LED-Fader

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Fürs Treiben und Dimmen von LEDs gibt es inzwischen ja schon eine ganze Menge Vorschläge bei www.LED-Treiber.de.

Damit noch etwas mehr sichtbare Dynamik ins LED-Geschehen kommt, sollen an dieser Stelle nun auch Schaltungen vorgestellt werden, die die LED-Helligkeit mehr oder weniger automatisch verändern.

Zum leichten Einstieg gibt es eine einfach nachzubauende 3-Kanal-Fader-Schaltung (z.B. für RGB-LEDs), die ausschließlich mit verbreiteten Standard-ICs und ganz ohne Mikrocontroller auskommt.

Allerdings ist der Verdrahtungsaufwand im Vergleich zu einer Mikrocontroller-Lösung entsprechend höher und die Flexibilität etwas eingeschränkt. Dafür spart man sich bei dieser reinen Hardware-Realisierung das Programmieren und es wird ohne Umwege direkt eine analoge Überblend-Steuerspannung erzeugt, was u.U. auch seine Vorteile hat.

Bitte beachten: Der RGB-Fader benötigt zusätzlich pro Kanal jeweils einen analog dimmbaren LED-Treiber!


Der kurze Weg geht hier entlang:

Falls es per AVR-µC und (wenig) Software sein darf, hier als Anregung ein Crossfader, der per Poti (oder ggf. per Drehgeber) bedient wird:


Analoger RGB-LED-Fader (22.11.2005)

Die folgende Schaltung realisiert einen 3-Kanal-Fader, der mittels geeigneten LED-Treibern automatisch nacheinander drei verschiedene LEDs (oder LED-Gruppen) zum Leuchten bringt, wobei die Übergänge zwischen zwei LEDs (bzw. LED-Gruppen) mittels gleichzeitigem Aus- bzw. Einblenden (= Überblenden) erfolgen.

Die Gesamtzykluszeit beträgt bei der angegebenen Dimensionierung etwa eine Minute (abhängig von Bauteiletoleranzen) und die Überblendzeit etwa vier Sekunden, d.h. die drei verschiedenen LEDs (bzw. LED-Gruppen) leuchten nacheinander jeweils ca. 16 sec konstant mit (einstellbarer) maximaler Helligkeit.

RGB-LED-Fader

[Sorry, die Bildauflösung des Schaltplanes konnte zugunsten besserer Lesbarkeit nicht kleiner gemacht werden. Zum Ausdrucken einfach das Bild mittels rechter Maustaste kopieren und in ein Dokument im Querformat einfügen.]

Zyklisch im Kreis

Das Prinzip der vorgestellten Schaltung ist ein Ring-Oszillator, der aus drei CMOS-Timer-555-basierenden Monoflops IC1, IC2 und IC3 aufgebaut ist, die sich nacheinander gegenseitig triggern.

Damit das Ganze zyklisch im Kreis läuft, wird der Ausgang des letzten Monoflops (IC3) auf den Trigger-Eingang des ersten (IC1) zurückgeführt.

Statt dem vorgeschlagenen TLC555 lassen sich natürlich auch äquivalente CMOS-Ausführungen anderer Hersteller verwenden, (ICM7555, LMC555, TS555 etc.) ggf. könnte man zwei der TLC555 in einem TLC556 (etc.) zusammenfassen.

Langsam steigende und fallende Flanken

Die an den Ausgängen der Monoflops anstehenden Rechtecksignale QR, QG und QB werden mittels invertierenden Integratoren (Umkehrintegratoren) IC5A, IC5B und IC5C in Trapezsignale ROT, GRÜN und BLAU umgewandelt und zwar so, dass jeweils eine fallende und eine steigende Rechteckflanke zwei sich überschneidende steigende bzw. fallende Trapezflanken ergeben – eben die gewünschten Überblendspannungen.

Letztere werden zur Pegelanpassung per Spannungsteiler (gestrichelter Bereich im Schaltplan) auf die Steuereingänge dreier spannungsgesteuerter LED-Treiber (wie z.B. jenem mit dem TDA2050; der Spannungsteiler ist in der Fader-Schaltung passend dimensioniert) gebracht, die schließlich einen zeitlich veränderlichen, nämlich zur Steuerspannung proportionalen LED-Strom erzeugen.

Alle LEDs aktiv

Je nach verwendeten LEDs möchte man vermutlich deren Helligkeit individuell einstellen, denn verschiedene LED-Farben sind bei gleichen LED-Typen und gleichem LED-Strom nicht unbedingt gleich hell. Hierzu dienen in der Fader-Schaltung die Potis R13, R14 und R15.

