1.2.1 Aufgabenstellung

Neben der Helligkeitseinstellung der Beleuchtung am smarten Nachttisch durch die Halogenlampe soll mit Hilfe von Leuchtdioden, durch Farb- und Helligkeitsvariation, für besondere Stimmung gesorgt werden. Das Ambiente soll manuell gesteuert werden, jedoch werden das Tageslicht und die Temperatur einen ständigen Einfluss haben, sodass sich das Ambiente auch den äußeren Gegebenheiten anpasst. Die Helligkeit draußen ist proportional zur Helligkeit des Ambientelichtes. Und je wärmer es draußen ist, desto rötlicher wird das Licht, je kälter es draußen ist, desto bläulicher wird das Licht. Dennoch sollen eigene Wunschvorstellungen nicht eingeschränkt werden, sodass mit Hilfe von Drehreglern entgegengesteuert werden kann. Faruk, Felix, Kemal und Moritz haben eine Untergruppe gebildet, um diese Vorstellungen realisieren zu können.

1.2.2 Schaltung

Mit Hilfe der Kombination aus den Farben rot, grün und blau können alle Farben der menschlichen Wahrnehmung eingestellt werden. Daher müssen die roten, grünen und blauen LEDs unabhängig voneinander dimmbar sein. Bei LEDs ist die Helligkeit des Lichtes sehr stark linear zum Strom, sodass sich die Pulsweitenmodulation für die Dimmung eignet. Bei der Pulsweitenmodulation wird ein analoges Eingangssignal mit einem an- und absteigenden Signal mit Hilfe eines Komparators verglichen. In Abhängigkeit davon, ob der Wert des Eingangssignals größer oder kleiner als der Wert des an- und absteigenden Signals ist, liegt am Ausgang entweder die positive oder negative Betriebsspannung des Komparators an. Dadurch ergibt sich ein Rechtecksignal, dessen Pulsweite somit modulierbar ist. Mit Hilfe dieser Rechteckspannung kann ein Transistor gesteuert werden, sodass der Strom durch die Verbraucher, die in diesem Fall Leuchtdioden sind, ständig in einer bestimmten Frequenz ein- und ausgeschaltet werden. In Abhängigkeit von dieser Frequenz bzw. des Tastgrades ergibt sich ein mittlerer Strom, sodass über den Tastgrad die Helligkeit der LEDs gesteuert werden kann. Das analoge Eingangssignal soll dabei nicht nur manuell über Präferenzsignale eingestellt werden, sondern auch vom Temperatur- und Helligkeitssignal der Busleitungen abhängen. Die Steuerung des Eingangssignals durch die Bussignale wird mit invertierenden Addieren und Subtrahieren realisiert. Insgesamt ergibt sich dann das folgende Blockschaltbild:

Unter der Steuerung mit Operationsverstärkern ist die Addition und Subtraktion des manuell gesteuerten Signals mit den Bussignalen gemeint, wobei das manuell eingestellte Signal mittels eines Potentiometers zwischen 0V und 5V gesteuert wird. Dies soll mit einem invertierenden Addierer verwirklicht werden, dessen innerer Schaltungsaufbau im Folgenden dargestellt ist:

Das Helligkeitssignal soll bei allen Präferenzsignalen addiert werden, damit erreicht werden kann, dass bei steigender Helligkeit draußen die Beleuchtung im Raum heller wird, und andersherum. Das rote Präferenzsignal wird mit dem Temperatursignal addiert, sodass bei steigender Temperatur das Eingangssignal der Pulsweitenmodulation größer wird und somit der Tastgrad steigt. Dadurch wird das Licht rötlicher. Beim blauen Eingangssignal dagegen wird eine Addition mit dem invertierten Temperatursignal durchgeführt, also wird das Temperatursignal subtrahiert, sodass das Licht bläulicher wird, wenn die Temperatur abnimmt.

Die Funktionsweise der Pulsweitenmodulation ist oben beschrieben worden und soll nun anhand des Aufbaus schaltungstechnisch erklärt werden:

Die Pulsweitenmodulation besteht aus einem Dreiecksignalgenerator und einem Komparator, der dieses Dreieckssignal mit dem analogen Eingangssignal vergleicht und somit ein Rechtecksignal am Ausgang entsteht, weil die positive Betriebsspannung vom Komparator weitergegeben wird, wenn das Eingangssignal größer als der Wert des Dreieckssignals ist. Die negative Betriebsspannung des Komparators wird weitergegeben, wenn das Eingangssignal kleiner als der Wert des Dreiecksignals ist. Der Dreiecksgenerator besteht aus einem Schmitt-Trigger und einem Integrator. Mit dem Schmitt-Trigger wird am Ausgang ein Rechtecksignal erzeugt. Er arbeitet als Komparator mit einer Mitkopplung mit Hilfe einer Hysterese, wobei die Mitkopplung die Entstehung zweier Umschaltpunkte bewirkt. Die Referenzspannung bildet sich über einen Spannungsteiler am Ausgang. Beim Vergleich der beiden Eingangssignale wird entweder die positive oder negative Betriebsspannung weitergegeben, somit entsteht die Rechteckspannung. Angekommen am Integrator wird dieses Signal integriert und es entsteht die geforderte Dreiecksspannung für die Pulsweitenmodulation. Das Verhältnis der Kapazität des Kondensators C zum Widerstand R3 bestimmt die Frequenz und das Verhältnis der Widerstände R1 und R2 zueinander bestimmt den Peak-to-Peak-Wert des Dreieckssignals.

