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Jun 29, 2023

Transistorgesteuertes Schalten einer LED-Anzeige: Ein Radio Shack Classics Circuit Remix

Elektronik war nicht das einzige Produkt, das Radio Shack in seinen Geschäften verkaufte. Viele der Produktlinien von Radio Shack richteten sich an Hobbyisten und förderten Experimente, Fantasie und Technik

Elektronik war nicht das einzige Produkt, das Radio Shack in seinen Geschäften verkaufte. Viele der Produktlinien von Radio Shack richteten sich an Hobbyisten und förderten Experimente, Fantasie und technische Erkundung. In den 1970er Jahren bot Radio Shack auch Experimentierkits der Marke Science Fair® an, mit denen Kinder und Erwachsene etwas über Elektronik, Physik, Magnetismus, Computer, Luft- und Raumfahrt und verwandte Wissenschaften lernen sollten.

Zu den Science Fair xx-in-1-Elektronikprojekten von Radio Shack gehörte ein detailliertes Laborhandbuch für den Bau mehrerer elektronischer Schaltkreisprojekte wie ein Kristallradio, ein Blitzlicht, ein hörbarer Vogel, ein Lügendetektor, Soundeffektgeneratoren und ein Türsummer. Die Absicht der Science Fair xx-in-1-Elektronik-Projektbausätze bestand darin, Erwachsene und Kinder über die Wunder der elektronischen Technologie aufzuklären. Das Lernen erfolgte beim Aufbau und Testen der detaillierten elektronischen Schaltkreise im Laborhandbuch.

In diesem Projektartikel wird eine Schaltung aus den Seiten des in Abbildung 1 gezeigten Science Fair 150-in-1-Elektronikprojektkits mit einer leichten Wendung vorgestellt. Die klassische Schaltung wird besprochen und anhand eines lötfreien Steckbretts und moderner elektronischer Komponenten veranschaulicht. Darüber hinaus werden die Schaltkreisanalyse und das lötfreie Steckbrettlayout mithilfe der Online-Modellierungsumgebungen Multisim Live und Autodesk TinkerCAD eingeführt. Schließlich werde ich einen M5Stack Core-Mikrocontroller integrieren, um den manuellen Schaltvorgang per Knopfdruck zu verbessern.

Auf Seite 40 des Science Fair 150-in-1 Electronic Project Kit-Laborhandbuchs, wie in Abbildung 2 dargestellt, finden Sie eine klassische Schaltung, die die grundlegende Anwendung eines Transistors, die eines elektronischen Schalters, veranschaulicht. Das traditionelle Layout eines typischen Science-Fair-Laborhandbuchs für elektronische Projekte enthielt eine kurze technische Beschreibung und Funktionsweise der Schaltung.

Die technische Beschreibung und die Funktionsweise der Schaltung umfassten einen Schaltplan und eine Reihenfolge. Die technische Beschreibung der elektronischen Schaltung diente dazu, den Bastler über die Terminologie und Symbole auf dem Gebiet der Elektronik aufzuklären. Auf der rechten Seite der technischen Beschreibung finden Sie einen detaillierten Schaltplan, der den Anschluss der elektronischen Komponenten zeigt. Unterhalb der Abbildung befindet sich eine Verdrahtungssequenz mit einer Textversion des Diagramms.

Mit handelsüblichen elektronischen Bauteilen kann eine kompakte, moderne Schaltungsversion aufgebaut werden. Die im Schaltplan der elektronischen Schaltung dargestellten 2SB- und 2SC-Transistoren können durch komplementäre PNP- und NPN-Transistoren ersetzt werden. Die 2SB-Komponente kann durch einen 2N3906 PNP-Transistor ersetzt werden. Der 2SC-Transistorersatz ist ein 2N3904 NPN-Transistor (die Ergänzung zum 2N3906). Der ursprüngliche 2SB war eine PNP-Germanium-Komponente im Vergleich zum neuen Silizium-Transistor 2N3906. Überraschenderweise war der NPN-Transistor 2SC711 eine Siliziumkomponente.

