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Kondensator

2015-10-28T09:09:47Z

134.28.202.206: Rechtschreibekorrektur

Ein Kondensator ist ein passives Bauteil mit zwei Anschlüssen, welches elektrische Energie in einem elektrischen Feld speichert. Die charakteristische Größe, die den Kondesator beschreibt ist die Kapazität F.
Dieses Bauteil besteht aus zwei Flächen gut leitfähigem Materials, die jedoch voneinander isoliert sind. Das Isolationsmaterial ist ein Dielektrikum und verleiht dem Kondensator je nach Materialauswahl stark unterschiedliche Eigenschaften.

== Aufbau eines Kondensators ==
Wie oben beschrieben besteht ein Kondensator immer aus zwei leitfähigen - voneinander isolierten - Flächen. Je größer die Fläche, je geringer der Abstand der Flächen, und je höher das relativer Permittivität \varepsilon_r - das Dielektrikum - desto höher ist die Kapazität des Bauteiles. Der einfachste Kondensator besteht aus zwei voneinander isolierten Metallplatten, zwischen denen sich Luft als "Dielektrikum" befindet. Um die Fläche und damit die Kapazität zu vergrößern gibt es verschiedene Möglichkeiten:

=== Wickelkondensator ===
Die einfachste Methode die Flächen zu vergrößern ist es, zwei leitfähige Folien mit einem Isolationsmaterial dazwischen aufzuwickeln. Diese Methode wird für so ziemlich alle Kondensatortypen verwendet. Manchmal wird der Wickel nach der Herstellung flachgepresst, um das Volumen zu optimieren.

=== Schichtkondensator ===
Diese Aufbauart wird durch "stapeln" der unterschiedlichen Lagen erreicht. Verfahrenstechnisch ist dies oft wieder ein Wickel, jedoch meist auf bis zu 2 Meter durchmessenden Wickelrädern. Dieses ursprünglich von Siemens eingesetzte Verfahren wird auch aktuell noch verwendet, hauptsächlich für Folienkondensatoren bis in den mF-Bereich hinein. Nach dem Wickeln auf vieleckigen Räder wird der Folienstapel geschnitten und auf die gewünschte Größe = Kapazität getrennt.

== Kondensatortypen ==
(Vakuum-, Glimmer- und Glaskondensatoren nicht berücksichtigt)
=== Keramik-Kondensator ===
Siehe auch den Artikel '''Keramikkondensator in [https://de.wikipedia.org/wiki/Keramikkondensator#Spannungsabh.C3.A4ngigkeit_der_Kapazit.C3.A4t Wikipedia]'''.

Kerkos sind sogenannte "Vielschicht-Kondensatoren" die aus mehreren hundert Lagen einer isolierenden Keramik (Titandioxid+Bariumtitanat), und einer elektrisch leitfähigen Metallisierung bestehen (Aluminium & Magnesiumsilikate)bestehen.
Dieser Typ ist wie der Folienkondensator für höchste Frequenzen geeignet, hat eine sehr geringe Baugröße, eine gute Temperaturstabilität aber piezoelektrische Eigenschaften. Die Kapazität pro mm³ variiert je nach Dielektrikum Z5U, Y5V, X7R, C0 (in abnehmender Kapazitätsdichte) und ist sowohl abhängig von Temperatur als auch der angelegten Spannung.

=== Folien-Kondensator ===
Siehe auch den Artikel '''Folienkondensator in [https://de.wikipedia.org/wiki/Kunststoff-Folienkondensator Wikipedia]'''.

Unterschiedliche Folienarten verleihen dem Kondensator stark unterschiedliche Eigenschaften wie z.B. temperatur- und alterungsbeständigkeit, Verlustfaktor, Isolationswiderstand, und die obere Grenzfrequenz, um nur die wichtigsten zu nennen. Die Dicke der Metallisierung hingegen entscheidet über den maximal zulässigen Rippelstrom / Impulsstromfestigkeit und darüber, ob sich ein Kondensator "selbst heilen" kann, oder nicht. Das Verfahren der "Selbstheilung" funktioniert nur bei Metallisierungen, da es darauf beruht, daß die im C gespeicherte Energie den Metallbelag beim Durchschlag durch die Isolation verdampfen kann. Ist die Energie zu gering, wird nur wenig Metall um den Durchschlag verdampft, und der Kurzschluß bleibt bestehen. Ist die Energie zu hoch, wird der Kondensator thermisch zerstört. Hat der C den richigen Energiegehalt, verdampft direkt um die Durchschlagstelle herum bis zu einigen mm der Metallisierung, und die Fehlstelle ist wieder isoliert. Im Übrigen ist eine Parallelsschaltung aus vielen,als selbstheilenden C's nicht unbedingt mehr "selbstheilend" da der Energieeintrag dann aus dem Gesamtverbund kommt, und oft zu hoch ist um nur eine kleine Fläche verdampfen zu lassen.
Impulsstrom-feste Kondensatoren zeichnen sich durch hohe Schichtstärken der Metallisierung aus, oder verwenden statt der Metallbeschichtung direkt eine Metallfolie. Hier wäre normalerweise ein "selbstheilen" gleichbedeutend mit einem so hohen Energieeintrag, daß das Bauteil zerstört wird.

