LED und Lampe in Reihe - warum leuchtet die Glühlampe nicht?

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Mein 6-jähriger Sohn hat gerade angefangen, mit einem Snap Circuits Style-Kit zu experimentieren, und wir haben bereits eine sehr grundlegende Frage.

Wenn wir eine LED und eine Lampe parallel mit Batterien betreiben, leuchten sowohl die LED als auch die Lampe hell auf.

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Wenn wir jedoch LED und Lampe in Reihe schalten, leuchtet nur die LED auf.

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Offensichtlich fließt Strom durch die Lampe (wenn ich die Glühbirne herausschraube, erlischt die LED).

Warum leuchtet die Glühbirne nicht?

Ich bin ein bisschen billig, also kaufe ich bei eBay kein richtiges Snap Circuits, sondern ein ähnliches Generikum aus China (siehe: Electronic Blocks Kit W-58 ).

(Entschuldigung, wenn dies für dieses Forum zu einfach ist, ich aber noch keine Antwort über Google gefunden habe.)

Mark McLaren
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Können Sie uns etwas mehr Hintergrundinformationen geben? Ich erinnere mich, dass Snapcircuits eine Art vorgefertigte Module sind, die zum Zusammenarbeiten angebracht werden können und für Anfänger geeignet sein sollen, aber höchstwahrscheinlich einige zusätzliche Komponenten enthalten, die für eine gute Antwort auf diese Frage wichtig sein könnten. Wenn Sie technische Spezifikationen von Modulen (zumindest welche Module verwenden Sie genau) oder detaillierte, fokussierte Fotos haben, können diese hilfreich sein.
AndrejaKo
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Die LED ist eine rote LED mit einem in Reihe geschalteten 33-Ohm-Widerstand. Die Lampe ist für 2,5 V / 300 mA ausgelegt. Haben Sie mit der LED einen Vorwiderstand (z. B. 100 Ohm) verwendet?
Spehro Pefhany
Nicht dass ich wüsste.
Mark McLaren
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@ Mark McLaren Im Gegensatz zu der Lampe, deren Helligkeit durch die vom Kabel abgegebene Leistung (Produkt aus Spannung und Strom) gesteuert wird, ist die Helligkeit der LED proportional zum Strom, der durch die LED fließt, wenn die Spannung einen bestimmten Wert überschreitet. Dies wird in der Antwort von Kaz erklärt, aber hier sind noch ein paar Daten: Erstens beträgt die Spannung am LED-Modul 3 V - Vf - 33 * I = 0, wenn nur die LED parallel zur Glühbirne geschaltet ist. Hier ist Vf die Spezialspannungs-LED, die eingeschaltet werden muss. (Forts.)
AndrejaKo
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Wenn sowohl LED als auch Glühlampe in Reihe geschaltet sind, lautet die Spannungsgleichung: 3 V - Vf - 33 * I - Glühlampe * I = 0. Ich bin der Strom, der durch den Stromkreis fließt. 33 ist der Widerstandswert des im LED-Modul enthaltenen Widerstands. Bei der LED handelt es sich im Grunde genommen um einen Gerätetyp, der sich einschaltet, sobald Strom fließt und die Quellenspannung höher als Vf ist, während die Glühbirne erst sichtbar wird, wenn die Verlustleistung den erforderlichen Wert erreicht. Dies ist einer der Gründe, warum LEDs in vielen Geräten die Glühlampen als Anzeigeleuchten ersetzen.
AndrejaKo

Antworten:

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Für die parallel geschaltete LED und Lampe liegt jeweils die gesamte Batteriespannung an.

Wenn Reihe geschaltet sind , muss die Spannung über jede Summe an die Spannungsbatterie.

Ohne mehr Informationen als angegeben, ist die wahrscheinlichste Antwort, dass die Spannung an der Lampe, die der Batteriespannung minus der Spannung an der LED entsprechen muss, nicht ausreicht, um sichtbares Licht zu erzeugen.

Beim Eingeben dieser Antwort stelle ich fest, dass Sie einige Bilder hinzugefügt haben. Es scheint, dass die gesamte Batteriespannung etwa 3 V beträgt. Da viele LEDs eine Durchlassspannung von mehr als 2 V haben, verbleibt weniger als 1 V an der Glühlampe.

Haben Sie ein Voltmeter mit Ihrem Kit? Wenn ja, messen Sie die Spannung an der Lampe für die Reihenschaltung.

