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Praktische Elektronik


Wir entwickeln einen Dimmer für LED mit drei Stufen.


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LED Dimmer


LED Dimmer

Dieses Praktikum verbindet Analog- und Digitaltechnik. Wir entwickeln einen Dimmer für LEDs mit drei Helligkeitsstufen. Die LEDs werden natürlich analog angesteuert, zumal sie mit verschiedenen Helligkeit betrieben werden sollen. Digital ist die Bedienung des Dimmers. Es gibt nur einen Taster, der eine Logik ansteuert.

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Praxis:

Dieses Praktikum demonstriert praktisches Vorgehen:

  • Wir haben eine Vorstellung und beginnen mit der Entwicklung.
  • Wir laufen in Sackgassen und korrigieren unseren Weg.

Helligkeit der LED

Die Helligkeit von LEDs hängt grundsätzlich von seinem Typ (Farbe, superhell usw.) ab. Sie hängt insbesondere vom Strom durch die LED ab. Nach einer guten Faustregel erscheint eine LED merklich heller, wenn der Strom verdoppelt wird. Der Strom durch die LED wird verdoppelt, wenn der Vorwiderstand halbiert wird.

Wir müssen beachten, dass Logikgatter nur geringe Ströme liefern, wenn der Logikpegel der Ausgänge gültig sein solle. Dann sollte der Vorwiderstand für eine LED nicht geringer als 1kΩ sein.

Für unsere Testschaltung beginnen wir mit einem Vorwiderstand von 1kΩ für die Stufe 3 mit der höchsten Helligkeit.

Für die mittlere Stufe 2 brauchen wir dann 2kΩ. Den gibt es leider nicht und wir wählen 2,2kΩ.

Für die Stufe 3 mit geringsten Helligkeit sind es 4,4kΩ oder 4kΩ. Wir wählen 4,7kΩ.

Eine Stufe haben wir bisher vernachlässigt. Wir wollen natürlich die LED auch ganz ausschalten können. Nennen wir diese Stufe einfach 0. Bei der Stufe 0 ist der Strom 0, es ist kein Widerstand angeschlossen.

Stufe Vorwiderstand gewählt
0 offen offen
1 4kΩ 4,7kΩ
2 2kΩ 2,2kΩ
3 1k Ω 1kΩ

Tabelle 1: Vorwiderstände für die Helligkeitsstufen

Prinzipschaltung

Wir stellen zunächst die digitale Schaltung als Kasten - Black-Box - dar. Nur der Taster, die LEDs und die Widerstände sind dargestellt.

LED-Dimmer-Prinzip.png
Bild 1: Prinzipschaltung des LED-Dimmers

Die Black-Box funktioniert so:

Anfang

0.
Stufe 0. Die LED ist aus. Wir haben Stufe 0. Alle Ausgänge L1 bis L3 liegen auf 0V.

Taster betätigen

1.
Wir haben Stufe 1. L1 = 5V und L2 = 0V und L3 = 0V.

Taster betätigen

2.
Wir haben Stufe 2. L1 = 0V und L2 = 5V und L3 = 0V.

Taster betätigen

3.
Wir haben Stufe 3. L1 = 0V und L2 = 0V und L3 = 5V.

Taster betätigen

0.
Wir haben wieder Stufe 0: LED aus.

Wir müssten an L1 einen 4,7kΩ Widerstand anschließen. An L2 2,2kΩ und an L3 4,7kΩ.

Digitale Schaltung

Wir betrachten jetzt die Black-Box. Die Black-Box ändert bei jedem Betätigen des Tasters die Zustände seiner Ausgänge. Eine solche Black-Box wird als Zustandsmaschine bezeichnet.

Unsere Zustandsmaschine ändert beim Betätigen des Tasters seinen Zustand in der Folge

Stufe 0
Stufe 1
Stufe 2
Stufe 3
Stufe 0

Zustandsmaschine des Dimmers

Wir können den Stufen den Zustand der Ausgänge zuordnen. Der Einfachheit halber nehmen wir für 5V die logische 1 and. Wir können sogar angeben, welcher Zustand auf welchen folgt.

