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  100 Kanal Lauflicht
 
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Bauanleitung 100 Kanal Lauflicht:

Inhalt:

  1. Theorie - Schaltungsablauf und alg. Begriffe
  2. Praxis - Erstellung und Aufbau der Platine
  3. Dioden Matrix - LED Beschaltung und Endergebnisse
  4. Gesamter Download des Projektes im ZIP File ca. 85MBDownload Icon

Willkommen zu dem Bastelkurs; "100 Kanal Lauflicht leicht gemacht"
Hier wird der Leser erfahren, wie im einzelnen das Lauflicht funktioniert, und die Schaltungsabläufe zustande kommen.
Geduld wird hier vorausgesetzt.

 
ACHTUNG! Hier wird nicht mit 230V Spannung gearbeitet!
Diese Schaltung basiert auf Kleinspannungen, die unter sachgemäßer Handhabung, nicht gefährlich für den Menschen werden können!


Theoretischer Teil:


Im Vordergrund steht unter Bastlern und Elektronikern, der bekannte "NE555" Timer Baustein und der "74HC4017" Dekaden Zähler, welche in der Effektbeleuchtung, fast überall zu finden sind.

Unsere Schaltung besteht aus 3 "Abteilungen"

Netzteil (IC 4 = 7805), der für eine konstante Spannung sorgen wird.
Der
Multivibrator (IC 1 = NE555)
der die Geschwindigkeit unserer Schaltung bestimmt.
Dem Dekaden Zähler (IC 2, IC 3 = 74HC4017), der dafür sorgen wird, dass die LED´s "wandern" werden.


Datenblätter:


Erklärung der Schaltung:

Unsere 12V Gleichspannung (+/-) kommt in unsere Schaltung und wird erst mal vom Spannungsregler 7805 (IC 4) auf 5V runter geregelt.
Dabei entsteht meist viel wärme, was aber bei 12V und unter 1A "Arbeit" in unserem Fall nicht wirklich relevant ist, da er nur höchstens lauwarm wird und eine Ausstattung mittels eines Kühlkörpers weg fällt.
Die Kondensatoren vor und hinter dem Spannungsregler, "glätten" die Spannung und fangen Spannungsspitzen ab, welche die IC`s beschädigen und schlimmsten falls zerstören könnten.
Die Eingangsspannung wird deshalb runter geregelt, da die Schaltung an sich und die verwendeten Komponenten, mit 5V "arbeiten".

Nachdem die Betriebsspannung bereitgestellt wurde, verteilt sich der Strom direkt auf die einzelnen Komponenten; hier den NE555, die beiden 74HC4017 IC`s und die Status LED.
Die weitere Spannungsversorgung für die 100 LED`s, wird von den beiden 4017er aus erfolgen, sowohl + und auch Masse (-) über die BC550 Transistoren.


Schritt eins des Ablaufes:

Der Ne555 (IC 1) erzeugt eine Frequenz (Hz Bereich) und gibt diesen "Takt", an den 74HC4017 weiter (IC 2).
Dieser arbeitet so, dass jedes Mal, wenn er über den CLK Eingang vom Timer einen "Takt" bekommt, er einen Kanal weiter schaltet, von Q0 bis zum zehnten Q9 Ausgang.

Schritt zwei des Ablaufes:

Hat der 74HC4017 (IC 2) von den Ausgängen Q0 bis Q9 einmal durch geschaltet, gibt er einen weiteren "Takt" über den CO Ausgang, an den zweiten 74HC4017 (IC 3) weiter, der jetzt mit diesem langsameren "Takt" (1/10), seine Ausgänge durchschaltet.

An den Ausgängen des IC 3 (Q0-Q9), sind NPN Transistoren angeschlossen (BC550), die die Masse (-), die von den LED`s zurück kommen wird, nach bedarf durchschaltet.
Da der 74HC4017 nur ein positives "Signal" ausgibt, kann dieser nur mittels NPN Transistoren negative "Signale" schalten.
NPN bedeutet im Übrigen - "Negativ-Positiv-Negativ"

Schritt drei des Ablaufes:

Der "Takt" ist erzeugt, die positiven und negativen "Signale" geschaltet, fehlt nur noch der Aufbau der LED`s.

