Hardware: Ansteuerung der LEDs
In diesem
Abschnitt werden einige Möglichkeiten zur Ansteuerung der LEDs
durch die Ausgänge des Microcontrollers beschrieben.
Die LEDs können über geeignete Treiberschaltungen
durch eine
höhere Spannung gespeist werden, als der Microcontroller.
Diese Betriebsspannung ist mit "+U" bezeichnet.
Das Erdungs-Symbol  bedeutet "Masse" (0V) und
ist im Allgemeinen mit dem Minus-Pol der Spannungsquelle
verbunden. Die Masse-Anschlüsse im gesamten System
müssen verbunden sein, außer bei Schaltungen mit
galvanischer Trennung zwischen Last- und Steuerkreis
(dazu später...).
Die
in den Prinzip-Schaltungen gezeigten LED-Symbole können als
Einzel-LEDs, aber auch als Serienschaltung aus mehreren LEDs, sowie als
Parallelschaltung mehrerer LED-Zweige interpretiert werden.
Bei Parallelschaltung bitte beachten:
LEDs sollten nicht direkt parallel geschaltet werden, sondern mit
jeweils einem eigenen Vorwiderstand für jeden Zweig.
Aufbau:
Da die Schaltung
nur aus wenigen Bauteilen besteht, bietet sich für
"Einzelstücke" der Aufbau auf Lochraster-Platine mit
Lötpunkten an. Selbst MOSFETs im SO-8 SMD-Gehäuse
lassen sich darauf montieren und mit dünnen Drähtchen
kontaktieren, wenn man einen Lötkolben mit dünner
Spitze besitzt und
nicht gerade zu den absoluten "Grobmotorikern"
gehört. Wer es "schön" machen will, kann aber
selbstverständlich auch eine Platine entwerfen.
Direktanschluss
Dies ist die
einfachste Art, eine LED an den Controller anzuschließen. Der
Ausgang ist in diesem Fall Low-Aktiv, d.h. die LED leuchtet, wenn der
Controller 0-Pegel ausgibt. Da die Ausgänge des
Microcontrollers nur relativ kleine Ströme liefern
können, eignet sich diese Schaltung nur für die
Ansteuerung von LEDs mit kleiner Leistung. Die Ausgänge der
hier
verwendeten PICs sollten nicht mit mehr als 10-15 mA belastet werden,
also ergeben sich für den Vorwiderstand (R) Werte von 220 Ohm
oder höher.
Wegen
der geringen Betriebsspannung kommt eine LED Serienschaltung hier in
der Regel nicht in Betracht. Eine Parallelschaltung von mehreren LEDs,
die jeweils mit nur wenig Strom betrieben werden, ist jedoch
möglich (eigener Vorwiderstand für jede LED!).
Bipolarer
Transistor als Schalter
Bei
LED-Strömen bis zu einigen hundert Milliampere, oder wenn
+U größer ist, als 5V, kann ein
Transistor eingesetzt werden. Durch Serienschaltung der
LEDs und/oder Parallelschaltung mehrerer LED-Zweige können
hier auch viele LEDs auf einmal geschaltet werden.
Der hier verwendete Transistor BC337 kann Ströme bis 0,8A und
Spannungen bis 45V schalten.
Der optionale
Kondensator
dient dazu, die steilen Schaltflanken abzuflachen.
Dadurch werden die beim Schaltvorgang erzeugten Anteile
von Hochfrequenz auf den Anschlußkabeln
deutlich
reduziert. Bei PWM-Betrieb sollte der Kondensator eingebaut
werden, um evtl. EMV-Problemen (Störung der RC-Anlage!)
vorzubeugen. Wenn aber nur einzelne
Schaltvorgänge stattfinden, ohne PWM-Modulation des
LED-Stromes, kann der Kondensator auch weggelassen werden.
Bipolarer Transistor als Konstantstromquelle
Wird die LED über einen simplen Vorwiderstand aus
einem
Akku oder einer Batterie gespeist, hängt
der LED-Strom auch von der Batteriespannung ab. Damit sinkt
die Helligkeit
der LED bei fortschreitender Entladung der Batterie, und bei Modellen,
bei denen die LEDs vom Antriebsakku mit versorgt werden, kann
es leicht zu unerwünschten Helligkeitsschwankungen in
Abhängigkeit von der momentanen Stromaufnahme des Antriebs
kommen.

