Synopsis: [ Wikipedia-LED ]
Sollen (viele) Leuchtdioden mit einem Mikrocontroller gesteuert werden gibt es neben der Dimensionierung der Vor-Widerstände auch die Qual der Wahl einer möglichst geschickten Beschaltung.
LEDs von Max, Beispiel für Produktstreuung
Ein Schüler brachte mir eines Tages einen Sack voller ovaler roter, grüner und blauer LED mit, die für große Anzeigen vorgesehen waren, aber auf Grund zu großer Streuung (siehe Tabelle) aussortiert wurden. Ein Datenblatt ist nicht vorhanden. Wo ist Anode und Kathode? Normalerweise ist der Anschlussdraht an Anode länger und an der Kathode is das Gehäuse abgeflacht. Bei den LED waren die Anschlüsse bereits zum Einbau abgelängt und eine Abflachung am Gehäuse gibt es nicht. Daher ins Gehäuse schauen, der LED-Chip liegt mit der Kathode im Reflektor (links Anode, rechts Kathode). Je nach Hersteller liegt der LED-Chip auch mal mit der Anode im Reflektor liegen, daher sind nur die Beinchen und die Abflachung eine verlässliche Kennzeichnung.
| Farbe | Gewicht 10 Stück | Spannung bei 1 mA | Spannung bei 20 mA |
|---|---|---|---|
| Rot | 1,75 g | 1,7 V | 2,0 V |
| Grün | 1,76 g | 2,9-3,0 V | 3,5-3,9 V ! |
| Blau | 1,74 g | 2,8 V | 3,3-3,8 V ! |
LEDs dieser Grösse können typischerweise mit einem maximalen Strom von 20 mA betrieben werden. Um die Kenndaten zu ermitteln messe ich die Spannung an der LED bei einem Strom von 1 mA und 20 mA. Ausserdem wog ich Jeweils 20 LED um die Anzahl der Lieferung abschätzen zu können.
Besonders bei den grünen LED ist ein Helligkeitsunterschied bei 20 mA zwischen einer 3,5 V und einer 3,9 V (heller) LED erkennbar.
RGB-LED-Stripe für 12V
Indirekte Beleuchtung mit farbigem Licht ist heute einfach mit RGB-Stripes machbar. Günstig sind 5m Streifen mit 30 bzw. 60 LED pro Meter erhältlich. Die LED sind zu Segmenten mit jeweils 3 RGB-Chips und 3 Vorwiderständen verschaltet, ein Segment hat die Länge von 10 bzw. 5 cm. In einem Segment sind die LED gleicher Farbe in Reihe mit einem Vorwiderstand verschaltet.
| Farbe | Vor-Widerstand | Strom bei 12V | Spannung an LED |
|---|---|---|---|
| Rot | 330 Ω | 17 mA | 2,1 V |
| Grün | 150 Ω | 19 mA | 3V |
| Blau | 150 Ω | 18 mA | 3,1V |
Alle Farbstränge sind mit der +12V Leitung verbunden. Die Summe der Ströme pro Segment ist 54mA. 5m eines 60 LED/m Streifens müssten theoretisch 5,4 A ziehen, tatsächlich habe ich einen Strom von ca. 3,5A in den Controller gemessen. Der Spannungsabfall in der +12V Leitung des Stripes ist dafür verantwortlich. Am Ende leuchet der Streifen dunkler als am Anfang, der Anfang wird recht warm da der Widerstand der 12V Leiterbahn zu gross ist.
RGB-LED-Kachel für 12V
| Farbe | Vor-Widerstand | Strom bei 12V | Strom pro LED |
Spannung an LED |
|---|---|---|---|---|
| Rot | 300 Ω | 56 mA | 19 mA | 2,1 V |
| Grün | 150 Ω | 62 mA | 20 mA | 3V |
| Blau | 150 Ω | 47 mA | 16 mA | 3,2V |
Ansteuerung mit ULN 2003
Reicht der Strom am Ausgang eines µC nicht aus oder sollen höhere Spannungen geschaltet werden, helfen externe Transistoren weiter. Ein praktisches Bauteil ist ein IC mit Transistorarray [Datenblatt ULN2003]. 7 Ausgänge mit 500 mA maximalem Strom in einem Gehäuse. Ein RGB-Stripe kann direkt angeschlossen werden siehe [Farbwunder].
