Der Taschenlampen Blog

Zur selbstständigen Steuerung einer LED mit Hilfe der Umgebungsbeleuchtung kann eine Schaltung mit einem Fotowiderstand verwendet werden. Ein Fotowiderstand (light dependent resistor) ist ein lichtabhängiger Widerstand. Je höher der Lichteinfall auf das Bauteil ist, desto kleiner wird aufgrund des inneren fotoelektrischen Effekts der elektrische Widerstand. Somit kann dieses Bauteil, mit seinem extrem großen Widerstandsbereich (wenige kΩ bis mehrere MΩ ) zum Steuern eines „Schalters“ verwendet werden, welcher wiederum die Steuerung der LED-Schaltung übernimmt. Eine einfache LDR-Grundschaltung ist in Abbildung zu sehen.

Funktionsweise

Der Fotowiderstand und der Widerstand R bilden einen simplen Spannungsteiler. Solange Licht auf den LDR fällt, ist dessen Widerstandswert relativ klein. Folglich ist der Spannungsabfall über diesen Widerstand klein. Der Transistor bleibt geschlossen und der Strom fließt über den Fotowiderstand zur Masse hin ab. Sobald der Lichteinfall ausbleibt, erhöht sich der Wert vom LDR, der Spannungsabfall wird größer und der Transistor wird geöffnet. Dieser kann nun einen Verbraucher mit Strom versorgen.

Ersetzt man den Verbraucher durch die LED-Schaltung, erhält man eine mit Umgebungslicht geregelte Ultra-Low-Power-LED-Schaltung. Viel Freude beim Energiesparen.

Leuchtdioden gibt es in verschiedenen Ausführungen und Bauformen. Bedrahtete LEDs (3mm bzw. 5mm) und SMD-LEDs (Surface Mounted Devices) sind die am weitesten gebräuchlichsten Bauformen. Gewöhnliche Leuchtdioden werden in der Regel mit einem Strom von 20 mA oder mehr betrieben. Im Fall von Low-Current-LEDs sind es nur ca. 2 mA. Da weiße LEDs gegenüber Leuchtdioden anderer Leuchtfarbe viel mehr Energie benötigen, um Licht zu emittieren, wurden bis jetzt noch keine weißen Low-Current-LEDs entwickelt. In diesem kleinen Bastelprojekt geht es darum diese LEDs mit einem Strom von weniger als 1 mA zu betreiben.

Allerdings sind im Handel LEDs mit unterschiedlicher Lichtstärke (Einheit: [mcd]) erhältlich. Um diesbezüglich einen ersten Eindruck zu erhalten, haben wir die Lichtstärke von 6000 mcd, 15000 mcd und 30000 mcd LEDs verglichen. Hierbei haben wir festgestellt, dass kein nennenswerter Unterschied in der Lichtintensität zu erkennen war, jedoch ein minimaler Unterschied in der Farbtemperatur.

Abbildung 1: Konstantstromtreiber mit LEDs in Reihenschaltung

Da die Kennlinien von Leuchtdioden einen exponentiellen Verlauf aufweisen, ist im normalen Betrieb zu beachten, dass kleine Spannungsänderungen zu großen Stromänderungen führen. Allein bei der Fertigung kann es vorkommen, dass einige LEDs einer Baureihe etwas unterschiedlichere Betriebsspannungen besitzen als andere. Dies kann bei einer Parallelschaltung von Leuchtdioden dazu führen, dass sich die Ströme unterschiedlich verteilen und somit die LEDs verschieden hell leuchten. Aus dem Grundschalten wir die LEDs in Reihe und verwenden eine Konstantstromquelle. Mit die Reihenschaltung wird sichergestellt, dass durch alle LEDs immer derselbe Strom fließt und diese somit gleich hell leuchten und mit Hilfe der Konstantstromquelle kann man, für einen relativ großen Bereich der Betriebsspannung, den Strom regeln und konstant halten.

Die Abbildung 1 zeigt einen Versuchsaufbau einer einfachen Konstantstromquelle (inkl. LEDs) zu sehen. Der gewünschte Strom wird hierbei über die Summe der Widerstände von P1 und R2 eingestellt. Der Transistor T1 steuert nur soweit durch, bis dieser Strom erreicht ist. Dabei öffnet T1 auch den Transistor T2, welcher über die Basis-Emitter-Strecke die typische Diodenspannung von U= 0,6 – 0,7 V aufweist. Diese Spannung liegt ebenso am Widerstand R2 + P1 an. Mit Hilfe des ohmschen Gesetztes kann man nun den Strom durch diesen Widerstand bestimmen, welcher den Emitterstrom von T1 entspricht und näherungsweise auch den Kollektorstrom darstellt. Vorausgesetzt der Basisstrom ist vernachlässigbar klein.

Bestimmung der elektrischen Größen

Herkömmliche LEDs leuchten im Normalbetrieb bei einem Strom von ca. ID = 20 mA und einer Spannung in Flussrichtung von U = 3 – 4 Volt (abhängig von der Leuchtfarbe). Da der Diodenstrom nicht größer als der Nennstrom werden soll, lässt sich für den Widerstand R2 + P1 der Minimalwert von ca. 33 Ω berechnen. Setzt man für R2 = 33 Ω ein, ist immer sicherstellt, dass der Diodenflussstrom den Wert von 20 mA nicht überschreitet. Mit den Potentiometer P1 kann man nun den Widerstandswert vergrößern, folglich den Diodenstrom verkleinern und somit die Leuchtintensität der LEDs verringern. Die Versorgungsspannung vCC muss aufgrund der Reihenschaltung mindestens 15 Volt betragen.

Der Widerstand R1 sollte möglichste groß gewählt werden, damit der Kollektorstrom von Transistor T2 minimal wird, und somit die gesamte Schaltung einen geringeren Stromverbrauch aufweist. Der Querstrom mit steigendem Widerstand R1 zunehmen kleiner wird bzw. fast der gesamte Strom fließt nun durch die Dioden. Bei einem Widerstand R1 von 336 kOhm fließt ein Gesamstrom von nur 0,5 mA von dem anteilig 50% durch die Leuchtdioden fließen.

Der kurze Artikel hat gezeigt wie man mit Hilfe von ein paar LEDs, zweier Transistoren und ein paar Widerständen ganz einfach eine Ultra-Low-Power Taschenlampe selber bauen kann.