Wie ein einfacher Dämmerungsschalter mit Schmitt-Trigger aufgebaut wird

Dieser Dämmerungsschalter schaltet einen elektrischen Verbraucher ein, sobald eine bestimmte Helligkeit unterschritten wird. Mit dieser Schaltung kann beispielsweise eine Beleuchtung eingeschaltet werden, wenn es dunkel wird. Als Helligkeitssensor dient ein LDR, also ein lichtempfindlicher Widerstand. Die beiden Transistoren T1 und T2 bilden in dieser Schaltung einen sogenannten Schmitt-Trigger. Dies ist eine Schaltung, die beim Über- oder Unterschreiten eines bestimmten Wertes (in diesem Falle eines Helligkeitswertes und damit eines Widerstandswertes des LDR1) seinen Schaltzustand abrupt ändert. Schmitt-Trigger werden in der Elektronik sehr häufig eingesetzt.

Was macht der Schmitt-Trigger im Dämmerungsschalter?

Der Schmitt-Trigger besteht hier aus den beiden Transistoren T1 und T2 sowie den Widerständen R2 und R3. Diese Schaltung sorgt dafür, dass die Schaltung stabil reagiert, auch wenn die Helligkeit sich langsam oder leicht ändert.

Der Schmitt-Trigger verhindert, dass das Licht (oder das Relais) ständig an- und ausgeht, wenn es gerade dämmert. Er „merkt“ sich also, ob es gerade hell oder dunkel ist, und entscheidet sich klar für eine der beiden Zustände.

Und so funktioniert das Schritt für Schritt:

1. Der LDR (Lichtabhängiger Widerstand) reagiert auf den Lichteinfall:
   • Hell → kleiner Widerstand
   • Dunkel → großer Widerstand
2. Gemeinsam mit R1 bildet der LDR einen Spannungsteiler. Je nach Helligkeit verändert sich die Spannung an der Basis von T1.
3. T1 und T2 arbeiten zusammen: Wenn es hell genug ist, sperrt T1. Dadurch liegt am Kollektor von T1 eine hohe Spannung, die über R3 zur Basis von T2 gelangt. T2 wird dadurch leitend. Wenn es dunkel genug wird, schaltet T1 durch und T2 sperrt.
4. Der Schmitt-Trigger macht den Unterschied: Sobald der Schmitt-Trigger geschaltet hat (zum Beispiel weil es dunkel wurde), hält sich dieser Zustand stabil. Erst wenn es deutlich heller wird, schaltet die Schaltung wieder zurück.

Wozu ist das gut?

Wenn es draußen gerade dämmert oder Wolken vorbeiziehen, verhindert der Schmitt-Trigger, dass das Licht (bzw. das Relais) flackert oder zu oft schaltet. Als Anmerkung: Ich kenne das Verhalten einer Kontrolllampe von der Warnleuchte für den niedrigen Kraftstoffstand im Tank, die offensichtlich keine solche Schaltung beinhaltete und die Warnleuchte bei niedrigem Kraftstoffstand ständig flackerte. Darum setzt man solche Schaltungen in Dämmerungsschaltern und anderen Schaltungen ein, in denen langsame Änderungen einen einmaligen Schaltvorgang beim Erreichen einer Schaltschwelle ermöglichen sollen.

Der Schmitt-Trigger aus T1 und T2 sorgt dafür, dass die Schaltung nicht bei jeder kleinen Helligkeitsänderung reagiert.
Er schaltet das Licht erst dann ein oder aus, wenn es wirklich eindeutig hell oder dunkel ist.

Wie funktioniert der Schmitt-Trigger in dieser Schaltung?

Hier das Grundprinzip in einfachen Schritten:

Helligkeit = Lampe aus

• Bei Helligkeit hat der LDR einen relativ niedrigen Widerstand.
• Dadurch fließt ein großer Teil des Stroms durch den LDR zur Masse statt in die Basis von T1.
• T1 bekommt zu wenig Basisstrom und bleibt gesperrt.
• Da T1 gesperrt ist, liegt am Kollektor von T1 eine hohe Spannung.
• Diese Spannung gelangt über R3 an die Basis von T2, T2 wird leitend.
• Wenn T2 leitet, geht die Spannung an seinem Kollektor nach unten. Das bedeutet, die Spannung an der Basis von T3 ist zu niedrig, T3 bleibt gesperrt.
• Die Lampe am Ausgang der Schaltung ist dementsprechend ausgeschaltet.

