LEDs (engl. Light-Emitting Diodes , Licht emittierende Dioden) sind Dioden, die Licht aussenden, wenn ein Strom durch sie hindurchfließt. Gegenwärtig sind LEDs im Begriff, herkömmliche Glühlampen nahezu vollständig zu ersetzen. LEDs dienen nicht mehr nur als Statusanzeigen elektronischer Geräte, sondern werden in Form von Hochleistungs-LEDs auch zur Beleuchtung eingesetzt.
LEDs sind sehr viel effizienter als herkömmliche Glühlampen , denn sie liefern pro Watt deutlich mehr Licht und sind erheblich langlebiger.
Allerdings erfordert der Einsatz von LEDs gewisse Kenntnisse. Die Polarität muss beachtet werden, und der Schaltkreis zur Ansteuerung muss dem maximal erlaubten Strom Rechnung tragen.
4.1 LEDs vor dem Durchbrennen schützen
LEDs sind empfindliche kleine Dinger, und es ist ein Kinderspiel, sie versehentlich durchzubrennen. Wenn Sie eine LED ohne Strom begrenzenden Vorwiderstand an eine Batterie anschließen, ist dies eine sichere Methode, die LED zu zerstören.
Um das Ganze besser zu verstehen, stöpseln wir nun drei verschiedenfarbige LEDs in die Steckplatine (Abbildung 4.1 ).
4.1.1 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge
|
Anzahl |
Name |
Objekt |
Code im Anhang |
|---|---|---|---|
|
1 |
Steckplatine |
T5 |
|
|
1 |
D1 |
Rote LED |
K1 |
|
1 |
D2 |
Gelbe LED |
K1 |
|
1 |
D3 |
Grüne LED |
K1 |
|
1 |
R1 |
Widerstand 330 |
K2 |
|
2 |
R2, R3 |
Widerstand 220 |
K2 |
|
Schaltdraht |
T6 |
||
|
1 |
Batteriehalter für 4 AA-Batterien |
H1 |
|
|
1 |
Satz 4×AA-Batterien |
||
|
1 |
Anschlusskabel für den Batteriehalter |
H2 |
4.1.2 Dioden
Sie müssen die Funktionsweise einer LED besser verstehen, um sie mit Erfolg einzusetzen. Das D in LED steht ja bekanntlich für »Diode«, sehen wir uns also eine Diode etwas näher an (Abbildung 4.2 ).
Eine Diode ist ein Bauteil, das Strom nur in einer Richtung hindurchlässt. Sie besitzt zwei Anschlüsse, die als Anode und Kathode bezeichnet werden. Wenn an der Anode eine höhere Spannung als an der Kathode anliegt (der Unterschied muss etwa ein halbes Volt betragen), leitet die Diode Strom. Man spricht dann von der Durchlassrichtung . Wenn andererseits die Anodenspannung nicht mindestens ein halbes Volt höher als die Kathodenspannung ist, fließt kein Strom, und man bezeichnet das als die Sperrrichtung der Diode .
4.1.3 LEDs
Eine LED verhält sich wie eine normale Diode , sendet jedoch Licht aus, wenn in Durchlassrichtung ein Strom fließt. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Anodenspannung für gewöhnlich mindestens 2V höher als die Kathodenspannung sein muss, damit die Diode in Durchlassrichtung öffnet.
Abbildung 4.3 zeigt einen Schaltplan zum Anschluss einer LED. Bei dieser Schaltung ist entscheidend, dass der Strom durch die LED durch einen Widerstand begrenzt wird. Eine normale rote L ED fängt typischerweise bei einem Strom von ca. 5mA an zu leuchten und ist für 10 bis 20mA (den sogenannten Diffusionsst rom oder I F , – nach engl. forward current ) ausgelegt. Wir zielen für unsere LED auf einen Strom von 15mA ab. Wir dürfen außerdem annehmen, dass die Spannung an der Diode in Durchlassrichtung etwa 2V beträgt. Man nennt dies die Flussspa nnung oder V F (nach engl. forward voltage ). Das bedeutet, dass die Spannung V R am Widerstand 6V – 2V = 4V beträgt.
Durch den Vorwiderstand (und die LED) fließt also ein Strom von 15mA bei einer Spannung von 4V. Wir können mit dem ohmschen Gesetz ermitteln, wie groß der Widerstandswert sein sollte:
R = V / I = 4V / 0,015A 
267
Handelsübliche Widerstände besitzen Standardwerte, und der nächsthöhere Widerstand im Sortiment besitzt einen Widerstandswert von 330
.
Wie bereits erwähnt, leuchtet eine rote LED bei einem Strom von 10 bis 20mA normalerweise schon ziemlich hell. Der genaue Wert ist nicht entscheidend, er muss nur hoch genug sein, um die LED zum Leuchten zu bringen, darf aber den maximalen Diffusionsstrom nicht überschreiten (der für eine kleine rote LED typischerweise 25mA beträgt).
|
Kenngröße |
Rot |
Grün |
Gelb |
Orange |
Blau |
Einheit |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
Maximaler Diffusionsstrom I F |
25 |
25 |
25 |
25 |
30 |
mA |
|
Typische Flussspannung V F |
1,7 |
2,1 |
2,1 |
2,1 |
3,6 |
V |
|
Maximale Flussspannung |
2 |
3 |
3 |
3 |
4 |
V |
|
Maximale Sperrspannung |
3 |
5 |
5 |
5 |
5 |
V |
In Tabelle 4.1 finden Sie einige Werte der Datenblätter verschiedenfarbiger, gebräuchlicher LE Ds. Beachten Sie, wie sich V F mit der Farbe der LED verändert. Sie müssen also gegebenenfalls einen anderen Widerstandswert verwenden. Bei Versorgungsspannungen von mehr als etwa 6V machen kleine Änderungen von V F aufgrund der LED-Fa rbe es aber normalerweise nicht erforderlich, einen anderen Widerstand zu verwenden.
