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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Matrix mit High-Power-LEDs realisieren (6x4px, 4LEDs/px, 1.000mA/LED)


Autor: Kirill A. (kirill)
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Hallo,

ich hatte die Idee, eine 6x4 Pixel große Matrix mit High-Power-LEDs zu 
bauen. Jeder Pixel würde aus 1x blau, 2x grün und 1x rot bestehen. Da 
ich jede LED mit 1'000mA betreiben will (auf Dauer; gepulst nochmal 
30-60% mehr), frage ich mich, wie ich das vom Strom her realisieren 
kann:
Wie kann ich 48 unabhängige, PWM-regelbare Outputs mit je 3,#V und 1A 
und 24 ebenfalls unabhängige, PWM-regelbare Outputs mit je 3,#V und 2A 
machen?

Ich hatte folgende Idee:
12V-PC-Netzteil -> Spannungsregler auf z.B. 4V und geringer Toleranz -> 
??? -> kleiner Widerstand -> LED -> GND
Von dem "???" bräuchste ich 72 Stück, und jede davon sollte PWM-regelbar 
sein...
Gibt es überhaupt effiziente Spannungsregler mit 3,4...4V und (fast) 100 
Ampere (also ersteres Bauteil, das die Spannung herabsenkt und 
stabilisiert?

Und ich kann mich nicht entscheiden, ob ich eine Matrix mache, der 
wenige Pins reichen würden, jede LED aber nur z.B. 1/4 der Zeit an wäre, 
oder jede LED einzeln ansteuere, was mir lichtleistungstechnisch 
betrachtet mehr gefallen würde, aber zu erhöhtem Kabelaufwand etc. 
führen würde.

Danke für Antworten und Ratschäge im Voraus ;)

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Du solltest Multiplexen, wenigstens in irgend einer Ebene, ob du Jetzt 
Farben, Zeilen oder was auch immer Multiplext ist relativ wurscht, aber 
Multiplexen macht auf jeden fall Sinn.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Kirill A. (kirill)

>ich hatte die Idee, eine 6x4 Pixel große Matrix mit High-Power-LEDs zu
>bauen. Jeder Pixel würde aus 1x blau, 2x grün und 1x rot bestehen. Da
>ich jede LED mit 1'000mA betreiben will (auf Dauer; gepulst nochmal
>30-60% mehr),

High Power LEDs und Pulsbetrieb ist keine gute Idee, die Dinger mögen 
das gar nicht. Die kannst du bestenfalls mit PWM ansteuern.

>Wie kann ich 48 unabhängige, PWM-regelbare Outputs mit je 3,#V und 1A
>und 24 ebenfalls unabhängige, PWM-regelbare Outputs mit je 3,#V und 2A
>machen?

Tja, da brauchst du einen brauchbaren LED-Treiber. Hab leider in dem 
Kaliber keine Empfehlung parat.

>Gibt es überhaupt effiziente Spannungsregler mit 3,4...4V und (fast) 100
>Ampere (also ersteres Bauteil, das die Spannung herabsenkt und
>stabilisiert?

Nennt sich Schaltregler und ist auf jedem PC Mainbaord drauf, die 
schaffen auch 100A. Allerdings meist bei 1..1,5V für die CPU. Nix was 
man mal fix selber baut ;-)

>wenige Pins reichen würden, jede LED aber nur z.B. 1/4 der Zeit an wäre,

Vergiss es.

>oder jede LED einzeln ansteuere,

Musst du wohl.

MFG
Falk

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite

>Multiplexen macht auf jeden fall Sinn.

Nöö. Befass dich mal mit der (nicht vorhandenen) Pulsbelastbarkeit von 
Hochleistungs-LEDs.

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Naja, ich hab die dinger wirklich noch nicht im Pulsbetrieb bei Überlast 
getestet, aber im Datenblatt ist die Kennlinie meistens bis 200% (IIRC) 
angegeben (luxeon K2 zumindest)

72 LEDs in Einzelansteurung geht zwar noch, ist aber wirklich ein 
verdammtes Kabelgewurschtel.

BTW: Ich komme bei 6x4px (und dann 4 LEDs pro Pixel) auf 96 LEDs ...

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Ich würde dir erstmal von dem PC-Netzteil abraten.

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Wieso? PC Netzteil ist ne günstige und doch relativ gute 
Spannungsquelle, besonders wenn man sein Eigenes Netzteil 
hintendranschaltet ...

