Ein paar Grundlagen der Elektronik:
Die Spannung, die über einem herkömmlichen Widerstand abfällt, ist direkt proportional zum Strom, der ihn durchfließt.
Bei Dioden aller Arten ist das anders.
Über ihnen muss erst eine bestimmte Spannung anliegen, damit sie überhaupt vernünftig leitend werden (die sog. Schwellenspannung). Darunter fließt bloß ein minimaler Sperrstrom, den wir hier getrost vernachlässigen können.
Bei roten LED liegt die Schwellenspannung bei etwa 1,8V, bei weißen LED bei über 4V, bei Gleichrichter-Dioden (etwa 1N4002) bei ~0,6V.
Steigt die Spannung über dem Bauteil dann leicht an, nimmt der Strom durch das Bauteil rapide zu. Oder, besser gesagt: Nimmt der Strom durch das Bauteil zu, steigt die sog. Flußspannung nur relativ langsam an. Denn Halbleiter begrenzt man in ihrer Leistung durch den Strom (und damit nur indirekt über die Spannung).
Weitere Infos dazu findest Du in der LED-FAQ hier im Forum.
Transistoren:
Stinknormale Bipolar-Transistoren haben drei Anschlüsse: Den Emitter (der mit dem Pfeil), die Basis (in der Mitte an der Platte) und den Kollektor. Zeigt der Pfeil von der Platte weg, ist es ein npn-Transistor, andernfalls ein pnp-Transistor (Merksatz: Pfeil-Nach-Platte -> PNP).
Npn-Transistoren brauchen einen postiven Steuerstrom durch Basis und Emitter (positive Basis-Emitter-Spannung, kurz U_BE); pnp-Transistoren einen negativen Steuerstrom. Ich gehe erst einmal auf npn-Transistoren ein, die meist verwendet werden.
Damit die Kollektor-Emitter-Strecke eines npn-Transistors leitend wird, muss ein Steuerstrom fließen. Die BE-Strecke hat z.B. beim BC547 eine Schwellenspannung von etwa 0,7V. Solange das elektrische Potential an der Basis also nicht um 0,7V höher ist als das am Emitter, bleibt die Kollektor-Emitter-Strecke und damit der Transistor gesperrt.
Erster Schaltplan:
Der Fototransistor hat eine U_KE von etwa 0,25V (so er denn leitet). So lange aber kein Licht auf seine fotosensitive Basis fällt, bleibt er gesperrt.
Der ganze Strom durch R10 fließt über Basis und Emitter von Q8 ab (dieser schaltet durch, die LED leuchtet). Die U_BE von Q8 liegt bei etwa 0,7V.
Fällt nun Licht auf den Fototransistor, leitet dieser. Seine U_KE liegt mit 0,25V deutlich unter der U_BE von Q8 (0,7V). Also fließt der ganze Strom von R10 durch den Fototransistor; die Basis von Q8 geht leer aus, und die LED erlischt.
Soweit alles verstanden? Sonst nachfragen.
Einschub: Definition Spannung und Potential
Spannung liegt immer zwischen zwei Punkten an. Das Potential eines einzelnen Punktes ist gleich der Spannung zwischen GND und diesem Punkt.
Die Potentialdifferenz zweier Punkte entspricht also der Spannung zwischen diesen Punkten.
Zweiter Schaltplan:
Nun betrachten wir mal die Ladespannungsregelung etwas genauer. Ich habe sie etwas umgezeichnet und den Pufferkondensator parallel zur Z-Diode weggelassen. Das Kondensatoren-Array habe ich durch einen einzelnen Kondensator ersetzt (kommt ja aufs gleiche raus).
Erst einmal stelle ich ein vermutlich unbekanntes Bauteil vor:
Die Z-Diode. Diese Diode wird genau anders herum als normale Dioden eingebaut. Sie hat eine Besonderheit: Übersteigt ihre Sperrspannung 15V (± Bauteiltoleranz), so wird sie plötzlich leitend. Sinkt die Spannung über ihr wieder unter 15V, sperrt sie wieder.
Der Kondensator wird genau so lange geladen, wie der Transistor leitet. Der Transistor leitet genau dann, wenn das Potential der Basis mindestens 0,7V höher liegt als das Potential des Emitters.
