Treppenstufen einzeln beleuchten

Hallo,

da ich bei einem Bekannten momentan damit beschäftigt bin, mich in Flur und Treppenhaus um neue Beleuchtung zu kümmern und er da einen Sonderwunsch hat, für den ich bisher noch keine ideale Lösung gefunden habe, wende ich mich voller Hoffnung an euch.

An der Treppe sollen zwei Bewegungsmelder zum Einsatz kommen, die am unteren und oberen Ende der Treppe erfassen, wenn jemand die Treppe betritt. Die einzelnen Treppenstufen sollen sich dann der Reihe nach von unten nach oben oder von oben nach unten einschalten und auch der Reihe nach wieder abschalten. (Ca. 0,5 Sekunden Verzögerung pro Stufe.)

In der Unterverteilung sitzt bereits eine Logo, die einige Steuerungsaufgaben übernimmt, allerdings am Erweiterungsmodul auch noch 7 freie Ausgänge hat. Mein Bekannter meinte, dass sich die Treppenbeleuchtung darüber sicher sehr gut steuern lässt, allerdings sagte ich ihm dann, dass es mit nur 7 freien Ausgängen und 15 Treppenstufen wohl nichts wird.

Auf der Suche nach Alternativen habe ich zuerst daran gedacht, einen LilyPad Arduino 328 in einer Abzweigdose unterzubringen, allerdings hat auch dieser zu wenige Ausgänge und es würde zusätzlich noch ein Dämmerungsschalter benötigt (an der Logo sind bereits zwei angeschlossen).
Bei der weiteren Suche nach einem Arduino mit ausreichend Ein- und Ausgängen, bin ich dann über Schieberegister gestolpert. Diese Lösung wäre vermutlich ideal und eventuell geht es dann sogar ganz ohne Arduino, direkt über die Logo.

Soweit ich es bisher rausfinden konnte, gibt es anscheinend leider keine fertige Platine, die für die genannten Anforderungen geeignet ist, ich müsste also auf einer Lochplatine etwas passendes löten. Das letzte mal, dass ich micht mit der Bestückung einer Lochplatine beschäftigt und eine gelötet habe, ist allerdings mittlerweile rund 15 Jahre her.

Als geeignetes Schieberegister habe ich mir jetzt das 74HC595 rausgesucht, welches in doppelter Ausführung ziemlich gut zu den Anforderungen passen müsste.
Leider kann ich an dem IC keine größeren Lasten betreiben, so das ich die Beleuchtung dort nicht direkt anschließen kann. Auf der Suche nach einer passenden Lösung für das neue Problem, habe ich dann wiederum das ICL 7667 gefunden, wo ich dann hoffentlich über jeden Chip die Beleuchtung von zwei Treppenstunfen anbinden kann.

Nach etwas Klickerei mit BlackBoard, bin ich dann zu folgendem Schaltplan gekommen:



Nun meine Fragen:

1. Denke ich überhaupt in die richtige Richtung oder ist das totaler Mist?
2. Gibt es eventuell eine kostengünstige Variante, bei der man nicht so viel selbst basteln muss?
3. Habe ich die richtigen IC's rausgesucht oder sind diese für die gewünschte Aufgabe ungeeignet?
4. Würde meine Schaltung so funktionieren oder braucht es da noch zusätzliche Bauteile (Wiederstände, Schmitt Trigger oder ähnliches)?


Vielen Dank schon mal im vorraus

Nightfly09

Du brauchst da keinen MOSFET Driver ICs, da reicht normalerweise ein Vorwiderstand und ein Transistor pro Ausgang. Wieviel V und A nutzen die LEDs?

Geplant sind LED Streifen, die mit 12V funktionieren, ich schätze es werden ca. 30-45 LED's pro Stufe. Etwas "Luft" nach oben sollte die Schaltung aber auf jeden Fall haben, denn abgesehen davon, dass noch nicht feststeht, was genau genommen wird, würde ich gerne die Möglichkeit offen halten, die LED-Streifen tauschen zu können, ohne das man jedes mal nachrechnen muss, ob alles noch funktioniert.

Welchen Transistor-Typ müsste ich genau nehmen und wie groß müsste der Vorwiederstand sein?

Denkst du, die Schaltung wird problemlos direkt an der Logo funktionieren oder sollte ich da doch nochmal extra einen Arduino einplanen?

