Spannungsabhängige LED-Steuerung

[stege]

[category=]Elektronik[/category]

Einleitung


Dieses Wiki beschreibt eine Schaltung, die es ermöglicht geschaltete LEDs an Dauerplus zu betreiben. Das klingt zunächst ein wenig seltsam, deshalb hier eine kurze Erläuterung:

Beispiel: Nachrüstung der Ambientebeleuchtung im B5

In der Innenleuchte sind Dauerplus und Masse vorhanden, leider aber kein Zündungs- oder Lichtplus. Deshalb muss man bei Nachrüstung von LEDs zur Ambiente entweder ein Kabel zur Innenleuchte ziehen oder aber damit leben, dass die Ambientebeleuchtung auch bei geparktem Auto immer an ist. Ich fand beide Lösungen nicht schön und da kam mir folgende Idee: Beim Laden der Batterie, als laufendem Motor, steigt die Batteriespannung ja von etwa 12V auf 13,8V und mehr an. Wird der Motor abgestellt, so stellt sich auf Dauer wieder eine Spannung von 12V ein.
Es soll nun eine kleine Schaltung entworfen werden, die ab einer gewissen Spannung an die Schaltung angeschlossene LEDs einschaltet, und darunter wieder abschaltet.

Ich hoffe nun ist der Sinn dieser Schaltung klar. Die Einsatzmöglichkeiten sind recht vielfältig. Ich habe die Schaltung in meiner Innenleuchte verbaut. Das beschreibe ich in einem anderen Wiki im B5-Bereich.


Schaltungsbeschreibung

[image=]schaltplan.jpg | 600px | center | Der Schaltplan der Schaltung[/image]
Die Schaltung ist recht einfach aufgebaut. Kern ist das Referenz-IC TL431, das nur wenige Cent kostet. Seine Funktion ist leicht erklärt: Sobald zwischen den Anschlüssen R und A eine Spannung von >2,5V ansteht, wird das IC von C nach A leitfähig. Jetzt muss der Spannungsteiler aus R3 und R4 nur so gewählt werden, dass sich bei der gewünschten Schaltspannung am Anschluss R 2,5V einstellen. Hier sind 3,6kOhm und 15kOhm gewählt worden, so dass sich hier eine Schaltspannung von etwa 12,9V ergibt.
Sind andere Schaltspannungen gewünscht, so lässt sich dies durch Änderung des Spannungsteilers erzielen. Es gilt die Gleichung
U_Schwell = (2,5V * (R3+R4)) / R3.
Für diesen Spannungsteiler sollten relativ genaue Widerstände (1% oder besser) gewählt werden, damit die wirkliche Schaltspannung nah an der berechneten liegt.

Wenn das IC bei erreichen der Schaltspannung leitend wird, steuert es den Transistor T1 auf welcher wiederum die angeschlossenen LEDs einschaltet. Der Widerstand R1 ist gemeinsam mit dem Poti R6 Vorwiderstand für die angeschlossenen LEDs. Mit dem Poti kann die Helligkeit in gewissen Maßen eingestellt werden.
Der Widerstand R1 ist so ausgelegt, dass bei einer angeschlossenen roten LED der Strom bei etwa 26mA liegt. Bei drei LEDs liegt er mit knapp 18mA immernoch ausreichend hoch.
Der Ruhestrombedarf der Schaltung ist bei der gezeigten Dimensionierung mit rund 650µA (bei 12V) sehr gering.


Prototyp

[image=]lochraster.jpg | 400px | center | Der Prototyp auf Lochraster[/image]
Der Prototyp wurde auf einer Lochrasterplatine des Maßes 15x25mm aufgebaut. Das ist eine sehr kompakte Bauweise, die nötig ist, die Schaltung beispielsweise in der Innenleuchte verschwinden zu lassen. Mit dem Schaltplan und diesem Beispielbild ist ein Nachbau auf Lochraster problemlos möglich. Die Lötnägel sind folgendermaßen belegt (von links nach rechts): Dauerplus - Masse - LED- - LED+.
Ein Test des Prototyps zeigte, dass die Funktion genau wie gewünscht ist. Beim Einschalten wird die Schaltspannung von etwa 13V schnell überschritten und die LEDs gehen direkt an. Nach Abstellen des Motors dauert es noch ein wenig, bis die Spannung wieder unter die Schaltspannung gesunken ist. Die LEDs werden dann zunächst dunkler und verlöschen dann komplett.
Lediglich in extremen Fällen wie Leerlauf im Winter mit laufenden Scheinwerfern, Gebläse auf höchster Stufe und Heckscheibenheizung kann es bei ein wenig entladener Batterie passieren, dass die Bordspannung auch im Ladebetrieb auf unter 12,9V absinkt. Dann verlöschen die LEDs eventuell zeitweilig.


