8x8 Superflux Matrix mit PWM

Daniel G · Fr, 25.01.13, 23:57

Hi ihr,

nach langer Abstinenz baue ich mal wieder an einem Elektronikprojekt. Ich möchte gerne aus diesen LED http://www.leds.de/Low-Mid-Power-LEDs/S ... 70CSS.html eine 8x8 Matrix bauen. Jede LED soll einzeln dimmbar sein. Jetzt habe ich das ganze mal nach dem Artikel von mikrocontroller.net aufgebaut und durchgerechnet:

Wenn ich da so rechne, und das Schaltbild übernehme, dann dürfte ich für R1 - R8 gerade mal einen 1 Ohm Widerstand nutzen, um nicht gänzlich ohne Widerstand rumzuhüpfen. Dann bekommt aber jede SuFlu nur 18mA ab, denn der Pulse Forward Current liegt ja bei 150mA, ich bräuchte aber (8*30mA) 240 mA. Wenn ich überlege, dass vor den LEDs noch ein Diffusor liegt, könnte das vielleicht zu wenig sein, oder? Außerdem bin ich mir gerade nicht sicher, wie ich die Transistoren dimensionieren muss.

Oder sollte ich die Schaltung generell anders aufbauen? Gesteuert wird das Ganze von einem Arduino kompatiblen Aufbau mit einem ATMega328. Ich bin gerade etwas überfordert...

Achim H · Sa, 26.01.13, 07:26

Die beiden Transistoren vor und hinter der Led produzieren auf deren Kollektor-Emitter-Strecke jeweils einen
Spannungsabfall von ca. 0,7V.
2x 0,7V = 1,4V

Von der 5V Versorgungsspannung bleiben somit für die Led nur 5V - 1,4V = 3,6V übrig.
Laut Datenblatt (Forward Voltage vs. Forward Current) wird der Strom durch die Led dann ungefähr 45mA betragen.
Gepulst werden dürfte sie mit bis zu 120mA.

Folglich kannst Du den Led-Vorwiderstand weg lassen, weil höher als 3,6V kann die Spannung nicht werden. Und wenn
die Spannung nicht ansteigen kann, kann auch der Strom nicht ansteigen.

Aber mal 'ne Frage:
Wieso haben die Transistoren T9 bis T16 einen Basisvorwiderstand und T1 bis T8 nicht?

Viel Licht wird da ohnehin nicht rauskommen.
Die Lichtausbeute aus den Leds ist im gepulster Zustand wesentlich geringer als mit einem Dauerstrom von 10 oder 20mA.
Beachte die Zeit, die die Leds leuchten. Im Verhältnis zur Zeit, die diese nicht leuchten.

Daniel G · Sa, 26.01.13, 08:45

Hi Achim,

danke für deine Rückmeldung. Ehrlich gesagt, genau das habe ich mich auch gefragt. Ich habe den Schaltplan ja nur aus dem Beispiel im Mikrocontroller.net - Artikel übernommen, und wollte mich darum nochmal separat kümmern.

Laut Datenblatt (Forward Voltage vs. Forward Current) wird der Strom durch die Led dann ungefähr 45 mA betragen.

Was ja aber lt. Datenblatt nicht sein darf, denn das "Absolute Maximum" liegt bei 40mA. Oder haben wir unterschiedliche Datenblätter? Ich hab das Datenblatt aus der Artikelseite genommen.

Welche Herangehensweise könnte ich denn nutzen, um eine möglichst maximale Helligkeit aus den LEDs im gepulsten Zustand herauszuholen?

Wenn ich das überschlage, dann darf ich bei 40mA maximal 3, bei 30mA maximal 4 in einer Reihe pulsen. Ist das soweit richtig? D.h., ich müsste die Matrix in zwei Teile teilen?

stromflo · Sa, 26.01.13, 09:42

Hi,

mit den heute technischen Möglichkeiten würde ich persönlich so eine Matrix mit anderen Mitteln aufbauen.
Beispielsweise kann eine relativ einfache Ansteuerung durch die Pixeltreiber WS2801 erfolgen. Es gibt noch eine Reihe weiterer Treiber in dieser Richtung. Sie werden in der Regel mit einem Controller angesteuert (oft über eine Art SPI) und haben meist eine eingebaute KSQ. Jeder Pixel kann dann einzeln angesteuert werden. Was man dazu sagen muss, diese Variante macht aber dann hauptäschlich bei RGB Leds Sinn. Ich könnte mir aber durch aus vorstellen, dass man die Treiber auch für jeweils 3 warmweiße Leds etc. verwenden kann. Man kann hier dann jede einezlne Led dimmen.

Ansonsten ist das Multiplexen natürlich auch eine Möglichkeit. Auch hierzu gibt es extra Bausteine, die das ganze vereinfachen können. Spontan fällt mir da TLC5921. Hier gibt es aber sicher auch noch eine Reihe von anderen Bausteinen.