Hier eine kleine Übersicht mit der Bitte um Vervollständigung.

{| class="wikitable"
| '''Folien-Typ''' || Polypropylen || Polystyren || Polycarbonat ||Polyester|| Polystyrol || Polyethylennaphthalat || Polytetrafluorethylen || Polyphenylensulfid || Metallpapier
|-
| '''Markenname Folie''' || Hostalen || - || Makrofol, Makroflex || Mylar, Hostaphan || Styroflex || Kaladex|| Teflon|| Tedur, Ryton|| Papier
|-
| '''Abkürzung''' || PP || - || PC|| PET || PS|| PEN|| PTFE|| PPS|| -
|-
| '''Typ''' || (F)KP, MKP || - || KC, MKC || (F)KT, MKT || -KS, MKS || (F)KN, MKN|| -|| (F)KI, MKI|| MP
|-
| '''Temperaturfestigkeit [°C]''' || ca 105 || - || ca. 105 || 125..150 || - || 150 || -|| 150 || 85
|-
| '''Toleranz ca. +/- [%]''' || 1 || 1 || -|| - || - || -|| -|| -|| 20
|-
| '''Grenzfrequenz ca. [kHz]''' || 100 || 400 || -|| - || 1000 || -|| -|| -|| -
|-
| '''Selbstheilend''' || ja || - || -|| ja || - || -|| -|| -|| ja
|-
| '''Impulsbelastbarkeit''' || + || + || || + || -- || -|| -|| -|| +
|}
(MK) = metallisierte Folie, (F) = Metallbeläge z.B. Metallfolie (K) = Metallfolie+Kunststofffolie

=== Elektrolyt-Kondensator ===
Ein Elko unterscheidet sich hauptsächlich dadurch von anderen Kondensatoren, daß nur eine Elektrode aus einer Metallschicht besteht, die zweite aus einem festen, oder flüssigen Elektrolyten.

Siehe auch den Artikel '''Elektrolytkondensator in [https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrolytkondensator Wikipedia]'''.

==== Fest-Elektrolyt ====
Diese Bauteile bestehen aus Polymeren, Metalloxiden, Braunstein, ... und sind wie die Elkos immer gepolt.
Als Metalloxide ist Tantal sehr, und Niob noch weniger verbreitet.
Takos sind '''SEHR''' empfindlich gegenüber schnellen Spannungsanstiegen bzw. Überspannung und sollten nie ohne Vorwiderstand direkt an einer niederohmigen Quelle (Batterie) geladen/betrieben werden. Takos verbrennen im Fehlerfall mit einer Stichflamme, daher empfiehlt es sich eine deutlich höhere Spannungsfestigkeit zu wählen und - bei direktem Anschluß an eine niederohmige Quelle - zusätzlich ein Lade-Vorwiderstand einzubauen. Treten zusätzlich hohe Temperaturen auf, ist die Spannungsfestigkeit mindestens zu verdoppeln.
Kondensatoren mit Niob statt Tantal sind weniger verbreitet, und noch sehr teuer. Ihr Vorteil ist z.B. die Unempfindlichkeit gegenüber schnellen Spannungsanstiegen, sie können direkt an jeder Quelle betrieben werden.

