Bausatz: LED-Lampe

Die Idee ist, dass eine LED immer mit der selben Helligkeit leuchtet, unabhängig von der Betriebsspannung.

Diese eigentlich einfache Schaltung besteht aus nur zwei Transistoren und zwei Widerständen mit einer beliebigen Leuchtdiode. Da diese Schaltung als LED-Lampe dienen soll, empfiehlt sich natürlich eine weiße, sehr helle Leuchtdiode zu verwenden. Alternativ kann natürlich auch jede andere Leuchtdiode verwendet werden.

Die mögliche Betriebsspannung reicht von ca. 4 bis 16 Volt. Diese Schaltung lässt sich also mit einer relativ flexiblen Spannung betreiben. Am besten eignen sich fast leere Batterien. Beispielsweise eine 9-Volt-Batterie oder 3 mal 1,5-Volt-Batterien in Reihe geschaltet (4,5 Volt).
Wenn die Betriebsspannung über 4 Volt liegt, dann reicht diese Spannung zur Stromregelung und für das Leuchten der Leuchtdiode in jedem Fall aus. Abhängig von der Durchflussspannung der Leuchtdiode kann natürlich auch eine kleinere Betriebsspannung unterhalb von 4 Volt ausreichen.

Man kann diese Schaltung als Bausatz für eine LED-Lampe oder LED-Taschenlampe verwenden. Zusammen mit einem 9-Volt-Batterie-Adapter und einem geeigneten Gehäuse lässt sich daraus eine kleine Taschenlampe bauen.

Dimensionierung

Geht man von einer Basis-Emitter-Spannung am Transistor TRS2 bzw. am Widerstand R2 von ca. 0,65 Volt aus, dann fließt ein Strom von ca. 0,65 mA. Das ist für eine Leuchtdiode sehr wenig Strom. Sie leuchtet, aber sehr schwach. Wenn man den Wert vom Widerstand R2 zum Beispiel auf 100 Ohm verringert, dann leuchtet die LED schon deutlich heller.

Wenn man einen bestimmten Strom haben möchte, dann kann man den dafür notwendigen Widerstand R2 mit folgender Formel ausrechnen.

Liste

TRS1: NPN-Transistor, BC547, PN2222 oder vergleichbar
TRS2: NPN-Transistor, BC547, PN2222 oder vergleichbar
R1: Metallfilm-Widerstand, 10 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Rot-Braun)
R2: Metallfilm-Widerstand, 1 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Braun-Braun)
LED1: Leuchtdiode, z. B. Weiss

Alternative

R2: Metallfilm-Widerstand, 100 Ohm bis 1 kOhm

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

• Widerstand
• Leuchtdiode (LED)
• Transistor
• Steckbrett und Zubehör zum Experimentieren

Es handelt sich um eine Konstant-Stromquelle mit zwei Transistoren. Ihr Zweck ist es, dass die LED mit dem gleichen Strom versorgt wird und dadurch immer gleich hell leuchtet, egal wie groß die Betriebsspannung ist.

• Der Transistor TRS1 wirkt wie ein "Ventil", das den Strom für die LED steuert.
• Der Widerstand R2 ist der "Sensor", der misst, wie viel Strom fließt.
• Der Transistor TRS2 ist der "Regler", der das Ventil (TRS1) zudreht, sobald der Strom durch den Sensor (R2) einen bestimmten Grenzwert überschreitet.

Beim Einschalten der Betriebsspannung fließt ein Strom durch den Widerstand R1 in die Basis des Transistors TRS1. Dadurch wird er leitend und ein Strom fließt durch die LED1 und über den Widerstand R2 nach GND (0 V). Das heißt, die LED1 leuchtet.

Der Spannungsabfall am Widerstand R2 ist proportional zum Strom. Und gleichzeitig ist diese Spannung die Basis-Emitter-Spannung des Transistors TRS2. Er wird leitend, sobald die Spannung zwischen Basis und Emitter ca. 0,65 Volt erreicht.
Wenn der Transistor TRS2 leitend wird, dann zieht er den Strom, der eigentlich vom Widerstand R1 zur Basis von Transistor TRS1 fließen will, direkt nach GND ab. Er "klaut" also dem Transistor TRS1 den Basisstrom. Dadurch leitet der Transistor TRS1 weniger. Das reduziert den Strom durch die LED1 und den Widerstand R2 wieder. Und dadurch wird auch die Basis-Emitter-Spannung vom Transistor TRS2 geringer. Er leitet weniger gut und der Transistor TRS1 erhält mehr Basisstrom.

Es entsteht ein Regelkreis: Der Emitterstrom vom Transistor TRS1 steigt soweit an, bis der Spannungsabfall über den Widerstand R2 der Basis-Emitter-Spannung von Transistor TRS2 entspricht. Es fließt ein Basisstrom in den Transistor TRS2 und verstärkt den Kollektorstrom. Der Kollektorstrom vom Transistor TRS2 entzieht der Basis von Transistor TRS1 gerade soviel Strom, dass die nötige Spannung über den Widerstand R2 konstant bleibt. Daraus resultiert ein konstanter Kollektorstrom durch den Transistor TRS2.

Kontant-Stromquelle: Die Schaltung regelt sich selbst so ein, dass am Widerstand R2 immer konstant ca. 0,65 Volt abfallen. Steigt die Betriebsspannung, dann steigt auch der Strom, weshalb der Transistor TRS2 leitender wird und der Transistor TRS1 weniger Basisstrom erhält und der Strom im Widerstand R2 wieder geringer wird.
Der Widerstand R2 bestimmt also den Strom, unabhängig von der Betriebsspannung.

Temperaturstabil: Da die Basis-Emitter-Spannung von Transistor TRS2 als Referenzspannung dient und dieser Transistor durch den Widerstand R2 nur wenig belastet wird, ist die gesamte Stromquelle relativ temperaturstabil.

So eine Schaltung ist sehr praktisch, weil man damit auch alte Batterien bis zum letzten Tropfen auslutschen und noch sinnvoll nutzen kann.
Du kannst damit aber auch noch ein wenig experimentieren. Beispielsweise mit dem Widerstand R2. Ersetze ihn zum Beispiel durch 100 Ohm. Oder halbiere ihn durch weitere parallel geschaltete 100-Ohm-Widerstände. Was genau passiert dabei mit der Leuchtdiode?