Die in LTSpiceIV simulierte Schaltung ist in Abbildung 4 als Gesamtschaltung dargestellt und orientiert sich am Aufbau des Blockschaltbildes.

Um die Schaltung besser erklären zu können, wird die Gesamtschaltung in die Schaltung der roten, blauen und grünen LEDs unterteilt.

1.) Schaltung der blauen LEDs

Der Vorfaktor der invertierten Addition R5 wird 20kΩ gewählt. Die Widerstände R6, R7 und R8 sind gleich groß bzw. 30kΩ, sodass das invertierte Temperatursignal, das blaue Präferenzsignal und das Helligkeitssignal mit derselben Gewichtung zueinander addiert werden. Um für das analoge Eingangssignal der Pulsweitenmodulation einen Spannungsbereich von -5V bis 5V zu erreichen, wird der Widerstand des Offset von -5V auf 60kΩ gesetzt.

2.) Schaltung der grünen LEDs

Da das Temperatursignal keinen Einfluss auf das grüne Eingangssignal hat, werden bei der invertierten Addition der grünen Schaltung die Signale der Helligkeit, der grünen Präferenz und des Offset von -5V miteinander addiert, wobei die Gewichtung bei allen gleich groß ist, weil R17, R19 und R20 30kΩ sind. Somit liegt das analoge Eingangssignal auch hier wie gefordert bei -5V bis 5V.

 

Auf der Abbildung 4 ist auch der Dreiecksgenerator zu sehen. Um eine Frequenz von ¨über 400Hz beim Dreieckssignal zu erhalten, wird C = 5nF und R33 350kΩ gewählt, wodurch verhindert wird, dass das Flackern bei den LEDs wahrgenommen werden kann. Damit die analogen Eingangssignale der Pulsweitenmodulationen mit den Dreieckssignalen sinnvoll an den Komparatoren verglichen werden können, wird R43 50kΩ und R35 120kΩ eingestellt, sodass der kleinste Wert des Dreieckssignals -5V und größte 5V beträgt, wie im Folgenden zu betrachten ist:

An den Komparatoren werden die Eingangssignale mit dem Dreieckssignal verglichen und somit entweder die positive oder negative Betriebsspannung weitergegeben. Es bildet sich ein Rechteckssignal, welches einen modulierbaren Tastgrad hat.

Im Folgenden soll ein Beispiel anhand der graphischen Verläufe der Spannungen am Ausgang der Komparatoren verdeutlichen, welcher Einfluss vorliegt, wenn alle Präferenzsignale 0V betragen, die Helligkeit 5V ist und das Temperatursignal den maximalen Wert von 5V besitzt:

Die Spannungsverläufe zeigen, dass bei maximaler Temperaturspannung der Tastgrad der Rechtecksignale der Pulsweitenmodulation der roten LEDs steigt, der blauen LEDs dagegen abnimmt und der grünen LEDs exakt dazwischen liegt. Weil bei den roten und blauen LEDs das Präferenz-, Helligkeits- und Temperatursignal jeweils eine Gewichtung von 1 3 haben, ist der Tastgrad bei den roten LEDs am größten und liegt bei 66,67%. Der Tastgrad bei den blauen LEDs ist dagegen am kleinsten und liegt bei 33,33%, weil hier im Gegensatz zu den roten LEDs das Temperatursignal vom Präferenzsignal subtrahiert wird. Weil das Temperatursignal keinen Einfluss auf die grünen LEDs hat, das grüne Präferenzsignal bei 0V und die Helligkeit bei 5V liegen, ist der Tastgrad bei der grünen LEDs in diesem Fall bei 50%.

