Weihnachtsbaum mit blinkenden Leuchtdioden

Ich wollte dazu auf jeden Fall die beiden in meinem Hobbyraum vorhandenen CMOS-Ics 4093 sowie 4017 verwenden. Das IC 4093 sollte dabei als Taktgenerator für den Baustein 4017 dienen, damit dieser nacheinander die an seinen Ausgängen angeschlossenen Leuchtdioden des kleinen Weihnachtsbaums ein- und ausschalten kann. Außerdem können CMOS-Ics wegen ihres großen Betriebsspannungsbereichs auch mit einer gewöhnlichen 9-V-Blockbatterie betrieben werden.
Die Spannungsquelle sollte zudem nur wenig belastet werden, also kamen außer den beiden Ics mit ihrem geringen Leistungsbedarf als Leuchtdioden nur solche mit einer Stromstärke von 2mA (Low Current LEDs) in Frage.
Bei dem 4093 handelt es sich um einen Baustein mit vier NAND-Schmitt-Triggern mit jeweils zwei Eingängen. Das IC 4017 enthält einen Dezimalzähler mit 10 dekodierten Ausgängen. Beide Ics sind u. a. in einem Datenbuch von Elektor [1] mit ihrer Anschlussbelegung beschrieben. Außerdem gibt es im Internet Adressen, an denen man die Datenblätter für die oben genannten Ics herunterladen kann[2].

Nach dem Einschalten der Batterie durch Stecken des Jumpers Jmp1 startet der mit zwei Gattern des NAND-Schmitt-Triggers, R1 , P1 sowie C1 aufgebaute Taktgenerator. Seine Taktfrequenz ist mit dem Trimmwiderstand P1 plus dem dazu in Reihe geschaltetem R1 einstellbar. Wird ein Elektrolytkondensator mit einem größeren Kapazitätswert als dem im Schaltplan angegebenen verwendet, ist die Taktfrequenz bei unveränderter Einstellung von P1 geringer als beim ursprünglichen Wert, während sie bei einem Kondensator mit kleinerer Kapazität höher wird. Wird bei unveränderter Kapazität des Kondensators der eingestellte Wert des Widerstands (Potenziometer plus 1 k) vergrößert, wird die Taktfrequenz geringer als die zuvor eingestellte. Dies ist auch der Fall, wenn das Potenziometer durch ein Exemplar mit einem größeren Gesamtwiderstand ausgetauscht wird.
Im Schaltplan sind der Übersichtlichkeit wegen nur am Ausgang O 0 zwei in Reihe geschaltete LEDs über den Widerstand R2 mit dem Wert 6k8 mit Masse (GND, Minuspol der Batterie) verbunden. In der vollständigen Schaltung sind auch an den Ausgängen O 1, O 2, O 3, O 4 und O 5 je zwei Leuchtdioden angeschlossen. Ebenso ist an den Ausgängen O 6, O 7, O 8 und O 9 je eine LED über einen Widerstand mit dem Wert 6k8 mit Masse verbunden.

Alle Vorwiderstände besitzen den gleichen Wert. Bei einer angeschlossenen LED fließt jeweils ein Strom von maximal ca. ((9V-1,6V)/6800)=1,08 mA und bei zwei LEDs ca. (9V-3,2V)/6800=0,85mA. Die an einer Leuchtdiode im Betrieb abfallende Spannung wurde bei der Berechnung mit 1,6 V angenommen. Die Ausgänge des 4017 nehmen nacheinander High-Pegel an, also wird die Spannungsquelle nur wenig belastet. Die LEDs leuchten zudem auch bei rund 1 mA noch hell genug.
Die oben beschriebenen Zusammenhänge zwischen Taktfrequenz und eingestelltem Widerstandswert ( P1 plus R1)und C1 konnte ich beim Experimentieren herausfinden, als ich die gesamte Schaltung probeweise auf einem Steckboard aufgebaut hatte und erprobte.

Im Bild sind die LEDs bereits annähernd in Form eines Weihnachtsbaums auf dem Steckboard eingesteckt.

Nachdem die Schaltung zu meiner Zufriedenheit funktionierte, musste sie nun auf einer Platine mit Lötpunkten aufgebaut werden.

