Halbleiterphysik: Übungen AFB II – Physik Klasse 9

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Aufgabenblock — AFB II

Zehn Sachaufgaben aus allen Kapiteln des Themas: erst die Situation übersetzen, dann in mehreren Schritten rechnen — mit gestuften Tipps, wenn du nicht weiterkommst.

Rote LED am 9-V-Block

AFB II

Eine rote LED mit der Schleusenspannung 1,8 V soll mit 20 mA an einer 9,0-V-Blockbatterie betrieben werden. Dazu liegt ein Vorwiderstand in Reihe.

a) Berechne die Spannung am Vorwiderstand. b) Berechne den Widerstandswert.

a) U_R = V

b) R = Ω

Ansatz: In der Reihenschaltung teilt sich die Spannung auf: U_R = U_ges − U_LED. Danach Ohmsches Gesetz R = U_R / I.

Rechenweg: U_R = 9,0 V − 1,8 V = 7,2 V; R = 7,2 V / 0,020 A = 360 Ω.

Lösung: a) 7,2 V b) 360 Ω

Vollständige Lösung

Die LED übernimmt 1,8 V, der Rest von 7,2 V fällt am Vorwiderstand ab. Mit I = 0,020 A folgt R = 7,2 V / 0,020 A = 360 Ω. Man wählt in der Praxis den nächstgrößeren Normwert, also 390 Ω. Hinweis: 20 mA sind 0,020 A — wer mit 20 rechnet, erhält einen um den Faktor 1000 falschen Widerstand.

Leistungsbilanz derselben Schaltung

AFB II

In der Schaltung aus A1 fließen 20 mA. An der LED liegen 1,8 V, am Vorwiderstand 7,2 V.

a) Berechne die Leistung der LED in Milliwatt. b) Berechne die Leistung, die der Vorwiderstand in Wärme umsetzt.

a) P_LED = mW

b) P_R = mW

Ansatz: P = U · I, jeweils mit der Spannung des einzelnen Bauteils und dem gemeinsamen Strom.

Rechenweg: P_LED = 1,8 V · 0,020 A = 0,036 W; P_R = 7,2 V · 0,020 A = 0,144 W.

Lösung: a) 36 mW b) 144 mW

Vollständige Lösung

Die LED setzt 36 mW um, der Vorwiderstand 144 mW — also viermal so viel. Zusammen sind das 180 mW, genau 9,0 V · 0,020 A. Hinweis: Am Vorwiderstand geht der größere Teil der Energie als Wärme verloren. Eine kleinere Betriebsspannung wäre sparsamer.

Solarmodul auf dem Gartenhaus

AFB II

Ein Modul enthält 36 Siliziumzellen in Reihe, jede liefert 0,50 V. Im Betrieb fließen 8,0 A.

a) Berechne die Modulspannung. b) Berechne die abgegebene elektrische Leistung.

a) U = V

b) P = W

Ansatz: Bei Reihenschaltung addieren sich die Spannungen, der Strom bleibt gleich. Dann P = U · I.

Rechenweg: U = 36 · 0,50 V = 18 V; P = 18 V · 8,0 A = 144 W.

Lösung: a) 18 V b) 144 W

Vollständige Lösung

Die 36 Zellen ergeben 18 V, mit 8,0 A also 144 W. Die Zellspannung von 0,5 bis 0,6 V hängt allein vom Material Silizium ab — nicht von der Zellgröße. Hinweis: Die Fläche einer Zelle bestimmt die Stromstärke, nicht die Spannung.