RGB Led über NPN/PNP Transistor schalten und verstärken (welche Technik ist sinnvoll)

DrDoom schrieb:
> Gibt es in den angehängten Schaltungen grobe Fehler?

Ja, gibt es.
Wie willst du in den Schaltungen 1 und 2 jemals die LED ausschalten 
(wenn die Steuerspannung 0V/3,3V ist)?

Mit der 3. und 4. Schaltung wirst du auch nicht glücklich, weil die 
Ausgangsspannung für viele LEDs (insbesondere weiß und blau) zu gering 
ist.

Schau hier: 
http://stefanfrings.de/mikrocontroller_buch/Einstieg%20in%20die%20Elektronik%20mit%20Mikrocontrollern%20-%20Band%202.pdf

Kapitel 2.2 und 3.4

Da geht es um AVR aber die Aussagen treffen ebenso auch auf deinen 
Raspberry Pi zu.

DrDoom schrieb:
> vorab möchte ich sagen, dass ich kein Elektrotechniker bin sondern
> Programmierer.

Dem Bild nach zu urteilen haette ich dich eher als Astronomen 
eingeschaetzt,der eine intergalaktische Aufnahme des 
Milchstrassensystems zur Verfuegung stellt.....
Im Ernst:
Auch auf die Gefahr hin mich laecherlich zu machen,weil es jedes Kind 
weiss nur ich nicht:
Mit was fuer einem Programm hast Du denn den Schaltplan erstellt?

DrDoom schrieb:
> Was kann man an den Schaltungen optimieren?

Wenn du eine RGB-LED mit gemeinsamer Anode verwenden würdest, käme die 
Schaltung zuverlässig mit nur einem Transistor aus.

Die I/O Pins der Raspberry Pi sind nicht 5V tolerant.

Hallo zusammen,

wow, erstmal vielen Danke für die vielen hilfreichen Beiträge 
(ausgenommen Toxic).

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Toxic schrieb:
> Auch auf die Gefahr hin mich laecherlich zu machen,weil es jedes Kind weiss nur 
ich nicht: Mit was fuer einem Programm hast Du denn den Schaltplan erstellt?

Zitat aus meinem Eingangspost:
> habe ich dann den Simulator EveryCircuit angeworfen und 4 Schaltungen 
erstellt.
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ArnoR schrieb:
> Wie willst du in den Schaltungen 1 und 2 jemals die LED ausschalten (wenn die 
Steuerspannung 0V/3,3V ist)?

Ah man. Ist natürlich klar. Vielen Dank für den Hinweis!!

Stefanus F. schrieb:
> Mit der 3. und 4. Schaltung wirst du auch nicht glücklich, weil die 
Ausgangsspannung für viele LEDs (insbesondere weiß und blau) zu gering ist.

Danke dir. Ja mir ist auch aufgefallen, dass ich nicht auf eine 
akzeptable Spannung komme. Da jedoch blau in einer RGB Led eher 'zu 
hell' ist, hätte ich es zumindest einmal probiert.
Habe mir das Buch mit Kapitel 2.2 und 3.4 durchgelesen. Allerdings 
passen einige Sachen nicht auf z.B. die RGB LED mit gem. Kathode. Z.B. 
wird ja in dem Kapitel 2.2.1 NPN-Beispiel gegen (-) geschaltet. Das kann 
ich aber bei der LED leider nicht. Und das PNP-Beispiel kann ich nicht 
nutzen weil ich dann die Basis nicht mehr schalten kann. Wie auch in 
meinen Beispielen 1+2!
Ich lese trotzdem noch weiter in dem Buch. Das hilf auf jeden Fall.

Ach Du grüne Neune:
Das würde tatsächlich funktionieren. Wenn ich es richtig sehe, müsste 
ich jedoch 9 Bauteile á 3 RGB Farben verbauen? Hmm... ich hätte gehofft 
es reicht ein Transistor + Widerstände. Ich recherchiere noch einmal 
nach weiteren Lösungen.

Peter H.:
Ich habe die Schaltung nachgebaut. Leider komme ich nicht auf ~4V 
sondern auf 1.92V (laut Simulation).

