Klingeltrafo mit einer Diode
AFB I–IIEin Klingeltrafo liefert eine Wechselspannung mit Ueff = 12 V bei f = 50 Hz. Dahinter wird eine Silizium-Diode in Reihe zu einer kleinen Lampe geschaltet. Am Oszilloskop erscheint hinter der Diode nur noch jede zweite Halbwelle.
- Nennen Sie die beiden Zustände, die die Diode während einer Periode durchläuft, und die jeweilige Dauer in Millisekunden.
- Bestimmen Sie den größten Spannungswert, der hinter der Diode an der Lampe anliegt (UD ≈ 0,7 V).
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
T = 1/f = 1/50 Hz = 0,020 s = 20 ms. Bei der positiven Halbwelle ist die Diode in Durchlassrichtung gepolt und leitet, bei der negativen Halbwelle sperrt sie. Beide Zustände dauern je die halbe Periode, also je 10 ms.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ûein = Ueff · √2 = 12 V · √2 ≈ 17,0 V. Davon fallen an der Diode 0,7 V ab: Ûaus ≈ 17,0 V − 0,7 V ≈ 16,3 V. An der Lampe liegen also höchstens rund 16,3 V an — und das nur in den Spitzen der durchgelassenen Halbwellen.
Selbstgebautes Netzteil für eine LED-Kette
AFB II–IIIEin Schüler baut ein einfaches Netzteil. Ein Transformator setzt die Netzspannung (Ueff = 230 V, f = 50 Hz) auf Ueff = 9 V herunter. Dahinter richtet eine einzelne Silizium-Diode (UD ≈ 0,7 V, zulässige Sperrspannung 50 V) die Spannung gleich. Angeschlossen ist eine LED-Kette, die höchstens 12 V Scheitelwert verträgt. Ein Mitschüler schlägt vor, statt der einen Diode einen Brückengleichrichter einzubauen.
- Erklären Sie, warum hinter der Diode eine pulsierende Gleichspannung und keine Wechselspannung anliegt.
- Bestätigen Sie durch Rechnung, dass die Diode die auftretende Sperrspannung aushält und die LED-Kette nicht überlastet wird.
- Beurteilen Sie den Vorschlag des Mitschülers.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die Diode leitet nur in einer Richtung. In der positiven Halbwelle ist sie in Durchlassrichtung gepolt, der Strom fließt; in der negativen Halbwelle sperrt sie, es fließt praktisch kein Strom und die Spannung an der LED-Kette ist 0 V. Weil die Spannung nie negativ wird, ist sie eine Gleichspannung — weil sie zwischen Berg und 0 V wechselt, ist sie pulsierend, bei 50 Hz mit 50 Impulsen pro Sekunde.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ûein = 9 V · √2 ≈ 12,7 V. In der Sperrphase liegt diese Spannung an der Diode: 12,7 V < 50 V — die Diode hält also aus. An der LED-Kette liegt höchstens Ûaus ≈ 12,7 V − 0,7 V ≈ 12,0 V an, genau die zulässige Grenze von 12 V. Beides ist bestätigt, bei der LED-Kette allerdings ohne jede Reserve.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Dafür spricht: Der Brückengleichrichter nutzt beide Halbwellen und liefert 100 statt 50 Impulse pro Sekunde; die Lücken sind nur halb so breit und lassen sich mit einem Kondensator deutlich besser glätten — die LED-Kette leuchtet gleichmäßiger. Dagegen spricht: Es leiten immer zwei Dioden in Reihe, der Spannungsabfall steigt auf rund 1,4 V (es bleiben nur noch etwa 11,3 V), und es werden vier Dioden statt einer gebraucht. Vollständig ist eine Antwort, die je ein Argument beider Seiten mit Zahlen belegt und daraus ein begründetes Urteil zieht, etwa: Der Vorschlag ist sinnvoll, weil das gleichmäßigere Licht den kleinen Spannungsverlust aufwiegt.