Der ewige Blinker

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Auch Ewigkeit ist relativ. Eine Schaltung, die mit einer einzelnen Batterie viele Monate lang funktioniert, arbeitet praktisch ewig. In Geschäften sieht man manchmal Werbeschilder mit eine blinkenden LED, die anscheinend ewig arbeiten, und das auch noch mit einer einzelnen Batteriezelle. So etwas müsste man auch mal selbst bauen ...

Hier ist die Schaltung. Sie besteht aus einem astabilen Multivibrator mit besonderen Eigenschaften. Ein Elko von 100 µF lädt sich relativ langsam und mit kleinem Strom auf und wird in einem kurzen Impuls über die LED entladen. Dabei kommt es auch zur nötigen Spannungsüberhöhung, denn 1,5 V ist ja für eine LED zu wenig.

Die beiden Oszillogramme verdeutlichen wie es funktioniert. Sie wurden mit dem SIOS-Interface und dem Programm MikroScope von H.-J. Berndt aufgenommen und zeigen vertikal 1V/Skt und horizontal 1s/Skt. Die Spannung am Kollektor des PNP-Transistors schaltet bis auf ca. 1,5 V hoch, nachdem der Elko an dieser Stelle über einen Widerstand von 10 k bis nahe 0,3 V entladen wurde. Auf der anderen Seite wurde er bis ca. 1,2 V geladen. Die Differenz von 0,9 V liegt also am Elko, wenn der Blinkimpuls erscheint. Sie addiert sich in diesem Moment zur Batteriespannung von 1,5 V, so dass die Impulshöhe an der LED bis 2,4 V betragen könnte. Tatsächlich aber zeigt Oszillogramm 2, dass die Spannung durch die LED auf ca. 1,8 V begrenzt wird. Die LED-Spannung passt sich selbst der verwendeten LED an und kann theoretisch bis fast 3 V betragen.

Die Schaltung wurde für den Lowpower-Betrieb optimiert. Deshalb hat der eigentliche Flip-Flop einen NPN- und einen PNP-Transistor bekommen. Man kann auf diese Weise die Verschwendung von Steuerstrom vermeiden. Beide Transistoren leiten nur für den kurzen Moment des LED-Blinkens. Damit stabile Bedingungen herrschen und die Schaltung sicher schwingt, gibt es eine zusätzliche Stufe mit einer Gleichspannungs-Gegenkopplung. Auch hier wurde durch besonders hochohmige Widerstände auf geringsten Verbrauch geachtet.

Für die Abschätzung des Verbrauchs kann man vom Ladestrom des Elkos ausgehen. An beiden Ladewiderständen mit je 10 k liegt im Schnitt eine Spannung von insgesamt 1 V. Damit beträgt der durchschnittliche Ladestrom 50 µA. Für die Dauer des LED-Impulses wird noch einmal genau die gleiche Ladung aus der Batterie entnommen. Der mittlere Strom beträgt also rund 100 µA. Geht man von einer Batteriekapazität von 2000 mAh aus, sollte die Batterie etwa 20.000 Stunden halten, das sind über zwei Jahre, also praktisch ewig. Da der Strom gegen Ende etwas abnimmt und die LED nicht mehr so hell leuchtet, dürfte die tatsächliche Betriebsdauer noch höher liegen. Also mehr als ewig.

Literaturhinweise:
Der Ewige Blinker wurde auch in Elektor 7/8, 2005 abgedruckt
Erweiterung: Der Ewige Blinker  mit Lichtsteuerung
Die besagten ewigen Blinker in Werbepackungen enthalten z.B. den LM3909, siehe auch "Schnellstart LEDs" 
Eine Ersatzschaltung für den LM3909 auf Basis einen ATtiny13 findet man in elo-web.de: Der ELO-Flasher
Tiny-13-Blinker wird mit Speicherkondensator betrieben: Kondensator-Blitzlicht
Einfache Schaltung für höhere Spannung in Elektronik-Labor.de: LED-Blitzer mit nur einem Transistor 

Nachtrag: SMD-Version von Olaf

Die SMD-Version wird hier mit einer Spannung von 3,6 V betrieben. Die LED glimmt bei der höheren Spannung in den Pausen schwach und ist in den Blitzen heller.

Nachtrag: Noch kleiner, von Michael:

"Die Schaltung ist sehr schön und einfach, da keine unbekannten Spulen aus der Bastelkiste durchprobiert werden müssen - es hat auf Anhieb funktioniert! Ich habe diesen Blinker in SMD nachgebaut und bin mit einer relativ kleinen Grundfälche ausgekommen."

http://www.chrysophylax.de/index.html?/prj/prj.htm

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Nachtrag: Platinenversionen von Karl O. 

Hier zwei Platinenlayouts für den ewigen Blinker, eine SMD-Version und eine für bedrahtete Bauteile. Die Bahnen können dank des einfachen Layouts  mit einem ätzfesten Stift auf eine blanke Platine gezeichnet und dann geätzt werden. EwigerBlinker.pdf (372 KB)

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Nachtrag: Aufbau von Wolfram Herzog, Betriebsdauer sechs Jahre

Hier ein Bild unseres „Ewigen Blinker“ den mein Sohn 2003 im Alter von 10 Jahren gebaut hat. Versorgung ist eine Mono-Zelle die wir gerade rumliegen hatten. Die Schaltung blinkt noch immer – die Batteriespannung war damals 1,52 Volt, jetzt ist Sie auf 1,38V abgesunken. Das lässt also noch viele Jahre blinken…

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Siehe auch:  
Seite von Jochen Wienstroth:  Der ewige Blinker - oder: Wie ich zum geocachen kam 
SMD-Platine von Thomas Gfüllner: http://runga.tumblr.com/post/2386897341/ewiger-blinker  
Elektronik-Labor: Der Ewige Blinker mit Lichtsteuerung

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Nachtrag: Gegentakt-Treiber,  von Michael Ringe

Heute habe ich 'mal den "ewigen Blinker" nachgebaut und hatte mir dazu eine extra helle grüne LED ausgesucht. Leider war der Blinker dann recht dunkel, und auch das nur mit einer frischen Batterie. Eigentlich kein Wunder, denn laut Datenblatt hat die LED eine Vorwärtsspannung von bis zu 4 V.

Ich habe die Schaltung deshalb erweitert und einen zweiten Speicherkondensator eingebaut, der mit dem ersten Kondensator eine Art Gegentakt-Treiber bildet. Damit blitzt es nun sogar noch bei 1 V richtig kräftig. Die Kapazität konnte ich übrigens auf die Hälfte verkleinern, ohne dass der Blinker spürbar dunkler wird. Damit sollte der Stromverbrauch in etwa dem der Originalschaltung entsprechen, oder?