Der Weihnachts LED-Stern
mit 36 Leuchtdioden
Nostalgie, Weihnacht und Elektronik
Es waren die letzten Monate des Jahres 1977 als ich einen solchen
Weihnacht-LED-Stern baute und am 17. Dezember 1977 war er mit einer
Spannweite von etwa 50 cm fertig. Von damals bis heute strahlt er jeden
letzten Monat im Jahr aus dem Fenster in meine Wohngegend und trägt
seinen Teil zur vorweihnachtlichen Stimmung bei. Wenn es zur Abendstunde
dämmert und die vielen elektrischen Kerzen die Wohnzimmerfenster
schmücken, schaltet sich mein rot leuchtender LED-Stern mit seinen 36
Leuchtdioden ein, leuchtet bis zur Morgendämmerung und schaltet sich
wieder automatisch aus. 32 dieser LEDs sind auf die vier Sternzacken
verteilt und vier weitere sind um das Zentrum des Sterns angeordnet. Im
Zentrum befindet sich die mattierte runde Plexiglasscheibe die das
Umgebungslicht für die Fotodiode einfängt und dessen nachfolgende
Elektronik bei der Abenddämmerung die LEDs ein- und bei der
Morgendämmerung wieder ausschaltet. Der Stern besteht aus einem dünnen
und leichten Sperrholzbrett und in der Mitte auf der Hinterseite
befindet sich das Kästchen mit der Dämmerungselektronik. Es war der
letzte Monat im Jahre 2000, als ich diesen Elektronik-Minikurs
geschrieben habe, und es war das erste Jahr meiner aktiven Mitarbeit im
ELektronik-KOmpendium (das ELKO), das damals noch E-Online hiess.
23 Jahre, zwischen 1977 und 2000, sind eine lange Zeit, sogar eine sehr
lange Zeit, wenn man die Elektronikentwicklung betrachtet. Dieser
Realität versuche ich hier etwas Rechnung zu tragen und darum publiziere
ich die damalige Originalschaltung (Bild 1) und eine etwas modernere
Version in den Bildern 5 und 6 mit LinCMOS-Opamp, Power-MOSFET und einer
zusätzlichen Blinkschaltung, falls dies jemand realisieren möchte, damit
der LED-Stern blinkend besser auffällt. Wie der ELKO-Leser seinen
LED-Stern bauen will, ist seiner Fantasie überlassen. Man kann ihn
schmuck und klein mit winzigen LEDs oder gross mit grossen LEDs bauen.
Wenn jemand bereit ist mehr Geld auszugeben, kann man natürlich
superhelle LEDs verwenden. Es gäbe noch viele Möglichkeiten. Man könnte
auch Zweifarben-LEDs einsetzen und mittels Impulsbreitenmodulation (PWM)
die LEDs dazu bringen, dass sie ständig ihre Farben zwischen Rot und
Grün kontinuierlich wechseln. Allerdings wird hier diese Möglichkeit
nicht beschrieben. Wie man so etwas realisieren kann, zeigt die
Schaltung in diesem Elektronik-Minikurs:
Grün leuchtet die LED, wenn die Batterie (nicht Akku) voll geladen ist.
Während der Entladung verschiebt sich die LED-Leuchtfarbe kontinuierlich
von Grün nach Gelb ins Rot. Bei Rot muss man die Batterie erneuern.
Damit der Ladezustand gut schätzbar ist, leuchtet die LED bei
Tastendruck erst rot. Dann ändert sie die Farbe auf das Lichtspektrum,
das etwa dem Ladungszustand entspricht.
Jetzt wünsche ich Dir eine interessante Lektüre. Ich gehe wie immer auf
die Details der Schaltungen ein und schweife auch etwas aus, wenn es
sich ergibt. Auch dieser Minikurs soll dazu dienen dem
Elektronikstudenten die Elektronik in Teilbereichen etwas näher zu
bringen. Manches kann auch Wiederholung und Auffrischung sein. Man liest
etwas über Operationsverstärker (LinCMOS), Komparatoren,
Schmitt-Trigger, Darlingtons, LEDs in Serieschaltung, Fotodioden und wie
man sie ausmessen kann. Und neu (11.2014), wie man eine LED als
Fotodiode einsetzt.
