LED-Lauflicht durch Ringoszillator

Durch einige Videos und Anleitungen im Internet, u.a. auch von B. Kainka´s analoges Lauflicht wollte ich so eine Lauflicht-Schaltung selbst nachbauen.
Das zugrundeliegende Grundprinzip ist ein sogenannter Ringoszillator, d.h. eine selbstständig schwingende elektronische Oszillatorschaltung, die auf der Laufzeit von zu einem Ring zusammengeschalteter Verstärker-Bauelemente beruht. (Wichtig ist hierbei vor allem, dass die Anzahl der Stufen im Ring ungerade ist, d.h. mindestens 3 Stufen besitzen muss).
In diesem Aufbau eines Ringoszillators werden zusätzlich noch Elektrolytkondensatoren als Verzögerungsglieder verwendet.

Einfache Ringoszillator-Schaltung aus drei Bipolartransistoren
Abb.: Einfache Ringoszillator-Schaltung aus drei Bipolartransistoren (Quelle: Wikipedia)

Verwendete Bauteile

Aufbau der Schaltung

Schaltplan für ein Lauflicht mit 5 LEDs (Ringoszillator)
  1. Aufbau:
  2. Aufbau:
Aufbau auf dem Breadboard

Resultat

Der erste Aufbau mit Bipolartransistoren (hier: BC548C) hatte nur einen geringen Lauflicht-Effekt, trotzdem ich etliche Widerstands-/Kondensator-Kombinationen durchprobiert hatte:

Video: Lauflicht mit 5 LEDs und Bipolartransistoren (BC548C)

Der Effekt ist allerdings bei MOSFETs wesentlich deutlicher zu sehen. In einem alternativen Aufbau habe ich die BC458C durch 2N7000 ersetzt. Verzögerungswiderstände zwischen den Stufen sind hier 220kΩ und die Elkos auf 1µF:

Video: Lauflicht mit 5 LEDs und MOSFETs (2N7000)

Freeform-Aufbau

Da das Lauflicht erst seinen Charme bekommt, wenn es in einem Ring aufgebaut wird, habe ich eine Freeform-Variante des obigen Lauflichts mit 15 Stufen gebaut.

Verwendete Bauteile

Prototyp

Um Leuchtkraft der LEDs und Geschwindigkeit des Ringoszillators zu ermitteln, habe ich zunächst einen kleinen Prototypen auf einem Breadboard aufgebaut:

Prototyp des LED-Lauflichts mit 5 Stufen auf dem Breadboard (2,7MB).

Planung und Bau

Durchmesser für den Freeform-Aufbau
Abb.: Skizze zur Ermittlung des Durchmessers für den Freeform-Aufbau.
Ein Modul für das Freeform-Lauflicht
Abb.: Ein Modul (=1 Stufe) für das Freeform-Lauflicht.
Ein Modul für das Freeform-Lauflicht
Abb.: Ein Modul (=1 Stufe) für das Freeform-Lauflicht.
Zwei Stufen für das Freeform-Lauflicht
Abb.: Zwei Stufen für das Freeform-Lauflicht werden zurechtgelegt, um die Platzverhältnisse zu ermitteln.
Messingring für 15 Stufen des Lauflichts
Abb.: Aus Messingdraht wird ein Ring geformt und zusammengelötet der die 15 Stufen des Lauflichts befestigen soll.
Lasierte Spanschachtel als Basis für das Lauflicht
Abb.: Eine Spanschachtel wird lasiert und soll später die Basis des Lauflichts bilden.
9V-Batterieclip und Kippschalter
Abb.: Ein 9V-Batterieclip und Kippschalter werden in der Basis ihren Platz finden.
Restliche Stufen des Lauflichts
Abb.: Die restlichen Stufen des Lauflichts sind fertig gelötet.
15 Stufen des Lauflichts auf dem Messingring
Abb.: Alle 15 Stufen des Lauflichts sind auf den Ring gelötet und werden getestet.
Fertiges Lauflicht in Freeform-Aufbau
Abb.: Fertiges Lauflicht in Freeform-Aufbau; Leider scheint irgendetwas mit einem der Stufen nicht richtig zu stimmen, denn das Lauflicht bleibt dort immer wieder hängen und kann nur durch manuelle Überbrückung (leeren eines Kondensators) zum Weiterlaufen bewegt werden.
Video: Fertiges 15-stufiges Lauflicht im Freeform-Aufbau

LED-Lauflicht als Platinen-Modul

Design und Layout

Wenn man längere Lauflichter zusammenstellen möchte, bietet sich eine gefertigte Platine an, jedoch ist evtl. noch nicht von Anfang an klar, wie lang das Lauflicht letztendlich sein soll. Daher habe ich ein kleines Platinen-Modul mit EasyEDA erstellt, welches immer 5 LEDs als Ringoszillator-Lauflicht miteinander verschaltet. Dies ist also die kleinste Größe. Jedoch kann man beliebig viele solche Modul hintereinander schalten (wobei der letzte OUT mit dem ersten OUT verdrahtet werden müssen, um die benötigte Rückkopplung des Ringoszillators zu bekommen.

Schaltplan des Ringoszillator-Moduls
Abb.: Schaltplan des Ringoszillator-Moduls
Platinen-Layout des Ringoszillator-Moduls
Abb.: Platinen-Layout des Ringoszillator-Moduls
EasyEDA-Schaltplan für Ringoszillator-Modul [46kB]
EasyEDA-Platinenlayout für Ringoszillator-Modul [169kB]
Gerber-Dateien für Ringoszillator-Modul [10kB]

Verwendete Bauteile

Aufbau und Test

Als die fertigen Platinen von JLCPCB eintrafen, einem in China ansässigen Platinenhersteller, habe ich diese sofort mit den oben genannten Bauteilen bestückt:

Gefertigte Ringoszillator-Modul-Platinen von JLCPCB
Abb.: Gefertigte Ringoszillator-Modul-Platinen von JLCPCB
Widerstände werden zuerst eingelötet
Abb.: Widerstände werden zuerst eingelötet (1kΩ und 100kΩ)
NPN-Transistoren werden verlötet
Abb.: NPN-Transistoren (2N3904) werden verlötet. Auf richtige Ausgänge achten, da bei anderen Transistoren Basis, Kollektor und Emitter u.U. anders sind.
LEDs werden eingelötet (hier: 5mm weiß)
Abb.: LEDs werden eingelötet (hier: 5mm weiß)
Elektrolytkondensatoren werden eingelötet (10µF)
Abb.: Elektrolytkondensatoren werden eingelötet (10µF).
Zunächst hat das Lauflicht nicht richtig funktioniert und es stellte sich heraus, dass einer der Elkos entweder nicht richtig in die Platine gelötet worden war oder dieser defekt war. Nach dessen Austausch ist der Test erfolgreich gewesen.
Video: Fertig bestücktes Ringoszillator-Modul im Test (Verbrauch: ~5mA)

Nun können weitere Module bestückt werden und dann ein langes Lauflicht aufgebaut werden.

Abb.: 3 Module mit 15 LEDs hängen aneinander
Abb.: 3 Module mit 15 LEDs hängen aneinander
Video: Ringoszillator-Modul mit 15 LEDs
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