Die 7-Segment-LED-Anzeige ist ein optoelektronisches Gerät mit gemeinsamer Kathode (CC). Diese Komponente kann durch eine optoelektronische Komponente Avago HDSP-5503 CC oder eine gleichwertige Komponente ersetzt werden. Schließlich wurde die elektronische Schaltung durch Drücken der im Kit enthaltenen Taste betätigt. Ein gewöhnlicher taktiler Drucktastenschalter ersetzt den im ursprünglichen Projekt verwendeten Schlüssel.

Mit den ausgetauschten Teilen und einigen diskreten Widerständen lässt sich der elektronische Projektaufbau problemlos bewerkstelligen. Ein lötfreies Steckbrett halber Größe kann die Platzierung und Verkabelung der Komponenten unter Verwendung des ursprünglichen elektronischen Schaltplans ermöglichen.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, ermöglicht die Online-Plattform AutoDesk TinkerCAD Circuits die Platzierung virtueller elektronischer Komponenten auf einem lötfreien Steckbrett. Die Online-Modellierungsplattform ermöglicht auch das Testen der auf dem lötfreien Steckbrett fertiggestellten Schaltung. Darüber hinaus stellt diese virtuelle Testfunktion den ordnungsgemäßen Betrieb der Schaltung sicher, bevor das physische Gerät gebaut wird.

Das lötfreie Steckbrett kann einfach mit Bauteilen bestückt und elektrisch verdrahtet werden, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Wie in Abbildung 5 gezeigt, können wir KiCad auch zum Entwerfen des elektronischen Schaltplans verwenden.

Der Vorteil von KiCad besteht darin, dass das schematische Diagramm der elektronischen Schaltung in ein Produktlayout für eine Leiterplatte (PCB) übersetzt werden kann, wie in Abbildung 5 dargestellt. Das Layout der Leiterplatte kann durch die Verwendung des lötfreien Steckbretts als Orientierungshilfe für die Teileplatzierung unterstützt werden. Auf Wunsch kann ein ästhetisch ansprechendes Produkt hergestellt werden, indem ein Gehäuse per CAD entworfen und anschließend mit einem 3D-Drucker hergestellt wird.

Das Projekt Transistorgesteuertes Schalten eines LED-Displays konzentriert sich auf die Veranschaulichung des Konzepts des elektronischen Schaltens. Als der Bausatz 1977 in Radio Shack-Läden verkauft wurde, waren digitale Produkte wie Computer, Taschenrechner, elektronische Spiele und Spielzeug sowie Transistoren auf dem Höhepunkt ihrer Nutzung. Die elektronische Schaltung veranschaulichte diesen grundlegenden Aspekt des Transistors durch Einschalten einer 7-Segment-LED-Anzeige.

Wie in Abbildung 7 dargestellt, wird die Schaltung über eine angeschlossene 9-V-Batterie mit Strom versorgt. Wenn der Tastschalter S1 gedrückt wird, wird die Basis des NPN-Transistors Q1 über R4, einen 22-kΩ-Widerstand, vorgespannt. Dadurch wechselt Q1 von seinem AUS-Zustand in seinen EIN-Zustand. Wenn der Transistor eingeschaltet wird, kann Strom vom Kollektor zum Emitter von Q1 fließen, und es wird eine Erdung für die Schaltkreise der LED-Segmente B und C bereitgestellt. Dieser Strom durch Q1 schaltet LED1 und LED2 ein (entsprechend den LED-Segmenten B und C). Strombegrenzungswiderstände R1 und R2 (1 kΩ) tragen dazu bei, dass die LEDs ordnungsgemäß vorgespannt sind.

PNP-Transistor Q2 Der NPN-Transistor ist über den Widerstand R3 (22 kΩ) vorgespannt, so dass er sich immer im EIN-Zustand befindet. Auf der 7-Segment-LED-Anzeige wird die Zahl „1“ angezeigt.