Dunkelheit = Lampe ein

• Wenn es dunkel wird, steigt der Widerstand des LDR stark an.
• Dadurch fließt mehr Strom durch R1 in die Basis von T1, T1 schaltet durch.
• Der Kollektor von T1 fällt auf eine niedrige Spannung.
• Diese niedrige Spannung wird über R3 an die Basis von T2 weitergegeben, T2 sperrt.
• T2 sperrt, die Spannung an seinem Kollektor steigt.
• Diese Spannung geht über R6 an die Basis von T3. Das bedeutet wiederum, T3 wird leitend und die Lampe geht an.

Der Schmitt-Trigger-Effekt (Hysterese)

• Ist T1 einmal eingeschaltet, hält er T2 zuverlässig gesperrt.
• Die niedrige Spannung am Kollektor von T1 wird über R3 weitergegeben und verhindert, dass T2 gleich wieder schaltet, wenn es wieder ein klein wenig heller wird.
• Erst wenn es deutlich heller wird, bekommt T1 zu wenig Strom und schaltet ab, T2 bekommt über R2/R3 wieder genug Spannung an der Basis und schaltet wieder ein.
• Die Rückkopplung über R3 sorgt also für den Unterschied zwischen Ein- und Ausschaltpunkt. Und das ist die Hysterese.

Müssen T1 und T2 gleichzeitig schalten?

Nein.
T1 und T2 arbeiten abwechselnd, also gegenseitig sperrend:

• Wenn T1 leitet, bleibt T2 gesperrt.
• Wenn T1 sperrt, kann T2 leiten.

Diese Gegenspieler-Rolle ist typisch für viele Schmitt-Trigger-Schaltungen mit zwei Transistoren. Die Rückkopplung sorgt dabei für ein stabiles Umschalten und verhindert ständiges Ein- und Ausschalten.

Bemerkung zu R3 und den Begriff Rückkopplung

Handelt es sich wirklich um eine Rückkopplung?

Ja, aber nicht im klassischen Sinne.
Es ist keine positive Rückkopplung über den Ausgang zur eigenen Eingabe wie z. B. bei Verstärkerschaltungen.

Stattdessen ist es hier eine gegenseitige Wirkung zwischen den Transistoren T1 und T2, die zusammen einen den Schmitt-Trigger bilden.

Der Knackpunkt:

Solange T1 auch nur teilweise leitet, hält er die Basis von T2 niedrig.
Das bedeutet: T2 bleibt etwas länger gesperrt, solange T1 nicht vollständig abgeschaltet ist.

Und weil T2 gesperrt bleibt, kann auch T3 durch den nachgeschalteten Steuerpfad weiter durchschalten, sodass der Verbraucher (z. B. Relais, Lampe) länger, also über den eigentlichen Dämmerungszustand des Einschaltens hinweg, an bleibt.

Und das ist der typische Schmitt-Trigger-Effekt:

• Beim Dunkelwerden wird die Kollekor-Emitter-Strecke von T1 langsam leitend. Die Basisspannung an T1 steigt, da der Widerstand am LDR1 höher wird. Erst wenn T1 leitet, sperrt T2 und T3 schaltet durch.
• Beim Hellerwerden sinkt die Spannung an der Basis von T1 langsam. Aber T2 bleibt zunächst noch gesperrt, bis es wieder deutlich heller ist. T3 bleibt also noch durchgeschaltet. Erst ab einer bestimmten Helligkeit und damit beim Unterschreiten einer bestimmten Spannung an der Basis von T1 „kippt“ der Zustand, T2 schaltet wieder durch, T3 sperrt und schaltet den Verbraucher wieder aus.

Dadurch entsteht die Hysterese: Zwei verschiedene Schwellen für Ein- und Ausschalten, und genau das verhindert ein instabiles Verhalten bei schwankendem Licht.

