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LED-Blitzer

Die folgende Schaltung lässt eine LED in regelmäßigen Abständen kurz aufleuchten/aufblitzen. Es sieht aus, als würde eine Alarmanlage oder ein Rauchmelder Bereitschaft signalisieren.
Die Schaltung ist ohne jeglichen Mikrokontroller, sondern nur analog und mit diskreten Bauteilen realisiert und kann bei Verwendung von SMD-Bauteilen sogar extrem klein gebaut werden.

Video: Live-Demonstration

Funktionsweise

Schaltplan
Abb.: Schaltplan

Diese Schaltung macht sich den sogenannten Thyristoreffekt zu nutze. Die beiden verwendeten Transistoren (NPN und PNP) sind so geschaltet, dass sie sich gegenseitig ansteuern und beide ab einem bestimmten Spannungswert schlagartig elektrisch leitend werden.
Die Schaltung funktioniert ähnlich wie ein Druckventil, das ab einem gewissen Druck öffnet und solange durchlässig bleibt, bis der Druck wieder unter einen bestimmten Wert abfällt. Der Ladekondensator C1 wird über den Widerstand R1 allmählich aufgeladen. Ist C1 genügend aufgeladen, so wird der pnp-Transistor (Q1) durchgesteuert. Dessen Kollektorstrom wiederum steuert den npn-Transistor (Q2) auf, der seinerseits den pnp-Transistor ebenso weiter öffnet. Es entsteht so ein Lawineneffekt (Pseudo-Thyristor), so daß der Kondensator innerhalb kurzer Zeit über die LED entladen wird: ein kurzer Lichtblitz entsteht. Am Ende des Blitzes schließt der Pseudo-Thyristor wieder, und der Vorgang beginnt von vorne.

Besonders zu erwähnen ist, daß die Stromentnahme aus der Spannungsquelle recht gering ist, da nur der Ladestrom des Kondensators entnommen wird, nicht aber der Strom für das Leuchten der LED selbst. Da alternde Batterien über lange Zeit ihr Spannungsniveau noch recht gut halten können und lediglich ihr Innenwiderstand drastisch zunimmt, kann man den Blitzer sogar an einer "leeren" Batterie noch ziemlich lange betreiben.

Blitz-Interval

Die Zeit zwischen dem Aufblitzen der LED bestimmen die Kombination von R1 und C1. Variiert man diese, so können Schaltungen von sehr kurzen bis hin zu extrem langen Intervallen aufgebaut werden.
Zum Berechnen dieses Intervals muss die Ladezeit des Kondensators berechnet werden. Diese wird durch den Wert des Widerstands, der den Kondensator auflädt und die Kapazität bestimmt. Die angelegte Spannung hat dabei keinen Einfluss auf die Ladezeit! Die Aufladung erfolgt umso schneller, je kleiner die Kapazität des Kondensators C1 und je kleiner der Widerstand R1 ist.

τ = R × C

Die Ladezeit ist nur von den Größen des Kondensators C1 und des Widerstandes R1 abhängig. Daher wird das Produkt aus Kapazität C und Widerstand R als Zeitkonstante τ (tau) festgelegt.
Innerhalb jeder Zeitkonstante τ (tau) lädt oder entlädt sich ein Kondensator um 63% der angelegten bzw. geladenen Spannung. Nach der eben berechneten Zeitkonstante (τ) besitzt der Kondensator 63% der Ladespannung.
nach 2τ 86%
nach 3τ 95%
nach 4τ 98%
nach 5τ 99%
Theoretisch wird der Kondensator nie voll geladen, jedoch geht man in der Praxis nach 5 Zeitkonstanten von 100% Ladung aus.

Unser Beispiel:
R1 = 47kΩ
C1 = 10µF
τ = R × C = 47000Ω × 0,000010F = 0,47s

Demnach ist der Kondensator nach 5 × τ = 5 × 0,47s = 2,35s geladen.
In dieser Schaltung tritt jedoch der Thyristoreffekt vor dem vollständigen Aufladen des Kondensators beim Ladestand von ca. 60-70% der Kapazität ein. Somit können wir die Blitz-Frequenz bei ca. 1 × τ einordnen.
Hier einige Beispiele:

Widerstand Kondensator Periodendauer
47kΩ 10µF 0,47s
47kΩ 22µF 1,03s
47kΩ 220µF 10,3s
100kΩ 10µF 1s
100kΩ 22µF 2,2s
680kΩ 10µF 6,8s
680kΩ 22µF 14,9s

Verwendete Bauteile

Aufbau

Aufbau der Schaltung
Abb.: Aufbau der Schaltung
Download "fritzing"-Datei
Alternativer Aufbau am Breadboard
Abb.: Alternativer Aufbau am Breadboard

Einzelobjekt

Hier habe ich den Blitzer in einem platinenlosen Aufbau mit der Speisung durch einer 3V-Knopfbatterie zusammengelötet.

Verwendete Bauteile

LED-Blitzer als PCB

Den Blitzer habe ich für fast aufgebrauchte 9V-Batterien als kleinen Perfboard-Aufbau mit einer superhellen, pinken 3mm-LED gelötet. Anhand des obigen Schaltplans habe ich mit der Software Eagle einen Aufbau entwickelt und diesen dann auf eine Platine übertragen und zusammengelötet.
Nach dem ersten Test hat alles gut geklappt, doch nach einigen Minuten blinkt die LED nicht mehr, sondern leuchtet merkwürdigerweise durchgängig.

Fertig gelötete Platine des 9V-Block-Blitzers
Abb.: Fertig gelötete Platine des 9V-Block-Blitzers
Fertig gelötete Platine des 9V-Block-Blitzers
Abb.: Fertig gelötete Platine des 9V-Block-Blitzers
Fertig gelötete Platine des 9V-Block-Blitzers
Abb.: Fertig gelötete Platine des 9V-Block-Blitzers
Video: Live-Demonstration des 9V-Block-Blitzers

Gefertigte Platine

Mit Eagle habe ich eine möglichst sparsame Blitzer-Platine (für 9V-Batterien) erstellt und bei JLCPCB zum Ätzen gegeben.

PCB des 9V-Block-Blitzers
Abb.: PCB des 9V-Block-Blitzers
Download Eagle-Projekt-Dateien [36 kB]
Download Gerber-Datei [48 kB]
Fertige Platinen von JLCPCB
Abb.: Fertige Platinen von JLCPCB
Blitzer-Platine mit eingelöteten Bauteilen
Abb.: Blitzer-Platine mit eingelöteten Bauteilen
Video: Demonstration der verschiedenen Blitzer