Im Bild ist zu erkennen, dass die Größe des Weihnachtsbaums durch die Größe der Platine und die im Bild zu erkennenden weiteren Bauteile, die die LEDs ansteuern, festgelegt ist.

Zuerst schnitt ich aus dunkelgrünem Tonpapier den Weihnachtsbaum aus, um danach mit einer Stopfnadel an den vorgesehenen Stellen je zwei Löcher zu stechen, damit ich dort die Leuchtdioden einsetzen konnte.

Anschließend musste die Leitungsführung unter der Platine geplant werden. Zu bedenken hatte ich dabei, dass dazu ihre Rückseite wie im Anschlussplan gespiegelt dargestellt werden musste.
Ich entschied mich der Übersichtlichkeit wegen für die abgebildete Anordnung der Widerstände und der Leitungen. Beim Einstecken der Leuchtdioden musste ich darauf achten, dass alle ihre Katoden (kurzer Anschluss) und Anoden(langer Anschluss) sich jeweils auf der richtigen Seite befinden. Die Katode musste auf jeden Fall mit einem Widerstand verbunden sein.
Im Falle von zwei in Reihe geschalteten LEDs war dazu die Anode der dem Widerstand zugewandten mit der Katode der über eine Leitung an einen bestimmten Ausgang des Ics 4017 anzuschließenden zu verbinden.

In den Bildern sind bereits alle Leuchtdioden eingesetzt. Vor dem Löten wurde die Platine auf eine Unterlage gelegt, um die LEDs am Herausfallen zu hindern. Danach wurden ihre Anschlüsse auf der Lötseite der Lötpunktrasterplatte mit einer Zange abgewinkelt und angelötet. Die an den LEDs und den Widerständen abgezwickten Drahtstücke konnte ich dabei zum Teil als Verbindungsstücke verwenden.

Nun konnte ich einen ersten Test durchführen. Ich wollte sicher sein, dass alle LEDs richtig angeschlossen waren. Mit einer Batterie und einem Vorwiderstand von 1k sowie den beiden abgebildeten Leitungen konnte ich dies tun. Im Falle eines versehentlichen Kurzschlusses wäre der Strom von der Batterie auf ca. 9V/1000= 9mA begrenzt worden. Während des Tests leuchteten die jeweils angeschlossenen LEDs einschließlich derjenigen, die mit einer anderen in Reihe geschaltet waren, wie ich es vorgesehen hatte. Ich konnte also mit dem weiteren Aufbau der Schaltung fortfahren.

In diesem Bild sind bereits alle Anschlussleitungen zum Verbinden der Leuchtdioden mit den Ausgängen des Ics 4017 angelötet.

Zwei an Bauteilen abgezwickte Drahtstückchen bog ich mit einer Zange in U-Form und lötete sie zusätzlich auf die Platine, um damit jeweils für eine Führung der isolierten Leitungen zu sorgen. Dies ist in einem Bild unten mit weiteren Einzelheiten der Schaltung zu erkennen.

Nachdem ich die Fassung für das IC 4017 einschließlich der Verbindungsleitungen nach dem Anschlussplan angelötet hatte, führte ich in ähnlicher Weise, wie es bereits oben beschrieben ist, einen weiteren Test mit einer Batterie durch, um sicher zu gehen, dass die Schaltung später auch in der gewünschten Weise funktioniert.

Der freie Anschluss des Vorwiderstandes wurde jeweils an einer Stelle in die IC-Fassung gesteckt, an der sich einer der 10 Ausgänge des Bausteins 4017 befindet. Ich musste dabei auch darauf achten, dass jeweils nur die an diesem Anschluss angeschlossenen LEDs leuchteten und keine anderen. Auf diese Weise konnte ich eventuelle Lötfehler entdecken und beheben.

Nach erfolgreichem Test konnte ich mit dem Anlöten der IC-Fassung für den Baustein 4093 fortfahren und die Schaltung nach dem folgenden Anschlussplan vervollständigen.

Im folgenden Bild ist dies bereits durchgeführt.