Was ist eine "Logo"? Mit welchen Spannungen, Pegeln, was auch immer, arbeitet die?
Der Vorwiderstand kommt auf die Spannungen an. Ich würde mit 4,7k anfangen, aber das ist reines Bauchgefühl.

Wieviel mA brauchen die LEDs? sind es richtig helle LEDs oder stinknormale 5mm Billigdinger mit 20mA? Wieso 12V, sind die LEDs seriell oder parallel angeschlossen in dem Streifen?

Fang mit den LED Streifen an und sieh genau nach wieviel W die ziehen. Nur angenommen es sind helle LEDs mit 60mA pro LED, dann wären das 1,8-2,7A. Das ist ne verdammt große Hausnummer für so ein Lochrasterding. Wenn du da eine Streifenlochrasterplatine nimmst, dann musst du die ganzen Streifen verzinnen imho. Die Transistoren dann mind. T0220 mit einem Kühlkörper dahinter.

Die Logo ist eine Steuerung von Siemens und mehr oder weniger die günstigere Alternative zu einer S7, die in der Industrie gerne für Anlagensteuerungen verwendet wird.

Die vorhandene Logo arbeitet mit 230 Volt, hat allerdings Relais-Ausgänge, so dass ich (fast) jede beliebige Spannung am Ausgang nutzen könnte.

Mit den LED-Streifen muss ich mal nachsehen, was da in frage kommt, es werden aber mit ziemlicher Sicherheit keine besonders hellen, sondern eher die "stinknormalen Billigdinger".

Aber 12V ist nicht stinknormal für ne LED Deswegen würde ich da den Strip ansehen weil dessen Daten den kompletten Rest der Schaltung bestimmen.

Dieses Logo Ding, hat man das früher mal "SPS" genannt?

@desmoule: Er meint ja auch LED-Strips. Die haben (meistens) 12V. Hier ein Beispiel: Link.

Nimmt man diesen Strip als Grundlage, ergibt sich folgende Rechnung:

Leistung einer LED: 22W/300LEDs (5m)=0,073W
LEDs pro Stufe (80cm): 60LEDs (1m)*0,8m=48LEDs
Leistung pro Stufe: 48*0,073W=3,5W

Bei 12V entspricht das einem Strom von ca 0,3A pro Stufe
Also gut mit einem Leistungstransistor oder einem Mosfet zu realisieren. Die Strips sind so geschaltet, dass immer 3 LEDs in einer Reihe sind, die mit 12V versorgt werden (incl. Vorwiderstand). Man kann die Streifen also nach jeder 3. LED durchschneiden.
Es sollte also auch mit der Lochrasterplatine funktionieren. Die ICLs sind mit 300mW allerdings viel zu schwach. Da müssen schon Mosfet-Transistoren mit Kühlung ran.

Und ja, das Logo ist eine SPS

Holgip schrieb:

immer 3 LEDs in einer Reihe sind, die mit 12V versorgt werden (incl. Vorwiderstand)

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Danke für die Info! Ich lege Schaltungen bei LEDs eigentlich immer auf 20 mA pro Stück aus. Bei 50 pro Stufe macht das dann 1 A. In der Praxis beträgt der wirkliche Stromfluss allerdings maximal die Hälfte. Dieser Erfahrungswert deckt sich auch ungefähr mit deiner Rechnung.

Nightfly09 schrieb:

1. Denke ich überhaupt in die richtige Richtung oder ist das totaler Mist?
2. Gibt es eventuell eine kostengünstige Variante, bei der man nicht so viel selbst basteln muss?

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1. Der Ansatz ist schon OK aber ich würde das anders machen
2. Das glaube ich nicht

Gibt es irgendeinen Grund warum du keinen Arduino Mega verwenden willst? Dann kannst du dir die Logo sparen.

Einkaufsliste:
1x Arduino Mega
15x Mosfet (Ebay erstes ergebnis 10x IRLZ34 3,30€ bis 55 V und 30 A -> passt)
15x Widerstand (zb. 1k)
1x altes Laptop Netzteil mit 12 V und >=60 Watt
20m LED Streifen

Die Wiederstände kommen zwischen die digital outs vom Arduino und den Mosfets. Das ist nicht zwangsweise notwendig sollte aber die Lebensdauer vom Arduino Mega erhöhen. Der Löt- und Bastelaufwand sollte sich auch in Grenzen halten.