Dieser Mechanismus verstärkt also den aktuellen Schaltzustand. Und das entspricht funktional dem, was eine positive Rückkopplung macht:
Der aktuelle Zustand stabilisiert sich selbst, es wird ein „klare Entscheidung“ für ein oder aus getroffen, statt stufenlos dazwischen zu hängen.

Daher:

Ja, funktional ist R3 Teil einer Rückkopplung,
aber nicht im engeren technischen Sinne einer klassischen Schleifen-Rückkopplung, sondern eher eine gegenseitige Steuerung oder Verstärkung zwischen zwei Transistoren.

Wie kann man die Schaltschwelle anpassen?

Wenn die Lampe früher oder später bei Dunkelheit einschalten soll, kann man folgende Bauteile verändern:

• R1: Er legt mit dem LDR zusammen die Helligkeit fest, bei der T1 einschaltet.
• Auch ein anderer LDR-Typ (mit anderem Widerstandsverlauf bei Helligkeit) verändert die Schaltschwelle.

Zusammenfassung

• T1 und T2 bilden gemeinsam einen Schmitt-Trigger, der für stabiles Schalten sorgt.
• T3 ist ein zusätzlicher Verstärker, der die Lampe bzw. das Relais schaltet. Für den Schmitt-Trigger ist er nicht unbedingt notwendig.
• Die Rückkopplung über R3 sorgt für die Hysterese – also für den Unterschied zwischen Einschalten bei Dunkelheit und Ausschalten bei Helligkeit.
• R3 (und R2) beeinflussen die Größe der Hysterese. R3 größer bedeutet, Hysterese kleiner und umgekehrt.
• R1 und der LDR bestimmen die allgemeine Schaltschwelle.

Was macht R5 in dieser Schaltung?

R5 liegt am Emitter von T2 und sorgt so dafür, dass die Spannung hier etwas höher liegt als auf Masse. Damit T2 leiten kann, muss die Basis-Spannung um etwa 0,7 V höher sein als die Emitter-Spannung.

Durch R5 liegt der Emitter aber etwas über GND, wenn ein Strom durch ihn fließt.

Das bedeutet: Die Spannung an dessen Basis muss noch ein Stück höher sein, damit T2 einschaltet. Das verschiebt die Schaltschwelle etwas nach oben.

Was bedeutet das für den Schmitt-Trigger?

Die Ein- und Ausschaltschwelle (also die Hysterese) hängt auch von dieser Verschiebung ab:

• Beim Einschalten: T2 braucht mehr Spannung an der Basis, die Schaltschwelle steigt leicht.
• Beim Ausschalten: Sobald T2 leitet, fließt Strom durch R5, T2 bleibt zunächst eingeschaltet, bis die Spannung an dessen Basis deutlich absinkt.

Auch R5 trägt zur Hysterese bei, indem er die Einschaltbedingung für T2 etwas „anhebt“ macht.
R5 wirkt nicht direkt auf die Basis, sondern indirekt über den Emitter, indem er die Schaltschwelle beeinflusst, nicht nur beim Einschalten, sondern auch beim stabilen Zustand.

Ein wichtiges Merkmal vieler transistorbasierter Schmitt-Trigger-Schaltungen ist, dass die Emitter beider Transistoren miteinander verbunden sind und über einen gemeinsamen Widerstand (wie R5) auf Masse gehen.

In dieser Konfiguration:

• Teilen sich T1 und T2 denselben Emitterstrompfad, der durch R5 fließt.
• Der Transistor, der gerade stärker durchschaltet, „gewinnt“ den Strom, der andere wird unterdrückt.

Einstellung der Helligkeitsschwelle am Dämmerungsschalter

Zusätzlich zum Widerstand R1 kann ein Potentiometer (z. B. 47 Kiloohm) eingesetzt werden, mit dessen Hilfe sich die Helligkeitsschwelle einstellen lässt, bei der die Schaltung den angeschlossenen Verbraucher aktiviert. Das Poti wird in Reihe mit R1 geschaltet. Der Schleifkontakt des Potis wird dazu mit der Betriebsspannung verbunden, während die Widerstandsbahn in Reihe mit R1 geschaltet wird. Dadurch kann niemals die volle Betriebsspannung an den LDR gelangen. Der Widerstandswert von R1 kann dann verringert werden (z. B. 47 Kiloohm).

