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Der elektronische Zeitschalter, Teil 1

Zeitschalter gibt es in unterschiedlichsten Ausführungen für die Steckdose, für Batteriebetrieb, mit eingebauter Uhr, mit Computersteuerung oder sogar rein mechanisch mit einem Uhrwerk. Hier aber soll ein Zeitschalter für eine kleine Batterielampe gebaut werden. Das Gerät kann eine Hilfe am Abend werden. Es steht z.B. auf dem Nachttisch und erleichtert den Übergang in die Dunkelheit. Auf Knopfdruck beginnt eine kleine Lampe zu leuchten und schaltet sich dann nach einiger Zeit ganz automatisch wieder ab. 
Die einfachste Schaltung braucht nur drei Bauteile zusätzlich zur Batterie und zur Lampe. Hier zunächst die Schaltung.

 

Kurzbeschreibung der Schaltung 

Der NPN-Transistor schaltet die Lampe ein, sobald ein ausreichend großer Basisstrom fließt. Bei einer Betätigung des Tastschalters wird der Kondensator aufgeladen. Über den Basiswiderstand von 4,7 k fließt ein Basisstrom von ca.1 mA. Dieser wird vom Transistor ausreichend verstärkt, so dass ein großer Kollektorstrom durch die Lampe fließt. Lässt man den Taster los, dann beginnt die allmähliche Entladung des Kondensators. Nach kurzer Zeit reicht der Basistrom nicht mehr aus, um die Lampe ganz einzuschaltetn. Sie leuchtet dann allmählich schwächer, bis sie ganz aus ist. Die in der Schaltung angegebenen Bauteilewerte sind grobe Richtwerte und können experimentell verändert werden. 

Aufbau 

Es gibt sehr viele Möglichkeiten, eine solche Schaltung aufzubauen. Der "ordentliche" Weg führt über eine eigene Platine. Das ist jedoch mit Kosten und Aufwand verbunden und erschwert spätere Änderungen und Verbesserungen an der Schaltung. Eine so einfache Schaltung kann auch noch im "fliegenden Aufbau" realisiert werden. Das geht preiswert und schnell, erfordert aber etwas Geschick beim Löten. 

Fliegender Aufbau des Zeitschalters

Hier wurden folgende Bauteile verwendet: Transistor 2N1613, Kondensator 1000µF/16V, Widerstand 1 kOhm. Beim Aufbau ist folgendes wichtig: Der Elektrolytkondensaor hat eine Polung, der Minuspol ist mit einem weißen Strich gekennzeichnet. Die Anschlüsse des Transistors dürfen auch nicht vertauscht werden. Der Emitter hat eine kleine Metallnase am Gehäuse und liegt am Minuspol der Batterie. Der Basisanschluss liegt in der Mitte und wird mit dem Widerstand verbunden. Der Kollektor ist leitend mit dem Metallgehäuse verbunden und führt zur Lampe. 
Versuchsergebnisse 

Für den ersten Versuch wurde eine Flachbatterie eingesetzt. Die Betriebsspannung war 4,5 V. Das Ergebnis: Wenn man auf den Schaltkontakt drückt, geht die Lampe sofort an. Nach dem Loslassen leuchtet sie noch etwas länger. Die Nachleuchtzeit beträgt etwa zwei Sekunden. Die Lampe verlischt dann nicht abrupt, sondern ganz allmählich. Da eine Zeit von zwei Sekunden für die meisten Anwendungen nicht ausreicht, wird natürlich im Folgenden nach Verbesserungen gesucht. 

Aufbau mit Experimentierplatine 

Auf manchen Elektroniker wirkt der fliegende Aufbau eher abschreckend. Lochstreifenplatinen garantieren einen sehr einfachen und ordentlichen Aufbau. Die aufgebaute Schaltung geht nicht so leicht wieder kaputt, so dass man auch an einen dauerhaften Einsatz denken kann. Die folgenden Bilder zeigen die selbe Schaltung als ein kleines Modul, das sich über Steckkontakte in eine bestehende Beleuchtung einfügen lässt.

