LED-Wechselblinker

LED-Wechselblinker

Der LED-Wechselblinker, auch Doppelblinker genannt, ist eine vergleichsweise komplizierte Schaltung. Die Komplexität steckt in der Überkreuzschaltung zweier Transistor-Stufen. Trotzdem sollte sich ein Einsteiger daran wagen. Denn in dieser Schaltung passiert sehr viel und lädt deshalb zum Ausprobieren und Experimentieren ein. Diese Schaltung verdeutlicht das Zusammenspiel von Transistoren, Kondensatoren und Widerständen.

Man bezeichnet diese Schaltung auch als astabilen Multivibrator oder bistabile Kippstufe. Das sind Schaltungen deren Zustand sich ständig ändert. Diese Änderung betrifft den Stromfluss und die Spannung, deren Auswirkungen durch die Leuchtdioden sichtbar werden.
Dieser Wechselblinker verdeutlicht sehr gut die Arbeitsweise eines Flip-Flops. Es handelt sich dabei um zwei Schalterstufen. Wenn die eine Stufe durchschaltet, wird dadurch die andere gesperrt. Durch das wechselseitig Laden und Entladen der Kondensatoren, sperren sich die beiden Transistoren wechselseitig.

  • Die Schaltung ist für 9 Volt ausgelegt, funktioniert aber auch unter 5 Volt.
  • In der Schaltung werden rote Leuchtdioden verwendet. Es können auch andersfarbige Leuchtdioden verwendet werden. Die Widerstände R1 und R2 dienen als Vorwiderstände für die Leuchtdioden und haben sonst keinen Einfluss auf die zeitlichen Abläufe in dieser Schaltung.
  • Als Transistoren eignen sich vergleichbare Kleinsignal-Transistoren. Es empfiehlt sich immer gleichwertige Transistoren zu verwenden.
  • Leuchtet eine Leuchtdiode dauernd und die andere nur ganz schwach, dann ist einer der Transistoren defekt oder falsch beschaltet. Ganz typisch ist, dass Kollektor und Emitter vertauscht wurden.

Bauteile

Liste

  • R1: Widerstand, 1 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Braun)
  • R2: Widerstand, 1 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Braun)
  • R3: Widerstand, 10 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Rot)
  • R4: Widerstand, 10 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Rot)
  • C1: Elektrolyt-Kondensator, 10 µF (gepolt)
  • C2: Elektrolyt-Kondensator, 10 µF (gepolt)
  • TRS1: Transistor, PN2222 (BC547)
  • TRS2: Transistor, PN2222 (BC547)
  • LED1: Leuchtdiode, rot
  • LED2: Leuchtdiode, rot

Aufbau

  • Diese Schaltung ist Aufgrund der Überkreuz-Verbindung zwischen den beiden Transistoren vergleichsweise komplex. Bitte gebe Dir viel Mühe beim Aufbau.
  • Im Gegensatz zu einfachen Transistor-Schaltungen kann man in dieser Schaltung mit falschen Widerständen verschiedene Bauteile zerstören. Nicht plötzlich. Aber über die Zeit können Widerstände und Transistoren heiß werden und durchschmoren. Man merkt das daran, dass einzelne Bauteile heiß werden. Du solltest die Schaltung dann schnell außer Betrieb nehmen.
  • Zum hemmungslosen Experimentieren ist eine Betriebsspannung von 5 Volt besser geeignet!

Experimente

Baue die Schaltung gewissenhaft auf! Stelle sicher, dass die beiden Leuchtdioden abwechselnd blinken.

  1. Tausche den Kondensator C1 mit 10 µF gegen 100 µF.
  2. Tausche den Kondensator C2 mit 10 µF gegen 100 µF.

Bringe die Schaltung mit 10 µF für C1 und C2 in den Grundzustand zurück.

  1. Tausche den Widerstand R3 mit 10 kOhm gegen 5,1 kOhm.
  2. Tausche den Widerstand R4 mit 10 kOhm gegen 100 kOhm.
  • Du kannst auch mal mit anderen Widerstandswerten bei den Widerständen R3 und R4 arbeiten. Möglichst nicht kleiner als 1 kOhm.
  • Wähle eine Kombination aus Widerständen (R3 und R4) und Kondensatoren (C1 und C2), bei dem der Wechselblinker für Dich am besten funktioniert.

Beobachtungen und Erklärungen

Der hier beschriebene Wechselblinker ist ein simpler astabiler Multivibrator. Das heißt, die Schaltung kennt keinen stabilen Zustand, sondern schwingt ständig zwischen zwei Zuständen hin und her. Die beiden Transistoren TRS1 und TRS2 schalten und sperren sich abwechselnd gegenseitig.
Mit einem Oszilloskop könntest Du sehr leicht feststellen, was in dieser Schaltung passiert.