Der Weihnachtsstern von 1977
Die total 36 LEDs sind in drei Reihen zu je 12 LEDs und je einem Vorwiderstand (R8, R9, R10) in Serie parallelgeschaltet und werden von einer diskret aufgebauten NPN-Darlingtonschaltung, bestehend aus T1 und T2, geschaltet. Selbstverständlich kann man auch einen integrierten Darlington im TO92-Gehäuse verwenden, z.B. den BC517. Damit kommen wir bereits zu den ersten Links. Sollte jemand nicht wissen was eine Darlingtonschaltung ist, kein Problem, "das ELKO" weiss es und hilft mit den beiden folgenden Links weiter:
Speist man mit einem handelsüblichen Netztrafo mit einer
Sekundärwicklung von 24 VAC, oder zwei Sekundärwicklungen zu je 12 VAC
in Serie geschaltet, ergibt dies eine Maximalgleichspannung von etwa 32
VDC. Bei einer Rippelspannung von 4 Vpp (LEDs eingeschaltet) gibt dies
einen Gleichspannungsmittelwert von etwa 30 VDC. Der minimale
Gleichspannungswert hat etwa 28 VDC. Mit dieser ungeregelten
Gleichspannung wollen wir die LED-Zeilen speisen. Eine rotleuchtende LED
hat eine Dioden-Vorwärtsspannung von etwa 1.8 VDC. Bei einer
Serieschaltung von 12 LEDs braucht es somit beinahe 22 VDC um sie zum
Leuchten zu bringen. Über den Vorwiderständen R8, R9 und R10, die es für
die Strombegrenzung braucht, fallen je etwa 8 VDC ab. Wir wählen den für
billige LEDs mit normaler Helligkeit üblichen LED-Strom von 20 mA. Dies
ergibt einen Widerstandswert von 400 Ohm. Der nächste Widerstand in der
E12-Reihe hat 390 Ohm. Bei 8 VDC und 20 mA ergibt dies eine
Verlustleistung von 160 mW. Es genügt im Prinzip je ein kleiner
1/4-Watt-Widerstand. Ich schlage jedoch vor, wenn man kein Platzproblem
hat, die etwas grösseren 1/2-Watt-Widerstände zu benutzen, denn je
kühler die Bauteile sind, um so betriebssicherer und langlebiger ist die
ganze Schaltung.
Zur Darlingtonschaltung, bestehend aus T1 und T2. T2 muss 60 mA
aushalten, was für den preiswerten NPN-Kleinsignaltransistor BC550 kein
Problem ist, weil T2 im gesättigten Betriebszustand mit niedriger
Kollektor-Emitterspannung von maximal 1 VDC arbeitet. Die gesamte
Darlingtonschaltung aus T1 und T2 verstärkt den T1-Basisstrom um etwa
1000 bis 2'000. Beide Transistoren sollen im Sättigungsbetrieb arbeiten.
Für T2 gilt eine maximale Stromverstärkung von etwa 30 bei diesem
niedrigen Kollektorstrom von 60 mA. Für T1 kann man mit einem
Kollektorstrom von knapp 2 mA mit einer Sättigungsverstärkung von 50
oder etwas mehr rechnen. Um den Kollektorstrom von 60 mA an T2 zu
schalten, ist ein T1-Basisstrom von 60 µA nötig. Diesen Wert darf man
durchaus auch deutlich höher wählen, weil der Opamp-Ausgang OA liefert
dies problemlos. Wäre nur T2 im Einsatz, käme der Opamp mit 2 mA schon
etwas an die Grenzen. Damit kommen wir zur Dimensionierung von R5 und
R6.
Im Jahre 1977 war es schon beinahe vorbei, dass man sich vor seiner
Operationsverstärkerhoheit
"741"
verneigte, aber er blieb der Inbegriff des Operationsverstärkers noch
während sehr vielen Jahren. Jedermann weiss selbst heute noch im
Zeitalter der modernen Rail-to-Rail-Opamps mit höchsten Grenzfrequenzen
und Slewrates, niedrigen Betriebsspannungen, geringstem
Leistungsverbrauch, kleinster Bauweise und minimalstem Rauschen, was ein
"741" ist. So war es nur selbstverständlich, dass ich damals in dieser
Schaltung eben einen "741" benutzte, den ich heute fast verächtlich mit
Rauschgenerator denn mit Opamp betitle. Es ist natürlich klar, dass der
"741" noch keine Rail-to-Rail-Eigenschaften am Ausgang besass. Gemeint
ist, dass der Ausgang weder den Pegel der Betriebsspannung noch den
Pegel des GND erreichen kann, so wie er in Bild 1 im Singlesupply-Modus
beschaltet ist. Die Abweichung von diesen beiden Extremspannungsmaxima
beträgt etwa 2 VDC.
