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LEDs an CMOS-Ausgangstreibern



Obwohl schon sehr alt, haben CMOS-Digital-Bausteine vom Typ 40xx/45xx einige unschätzbare Vorteile, besonders im Hinblick auf das Treiben von LEDs. Neben ihrem sensationell niedrigen Strombedarf von wenigen Mikro-Ampere kann man mit CMOS-Ausgängen LEDs ohne Weiteres leuchten lassen und braucht dazu nicht einmal einen Vorwiderstand: der CMOS-Ausgang liefert auch ohne Vorwiderstand nur wenige Milli-Ampere Strom.

CMOS-Ausgangstreiber steuern LEDs an

CMOS-Ausgangstreiber in Source-Schaltung CMOS-Ausgangstreiber in Sink-Schaltung Es gibt zwei Arten, mit einem CMOS-Ausgangstreiber eine LED anzusteuern:
  1. links: der CMOS-Ausgang liefert Strom in die LED, die Kathode der LED liegt auf der negativen Betriebsspannung, das bezeichnet man als Source- Schaltung, weil der Treiber die Stromquelle ist, oder
  2. rechts: der CMOS-Ausgang zieht Strom aus der LED und leitet ihn an seinen negativen Betriebsspannungsanschluss, da der Strom im Treiberausgang verschwindet, nennt man das eine Sink-Schaltung.
Die beiden Arten, die LED anzuschließen, haben auch für die Polarität der Ausgangsschaltung Konsequenzen:
  1. Bei der Source-Schaltung leuchtet die LED, wenn der Ausgang High oder Eins ist.
  2. Bei der Sink-Schaltung ist es umgekehrt: die LED leuchtet dann, wenn der Ausgang Low oder Null ist.

Wie viel Strom treibt oder zieht so ein CMOS-Ausgang

Strom durch eine LED an einem CMOS-Ausgang Das hier ist gemessen mit einem 4011 von RCA und einer 2-mA-LED mit 3 mm Durchmesser. Das Diagramm zeigt, dass der Strom durch eine LED abhängt.

2-mA-LEDs kann man mit Betriebsspannungen ab ca. 3,3 Volt aufwärts aussteuern. Für normale LEDs braucht man ca 5 V, für die Vollaussteuerung mit 20 mA (z. B. für 10-mm-LEDs braucht es ca. 11 Volt. Ab 15 V kriegt man in Source-Schaltung den zulässigen Maximal-Dauerstrom von ca. 30 mA, kaputt kriegt man die LED weder in Source- noch gar in Sink-Schaltung.

In Sink-Schaltung ist der Strom geringfügig niedriger als in Source-Schaltung. Das steht in einem sehr starken Kontrast zu TTL-Ausgängen der Typen 74xx(x) oder 74LSxx(x), die in Sink-Schaltung viel mehr Strom sinken als sie in Source-Schaltung liefern können. Wer dasselbe mit 74HCxx(x) oder mit 74HCTxx(x) machen möchte, muss sich das selber ausmessen.

Die angegebenen linearen Näherungsgleichungen in Source- und in Sink-Schaltung sind mit Vorsicht zu genießen, denn bei niedrigen Spannungen unter 10 V stimmen sie fast gar nicht.

Die Grenzen dieser Lösung

Treibt man vier oder acht LEDs auf diese Weise aus einem 40xx/45xx-Baustein an, dann kriegt man schnell die maximal zulässige Verlustleistung der Packung (700 Milli-Watt bei DIL) hin, denn alles was oberhalb der LED-Spannung an Betriebsspannung anliegt, setzt sich in Wärme um. Man beachte daher diese Grenze, wenn man längere Zeit Spaß an dieser Lösung haben will.

Da die LED in dieser Schaltung die Ausgangsspannung kontrolliert und begrenzt, ist so ein Ausgang für die Ansteuerung anderer CMOS-Eingänge nicht mehr zu gebrauchen. LEDs sollten daher exklusiv sein: weitere Verwendungen des Ausgangssignals sind sinnlos.

CMOS-Ausgangstreiber in Source-Schaltung mit N-JFET CMOS-Ausgangstreiber in Sink-Schaltung mit P-JFET Wer ganz sicher gehen will, dass der LED-Strom in diesen Schaltungen unterhalb von gewissen Grenzen bleibt, schaltet noch einen JFET dazu und begrenzt den LED-Strom damit auf den Durchlass-Strom des JFET. Während N-JFETS leicht zu kriegen sind, sind P-JFETS etwas seltener: man suche nach J175, J176 oder J177. Siehe auch die FET-Seite für mehr über diese Art von Bauteilen.


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