An den 10 Q-Ausgängen des 74HC4017 (IC 2),  hängen pro Ausgang je 10 Anoden (+) der 100 LED´s, also insgesamt 100 Anoden bei allen 10 Kanälen (10*10).
Anode = langes Bein der LED, Kathode = kurzes Bein.

Ein Beispiel;
Ausgang Q0 (PIN 3 des IC) schaltet die Anoden von LED 1,11,21,31,41,51,61,71,81,91, während Ausgang Q1 (PIN 2 des IC) die Anoden von LED 2,12,22,32,42,52,62,72,82,92 schaltet.
Das Prinzip setzt sich an den anderen Ausgängen weiter fort.
Während alle LED`s ihren Strom von IC 2 bekommen, regelt IC 3 die Kathoden (-) der LED`s, allerdings anders als wie IC 2.
Der IC 3 regelt die negativen "Signale".
Das macht er wie folgt;

Er greift bei Ausgang Q0, über den ersten NPN Transistor, die Kathoden von LED 1 - 10 ab, die an den Ausgängen von IC 2 an Q0 bis Q9 angeschlossen sind.
Wichtig zu erwähnen ist, dass die LED`s in 10er Gruppen aufgeteilt werden, wo in jeder Gruppe, die Kathoden miteinander verbunden sind, so dass nur eine gemeinsame Kathode entsteht, ergo zu zehn 10er Gruppen.
Mit dieser Dioden Matrix können alle 100 LED`s, mit jeweils 10 Ein- und Ausgängen gesteuert werden.

Schlusserklärung des Ablaufes:

Der Takt kommt vom NE555, dem IC 1, fließt  in den CLK Eingang vom 74HC4017, dem IC 2.
Dieser wandelt den "Takt" in ein "Signal" um und gibt den über Ausgang Q0 zur LED 1 weiter, welche an den Ausgang von IC 3 an Q0, mittels einen BC550 Transistor die Masse schaltet, welche von der LED 1 zurück kommt.
Nach dem ersten geben des "Signales" des IC 2 verändert dieser den Ausgang auf Q1, während IC 3  noch auf Ausgang Q0 beschaltet ist.
Das zweite Signal sendet von dem Ausgang Q1 von IC 2, an die Anode der 2. LED, welche über den Ausgang des IC 3 bei Q0 geschaltet ist.
Diese Reihenfolge setzt sich fort und fängt bei Q0 wider an.

IC 2 gibt erst einen "Takt" an IC 3 weiter, bis dieser einmal von Q0 bis Q9 durchgelaufen ist.
Dadurch bekommt IC 3 von IC 2, über den CO Ausgang, einen "Takt" und schaltet seinen Ausgang von Q0 auf Q1 hoch.
Somit sind die Kathoden von LED 11 bis 20 geschaltet.
Das machen beide IC`s in dieser Ablauffolge, bis sie alle Q-Ausgänge einmal beschaltet haben und fangen dann in der Grundstellung bei Q0 jeweils wider an zu arbeiten.

Ein recht simples Prinzip, was in Dekaden hoch zählt und wider von vorne beginnt.

Die Geschwindigkeit, ergo die Wiederholrate vom "Takt" des NE555, lässt sich mittels des Potentiometers (TR1) einstellen, von "langsam" zu "schnell".
Mit dem Baustein NE555, lässt sich auch ein "PWM" Signal erzeugen, aber was wiederum ein anderes Thema ist.
(PWM = Pulsweitenmodulation)


Eine Tabelle, mit den Q-Ausgängen* von IC 2:
*in der Klammer dahinter die PIN Reihenfolge, von der Stiftleiste der Platine.

Q0 PIN 3 (5) LED 1,11,21,31,41,51,61,71,81,91
Q1 PIN 2 (6) LED 2,12,22,32,42,52,62,72,82,92
Q2 PIN 4 (4) LED 3,13,23,33,43,53,63,73,83,93
Q3 PIN 7 (1) LED 4,14,24,34,44,54,64,74,84,94
Q4 PIN 10 (9) LED 5,15,25,35,45,55,65,75,85,95
Q5 PIN 1 (7) LED 6,16,26,36,46,56,66,76,86,96
Q6 PIN 5 (3) LED 7,17,27,37,47,57,67,77,87,97
Q7 PIN 6 (2) LED 8,18,28,38,48,58,68,78,88,98
Q8 PIN 9 (10) LED 9,19,29,39,49,59,69,79,89,99
Q9 PIN 11 (8) LED 10,20,30,40,50,60,70,80,90,100


Eine Tabelle, mit den Q-Ausgängen* von IC 3:
*in der Klammer dahinter die PIN Reihenfolge von den Ausgänge mit BC550 rechts außen an der Platine.