Alfred Centauri
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Ich denke, ein wichtigerer Punkt ist die Tatsache, die von Spehro in einem Kommentar erwähnt wurde, dass die Glühlampe 300 mA benötigt, während eine LED normalerweise weniger als 20 mA verbraucht, sodass die LED den Strom in der Schaltung auf einen so niedrigen Wert begrenzt dass die Lampe kein sichtbares Licht macht. Wenn Sie zwei Lampen hintereinander anstelle einer LED und einer Lampe verwenden, sollten beide Lampen schwach leuchten, da sie etwa 150 mA haben.
Peter Bennett
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@PeterBennett, der LED-Strom kann stark variieren, während die LED-Spannung in etwa konstant ist. Ich glaube nicht, dass Ihre Argumentation hier richtig ist. Die LED (ignoriert eingebaute Widerstände) begrenzt die Spannung an der Lampe und der Lampenwiderstand (der sich mit der Temperatur ändert) stellt den Serienstrom ein.
Alfred Centauri
@Peter: Eine LED ist kein Widerstand und "begrenzt den Strom nicht". Der Widerstand ist in Reihe geschaltet, um den Strom zu begrenzen, damit die LED nicht brennt. Der Strom hängt jedoch nur vom Spannungsabfall über dem Widerstand und nicht von der LED ab. Wie Alfred erklärte, weist eine LED einen nahezu konstanten Spannungsabfall auf, der dazu führt, dass eine sehr niedrige Spannung an die Lampe angelegt wird, jedoch keinen linearen ohmschen Widerstand wie eine Lampe liefert. Die Lampe hingegen ist eine reine (meistens) ohmsche Last, bei der der Strom linear von der angelegten Spannung abhängt.
Groo
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@Groo: Ich war in meiner Erklärung vielleicht etwas schlampig. Spehro erwähnt in seinem Kommentar, dass der LED-Teil einen 33-Ohm-Widerstand enthält. Da die LED-Baugruppe beim direkten Anschluss an die 3-V-Batterie ohne Beschädigung der LED arbeitet, sollte sie so ausgelegt sein, dass sie bei 3 V weniger als 30 mA aufnimmt und daher den Strom auf weniger als den begrenzt, wenn sie in Reihe mit 300 mA geschaltet wird Lampe.
Peter Bennett
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Die LED lässt so viel Spannung ab, dass für die Glühbirne nur noch sehr wenig übrig ist.

Sie haben nur zwei 1,5-V-Batterien, die in Reihe kaum für die LED-Durchlassspannung ausreichen.

Glühbirnen werden schnell schwächer, wenn die von ihnen abgegebene Leistung abnimmt: Die Leistung ist das Quadrat der Spannung geteilt durch den Widerstand.

Aus diesem Grund spart das Dimmen von Glühlampen nicht viel Energie. Nur ein kleiner Bruchteil der Verlustleistung dimmt eine Glühbirne fast vollständig ab.

Filamente erzeugen meist Wärme und nur einen geringen Anteil als sichtbares Licht. Dies ist sehr temperaturempfindlich, was sehr empfindlich auf Verlustleistung ist.

Schauen Sie sich die Lampe in einem dunklen Raum an. Möglicherweise sehen Sie ein schwaches rotes Leuchten. Außerdem kann das Licht der LED verhindern, dass Sie sehen, was auch immer die Glühbirne dämmert, selbst in einem dunklen Raum. Decken Sie auch die LED ab.

Kaz
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Es MUSS einen Widerstand in Reihe mit der LED geben. Eine LED ist eine Diode, und Dioden erhöhen den Strom, den sie durchlassen, schnell, wenn die angelegte Spannung über einen bestimmten Punkt, deutlich unter 3 V, ansteigt. Ohne einen Strombegrenzungswiderstand würde die LED so viel Strom durchlassen, dass sie durchbrennt.

Die vorherigen Antworten, die besagen, dass die LED die Spannung senkt, sind korrekt, aber der Abfall betrifft die Kombination aus LED und verstecktem Widerstand. Die Glühbirne erhöht lediglich den Widerstand, wodurch der Strom etwas verringert wird, die LED jedoch nur geringfügig gedimmt wird. Die Glühbirne ist jedoch der Mindestspannung beraubt, die sie zum Zünden benötigt.