Sie sollten außerdem dem Wert der maximalen Sperrspannung (engl. reverse voltage ) Beachtung schenken. Wenn Sie diesen Wert überschreiten, beispielsweise indem Sie eine LED verkehrt herum einbauen, wird diese wahrscheinlich zerstört.
Im Internet sind zahlreiche Widerstandsrechner verfügbar, die anhand der Versorgungsspannung und des Diffusionsstroms I F den passenden Standardwiderstand ermitteln. Geben Sie einfach bei einer Suchmaschine Ihrer Wahl das Stichwort »Widerstandsrechner« ein.
In Tabelle 4.2 finden Sie eine praktische Übersicht der Vorwiderstände für LEDs mit einem Diffusionsstrom von 15mA.
4.1.4 Testen
Wenn Sie Ihre LEDs testen und diese auf der Steckplatine zum Leuchten bringen möchten, können Sie eine Schaltung gemäß Abbildung 4.4 und Abbildung 4.5 aufbauen. Denken Sie daran, dass es sich normalerweise beim längeren Beinchen der LED um die Anode (den positiven Anschluss) handelt, der zur linken Seite der Steckplatine weisen sollte.
An dieser Stelle ist ein wichtiger Punkt zu beachten. Zu jeder LED gehört ein eigener Vorwiderstand. Es ist natürlich ein verlockender Gedanke, nur einen Vorwiderstand mit geringerem Widerstandswert zu verwenden und nur die LEDs parallel zu schalten, aber unterlassen Sie das besser! Anderenfalls reißt sich nämlich diejenige LED mit dem geringsten V F den gesamten Strom unter den Nagel und brennt dann wahrscheinlich durch. Wenn das geschieht, schnappt sich die LED mit dem nächstniedrigeren V F ebenfalls den gesamten Strom, bis schließlich alle LEDs dahingeschieden sind.
4.2 Auswahl einer geeigneten LED
LEDs gibt es in allen möglichen Farben, Formen und Größen. Häufig brauchen Sie nur eine Statusanzeige, für die eine einfache rote LED in der Regel vollkommen ausreichend ist. Es gibt jedoch eine große Auswahl, bis hin zu LEDs, die so hell sind, dass man sie als Lampen verwenden kann.
4.2.1 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge
|
Anzahl |
Name |
Objekt |
Code im Anhang |
|---|---|---|---|
|
1 |
Steckplatine |
T5 |
|
|
1 |
D1 |
RGB-LED mit gemeinsamer Kathode |
S4 |
|
3 |
R1, R2, R3 |
500 |
R3 |
|
1 |
R4 |
Widerstand 330 |
K2 |
|
2 |
R5, R6 |
Widerstand 220 |
K2 |
|
Schaltdraht |
T6 |
||
|
1 |
Batteriehalter für 4 AA-Batterien |
H1 |
|
|
1 |
Satz 4×AA-Batterien |
||
|
1 |
Anschlusskabel für den Batteriehalter |
H2 |
4.2.2 Helligkeit und Öffnungswinkel
Wenn Sie nach einer LED suchen, finden Sie häufig Beschreibungen wie »normale Helligkeit«, »hohe Leuchtkraft« oder »super hell«. Diese Begriffe sind jedoch subjektiv und werden von gewissenlosen Händlern nach Gutdünken gebraucht. Tatsächlich entscheidend ist die Lichtstärke , die angibt, wie viel Licht die LED erzeugt, und der Öffnungswinkel , unter dem sie dieses Licht abstrahlt.
Zur Verwendung in einer Taschenlampe ist beispielsweise eine hohe Lichtstärke bei kleinem Öffnungswinkel erwünscht. Für eine Status-LED, die als Betriebsanzeige eines Geräts dient, ist hingegen eine LED geringerer Lichtstärke mit einem großen Öffnungswinkel besser geeignet.
Die Lichtstärke wird in der Einheit Millicandela (mcd ) angegeben. Eine normale LED zur Statusanzeige liefert typischerweise 10 bis 100mcd bei einem vergleichsweise großen Öffnungswinkel von 50 Grad. Eine LED mit »hoher Leuchtkraft« liefert 2.000 bis 3.000mcd und eine »super helle« LED kann bis zu 20.000mcd abstrahlen. Der Öffnungswinkel beträgt dabei etwa 20 Grad.
4.2.3 Mehrfarbige LEDs
LEDs verschiedener Farben sind Ihnen bereits begegnet. Es gibt aber auch LED-Baugruppen, bei denen zwei oder drei farbige LEDs in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind. Gängige Varianten sind Rot/Grün oder Rot/Grün/Blau. Durch unterschiedliche Anteile der einzelnen Farben an der Gesamthelligkeit lassen sich nahezu beliebige Farben erzielen.
Abbildung 4.6 zeigt den Schaltplan, den wir zum Experimentieren mit einer RGB-LED verwenden. Rote, grüne und blaue LED erhalten jeweils einen eigenen veränderlichen Widerstand. Die Festwiderstände R4, R5 und R6 dienen als Vorwiderstand, um ein Durchbrennen der LEDs zu verhindern, wenn an den veränderlichen Widerständen die gesamte Spannung von 6V anliegt.
Abbildung 4.7 zeigt den schematischen Aufbau der Schaltung. Der längste Anschluss der RGB-LED ist die gemeinsame Kathode, die anderen drei Anschlüsse sind die Anoden der verschiedenen Farben.
Sobald sich alle Bauteile auf der Platine an Ort und Stelle befinden und die Batterie angeschlossen ist, sollten Sie in der Lage sein, durch Drehen der Trimmpotis verschiedene Farben zu erzeugen. Abbildung 4.8 zeigt die Schaltung in Aktion.
4.2.4 Infrarot- und Ultraviolett-LEDs
Nicht alle LEDs liefern sichtbares Licht. Es sind auch LEDs verfügbar, deren Licht unsichtbar ist. Das ist nicht so sinnlos, wie man auf den ersten Blick meinen könnte. Die Fernbedienungen von Fernsehern verwenden beispielsweise Infrarot-LEDs, und Ultraviolett-LEDs werden zum Überprüfen der Echtheit von Banknoten eingesetzt und sorgen in der Disco dafür, dass weiße Kleidungsstücke und Gin Tonic (wirklich!) aufleuchten.