Aktuell Folgender L1 L2 L3
Stufe 0 Stufe 1 0 0 0
Stufe 1 Stufe 2 1 0 0
Stufe 2 Stufe 3 0 1 0
Stufe 3 Stufe 0 0 0 1

Tabelle 2: Zustandsfolge des Dimmers

Wenn wir nun noch angeben, dass nach dem Einschalten der Stromversorgung mit Stufe 0 (aus) begonnen werden soll, ist unsere Zustandsmaschine vollständig beschrieben.

Die Zustandsmaschine hat offensichtlich Gedächtnis. Sie merkt sich in welchem Zustand sie ist (Stufe 0, 1, 2, 3 ).

Gedächtnis - da war doch was? Na, klar der Daten-Speicher, D-Register.

D-Register-74HC175.png
Bild 2: Vierfach D-Register 74HC175

Das D-Register 74HC175 hat alles, was zum Bau von Zustandsmaschinen benötigt wird. Die D-Register haben immer einen Zustand, der den Ausgängen Q1 bis Q4 entspricht.

Die D-Register übernehmen den Wert am Eingang mit der positiven Flanke eines Takts. Die positive Flanke des Takts ist der Übergang von 0 nach 1. Änderungen vor oder nach der Flanke haben keinen Einfluss auf den Wert im D-Register.

Bei unserem LED-Dimmer ist die Taste der Takt.

Wir müssen die Schaltung in Bild 2 modifizieren, um das Verhalten unseres Dimmers zu erreichen, d.h. die Zustandsfolge von Tabelle 2 realisieren.

Die Zustände festlegen

Die Ausgänge sind relativ einfach:

Q1 ist L1
Q2 ist L2
Q3 ist L3

Wir könnten auch eine andere Zuordnung wählen, aber diese passt zu den Namen und sieht gut aus :-)

Wir haben damit festgelegt, wie sich Q1 bis Q3 in der Folge ändern müssen und tragen das in die Tabelle unserer Zustandsmaschine ein. Wir setzen für L1, L3 und L3 einfach Q1, Q2 und Q3 ein.

Aktuell Folgender Q1 Q2 Q3
Stufe 0 Stufe 1 0 0 0
Stufe 1 Stufe 2 1 0 0
Stufe 2 Stufe 3 0 1 0
Stufe 3 Stufe 0 0 0 1

Tabelle 3: Zustandsfolge des Dimmers

Und die Stufen? Wir können sie durch Kombination der Qs kennzeichnen. Gäbe es die Stufe 0 nicht, wäre es ganz einfach: die Stufe wird durch das Q gekennzeichnet, das 0 ist. Nehmen wir einfach Q4 dazu und ordnen Q4 die Stufe 0 zu.

Aktuell Folgender Q1 Q2 Q3 Q4
Stufe 0 Stufe 1 0 0 0 1
Stufe 1 Stufe 2 1 0 0 0
Stufe 2 Stufe 3 0 1 0 0
Stufe 3 Stufe 0 0 0 1 0

Tabelle 4: Vollständige Zustandsfolge des Dimmers

Wir müssen die D-Register im 74HC175 dazu bekommen, ihre Werte in der von uns gewünschten Folge zu ändern.

Ein D-Register übernimmt den Wert am Eingang beim Takt. Wir können einfach den nächsten Zustand des D-Registers an die Eingänge D1 bis D4 legen. Und diesen Wert kennen wir: Es ist der Kode des folgenden Zustands unserer Zustandsmaschine. Wir für brauchen für die Ds nur die Qs des folgenden Zustands in unsere Tabelle einzutragen.

Aktuell Folgender Q1 Q2 Q3 Q4 D1 D2 D3 D4
Stufe 0 Stufe 1 0 0 0 1 1 0 0 0
Stufe 1 Stufe 2 1 0 0 0 0 1 0 0
Stufe 2 Stufe 3 0 1 0 0 0 0 1 0
Stufe 3 Stufe 0 0 0 1 0 0 0 0 1

Tabelle 5: Vollständige Zustandsfolge mit Dateneingang des Dimmers

Sieht kompliziert aus. Wenn wir die ersten beiden Spalten weglassen, haben wir eine Wahrheitstabelle.

Q1 Q2 Q3 Q4 D1 D2 D3 D4
0 0 0 1 1 0 0 0
1 0 0 0 0 1 0 0
0 1 0 0 0 0 1 0
0 0 1 0 0 0 0 1

Tabelle 6: Wahrheitstabelle der Zustandsmaschine des Dimmers

Aus Sicht der Wahrheitstabelle sind die Q1 bis Q4 die Eingänge und die D1 bis D4 die Ausgänge bzw Funktionen.

