Das Grundprinzip: Eine Strommessung setzt einen Widerstand in der Leitung voraus, durch den der zu messende Strom fließt. Die an diesem Widerstand abfallende Spannung wird verstärkt und dann in ein Signal umgewandelt welches sich für die berührungslose Messung eignet.

Unter Biometrie fallen Fingerabdrucksensoren in Notebooks und Smartphones. Und auch Ausweispapiere und Führerscheine mit biometrischen Merkmalen.
Der Vorteil, der Anwender kann seine biometrischen Merkmale nicht einfach so verlieren oder vergessen. Schlüssel, Karten, Codes und Passwörter lassen sich auch noch weitergeben.
Vergessene oder aufgeschriebene Passwörter und gestohlene Karten bedeuten für ein Unternehmen ernsthafte Sicherheitsprobleme und einen hohen Verwaltungsaufwand.
Bekannt sind optische, thermische und kapazitve Sensoren.

Biometrie ersetzt den Autoschlüssel

Sobald mehrere Personen ein Auto benutzen, fängt bei jedem Fahrerwechsel das Spiel mit dem Sitz einstellen und Spiegel verdrehen an. In Zukunft soll das wegfallen.
Das Auto merkt sich die Einstellungen von jedem Fahrer und erkennt am Fingerabdruck, wer das Auto aufgeschlossen hat. Wenn es einen anderen Fahrer erkennt, dann stellt es alle Benutzereinstellungen auf diesen Fahrer automatisch ein.

Wäre das eine interessante Anwendung in Ihrer Familie oder Firma mit häufig wechselnden Fahrern?

Biometrie statt Benutzername und Passwort

Viele Dienste, Services und Anwendungen die wir im Internet nutzen erfordern eine Registrierung oder Anmeldung mit Benutzername und Passwort. Jedes System erfordert einen anderen Benutzernamen und Passwort. Das ist ein großer Nachteil für die mobile Kommunikation. Vergesslich darf man dabei nicht sein. Besonders die Anmeldedaten, von selten genutzten Webseiten sind schnell vergessen.
Biometrie-Lösungen, meist mit Fingerabdruck-Scanner sind stark im kommen. Vor Jahren waren sie noch Fehleranfällig, empfindlich und mit einer schlechten Erkennungsrate versehen. Doch das hat sich geändert. Die Produkte sind brauchbar und massenmarkttauglich geworden.

Das Problem mit dem Fingerabdruck

Wenn ein Finger trocken oder verletzt ist, dann lassen sich Fingerabdrücke nur schwer erkennen. Aus diesem Grund, vorallem letzterer, sollte man den kleinen Finger für die Erkennung verwenden. Er wird seltener in Anspruch genommen.
Wegen der hohen Fehlerrate bei der Personenerkennung, insbesondere beim Fingerabdruck, geht man in der Biometrie den Weg der Venenmustererkennung in der Hand oder im Arm. Damit ist ein wesentlich zuverlässigere Erkennung möglich.

Wer mehrere LEDs gleichzeitig zum Leuchten bringen will, der stellt sich natürlich die Frage, ob man die LEDs in Reihe oder zueinander parallel schalten sollte.

Warum man keine LEDs parallel schalten sollte

Zwei LEDs wurden parallel geschaltet und mit einem einzigen Vorwiderstand von 1k2 gegen 12V geschaltet. Seltsamerweise leuchtet einer der LEDs heller als die andere. Woran liegt das?

Ganz einfach, die LED mit der geringeren Durchflussspannung bekommt mehr Strom. Das bedeutet, sie leuchtet heller.
Gleichzeitig muss man berücksichtigen, dass während der Spannungsunterschied nur gering ist, dass der Unterschied der Stromstärken groß ist. Das führt dann dazu, dass die LEDs unterschiedlich hell leuchten. Im schlimmsten Fall leuchtet nur eine der beiden LEDs. Zum Beispiel dann, wenn sie unterschiedlich farbig sind. Wenn das so ist, dann leuchtet immer die LED mit der geringsten Flussspannung.

Hierbei erkennt man, dass LEDs mit Strom gesteuert werden (Einstellung der Helligkeit).

Mehrere LEDs in Reihe ohne Vorwiderstand an einer Spannungsquelle betreiben

Theoretische würde es funktionieren mehrere LEDs ohne Vorwiderstand an einer Spannungsquelle zu betreiben. Das würde voraussetzen, dass die Spannungsquelle absolut konstant ist und die Spannung an den LEDs ebenso konstant sind und es auch bleiben. Dann könnte man einfach mehrere LEDs in Reihe schalten, die abfallende Spannung an den LEDs aus den Datenblättern suchen und die Spannungsquelle dementsprechend einstellen.

