LEDs: Konstantstrom-Multiplexing. Schaltung & Teile so ok?

[A. S. (rava)]

Hallo Leute,

Manch einer hat es verfolgt: Ich möchte eine LED-Bargraphanzeige mit 
einem Mikrocontroller realisieren. Dazu wird für 31 LEDs ein 8x4 
Multiplexer aufgebaut.

Meine Schwierigkeit ergibt sich dadurch, dass ich mir weiße LEDs in den 
Kopf gesetzt habe. Ich werde sie mit 30mA-40mA betreiben, weswegen ich 
davon ausgesehen muss, dass an ihnen bis zu 4V abfällt. Das wird also 
knapp, da ich nur 5V zur Verfügung habe

Nach Abwägung einiger Optionen und viel Mithilfe hier im Board habe ich 
mich entschieden, die Spalten mit Konstantstromquellen zu treiben - dazu 
habe ich die "Konstantstromquelle mit bipolaren Transistoren" aus dem 
mikrocontroller-Artikel aus PNP-Transistoren vorgesehen. Jetzt können 
für die Zeilen einfach NMOSFETs mit niedrigem Widerstand verbaut werden.

könnt ihr mal einen Blick auf meinen Schaltplan werfen? Mein Plan war, 
die KSQ ohne einen zusätzlichen Transistor (mit zusätzlichem 
Spannungsabfall) schaltbar zu machen, indem ich den Basisstrom von Q1 in 
den Mikrocontroller fließen lasse, sobald die KSQ aktiviert sein soll.

Wenn ihr meint, die Schaltung ist so ok, geht es an die Auslegung der 
Bauteile. R1 wähle ich 22 Ohm, um mit den 0.7V der BE-Spannung von Q2, 
die parallel liegen gut 30mA zu erzeugen. Soweit klar. Für 45mA wähle 
ich stattdessen 15 Ohm. Beides ist laut Datenblatt für die LED okay, da 
ich ja einen duty cycle von 25% habe.
Allerdings kann bei 0°C die LED-Spannung für 45mA noch eine Hausnummer 
größer werden, und da hätte ich bei den Fertigungstoleranzen Bedenken, 
es so weit an die Grenze zu treiben. Andererseits wird 20°C wohl 
Untergrenze sein - vor allem wenn die LED leuchtet.
Das Auge soll keine Helligkeitsunterschiede wahrnehmen können!

Laut LTspice hat es aber noch einen ziemlichen Einfluss auf den 
Arbeitspunkt, wie groß R2 ist. Mit den 4.7k aus dem Artikel komme ich 
nicht weit - ich bin durch Experimentieren auf 1k herunter gegangen.
Ist das ein sinnvoller Wert?

fällt euch noch irgendetwas zu dem Thema ein?

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Moin,

A. S. schrieb:

> könnt ihr mal einen Blick auf meinen Schaltplan werfen? Mein Plan war,
> die KSQ ohne einen zusätzlichen Transistor (mit zusätzlichem
> Spannungsabfall) schaltbar zu machen, indem ich den Basisstrom von Q1 in
> den Mikrocontroller fließen lasse, sobald die KSQ aktiviert sein soll.

Klar, das ist Standard. Kein Grund da noch einen weiteren Transistor zu 
ver(sch)wenden.

> Wenn ihr meint, die Schaltung ist so ok, geht es an die Auslegung der
> Bauteile. R1 wähle ich 22 Ohm, um mit den 0.7V der BE-Spannung von Q2,
> die parallel liegen gut 30mA zu erzeugen. Soweit klar. Für 45mA wähle
> ich stattdessen 15 Ohm. Beides ist laut Datenblatt für die LED okay, da
> ich ja einen duty cycle von 25% habe.
> Allerdings kann bei 0°C die LED-Spannung für 45mA noch eine Hausnummer
> größer werden, und da hätte ich bei den Fertigungstoleranzen Bedenken,
> es so weit an die Grenze zu treiben.

Unabhängig davon, für welchen Strom du R1 dimensionierst: wenn die 
Spannung ausgeht, dann passiert nichts schlimmes. Zumindest nichts 
schlimmeres, als daß weniger Strom fließt und die LED dann dunkler 
leuchtet.

Die KSQ selber braucht mindestens die U_be des oberen Transistors plus 
U_cesat des unteren (also der, der den Strom der LED schaltet). Für 
besonders niedrige Spannung würde man für den zweiten Transistor also 
einen  Typ mit besonders niedriger Sättigungsspannung nehmen. Der BC857 
ist kein ausgesprochenes U_cesat Wunder, aber wenn ihn ordenlich 
übersteuert (I_c:I_b = 20:1) dann kommt er laut Datenblatt immerhin auf 
ca. 300mV, über alles also knapp 1V für die KSQ. R2=1K ist insofern 
tatsächlich die bessere Wahl.

Das Datenblatt deines Zeilentreibers habe ich jetzt nicht nachgesehen. 
Aber das grundlegende Auswahlkriterium war dir vermutlich klar: 
möglichst wenig R_dson bei Ansteuerung mit 5V. Wieviel Spannung an 
dieser Stelle maximal verloren geht, kannst du dir ebenfalls einfach 
selber ausrechnen.

> Das Auge soll keine Helligkeitsunterschiede wahrnehmen können!

Das wird schwer auf das jeweilige Auge ankommen. Generell ist das 
menschliche Auge gar nicht fähig, eine absolute Helligkeit wahrzunehmen. 
Bei Helligkeitsunterschieden ist das etwas anderes. Aber wenn du sehr 
viele solcher Boards aufbaust, hast du ja entsprechend viele LED und 
kannst die vorher auf Flußspannung ausmessen. Wenn du dann pro Board 
jeweils gut zueinander passende Exemplare verwendest, hast du schon mal 
gute Karten. Zwischen den Boards sollte der Abstand dann wieder groß 
genug sein, um kleine Schwankungen unsichtbar werden zu lassen.

Um mal eine Hausnummer zu nennen: bei LED-Displays der Consumerklasse 
wird ein "matching factor" von 0.5 .. 0.8 zwischen den Segmenten 
angegeben. Das ist das Verhältnis des dunkelsten und hellsten Segments. 
Und das ist unter Normalbedingungen kaum sichtbar.


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