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Aufbauanleitung für ein NachBau_V03-Board

Was ist ein NachBau_V03-Board?

Das NachBau_V03-Kit ist ein LED-Treiber für eine Matrix von bis zu 16x16 LEDs. Es eignet sich für den Aufbau von niedrig Aufgelösten Spielen oder Leuchtschildern.

Es ist der Nachfolger des poulären NachBau_V02-Boards. Dabei wurde die Batterie durch einen wartungsfreien Speicherkondensator ersetzt.

Wie funktioniert das?

Das NachBau_V03-Board treibt eine 16x16 Pixel-Matrix durch Multiplexing. Für den Menschen erscheinen die schnell durchgeschalteten Zeilen wie ein stehendes Bild. Diesen Effekt nennt man Nachbildwirkung.

Nachbildwirkung bei Wikipedia

NachBau_V03: Einleitung

1. Einleitung

Von dem NachBau_V03-Kit gibt es verschiedene gleichwertige Chargen. Die einen haben eine weiße oder gelbe Platine, die anderen eine blaue Platine. Sie sind völlig identisch. Hier haben wie im weiteren Verlauf eine gelbe genommen.

NachBau_V03: Das NachBau_V03-Kit

2. Das NachBau_V03-Kit

Das NachBau_V03-Kit kommt mit allen nötigen Komponenten, um die Steuerplatine aufzubauen.

NachBau_V03: Uhrenquarz X2 einlöten

2.1 NachBau_V03-Kit mit
präziserem Uhrenmodul DS3231

Der Bausatz ist jetzt wahlweise auch mit dem genaueren und bereits, auf der Unterseite der Platine, aufgelöteten Uhrenmodul DS3231 erhältlich. Ein Uhrenquarz wird damit nicht mehr benötigt. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau und zusätzlich erhält man eine viel höhere Ganggenauigkeit.

Beim Aufbau der Nachbauplatine v03 inkl. DS3231 entfallen somit die Schritte 3-5

NachBau_V03: Uhrenquarz X2 einlöten

3. Uhrenquarz X2 einlöten

Video Lötkurs Uhrenquarz

Zunächst löten wir den kleinen Uhrenquarz ein (X2). Dieser muß plan an der Ground-Plane anliegen, da wir ihn im nächsten Schritt daran anlöten müssen. Damit er plan liegen bleibt, befestigen wir ihn mit etwas hitzebeständigem Klebeband.

NachBau_V03: Uhrenquarzgehäuse anlöten

4. Uhrenquarzgehäuse anlöten

Nachdem der Quarz eingelötet ist, löten wir mit Hilfe des Lötfetts (siehe vorheriges Bild) das Gehäuse des Quarzes an die Ground-Plane. Der Quarz muß flach anliegen und darf nicht in Lötzinn ertränkt werden.

Dann reinigen wir den Quarz und den Mittelkontakt der Batterie mit Isopropanol (z.B. Teslanol® Isopropanol, Aktiv-Reiniger, 1000ml), es darf kein Lötfett übrig sein.

NachBau_V03: Warnung

5. Warnung

Dieser Schritt wird häufig unterschätzt, ist aber wichtig. Wenn das Quarzgehäuse nicht an der GND-Plane angelötet ist, läuft die Echtzeituhr häufig nicht an. Die Lötdauer darf aber 1,5 Sekunden nicht überschreiten!

Das war der kritischte Punkt des Aufbaus, jetzt geht es entspannt weiter.

NachBau_V03: Die 6,8 Ohm-Widerstände

6. Die 68 Ohm-Widerstände

Jetzt werden die 16 68 Ohm-Widerstände eingelötet (R12-R27). Diese Widerstände begrenzen den Strom der LEDs in der Matrix. Da die Matrix im Multiplexing-Verfahren betrieben wird, also die LEDs immer nur kurz leuchten, müssen die Widerstände nicht so hoch sein.

Sollte man die später erläuterte Funktion nutzen, und die Spannung an den Verstärker-Chips erhöhen, muß man eventuell andere Widerstände einlöten. Also am besten vorher überlegen, wie die Platine genutzt werden soll.