Für den Spannungsteiler R5/R6 wählen wir einen Querstrom von 0.5 mA,
also etwa acht Mal mehr als die Basis von T1 benötigt. Wenn der Ausgang
des "741" auf 18 VDC liegt, würde der Knotenpunkt von R5 und R6 eine
Spannung 3.1 VDC haben, wäre dieser nicht mit der Basis von T1
verbunden. Durch diese Verbindung wird diese R5/R6-Knotenspannung auf
die doppelte Basis-Emitter-Durchflussspannung von etwa 1.4 VDC
limitiert. Der Strom von etwa 0.5 mA durch R5 teilt sich auf zu 0.2 mA
durch R6 und 0.3 mA als T1-Basisstrom. In diesem Zustand ist die
Darlingtonstufe eingeschaltet und die LEDs leuchten. Im ausgeschalteten
Zustand der LEDs beträgt die Ausgangsspannung des "741" etwa 2 VDC. An
der Basis von T1 liegt dann eine Spannung von 0.34 VDC. Die
Darlingtonstufe ist sicher offen. R7 sorgt jetzt dafür, dass die Basis
von T2 sicher auf Emitterpotenzial, nämlich auf GND, liegt.
Die Komparatorschaltung
Zentraler Teil der Schaltung ist ein als Komparator (Vergleicher)
geschalteter Operationsverstärker. Im Prinzip ist ein Komparator nichts
anderes als ein Operationsverstärker ohne interne oder externe
Frequenzgangkompensation. Diese macht es erst möglich einen
Operationsverstärker mittels Gegenkopplung als Verstärker zu betreiben.
Ohne diese Massnahme arbeitet die gegengekoppelte Verstärkerschaltung
instabil, sie oszilliert. In der Anfangszeit, als man den Frequenzgang
der Operationsverstärker noch extern kompensieren musste, hatte man
meist erst ein anständiges "Theater" bis die Schaltung stabil arbeitete.
Ältere Leser können sich sicher noch an die frustrierenden Zeiten des
MC1439 oder MC1709 erinnern, als man nach getaner Arbeit und
erfolgreichem Schaltungsdesign Baldrian oder aber besser ein Bier
genehmigen musste. :-)
Warum aber gibt es überhaupt Komparatoren und Operationsverstärker, wenn
man schliesslich auch mit Operationsverstärker Komparatorschaltungen
realisieren kann? Ganz einfach deshalb, die (interne)
Frequenzgangkompensation "bremst" den Operationsverstärker und dies
stört, wenn die Komparatorschaltung schnell reagieren soll. Jedoch in
der vorliegenden Anwendung muss nur eine extremst langsam sich
verändernde Eingangsspannung verarbeitet werden und da tut's auch ein
Operationsverstärker, und erst recht dann, wenn man ihn sowieso in der
Bastelkiste verstaubend herumliegen hat. So war es auch damals, als ich
den "741" verwendete. Solch langsam sich verändernde Spannungen nennt
man auch quasistationär.
Weder Fisch noch Vogel ?
