beobachtung:
Tabelle 1: Ergebnisse Solarzelle
Tabelle 2: Ergebnisse Batterie Auswertung:
Die U/I-Kennlinie der Solarzelle (Abb.2) verläuft nicht linear wie bei der normalen Batterie (s. Abb.4).Daraus kann man den Schluss ziehen, dass der Innenwiderstand der Solarzelle nicht konstant ist, denn bei einer Batterie gilt nach Abb.4 folgender linearer Zusammenhang zwischen der Klemmenspannung U und der Stromstärke I: U = U0 – Ri*I oder mit Hilfe der Definition des Widerstandes R*I = U0 – Ri*I (1). Darin ist U0 die Spannung im nicht belasteten Zustand und Ri der Innenwiderstand der Mignonzelle. Im Leistungsmaximum ist ferner der Innenwiderstand der Solarzelle bzw. der Batterie gleich dem Widerstandswert des angeschlossenen Verbrauchers (s. Abb.3 und Abb.5). Für die lineare U/I-Kennlinie der Batterie kann man diese Überlegung durch eine kleine Rechnung bestätigen. Für die abnehmbare Leistung P gilt: P = U*I = R*I2 (2) und für die Klemmenspannung U die Gleichung (1). Löst man die Gleichung (1) nach I auf und setzt sie in Gleichung (2) ein, so erhält man P = R*U02/(R + Ri)2 (3) Leitet man diese Gleichung nach R ab, so ergibt sich: dP/dR = U02/(R + Ri)2 – 2R* U02/(R + Ri)3. Setzt man die Ableitung gleich null und löst nach R auf, so folgt R = Ri. Einsetzen in Gleichung (3) liefert für die maximale abnehmbare Leistung Pmax Pmax = U02/4R Diese Rechnung gilt nur für die Batterie mit konstantem Ri, das Ergebnis für R erstaunlicherweise jedoch auch für die Solarzelle mit veränderlichem Ri. Der Innenwiderstand der Solarzelle bzw. der Batterie lässt sich aber in jedem Fall aus der Leerlaufspannung U0 und der Kurzschlussstromstärke IK ermitteln. Im Kurzschlussfalle wird der Strom nur durch den Innenwiderstand Ri begrenzt. An ihm fällt dann die gesamte Spannung ab. Es ist für die Solarzelle Ri = U0/IK Aus der P/R-Kennlinie liest man einen Wert von R = 15Ω ab, in guter Übereinstimmung mit dem gerechneten Wert. Für die fast leere Batterie gilt nach Abb.4: Ri = 0,0276V/mA Aus der Abb.5 erhält man im Leistungsmaximum R ≈ 30Ω. Versuch 2: Durchführung: Beobachtung: U0 = 1,52V und im Leistungsmaximum U = 0,77V Für die voll beleuchtete Solarzelle misst man: U0 = 0,565V und im Leistungsmaximum U = 0,469V Ergebnis: Ri = 1,9Ω. Er ist kleiner als der der fast leeren Batterie. Beim Entladen der Batterie bilden sich Stoffe, die ihre Leitfähigkeit senken. Damit steigt der Innenwiderstand. Die maximale Leistung Pmax der Batterie beträgt: Pmax = 0,77V*0,39A Für die Solarzelle erhält man: Ri = 0,565V/0,205A und Pmax = 0,469V*0,168A Vier Solarzellen liefern damit in etwa die gleiche Leistung wie eine Mignonzelle. Ferner sinkt bei Solarzellen der Innenwiderstand mit steigender Bestrahlungsstärke, da die Zahl der freien Ladungsträger zunimmt und damit ihre Leitfähigkeit. Bei einer Lichtstärke S der Sonne bei senkrechtem Einfall von S = 1kW/m2 gilt für die auf die Solarzelle eingestrahlte Leistung P bei einer Fläche A der Solarzelle von A = 7,2cm2 P = A*S Damit hat die Solarzelle einen Wirkungsgrad h von h = Pmax/P*100% Dabei bleibt die Unsicherheit, ob die Lichtstärke
