Samstag, 14. Februar 2015

Und nun ein wenig Schaltungstechnik

aber ganz einfach, versprochen!

Aufbau des großen Gründerzeit-Schwibbogens, Teil 5


 

Ein paar Lichteffekte müssen schon sein. Licht ein und ausschalten kann schließlich jeder.  Auch hier gilt wieder: "Viele Wege führen nach Rom". Ich beschreibe hier nur, wie ich es aufgebaut habe, ohne eine Bewertung, ob es besser, schlechter, teurer, billiger oder auch ganz anders gehen würde.

Die ersten LEDs sind ja schon eingebaut und ich habe im vorigen Kapitel schon angedeutet, dass die Beleuchtung langsam und in gewissen Abständen ein und ausgeschaltet werden soll. Dazu ist ein wenig Elektronik erforderlich. Ich habe mir über die Weihnachtsfeiertage eine kleine Schaltung entworfen, die ich vielfach in diesem Schwibbogen einsetzen werde. Sie ist wirklich ganz einfach und wer schon mal ein wenig mit Elektronik zu tun hatte, kann sie ohne Weiteres nachbauen.

Zunächst aber ein paar Gedanken zu dem Gesamtkonzept. Viele Bereiche des Schwibbogens sollen effektvoll beleuchtet werden. Dabei soll aber nicht einfach alles Licht an oder aus sein, sondern es soll ein Programm ablaufen. Zu dem Programm sollen auch Musik und das gesprochene Wort gehören. Leider machen die Lohnkosten es heut zutage unmöglich, zur Steuerung des Schwibbogens eine diensteifrige Person abzustellen. Daher müssen wir auf allerlei Technik zurückgreifen.

Ich habe mich für dieses Projekt für einen Raspberry-Pi-Minicomputer als Steuereinheit entschieden. Der Raspberry ist ein kompletter Computer im Checkkartenformat. Alles drauf, was man so braucht. CPU, RAM-Speicher, USB, Grafikkarte, Audioanschluss, Netzwerk und vor allem 26 frei belegbare Pins. Das Ganze gibt es für einen Preis von 39 Euro. Eigentlich unschlagbar. Über den Minicomputer selbst werde ich mich hier nicht weiter auslassen. Da gibt es genügend Literatur, die das Gerät beschreibt. Einen Hinweis nur. Das ist ein Computer wie jeder andere, d.h. Betriebssystem (Linux) installieren, Treiber aus dem Internet ziehen, Einrichten des Systems und dann noch ein wenig in alter DOS-Manier programmieren. Das sind die Dinge, die einem bei der Arbeit mit solch einem Minicomputer erwarten. Aber auch da keine Angst, wie gesagt es gibt wirklich gute Literatur darüber.

Was für meinen Schwibbogen interessant ist, sind vor allem die frei belegbaren Pins. Die Pins kann man programmtechnisch als Ein- oder Ausgang definieren. An einen Ausgang kann man eine LED direkt anschließen und betreiben. Das ist für einen Schaltausgang schon beachtlich. 26 Ausgänge, an die ich 26 LEDs hängen kann. Das ist nicht schlecht, aber für den großen Gründerzeit-Schwibbogen viel zu wenig. Zum Zweiten sind es trotz alledem Schaltausgänge an die nicht direkt ein Verbraucher gehört.

Die logische Schlussfolgerung ist ein Hardware-Treiber zwischen den Verbrauchern und der Steuereinheit. Im Grunde sprechen wir von kleinen simplen Verstärkern. Aber wenn man nun einmal Leiterplatten und elektronische Bauteile anfassen  muss, dann kann man auch gleich noch etwas mehr herausholen.

So ist die folgende Schaltung entstanden:






Sieht auch wieder schlimmer aus, als es eigentlich ist. Ich versuche, die Schaltung und ihre Eigenschaften zu erklären. Die Schaltung besteht aus drei Teilen, die durch die senkrechten gestrichelten Linien getrennt sind.

