Messwerte einer roten Leuchtdiode
AFB I–IIBei einer roten Leuchtdiode wurden mit \(100\ \Omega\) Vorwiderstand folgende Wertepaare gemessen: 0,50 V / 0,0 mA · 1,20 V / 0,0 mA · 1,70 V / 0,0 mA · 1,85 V / 0,4 mA · 1,95 V / 2,1 mA · 2,05 V / 6,7 mA · 2,15 V / 19,3 mA.
- Lesen Sie aus der Messreihe die Schleusenspannung der LED ab.
- Zeichnen Sie das zugehörige I-U-Diagramm mit Ausgleichskurve.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Zwischen 1,70 V und 1,85 V setzt der Strom ein; das Knie der Kurve liegt bei etwa 1,8 V. Die Schleusenspannung beträgt also rund 1,8 V — abgelesen, nicht gerechnet.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Koordinatensystem mit U in V (0 bis 2,2) nach rechts und I in mA (0 bis 20) nach oben, beide Achsen beschriftet und sinnvoll skaliert. Die sieben Wertepaare als Punkte eintragen. Die Ausgleichskurve verläuft bis etwa 1,7 V flach auf der U-Achse, knickt bei rund 1,8 V nach oben ab und steigt danach sehr steil an. Sie ist eine glatte Kurve, keine Ursprungsgerade, und muss nicht durch jeden Punkt gehen.
Eine blaue LED an der Blockbatterie
AFB II–IIIEine blaue Leuchtdiode hat die Schleusenspannung \(U_\mathrm{S}=3{,}0\ \mathrm{V}\) und verträgt höchstens \(I_\mathrm{max}=20\ \mathrm{mA}\); betrieben werden soll sie mit mindestens \(15\ \mathrm{mA}\) an einer \(9{,}0\ \mathrm{V}\)-Blockbatterie. Im Materialkasten liegen Widerstände mit \(100\ \Omega\), \(330\ \Omega\) und \(1{,}0\ \mathrm{k\Omega}\). Ein Mitschüler schlägt vor, die LED einfach ohne Vorwiderstand anzuschließen, „weil 9 V ja nicht viel sind“.
- Werten Sie aus, welche Stromstärke sich mit jedem der drei Widerstände ergibt.
- Weisen Sie nach, dass nur einer der drei Widerstände beide Vorgaben erfüllt.
- Bewerten Sie den Vorschlag des Mitschülers.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Am Vorwiderstand liegen stets \(U_R = 9{,}0\ \mathrm{V} - 3{,}0\ \mathrm{V} = 6{,}0\ \mathrm{V}\). Damit: \(100\ \Omega \rightarrow I = \dfrac{6{,}0\ \mathrm{V}}{100\ \Omega} = 60\ \mathrm{mA}\); \(330\ \Omega \rightarrow I = 18{,}2\ \mathrm{mA}\); \(1{,}0\ \mathrm{k\Omega} \rightarrow I = 6{,}0\ \mathrm{mA}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(100\ \Omega\) liefert 60 mA und überschreitet \(I_\mathrm{max}=20\ \mathrm{mA}\) um das Dreifache — die LED wäre zerstört. \(1{,}0\ \mathrm{k\Omega}\) liefert nur 6,0 mA und bleibt unter den geforderten 15 mA — die LED leuchtet zu schwach. \(330\ \Omega\) liefert 18,2 mA und liegt damit zwischen 15 mA und 20 mA. Nur dieser Widerstand erfüllt beide Vorgaben.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Der Vorschlag ist abzulehnen. Oberhalb der Schleusenspannung begrenzt die LED den Strom praktisch nicht mehr; die übrigen 6,0 V würden nur noch vom Innenwiderstand der Batterie und den Zuleitungen begrenzt. Der Strom läge weit über 20 mA, die LED wäre in Sekundenbruchteilen zerstört. Dass 9 V eine kleine Spannung ist, ist kein Argument — entscheidend ist die Stromstärke. Ein Vorwiderstand ist ohne Ausnahme nötig.
