Experimente mit superhellen Leuchtdioden - ciando … ganz bescheidenes Licht brauchen, um sich auf...

FRANZISDO IT!

FRANZISDO IT!

Experimente mit superhellen Leuchtdioden

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Bo Hanus


Bo Hanus

Superhelle LEDs in der Praxis!

Richtige Spannungsversorgung

Party-Deko-Beleuchtung

KFZ- Rückfahr- und Bremswarner

Licht-Mosaiken

LED-Taschenlampen

Weihnachtsdeko-Lichteffekte

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Superhell weiß leuchtende Leuchtdioden bzw. LEDs (Light

Emitting Diodes) werden immer leistungsfähiger, billiger und

sparsamer. Sie sind auf dem Weg, Edisons allmächtige Glühbirne

nach und nach zu verdrängen und die 40 Milliarden Dollar

schwere Beleuchtungsindustrie umzuwälzen.

In diesem Buch erfahren Sie, wie superhelle Leuchtdioden in

Hobby und Alltag richtig angewandt werden und welche

Nutzungsmöglichkeiten sich bieten. Neben vielen originellen

und einfachen Experimenten finden sich eine Menge prakti-

scher Bauvorschläge, die das erzeugte Licht in vielfältiger Art

und Weise nutzen: Faszinierende Lichtmosaiken, traumhafte

weihnachtliche Außen- und Innendekorationen, Party-Effekte,

Lauflichter, KFZ -Signalanwendungen, LED-Taschenlampen usw.

Das Buch ist so aufbereitet, dass auch Einsteigern der Schaltungs-

nachbau gelingt. Sämtliche Bauteile sind über den Versandhandel

beziehbar.

Aus dem Inhalt• Allgemeinwissen zu LEDs

• Spannungsversorgung

• Einfache Experimente mit LEDs

• Effekte mit bewegtem Licht

• LED-Anzeigen

• KFZ-Anwendungen

• Typenübersicht & spezielle Eigenheiten

ISBN 978-3-7723-5487-8

EUR 14,95 [D]Besuchen Sie uns im Internet: www.franzis.de

5487-8 U1+U4 14.03.2008 9:28 Uhr Seite 1

Wir haben dieses Buch so verfasst, dass sowohl weniger erfahrene Tüftler als auchProfis auf ihre Kosten kommen. Es ist aller-dings nicht möglich, dass man mit so einemBuch alle eventuellen Wissenslücken einesjeden Lesers füllen kann. Anderseits wärees auch nicht sinnvoll, hier aufwendige Gra-fiken und Formeln aufzuführen, die nur füreinen Leuchtdioden-Hersteller von Bedeu-tung sind.

Ein Profi findet in diesem Buch viele inno-vative Schaltungen, die wir speziell für die-ses Thema entwickelt haben. Hinter somancher Idee oder Bauanleitung, die hierleicht verständlich dargestellt ist, verbergen

sich etliche originelle Ideen und interneEntwicklungen, von denen auch ein erfahre-ner Fachmann profitieren dürfte.

Unser Dank für die Unterstützung mit aktuellen Fachauskünften und Unterlagengehört dem Elektronik-Versandhaus „Con-rad Elektronik“ und den Firmen Osram undEverlight.

Viel Spaß beim Lesen dieses Buches undviele Erfolgserlebnisse bei Ihren Experi-menten wünschen Ihnen

Bo Hanus und seine Co-Autorin (& Ehe-frau) Hannelore Hanus-Walther

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Vorwort

HanusLeuchtd-2-Auflg.qxd 06.03.2008 11:14 Uhr Seite 5

1 Super-ultrahelle Leuchtdioden und ihre Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1 Die Leuchtkraft und der Abstrahlwinkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.2 Farben und Formen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.3 Leuchtdioden mit speziellen Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291.4 Lebensdauer der Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2 Stromversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.1 Probieren, messen oder rechnen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.2 Die Nennleistung des Vorwiderstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.3 Spannungsreduktion mit Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.4 Netzgeräte und Netzteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.5 LED-Konstantstrom-Konverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642.6 Batteriebetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642.7 Praktische Tipps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3 Konstantes Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733.1 Mini-Spots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733.2 LED-Ketten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.3 LED-Flächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803.4 LEDs in Fahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4 Blinkendes Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864.1 Multivibrator als Blinker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864.2 Blinker mit dem IC NE 555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

5 Laufendes Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965.1 Mehrstufige Timer-Ketten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965.2 Ringzähler-ICs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 995.3 Glücksräder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

6 Fließendes Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

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Inhalt

Inhalt


7 Nützliche Hilfsschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1197.1 Dämmerungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1197.2 Funk-Türglocke als Fernschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1197.3 Schalten mit dem IC 4066 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1227.4 Anwesenheitsmelder mit Relais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1247.5 Anwesenheitsmelder mit dem IC 4066 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1257.6 Licht und Klang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1287.7 Laser-Pointer als Fernschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

8 Energieübertragung mit Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1338.1 Energieübertragung zu einer Wanduhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1348.2 Drahtloses Nachladen von Kleinakkus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

9 LED-Impulsbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

10 Interessante Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14210.1 Quiz-Taster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14210.2 LED-Hausnummer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14510.3 Gehrichtungerkennende Lichtschranke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14710.4 LED-Taschenlampe anders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

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Inhalt


In diese Rubrik dürfte jedes Licht fallen,das ununterbrochen und „ruhig“ leuchtet.Es kann sich dabei um eine LED-Beleuch-tung handeln, die einen dunklen Raum, einedunkle Treppe oder einen Keller-Lichtschal-ter wirklich ununterbrochen beleuchtet odereinfach um eine Beleuchtung, die für einenlimitierten Dauerbetrieb auf Abruf einge-schaltet wird. Zu letzterer Gruppe der„Konstantlicht-Quellen“ gehören verschie-denste Kontroll- und Signalleuchten, Warn-leuchten und Warnanzeigen, Reklame-leuchten, Partyleuchten, Decken-, Tisch-und Taschenlampen usw.

