10. – 12. Schuljahr

Christoph Hoyer, Lars-Jochen Thoms, Sven Behrens und Raimund Girwidz

Moderne RGB-Farbmischung

Pulsweitenmodulation mit dem Arduino

Leuchtmittel, die ihre Farbe auf Knopfdruck oder in einem festen Rhythmus ändern, werden im Alltag immer häufiger. Sog. RGB-LEDs enthalten drei verschiedene LEDs in den Grundfarben Rot, Grün und Blau. Über die additive Farbmischung dieser drei Grundfarben lässt sich eine Vielzahl von Zwischenfarben realisieren. RGB-LEDs können somit ein ganzes Farbspektrum abdecken. Sie sind die Zukunft der Beleuchtungstechnik und bereits zum Stückpreis von 1 € erhältlich.
Das Dimmen und die Farbabstimmung moderner LEDs erfolgt nicht mehr über Potentiometer. Pulsweitenmodulation (PWM) ist das Schlagwort, das Physiklehrkräfte kennen müssen, wenn sie moderne Leuchtmittel im Unterricht besprechen.
Dieser Artikel beschreibt zunächst, worin sich die Pulsweitenmodulation im Vergleich zum klassischen Vorgehen auszeichnet, und stellt dann anhand der Farbmischung ein Unterrichtskonzept zu moderner Beleuchtungstechnik vor. Fünf kleine Versuche führen von der Ansteuerung einer RGB-LED über Pulsweitenmodulation bis zu einem selbstgebauten Farbmischer, der z.B. in einer Projektarbeit zusammengesetzt werden kann.
Unterstützung für die Durchführung entsprechenden Unterrichts gibt es im Internet: Alle hier verwendeten Programmbausteine (Sketches) inklusive der Pläne zu den 3D-gedruckten Komponenten können unter: http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/materialien/neue_medien/arduino/ heruntergeladen werden.
Unterrichtsthema Pulsweitenmodulation
Die Idee, für den Unterricht einen Farbmischer aus drei Leuchtdioden (LEDs) in den Farben Rot, Grün und Blau selbst zu bauen, ist nicht neu (vgl. z.B. [1] – [2]). Gedimmt wurden die Einzelfarben meist, indem über ein Potentiometer die anliegende Spannung und damit auch die Stromstärke durch die Leuchtdiode reguliert wurden. Neben einer Änderung der Helligkeit ändert sich dadurch jedoch auch die Farbe des von der LED emittierten Lichts.
Inzwischen bietet die Digitaltechnik durch die Pulsweitenmodulation (PWM) eine auch energetisch günstigere Option, um die Helligkeit einer LED zu regulieren. Die PWM schaltet hierzu die LED sehr schnell immer wieder an und aus. Die Dauer des „An-Zustands kann dabei mit einer Eingabe im Wertebereich von 0 bis 255 variiert werden. Der sog. Tastgrad beschreibt bei der Pulsweitenmodulation das Verhältnis aus Pulsdauer zu Periodendauer (s. Abb. 1 ). Die LED leuchtet im gedimmten Zustand also nicht mehr durchgehend, sondern nur noch in bestimmten Zeitintervallen. Da die Frequenz der Pulsweitenmodulation sehr hoch ist (deutlich über 200 Hz), ist das Flackern der LED für das menschliche Auge nicht sichtbar. Insgesamt ergeben sich drei Vorteile für das Dimmen über Pulsweitenmodulation gegenüber der klassischen Vorgehensweise mit Potentiometer:
  • Der Dimmvorgang ist energetisch effizienter, da die Abwärme am Potentiometer entfällt.
  • Die Änderung der Wellenlänge während des Dimmvorgangs ist wesentlich kleiner als beim Dimmen über eine variable Spannung (s. Abb. 2 ).
  • Die emittierte Lichtstärke ist nahezu direkt proportional zur Dauer des „An-Zustands. Ein lineares Dimmen der LED ist also besonders einfach.
Insgesamt ist also in der Beleuchtungstechnik das Dimmen über Pulsweitenmodulation dem Dimmen über eine Potentiometerschaltung vorzuziehen.
Schülerversuche zur additiven Farbmischung
Bei den in den Kästen 1 – 5 vorgestellten Versuchen dient ein Arduino zur Erzeugung der Pulsweitenmodulation.
Am Arduino sind Anschlüsse, die eine Pulsweitenmodulation unterstützen, mit ~ gekennzeichnet. Die Energieversorgung des Arduinos erfolgt über den USB-Anschluss (entweder über einen Computer, ein angeschlossenes USB-Netzteil oder eine sog. Powerbank).
Materialliste für die Versuche
  • Arduino Uno
  • USB-Kabel passend zum Arduino – für die Energieversorgung und den Datenaustausch (meist im Lieferumfang enthalten)
Unterrichtliche Einbindung
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