4.5 Nachlaufsteuerung

von Andreas Thaler

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Beschreibung der Schaltung


Eine Lampe soll sofort angehen, wenn man sie einschaltet, aber noch einige Zeit nachleuchten, wenn man sie ausschaltet. Solche Lampen gibt es im Auto, damit man noch in Ruhe abschließen kann. Aber auch für eine Nachttischlampe kann so eine Nachlaufsteuerung nützlich sein.

Die Schaltung verwendet einen Ladekondensator und einen Transistor mit einem hochohmigen Basiswiderstand von 330 kΩ. Dank der hohen Verstärkung des Transistors wird er bei geschlossenem Schalter noch voll eingeschaltet. Öffnet man den Schalter, fließt weiterhin Basisstrom, weil der Kondensator noch geladen ist. Nach einigen Sekunden sinkt die Kondensatorspannung allerdings merklich ab, sodass der Steuerstrom geringer wird und die LED schwächer leuchtet. Je kleiner allerdings der Basisstrom wird, desto geringer wird auch die Entladung. Die weitere Entladung wird also noch langsamer. Auch nach sehr langer Zeit ist immer noch ein schwaches Restleuchten der LED zu erkennen.


Messung

Wann beginnt die Abnahme des LED-Stroms? Das verrät eine Messung der Kollektorspannung. Sobald sie nach etwas drei Sekunden beginnt  anzusteigen, verringert sich der Strom durch die LED. Man kann auch messen, wie groß zu diesem Zeitpunkt die Kondensatorspannung ist. Erst wenn die Spannung am Kondensator unter etwa 2 Volt sinkt, wird die LED dunkler.

Eine Spannung wird grundsätzlich zwischen zwei Punkten einer Schaltung gemessen. Wenn von der „Spannung am Kollektor“ die Rede ist, ist das eigentlich nicht korrekt. Gemeint ist dann „die Spannung zwischen Kollektor und Masse“, wobei mit Masse der gemeinsame Bezugspunkt der Schaltung gemeint ist, in diesem Fall der Minuspol der Betriebsspannung, den man an allen sechs Stiftkontakten in der unteren Reihe findet. Oft ist es sinnvoll, das Minuskabel eines Spannungsmessgeräts dauerhaft mit dem Minuspol der Schaltung zu verbinden. Für eine Messung muss dann nur noch der Pluspol an einen Messpunkt gehalten werden.

 

 

 

 

Simulation im Schaltungssimulator EveryCircuit

 

Stromfluss durch R1

 

Die Kurve im oberen Teil des virtuellen Oszilloskops zeigt den Stromverlauf durch Widerstand R1 (violett markiert):

Die Abschnitte 1 und 2 zeigen die jeweiligen Stellungen von Schalter S1 und ihre Auswirkung auf den Stromfluss:

1.      Schalter S1 geschlossen: Der Kondensator C1 lädt über den Widerstand R1 und bildet mit R2 einen Stromteiler. Die Kurve zeigt die typische Exponentialkurve eines Kondensators beim Ladevorgang – der Ladestrom nimmt mit zunehmender Ladung ab. Sobald C1 geladen ist und sperrt, fließt nur mehr Strom über R2, der als Basisstrom den Transistor T1 durchschaltet. Das ist der Grund, warum die Stromkurve in der Abbildung nicht auf 0 Ampere fällt. Die LED leuchtet gedimmt auf.

2.      Schalter S1 offen: Sobald S1 geöffnet wird, fließt kein Strom mehr durch R1. Jetzt fällt die Stromkurve auf 0 Ampere.

 

 

Stromfluss durch R2

 

1.      S1 geschlossen: Der Stromfluss durch R2 nimmt exponentiell zu. Der Kurvenverlauf wird durch den Ladevorgang von C1 bestimmt. Sperrt C1 nach vollständiger Ladung, fließt der maximale Basisstrom.