Der niedrige Energieverbrauch und die zu-nehmende Fähigkeit, ein akzeptables Tages-licht zu erzeugen, macht superhelle Leucht-dioden zu attraktiven Konkurrenten der her-kömmlichen Lichtquellen.

Die technischen Informationen aus den vor-hergehenden Kapiteln reichen dazu aus,dass ein Leser mit etwas kreativer Fantasieviele interessante LED-Anwendungen mitkonstantem Licht leicht selber bewerkstelli-gen kann. Wir beschränken uns daher dar-auf, dass wir nur noch einige speziellereAnwendungsmöglichkeiten aufführen, diesich auch gut fürs Experimentieren eignen.

3.1 Mini-SpotsWer ab und zu abends an seinem PC sitzt,der kennt das Problem: Man würde oft nurein ganz bescheidenes Licht brauchen, umsich auf der Tastatur zurechtzufinden. EineTischlampe erweist sich oft als zu störend.Werden an ihrer Stelle zwei bis vier gut po-sitionierte superhelle weiße LEDs verwen-det, kann die PC-Tastatur auf eine sehr an-genehme Weise beleuchtet werden.

Von der Anordnung des Monitors mit sei-ner „Randapparatur“ hängt ab, wo dieLEDs am besten untergebracht werdenkönnen und wie viele LEDs erforderlichsind, um die Tastatur ausreichend voll-flächig zu beleuchten (das muss individu-ell ausprobiert werden). Falls ein PC-Flachbildschirm ergonomisch in Augen-höhe auf einer Konsole steht, können z. B.etwa drei superhelle Leuchtdioden untereine kleine Eigenbau-Blende nach Abb.3.1 (die z. B. aus einem ca. 0,5 bis 0,7 mmdünnen Alu-Blech angefertigt wird) unter-gebracht werden.

Superhelle LEDs eignen sich hervorragendauch für andere lokale Beleuchtungen, die wahlweise mit weißem oder auch mit

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3Konstantes Licht


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Konstantes Licht

3

farbigem Licht vorgenommen werden kön-nen.

Wir haben zu diesem Zweck verschiedeneeinfachere LED-Konfigurationen experi-mentell ausprobiert und die besten davon inder Form von kompletten nachbauleichtenBeispielen der passenden stabilisiertenSpannungsversorgung in Abb. 3.2 bis 3.4ausgearbeitet. Um Ihnen beim Nachbau dasHerumsuchen nach einzelnen Schaltungs-teilen auf anderen Buchseiten zu ersparen,wiederholen wir bei diesen Schaltplänenauch diverse Schaltungsteile, die mit den jeweils „vorhergehenden“ Schaltplänen op-tisch identisch sind und nur einige unter-schiedliche Bauteile beinhalten.

Über den Selbstbau von Netzteilen haben

wir bereits im Kap. 2.4 alles erläutert, wasfür die Praxis von Bedeutung ist. Daherdürfte es genügen, wenn wir zu dem maß-gerecht ausgelegten Netzteil aus Abb. 3.2nur zwei Bausteinen zusätzliche Aufmerk-samkeit widmen:

a) Der Netztransformator (1 VA) ist hier be-wusst etwas überdimensioniert, da erpreiswerter und robuster ist als sein klei-neres 0,5 VA-Brüderchen, dessen Sekun-där (2 x 15 V/16 mA) für diesen Zweckbereits auch ausreichen würde.

b) Als D3 kann jede beliebige Restposten-Siliziumdiode eingesetzt werden, derenSperrspannung (= Spannungsverlust anihren Anschlüssen) theoretisch bei ca.0,8 V liegt. Da jedoch in der Praxis die

Konstantes Licht

Abb. 3.1 Unter einerSelbstbau-Blende, dieunterhalb eines PC-Flachbildschirms ein-fach eingesteckt wird,können superhelleLeuchtdioden unterge-bracht werden, die„dezent“ die PC-Tas-tatur beleuchten


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3

Mini-Spots

Ausgangsspannung des Spannungsreg-lers von den vorgesehenen 10 Volthöchstwahrscheinlich etwas abweichenwird, müsste die Sperrspannung der D3genau genommen nur noch den exakten

Spannungsunterschied an den Regler-Ausgang anheben. Unter Umständenmüsste als D3 anstelle einer „normalen“Siliziumdiode eine Schottky-Diode ein-gesetzt werden, deren Sperrspannung nur

Abb. 3.3 Zwei superhelle Luxeon-LEDs (à 1 Watt) können als eine praktische Mini-Beleuchtung eingesetzt werden

Abb. 3.2 Drei superhelle weiße LEDs reichen u.a. für die lokale Beleuchtung einer PC-Tastatur (nach Abb. 3.1)


ca. 0,3 V beträgt. Das ist aber bloß Theo-rie. Ein Praktiker wird erst die D3 ganzweglassen, den GND-Anschluss des Reg-lers einfach mit der Masse verbinden undmit einem Milliamperemeter (Multimeter)

nachmessen, welcher Strom nun tatsäch-lich durch die drei in Reihe geschaltetenDioden fließt. Werden z. B. 18,5 bis 19mA ermittelt, kann man sich damit zufrie-den geben.