> Da jedoch blau in einer RGB Led eher 'zu
> hell' ist, hätte ich es zumindest einmal probiert.

Du hast nicht verstanden, wie Dioden funktionieren.

Wenn deine blaue LED eine Nennspannung von 3,6 Volt hat, dann wird sie 
bei 3V mit Glück gerade mal glimmen und mit 2,8V absolut dunkel sein.

Schau Dir mal die Kennlinien der konkreten LEDs an! Das kannst du nicht 
mit Glühlampen vergleichen.

> ich hätte gehofft es reicht ein Transistor

Nö, du brauchst 2.

> Ich habe die Schaltung nachgebaut. Leider komme ich nicht
> auf ~4V sondern auf 1.92V (laut Simulation).

An der LED wirst du immer ungefähr 2V messen, egal ob du sie mit 1mA 
oder 100mA bestromst. Wie gesagt, schaue Dir die Kennlinien der 
konkreten LEDs an!

Entscheidend ist, dass die Ausgangsspannung vom Transistor deutlich 
höher ist, als die Betriebsspannung der LED, damit der Widerstand noch 
etwas zum verheizen hat. Wenn der Widerstand nichts zum Verheizen hat, 
fehlt Dir die Möglichkeit, dem Strom festzulegen. Wenn die 
Ausgangsspannung zu gering ist, fließt zu wenig oder gar kein Strom. Und 
dann muss man noch die ganz erheblichen Streuungen berücksichtigen.

Deine Simulation geht von einer idealen Diode mit einer ganz bestimmten 
Spannung und einem ganz bestimmten Innenwiderstand aus. In der Realität 
kann die Spannungen aber durchaus einige hundert Millivolt davon 
abweichen, und der Innenwiderstand kann noch viel Stärker von der 
Simulation abweichen.

Bei Leistungs LEDs (die heiß werden) muss man außerdem die Abhängigkeit 
von der Temperatur berücksichtigen. Die Betriebsspannung sinkt bei 
steigender Temperatur.

Vergiss mal deine Simulation und arbeite lieber mit Datenblatt und 
Steckbrett.

DrDoom schrieb:
> Ach Du grüne Neune:
> Das würde tatsächlich funktionieren. Wenn ich es richtig sehe, müsste
> ich jedoch 9 Bauteile á 3 RGB Farben verbauen? Hmm... ich hätte gehofft
> es reicht ein Transistor + Widerstände.

Du brauchst 2 Transistoren, aber natürlich nicht so viele Widerstände, 
die Hälfte reicht, siehe Anhang. Die 5V-Versorgung ist hier nur 
beispielhaft, du kannst ohne Änderungen (außer LED-Vorwiderstand) auch 
die 12V-Versorgung anschließen.

Die 3,3V ist die Versorgung des Raspberry Pi und die Signalquelle ist 
der GPIO.

> Es geht auch mit nur einem Transistor

Was für eine Krampf Schaltung!

Nachteil 1:
> aber die Versorgungsspannung darf
> jetzt nicht mehr nennenswert von den 12 Volt abweichen

Nachteil 2:
> Außerdem muss das Signal vorher im Programm invertiert werden!

Nachteil 3:
> Der Transistor sollte keine hohe Verstärkung haben
Ich habe eine große Menge BC327-40 und BC337-40 in der Bastelkiste. 
Wegen dieser Sonderlocke würde ich jetzt nicht extra andere Transistoren 
kaufen wollen.

Ich ergänze Nachteil 4:
Jetzt brauchst du eine Zenerdiode, die ungefähr genau so viel kostet, 
wie der 2. Transistor.

Nachteil 5:
Wenn der Transistor wegen einem Kurzschluss am Ausgang durchbrennt, hast 
du einer herrliche Überspannung am Mikrocontroller. Der zweite 
Transistor hätte davor geschützt.

Seltsam, dass hier keiner eine Emitterschaltung als Lösung vorschlägt.

> Seltsam, dass hier keiner eine Emitterschaltung als Lösung vorschlägt.

Haha, sehr Lustig.