Die Widerstande wurden von 6,8Ohm auf 68Ohm geändert weil das Darlington Array geändert wurde von TD62783APG zu TBD62783APG

NachBau_V03: Die Zener-Diode

7. Die Zener-Diode

Als nächstes kommt die Zener-Diode dran (D4). Sie hat eine Polarität und muß in der richtigen Richtung eingelötet werden. Sie hat einen Streifen am Gehäuse, das kleine Bild auf der Platine hat auch so einen Streifen. Über sie wird der DCF77-Empfänger mit 3,3 Volt versorgt.

NachBau_V03: Die Sperrdiode

8. Die Sperrdiode

Dann kommt die Sperrdiode (1N4007) dran (D5). Auch sie hat eine Polarität und muß in der richtigen Richtung eingelötet werden. Sie hat einen Streifen am Gehäuse, das kleine Bild auf der Platine hat auch so einen Streifen. Sie schützt die Schaltung, wenn man die Polarität der Spannungsversorgung vertauscht hat.

NachBau_V03: Der 16 MHz-Quarz

9. Der 16 MHz-Quarz

Jetzt wird der 16 MHz-Quarz eingelötet (X1). Er erzeugt den Takt für unseren Mikrocontroller. Das mittlere Loch bleibt dabei frei.

Eventuell hat Ihr Kit keinen Quarz, sondern einen 16 MHz-Resonator. Dieser hat drei Beine und wird dementsprechend in die drei Löcher gelötet.

Dann muß der nächste Schritt übersprungen werden.

NachBau_V03: Die 22 pF-Kondensatoren

10. Die 22 pF-Kondensatoren

Zu dem Quarz (X1) werden dann zwei 22 pF-Kondensatoren gelötet (C11, C12). Sie bilden mit dem Quarz den Schwingkreis für die 16 MHz.

Dieser Schritt darf nicht ausgeführt werden, wenn man einen Resonator verwendet. Ein Resonator enthält bereits die zwei Kondensatoren.

NachBau_V03: Die IC-Sockel

11. Die IC-Sockel

Die IC-Sockel werden jetzt eingelötet. IC-Sockel haben an einer schmalen Seite eine Einkerbung, eine Art Nase. Diese Nase muß auf die Seite zeigen, die auf der Platine markiert ist (die Sockel für die 74HC595-Chips zeigen nach rechts, der Rest nach links).

Bei Verwendung der Nachbauplatine v03 inkl. dem DS3231 entfällt der 8-Pin Sockel für den DS1307.

NachBau_V03: Die Lade-Schaltung

12. Die Lade-Schaltung

Die Lade-Schaltung für den Speicher-Kondensator besteht aus den 4 Dioden D6-D9 (1N4148), bei denen man auf die Richtung achten muß. Der Ring auf den Dioden muß mit dem Ring auf der Platine überein stimmen. Dazu kommen die beiden Widerstände R34 mit 820 Ohm und R35 mit 4,7 kOhm.

NachBau_V03: Der Speicher-Kondensator

13. Der Speicher-Kondensator

Jetzt kann der Speicher-Kondensator (C16) eingelötet werden. Er hat eine Polarität, der Minus-Pol muß nach rechts zeigen.

NachBau_V03: Spannungsregler fixieren

14. Spannungsregler fixieren

Den Spannungsregler (U9) befestigt man wieder mit Klebeband. Er soll plan mit seiner Metallplatte auf dem Feld Open Hardware zum Liegen kommen, so kann er die Wärme über die Platine ableiten.

NachBau_V03: Spannungsregler einlöten

15. Spannungsregler einlöten

Der Spannungsregler regelt die Eingansspannung (7,5-12 Volt) auf 5 Volt herunter. Da er überschüssige Spannung in Wärme umwandelt biete sich ein 7,5 Volt-Netzteil zur Versorgung an. Mehr Volt bedeutet mehr unnötig als Wärme abgeleitete Leistung.

Der Regler kann erst ab 7 Volt richtig regeln. Wenn ein 5 Volt-Netzteil zur Verwendung kommt, muß er entfallen!

NachBau_V03: Die 100 nF-Entstörkondensatoren

16. Die 100 nF-Entstörkondensatoren

Jetzt werden die 100 nF-Entstörkondensatoren eingelötet (C1, C3, C4, C5, C6, C7, C9, C10, C13, C14, C15, C17). Sie haben keine Polung, die Richtung ist also egal.