Sie können diese LEDs wie jede andere LED auch verwenden. Sie benötigen ebenfalls einen Vorwiderstand und es gibt einen empfohlenen Diffusionsstrom sowie eine Flussspannung. Es ist natürlich etwas kniffliger, zu überprüfen, ob sie funktionieren. Die meisten Digitalkameras sind auch im Infraroten lichtempfindlich. Sie können dann auf dem Bildschirm Ihrer Kamera die Infrarot-LED leuchten sehen.
4.2.5 LEDs zur Beleuchtung verwenden
LEDs dringen allmählich auch in den Bereich der Beleuchtung ganz gewöhnlicher Haushalte vor. Der Grund hierfür sind Verbesserungen der LED-Technologien, die LEDs hervorgebracht haben, deren Helligkeit den Vergleich mit herkömmlichen Glühlampen kaum noch scheuen muss. Abbildung 4.9 zeigt eine solche Hochleistungs-LED. Es handelt es sich um eine 1-Watt-LED, allerdings sind auch schon 3- und 5-Watt-Modelle verfügbar.
4.3 Konstantstromquelle mit dem LM317
Die Verwendung eines Vorwiderstands zur Strombegrenzung kleiner LEDs geht schon in Ordnung, ist aber genau genommen ein wenig Glückssache, da der Widerstandswert stark von der verwendeten LED und der Versorgungsspannung abhängt. Bei LEDs geringer Leistung sind die Ströme unkritisch und ein Vorwiderstand funktioniert hinreichend gut. Sie können zwar auch bei Hochleistungs-LEDs einen Vorwiderstand einsetzen (der ziemlich belastbar sein muss), es ist jedoch besser, stattdessen eine Konstantstromquel le zu verwenden.
Wie der Name bereits verrät, liefert eine Konstantstromquelle stets den gleichen Strom, unabhängig davon, mit welcher Spannung sie versorgt wird oder wie groß die Flussspannung der LED ist. Sie geben einen Wert für den Strom vor, und dieser Strom fließt dann auch durch die Hochleistungs-LED.
Ein äußerst praktisches IC, das oft hierfür eingesetzt wird, trägt die Bezeichnung LM317 . Seine Hauptaufgabe ist eigentlich die Verwendung als einstellbarer Spannungsregler, es lässt sich aber auch zum Regeln des Stroms einsetzen.
Wir beginnen dieses Projekt auf der Steckplatine, werden später aber das Anschlusskabel für den Batteriehalter umbauen und den LM317 nebst Widerstand verlöten, um daraus eine 1-Watt-Notleuchte zu machen.
4.3.1 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge
|
Anzahl |
Name |
Objekt |
Code im Anhang |
|---|---|---|---|
|
1 |
Steckplatine |
T5 |
|
|
1 |
D1 |
Hochleistungs-LED 1 Watt, weiß |
S3 |
|
3 |
R1 |
Widerstand 4,7 |
K2 |
|
1 |
Batterieclip (der zerstört wird) |
H2 |
|
|
1 |
9V-Blockbatterie |
||
|
Schaltdraht |
T6 |
4.3.2 Schaltungsentwurf
Abbildung 4.10 zeigt den Schaltplan zur Stromregelung einer Hochleistungs-LED wie derjenigen der Abbildung 4.9 .
Der LM317 lässt sich auf einfache Weise auch in einem Konstantstrom-Modus nutzen. Der Baustein versucht, seine Ausgangsspannung stets exakt 1,25V höher als die am Eingang Adj (engl. Adjust , Regelung) anliegende Spannung zu halten.
Wir verwenden eine weiße 1-Watt-LED mit einem Diffusionsstrom I F von 300mA und einer Flussspannung V F von 3,4V.
Die Formel zur Berechnung des passenden Widerstandswerts für R1 zur Verwendung mit dem LM317 lautet:
R = 1,25V / I
Also in diesem Fall:
R = 1,25V / 0,3A
4,2
Verwenden wir einen Standardwiderstand von 4,7
, begrenzt das den Strom auf:
I = 1,25V / 4,7
r 266mA
Nun müssen wir die Belastung des Widerstands prüfen. Die Spannung zwischen den Anschlüssen Out und Adj des LM317 ist stets 1,25V, also:
P = V × I = 1,25V × 266mA
0,33W
Ein 0,5-Watt-Widerstand reicht daher aus.
Um eine Spannung von 1,25V zwischen Adj und Out garantieren zu können, benötigt der LM317 eine Eingangsspannung, die rund 3V über der Ausgangsspannung liegen muss. Die Spannung einer 6V-Batterie reicht daher nicht ganz aus, da die Flussspannung 3,4V beträgt. Wir können jedoch eine 9V-Batterie oder sogar ein unmodifiziertes 12V-Netzteil verwenden, da der Strom, unabhängig von der Eingangsspannung, stets auf rund 260mA begrenzt ist.
Eine kurze Berechnung der Leistungsaufnahme des LM317 soll uns versichern, dass wir nicht in die Nähe der maximalen Belastbarkeit geraten.
Bei Verwendung einer 9V-Batterie beträgt die Spannung zwischen In und Out 9V – (1,25V + 3,4V) = 4,35V. Es fließt ein Strom von 260mA, damit ergibt sich eine Leistung von 4,35V × 0,26A
1,13W.
Laut Datenblatt verträgt der LM317 maximal eine Leistungsaufnahme von 20W und verkraftet Ströme von bis zu 2,2A, sofern die Versorgungsspannung weniger als 15V beträgt. Es ist also alles bestens.
4.3.3 Steckplatine
Abbildung 4.11 zeigt den schematischen Aufbau der Schaltung und Abbildung 4.12 ein Foto der Steckplatine. Diese LEDs sind fast schon schmerzhaft hell, blicken Sie also besser nicht direkt in den Lichtstrahl. Ich bedecke solche LEDs während der Arbeit daran mit einem Blatt Papier, damit ich sofort erkenne, wenn sie eingeschaltet sind, ohne vorübergehend geblendet zu sein!