Die Vorwiderstände R16, R17 und R18 legen den maximal möglichen (zulässigen) LED-Strom fest, abhängig von der maximalen Ausgangsspannung der Operationsverstärker (typ. 4V) und der Empfindlichkeit des jeweils angeschlossenen LED-Treibers.

Damit man die jeweiligen LED-Helligkeiten direkt vergleichen kann, aktiviert man alle LEDs gleichzeitig und zwar mittels Schalter (oder Taster) S1, mit dem auch die restlichen beiden LEDs zusätzlich zur gerade leuchtenden LED langsam eingeblendet werden.

Der freie vierte Operationsverstärker IC5D wird zur Entkopplung der Reset-Signale des zweiten und dritten Monoflops (IC2, IC3) verwendet. Beim Öffnen von S1 werden diese beiden Stufen verzögert freigegeben, wodurch nur eine der LEDs schließlich ein bleibt und die beiden anderen Farben ausgeblendet werden.

Unsymmetrie bei der LED-Leuchtdauer

Aufgrund der gleichen Zeitkonstanten bei IC1, IC2 und IC3 ist die Leuchtdauer bei ROT, GRÜN und BLAU erwartungsgemäß gleich. Allerdings sind die Toleranzen bei den Elkos C1, C4 und C7 meist relativ groß, so dass die Zeitkonstanten an dieser Stelle evtl. streuen, was aber bei den langen Leuchtzeiten weniger auffällt.

Möchte man die verschiedenen Farben bewusst unterschiedlich lange leuchten lassen, muss man nur die Zeitkonstanten R1*C1, R4*C4, R7*C7 der Monoflops unterschiedlich dimensionieren.

Verzwickte Verhältnisse

Jedoch spätestens jetzt fällt dem Anwender auf, dass sich bei Änderung einer einzigen Zeitkonstanten NICHT die Leuchtdauer der zugehörigen LED ändert! Das kommt daher, dass immer ZWEI Monoflops aktiv (deren Ausgang Q auf ca. 5V) sind, die wegen der Invertierung der Integratoren die AUS-Zeit der zugehörigen beiden LEDs bestimmen und das jeweilige nicht aktive Monoflop (dessen Ausgang Q ist nahe GND) bestimmt die LED-Leuchtdauer der dritten Farbe.

Ohne auf alle Feinheiten des durchaus interessanten Ring-Oszillators einzugehen (so z.B. dass die einzelnen Monoflops durch einen kurzen Impuls nachgetriggert werden), kann man zusammenfassend sagen, dass sich die individuelle LED-Leuchtdauer aus der Zeitkonstanten des vorausgehenden (!) Monoflops ergibt.

Kunterbunt

Bei obiger Beschreibung wurde davon ausgegangen, dass jeweils nur eine rote, eine grüne und eine blaue LED nacheinander individuell angesteuert wird – dank Analog-Fader mit automatischer Farbüberblendung.

Natürlich kann man je nach verwendetem LED-Treiber auch eine ganze Zahl gleichfarbiger LEDs in Reihe schalten, die nach irgend einem regelmäßigen oder gar unregelmäßigen Muster räumlich verteilt sind.

Und wem das immer noch nicht bunt genug ist, der mischt die Farben untereinander, d.h. jeder der drei LED-Treiber versorgt gleichzeitig verschiedene Farben.

Allerdings lassen sich dann nur noch die Ströme gleicher Stränge und nicht mehr gleicher Farben individuell einstellen, es sei denn, man verwendet weitere LED-Treiber, die jeweils nur eine LED-Farbe versorgen und deren LED-Strom individuell eingestellt werden kann.

Analoge Vorzüge

Wie eingangs erwähnt, erzeugt der vorgestellte RGB-LED-Fader mit reichlich geringem Bauteileaufwand eine analoge Überblend-Steuerspannung, mit der ein spannungsgesteuerter LED-Treiber direkt angesteuert werden kann.

Alternativ könnte man das Überblenden auch mittels PWM realisieren, wie man es naheliegender Weise mit einem Mikrocontroller machen würde.

Die vorgestellte analoge Methode hat jedoch einen unschlagbaren Vorteil:

    Sie erzeugt bei einer räumlich weit verteilten LED-Anordnung keine Störungen wie es bei einer PWM-basierenden Lösung der Fall sein kann, wenn die gepulsten LED-Ströme über längere Zuleitungen zu verteilten LEDs geführt werden müssen.

Außerdem ist der analoge RGB-LED-Fader video- und fototauglich!

Nachbau-Tipps

Die für die LED-Leuchtdauer zuständigen Kondensatoren C1, C4 und C7 werden aufgrund der großen Kapazität zwangsläufig Elkos sein. Wie bereits angedeutet, streuen die Kapazitätswerte solcher Kondensatoren u.U. stark.

