Elektronikgrundlagen / Beleuchtung Bahn

playmofreak

Hallo, da immer wieder gefragt wird und doch noch Diskussionsbedarf besteht möchte ich hier mal meine Kenntnisse (oder Vermutungen Smile

) in Sachen Elektronik niederschreiben. Wenn das eine oder andere nicht Stimmt bitte nicht gleich böse werden sondern berichtigen, ich bin erst seit einigen Wochen wieder dabei mich hier Einzuarbeiten:

Vorweg möchte ich mal jeden die Angst davor nehmen LEDs, Lampen oder andere Verbraucher (Lasten) in ihre Bahn einzubauen, da es wirklich nicht so schwer ist wie es einen zuerst vorkommt. Aber:

VORSICHT! Die hier beschriebenen Vorgehensweisen beziehen sich auf Niederspannung, also das was aus Batterien und Akkus rauskommt. Das Arbeiten an Netzstrom (230V) oder anderen Spannungen ab 40 Volt sind Lebensgefährlich und sollten unbedingt vermieden werden!!!

Ok, nun gehts aber los:

Also stelle Dir einfach jeden Verbraucher (LED, Lampe, Motor) als Last vor. Die Energie (aus Strom gewonnen) wird beim Arbeiten immer in eine andere Energie (Licht oder Wärme) umgewandelt.

LEDs sollten nicht direkt an einen Akku angeschossen werden, da die LED nur maximal 20mA (Milliampere) = 0,02 Ampere verträgt und ein Akku im Gegensatz einer Batterie wegen einen geringeren Innenwiderstand (das Teil das den Strom in der Batterie hält) die LED zum druchbrennen bringen kann.

Regel Nr. 1: Keine LED an eine Spannung ohne Vorwiderstand anschließen auch wenn es in der Praxis funktionieren würde

Wie berechnet man nun so einen Vorwiderstand?
Man nimmt die Spannug (U) der Spannungsquelle (Batterie, Netzteil oder was auch immer) zieht davon die Spannung der LED (Uf - f steht für Forward=Durchlaßspannung) ab und teilt den Wert durch den Stromverbrauch der LED (10 - 20 mA).

LEDs leuchten bei einem Strom von ca. 4 mA und erreichen bei ca. 14 mA ihre höchste Intensität. Mehr als 20mA tötet die LED früher oder später. Dies ist jedoch von LED zu LED unterschiedlich. Es gibt Low-Current LEDs (also LEDs die bereits unter 2 mA zu Leuchten beginnen) oder auch LEDs die eine wesentlich höhere Spannung benötigen:

LED rot: 1,6V 20mA
LED grün: 2,1V 20mA
LED weiß: 4V 20mA
usw.

Wenn man LEDs kauft sollte man die Uf und A (Stromaufnahme) am besten auf einen Zettel notieren und bei den LEDs aufbewahre. Es gibt sogar unterschiede zwischen gleichfarbiger LEDs verschiedener Hersteller.
LED-Vorwiderstandsrechner gibt es genügend bei Google (Stichwort: Vorwiderstandsrechner).

Widerstände gibt es in bestimmten Normreihen und Werkstoffen. Die wichtigste dabei ist die Normreihe E1. Für LEDs mit Spannung zwischen 5 - 20 Volt sind Kohleschichtwiderstände ausreichend. Die Vertragen bis zu 1/4 (0,25) Watt. Dies ist die Leistung die bei einer Energieumwandlung entsteht (Vergleiche Kilowatt bei Motorleistung Auto, Heizleistung eines Heizkörpers oder Lichtstärke bei einer Glühbirne).

Merke: Immer wenn Energie umgewandelt wird entstehen "Watts". Mal mehr mal weniger.

Die wichtigste Formel lautet R=U/I und bedeutet Widerstandswert (OHM) = Spannung / Strom.

Nehmen wir an Du willst eine rote LED mit einer Uf (Durchlaßspannung) von 1,6 Volt und einer Stromaufnahme von 20mA an 6 Volt (4 x 1,5 Volt Batterien wie im RC-Zug) betreiben dann rechnest Du:

Die zu "vernichtende Spannung" = 6 Volt - 1,6 Volt = 4,4 Volt (soviel Strom muß in Wärme umgewandelt werden damit sie die LED nicht abbekommt).

