Uwe hat mir eine bunte LED-Lichterkette mit Batteriefach und eingebauter Elektronik zur Untersuchung geschickt. Das Besondere daran: Alle 96 LEDs hängen an denselben zwei Leitungen. Und trotzdem entstehen die kompliziertesten Lichtmuster mit wechselnden Blinkfrequenzen und Überblendungen zwischen den Farben. Wie ist das möglich? Wie werden da die Daten übertragen? Welche Art von Schaltung kann so etwas leisten?
Im ersten Moment habe ich an ein kompliziertes Datenprotokoll gedacht, das mit auf die Stromversorgung moduliert ist. Aber nach längerer Betrachtung der Blinkerei ist mir aufgefallen, dass alle roten und gelben LEDs genau im Gleichtakt leuchten, genau wie alle grünen und blauen LEDs. Da kam mir ein Verdacht: Wenn alle roten und gelben LEDs mit der Kathode nach unten und alle grünen und blauen LEDs mit der Kathode nach oben angeschlossen sind, braucht man eigentlich nur noch einen Brückentreiber, der die Leitungen treibt. Er kann dann die Stromrichtung und damit die Farben rot/gelb und grün/blau schalten. Und über PWM lässt sich die Helligkeit steuern. Quasi gleichzeitiges Leuchten aller LEDs geht bis zu einem PWM-Signal mit 50%.
Dann habe ich zwei Stecknadeln in die Leitungen gestochen und das Oszi angeschlossen. Dank Batteriebetrieb war das Teil ja ansonsten potentialfrei. Und siehe da, die Signale verhalten sich wie vermutet. Es sind praktisch zwei PWM-Signale mit unterschiedlicher Stromrichtung. Im Inneren des Geräts findet sich ein IC mit der Bezeichnung HTM3210. Aber leider kann ich keine weiteren Informationen dazu finden.
26.10.18: Ein Gegentaktwandler
Nur mal so aus Neugier, kann ich auch so einen schönen Wandler bauen wie den RO-1209S? Was ist da wohl drin? Es könnte ein Gegentaktwandler sein, ungefähr die Schaltung, mit der man oft Spannungswandler von 12 V auf 220 V/50Hz gebaut hat, nur auf einer entsprechend höheren Frequenz und mit einem Gleichrichter am Ausgang Für meinen Versuch habe ich vier Drähte verdrillt und zusammen auf einen Ringkern gewickelt, der aus einer Energiesparlampe stammt. Durch korrektes Zusammenschalten entsteht daraus ein Trafo mit Mittelanzapfungen an beiden Seiten.
Im Prinzip funktioniert der Wandler korrekt. Bei einer Eingangsspannung von 3 V erhalte ich 2,3 V am Lastwiderstand von 470 Ohm. Am Ausgang fließen also ca. 5 mA. Aber am Eingang brauche ich dazu 50 mA. Ein kümmerlicher Wirkungsgrad!
Das Wandlersignal sieht sehr gut aus. Bei 3 V beträgt die Frequenz 40 kHz. Die Schaltfrequenz steigt ungefähr proportional mit der Eingangsspannung an. Daraus ergibt sich auch ein Hinweis, woher der schlechte Wirkungsgrad kommt. Jeder Transistor leitet offenbar immer so lange, bis der Kern in die Sättigung geht. Das führt zu Verlusten. Wenn ich den Wandler fremdgesteuert mit einer höheren Frequenz betreibe, müsste der Wirkungsgrad besser werden.
Optimierungen von Schimmi
Der
vorgestellte Gegentaktwandler lässt sich dadurch deutlich verbessern,
dass der Mittelpunkt des Übertragers primärseitig über eine
Drossel gespeist wird. Damit müssen die Transistoren nicht mehr gegen
die Sättigung des Übertragers ankämpfen ( und verlieren ->
entsättigen). Bei steigendem Strom am Ende des Leitendzyklus der
Transistoren sinkt die Spannung an dem Mittelpunkt der Übertragers,
damit die Spannung an dem Kollektor des gesperrten Transistors und
damit auch der Basisstrom des leitenden Transistors.
Mögliche weitere Verbesserungen sind:
-
Ein kleiner Kondensator zwischen den Kollektoranschlüssen. Damit wird
der Resonanzkreis aus der Induktivität des Übertragers und dem
Kondensator zum frequenzbestimmenden Element, nicht mehr die
Übertragersättigung.