Auch wenn ich noch nicht ganz sicher bin, würde ich nach einiger Suche zu diesem LED-Strip tendieren.
Die Leistungsaufnahme müsste hier bei etwa 80W für 5 Meter liegen, zur Sicherheit würde ich mal von 100W ausgehen.
Pro Stufe werde ich vermutlich etwa 60cm von dem Band verwenden.

100 Watt / 5 Meter = 20 Watt/Meter
20 Watt x 0,6 Meter = 12 Watt je Stufe
bei 12 Volt würde also ein Transistor benötigt, der 1 Ampere verträgt.

Wegen der Helligkeit müsste ich noch mal testen, ob das dann nicht zu hell wird, aber wenn dann doch ein LED-Strip mit weniger LED's zum einsatz kommen sollte, dann müsste das ja für die Schaltung kein Problem darstellen.

So wie ich das verstanden habe, kann ich die LED-Stripes nach jeder dritten LED kürzen und die benötigten Vorwiederstände sind fest verbaut. Ich müsste also, wenn ich das richtig verstanden habe vom Transistor direkt an die LED-Stripes gehen können?

Welchen Transtistor-Typ würdet ihr vorschlagen?
Braucht es vom 74HC595 zum Transistor dann noch einen Vorwiederstand?

Ich vermute mittlerweile leider, dass sich die Schaltung nicht direkt an der Logo betreiben lässt, da die Ausgänge laut Datenblatt mit Maximal 10 Hz schalten können. Die Zeit um die beiden Schieberegister mit Daten zu füttern wäre also viel zu lang, selbst wenn ich beide paralel ansteuern würde.
Relais sind ja für vieles gut, aber für serielle Datenübertragung offensichtlich suboptimal.
Nun wäre ich mit meiner Überlegung wieder beim Arduino, dessen Transistorausgänge ja vermutlich sogar im MHz Bereich schalten können.

=== edit ===

@ SupaKevin: Es gibt keinen Grund, warum ich keinen Arduino verwenden möchte, außer das die Logo schon vorhanden ist und der Arduino extra angeschafft werden müsste. Naja, von der Programmierung beim Arduino habe ich auch herzlich wenig ahnung, aber nach dem was ich bisher gesehen habe, scheint diese auf Basic zu basieren und damit hatte ich früher zu DOS Zeiten und in jüngerer Vergangenheit bei Kuka Robotern öfter mal zu tun. Ich gehe davon aus, dass ich die Programmierung wohl mit einer relativ kurzen Anlernphase hinbekommen müsste.

Vielen Dank schon mal für deine Liste mit den benötigten Teilen. Wenn ich es richtig verstehe, bietet der Arduino Mega bereits genug Ausgänge, so dass ich nur noch je einen Vorwiederstand und einen Transistor benötige?
Dann könnte ich mir den Umweg über die Schieberegister komplett sparen, was die Programmierung sicher ein wenig vereinfacht.
Kann der Arduino mit an das 12V Netzteil angeschlossen werden oder braucht es da ein eigenes?

Also ich würde einen ESP32 mit genug Output-PINs nehmen. Dann kann der Bewegungsmelder und jeder IC für jede Treppe an einem eigenen PIN angeschlossen werden und zusätzlich dank der PWM-Fähigkeit auf nahezu jedem Output-PIN vom ESP32 auch ein Fading-Effekt für das Ein-/Ausschalten verwendet werden .

Als Taktgeber reicht die Logo doch locker. 0,5s Schaltzeit sind 2Hz.
Transistor z.B. TIP120bei positiver Ansteuerung, der hat auch noch genug Reserve. Und ja, du brauchst einen Vorwiderstand (ohne "e"!) von 1kOhm.
Den Transistor auf einen kleinen Kühlkörper setzen.

Die ESP32 sind ein bisschen mit Vorsicht zu genießen. Ich dachte mir immer die Treiber seien noch nicht fertig aber nach einem Kollegen von mir haben sie den Chip einfach Hardwaretechnisch in den Sand gesetzt. Deswegen wird beispielsweise die analogRead() Funktion nie ordentlich funktionieren.