Vorteile: Kostengünstiges Bauteil mit 7 OpenCollector Ausgängen mit Schutzdioden bei Anschluss induktiver Lasten (Relais). Direkter Anschluss an µC möglich.
Nachteil: Minimale Spannung zwischen Ausgang und GND (Uce(satt)) ist recht hoch. Beispiel: Bei Ic=350mA beträgt der Spannungsabfall 1,2V. Die Verlustleistung ist dann 0,42W. Bei 7 Kanälen wären das 3W. Bei 67°C/W thermischem Widerstand des Gehäuses würde der Chip überhitzen. Auch würden bei einem angeschlossenen LED-Stripe statt 12V nur 10,8V ankommen.
Ansteuerung mit MOSFET-Transistor
de.wikipedia.org/wiki/Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor
Beispiele für N-Kanal
| Bauteil | VDS | VGS Max | RDS(on) mΩ | ID max |
|---|---|---|---|---|
| IRLML6244 | 20 V | ±12 V | 21.0.. 27.0 | 6,3 A |
| IRLZ34N | 55 V | ±16 V | 35 | 30 A |
Eine Übersicht verschiedener Transistoren: mikrocontroller.net/articles/MOSFET-Übersicht
Ansteuern von Relais und Motoren
Induktionsproblem: de.wikipedia.org/wiki/Schutzdiode#Freilaufdiode
Erweiterungen bei zu wenigen Ausgängen am µC
Die Ausgänge reichen nicht aus? Ein grösserer Controller mit mehr Anschlüssen ist oft nicht notwendig.
Dekoderschaltungn (3 zu 8-Dekoder)
Mit den 8 Binärkombinationen von A0..A2 kann jeweils einer von 8 Ausgängen geschaltet werden.
Ein einzelner Ausgang kann max. 20mA liefern.
Vorteil: 3 (4) µC Ausgänge schalten 7 (8). (mit Enable)
Nachteil: Nur ein Ausgang kann gleichzeitig an sein.
Mehrere D-Flip Flops
CD74HC573 Datenblatt (Pegelgetriggert)
CD74HC574 Datenblatt (Flankengetriggert)
8 Signale werden in dem 8 fach D-FF gespeichert. Nacheinander werden mittels Dekoder die FF-Bausteine ausgewählt und bekommen neue Ausgabewerte.
Ablauf
- An Eingänge D0..D7 zukünftige Werte anlegen.
- Mit Dekoder am Ziel-Chip an CP eine steigende Taktflanke erzeugen, dabei werden die Daten übernommen und ausgegeben.
- Während der Ausgaben-Erneuerung können die Ausgänge mit OE ausgeschaltet werden.
Vorteile: Viele Ausgänge können in kurzer Zeit gesteuert werden, einfache Software
Nachteil: Viele µC Portpins werden benötigt z.B.(8+3+1)
Schieberegister
Daten werden seriell in die Schieberegister geschoben und dann mit einem Strobe-Signal übernommen und aus gegeben.
Ablauf
- Information seriell durchschieben bis alle Schieberegister-FF neue Werte haben:
- Bit an SER anlegen
- An SRCLK steigende Taktflanke erzeugen
- An RCLK steigende Taktflanke erzeugen, damit neue Werte an die Ausgabe-FF übernommen und ausgegeben werden.
Vorteile: Wenig µC Pins werden benötigt, Schieberegister können kaskadiert werden, dadurch sehr viele Ausgänge möglich.
Nachteil: Software etwas komplizierter, Ausgabe kann durch Serialisierung länger dauern.
Verwendung siehe Schaltplan LED-Cube
RGB-LED mit eingebautem Controller