Wollen Sie eine LED weich blinken lassen, können Sie diese statt mit einer astabilen Kippstufe mit einem sogenannten Phasenschieber ansteuern. Diese Schaltung erzeugt den entsprechenden Spannungsverlauf, durch den die Leuchtdiode langsam heller und wieder dunkler wird.
Aber was ist ein Phasenschieber-Oszillator überhaupt?
Stellen Sie sich vor, Sie betreten einen leicht abgedunkelten Raum, in dem eine einzelne kleine LED zu leuchten beginnt.
Sie leuchtet aber nicht abrupt auf, sondern entfaltet ihr Licht langsam, bis sie schließlich voll strahlt. Dann, genauso sanft, verblasst sie wieder langsam.
Diese Art von „weichem Blinken“ schafft eine beruhigende Atmosphäre und ist nicht nur für Lichtinstallationen oder Dekorationselemente nützlich, sondern auch in Bereichen wie Modellbau oder Elektronikprojekten ein beliebtes Detail.
Eine ähnliche Anwendung finden Sie in der LED-Beleuchtung für das Leuchtturm-Modell in diesem Beitrag. Doch wie lässt sich dieses sanfte Ein- und Ausschalten einer LED technisch umsetzen?
Die folgende Schaltung macht dies möglich, indem sie eine LED so ansteuert, dass sie sanft aufleuchtet und wieder ausgeht.
Dabei kommt ein Phasenschieber ins Spiel, der den erforderlichen Spannungsverlauf erzeugt und so die Helligkeit der LED weich ansteigen und abklingen lässt. Im Anschluss erfahren Sie, wie die Schaltung aufgebaut ist und welche Funktionsweise dahintersteckt.
Zum Schluss dieses Beitrags finden Sie noch eine weitere Schaltung, mit der Sie eine LED weich blinken lassen können, ohne dafür einen Phasenschieber-Oszillator einzusetzen. Diese Schaltung basiert auf der astabilen Kippstufe.
Schaltung für stärker und schwächer werdende LED
Mit der folgenden Schaltung ist es möglich, eine Leuchtdiode so anzusteuern, dass sie langsam stärker und schwächer werdendes Licht abgibt. Sie eignet sich also zum LED weich blinken lassen. Oft nennt man eine solche Schaltung auch weicher Blinker. Die Leuchtstärke der LED nimmt so zu und wieder ab, das führt zu einer langsamen Veränderung der Leuchtintensität der LED.
Der Phasenschieber in dieser Schaltung
Diese Schaltung arbeitet nach dem Prinzip des sogenannten Phasenschiebers, der sich auch zur Erzeugung von Sinustönen oder Sinusschwingungen einsetzen lässt. Betrieben wird die hier gezeigte Phasenschieber-Schaltung an einer Spannung von 9 Volt. Ich habe in dieser Schaltung eine grüne Leuchtdiode verwendet. Natürlich können auch Leuchtdioden anderer Farben eingesetzt werden. Die Leuchtdiode erhält ihre Betriebsspannung durch den Spannungsabfall am Widerstand R2.
Die Funktionsweise des Phasenschiebers
Um die Schaltung ordnungsgemäß zu betreiben, müssen bestimmte Bedingungen erfüllt sein. Es ist erforderlich, dass die Kondensatoren C1 bis C3 sowie die Widerstände R3, R4 und R6 jeweils gleiche Werte aufweisen.
Die gesamte Schaltung basiert auf folgenden Prinzipien:
- Die Grundlage bildet das Prinzip der Rückkopplung. Ein Transistor kann sich selbst ansteuern, wenn ein Teil seines Ausgangssignals auf seinen Eingang zurückgeführt wird. Diese Rückkopplung ermöglicht die Selbsterhaltung einmal erzeugter Schwingungen. Sie kennen ein solches Prinzip bestimmt von der akustischen Rückkopplung. Es ist das hässliche Pfeifen dass dabei aus dem Lautsprecher kommt, wenn das Mikrofon in dessen Nähe kommt.
- Eine weitere Voraussetzung für den Betrieb der Schaltung besteht darin, dass die zurückgeführten Schwingungen zum Eingang des Transistors in der richtigen Phasenlage erfolgen müssen. Anders ausgedrückt müssen die Schwingungen so zurückgeführt werden, dass ein Wellenberg zur Basis des Transistors gelangt, wenn dieser benötigt wird, um die Schwingungen aufrechtzuerhalten.