Platine

Um den Aufbau besonders Elektronik-Anfängern zu erleichtern, habe ich ein Platinenlayout im Maß des Prototyps (ca. 15 x 25mm) erstellt.
[image=]platine.jpg | 400px | center | Das Platinenlayout[/image]
Es werden nur konventionelle Bauteile verwendet. Die vollständigen Eagle-Daten inklusive des Schaltplans im PDF-Format können hier heruntergeladen werden.
Die im Prototyp verwendeten Lötnägel sind hier nicht mehr nötig, da es sich um eine doppelseitige Platine handelt. Die Kabel können direkt an das Lötauge angelötet werden. Außerdem verdecken die Lötnägel den Zugang zum Poti.

Aufgrund des Wunsches mancher Forenuser habe ich auch eine SMD-Version der Platine entworfen. Sie findet sich auch in der verlinkten RAR-Datei. Auf ihr befindet sich aus Platzgründen kein Poti und auch KEIN VORWIDERSTAND! Hier müssen die LEDs mit passendem Vorwiderstand für ca. 14,4V angeschlossen werden.
[image=]platine-smd.jpg | 400px | center | Das Platinenlayout in SMD[/image]


Bauteile

Konventionelle Variante
[table=]
|-
| Bauteilname

| Reichelt-Bestellnummer

| Preis

|-
| C1
| X7R-2,5 100N
| 0,05€
|-
| R1
| METALL 470
| 0,082€
|-
| R2
| METALL 10,0K
| 0,082€
|-
| R3
| METALL 3,60K
| 0,082€
|-
| R4
| METALL 15,0K
| 0,082€
|-
| R5
| METALL 1,00K
| 0,082€
|-
| R6
| PT 6-S 5,0K
| 0,24€
|-
| IC1
| TL 431 TO92
| 0,13€
|-
| T1
| BC 557B
| 0,04€
|-
[/table]

(Stand: 05.11.2011)

Macht eine Summe von 0,87€...


SMD-Variante
[table=]
|-
| Bauteilname

| Reichelt-Bestellnummer

| Preis

|-
| C1
| X7R-G0805 100N
| 0,05€
|-
|
|
|
|-
| R2
| SMD-0805 10,0K
| 0,103€
|-
| R3
| SMD-0805 3,60K
| 0,103€
|-
| R4
| SMD-0805 15,0K
| 0,103€
|-
| R5
| SMD-0805 1,00K
| 0,103€
|-
|
|
|
|-
| IC1
| TL 431 CD SMD
| 0,15€
|-
| T1
| BC 857B SMD
| 0,04€
|-
[/table]

(Stand: 08.11.2011)

Macht eine Summe von 0,65€...


Vorsichtsmaßnahmen

Natürlich kann ich für die Richtigkeit der Schaltung keinerlei Garantie geben. Wer an der KFZ-Bordversorgung arbeitet, sollte wissen, was er tut. Hier kann schnell großer Schaden angerichtet werden.

[RSK]

Also ich brauche es zwar nicht. Aber ich bin immer wieder davon beeindruckt, was die Forummitglieder sich so einfallen lassen.

Und diese Schaltung kann man auch noch so vielfältig einsetzen.

Klasse

[Rumpelstielzchen]

Prima Schaltung, bin gerade zufällig darauf gestoßen, nachdem ich mir eine ganz ähnliche Variante ausgedacht hatte.

Ich möchte aber zu bedenken geben, dass du nur Bauteile mit Temperaturbereichen von 0-70°C angegeben hast. Ich schätze, dass bei sehr tiefen Temperaturen im Winter der Schaltpunkt deutlich nach unten wegläuft und womöglich gar nicht mehr abschaltet. Hast du das mal mit Kältespray oder im Gefrierfach überprüft?

Außerdem fehlt komplett die Schutzbeschaltung gegen Störungen, die auf dem Bordnetz massig vorhanden sind. Der kleine Keramikkondensator reicht leider nicht aus und läuft sogar Gefahr einen Durchschlag zu erleiden.
Ich schlage nen 14V Varistor, Gerätesicherung, Induktivität, eine spannungsfeste Sperrdiode gegen Verpolung und negative Spannungsspitzen, ne Suppressordiode mit 30V Klemmspannung als Feinschutz und nen großen Eingangskondensator (z.B 100ųF/50V), abhängig vom Laststrom, vor.
Dahinter kann dann deine Schaltung kommen.