Ken Jackson
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Richtigste Antwort.
krs013
Es kann erwähnenswert sein, dass der interne "versteckte" LED-Widerstand hauptsächlich für den Aufbau des ersten OP (die Parallelschaltung) relevant ist, bei der die LED im Wesentlichen direkt an 3 V angeschlossen ist. Die verbleibenden 1 V werden dann über die Verkabelung und (zum Glück) den internen Widerstand verteilt, der den Strom begrenzt, um ein Brennen der LED zu vermeiden. Im zweiten Stromkreis ändert sich die Situation nicht wesentlich (vorausgesetzt, es sind 33 Ohm gegenüber 300 Ohm der Lampe).
Groo
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Ein zusätzlicher und interessanter Faktor ist , dass die Glühfaden der Glühlampe Widerstand bei Kälte etwa 1/10 seines Widerstands ist , wenn heiß.

Anstelle von 10 Ohm ist die kalte, nicht beleuchtete Lampe wahrscheinlich näher an 1 Ohm.

P=I2R

Die Serienlampe ist kaum mehr als ein gewelltes Stück Draht, das den LED-Lichtkreis vervollständigt.

Andererseits kann das Merkmal des positiven Temperaturkoeffizienten von Glühlampen nützlich sein; Sehen Sie sich den frühen Audio-Oszillator von HP an und lesen Sie mehr über Wien-Brückenoszillatoren .

SteveRay
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Willkommen bei EE.SE! Da dies nicht wirklich eine Antwort auf die Frage ist, hättest du sie eher als Kommentar als als Antwort posten sollen.
Joe Hass
Es ist eine Antwort. Es wird erklärt, dass bei dem wahrscheinlichen Betriebsstrom des Stromkreises die Lampenwendel niemals ausreichend erhitzt wird, um zu leuchten. Es werden ferner die Konzepte von Leistung und Temperaturkoeffizient vorgestellt, sowohl eindeutige als auch relevante Beiträge zur Frage.
Phil Frost
@PhilFrost Tut mir leid, aber ich sehe in der Antwort nichts wie "zu wenig erhitzt, um zu leuchten". Das können Sie vielleicht aus der Antwort ableiten , aber ich glaube nicht, dass das OP dies tun würde. Diese "Antwort" erwähnt nicht einmal die LED.
Joe Hass
@ JoeHass ja, es tut: "Bei den 20mA Strom, die benötigt werden, um die LED vollständig zu beleuchten". Ich bin damit einverstanden, dass einem sechsjährigen Kind oder seinem Vater, der mit SnapCircuits experimentiert, der Grund nicht klar ist, aber es wird versucht , die Frage zu beantworten. Die richtige Vorgehensweise besteht darin, Verbesserungsmöglichkeiten vorzuschlagen und nicht zum Löschen zu markieren. Siehe "keine Antwort" vs. "keine gute Antwort" , aber diese Antwort ist nicht einmal "keine gute Antwort", sondern nur eine kurze Beschreibung des wahrscheinlichen Kenntnisstands des OP.
Phil Frost
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Antworten vs. Kommentieren: Ich durfte nicht mit 0 Wiederholungspunkten kommentieren. Ich suchte nach einem Gleichgewicht zwischen der Wiederholung aller Prinzipien, die im OP bereits klar diskutiert und akzeptiert wurden, und der Unzulänglichkeit, nur neue Informationen hinzuzufügen. Um festzustellen, dass die LED überhaupt nicht erwähnt wird, fehlt die Tatsache, dass die LED zweimal erwähnt wird (möglicherweise nicht detailliert genug?); Die Antwort war absichtlich auf die unbeleuchtete Glühlampe gerichtet. Die unerwartete Dunkelheit der Lampe war die Quelle der Frage des OP.
SteveRay
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Gute Frage! Wie bereits erwähnt, handelt es sich um Parallel- oder Serienschaltungen. Parallel dazu erhalten sowohl die Lampe als auch die LED-Module volle 3 Volt. In Serie müssen sie sich die 3 Volt teilen, damit jeder welche bekommt. Wenn es 2 der gleichen Art von Glühbirne wäre, würde jeder die Hälfte der Spannung erhalten. 3 Lampen in Reihe, jede bekommt 1/3 und so weiter. Das LED-Modul macht es komplexer. Aber lassen Sie uns zuerst das größte Problem lösen.

EI=R3V0.3A=10Ω

VA=R1V:VAV=RVVV1A=RVA=VR10Ω+10Ω=20Ω3V20Ω=.150ARA=V10Ω×.15A=1.5V

A=3V1.xV10+33Ω1.9V43Ω1.1V43Ω

Zu Diskussionszwecken haben rote LEDs einen Vorwärtsspannungsabfall von 1 (etwas) Volt, grün sind ungefähr 2 Volt, blau sogar noch höher. Natürlich haben sie endliche Widerstandswerte, aber es ist am einfachsten, sie als das Entfernen dieser festen Spannung zu betrachten. Der Strom kann dann als die verbleibende Spannung über dem Widerstand berechnet werden. Wenn es keinen Widerstand gibt, muss es eine aufwändigere Möglichkeit geben, den Strom zu begrenzen.