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Konstantes Licht

3

Abb. 3.5 Für die ersten Experimente kann als Spannungsversorgung einer superhellen 5-Watt-Luxeon-LED ein handelsübliches stabilisiertes 7,5-V/1-A-Netzgerät (Stecker-Netz-gerät) verwendet werden; die überschüssige Spannung von 0,66 V fangen die zwei einge-zeichneten Widerstände auf

Konstantes Licht

Abb. 3.4 Dieses Netzteil ist für die 5-Watt-Luxeon-LED ausgelegt, die einen Lichtstromvon stolzen 120 Lumen hervorbringt: das käme mit dem Lichtstrom einer herkömmlichen230 V~-Haushaltsglühlampe von ca. 17 Watt überein (achten Sie bitte bei der Anschaffungdieser Leistungs-Leuchtdioden auf die vom Hersteller angegebene limitierte Lebens-dauer!)


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3

Mini-Spots

Abb. 3.6 oben: Netzteil für zwei weiße superhelle Leuchtdioden, die z. B. an einer Brilleoder an einem glaslosen Brillengestell angebracht werden können; unten: Beispiel der Anordnung von zwei Leuchtdioden an einer Brille (die Zuleitung wird ähnlich wie eine Brillenkette gestaltet)


Für das Netzteil nach Abb. 3.3 wäre eigent-lich ein Trafo-Sekundär von 2 x 10 V opti-mal, aber für diese Spannungsregelung rei-chen erprobt die 2 x 9 V aus. Eventuellekleinere Rillen, die in der Regler-Aus-gangsspannung im Falle einer Netz-Unter-spannung entstehen können, haben keinewahrnehmbare Auswirkung auf die Licht-qualität. Für die optimale Regler-Ausgangs-spannung gilt dasselbe, was bereits im Zu-sammenhang mit Abb. 3.2 erläutert wurde.Zu beachten: Diese Leuchtdioden benötigenKühlkörper!

Auch bei dem Netzteil aus Abb. 3.4 müssteim Idealfall die zusätzliche Siliziumdiode(D3) die Regler-Ausgangsspannung auf dieerforderlichen 6,84 Volt erhöhen. DieseLeuchtdiode heizt sich beim Dauerbetriebkräftig auf, benötigt einen ausreichendgroßen Kühlkörper und für ihre (noch rela-tiv kurze) Lebenserwartung ist es wichtig,

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Konstantes Licht

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Abb. 3.7 Diverse handelsübliche LED-Scheinwerfer benötigen ebenfalls Netzteile, dieleicht im Selbstbau nach diesem Beispiel maßgerecht erstellt werden können

Abb. 3.8 Leuchtdioden anstelle einer Glüh-birne: Manche dieser LED-Lampen könneneinfach anstelle von normalen Glühbirnenin gängige (E-27 und E 14) Glühbirnen-fassungen eingeschraubt werden (sie sindwahlweise für eine Wechselspannung von12 V, 24 V oder 230 V ausgelegt)

Konstantes Licht


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3dass der Betriebsstrom bei Dauerbetrieb700 mA (bevorzugt 650 bis 675 mA) nichtüberschreitet.

In dem Netzteil aus Abb. 3.6 wird mit zweizusätzlichen Dioden (D3/D4) an dem„GND“-Anschluss des 6-Volt-Festspan-nungsreglers die Regler-Ausgangsspannungauf ca. 7,2 V erhöht. Zu diesem Zweck eig-net sich am besten ein Dioden-Duo, das z. B. aus einer Siliziumdiode 1 N 4001 (bis4004) und einer Schottky-Diode SB 130 be-steht. Vorausgesetzt, dass z. B. die Schott-ky-Diode nicht ganz entfallen kann, wennder Spannungsregler ohnehin eine etwashöhere Spannung als die vorgesehenen 6Volt liefert. Zudem muss hier die theore-tisch vorgesehene Spannung von 7,2 Veventuell etwas geändert werden, um denoptimalen LED-Strom (von ca. 18 bis 20mA) einzustellen (siehe hierzu auch unsereTipps aus Kap. 2.6).

Es spricht aber nichts dagegen, dass hier anstelle des 6-Volt-Spannungsreglers ein 8-Volt-Spannungsregler verwendet und dassdie überflüssige Spannung von einem ca. 39 Ω bis 47 Ω (0,25 W)-Vorwiderstand abgefangen wird.

Die meisten handelsüblichen LED-Schein-werfer werden als kompakte Leuchtkörperangeboten, bei denen nur die Betriebsspan-nung, der Betriebsstrom und die Anzahlder eingebauten Leuchtdioden angegebensind.

3.2 LED-Ketten

Die Länge einer LED-Kette hängt von zweiFaktoren ab: Die Versorgungsspannungmuss verständlicherweise der Summe dereinzelnen LED-Spannungen entsprechenund alle angewendeten Leuchtdioden soll-ten vor der Montage auf eine einigermaßenausgewogene Lichtstärke vorselektiert sein.

„Abweichler“ unter den LEDs können so-wohl rein optisch als auch durch eine Kon-trolle der einzelnen Durchlass-Spannun-gen nach Abb. 3.9 ermittelt und aussortiertwerden. Die Ansprüche auf ausgewogeneParameter können abhängig von der Artder Anwendung unterschiedlich sein. Inso-fern die individuelle Durchlass-Spannungeine Erhöhung von maximal ca. 5 bis 10%gegenüber dem vorgegebenen Nennwert(UF) aufweist (wie in dem Beispiel ausAbb. 3.9 aufgeführt ist), stellt sie für klei-nere LEDs keine ernsthafte Bedrohung derLebenserwartung dar.

