Dämmerungsschalter

Die Gartenbeleuchtung soll abends von selbst angehen und morgens wieder aus, die Vitrinenbeleuchtung nur bei Dunkelheit leuchten, das Nachtlicht im Flur sich tagsüber nicht einschalten. Dafür braucht es einen Dämmerungsschalter: einen Lichtfühler, eine Schaltschwelle und einen Schalter für die Last. Ein Mikrocontroller kann das auch, doch oft ist eine kleine Analogschaltung einfacher, sparsamer und läuft ohne Programm jahrzehntelang.

Diese Fassung kommt mit einem Baustein aus, den fast jeder in der Schublade hat: dem NE555. Er wird hier nicht als Taktgeber benutzt, sondern als Schmitt-Trigger mit eingebauter Hysterese. Fühler ist ein Fotowiderstand (LDR), geschaltet wird ein Relais für eine 12-V-Lampe. Ein RC-Glied sorgt dafür, dass Scheinwerfer eines vorbeifahrenden Autos die Lampe nicht ausschalten.

Schaltplan

• LDR, GL5528: der Lichtfühler, oben im Teiler. Im Hellen hat er wenige Kilohm, im Dunkeln mehrere hundert.
• P1, 10 kΩ, und R2, 1 kΩ: der untere Teil des Spannungsteilers. Mit dem Trimmer stellst du die Schaltschwelle ein, R2 begrenzt den Strom, wenn P1 auf null steht.
• R3, 47 kΩ, und C2, 100 µF: das Verzögerungsglied. C2 kann sich nur langsam umladen, kurze Lichtblitze gehen unter.
• IC1, NE555: Pin 2 (Trigger) und Pin 6 (Schwelle) sind verbunden. So arbeitet er als Schmitt-Trigger mit den Schwellen 1/3 und 2/3 der Versorgung.
• C3, 10 nF: stabilisiert den Spannungsteiler im 555 an Pin 5.
• K1, Relais 12 V, 400 Ω, mit D1, 1N4007 als Freilaufdiode. Der Ausgang des 555 liefert bis 200 mA und treibt die Spule direkt.
• Lampe: hier eine 12-V-LED-Leuchte an derselben Versorgung, geschaltet vom Relaiskontakt.

So funktioniert die Schaltung

Der LDR und der Widerstand darunter bilden einen Teiler. Im Hellen ist der LDR niederohmig, die Spannung am Knoten A liegt hoch. Wird es dunkel, steigt sein Widerstand, die Spannung sinkt.

Im NE555 stecken zwei Komparatoren. Der eine setzt den Ausgang auf high, sobald Pin 2 unter 1/3 der Versorgung fällt, hier 4 V. Der andere setzt ihn auf low, sobald Pin 6 über 2/3 steigt, also 8 V. Dazwischen behält der Ausgang seinen Zustand. Mit beiden Pins am selben Knoten ergibt das einen invertierenden Schmitt-Trigger mit 4 V Hysterese, ganz ohne zusätzliche Bauteile.

Abends sinkt die Spannung an C2 unter 4 V: Ausgang high, das Relais zieht an, die Lampe leuchtet. Morgens steigt sie über 8 V: Ausgang low, Lampe aus. In der Zwischenzeit, bei dämmrigem Licht und Wolken, passiert nichts.

Dimensionierung

1. Lichtfühler. Der GL5528 hat bei 10 lx typisch 10 kΩ (8 bis 20 kΩ), und sein Widerstand ändert sich mit der Beleuchtungsstärke E ungefähr nach

Was Lux bedeuten, steht unter Lichtstrom und Beleuchtungsstärke. Eine Gartenbeleuchtung soll bei Dämmerung um 10 lx einschalten.

2. Untere Schwelle. Der Ausgang schaltet ein, wenn die Teilerspannung unter 1/3 von 12 V fällt. Das ist genau dann der Fall, wenn der LDR doppelt so groß ist wie der untere Widerstand R_u = P₁ + R₂:

Für 10 lx mit 10 kΩ folgt R_u = 5 kΩ, P1 steht also auf 4 kΩ.