PS: Das Zauberwort für solch hohe Ströme (wird auch auf Mainboards 
verwendet) ist Multiphasen, du musst einen Regler entwerfen der nicht 
nur eine Phase oder Kanal oder wie man es auch nenen will hat, sondern 
einen z.b. 3 Phasen Wandler, dadurch wird die Impulsbelastung der 
Kondensatoren stark reduziert, und das ganze beherrschbarer.

Autor: Tom (Gast)
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Mit dem Netzteil würde ich auf 5 Volt gehen. Die Differenz brauchst du 
für die Transistoren und die Vorwiderstände. 5V 100A findest du überall 
als Schaltnetzteil. Wenn du 300+ Watt in den LED verheizt, tun die 
100-200 Watt in den Transistoren und Rs auch nicht weh...

Autor: Kirill A. (kirill)
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Falk Brunner wrote:
> @Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
>
>>Multiplexen macht auf jeden fall Sinn.
>
> Nöö. Befass dich mal mit der (nicht vorhandenen) Pulsbelastbarkeit von
> Hochleistungs-LEDs.


Vorhanden schon, aber mit 30% mehr Belastung bei 25% An-Zeit ist relativ 
lächerlich...

@Hauke Radtki (lafkaschar)
> BTW: Ich komme bei 6x4px (und dann 4 LEDs pro Pixel) auf 96 LEDs ...

Richtig, aber zwei grüne LEDs hängen immer an einem Pin, d.h.:
24x Rot @ 1A
24x Blau @ 1A
24x Grün @ 2A
Ich erhoffe mir dadurch ein opimaleres Weiß.

> Tja, da brauchst du einen brauchbaren LED-Treiber. Hab leider in dem
Kaliber keine Empfehlung parat.

Ich wollte erstmal wissen, ob es prinzipiell so etwas gibt, und wenn ja, 
wie und was.

Gibt es irgendwo Beispiele oder tutorials für 
Multiphasen-Spannungsregler? Weil die doch schwer zu konzipieren sind!? 
Oder gibt es irgendwo ->günstige<- und gut stabiisierte 5V-NT's mit über 
80A?

@all: Danke für die zahlreichen und schnellen Antworten. Ich werde es 
mir nachmittags mal alles genauer anschen.

Autor: Guido Körber (Gast)
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LEDs haben bei höherem Strom eine schlechtere Effizienz, das ist auch 
bei Pulsbetrieb so, weil es durch Quantenmechanische Prozesse bestimmt 
ist (die gerade erst verstanden wurden).

Damit beleibt also relativ mehr Energie als Wärme zurück wenn man mehr 
Strom einsetzt.

Abgesehen davon sind Spannungsregler ungeeignet für die Ansteuerung von 
LEDs.

Bei der notwendigen Leistung von PowerLEDs geht wohl kein Weg an einer 
diskreten Ansteuerung mit jeweils einem Regler pro LED vorbei.

Autor: Kirill A. (kirill)
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Guido Körber wrote:
> LEDs haben bei höherem Strom eine schlechtere Effizienz, das ist auch
> bei Pulsbetrieb so, weil es durch Quantenmechanische Prozesse bestimmt
> ist (die gerade erst verstanden wurden).
>
> Damit beleibt also relativ mehr Energie als Wärme zurück wenn man mehr
> Strom einsetzt.
>

Aber wenn ich schon viel Geld für HP-LEDs ausgebe, will ich auch alles 
aus den Dingern rauskitzeln... Ich denke so: Besser 200lm bei 20lm/W 
statt 120lm bei 35lm/W ;)

> Abgesehen davon sind Spannungsregler ungeeignet für die Ansteuerung von
> LEDs.
> Bei der notwendigen Leistung von PowerLEDs geht wohl kein Weg an einer
> diskreten Ansteuerung mit jeweils einem Regler pro LED vorbei.

Aber wenn ich ne stabile System-Spannung habe (z.B. geregelte 5,00V) 
kann ich doch problemlos mit Widerständen arbeiten!? Klar, man soll das 
so eig nicht machen, aber statt 72 einzelne Regler zu bauen, die je aus 
10-15 Bauteilen bestehen, mache ich lieber 72 Widerstände und nutze die 
LEDs mit z.B. 950mA (wenn 5V und 90°C Chiptemperatur). Die werden 
(hoffentlich) nicht wärmer, und somit auch nicht über 1A hinausgehen...

Habe mit ein paar Leuten gesprochen, und viele meinten, dass es ohne 
seeeehr viel Geld oder extrem viel Aufwand nix wird, da ich 100A 
brauche...