R = 4,4V / 0,02 A (20mA) = 220 Ohm

Die Watt berechnest Du: P = U * I (Power in Watt = Spannung mal Strom der fließt):

P = 4,4 * 0,02 = 0,088 Watt

Damit weißt Du dass Du einen 1/4 Watt Widerstand (also Kohleschichtwiderstand) mit einem Wert von 220 Ohm verwenden mußt.

Aber: 1. Machmal gibt es keinen Widerstand mit diesen Ohmwert aus der Normreihe und 2. würde die LED das nicht lange durchmachen, da ja 14mA ausreichend wären und 20mA die LED am Limit betreibt.

Das wichtigste in der Elektronik sind Erfahrungen. Alle Bauteile wie Widerstände, LEDs usw. haben Fertigungstoleranzen. So leuchten z. B. eventuell 5 LEDs an einer Spannung in unterschiedlichen Helligkeiten. Man muß also immer etwas probieren und danach die Widerstände auslegen. Die Berechnung sind nur ein ungefährer Wert der bei Idealbedingungen (keine Toleranzen) stimmen würde. Es darf also ruhig manchmal etwas mehr oder weniger sein.

Ob ein Widerstand nun 220 Ohm oder 260 Ohm hat (um so mehr Ohm umso weniger Strom fließt) ist nebensächlich. Du solltest also wie folgt rechnen:

R = (6 Volt - 1,6 Volt Uf) / 0,014 A (14mA) = 314 Ohm

Da es 314 Ohm nicht gibt mußt Du den nächst größeren oder kleineren Widerstand nehmen, je nachdem ob Du mehr oder weniger als 14mA haben willst. Also es gibt keine Widerstände von 0 - 10000 Ohm in 1er Schritten sondern nur in bestimmten Normwerten.

Nimmst Du einen 330 Ohm Widerstand so fließt ein Strom von I = U / R = 4,4 V / 330 Ohm = 0,013 A. Also nur gering weniger als 14 mA und damit ok. Nimmst Du einen 280 Ohm Widerstand so fließt etwas mehr Strom als 14mA.

Wird die LED z. B. an 20 Volt betrieben kann es sein dass man Metallschichtwiderstände benutzen muß. Also um so mehr Energie in Wärme umgewandelt wird desto heißer wird der Widerstand und bei 0,25 Watt verglühen Kohleschichtwiderstände.

Spannung die vernichtet werden soll sind dann 20 Volt - 1,6 Volt = 18,4 Volt.

Der Strom beträgt wieder 14mA daraus resultiert: 18,4V / 0,014 A = 1314 Ohm (nächsthöherer Widerstand = 1500 Ohm).

Die Leistung P die verbraten wird sind dann: 18,4V * 0,014 A = 0,2576 Watt - also mehr als 250 mW und damit eigentlich schon zu viel bzw. an der Grenze eines Kohleschichtwiderstandes. Lieber einen Metallschichtwiderstand nehmen, dann gibt es langfristig keine Probleme.

So, werden nun mehrere LEDs in Reihe (Hintereinander) geschaltet, so muß man Wissen dass der Strom gleich bleibt, nur die Spannungen addieren sich, z. Beispiel:

3 x LED rot 1,6 V + 1 x LED grün 2,1 V = 1,6 + 1,6 + 1,6 + 2,1 = 6,9 Volt, 20mA.

Werden die LEDs (oder Verbraucher) parallel angeschlossen, so teilt sich der Strom auf und die Spannung die durch die LEDs fließen sind so hoch wie die Batteriespannung:

Bei den roten LEDs fließen also pro LED 1,6 Volt, bei der grünen 2,1 Volt, insgesamt 4 x 20mA Strom = 80mA oder 0,08 A.

Wenn Ihr wissen wollt ob alles richtig ist dann stellt Euer Voltmeter auf 20 Volt ein und mißt den Strom an den beiden Beinchen der LED. Er sollte ungefähr zwischen 1,6 und 2 Volt liegen. Wollt Ihr wissen wieviel Ampere durch die LED fließt dann müßt Ihr den Stromkreis vor der LED auftrennen und das Multimeter auf Ampere stellen (200 oder 2000 mA) und vom Beinchen der LED zum Pluspol der LED messen.