Der Aufbau der Schaltung auf einem Steckboard ist schnell erledigt und lädt zum Experimentieren ein. Durch das Ändern des Widerstandswertes von R1 lässt sich die Empfindlichkeit der Schaltung einstellen. Außerdem ist es möglich, statt des LDRs einen temperaturempfindlichen Widerstand zu verwenden. In diesem Falle ließe sich die Schaltung sehr gut als Temperaturschalter einsetzen, mit dem sich beispielsweise ein Lüfter steuern lässt.

Der Eingang des Relais lässt sich natürlich auch mit einer externen Spannung verbinden. Soll beispielsweise eine Wechselspannung geschaltet werden, so ist dies mit einem entsprechenden Relais problemlos möglich. Es muss natürlich darauf geachtet werden, dass die Wechselspannung nicht mit dem restlichen Teil der Schaltung in Verbindung kommt. Außerdem sind die gängigen Sicherheitshinweise zu beachten, soll mit dem Relais eine höhere Wechselspannung geschaltet werden.

Nachtrag: Dämmerungsschalter an 6V und Einstellung der Empfindlichkeit

Die Schaltung kann bei Veränderung einiger Bauteilewerte auch an 6 Volt betrieben werden. Natürlich müssen Sie dann auch ein Relais mit einer Spule für 6 Volt Betriebsspannung verwenden. Mit dem zusätzlichen Poti kann zudem die Empfindlichkeit der Schaltung eingestellt werden. Je geringer der Widerstand der Reihenschaltung, bestehend aus dem Widerstand R1 und P1, desto eher erhält die Basis von T1 die zum Durchschalten notwendige Spannung, sodass ein ausreichend hoher Basisstrom fließen kann. Die Schaltung würde also dementsprechend schon bei einem relativ geringen Lichteinfall den Verbraucher am Ausgang einschalten.

Soll die Schaltung erst  den Verbraucher einschalten, wenn es schon fast dunkel ist, muss der Gesamtwiderstand höher gewählt werden, zum Beispiel durch einen höheren Widerstandswert von R1. Wie die Bauteilewerte dimensioniert werden müssen, hängt aber immer von den genauen Spezifikationen der verwendeten Bauteile (besonders LDR1) ab sowie von den Lichtverhältnissen am Einsatzort der Schaltung. Auch hier gilt wieder: Probieren geht über Studieren. Nachfolgend sehen Sie das Schaltbild der modifizierten Schaltung für den Dämmerungsschalter.

2. Nachtrag: Relais und alternative Schaltung für den Dämmerungsschalter

Ich wurde nach näheren Angaben zum verwendeten Relais für die Schaltung zum Betrieb an einer Spannung von 12 Volt gefragt. Ich habe für die Schaltung ein Relais des Herstellers OMRON verwendet, der Typ ist G2K (Wechsler mit einer Spulenspannung von 12 Volt und einem Spulenwiderstand von etwa 400 Ohm. Die Stromstärke durch das Relais betrug etwa 30 Milliampere (gemessen). Es kann natürlich auch ein anderes Relais mit vergleichbaren Werten verwendet werden. Die folgende Abbildung zeigt eine alternative Schaltung für den Dämmerungsschalter, die mit zwei Transistoren auskommt und sehr einfach aufgebaut werden kann. Das Potentiometer dient zum Einstellen der Lichtempfindlichkeit.

Die LED mit Vorwiderstand wurde als Indikator verwendet um zu sehen, ob das Relais schaltet. Natürlich kann am Schaltausgang des Relais auch ein anderer Verbraucher angeschlossen werden. Die folgende Abbildung zeigt einen Testaufbau der Schaltung auf einem Steckboard.

Ein einfacher Testaufbau des Dämmerungsschalters mit Relais auf einem kleinen Steckboard.

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