Ich möchte am Raspberry Pi B+ eine Infrarot-Leuchtdiode beteiben. Aber
wie beschalte ich die? Da ich kein Elektrotechniker bin möchte ich hier
meine Überlegungen zur Diskussion stellen. Ich möchte dabei etwas
lernen. Meinem gefählichen Halbwissen traue ich nicht mehr, korrigiert
bitte jeden Irrglauben. Erste Priorität hat natürlich, dass ich keine
Bauteile zerschieße. Ich habe nämlich schon eine LED geschrottet.
01: Infrarot-Leds kann ich durch den Umweg über eine Digitalkamera /
Handykamera leuchten sehen. Stimmts? Ich hab zwar auch einen 38Khz
IR-Sensor da, aber eine, nicht durch meine eigenen Fehler korrumpierte,
Rückmeldung ob die Schaltung funktioniert wär super.
02: Die GPIO-Ports des Raspberry-Pi B+ sind bei 3.3V bis 8mA ausgelegt.
D.h. 5mA Belastung ist auf jeden Fall OK. Teilen sich die Ports diese
Belastungsgrenze oder gilt sie für jeden einzelnen Port?
03: Die geregelte 3.3V Spannung ist zusätzlich bis zu 50mA belastbar.
Das heißt 20mA Belastung ist auf jeden Fall OK.
04: Mein Netzteil liefert um die 5-5.5V mit 700mA.
Die Leuchtdiode ist die
1 | TSAL 6200. UF=1.35V IF=100ma Ie=60mW/sr
|
. Die Strom-Spannungs-Kurve (Forward Current vs Forward Voltage) habe
ich im Datenblatt gefunden.
05: UF-IF ist ein Punkt auf dieser Kurve. Aber was bedeutet dieses
Wertepaar? Der optimale Betriebspunk, oder der maximale Betriebspunkt?
Ab welcher Spannung leuchtet die LED?
06: Ie erscheint mir erst mal unwichtig zu sein.
07: Man sollte den Strom der an der Diode anliegt am einfachsten durch
einen Vorwiderstand begrenzen, da die Strom-Spannungs-Kurve von LEDs
nicht linear sind.
1 | 0V ****************** Ug
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2 | | |
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3 | | ****** *********** |
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4 | | Ud U1 |
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5 | | |
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6 | | | /| _______ |
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7 | |___|/ |___| R1 |___|
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8 | | |\ | |_______| |
|
9 | | | \| |
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10 | | TSAL 6200 |
|
08: Ug ist vorgegeben.
09: Id=I1=Ig ist vorgegeben (begrenzt durch die maximale Belastbarkeit
der LED und der Spannungsquelle).
10: Ud kann man mit Hilfe von Id in der Strom-Spannungs-Kurve der LED im
Datenblatt ablesen.
12: U1 = Ug - Ud
13: R1 = U1 / I1 = (Ug - Ud) / Id
Das ergibt konkret:
1 | +--------+--------+--------+--------+--------+
|
2 | | Id | Ud | Ug | U1 | R1 |
|
3 | +--------+--------+--------+--------+--------+
|
4 | | 0.005A | 1.15V | 3.3V | 2.15V |430.0Ohm|
|
5 | | 0.020A | 1.20V | 3.3V | 2.10V |105.0Ohm|
|
6 | | 0.100A | 1.35V | 3.3V | 1.95V | 19.5Ohm|
|
7 | | 0.005A | 1.15V | 5.5V | 4.35V |870.0Ohm|
|
8 | | 0.020A | 1.20V | 5.5V | 4.30V |215.0Ohm|
|
9 | | 0.100A | 1.35V | 5.5V | 4.15V | 41.5Ohm|
|
10 | +--------+--------+--------+--------+--------+
|
14: Daraus schließe ich jetzt, dass der Strom, bei einem Vorwiderstand
>= 19.5Ohm bzw 41.5Ohm, nicht über 100mA steigt, die Spannung an der
Diode nicht über Uf=1.35V steigt und mir die LED nicht abraucht.
15: Wenn ich die LED direkt am GPIO des Raspberries betreiben will, muss
ich je nach Spannung einen Vorwiderstand >= 430Ohm bzw. >= 879Ohm
verwenden. Aber das gilt auch nur, falls der aus dem
Strom-Spannungs-Diagramm abgelsene Spannungswert über der Diode von
1.15V bei 100mA halbwegs stimmt. Stimmt der? Ist dieser Wert kritisch?
