LED Skalenbeleuchtung mit einem Arduino

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1 Projektteil: LED Skalenbeleuchtung mit einem Arduino Aufgaben: - Ein Taster schaltet die LED-Beleuchtung ein - Nach Ablauf einer im Programm hinterlegten Zeit schaltet sich die Beleuchtung von selbst wieder aus. - Alternativ kann die Beleuchtung durch nochmaliges drücken des Tasters jederzeit ausgeschaltet werden. - Die Helligkeit der Beleuchtung kann über einen Potentiometer eingestellt werden. - Bei Nullstellung des Potentiometers ist die Beleuchtung nicht dunkel sondern leuchtet mit sehr geringer Intensität. Spannungs- / Stromversorgung Arduino Board 7-12V -> gewählt 9V Diese kann von einem einfachen Spannungsregler (z.b Typ 7809) auch aus einer Autobatterie erzeugt werden. Die Verlustleistung an den LED-Vorwiderständen ist geringer. LED (Jumbo LED rot) gemessen: 2,00 V / 20 ma 2,10 V / 25 ma 2,20 V / 33 ma [Jb / ] Stromverbrauch LED s: Auslegung: 3 Skalen á 3 LED s = ca. 180 ma gesamt Anmerkung: Für jeden Pin des Arduino Boards werden 20mA empfohlen, maximal sind 40 ma pro pin zulässig. Als maximaler Ausgangs-Strom für das Gesamte Board sind 200 ma angegeben. Um nicht für jede LED einen pin zu verbrauchen und um Reserven zu haben sowie das Board sicher nicht zu überlasten müssen die LED s mit einem Verstärker geschaltet werden. Ein Relais kann nicht verwendet werden, da dies nicht für eine PWM (Puls Weiten Modulation) für die Helligkeitsregulierung geeignet ist. Gewählt wird als Leistungsschalter ein MOSFET der direkt vom Arduino angesteuert werden kann, Typ IRL540 Quelle: Um die LED s an der gewählten 9V Versorgungsspannung zu betreiben zu können ist ein Vorwiderstand erforderlich: Variante 1: jede LED mit einem Vorwiderstand von 340 Ω, 1/4W versehen. (Siehe LED Berechnung Variante 1 im Anhang) Nachteil: Viele Bauteile (Widerstände) erforderlich und 340 Ω sind nicht zur Hand. Diese müssten also jeweils durch eine Widerstands-Reihenschaltungen aufgebaut werden was für den Versuch noch mehr Bauteile erforderlich macht. 1

2 Variante 2: Alternativ könnten die jeweils 3 LED s einer Skalenbeleuchtung mit nur einem Vorwiderstand betrieben werden. Gemäß der LED Berechnung Variante 2 im Anhang ergibt sich dann folgender Wert: 1 Stück Vorwiderstand von 113 Ω, 1/2 W Dieser wird durch eine Reihenschaltung von Widerständen aufgebaut die für Versuche zur Hand sind: 2 Stück á 51 Ω und ein Stück 10 Ω, jeweils 1/4 Watt. Test-Aufbauten Analogeingänge Belegung Arduino Board (Um die Digitaleingänge für spätere Versuche mit dem Schrittmotor freizuhalten werden auch die Taster auch auf die Analogeingänge gelegt) A0 Potentiometer 10 kω A1 Taster 1 grün A2 Taster 2 gelb (Taster 2 als Reserve für weitere Versuche, wird hier nicht verwendet) Digitalausgänge Pin 12 Pin 11 für Schaltversuche (ein / aus) für Helligkeitsregelung (PWM) 2

3 Versuch 1: Funktion des Leistungsschalters testen. Anschlüsse und Schaltschema: MOSFET IRL 540 N Schaltung: Anmerkung: Die hier und im Folgenden angegebenen Wert für Spannung (blau) und Strom (rot) sind die im Versuchsaufbau gemessenen Werte. 3

4 Versuch 2: Schaltung und Ansteuerung der LED s gemäß o.g. Variante 2 mit MOSFET testen. Spannungen und Strom ermitteln. Versuch 3: Schaltung wie Versuch 2, aber den 3.Widerstand (10 Ω) weglassen. Ergebnisse: - Schaltung funktioniert. - MOSFET schaltet sicher durch. - Helligkeitsregelung über PWM (Puls Weiten Modulation) funktioniert. - Messwerte Spannungen und Strom zeigen das 10 Ω nicht notwendig ist. Leistungen an den Widerständen: U x I = 0,244W, d.h. ¼ Watt Type lässt sich verwenden - Bei Ausfall einer LED (R = Ω) steigen der Strom und die Spannung nur geringfügig an. D.h. die Bauteile (auch die restlichen LED s) werden nicht gefährdet. 4

5 Foto Versuchsaufbau Gesamtansicht LCD-Display (für andere Versuche) Schaltung gemäß Versuch 3 Potentiometer Arduino Microcontroller Board Taster Helligkeits-Regelung Wie eingangs beschrieben soll die Helligkeit der Beleuchtung über den am Analogeingang angeschlossenen Potentiometer eingestellt werden. Bei Nullstellung des Potentiometers soll die Beleuchtung nicht aus sein sondern mit einer geringen Intensität leuchten. Grundlagen: Der Potentiometer erzeugt am Analogeingang A0 je nach Stellung eine Spannung zwischen 0 und 5V. Diese wird vom im Arduino integrierten 10-bit analog / digital Wandler in ein Signal von 0 bis 1023 umgewandelt. Der Digital-Ausgang Pin 11 generiert beim Programm-Befehl analogwrite ein PWM-Signal bei 490 Hz. Die zulässigen Werte sind 0 bis

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