 

Aufbau auf einer Experimentierplatine

Die Streifenrasterplatine auf der Lötseite

Die Schaltung ist zwar jetzt ordentlicher aufgebaut, funktioniert aber noch genauso wie vorher. Als Taster wurde diesmal ein Mikroschalter verwendet, der übrigens aus einer defekten Computermaus stammt. 
Bauteile 

Hätte man nicht auch andere Bauteile nehmen können? Aber sicher! Es gibt weit mehr als 100 verschiedene Transistoren, die die Aufgabe genauso gut erfüllen. Warum also gerade der 2N1613? Es muss ein Transistor sein, der einen ausreichend großen Kollektorstom und eine ausreichende Verlustleistung zulässt und zugleich eine hohe Stromverstärkung hat. In der Schaltung wird eine Lampe mit den Kenndaten 6V/100mA eingesetzt, die man vom Fahrrad-Rücklicht kennt. Die Flachbatterie hat nur 4,5 V, so dass die Lampe nicht bei voller Helligkeit brennt. Der Strom liegt etwas unter 100 mA. Daher könnte man auch einen kleineren Transistor wie den Standard-Universaltyp BC548 nehmen. Allerdings ist der Einschaltstrom einer Glühlampe höher und kann hier bis zu etwa 500 mA betragen. Beim langsamen Verlöschen der Lampe tritt zeitweise eine höhere Verlustleistung auf, die zu einer deutlichen Erwärmung des Transistors führt. Das größere TO-39-Metallgehäuse des 2N1613 führt die Wärme mühelos ab. Der Transisitor arbeitet also nicht an der Grenze seiner Belastbarkeit. Eine andere wichtige Eigenschaft eines Transistors ist der Stromverstärkungsfaktor. Er beträgt beim 2N1613 nur etwa 100. Der BC548C ist hier mit etwa 500-facher Verstärkung wesentlich besser. Man kann sich einen größeren Widerstand leisten und erhält eine längere Nachleuchtdauer. 

Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Daten einiger NPN-Tansistoren, die für die Schaltung in Frage kommen. Die Auswahl ist etwas zufällig, hat aber doch einen tieferen Grund: Es gibt sie als preiswerte Restposten, die man bei Modul-Bus bekommen kann. So lassen sich ohne großen finanziellen Aufwand ganze Arbeitsgruppen mit Material versorgen. Die hier vorgestellten Versuche verwenden bevorzugt solche Bauteile, die sich leicht und preiswert beschaffen lassen. Übrigend lassen sich auch die PNP-Transistoren verwenden. Dann muss man nur die Batterie und den Elko umpolen.
Typ Pol., Geh. Max. Strom, Leistung Max. Spannung Stromverstärkungsfaktor
2N1613 NPN, TO-39 500 mA, 800 mW 50 V 40...120
BC338-16 NPN, TO-92 500 mA, 625 mW 25 V 100 ...250
BC548C NPN, TO92 100 mA, 500 mW 30 V 420...800
BC559B PNP, TO92 100 mA, 500 mW 30 V 220...475
BC328-25 PNP, TO92 500 mA, 625 mW 25 V 160...400
BC160-10 PNP, TO-39 1000 mA, 3,7 W 40 V 63...160
Muss eigentlich der Elko so groß sein? Versuche mit einem kleineren Elko zeigen, dass die Zeit direkt von der Kapazität des Kondensators abhängt. Also, wenn die Zeit kürzer sein darf, kann man auch einen kleineren Elko nehmen. Je größer die Kapazität, desto mehr Energie lässt sich in einem Kondensator speichern. 
Grundversuch zum Kondensator 

Man kann die Arbeitsweise eines Kondensators auch mit einem ganz einfachen Versuch ohne Transistor zeigen: Ein Elko 1000µF/16V wird kurz mit einem Netzgerät mit 12 V verbunden. Dann hält man die Anschlüsse direkt an die beiden Pole einer Glühlampe 6V/100mA. Es entsteht ein kurzer Lichtblitz. Der Elko entlädt sich dabei. Die Spannung ist zwar im ersten Moment zu hoch, die Energie reicht jedoch nicht aus, um die Lampe zu schädigen. Mit einer Ladespannung von 6 V klappt es übrigens nicht. Die Energie ist zu gering, um den Glühfaden ausreichend zu erwärmen. Anders ist es natürlich, wenn man einen sehr großen Elko mit 4700 µF oder sogar 10000 µF hat.

Wer jetzt am liebsten gleich loslegen will, die passenden Bauteile aber nicht hat, der sollte auch mal sein Augenmerk auf alte defekte Radios, Kassettenrecorder, Videorecorder usw. lenken. Moderner Elektronikschrott bietet eigentlich alles, was man braucht. Und wenn die ausgebauten Bauteile nicht bekannt sind, helfen oft Datenblätter aus dem Internet weiter. Oder man lernt, die wichtigsten Daten unbekannter Bauteile selbst zu bestimmen. Auch das ist nicht allzu schwierig und wird noch Thema in ELEXS sein.