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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