Aus dem Ohmschen Gesetz berechnet sich daraus der minimale Widerstand von 0,8 V / 0,035 A = 22,9 Ohm. Der nächste passende Widerstand aus der E-Reihe [3] ist 27 Ohm und eignet sich daher gut. Wählen Sie den Widerstand immer etwas größer.
Auf lange Sicht fallen vermutlich LEDs aus. In der Regel ist diese Schaltung aber recht robust, sofern Sie den Strom im Schaltkreis klein genug gewählt haben. Sie verlieren dann allerdings ein wenig an Lichtstärke – es stellt sich also nur die Frage, wie viel Aufwand Sie betreiben möchten.
TIPP
Achten Sie immer darauf, die LEDs in Durchlassrichtung einzulöten. Eselsbrücke: Das kurze Bein der LED ist die Kathode und liegt näher an der Masse.
Um später LEDs bestimmter Farben einzeln an- und wieder auszuschalten, verbinden Sie immer nur solche mit derselben Farbe parallel. Die identische Schaltung mit passenden Vorwiderständen wiederholen Sie dann für jede Farbe. Beachten Sie, dass an manchen LEDs mehr als 2,5 Volt abfallen. Hier dürfen Sie bei einem Netzteil mit 5 Volt immer nur eine LED parallel verbauen.
Transistor
Um die LEDs mit dem Raspberry Pi an- und auszuschalten, benötigen Sie einen Schalter. Ein einfacher elektronischer Schalter besteht aus einem Transistor, den Sie hinter den Verbraucher schalten.
In Abbildung 5 handelt es sich beim rechten Beinchen um den Emitter und beim linken um den Kollektor. Im Normalfall ist der Emitter mit einem E auf dem Gehäuse gekennzeichnet. Für dieses Projekt eignet sich etwa der NPN-Transistor mit der Modellnummer BC 635.
Abbildung 5: Über einen Transistor steuern Sie später die LEDs an.
TIPP
Abbildung 4 und Abbildung 5 entstanden mit der kostenlosen Software Fritzing [4]. Das kostenlose Werkzeug hilft dabei, Schaltungen zu entwerfen.
Mit einem der steuerbaren Pins des Raspberry Pi schalten Sie den Transistor (0 Volt oder 3,3 Volt), der sich für die auftretenden Ströme zwischen Kollektor und Emitter eignen muss. Der Bipolartransistor BC 635 leitet maximal 1 A.
Im Idealfall erlauben Sie höchstens 500 mA in der Lichterkette. Wie bei einer LED ist es sinnvoll, die Basis des Transistors nie ohne Vorwiderstand (Basiswiderstand) zu betreiben.
Die wichtigste Kenngröße des Transistors ist die Stromverstärkung (DC Current Gain). Sie gibt an, um welchen Faktor der Baustein den Strom an der Basis im geschlossenen Zustand verstärkt. Das Datenblatt führt diese Größe meist mit h oder B auf, typische Werte liegen zwischen 100 und 500.
Idealerweise benutzen Sie die Stromverstärkung in Sättigung (Saturation). Findet sich dieser Wert im Datenblatt nicht, verwenden Sie die minimale Verstärkung des Transistors. Fehlt eine Angabe zur Stromverstärkung, nutzen Sie ersatzweise einen Wert im Bereich von 20 bis 50.
Der BC 635 hat eine minimale Verstärkung von h = 40. Der maximal erlaubte Strom unserer LED-Lichterkette liegt bei 5 x 35 mA = 175 mA. Das ergibt einen notwendigen Basisstrom von 175 mA / 40 = 4,4 mA.
Nun bestimmen Sie noch die Spannung am Basiswiderstand. Zwischen Basis und Emitter fallen immer etwa 0,7 Volt ab – der Wert ist im Zweifelsfall im Datenblatt des Transistors zu finden. Mit den 3,3 Volt des RasPi-Pins bleiben 3,3 V – 0,7 V = 2,6 V am Basiswiderstand übrig. Mithilfe des Ohmschen Gesetzes ergibt sich daraus der gesuchte Widerstand als 2,6 V / 0,0044 A = 590 Ohm.
Diesen Wert runden Sie ab, um einen geeigneten Widerstand zu finden. Ein höherer Strom garantiert ein sicheres Durchschalten des Transistors. Es ist in diesem Fall wichtig, den Masse-Pin des Raspberry Pi mit der Masse der restlichen Schaltung zu verbinden.
Sie stellen möglicherweise fest, dass bereits kleine Differenzen in der Spannung zwischen den Massen zu einem teilweisen Durchschalten des Transistors führen. Verbinden Sie also zusätzlich die Masse des RasPi mit dem Emitter des Transistors wie in Abbildung 5.