Im Grundzustand wechseln sich die beiden LEDs mit blinken ab. Das Blinken ist so schnell, dass die LEDs praktisch nicht ausgehen.

  1. Das Blinken von der Leuchtdiode LED1 wird zu einem Blitzen und die LED2 will im Moment des Blitzens ausgehen. Da dieses Blitzen nur kurz ist, geht die LED2 auch nur kurz, also kaum wahrnehmbar, aus. Wichtig zu verstehen ist, dass die Wirkung des Ladens und Entladens der Kondensatoren nicht losgelöst voneinander ist, sondern im Zusammenhang stehen. Wenn Du das Blinken der einen LED beeinflusst, dann wirkt sich das auch auf die andere LED aus.
  2. Mit einem gleichwertigen Kondensator blinken beide Leuchtdioden wieder gleich. Durch den größeren Kondensator blinken sie langsamer. Beobachten kannst Du auch, dass die Leuchtdioden langsam ausgehen und schnell angehen.
  3. Durch einen kleineren Widerstand R3 wird aus dem Blinken ein heftiges Flackern.
  4. Durch einen kleineren Widerstand R4 wird aus dem Flackern ein Blitzen. Aber, nur bei der Leuchtdiode LED2. Die Leuchtdiode LED1 verhält sich genau anders herum.

Fazit: Je kleiner die Kondensatoren C1 und C2 bzw. je kleiner die Widerstände R3 und R4, desto schneller erlischt die entsprechende Leuchtdiode, zugunsten der anderen, die dann sofort aufleuchtet.


Dimensionierung

Die Einschaltzeiten und Ausschaltzeiten durch die Transistoren lassen sich mit folgenden Formeln berechnen:

  • Die Einschaltzeit von TRS2 beträgt t,ein = 0,7 x R3 x C1, die Ausschaltzeit t,aus = 0,7 x R4 x C2.
  • Die Einschaltzeit von TRS1 beträgt t,ein = 0,7 x R4 x C2, die Ausschaltzeit t,aus = 0,7 x R3 x C1.

Bei der Dimensionierung solltest Du noch folgendes beachten: Die Basis-Emitter-Sperrschicht von Silizium-Transistoren hat eine maximale Sperrspannung um die 7 Volt. Darum kann die Betriebsspannung mit 9 Volt schon außerhalb der zulässigen Grenzwerte der Transistoren sein. Eine höhere Betriebsspannung als 9 Volt ist in diesem Fall nicht sinnvoll.


Schaltung simulieren

Manch einer baut Schaltungen gerne in einem Simulator auf (z. B. Multisim, Target, etc.). Wenn die Schaltung im Simulator exakt symmetrisch aufgebaut wird, dann berechnet der Simulator Lade- und Entladezeiten der Kondensatoren genau gleich. Das bedeutet, die Schaltung funktioniert im Simulator nicht. Die „aufgebaute“ Schaltung lebt davon, dass alle Bauteile Toleranzen aufweisen, die die Schaltung geringfügig asymmetrisch macht. Beim Simulieren muss darauf geachtet werden, einem der Kondensatoren einen etwas anderen Wert zu geben.
Simulatoren sind zwar ganz nett, aber ersetzen nicht den Lötkolben oder das Steckbrett!

Weitere Schaltungen:

Den LED-Wechselblinker selber aufbauen und experimentieren

Elektronik-Set Starter Edition

Das Elektronik-Set Starter-Edition enthält über 300 der wichtigsten und nützlichsten Elektronik-Bauteile und -Komponenten.

Mit dabei ist der Elektronik-Guide (PDF-Datei zum Download) mit Elektronik-Grundlagen, Erklärungen von Bauelementen und Schaltungen mit Versuchen und Experimenten. Damit schafft jeder den ersten Einstieg in die Elektronik. Ganz ohne Vorkenntnisse. Neugier genügt.

  • Elektronik-Einstieg ohne Vorkenntnisse.
  • Schnelles Verständnis für Bauteile und Schaltsymbole.
  • Ohne Lötkolben experimentieren. Bauteile einfach verbinden und fertig.

Mehr Informationen Elektronik-Set jetzt bestellen

Teilen:

Elektronik-Set Starter Edition
Elektronik-Set "Starter Edition"

Elektronik erleben mit dem Elektronik-Set "Starter Edition"

Perfekt für Einsteiger und Widereinsteiger

  • Elektronik-Einstieg ohne Vorkenntnisse
  • Schnelles Verständnis für Bauteile und Schaltsymbole
  • Ohne Lötkolben experimentieren: Bauteile einfach stecken

Mehr Informationen Elektronik-Set jetzt bestellen

Elektronik-Fibel

Elektronik einfach und leicht verständlich

Die Elektronik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Elektronik, Bauelemente, Schaltungstechnik und Digitaltechnik.

Das will ich haben!