LM391x-Bargraph- und Dot-Anzeige Prof. Jürgen Plate

LM391x-Bargraph- und Dot-Anzeige

Allgemeines

Analoganzeigen haben gegenüber den Digitalanzeigen den Vorteil, dass man einen Messwert optisch schnell und intuitiv wahrnehmen kann. Bei einer Digitalanzeige muss man zuerst den Zahlenwert lesen und eine Relation zum verwendeten Kontext bilden. Daher sind Analoganzeigen (oder deren digitale Nachbildungen) in allen Bereichen sinnvoll, bei denen es auf schnelle Ablesbarkeit ankommt. Die Schaltkreise der Reihe LM 3914 sind zwar schon viele Jahre auf dem Markt, aber immer noch sehr beliebt, wenn es um Balken- oder Punktanzeigen geht. Sie sind recht komplex aufgebaut und sehr vielseitig verwendbar. Sie sind im Dual-ln-Line-Gehause mit 18 Pins oder im PLCC-Gehäuse lieferbar und können 10 LEDs direkt entweder als Punkt- oder Bargraph-Anzeige steuern.

Die LM-3914-Familie besteht aus drei ICs: dem LM 3914, dem LM 391S und dem LM 3916. Die ICs verwenden im Prinzip die gleiche interne Schaltung, unterscheiden sich aber in der Abstufung der einzelnen LEDs. Der LM 3914 hat eine lineare Anzeigekennlinie und eignet sich als LED-Anzeige für Spannungen und Ströme z. B. als Batterie-Ladeanzeige. Der LM 3915 hat eine logarithmische Kennlinie mit einem Anzeigebereich von -27 dB bis 0 dB in zehn 3-dB-Stufen.Der LM 3916 verwendet eine quasi-logarithmische Kennlinie und ist speziell für den Einsatz als Aussteuerungsmessgerät (VU-Meter) in der Audio-Technik konzipiert. Die folgende Tabelle zeigt typische Schaltspannungen der einzelnen LEDs für 10 V Bereichsende-Spannung.

Alle drei Bausteine benutzen prinzipiell die gleiche interne Schaltung, nur mit jeweils andern internen Widerständen zwischen den Komparatoren. Das folgende Bild zeigt den Aufbau und das Anschlußschema des LM 3914. Die dort gezeigte Beschaltung ist gleichzeitig die einfachste Form und sie zeigt einen einfachen Spannungsmesser für den Bereich 0 ... 1,2 V. Der Chip enthält 10 Spannungskomparatoren, deren nichtinvertierende Eingänge parallel geschaltet sind und die über einen Pufferverstärker (Spannungsfolger) mit dem Eingang verbunden sind. Der Ausgang eines jeden Komparators ist getrennt zugänglich und kann bis zu 30 mA aufnehmen. Die maximalen Ströme sind intern begrenzt und lassen sich durch einen von außen anschließbaren Strombegrenzungswiderstand (R1) einstellen. Bei 30 mA wird der Baustein aber schon extrem warm.

Die 1,28-V-Referenzspannung (typ. Wert, nach Datenblatt kann sie zwischen 1,2 V und 1,34 V liegen) liegt massefrei an den Pins 7 und 8. In der Schaltung oben ist die Referenzspannung mit den Anschlüssen des internen Spannungsteilers Pin 6 (R_HI) und Pin 4 (R_LO) verbunden, wobei die Pins 8 (REF ADJ) und 4 (R_LO) an Masse liegen. Das untere Ende des Spannungsteilers liegt also an null Volt, das obere an 1,28 V. Im Chip gibt es ferner ein Logik-Netzwerk, das über Pin 9 gesteuert wird und zwischen Punkt- und Bargraph-Anzeige umschaltet. Die interne Referenzspannungsquelle zwar eine nominelle Ausgangsspannung von 1.28 V lässt sich jedoch von außen steuern und kann Spannungen bis zu 12 V abgeben.