Q0 PIN 3 (5) LED 1-10
Q1 PIN 2 (6) LED 11-20
Q2 PIN 4 (4) LED 21-30
Q3 PIN 7 (1) LED 31-40
Q4 PIN 10 (9) LED 41-50
Q5 PIN 1 (7) LED 51-60
Q6 PIN 5 (3) LED 61-70
Q7 PIN 6 (2) LED 71-80
Q8 PIN 9 (10) LED 81-90
Q9 PIN 11 (8) LED 91-100





Praktischer Teil:




Hier Download Icon ein ZIP Archiv mit allem was gebraucht wird

(optional wird Eagle und Sprint Layout benötigt)
.


Benötigt werden folgende Komponenten:

1x NE555N
2x 74HC4017
1x 8 PIN IC Sockel
2x 16 PIN IC Sockel
2x 10 PIN IC Sockel
1x 20er Stiftleiste (RM 2,54mm)
1x 47µF Elko (4mm) /optional stattdessen 100nF/
2x 220µF Elko (10mm)
3x 1N4933 Dioden
6x 100nF Kerko
1x 7805 Spannungsregler
100x LED`s (3,2fV/20mA, 5mm o. 3mm)
21x LED`s Rot (Standard)
12x 1K Widerstände
1x 10K Widerstand
10x 150R Widerstände
1x 330R Widerstand
1x 200R Widerstand
1x 10K Potentiometer (liegend)
10x BC550 Transistoren (TO92)
2x Lochrasterplatiene (160*100mm, RM 2,54mm)
1x 2 Pol Schraubklemme (RM 2,54mm)
1x 10er Stiftleiste (RM 2,54mm)
10x 1er Stiftleiste (RM 2,54mm)
1 Rolle Schaltlitze (0,25mm²)
1 Rolle Silberdraht (0,6mm²)

QR Bauteilliste:

Zu finden auf reichelt.de, pollin.de, conrad.de usw.


Werkzeug:
Lötzinn, Lötkolben, Seitenschneider, Handsäge, Spannungsprüfer, Behälter für Bauteile, hitzebeständige Unterlage und Geduld

Das Stück Lochrasterplatine sollte im Idealfall 33x37 Löcher haben, für die Steuerplatine.


Möglichkeiten, die Leiterbahnen auf die Lochrasterplatine zu übertragen:
  1. Nachfolgendes Bild ausdrucken und auf die Oberseite der Lochrasterplatine legen und routen. (auf das Rastermaß achten)
  2. Die Lötaugen im Bild abzählen und auf der Unterseite der Lochrasterplatine die Lötaugen mit einem CD Marker anzeichnen. (auf Spiegelungen achten!)


Aus dem ZIP Archiv bitte dieses nachfolgende Image öffnen  und auf Vollbild schalten, bzw. Ausdrucken.

Oberseite der Lochrasterplatine mit durchscheinenden Leiterbahnen:

Unterseite der Lochrasterplatine gespiegelt:

Beispiel, mit CD Marker gezeichnet:


Bestückt wird die Platine an den gegebenen Stellen mit den Bauteilen, wie im Nachfolgendem Bild gekennzeichnet.
Damit die Bauteile beim löten nicht aus den Löchern fallen, empfiehlt es sich die Beine etwas zur Seite zu biegen.
Wichtig: Zuerst die Bestückung der Bauteile und danach erst das routen der Leiterbahnen!*

Unterseite der gerouteten Platine:
Unterseite

Drei Brücken sind nötigt, die auf der Oberseite der Platine verlegt werden. Dazu eignet sich Litze oder blanker Draht bis 0,7mm Querschnitt.
Die Platzierung der Brücken auf der Platine, sind im nachfolgendem Bild als dicke weiße Striche zu erkennen

Es empfiehlt sich die Bilder und den Schaltplan stets im Auge zu behalten und auf die Polung diverser Bauteile zu achten, wie Dioden, Spannungsregler oder Transistoren sowie die IC Bausteine.

