Elektronik Experimente

Draußen wird es dunkel und plötzlich schalten sich die Straßenbeleuchtung ein. Die Frage ist nun, wie das automatische Einschalten der Beleuchtung funktioniert? Hinter diesem Vorgang steck beispielsweise eine Schaltung wie der Schmitt-Trigger. Wird bei dieser Schaltung eine bestimmte Schwelle erreicht (in diesem Fall eine beginnende Dämmerung), schaltet diese einen Verbraucher (Straßenbeleuchtung) automatisch ein oder aus. Bezüglich dieses Schaltungsverhalten wird der Schmitt-Trigger auch als Schwellwertschalter bezeichnet.

Auch beim Schmitt-Trigger schalten sich die beiden Transistoren, abhängig von der zugeführten Eingangsspannung, gegenseitig in den leitenden Zustand. Kennzeichnend für diese Schaltung ist dabei der gemeinsamme Emitter-Widerstand. Der folgenden Versuchsschaltung aus dem Anleitungsbuch, Kapitel 3. Teilgebiete der Elektronik (Seite 69), ist ein Potentiometer dem Trigger-Eingang vorgeschalten. Mit diesem läßt sich variabel die Eingangsspannung regeln, um das Verhalten des Schmitt-Tiggers zu untersuchen. Dreht man nun das Potentiometer bis zum Anschlag des Pluspols, so das die Lampe (LED) nicht leuchtet, wird der rote Transistor durchgeschalten. An seiner Basis liegt nun die maximale Spannung der Schaltung an. Über den Kollektor des roten Transistors und den Vorwiderstand R2, erhält der weiße Transistor eine negative Spannung. Der weiße Transistor sperrt und die Lampe (LED) kann nicht leuchtet. Wird nun das Potentiometer in die andere Richtung gedreht, leuchtet die LED ab einer bestimmten Drehwinkel auf. Die positive Spannung am roten Transistor nimmt soweit ab, das dieser sperrt. Der weiße Transitor erhält daraufhin über die Widerstände R1 und R2 eine positive Spannung, schaltet durch und die LED leuchtet. Wird das Potentiometer wieder zurückgedreht, erlischt die LED erst ab einen späteren Drehwinkel. Der Einschalt- und Ausschaltpunkt liegt bei dieser Schaltung auseinander. Die Differenz dieser Einschalt- und Ausschaltschwelle wird Hysterese genannt.

Dieses Schaltverhalten mit den unterschiedlichen Ein- und Ausschaltpunkten kann durchaus gewünscht sein. Bei der Dämmerungsschaltung für die Straßenbeleuchtung ist dies sogar von Vorteil. Naturgemäß vollzieht sich eine Dämmerung nicht gleichmäßig. Sie schwankt quasi immer mit einer geringen Differenz um einen fortschreitenden Punkt. Würde die Schaltung exakt zu einer definierten Schwelle ein- und ausschalten, so würde die Straßenbeleuchtung um diesen Punkt herum flackern.

Hinweise zum Aufbau: Abweichend von der Beschreibung im Anleitungsbuch wurden die Glühlampe durch eine Leuchtdiode (LED) ersetzt. Bei der Verwendung einer LED muss unbedingt ein Vorwiderstand mit einen Wert von 470 Ohm vor die LED geschaltet werden.