Diese Probleme können durch eine Konstantstrom-
Schaltung umgangen werden. Bei der hier gezeigten Schaltung wird
davon ausgegangen, daß der Controller mit einer
stabilisierten Spannung von +5V versorgt wird, z.B.
durch einen
BEC-Schaltkreis von der RC-Empfangsanlage. Dann liegt im
eingeschalteten Zustand an der Basis des Transistors eine Spannung von
etwa 1,7V an. Der Wert für R sollte nun so gewählt
werden,
daß bei dem gewünschten LED-Strom über
R 1V
Spannung liegt.
Also z.B., wenn durch die LED ein Strom von 100mA fließen
soll, ergibt das
R = 1V/0,1A = 10 Ohm
Die Schaltung regelt
den LED-Strom unabhängig von +U so ein,
daß über R immer
ca. 1V (= Basisspannung - Durchlasspannung der B-E Diodenstrecke)
anliegt.
Auch bei dieser Schaltung sollten für PWM-Betrieb ggf. durch
den Einbau des Kondensators
die hochfrequenten Signalanteile reduziert werden.
Die
Verlustleistung des Transistors sollte hier nicht außer Acht
gelassen werden, da der Transistor hier nicht als Schalter, sondern
"analog" arbeitet. Deshalb ist die Schaltung in der hier gezeigten
Ausführung nur für kleinere Ströme
(bis ca. 100mA)
geeignet. Die Verlustleistung ergibt sich aus U * I, wobei die Spannung
über dem Transistor ist:
UTransistor=
UBatt - ULED - UR
Beispiel:
Der Akku hat im geladenen Zustand 14V, die LED besteht aus zwei in
Serie geschalteten 4-Chip LEDs mit je U f = 3,5V,
I f = 100mA. Über dem Transistor liegt
dann eine Spannung von:
UTransistor=
14V - (2 * 3,5V) - 1V = 6V
Der
Transistor muß dann also U * I = 0,6W Leistung "verbraten".
Das
ist für diesen Transistor schon etwas grenzwertig, da er laut
Datenblatt 625mW verbraten darf. Um den Transistor etwas zu
entlasten, können wir noch einen Widerstand von 10
Ohm in
Serie zu den LEDs schalten. An diesem fallen 10Ohm * 0,1A = 1V Spannung
ab, wodurch sich die Spannung am Transistor nun auf 5V und die
Verlustleistung auf 500mW verringert. Am Stromfluß durch die
LEDs
ändert sich durch den zusätzlichen Widerstand nichts!
An
den LEDs incl. allen Widerständen fallen nun zusammen 9V ab.
Die
Akkuspannung sollte immer etwas über diesem Wert bleiben, da
sonst
der eingestellte Strom nicht mehr erreicht werden kann.
MOSFET als LED-Treiber
Zum
Schalten größerer Leistungen bieten sich
MOSFETs an.
Auch hier wird durch den Kondensator die HF-Erzeugung reduziert, was
besonders für PWM-Betrieb wichtig ist. Der 22-Ohm Widerstand
hilft
gegen Schwingneigungen im MHz-Bereich.
Als MOSFETs eignen sich zum Beispiel:
IRF7413: MOSFET
im SO-8 Gehäuse, max. 9,2A, bis 30V, R DSon=
0,02 Ohm (bei U GS=4,5V)
IRF7103:
zwei MOSFETs in einem SO-8 Gehäuse, jeweils max. 2,3A, bis
50V, R DSon= 0,16 Ohm (bei U GS=4,5V)
IRF7303:
zwei MOSFETs in einem SO-8 Gehäuse, jeweils max. 3,9A, bis
30V, R DSon= 0,08 Ohm (bei U GS=4,5V)
IRLR024N: MOSFET
im TO-252 Gehäuse, max. 12A, bis 55V, R DSon=
0,11 Ohm (bei U GS=4V)
IRL2203: MOSFET
im TO-220 Gehäuse, max. 80A, bis 30V, R DSon=
0,01 Ohm (bei U GS=4,5V)
und viele andere...

Transistor-Arrays als LED-Treiber
Für
die Ansteuerung von mehreren LED-Kanälen mit kleiner bis
mittlerer
Leistung können auch entsprechende integrierte Schaltkreise
verwendet werden, z.B. ULN2003 mit sieben Darlington
Transistorschaltungen
für max. 500mA/Kanal bei max. 50V, oder ULN2803 mit 8 solchen
Treibern. Die Eingänge dieses ICs
können direkt mit den Ausgängen des Microcontrollers
verbunden werden, die Ausgänge schalten nach Masse (mit einer
Restspannung von ca. 0,8 bis 1,5V durch die Darlington-Schaltung).
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