Oberseite der Platine:
Schaltplan:
wysiwyg image


*In dem hier gezeigten Beispiel wird viel Lötzinn benutzt um die Leiterbahnen zu bilden, was aber aus vielerlei Gründen nicht gemacht werden sollte, sondern stattdessen Silberdraht bzw. blankes Klingeldraht zum routen benutzt werden muss.



Dioden Matrix:

Die Theorie der Schaltung, wurde übermittelt, die Steuerplatine ist gebaut, jetzt fehlen die 100 LED´s, womit das Lauflicht erst das wird was es ist.

Aber wie funktioniert das, dass mit grade mal 20 "Ausgänge", 100 LED`s zum leuchten gebracht werden??? 

Die Erklärung:

Die LED`s wie aus dem Schaltplan, aber anders angeordnet.
Das gleiche Prinzip ohne Veränderungen der Leiterbahnen oder dergleichen:


Das wird eine Dioden Matrix genannt!

Genommen wird LED 1 als Beispiel.
Verfolgt wird die Leiterbahnen von dem unterem Q0 (links unten bei E1) zur LED 1, bis hin zum Ausgang Q0 (A8 rechts oben).


LED 1 ist am Ein- und Ausgang von Q0 (E1) und Q0 (A8 ) angeschlossen.
Wird auf Q1 bei E1 ein "Plussignal" angelegt, erreicht es die LED 1, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81, 91 in der Reihe, da alle Anoden an dieser Leitung hängen und von dort aus betrieben werden.
Dagegen ist allerdings die Masseleitung Q0 bei A8, mit den Kathoden der LED`s 1-10 verbunden.

Somit wird erreicht, dass alle Anoden jeweils zu 10ner Gruppen (Vertikal) ihre separate "Plusleitung" haben, allerdings in diesem System nur jede LED, in der Horizontalen, eine Masseleitung besitzt!
In diesen Beispiel bedeutet das, das von Q0 bei E1 der Strom nach Q0 bei A8 fließt, allerdings nirgendwo anders hin.
Zwar erreicht der Strom auch die LED`s 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81, 91 aber nur bei Leitung Q0 bei A8 kann die LED Masse erreichen, weil zu dieser Zeit nur diese Leitung geschaltet ist mittels dem IC 3.

Das gleiche gilt auch für alle anderen LED`s.
Jede Horizontale hat eine Masse Leitung, während die jeweilige Vertikale ihre eigene "Plusleitungen" haben, somit ist es möglich alle LED`s fast nach belieben zu schalten, mit 10 Eingängen und 10 Ausgängen.


Warum nur fast?
Wenn mit anhaltenden Spannungen gearbeitet wird, um LED 1 zum leuchten zu bringen,  kann nicht ohne weiteres LED 12 alleine zum leuchten gebracht werden, da ansonsten neben LED 1 und 12 auch LED 11 und 2 leuchten.
Da die Eingänge Q0 und Q1 geschaltet werden, sowie die Ausgänge Q0 und Q1, um den jeweiligen LED´s beide Spannungszustände zu Verfügung zu stellen, bewirkt das LED 1 und LED 12 zwar ihren "Plus- Minus Ein- und Ausgang" haben, wiederum aber auch LED 2 und  LED 12 diese hat.
Dem kann man nur entgegenwirken, indem man mit einer raschen ein- und Ausschaltung der Kanäle arbeitet.

Es muss so schnell geschaltet werden, das in einem Moment an LED 1 Spannung und Masse anliegt, im nächsten Moment an LED 12 diese anliegen, während LED 1 dann nicht beschaltet wird.
Das Auge denkt dann, beide LED`s wären dauerhaft geschaltet, wo aber diese doch sehr schnell an und ausgehen.
Das erkennen wir deshalb so, weil das menschliche Auge träge im Bezug auf bestimmte Frequenzen ist und diese nicht mehr erkennt, weil die Wiederholungsrate einfach zu schnell ist.

Das Verfahren wird auch Zeitmultiplexverfahren genannt.

Wikipedia liefert dazu auch einen Sachtext, wo direkt auf alle Multiplex Verfahren eingegangen wird.