Den Schwellwert mit den Multimeter nachmessen

Für das Kippen der Schaltung in den anderen Schaltzustand ist eine bestimmte Spannung am Eingang des Schmitt-Triggers nötig. Diese Einschaltspannung ist neben der Betriebsspannung, die an der Schaltung anliegt, auch von der Größe des gemeinsamen Emitter-Widerstandes abhängig. Wird der Emitter-Widerstand der vorherigen Schaltung beispielsweise durch einen Wert mit 4,7 kΩ ersetzt, kann man feststellen, das zum Kippen der Schaltung eine höhere Spannung notwendig ist. Auch der Bereich, bis die Schaltung wieder zurückkippt hat sich vergrößert. Den Wert der Einschalt- und Ausschaltschwelle (Hysterese), kann man mit einem Multimeter ausgemessen. Dazu stellt man das Multimeter auf den Messbereich Gleichspannung und verbindet die positive Messspitze mit dem Basis-Vorwiderstand des roten Transistors. Die negative Messspitze wird mit dem Minuspol der Schaltung verbunden. Die hier gemessenen Werte sind circa Werte, gemessen an einer Betriebsspannung mit 9 V. Unterschiedliche Messergebnisse können sich aus der Bauteil-Toleranz ergeben.

Ausgehend vom Drehbereich des Potentiometers, in dem die LED nicht leuchtet, dreht man solange in die andere Richtung, bis die LED gerade aufleuchtet. Der Wert der Spannung beträgt circa 3,4 V. Jetzt dreht man langsam wieder zurück. Dabei muss gleichzeitig die LED und das Messgerät im Auge behalten werden, da beim Zurückkippen schlagartig der Messwert zurückfällt. Interessant ist nur der Wert der Kippschwelle. Diese liegt bei circa 6,5 V. Wird anschließend das Potentiometer entfernt und durch eine stufenlos einstellbare Spannungsquelle ersetzt (Pluspol am Basis-Vorwiderstand des roten Transistors und Minuspol auf Masse), lässt sich das Messergebnis wie folgt interpretieren: ohne Spannung leuchtet die LED; wird die Spannung erhöht, kippt die Schaltung ab 6,5 V und die LED erlischt (auch bei höherer Spannung); wird die Spannung reduziert, leuchtet die LED erst ab 3,4 V (und niedriger Spannung) wieder auf. Die Schaltschwelle für das Ein- und Ausschalten liegt zwischen 6,5 und 3,4 V. Der Ausgang ist bezüglich Aufleuchten und Erlöschen der LED invertiert.

Weitere interessante Informationen zum Schmitt-Trigger auf der Seite von Elektronik Tutor.

Die Hysterese des Schmitt-Triggers (Spannung zwischen den beiden Schaltschwellen) wird im Wesentlichen durch den gemeinsamen Emitter-Widerstand der beiden Transistoren bestimmt. Wird der Wert des Widerstandes erhöht, vergrößer sich auch der Abstand zwischen Einschalt- und Ausschaltpunkt. Wird der Emitter-Widerstand dagegen durch eine Drahtbrücke ersetzt, kann bei obiger Schaltungsauslegung kein Unterschied zwischen Ein- und Ausgangsschwelle festgestellt werden.

Weitere Schaltungen mit dem Schmitt-Trigger

Folgende Schaltungen aus dem Anleitungsbuch zeigen drei einfache Anwendungsbeispiele, die mit dem Schmitt-Trigger realisiert wurden:

• 3.06 Akustisches Relais (Seite 108)
  Sobald ein Lärmpegel einen bestimmten Wert übersteigt, leuchtet die Warnlampe dauerhaft auf. Der Grenzwert kann über das Potentiometer eingestellt werde. Mit dem Tastschalter wird das Gerät wieder in den Ausgangszustand zurückgestellt.
• 3.15 Treppenhauslicht (Seite 126)
  In größeren Wohnhäusern schaltet sich die Treppenhausbeleuchtung nach einer gewissen Zeit wieder selbstständig aus. Mit dieser elektronischen Schaltung kann eine automatische Abschaltung realisiert werden.
• 4.09 Empfindlicher Lichtstärkemesser (Seite 152)
  Mit dieses Gerät kann anhand einer Scala die vorhandene Lichtstärke gemessen werden. Das Potentiometer wird dabei solange, beginnen vom unteren Scalenbereich gedreht, bis die Lampe erlischt bzw. gerade noch brennt. Jetzt kann man auf der Scala die Lichtstärke in LUX ablesen.