In unserem Projekt programmieren wir einen einfachen LED-Würfel – ein Versuchsaufbau, der für die Ausbildung im IT-Bereich nützlich ist.
Programmieren gehört zu den festen Bestandteilen in der Ausbildung unterschiedlicher IT-Berufe. Diese Tatsache löst freilich nicht bei allen Auszubildenden Begeisterung aus. Daher spielt es eine wichtige Rolle, das Interesse dafür zu wecken und mit kleinen anschaulichen Projekten zu starten, wie dem im Rahmen dieses Artikels beschriebenen LED-Würfels. Es ließe sich einwenden, dass es von den einschlägigen Anbietern genug passendes Ausbildungsmaterial gibt. Das ist aber in aller Regel eine kostspielige Angelegenheit. Obendrein macht es wesentlich mehr Laune, seine Modelle selbst zu bauen.
Robuster Aufbau
Der Plan lautet also, einen robusten Versuchsaufbau zu entwickeln, mit dem im Idealfall Azubis die Grundlagen des Programmierens lernen. Die Elektronik soll in einem kleinen Gehäuse Platz finden, das wir mit einem 3D-Drucker ausdrucken. Damit verleihen wir schon den Gehäusen einen persönlichen Anstrich. Zum Erstellen des 3D-Modells für unser Gehäuse kam Onshape zum Einsatz. Dahinter steckt ein professionelles Online-CAD-Programm, das sich für den Maker-Gebrauch kostenfrei nutzen lässt. Allerdings stehen dann die damit erzeugten 3D-Modelle öffentlich zur Verfügung. Auch das Modell zu unserem Gehäuse finden Sie direkt bei Onshape [1].
Die Elektronik im Gehäuse (Abbildung 1) ist relativ einfach aufgebaut. Um Platz zu sparen, setzen wir die Vorwiderstände der Leuchtdioden mit einem Widerstandsnetzwerk um.
Abbildung 1: Der Schaltplan des Würfels fällt nicht allzu kompliziert aus.
Vorwiderstände
Bevor Sie anfangen, Widerstände zu berechnen, sollten Sie klären, welche Kennwerte die digitalen Ausgänge des Raspberry Pi Pico aufweisen. Die Ausgangsspannung beträgt 3,3 Volt, der Ausgangsstrom richtet sich nach einer Strombegrenzung. Die lässt sich per Software einstellen und kann Werte von 2, 4, 8 oder 12 mA annehmen. Der Standardwert liegt bei 4 mA. Um den Aufwand in Grenzen zu halten, sollten Sie versuchen, unter diesem Wert zu bleiben.
Das nächste Thema, mit dem Sie sich auseinandersetzen müssen, ist die in Millicandela (mcd) angegebene Lichtstärke. Zur Veranschaulichung: Die Leuchtkraft eines Glühwürmchens entspricht etwa einem Wert von 10 mcd, eine Kerzenflamme rangiert ungefähr bei 1000 mcd. Zum Berechnen eines Vorwiderstands müssen Sie also zuerst entscheiden, wie hell die LED leuchten soll. Um ein anschauliches Beispiel vor einer Dimensionierung zu bekommen, wählten wir für unseren Beispielwürfel 250 mcd.
Anschließend nehmen Sie sich das Datenblatt vor. Es enthält alle Informationen, die es zu einem Bauelement gibt. Einen Großteil dieser Informationen benötigen Sie erst einmal nicht. Das Datenblatt der konkret verwendeten Diode finden Sie online [2]. Die erste wichtige Kennlinie ist die Luminous Intensity vs. Forward Current. Hier lesen Sie ab, bei welchem Strom Sie eine bestimmte Helligkeit erhalten (Abbildung 2). Für unsere 250 mcd sind in etwa 2,5 mA erforderlich.
Abbildung 2: Die Kennlinie Luminous Intensity vs. Forward Current zeigt das Verhältnis von Lichtstärke und Strom.
Außerdem benötigen Sie die Kennlinie Forward Current vs. Forward Voltage (Abbildung 3). Hier sehen Sie, welche Spannung bei einer bestimmten Stromstärke an der LED abfällt. Dieser Zusammenhang ist bei Halbleitern nicht linear und lässt sich nur aus den entsprechenden Kennlinien ablesen. Wie die Kennlinie verrät, fällt bei 2,5 mA Strom eine Spannung von 2,35 Volt an der LED ab. Das bedeutet, dass bei einer Betriebsspannung von 3,3 Volt an unserem Vorwiderstand eine Spannung von 0,95 Volt abfällt (3,3 V-2,35 V).
Abbildung 3: Die Kennlinie Forward Current vs. Forward Voltage verrät, welche Spannung bei einer bestimmten Stromstärke an der LED abfällt.
Jetzt müssen Sie noch das ohmsche Gesetz U=RxI nach R umstellen (R=U/I), und schon wissen Sie, wie groß der Widerstand sein muss (R = 0,95V / 0,0025 A = 380 Ohm). Bei Berechnungen ist es immer sinnvoll, die Werte auf die Einheiten Ampere, Volt und Ohm umzurechnen, sonst verrechnet man sich schnell um einige Zehnerpotenzen.
Wir haben jetzt für den Widerstand einen Wert von 380 Ohm errechnet. Widerstände gibt es jedoch nicht in allen beliebigen Werten. Es gibt sogenannte Widerstandsreihen, die mögliche Werte vorgeben. Die meisten Elektronikbastler lagern zu Hause Widerstände der Reihen E12 oder E24. Ein Blick in die Wertetabelle [3] zeigt uns, dass in beiden Reihen ein 390-Ohm-Widerstand vorhanden ist. Bei einem etwas höheren Widerstand leuchtet die LED dann minimal dunkler. Die 390 Ohm stellen aber letztlich den optimalen Wert für unseren Vorwiderstand dar.
Nachdem wir den Widerstand korrekt nach allen Regeln der Kunst errechnet haben, kommen wir zum praktischen Teil. Üblicherweise sind moderne LEDs für einfache Anzeigen viel zu hell. Daher läuft es oft darauf hinaus, auszuprobieren, wie hell die LED mit einem 1-kOhm-Vorwiderstand leuchtet. Passt die Helligkeit, nimmt man diesen Wert einfach.
Weil Widerstände in kleinen Stückzahlen teuer sind, lohnt sich in der Regel der Erwerb eines 1000er-Packs direkt aus China. Bei einem erschwinglichen Preis hält er Jahre vor. Die Kostenfrage liefert auch den Grund dafür, warum in Schaltplänen so oft immer dieselben Werte auftauchen. Einen weiteren Ansporn, die Vorwiderstände vor LEDs lieber etwas größer zu wählen, liefert schlicht der geringere Stromverbrauch.
Montage
Das Widerstandsnetzwerk löten Sie schlicht auf die Rückseite der Prototypen-Platine (Abbildung 4), die Verbindungen stellten Sie mit Fädeldraht [4] her. Alternativ zum Fädeln lassen Sie sich eine entsprechende Platine fertigen. Wenn Sie nicht lange darauf warten möchten, dass sie aus China bei Ihnen ankommt, ist die Firma MME-Leiterplatten [5] ein echter Geheimtipp für solche Anfertigungen.
