Kennlinien aufnehmen
Worum geht es?
Trägt man für ein Bauteil die über der auf, entsteht seine Kennlinie. Sie zeigt auf einen Blick, wie das Bauteil auf Spannung reagiert: gehorsam linear (Widerstand), gekrümmt (Glühlampe) oder mit Ventilverhalten (Diode und LED). Die Messschaltung ist immer dieselbe; nur der Prüfling wechselt.
Warum macht man dieses Experiment?
Reale Schaltungen bestehen längst nicht nur aus : In jedem Netzteil arbeiten Dioden, in jeder Anzeige LEDs. Für solche Bauteile gibt es keinen festen Widerstandswert, den man nachschlagen könnte; ihr Verhalten steckt vollständig in der Kennlinie. Wer Kennlinien aufnehmen und lesen kann, kann jedes unbekannte Zweipol-Bauteil charakterisieren und versteht nebenbei, warum eine LED nie ohne Vorwiderstand betrieben werden darf.
Die physikalische Idee
Die wird in kleinen Schritten erhöht und die jeweils gemessen: Jede Einstellung liefert einen Punkt der Kennlinie. Bei Bauteilen mit steilem Anstieg (Diode, LED) müssen die Schritte im steilen Bereich besonders fein sein, sonst springt die Kurve. Die Deutung folgt aus der Form: konstanter Quotient heißt ohmsch, wachsender Quotient heißt zunehmende Hemmung, ein Knick heißt Schwellenverhalten.
Benötigtes Vorwissen
Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.
Wissenschaftliche Einordnung
Kennlinien sind das Standardwerkzeug der Elektronik seit den ersten Vakuumröhren um 1900: Datenblätter jedes Halbleiterbauteils enthalten bis heute genau die Diagramme, die in diesem Versuch von Hand entstehen.
Versuchsziel
Was möchtest du untersuchen?
Aktuelles Versuchsziel
Kennlinie einer LED
Nimm die Kennlinie einer roten Leuchtdiode auf und berechne aus ihr den , den die LED an einer -V-Quelle braucht.
Gemessen
- — Spannung an der LED (in )
Feine Schritte um die Schwelle (bei roter LED höher als bei der Si-Diode).
- — Stromstärke (in )
Zeigt Schwelle und steilen Ast; zugleich Helligkeitsindikator.
Berechnet
- — Vorwiderstand (in )
Die Anwendung der Kennlinie: Er legt den Arbeitspunkt der LED an einer gegebenen Quelle fest.
Der Weg von der Messung zum Ergebnis:
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Bemisst den Vorwiderstand: Er muss genau die Differenz zwischen Quellen- und LED-Spannung beim gewünschten Strom aufnehmen.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Nimm die Kennlinie einer roten LED bis auf. Bestimme die Schwellenspannung, vergleiche mit der Si-Diode und berechne den für den Betrieb an mit .
2Vorbetrachtung
Die LED ist eine Diode, deren pn-Übergang beim Stromfluss Licht aussendet: Jedes durchgehende Elektron gibt seine Übergangsenergie als Lichtquant ab. Daraus folgt eine physikalisch schöne Vorhersage: Die Schwellenspannung muss zur Lichtfarbe passen, denn energiereicheres (blaueres) Licht verlangt mehr pro Elektron und damit eine höhere Schwelle. Für rotes Licht liegt sie bei etwa bis , deutlich über der Si-Diode (), aber unter blauen LEDs (etwa ).
3Geräte / Stoffe
Messschaltung mit LED und Schutzwiderstand. LED-Polung beachten: Der längere Anschlussdraht (Anode) muss zum Pluspol.
Regelbares Netzgerät (Gleichspannung, fein einstellbar)
Liefert die schrittweise veränderte .
Prüflinge: Festwiderstand 100 Ω, Glühlampe 6 V, Si-Diode, rote LED
Die vier Bauteile, deren Kennlinien verglichen werden.
Schutzwiderstand (z. B. 100 Ω)
Begrenzt den Strom durch Diode und LED im steilen Kennlinienbereich.
Amperemeter und Voltmeter
Messen Strom durch den Prüfling und am Prüfling.
Schutzwiderstand 100 Ω in Reihe
Strombegrenzung während der Kennlinienaufnahme.
