THEMA: Lichtsignalanlagen mit gemeinsamen Plus-Pol?

Elektronische Steuerungen haben i.d.R. einen "Open-Collector"-Ausgang, der (systembedingt) die zu steuernde Last gegen Masse schaltet.

Daraus folgt: Der "Schalter" der elektronischen Steuerung sitzt eben nicht in der Leitung vom Plus zum Verbraucher (wie wir es von einem mechanischen Schalter gewohnt sind), sondern in der Leitung vom Verbraucher zum Minus.

Von da her macht es sehr viel Sinn, dass die Hersteller von Lichtsignalen die Pluspole zusammenfassen. (Alle LED Lichtsignale, die ich kenne, sind so aufgebaut.)

De facto ist das also "Stand der Technik". Ich bin mir sicher, dass das auch mit dem Arduino geht. Hat der Arduino auch Ausgänge, die nach Masse schalten?

Wenn du nicht weiterkommst, google mal nach "mit Aruino nach masse schalten" oder "Arduino open collector ausgang" oder ähnlich. Du bist ja nicht der Einzige, der diese Aufgabe lösen will.

Meine 2c

Felix

Hallo,

genau. Ports des Arduino sind sog. Tri-State-Ausgänge. Sie sind entweder hochohmig (wenn als Eingang definiert) oder haben einen niederohmigen Zustand. Geschaltet wird gegen Masse, intern ist ein Pull-Up-Widerstand enthalten (der abgeschaltet wird, wenn der Port als Eingang definiert ist). Durch den Pull-Up-Widerstand wirkt es so, als sei da ein aktiver Treiber, dem ist aber nicht so.

Siehe Datenblatt, Kapitel 14: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDo...a-Sheet-40002074.pdf

Viele Grüße
Zwengelmann

Erwischt, Zwengelmann - englisch ist leider nicht MEINE Sprache. Und was Elektronik betrifft, ist das auch nicht meine eigentliche Heimat. Somit sagt mir das, was die dort schreiben, gar nix.

@ Felix

Die Ergebnisse bei meiner Sucherei haben mir auch nicht weitergeholfen.

Die "üblichen" Beispiele, wie man eine LED am Arduino zum Leuchten bringt, sind so gestaltet, dass die Anode der LED mit einem Digitalpin verbunden wird, die Kathode hingegen mit GND. Irgendwo dazwischen sollte dann eben der Vorwiderstand sein, egal ob vor oder nach der LED.

Wenn ich Dich richtig verstehe, sollte ich die gemeinsame Anode auf beispielsweise +5V setzen und die 3 Kathoden auf 3 Digitalpins? Und leuchten tut die LED, wenn das entsprechende Pin auf 'low' gesetzt wird, und dunkel ist sie, wenn ich das Pin auf 'high' setze?

Wenn dem so ist - was ist der Vorteil gegenüber der Schaltung, wo die Kathoden zusammen sind und die Anoden direkt an die Pins gesetzt werden?

Herby

Hallo Herby,

das ist so richtig. Alle Anoden auf plus, mit den Kathoden schalten.

Man macht das so, weil man so recht einfach eine "Wired-Or"-Verknüpfung erstellen kann.
https://de.wikipedia.org/wiki/Wired-OR

Jetzt kenne ich die Betriebsspannung Deiner Leuchtmittel nicht: Ggf. solltest Du noch einen Puffertransistor dazwischenschalten. Ideal ist dafür der ULN2003, da sind 8 Transistoren drin, ebenfalls offener Kollektor. Da hierbei aber das Signal invertiert wird, musst Du umdenken: Wenn der Arduino-Ausgang "High" wird, geht der ULN auf "Low" und umgekehrt.

Schaltbeispiele liefert Google.

Grüße
Zwengelmann

Genau so.

Versuch es einfach mal. Da der Arduino es offensichtlich aushält, bei "Ausgang = 0" den gesamten Strom (der durch den Pull-Up-Widerstand begrenzt ist) durch den Ausgang auf Gnd zu ziehen, kannst du nichts kaputt machen. (Ausser, wenn du die LED ohne Vorwiderstand betreibst - aber das müssen wir, glaube ich, nicht betrachten.)