NachBau_V03: Der 220 Ohm-Widerstand

17. Der 220 Ohm-Widerstand

Als nächstes wird der 220 Ohm-Widerstand (R29) eingelötet. Er bildet mit der Zener-Diode zusammen den Spannungsteiler für die 3,3 Volt-Versorgung des DCF77-Empfängers.

NachBau_V03: Die 4,7 kOhm-Widerstände

18. Die 4,7 kOhm-Widerstände

Dann kommen die 4,7 kOhm-Widerstände an die Reihe (R6, R7, R28, R30). R6, R7 und R28 ziehen die logischen Spannungspegel der Echtzeituhr auf Vcc, solange kein Signal anliegt. R30 schaltet die Ausgänge der Shift-Register aus, bis sie korrekt initialisiert worden sind.

NachBau_V03: Die 1 kOhm-Widerstände

19. Die 1 kOhm-Widerstände

Die 1 kOhm-Widerstände (R8, R9, R31) begrenzen den Strom für die Status-LEDs. Achtung, 1 kOhm und 10 kOhm-Widerstände sehen sich sehr ähnlich.

NachBau_V03: Die 10 kOhm-Widerstände

20. Die 10 kOhm-Widerstände

Die 10 kOhm-Widerstände (R1-R5) ziehen den logischen Spannungspegel der Taster auf Ground. R5 wird dabei nur benötigt, wenn die Enter-Taste Verwendung finden soll.

R32 und R33 werden nur benötigt wenn die Nachbau Platine v03 inkl. dem DS3231 verwendet wird.

R10 (10 kOhm) ist der Widerstand für den Spannungsteiler mit dem lichtabhängigen Widerstand.

NachBau_V03: Die Taster

21. Die Taster

Jetzt kommen die Taster an die Reihe (SW1-SW5). Auch hier wird SW5 (Enter) nur benötigt, wenn die Enter-Taste Verwendung finden soll.

Über jedem Taster finden sich zwei eng beieinander liegende Löcher. Über diese Löcher kann auch geschaltet werden, z.B. wenn zusätzlich Taster im Gehäuse untergebracht werden sollen.

NachBau_V03: Die Status-LEDs

22. Die Status-LEDs

Der nächste Schritt sind die drei Status-LEDs (D1, D2, D3). LEDs haben eine Polarität. Die Kathode gehört in das Loch am unteren Rand mit der Markierung. Die Kathode erkennt man am kürzeren Bein und der abgeflachten Gehäuseseite.

Die Farben sind
PWR = Power = Rot
GRN = Green = Grün
YEL = Yellow = Gelb

NachBau_V03: Die Hohlstecker-Buchse

23. Die Hohlstecker-Buchse

Jetzt wird die Hohlstecker-Buchse (P20; DC_IN) eingelötet. Sie ist center positive verschaltet, der Pin in der Mitte ist also Plus (Vcc). Das ist für die Auswahl des Netzteils wichtig.

NachBau_V03: Die Elektrolyt-Kondensatoren

24. Die Elektrolyt-Kondensatoren

Dann kommen die beiden Elektrolyt-Kondensatoren an die Reihe (C2, C8). Das sind die fetten Kondensatoren. Sie haben eine Polarität. Ein Bein ist jeweils am Gehäuse mit - gekennzeichnet. Der Minus-Pol muß jeweils nach links zeigen. Der jeweilige Minus-Pol ist auch auf der Platine gekennzeichnet.

Auf der Platine sind bei den Plus-Polen zwei Löcher, weil mache Kondensatoren einen etwas größeren Beinabstand haben. Man nimmt einfach das Loch, das am besten passt.

Diese Kondensatoren glätten die manchmal etwas unsaubere Eingansspannung und stabilisieren den Spannungsregler.

NachBau_V03: Pinheader und Jumper

25. Pinheader und Jumper

Zu guter Letzt kommen die Pinheader und Jumper.

Mit K1 (PWR_SEL) kann man zwischen Stromversorgung über USB (bei Verwendung eines FTDI-Kabels) und Stromversrgung über das Netzteil umschalten (USB<->Wall).

Mit K2 (LED) kann man entscheiden, ob die Verstärker-Chips (UDN2981A) mit 5 Volt oder der externen Spannungsversorgung betrieben werden sollen (5V<->Vext).

Über P7 (FTDI) kann ein FTDI-Kabel anschließen und den Mikrocontroller neu bespielen.

Über P13 (ISP) kann man einen ISP-Header anschließen und den Mikrocontroller neu bespielen.