Sie werden ein Stückchen Schaltungsdraht an die Kabelenden der Zuleitungen zur Hochleistungs-LED anlöten müssen, damit Sie sie in die Buchsen der Steckplatine einstöpseln können. Verwenden Sie dafür auf jeden Fall isolierte Kabel, damit es unmöglich ist, dass blanke Kabelstellen die Kühlkörper der LED berühren und einen Kurzschluss verursachen.
4.3.4 Schaltungsaufbau
Wir wollen diese Schaltung dazu verwenden, eine kleine Laterne für Notfälle zu basteln, indem wir den Batterieclip für die 9V-Blockbatterie öffnen und diese Schaltung dort auflöten. Bei einem Stromausfall kann der Clip dann auf die Batterie aufgesteckt werden (Abbildung 4.13 ).
Abbildung 4.14 zeigt die einzelnen Schritte beim Zusammenlöten. Entfernen Sie zunächst mit einem scharfen Messer den Kunststoff von der Rückseite des Clips. Entlöten Sie dann die Anschlusskabel (Abbildung 4.14 a).
Verlöten Sie im nächsten Schritt den Eingang (In) des LM317 mit dem Pluspol des Clips (Abbildung 4.14 b). Beachten Sie hier, dass der positive Anschluss des Clips eine Art Negativform des Anschlusses an der 9V-Blockbatter ie ist. Der positive Anschluss des Clips ist also derjenige mit den vier umgebogenen Blechrändern, nicht der kreisrunde. Biegen Sie die Anschlüsse des LM317 vorsichtig ein wenig auseinander, um das Verlöten zu vereinfachen.
Verlöten Sie nun die LED und vergewissern Sie sich, dass die Kathode der LED mit dem negativen Anschluss des Clips verbunden ist (Abbildung 4.14 c).
Verlöten Sie zum Abschluss den Widerstand mit den beiden in Abbildung 4.14 oben befindlichen Anschlüssen des LM317.
4.4 Flussspannung einer LED messen
Wenn Sie eine größere Zahl LEDs gleichzeitig verwenden möchten, sollten Sie die Flussspannung bei dem Strom, den Sie zu verwenden beabsichtigen, an einigen der LEDs überprüfen. Abbildung 4.15 können sie entnehmen, wie dies anzustellen ist.
Sehen wir uns zunächst den Schaltplan (Abbildung 4.15 a) an. Ein veränderlicher Widerstand regelt den Strom durch die LED. Wenn der erwünschte Strom eingestellt worden ist, kann die Flussspannung auf dem Multimeter abgelesen werden.
Strom und Spannung müssen zwar nicht gleichzeitig gemessen werden, aber wenn Ihnen zwei Messgeräte zur Verfügung stehen, vereinfacht es die Sache deutlich.
Stellen Sie beim veränderlichen Widerstand die Mittelstellung ein und bauen Sie die Schaltung auf der Steckplatine wie in Abbildung 4.15 b gezeigt auf. Möglicherweise müssen Sie die positive Messspitze mit einer anderen Buchse Ihres Multimeters verbinden, wenn Sie Strom messen möchten. Wählen Sie einen Messbereich von 200mA Gleichstrom aus und stellen Sie dann den veränderlichen Widerstand so ein, dass Sie einen Strom von 20mA messen.
Nun können wir die an der LED anliegende Spannung messen. Trennen Sie die Verbindung zum Multimeter, verbinden Sie gegebenenfalls die Messspitze wieder mit der für Spannungsmessungen vorgesehenen Buchse und wechseln Sie zu einem Messbereich von 20V Gleichspannung. Stellen Sie die Verbindungen wie in Abbildung 4.15 c her und messen Sie die Spannung. Hier ergab die Messung 1,98V.
4.4.1 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge
|
Anzahl |
Name |
Objekt |
Code im Anhang |
|---|---|---|---|
|
1 |
Steckplatine |
T5 |
|
|
1 |
D1 |
LED |
K1 |
|
3 |
R1 |
500 |
R3 |
|
Schaltdraht |
T6 |
||
|
1 |
Batteriehalter für 4 AA-Batterien |
H1 |
|
|
1 |
Satz 4×AA-Batterien |
||
|
1 |
Anschlusskabel für den Batteriehalter |
H2 |
4.5 Verwenden vieler LEDs
Wenn Sie ein 12V-Netzteil verwenden, können Sie mehrere LEDs mit nur einem Vorwiderstand in Reihe schalten. Falls Sie die Flussspannung einigermaßen genau kennen und es sich um ein ordentlich geregeltes Netzteil handelt, können Sie sogar ohne Widerstand auskommen.
Wenn Sie also einigermaßen übliche LEDs mit einer Flussspannung von 2V verwenden, könnten Sie einfach sechs davon in Reihe schalten. Es ist jedoch schwierig, vorherzusagen, wie viel Strom dann fließt.
Ein besserer Ansatz ist es, mehrere LED-Ketten parallel zu schalten, wobei jede der Ketten einen eigenen Vorwiderstand besitzt (Abbildung 4.16 ).
Die Berechnung ist zwar nicht besonders kompliziert, macht aber eine Menge Arbeit, die Sie sich sparen können, wenn Sie einen Online-Rechner wie z.B. denjenigen unter http://www.led-rechner.de verwenden (Abbildung 4.17 ).
Geben Sie Versorgungsspannung, Anzahl der LEDs, Flussspannung und den erwünschten Strom ein. Die Berechnung erledigt der Assistent und schlägt dann eine Schaltung vor.
Beachten Sie hier, dass bei Verwendung in Reihe geschalteter LED-Ketten die gesamte Kette nicht mehr leuchtet, wenn eine der LEDs defekt ist.
4.6 LEDs blinken lassen
Der Timer-Baustein 555 ist ein praktisches kleines IC, das für viele Aufgaben einsetzbar ist, aber besonders gut geeignet ist, LEDs blinken zu lassen oder Schwingungen höherer Frequenz zu erzeugen, die hörbar sind (siehe Kapitel 9 ).