==== Flüssig-Elektrolyt ====
Diese Bauteile bestehen aus zwei Lagen '''sehr stark angeätzter''' Aluminiumfolie - zur Vergrößerung der Oberfläche - und einem flüssigen (seltener "einem festen") Elektrolyten. Die zweite Folie kontaktiert gleichzeitig den Elektrolyten. Der Elektrolyt ist häufig auf Alkoholen basierend, aus/mit Schwefelsäure oder Glykol.
Die Alufolie wird nach den ätzen anodisch oxidiert. Die Eloxal-Schicht ist mechanisch belastbar, und stellt die '''einzige''' Isolation zwischen den beiden Anschlüssen dar. Die Oxidation der Alufolie wird je nach Hersteller bei ca. 140..165% der Nennspannung durchgeführt. Die Oxidschicht baut sich durch den Elektrolyten bei langer Lagerung stark ab, daher sinkt die Spannungsfestigkeit eines Elkos mit seinem Alter. Alte Bauteile können - sofern noch Elektrolyt enthalten ist - durch spannungsrichtiges Anschließen an eine Spannungsquelle und langsamen erhöhen der Spannung bis über die Nennspannung hinaus wieder "formiert" werden. Achtung, hier besteht die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen den Anschlüssen, daher hochohmigen Vorwiderstand verwenden!
Wird ein Elko verpolt betrieben, wird die Oxidschicht im Laufe der Zeit (Abhängig von Spannung und Temperatur) abgebaut, und der Kondensator schlägt durch.

=== Doppelschicht-Kondensatoren ===
Siehe auch den Artikel '''Superkondensator in [https://de.wikipedia.org/wiki/Superkondensator Wikipedia]'''.

Diese Bauteile werden unter Markennamen wie "Goldcap", "Ultracap" oder "Supercap" vertrieben, besitzen meist ein flüssiges Elektrolyt haben aber nicht besonders viel mit den o.g. "Elektrolytkondensatoren" gemeinsam. Dieser Kondensator besitzt Eigenschaften eines Kondensators und einer Batterie. Der "Kondensator" ist hier aus (im Gegensatz zum Elko) zwei Lagen einer einseitig metallisierten Aktivkohle, einem Separator, und einem Elektrolyten.
Das verwendete Elektrolyt erfüllt unter definierten Betriebsbedingungen die Funktion eines zusätzlichen Dielektrikums, und trägt zusätzlich zur ohnehin schon sehr großen Fläche der Aktivkohle, durch seine extrem dünne Schichtdicke, zur sehr hohen Kapazität bei.
Im Gegensatz zu einer Batterie kann der Doppelschichtkondensator Energie sehr schnell aufnehmen und abgeben, und altert dabei nur im geringen Maße. 500000 Lade-/Entladezyklen sind erreichbar, wenn die Spannung pro Zelle nicht überschritten wird. Normal sind hier 2,3..2,5V.

== Anwendungen ==
Hier wird für verschiedene Anwendungsfälle eine sinnvolle Lösung empfohlen.

{| class="wikitable"
| '''Anwendung''' || '''Beispiel''' || '''Empfohlener Typ''' ||'''Kommentar'''
|-
| Stromversorgung || Netzteil|| Elko||
|-
| Stromversorgung || Zwischenkreis|| Elkos, Folienkondensatoren||
|-
| Datenerhalt || || Doppelschichtkondensator ||
|-
| Energiespeicher|| digitale Schaltungen|| Kerko || z.B. 47nF pro IC bzw. Vcc-Anschluß
|-
| Hohe Impulsenergie x00ms || Impulsschweißgerät, (capacitive discharge)|| Elko (Folie)||
|-
| Impulsfeste Kondensatoren || Coils shrinker, Coilgun, Railgun|| Folie||MKT10 oder noch besser FKT1
|-
| NF-Filter|| PWM als DAC || Tako/Elko/Kerko ||
|-
| HF-Filter|| Beispiel || Styroflex-Folie ||
|-
| Audio || Kopplung || Folie ||
|-
| Vorwiderstand || Motorkondensator || MP oder Folie ||
|-
| Vorwiderstand || Kondensatornetzteil|| Kerko/Folie || Achtung, nur X2-Typen!
|}

== Mathematik zum Kondensator ==

Die Größe eines Kondensators ist seine Kapazität (Formelzeichen ''C''), die als Ladung (Formelzeichen ''Q'') durch Spannung (Formelzeichen ''U'') definiert ist.

