28. November 2016

Winterprojekt: LED there be light – Aufbau der Anzeige

Die Grundlegende Hardware liegt vor und die Software ist eingerichtet. Also wird das Winterprojekt Digitaluhr nun konkreter. Im Folgenden soll die Anzeige entstehen, die ich schrittweise entwickeln möchte. Zunächst mit einer externen, blinkenden LED, wie in diesem Film.

Die technische Basis

Die Ziffern der Uhr werden mit 7-Segmentanzeigen aufgebaut. Zuerst beginne ich mit der Ansteuerung einer einzelnen externen LED. Die späteren Ziffern sind genauso zu betreiben. Die Segmentanzeigen bestehen allerdings aus mehrere Dioden.

Das aktive Element: die LED

LED ist die Abkürzung für light-emitting Diode, zu deutsch Licht-emittierende Diode. Inzwischen kennen wir sie als Strom sparende Alternative zu Glühlampen. Die Stromsparer bestehen dabei aus den eigentlichen Leuchtdioden und ein wenig Elektronik.

Aktives Bauelement LED
Eine blaue LED

Eine einzelne LED aus dem Elektronik-Laden sieht z.B. aus wie im folgenden Bild. Es gibt sie in unterschiedlichen Größen.

Als Diode leitet sie nur in eine Richtung. Die Anode ist mit dem Pluspol zu verbinden, die Kathode mit dem Minuspol. Nur bei dieser Polung leuchtet die LED. Sollte eine Leuchtdiode bei einem Aufbau also nicht wie erwartet funktionieren, sollte deshalb der Steckrichtung überprüft werden. Die Anode ist im Build am längeren Anschluss zu erkennen.

Die LED leuchtet ab einer bestimmten Spannung, die von der Farbe abhängig ist (siehe auch Elektronik Kompendium). Für rote Dioden ist das 1,6 Volt. Bei blauen wie im Beispiel immerhin schon 2,9 Volt. Erst nachdem diese Spannung überschritten ist, leuchtet die Diode. Die Betriebsspannung des Arduino beträgt nun 5V. Das ist über der Grenzspannung, aber auch oberhalb der zulässigen Marke von ca. 4V. Deshalb ist für Leuchtdioden regelmäßig ein Vorwiderstand erforderlich.

Der Widerstand

Strom begrenzen, Spannungen teilen, Widerstände sind passive Bauteile und werden häufiger gebraucht. Hier eben als Vorwiderstand zur LED. Details über Widerstände gibt es z.B. auf Wikipedia. Hier gibt es unter Anderem auch den Farbcode, mit dem der Wert eines Widerstandes ablesbar ist.

Größe des Torwiderstand ermitteln

Die Grundlagen der Widerstandsberechnung können im Internet gefunden werde, beispielsweise im Elektronik Kompendium. Des Weiteren findet sich dort ein Widerstandsrechner. Am Widerstand sollen 5 – 2,9 = 2,1 Volt abfallen also quasi “vernichtet werden”. Die LED benötigt einen Strom zwischen 10 und 20 mA. Der Widerstandsrechner schlägt hier 18 mA vor. Das ist nicht der maximal mögliche Wert, ein Sicherheitsabstand schadet aber nicht.

Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes ergibt sich aus 2,1 Volt / 0,018 A = 116,66 Ohm. Sicherheitshalber sollte dieser Wert eher auf- als abgerundet werden. Der nächste Wert aus den typischen Reihen ist dann 120 Ohm (Farbcode braun, rot, braun).

Der Aufbau

Auf Bilder und Videos, wie das in der Einleitung, ist der Aufbau eher schwer zu erkennen. Deshalb möchte ich den Aufbau in Schalt- und Steckplänen dokumentieren. Mit Hilfe von Fritzing – einem freien Programm – ist das Ergebnis durchaus ansehnlich.

Schaltplan

Schaltplan externe LEDDer Schaltplan enthält nur die wesentlichen Informationen. In diesem Fall das Arduino-Board, den Widerstand, die Leuchtdiode und natürlich die Verbindungen der Bauteile.

Für die externe Ansteuerung, habe ich den digitalen Ausgang zwölf gewählt. Als Programm dient wieder Blink wie im letzten Beitrag, nur ist der Ausgang geändert, damit ist nachvollziehbar, dass die Programmänderung wirksam ist.

Am Ausgang direkt ist der Widerstand mit einem der beiden Drähte angeschlossen, die andere Seite führt zur Anode der Leuchtdiode, der Anode. Im Bild oben war das der längere der beiden Anschlüsse. Die andere Seite wird an Masse (Englisch “ground” – GND) am Board angeschlossen. Das Symbol der Diode deutet als Pfeil die Flussrichtung an. Schaltet das Programm den Ausgang nun auf an, high, 5 Volt, so heutet die LED.

Der Aufbau

Der Aufbau – wie im Video der Einleitung zu erkennen – ist erst mal auf einem Steckbord realisiert.

Aufbau auf der Steckplatine

Wichtig ist hier auf die richtige Polung der LED zu achten. Falls sie nicht wie erwartet blinkt, könnte ein drehen helfen.

In der Entwicklungsumgebung kann nun, wie im letzten Blog, das Blink-Programm aufgerufen werden. Hierin ist nun die Portnummer sowohl in setup() als auch in loop() von 13 auf 12 zu ändern. Hochladen in den Arduino und schon geht es los.

Als nächstes geht es weiterhin um die Anzeige der Digitaluhr. Anstelle der einzelnen LED soll dann eine 7-Segementanzeige Ziffern anzeigen.

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