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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