der Sonne bei der Messung tatsächlich ihren optimalen Wert erreicht hat. Moderne
monokristalline Solarzellen haben laut Herstellerangaben Wirkungsgrade zwischen
13 und 16%, amorphe oder polykristalline wesentlich geringere von 3 bis 8%. Der
gemessene Wert liegt etwas darunter. Die Werte der Hersteller beziehen sich auf
eine Temperatur von 25°C. Der Wirkungsgrad sinkt nämlich linear mit der
Temperatur. Wenn die Sonne im Sommer optimal scheint, heizen sich die Zellen bei
Volllast auf 50° - 70°C auf. Ihre so genannte Nennleistung ist dann um 10-20%
geringer als die maximal mögliche. Im Winter dagegen steigt ihre Leis-tung bei
0°C etwa um diesen Prozentanteil an. Heute rechnet man pro m2
Solarfläche im Jahr mit einem Energieertrag von ca. 70 kWh, wobei er starken
jahreszeitlichen Schwankungen unterliegt. Im Juli kommt man auf etwa 10,73 kWh,
im Dezember lediglich auf 1,54 kWh.2,8) Das
macht die ganze Problematik der Stromversorgung mit Solarzellen deutlich. Man
benötigt übers ganze Jahr kontinuierlich elektrische Energie in etwa der
gleichen Menge, aber die Solarzellen liefern sie nur unregelmäßig. Und
elektrische Energie kann man nicht oder nur mit großem Aufwand speichern, in dem
man sie in andere Energieformen umwandelt und bei Bedarf wieder
zurückverwandelt. Beide Vorgänge sind mit Energieverlusten behaftet. Es müssten
auf jeden Fall zusätzliche Pumpspeicherkraftwerke gebaut werden. In diesem Punkt
ist uns die Natur schon einen Schritt voraus. Sie speichert die überschüssige
Sonnenenergie im Sommer in Biomasse, die uns dann im Winter als Energiereserve
zur Verfügung steht. Bei einem Bedarf an elektrischer Energie von 2000 kWh pro
Person und Jahr9) benötigt man eine
Solarfläche von circa 28m2, um den elektrischen Energiebedarf zu
decken. Die Kosten belaufen sich auf etwa 40-50Cent/kWh, sind also rund zweimal
so hoch wie der Preis, den man für den vom E-Werk gelieferten Strom bezahlt. Sie
setzen sich zusammen aus Anschaffungskosten, Pflegekosten und Entsorgungskosten,
denn die Solarzellen haben eine begrenzte Lebensdauer von 15-20 Jahren. Die
Kraftwerke sind verpflichtet, den Solarstrom für zurzeit 47Cent/kWh zu
übernehmen, was natürlich für die steigenden Energiekosten mitverantwortlich
ist. Die Vergütung wird aber im Laufe der Zeit zurückgeführt, da sie als
Anschubfinanzierung gedacht ist. 4. Literatur 1) Hrsg.: Jean Pütz, Experimente Elektronik, vgs-Verlagsgesellschaft, 12. Auflage Köln 1988, S. 230 2) Bo Hanus Solar-Dachanlagen selbst planen und installieren, Franzis-Verlag GmbH, Poing 2007 3) Johannes Krückeberg, Hochleistungs-LEDs in der Praxis, Franzis-Verlag GmbH, Poing 2007 4) Bo Hanus, Experimente mit superhellen Leuchtdioden, Franzis-Verlag GmbH, Poing 2008 5) Burkhard Kainka, Experimente mit Hochleistungs-LEDs, Franzis-Verlag GmbH, Poing 2007 6) Conrad-Elektronik, Produktkatalog 2009, www.conrad.de 7) Datenblatt LNK501, erhältlich unter www.powerint.com 9) Christoph Buchal, Energie, Koelblin-Fortuna-Druck, Baden-Baden 2008 |
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