Wir betrachten die Komparatorschaltung in Bild 1 etwas genauer, ignorieren zunächst den Rückkopplungswiderstand R3 und betrachten ein Detail davon in Bild 2:
Die Referenzspannung Ur ist mit den beiden Z-Dioden ZD1 und ZD2 fix auf die halbe Betriebsspannung des "741" eingestellt. Wenn die variable Spannung Uv (v = variabel) kleiner ist als Ur, liegt der Ausgang des "741" beinahe auf der Betriebsspannung von 20VDC, also auf etwa 18 VDC. Erhöht sich Uv langsam, - was der Morgendämmerung entsprechen würde -, so durchschreitet diese variable Spannung extrem langsam den Wert Ur. Da die sogenannte Openloopverstärkung (Verstärkung bei fehlender Gegenkopplung) eines Operationsverstärkers nicht unendlich hoch ist, reduziert sich die Ausgangsspannung des "741" nicht wünschenswert abrupt. Der etwas schleichende Übergang der Ausgangsspannung (Teilbild 2.2 = Lupe) hat zur Folge, dass die nachfolgende Darlingtonschaltung aus T1 und T2 (Bild 1) ebenfalls schleichend schaltet. Dies hat zur Folge, dass kurzeitig in T2 eine erhöhte Verlustleistung auftritt, was zu unnötiger Erwärmung führt und für diesen Kleinsignaltransistor auch zuviel werden kann. Also mussen man dafür sorgen, dass der als Komparator arbeitende 741-Operationsverstärker schnell durchschaltet. Dies besorgt die Rückkopplung mit R3 wie Bild 1 und nachfolgend Bild 3 illustriert:
Was bewirkt R3? Wenn Uv beginnt langsam grösser zu werden als die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des "741" (+Eingang), beginnt dessen Ausgangsspannung zu sinken. Dieser Vorgang überträgt sich über R3 ebenso auf den nichtinvertierenden Eingang und die Differenzspannung zwischen den beiden Eingängen vergrössert sich zusätzlich, wobei die Ausgangsspannung noch rascher sinkt. Dieser Mitkopplungs-Effekt beschleunigt diesen Vorgang enorm. Die Folge davon ist, dass der Ausgang des "741" abrupt von etwa 18 VDC auf etwa 2VDC schaltet. Dadurch hat sich für den umgekehrten Vorgang, für die sinkende variable Spannung Uv, den Umschaltpegel verschoben, weil sich ebenso abrupt die Spannung über R3 verändert hat. Diese Verschiebungen bewirken zwei Trigger-, bzw. Umschaltspannungswerte von Uv mit Ut+ und Ut-. Die Spannung zwischen diesen beiden Triggerwerten nennt man Hysterese H. Wir haben in Bild 3, wie in Bild 1, also einen Komparator mit Hysterese und das ist ein sogenannter Schmitt-Trigger. Mehr zu diesem Thema steht im ELKO-Grundkurs Komparator mit Hysterese, jedoch in der nichtinvertierenden Funktion. Am Prinzip selbst ändert das nichts. Der Elektronik-Minikurs zeigt eine Demoschaltung für den Unterricht, wo es darum geht die Unterschiede zwischen Verstärkung, Komparator und Schmitt-Trigger experimentell an einem Oszilloskopen zu zeigen:
Was will der Untertitel "Weder Fisch noch Vogel" uns sagen? Je grösser man das Verhältnis von R3 zu R2 wählt, um so kleiner ist die Hysterese. Man kann diese Hysterese also auch sehr klein wählen und dann kann man sich fragen, ob man es eher mit einem Komparator als mit einem typischen Schmitt-Triggger zu tun hat. Wenn eine quasistionäre Eingangsspannung Uv nur eine sehr geringe Störspannungsüberlagerung hat, kann die Hysterese auch sehr klein gewählt werden. Damit kommen wir zur eigentlichen Dämmerungselektronik und dazu soll hier noch einmal die ganze Schaltung von Bild 1 eingeblendet werden:
Die Dämmerungselektronik
Ur für den nichtinvertierenden Eingang des "741" ist auf dessen halbe
Betriebsspannung festgelegt. Das müsste nicht sein. Ur könnte durchaus
auch grösser oder kleiner gewählt werden. Dazu könnte man auch zwei
Widerstände einsetzen. Ich verwendete damals jedoch zwei Z-Dioden, weil
ich diese auch gleich zur stabilisierten Betriebsspannung für den "741"
einsetzen wollte. FD ist die Fotodiode, die stets in Sperrrichtung
betrieben wird. Ohne Licht sperrt die Fotodiode praktisch vollständig.
Fällt Licht auf sie, fliesst ein Strom der lichtstärkeproportional ist.
Mit dem Trimmpotmeter TP stellt man den Dämmerungs-Schaltpegel ein, also
die Lichtstärke bei der der LED-Stern zum Leuchten eingeschaltet wird.