Angenommen, die Logik ist auf Bargraph-Anzeige eingestellt und die interne 1,28-V-Referenzspannung liegt an dem internen lO-stufigen Spannungsteiler. Dann stehen 0,128 V am invenierenden Eingang des untersten Komparators, 0,256 V am zweiten, 0,384 V am dritten usw. Wenn nun eine von 0 V langsam ansteigende Spannung an Pin 5 des Bausteins angelegt wird, sind zunächst die Ausgänge aller zehn Komparatoren gesperrt und alle EDs dunkel. Erreicht die Eingangsspannung die Referenzspannung des ersten Komparators (0,128 V), wird LED 1 eingeschaltet. Erreicht die Eingangsspannung dann 0,256 V, schaltet der zweite Komparator die LED 2 ein. Im Bargraph-Modus leuchten nun die LEDs 1 und 2 gleichzeitig. Steigt die Ausgangsspannung weiter an, schalten die weiteren Komparatoren ihre jeweils zugehörigen LEDs ein. Erreicht die Einpngsspannung schließlich 1,28 V, schaltet der letzte Komparator die LED 10 ein, womit alle LEDs leuchten. Die Funktionsweise der Punkt-Anzeige ist ähnlich, wobei hier jeweils nur eine der LEDs leuchtet. Bei 0 V sind alle LEDs dunkel und oberhalb 1,28 V leuchtet nur die LED 10.

Konfiguration und Schaltungsauslegung

Die folgende Tabelle zeigt das Pin-Layout des Bausteins. Wie man sieht, liegen alle LED-Anschlüsse 8bis auf LED 10 an Pin 1) verdrahtungsfreundlich auf einer Seite.

Pin-Nr.	Pin-Name	Funktion		Pin-Nr.	Pin-Name	Funktion
1	LED 1	1. LED (min.)		18	LED 2	2. LED
2	V-	Masse		17	LED 3	3. LED
3	V+	Versorgungsspannung (3 - 25 V)		16	LED 4	4. LED
4	RLO	untere Divider-Spannung		15	LED 5	5. LED
5	Signal In	Eingangsspannung		14	LED 6	6. LED
6	RHI	obere Divider-Spannung		13	LED 7	7. LED
7	Ref Out	Referenz-Spannugnsausgang		12	LED 8	8. LED
8	Ref Adj	Referns-Spann. adjust		11	LED 9	9. LED
9	Mode	Dot-/Bar-Modus		10	LED 10	10. LED (max.)

Pin 9, der "Mode"-Pin legt, wie gesagt den Modus der Anzeige nach folgendem Schema fest:

Mode	Pin-Belegung
Bar Graph	verbunden mit V+
Dot Display	offen (no connection)
Dot Display (cascaded drivers)	Der Mode-Pin des ersten LM3914 wird mit Pin 1 des nächsten verbunden usw.

In der Schaltung oben liegt der Widerstand R1 zwischen den Pins 7 und 8 (dem Ausgang der 1,28-V-Referenzspannungsquelle) und bestimmt den Strom durch die LEDs. Der LED-Strom beträgt etwa das Zehnfache des eingestellte Ausgangsstrom der Referenzspannungsquelle, die maximal ca. 3 mA liefern kann. R1 ermöglicht so einen maximalen LED-Durchlaßstrom von 30 mA. Liegt z. B. zwischen den Pins 7 und 8 ein Widerstand von 1,2 kOhm, liefet die Referenzspannungsquelle nur 1 mA, und der LED-Strom beträgt dann 10 mA.

Beachten Sie aber, dass man diese Maximalwerte nicht immer ausreizen kann. In der Betriebsart Bargraph müsste der Baustein maximal 300 mA liefern, wenn jede LED 30 mA ziehen soll. Die maximale Verlustleistung des Chips beträgt jedoch nur 660 mW. Die zulässige Verlustleistung darf aber auch in diesem Modus nicht überschritten werden. Abhilfe bieten hier sogenannte High Efficiency LEDs, die auch bei geringem Strom hell leuchten. Auch kann man die LEDs nicht nur mit der IC-Betriebsspannung, sondern auch mit einer getrennten Spannungsversorgung speisen oder jeder LED eine Vorwidertand spendieren, um die Verlustleistung auf einem niedrigen Wert zu halten.