LogicBuddy berechnet die Funktionen für die Ds. Aber wir haben ein Problem. In der Tabelle 5 sind nicht alle möglichen Kombinationen von Q1 bis Q4 angegeben. Wir wissen die Werte der Ds für die fehlenden Kombinationen nicht. Eigentlich sind sie uns egal. Da kann uns LogicBuddy helfen. Wir können nämlich für die Ausgänge, deren Wert uns egal ist, egal eintragen, ein d setzen.

LogicBuddy_Dimmer.png
Bild 3: Wahrheitstabelle des Dimmers in ogicBuddy

Das Ergebnis ist simpel:

D1 = Q4  
D2 = Q1  
D3 = Q2  
D4 = Q3

Wir brauchen kein einziges Gatter. Und wir haben außerdem:

L1 = Q1
L2 = Q2
L3 = Q3

Einfacher geht es nicht.

Unsere Schaltung ist entsprechend einfach.

LED-Dimmer-1.png
Bild 4: Schaltung des LED-Dimmers

Um es gleich zu sagen: Diese Schaltung ist fehlerhaft.

Wir haben nämlich nicht bedacht, dass der Dimmer nach dem Einschalten der Stromversorgung aus sein soll. Wenn der 74HC175 eingeschaltet wird, hat er einen zufälligen Wert. Wir müssen den 74HC175 beim Einschalten in den Zustand

Q1 = 0
Q2 = 0
Q3 = 0
Q4 = 1

bringen. Der 74HC175 hat dafür den CLR-Eingang. Er ist invertiert und braucht beim Einschalten nur kurz auf 0 gelegt werden. Aber dann sind alle Qs = 0. Leider passt das nicht. Die wichtigen Ausgänge Q2 bis Q4 sind zwar 0 und damit die LED aus. Aber Q4 passt nicht. Alle Eingänge D1 bis D4 liegen auf 0. Beim Betätigen des Tasters werden alle Qs wieder 0 sein :-(

Wenn wir in der Tabelle 5 den Code für die Stufe 0 von 0,0,0,1 auf 0,0,0,0 ändern, erhalten wir:

Aktuell Folgender Q1 Q2 Q3 Q4 D1 D2 D3 D4
Stufe 0 Stufe 1 0 0 0 0 1 0 0 0
Stufe 1 Stufe 2 1 0 0 0 0 1 0 0
Stufe 2 Stufe 3 0 1 0 0 0 0 1 0
Stufe 3 Stufe 0 0 0 1 0 0 0 0 0

Tabelle 7: Vollständige Zustandsfolge mit Dateneingang des Dimmers

LogicBuddy liefert dann:

D1 = NOT( NAND ( NOT(Q1)   , NOT(Q2)   , NOT(Q3) ) )
   =             NOT(Q1) AND NOT(Q2) AND NOT(Q3)
D2 = Q1  
D3 = Q2  
D4 = 0

D4 ändert sich nicht. Wir brauchen Q4 und D4 nicht.

Wir brauchen vier Inverter und ein NAND-Gatter mit drei Eingängen. Aber glücklicherweise gibt es die Ausgänge NOT(Q1), NOT(Q2) und NOT(Q3) am 74HC175. Der Chip 74HC10 hat drei NAND-Gatter mit je drei Eingängen. Ein nicht benötigtes Gatter wird als Inverter verwendet.

LED-Dimmer-2.png
Bild 5: Verbesserte Schaltung des LED-Dimmers

Wie können wir beim Einschalten der Stromversorgung dem NOT( CLR ) den 74HC175 aktivieren. Wenn wir den NOT( CLR ) immer auf 0 legen, werden die Qs immer auf 0 gesetzt sein. Wir müssen beim Einschalten kurzzeitig den NOT( CLR ) auf 0 legen. Das können wird mit einem Kondensator und einem Widerstand erreichen.

LED-Dimmer-3_s.png
Bild 6: Schaltung des LED-Dimmers

Der Dimmer ist als Modul dargestellt an den die Widerstände, der Taster und die Stromversorgung angeschlossen wird.