Wir entwerfen die Schaltung für den LED-Blinker zunächst auf der Steckplatine und übertragen sie später dauerhaft auf eine Lötstreifenrasterplatine.
4.6.1 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge
|
Anzahl |
Name |
Objekt |
Code im Anhang |
|---|---|---|---|
|
1 |
Steckplatine |
T5 |
|
|
1 |
D1 |
Rote oder gelbe LED |
K1 |
|
1 |
D2 |
Grüne LED |
K1 |
|
1 |
R1 |
Widerstand 1k |
K2 |
|
1 |
R2 |
Widerstand 470k |
K2 |
|
2 |
R3, R4 |
Widerstand 220 |
K2 |
|
1 |
C1 |
Kondensator 1 |
K2 |
|
1 |
IC1 |
Timer-Baustein 555 |
K2 |
|
Schaltdraht |
T6 |
||
|
1 |
Batteriehalter für 4 AA-Batterien |
H1 |
|
|
1 |
Satz 4×AA-Batterien |
||
|
1 |
Anschlusskabel für den Batteriehalter |
H2 |
F4.6.2 Steckplatine
Abbildung 4.18 zeigt den Schaltplan des LED-Blinkers und Abbildung 4.19 den schematischen Aufbau. Achten Sie darauf, dass Sie das IC korrekt einsetzen. Sie erkennen das obere Ende des ICs an der Kerbe (bei Pin 1 und Pin 8). Beim Kondensator und bei den LEDs müssen Sie natürlich ebenfalls die Polarität beachten.
Abbildung 4.20 zeigt den vollständig aufgebauten LED-Blinker. Die LEDs leuchten abwechselnd für jeweils rund eine Sekunde auf.
Nun wissen wir, dass der Schaltungsentwurf korrekt ist und alles ordnungsgemäß funktioniert. Tauschen Sie doch mal den Widerstand R2 durch einen 100kg-Widerstand aus und achten Sie auf die Auswirkung auf die Blinkgeschwindigkeit.
Der Timer-Baustein 555 ist ziemlich vielseitig. Bei diesem Schaltungsaufbau schwingt er mit einer Frequenz, die sich nach der Formel
Frequenz = 1,44 / ([R1 + 2 × R2] × C)
ergibt, wobei R1, R2 und C1 die Einheit
bzw. F besitzen. Setzen wir unsere Werte ein, erhalten wir:
Frequenz = 1,44 / ([1.000 + 2 × 470.000] × 0,000001)
1,53Hz
Ein Hertz (Hz) bedeutet eine Schwingung pro Sekunde. Wenn wir den Timer-Baustein 555 später zum Erzeugen hörbarer Töne einsetzen, werden wir dieselbe Schaltung verwenden, um Frequenzen von einigen Hundert Hertz zu erzeugen.
Wie für die meisten in der Elektronik anfallenden Berechnungen gibt es auch für den Timer-Baustein 555 einen Online-Rechner (wie beispielsweise diesen hier: http://www.dieelektronikerseite.de/Tools/NE555.htm ).
4.7 Verwenden einer Lötstreifenrasterplatine zum Aufbau des LED-Blinkers
Die Steckplatine ist zum Testen äußerst praktisch, jedoch für Schaltungen, die dauerhaft betrieben werden sollen, weniger gut geeignet. Die Verbindungen sind nur gesteckt und daher nicht sehr stabil, und die Steckplatine ist natürlich auch etwas klobig.
Eine Lötstreifenrasterplatine (Abbildung 4.21 ) ist eine Art Allzweck-Leiterplatte, die mit Lochungen versehen ist, die – ähnlich der Steckplatine – durch Leiterbahnen miteinander verbunden sind. Die Platine kann passend zurechtgeschnitten werden, um die erforderlichen Komponenten und Leitungen aufzunehmen.
4.7.1 Entwurf des Schaltungsaufbaus
Abbildung 4.22 zeigt den fertigen schematischen Schaltungsaufbau des LED-Blinkers aus dem vorhergehenden Abschnitt. Es ist gar nicht so einfach zu erklären, wie man vom Aufbau auf der Steckplatine zu diesem Schaltungsaufbau gelangt. Ein gewisses Herumprobieren gehört zweifelsohne auch dazu, aber es gibt einige Grundregeln, denen Sie folgen können, um die Sache zu vereinfachen.
Verwenden Sie ein Zeichenprogramm mit einer Lötstreifenrasterplatine-Vorlage. Für Mac-Benutzer, die das Programm OmniGraffle besitzen, steht auf der Webseite zum Buch (http://www.hackingelectronics.com ) eine solche Vorlage zum Herunterladen bereit. Es gibt dort auch eine Bilddatei, die Sie ausdrucken und zum Skizzieren Ihrer Schaltungen verwenden können.
Die Kreuze unter dem IC in Abbildung 4.22 kennzeichnen nicht-leitende Punkte auf der Leiterbahn. Dazu muss das Kupfer an diesen Stellen mit einem Bohrer von der Platine entfernt werden. Beim Schaltungsentwurf für eine Lötstreifenrasterplati ne ist eines der Ziele, möglichst wenige solcher nicht-leitenden Punkte zu verwenden. Bei einem IC wie diesem sind sie aber unvermeidbar, denn wären sie nicht vorhanden, wären Pin 1 mit Pin 8 verbunden, Pin 2 mit Pin 7 usw. und nichts würde funktionieren.
Die farbigen Linien stellen leitende Verbindungen dar. So ist beispielsweise dem Schaltplan (Abbildung 4.18 ) zu entnehmen, dass die Pins 4 und 8 miteinander verbunden und beide am Pluspol angeschlossen sind. Dieses Ziel wird durch die beiden rot eingezeichneten Verbindungen erreicht. Ganz ähnlich verhält es sich mit den Pins 2 und 6 und den orangefarbenen Verbindungen.