Aber, in der Praxis wird kaum eine Spannungsquelle absolut konstant sein. Die Exemplarstreuungen der LEDs wirken aber noch viel schlimmer. Die abfallende Spannung ist in der Regel immer anders. Das führt dazu, dass die ganze Berechnung für die Katz ist. Im ungünstigsten Fall fließt mehr Strom durch eine der Leuchtdioden. Sie wird wärmer. Und warme Halbleiter leiten besser, als kalte Halbleiter. Es folgt ein Anstieg des Stroms. Wieder steigt die Temperatur. Irgendwann steigt der Strom rasant an und zerstört eine der Leuchtdioden.

Wenn eine oder mehrere LEDs ausfallen, dann müssen die restlichen den “Stromüberschuss” verkraften. Eine Stromzunahme bedeutet wiederum Wärme, die zu einem größeren Stromfluss führt. Die Folge ist, dass weitere LEDs kaputt gehen.

Die einzige Möglichkeit dem entgegen zu wirken, ist die Strombegrenzung durch eine Konstant-Stromquelle oder einen Vorwiderstand.

Vorwiderstand berechnen

Den Vorwiderstand legt man so aus, dass die LEDs nicht mit dem maximal zulässigen Strom betrieben werden, sondern dass sie noch einige mA Reserve haben. In der Regel kann man LEDs “untersteuere”. Das bedeutet, dass man einer LED nur soviel Strom zugesteht, dass sie mit 60 bis 75% der maximal möglichen Leuchtstärke leuchten. Für die meisten Anwendungsfälle reicht das vollkommen aus.

• Vorwiderstandsrechner
• Beispiel: Berechnung für den Vorwiderstand einer LED

Fazit

So viel ist sicher, eine Reihenschaltung von LEDs ist wesentlich effizienter als eine Parallelschaltung. In der Reihenschaltung wird weniger Energie benötigt. Die Durchflussspannung der in Reihe geschalteten LEDs wird einfach addiert. Abzüglich der Betriebsspannung ergibt sich die Restspannung, die am Vorwiderstand abfällt. Und zusammen mit dem Durchflussstrom durch die LEDs ergibt sich der Wert des Vorwiderstands. Die Betriebsspannung sollte um die 1 bis 3 Volt größer sein, als die Summe der Durchflussspannungen der in Reihe geschalteten LEDs. Andernfalls wird der Widerstand sehr klein und nimmt einen eher ungünstigen Wert an.

Mit der Zeit sammeln sich schnell viele Steckernetzteile an. Irgendwann will man welche davon wegschmeißen. Vorher prüft man, welche davon defekt sind. Mit einem Digitalmultimeter misst man als die Ausgangsspannung.

Auf den ersten Blick scheinen die Ergebnisse zu verblüffen. Man stellt fest, dass die gemessenen Ausgangsspannungen mit dem aufgedruckten Spannungswert wenig zu tun haben.

Liegt hier ein Messfehler vor?

Vorausgesetzt man hat das Multimeter richtig verwendet liegt hier indirekt ein Messfehler vor. Der Grund: Im Fall eines der üblichen Steckernetzteile misst man im Leerlauf (also ohne Last) immer eine deutlich höhere Spannung. Die aufgedruckte Spannung stellt sich erst ein, wenn ein Strom fließt.

Hier ist zu beachten, dass bei der Spannungsmessung kein Strom durchs Messgerät fließt. Ein Netzteil gibt es also immer eine Leerlaufspannung ab, wenn kein Strom fließt. Mit dem Multimeter misst man immer die Leerlaufspannung, die in der Regel höher als die angegebene Spannung ist.

Beachten muss man dabei, dass insbesondere günstige Netzteile eine etwas ungenaue Spannungsstabilisierung haben.

Rohm Semiconductor hat ein Online-Simulations-Tool für Schaltregler und H-Brücken-Treiber entwickelt. Damit lassen sich Schaltungen entwerfen, berechnen und simulieren. Auf Basis der Simulationsergebnisse erstellt das Tool eine Teileliste. Damit soll dem Entwicklungsingenieur die Bauteile-Auswahl erleichtert werden.

• Rohm Electronic Laboratory