Mehr Informationen:

LED Vorwiderstandsrechner:
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/1109111.htm

Ohmsche Gesetz:
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0201113.htm

Messen von Spannungen und Strom:
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0201101.htm
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0110203.htm

So, ich hoffe es stehen nun Beleuchtungen usw. nix mehr im Wege, ansonsten einfach Fragen.

PF

P.S.: Ein Widerstand ist genauso ein Verbraucher wie eine LED nur dass die Energie dort nicht in Licht sondern Wärme umgewandelt wird. Schließt man also einen Widerstand an eine Batterie an ohne LED dann entlädt sich die Batterie und der Strom heizt die Umwelt über den Widerstand auf. Umso größer der Widerstand umso weniger Strom fließt und umso langsamer wird die Batterie leer. Umso gerinder der Widerstand (weniger Ohm) umso schneller wirds nach kurz heiß kälter und die Batterie ist leer. Ein Vorwiderstand und eine LED ist also eine Art Spannungsteiler (s. Google / Wikipedia).

Junker Jörg

..

P.S. Aber ich arbeite dran - und frage mich, ob ich nicht einfach Glühbirnen nehme... Huh

P.P.S. Und jetzt zum Mitdenken:
Spannung = Volt = "U"
Strom/Stärke = Ampere = "I"
Widerstand = Ohm = "R"
Leistung = Watt = "P"
Ich glaub, soweit bin ich noch dabei. brille

Wenn ich alle Abnehmer im Stromkreis nebeneinander - parallel - schalte (sprich: wenn ich mehrere Loks auf ein Gleis stelle) gilt:
Die Spannung bleibt immer gleich, egal wie viele Abenehmer ich anhänge.
Die Stromstärke verteilt sich auf die Abnehmer im Stromkreis => Sie muß um so höher sein, je mehr Abnehmer angeschlossen sind.

Wenn ich meine Abnehmer stattdessen hintereinander, also in Serie schalten würde, so daß der Strom durch die erste in die zweite und durch diese in die Dritte LED flösse, dann müßten sich doch die Volts aufteilen und die Ampere gleich bleiben, oder what

P.P.P.S.
Meines Wissens, "zieht" sich doch jeder Verbraucher so viel Ampere, wie er braucht, oder? Also, wenn meine kleine Lok nur 0,5 Ampere braucht, kann ich trotzdem mit 5 A arbeiten, weil die übrigen 4,5 A einfach "übrig bleiben".
Zu viel Spannung dagegen überfordert den Verbraucher: wenn ich statt der erlaubten 12 Volt auf einmal 24 Volt einspeise, bedeutet das das Ende für den Motor. Stimmt doch auch, oder?

=> Warum haben die LEDs mit zu viel Ampere ein Problem? what

=> Und warum nehme ich, wenn meiner LED 1,6V reichen statt vierer Batterien zu 1,5V nicht einfach nur eine und spar mir das Widerstandgedöns? what

=> Und wenn schon Widerstand: Das mit den Ohm kapier ich noch, aber wozu sind die Watt wichtig? Kann ich nicht IRGENDEINEN x-Ohm-Widerstand nehmen?

P.P.P.P.S.
Ich bin eher ein optischer Mensch - kannst Du mir das mal mit einfachen Beispielen aufmalen? Look Round

playmofreak

Barde

Achtung!
Der Download für Multilink hat schlappe 192,8 MB oder so..., stimmt's?

Gruß
Barde

PS: Da muss ich warten, bis ich DSL habe...

playmofreak

Hi Barde,

das stimmt. Und dann wird noch ein Update usw. geladen. DSL tut da schon not.

Es gibt noch Programme mit kleineren Umfang (z. B. ElectronicsWorkbench, ist bei diversen Büchern aus dem Franzis Verlag dabei und eine sehr alte Version von MultiSim).

Ich habe noch ein "Lernpaket Elektrotechnik" zum verkaufen, da ist die Software und noch ein BUCH auf CD mit dabei, außerdem ein paar Bauteile zum gleich Ausprobieren http://www.franzis.de/index.php?art=1861&reihe=18&preihe=2&seite=&kid=&src=

Gruß
PF

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