<math>C=\frac{Q}{U}</math>

Die Einheit für die Kapazität ist Farad:

<math> [C]=F=\frac{As}{V}</math>

=== Reihenschaltung ===

Für eine Reihenschaltung von ''n'' Kondensatoren gilt:

<math>\frac{1}{C_{ges}}=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}+\dots+\frac{1}{C_n}</math>

<math>U_{ges}=U_1+U_2+\dots+U_n</math>

<math>I_{ges}=I_1=I_2=\dots=I_n</math>

===Parallelschaltung ===

Für eine Parallelschaltung von ''n'' Kondensatoren gilt:

<math>C_{ges}=C_1+C_2+\dots+C_n</math>

<math>U_{ges}=U_1=U_2=\dots=U_n</math>

<math>I_{ges}=I_1+I_2+\dots+I_n</math>

===Gespeicherte Energie ===

Die in einem Kondensator gespeicherte Energie lässt sich durch die Formel

<math> W=\frac{C}{2} \cdot U^2 = \frac{1}{2 \cdot C} \cdot Q^2 = \frac{U}{2} \cdot Q </math>

berechnen.

== Praxis ==

=== Polaritätszeichen ===

Elektrolytkondensatoren (Elkos) sind (in der Regel) gepolt, d. h. Gleichspannungspegel müssen in einer vorgeschriebenen Polarität angelegt werden, damit das Dielektrikum nicht zerstört wird. Bei Aluminium-Elkos wird dabei generell der Minuspol gekennzeichnet, bei kleinen Bauformen mit einem Strich, bei größeren Bauformen befinden sich u. U. auch noch Minuszeichen in diesem Strich eingebettet. Bei Tantal-Kondensatoren hingegen wird immer der Pluspol gekennzeichnet (nicht nur bei den SMD-Bauformen, aber auch bei diesen).

[[Bild:SMD-Elkos.jpeg]]

Die gezeigten Elkos haben folgende Werte:

* 220 µF, Spannungsfestigkeit 6 V
* 100 µF (<math>10 \cdot 10^7</math> pF), 16 V
* 22 µF, 10 V
* 1 µF, 35 V
* 2,2 µF (<math>22 \cdot 10^5</math> pF), 10 V

Die beim 100-µF-Kondensator zu findende Buchstabenschreibweise für die Spannungsfestigkeit ist wenig gebräuchlich, aber gelegentlich anzutreffen. Die Zuordnung ist:

{| class="wikitable"
| '''Buchstabe''' || e || G || J || A || C || D || E || V || H
|-
| '''Spannungsfestigkeit''' || 2.5V || 4 V || 6,3 V || 10 V || 16 V || 20 V || 25 V || 35 V || 50 V
|}

{| class="wikitable"
| '''Case Code''' (Bauform) || A || B || C || D
|-
| '''Länge''' (mm) || 3,2 || 3,5 || 6,0 || 7,3
|-
| '''Breite''' (mm) || 1,6 || 2,8 || 3,2 || 4,3
|-
| '''Höhe''' (mm) || 1,6 || 1,9 || 2,5 || 2,8
|-
| Maßtoleranz (mm) || 0,2 || 0,2 || 0,3 || 0,3
|}

=== Siebkondensator ===

Der Siebkondensator sitzt hinter einem Gleichrichter und hat die Aufgabe, aus einer gleichgerichteten, pulsierenden Spannung, eine annähernd konstante Gleichspannung mit nur wenig Welligkeit (engl. Ripple) zu machen. Er wird periodisch geladen und muss während der Ladepausen, wenn die Eingangssspannung vor dem Gleichrichter kleiner als die Ausgangsspannung ist, den Ausgang mit Strom versorgen. Man findet ihn in allen klassischen Netzteilen mit 50Hz Trafo. Als Daumenregel kann man sich merken, dass man pro 1A Ausgangsstrom ca. 10mF braucht, um eine Welligkeit von ca. 1Vpp zu erreichen.

Einen Siebkondensator findet man auch am Ausgang von Schaltnetzteilen, seine Aufgabe ist dort die gleiche. Allerdings sind die Schaltfrequenzen deutlich höher, typisch 50-500kHz. Darum muss dieser Kondensator einen besonders kleinen, effektiven Innenwiderstand besitzen (engl. ESR, Equivalent Series Resistance).

=== Entkoppelkondensator ===

Der Entkoppelkondensator hat die Aufgabe, die Versorgungsspannung nahe an einem IC für hochfrequente Ströme zu puffern (entkoppeln, engl. decoupling). Schnelle Digital- und Analogschaltungen benötigen vor allem beim Umschalten sehr schnell viel Strom, in der Größenordnung von Nanosekunden bis Mikrosekunden, je nach IC Milliampere bis Ampere. Diese müssen mit möglichst geringem Widerstand und Induktivität geliefert werden. Ein Stromversorgungsnetz auf einer Platine kann das meist nur unzureichend, dazu sind die Leitungen meist zu lang und damit die Induktivität zu hoch. Ein nah am IC platzierter Kondensator liefert diesen Strom für kurze Zeit, ohne dass die Spannung nennenswert einbricht. Die Entkopplung der Stromversorgung geschieht meist mehrstufig, d.h. es werden Kondensatoren verschiedener Arten und Kapazitäten eingesetzt, siehe [[Stromversorgung für FPGAs]].