Der Eingang (Pin 5) ist gegen Überspannungen bis ± 35 V geschützt. Der interne lO-stufige Spannungsteiler des LM3914 ist massefrei. Beide Enden sind über die Anschlüsse getrennt zugänglich und können entweder von der internen oder von einer außen angelegten Referenzspannung gespeist werden. Liegt z. B. das obere Ende des Teilers an 10 V und das untere Ende an 0 V (Gnd), kann mit dem Baustein ein Spannungsmesser mit dem Skalenendwert 10 V aufgebaut werden. Man kann aber auch einen Teilbereichsspannungsmesser konstruieren, indem man z. B. an das obere Ende des Teilers 10 V und an das untere Ende 5 V legt. Die Spannung am oberen Ende des Teilers muss dabei aber immer mindestens um 2 V unterhalb der Betriebsspannung liegen.

Schaltungstechnik

Die folgende Schaltung ist im wesentlichen die Standard-Applikation aus dem Datenblatt. Sie zeigt einen Spannungsmesser, der durch einen passenden Vorwiderstand Rv auf einen Skalenendwert zwischen (prinzipiell) 1,3 V und 1000 V eingestellt werden kann. Das untere Ende des LM3914-Spannungsteilers (R_LO) liegt an 0 V, das obere Ende des Spannungsteilers (R_Hi) an der internen Referenzspannung von 1,28 V. Der Skalenendwert der Grundschaltung beträgt somit 1,28 V. Ein anderer Endwert lässt sich durch entsprechende Wahl des Spannungsteilers Rv/R1 am Eingang der Schaltung einstellen. Hat Rv beispielsweise 90 kOhm, erhält man einen Skalenendwert von 12 V. Der Widerstand R2 legt den Strom aller LEDs auf etwa 5 mA fest. Über den Jumper kann zwischen Bar- und Dot-Mode umgeschaltet werden.

Die nächste Schaltung verwendet eine externe 10-V-Referenzspannung und erlaubt somit den Aufbau einer Spannungsanzeige mit einem Skalenendwert von 10 V. Die Betriebsspannung dieser Schaltung muss dabei mindestens um 2 V höher als die die externe Referenzspannung sein.

Bei der folgenden Schaltung besitzt der Spannungsmesser einen erweiterten Skalenbereich, so dass sich beispielsweise Spannungen im Bereich von 10 V bis 15 V anzeigen lassen. Der LED-Strom wird hier von R2 und P2 bestimmt. Er beträgt etwa 1,28 V/5000 Ohm ~ 2,6 mA. Die am Abgriff von P2 stehende Spannung liegt am unteren Ende des internen Spannungsteilers (R_LO). Wenn P2 beispielsweise so eingestellt ist, das an Pin 4 eine Spannung von 0,8 V anliegt, werden Eingangsspannungen im Bereich von 0,8 V bis 1,2 V angezeigt. Wird der Spannungsteiler R1/Pl vor den Eingang geschaltet, kann man jeden beliebigen Teilbereich erhalten, etwa 10 V bis 15 V.

Diese Schaltung kann man nun ganz schnell zu einem Akku-Spannungswächter modifizieren. Hier wird nur anstatt der Eingangssoannung die Versorgungsspannung gemessen. Da der LM3914 eine interne Spannungsreferenz besitzt, ist das ohne Weiteres möglich, da die Versorgungsspannung nicht in die Messung eingeht. Die LEDs kann man in verschieden Ffarben wählen, damit auf den ersten Blick erkennbar ist, in welchem Teil-Bereich die Eingangsspannung liegt. Bewährt hat sich die Farbe Rot für zu niedrige Spannungen, Grün für den normalen Bereich und Gelb für den oberen Bereich. Ist die Scaltung korrekt eingestellt kann man auch die Potentiometer durch Festwiderstände ersetzen, die unempfindlicher gegen Umwelt-Einflüsse sind und auch weniger schnell altern als Trimmpotis.

