LED-Pegelanzeige

An Mischpult, Kassettendeck und Verstärker zeigt eine Reihe von LEDs, wie laut das Signal gerade ist. Sie warnt vor Übersteuerung, hilft beim Einpegeln eines Mikrofons und sieht nebenbei gut aus. Das Ohr empfindet Lautstärke logarithmisch; eine gute Pegelanzeige teilt ihre Schritte deshalb in Dezibel, nicht in Volt.

Genau dafür gibt es den LM3915. Er enthält zehn Komparatoren, einen Spannungsteiler mit Abständen von je 3 dB, eine Referenzspannung und zehn Stromquellen für die LEDs. Mit einem Widerstand und einem Poti wird daraus eine Anzeige über 27 dB. Sein Geschwister LM3914 teilt linear und passt eher für Spannungs- oder Akkuanzeigen.

Schaltplan

• IC1, LM3915: Treiber für zehn LEDs mit logarithmischer Teilung, Versorgung 3 bis 25 V, Gehäuse DIL-18.
• P1, 10 kΩ lin: stellt die Empfindlichkeit ein. Ein Potentiometer als Spannungsteiler vor dem Eingang.
• C1, 1 μF: hält Gleichspannung der Quelle vom Eingang fern.
• R1, 1,2 kΩ: belastet die interne Referenz und legt damit den LED-Strom fest.
• R2, 68 Ω, 1 W: Vorwiderstand der LED-Versorgung. Er übernimmt Spannung, die sonst im IC verheizt würde.
• C2, 2,2 μF: stützt die LED-Versorgung direkt am IC und verhindert Schwingungen der Ausgänge.
• D1 bis D10: rote LEDs. Die oberen drei dürfen eine andere Farbe haben, um Übersteuerung anzuzeigen.

So funktioniert die Schaltung

Im LM3915 liegt eine Kette aus zehn Widerständen zwischen RLO und RHI. Ihre Werte sind so gewählt, dass jede Anzapfung 3 dB, also den Faktor 10^−3/20 ≈ 0,708, unter der nächsthöheren liegt. An jeder Anzapfung vergleicht ein Komparator das Eingangssignal. Liegt es darüber, schaltet der zugehörige Ausgang seine LED ein.

RHI ist mit dem Referenzausgang verbunden, der 1,25 V über Pin 8 liefert. Weil Pin 8 an Masse liegt, ist die oberste Schwelle 1,25 V; die unterste liegt 27 dB darunter:

Balken oder Punkt. Ist MODE (Pin 9) mit V+ verbunden, leuchten alle LEDs bis zur höchsten erreichten Schwelle – ein Balken. Bleibt MODE offen, leuchtet nur die oberste – ein wandernder Punkt, der weniger Strom braucht.

Wechselspannung am Eingang. Der Eingang verträgt ±35 V und reagiert nur auf positive Spannungen. Bei einem Musiksignal folgt die Anzeige dem Augenblickswert: In jeder positiven Halbwelle leuchten die LEDs bis zur Spitze kurz auf. Weil das Auge träge ist, sieht man bei Tonfrequenzen den Spitzenwert als Balken, leicht flackernd.

LED-Strom. Die Ausgänge sind geregelte Stromsenken. Ihr Strom beträgt etwa das Zehnfache des Stroms, der aus dem Referenzausgang fließt. Die LEDs brauchen deshalb keine eigenen Vorwiderstände.

Dimensionierung

1. LED-Strom. Durch R1 fließt der Referenzstrom:

Dazu kommt ein kleiner Anteil durch den internen Teiler, sodass rund 11 mA fließen. Das ist für Standard-LEDs hell genug.

2. Empfindlichkeit. Die volle Anzeige, LED 10, erreicht ein Sinus mit 1,25 V Spitze, also 1,25 V / √2 ≈ 0,88 V effektiv. Ein Consumer-Line-Signal mit −10 dBV hat 0,32 V effektiv oder 0,45 V Spitze und reicht damit bis LED 7. Ein Studiopegel von +4 dBu mit 1,23 V effektiv und 1,74 V Spitze würde voll ausschlagen; mit P1 auf etwa 72 % passt er.

3. Eingangsfilter. C1 und P1 bilden einen RC-Hochpass mit 1 / (2π · 10 kΩ · 1 μF) ≈ 16 Hz.

4. Verlustleistung. Im Balkenbetrieb können alle zehn LEDs gleichzeitig leuchten. Ohne R2 läge an jedem Ausgang die Versorgung abzüglich der LED-Spannung:

Das Datenblatt erlaubt dem DIL-Gehäuse rund 1,4 W bei 25 °C, weniger bei wärmerer Umgebung. Zu knapp. R2 nimmt dem IC den Großteil ab, denn er verschiebt die Spannung genau dann, wenn viele LEDs leuchten.

Bauteilliste

Varianten

Ruhige Anzeige mit Spitzenwerthaltung. Ein Präzisionsgleichrichter mit OPV, gefolgt von 1 μF parallel zu 1 MΩ, hält jede Spitze eine knappe Sekunde fest. Die Anzeige flackert dann nicht mehr und lässt sich besser ablesen.

Mikrofon als Quelle. Hinter dem Mikrofonverstärker für Elektretkapseln zeigt die Anzeige den Schallpegel im Raum, zum Beispiel als Lärmampel im Klassenzimmer.

Messbereich vergrößern. Ein Widerstand R3 von REF ADJ nach Masse hebt die Referenz auf 1,25 V · (1 + R₃ / R₁). Mit R3 = R1 sind es 2,5 V; der LED-Strom bleibt dabei gleich.

Mit Mikrocontroller. Wer schon einen Arduino im Gerät hat, kann den Pegel per ADC messen und auf adressierbaren LED-Streifen ausgeben. Das ist flexibler, aber nicht schneller.

Typische Fehler

• Alle LEDs leuchten dauernd: RHI nicht mit REF OUT verbunden oder REF ADJ offen. Miss die Spannung an Pin 7 gegen Masse: Sie muss 1,25 V betragen.
• IC wird sehr heiß: Balkenbetrieb an 12 V ohne R2. Prüfe die Rechnung oben oder schalte auf Punktbetrieb.
• Anzeige schwingt oder flackert hochfrequent: C2 fehlt oder die Leitungen zu den LEDs sind lang. Das Datenblatt empfiehlt 2,2 μF direkt am IC.
• Nur die untersten LEDs reagieren: Das Signal ist zu klein, etwa ein Mikrofon ohne Vorverstärker. Die erste LED braucht 56 mV Spitze.
• LEDs verkehrt herum: Die Ausgänge sind Stromsenken; die Kathode gehört an das IC, die Anode an die Versorgung.

Selbsttest