Bausatz: Weihnachtsbaum • Breadboarder e.V.

Die Weihnachtsbaum-Wechselblinkerplatine ist der erste Bausatz, mit dem wir unseren Lötworkshop durchgeführt haben. Sie besteht aus einer Wechselblinkerschaltung, die mit Hilfe einer integrierten Timerschaltung, dem NE555, realisiert wurde und zwölf LEDs in Gruppen von sechs LEDs jeweils zum Leuchten bringt. Angetrieben wird die Schaltung von einer 9V-Blockbatterie.

Auf dieser Seite wollen wir den Bausatz und die Platine ein wenig genauer erklären, als es möglicherweise während des Workshops möglich ist und zusätzlich die Materialien zum Download zur Verfügung stellen, die für den Nachbau zu Hause benötigt werden.

Für die Ungeduldigen oder Zielstrebigen unter uns, daher hier kurz eine Linksammlung:

Funktionsweise

Der Schaltplan für den Weihnachtsbaum-Bausatz kann grob in drei voneinander unabhängige Funktionsbereiche unterteilt werden.

1. Der Batterieanschluss mit Abblockkondensator

Ganz links im Schaltplan ist der Verbinder für die Batteriebefestigung eingezeichnet. Die Aufgabe dieses Schaltteils ist es, die zum Betrieb der Schaltung notwendige Spannung an die Schaltung heranzuführen und mit dem kleinen Schalter SW1 schaltbar zur Verfügung zu stellen. Hierfür wird ein Standard-2-Pin-Verbinder (Bauteil P1) genutzt, wie man ihn auch z.B. bei den Frontpanel-Verbindern im Computer oder an manchen PC-Lüftern findet. Allerdings befindet sich dieses Bauteil nicht in der BOM (Bill of Materials), da wir stattdessen einen 9V Batterieclip benutzen und diesen an Stelle des Verbinders einlöten. Alternativ kann man natürlich auch den Steckverbinder einbauen. Zusätzlich befindet sich in diesem Teil des Schaltplans der Abblockkondensator C1. Dieser hat mit 100 nF eine relativ geringe Kapazität und dient dazu, Oberwellen und Störungen aus der Spannungsversorgung heraus zu filtern. Dies gelingt, weil ein Kondensator für Wechselsignale (wie z.B. Radiosignale) einen Kurzschluss darstellt, während Gleichsignale (wie z.B. die Spannung aus einer Batterie) den Kondensator gar nicht wirklich “sehen”, da er für sie wie ein offener Schalter wirkt. Nötig ist dies, damit nachfolgende, komplexe Schaltelemente wie unser NE555-Timer-Chip eine möglichst stabile Spannungsversorgung bekommen und nicht durch Störsignale “aus dem Takt kommt”. Immerhin ist jede noch so kleine Kupferleitung auf der Platine auch eine Antenne und empfängt alles mögliche ;)

2. LED-Schaltung - Leuchten zum leuchten!

Damit unser Bausatz auch leuchtet und blinkt brauchen wir natürlich auch leuchtende Bauteile - in unserem Fall sind das zwölf LEDs, also “LichtEmittierende Dioden”, von denen jeweils sechs immer leuchten, sobald man den Bausatz einschaltet. Das wird dadurch erreicht, dass der NE555 (U1 im Schaltplan) an seinem Ausgang “Q” mit einem festen Takt zwischen Versorgungsspannung und Masse hin und her schaltet, sodass für den eingeschalteten Zustand die Versorgungsspannung über die Leitung bei den LEDs ankommt und somit die unteren LEDs 3,4,7,8,11 und 12 leuchten. Gibt der NE555 Masse, also 0 Volt, aus, so leuchten die oberen LEDs 1,2,5,6,9 und 10. Jeweils zwei LEDs teilen sich dabei einen Vorwiderstand, der den Strom durch die LEDs begrenzt. Die Vorwiderstände der oberen LEDs sind dabei für rote LEDs vordimensioniert, die der unteren LEDs für gelbe/grüne LEDs, die in der Regel etwas mehr Strom und Spannung brauchen als rote, um mit derselben Intensität zu leuchten. Generell kann man für jede LED aber jede Farbe einlöten - keine LED wird von falscher Platzwahl sofort zerstört. Allerdings wirkt sich ein “falsches” Bestücken dann ein bisschen negativ auf die Lebensdauer der LED aus.

3. “Wechselblinker”-Kippstufe mit NE555

Das Herzstück des Weihnachtsbaum-Bausatzes ist definitiv die Timerschaltung mit dem NE555 Timer IC. Theoretisch ist diese zwar elektronisch viel komplexer, als es notwendig wäre, jedoch ist der Einsatz des NE555 an dieser Stelle günstiger als der diskrete Aufbau einer Alternativlösung - und dank der wenigen Bauteile auch deutlich einfacher zu verstehen.

Es handelt sich dabei um eine Grundbeschaltung als “astabile Kippstufe”, was bedeutet, dass keiner der Schaltzustände des Ausgangs (Versorgungsspannung oder Masse) ein stabiler Zustand ist. Dadurch wird immer wieder zwischen den beiden Zuständen gewechselt.

Wird die Schaltung eingeschaltet, so ist der Kondensator C2 noch ungeladen und stellt einen Kurzschluss dar. Der Strom der Batterie kann somit ohne nennenswerten Widerstand durch die Diode D1 fließen, wobei er nur* durch den Widerstand R2 begrenzt wird. Dadurch, dass durch den “Kurzschluss” von C2 also noch keine Spannung am Pin 2 des NE555 anliegt, schaltet der NE555 seinen Ausgang Q an Pin 3 auf Versorgungsspannung und die unteren LEDs leuchten zuerst. Ist der Kondensator dann irgendwann auf $\frac{2}{3} \text{VCC} = \frac{2}{3} \cdot 9V = 6V$ aufgeladen, schaltet der NE555 seinen Ausgang Q und den Discharge Pin 7 auf 0V, sodass der Kondensator nicht weiter geladen sondern über den Widerstand R1 entladen wird und nun die oberen LEDs aus dem Schaltplan leuchten.

Sobald C2 von 6V auf 3V entladen ist, schaltet der NE555 wieder um, C2 wird wieder auf 6V aufgeladen und die unteren LEDs leuchten. Mit Hilfe des Datenblattes können wir auch die Frequenz des Wechselblinkers berechnen, wofür wir einfach die Formeln für “astable operation” heranziehen können. Unter Beachtung des Einflusses der Diode beim Laden/Entladen, ergibt sich eine Periodendauer von \begin{equation} T = 0.69 \cdot (R_1 + R_2) \cdot C_2\\\ = 0.69 \cdot (330 + 330) \cdot 10^3 \text{Ohm} \cdot 4.7 \cdot 10^{-6} \text{Farad}\\\ = 2.14s \end{equation} ergibt, also eine Wechselfrequenz von $f_W = 2 \cdot \frac{1}{T} = 0.93$ Hz, also ungefähr einer Sekunde.