Bei größeren superhellen LEDs (ab ca. 1Watt Leistung) sollten bei der Vorselektionfür eine Reihenschaltung höhere Ansprücheauf die Ausgewogenheit der ermitteltenDurchlass-Spannungen gestellt werden,wenn ein Dauerbetrieb vorgesehen ist. Zu-dem ist in dem Fall der Betriebsstrom derKette ca. 5 bis 7% unterhalb des offiziellen„IF“ einzustellen.

Längere LED-Ketten können in mehrereSektionen nach Abb. 3.10 eingeteilt werden,wenn andernfalls die Versorgungsspannungzu hoch geraten würde.

LED-Ketten


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Laufendes Licht

5

Unter dem Begriff „laufendes Licht“ stelltman sich meist einfachheitshalber eine Rei-he von Lampen, die als „Lauflicht“ aus (ansich langweiligen) Lichterketten oder ähnli-chen Vorrichtungen bekannt sind.

Fürs Experimentieren oder für die Entwick-lung von kreativen Anwendungen sollteman im Bilde darüber sein, wie man dasGanze wirklich gut in den Griff bekommt,um auch speziellere Ideen in die Praxis um-setzen zu können. Wir spielen uns daher

mehrere Beispiele durch, um in Erfahrungzu bringen, was sich alles mit der Vielfaltder Gestaltungsmöglichkeiten konkret an-fangen lässt.

5.1 Mehrstufige Timer-Ketten

Das Timer-IC „NE 555“ kennen wir bereitsaus Kapitel 4.4 (Abb. 4.9/4.10). Allerdingsnicht als Timer, sondern sozusagen „zweck-entfremdet“ als Taktgeber.

Laufendes Licht

Abb. 5.1 Schaltung eines mehrstufigen Timers, der als Ringzähler ausgelegt ist


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IR-Lichtschranken

5Abb. 5.1 zeigt eine dreistufige Timer-Kette,die als ein Ringzähler fungiert. Alle Timersind völlig baugleich. Anstelle der informa-tiv eingezeichneten LED-Gruppen kann je-der Timer selbstverständlich jeweils nur ei-ne einzige LED – oder auch beliebig vieleLEDs – betreiben. Falls die Versorgungs-spannung nicht auf die LEDs abgestimmtwird, sind zusätzliche Vorwiderstände oderandere „Spannungsschlucker“ erforderlich(siehe hierzu Kap. 2).

Zu der Funktion der drei Timer: Ein Timer(ein Zeitschalter) ist ein einfaches Ding, dasirgendwann irgendetwas einschaltet, um esnach der eingestellten Zeitspanne wiederabzuschalten.

Auf dieselbe Art arbeitet unsere Timer-Ket-te. Die mit P1, P2 und P3 einstellbaren Zei-ten sind jedoch nur sehr kurz (dauern z. B.nur etwa eine 3/4-Sekunde) und die Schal-tung ist als ein Ringzähler ausgelegt, in demsich die „Einschaltimpulse“ in einer unend-lichen Schleife drehen. In dem Moment, indem der Timer 1 abschaltet, verhält sich C3ähnlich einer Start-Taste des Timers 2 undstartet diesen Timer. Sein Schaltausgang amPin 3 kippt bei diesem Abschalten von„low“ auf „high“, schaltet die Versorgungs-spannung für die LED-Gruppe B ein usw.Wenn dann Timer 3 „abschaltet“, erhält Ti-mer 1 über C1 einen Startimpuls, die LED-Gruppe A leuchtet in dem Moment auf undder ganze Vorgang wiederholt sich (in einerunendlichen Schleife).

Mehrstufige Timer-Ketten

Abb. 5.2 Eine LED-Timer-Kette mit vier Timern, wovon der letzte Timer 4 nur zumEinlegen einer Zwischenpause dient, während der alle LED-Gruppen ausgeschaltetsind; D1 bis D6 = 1N4148 (bis ca. 100 mA) oder 1N4001 bis 1N4004 (für einenStrom von 100 bis 150 mA).


Dieser Ringzähler funktioniert im Prinzipähnlich wie ein Blinker, aber es wechselnsich hier nicht zwei, sondern drei „Licht-quellen“ ab. Mit den Einstellpotentiometern(P1 bis P3) können bei Bedarf die einzel-nen Einschalt-Zeitspannen unterschiedlicheingestellt werden.

Interessant an diesem Ringzähler ist, dassdie Timer-Kette beliebig verlängert werdenkann (mit denselben Bauteilen). Pin 3 des letz-ten Timers wird dann über einen 10-nF-Kon-densator mit Pin 2 des Timer 1 verbunden –wie wir es in Abb. 5.2 gemacht haben. Genaugenommen darf die Kapazität der Kondensa-toren C1, C2 und C5 zwischen ca. 1 nF und47 nF liegen (auch gemischt). Auch die Ka-pazitäten der C2, C4 und C6 brauchen nichteingehalten zu werden (sie drüfen zwischenca. 1 nF und 10 nF liegen). Wenn Sie erst nureinen der Timer bauen, können Sie selberausprobieren, wie er auf die Veränderung derKapazität der Kondensatoren reagiert.

Wie viele Stufen so ein Ringzähler benötigt,hängt selbstverständlich von dem vorgese-henen Projekt ab. Für ein eindrucksvolleresLauflicht sind drei Timer-Stufen sicherlichzu wenig. Ein derartig „kurz geratener“Ringzähler kann aber leuchtende Bewegun-gen (wie z. B. eine winkende Hand) bessersimulieren als ein reiner Blinker.

