LED-Matrix mit Transistoren - Widerstände richtig berechnet?

[Jakob H. (agrajag)]

Hallo Leute,

also ich möchte eine 11x11-LED-Matrix ansteuern (in der ersten Zeile 
sollen nur 4 LEDs sitzen, aber das spielt denke ich keine Rolle). Ich 
möchte die Zeilen multiplexen, es soll also immer eine Zeile leuchten.

Ich habe mich dazu an folgendem Beitrag orientiert:
http://www.mikrocontroller.net/articles/LED-Matrix#Transistoren

Also die LEDs haben laut Datenblatt einen Nennstrom von 28mA. Ich habe 
gelesen, dass man im Pulsbetrieb die LEDs mit einem Vielfachen des 
Stromes betreiben soll. Aber der 11-fache Strom wäre 308mA und das 
erscheint mir doch etwas zu hoch, vorallem da im Datenblatt unter "Peak 
Forward Current" 100mA angegeben ist.

Ich habe also erstmal probiert die Schaltung auf einen Puls-Strom von 
50mA auszulegen, da ich gelesen habe, dass die Helligkeit mit höherem 
Strom nicht mehr wirklich zunimmt, ist das richtig?

Die Flußspannung der LED habe ich aus dem "Forward Current vs Forward 
Voltage" Diagramm für 50mA abgeschätzt bzw. interpoliert, da das 
Diagramm nur bis 35mA gereicht hat:

$$U_{F} = 3,65V$$

Also ist der Pulsstrom:

$$I_{Spalten} = 50mA$$

und der maximale Zeilenstrom:

$$I_{Zeilen} = 11 \cdot 50mA = 550mA$$

Für die Vorwiderstände folgt dann:

$$R_V = \frac{U}{I} = \frac{Vcc - U_{IC1} - U_{IC2}-U_F}{I_{Spalten}} = \frac{5V - 0,7V - 0,7V - 3,65V}{50mA} = -1\Omega$$

also bedeutet das, dass die 3,65V gar nicht erreicht werden sondern nur 
ca. 3,6V und also auch nur ein Pulsstrom von ca. 45mA?

Kann ich die Schaltung also ohne Vorwiderstände betreiben?

Jetzt zu den Basiswiderständen:
Ich hatte erst an BC337 Transistoren gedacht, aber die sind mit 500mA 
wohl etwas zu klein. Sind die BC635 denn geignet? Dort steht im 
Datenblatt "Collector Current Continious" 1A. Das sollte bei 550mA max. 
ja wohl reichen?

Eine Sättigungs-Stromverstärkung habe ich im Datenblatt leider nicht 
gefunden, also habe ich den minimalen Wert genommen:

$$h_{FE} = 25$$

unter http://www.mikrocontroller.net/articles/Basiswiderstand steht, 
dass man den Wert dann durch 3 bis 10 teilen soll:

$$h_{FESAT} = \frac{25}{5} = 5$$

für den Collector-Strom folgt dann:

$$I_{c} = I_{Spalten} = 45mA$$

also für die Basis:

$$I_{b} = \frac{I_{c}}{h_{FESAT}} = \frac{45mA}{5} = 9mA$$

also für:

$$R_{b} = \frac{U_{E} - 0,7V}{I_{b}} = \frac{4,5V - 0,7V}{9mA} = 422\Omega$$

Im Datenblatt des Transistors steht unter "Collector Emitter Saturation 
Voltage" max 0,5V (und kein min Wert?). Muss ich also für die Berechnung 
der Vorwiderstände und für die Basiswiderstände 0,5V statt 0,7V 
verwenden?

Danke schonmal für eure Hilfe bin leider noch Anfänger,
Agrajag

P.S.
Die Schaltung, sowie Datenblatt der Transistoren und LEDs habe ich 
angehängt.

[MaWin (Gast)]

> Aber der 11-fache Strom wäre 308mA und das erscheint mir doch
> etwas zu hoch, vorallem da im Datenblatt unter "Peak Forward
> Current" 100mA angegeben ist.

Dann hättest du begreifen müssen, daß du hier aufhörst deine
Schaltung weiterzuverfolgen, da die LEDs offenbar nicht
geeignet sind für 11-faches Multiplexing, sondern eben nur bis
zu 5-fach gemultiplext werden können.