Wir können ein Multisim-Modell verwenden, um die Funktionsweise der Schaltung zu veranschaulichen. Multisim bietet Spannungs- und Stromtastköpfe, mit denen Vorströme und Testpunktspannungen einfach gemessen werden können (Abbildung 8). Die Verwendung dieser Messsonden ermöglicht es dem Entwickler, seine Schaltungsentwürfe zu analysieren und Fehler zu beheben. Es gibt mehrere Schaltungsanalysemodi, die der Designer auswählen kann. In diesem Projekt wurde ein interaktiver Modus gewählt. Der interaktive Modus ermöglicht die Beobachtung elektrischer Verhaltensweisen und Funktionen durch Animationsfunktionen wie beleuchtete diskrete LEDs, Betätigung elektrischer Schalter und Relais sowie akustische Aktivierung von Piezo-Summern. Abbildung 8 zeigt die Sondensimulationsdaten für mehrere wichtige Spannungen und Ströme.

Wir können den Schaltungsbetrieb auch manuell analysieren, indem wir grundlegende Schaltungsgleichungen, Datenblattwerte und elektrische Multisim-Parameter für die Transistoren verwenden. Einige der manuellen Berechnungslösungen weisen einen Fehler von 5 % auf.

Anmerkungen:

$$\begin{gleichung}I_{R4} & = & \frac{V_1 – V_{BE}}{R_4} \\ \\ & = & \frac{9,0 – 0,85\text{V}}{4,7K\ text{ } \Omega} \\ \\ & = & 1,734 \text{ mA}\end{example}$$

$$\begin{eqnarray}V_{PR5} & = & V_1 – V_{BE} \\ \\ & = & 9,0 – 0,75 \text{ V} \\ \\ & = & 8,25 \text{ V}\end {eqnarray}$$

$$\begin{equation}V_{PR1} & = & V_{PR5} + V_{JC} \\ \\ & = & 8,25 + 0,65 \text{ V} \\ \\ & = & 8,9 \text{ V }\end{Gleichung}$$

$$I_{R1} = I_{R2} = 8,116 \text{ mA}$$

$$I_{PR2} \ approx 2 \cdot I_{R1} = 2 \cdot 8,116 = 16,232 \text{ mA} $$

Diese letzte Gleichung vernachlässigt den Basisstrom des PNP-Transistors Q2, was erklärt, warum der Multisim-Wert etwas höher ist.

Diese Schaltung kann mit einem M5Stack Core leicht automatisiert werden. Der M5Stack Core ist eine auf einem ESP32-Mikrocontroller basierende Einheit, die einzigartige Entwicklungsmöglichkeiten für Robotik, Bluetooth und Wi-Fi bietet. Mit dem M5Stack Core kann ein Steuerschalter erstellt werden, um das Transistor-gesteuerte Schalten auf einem LED-Anzeigeschaltkreis mit einer ästhetisch ansprechenden Steuereinheit zu bedienen, wie in Abbildung 9 gezeigt. Der M5Stack-Steuerschalter bietet eine Umschaltfunktion, bei der eine Taste das einschalten kann 7-Segment-LED-Anzeige. Eine zweite Taste am M5Stack Core schaltet die 7-Segment-LED-Anzeige aus.

Wie in diesem Projekt vorgestellt, wurde ein elektronischer 150-in-1-Projektbausatz von Science Fair in neue elektronische Schaltungsformate umgestaltet. Dieses Projekt soll veranschaulichen, dass die klassischen elektronischen Projektbausatzschaltkreise von Science Fair modifiziert werden können, um einzigartige Geräte des 21. Jahrhunderts zu schaffen. Sie können sich den Videoclip des M5Stack Core und das Transistor-gesteuerte Schalten einer LED-Anzeigeschaltung in Aktion ansehen.