LED-Würfel

Bescheibung

Anders als der alte Würfel zeigt dieser LED-Würfel die gewürfelte Zahl mit 7 LEDs so an, wie auch die Augen eines herkömmlichen Würfels angeordnet sind. Die Schaltung ist vollständig mit CMOS-Gattern aus der 40xx-Serie aufgebaut und kann deshalb ohne Spannungsregler direkt an einer 9V-Batterie betrieben werden.

Aufbau

Ich habe die Schaltung auf einem Reststück Lochraster-Platine mit 3-Loch-Kupferstreifen aufgebaut, wovon ich nur abraten kann - diese Form der Kupferstreifen ist nicht hilfreich für Schaltungen mit ICs. Die LEDs haben unterschiedliche Widerstände, da die Ausgänge des 4049 bei gleichem Strom unterschiedlichen Spannungsabfall beim Schalten gegen V_CC und Masse haben.

Man könnte mit weniger ICs auskommen, wenn man den Würfel mit fertigen Zähler-ICs aufbauen würde, ich wollte jedoch bei dieser Schaltung versuchen, nur mit den Grund-Gattern auszukommen, weil ich davon noch einige ICs herumliegen hatte. Alle ICs können durch andere CMOS-Typen mit der gleichen Funktionalität ersetzt werden, falls Sie nur Gatter mit 2 Eingängen vorrätig haben können z.B. die NAND-Gatter mit 3 Eingängen auch durch je ein AND- und ein NAND-Gatter mit je 2 Eingängen ersetzt werden. Wenn der Würfel zu langsam läuft, können Sie für den 0,1 µF-Kondensator einen kleineren Wert verwenden. Selbstverständlich kann anstelle des Elkos auch ein Keramik- oder Folienkondensator verwendet werden, auf Genauigkeit kommt es hier nicht an.

Funktion

Am Eingang findet man einen Oszillator mit einem invertierenden Schmitt-Trigger, dessen Ausgang über einen Widerstand auf den Eingang rückgekoppelt ist, an den zusätzlich ein Kondensator gegen Masse angeschlossen ist. Der Kondensator wird nun über den Widerstand aufgeladen, bis die Spannung die obere Schwelle des Schmitt-Triggers erreicht hat, woraufhin der Ausgang Low wird und der Kondensator sich über den Widerstand entlädt, bis er die untere Schwelle des Schmitt-Triggers unterschreitet. Der Vorgang beginnt dann von neuem. Da hier ein NAND-Schmitt-Trigger mit zwei Eingängen verwendet wurde, kann der Oszillator mit dem zweiten Eingang angehalten werden, was hier bei losgelassenem Taster passiert.

Anschließend folgen 3 Stufen aus je 6 NAND-Gattern, die zu Toggle-Flip-Flops verschaltet sind. Zusammen bilden diese 3 Stufen einen 3-Bit-Binärzähler, der jedoch mittels IC5C schon bei einem Zählerstand von 6 zurückgesetzt wird, also von 0 bis 5 zählt. Der Zähler läuft so lange, wie der Taster gedrückt wird, aber natürlich so schnell, dass man nicht sieht, bei welchem Zählerstand man den Taster loslässt. Da man immer unterschiedlich lange auf den Taster drückt, ist der gewürfelte Wert zufällig.

Mit zwei weiteren NAND-Gattern sowie den Invertern des 4049 (die gleichzeitig als LED-Treiber fungieren) erfolgt die Codierung der Binärwerte zwischen 0 und 5 zur Würfel-Anzeige. Der Dekoder verwendet dabei die invertierten Ausgänge der linken beiden Stufen und beide Ausgänge der rechten Stufe.

Zählerstand (IC2A, IC5A, IC6D)	0, 0, 0	1, 0, 0	0, 1, 0	1, 1, 0	0, 0, 1	1, 0, 1
LED mittig	leuchtet		leuchtet		leuchtet
LEDs diagonal 1		leuchten	leuchten	leuchten	leuchten	leuchten
LEDs diagonal 2		leuchten			leuchten	leuchten
LEDs vertikal						leuchten
Würfel-Wert	1	4	3	2	5	6

Schaltplan

Fotos

800 | 1280

Mein Aufbau von oben. Die ICs sind etwas versetzt und mit viel Abstand montiert, damit sie in das 3er-Raster der Platine passen.