Mit P1 und P2 lässt sich fast jeder gewünschte Spannungsbereich einstellen. Wenn beispielsweise die Spannung eines 12-V-Auto-Akkus angezeigt werden soll, beträgt die maximale Lade-Spannung 14,4 V. Also wird die obere Grenze mit P1 auf 15 V eingestellt. Datu verbindet man die Schaltung mit einem stabilisierten, auf 15 V eingestellten Netzgerät und stellt P1 so ein, dass D1 aufleuchtet. Dabei muss P2 am Masse-Anschlag stehen, da anderenfalls Instabilitäten des LM3914 auftreten können. Sollen die zehn LEDs die Eingangsspannung in Schritten von 0,5 V anzeigen, ist muss die erste LED (D10) bei 10,5 V aufleuchten. Das Netzteil wird also auf 10,5 V eingestellt und P2 wird so lange verstellt, bis D10 aufleuchtet. Gegenbenenfalls wiederholt man die beiden Einstellungen noch einmal wechselweise.

Prinzipiell kann nach dem gleichen Verfahren die Schrittweite auch kleiner (z. B. 0,25 V) oder größer (z. B. 1 V) gewählt werden. Bei zu kleiner Schrittweite ( z. B. 0,1 V) können die LEDs mehr oder weniger sichtbar flackern, und es leuchten manchmal auch zwei LEDs gleichzeitig auf. Noch etwas ist zu beachten: An unbelasteten Akkus lässt sich oft auch im leeren Zustand die volle Nennspannung messen. Akkus müssen deshalb ebenso wie Batterien immer unter Last geprüft werden. Mit etwas anderer Beschaltung finden Sie so einen "Akkuwächter" unter der Conrad-Bestellnummer 197165.

Die oben gezeigten Schaltungen sind mit Punktanzeige gezeigt (Jumper zu Pin 9 offen). Sie sind sehr einfach auf Bargraph-Anzeige umschaltbar, indem Pin 9 mit der Versorgungsspannung verbunden wird. In dieser Betriebsart muss jedoch, wie schon erwähnt, darauf geachtet werden, dass die zulässige Verlustleistung des LM3914 nicht Überschritten wird, wenn alle 10 LEDs eingeschaltet sind. Man kann zu diesem Zweck die LEDs mit einer eigenen Betriebsspannung (3 V bis 5 V)versorgen. Alternativ können das IC und die LEDs auch mit der gleichen Betriebsspannung gespeist werden, wenn man in Reihe mit jeder LED einen Strombegrenzungswiderstand schaltet.

Eine weitere Möglichkeit, die Bargraph-Anzeige ohne zu hohe Verlustleistung zu realisieren, ist im folgenden Bild gezeigt. Hier sind alle LEDs nicht parallel, sindern in Reihe geschaltet, wobei jede LED an dem zugehöriaen Ausgang des ICs liegt, das IC jedoch auf Punktanzeige geschaltet ist. Ist beispielsweise LED 5 angesteuert, zieht sie auch Strom durch die LEDs 1 bis 4, sodass alle 5 LEDs leuchten. In diesem Fall ist der Gesamtstrom gleich dem Strom durch eine einzelne LED, wodurch die Verlustleistung recht gering ist. Die Betriebsspannung der LEDs muss bei dieser Art der Beschaltung jedoch höher als die Summe der Durchlaßspannungen aller 10 LEDs sein, darf aber die Grenzbetriebsspannung des Bausteins nicht überschreiten. Deshalb wird hier eine stabilisierte Spannung von z. B. 24 V verwendet. Speist man die LED-Kette über eine Konstantstromquelle, kann die Versorgungsspannung auch wieder variabel sein.

Kaskadierung von LM3914-ICs

Es lassen sich auch zwei (oder mehr) LM 3914 so verbinden, dass sich ein Spannungsmesser mit 20 LEDs für den Bereich 0 V bis 2,4 V ergibt. Beide Eingänge der ICs sind dabei parallel geschaltet. IC1 wird so eingestellt, dass es den Bereich 0 V bis 1,28 V überstreicht, IC2 übernimmt den Bereich 1,28 V bis 2,56 V. Das untere Ende des internen Spannungsteilers von IC2 liegt an der 1,28-V-Referenzspannung von ICI. Das obere Ende des internen Spannungsteilers von IC2 ist mit der internen Referenzspannung von IC2 verbunden, die daher - auf Masse bezogen - 2,56 V beträgt (die Referenzspannungsquellen von IC1 und IC2 sind in Reihe geschaltet). Die folgende Schaltung arbeitet im Dot-Modus. Pin 9 von ICl ist mit Pin 1 von IC2 verbunden, und Pin 9 von IC2 geht an die Versorgungsspannung. Außerdem liegt parallel zu LED 9 von IC1 ein 22-kOhm-Widerstand.