Mit Hilfe eines solchen Ringzählers kannman die Lichter auch „aufbauend“ auf-leuchten lassen, wie Abb. 5.2 zeigt: Erstleuchtet nur die LED-Gruppe A auf, danachleuchtet zusätzlich noch die LED-Gruppe Bauf, dann schaltet sich noch die LED-Grup-pe C dazu – und in unserem Beispiel schal-

tet schließlich der Timer 4 vorübergehendalles aus. Nach dieser Zwischenpause folgtdie nächste Runde usw.

Das Funktionsprinzip ist einfach: In demMoment, wenn Timer 1 die Stromzufuhr zuder LED-Gruppe A abschaltet, springt Ti-mer 2 ein und führt ihr über D2 den Stromweiter zu. Gleichzeitig erhält von ihm überD4 auch die LED-Gruppe B Strom, wo-durch beide Gruppen weiterhin leuchten.Als dritte im Bunde schaltet sich zu denzwei vorhergehenden LED-Gruppen dieLED-Gruppe C auf dieselbe Weise dazu,sobald Timer 3 aktiviert wird (nun erhaltenüber Dioden D3, D5 und D6 alle drei LED-Gruppen ihre Betriebsspannung). NachdemTimer 3 abschaltet, wird Timer 4 aktiviert.An seinem Pin 3 sind aber keine LEDs an-geschlossen und alle Lichter sind dahervorübergehend ausgeschaltet (die Längedieser Pause kann am Timer 4 eingestelltwerden). Sein Pin 3 ist über C1 mit dem ersten Timer verbunden (diese Verbindungschließt die Schleife auf dieselbe Weise, wiebei der Schaltung aus Abb. 5.1).

Wozu so etwas gut sein kann, zeigt das Bei-spiel aus Abb. 5.3: Die aus LEDs zusam-mengestellten Lichtsegmente eines Weih-nachtssternes aus Abb. 5.3b werden in LED-Sektionen eingeteilt, die mit der Anordnungaus Abb. 5.2 übereinstimmen. Die einzelnenTeile des Sternes bauen sich nach und nachleuchtend auf, danach erlöschen kurz alleLEDs und anschließend fängt die folgendeRunde an (in einer unendlichen Schleife).Die Reihenfolge des Aufleuchtens verläuftdemnach wie folgt: A – A+B – A+B+C-Pause – A – A+B – A+B+C- Pause usw.

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Laufendes Licht

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Auf diese Art lassen sich viele sehr attrakti-ve Figuren konstruieren, die als Party-Gags,als romantische weihnachtliche Lichtdeko-rationen oder als verspielte Blickfänger ihreAnwendungen finden. Dabei können nachBelieben verschiedenste superhelle LEDsmit preiswerten Standard-LEDs kombiniertwerden, wenn es die „Sichtweite“ erlaubtoder wenn es die „Belebung“ eines Orna-mentes unterstützt.

Zudem können auch LEDs diverser Größemiteinander kombiniert werden, wie z. B.das Beispiel aus Abb. 5.3 zeigt. Sollte derStrombedarf einiger Sektionen die 150 mAüberschreiten, die das IC NE 555 verkraftet,können evtl. zwei dieser ICs einfach paral-lel miteinander verbunden werden. Alterna-tiv kann der Timer über ein zusätzliches Re-lais beliebig große LED-Ketten schalten(siehe hierzu Abb. 4.10).

5.2 Ringzähler-ICs

Zu den bekanntesten „Ringzähler-ICs“ ge-hören die ICs Type 4024 (Abb. 5.4) und4017 (Abb. 5.12). Sie funktionieren fast ähn-lich wie die Ringzähler aus Abb. 5.1 und 5.2,benötigen jedoch einen zusätzlichen Taktge-ber. Abb. 5.4 zeigt eine einfache Schaltung,in der pro Ringzähler-Schaltausgang jeweilsnur eine Low-current-LED verwendet wird.

Den Taktgeber kennen wir bereits aus Abb.4.9 und 4.10. Anstelle des IC „NE 555“könnte hier alternativ auch sein „schlappe-res“ CMOS-Brüderchen „ICM 7555“ ver-wendet werden. Das arbeitet sogar energie-sparender, ist jedoch nicht so strapazier-fähig wie die bipolare Type „NE 555“.

Leider ist es die Strapazierfähigkeit der„Schaltausgänge“ des ICs 4024 auch nichtgerade umwerfend, denn sie verkraften

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IR-Lichtschranken

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Ringzähler-ICs

Abb. 5.3 Ausführungsbeispiel eines LED-Sterns, der von der Timer-Kette aus Abb. 5.2 be-trieben werden kann: a) Skizze des LED-Sterns; b) Anordnung der einzelnen LED-Sektio-nen, die sich auf die Schaltung aus Abb. 5.2 beziehen.


höchstens nur einen Strom von 10 mA proPin. Fürs Experimentieren oder für eine be-scheidene Anwendung kommen daher nurdie eingezeichneten Low-current-LEDs in

Betracht. Sie dürften allerdings auch alsLED-Reihen angeordnet sein, insofern dieStromabnahme pro „Schaltausgang“ 10 mAnicht überschreitet.

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Laufendes Licht

5

Abb. 5.4 Eine einfache Ringzähler-Schaltung mit Low-current-LEDs


Um auf diese Weise LEDs betreiben zukönnen, deren Strombedarf mehr als 10mA beträgt, muss als Zwischenglied einpassender „Treiber“ nach Abb.5.6 zwischendie Schaltausgänge des ICs 4024 und dieLEDs eingesetzt werden, der einen Stromvon bis zu 40 mA pro Treiberglied schaltenkann.

