Spannung bei einer Schaltung mit Transistor und LDR

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3 Antworten

Der 10kΩ Widerstand in Reihe zum LDR ist ein sogenannter "Spannungsteiler".

Das Verhältnis zwischen Versorgungsspannung und dem Mittelpunkt (wo der Transistor angeschlossen ist) entspricht genau dem Verhältnis zwischen dem 10kΩ Widerstand und dem Widerstand des LDR.

"Absolut Dunkel" hat der bis zu 40 Megaohm, "ziemlich Dunkel" noch um 50kΩ. "Hell" sind hier wenige Ohm.

Je nach Lichteinstrahlung verändert sich also die Spannung am Mittelpunkt des Spannungsteilers.

Der Transistor hat eine Diodenstrecke zwischen Basis und Emitter. Zum berechnen kann man die statisch auf 0,7V ansetzen. Ist die Spannung am Spannungsteilermittelpunkt unter 0,7V, kann kein STrom in den Transistor rein fließen, der Transistor ist voll gesperrt.

Ein normaler Bipolartransistor ist ein Stromverstärker. Der erlaubt einen B-Fachen Strom im Kollektor. Ist der B-Wert (Gleichstromverstärkung) zum Beispiel 100 (Kleinleistungsbipolartransistoren bewegen sich zwischen 50 und 200), dann bedeutet das, dass der Transistor bei 1mA Basisstrom maximal 100mA Kollektorstrom erlaubt.

Ist es sehr hell, hat der LDR deutlich unter 0,7V, der Transistor kriegt gar nichts, also Ib=0 -> Ic = 0

Erst wenn die Spoannung am LDR mit zunehmender Dunkelheit steigt, dann gibt es eine Spannungsdifferenz zwischen Spannungsteiler und der auf 0,7V sozusagen "festgetackternen" Basisspannung. Diese differenz über den 1kΩ Widerstand erzeugt einen Basisstrom der dann B-fach verstärkt durch die Glühbirne fließen kann.

Sagen wir mal, die Birne braucht 200mA um voll zu leuchten und der Transistor hat B=100, dann muß der Basisstrom 2mA betragen was durch 2V am Basisvorwiderstand erreicht wird, der LDR muß also 2,7V haben, also ein gutes 1/3 der Versorgungsspannung, damit muß der LDR 3x so viel Ohm haben wie der 10kΩ Widerstand damit die Lampe voll leuchtet. Der erste Strom fließt schon wenn der LDR mehr als 0,7V liefert, nur reicht das nicht dass die Birne leuchtet. Die Birne wird also mit zunehmender Dunkelheit irgendwann anfangen zu glimmen bis die dann auf volle Helligkeit geht. Dadüber würde der Transistor zwar mehr Strom durch die Birne erlauben, aber der Widerstand der Birne begrenzt den Strom auf einen bestimmten Maximalwert. Leitet der Verbraucher weniger Strom durch den Transistor als der wegen seinem Basisstrom erlauben würde, spricht man von "Der Transistor ist im Sättigungsbetrieb".

Übrigens, in der Praxis nimmt man ein Relais statt der Glühbirne das dann das Licht schaltet. Das Relais schaltet irgendwann plötzlich um, macht also die angeschlossene Lampe immer voll oder gar nicht an.

Und damit das Relais nicht so lahm schaltet und die Kontakte sich für eine Sekunde "oder so" nur lasch berühren und durch hohen STrom "brennen" nimmt man zwei Transistorstufen um einen Effekt zu erzielen den man in der Hobbylelektronik "Knackfroscheffekt" nennt.

Hier schaltet ein zweiter Transistor stark zu wenn der erste nur ein bischen durch schaltet. Dadurch wird das Relais schneller mit viuel Strom zum zügigen Umschalten beschickt.

Ein "Knackfrosch" ist ein Kinderspielzeug das es bis in die 80er gab. Ein (meist) Froschförmiges Blech mit einer Metallzunge dran. Drückt man die Metallzunge ein bischen passiert nichts. Drückt man nur ein bischen fester, schnappt die Metallzunge um, ist also voll rein gedrückt und das Ding erzeugt ein lautes Knacken. Das demonstriert ganz gut, dass ein leichter Andruckunterschied eine große Wirkung hat und man kann damit schön Erwachsene durch dauerknacken nerven. Das sind halt Spielzeuge wie "Blechrommeln". Absolut Sinnfrei, man kann damit nichts Sinnvolles anstellen, nur Erwachsene nerven, daher immer ein tolles Geschenk von Tanten und Onkeln, Eltern würden ihren Kindern so was nie schenken ;-)

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@Commodore64

Man könnte auch einfach eine Z-Diode vor die Basis des Transistors schalten. Solange die Spannung unter der Z-Spannung liegt ist das Licht dunkel, überschreitet die Spannung diesen Wert, schaltet der Transistor das Licht ein. Oder als Ersatz für die Z-Dioden normale Dioden in Reihe und in Durchlassrichtung.

