LED Dimmer

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

Praxis:

Dieses Praktikum demonstriert die praktische Vorgehensweise

• Wir haben eine Idee und beginnen sie zu entwickeln.

• Wir geraten in Sackgassen und korrigieren unseren Weg.

Helligkeit der LED

Die Helligkeit von LEDs hängt grundsätzlich von ihrem Typ ab (Farbe, superhell usw.). Sie hängt insbesondere vom Strom ab, der durch die LED fließt. Eine gute Faustregel besagt, dass eine LED deutlich heller wird, wenn der Strom verdoppelt wird. Der Strom durch die LED wird verdoppelt, wenn der Vorwiderstand halbiert wird.

Wir müssen beachten, dass Logikgatter nur kleine Ströme liefern, wenn die Logikpegel der Ausgänge gültig sein sollen. In diesem Fall sollte der Vorwiderstand für eine LED nicht kleiner 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 benötigen wir dann 2kΩ. Leider gibt es diesen nicht und wir wählen 2,2kΩ.

Für die Stufe 3 mit der geringsten Helligkeit brauchen wir 4,4kΩ oder 4kΩ. Wir wählen 4,7kΩ.

Eine Stufe haben wir bisher vernachlässigt. Wir wollen die LED natürlich auch ganz ausschalten. Diese Stufe nennen wir einfach 0. In der Stufe 0 ist der Strom 0, es ist kein Widerstand angeschlossen.

Tabelle 1: Vorwiderstände für die Helligkeitsstufen

Prinzipschaltung

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

Die Black-Box funktioniert so:

Anfang

Taster betätigen

Taster betätigen

Taster betätigen

Taster betätigen

Wir müssen einen Widerstand R₁ = 4,7kΩ an L1 anschließen. An L2 R₂ = 2,2kΩ und an L3 R₃ = 1,0kΩ.

Black-Box

Ist ein Gerät, in das wir nicht hineinsehen können.

Wir beschreiben es durch sein Verhalten anhand der nach außen zugänglichen Anschlüsse.

Digitale Schaltung

Wir betrachten nun die Black-Box. Die Black-Box ändert die Zustände ihrer Ausgänge jedes Mal, wenn der Taster gedrückt wird. Eine solche Black-Box wird Zustandsmaschine genannt.

Unsere Zustandsmaschine ändert ihren Zustand beim Drücken des Tasters wie folgt:

Stufe 0
Stufe 1
Stufe 2
Stufe 3
Stufe 0

Zustandsmaschine des Dimmers

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

Tabelle 2: Zustandsfolge des Dimmers

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

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

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

Das D-Register 74HC175 hat alles, was wir zum Bau einer Zustandsmaschine brauchen. 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 Taktsignals. 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.

In unserem LED-Dimmer ist der Taster der Takt.

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

Definition der Zustände

Die Ausgänge sind 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

Damit haben wir festgelegt, wie sich Q1 bis Q3 in der Folge ändern müssen und tragen dies in die Tabelle unserer Zustandsmaschine ein. Wir setzen für L1, L2 und L3 einfach Q1, Q2 und Q3 ein.

Tabelle 3: Zustandsfolge des Dimmers

Und die Stufen? Wir können sie durch Kombination der Qs kennzeichnen. Wenn es die Stufe 0 nicht gäbe, wäre das ganz einfach: Die Stufe wird durch das Q gekennzeichnet, das 0 ist. Wir fügen einfach Q4 hinzu und ordnen Q4 die Stufe 0 zu.

Tabelle 4: Vollständige Zustandsfolge des Dimmers

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

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

Tabelle 5: Vollständige Zustandsfolge mit Dateneingang des Dimmers

Lassen wir die ersten beiden Spalten weg, haben wir eine Wahrheitstabelle.

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.

Die Logik berechnen

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 kennen die Werte der Ds für die fehlenden Kombinationen nicht. Eigentlich sind sie uns auch egal. Hier kann uns LogicBuddy helfen. Wir können nämlich für die Ausgänge, deren Wert uns egal ist, ein d eintragen.

Das Ergebnis ist einfach:

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.

Die Schaltung

Unsere Schaltung ist entsprechend einfach.

