Arduino und LEDs

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Inhalte

  • Steckbretter/Breadboards
  • LEDs und ihre Eigenschaften

Vorraussetzungen

  • Arduino
  • LEDs
  • Steckbrett
  • Metallfilmwiderstände

Einführung LEDs

LEDs (Light Emmiting Diodes – Leuchtdioden) sind eine beliebte Lichtquelle in vielen Anwendungen. Die dienen oft zur Signalisierung von unterschiedlichen Zuständen (z.B. ist ein Gerät eingeschalten oder nicht?). Sie ist als Diode ein Halbleiterelement (wie ein Transistor) und hat daher bestimmte elektrische Eigenschaften, die zunächst aber nicht genauer behandelt werden. Wir beschränken uns auf eine korrekte Anwendung in elektrischen Schaltungen.

Wir treffen LEDs in der Praxis in vielen unterschiedlichen Bauformen an. (Im Kapitel Arduino Programmierung haben wir zunächst eine sehr kleine Form kennengelernt, die auf der Platine des Arduinos aufgebracht ist). Beim Aufbau eigener Schaltungen werden oft LEDs in einem Gehäuse mit Kunststofflinse verwendet.

Experiment: Direkter Anschluss ans Arduino

Wir beginnen mit einem Experiment. Benötigt wird hier für das Arduino auf dem das Blink-Programm aus der letzten Übung läuft. Schließen sie es mit dem USB-Kabel an eine Stromversorgung an und kontrollieren sie, ob die on-board LED das entsprechende Blinkmuster erzeugt.

Nehmen Sie nun eine LED im Kunststoffgehäuse zur Hand. Bei näherer Betrachtung fällt auf, dass die metallenen Beinchen zwei unterschiedliche Längen haben.

5mm_Red_LED
Das Beinchen der Anode ist länger als das der Kathode
led_symbol
Elektrisches Schaltsymbol der LED.

Die LED hat die Eigenschaft, dass man beim Anschluss auf die Polarität achten muss (d.h. es ist nicht egal, welcher Kontakt mit welchem Teil eines Stromkreises verbunden ist). Die Anode (+) ist dabei immer die Seite, die negative Ladungen wie Elektronen aus einem System abgibt, die Kathode (-) ist die Seite, über die negative Ladungen einem System zugeführt werden. (Nicht zu vergessen ist, dass die technische Stromrichtung der tatsächlichen Stromrichtung (= Elektronenfluss) entgegengesetzt sind.)

Probieren Sie nun folgendes aus:

led_direkt_Steckplatine

  1. Stecken sie die Anode (langes Beinchen) am Arduino in den Pin 13, das kurze Beinchen in den Pin mit Bezeichnung GND. Die Lampe führt nun dasselbe Blinkmuster wie die on-board LED aus. Die LED ist richtig angeschlossen.
  2. Schließen Sie nun die LED genau verkehrt an (Anode bei GND, Kathode bei 13). Die LED bleibt nun dunkel.

[FOTO leuchtende LED]

Achten Sie in Zukunft bei der Verwendung von LEDs immer auf die Polarität (Einsteckrichtung).

Das Steckbrett (engl. Bread Board)

Elektronische Schaltungen werden oft in der Konzept und Testphase auf Steckbrettern aufgebaut. Diese eignen sich gut um Schaltungen zu testen. Erst, wenn das Schaltungsdesign wirklich gut geprüft ist, wird die Schaltung auf eine stabile Plattform, wie eine Platine aufgebracht und angelötet. Für unsere experimentiellen Zwecke reicht der Aufbau auf einem Steckbrett aus.

Steckbretter haben oft eine Form wie in der folgenden Abbildung:

breadboard-transparent
Steckbrett (Grafik von https://orxor.wordpress.com/boards/breadboard/)
breadboard-connections
Elektrisch verbundene Löcher am Steckbrett (Grafik von https://orxor.wordpress.com/boards/breadboard/)

Die Zeilen oben und unten (blau/rot) werden üblicherweise dazu verwendet, die allgemeine Spannungsversorgung zur Verfügung zu stellen, die kurzen Verbindungen in der Mitte bieten Platz für die Bauteile einer elektronischen Schaltung.

Experiment: Aufbau der LED am Steckbrett

Um das Steckbrett auszuprobieren, bauen wir vorhin besprochene Schaltung am Steckbrett auf. Hier dazu das Schema:

led_breadboard
Statt die LED direkt in das Arduino zu stecken wird die Verbindung über das Steckbrett erzeugt.

Vorwiderstände für LEDs

Dioden sind Halbleiterelemente mit der Eigenschaft, dass sie Strom nur in eine Richtung transportieren (daher der Name Halb-Leiter). Mit der richtigen Polarität angeschlossen sind sie sehr gut leitend. Auch bei Leuchtdioden ist dies der Fall, allerdings wandeln Sie auch Elektronen in Photonen um (d.h. sie leuchten).

Leuchtdioden haben je nach Typ einen bestimmten Spannungsabfall (z.B. rote ca. 1.6V) – die sogenannte Vorwärtsspannung (UF). Sie vertragen nur ein gewisses Maß an Strom (Vorwärtsstrom IF). Wird dieser Überschritten reduziert sich ihre Lebenszeit erheblich oder sie werden sofort zerstört. Mit einem in Reihe geschalteten Widerstand (Vorwiderstand) wird der Strom begrenzt und Schäden verhindert. Detaillierte Infos hierzu findet man hier.

Die Ausgangspins des Arduinos liefern bei 5V Spannung maximal und sollten mit maximal 40mA belastet werden (mehr als 20mA sollten es nicht werden) – zu wenig um die LED zu zerstören. Dennoch sollten Schaltungen immer elektrisch korrekt aufgebaut werden. In dieser Schaltung verwenden wir einen Widerstandswert von 220 Ω um den Strom auf maximal 20 mA zu begrenzen (bei diesem Strom sollte die LED ihre maximale Leuchtkraft erreicht haben). Zur Berechnung kann dieser Online-Rechner verwendet werden.

led_vorwiderstand_Steckplatine_UNO

led_vorwiderstand_Schaltplan_UNO

Aufgabe

  • Sehen Sie sich das Datenblatt der im Set vorhandenen LED an. Finden Sie die Werte für die Vorwärtsspannung und Vorwärtsstrom heraus.
  • Bauen Sie eine Schaltung mit LED und Vorwiderstand auf. Wählen Sie den Vorwiderstand so, dass die LED keinen Schaden nehmen kann. Hierzu ist es notwendig, dass Sie die in ihrem Set verfügbaren Widerstände auf ihren Widerstandswert hin untersuchen (entweder über die Farbringe oder über eine Messung mit einem Multimeter). Wählen Sie den passendsten Wert für die LED.

 

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