Betrieb einer LED mit Solarenergie

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1 Betrieb einer LED mit Solarenergie ENT Schlüsselworte Sonnenenergie, Fotovoltaik, Solarzelle, Leuchtdiode Prinzip Kleine Fotovoltaikanlagen können direkt zur Versorgung kleiner Geräte oder zur Beleuchtung genutzt werden. Dafür sind im Allgemeinen höhere Spannungen erforderlich als eine Zelle liefern kann. Mehrere Zellen müssen daher in Reihe geschaltet werden. In Solarleuchten werden meistens LED`s verwendet. In diesem Versuch soll untersucht werden, welche Spannung erforderlich ist, um eine LED mit einer Solarzelle zum Leuchten zu bringen. Material *2 Leitungsbaustein, gerade, DB *4 Leitungsbaustein, winklig, DB *1 Leitungsbaustein, unterbrochen, DB *2 Leitungsbaustein, Anschlussbuchse, DB *1 Leuchtdiode, DB *2 Solarzelle, DB *1 Solarbatterie aus 4 Zellen, mit Steckern *1 Muffe auf Träger für Demo-Tafel Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Stativstange PASS, l = 630 mm Lampenfassung E27, Reflektor, Halter Glühlampe 230 V / 120 W, mit Reflektor **1 Cobra4 Wireless Manager **1 Cobra4 Wireless-Link **1 Cobra4 Sensor-Unit Energy **1 Halter für Handmessgeräte **1 Software measure für Cobra Verbindungsleitung 250 mm, rot Verbindungsleitung 250 mm, blau Verbindungsleitung 500 mm, gelb Verbindungsleitung 500 mm, blau PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7 * In Set ENT 1 enthalten ** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Betrieb einer LED mit Solarenergie Hinweis Es ist darauf zu achten, dass die LED mit maximal 20 ma betrieben wird, da sie sonst zerstört werden könnte. Aufbau - Den Stromkreis nach Abb. 1 aufbauen. - Darauf achten, dass der rote Stecker der Solarbatterie mit der ma -Buchse der Cobra4 Sensor-Unit Energy verbunden wird. - Über der Solarbatterie an der oberen Kante der Tafel die Muffe auf Träger sorgfältig festschrauben und darin die Stativstange PASS befestigen und die Lampe haltern (Abb. 2). - Der Abstand zwischen der Mitte der Solarbatterie und der Vorderseite der Lampe soll ca. 35 cm betragen. Abb. 2: Aufbau Lampe Durchführung - PC und Windows starten. - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. - Cobra4 Wireless-Link mit der Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Nach dem Einschalten wird die Sensor-Unit automatisch erkannt und dem Cobra4 Wireless-Link wird eine ID-Nummer zugewiesen, die im Display sichtbar ist. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless Manager und dem Cobra4 Wireless-Link wird durch die LED Data angezeigt. - Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit Energy einschalten. Die Sensor-Unit und die elektrischen Größen U, I, P und W werden als Messkanäle angezeigt. Abb. 3: Messwerterfassung 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Betrieb einer LED mit Solarenergie ENT - Experiment laden (Experiment > Experiment öffnen > ). - Lampe auf die Solarzelle ausrichten und einschalten. - Messwertaufnahme in measure starten. - Einzelmessung durchführen und prüfen, ob die LED leuchtet. - Den Stromkreis wie in Abb. 4 mit 2 Solarzellen aufbauen - Einzelmessung durchführen und prüfen, ob die LED mit zwei Solarzellen leuchtet. - Den Stromkreis wie in Abb. 5 aufbauen, wobei die Solarbatterie zuerst außerhalb des Lichtkegels positioniert wird. - Langsam die Solarbatterie ins Zentrum des Lichtkegels schieben, die LED beobachten und die Stromstärke ablesen. Die LED darf nur mit max. 20 ma betrieben werden (sie darf nur rot leuchten, nicht hell orange). - Einzelmessung durchführen. - Solarbatterie wieder aus dem Lichtkegel bewegen. - Die beiden Kabel der Solarbatterie am Eingang der Cobra4 Sensor-Einheit Energy vertauschen. - Die Solarbatterie noch einmal ins Zentrum des Lichtkegels schieben und die LED beobachten. - Einzelmessung durchführen. - Die Lampe ausschalten. - Messwertaufnahme in measure beenden. - Alle Messungen in das measure Hauptprogramm übertragen. Abb. 4 Abb. 5 P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Betrieb einer LED mit Solarenergie Beobachtung Bei Verwendung einer Solarzelle leuchtet die LED nicht. Auch zwei Solarzellen genügen nicht um die LED zum Leuchten zu bringen. Mit vier Solarzellen, also der Solarbatterie, beginnt die LED zu leuchten, sobald die Solarbatterie im Lichtkegel ist. Je dichter die Solarbatterie im Zentrum des Lichtkegels ist, desto heller leuchtet die LED. Vertauscht man die Kabel, so leuchtet die LED nicht. Auswertung Mit der Funktion Vermessen lässt sich in Abb. 6 die (Leerlauf-) Spannung einer Solarzelle mit etwa 0,54 V bestimmen. Die LED aber benötigt eine höhere Spannung von etwa 2 V. Demnach reichen auch zwei in Reihe geschaltete Zellen nicht aus, da sie nur etwa die Hälfte der benötigten Spannung liefern. Erst mit den 4 in Reihe geschalteten Solarzellen in der Solarbatterie reicht die Spannung aus um die LED zum Leuchten zu bringen. Bei umgepolter Spannungsquelle leuchtet die LED nicht, weil Dioden die Eigenschaft haben, dass sie Strom nur in einer Richtung durchlassen. In der anderen Richtung sperrt die Diode. Abb. 6: Messauswertung Anwendung Sollen Solaranlagen als Stromquelle für die Beleuchtung verwendet werden, dann sind gerade LEDs besonders gut geeignet. Während Glühlampen etwa 90 % der Energie als Wärme und nur 10 % der Energie als Licht abgeben, ist es bei LEDs inzwischen fast umgekehrt. Die neuesten Dioden können etwa 90 % der zugeführten Energie in Licht umzuwandeln. Zusätzlich weisen LEDs gegenüber Glühlampen neben der besseren Energieeffizienz auch eine längere Lebensdauer auf. 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Betrieb einer LED mit Solarenergie ENT Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN 2.5 Betrieb einer LED mit Solarenergie (P ) Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1) aufgeführten und mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt: Versuch P Cobra4 Mobile-Link Cobra4 Sensor-Unit Energy Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Digitale Großanzeige Versuch P Analog-Demomultimeter ADM P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Betrieb einer LED mit Solarenergie Raum für Notizen 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P