Die nächste Schaltung arbeitet dagegen als Bargraph-Anzeige. Die Schaltung entspricht der obigen, jedoch ist Pin 9 jedes ICs mit der Versorgungsspannung verbunden. Außerdem liegt in Reihe mit jeder LED ein 1-kOhm-Widerstand zur Strombegrenzung. Dadurch wird die Verlustleistung der ICs auf verträgliche Werte reduziert. Die Meßbereiche der 20-LED-Anzeigen lassen sich ebenfalls beliebig einstellen.

Nach dem gleichen Schema könnte man auch auf 30 oder 40 LEDs erweitern. In der Zeitschrift Elektor vom März 2014 ist eine Schaltung für ein VU-Meter (siehe unten) mit fünf LM3915 veröffentlicht.

Analoginterface für Mikrocontroller mit LM3914

Weil die Ausgänge TTL-kompatibel sind, kann man den LM3914 auch als Mehrfach-Komparator verwenden. Dazu wird er im Punkt-Anzeigemodus betrieben. Wenn z. B. eine Maximalspannung von 5 V eingestellt wurde, geht je nach Eingangsspannung einer der Ausgänge auf Low. Man kann so die Eingangsspannung im 0.5-Volt-Raster ermitteln. Man muss nur die passenden Ausgänge des LM3914 an die Digital-Eingänge eines Mikrocontrollers anschliessen. Wie man die LED-Ausgänge anzapft, steht weiter unten unter "Effekte mit LM 3914".

Wird ein Rechner aus einem Akku gespeist (Notstromversorgung) und der LM3914 als Akku-Überwachung eingesetzt, kann man ihn im Punkt-Modus betreiben und einen der Ausgänge mit einem Eingangspin des Rechners verbinden. So kann man den Rechner kontrolliert herunterfahren, wenn der Akku "am Ende" ist. Auch eine einfache Ladekontrolle ist möglich, wenn der Akku beispielsweise von einem Solarpanel gespeist wird. Sobald der Akku voll ist, kann der Rechner das Panel abschalten, um ein Überladen des Akkus zu verhindern.

LM3915 und LM3916

Der LM 3915 (logarithmische Kennlinie) und der LM 3916 (quasilogarithmische Kennlinie) arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie der LM 3914. Beide Bausteine können in den meisten der oben gezeigten Schaltungen anstelle des LM3914 eingesetzt werden. In den häufigsten Fällen werden die Bausteine in Schaltungen verwendet, mit denen Wechselspannungssignale angezeigt werden, sodass eine Gleichrichtung des Eingangssignals erforderlich wird.

Am einfachsten ist es, das Wechselspannungssignal direkt an den Eingang des LM 3915 (Pin 5) zu legen. Das IC verarbeitet nur die positive Halbwelle eines Wechselspannungssignals. Die Anzahl der leuchtenden LEDs entspricht dann dem Spitzenwert dieses Signals. In solchen Schaltungen sollte der LM 3915 im Punkt-Modus arbeiten und der LED-Strom auf etwa 25 mA eingestellt werden. Die folgende Schaltung zeigt einen sehr einfachen Leistungsmesser für den Audiobereich. Anschluß 9 bleibt offen, damit der Baustein im Punkt-Modus arbeitet. Rl hat 510 Ohm, damit der LED-Strom bei etwa 25 mA liqt. Der Anzeigebereich umfasst den Bereich von 0,2 W bis 100 W, was wohl für die heimische Anlage ausreicht. Der Vorwiderstand R_X richtet sich nach der Impedanz der Lautsprecher:

RL [Ohm]	RV [Ohm]
4	10
8	18
16	30

Eine elegantere Methode zur Messung von Wechaelspannungssignalen verwendet einen Einweggleichrichter, dessen Ausgangsignal dann an den IC-Eingang gelangt. In der Schaltung besorgt die Diode D2 mit nachgeschalteter Siebkette (R1, R3, C2) die Gleichrichtung. Um die Durchlass-Sannung von D2 zu kompensieren, wird die Diode D1 in die Masseleitung des LM 3915 geschaltet. Zum Abgleich wird P1 so eingestellt, dass an Pin 7 des LM 3915 genau 10 V zu messen sind.