Die durch R3 und R2 bedingte Hysterese sorgt dafür, dass bei der
Morgendämmerung bei einem etwas hellerem Licht wieder ausgeschaltet wird
(Bild 3). Eine nicht zu kleine Hystere macht hier Sinn, damit
geringfügige Fluktuationen der Helligkeit in der Dämmerungsphase sich
nicht in einem ständigen Ein- und Ausschalten der LEDs auswirken.
Wenn abends das Tageslicht dämmert, sinkt die variable Spannung Uv am
invertierenden Eingang des "741". Unterschreitet Uv den Wert Ur vom
nichtinvertierenden Eingang, schaltet der Ausgang des "741" auf etwa 18
VDC, dadurch werden T1 und T2 eingeschaltet und die 36 LEDs leuchten. In
der Morgendämmerung erfolgt der umgekehrte Vorgang. Die Hysterese
zwischen der Ein- und Ausschalthelligkeit ist durch das
Widerstandsverhältnis R3/R2 gegeben. Zur Speisung genügt ein kleiner
24VAC-Trafo TR mit einer Leistung von 4VA, einem kleinen
DIL-Brückengleichrichter BG
(DF102M).
Es kann auch ein anderer Typ verwendet werden. Man sollte auf jedenfall
die Sperrspannung nicht zu knapp wählen, damit allfällige
Überspannungsspitzen möglichst erfolglos bleiben. Die
Betriebsspitzenspannung liegt bei etwa 32 VDCp. Im Leerlauf und bei
Netzüberspannung ist dieser Wert höher. Es können durchaus 40 VDCp
erreicht werden. Darum ist die Nennspannung des Elko C1 mit 50 VDC ein
Muss. Besser etwas höher als niedriger!
Als Alternative bieten sich heute (2014) längst kleine
Stecker-DCDC-Wandler an. Man müsste, will man solche verwenden, zwei in
Serie schalten. Den einen mit 24 VDC und den andern mit 9 VDC. Jeder
Ausgang sollte parallel eine in Sperrrichtung geschaltete
Kleinleistungsdiode (1N4002) enthalten, damit in der
Ein-/Ausschalt-Phase oder im Fall eines Kurzschluss keine Rückströme in
einen der Wandler fliessen können. In diesem Fall braucht es den
Ladeelko C1 nicht.
Zur Fotodiode des Typs LS4000, welche es heute nicht mehr mehr gibt: Bei
Farnell findet man
z.B. die relativ preiswerte Fotodiode BPW34 mit einer Empfindlichkeit
von 0.6A/W. Allerdings sagt dieser Wert nichts im Vergleich zur alten
LS4000 aus. Daher sehe ich nur eine praktische Lösung, die ich hier
empfehle und das betrifft auch jede andere Fotodiode. Man baut auf einem
Testboard eine einfache Testschaltung auf und ermittelt den
Widerstandswert des Trimmpotmeter TP so, dass bei Mittelstellung von TP
bei Dämmerlicht eine Uv-Spannung abgegeben wird, die etwa der halben
Betriebsspannung des Operationsverstärkers entspricht. Wie dies gemacht
wird, zeigt folgendes Bild 4:
Man beachte den Spannungsfolger mit dem FET-Input-Operationsverstärker LF356, TL071 oder TLC271. Dies empfiehlt sich, wenn man kein sehr hochohmiges elektronisches Spannungsmessgerät zur Verfügung hat. Viele haben einen Eingangswiderstand von bloss 10 M-Ohm und dies ist hier eindeutig zu wenig. Aber der Aufwand ist, wie Bild 4 zeigt, schliesslich sehr gering. Der Dämmerungsstrom einer Fotodiode ist sehr klein, so dass Trimmpotmeterwerte von 5 M-Ohm (Bild 1) zum Einsatz kommen.