Kommt halt auch immer auf Budget an und was man für eine Lösung haben möchte....

Interessant dazu ist auch dieser Artikel.

Gruß Flo

Daniel G · Sa, 26.01.13, 10:00

Moin Flo,

ja, mit der Idee eines dediziertem IC habe ich auch schon gespielt. Das Problem ist aber immer die Verfügbarkeit. Der TLC5940NT von Texas Instruments wäre beispielsweise nicht schlecht. Davon bräuchte ich 4 Stück, Kostenpunkt 5€ das Stück auf Ebay. Oder günstiger im Ausland, aber dann mit teils eklig hohen Versandkosten. Wäre eine Alternative. Allerdings sind das brutal viele Verbindungen auf der Lochrasterplatine, die da gelötet werden müssen. (Die Matrix-Platine hat eine Größe von 500x500mm, eine geätzte Einzelanfertigung kann da ja kein Mensch bezahlen.^^).

Der von dir erwähnte WS2801 ist interessant, und gar nicht mal so teuer. Aber auch hier bräuchte ich ihn im lochrasterfreundlichen Gehäuse. Und bei 64 Leds sind das 22 Chips...

Eigentlich möchte die Ansteuerung so einfach wie möglich haben. Am schönsten wäre natürlich ein leicht zu beschaffender IC im DIL/DIP - Gehäuse, der ähnlich wie der TLC5940NT funktioniert.

P.S.: Den Artikel habe ich oben schon verlinkt, aber Danke.

Daniel G · Sa, 26.01.13, 10:14

Ha, Moment:

Es gibt ja auch noch den WS2803, in feinster DIP - Form. 18 Kanäle, brauch' ich also auch 4 Stück von, aber der soll beim Daisy-Chaining nicht solche Probleme machen wie der IC von TI, und ist außerdem deutlich günstiger. Und schafft 30 mA pro Kanal, was in meinen Augen ein guter Kompromiss zwischen Kosten und Helligkeit wäre.

Ich bin aber weiterhin für bessere Ideen offen.

stromflo · Sa, 26.01.13, 10:21

Der WS2803 hat halt nur einen Referenzwiderstand zum einstellen des Stroms. Da du aber vermutlich eh lauter gleiche Leds verwenden möctest dürfte dich diese Einschränkung schon mal nicht groß stören. Habe nur im Moment keine Beschaffungsquelle im Kopf. Hast du schon eine gefunden? Auf die maximale Strombelastung sollte man vielleicht auch noch in jedem Fall ein Auge werfen. Das Protokoll zum anstuern müsste man sich auch nochmal genau anschauen, sollte aber in jedem Fall machbar sein...

Gruß Flo

Daniel G · Sa, 26.01.13, 10:30

Ja, ebay. kt-elektronic bietet sie in Mengen von 1, 5, 10, 25 und 50 Stück an. 10 Stück für 15 € klingt zumindest besser als einer für 5€.

Ich habe mir eben das Datenblatt angesehen. Die "Maximum Power Dissipation" ist mit 2600mW angegeben, das sind bei 5V und allen 18 Kanälen 28,8 mA pro Kanal. Dürfte doch passen, oder?

Ja, die LEDs sind alle gleich, bzw. eine Mischung aus Warmweißen und weißen LEDs von Nichia, die Datenblätter sind ja nahezu gleich.

Könnte ich eigentlich Probleme mit Interferenzen aufgrund der langen Drahtlängen bei der Platinengröße bekommen? Wollte zum Legen der Verbindungen eigentlich diesen Draht nutzen. Auch wenn ich noch nicht weiß, ob der Platz auf der Platine überhaupt reicht...

//Edit: Zum Ansteuerun via Arduino soll wohl auch die Bibliothek des WS2801 geeignet sein.

Achim H · Sa, 26.01.13, 13:37

Daniel G hat geschrieben:Was ja aber lt. Datenblatt nicht sein darf, denn das "Absolute Maximum" liegt bei 40mA. Oder haben wir unterschiedliche Datenblätter? Ich hab das Datenblatt aus der Artikelseite genommen.

Das Datenblatt habe ich auch genommen.
Du redest aber vom Pulsen und das ist etwas anderes als ein Dauerstrom. Hier spielt die ED (Einschaltdauer) ein Rolle.
Dauerstrom: ED = 100% = max. 40mA
Pulsen: ED = >0% bis <100%

Der maximale Pulsstrom darf 120mA betragen (Voraussetzung: ED = 10% und Frequenz >100Hz).
Die Led wäre folglich nur 1/10 der Zeit an und 9/10 der Zeit aus und das mindestens 100mal pro Sekunde.
In der Zeit, wo die Led ausgeschaltet ist, kühlt sie schon wieder ab.