> also bedeutet das, dass die 3,65V gar nicht erreicht werden sondern
> nur ca. 3,6V und also auch nur ein Pulsstrom von ca. 45mA?

Ja.

Genauer gerechnet:

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet2/3/06i96k727i3oloo2gis1ozg0jlyy.pdf

Uic1 hättest du mit 0.9V ansetzen sollen,
Figure 5 VBEsat bei 308mA bzw. deinen nach unten geschummelten 50mA
Uic2 mit 0.2V,
Figure 5 VCEsat (bei richtiogerweise 3.38A die deine Transis nicht 
aushalten) bzw. deinen nach unten geschummelten 550mA,
aber nicht  Ib/Ic=10 sondern 25 geschätzt
aber egal, in Summe ändert sich nix, geht nicht.

http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.8.1

[Helfer (Gast)]

> Kann ich die Schaltung also ohne Vorwiderstände betreiben?

Nein, deine Rechnung zeigt meiner Meinung nach, dass du mit den 5V und 
den 2-3 Annahmen an der Funktionsgrenze der Schaltung wanderst. Mir 
wären die 5V zu wenig, man hat keine Luft für das strombegrenzende 
Bauteil, den Vorwiderstand. Mit einer höheren Versorgungsspannung kommt 
man in den Bereich in dem ein Vorwiderstand greift. BTW. Die kritischen 
Annahmen besonders die Durchflussspannung würde ich durch Messungen 
absichern.

[Falk B. (falk)]

@Jakob H. (agrajag)

>Ich habe also erstmal probiert die Schaltung auf einen Puls-Strom von
>50mA auszulegen, da ich gelesen habe, dass die Helligkeit mit höherem
>Strom nicht mehr wirklich zunimmt, ist das richtig?

Ja, siehe LED-Fading.

>U_{F} = 3,65V

Könnte passen.

>also bedeutet das, dass die 3,65V gar nicht erreicht werden sondern nur
>ca. 3,6V und also auch nur ein Pulsstrom von ca. 45mA?

Nein, deine Spannung ist zu gering.

>Kann ich die Schaltung also ohne Vorwiderstände betreiben?

NEIN!

>Ich hatte erst an BC337 Transistoren gedacht, aber die sind mit 500mA
>wohl etwas zu klein.

Sehr knapp.

> Sind die BC635 denn geignet? Dort steht im
>Datenblatt "Collector Current Continious" 1A. Das sollte bei 550mA max.
>ja wohl reichen?

Ja.

>h_{FE} = 25

Ist OK.

>Im Datenblatt des Transistors steht unter "Collector Emitter Saturation
>Voltage" max 0,5V (und kein min Wert?). Muss ich also für die Berechnung
>der Vorwiderstände und für die Basiswiderstände 0,5V statt 0,7V
>verwenden?

0,7V, denn es geht dort ja um die Basis-Emitter-Spannung, nicht 
Kollektor-Emitter Spannung.

MFG
Falk

[Jakob H. (agrajag)]

Okay, also ich habe die Schaltung nochmal überarbeitet. Ich verwende 
jetzt zwei UDN2981A für die Zeilen und zwei ULN2803A für die Spalten.

Kann ich die Schieberegister mit 5V betreiben und damit die 
Darlington-Arrays beliefern, welche an 12V hängen?

Ausgelegt habe ich die LEDs nun nur für 40mA, also doppelten Nennstrom.
Damit komme ich auf:

$$U_{F} = 3,55V$$

$$I_{Spalten} = 40mA$$

$$I_{Zeilen} = 11 \cdot 40mA = 440mA$$

Sind die 440mA für den UDN2981A noch in Ordnung? Bzw welcher 
vergleichbare IC könnte etwas mehr ab?

Dann habe ich für die Berechnung der Vorwiderstände die 
"Collector-Emitter Saturation Voltage" aus den Datenblättern ausgelesen. 
Also für den UDN2981A:

$$V_{CE(SAT)} = 1,7V$$

und für den ULN2803A:

$$V_{CE(SAT)} = 0,8V$$

Sind das die richtigen Werte?

