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Farbiges Licht mit LEDs – Teil 3: Signale und Ausgänge

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Nachdem ich mir in Teil 2 überlegt habe wie die Eingangsseite des Controllers aussieht steht nun die eigentliche Ansteuerung der LEDs im Mittelpunkt. Ich hatte ja bereits in Teil 1 darauf hingewiesen, dass ich die LED-Bänder nicht direkt am Controller betreiben kann. Zuerst muss nun das Problem der benötigten analogen Spannungswerte gelöst werden, damit nachher auch schöne Mischfarben erzeugt werden können.

Mein Controller kann an seinen Ausgängen entweder 0V oder 5V zur Verfügung stellen. Das würde bedeuten, die LED ist entweder an oder aus. Allerdings kann der Controller sehr schnell zwischen den Zuständen umschalten. Für eine LED stellt es kein Problem dar, diesen schnellen Schaltzuständen zu folgen, für das menschliche Auge hingegen schon. Das menschliche Gehirn kann bei bis ca. 16 Einzelbilder pro Sekunde erkennen, dass es sich um Standbilder handelt. Alles darüber hinaus wird als fortlaufende Bewegung erkannt. Auf diese Weise funktioniert beispielsweise jeder Monitor und Fernseher. Durch die schnelle Abfolge von einzelnen Standbildern sieht es für uns so aus, als würde es sich um eine durchgehende Bewegung handeln.

Das gleiche Prinzip kann nun für die LEDs angewandt werden. Durch schnelles Umschalten der LED wird ein Dimm-Effekt erzielt. Das menschliche Auge nimmt, bei entsprechend schneller Umschaltung, nur eine Änderung der Helligkeit ohne Flackern wahr. Die wahrgenommene Helligkeit entspricht der Durchschnittshelligkeit über einen bestimmten Zeitraum. Über das zeitliche Verhältnis zwischen ein- und ausgeschalteter LED kann die Helligkeit sehr gut justiert werden. Wichtig ist jedoch, dass eine Schaltfrequenz von mindestens 100 Hz (100 Schaltvorgänge pro Sekunde) nicht unterschritten wird, um ein sichtbares Flackern zu vermeiden. Angewandt auf die LED-Bänder kann ich so also die drei Farben getrennt voneinander ansteuern und jeden Farbkanal einzeln dimmen um Mischfarben zu erzeugen.

PwmDiese Art der Ansteuerung nennt man „Pulsweitenmodulation“ (kurz PWM). Das Verfahren hat ein breites Anwendungsspektrum in der Digitaltechnik, da man mit sehr einfachen Mitteln einen Übergang zwischen digitalen und analogen Werten erreichen kann. Das Tastverhältnis innerhalb eines Takts nennt man auch Duty-Cycle. Der Wert gibt das zeitliche Verhältnis zwischen Ein und Aus an. Wie diese Lösung in der Software auf dem Controller umgesetzt wird, sehen wir in einem späteren Teil der Projektreihe.

 

Verstärkerschaltung

Wir haben nun also einen Weg um die LEDs zu dimmen, jetzt muss eine Lösung für das Strom- und Spannungsproblem gefunden werden. Zur Erinnerung: Meine LED-Bänder arbeiten mit 12V, mein Mikrocontroller mit 5V. Für volle Leuchtkraft (weiß) benötigt das LED-Band ca. 3,5 A pro Meter, der Controller liefert maximal 40mA. Ich benötige also ein Bauteil, das wie ein Lichtschalter funktioniert, nur eben mit elektrischer Ansteuerung durch meinen Controller.

MOSFET_LEDDie Lösung besteht in einem sogenannten „MOSFET“ (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor). Dieses Bauteil kann wie ein elektrischer Schalter verwendet werden. Es besitzt im Normalfall drei Anschlüsse (Gate – Source – Drain). An Source wird das 0V-Potential angeschlossen, an Drain die zu schaltende LED. An Gate wird das Steuersignal angeschlossen. Der Widerstand R1 symbolisiert den Vorwiderstand der LED (Strombegrenzung, damit die LED nicht durchbrennt). R2 dient dazu die Schaltung zu schützen, falls der Controller in einen nicht definierten Zustand gerät, zum Beispiel beim Einspielen neuer Software. Normalerweise kann man noch einen Widerstand zwischen dem Controller-Pin und Gate setzen. Für die Schaltfrequenzen zwischen 100 Hz und 200 Hz ist dieser aber nicht notwendig.

Wie funktioniert nun der „Schalter“? Bei 0V an Gate ist die Verbindung zwischen Drain und Source gesperrt, d.h. es kann kein Strom fließen, die LED ist aus. Sobald nun der Controller-Pin auf 5V schaltet wird die Verbindung zwischen Drain und Source leitend und die LED fängt an zu leuchten. Vorteil dieser Beschaltung ist, dass der Controller nicht die Leistung schalten muss, sondern lediglich die Steuersignale für den MOSFET. Zusätzlich kann der MOSFET schnell genug schalten, um unserer geplanten Ansteuerung mit PWM zu folgen. Auch die relativ hohe Stromaufnahme der LED-Bänder stellt bei entsprechender Auslegung des MOSFET (z.B. IRLZ34N) kein Problem dar.

Nachdem nun die Hardware-Planung so gut wie fertig ist, werde ich in Teil 4 den Schaltplan fertigstellen und einen ersten Prototyp zusammenbauen können.

Michael Steitz

Hi, mein Name ist Michael. Ich befasse mich schon seit meiner Kindheit mit Technik aller Art (mittlerweile auch beruflich). Ich hoffe der Artikel war interessant für Dich. Für Anregungen,Kritik und Verbesserungen zu meinen Artikeln nutze einfach die Kommentar-Box weiter unten.

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