Wie betreibt man eine LED an 12 V ?
Hier kommt ein Vorwiderstand ins Spiel. Eine normale LED kann maximal 20 mA vertragen. Je nach Farbe bekommt sie diesen Strom bei 1,5 V ... 2,0 V. Bei höheren Betriebspannungen muss man den Strom begrenzen. Nach dem Ohmschen Gesetz ist R = U / I = 12 V / 0,02 A = 600 Ω. Wer hat schon einen 600-Ω- Widerstand in seiner Bastelkiste? 560 Ω tun's auch, selbst 1 kΩ tut guten Dienst.
Wenn man genau rechnen will, muß man von der Betriebsspannung noch die Brennspannung ULED abziehen. Die bleibt innerhalb großer Betriebsbereiche konstant, man kann sie (oder auch eine normale Diode) als Spannungsreferenz benutzen. Betreibt man eine rote LED (Brennspannung etwa 2 V) an 12 V , so rechnet man:
R = (U - ULED) / 20 mA = 10 V / 20 mA = 500 Ω
Bei Gleichspannung kann man eine LED im Prinzip auch an 100 V betreiben, wenn man sie durch einen entsprechenden Vorwiderstand schützt. Bei Wechselstrom könnte das sehr gefährlich werden, für die LED und für den Bastler. Man weiss, dass LEDs wie Stromventile wirken, sie lassen Strom nur in einer Richtung durch. Allerdings tun sie das nur bis zu einer maximalen Sperrspannung. Die Hersteller garantieren klagloses Sperren bis 5 V, man kann's ja mal mit einer billigen LED ausprobieren, da kommt man sicher höher (ich hab's schon bis 30 V geschafft, ohne sichtbare Folgen für die LED)- allerdings ohne Garantie.
Aber keine Sorge: Auch Modell-Eisenbahner setzen LEDs dirket an Wechselstrom ein. Der Trick ist einfach: Man benutzt entweder 2 LEDs gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung geschaltet oder man ersetzt eine der beiden LEDs durch eine nicht-leuchtende Diode.
Wie kann man aus 9 V Spannung 2 x 4,5 V machen?
Die umgekehrte Frage ist leichter zu lösen: Aus 1,5-V-Batterien kann man durch Serienschaltung fast beliebig Teilspannungen erzeugen.
Wenn man allerdings aus einer 9-V-Batterie zweimal 4,5 V oder gar -4,5 V und +4,5 V entnehmen will, muss man etwas länger Nachdenken. Dabei fällt einem vielleicht der Name Kirchhoff ein: Serienwiderstände teilen eine angelegt Spannung im Verhältnis der Widerstandswerte:
Die Spannung U = 9 V muss also im Verhältnis 1:2 geteilt werden. Zwei Widerstände 10 kΩ und 20 kΩ teilen den Gesamtwiderstand von 30 kΩ genau im gewünschten Verhältnis. Widerstandswerte von 10 Ω und 20 Ω täten dies natürlich auch. Allerdings müßte die Spannungsquelle dann ständig einen Strom von 300 mA liefern.
Jetzt kommt der Härtetest:
Ein 3-V-Lämpchen wird über den 10-kΩ-Widerstand gelegt, und ... nichts passiert, außer dass es bald nach Ampere riecht. Durch das Lämpchen haben sich die Widerstandsverhälnisse und die Spannungsverhälnisse stark verschoben. Der linke Teilwiderstand ist jetzt nicht mehr 10 kΩ. Gegenüber dem Innenwiderstand der Glühlampe hat der 10-kΩ-Widerstand keine Chance mehr, fast die gesamte Spannung fällt über dem rechten Teilwiderstand ab. Für den Strom, der dadurch entsteht, ist dieser Widerstand aber nicht gebaut, Fazit: starke Erwärmung und ggf. Durchbrennen.
Merke: Das Kirchhoff'sche Gesetz gilt nur für unbelastete Schaltkreise. Durch zusätzliche Verbraucher verschieben sich Widerstands- und Spannungsverhälntisse.
Um eine echte Spannungsteilung zu bekommen - wie man sie z.B. für Operationsverstärker braucht - kann man folgende Schaltung benutzen:
Sollten sich die Spannungen an der widerstandskette durch Belastung verschieben, wird der Ausgang des OPs entweder positiv oder negativ gegen Masse. Dadurch wird der entsprechende (Leistungs-)Transistor geöffnet und zieht mehr Strom, so dass die Ströme durch die Widerstandkette selber konstant bleiben und damit auch das Spannungsverhältnis. Die obige Schaltung kann man für Spannungen zwischen 5 V und 30 V einsetzen, man erhält dann eine symmetrische Spannungsversorgungen von 2x 2,5 V ... 2 x 15 V. Bei Strömen bis zu etwa 1 A bleibt das Spannungsverhältnis konstant.