Autor: Fabian B. (fabs)
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Warum sollte man es mit Rs nicht machen sollen? Klar geht das, ist nur 
vom Wirkungsgrad suboptimal:
Bei Vf=3,5V, I=1A und Vin=5V musst du also in jedem R 1,5V bei 1A = 1,5W 
verheizen. Also brauchste schon dickere Rs. Ausserdem hätten die Rs dann 
1,5Ohm, was auch sehr ungünstig ist.
Ich kenn jetzt die Pulsbelastungsfähigkeit von Power-LEDs nicht aber bei 
If<If(max) sollte es eigentlich nicht sooo kritisch sein, oder? In 
industriellen Beleuchtungen (z.B. für ComputerVision) wird das ja auch 
gemacht.
Dann könntest du 3x4 Stromquellen aufbauen und die dann über die 6 
Zeilen multiplexen.
Hell genug sollte es trotzdem sein ;-)

Gruß
Fabian

Autor: Guido Körber (Gast)
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Stromquellen an einer Achse der Matrix würden reichen, auf der anderen 
Achse tun es Schalttransistoren.

Autor: Ulrich (Gast)
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Der geringere Wirkungsgrad bei mehr Strom hat nicht viel mit 
Quantenmechanik zu tun. Bei den meisten LEDs sind das 2 relativ einfache 
Effekte: Bei mehr Strom ist die Spannung höher, und die helligkeit ist 
in erster Näherung proportional zum Strom. Der zweite Effekt ist 
erwärmung durch den höheren Strom unn die bei höheren Temperaturen 
sinkende Effizienz.

Die sinkende Effizienz bei mehr Strom muß aber nocht sein, es gibt bei 
einigen LEDs auch den Effekt der superluminezenz, einer Vorstufe zum 
Lasern. Da steigt dann der Wirkungsgrad mit mehr Strom dann sogar an und 
das Spektrum wird schmaler.

Wenn man die volle Leistung haben will, sollte man besser nicht 
multiplexen. Wenn man Vorwiderstände nehmen will, sollte man eventuell 
je Farbe eine seperate passende Spannung wählen, die den Spannungabfall 
je Widerstand realtiv klein bei z.B. 0,5 V hält.

Autor: Kirill A. (kirill)
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Weiter oben wurde aber gesagt, dass kleine Werte wie 1R5 eig schon fast 
zu klein sind... Dann wären doch 0R5 noch schlechter!? (Schlecht, weil 
die "Regelung" bei stärkeren Spannungsschwankungen größere Abweichungen 
im Strom mit sich bringt?)

hab gerade bei LT folgenden interessanten Baustein Gefunden:
LTC3729
Hat 4V bis 36V V(In), uns sagenhafte 15 bis 200 bzw. 240 Ampere, je 
nachdem wo man liest. Und bis zu 6 Phasen. Wär das Ding was für mich?

http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId=H...

Und noch ne Frage: Was soll ich als Primär-Spannungsquelle nehmen? 
Sollte nicht allzu groß/laut/teuer/ineffizient sein.

Ein PC-Netzteil für 62 Euro hätte z.B. 4 unabhängige Phasen mit je 18A 
bei 12V. Ist mir zwar eig zu teuer, aber ich sehs jetzt erstmal als 
mögliche Lösung. Bessere Ideen?
Da stehen noch folgende, vielversprechende Sachen dabei:
supports double CPUs/supplies stable voltage
High efficiency: 83% @ 230V (Typical load)
Overvoltage/Overcurrent/Short-Circuit protection
Active PFC

Bestimmt von der Marketingabteilung und wenig aussagekräftig, oder?

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Ich würde dir erstmal von dem PC-Netzteil abraten.

Autor: P4 (Gast)
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hmm, da Fällt mir ein "Holtek" Chip ein, der für dich interessant sein 
könnte. fängt mit HT an und ist auf diesem Teil:
Youtube-Video "Sure Electronics LED matrix with ATMEGA controlled via USB"

Bei uns in der Schule hat der AV 20 von diesen Boards gekauft, kosten 
aus China versandkostenfrei nur 9$ ;)
Hab mich mit einem Lehrer unterhalten, und laut ihm sind da alle 
mögliche Spannungen möglich. Die Programmierung ist über SPI (-ähnlich) 
auch ziemlich einfach.

wenn mich die genaue Bezeichnung einfällt meld ich mich wieder, dieser 
Chip ist für LED Matrizen aber wirklich perfekt und kann kaskadiert 
werden.

mfg Patrick

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Kirill A. (kirill)

>LTC3729
>Hat 4V bis 36V V(In), uns sagenhafte 15 bis 200 bzw. 240 Ampere, je
>nachdem wo man liest. Und bis zu 6 Phasen. Wär das Ding was für mich?

