Der Dämmerungsschalter

Schlagwörter: Dämmerungsschalter, Transistor, LDR, Spannungsteiler, Licht abhängig, lichtabhängig, Halbleiter

Dämmerungsschalter
01 Tag
Dämmerungsschalter
02 Nacht

Vor dem Haus der Familie Meyer steht eine Laterne. Tagsüber ist die Laterne aus. Sobald es dunkel wird, schaltet die Laterne ein. Wenn es morgens hell wird schaltet sich die Laterne wieder aus. Diese Schaltvorgänge scheinen selbstständig zu funktionieren. Eine Schaltung, die das realisiert, ist die sogenannte Dämmerungsschaltung.

Aufbau

Welche Bauelemente benötigen wir?

„Herzstück“ der Schaltung ist ein LDR, also ein lichtempfindlicher Widerstand. Je stärker der LDR beleuchtet wir, desto kleiner ist sein Widerstand. Den Schaltvorgang realisieren wir mit einem Transistor.

Wir gehen zunächst von der Grundschaltung eines Transistors aus. ►03

Transistor - Steuerkreis und Arbeitskreis
03 Transistorschaltung (grün) Steuerkreis (rot) Arbeitskreis

Die Widerstände R1 und R2 erfüllen die Funktion eines Spannungsteilers. Die Spannung die an den Polen der Schaltung anliegt, fällt über den Widerständen ab. Dabei verhalten sich die Spannungen wie die Widerstände.

{\large \frac{{{R}_{1}}}{{{R}_{2}}}=\frac{{{U}_{1}}}{{{U}_{2}}}}

Damit die C-E-Strecke leitend wird, also ein Strom im Arbeitskreis fließt, muss die Spannung UBE ausreichend groß sein. (vgl. Kennlinie des Transistors).

An der Schaltung erkennen  wir, dass UBE = U2. Damit wissen wir, dass R2 groß sein muss, damit auch UBE  groß wird.

Wenn wir jetzt R2 durch einen LDR ersetzen, dann erfüllt die Schaltung die nötige Bedingung.

Funktion

Transistorschaltung-Dämmerungsschalter
04 Schaltung mit Spammungsteiler

Je heller es wird, desto kleiner wird der Widerstand R2. UBE wird kleiner und die C-E-Strecke leitet nicht.

Wenn es dunkel wird, dann wird auch der Widerstand des LDRs größer. UBE steigt und der Transistor wird zunehmend leitend. Die Lampe beginnt zu leuchten.

Alternativ kannst du die Funktion auch über den Basisstrom IB erklären. => hier

In der Praxis sollte man den Widerstand R1 durch ein Poti ersetzen. Das Poti hat den Vorteil, dass wir damit das Verhältnis der Widerstände R1 und R2 justieren können. Damit wird es auch möglich, die Empfindlichkeit des Dämmerungsschalters einzustellen.

Dämmerungsschalter selber bauen

Prinzipiell funktioniert die Schaltung mit verschiedenen Transistoren und LDRs. Sie muss dann nur über das Poti justiert werden.

05 Schaltung mit LDR und Poti

Über das Poti R1 lassen sich der Gesamtwiderstand und somit auch das Verhältnis von R1 zu R2 im Steuerkreis einstellen. Damit kann die Empfindlichkeit der Schaltung justiert werden.

Wenn R1 nach unten verschoben wird, dann wird UBE kleiner. Die C-E-Strecke wird erst bei sehr wenig Licht leitend.

Wenn R1 nach oben verschoben wird, dann wird UBE größer. Die C-E-Strecke wird schon leitend wenn relativ viel Licht auf den LDR fällt.

Du kannst viele verschieden Materialien verwenden. Mit den folgenden Materialien funktioniert die Schaltung problemlos.

Trimmpoti
06 LDR, Poti, Transistor

Material:

  • Transistor: BC-517
  • LDR: PDV-P8103
  • Poti: 10 kΩ

... weitere Möglichkeiten

Aber auch über die Spannung UB kann die Funktion der Schaltung beeinflusst werden. Im Unterricht haben wir die Schaltung mit den folgenden „unkaputtbaren“ Materialien aufgebaut. Der verwendete Transistor ist ein Leistungstransistor und somit für Schülerexperimente gut geeignet. Bei einer Leistungsaufnahme von 115 W ist er mit den klassischen Netzgeräten elektrisch unkaputtbar. Für eine reale Schaltung sollten aber Transistoren mit einer steileren Kennlinie, wie der BC517  genutzt werden. Diese haben aber nur eine geringe Leistungsaufnahme (<1 W). Bei falscher Beschaltung können diese Transistoren schnell zerstört werden.

07 Aufbau Dämmerungsschaltung

Die hier verwendeten Materialien sind aus den Schülerexperimenten:

  • Transistor: 2N-3055
  • Poti: 10
  • LDR: PDV-P5003

 

Die Betriebsspannung UB orientiert sich hier an der genutzten Lampe. Wenn ein 12 V Lämpchen verwendet wird, dann sollte UB auch ca. 9 V bis 12 V betragen. Für 6 V Lämpchen funktioniert die Schaltung auch bei entsprechend kleinerer Spannung.

Funktion – Erklärung über den Stromfluss

08 Ströme im Steuerkreis

Der  Gesamtstrom im Steuerkreis ist der Strom IS. Dieser teilt sich am Poti in die Ströme IB und I2 auf. Nach der 1. KIRCHHOFFschen Regel gilt:

IS = IB + I2

Der Strom wählt stets den Weg des geringsten Widerstandes. Je größer R2, desto größer wird der Strom IB. Wenn IB hinreichen groß ist, dann öffnet die C-E-Strecke. Der Strom IB wird quasi über die Spannung UBE angetrieben.