LED Driver
Entwicklung einer PWM-basierten LED-Dimmer-Schaltung und Custom-PCB für Ambient-Lighting-Anwendungen.
Ich bin kein Elektrotechniker
Während der Arbeit am Projekt Ambient Light stand ich vor der scheinbar simplen Aufgabe, eine LED zu dimmen. Das dafür nötige PWM-Signal sollte möglichst direkt und ohne unnötige Zwischenkomponenten erzeugt werden. Die perfekte Übung, um elektrotechnische Fähigkeiten zu trainieren. Vorab: Ich bin kompletter Anfänger und habe keinen professionellen Hintergrund in diesem Bereich.
Trotzdem musste ich feststellen, dass die Erstellung von Platinen einen viel unkomplizierteren Planungs- und Herstellungsprozess sowie Reproduzierbarkeit der Produkte ermöglicht. Indem ich meine Erkenntnisse hier zusammenfasse, hoffe ich, anderen Designer·innen ein wenig helfen zu können. An dieser Stelle ein großer Dank an Elias Mack, einen echten Elektrotechniker, der mir mit seinem professionellen Input sehr geholfen hat.
Was ist PWM
Wie bereits erwähnt, braucht das Dimmen einer LED ein PWM-Signal. Aber was ist das? Es ist, stark vereinfacht, ein Rechtecksignal mit zwei diskreten Zuständen: An und Aus. Die Dauer der Ein- und Ausschaltphase – auch Duty Cycle genannt – lässt sich über ein Potentiometer steuern. Um dieses Signal zu erzeugen, bauen wir einen astabilen Multivibrator mit einem NE555 Timer-IC im Kern. Mit Hilfe gängiger Widerstände, einiger Kondensatoren und eines 10kΩ Potentiometers konstruieren wir unsere Schaltung wie im CircuitJS-Sketch unten gezeigt. Ins Detail zu gehen würde den Rahmen dieses Artikels sprengen, aber wer mehr wissen möchte, findet hier weitere Informationen.
Um den maximalen Duty Cycle zu begrenzen, haben wir einen 2,2kΩ Widerstand eingebaut. Je nach Anwendung ist dieser Widerstand möglicherweise nicht nötig. In diesem Fall wird das Ausgangssignal an eine Treiberstufe gesendet, die den Strom zur LED über einen Mosfet leitet. Je nach Anwendungsfall kann die Struktur der Treiberstufe natürlich variieren. Auch der LED-Vorwiderstand, der in unserem Fall 7,5kΩ beträgt, sollte an das verbrauchende Gerät angepasst werden. Wenn zum Beispiel ein DC-Motor gesteuert wird, sollte eine H-Brücke verwendet werden...
Die Platine drucken
Nachdem die richtigen Komponenten gewählt und die Schaltung auf einem Breadboard getestet wurden, können wir entweder die Komponenten auf eine Lochrasterplatine löten oder eine Leiterplatte produzieren. Der Vorteil einer Leiterplatte ist, dass das Löten der Komponenten einfacher durchgeführt werden kann und die Reproduzierbarkeit besser ist. Diese Platinen sollten wenn möglich regional hergestellt werden. Gerber-Dateien können zum Beispiel mit der Autodesk®-Software Eagle erstellt werden.
Die Komponenten löten
Um die Komponenten auf die Platine zu löten, brauchen Sie ruhige Hände, einen Lötkolben (am besten mit Temperaturregelung), bleifreies Lötzinn, Entlötlitze und, falls gewünscht, eine Platinenhalterung. Heizen Sie Ihren Lötkolben auf die auf Ihrem Lötzinn angegebene Temperatur auf. Niedrige Komponenten kommen zuerst. Die Komponenten werden mit Hilfe einer Biegelehre auf die richtige Lochgröße gebogen und dann so weit wie möglich eingesteckt. Bei platzierter Komponente biegen Sie die kleinen Drahtbeine um, damit die Komponente nicht herausrutscht. Jetzt drehen Sie die Platine um und erhitzen das Kupferpad auf der Unterseite der Platine etwa drei Sekunden lang. Bringen Sie Lötzinn an die Lötstelle und warten Sie, bis sich das Zinn um den Pin der Komponente und die Kupferplatte legt. Jetzt ziehen Sie das Lötzinn weg und – kurz danach – den Lötkolben. Warten Sie, bis die Stelle abgekühlt ist, kneifen Sie den überschüssigen Draht ab, und fertig! Ich bin selbst kompletter Anfänger und hatte bei diesem Projekt viel Hilfe von Elias Mack. Glücklicherweise gibt es viele Tutorials da draußen.
Fertig!
Sie müssen nur noch alle externen Komponenten wie Potentiometer, LED und Stromquelle an die Platine anschließen. Sie haben jetzt eine zuverlässige und reproduzierbare Schaltung.