Anmerkung:
- Wenn du vom Arduino mit Plus auf die LED gehst, ist der Strom begrenzt durch den internen Pull-Up-Widerstand (und dem LED Vordwiderstand).
- Wenn du vom Arduino mit Gnd auf  die LED gehst, ist der Strom nur durch den LED Vorwiderstand begrenzt.

Dies als Ergänzung zu Zwengelmann.

Felix

Danke für Eure Ausführungen - dann hab ich es scheinbar eh richtig 'verstanden'.

@ Felix:

Werde das tatsächlich mal probieren mit losen LEDs am Steckbrett (mit der Ampel wird es nicht gehen, weil die bereits einen Vorwiderstand für jede LED mitbringen für eine Versorgung mit 10-18V, und da werde ich wohl den oben erwähnten ULN2003 brauchen). Aber zum Ausprobieren werden auch lose LEDs reichen.

Herby

Hi!
Die üblichen Arduinos können pro Füßchen einige mA liefern als auch "versenken". Wenn's nur um eine Ampel geht kann man ohne weiteres (+) Widerstand LED Arduino verkabeln.

Mit dem Treiber ULNxxxx kann man das ganze Verstärken und gegebenenfalls Lämpchen betreiben. Das ist aber nicht wirklich nötig wenn die Ampel nur LEDs verwendet.
-AJ-

der Vorteil der Open-Kollektor-Schaltung ist, dass man eine gewisse Unabhängigkeit von der Versorgungsspannung des geschalteten Verbrauchers erreicht:

Man kann somit mit 3V Controllern auch 12V Verbraucher an die gemeinsame Masse legen, weil der schaltende Transistor (i.d.R. ein FET) die steuernden 3V mit geeigneten Vorwiderstand ans Gate bekommt und dann aber einfach nur niederohmig wird um den Stromkreis des Verbrauchers Richtung Masse zu schließen.
Viele Schaltdecoder haben einen PIC drauf, der mit 3 oder 5V betrieben wird, die aus der Moba-Versorgung (häufig direkt das Gleissignal) gewonnen wird. Die geschalteten LEDs oder Glühlampen selbst arbeiten aber mit der ursprünglichen Moba-Versorgung (häufig auch mit dem Gleissignal).

Solche Schaltdekoder haben dann halt die größere Flexibilität, da sie dem Anwender die Versorgungsspannung der geschalteten Verbraucher nicht aufzwingen. Mit einem 3 o. 5V-Logik-Ausgang dagegen tust du das...

Gleichzeitig ist die Strombelastbarkeit solcher Schaltausgänge ebenfalls größer als Logikausgänge.

VG, Steffen

hi

wenn du die Vorwiderstände nicht austauschen und dann mit derselben Spannung wie der Arduino arbeiten kannst dann würde ich in der Tat ULN(s) dazwischen schalten

Gruß

Bahnstadt

@ Steffen #8

Danke auch Dir für Deine Ausführungen. Ich fürchte nur, dass Du mich damit etwas überforderst. Ich bin, was Elektronik betrifft, gänzlich ungebildet. Für mich ist es schon unmöglich, zu begreifen, was ich mir darunter vorstellen soll, das in Ampere gemessen wird, also der Strom. Strom wird ja gerne mit Wasser in einer Leitung verglichen, aber wie bekomme ich das mit dem Strom zusammen? Wasser in einer Leitung wird beispielsweise in Liter gemessen. Fließt das Wasser in der Leitung, kann ich ja sagen, wie viel Wassermoleküle pro Zeiteinheiten durchgehen. Was aber wird dann tatsächlich in Ampere gemessen? Die Anzahl der durchfließenden Elektronen? Falls ja: Heißt das dann, dass 1 Ampere Strom immer gleich viel ist? Also beispielsweise x Elektronen pro Sekunde? Unabhängig von der Spannung? Ein Netzteil, das bei 5V Ausgangsspannung 1A liefern kann, liefert demnach die exakt gleiche Menge an Elektronen wie ein Netzteil, das bei 12V auch 1A liefern kann? Oder wenn ich aus der 230V Steckdose 1A entnehme, ist das wiederum die gleiche Menge an Elektronen? Oder bei einer 100.000V Überlandleitung? Immer die selbe Menge an Elektronen? Interessant deswegen: 1A bei 5V leistet 5 Watt, bei 12V eben 12 Watt, bei 230V sind es 230W und bei 100.000V gleich 100.000W. Wie passt das wieder mit dem Wasser-Modell zusammen?