Das Potential der Basis wird auf 15V begrenzt, der Kondensator kann sich folglich auf bis zu 14,3V aufladen. Darüber sperrt die Basis-Emitter-Strecke des Transistors (und damit auch die Kollektor-Emitter-Strecke), und es fließt kein Strom mehr durch den Transistor. Der Strom von R10 fließt nun vollständig durch Die Z-Diode ab (falls die Betriebsspannung größer als 15V sein sollte). Ist genau so wie im Schaltplan zuvor.
Ist die Betriebsspannung kleiner als 15V, fließt überhaupt kein Strom mehr. Auch kann sich der Kondensator nicht über das Solarmodul entladen, weil der Transistor in diese Stromflußrichtung sowieso sperrt.
Dritter Schaltplan:
Funktioniert ganz ähnlich wie Schaltplan 2, bloß raffinierter.
An der Basis vom npn-Transistor Q11 liegen konstant etwa 1,8V an (das ist die Schwellenspannung/Flußspannung von LED6). An seinem Emitter sind es 0,7V weniger, also 1,1V. Der Strom, der über dem Widerstand R13 abfällt, lässt sich nun nach I=U/R ausrechnen: 1,1V/220Ω=5mA. Dieser Strom setzt sich zusammen aus dem recht geringen Basisstrom des Transistors und dem wesentlich größeren Kollektorstrom (der gleich dem Strom durch LED7 ist). LED7 wird also quasi vom gleichen Strom durchflossen wie R13. Der Strom durch R13 bleibt ziemlich konstant, nahezu völlig unabhängig von der Betriebsspannung! Damit ist auch der Strom durch LED7 konstant und unabhängig von der Betriebsspannung.
Analog verhält es sich mit R14/Q10/LED6. Der Strom, der durch R14 fließt (und durch die Flußspannung von LED7 und der U_BE von Q10 festgelegt wird), ist auch quasi gleich dem Strom durch LED6.
Nützlicherweise kann man die Schaltung recht einfach komplett abschalten: Man braucht bloß LED6 zu brücken. Dann wird die Basis von Q11 auf 0V gezogen; Q11 sperrt. Das hat dann zur Folge, dass keine Elektronen mehr in die Basis vom pnp-Transistor Q10 hinenfließen können, also sperrt er auch.
Einschub:
Im anderen Schaltplan sorgt R3/R7 dafür, dass immer ein wenig Strom von (+) der Betriebsspannung an der Basis des npn-Transistors ankommt und dieser somit wieder zu leiten beginnt. Leitet er ein wenig, beginnt auch der pnp-Transistor wieder zu leiten; die beiden Transistoren unterstützen sich gegenseitig, bis beide wieder recht weit geöffnet haben. Das nennt man auch "Mitkopplung".
Noch ein Einschub:
Schaltet man einen Taster parallel zu LED1 und einen in Reihe zu R3, so erhält man ein Flipflop: Druck auf den ersten Taster lässt beide LEDs erlöschen, Druck auf Taster 2 bringt sie wieder zum leuchten.
Zitat :
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| Lässt sich die Idee von dl2jas nicht gut umsetzen? |
Geht auch, ist aber nur für den beaufsichtigten Betrieb geeignet, da die Akkus weder mit einem Überlade- noch mit einem Tiefentladeschutz ausgestattet sind. Die Akkus sollten also zu Beginn der Vorführung etwa halb geladen sein (also Luft nach oben und unten haben). Schalte je ein Amperemeter hinter das Solarmodul und vor die LEDs, damit das Publikum sehen kann, wann welcher Strom fließt.
Aber hey, viel schwerer zu verstehen als der von Dir ins Feld geworfene Schmitt-Trigger ist meine Schaltung auch nicht
Und einfach aufgebaut ist sie auch, selbst per Reißzwecken-und-Holzbrett-Methode (sie hat ja bloß ganze zwei Leiterbahnkreuzungen).
Leider weiß ich noch immer nicht genau, ob das Modellhaus längere Zeit ausgestellt werden soll und somit auch unbeaufsichtigt laufen können muss.
Außerdem habe ich noch bemerkt, dass man anstelle der 15V-Z-Diode auch einen 16V-Typ verbauen kann; dieser bricht zwischen 15,3V und 17,1V durch. 17,1V-0,6V=16,5V, passt also gerade so.
Gruß, Bartho