Der einzige Vorteil wäre, dass die Dinger WLAN haben. Meine Außenbeleuchtung läuft mit zwei NodeMCUs und ermittelt einmal am Tag die Uhrzeit und das Datum über einen Server. Dann wird über eine Funktion berechnet wann die Sonne scheint und dadurch das Licht über den Bewegungsmelder nur dann angeschaltet, wenn es notwendig ist. Außerdem kann ich übers WLAN/Smartphone das Licht anschalten oder auch nachsehen zu welchen Uhrzeiten das Licht letzte Nacht anging.

Grundsätzlich würde ich den Mega aber vorziehen. Wenn ich einen Arduino aussuchen müsste der die nächsten 15 Jahre funktionieren soll, dann kommt eigetnlich nur der Mega oder der Nano (für dieses Projekt nicht geeignet) in Frage.

Nightfly09 schrieb:

Kann der Arduino mit an das 12V Netzteil angeschlossen werden oder braucht es da ein eigenes?

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Also wenn du wirklich planst LEDs zu verbauen die 150 Watt brauchen dann brauchst du dir über die Stromversorgung des Arduinos vorerst keine Gedanken machen. Aber um auf deine Frage zu antworten, der Arduino Mega ist mit allem zwischen 5 V und 12 V glücklich. Der ESP/NodeMCU braucht 5 V (und ein Arduino Nano läuft ab ca. 2,7 V).

Nightfly09 schrieb:

[1] wenn ich das richtig verstanden habe vom Transistor direkt an die LED-Stripes gehen können?
[2] Welchen Transtistor-Typ würdet ihr vorschlagen?
[3] Braucht es vom 74HC595 zum Transistor dann noch einen Vorwiederstand?
[4] Ich vermute mittlerweile leider, dass sich die Schaltung nicht direkt an der Logo betreiben lässt, da die Ausgänge laut Datenblatt mit Maximal 10 Hz schalten können

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1 Ja.
2 Ich würde irgendwelche Mosfets nehmen weil die bei großen Strömen dankbarer sind als Transistoren.
3 Wenn das Teil 15 Jahre halten soll: ja
4 Verkaufe die Logo für 50 € bei Ebay und kaufe dir für 14 € zwei Arduino Mega

Also der Programmieraufwand wird sich bei der Arduino Mega Lösung in Grenzen halten. Ich würde Wahrscheinlich 30min brauchen bis es läuft. In deinem Fall würde ich einfach mal einen Samstag dafür einplanen.

Edit:
@Holgip Brauche ich bei Transistoren wirklich einen Widerstand? Bei Mosfets ja aber warum bei Transistoren?

Edi2:
Sorry...

Nightfly09 schrieb:

Wenn ich es richtig verstehe, bietet der Arduino Mega bereits genug Ausgänge, so dass ich nur noch je einen Vorwiederstand und einen Transistor benötige?

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Ja. Die Helligkeit der LEDs kann man auch halbwegs vernünftig regeln.

Was meint ihr zu der Bestell-Liste? Würde das so passen?

1x 1593 MEGA-SW
1x ARD MEGA2560 KIT (ich weis, dass dort einiges dabei ist, was ich für die genannte Aufgabe nicht benötige)
15x IRLZ 34N
15x RND 0W2J0102A10
1x MW RSP-200-12
1x V 6506G
2x Auralum® Flexible 5M SMD 2835 72W
2x GB 96006
1x BOPLA E-450VL


Ps.: Muss der Kühler eigentlich vom Mosfet isoliert sein oder kann ich die direkt auf den Kühler schrauben?

@ Holgip: 0,5 Sekunden Schaltzeit wären noch vertretbar, aber in Verbindung mit einem 16 Bit Schieberegister, könnte ich dann nur alle 16 Sekunden einen Schaltbefehl übertragen und das wäre auf jeden Fall viel zu langsam.

@ iamunknown: Der ESP32 sieht in den verschiedenen Ausführungen sehr vielversprechend aus und sehr günstig wäre diese Lösung ja auch, allerdings habe ich von den Dingern dann noch weniger Ahnung als vom Arduino und ich finde dazu auch bei weitem nicht so viele Informationen.