Ich hoffe aber, dass das für meine Projekte nicht so wichtig ist, zu verstehen. Ich will eh keine Schaltungen selbst bauen oder gar entwerfen, ich habe hauptsächlich vor, fertige Shields oder sonstige Bausteine an den Arduino anzuschließen und hoffe darauf, dass es immer auch entsprechende Aufbaupläne und Beispiele dazu gibt.

@ Arnold #7 und Bahnstadt #9

Das ist derzeit mein Problem, weil die Ampeln schon fix die Vorwiderstände an die Drähte verlötet haben. Ich könnte die natürlich runternehmen und dann mit entsprechenden Widerständen für 5V betreiben - oder ich sorge dafür, dass die Ampeln mit einer höheren Spannung betrieben werden. Gibt es eine einfache Möglichkeit, den Schrumpfschlauch, der über der Lötstelle und dem Widerstand gezogen wurde, wieder wegzubekommen, ohne Lötstelle und Widerstand zu zerstören? Die Lösung mit dem ULN2003 wäre überlegenswert, aber da stellt sich dann wieder die Frage, wie ich diesen dauerhaft mit dem Arduino und den Drähten der Ampel verheiraten soll - ohne Löterei! Deswegen tendiere ich eher zu der Lösung, die Ampeln mit 5V direkt am Arduino zu betreiben.

Ach: bevor die Rückfragen kommen, wie ich die dann an den Arduino anschließe ... beispielsweise damit: https://de.aliexpress.com/item/Proto-Screw-Sch...9.327.b2723c00pXQeDS


Herby

@Herby
1 Ampere ist tatsächlich immer 1 Ampere, unabhängig von der Spannung. Das bedeutet dann u.a.: Die Wärmeentwicklung in einem gegebenen Verbraucher (Lampe, Relaisspule, Leitungswiderstand) ist bei 1A immer die selbe. Denn der gegebene Verbraucher hat einen gegebenen Widerstand, und der Strom sei 1 Ampere.

(Nun kann es natürlich sein, gemäss Herr Ohm, dass wenn man eine grössere Spannung anlegt, auch ein grösserer Strom resultiert, folglich eine grössere Wärmewirkung resultiert - aber dann ist ja eben der Strom nicht mehr 1A, also besteht kein Widerspruch zum oben Gesagten.)

Der Vergleich mit dem Wasser stimmt schon. Wie du richtig erkannt hast: Es ist ein Unterschied, ob 1A bei 5V oder 1 A bei 230V fliessen. Das ist auch beim Wasser so:
- Ein Wasserkraftwerk in den Alpen wird mit einer Peltonturbine betrieben. Das ist im Wesentlichen ein "Gartenschlauch", der auf ein Wasserrad spritzt. Wir haben hier also einen hohen Druck (grosse Fallhöhe, typisch ca. 600m), aber eine vergleichsweise kleine Wassermenge.
Übersetzt auf die Elektrik hätten wir hier also eine hohe Spannung (hoher Druck) bei kleinem Strom (kleine Durchflussmenge). Die Leistung, die die Turbine erzeugt, ergibt sich aus Druck mal Durchflussmenge.
- Ein Wasserkraftwerk an einem Fluss wird mit einer Kaplanturbine betrieben. Das ist im Wesentlichen eine "Schiffsschraube" in einem Rohr. Es ist also der gleiche Effekt wie bei einem Schiffsantrieb, nur umgekehrt. Beim Flusskraftwerk haben wir einen kleinen Druck (kleine Fallhöhe, typisch wenige Meter) aber eine vergleichsweise hohe Wassermenge.
Übersetzt auf die Elektrik hätten wir hier also eine kleine Spannung (kleiner Druck) bei grossem Strom (grosse Durchflussmenge). Die Leistung, die die Turbine erzeugt, ergibt sich wiederum aus Druck mal Durchflussmenge.