Praktische Anwendung

* '''Jeder''' Digitalschaltkreis benötigt einen 100nF Keramikkondensator nah (kleiner 20mm) an den Anschlüssen von VCC und GND. Je schneller der IC schalten kann, umso wichtiger ist er.
* Für '''jedes''' Anschlusspaar von VCC und GND eines ICs muss ein Kondensator verwendet werden. Sparen geht hier oft schief!
* Für die Verbindung der Enkoppelkondensatoren zur Masse- bzw. Versorgungsfläche sollte man möglichst je Kondesator ein VIA benutzen und nicht über ein VIA mehrere Kondensatoren verbinden. Dadurch wird die parasitäre Induktivität vermindert.
* Schnelle Analogschaltkreise wie Operationsverstärker, [[Treiber]] etc. brauchen auch individuelle Entkoppelkondensatoren.
* Pi mal Daumen gilt: Je größer der Kondensator, umso weiter kann er von dem Verbraucher weg sein, da er auf Grund seines Innenwiderstands weniger HF-tauglich ist. Es ist somit nicht sinnvoll, einen 1000µF Elektrolytkondensator 10mm neben einen Digital-IC setzen zu wollen. Dort gehört der 100nF Keramikkondensator hin. Aber für die Stromversorgung von Motoren, Treibern und [[H-Brücken Übersicht|H-Brücken]] sind derartige großen Kondensatoren wichtig und sollten nicht zu weit entfernt sein.

=== Koppelkondensator ===

Koppelkondensatoren verbinden Verstärkerstufen. Dabei wird jedoch nur der Wechselanteil übertragen, kein Gleichanteil. Diese Kondensatoren müssen möglichst verzerrungsarm sein, vor allem im Audiobereich. Das wird durch die richtige Wahl des Dielektrikums erreicht.

=== Forumsbeiträge ===

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/43762 Abblockkondensator: Kerko (Keramik) oder Folie?]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/62576 Brennende Tantalkondensatoren]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/108865#963281 Kodierung (Umwandlung)]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/169958#1624840 Unterschied: Elektrolytkondensator vs. Tantalkondensator]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/195563#1915294 Unterschied: C0G vs. Glimmer]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/264347#2748845 Kurze Beschreibung verschiedener Folienkondensatoren]

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/108865#1356075 PC Tool zum Identifizieren von Kondensatoren]

== Weblinks ==

* [http://my.execpc.com/~endlr/index.html CapSite 2009] - Introduction To Capacitors
* [http://www.cde.com/catalogs/AEappGUIDE.pdf Aluminum Electrolytic Capacitor Application Guide] von CDE Cornell Dubilier
* Anwendungen
** [http://www.radio-electronics.com/info/data/capacitor/capacitor_types.php Capacitor types and their uses] (engl.)
** [http://www.planetanalog.com/features/showArticle.jhtml;jsessionid=23?articleID=199905522 Choosing and Using Bypass Capacitors] (dreiteilige Artikelserie) bei [http://www.planetanalog.com www.planetanalog.com]
** [http://www.vagrearg.org/?p=decoupling Decoupling by Example]
* Video-Tutorials
** EEVblog #33 – Capacitor Tutorial [http://www.eevblog.com/2009/09/26/eevblog-33-1of2-capacitor-tutorial-electrolytic-tantalum-and-plastic-film/ Teil 1: Electrolytic, Tantalum, and Plastic Film] und [http://www.eevblog.com/2009/09/26/eevblog-33-2of2-capacitor-tutorial-ceramics-and-impedance/ Teil 2: Ceramics and impedance]
* [http://www.maximintegrated.com/app-notes/index.mvp/id/5527 Tutorial] von Maxim, "Temperature and Voltage Variation of Ceramic Capacitors, or Why Your 4.7µF Capacitor Becomes a 0.33µF Capacitor", engl.
* [http://www.wima.de/DE/characteristics.htm Vergleichstabelle] der Eigenschaften von Folien- und Keramikkondensatoren, WIMA
* [http://portal.national.com/rap/Application/0,1570,28,00.html] Bob Pease: "Understand Capacitor Soakage to Optimize Analog Systems"
* [http://www.youtube.com/watch?v=AP_FSyWGpoE Youtube-Video zum Thema Abblockkondensatoren (Deutsch)]