@ SupaKevin: 150W LED Beleuchtung hört sich für mich nach zu viel an, wenn ich bedenke, das bei einem "normalen" LED-Leuchtmittel unter der Decke vermutlich 10W reichen würden.
Ich vermute mal, der Hinweis auf die Möglichkeit die Helligkeit zu steuern/regeln bezieht sich auf eine Steuerung über ein PWM-Signal?
Auch wenn ich die Idee grundsätzlich super finde, würde ich gerne das mit PWM verbundene Flackern vermeiden. Ich selbst nehme das bei höheren Frequenzen zwar nicht wahr, allerdings gibt es ja anscheinend Leute, die damit Probleme haben.
Eventuell würde ja die Möglichkeit bestehen, ein PWM-Signal mit Hilfe einer Spule und eines Kondensator zu glätten?

Die Bestelliste passt. Nur brauchst du keine MO-Widerstände. Kohleschicht reicht. Denk daran, dass der Mosfet ein N-Kanal ist, d.h., er sperrt bei positiven Steuerspannungen. Je nach Innenbeschaltung des Arduino brauchst du noch für jeden Ausgang einen Pullup-Widerstand von ca. 10kOhm nach 5V der Arduino-Versorgung.
Ich kenne mich nur mit den Pi aus. Dort würde ich einen solche Widerstand verbauen.

Wenn die Kühlkörper weder untereinander, mit dem Gehäuse noch mit Leiterbahnen in Berührung kommen, kann man sie auch ohne Isolierung mit den Transistoren verschrauben. Wie auch bei CPU-Kühlern Wärmeleitpaste verwenden.

@supakevin: Transistoren brauchn immer einen Basiswiderstand zur Strombegrenzung. Ansonsten gehen sie in Rauch auf.

So wie ich das sehe, kosten Kohleschicht-Wiederstände etwa das gleiche? Selbst wenn sie etwas günstiger wären, dann wäre es bei Kosten von etwa 1,5€ für alle Wiederstände dann immernoch relativ egal. Gibt es bei den Kohleschicht-Wiederständen irgend einen Vorteil, abgesehen vom eventuell niedrigeren Preis?

Du meinst, ich soll mit einem Pullup-Wiederstand die Spannung an den Ausgängen des Arduino auf 5V ziehen?
Woher nehme ich die 5V und welchen Zweck hat das dann?
Meinst du eventuell, dass ich die Ausgänge auf 12V "High-Signal" ziehen soll und dann mit dem Arduino gegen Masse Schalte, weil der Mosfet eine Negative Spannung zum schalten benötigt? (Sorry wenn ich hier so blöd frage, aber ich bin wirklich schon sehr lange aus dem Thema raus.)
Da würde ich mir dann als erstes die Frage stellen, ob ich mir die Wiederstände nicht sparen und einfach einen anderen Mosfet nehmen kann? Preislich kommt es auf ein paar Wiederstände mehr oder weniger nicht an, aber der Aufbau wäre etwas einfacher und übersichtlicher.

Leider habe ich hier am PC momentan kein BlackBoard zur verfügung, werde aber heute Abend oder morgen noch mal ein neues Layout für die Lochrasterplatine mit den neuen Komponenten erstellen und dann hier ein Bild hochladen. Wenn kein IC benötigt wird, dann hat es auch den Vorteil, dass ich die Schaltung (abgesehen vom Arduino) auch schon mal in der Simulation testen kann.

Nightfly09 schrieb:

In der Unterverteilung sitzt bereits eine Logo, die einige Steuerungsaufgaben übernimmt, allerdings am Erweiterungsmodul auch noch 7 freie Ausgänge hat. Mein Bekannter meinte, dass sich die Treppenbeleuchtung darüber sicher sehr gut steuern lässt, allerdings sagte ich ihm dann, dass es mit nur 7 freien Ausgängen und 15 Treppenstufen wohl nichts wird.

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ich würde mit der Logo ein Bitmuster von 4 Ausgängen auf 15 umsetzen. zb mit sowas 74HC/HCT4514 oder ähnlichem, wenn die Logo schon da ist. Meines Erachtens einfacher. Ausgangstreiber nach Belieben.

Grundsätzlich hat der Arduino Mega interne pullup Widerstände. Allerdings geht es da meines Wissens nach nur darum, dass input Pins nicht floaten. Bei output Pins braucht man die meines Wissens nicht.