Auch wenn die Schaltlogik des Aufbaus auf der Lötstreifenrasterplatine und dem Schaltplan identisch ist, befinden sich die Bauteile doch an ganz anderen Stellen. Die LEDs befinden sich z.B. auf der linken Seite der Lötstreifenrasterplatine, im Schaltplan aber rechts. So verhält es sich nicht immer, und es ist natürlich übersichtlicher, wenn die Bauteilpositionen ähnlich sind, aber in diesem Fall befindet sich Pin 3, den die LEDs benötigen, auf der linken Seite des ICs, und die mit R1, R3 und C1 verbundenen Pins allesamt auf der rechten.
Wenn Sie versuchen, anhand des Schaltplans einen Schaltungsaufbau auf der Lötstreifenrasterplatine zu entwickeln, werden Sie vermutlich zu einem ganz anderen Ergebnis als ich gelangen, das möglicherweise auch noch besser ist.
Beim Entwurf des Schaltungsaufbaus spielen folgende Punkte eine Rolle:
-
Platzieren Sie das IC einigermaßen mittig und lassen Sie oberhalb etwas mehr Raum als unterhalb. Pin 1 sollte sich oben befinden (dabei handelt es sich um eine Konvention).
-
Suchen Sie nach geeigneten Positionen für R3 und R4, bei denen jeweils ein Anschluss mit Pin 3 verbunden ist. Die beiden Anschlüsse eines jeden Widerstands sollten mindestens drei Lochungen voneinander entfernt sein.
-
Verwenden Sie für den Pluspol (+V) den obersten Lötstreifen, damit dieser möglichst nah am Pluspol einer der LEDs liegt.
-
Verwenden Sie für den Minuspol Reihe 5. Auf diese Weise ist er direkt mit Pin 1 des ICs verbunden.
-
Stellen Sie eine Verbindung zwischen den Reihen 5 und 9 her, um die LED D2 mit dem Minuspol zu verbinden.
-
Stellen Sie eine weitere Verbindung zwischen Pin 4 des ICs und der obersten Reihe (+V) her.
Wenden wir uns nun der rechten Seite der Lötstreifenrasterplatine zu:
-
Verbinden Sie Pin 8 des ICs mit dem obersten Lötstreifen (+V).
-
R1 und R2 sind jeweils mit einem Anschluss mit Pin 7 verbunden. Platzieren Sie die Widerstände daher nebeneinander und verbinden Sie den zweiten Anschluss von R1 mit der obersten Reihe (+V).
-
Der zweite Anschluss von R2 muss mit Pin 2 und Pin 6 verbunden werden, aber Pin 6 und Pin 7 liegen zu eng nebeneinander, um den Widerstand dazwischen zu platzieren. Verbinden Sie ihn daher mit der noch ungenutzten Reihe 2 und stellen Sie Verbindungen zwischen Reihe 2 und den Pins 6 und 2 des ICs her.
-
Schließlich muss noch C1 zwischen Pin 6 (oder Pin 2, Pin 6 ist aber einfacher) und Minuspol (Reihe 9) platziert werden.
Um zu überprüfen, ob Sie auch wirklich alle erforderlichen Verbindungen hergestellt haben, können Sie sich den Schaltplan ausdrucken, die einzelnen Verbindungen auf der Lötstreifenrasterplatine nachverfolgen und jeweils deren Entsprechung im Schaltplan abhaken.
Das Ganze kommt Ihnen vielleicht noch ein wenig wie Hexerei vor, aber probieren Sie es aus! Die Sache ist viel schwieriger zu beschreiben als durchzuführen.
4.7.2 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge
Sie benötigen dieselben Bauteile wie im Abschnitt LEDs blinken lassen und außerdem das Folgende:
|
Anzahl |
Objekt |
Code im Anhang |
|---|---|---|
|
1 |
Lötstreifenrasterplatine, 10 Streifen à 17 Lochungen |
H3 |
|
1 |
Lötausrüstung |
T1 |
|
1 |
Bohrer (1/8 Zoll) |
Bevor wir mit dem Löten anfangen, lohnt es sich, zu überlegen, welche Art von LEDs verwendet werden. Wenn Sie sich für sehr helle LEDs entscheiden oder eine andere Versorgungsspannung benutzen, sollten Sie die Werte für R3 und R4 erneut berechnen und die Schaltung auf der Steckplatine testen. Der Timer-Baustein 555 benötigt eine Versorgungsspannung zwischen 4,5V und 16V, und der Ausgang erlaubt Ströme von bis zu 200mA.
4.7.3 Schaltungsaufbau
Schritt 1: Zuschnitt der Lötstreifenrasterplatine
Es ergibt keinen Sinn, auf einer riesigen Lötstreifenrasterplatine nur einige wenige Bauteile unterzubringen. Zuallererst wollen wir daher die Lötstreifenrasterplatine zuschneiden. Wir benötigen 10 Streifen mit jeweils 17 Lochungen. Das Material lässt sich leider nicht besonders gut schneiden. Sie können eine Kreis- oder Bandsäge verwenden, aber tragen Sie dabei eine Schutzmaske , denn der entstehende Staub ist wirklich scheußlich, und Sie sollten sich davor hüten, ihn einzuatmen. Ich finde es am einfachsten, die Lötstreifenrasterplatine auf beiden Seiten mit einem Teppichmesser einzuritzen (unter Zuhilfenahme eines Lineals aus Metall), und die Platine dann an der Kante des Arbeitstisches abzubrechen.
Der Ritz sollte dabei durch die Lochungen verlaufen, nicht dazwischen. Die kupferne Unterseite der zugeschnittenen Platine sieht dann aus wie in Abbildung 4.23 .
Schritt 2: Teile des Lötstreifens entfernen
Ein guter Rat vorweg: Markieren Sie die obere linke Ecke der Platine mit einem wischfesten Filzstift. Allzu leicht verdreht man die Platine und lötet oder entfernt den Lötstreifen an der falschen Stelle.
Gehen Sie beim Entfernen des Lötstreifens wie folgt vor: Zählen Sie auf der Oberseite der Platine, ausgehend von der markierten Ecke, die Zeilen und Spalten ab. Stecken Sie dann ein Stückchen Draht in die Lochung, damit Sie es auf der kupfernen Unterseite der Platine sofort erkennen können (Abbildung 4.24 a).