- Um sicherzustellen, dass die Rückkopplung in der richtigen Phase erfolgt, wurde in der Schaltung eine zeitliche Verzögerung eingesetzt. Diese Verzögerung wird durch die Kondensatoren erreicht, die Zeit zum Aufladen über die Widerstände benötigen. Dies führt zu einer zeitlichen Verzögerung der Wellenform, auch als Phasenverschiebung bekannt. Die Auswahl der zeitlich relevanten Bauteile wurde so getroffen, dass eine Gesamtphasenverschiebung von 180 Grad erreicht wird. Dadurch erhält der Transistor T2 genau dann eine Signalspitze (Wellenberg), wenn er diese benötigt.
Falsch dimensionierte Bauteile können dazu führen, dass die Schaltung keine Sinusschwingungen erzeugt. Außerdem funktioniert diese Schaltung nur innerhalb eines bestimmten Spannungsbereichs. Hier ist das Schaltbild:
LED weich blinken lassen: die Schaltung auf dem Steckboard
Das Bild zeigt einen Aufbau der Schaltung auf einem Steckboard. Zur Veränderung der „Blinkfrequenz“ lassen sich auch (Elektrolyt-) Kondensatoren mit anderen Werten verwenden. Wichtig ist nur, dass alle drei Kondensatoren bzw. Elektrolytkondensatoren gleiche Kapazitätswerte besitzen. Experimentieren Sie ruhig ein bisschen mit dieser Schaltung herum und verwenden Sie unterschiedliche Kondensatorwerte.
Sollen andere oder mehrere Leuchtdioden eingesetzt werden, ist der Widerstandswert von R2 anzupassen. Eine andere Schaltung für einen weichen Blinker mit NE555 gibt es in diesem Beitrag zu sehen. Dort wird als Impulsgeber ein NE555 eingesetzt. Die NE555-Schaltung ist allerdings kein Phasenschieber-Oszillator. Das „weiche“ Blinken wird dort durch das verzögerte Auf- und Entladen eines Elektrolytkondensators erreicht.
Hier können Sie die von mir aufgebaute Schaltung im Betrieb sehen:
Weiteres zum Phasenschieber
Ein Phasenschieber ist also eine Schaltung, die einen Spannungsverlauf so beeinflusst, dass dieser verzögert wird – ähnlich wie ein Echo bei Schallwellen, nur eben für elektrische Signale. Es finden wie bei anderen Schaltungen, die mithilfe von Transistoren und (Elektrolyt-) Kondensatoren Signale erzeugen, laufend Auflade- und Entladevorgänge statt.
Die Widerstände in dieser Schaltung bestimmen dabei, wie schnell der Kondensator sich auflädt und wieder entlädt. Das ist auch bei anderen Schaltungen wie der astabilen Kippstufe der Fall.
Wenn wir nun Kondensatoren und Widerstände in einer bestimmten Reihenfolge in der Schaltung einsetzen, verzögert sich das Signal, das den Transistor ansteuert.
Stellen Sie sich die Schaltung vor wie eine Art Staffellauf: Jeder Kondensator gibt das Signal etwas zeitverzögert an den nächsten Kondensator weiter. Diese Zeitverzögerung kommt dadurch zustande, dass jeder der Kondensatoren auf- und entladen muss, was eine bestimmte Zeit in Anspruch nimmt.
Würde man die Signale so zeitverzögert darstellen, sähe das etwa so aus wie in der folgenden Skizze.
Diese Gruppen aus (Elektrolyt-) Kondensatoren und Widerständen verschieben die Phase des Signals, und das Ziel besteht darin, das Signal einmal vollständig – also um 360 Grad – zu drehen.
Und diese Phasendrehung wird erreicht, indem das Signal drei Mal um je 60 Grad durch die RC-Kette (R = Resistor = Widerstand, C = Condenser = Kondensator) verschoben wird. Gleiches passiert dann in der folgenden Verstärkerstufe, welche das Signal um weitere 180 Grad verschiebt. So kommen wir auf die komplette Verschiebung um eine Phase.