[[Category:Bauteile]]
[[Category:Grundlagen]]

LED-Matrix

2014-06-08T11:48:33Z

134.28.202.206: /* Spezielle ICs */

In einer [[LED]]-Matrix sind jeweils die Kathoden und Anoden der LEDs in Zeilen bzw. Spalten verbunden. Der Vorteil besteht darin, dass weniger Kontakte nach außen geführt und angesteuert werden müssen, ebenso sinkt der Verdrahtungsaufwand im Modul bzw. auf der Platine. Die Ansteuerung erfolgt dabei im sogenannten Multiplexbetrieb. Prinzipiell kann man sowohl die Zeilen als auch die Spalten multiplexen. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf das Multiplexen von Spalten.

[[Bild:LEDmatrix_5x7.png|right|thumb|220px|Eine 5×7 LED-Matrix]]

==Multiplexbetrieb==

[http://de.wikipedia.org/wiki/Multiplexverfahren Multiplexverfahren (Wikipedia)]

Der Trick einer LED-Matrix besteht darin, dass jeweils immer nur eine Spalte wirklich leuchtet. Die anderen sind ausgeschaltet. Wird nun in schneller Folge jede Spalte einmal angeschaltet, so entsteht aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges ein scheinbar vollständiges Bild, bei dem alle LEDs gleichzeitig leuchten. Wird dieser Zyklus schnell genug durchlaufen, ist das Bild flimmerfrei, was ab ca. 100Hz erreicht wird. In Ausnahmefällen kann jedoch eine bewegte LED-Matrix auch bei höheren Multiplexfrequenzen als flimmernd erscheinen, z. B. LED-Bremsleuchten, LED-Anzeigen an Zügen oder Strassenbahnen.

Der Ablauf der Steuerung ist recht einfach:

#alle Spalten ausschalten, Muster für Spalte C1 an Zeilen R1..R7 anlegen, Spalte C1 einschalten
# Spaltenmultiplexzeit warten
#alle Spalten ausschalten, Muster für Spalte C2 an Zeilen R1..R7 anlegen, Spalte C2 einschalten
# Spaltenmultiplexzeit warten
#alle Spalten ausschalten, Muster für Spalte C3 an Zeilen R1..R7 anlegen, Spalte C3 einschalten
# Spaltenmultiplexzeit warten
#alle Spalten ausschalten, Muster für Spalte C4 an Zeilen R1..R7 anlegen, Spalte C4 einschalten
# Spaltenmultiplexzeit warten
#alle Spalten ausschalten, Muster für Spalte C5 an Zeilen R1..R7 anlegen, Spalte C5 einschalten
# Spaltenmultiplexzeit warten
# Zyklus beginnt bei 1.

Praktisch wird man dazu einen [[Timer]] per [[Interrupt]] verwenden, keine Warteschleifen.

[[Bild:LEDmatrix_timing.png|left|thumb|700px|Multiplexzeitdiagramm]]

{{Absatz}}

<div style="float:right; margin:1em;">
{| class="wikitable"
!LEDs || IOs || Vorwiderstände
|-
|16 || 8 || 4
|-
|64 || 16 || 8
|-
|1024 || 64 || 32
|}
</div>
Durch Einsatz der Multiplexverfahrens können mit relativ wenigen Ansteuerbauteilen (IO-Pins, Transistoren, Stromquellen) sehr viele LEDs gesteuert werden. Während bei direkter Ansteuerung für jede LED ein IO-Pin sowie eine Stromquelle bzw. Vorwiderstand benötig würde, ist in einer zweiachsigen LED-Matrix der Aufwand für die Bauteile deutlich geringer:

:<math>\text{Anzahl der Bauteile} = 2\text{Anzahl der LEDs pro Reihe}</math>
(bei quadratischer Matrix)
:<math>\text{Anzahl der Bauteile} = \text{Anzahl der LEDs pro Reihe }+\text{ Anzahl der LEDs pro Spalte }</math>
(bei rechteckiger Matrix)
{{Absatz}}

==Ansteuerung==

Der verringerte Aufwand an Bauteilen kommt jedoch nicht ohne Nachteile. Da jede Spalte in einer Matrix mit N Spalten immer nur für 1/N der Zeit für einen vollen Bildaufbau aktiv ist, muss in dieser Zeit die gleiche Lichtmenge (=Energie) abgegeben werden, damit die genauso hell erscheint, wie wenn sie konstant mit Strom versorgt wird. Dazu muss der N-fache Strom fliessen. Demensprechend müssen die Vorwiderstände bzw. Stromquellen dimensioniert sein. Doch das führt zu zwei Problemen.