Nehmen Sie einen Bohrer und drehen Sie ihn schnell zwischen Daumen und Zeigefinger hin und her, um den Kupferstreifen zu durchtrennen. Man benötigt dafür gewöhnlich nur einige wenige Drehungen (Abbildung 4.24 b und Abbildung 4.24 c).
Wenn Sie den Lötstreifen an allen vier Punkten entfernt haben, sollte die Unterseite der Platine wie in Abbildung 4.25 aussehen. Überprüfen Sie äußerst sorgfältig, dass sich zwischen den Lötstreifen keine Bohrspäne des Kupfers befinden, und vergewissern Sie sich, dass die Lötstreifen vollständig durchtrennt sind. Sie können die Platine auch fotografieren und dann hereinzoomen, um sie zu überprüfen.
Schritt 3: Verbindungen herstellen
Die goldene Regel beim Schaltungsaufbau , auch auf Lötstreifenrasterplatinen, lautet: Fange mit den flachsten Bauteilen an. Wenn man nämlich zum Löten die Platine umdreht, wird das zu verlötende Bauteil durch das Gewicht der Platine belastet und kann nicht verrutschen.
Im vorliegenden Fall müssen wir zunächst die Verbindungen durch Schaltdraht verlöten. Der zurechtgeschnittene und abisolierte Draht sollte etwas länger sein als die eigentliche Verbindung. Biegen Sie den Draht U-förmig und stecken Sie ihn auf der Oberseite der Platine in die Lochungen. Zählen Sie dabei wieder die Zeilen und Spalten, um die richtigen Lochungen zu finden (Abbildung 4.26 ). Manche Leute sind außerordentlich geschickt und biegen die Drähte mit einer Zange passgenau in die richtige Form. Ich kann das nicht und versehe die Drähte nur mit einer leichten Biegung und »quetsche« sie dann mehr oder weniger in die richtigen Lochungen. Ich finde diese Methode einfacher, als immer wieder zu versuchen, die richtige Länge zuzuschneiden.
Drehen Sie die Platine um (beachten Sie, wie der Draht durch das Gewicht der Platine fixiert wird) und verlöten Sie den Draht, indem Sie den Lötkolben an die Stelle halten, an der er aus der Lochung heraustritt. Erhitzen Sie diesen Punkt ein oder zwei Sekunden und führen Sie dann das Lötzinn zu, bis es sich mit dem Lötstreifen verbunden hat und Lochung und Draht umfließt (Abbildung 4.26 b und Abbildung 4.26 c). Wiederholen Sie diesen Vorgang mit dem anderen Ende des Drahtes und schneiden Sie überstehende Drahtenden mit dem Seitenschneider ab (Abbildung 4.26 d und Abbildung 4.26 e).
Wenn Sie alle Verbindungen verlötet haben, sollte die Oberseite Ihrer Platine wie in Abbildung 4.27 aussehen.
Schritt 4: Widerstände
Die nächstflacheren Bauteile sind die Widerstände . Verlöten Sie diese auf die gleiche Weise wie die Verbindungen. Wenn Sie auch das erledigt haben, sieht Ihre Platine aus wie in Abbildung 4.28 .
Schritt 5: Verlöten der verbleibenden Bauteile
Verlöten Sie nun LED D2, das IC, den Kondensator (der wie in Abbildung 4.29 gekippt werden kann) und schließlich LED D1 sowie die Leitungen zum Batterieclip.
Das war’s. Nun kommt der Moment der Wahrheit. Untersuchen Sie, bevor Sie die Schaltung mit der Batterie verbinden, die Unterseite der Platine akribisch nach möglichen Kurzschlüssen.
Wenn Sie meinen, dass alles in Ordnung ist, können Sie den Batterieclip jetzt mit der Batterie verbinden.
4.7.4 Fehlerbehebung
Trennen Sie die Schaltung sofort von der Batterie, wenn sie nicht funktioniert. Überprüfen Sie dann erneut den Aufbau der Schaltung, insbesondere die Polung der LEDs und des Kondensators und die Ausrichtung des ICs. Denken Sie auch daran zu prüfen, ob die Batterie in Ordnung ist.
4.8 Verwendung eines Laserdioden-Moduls
Einen Laser erwerben Sie am besten in Form eines Laserdioden-Moduls. Der Unterschied zu einer Laserdiode besteht darin, dass im Modul nicht nur eine Laserdiode, sondern auch eine Linse zur Fokussierung des Laserstrahls sowie eine Steuerelektronik zur Regelung des durch die Laserdiode fließenden Stroms enthalten ist.
Falls Sie sich stattdessen eine Laserdiode beschaffen, müssen Sie all dies selbst erledigen.
Das Datenblatt des in Abbildung 4.30 gezeigten 1mW-Laserdioden-Modu ls besagt, dass es eine Versorgungsspannung von 3V benötigt. Sie brauchen also nur eine 3V-Batterie, um es anschließen zu können.
4.9 Hacken eines Spielzeugautos
Modellrennbahnen machen großen Spaß. Die zugehörigen Spielzeugautos lassen sich aber noch verbessern, indem Bremslichter und Scheinwerfer eingebaut werden (Abbildung 4.31 ). LEDs besitzen genau die richtige Größe, um sie vorne und hinten in das Spielzeugau to einzupassen.
4.9.1 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge
Sie brauchen zur Aufrüstung Ihres Spielzeugautos folgende Dinge:
|
Anzahl |
Name |
Objekt |
Code im Anhang |
|---|---|---|---|
|
1 |
Spielzeugauto |
||
|
1 |
D1 |
Diode 1N4001 |
S5, K1 |
|
2 |
D2, D3 |
Helle weiße LED, 5mm |
S2 |
|
2 |
D4, D5 |
Rote LED, 5mm |
S11 |
|
4 |
R1–R4 |
Widerstand 1k |
K2 |
|
1 |
C1 |
Kondensator 1000 |
C1 |
|
Roter, grüner und schwarzer Schaltdraht |
T7, T8, T9 |
Das hier verwendete Spielzeugauto entstammt einem Bausatz und bietet reichlich Raum zum Einbau zusätzlicher Elektronik. Vergewissern Sie sich also besser gleich, dass in Ihrem Modellauto hinreichend Platz für die Einbauten vorhanden ist.