Im linken Teil ist durch den 1K-Widerstand und den Eingangstransistor ein hochohmiger Eingang entstanden. Der Wert wird dabei auf  "hochohmig" gelegt. Hochohmig heißt, dass der Ausgang vom Computer nur wenig belastet wird. In unserem Fall benötigt ein Eingangssignal maximal 3 mA. Ich kann also an einen Ausgang des Raspberry bis zu 6 von diesen Eingängen parallel anschließen. Der Eingang ist aber auch für viele andere Signalgeber gut zu verwenden. Dazu muss man wissen, wo die Schaltpegel liegen. Der Pegel "LOW" ist gegeben, wenn ein Signal kleiner 0,5 V anliegen oder der Eingang offen ist. Der Pegel "HIGHT" ist gegeben, wenn eine Spannung von 2-12 anliegen. Wenn man nur mit einem einfachen Schaltkontakt arbeiten möchte, dann würde dieser Schalter zwischen 12V- und dem Eingang geklemmt werden und die Schaltung würde funktionieren. Der Eingangstransistor negiert das Eingangssignal. Man kann auch sagen, wenn am Eingang ein positives Signal angelegt wird, dann gehen hinten die Lichter aus. 

Im mittleren Teil der Schaltung ist eine Zeitverzögerung eingebaut. Das gegebene Signal vom Eingang muss erst einmal den Kondensator aufladen, bis die Transistorschwellspannung für den Endverstärker erreicht ist und dieser das Signal weiter geben kann. Das braucht Zeit! Die Ladezeit wird immer durch die Kombination von Widerstand und Kondensator bestimmt. Der Kondensator ist klar, da gibt es nur einen. Der Widerstand wird hier durch ein ganzes Widerstandsnetzwerk gebildet. Das ist notwendig, weil auch bestimmte Spannungswerte an bestimmten Stellen benötigt werden. Vereinfacht kann man sagen, dass die Widerstände R2, R8 und R7 für die Aufladezeit verantwortlich sind und die Widerstände R3, R9 und R7 für die Endladezeit. R7 kommt in beiden Ladezeiten vor. Deshalb habe ich diesen zu einem Einstellwiderstand gemacht. Damit kann die Ladezeit in gewissen Bereichen eingestellt werden. Soll die Schaltzeit grob verstellt werden, dann muss man mit dem Kondensator experimentieren. Lässt man den Kondensator ganz weg hat man einen Verstärker ohne Schaltverzögerung.

Im linken Teil der Schaltung kommt nun der eigentliche Verstärker. Das Besondere an ihm ist die eingebaute Strombegrenzung. T4 ist der Endverstärker-Transistor. Ich habe hier den gleichen kleinen Schalttransistor wie bei T1 und T3 verwendet, weil das für meine Leuchtdioden vollkommen ausreichend ist. Wenn man mit der Schaltung Glühlampen betreiben will, kann man diesen ohne Weiteres gegen einen größeren Transistor austauschen. Die Strombegrenzung wird durch den Transistor T1 realisiert. Warum eine Strombegrenzung? LEDs sind eigentlich unverwüstlich, solange man sie strommäßig nicht überlastet. Der wichtigste Parameter einer LED ist der maximale Strom. Ein üblicher Wert für Standard-LEDs ist dabei 20mA. Ich habe die Schaltung für einen Ausgangsstrom von 2-15mA ausgelegt. Wie geschieht das nun. Eigentlich auch ganz einfach. Der Strom, der über die extern angeschlossenen LEDs fließt, fließt auch über die Widerstandskette R1/R5. Die Basisströme der Transistoren vernachlässigen wie dabei einmal. Dieser Strom ruft einen Spannungsabfall über die Widerstände hervor. Wird der Spannungsabfall über R1/R5 größer als 0,7V (die Durchbruchspannung eines Silizium-Halbleiter-Überganges) dann beginnt T1 zu öffnen. Daraus folgt der Kollektor-Emitter-Widerstand von T1 wird geringer und zieht die Basisspannung von T3 gegen Masse. Daraus folgt wiederum, dass der Kollektor-Emitter-Widerstand von T3 größer wird. Ein größerer Widerstand bremst den Strom der durch die LEDs und die Widerstände R1/R5 fließt. Das Ganze nennt man einen Regelkreis. Den Strom stellt man dabei über die Widerstände R1/R5 ein. Dabei kommt die gute alte Widerstandsformel zum Einsatz.

R=U/I (Widerstand = Spannung / Strom)

Die interessante Spannung ist die oben erwähnten 0,7 V der gewünschte Strom geht von 2 -15mA. Daraus ergeben sich Widerstandswerte von 35 Ohm bis 350 Ohm. In der technischen Auslegung habe ich einen Festwiderstand von 39 Ohm und einen Einstellwiderstand von 250 Ohm gewählt. Mit dem Einstellwiderstand kann man nun den gewünschten Strom einstellen und somit die Endhelligkeit der LEDs festlegen.

Haben Sie alles verstanden? Wenn nicht dann noch einmal in ganz einfachen Worten:

Es funktioniert!

