Teach-Lektion
Verhalten sich LEDs verschiedener Farben gleich?
Vergleiche LEDs in drei Farben bei gleichem Widerstandswert und zwei Versorgungsspannungen.
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Lernziele
Elektrische Messwerte von LEDs in drei Farben unter gleichen nominellen Bedingungen vergleichen.
Die LED-Spannung aus eingestellter Versorgungsspannung und gemessener Widerstandsspannung abschätzen und die Einschränkung benennen.
Vorschau der Lernaktivität
Inhalt der Aktivität
Nur Vorschau. In einer Unterrichtssitzung können Lernende Antworten ausfüllen und ihre Arbeit bei der Lehrkraft einreichen.
Gleiche Versorgung, verschiedene Farben
5 min
Auf einer Anzeigetafel können rote, gelbe und grüne Kontrollleuchten an derselben Spannungsversorgung angeschlossen sein. Bedeutet das, dass durch alle LEDs dieselbe Stromstärke fließt? Untersuche jede Farbe mit einem 1-kΩ-Widerstand bei 3 V und 5 V. Stütze den elektrischen Vergleich auf das Messgerät, nicht auf die Helligkeit im Foto.
Vermute, ob bei 3 V durch alle drei LED-Farben dieselbe Stromstärke fließt. Begründe deine Vermutung, ohne eine Rangfolge der Farben vorauszusetzen.
Vergleiche unter gleichen Bedingungen
25 min
Verstehe die Schaltung
Die Laborschaltfläche öffnet eine fertig verdrahtete Schaltung auf echter Hardware. Ein Zweig ist ein Strompfad mit einem Widerstand und einer LED. Die LED besitzt eine Anode (A) und eine Kathode (K); ihre Ausrichtung ist bereits festgelegt. Öffne die Registerkarte der Gleichspannungsversorgung, um die positive Versorgungsspannung abzulesen oder einzustellen, und Multimeter, um die Spannung abzulesen. Starte nach jeder Änderung eine Messung und warte, bis Messwert und Fotos des Geräteaufbaus aktualisiert sind. Eine geänderte Einstellung allein liefert noch kein neues Ergebnis. Für die Tastaturbedienung fokussierst du den Spannungsregler: Links/Rechts ändert die Schrittweite, Auf/Ab den Wert. Prüfe vor der Messung die angezeigte Spannung.
Das Multimeter misst die Spannung am Widerstand, bezeichnet mit $V_R$. Notiere VDC in Volt; teile eine Anzeige in mV durch 1 000. Zum Beispiel sind 240 mV = 0,240 V. Zeigt das Gerät uV (Mikrovolt, µV) an, teile durch 1 000 000: 300 uV = 0,000300 V. Bei einem Widerstand von 1 kΩ gilt $I\,\text{(mA)}=V_R\,\text{(V)}$. Damit berechnest du die Stromstärke aus der gemessenen Spannung und dem angegebenen Widerstand.
Beobachte die echten LEDs auf den Kamerafotos. Das geschätzte Leuchten in der Zeichnung veranschaulicht das letzte Ergebnis und ist keine Lichtmessung; schalte es beim Vergleich mit den Kamerabildern aus. Ist eine LED wegen Blendung nicht eindeutig erkennbar, lautet die Beobachtung Unklar, nicht unbedingt aus. Im Geräteaufbau gibt es außerdem Statusleuchten. Ist die LED der Schaltung nicht eindeutig zu erkennen, lasse Schaltung und Spannung unverändert und starte die Messung erneut. Warte auf aktualisierte Messwerte und Kamerafotos und betrachte die LED noch einmal. Notiere in deinen schriftlichen Antworten kurz den ersten und den wiederholten Messwert sowie eine mögliche Änderung der Sichtbarkeit; trage das Ergebnis der Wiederholung in die Tabelle ein. Bleibt die LED unklar, wähle Unklar. Orientiere dich nicht an einer anderen Leuchte und wiederhole nicht so lange, bis das erwartete Ergebnis erscheint.
Lies den Gerätenamen unter jedem Ergebnis: Aufeinanderfolgende Messungen können von verschiedenen physischen Hive-Geräten stammen. Kleine Unterschiede können deshalb auf unterschiedliche Bauteile zurückgehen. Ein als frühere Aufzeichnung gekennzeichnetes Ergebnis ist keine unabhängige neue Messung.