Bei den Überblend-Integratoren kommen für C3, C6 und C9 wegen der Umladung von positiven zu negativen Spannungswerten (und umgekehrt) nur bipolare Ausführungen (also keine Elkos!) in Frage.

Am besten geeignet sind Folienkondensatoren, deren 1µF-Ausführungen noch eine akzeptable Größe haben.

Allerdings muss man dann wegen der relativ kleinen Kapazität die zugehörigen Widerstände R3, R6 und R9 entsprechend hochohmig auslegen. Für längere Überblendzeiten sollte man diese Widerstände aber nicht größer als 2,2MΩ wählen, sondern stattdessen lieber mehrere Kondensatoren parallel schalten, falls man nicht größere Kapazitäten zur Verfügung hat.

Höhere Steuerspannungen

Falls höhere Steuerspannungen wie z.B. im Bereich 0-10V gewünscht sind, erhöht man die Versorgungsspannung der ganzen Schaltung mittels LM78L12 statt dem LM78L05 (oder einem LM317L nebst zwei Widerständen) einfach von 5V auf 12V (wegen nicht vollem Hub an den Operationsverstärkerausgängen) und passt den Ausgangs-Pegel mit geänderten Ausgangsspannungsteilern (gestrichelter Bereich im Schaltplan) auf die gewünschten max. 10V an.

Die Eingangsspannung Uv kann dann bei +(15...24)V liegen. Bei Verwendung eines LDO-Reglers statt einem LM78L12 darf es auch etwas weniger sein.

Durch die höhere Versorgungsspannung müssen die Überblendzeitkonstanten neu dimensioniert werden (größere Kapazitätswerte bei gleicher Überblendzeit – aber keine Elkos, s.o.!).

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Simple-Fader (30.12.2006)

Falls man mit einem 5V-Logik-Signal (ggf. einen Pull-Up-Widerstand nach +5V vorsehen) eine LED linear ein- bzw. ausdimmen möchte, kann dieser Simple-Fader verwendet werden. Aufgrund der 5V-Versorgung kann er in der dargestellten Schaltung aber nur eine LED treiben.

Falls man jedoch noch eine weitere (höhere) Versorgungsspannung zur Verfügung hat, könnte man dennoch mehrere LEDs in Serie schalten und die Anode der obersten LED an diese weitere Versorgungsspannung anschließen (aber die Verlustleistung in T1 beachten!).

Simple-Fader für 30mA LEDs


Der Simple-Fader ist an den RGB-Fader angelehnt (Details siehe dort) und dank Dual-Operationsverstärker TLC272 (bzw. äquivalente Ausführung) fällt ein 30mA-LED-Treiber auch gleich dabei ab. Allerdings kann die TLC27x-Familie keine großen Ausgangsströme treiben, weswegen der MOSFET T1 nötig ist, der diesen LED-Treiber sogar zum LDO-LED-Treiber macht.

Am Ausgang von IC1A stellt sich bei U_in=GND beim TLC27x auch nur max. ca. 4V (und nicht 5V) ein, woraus mittels Spannungsteiler R6/R5 die Stromquellen-Steuerspannung U2 von max. ca. 120mV erzeugt wird.

Der LED-Strom ergibt sich schließlich aus der Beziehung

I_led = U2/R1

wobei der maximale LED-Strom entweder per Poti R5 einstellbar gemacht werden kann (festgelegt durch das maximale U2). Oder man verzichtet auf die Einstellung und sieht statt dessen einen Festwiderstand R5 vor.

Mit R5=1k Ohm (Festwiderstand) und R1=3,9 Ohm erhält man max. 30mA LED-Strom. Mit R5=680 Ohm (Festwiderstand) wäre der maximale LED-Strom dann nur 20mA.

Die Fade-In-/Fade-Out-Zeit wird durch C1 und R4 bestimmt und beträgt bei der angegebenen Dimensionierung ca. 4 sec. Für C1 kommt nur ein nicht-polarisierter Kondensator (also KEIN Elko!) in Frage.

Mit dem verwendeten MOSFET BS170 kann man bei Bedarf durchaus auch einen etwas größeren LED-Strom treiben (z.B. für eine Megabright-LED) indem man R1 entsprechend kleiner wählt.

Falls man den Ruhestrom des Simple-Faders noch weiter reduzieren möchte, könnte man für IC1 z.B. den TS27L2 verwenden und die Spannungsteiler R2/R3 und R5/R6 etwas hochohmiger auslegen.

Zu guter Letzt soll nicht verschwiegen werden, dass man die Funktion des Simple-Faders natürlich mit einem Mikrocontroller per Soft-PWM (Pulsweitenmodulation) noch viel simpler (und flexibler) machen kann ...

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