4.6 Langsame Entladung
Beschreibung der
Schaltung
Die
vorige Schaltung [4.5] hatte eine Anfangsphase, bei der sich die LED-Helligkeit nicht
änderte. Aber in dieser Zeit hat der Kondensator besonders viel Ladung
verloren. Wenn die Leuchtzeit insgesamt länger sein soll, muss man den
Entladestrom am Anfang verringern. Das geschieht hier durch einen
Emitterwiderstand. Bei eingeschalteter LED hebt der Spannungsabfall die
Emitterspannung an, und damit auch die Basisspannung. Am Basiswiderstand liegt
eine kleinere Spannung, und damit verringert sich auch der Entladestrom. Die
Zeit mit relativ hoher Helligkeit verdoppelt sich ungefähr auf etwa 6 Sekunden.
Durch
diese Form der Emitter-Gegenkopplung bekommt die Schaltung einen höheren
Eingangswiderstand. Man kann den Eingangswiderstand an der Basis mit Emitterwiderstand
* Stromverstärkungsfaktor berechnen und kommt dann auf rund 500 kOhm. Dazu muss
man den Basiswiderstand von 330 kOhm addieren. Der Entladewiderstand ist also
wesentlich größer geworden, und deshalb wird die Entladung langsamer.
Simulation im Schaltungssimulator EveryCircuit
Spannungsverläufe an den Bauteilen gegen Masse
Die Grafik zeigt links die Original-Schaltung mit Emitterwiderstand (R4) und rechts ohne R4 (= „Variante“).
Die Kurven im oberen Teil des virtuellen
Oszilloskops beziehen sich auf die Original-Schaltung und zeigen den jeweiligen
Spannungsverlauf am Kondensator C1, an der Basis von Transistor T1, am Widerstand R4 sowie an der Kollektor-Emitter-Strecke T1.
Die Abschnitte 1 und 2 zeigen die beiden
Stellungen von Schalter S1 (geschlossen/offen) und ihre Auswirkungen auf den Spannungsverlauf
an den Bauteilen.
Original-Schaltung
links - Schalter S1 geschlossen (1)
1. Der
Kondensator C1 lädt über den Widerstand R1 und bildet mit R2 einen Stromteiler.
Die Spannung des Kondensators nimmt mit der Ladezeit exponentiell zu, der
Ladestrom nimmt im gleichen Verhältnis ab. Sobald C1 vollständig geladen ist - und
damit keinen Ladestrom mehr durchlässt - bleibt seine Spannung konstant,
solange an ihm die Ladespannung anliegt.
2. Durch den
Ladevorgang beim Kondensator, der das gemeinsame Potential mit R2 bestimmt,
steigt auch die Basis-Spannung UB (in Bezug auf Masse) exponentiell
an. Damit leuchtet die LED gedimmt auf. Die Basis-Emitter-Strecke bildet gemeinsam
mit R1, R2 und R4 eine Reihenschaltung, die - entsprechend den jeweiligen
Spannungsabfällen an den Bauteilen der Reihe - die Basisspannung auf 2,97 V
festlegt.
3. Der Spannungsverlauf
an R4 entspricht dem an R2, wobei an R4 maximal 2,23 V abfallen. Die Basis-Emitter-Spannung
UBE beträgt 0,74 V.
4. Mit dem
Ansteigen der Basis-Emitter-Spannung schaltet der Transistor durch. Die
Kollektor-Emitterspannung fällt damit von 9 V auf 0,139 mV. Durch die LED1 mit
ihrem Vorwiderstand R3 fließt der maximale Kollektorstrom.
Schalter
S1 geöffnet (2)
1. Da an C1 keine
Ladespannung mehr anliegt, entlädt der Kondensator über die Reihenschaltung R2, Basis-Emitter-Strecke T1
und R4 in Form einer langgestreckten, exponentiell verlaufenden
Spannungskurve.
2. Sobald in der
Reihenschaltung die Basis-Emitter-Spannung nicht mehr ausreicht, um den
Transistor voll durchzuschalten, beginnt der Transistor zu sperren. Die
Spannung an der Kollektor-Emitter-Strecke UCE steigt, der
Spannungsabfall an R2 und R4 sinkt.