Der LM 3915 arbeitet im Bargraph-Modus (Pin 9 an Versorgungsspannung) und verwendet getrennte Betriebsspannungen für das IC und die LEDs, um die Verlustleistung im erlaubten Bereich zu halten.

Effekte mit LM 3914

Diese Beschaltung kann natürlich an jedem LED-Ausgang des LM 3914 vorgenommen werden; der Effekt wird dann ausgelöst, wenn die entsprechende LED leuchtet.

Der zweite Effekt ist noch spektakulärer. Hier läuft der LM 3914 im Bar-Modus. Sobald der Balken voll erleuchtet ist und damit die LED an Pin 10 brennt, beginnt der ganze Balken zu blinken. Pin 9 ist hier mit der Versorgungsspannung verbunden. Die Schaltung ist relativ einfach, man braucht nur drei Widerstände und einen Elektrolytkondensator. Die Rückkopplung über C2 und R4 beeinflusst die obere Schranke, so dass der Endausschlag der Anzeige abhängig vom Ladezustand von C2 schwankt, wodurch das Blinken hervorgerufen wird. Rein prinzipiell könnte man das Blinken auch extern steuern.

Links

• Datenblatt LM3914
• Datenblatt LM3915
• Datenblatt LM3916
• Conrad-Bausatz
• ELV Wanzenfinder WF2 mit LM 3914
• Vellemann Stereo VU-Meter K4306

Artikel zum LM 3914 in der Zeitschrift "Elektor"

Titel	Inhalt	Jahr,Monat,Seite
Logiktester	LM3914, LEDs	83,7,37
Referenzspannungsquelle mit Anzeige	LED Treiber LM3914 als Referenzspannung 1,25-16V	89,7,81
Batterietester	LM3914 bis 2.7V	91,7,112
LED-Drehzahlmesser	LED-Kette, LM3914, 555	93,7,93
LED-Sanduhr	LED-Kette am LM3914	94,7,107
Zylinderkopfthermometer fuer Mopeds	LED Balkenanzeige mit LM3914, NTC	95,7,55
Netzspannungs-Monitor	LED-Lauflicht, LM3914	96,5,50
Stromsparendes LED-Band	mit LM3914, 10 LEDs	96,7,28
Einfacher Positionsmelder	Potistellung (11 Punkte) ueber A/D-Wandler feststellen, LM3914	97,7,83
Hygrometer	LED-Balkenanzeige, NH3, TLC274, TLC3702, LM3914	97,11,24
Elektronische Wasserwaage	mit Beschleunigungssensor ADXL05 und LED-Treiber LM3914	98,7,56
LED-Barometer	Drucksensor MPXS4100A, LM3914, TLC272, Layout	98,7,92
LED-Balken-Aus-Indikator	Funktionskontrolle fuer LED-Balken mit LM3914	98,7,97
LED-Drehzahlmesser	spez. Fuer Roller und Mopeds, F/U-Umsetzer mit LM3914, 20 LEDs	98,10,60
Bargraph-Display fuer duale Spannungen	mit LM3914, BS170, BS250	99,7,98
Lambda-Sonden-Tester	fuer KFZ-Katalysatoren, LED-Bargraph mit LM3914	99,9,25
Feuchte-Indikator fuer Zimmerpflanzen	LED-Kette am LM3914	2001,4,52
Akku-Spannungswaechter	fuer 3-25 V, LED Balken-Anzeige mit LM3914, Platine	2003,1,76
Batterietester fuer Auto und Motorrad	Spannungsanzeige ueber LED-Reihe, mit LM3914	2008,07,88
Serieller Schaltautomat	Peripheriegeraete verzoegert einschalten, LM3914 Balkenanzeige steuert Relais	2009,7,104

Copyright © Hochschule München, FK 04, Prof. Jürgen Plate
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