Um es vorweg 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 Mr-Eingang (Master reset), manchmal auch mit Clr (Clear) genannt. Er ist invertiert und braucht beim Einschalten nur kurz auf 0 gelegt werden. Dann sind aber alle Qs = 0. Leider passt das nicht. Die wichtigen Ausgänge Q2 bis Q4 sind zwar 0 und damit die LEDs aus. Aber Q4 passt nicht. Alle Eingänge D1 bis D4 sind auf 0. Wenn der Taster gedrückt wird, sind 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:

Tabelle 7: Vollständige Zustandsfolge mit Dateneingängen 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 weder Q4 noch D4.

Wir benötigen vier Inverter und ein NAND-Gatter mit drei Eingängen. Aber zum Glück hat der 74HC175 Ausgänge NOT(Q1), NOT(Q2) und NOT(Q3). Der Chip 74HC10 hat drei NAND-Gatter mit jeweils drei Eingängen. Ein nicht benötigtes Gatter wird als Inverter verwendet.

Wie aktivieren wir den NOT( Mr )-Eingang des 74HC175 beim Einschalten der Versorgungsspannung? Wir müssen den NOT( Mr )-Eingang beim Einschalten kurzzeitig auf 0 setzen. Dies können wir mit einem Kondensator und einem Widerstand erreichen.

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

Neben den beiden ICs werden sechs Widerstände und drei Kondensatoren benötigt. Der Kondensator C₃ sollte in der Nähe des 74HC175 eingebaut werden. Er soll Störungen auf der Stromversorgung unterdrücken. Es hat sich bewährt, solche Kondensatoren einzubauen.

Die Schaltung mit R₄, R₅ und C₁ ist unbedingt erforderlich. Damit wird die Taste entprellt. Beim Drücken oder Loslassen des Tasters 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. Dann wundern wir uns, 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. Mit R₆ und C₂ wird der Dimmer beim Einschalten auf die Stufe 0 gesetzt.

Analoge Anpassungen

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

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

Die Widerstände R₂ und R₃ liegen parallel zur LED und entziehen ihr Strom. An der LED liegt eine Spannung von weniger als 1V an und bei dieser Spannung leuchtet keine LED.

Wir müssen sicherstellen, dass der Strom vom Ausgang zum Widerstand fließt, aber nicht vom Widerstand zum Ausgang. Der Strom darf nur in eine Richtung fließen, vom Ausgang zur LED. Dies können wir mit einer Diode erreichen.

Abdimmen

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

Das ist ganz einfach: Wir vertauschen die Widerstände an den Anschlüssen L1 und L3.

Funktioniert das?

Ausblick

• Wenn wir an die Ausgänge des Dimmers Leistungsschalter mit MOSFETs oder Transistoren anschließen, können wir mit dem Dimmer LED-Streifen ansteuern.

• Die Schaltungen sind im Praktikum Transistoren als Schalter beschrieben.

• Als Schalter für 12V eignet sich der MOSFET IRLML6244.

• Der 74HC10 und der 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 entfallen, wenn wir Leistungsschalter mit MOSFETs oder Transistoren anschließen.

• Der Widerstand R₃ für die größte Helligkeit kann entfallen. Wir verwenden den Vorwiderstand im LED-Streifen.

• Die Widerstände R₁ und R₂ sind meistens nur wenige Ohm groß.

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 so eingesetzt.

Zusammenfassung

• Die Helligkeit von LEDs kann durch Vorwiderstände eingestellt werden.

• Eine Schaltung, die von einem Zustand in einen anderen übergeht, nennt man Zustandsmaschine.

• Die Zustände einer Zustandsmaschine können digital codiert werden.

• Die Zustandsmaschine wird durch eine Übergangstabelle beschrieben, die angibt, von welchem Zustand sie in den nächsten, den Folgezustand, übergeht.

• Eine Zustandsmaschine kann mit D-Registern realisiert werden.

• Die Ausgänge der D-Register sind der codierte Zustand.

• Die Eingänge stellen den Folgezustand dar.

• Die Zustandsmaschine geht durch einen Takt in den nächsten Zustand über.

• Eine Zustandsmaschine sollte beim Einschalten in einen definierten Zustand gesetzt werden.