Also folgt für die Vorwiderstände:

$$R_V = \frac{U}{I} = \frac{V_{CC} - V_{CE(SAT)1} - V_{CE(SAT)2} - U_F}{I_{Spalten}} = \frac{12V - 1,7V - 0,8V - 3,55V}{40mA} = 148,75\Omega$$

also bietet sich ein 150 Ohm Widerstand an.

$$P_{V} = I_{Spalten}^2 \cdot R_{V} = (40mA)^2 \cdot 150 \Omega = 0,24W$$

Und wohl besser einen mit bis zu 1W Verlustleistung...

Kann das jetzt so funktionieren?

Danke schonmal für eure Hilfe!

[Falk B. (falk)]

@Jakob H. (agrajag)

>Kann ich die Schieberegister mit 5V betreiben und damit die
>Darlington-Arrays beliefern, welche an 12V hängen?

Ja.

>Ausgelegt habe ich die LEDs nun nur für 40mA, also doppelten Nennstrom.
>Damit komme ich auf:

>Sind die 440mA für den UDN2981A noch in Ordnung?

Ja.

>Bzw welcher vergleichbare IC könnte etwas mehr ab?

Keine Ahnung.

>V_{CE(SAT)} = 1,7V

Bei mir stehr bei 350mA typ. 1,8, max 2V. Ich würde mit 2V rechnen.

>und für den ULN2803A:

>V_{CE(SAT)} = 0,8V

Dito, ich hab hier im meinem Datenblatt eher 1,1V.

>Sind das die richtigen Werte?

Mehr oder weniger ja.

>also bietet sich ein 150 Ohm Widerstand an.

Ja.

>P_{V} = I_{Spalten}^2 \cdot R_{V} = (40mA)^2 \cdot 150 \Omega = 0,24W

>Und wohl besser einen mit bis zu 1W Verlustleistung...

0,5W reichen, man muss es nicht übertreiben.

>Kann das jetzt so funktionieren?

Ja. Sehr gut sogar. Aber deine LEDs kriegen dann nur noch 40/11 = 3,6mA 
ab, das ist recht bescheiden. Aber mehr bringt dein UDN2981 nicht. Also 
raus damit und MOSFETs rein, dann reichen auch fast 5V wieder. Dann 
verheizt man auch nicht soviel sinnlose Leistung. Schalte deine Matrix 
elektrisch anders, z.B. als 5x24, dann kannst du viel leichter MUXEN. 
Die mechanische Anordnung der LEDs ist ja davoon unabhängig.

MFG
Falk

[MaWin (Gast)]

> Ich verwende jetzt zwei UDN2981A für die Zeilen und
> zwei ULN2803A für die Spalten

Besser kann man LERNRESISTENT nicht ausdrücken.

[Jakob H. (agrajag)]

Falk Brunner schrieb:
>>V_{CE(SAT)} = 1,7V
>
> Bei mir stehr bei 350mA typ. 1,8, max 2V. Ich würde mit 2V rechnen.

es leuchten ja nicht immer alle LEDs deswegen habe ich den Mittelwert 
genommen, aber macht schon mehr Sinn mit dem Maximum zu rechnen ;)

>>und für den ULN2803A:
>
>>V_{CE(SAT)} = 0,8V
>
> Dito, ich hab hier im meinem Datenblatt eher 1,1V.

die 1,1 stehen bei 100mA aber da ja nur 40mA fließen hab ich probiert 
den Wert aus dem Diagram zu lesen, aber dort ist das genau beim "Knick" 
der Kurve also etwas schwer zu erkennen...

MaWin schrieb:
>> Ich verwende jetzt zwei UDN2981A für die Zeilen und
>> zwei ULN2803A für die Spalten
>
> Besser kann man LERNRESISTENT nicht ausdrücken.

weiße LEDs mit großem Abstrahlwinkel, hohem Puls-Strom und nicht zu 
teuer sind gar nicht so leicht zu finden.  Außerdem steht ja unter 
LED-Fading, dass mehr Strom die LEDs nicht wirklich viel heller 
macht.

Ich würde allerdings schon gerne auf die 100mA maximalen Pulsstrom 
kommen. MOSFETs werde ich mir mal ansehen, aber die sind ja auch relativ 
teuer und groß :(

Gibt es denn kein Darligton Array ähnlich dem UDN2981A, welches 1A 
aushält?

[Michael D. (michaeld)]

>Gibt es denn kein Darligton Array ähnlich dem UDN2981A, welches 1A
>aushält?

da kannste mal die datenblätter durchsuchen

http://www.chipcatalog.com/Cat/821.htm?start=51