U. M. schrieb:
> Prüfe aber, ob es zulässig ist, an den GPIO eine Spannung größer als
> 3,3V anzulegen (GPIO-Pin 5V-tolerant ?), weil ja über den Vorwiderstand
> ein kleiner Strom von 5V in das GPIO-Pin fließen kann.

Ja, die Variante hätte ich auch vorgeschlagen. Ein kleiner Strom im 
oberen µA-Bereich ist praktisch immer zulässig, dafür sorgen schon die 
ESD-Schutzdioden.
Man kann dann auch noch einen weiteren R spendieren, zwischen dem 
µC-Ausgang und GND. Der wirkt mit den anderen als Teiler und sorgt 
dafür, dass die ESD-Dioden gar nichts zu tun bekommen. Siehe Anhang.

Nachteil auch dieser Schaltung ist, dass sie eben nur sinnvoll arbeitet 
bei 5V, für andere Spannungen muss man neu dimensionieren und für 
größere Spannungen wird das immer enger mit den Toleranzen. Auch sollte 
der µC seine Ausgangsspannungstoleranzen nicht voll ausnützen.
Aber wenn der TO die 5V (±5%) fix hat und möglichst wenig Aufwand 
spendieren will, dann ist das eine gangbare Lösung.

Stefanus F. schrieb:
> dass die Ausgangsspannung vom Transistor deutlich
> höher ist, als die Betriebsspannung der LED, damit der Widerstand noch
> etwas zum verheizen hat. Wenn der Widerstand nichts zum Verheizen hat,
> fehlt Dir die Möglichkeit, dem Strom festzulegen. Wenn die
> Ausgangsspannung zu gering ist, fließt zu wenig oder gar kein Strom. Und
> dann muss man noch die ganz erheblichen Streuungen berücksichtigen.

Vielen Dank. DAs bringt schon einiges Licht in's Dunkel was das 
Verhalten angeht.

Ich denke, dass es am sinnvollsten ist den Pegel am Ausgang des uC erst 
einmal auf 5V anzuheben. Hatte hier zwar noch Level Shifter von 3.3V auf 
5V aber ich finde die nicht mehr. Neue kommen morgen an.

Dazu hätte ich noch Fragen:
1. Kann ich LED's direkt mit Vorwiderstand an einem (Standard TE291) 
Level Shifter betreiben? ~150mA sollen die problemlos vertragen oder 
doch besser über einen Transistor.
2. Wird das Steuersignal an diesen Level Shiftern 'analog' oder 
'digital' angehoben? Also z.B.: 1.0V -> 1.5V und z.B. 2.0V -> 3.0V und 
z.B. 3.3V -> 5V
oder liegen bei allen Steuersignalen z.B. größer 0.7V dann die 5V an? 
Der Shifter benötigt 3.3V und 5V Spannungsversorgung.
Ich frage weil ich gelesen habe, dass die keine besonders hohen PWM 
Frequenzen Shiftern können und man evtl mit einem Kondensator das Signal 
glätten könnte?

> Ich denke, dass es am sinnvollsten ist den Pegel
> am Ausgang des uC erst einmal auf 5V anzuheben.
> Hatte hier zwar noch Level Shifter von 3.3V auf 5V

Der Vorteil gegenüber einem simplen 5 Cent Transistor ist dann wo?

Na dass ich dann die blaue LED mit 4V betreiben kann.
Ich hatte ja in meinem Eingangsbeitrag geschrieben, dass ich mit der RGB 
Led (gemeinsame Kathode) und der Steuerspannungs an der Basis von 3.3V 
nicht auf 4V komme oder eben einige Bauteile benötige (und bei RGB dann 
x3).

Dein Level Shifter besteht mindestens aus einem Transistor pro LED und 
benötigt noch einen zweiten, um au den gewünschten Laststrom zu kommen.

Ich sehe hier keinen Vorteil gegenüber der normalen Schaltung aus zwei 
Transistoren. Es sei denn, du hast einen Levelshifter, der von sich aus 
schon genug Strom liefert.

Wir reden hier doch immer noch von 4x3x20mA mit gemeinsamer Kathode, 
richtig?

Wenn Dir 10mA pro LED genügen, würde ich Dir ja den 74LVX244 als 8-Fach 
Treiber empfehlen, aber das wäre ja zu einfach.