2.      S2 geöffnet: Nun übernimmt der Kondensator die Versorgung des Transistors mit Basisstrom und entlädt über R2 in einer langgestreckten Exponentialkurve. Der Entladevorgang dauert über den 330-Kiloohm-Widerstand einige Sekunden, der zugehörige Basisstrom schaltet den Transistor durch, bis der Stromfluss dafür zu gering geworden ist. Die LED wird kontinuierlich gedimmt und verlischt.

 

 

 

 

Stromfluss durch R3


 

·        S1 geschlossen: Der Stromfluss durch R3 (Vorwiderstand der LED am Kollektor von T1) steigt rasch an. Dabei erreicht der Strom erst nach einem Sekundenbruchteil sein Maximum. Dies kann durch den Ladevorgang beim Kondensator erklärt werden, dessen Spannung schnell ansteigt. Sobald der Kondensator auseichend geladen ist, fließt genügend Basisstrom und der Transistor schaltet durch..

·        S2 geöffnet: Nun übernimmt der Kondensator die Versorgung der Basis von T1. Der Kollektorstrom – und damit der Strom durch LED1 - nimmt exponentiell ab.

 

 

 

Stromfluss durch R1 und R2

 

S1 geschlossen: Hier nochmals der Stromfluss durch R1 und R2, diesmal gemeinsam betrachtet.

Zu Beginn fließt fast nur Strom in den Kondensator. Sobald C1 auf seine maximale Ladung zugeht, beginnt der Stromfluss durch R2. Dort, wo die Stromkurve von R1 (violett) auf die Stromkurve von R2 (grün) trifft, endet der Ladevorgang des Kondensators. C1 sperrt und es fließt nur mehr Strom durch R2.

 

 

 

Stromfluss durch R1, R2 und R3

 

Zum Abschluss in der Übersicht der Stromfluss durch alle drei Widerstände:

Grün: R1

Orange: R2

Rot: R3

S1 geschlossen: Durch die LED fließt ein maximaler Kollektorstrom von ca. 3 mA. Die LED leuchtet gedimmt auf.

S2 geöffnet: Die LED leuchtet nach und verlöscht gedimmt.

Es ist hier auch schön zu sehen, dass ein im Verhältnis geringer Basisstrom einen hohen Laststrom schalten kann. Das erklärt auch die längere Nachleuchtdauer der LED, die mit dem exponentiell geringer werdenden Basisstrom aus C1 erzielt werden kann.

Zur parallelen Messung der Spannungsverläufe in einer realen Schaltung (die Spannungskurven sollten im Verlauf den Stromkurven entsprechen) würde man ein Oszilloskop mit mindestens drei Kanälen benötigen.

 

 

Fazit

 

Der Nachleuchteffekt sowie das Dimmen der LED beim Ein- und Ausschalten konnten in der Simulation dargestellt werden.

Ebenso, dass ein im Verhältnis geringer Basisstrom einen hohen Laststrom schalten kann. In der Simulation wurde für den Transistor eine Verstärkung B = 500 angenommen. Das entspricht in etwa der Verstärkung des in der realen Schaltung zum Einsatz kommenden Kleinsignaltransistors BC547C.

Die Simulation bietet komfortabel am Rechner einen Einblick in das Verhalten der Schaltung. Es kann mit verschiedenen Bauteilewerten experimentiert werden, Spannungs- und Stromverläufe werden übersichtlich durch das virtuelle Oszilloskop dargestellt.

Die auf dem Steckboard aufgebaute Schaltung wird sich dennoch in Details abweichend verhalten, da es sich in dieser Simulation um eine ideale Schaltung handelt (ohne Bauteilwerte-Schwankungen, die Verstärkung des Transistors streut nicht innerhalb einer bestimmten Bandbreite, die Umgebungstemperatur der realen Schaltung ist nicht berücksichtigt etc.).

Daher gilt wieder einmal mehr: Nur die reale Schaltung ist maßgeblich.