Ich behaupte mal ganz kess, dass ein Selbstbau eines Schaltnetzteils im 
Allgemeinen, und erst recht ein Mehrphasenwandler im Speziellen, deine 
Fähigkeiten im Moment DEUTLICH übersteigt.

>Ein PC-Netzteil für 62 Euro hätte z.B. 4 unabhängige Phasen mit je 18A
>bei 12V. Ist mir zwar eig zu teuer,

Ach ja? Was wäre für dich denn ein guter Preis? 9,99 bei Pollin? Ohje!

Autor: Gast (Gast)
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>>>Ich würde dir erstmal von dem PC-Netzteil abraten.

Wieso eigentlich?
Ich hab schon mehrere Sachen mit PC-Netzteilen betrieben (zugegeben, 
nicht in so einer Größe). Wenn man eine Mindestlast hat gibts da normal 
ja keine Probleme.

Autor: P4 (Gast)
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so, gefunden: 
http://www.alldatasheet.net/datasheet-pdf/pdf/2061...
Chip nennt sich HT1632

Autor: Mike (Gast)
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>>>>Ich würde dir erstmal von dem PC-Netzteil abraten.

> Wieso eigentlich?
> Ich hab schon mehrere Sachen mit PC-Netzteilen betrieben (zugegeben,
> nicht in so einer Größe). Wenn man eine Mindestlast hat gibts da normal
> ja keine Probleme.

96A*12V=1152W: das ist kein normales PC-Netzteil mehr. Wegen der in den 
Vorwiderständen verbratenen Leistung taugt das Gerät dann auch als 
Heizung für den Winter.

Autor: Kirill A. (kirill)
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Mike wrote:

> 96A*12V=1152W: das ist kein normales PC-Netzteil mehr. Wegen der in den
> Vorwiderständen verbratenen Leistung taugt das Gerät dann auch als
> Heizung für den Winter.

Falsch gerechnet, ich brauche 3,#V mit 96A, macht <400W. Sagen wir hab 
im Sekundärteil 75% Stromeffizienz, macht 40A bei 12V. Ist doch ok.


@ Matthias Lipinsky (lippy)
>Ich würde dir erstmal von dem PC-Netzteil abraten.

Dan nenne mir doch bitte Gründe. Ich bin nicht der einzige hier im 
Forum, der die Aussage nicht ganz versteht...


@ Falk Brunner (falk)
>Ich behaupte mal ganz kess, dass ein Selbstbau eines Schaltnetzteils im
>Allgemeinen, und erst recht ein Mehrphasenwandler im Speziellen, deine
>Fähigkeiten im Moment DEUTLICH übersteigt.

Ich nehme das aucht nicht übel, bin immerhin erst 16-jähriger Schüler. 
Aber nicht "irgend einer", habe schon zwei Projekte mit µC's gemacht 
(eins davon auch im Bereich RGB-LEDs und PWM)

>>Ein PC-Netzteil für 62 Euro hätte z.B. 4 unabhängige Phasen mit je 18A
>>bei 12V. Ist mir zwar eig zu teuer,

>Ach ja? Was wäre für dich denn ein guter Preis? 9,99 bei Pollin? Ohje!

40-65 Euro wären schon noch drin, aber meint ihr, dass das ne Gute 
Lösung wäre?
Zumal ich bei nem 1100W-NT schon folgendes gelesen habe:
6 Phasen mit je 20A bei 12V. Macht 1440W. D.h., man darf zwar jede Phase 
einzeln mit 20A belasten, aber alle zusammen würden nicht mal annähernd 
auf 6x20A kommen. Deswegen sollte ich vielleicht auch kein 20-30-Euro-NT 
mit 2x25A kaufen, oder soll ichs mal probieren?

Autor: Guido Körber (Gast)
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>Der geringere Wirkungsgrad bei mehr Strom hat nicht viel mit
>Quantenmechanik zu tun. Bei den meisten LEDs sind das 2 relativ einfache
>Effekte: Bei mehr Strom ist die Spannung höher, und die helligkeit ist
>in erster Näherung proportional zum Strom. Der zweite Effekt ist
>erwärmung durch den höheren Strom unn die bei höheren Temperaturen
>sinkende Effizienz.

Das ist nur die halbe Wahrheit. Es sind tatsächlich Quanteneffekte die 
die Lichtausbeute bei steigendem Strom drücken. Das dem zugrunde 
liegende Prinzip wurde gerade erst vor ein paar Wochen hinreichend 
verstanden um in Zukunft LEDs bauen zu können, bei denen dieser Effekt 
kaum noch auftritt. Wenn ich mich richtig erinnere war es eine 
Forschungsgruppe am MIT.

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