5.4 Ausschalten bei Berührung

von Andreas Thaler

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Schaltungsvariante A






Beschreibung der Schaltung

 

Burkhard Kainka:

„Mit einer Berührung konnte bisher schon eine LED eingeschaltet werden. Aber es geht auch anders herum. Nun soll die LED im Ruhezustand an sein, aber ausgehen, wenn man die Kontakte berührt. Die Aufgabe erinnert etwas an die Alarmanlage. Dort war die Lösung, die Basisspannung kurzzuschließen. Und diesmal ist es genauso, mit einem kleinen Unterschied: Der Kurzschluss wird nicht durch einen Draht oder eine Steckbrücke erreicht, sondern durch den linken Transistor. Wenn er leitet, schaltet der den rechten Transistor ab. Im Ruhezustand leuchtet die rote LED. Und bei einer Berührung wird sie abgeschaltet. Aber nicht vollständig, denn eine sehr kleine Resthelligkeit bleibt erhalten. Das liegt an dem 330-Kiloohm-Basiswiderstand, der zum Kollektor führt. Durch ihn fließt weiterhin ein kleiner Strom, auch dann wenn kein Basisstrom mehr vorhanden ist.“

 

Analyse der Schaltung

Aufgrund der drei vorhandenen Halbleiter (LED1, T1, T2) handelt es sich um eine nichtlineare Schaltung. Eine Handberechnung wäre zu komplex und damit auch zu zeitaufwändig. Daher simuliere ich die Schaltung im Schaltungssimulator und interpretiere die angezeigten Spannungs- und Stromwerte. Der Finger, der den Basisstrom für T1 schaltet, wird in der Simulation als Schalter mit einem Widerstand von 30 MOhm (angenommener Hautwiderstand aus diesem Versuch) realisiert.

 


Schaltungssimulation mit EveryCircuit

 

Schalter offen

 

Bei geöffnetem Schalter S1 (simulierter Finger) sperrt T1 aufgrund des nicht vorhandenen Basisstroms. T2 erhält seinen Basisstrom über R3 (Gegenkopplung) und schaltet durch. Es fließt ein Kollektorstrom in der Höhe von 2,33 mA der LED1 als Last leuchten lässt.

 

Schalter geschlossen

Bei geschlossenem Schalter erhält T1 über R1 und R2 einen Basisstrom in der Höhe von 279 nA. Dieser geringe Basisstrom reicht bereits aus, um den Transistor durchzuschalten (B = 500). Über R3 fließt kein Basisstrom zu T2, da das Potential am Kollektoreingang von T1 mit 120 mV deutlich niedriger ist als die für das Durchschalten von T2 nötige Basisspannung von ca. 500 bis 600 mV. Damit fließt der Laststrom in der Höhe von nunmehr 23,2 uA über R3 und die Kollektor-Emitterstrecke von T1 nach Masse ab. Die LED wird damit dunkler, verlischt aber nicht ganz.

 

 

Schaltungsvariante B

 


Beschreibung der Schaltung

 

Burkhard Kainka:

„Eine andere Version dieser Schaltung legt den Basiswiderstand nicht an den Kollektor sondern an Plus. Diesmal wird der 27-Kiloohm-Widerstand verwendet.  Auch durch ihn fließt im Aus-Zustand ein Strom, aber er fließt eben nicht durch die LED. Deshalb geht die LED diesmal vollständig aus. Aber weil der Strom durch den neuen Basiswiderstand wesentlich größer ist, braucht man auch einen größeren Sensorstrom am Eingang des ersten Transistors. Die Berührung muss also etwas niederohmiger ausfallen. Es kann sogar nötig sein, den Finger für den Versuch leicht anzufeuchten, damit die rote LED wirklich ausgeht.“

 

 

Schaltungssimulation mit EveryCircuit


Bei geöffnetem Schalter S1 sperrt T1, da kein Basisstrom durch R1 und R2 fließt. T2 wird über R3 mit Basisstrom versorgt, T2 schaltet durch, es fließt durch LED1 ein Laststrom von 3,32 mA, die LED leuchtet hell.