Nun konnte ich die gesamte Schaltung in Betrieb nehmen. Die LEDs blinkten nacheinander, wie ich es geplant hatte.

Verbesserungsmöglichkeiten

Um zu erreichen, dass der Stern über dem Weihnachtsbaum aus den vier kleinen roten LEDs gleichzeitig aufleuchtet, lötete ich am Tag nach der Fertigstellung der kompletten Schaltung eine Germaniumdiode des Typs AA118 von der oberen der Verbindungsleitungen zum Anschluss der beiden weiteren LEDs ( Anode der AA118 an Leitung, Katode an Anode der ersten der beiden LEDs, die zusätzlich leuchten sollen). Die vorherige Anschlussleitung konnte entfallen. Sie ist im Bild mit etwas Lötzinn auf der Platine fixiert, um eine eventuelle Verbindung des nun freien Pins des 4017 mit Masse zu verhindern.
Eventuell lassen sich die beiden bisher nicht verwendeten Gatter des 4093 zu Invertern zusammenschalten und ihre Eingänge vom Taktgenerator ansteuern, während an ihren Ausgängen jeweils weitere LEDs über Widerstände von jeweils 6k8 an Masse angeschlossen sind. Diese Leuchtdioden können z. B. in aus Tonpapier gestaltete kleine Abbildungen von Spielzeug (Feuerwehrauto o. ä.) unter dem Weihnachtsbaum integriert sein und blinken, wenn sie dort eingesteckt und auf der Lötseite der Platine richtig angeschlossen sind, wie es oben beschrieben ist. Die LEDs fixieren auf diese Weise auch die aus Tonpapier ausgeschnittenen Objekte.

Eine Germaniumdiode oder auch eine Schottkydiode ist wegen ihrer geringen Schleusenspannung für diesen Zweck besser geeignet als eine Siliziumdiode (1N4148 o. ä.), wie ich beim Experimentieren herausfinden konnte.

Im Bild ist neben dem Anschluss der Germaniumdiode auch zu erkennen, wie sich die Anschlüsse der kleinen LEDs, die den Stern über dem Weihnachtsbaum darstellen, auf der Lötseite der Platine anlöten lassen, ohne eine ungewollte Verbindung zu verursachen.

Wenn kein geeigneter Elektrolytkondensator mit etwa der zweifachen Kapazität vorhanden ist, kann ein zweiter mit dem gleichen Wert über den ersten gelötet werden, wobei die Polarität des Kondensators zu beachten ist. Durch diese Parallelschaltung verdoppelt sich die Kapazität im Vergleich zum ursprünglichen Wert. Die Folge ist, dass die Frequenz des Taktgenerators herabgesetzt wird. Das Blinken der LEDs erfolgt langsamer als vorher ohne diesen zusätzlichen Kondensator.

In diesem Bild sind die oben genannten abgewinkelten Drahtstücke zu erkennen, die der Führung der isolierten blauen Leitungen dienen.

Stückliste zum Weihnachtsbaum mit Leuchtdioden

Ein kleines Stück dunkelgrünes Tonpapier
4093 mit 14-poliger IC-Fassung
4017 mit 16-poliger IC-Fassung
folgende LOW Current LEDs: 4 Stück rot, 3mm
6 Stück gelb, 5 mm sowie 6 Stück rot, 5mm
Lötpunktrasterplatte 160 x 100mm
10 Stück Widerstand 6,8 kOhm, 0,25W, 1 Stück Widerstand 1 kOhm, 0,25W
Elektrolytkondensator 22 Mikrofarad /16V bzw. 47 Mikrofarad /16 V
Trimmpotenziometer 10k (auch 22k oder 47k möglich)
Dreipolige, einreihige Stiftleiste mit Jumper
Batterieclip sowie 9-V-Blockbatterie
Islolierter Draht für die Anschlussleitungen

Eine Diode AA118 o. ä. bzw. BAT85 o. ä. sowie eventuell weitere LEDs mit Vorwiderständen 6k8, wie es oben beschrieben ist.

Literatur:

[1] „269 Ics", Elektor-Verlag 1983
[2] www.datasheetcatalog.com

[3] Elektronik ohne Ballast, Franzis-Verlag 2008