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Das Problem mit Deinem Erklärungswunsch ist, dass Transistoren durch den Strom schalten, nicht durch die Spannung.

Insofern kann man die Schaltung nicht nur über die Spannung erklären... (bzw. müsste jeweils den "Umweg" über das Ohm´sche Gesetz gehen). Die entscheidende Frage ist halt: wann fließt der Basisstrom?

Ok unser Lehrer hat gesagt, wenn am Schaltpunkt "S" eine hohe Spannung ist, fließt Basisstrom, die LED müsste dann auch leuchten

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@taxnum

Der Basisstrom wird um so höher, je höher der Widerstand des LDR ist. Bei niedrigem LDR-Widerstand (also hellem Licht) fließt nur ein geringer Basistrom, dieser ist, je nach Transistor, dann ab einer bestimmten Helligkeit nicht mehr hoch genug, um den Transistor in den Schaltpunkt zu bringen....

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@WetWilly

Das heißt: R1 < R2 (hier der LDR) dann schaltet der Transistor.

Würde man den LDR jetzt nach oben tuen, dann würde die LED leuchten, wenn es hell ist (weil dann R1 < R2 ist)?

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@taxnum

Das ist bedingt richtig. Ein Basisstrom fließt immer, außer wenn LDR = 0 Ohm ist. Ob der Strom hoch genug ist, um den Transistor zu schalten, hängt, von der Kennlinie des Transistors ab.

Aber im Grundsatz geht Deine Überlegung in die richtige Richtung.

Der zweite Teil der Überlegung stimmt allerdings nicht: R2 spielt dann für die Schaltung nur noch eine untergeordnete Rolle, den könntest Du auch weglassen (man würde Ihn technisch dennoch einbauen, als sog. Pull-Down-Widerstand). Der Basisstrom wird dann direkt durch LDR bestimmt.

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o.k. Im Prinzip hast Du recht!

Aber:

Es ist keine LED sondern ein Glühlämpchen; eine LED würde sofort kaputt gehen

Der 1k Widerstand ist nicht wirklich sinnvoll!

Ein bipolarer Transistor "schaltet", sobald zwischen Basis und Emitter eine Spannung von ca. 0,6V herrscht. Insoweit musst Du diese Schaltschwelle als Spannung am Spannungsteiler 10k//LDR berücksichtigen.

Das ist der Fall, sobald der Widerstand des LDRs etwa 0,6/8 * 10k überschreitet.

Die Spannung "unten" bleibt jetzt bei etwa 0,6V hängen, weil der Transistor das so ausregelt; man kann auch sagen, der Eingangswiderstand einer Emitterschaltung ist recht gering (liegt bei etwa 500 Ohm).

Es fließt jetzt ein Steuerstrom von 7,4 V / 10k also 0,74 mA durch die Basis, der den Transistor voll durchschaltet.

Das ist allerdings nicht ganz korrekt, weil da ein Paranoiker noch einen 1k Widerstand eingebaut hat, an dem nun noch 0,74V abfallen, so dass der Strom etwas geringer ist, aber voll ausreicht zum Durchsteuern eines Typ C Transistors.

Jetzt muss ich leider noch mal korrigieren. Der Einfluss des 1k Widerstands ist doch beträchtlicher. Ich nehme den "Paranoiker" wieder zurück :-)

Da im Prinzip etwa 0,8 mA Strom fließt, muss am Spannungsteiler etwa 1,4 V abfallen, um die 0,6V für die Transistorbasis zu liefern. (0,8 V fällt am 1k ab)

Das ist erst so weit, wenn der Widerstand des LDRs über 1,4 / (8-1,4) * 10k steigt, also bei etwa 2 k Ohm.

Mit dem Widerstand an der Basis kann man also ganz prima die Schaltschwelle verändern.

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@DonDeSilva

Ich habe immer noch unpräzise überschlagsgerechnet :-) Das ist aber eine schöne Hausaufgabe, auszurechnen, bei welchem genauen Widerstand des LDRs die Schaltung anspricht :-)

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