Das preiswerte IC 7407 verfügt allerdingsnur über 6 Treibereinheiten. Zu den speziel-len Eigenheiten des Ringzähler ICs 4024gehört, dass der Anwender die Anzahl derRingzähler-Ausgänge problemlos verrin-gern kann. Der „nicht mehr benötigte“ Aus-gang wird in dem Fall einfach mit Pin 2(Reset-Eingang) verbunden und der Ring-zähler zählt dann jeweils nur bis zu der vor-hergehenden höchsten Stufe (in unsererBeispiel aus Abb. 5.6 verwenden wir nur 6Ringzähler-Stufen. Würde man z. B. denAusgang 4 mit Pin 2 verbinden, dann würdeder Ringzähler jeweils nur bis drei zählen

und danach in einer „unendlichen Schleife“jeweils die Stufen (Ausgänge) 1-2-3-1-2-3-1-2-3 usw. durchlaufen.

Möchte man dennoch alle 7 Ringzähler-Schaltausgänge verwenden, kann natürlichu. a. ein zweites IC der Type 4024 verwen-det werden. Das muss nicht unbedingt eineVerschwendung darstellen, denn diese Trei-ber arbeiten sehr kooperativ in Parallel-schaltungen. Wenn z. B. diverse LED-Orna-mente aus unterschiedlicher Anzahl vonLEDs pro Sektion zusammengesetzt sind,können für die kräftiger belasteten Sektio-nen zwei oder auch mehrere Treiber parallelverbunden werden. Die Strombelastung ad-diert sich hier im Prinzip sehr ausgewogen.

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IR-Lichtschranken

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Ringzähler-ICs

Wichtig: Nicht angeschlossene Schalt-ausgänge sollten bei allen ICs grund-sätzlich über Widerstände von ca. 4,7 kbis 47 k mit der Masse verbunden wer-den (jeder Ausgang einzeln).

Abb. 5.5 Pin-Belegung des ICs 4024


So verkraften z. B. drei Treiber einen Stromvon bis zu 120 mA (3 x 40 mA).

Die Aufgabe der Treiber können jedochauch diverse NPN-Transistoren nach Abb.5.7/5.8 übernehmen. Für niedrigere Strom-

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Laufendes Licht

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Abb. 5.6 Mit Hilfe des Treiber-ICs 7407 kann ein Strom von bis zu 40 mA „durch-geschaltet“ werden


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IR-Lichtschranken

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Ringzähler-ICs

Abb. 5.7 Mit Hilfe von zusätzlichen Treiber-Transistoren können Leuchtdioden-Ketten mithöherer Stromabnahme geschaltet werden (R1 bis R12 sind als „LED-Vorwiderstände“ aufden Spannungsbedarf der jeweiligen LED-Ketten abzustimmen) a) elektronische Schal-tung, b) Beispiel eines sich in sechs Schritten drehenden Lichtbalkens


belastung können zu diesem Zweck fast alleKleintransistoren (100-mA- bis 200-mA-Typen) verwendet werden. Für höhereStrombelastung eignen sich entweder diver-se 1-Ampere-„Bipolar-Standard-Leistungs-transistoren“ oder „Power MOSFET-Transi-storen“ (N-Kanal) der Type BUZ 103S undÄhnliche, auf die wir noch im Kap. 6zurückkommen.

Abb. 5.8 zeigt eine „Treiberkette“, die aus 7Transistoren (z. B. der Type BC 107, BC170, BC 547 usw.) besteht und drehende„LED-Trios“ schrittweise schaltet. Wirkonnten bereits in Zusammenhang mit Abb.5.2 in Erfahrung bringen, wie man mit Hilfe

von zusätzlichen Dioden die einzelnenRingzählerstufen mit den LEDs so verschal-ten kann, das sie genau das tun, was manvon ihnen verlangt. Und hier wird verlangt,dass jeder der Schaltausgänge jeweils 12LEDs so bedient, dass das Ein- und Aus-schalten der Sektionen schrittweise (LEDfür LED) so verläuft, dass sich der LED-Kreis quasi wie ein Zahnrad dreht.

Wir haben bei diesem Beispiel übersichts-halber nur die Verbindung des Schaltausgan-ges Q2 komplett eingezeichnet. Somit kannleichter nachvollzogen werden, dass der da-rauf folgende Schaltausgang Q3 das „Zahn-rad“ jeweils nur um eine LED „weiter dreht“.

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Laufendes Licht

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Abb. 5.8 Transistoren entlasten als Treiber das Ringzähler-IC und mit Hilfe von zusätzli-chen Dioden (1 N 4148) können sich die Segmente des Leuchtdioden-Kreises Schritt fürSchritt so drehen, dass immer drei LEDs leuchten


Mit Hilfe von zusätzlichen Dioden kann je-der Ringzähler-Schaltausgang (Q1 bis Q7)jeweils genau die LEDs schalten, die in einer gewünschten Reihenfolge geschaltetwerden sollen.

Was darunter zu verstehen ist, erklären wiruns mit Hilfe der Schaltung aus Abb. 5.9:Sieben Leuchtdioden stellen einen Spiel-würfel dar, der allerdings nicht geworfen,sondern durch einen „blitzschnell“ laufen-den Ringzähler gesteuert wird. Die beidenICs sind hier zur Abwechslung mit den gän-gigen Schaltzeichen dargestellt (da werdendie einzelnen Pins der ICs nicht in der

tatsächlichen Reihenfolge eingezeichnet,sondern nur jeweils mit der entsprechendenPin-Nummer versehen).

