PICALIC Lichtcontroller nach ALIC Standard - V. 2.0
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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 GND 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.

SchaltungDirektanschluss

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!).

SchaltungBipolarer 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.
Schaltung 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 Uf = 3,5V, If = 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-TreiberSchaltung

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, RDSon= 0,02 Ohm (bei UGS=4,5V)
IRF7103: zwei MOSFETs in einem SO-8 Gehäuse, jeweils max. 2,3A, bis 50V, RDSon= 0,16 Ohm (bei UGS=4,5V)
IRF7303: zwei MOSFETs in einem SO-8 Gehäuse, jeweils max. 3,9A, bis 30V, RDSon= 0,08 Ohm (bei UGS=4,5V)
IRLR024N: MOSFET im TO-252 Gehäuse, max. 12A, bis 55V, RDSon= 0,11 Ohm (bei UGS=4V)
IRL2203: MOSFET im TO-220 Gehäuse, max. 80A, bis 30V, RDSon= 0,01 Ohm (bei UGS=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).