# Der Pulsstrom durch eine LED kann nicht beliebig gesteigert werden. Genaue Angaben dazu gibt es im Datenblatt. Als grobe Abschätzung kann man sagen, dass die meisten LEDs bis etwa 1:10 gemuxt werden können, darüberhinaus werden die Pulsströme zu hoch (20mA Betriebsstrom => 200 mA Pulsstrom!). Die Steuerung von mehr als 10 Spalten ist dann zwangsweise mit einer Helligkeitsreduktion verbunden, hilft aber, große Matrizen quadratischer zu machen. 
# Die hohen Pulsströme verkraften die LEDs wirklich nur ganz kurz, sie brauchen die Ausschaltzeit um wieder abzukühlen! D.H. Die Ansteuerung des Multiplex darf NIE stehen bleiben, sonst brennen die LEDs durch! Für die Testphase der Matrix sowie Softwareentwicklung sollte man deshalb die Ströme stark verringern, die LEDs sind dann zwar wesenlich dunkler, überleben aber einen Softwareabsturz der Steuerung. Wenn am Ende alles getestet ist und man sich sicher ist daß die Steuerung funktioniert, kann man den Strom der Matrix wieder auf das volle Niveau erhöhen. Um ganz sicher zu gehen kann man einen Watchdog mit minimaler Laufzeit oder ein [[Monoflop]] verwenden, um im Fehlerfall die Stromversorgung bzw. Ansteuerung der LEDs abzuschalten.

Um die Helligkeit der LEDs im Multiplexbetrieb voll zu nutzen muss meistens ein höherer Strom geschaltet werden, als Mikrocontroller es können. Eine [[LED]] muss aufgrund ihrer Kennlinie an einer Stromquelle betrieben werden. Im einfachsten Fall ist das ein in Reihe geschalteter Widerstand an einer Spannungsquelle. Ob man die Zeilen oder Spalten einer Matrix multiplext ist im Prinzip egal, aber manchmal ist es schlicht logisch sinnvoller. So ist z.B. bei einer LED-Laufschrift mit 8 Zeilen und 40 Spalten es sinnvoll, die Zeilen mit 1:8 zu multiplexen und nicht die Spalten mit 1:40! Generell kann man das in einer Schaltung so erkennen. Die gemultiplexte Dimension hat vor den Leistungsschaltern keine Vorwiderstände bzw. Konstantstromquellen sondern geht direkt an die LEDs.

=== Direktbetrieb ===

In einigen Projekten im Internet sieht man LED-Matritzen, die direkt per Mikrocontroller angesteuert werden, ohne Transistoren zwischenzuschalten. Das geht praktisch nur mit Low-Current-LEDs, da reguläre LEDs aufgrund des geringen Stroms sonst zu dunkel wären.

=== Transistoren ===

Das ist der Normalfall. Man kann diskrete [[Transistor|Transistoren]] (z. B. BC846, BC337) benutzen.

Eine praktische Umsetzung kann man hier sehen. Q1-Q8 arbeiten als Emitterfolger ([[Transistor#Kollektorschaltung_(Emitterfolger)|Kollektorschaltung]]), darum gibt es hier auch keine [[Basiswiderstand | Basiswiderstände]]. Q9-Q13 arbeiten ganz einfach in [[Transistor#Emitterschaltung|Emitterschaltung]]. Dadurch braucht man nur NPN Transistoren, die Schaltung ist dadurch auch relativ schnell. Einziger Nachteil ist ein um ca. 0,5 V höherer Spannungsverlust an Q1-Q8 im Vergleich zu PNP-Transistoren in Emitterschaltung. Das spielt hier aber keine große Rolle, weil bei den roten LEDs mit 2,2V Uf noch ausreichend Spannung für den Vorwiderstand bleibt. Werden z.B. blaue LEDS mit bis zu 4V Uf eingesetzt, dann verbleibt für den Widerstand zuwenig Spannung. Dadurch ändert sich schon bei kleinsten Versorgungsspannungsschwankungen der Strom recht stark.