4Skizze des Versuchsaufbaus
Schaltplan mit LED-Symbol (Diodensymbol mit zwei Lichtpfeilen), Schutzwiderstand, Voltmeter direkt an der LED.
Zwei nichtlineare Kennlinien im Vergleich zur Geraden des ohmschen Widerstands: Die Glühlampe flacht ab (ihr Widerstand wächst mit der ), die Diode sperrt erst und leitet dann steil.
Messschaltung wie bei der U-I-Methode: regelbare Gleichspannungsquelle, Amperemeter in Reihe, Voltmeter parallel zum Prüfling. Der Prüfling sitzt in einer Steckfassung und wird zwischen den Zielsetzungen getauscht. Für Diode und LED kommt ein Schutzwiderstand in Reihe dazu.
5Durchführung
Wie bei der Diode: feine Spannungsschritte, um die Schwelle herum . Zusätzlich notieren, ab wann die LED sichtbar leuchtet. Den Strom nicht über treiben (Datenblattgrenze üblicher Standard-LEDs).
6Beobachtung
| in | in | Leuchten |
|---|---|---|
| 1,40 | 0,0 | dunkel |
| 1,60 | 2,0 | schwach |
| 1,80 | 10 | deutlich |
| 2,00 | 25 | hell |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
7Auswertung
Kennlinienform: Wieder das Diodenventil, aber mit Schwelle um bis , passend zur roten Lichtfarbe. Das Leuchten setzt zusammen mit dem Strom ein: kein Strom, kein Licht.
berechnen: Gewünschter Arbeitspunkt an : , laut Kennlinie liegt dann an der LED. Der Vorwiderstand muss den Rest der Quellenspannung aufnehmen:
Gewählt wird der nächste Normwert ( oder ); wegen der steilen Kennlinie ändert das den Strom nur wenig, denn der Vorwiderstand, nicht die LED, bestimmt den Strom.
Warum „ohne Vorwiderstand“ tödlich für die LED ist: Direkt an läge die LED weit oberhalb ihrer Kennlinie; der Strom würde nur durch die Zuleitungen begrenzt und das Bauteil in Sekundenbruchteilen thermisch zerstört.
8Fazit
Die LED zeigt Diodenverhalten mit farbabhängiger Schwelle (rot: etwa ). Ihr Betriebsstrom wird immer vom eingestellt, an und : .
9Fehlerbetrachtung
Zusätzlich zu den Fehlerquellen der Diodenmessung:
Exemplarstreuung der LEDseher systematisch
- Ursache
Selbst LEDs gleicher Farbe und Bauform streuen in der Schwellenspannung um ein bis zwei Zehntelvolt.
- Auswirkung
Der berechnete passt exakt nur zum vermessenen Exemplar; ein anderes Exemplar erreicht mit demselben Vorwiderstand einen leicht anderen Strom.
- Verbesserung
mit Reserve wählen (nächstgrößerer Normwert): kleinerer Strom ist unkritisch, größerer nicht.
Überschreiten des Maximalstroms beim Messeneher systematisch
- Ursache
Im steilen Ast genügt ein kleiner Dreh am Netzgerät, um den Strom weit über 25 mA zu treiben.
- Auswirkung
Die LED altert sofort (dauerhafter Helligkeitsverlust) oder fällt aus; die restliche Kennlinie ist dann unbrauchbar.
- Verbesserung
Schutzwiderstand großzügig dimensionieren und den Strom, nicht die , als Leitgröße beim Einstellen beobachten.
Das Wichtigste
- Kennlinie
Das --Diagramm eines Bauteils. Die Messschaltung ist immer dieselbe; die Kurvenform charakterisiert das Bauteil.
- Vier Formen
Widerstand: Ursprungsgerade. Glühlampe: abflachende Kurve (Widerstand wächst mit der Fadentemperatur). Diode/LED: Ventil mit Schwellenspannung, darunter sperrend, darüber steil leitend.
- Kein fester R-Wert
Für nichtlineare Bauteile gibt es keinen konstanten Widerstand: Der Quotient hängt vom Arbeitspunkt ab.
- Vorwiderstand
LEDs brauchen immer einen strombegrenzenden : .