Bei geschlossenem Schalter S1 wird T1 bereits mit nur 278 nA Basisstrom durchgeschaltet, es fließt ein Kollektorstrom von 139 uA. Das Potential am Kollektoreingang von T1 sowie an der Basis von T2 beträgt 756 mV. Dieses Potential reicht aus, um T2 durchzuschalten. Damit teilt sich der Strom durch R3. Der Laststrom durch LED1 bleibt mit 3,31 mA fast gleich wie bei geöffnetem Schalter. Der Basiswiderstand von T1 ist mit 30,027 MOhm zu hoch, um die Kollektor-Emitterstrecke von T1 ausreichend zu öffnen damit T2 der Basisstrom so weit abgezogen wird, dass er sperrt und damit LED1 abschaltet. Da der Basiswiderstand von T1 einen Finger als Kontakt in einer realen Schaltung simuliert, lässt sich folgern, dass der Hautwiderstand mit rund 30 MOhm zu hoch ist (zB wegen trockener, schlecht leitender Hautoberfläche), um LED1 verlöschen zu lassen. Daher wird in der folgenden Schaltung der Basiswiderstand auf 10,027 MOhm reduziert, was einen leicht angefeuchteten Finger als Kontakt simulieren soll:

 

 

 

Bei offenem Schalter S1 verhält sich die Schaltung gleich zu der vorherigen Variante mit höherem Basiswiderstand. Da der Eingang an R1 offen ist, wirkt sich ein höherer Basiswiderstand nicht weiter aus, da kein Basisstrom durch T1 fließt.



Bei geschlossenem Schalter S1 fließt im Gegensatz zur Schaltung mit höherem Basiswiderstand mehr Basisstrom durch T1. Damit nimmt der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke ab und es fließt ein höherer Kollektorstrom.  Das Potential am Kollektor von T1 – und damit zugleich auch das Potential an der Basis von T2 - verringert sich von zuvor 758 mV auf nur mehr 196 mV. Diese (Basis)Spannung reicht nicht aus, um T2 durchzuschalten, es fließt kein Laststrom durch LED1, die LED leuchtet nicht. Der Strom durch R3 fließt als Kollektorstrom durch T1 nach Masse ab.

 

 

Fazit

Auch wenn sich der reale Hautwiderstand nur näherungsweise ermitteln ließ (Messung an der Fingerkuppe mit dem Ohmmeter, keine eindeutige Anzeige), zeigen die besprochenen Schaltungsvarianten doch Möglichkeiten zur Steuerung eines Laststroms auf. Interessant ist auch, dass sich in jedem Fall die Stromrechnung des Betreibers der Schaltung erhöht, da auch bei nicht leuchtender LED (s. letzte Schaltung oben) an R3 eine Verlustleistung von 2,87 mW anfällt:

 

I =  U / R

I =  8,8 V / 27*103 Ohm = * 326*10-6 A = 0,326 mA

P = 8,8 V * 326*10-6 A = 2,87 mW

 

Das ergibt Betriebskosten in der Höhe von: 0,5 Cent pro Jahr:


Durchschnittlicher Tarif in Österreich:  0,20 EUR/kWh  = 0,0002 EUR/Wh = 0,0000002 EUR/mWh


Kosten in einem Jahr: 0,0000002 EUR/mWh * 2,87 mW * 8760 h = 0,005 EUR = 0,5 Cent

 

Hier muss jeder Betreiber für sich selbst entscheiden, ob diese Betriebskosten durch sein Haushaltsbudget gedeckt sind ;-)


Anmerkung B. K: Mit Batterieversorgung wird es teurer. Man könnte die Batterielebensdauer berechnen und dabei von der Kapazität einer 9V-Alkalibatterie von 500 mAh ausgehen.

Betriebsdauer =  500 mAh / 0,325 mA =  1538 h = 64 Tage = 2 Monate


Das wird teuer! Mit der Variante  A hält die Batterie dagegen rund zwei Jahre. Andererseits, wer will schon zwei Jahre lang auf den Kontakt drücken. Man könnte die Schaltung aber zur Blumentopfüberwachung verwenden. Wenn die Blumenerde staubtrocken ist, geht die LED an. Da wären zwei Jahre brauchbar.