Eine alternative Version mit LinCMOS-Opamp und MOSFET
Anstelle von zwei Z-Dioden zur stabilen Speisung der Elektronik und für
die Erzeugung der Referenzspannung Ur wird hier der
12VDC-Spannungsregler (VR) vom Typ
78L12
im kleinen TO92-Gehäuse eingesetzt. Zur
Erzeugung der Referenzspannung Ur wirken hier die beiden Widerstände R1
und R2. Das Trimmpotmeter TP für die Empfindlichkeitseinstellung (SENS)
ist hier nicht dimensioniert, weil dies von der Wahl der Fotodiode
abhängt, da es die LS4000 kaum mehr geben wird. Wie der optimale TP-Wert
ermittelt wird, zeigt weiter oben die Beschreibung zum Bild 4. Anstelle
der NPN-Darlingtonstufe wird hier ein N-Kanal-Lowpower-MOSFET des Typs
BS170
(T1) verwendet. Das Gate von T1 kann man direkt mit dem Ausgang
des Operationsverstärkers verbinden. Als Operationsverstärker OA kann
der
TLC271,
ein LinCMOS-Typ von
Texas-Instruments
verwendet werden. Es empfiehlt sich auf jedenfall ein
Operationsverstärker einzusetzen, dessen Ausgang bis auf den GND-Pegel
hinunterreicht, denn die Gateschwellenspannung (Gate-Threshold-Volage)
toleriert zwischen den zwei Extremwerten von 0.8 bis 3 Volt bezogen auf
einen Drainstrom von 1 mA. Nur dann wenn die Ausgangsspannung eines
Operationsverstärkers oder Komparators bis auf GND (Singlesupply-Modus)
hinuntergehen kann, ist die Aussschaltung des BS170 sicher
gewährleistet. Natürlich reichen in der Praxis wenige hundert Millivolt
über GND aus. Es müssen nicht exakt Null Volt sein.
Vor dem Spannungsregler VR ist eine Z-Diode ZD1 vorgeschaltet. Dies ist
leider nötig, denn gerade bei kleinen Trafos ist der Unterschied
zwischen Leerlaufspannung und Spannung unter Last (LEDs leuchten)
ziemlich gross. Dies bedeutet, dass die maximal zulässige
Eingangsspannung des VR überschritten werden könnte. Dem beugt die
Z-Diode ZD1 mit einer Zenerspannung von 10 Volt vor.
Widerstand R11 ist notwendig, falls der minimale Laststrom
unterschritten wird, was bei einem Betriebsstrom des TLC271 mit bloss
etwas mehr als 1 mA kritisch ist. Ein 78L12 muss mindestens 1 mA
liefern, sonst ist die Spannungsregelung nicht gewährleistet. R11 sorgt
mit einem Stromfluss von 2.5 mA dafür.
Blinkender LED-Stern
Auch das kann realisiert werden, z.B. wenn man den LED-Stern als Werbeattraktor verwenden möchte. Wie das geht zeigt Bild 6:
Dazu verwendet man einen Dual-Operationsverstärker, z.B. ein TLC272 (LinCMOS), der ebenfalls wie der TLC271 in einem 8-pin-DIL-Gehäuse zu haben ist. Der zweite Operationsverstärker OA2 arbeitet als Rechteckgenerator mit einer Frequenz von etwa einem Herz. Dieses Rechtecksignal steuert T2 und dieser T1 in dem es die Gatespannung, welche durch OA1 über R16 erzeugt wird, ständig öffnet und schliesst. Die Timing-Komponenten sind R12 und C3. Die beiden Widerstände R17 und R18 direkt vor den Gates von T1 und T2 sind prinzipiell nicht nötig, weil FETs spannungsgesteuert sind. Trotzdem machen sie Sinn. Ohne diese neigen MOSFETs während des Durchschalten, sowie im analogen Betrieb, sehr hochfrequent zu schwingen. Dies wird mit R17 und R18 wirksam unterdrückt. Die Werte vor R17 und R18 sind unkritisch. Bei hohen Schaltfrequenzen wählt man niedrigere Werte bis in den 10-Ohm-Bereich, damit die Flankensteilheiten durch den Miller-Effekt, gegeben durch den Gate-Vorwiderstand und der Drain-Gate-Kapazität, nicht verschlechtert wird. Bei diese Anwendung hier, spielt dieser Aspekt keine Rolle.
LED als Fotodiode - einfacher Dämmerungslichtsensor
Halbleiter sind grundsätzlich lichtempfindlich. Als es noch
Germanium-Transistoren in schwarz gefärbten Glasröhrchen gab, z.B. den
OC71,
musste man nur den schwarzen Lack entfernen und man hatte bereits die
Funktion eines Fototransistors. Eine LED in der Funktion als Fotodiode
hat einen sehr niedrigen Wirkungsgrad. Kombiniert man die LED mit einem
oder gleich zwei Transistoren
(Darlington),
hat man einen recht empfindlichen diskreten
Fototransistor.