Schütze die Schaltung
Lasse die vorbereitete Verdrahtung und die Widerstände unverändert. Verwende nur die positive 0–5-V-Versorgung, in dieser Aufgabe zwischen 1 und 5 V. Schließe eine LED niemals direkt an die Versorgung an. Verändere die anderen Spannungsversorgungen und den Funktionsgenerator nicht. Das Messgerät ist bereits parallel zu einem Widerstand angeschlossen: Lasse es im Modus Gleichspannung, niemals im Strom- oder Widerstandsmessmodus.
Lies die Spannung am Widerstand ab, um die Stromstärke in diesem Zweig zu berechnen. A und K kennzeichnen die LED-Anschlüsse.
Schaltungen wechseln
Beende nach jeder Schaltung die Hive-Sitzung und kehre zu dieser Aufgabe zurück, bevor du die nächste Laborschaltfläche öffnest. Jede Schaltfläche lädt eine eigene Schaltung. Verwende nicht die vorherige Schaltung weiter und ändere die Messgeräteverdrahtung nicht.
Rot
Rot
Öffne die Schaltung und ändere die positive Versorgung von zunächst 5 V auf 3 V. Miss und fülle die Zeile Rot, 3 V aus. Wechsle auf 5 V, miss und fülle die Zeile Rot, 5 V aus. Lasse den 1-kΩ-Widerstand und die Messgeräteanschlüsse unverändert.
In einer Unterrichtssitzung verfügbar
Grün
Grün
Öffne die Schaltung und ändere die positive Versorgung von zunächst 5 V auf 3 V. Miss und fülle die Zeile Grün, 3 V aus. Wechsle auf 5 V, miss und fülle die Zeile Grün, 5 V aus. Lasse den 1-kΩ-Widerstand und die Messgeräteanschlüsse unverändert.
In einer Unterrichtssitzung verfügbar
Gelb
Gelb
Öffne die Schaltung und ändere die positive Versorgung von zunächst 5 V auf 3 V. Miss und fülle die Zeile Gelb, 3 V aus. Wechsle auf 5 V, miss und fülle die Zeile Gelb, 5 V aus. Lasse den 1-kΩ-Widerstand und die Messgeräteanschlüsse unverändert.
In einer Unterrichtssitzung verfügbar
Ergebnisse
Fülle sechs Zeilen aus: je Farbe zuerst 3 V, dann 5 V. Notiere das gemessene V_R und berechne I(mA)=V_R(V). Schätze danach V_LED = eingestellte Versorgungsspannung − V_R. Die LED-Spannung ist eine Schätzung, da die Versorgungseinstellung keine eigene Spannungsmessung ist. Wähle eine Kamerabeobachtung und lasse zusätzliche Zeilen leer.
| LED-Farbe | Versorgungsspannung V | Spannung am Widerstand V | Berechnete Stromstärke mA | Geschätzte LED-Spannung V | Kamerabeobachtung |
|---|---|---|---|---|---|
Was verrät die Farbe?
15 min
Verwende die grüne LED bei 5 V. Gib ihre geschätzte LED-Spannung in V an und zeige die Subtraktion mit der gemessenen Spannung am Widerstand.
Waren die drei Stromstärken bei 3 V deutlich verschieden oder zu ähnlich, um sie sicher zu unterscheiden? Nenne deine Messwerte. Prüfe anschließend, ob die Werte bei 5 V dieselbe Schlussfolgerung stützen.
Warum solltest du deine geschätzten LED-Spannungen nicht als exakte Konstanten für jede rote, gelbe oder grüne LED angeben?
Bei einem Entwurf sollen durch drei verschiedenfarbige Kontrollleuchten gleiche Stromstärken fließen. Reichen gleiche Widerstandswerte aus, um das zu garantieren? Begründe deine Antwort mit deinen Ergebnissen.
Abgeben
Verlasse Hive nach allen Messungen und kehre hierher zurück. Markiere die Laborarbeit als erledigt, überprüfe alle Tabellenzeilen und Pflichtantworten und gib die Aufgabe ab.
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