An P1 (DCF77) kann ein DCF77-Empfänger angeschlossen werden.

P2 und P3 müssen, bei Verwendung der Nachbauplatine v03 inkl. dem DS3231, jeweils Drahtbrücken gesetzt bekommen um den DS3231 (SDA und SCL) mit dem Prozessor zu verbinden.

NachBau_V03: Abschlußarbeiten

26. Abschlußarbeiten

Wenn man fertig ist, muß die Platinenrückseite mit Isopropanol (z.B. Teslanol® Isopropanol, Aktiv-Reiniger, 1000ml) von Flußmittelresten befreit werden. Diese führen ansonsten mit der Zeit zu Korrosion.

So sollte die Platinenrückseite aussehen.

NachBau_V03: Chips stecken

27. Chips stecken

Jetzt werden die Chips bestückt. Die Chips haben eine Nase. Diese muß mit der Nase der Sockel übereinstimmen.

Damit ist das NachBau_v03-Kit fertig!

NachBau_V03: Übrige Teile

28. Übrige Teile

Es sind jetzt noch ein paar Bauteile übrig. Den LDR (lichtabhängigen Widerstand) haben wir nicht eingelötet, weil er typischerweise irgendwo im Gehäuse verbaut und verkabelt wird.

Auch ein paar Anschlüsse haben wir noch nicht besprochen. Mit P41 (STACK_L) und P42 (STACK_R) kann man mehrere NachBau_V02-Boards miteinander verketten und so größere Displays aufbauen. Die Anschlüsse um die Echtzeituhr herum kann man verwenden, um statt der DS1307 einen ChronoDot zu verbauen.

Falls die LED-Matrix als Uhr betrieben werden soll, befinden sich hier eine Firmware und Anleitung: Downloads.

Wie geht es weiter?

Anwendungsbeispiele für das NachBau_V03-Board gibt es in der Galerie im Diskussionsforum (Link oben auf dieser Seite).

Ein gefrästes Gehäuse zum rahmenlosen Aufbau findet sich im Onlineshop

Gehäuse für Nachbau_v03

Und hier gibt es noch eine Beschreibung des Gehäuses und eine Anleitung wie die LED Matrix am einfachsten aufgebaut wird.

Quellen und Hinweise über den Bezug der Frontplatte finden sich ebenfalls im Diskussionsforum.

zum Diskussionsforum

Stückliste

ReferenzAnzahlBezeichnungWertArtikel
X21Uhren-Quarz32.768 kHz02695
D11LED 5mmgrün01567
D21LED 5mmgelb01563
D31LED 5mmrot01561
D41Zener-Diode3,0V/0,5W00348
D51Diode1N 400703674
D6-D94Diode1N414800235
C1, C3-C7, C9-C10, C13-C15, C1712Kondensator100nF/63V02481
C2, C82Elektrolytkondensator100µF/35V02051
C161Gold-Cap47.000 uF/5,5V01983
R1-R5, R106Widerstand 1/4W10 kOhm03402
R6, R7, R28, R30, R355Widerstand 1/4W4.7 kOhm03397
R8, R9, R313Widerstand 1/4W1.0 kOhm03388
R12-R2716Widerstand 0.6W68 Ohm03268
R341Widerstand 1/4W820 Ohm03387
R291Widerstand 1/4W220 Ohm03379
R111FotowiderstandA99501100387
U7, U82Darlington-ArraysTBD62783APG02739
U1, U2, U4, U54Shift-Register74 HC 59502142
U31MicrocontrollerAtmega 32802602
U61EchtzeituhrDS 130702520
U91Spannungsregler 5VTS2940CZ-5.002612
SW1-SW55Kurzhub-TasterTaster TPS 038503352
P201Einbaubuchse 2,1 mmDC-EBH2.103437
3KurzschlussbrückenJumper rot02942
zu U61PräzisionsfassungDIL-801962
zu U1, U2, U4, U54PräzisionsfassungDIL-1601964
zu U7, U82PräzisionsfassungDIL-1801965
zu U31PräzisionsfassungDIL-28-S01971
P1, P5, P6, K2, LDR, SW1-SW5, P132Stiftleiste gerade, trennbar1x40 polig03335
P71Stiftleiste gewinkelt1x6 polig03330
1PlatineNachBau_V0350003