Es empfehlen sich Transistoren mit hoher Stromverstärkung auch im
Bereich niederiger Kollektorströme. Grüne LEDs sind wesentlich
tageslichtempfindlicher als rote oder gelbe.
LEDs als Fotodioden arbeiten ebenfalls stets im
Sperrbetrieb. Bei Beleuchtung fliesst allerdings, proportional zur
Lichtstärke, ein sehr kleiner Strom. Fotodioden sind lichtvariable
Stromquellen. Unbelastet geht die Spannung zwischen der Kathode und
Anode schon bei sehr wenig Licht in den Sättigungsbereich. Diese
Spannung eignet sich nicht zur Weiterverarbeitung, es sei denn man
belastet sie, parallel geschaltet, mit einem sehr hochohmigen
Widerstand. Auf diese Weise ist es genau so eine Stromquelle die wirkt
und über dem Widerstand eine Spannung erzeugt. Anstelle einer Spannung,
kann man auch direkt einen Strom verstärken. Mit einem Opamp geht das
als Transimpedanzverstärker, wie dies weiter unten in Teilbild 7.3
gezeigt wird.
Mehr Details über Fotodioden, auch etwas über die spektralen Varianten,
liest man im Wiki-Beitrag zum Titel
Fotodiode.
Für den Elektronik-Einsteiger bietet das ELKO einen Erstkontakt mit
diesem
Fotodioden-Grundlagenkurs
von Patrick Schnabel.
Wozu aber soll man LEDs als Fotodioden-Ersatz verwenden? Diese Frage ist
wohl berechtigt, weil in der professionellen Schaltungtechnik dürfte
dies wohl kaum ein Thema sein, denn Angebote zu Fotodioden oder auch
Fototransistoren gibt es reichlich. Für den Hobbybastler sieht es oft
etwas anders aus. Er hat in den Schubladen eine Menge an gebräuchlichen
Bauteilen, u.a. auch preiswerte LEDs herumliegen. Wenn so jemand z.B.
ein Spielzeug mit vielen LEDs realisieren will, das mit Licht geschaltet
werden soll, kommt ihm die LED als Fotodiode gerade gelegen, weil er
nicht wegen nur grad einer Fotodiode oder eines Fototransistors eine
Bestellung aufgeben muss. Und dazu kommt noch der Lerneffekt zur LED als
Fotodiode.
Teilbild 7.1 zeigt die Fotodiodenschaltung aus Bild 1. Da man es hier
mit Dämmerlicht zu tun hat, ist der Strom Ifd (fd = Fotodiode) aus der
Fotodiode so schwach, dass das Trimmpotmeter TP (SENS) zur Einstellung
der variablen Spannung Uv relativ hochohmig sein muss. Wesentlich
hochohmiger ist eine solche Schaltung mit dem Einsatz einer LED als
Fotodiode, wie Teilbild 7.2 zeigt. Zum Einsatz kommt eine grüne LED mit
ungefärbter transparenter Glashülle. Bei Tageslichtdämmerung hat die
grüne LED einen etwa vier mal besseren Wirkungsgrad als eine rote, wie
ich experimentell feststellte. Bei meinen Experimenten und der
definitiven Schaltung in Bild 8 benutzte ich als grüne LED den Typ
LG3369-EH
von Philips. Beim Einsatz andere grüner LEDs muss man evtl. abweichende
Widerstandswerte experimentell ermitteln, die für den einstellbaren
Dämmerlichtbereich optimal sind. Um einigermassen vernünftige Spannungen
(Uv) im Dämmerlichtbereich zu erhalten, sind Widerstände im Bereich von
100 M-Ohm und mehr notwendig. (Trimm-)Potmeter wird es kaum mehr geben
oder wenn doch, dann nur sehr schwierig und wohl kaum preiswert.
Teilbild 7.3 zeigt die Methode zur Verstärkung mit der Schaltung des
typischen
Transimpedanzverstärkers
mit einem Opamp. Dies ermöglicht eine präzise Messung, aber das Problem
bleibt unverändert eine sehr hochohmige Schaltung. Dazu den folgenden
Beitrag
Fotodiode-Amplification
von Robot-Room.