Wenn Sie mehr Spaß haben möchten, schalten Sie einen Elektromotor geeigneter Größe in Reihe mit einer Glühbirne. Achten Sie darauf, wie hell die Glühbirne ist, und belasten Sie dann den Motor mit einem Fingerdruck, einem Lüfterblatt oder einem Paddel, um Luft zu bewegen usw. Siehe irgendwelche Veränderungen?

Rechnung IV
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Was für eine großartige Antwort! Mein Kind hat eine dieser Schnappschaltungen zusammengebaut, und ich fand das Verhalten der Glühbirne mit erhöhtem Widerstand kontraintuitiv. Diese Erklärung macht deutlich, dass ein zunehmender Widerstand den Stromverbrauch des Motors ändert und im Stromkreis weniger Strom zur Verfügung steht. Mathe ist so cool!
Resplin
@resplin, danke! Das Ohmsche Gesetz ist nützlich, elegant und zeigt, warum es wichtig ist, Algabra zu lernen. Mathe ist so, so, cool!
Bill IV
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Eine Möglichkeit zum Visualisieren und damit zum Verstehen der Schaltungsvorgänge, die eine sehr vereinfachte Erklärung oder Analogie darstellen, besteht darin, zu denken, dass die LED nicht genug Strom durchlässt, um die Lampe zu zünden. Einfach ausgedrückt, hat es wesentlich mehr Widerstand als die Lampe im Wesentlichen. Wenn Sie zwei Lampen gleichen Typs in Reihe schalten, sollten beide gleich hell leuchten, so hell wie der Strom, den das Netzteil liefert. In einer einfachen Analogie würden zwei in Reihe geschaltete 115-Volt-Wechselstromlampen gleicher Leistung + benötigen - 230 Volt, um vollständig zu leuchten.

Die LED hat jedoch einen viel höheren Widerstand als die Lampe, oder genauer gesagt, sie ist ein Halbleiter und weist einen Durchlassspannungsabfall auf.

Vereinfacht: Ein Vorwärtsspannungsabfall über der LED von ungefähr 2 Volt bei einer Stromaufnahme von beispielsweise 20 mA (ich kann mich derzeit nicht an die genauen Zahlen erinnern) und dies scheint eine 3-Volt-Batteriekonfiguration zu sein, die nur ungefähr 1 Volt übrig lässt die Lampe. Auch wird die LED nicht genug Strom weiterleiten, um den Heizfaden (der als Induktor und die LED als Halbleiter klassifiziert ist, meine Analogie ist ungenau) zu erhitzen, aber die Lampe würde wahrscheinlich nicht vollständig aufleuchten, selbst wenn die zugeführte Spannung höher wäre, um dies zu kompensieren für den Durchlassspannungsabfall der LED.

Ich hoffe das ergibt Sinn. Ich entschuldige mich, wenn nicht, aber ich bin gehetzt und habe das nur gesehen, als ich kurz davor war, offline zu gehen und etwas anderes zu tun.

StansSongs
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Zu sagen, dass die LED nicht "genug Strom durchlässt", ist irreführend. Eine LED begrenzt den Strom in keiner Weise, sondern liefert lediglich einen nahezu konstanten Spannungsabfall, der sich wiederum auf den Rest des Stromkreises auswirkt. Entfernen Sie alle Widerstände aus dem Stromkreis, und die LED leitet jeden erdenklichen Strom weiter, bis der magische Rauch freigesetzt wird .
Groo
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Ihre Frage erinnert mich an ein ähnliches Experiment, bei dem zwei ungleiche, aber identische Spannungslampen in Reihe geschaltet werden. Eine Spannung, die doppelt so groß ist wie eine der Lampen, wird plötzlich an die Anordnung angelegt. Beobachten Sie einfach, was passiert. Beachten Sie bei der Auswahl Ihrer Spannung die elektrische Sicherheit. Lampen mit einer Nennspannung von 6 Volt würden gut funktionieren. Schlagen Sie eine Autostopp- / Standlichtbirne bei 6 Volt vor. Dieses Experiment wurde vor etwa 30 Jahren in einer praktischen Prüfung der GCE "A" -Physik verwendet!