3. Der
Kollektorstrom nimmt ab, LED1 wird gedimmt und verlöscht.
Schaltung ohne Emitterwiderstand rechts (Variante): Schalter S1
geschlossen (1) und geöffnet (2)
Da in der Variante
der Emitterwiderstand R4 fehlt, fällt an R2 in Reihe mit der Basis-Emitter-Strecke
T1 eine höhere Teilspannung ab. Das bedeutet eine geringere Basisspannung als
in der Originalschaltung (0,75 Volt max. zu 2,97 Volt max.). Ohne R4 hat jedoch
der Basisstrom einen geringeren Widerstand zu überwinden. Als Konsequenz
entlädt der Kondensator C1 in der Variante rascher als in der Originalschaltung.
Die LED leuchtet kürzer.
Basisstrom in der Originalschaltung
und in der Variante
Mit Emitterwiderstand R4 beträgt der von
Kondensator C1 abgegebene Basisstrom maximal 16,9 uA.
Ohne Emitterwiderstand sind es maximal 23,1
uA.
Das bedeutet, dass der Kondensator ohne
Emitterwiderstand R4 rascher entlädt und LED1 entsprechend früher gedimmt
verlischt.
Maximaler
Kollektorstrom durch LED1
In der Originalschaltung beträgt der
Kollektorstrom durch LED1 2,21 mA.
In der Variante (ohne Emitterwiderstand)
beträgt der Kollektorstrom 3,2 mA. Die LED leuchtet durch den höheren
Kollektorstrom etwas heller.
Der Emitterwiderstand R4 verringert den
Kollektorstrom durch seinen zusätzlichen Widerstand in der Höhe von 1 kOhm.
Fazit
Mit Emitterwiderstand R4 leuchtet die LED
länger als ohne R4. Der Emitterwiderstand bildet für den Basisstrom einen
zusätzlichen Widerstand, der Kondensator benötigt damit für seine Entladung
länger.
Die Emitter-Gegenkopplung
(s. Beschreibung der Schaltung) wird auch zur Stabilisierung des
Transistor-Kollektorstroms IC bei Veränderungen der
Umgebungstemperatur eingesetzt.
Da Transistoren bei höherer Temperatur
„aktiver“ werden und den Kollektorstrom verstärken, fließt auch mehr
Emitter-Strom durch den nachgeschalteten Emitterwiderstand. Dadurch fällt an
ihm mehr Spannung ab, was sich wiederum auf die Teilspannungen des
vorgeschalteten Basiswiderstands und der Basis-Emitter-Strecke (Reihenschaltung)
auswirkt. Die Basis-Emitter-Spannung UBE sinkt und damit fließt
weniger Basisstrom, was wiederum die Kollektor-Emitter-Spannung UCE
erhöht – der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke erhöht sich, der
Transistor lässt weniger Kollektorstrom durch.
Zur Übersicht alle Potentiale und
Teilspannungen der beiden besprochenen Schaltungen:
Original-Schaltung: Schalter geschlossen
Variante:
Schalter geschlossen
Kombischaltung: synchronisierte Originalschaltung und
Variante
Beide Schaltungen werden von einer Spannungsquelle gespeist und über einen zentralen Schalter ein- und ausgeschaltet. Damit lassen sich Spannungsabfälle an Bauteilen und Ströme direkt – ohne Zeitverzögerung durch getrenntes Ein- und Ausschalten – vergleichen.
Hinweis
von Burkhard Kainka:
Die Kombischaltung
ist hilfreich, weil sie den direkten Vergleich zeigt. Es gibt allerdings noch
eine gegenseitige Beeinflussung: Weil der rechte Kondensator sich langsamer
entlädt, hat er mehr Spannung als der linke und muss über die beiden 27-Kiloohm-Widerstände
etwas Ladung an den linken abgeben. Das kann durch zwei Dioden verhindert
werden, die vom Schalter jeweils zu den Schaltungen führen.
Potentiale und Ströme bei geschlossenem
Schalter
Vergleich Basisströme nach Ein- und
Ausschalten
Vergleich Basisspannungen und
Kollektor-Emitter-Spannungen nach Ein- und Ausschalten
Vergleich Kondensatorspannungen und Kollektor-Emitter-Spannungen nach Ein-