Fertig gedacht, bedeutet das dann: Ohne Druck fliesst kein Wasser. Ohne Spannung fliesst kein Strom.

Hoffe das hilft

Felix

Auf https://www.elv.ch/elektronikwissen/open-collector-schaltausgang.html hab ich noch was zum Thema "Open Collector gefunden":

Https://files.elv.com/bilder/elvexpertenwissen/gross/open_collector_drain_01.jpg

Das linke Bild zeigt den "Grundsatz" der Open Collector-Schaltung, oben mit einem Bipolar-Transistor, unten mit einem FET. (Den FET betrachten wir nicht weiter.) Wesentlich ist, dass der Emitter an Masse gelegt ist und der Collector (der obere Anschluss) eben "offen" bleibt und nach "draussen" geführt wird. Das ist die "Ausgangsklemme" der Schaltung.

Der Transistor wird als Schalter betrieben. Somit kann er zwei Zustände haben:
- leitet: Die Ausgangsklemme führt Gnd (den kleinen Spannungsabfall über dem Transistor können wir vernachlässigen).
- sperrt: Die Ausgangsklemme ist hochohmig gegenüber allen anderen Teilen der Schaltung, d.h. sie ist sozusagen "abgetrennt" oder "abgeschaltet".

Die Ausgangsklemme kann also zwischen "ein" (Gnd) und "aus" umgeschaltet werden.

Ein Problem der Grundschaltung ist, dass die Ausgangsklemme im abgeschalteten Zustand kein definiertes Potential hat. Elektronische Schaltungen, die diesen Ausgang auswerten, mögen das nicht.

Mittleres Bild: Hier ist die Grundschaltung um einen Pull-Up-Widerstand erweitert. Auch dieser Ausgang kann zwei Zustände haben:
- Transistor leitet: Die Ausgangsklemme führt Gnd (wie oben). Es fliesst ein kleiner Strom von der Speisung durch den Pull-Up-Widerstand und den Transistor nach Gnd. Der Strom ergibt sich nach dem ohmschen Gesetz (also aus dem Pull-Up-Widerstand) und ist unkritisch.
- Transistor sperrt: Die Ausgangsklemme führt die Speisespannung, da durch den Pull-Up-Widerstand kein Strom fliesst und somit auch keine Spannung abfällt.

Die Ausgangsklemme kann also zwischen "0" und "1" umgeschaltet werden.

Das Bild rechts zeigt eine praktische Anwendung der Open-Collector-Schaltung:  Man kann (statt des Pull-Up-Widerdtandes) direkt einen Verbraucher anschalten. Hier ist es ein Relais (Freilaufdiode nicht vergessen!!)
Das Relais (es kann auch eine LED mit Vorwiderstand sei ) wird also angeschaltet, wenn die Ausgangsklemme Gnd führt. Wichtig ist, dass der Verbraucher zwischen Plus und Ausgangsklemme geschaltet ist.

Mittleres Bild: Man kann den Verbraucher auch zwischen Ausgangsklemme und Gnd schalten, so wie du das gemacht hast. Der Verbraucher wird also angeschalteg, wenn wenn die Ausgangsklemme Spannung führt.
Da nun der Laststrom durch den Pull-Up-Widerstand und die Last fliesst, ergibt sich ein Spannungsteiler, d.h. ein Teil der Spannung fällt über dem Pull-Up-Widerstand ab, der Rest über der Last. Dies ist der Nachteil dieser Schaltung: Die Spannung über der Last ist abhängig von den sich ergebenden Widerständen.

Rechtes Bild: Die Last zwischen Speisung und Open Collector hat diesen Nachteil nicht.

So. Und jetzt: Wie bauen wir einen Inverter mit einem Transistor?

Rechtes Bild: Denk dir am linken Anschluss des Transistors (Basis) einen Vorwiderstand hinzu. Der Transistor leitet, wenn ein Strom durch die Basis gegen Gnd fliesst, dadurch wird der Collector niederohmig und der Laststrom kann fliessen.