Je nachdem wie die Bewegungsmelder aussehen fallen dort noch 2 Widerstände an. welche Bewegungsmelder hast du eigentlich? Irgendwelche halbwegs dichten aus dem Baumarkt?

N Mosfets (IRLZ 34N) lassen Strom durch wenn man sie auf High setzt und P Mosfets wenn man sie auf Ground setzt.

Einkaufsliste Passt. Das Mega Kit ist auch schön, weil du zum rumprobieren und programmieren schnell mal was aufs Breadboard packen kannst. Was natürlich noch fehlt sind die Kabel.

Das mit dem Bitmuster wäre keine schlechte Idee, schränkt mich allerdings in den Möglichkeiten dann doch etwas ein. Zum ersten kann ich die Stufen nur von unten nach oben ein- und von oben nach unten ausschalten (oder eben immer umgekehrt), zum anderen hat mir die Idee mit dem Dimmen recht gut gefallen, auch wenn ich momentan noch überlege, wie ich aus einem PWM Signal nach dem Mosfet wieder eine konstante Spannung mache. (Evtl. mit einer Spule nach dem Mosfet und einem Kondensator dahinter?)

Die Ausgänge vom Arduino muss ich nun auf GND (-) ziehen oder sind entsprechende Wiederstände nun schon im Arduino?


@ SupaKevin: Zum schnellen Testen war das Arduino Kit auch gedacht, ich würde nur sehr ungerne noch über mögliche Fehler stolpern, wenn alles entgültig verbaut wird und so kann ich mich vorher auch schon mal an der Programmierung versuchen bzw. diese auch direkt testen. Die Anleitung kann sicher am Anfang auch nicht schaden

Ps: Könnte ich den Arduino über die Logo eigentlich tagsüber bzw. bei Abwesenheit einfach vom Strom trennen oder macht der Arduino da Probleme, wenn er zwischendurch einfach vom Strom getrennt wird?
Wenn das möglich wäre, ohne das es Probleme mit dem Arduino gibt, dann könnte ich zumindest recht einfach noch die Sensoren nutzen, die an der Logo angeschlossen sind.

Nightfly09 schrieb:

Das mit dem Bitmuster wäre keine schlechte Idee, schränkt mich allerdings in den Möglichkeiten dann doch etwas ein. Zum ersten kann ich die Stufen nur von unten nach oben ein- und von oben nach unten ausschalten (oder eben immer umgekehrt)
[…]

Zum Vergrößern anklicken....

Die LOGO ist leider nicht schnell genug, sonst könntest Du das über die Zeit multiplexen

Der Vollständigkeit halber:
Die Logo schränkt dich beim Bitmuster herstellen in keinster Weise ein. Du schreibst es raus und so ist es. Einzig wenn die Zykluszeit schon länger als die Zeiten sind, wie die Stufen zeitlich kommen sollen (500ms?), gehts natürlich nicht mehr.
Eingang Bewegungsmelder oben - von oben nach unten. Eingang Bewegungsmelder unten - von unten nach oben. Einer von oben einer von unten - beide Richtungen bis alle leuchten. Schalter wenn vorhanden, alles ein Bitmuster 1111 rauschreiben (oder wie auch immer). Und bevor Du hinten bei der PWM glättest (beim Arduino, was meiner Meinung nach nicht notwendig ist), kannst Du auch bei der Logo für die Treiber Transistoren (in dem Fall keine Mosfet) vor der Basis ein RC Glied schalten, das das langsame (oder doch nicht so langsame - sonst ist man ja schon runter) auf/abdimmen macht.
Ich denke bei so was immer an die Wartung. Eine zweite SW wenns mit einer geht?

Aber ist halt Geschmackssache. Die Frage ist auch, ob die Bewegungsmelder schon auf der Logo sind, und ob ein eventueller Lichtschalter auch drauf ist. Du brauchst sonst ja auch die Eingänge.

Bzgl PWM und Puls/Pause fürs Dimmen mit dem Arduino - wenn die PWM Frequenz hoch genug ist, siehst du das Flackern ja nicht, sondern es kommt Dir eben dunkler vor. Da brauchst Du dahinter nichts glätten würde ich mal sagen. Wobei es schon sehr sehr lang her ist, das ich sowas ähnliches gemacht hab.