Sie könnten auch versuchen, verschiedene 240-Volt-Glühlampen mit Klarglasschalen an 12 Volt anzuschließen - wenn ich mich recht erinnere, funktionieren 25-Watt-Lampen gut und erzeugen ein sanftes Glühen, das sehr angenehm anzusehen ist. Bitte achten Sie auch hier auf die elektrische Sicherheit.

Nyge
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Ich werde nur Spannungsabfälle für einen Moment ignorieren und es in Bezug auf den Strom erklären.

Bei Reihenschaltung mit der LED fließt der durch die LED fließende Strom auch durch die Glühbirne, aber die in die Glühbirne fließende Wärme (quadratischer Strom multipliziert mit dem Widerstand der Glühbirne) reicht nicht aus, damit die Glühbirne heiß genug wird, um sichtbares Licht zu erzeugen .

Das Licht der LED ist in etwa proportional zum durchfließenden Strom ,, wohingegen die Lampenhelligkeit (bei einer schwachen / unterversorgten Lampe!) Eine Proportionalität aufweist, die näher am Eingangsstromwürfel liegt. Wenn Sie eine "Weizenkorn" -Lampe (20 mA) in Reihe mit der LED schalten und den Strom einstellen, wird dies deutlich.

Nun zu einigen Aspekten der Physik: Batterien stellen eine nahezu ideale Spannungsquelle dar, da im Inneren der Batterie eine chemische Reaktion stattfindet, die Elektronen von der Kathode (+) zur Anode (-) befördert, bis die Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen offen ist -Spannung. Ich werde das Vbatt nennen.

Wenn eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlüssen hergestellt wird, fließen die Elektronen aufgrund dieser Potentialdifferenz in der externen Verbindung von (-) zu (+) und erzeugen einen "Stromkreis" von Elektronen. Dieser Elektronenfluss verringert die Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen, wodurch die Reaktion beschleunigt wird und mehr Elektronen geliefert werden und der Strom zunimmt. Dabei wird durch den Widerstand eine zunehmende Spannung in der Last erzeugt. Die Strom- und Potentialdifferenz an den Klemmen steigt so lange an, bis die Reaktionsgeschwindigkeit nicht mehr ansteigt. Mathematisch gesehen ist I1 * R1 = Vbatt.

professioneller elektronen wrangler
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@ Mark McLaren Interessante Frage .... aber wenn Sie die Position von LED und Glühbirne tauschen könnten, ohne die Polarität (wie sie ist) in Serienschaltung zu ändern, dann leuchtet die Glühbirne, wenn meine Logik korrekt ist .... Das muss man nicht sagen Die Spannung fällt zuerst an der LED ab und die verbleibende Spannung (3 VOLT MINUS Spannung, die von der LED verwendet wird) reicht nicht für die Glühlampe aus. Sie hat jedoch einen ausreichenden Strom, da sie in Reihe geschaltet ist. Die Elektronen fließen von - der Polarität der Batterien in Richtung der LED zuerst, und dies ist möglicherweise der Grund, warum die Spannung zuerst über der LED und die verbleibende Spannung über der Lampe abfällt. Es ist zu hoffen, dass sogar die LED aufleuchtet, da die LED eine niedrige Spannung benötigt und die verbleibende Spannung für die LED ausreicht. Ich bin neugierig

Amit Thakor
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Diese Antwort muss besser formatiert werden, ist ein Jahr zu spät und ergänzt vorhandene Antworten nicht. Vielleicht möchten Sie es bearbeiten, um "bcoz" zu entfernen und die richtigen Sätze zu verwenden.
David
Ich bin nicht sicher, was Sie mit dem Ändern der Polarität meinen, aber ich habe versucht, die Position der LED und der Birne in Reihe zu tauschen, und es ist immer die LED, die aufleuchtet, und niemals die Birne.
Mark McLaren
Tut mir leid aber nein. Die Reihenfolge von Glühlampe und LED-Modul hat keine Auswirkung. Versuch es selber. In Reihe muss der gesamte Strom durch die Glühlampe durch das LED-Modul fließen. Die Polarität der LED und der Batterie muss korrekt sein - die Kathode der LED muss zum Pluspol der Batterie und die Anode zum Minuspol führen, damit der Strom in Vorwärtsrichtung fließt. (Kathode - |> | - Anode) Das Dreieck im Symbol zeigt von Kathode zu Anode. Zenerdioden arbeiten vorwärts UND rückwärts, aber senden kein Licht aus ...
Bill IV