Reicht dann die Leistung noch für eine Übertragung aus? Vielleicht für
erste Tests, direkt vor dem Empfangsgerät?
16: Generell erkenne ich noch, dass bei Verwendung der 5.5V die
Genauigkeit der Widerstände unbedeutender ist als bei 3.3V. Allerdings
sind die 5.5V im gegensatz zu den 3.3V ungeregelt. Für die 3.3V spräche
auch das weniger Leistung verbraten wird, da die Spannungsregelung vom
Raspberry PI B+ sehr effizient sein soll.
17: Also entscheide ich mich für maximal 20mA an der geregelten 3.3V
Spannung des Raspberry PI. Dafür brauche ich eine Transistor-Schaldung.
18: Ich habe unter anderem einen BC547 den ich verwenden möchte.
1 | 0V 0V 3.3V 3.3V
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2 | | | | |
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3 | | / |
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4 | | / |
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5 | | / |
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6 | | | |
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7 | | | |
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8 | | * _|_ |
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9 | | * | | |
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10 | | * | | |
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11 | | U2* | R2| |
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12 | | * | | |
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13 | | * |___| |
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14 | | * | |
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15 | | | |
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16 | | * | * |
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17 | | * ------- * |
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18 | | Ube* / \ *Ucb |
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19 | | * | / \ * |
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20 | | * |/_ \ * |
|
21 | | * | | * | /| _______ |
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22 | |_______| |___|/ |___| R1 |___|
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23 | | |\ | |_______| |
|
24 | | | \| |
|
25 | | |
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26 | | ********* ****** *********** |
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27 | | Uce Ud U1 |
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28 | | |
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19: Der Verstärkungsfaktor (DC Current Gain) des BC548 liegt bei Vce=5V
und Ic=2mA zwischen 110 und 800. Änder sich der Faktor bei kleinerer
Collector-Emitter-Spannung und um Faktor 10 größeren Collector-Strom
großartig?
20: Der Transistor muss in der Sättigung betrieben werden, also mit
einem Basis-Strom der um den Faktor 5 bis 10 größer ist als allein durch
die Verstärkung berechnet.
21: Bei den Vorgaben kann ich den benötigten Basis-Strom nur schätzen.
Angenommen der Basis-Strom beträgt Ib=0.5mA und der
Collector-Emitter-Strom Ice=20mA. Dann hätte ich bei einer Verstärkung
von 110, also einen möglichen Collector-Strom von Ic=55mA, also eine
Übersteuerung mit dem Faktor 3. Bei einer Verstärkung von 800 dann einen
möglichen Collector-Strom von Ic=400ma, also eine Faktor 20
Übersteuerung. Wär das so sinnvoll?
22: Die LED soll bei um die 40Khz betrieben werden. Schafft der
Transistor das bei dem Basis-Strom?
23: Wie ergibt sich die Basis-Emitter-Spannung? Im Datenblatt habe ich
die "Base-Emitter On Voltage" und die "Base-Emitter Saturation Voltage"
gefunden. Ich denke mal, mich interessiert hier die "Base-Emitter
Saturation Voltage", die aber bei unterschiedlichen Vorgaben von Ic und
Ib, welche nicht auf meine Situation passen, um 200mV schwankt. Ich gehe
mal von 700-800mV aus. Richtig?
24: Um den benötigen Basis-Strom von Ib=0.5 zu erreichen, muss ich den
Widerstand
1 | R2 = (3.3V-Ube)/Ib = (3.3V-0.7V)/0.00005A = 5200Ohm = 5.2KOhm
|
wählen. Geht der Transistor kaputt, wenn ich einen 2KOhm Widerstand
nehme?
25: Die Spannung Vce stellt sich laut Datenblatt zwischen 90mV und 600mV
ein. Ich gehe von 100mV aus, dann bin ich zur Berechnung von R1 auf der
sicheren Seite:
1 | R1 = U1/I1 = (Ug-(Ud+Uce)) / Id = (3.3V-(1.2V+0.1V))/0.02A = 100Ohm
|
. Das erscheint mir irgendwie arg wenig?
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