In der folgenden Abbildung zu sehen ist ein Schaltbild eines Phasenschieber-Oszillators mit anderen Bauteilewerten. Sie soll Ihnen die Phasenverschiebungen in den einzelnen Stufen verdeutlichen.
Warum die Verstärkung des Signals wichtig ist
Da das Signal beim Durchlaufen der RC-Kette abgeschwächt wird, braucht es eine gewisse Verstärkung, um das Signal wieder auf die nötige Signalstärke zu bringen und die internen Verluste der Schaltung auszugleichen. Erst dadurch ist es möglich, die Schwingung im Phasenschieber-Oszillator stabil zu erzeugen.
Zu hoch darf die Verstärkung jedoch nicht sein. Sonst kommt es zu Verzerrungen des Sinussignals. Die Wellenberge mit den Spannungsspitzen sind dann abgeflacht.
Die Wahl der Bauteile und deren Anordnung beeinflussen die Signalqualität und die Genauigkeit der Frequenz. So führt der unsymmetrische Aufbau von CR-Ketten zu Verzerrungen im Signal und einer Verschiebung der Frequenz, was bei Musikeffekten manchmal noch akzeptabel, bei präzisen Signalanwendungen jedoch ein Nachteil ist. Auch die Versorgungsspannung und die angeschlossene Last können die Frequenz beeinflussen, weshalb Phasenschieber-Oszillatoren weniger für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Genauigkeit geeignet sind.
Auch eine zu niederohmige Last am Ausgang kann unter Umständen die Funktion dieser Schaltung beeinträchtigen. Das gilt besonders für Phasenschieber-Oszillatoren, die Frequenzen im Audiobereich oder darüber erzeugen.
Phasenschieber-Oszillatoren einsetzen
Der Phasenschieber-Oszillator ist eine einfache, kostengünstige Schaltung, die für viele Anwendungen ausreicht. Doch wer ein Signal mit besonders niedriger Verzerrung benötigt, muss in der Regel auf komplexere Schaltungen zurückgreifen, die entweder einen exakt hochohmigen Eingangswiderstand bieten oder eine stabilere Frequenz auch bei Spannungsschwankungen gewährleisten.
Wozu kann ein Phasenschieber verwendet werden?
Ein Phasenschieber wird nicht nur eingesetzt, um damit eine LED weich blinken lassen zu können, sondern hauptsächlich zur Erzeugung von Sinuswellen, etwa in Audioschaltungen. Diese Schwingungen erzeugen dann angenehme Klangwellen. Diese unterscheiden sich von Tönen aus astabilen Kippstufen mit Transistoren oder aus dem NE555, die eher einer Rechteckform gleichen und eher unangenehm klingen. Sehen Sie sich dazu auch die Schaltung zur Tonerzeugung mit dem NE555 an.
Wenn Sie sich für die Röhrentechnik interessieren, sehen Sie sich auch den Beitrag zur astabilen Kippstufe mit Röhren in diesem Beitrag an.
Eine Schaltung zum Ansteuern einer oder zwei LEDs zu Dekorationszwecken mithilfe einer astabilen Kippstufe und einer zusätzlichen LED-Treiberstufe mit einem Transistor finden Sie im Beitrag über die LED-Leuchtturmbeleuchtung.
Eine ähnliche Schaltung wie die Leuchtturn-Beleuchtung mit LED ist die folgende astabile Kippstufe, mit der Sie ebenfalls eine LED weich blinken lassen können:
Diese Schaltung arbeitet mit einer Spannung von 9 Volt. Während eines Probeaufbaus arbeitete sie bereits ab ca. 5 Volt, wenn auch mit verminderter Helligkeit der LED. Die Blikfrequenz lässt sich durch Ändern der Kapazitäten von C1 und C2 ändern. Mit den 47 Mikrofarad erzeugt sie ein langsam heller und dunkler werdendes Licht, ähnlich der Beleuchtung für den Leuchtturm.
Der Elektrolytkondensator C3 wird über R4 und R7 langsam aufgeladen, wenn der Transistor T2 nicht durchschaltet. Dabei wird die basis von T3 mit einem langsam steigenden Strom angesteuert. Schaltet T2 durch, entlädt er sich wieder langsam, der Basisstrom von T3 sinkt, die Helligkeit der LED ebenfalls, bis sie erloschen ist.