Solange die START/STOPP-Taste gedrücktbleibt, läuft der Ringzähler derartig schnell,dass man die Bewegung der Lichter garnicht erfassen kann. Beim Loslassen derTaste stoppt der Ringzähler „wahllos“ undnur einer der Schaltausgänge bleibt positiv.Abhängig davon, welcher der Ausgänge aufdiese „unkontrollierbare“ Weise „high“wird, zeigt der Würfel in der Form vonleuchtenden Punkten die üblichen Zahlenzwischen 1 und 6 an.

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IR-Lichtschranken

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Ringzähler-ICs

Abb. 5.9 Ein elektronischer Leuchtdioden-Spielwürfel (die beiden ICs sind hier mit dengängigen Schaltzeichen dargestellt (da werden die einzelnen Pins der ICs nicht in dertatsächlichen Reihenfolge eingezeichnet, sondern nur jeweils mit der entsprechenden Pin-Nummer versehen)


Sehen Sie sich bitte interessehalber an, wiedie Leuchtdiode „a“ verschaltet ist: Wennder Ringzähler-Ausgang Q1 positiv wird,erhält nur Leuchtdiode „a“ über die unter-ste Diode D1 ihre Versorgungsspannungund leuchtet auf. Am Ausgang Q2 sind zweiDioden (D2 und D3) angeschlossen: D2führt zu der LED „b“, D3 zu der LED „c“.Dieser Schaltausgang ist für die Zahl „2“zuständig. Der Schaltausgang „Q 3“ lässtdie Zahl „3“ (als drei Punkte) aufleuchtenusw. Sehen Sie sich bitte genauer an, wiedie Verbindungen von den einzelnen Aus-gängen des Ringzählers zu den LEDs derWürfel geleitet werden.

Auf eine ähnliche Weise können Sie experi-mentell alle nur denkbaren Einschalt-Rei-henfolgen von verschiedenen LED-Mosaik-

Steinchen nach Ihrem Gusto auslegen. ZumSchalten von „kräftigeren“ Strömen (über-halb von ca. 9 mA) sind zusätzliche Treiber-Transistoren erforderlich, die z. B. nachAbb. 5.10 ebenfalls über Kleindiodenwunschgerecht „aktiviert“ werden.

Die relativ einfache Schaltung in Abb. 5.10stellt eine Alternative zu dem Schaltbeispielaus Abb. 5.2 dar. Die beiden ICs sind hierebenfalls mit den gängigen Schaltzeichendargestellt. Die Schaltausgänge Q2 bis Q7schalten einfach nach und nach die höherliegenden LEDs „aufbauend“ zu dem stän-dig leuchtenden unterstem LED-Duo. DasLauflicht läuft hier seine „Runden“ mit ei-ner Unterbrechung, die während einer Im-pulsdauer am Q1 entsteht. Anstelle des ein-gezeichneten Leuchtdioden-Pfeils können

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Laufendes Licht

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Abb. 5.10 Ein leuchtender Pfeil (einzelne Lichtsegmente bauen sich schrittweise auf)


selbstverständlich beliebige andere Figurenoder kaleidoskopähnliche Mosaiken aufdiese Art konzipiert werden.

Wenn erforderlich, können das eigentlicheSchalten auch Relais (nach Abb. 5.11) über-nehmen und evtl. über Dioden-Kaskaden

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IR-Lichtschranken

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Ringzähler-ICs

Abb. 5.11 Schalten über Relais (Teilzeichnung)

Abb. 5.12 Pin-Belegung des Ring-zähler-ICs 4017


aufbauend beliebige Lichter-Konfiguratio-nen schalten. Wir stellen hier ebenfalls nurmit einer Teilzeichnung das eigentlichePrinzip dar, bei dem 6 Relais „aufbauend“zugeschaltet werden. Auch diese Schaltungbasiert auf demselben Prinzip wie dieSchaltung aus Abb. 5.2: Der erste Schalt-ausgang Q1 des ICs 4024 (an seinem Pin12) schaltet nur das Relais am T1 ein. So-bald der zweite Schaltausgang Q2 (Pin 11)von „low“ auf „high“ kippt, springt das Re-lais am T2 an und das Relais des T1 bleibteingeschaltet. Die Basis des T1 bleibt beiden Schritten von Q1 bis Q6 unter Span-nung (da es bei dem „Schaltsprung“ vomQ1 auf Q2 zu keiner Spannungsunterbre-chung kommt) und schaltet – mit den restli-chen LEDs – erst dann ab, wenn der Pau-sen-Schaltausgang Q7 aktiviert ist. Dernächste Taktimpuls aktiviert aber wieder Q1und T1, womit die nächste Runde beginntusw.

Auf dieselbe Weise wie das Ringzähler-IC4024 arbeitet auch das etwas größere IC4017 (Abb. 5.12/5.13), verfügt jedoch über10 „Schaltausgänge“ (die sich bei Bedarfauf dieselbe Weise reduzieren lassen wiebei dem IC 4024). Der Taktgeber für daskleine Glücksrad aus Abb. 5.13 kann iden-tisch mit dem aus Abb. 5.10 sein.