Neben den beiden ICs sind sechs Widerstände und drei Kondensatoren erforderlich. Der Kondensator C3 sollte dicht neben dem 74HC175 eingebaut werden. Er soll Störungen auf der Stromversorgung beseitigen. Es hat sich bewährt solche Kondensatoren einzubauen.

Die Schaltung mit R4, R5 und C1 ist unbedingt erforderlich. Damit wird die Taste entprellt. Bein Drücken oder Loslassen der Taste kann der Kontakt kurzzeitig schwingen und mehrere schnelle Impulse auslösen. Der 74HC175 hat keine Schwierigkeiten darauf zu reagieren und in den nächsten Zustand zu schalten. Wir sind dann überrascht, warum der Dimmer in der Helligkeit springt. Durch R4, R5 und C1 werden die schnellen Impulse unterdrückt. Wir sollten in einem Testaufbau untersuchen, wie sich die Entprellung auswirkt.

Analoge Anpassungen

Wenn wir die Schaltung wie in Bild 6 aufbauen, werden wir feststellen, dass bei der Stufe 1, geringe Helligkeit, die LED gar nicht leuchtet.

In der Stufe 1 liegt an L1 5V und an L2 und L3 0V. Damit haben wir die Schaltung in Bild 7.

LED-Dimmer-4.png
Bild 7: Schaltung der Widerstände bei Stufe 1

Die Widerstände R2 und R3 liegen parallel zur LED und entziehen dieser Strom. An der LED liegt einen Spannung von unter 1V an und dabei leuchtet keine LED.

Wir müssen dafür sorgen, Strom vom Ausgang in die Widerstände fließt, aber nicht vom Widerstand in den Ausgang. Der Strom darf nur in eine Richtung, vom Ausgang zur LED fließen. Das können wir durch eine Diode erreichen.

LED-Dimmer-5.png
Bild 8: Die endgültige Schaltung des LED-Dimmers

Abdimmen

Unser Dimmer beginnt nach dem Einschalten mit der geringsten Helligkeit und wird beim Betätigen der Taste heller. Wie können wir einen Dimmer realisieren, der nach dem Einschalten immer mit voller Helligkeit beginnt und dann abgedimmt werden kann?

Es ist nur eine Kleinigkeit: Wir vertauschen die Widerstände an den Anschlüsse L1 und L3.

Das soll funktionieren?

Ausblick

  • Wenn wir an die Ausgänge des Dimmers Leistungsschalter mit MOSFETs oder Transistoren anschließen, können wird mir dem Dimmer LED-Streifen steuern.
  • Als Schalter für 12V bietet sich der MOSFET IRLML6244 an.
  • Der 74HC10 und 74HC175 sind nur für 5V geeignet.
  • Für 12V LED-Streifen benötigen wir einen Spannungsregler für 5V z.B. LM78Lxx.
  • Die Dioden D1 bis D3 können dann entfallen.
  • Der Widerstand R3 für die größte Helligkeit kann entfallen. Wir nutzen den Vorwiderstand im LED-Streifen.
  • Die Widerstände R1 und R2 werden meistens nur wenige Ohm haben.

Beispiel

  • LED-Streifen für 12V mit 100mA (1,2W)
    R1 = 33Ω, 0,1W
    R2 = 100Ω, 0,1W
  • LED-Streifen für 12V mit 1A (12W)
    R1 = 3,3Ω, 1W
    R2 = 10Ω, 0,5W

Im Projekt LED-Lampe im Selbstbau wird unser LED-Dimmer in dieser Weise verwendet.

Zusammenfassung

  • Die Helligkeit von LEDs kann über Vorwiderstände eingestellt werden.
  • Eine Schaltung, die von einem Zustand zum nächsten geht, wird als Zustandsmaschine bezeichnet.
  • Die Zustände einer Zustandsmaschine können digital kodiert werden.
  • Die Zustandsmaschine wird mit einer Übergangstabelle beschrieben, die angibt von welchem Zustand sie zum nächsten, dem Folgezustand übergeht.
  • Eine Zustandsmaschine kann mit D-Registern realisiert werden.
  • Die Ausgänge der D-Register sind der kodierte Zustand.
  • Die Eingänge sind der Folgezustand.
  • Die Zustandsmaschine geht zum nächsten Zustand durch einen Takt.
  • Eine Zustandsmaschine sollte beim Einschalten in einen definierten Zustand gesetzt werden.