Wenn eine "1" am linken Anschluss des Transistors anliegt, kommt am Ausgang (dort wo die Last angeschlossen ist) eine "0" raus. Das Signal wurde invertiert.

Also: Arduino- Ausgang -> Vorwiderstand (Hausnummer: 1kOhm) -> Transistor. Und dann die LED (mit Vorwiderstand) zwischen Plus und Transistor anschliessen.

Und das Schöne ist nun: Die Lichtsignale können mit 12...18V= betrieben werden, die unabhängig von der Speisespannung des Arduino sind. Lediglich die beiden Minuspole der Arduino-Speisung und der Lichtsignal-Speisung müssen verbunden werden (gemeinsame Masse).

So sollte es eigentlich möglich sein, die Lichtsignale ohne Umbau zu betreiben.

Hoffe das hilft

Felix

Edit: Die Summe der angeschlossenen Verbraucher ergibt einen bestimmten, definierten Widerstand. Dieser Gesamtwiderstand muss zumindest so gross sein, dass der resultierende Kollektorstrom innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt. Sonst stirbt der Transistor den Wärmetod...

Hallo Herby.

Die Prinzipschaltung für den Anschluss von LEDs an den ULN2003 zur Steuerung mit Arduino ist ganz simpel.

Siehe z.B. https://jasonwebb.io/wp-content/uploads/2010/12/schematic.png

Die Werte sind beispielhaft, insb. hast du die Widerstände ja schon dran.

Das mit dem Löten ist echt nicht schwer. Ich habe das meiste mit der 19,90€ Baumarkt-Lötstation auf Lochrasterplatinen gemacht. Zum Ausprobieren ein Steckbrett und Steckleitungen wie z.B. die:

https://www.ebay.de/sch/?_nkw=Steckbrett

Tutorials findest du im Netz, Grundwissen z.B. hier:

https://www.grund-wissen.de/elektronik/

ICs (ULN) und Sockel (empehlenswert) gibts auch billig über eBay. Genauso Sortimente mit Standard-Widerständen (interessant ist der Bereich 100-10000 Ohm), LEDs etc. Noch eine "dritte Hand" Werkzeug und loslegen. Für viel weniger als man für eine Lok ausgibt hat man alles beieinander und viel mehr Möglichkeiten.

Einfach loslegen, Ausprobieren, nicht ärgern wenns mal nicht klappt. mit was kleinem anfangen.

Gruß

Bahnstadt

@ Felix

Danke für die Bemühungen - die Ausführungen bezüglich des Strom-Beispiels tu ich gerade versuchen, zu verdauen. Irgenwas stört mich, ich weiß nur noch nicht, was genau.

Und dem Post #12 kann ich kaum folgen, und noch weniger den Schaltplänen. Wohl auch, weil ich da nicht weiß, wo welche Spannung anliegt bzw wo ich was anschließen müsste.

@ Bahnstadt

Danke für den Link. Wenn die Schaltung tatsächlich so funktioniert, wäre das perfekt. Nur dass ich dann nicht +5V an die gemeinsame Anode der LEDs legen muss, sondern +12V. Das müsste der ULN2003 ja vertragen, oder? Also +12V an die gemeinsame Anode und die Kathoden an O1 bis O6. Und eine gemeinsamen GND vom Arduino und dem ULN2003.

Na, dann werde ich mal so ein Teil bestellen: https://de.aliexpress.com/item/ULN2003-Stepper...9.260.102f3c00NTvyDk ... (die blaue Platine, die hat nämlich für alle 7 Ausgänge einen Pin).

Herby

Hi Herby

yep

Gruß Bahnstadt

Hallo Herby,

so ein Steckbrett (wie in #13 genannt) kann ich wärmstens empfehlen; ich habe mir zwei Exemplare besorgt, in die sechs einzelnen Elemente zerlegt und diese etwas anders zusammengesteckt. So kann ich den Aruino Nano bequem mittig platzieren und habe aussenrum genug Raum für den Rest...

Viele Grüße
Michael

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Hi Michael,

Steckbretter und Jumperkabeln hab ich eh rumliegen, danke für den Hinweis. Zum Experimentieren am 'grünen' Tisch ist das ja sozusagen Pflicht.

Herby