Diese Strombegrenzung hat einen weiteren Vorteil. Ich spare mir den sonst unentbehrlichen Vorwiderstand der LED. Der Regelbereich am Ausgang beträgt ungefähr 9V. Das eröffnet mir noch eine weitere Möglichkeit. Eine Standard-LED in Rot oder Gelb hat eine Nennspannung von ungefähr 2V. Das heißt, ich kann von diesen LEDs bis zu vier Stück in Reihe schalten und mit einer dieser Schaltungen betreiben. Weiße und blaue LEDs haben eine Nennspannung von ungefähr 4V. Von diesen könnte man 2 Stück in Reihe schalten.

Ein Hinweis noch zu guter Letzt. LEDs werden nie ohne Vorwiderstand parallel geschaltet. Der Grund ist recht einfach. Halbleiterübergänge sind nie identisch. Kleine Unterschiede können bewirken, dass der ganze Strom über eine LED fließt und damit die eine LED dunkel bleibt und die andere kaputt geht.

Zusammenfassend kann man sagen, dass die hier vorgestellte Schaltung aus einem einfachen Schaltsignal ein gedimmtes Signal macht und die Anzahl der anschließbaren LEDs an den verwendeten Minicomputer um den Faktor 24 erhöht. An jede Schaltung können 4 LEDs angeschlossen werden, von jeder Schaltung können 6 Stück an einen Ausgang des Minicomputers geschalten werden und 26 Ausgänge stehen zur Verfügung. Das ergibt eine maximale Anzahl von 624 LEDs. Aber so viele werden es dann doch nicht werden.

Für die, die sich an einem Nachbau versuchen möchten, noch einige Worte zur technischen Umsetzung. Ich habe die Schaltung auf einer Unileiterplatte mit Leiterstreifen aufgebaut. Dabei habe ich die Bauteile so angeordnet, dass ich die Leiterstreifen nur an einer Stelle (rote Markierung) auftrennen musste. Die folgende Abbildung zeigt den Belegungsplan von der Bauteilseite.




Auf meinen Leiterplatten habe ich immer 6 solcher Schaltungen vereint.




Für die Verbindung zur Außenwelt habe ich Steckkontakte mit eingelötet.




Zur einfachen Bestückung habe ich mir den Belegungsplan gleich auf die Leiterplatte graviert.


Die Leiterbahnen müssen bis auf wenige Ausnahmen (+ und -) zwischen den Schaltungen gekappt werden. Ich habe dazu einen 3mm-Bohrer verwendet.




Noch mal einen Blick auf die Rückseite.

Die Bauteile habe ich von www.reichelt.de bezogen. Da es immer müßig ist alles rauszusuchen hier noch eine Bauteilliste:




Der Text ist länger geworden als gedacht. Ich will hoffen es interessiert doch jemanden und vielleicht wird es ja auch mal nachgebaut.

Zum Schluss noch ein kleines Video um die Schaltung auch mal in Aktion zu sehen. Hier sind 6 von den Schaltungen zusammengeschaltet und jede Schaltung hat vier LEDs. Alle 24 Dioden des Adventskalenders werden mit einem Schaltausgang des Minicomputers bedient. Die Einstellungen der Schaltungen sind so gewählt, dass die mittleren Fächer zu erst angehen und bei voller Beleuchtung heller sind als die äußeren Fächer.




Inzwischen ist nun auch das Material für die Tontechnik eingetroffen. Das wird das Thema für das folgende Kapitel sein.

zu Teil 6, die Tontechnik

Zu den Holzbausätzen im Shop

Freitag, 13. Februar 2015

Schon fertig?

Hallo Familie Suchfort

Geschafft Anbei ein Bild, die Teile ließen sich gut und sauber ablösen und leicht verarbeitet. Mein Häuschen hatte aber erst O Beine und die Hausunterplatte hatte irgendwie nicht passen wollen. Naja habs ja noch gemerkt. Als Anfänger denke ich ist mir das Haus gelungen und ich denke über die Wandpyramide nach. Bin aber noch am Grübeln ob ich diese schaffe.

Lg C. Schubert



Schon fertig? Wir haben es doch gerade erst verschickt. Da brauchen Sie für die Wandpyramide auch nicht viel mehr Zeit und der Winter ist noch lang!

Danke für das Foto und die netten Zeilen.

Viele Grüße aus dem zur Stunde recht sonnigen Erzgebirge
Matthias Suchfort, DAMASU-Holzkunst