1.2.3 Platine

Bevor damit begonnen wurde, mit Hilfe von Eagle das Platinenlayout zu entwickeln, wurde auf dem Steckbrett die gesamte Schaltung für die roten Leuchtdioden aufgebaut und getestet. Dabei sind für die Bauteile ähnliche Werte wie bei der Simulation gewählt worden. Der Schaltungsaufbau auf dem Steckbrett sieht folgendermaßen aus:

In diesem Steckbrettschaltungsaufbau ist auch der Dreiecksgenerator enthalten, dessen Dreiecksignal wie bei der Simulation in LTSpiceIV zwischen -5V und 5V verläuft und eine größere Frequenz als 400Hz besitzt, wie im Folgenden betrachtet werden kann:

Mit dem analogen Eingangssignal, der von der Präferenz, Helligkeit und Temperatur abhängt, kann der Tastgrad des Rechtecksignals vom Ausgang des Komparators eingestellt werden. Im Folgenden ist dieses Signal mit den unterschiedlichen Tastgraden 0%, 50% und 100% dargestellt:

Mit Hilfe dieses Signals kann die Endstufe, in der die LEDs verschaltet sind, über Bipolar Transistoren gesteuert werden. Die Schaltung der Endstufe hat folgenden Aufbau:

 

Damit die Pulsweitenmodulation an den Darlington-Transistor ein Rechteckspannungssignal von -12V bis 12V weitergeben kann, wird dieser am Ausgang mit einem zwischen- geschalteten Widerstand an die 12V-Quelle geschaltet. Der Widerstand dient dabei zur Strombegrenzung und wurde entsprechend dimensioniert. Des Weiteren wird ein pnp- Transistor zwischen PWM-Ausgang und dem Darlington-Transistor verschaltet, wobei dieser an der Basis geerdet wird und somit auch gewährleistet wird, dass -12V erreicht wird. Das eigentliche Herzstück der Endstufe besteht aus einem Darlington-Transistor, den LEDs und einem Widerstand. Der Darlington-Transistor sorgt für das Durchschalten der LEDs zwischen 12V und -12V, also insgesamt 24V, wenn eine Spannung ungleich -12V in die Basis gelangt. Für die Strombegrenzung der LEDs sorgt der Widerstand R2.

Da die Schaltung auch auf dem Steckbrett erfolgreich getestet werden konnte, wurde der Entwurf des Platinenlayouts mit Eagle begonnen, dessen Ergebnisse folgendermaßen aussieht:

Im Folgenden können die fertig gelöteten Platinen betrachtet werden:

 

Bauteilliste der LED-Gruppe

 

Part     Value                    Device                                Package                            Library          Sheet

---

 

C1       4.7n             C-EU025-025X050                C025-025X050                           rcl                 1

IC1      TL074P                 TL074P                                  DIL14                                 linear              1

IC2      TL074P                 TL074P                                  DIL14                                 linear              1

J1                                      VG64B                                  VG64B                               19inch             1

LED1     LAP4-TOP       LAP4-TOP                             P47F-TOP                               led                 1

LED2     LAP4-TOP       LAP4-TOP                             P47F-TOP                               led                 1

LED3     LAP4-TOP       LAP4-TOP                             P47F-TOP                               led                 1

LED4     LAP4-TOP       LAP4-TOP                             P47F-TOP                               led                 1

LED5     LAP4-TOP       LAP4-TOP                             P47F-TOP                               led                 1

LED6     LAP4-TOP       LAP4-TOP                             P47F-TOP                               led                 1

LED7     LAP4-TOP       LAP4-TOP                             P47F-TOP                               led                 1

LED8     LAP4-TOP       LAP4-TOP                             P47F-TOP                               led                 1

LED9     LAP4-TOP       LAP4-TOP                             P47F-TOP                               led                 1

LED10    LAP4-TOP       LAP4-TOP                            P47F-TOP                               led                 1

LED11    LAP4-TOP       LAP4-TOP                            P47F-TOP                               led                 1

LED12    LAP4-TOP       LAP4-TOP                            P47F-TOP                               led                 1

LED13    LAP4-TOP       LAP4-TOP                            P47F-TOP                               led                 1

LED14    LAP4-TOP       LAP4-TOP                            P47F-TOP                               led                 1

LED15    LAP4-TOP       LAP4-TOP                            P47F-TOP                               led                 1

LED16    LAP4-TOP       LAP4-TOP                           P47F-TOP                              led                   1

LED17    LAP4-TOP       LAP4-TOP                           P47F-TOP                              led                   1

LED18    LAP4-TOP       LAP4-TOP                           P47F-TOP                              led                   1

LED19    LAP4-TOP       LAP4-TOP                           P47F-TOP                              led                   1

LED20    LAP4-TOP       LAP4-TOP                           P47F-TOP                              led                   1

Q1             BC327            BC327                                   TO92                         transistor-pnp         1

Q2             BC327            BC327                                   TO92                         transistor-pnp         1

Q3             BC327            BC327                                   TO92                         transistor-pnp         1

Q4             BD679           BD679                               TO126AV                   transistor-power        1

Q5             BD679           BD679                               TO126AV                   transistor-power        1

Q6             BD679           BD679                               TO126AV                   transistor-power        1

R1                22k            R-EU_0207/10                    0207/10                             resistor               1

R2                33k            R-EU_0207/10                    0207/10                             resistor               1

R3                33k            R-EU_0207/10                    0207/10                             resistor               1

R4                33k            R-EU_0207/10                    0207/10                             resistor               1

 

erstellt von Faruk, Kemal, Moritz, Felix