Kennlinien aufnehmen

Trägt man für ein Bauteil die Stromstärke $I$ über der Spannung $U$ 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.

Reale Schaltungen bestehen längst nicht nur aus ohmschen Widerständen: 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.

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.

Nimm die Kennlinie einer roten LED bis $I = 25\ \mathrm{mA}$ auf. Bestimme die Schwellenspannung, vergleiche mit der Si-Diode und berechne den Vorwiderstand für den Betrieb an $9\ \mathrm{V}$ mit $20\ \mathrm{mA}$.

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 Energie pro Elektron und damit eine höhere Schwelle. Für rotes Licht liegt sie bei etwa $1{,}6$ bis $2{,}0\ \mathrm{V}$, deutlich über der Si-Diode ($0{,}7\ \mathrm{V}$), aber unter blauen LEDs (etwa $3\ \mathrm{V}$).

Messschaltung mit LED und Schutzwiderstand. LED-Polung beachten: Der längere Anschlussdraht (Anode) muss zum Pluspol.

Schaltplan mit LED-Symbol (Diodensymbol mit zwei Lichtpfeilen), Schutzwiderstand, Voltmeter direkt an der LED.

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.

Wie bei der Diode: feine Spannungsschritte, um die Schwelle herum $0{,}05\ \mathrm{V}$. Zusätzlich notieren, ab wann die LED sichtbar leuchtet. Den Strom nicht über $25\ \mathrm{mA}$ treiben (Datenblattgrenze üblicher Standard-LEDs).

Kennlinienform: Wieder das Diodenventil, aber mit Schwelle um $1{,}6$ bis $1{,}8\ \mathrm{V}$, passend zur roten Lichtfarbe. Das Leuchten setzt zusammen mit dem Strom ein: kein Strom, kein Licht.

Vorwiderstand berechnen: Gewünschter Arbeitspunkt an $9\ \mathrm{V}$: $I = 20\ \mathrm{mA}$, laut Kennlinie liegt dann $U_\mathrm{LED} \approx 2{,}0\ \mathrm{V}$ an der LED. Der Vorwiderstand muss den Rest der Quellenspannung aufnehmen:

Gewählt wird der nächste Normwert ($330$ oder $390\ \Omega$); 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 $9\ \mathrm{V}$ läge die LED weit oberhalb ihrer Kennlinie; der Strom würde nur durch die Zuleitungen begrenzt und das Bauteil in Sekundenbruchteilen thermisch zerstört.

Die LED zeigt Diodenverhalten mit farbabhängiger Schwelle (rot: etwa $1{,}8\ \mathrm{V}$). Ihr Betriebsstrom wird immer vom Vorwiderstand eingestellt, an $9\ \mathrm{V}$ und $20\ \mathrm{mA}$: $R_V = 350\ \Omega$.

Zusätzlich zu den Fehlerquellen der Diodenmessung: