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.

In der Zeit zwischen 1977 und 2016 sind es beinahe 40 Jahre. Eine sehr lange Zeit, wenn man die Elektronikentwicklung Revue passieren lässt. 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, erfährt man in diesem Elektronik-Minikurs:

Anstelle einer Fotodiode kann man für den selben Zweck eine LED als Lichtsensor einsetzen. Die LED hat den Vorteil, dass der Bastler nicht extra eine Fotodiode beschaffen muss. Wenn man sich schon jetzt dafür interessiert, empfiehlt sich gleich das Kapitel LED als Fotodiode - einfacher Dämmerungslichtsensor mit Bild 7 und der vollständigen Schaltung des LED-Sternes in der zeitgemässen Ausführung mit LinCMOS-Opamp und Lowpower-MOSFET (Bild 8).



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 niedriger 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 Siemens. 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. Eine derart extrem hochohmige Schaltung empfiehlt sich schon wegen der extremen Feuchtigkeitempfindlichkeit nicht!

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 7.4 zeigt die Verstärkung des sehr niedrigen Fotodioden-Stromes Ifd mittels Transistor T1. Dafür sollte man einen Typ mit möglichst hoher Stromverstärkung einsetzen. Ein geeigneter PNP-Kandidat ist der BC560C. Wegen der Temperaturabhängigkeit der Stromverstärkung, eignet sich eine solche Schaltung nicht für den Messzweck, es sei denn er ist sehr "grober Natur". Auf jeden Fall taugt diese Methode als Sensorstufe für eine Dämmerunglichtschaltung. Das Problem ist jedoch die schlechte Einstellbarkeit. Der Kollektorpfad von T1 eignet sich mit TP nur bedingt. TP muss ein Trimmpot mit mindestens 5 M-Ohm sein und das ist schon sehr viel. Eine Einstellbarkeit der T1-Stromverstärkung mit einem Trimmpotmeter zwischen Basis und Emitter von T1 eignet sich noch schlechter, weil dieser Widerstand, sicher nicht als Trimmpotmeter erhältlich, viel zu hochohmig sein müsste. Genau so wie in den beiden Teilbildern 7.2 und 7.3.

Teilbild 7.5 kombiniert die LED-Fotodiode mit einer PNP-Darlington-Schaltung, bestehend aus zwei BC560C-Transistoren, mit einer sehr hohen Gesamt-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 (Bild 8) 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 Siemens. 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.



Thomas Schaerer, ??.12.2000 ; 03.12.2002 ; 16.03.2003(dasELKO) ; 20.12.2003 ; 12.02.2008 ; 03.11.2011 ; 07.08.2014 ; 20.11.2014 ; 25.11.2016 ;