5.3 GlücksräderGlücksräder gehörten schon immer zu denbeliebten Attraktionen bei festlichen Veran-staltungen, Feiern und Kinderfesten. EinGlücksrad, bei dem superhelle LEDs auf-leuchtend „drehen“, kann die Faszinationeiner solchen Verlosung noch mehr stei-gern. Bei dieser Art der Anwendung ist esjedoch erwünscht, dass sich nach dem„Start“ die Drehzahl des Glücksrades lang-sam verringert und letztendlich zum Still-stand kommt. Dies beinhaltet, dass die Fre-

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Laufendes Licht

5

Abb. 5.13 Ein kleines Experimentier-Glücksrad mit dem IC 4017


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Sachverzeichnis

AAbstrahlwinkel 14Anwesenheitsmelder 124, 125Ausgangsspannung eines Solarmoduls 67Autobatterie 81

BBatteriebetrieb 64Beobachtungswinkel 15Betriebsspannung (UF) 38, 41Betriebsstrom (IF) 41Betriebstemperatur 32Bleiakkumulatoren 64Blinker mit dem IC „555“ 92Blink-LED 30Blinklicht 86Brückengleichrichtung 60BUZ 103 S als Treiber 113

DDämmerungsschalter 119, 123Drahtloses Nachladen von Kleinakkus 134Duo-LEDs 29

EEinstellbarer Spannungsregler 60Einstellpotentiometer 42Einstellung des LED-Stroms 67Elektromagnetisches Relais 29Elliptische LEDs 16Empfohlene Vorwiderstände 39Energiesparlampen 10Energieübertragung mit Licht 133Energieübertragung zu einer Wanduhr 134Experimentier-Glücksrad 108

FFahrrad-Dynamo 82Farbenbezogene Empfindlichkeit

unserer Augen 25Farbspektrum 26Flächenbeleuchtung 21Fließendes Umschalten von Lichtquellen

112Fotowiderstand 19, 123Full-color-LED 29Funk-Türglocke 129Funk-Türglocke als Fernschalter 119

GGegurtete LEDs 27Gehrichtungserkennende Lichtschranke

147Germaniumdioden 53Gesprochene Meldungen 128Getaktete Netzgeräte 55Gleichspannungs-Netzgeräte 55Glücksräder 108

HHausnummer aus Leuchtdioden 146Hintergrundbeleuchtung 16

IIntervall-Melder mit Sprachausgabe 129

KKleindioden 106Kondensatoren 88Kühlkörper 33Kühlplatte 72

Sachverzeichnis


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Sachverzeichnis

LLaser-Pointer als Fernschalter 130Lastwiderstand 22Lauflicht 96Lebensdauer der Leuchtdioden 32LED als Schaltzeichen 13LED-Beleuchtung der PC-Tastatur 74LED-Betriebsstrom 36LED-Durchlassspannung 36LED-Flächen 80LED-Grundfarben 24LED-Impulsbetrieb 138LED-Ketten 80LED-Lampen 78LED-Mosaik-Steinchen 106LED-Nennleistung 36LEDs 9LEDs in Fahrzeugen 80LED-Schneeflocke 115LED-Spots 13LED-Taschenlampe 148Leistungs-LEDs 14Leistungs-Leuchtdioden 33Leuchtdioden-Ketten 89Leuchtdioden-Spielwürfel 105Leuchtender Pfeil 106Leuchtkraft 14Leuchtstofflampen 10Licht und Klang 128Lichtstärke 14Lichtstärken-Messung 49Lichtstrom 10, 14Light-emitting diodes 9Low-current-LEDs 100Low-drop-Spannungsregler 58Lux 21

MMehrfarbige Leuchtdioden 28Mehrstufige Timer-Ketten 96Memory-Effekt 65Messen der Lichtintensität 19Messfehler 49Metallfilm-Widerstand 62Metallschicht-Widerstände 70Mini-Spots 73Mini-Verstärker mit dem TDA 7052 110Mini-Voice-Recorder 130Mittelpunkt-Schaltung 60Monochromatisches Licht 10

Multimeter 21Multivibrator als Blinker 86

NNennleistung des Vorwiderstandes 51Netzgeräte 54Netzteil für einen LED-Scheinwerfer 78Netzteile 54, 55NiCd-Akkumulatoren 65NiMH-Akkumulatoren 65

OÖffnungswinkel 15Ohm 21Ohmmeter 19

PPhotonen-Dichte 15Piepser 143Pin-Belegung des Ics 4024 101Pin-Belegung des Ics 4066 122Pin-Belegung des Ringzähler-Ics 4017 107Power MOSFET-Transistoren 104

QQuiz-Taster 142

RReihenwiderstand 37Relais-Magnetspule 30Relaisspule 30RESET-Schalter 119Ringzähler-Ics 99Ringzähler-Kette 111

SSchalten mit dem IC 4066 122Schaltstrom der Relaiskontakte 31Schottky-Dioden 53Selbstbau-Laderegelung 65Siliziumdioden 53SMD-LEDs 24Solarzelle 21Solarzellen-Spannungen 22Sound-Modul 145Stabilisierte Netzgeräte 58Standard-Spannungsregler 58Stromstoßrelais 121SuperFlux-LEDs 15Superhelle LEDs 11


153

Sachverzeichnis

Superhelle SMD-LEDs 26Supperhelle Leuchtdioden an einer

Brille 77

TTaktgeber 99Tongenerator (Doppel-T-Oszillator) 109Transistoren 88Treiber-IC 7407 102Treiber-Transistoren 103, 106

UUnstabilisierte Netzgeräte 58

VVersorgungsspannung 40Voice-Module 130Vorwiderstand 37

WWechselspannungs-Netzgeräte 55Wechselspannungs-Versorgung 50Weißes Licht 11Wirkungsgrad 10

ZZenerdioden 53Zenerspannung 63


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