Teilbild 7.5 kombiniert die LED-Fotodiode mit einer
PNP-Darlington-Schaltung aus zwei BC560C-Transistoren mit einer sehr
hohen Stromverstärkung weit über 10'000. Damit ist es möglich an T2,
dessen Basis nicht in direkter Verbindung zur LED steht, die
Stromverstärkung von T2 zu beeinflussen. Dies funktioniert ganz einfach
mit einem mit TP einstellbaren Ableitstrom zwischen Basis und Emitter
von T2. Dabei kommt man mit einem Maximalwiderstand des TP von etwa 1
M-Ohm gut zurecht. Diese Schaltung ist wesentlich niederohmiger. Jedoch
aufgepasst! Das gilt nicht für die unmittelbare LED-Umgebung. Deshalb
ist darauf zu achten, dass dieser Bereich ganz besonders vor
Feuchtigkeit und Schmutz zu schützen ist. Daher eignet sich
grundsätzlich diese Schaltung eher nicht für den Ausserhaus-Betrieb. Der
LED-Stern ist als Innenraum-Anwendung vor das Fenster, von aussen
sichtbar, gedacht.
Die Stromverstärkung ist temperaturempfindlich, aber nicht so sehr, dass
sich im Bereich eines Temperaturunterschiedes von 10 Grad Celsius oder
auch mehr den Dämmerungs-Schaltpegel auffallend störend verschiebt.
Sollte man trotzdem Wert auf mehr Stabilität legen, muss man eine
Opampschaltung in Betracht ziehen, die dann allerdings aufwändiger ist
die von Teilbild 7.3. In diesem Fall lohnt es sich dann halt doch eine
echte Fotodiode oder sogar ein Fototransistor einzusetzen. R1 hat in den
Teilbildern 7.4 und 7.5 nur eine Schutzfunktion. Bei defekt
kurzschliessender LED wirkt R1 als Strombegrenzung. R1 schützt so T1 und
T2 vor Zerstörung.
Die Schaltung in Bild 8 ist mit einer Ausnahme identisch mit der von
Bild 5. Anstelle einer Fotodiode, die man erst ermitteln, beschaffen und
austesten (siehe Bild 4 und zugehöriger Text) muss, kommt in Bild 8 die
LED als Fotodiode zum Einsatz. Es ist das als LED-Lichtempfänger
umrahmte Teil, das in Teilbild 7.5 beschrieben ist. Die Dimensionierung
des LED-Lichtempfänger passt zur LED
LG3369-EH
von Philips. Mit anderen vorzugsweise grünen LEDs muss man R14 und
vielleicht auch TP anpassen. Dabei muss man Experimentieren bei
Dämmerlicht. Neu ist der Tantal-Elko C4 (100 µF) mit R4 (1 M-Ohm). Die
Zeitkonstante beträgt 1.7 Minuten. Dies kann nützlich sein um einer
kurzzeitigen Beschattung durch Gegenstände o.ä. vorzubeugen. Das ist
nicht zwingend notwendig, darum sind die Anschlüsse von C4 gestrichelt.
Wenn C4 nicht zum Einsatz kommt, empfiehlt sich für R4 100 k-Ohm, nach
dem Prinzip: Mach Deine Schaltung nicht hochohmiger
als zwingend nötig, weil es dient der Stabilität und der
Sicherheit.
Wozu benötigt es überhaupt R4? Darf man den invertierenden Eingang von
OA denn nicht direkt mit dem Kollektor von T1 und T2 verbinden? In der
Ursprungsschaltung in Bild 1 mit dem Opamp LM741 gilt betreffs
Temperaturstabilität (DC-Offset-Spannung), dass die Eingangswiderstände
am invertierenden und nichtinvertierenden Eingang möglichst gleich gross
sein sollen. Beim der LinCMOS-Opamp-Version TLC271 in Bild 5 und Bild 8
gibt es einen anderen Grund. CMOS-Schaltungen sind empfindlich gegen
Latchup. Dieses Risiko ist hier alledings extrem gering und trotzdem
bietet R4 einen gewissen Schutz. Was ein Latchup-Effekt ist, erfährt man
hier.
Wozu benötigt es R13 zwischen der LED und der Basis von T1? Falls die
LED kurzschliessend kaputt geht, verhindert R13 durch Strombegrenzung
die Zerstörung von T1 und T2. Es ist eine sehr preiswerte
Worstcase-Massnahme.