3. Obere Schwelle. Aus geht die Lampe bei 8 V, wenn R_LDR = R_u / 2 = 2,5 kΩ ist. Das entspricht

Die Hysterese ist beim NE555 fest: Der LDR-Widerstand muss sich um den Faktor 4 ändern, das Licht um den Faktor 7. Für eine Außenbeleuchtung passt das gut, abends geht sie bei echter Dämmerung an, morgens erst bei Tageslicht aus.

4. Einstellbereich. Mit P1 zwischen 0 und 10 kΩ liegt R_u zwischen 1 und 11 kΩ. Die Einschaltschwelle lässt sich damit zwischen etwa 3 lx und 100 lx wählen und gleicht die Streuung des LDR mit aus.

5. Verzögerung. R3 und C2 bilden ein RC-Glied mit τ = 47 kΩ · 100 µF = 4,7 s. In der Nacht bei 1 lx liegt C2 auf 1,1 V. Scheinwerfer mit 200 lx heben den Teiler auf 9,6 V. Bis C2 die 8 V erreicht, vergeht

Kürzeres Licht schaltet die Lampe nicht aus. Den Verlauf kannst du mit dem Rechner nachvollziehen:

Bauteilliste

Varianten

Netzspannung schalten. Über ein Relais mit Kontakten für 250 V AC lässt sich auch eine Netzlampe schalten. Die Elektronik bleibt dabei auf 12 V.

Weniger Strom. Mit dem CMOS-Typ TLC555 sinkt der Eigenverbrauch auf rund 0,2 mA, siehe CMOS-555. Dann lohnt sich ein bistabiles Relais oder ein MOSFET statt des Relais für LED-Leuchten.

Kleinere Hysterese. Soll die Lampe morgens früher ausgehen, nimmst du einen Komparator mit einstellbarer Hysterese wie beim Komparator mit Hysterese.

Mit Mikrocontroller. Liest ein Controller den LDR ein (Helligkeit messen mit LDR), kann er Schwelle, Hysterese und Verzögerung per Software festlegen und zusätzlich eine Uhrzeit berücksichtigen. Das Relais steuerst du dann wie unter Relais am Arduino ansteuern an.

Licht statt Dunkelheit melden. Vertauschst du LDR und Teilerwiderstand, schaltet der Ausgang bei Helligkeit ein, etwa für eine Jalousie. Für reflektiertes Infrarot statt Umgebungslicht siehe Reflexlichtschranke.

Typische Fehler

• Lampe blinkt in der Dämmerung: Der LDR sieht die Lampe, die er selbst einschaltet. Sie macht es hell, die Schaltung schaltet ab, es wird dunkel – ein Oszillator mit der Periode der Verzögerung. Den Fühler so montieren, dass er nur Himmelslicht sieht.
• Schaltet nie ein: P1 steht zu niedrig. Miss die Spannung an Pin 2 bei Dunkelheit: Sie muss unter 4 V liegen. Mit der Hand über dem LDR lässt sich das gut testen, wenn du die Verzögerung kurz überbrückst.
• Relais klappert: Pin 2 und Pin 6 nicht verbunden, oder C2 fehlt. Dann reagiert die Schaltung auf jedes Flackern und das 100-Hz-Flimmern von Lampen.
• Schwellen wandern: Elkos haben anfangs einen Reststrom von einigen Mikroampere. An 47 kΩ verschiebt das die Spannung um bis zu einige 100 mV. Nach einigen Stunden Betrieb sinkt er stark; bei Problemen ein Elko mit Low-Leakage-Angabe oder einen Folienkondensator mit kleinerem R3 nehmen.
• Feuchtigkeit: Ein offener LDR im Freien korrodiert. Setze ihn hinter ein klares Fenster in ein dichtes Gehäuse, siehe IP-Schutzarten.

Selbsttest