Soviel zu dem Prinzip der LED Schaltung in der Theorie, jetzt zur Praxis.

Die Steuerplatine ist  fertig und muss getestet werden, um zu sehen, ob diese richtig funktioniert.

Dazu wird eine Test-LED-Anzeige gebaut, mit 20 Standard LED´s in Rot und einem zusätzlichen Widerstand.

Test-LED-Anzeige:

Der Aufbau dieser Anzeige ist selbsterklärend, wenn folgende Bilder in Betracht genommen werden:

Anbei ein ZIP  mit allen benötigten Daten. Download Icon

Oberseite der Platine:

Unterseite der Platine gespiegelt:

Schaltplan:

Für die Anodenseite wird ein 10er IC Sockel halbiert, auf eine Streifenrasterplatine aufgelötet und mit den jeweiligen Kabeln der LED-Test-Anzeige versehen, allerdings in der richtigen Reihenfolge der Signalausgabe von Q0 bis Q9 des IC 2!
Für die Masseseite werden einzelne Stifte einer Stiftleiste genommen und an der rechten äußeren Seite der Platine in die ebenfalls um modifizierten IC Sockel gesteckt. Diesmal in umgekehrter Reihenfolge.

Prinzip der Anzeige wie folgt:

IC 2 sendet die "Plussignale" während IC 3 über die NPN Transistoren die "Minussignale" aufnimmt.

Start des Ablaufes:
Q1 leitet Strom zur LED 1 der Anzeige, welcher an den gemeinsamen Kathoden der 1. LED Reihe ausgegeben wird.
Die Gemeinsame Kathode liegt an einem 200 Ohm Widerstand und an den gemeinsamen Anoden der 2. LED Reihe.

Der Strom wandert über die Gemeinsame Anode der LED 1 hinter dem Widerstand weiter, welche an den jeweiligen Anschlüssen des IC 3 mittels eines NPN Transistors geschalten werden

So stellt LED Reihe 1 die positiven Ausgänge des IC 2 optisch da, während Reihe 2 nach dem Widerstand, die jeweiligen Ausgänge des IC 3 darstellt.
Nach einem positiven durchlauf schaltet in Reihe 2 die LED weiter, bis 10 Durchläufe erreicht sind.
Danach startet der Prozess von neuen.
So werden alle 100 LED`s simuliert, ohne alle 100 LED`s verbaut zu haben, auf die Gefahr hin, dass die Schaltung beim zusammenstellen Fehler genommen hat.



Funktioniert alles, kann mit dem Aufbau der 100 LED`s begonnen werden.

Was wird nun mit dem Lauflicht gemacht?

Zwei Möglichkeiten:


Version 1:

Angedacht für 10 Streifen Punktrasterplatinen 


10-mal diese Stripe aufgebaut und hintereinander gesetzt bilden sie das Lauflicht.
Die jeweiligen "Pluseingänge" an jeder Stripe müssen parallel an den jeweiligen Q-Eingängen der anderen Stripes versehen werden.
Bsp.: Q0 + an den 2. Q0 + dann an den 3. Q0 + usw.

Die Masse-Ausgänge bleiben je Platine unter sich und müssen der Reihe nach an die Steuerplatine angeschlossen werden.
Hier als Qx- gekennzeichnet.
Hierbei bitte die oben gezeigten Tabellen zur Hilfe nehmen, um eine korrekte Verkabelung zu gewährleisten (Q0-Q9)


Version 2:

Ein-Platinen-System Unterseite:

Oberseite der Platine:

Hier die dazugehörige ZIP File zum Downloaden. Download Icon

Zur simplen anschauen der Schaltung würde die Version mit der großen Platine reichen.
Wenn angedacht wird das Lauflicht real zu nutzen, sollten die Stripe Variante in Betracht gezogen werden.

Nun folgt noch ein Video des Lauflicht verbaut in 3x 2m Kabelkanälen:


Ein Foto des im Video gezeigtem Lauflicht:
Gesamt


Letztendlich hoffen wir, dass der Leser Spaß hatte bei diesem Projekt und hat alles erfolgreich fertig gestellt!

Vielen dank für das Lesen und nachbauen.
 
Euer Prytek Team

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