Wenn man die ED verändert, muss man den Strom ebenfalls verändern.
Bei einer ED von 90% (9/10 der Zeit an, 1/10 der Zeit aus) dürfte man bereits etwas mehr als 40mA einspeisen.

Welche Herangehensweise könnte ich denn nutzen, um eine möglichst maximale Helligkeit aus den LEDs im gepulsten Zustand herauszuholen?

Dein Problem ist, dass die Spannung für einen höheren Strom nicht ausreicht.
Bei 3,6V fließen nur um 45mA.

Soll der Strom höher sein, müsstest Du die Transistoren gegen Fets tauschen (geringerer Spannungsabfall).
Alternativ: die Leds separat mit Spannung versorgen (zum Beispiel: 6V + Led-Vorwiderstand).
Die ICs bekommen weiterhin ihre 5V.

Schau Dir den Graphen (Forward Voltage vs. Forward Current) nochmal an. Die Vorwärtsspannung (im gepulsten Zustand) bei 120mA beträgt bis ca. 4,6V.

Daniel G · Sa, 26.01.13, 21:00

Ich denke, ich werde die ICs verwenden. Das dürfte am Einfachsten sein. Dafür muss ich mir aber nochmal ne Schaltung zusammenbauen. Vor allem die Leitungsführung bereitet mir noch Kopfzerbrechen.

Daniel G · So, 27.01.13, 23:28

Die 64 LEDs kommen ja in eine geschlossene Box auf Lochrasterplatinen. Kann ich da Probleme mit der Hitzeentwicklung bekommen?

Achim H · Mo, 28.01.13, 08:47

Wahrscheinlich Ja.
Zum Kühlen würde nur die Luft im Innern der Box genutzt werden können. Und diese erwärmt sich grundsätzlich. Je nach Leistung und Volumen kann das langsam bis sehr schnell gehen. Fakt ist: die Luft im Innern der Box wird immer wärmer. Das hat zur Folge, dass die Leds irgendwann nicht mehr ausreichend gekühlt werden. Da drunter leidet in erster Linie die Lebenserwartung. Nebeneffekt: je wärmer die Umgebungstemperatur, desto weniger stark dürfen die Leds bestromt werden (siehe Datenblatt zur Led).

Daniel G · Mo, 28.01.13, 13:12

Hi Achim,

danke für deine Rückmeldung. Die Box hat eine Größe von 50*50*4,5cm, sodass jeder LED (vereinfacht) 6,25*6,25*4,5cm Luft zur Verfügung stünde. Wenn ich mir im Datenblatt so die Graphen zu den thermischen Eigenschaften anschaue, dann wäre es wünschenswert, die Kiste auf unter 60°C zu halten. Wie könnte man sowas denn erreichen?

Eigentlich fallen mir nur Belüftungsschlitze und/oder ein aktiver Lüfter ein (großer Durchmesser, sehr geringe Drehzahl). Auch wenn Luft bekanntlich nicht das beste Kühlmittel ist.

Borax · Mo, 28.01.13, 14:07

Belüftungsschlitze und/oder ein aktiver Lüfter

Was anderes ist bei dieser Konstruktion auch nicht sinnvoll machbar

Ich würde es aber erst mal testen. Ein Wasserglas voll Luft (6,25*6,25*4,5cm) könnte durchaus auch reichen. So viel Leistung ist es ja auch nicht. Und einen (oder mehrere) Lüfter kann man eigentlich immer nachrüsten.

Beatbuzzer · Di, 29.01.13, 08:51

Daniel G hat geschrieben: Eigentlich fallen mir nur Belüftungsschlitze und/oder ein aktiver Lüfter ein (großer Durchmesser, sehr geringe Drehzahl). Auch wenn Luft bekanntlich nicht das beste Kühlmittel ist.

Hier sollte dann aber noch ein Filter eingesetzt werden, sonst sehen die LEDs früher oder später wie das innere eines alten PCs aus.

Daniel G · So, 03.02.13, 18:00

Stimmt, danke für den Tipp.^^

Mittlerweile sind auch schon die diffusen Plexiglas-Samples eingetroffen. Schaut gut aus.

Daniel G · Di, 05.02.13, 08:07

Eine Frage hätte ich dann doch noch: Ich möchte gerne mit Silberdraht arbeiten, da ich den am saubersten auf der Unterseite der Platine verarbeiten kann. Nun ist es ja so, dass bei eine 50x50cm großen Platine naturgemäß recht lange Wege für die Leitungen anfallen.

Kann ich hier Probleme mit Interferenzen bekommen? Und wenn ja, was könnte ich dagegen unternehmen?

Borax · Di, 05.02.13, 09:06

Wichtig sind kurze Verbindungen auf den Datenleitungen (die sind hoch getaktet). Auf der Ausgangsseite (WS2803-> LEDs) sind es ja nur noch 2.5kHz, die können auch über ein paar Meter ohne große Interferenzprobleme transportiert werden. Also kannst Du den Silberdraht nehmen.