- Dioden in Sperrrichtung parallel zu den
Basis-Emitter Strecken (wichtig bei höherer Eingangsspannung um die
Basis-Emitterstrecken nicht ständig in den Zenerbetrieb zu treiben.
-
Evtl. eine Reihenschaltung aus einem kleinen C mit einem Widerstand
jeweils parallel zu den Basisvorwiderständen um das Umschalten zu
verbessern/erleichtern.
Siehe auch: Sinuswandler www.b-kainka.de/bastel37.htm, www.b-kainka.de/bastel65.htm
Für eine neue Entwicklung brauchte ich eine negative Spannung von -9V, die aus +12 V erzeugt werden musste. Übliche Schaltregler für diesen Zweck sind nicht ganz einfach und benötigen oft mehr als eine Speicherdrossel, nämlich einen Übertrager oder viele zusätzliche Bauteile. Ein Versuch mit einem MC2574 brachte zwar eine negative Spannung, zeigte aber auch viele Probleme. Und deshalb bin ich bei einem integrierten Spannungswandler gelandet. Der RO-1209S liefert eine isolierte Spannung von 9 V und ist eigentlich für Schaltungen mit getrenntem GND üblich. Wenn ich aber den Pluspol der Ausgangsspannung an GND lege, erhalte ich meine -9V.
Der Wandler ist ungeregelt und liefert nominell bis 1 Watt. Aber er soll auch kurzschlussfest sein. Ich habe ihn deshalb mal mit verschiedenen Lasten getestet und konnte überall eine erstaunlich guten Wirkungsgrad feststellen. Und wenn ich mal den Ausgang kurz mit bis zu 300 mA belastete, brach die Spannung nur auf ca. 8 V ein. Im Leerlauf ist die Spannung entsprechend größer als 9 V. Wenn ich die Eingangsspannung absenke, sinkt die Ausgangsspannung entsprechend. Und ganz erstaunlich: Sogar bei nur 2 V am Eingang arbeitet der Wandler noch einwandfrei. Der Wandler ist also sehr robust und fehlersicher.
Andere Spannugnen, von Lutz, DL4OBG
Interressehalber habe ich mal im Netz geschnüffelt, ob es andere Versionen leicht erhältlich gibt. Sogar über ebay bekommt man sie, dort angeboten auch z.B. von Conrad Electronic. Lt. Datenblatt gibt es sie von mit 1,8V, 3,3V, 5V, 9V, 12V, 15V und 24V, jeweils als Ein-, sowie Ausgangsspannung! Somit eine super einfache Lösung z.b. für Varicaps oder negative Gatespannungen für Feldeffekt-Transistoren. Eventuell, da die Ausgangsspannung ja mit (RO max 1kV kurzzeitig, RE 2kV) isoliert ist, könnte man 2 oder 3 Stück RO-xx24S ausgangsseitig kaskadieren für "handliche" Anodenpannungen von z.B. 48V oder 72V, das reicht für manche Röhrenbastelei ohne Netzstrom, und 42mA Anodenstrom wären schon ne ganze Menge!
Beim Einkaufen habe ich zufällig dieses Heft mit einer Beilage gefunden. Der IQ-Trainer kam mir sehr bekannt vor. Ist das nicht genau das Spiel, das wir im Spielekalender und unter einem anderen Namen Tag 24: Senso (engl. Simon) realisiert haben? Das hatte mir Fabian auf dem Holtek-Controller programmiert. Und eine neue Version ist fast fertig, wo es zu einem Einzelspiel mit erweiterten Möglichkeiten geworden ist. Da hatte Dagobert Duck die gleiche Idee. Das hat mich neugierig gemacht.
Tatsächlich, die Funktion ist die gleiche. Man muss zufällige Farben und Töne in gleicher Reihenfolge nachspielen. Hier verbergen sich unter den vier farbigen Tasten die Schaltkontakte und zugleich die LEDs. In der Mitte gibt es noch einen Startknopf. Batterien sind schon drin, man muss nur einen Isolierstreifen herausziehen.
Innen findet man eine Platine mit einem vergossenen Controller und fünf Gummitasten. Die SMD-LEDs sind extrem hell. Der Lautsprecher wird über einen Gegentak-PWM-Ausgang mit hoher Schaltfrequenz getrieben. Es werden analoge Sounds abgespielt. Neben den vier Tönen ist das z.B. ein Applaus, wenn man alles richtig gespielt hat.