4.9.2 Ladung eines Kondensators
Damit die Bremslichter einen Moment lang leuchten können, nachdem das Auto zum Stillstand kommt, benötigen wir einen Kondensator , um etwas Ladung zu speichern. Denken Sie wieder an die Analogie des fließenden Wassers in einem Fluss; ein Kondensator entspricht in diesem Bild etwa einem Wassertank. Abbildung 4.32 veranschaulicht, wie ein Kondensator Ladung speichert.
Auf der linken Seite der Abbildung wird ein Tank (C1) vom Punkt A aus mit Wasser befüllt. Das Wasser fließt dann weiter und treibt ein Wasserrad an. Auf ähnliche Weise verwandelt eine LED oder eine Glühlampe elektrische Energie in Licht. Das Wasser fließt dann schließlich ab. Stellen Sie sich vor, dass eine Pumpe (vergleichbar mit einer Batterie) das Wasser vom Bodenniveau wieder zum höher gelegenen Punkt A befördert. Nun kann der Kreislauf von Neuem beginnen. Wird die Pumpe abgeschaltet, fließt zwar kein Wasser mehr in den Tank, dieser ist jedoch randvoll. Das noch vorhandene Wasser fließt ab und treibt das Wasserrad weiter an, bis der Wasserstand auf die Höhe des Wasserrades gesunken ist.
Die rechte Seite der Abbildung 4.32 zeigt das elektronische Pendant dieses Kreislaufs. Am Punkt A gibt es eine Spannung gegen Masse, der Kondensator C1 speichert Ladung und die Glühlampe leuchtet.
Wird die Spannungsquelle entfernt, entlädt sich der Kondensator über die Glühlampe, die weiterleuchtet. Wenn die Spannung des Kondensators allmählich fällt, leuchtet die Lampe weniger hell und erlischt schließlich ganz, wenn der Kondensator entladen ist.
Grob ausgedrückt können Sie sich den Kondensator als eine Art Batterie vorstellen, denn beide speichern Ladung. Es gibt allerdings auch einige sehr wichtige Unterschiede:
-
Ein Kondensator speichert nur einen winzigen Bruchteil der Ladung einer Batterie gleicher Größe.
-
Beim Speichern elektrischer Energie in einer Batterie finden chemische Reaktionen statt. Die Spannung bleibt daher bis zur vollständigen Entladung relativ konstant, fällt dann jedoch sehr schnell ab. Die Spannung eines Kondensators sinkt beim Entladen hingegen gleichmäßig, genau so wie der Wasserstand eines sich leerenden Tanks.
4.9.3 Schaltungsentwurf
Abbildung 4.33 zeigt den Schaltplan für die Modifizierung des Spielzeugautos. Die Scheinwerfer (D2 und D3) werden von den Schleifkontakten des Autos mit Spannung versorgt. Die beiden LEDs leuchten also, sobald der Motor läuft.
Die Bremslichter sind interessanter, denn diese leuchten erst auf, wenn der Motor stoppt. Nach einigen Sekunden erlöschen sie dann wieder. Hierfür verwenden wir den Kondensator C1.
Sobald das Auto mit der Spannungsquelle verbunden ist, wird C1 über D1 geladen. Die Bremslichter D4 und D5 leuchten dabei nicht, da sie in Sperrrichtung geschaltet sind – zumindest solange die an den Schleifkontakten des Autos anliegende Spannung höher ist als diejenige am oberen Ende des Kondensators.
Wenn Sie den Steuerhebel für das Modellauto loslassen, liegt keine äußere Spannung mehr an und der Kondensator entlädt sich über D4 und D5. Die Bremslichter leuchten!
4.9.4 Schaltungsaufbau
Abbildung 4.34 zeigt die Verteilung der Bauteile in den beiden Hälften des Spielzeugautos. Wie genau das bei Ihrem Modell aussieht, hängt natürlich sehr davon ab, wie viel Platz Ihnen zur Verfügung steht.
Zum Aufnehmen der 5mm-LEDs habe ich Löcher in die »Karosserie« gebohrt. Die LEDs passen tadellos in die Bohrlöcher und halten ohne Klebstoff.
Abbildung 4.35 zeigt eine Übersicht der Verkabelung des Aufbaus im Inneren des Spielzeugautos.
Verwenden Sie den 20V-Messbereich Ihres Multimeters, um zu ermitteln, welcher der beiden Schleifkontakte im vorderen Teil des Autos der positive ist. Dieser muss mit dem roten Kabel verbunden werden.
Der längere der beiden Anschlüsse der LEDs ist jeweils der positive. Der negative Anschluss des Kondensators ist deutlich mit einem »–« markiert.
Der in der Mitte der Abbildung 4.35 erkennbare zusätzliche Steckverbinder ist eigentlich nicht notwendig, erleichtert es aber, getrennt an den beiden Hälften des Autos zu arbeiten.
4.9.5 Testen
Zum Testen müssen Sie das Modellauto nur in die Spur setzen und losfahren. Falls die Scheinwerfer-LEDs nicht sofort aufleuchten, wenn Sie den Steuerhebel betätigen, sollten Sie den Schaltungsaufbau überprüfen und dabei insbesondere auf die Polung der LEDs achten.
4.10 Zusammenfassung
Sie haben in diesem Kapitel die Verwendung von LEDs kennengelernt und einige Erfahrung beim Entwurf von Schaltungen gesammelt. Der Einsatz einer Lötstreifenrasterplatine gestattet den dauerhaften Aufbau einer Schaltung.
Im nächsten Kapitel werden wir uns die Stromversorgung näher ansehen und Batterien, Netzteile und Solar-Module unter die Lupe nehmen. Wir werden uns außerdem mit der Auswahl einer passenden Batterie beschäftigen und wiederaufladbare Batterien einer erneuten Verwendung zuführen.