Ein Schieberegister ist im Prinzip ein Seriell-Parallel-Wandler.
Das hat mit Multiplexbetrieb eigentlich nichts direkt zu tun, es ist vielmehr eine Erweiterung der IO-Pins (siehe auch [[Porterweiterung mit SPI]] und [[AVR-Tutorial: Schieberegister]]). Wird ein Schieberegister ''nur'' zur Spaltenansteuerung verwendet, ergibt sich der angenehme Sonderfall, dass:
* Nur zum Weiterschalten der Spalte genau ''ein'' Schiebetakt erforderlich ist
** spart (etwas) Prozessorzeit
* die Daten- und Taktleitung für das Schieberegister für zwei weitere Matrix-Spalten zur Verfügung steht
** spart E/A-Anschlüsse am Mikrocontroller
** man kommt so einfach auf Spaltenzahl 10 (maximale Lichtausbeute der meisten LEDs) oder 18 (für RGB durch 3 teilbare Spaltenzahl)
** beim Umschaltvorgang per Zeilentreiber dunkeltasten sollte man ja sowieso
* ein einfaches Schieberegister ohne Ausgangslatch, etwa 74HC164, verwendet werden kann
** spart (etwas) Geld und Platz

Eine weitere Schaltung mit Schieberegistern ist im "Retro-Spiel zum Selberbauen" [http://www.elo-web.de/elo/entwicklung-und-projekte/ping-pong Ping-Pong] von Burkhard Kainka verwendet worden. Hier werden die 10 Zeilen mit Atmega8-Portpins über 100 Ω Widerstände [http://www.elo-web.de/elo/mikrocontroller-und-programmierung/ping-pong/ping-pong-selbst-programmieren] gegen 12 Schieberegister-Spalten zweier 4094D CMOS-ICs geschaltet, um eine Matrix aus 120 roten SMD-LEDs zu steuern.

[[Bild:LED_Matrix_8x5.png|thumb|right|250px|Multiplexansteuerung mit Schieberegistern und Transistoren]]

==== Berechnung ====

Will man nun seine Schaltung optimal betreiben, muss man ausrechnen wieviel Strom geschaltet werden muss. Wie oben bereits beschrieben, teilt sich der gemultiplexte Strom im Verhältnis 1:N auf die LEDs auf, in diesem Beispiel hier 1:5. Der Treiber für die Zeilen muss diesen im Extremfall kontinuierlich an jedem Ausgang zur Verfügung stellen, wenn nämlich alle LEDs der Matrix aktiv sind. Der Treiber für die Spalten ist pro Kanal nur 1:N der Multiplexzeit aktiv, muss aber währenddessen den gesamten Nennstrom der Matrix schalten können! Das sind schnell mal ein paar Ampere, wie die nachfolgenden Beispiele zeigen!

Gegeben:

*<math>I_{Nenn}</math>: Nennstrom der LEDs: 4mA
*<math>U_{F}</math>: Flußspannung der LEDs: 2,2V
*<math>N</math>: Multiplexverhältnis (Spalten): 1:5
*<math>S</math>: Zeilen in der Matrix: 8
* <math>U_{Sat}</math>: Sättigungsspannung des Low Side Transistors, hier Q9-Q13 mit ca. 0,7V
* <math>U_{BE}</math>: Basis-Emitter-Spannung des High Side Transistors, hier Q1-Q8 ca. 0,7V

Gesucht:
*<math>I_{Zeil}</math>: Dauerstrom der Zeilentreiber = Pulsstrom der LEDs
*<math>I_{Spl}</math>: Pulsstrom der Spaltentreiber
*<math>R_V</math>: Vorwiderstand für LED-Zeilen
*<math>P_V</math>: Verlustleistung der Vorwiderstände

<math>I_{Zeil} = I_{Nenn} \cdot N = 4mA \cdot 5 = 20mA</math>

<math>I_{Spl} = I_{Nenn} \cdot N \cdot S = 4mA \cdot 5 \cdot 8 = 160mA</math>

<math>R_V = \frac{U}{I} = \frac{Vcc - U_{Sat} - U_{BE}-U_F}{I_{Nenn} \cdot N}</math>

<math>R_V=\frac{5V-0,7V-0,7V-2,2V}{4mA \cdot 5} \approx 68 \Omega</math>

<math>P_V=I_{Zeil}^2 \cdot R = 20mA^2 \cdot 68 \Omega = 27mW</math>

{{Absatz}}

=== Treiber ===

Bei großen Anzeigen mit vielen LEDs werden die Pulsströme bisweilen schon recht hoch. Hier wird man dann mehr auf Treiber (z. B. ULN2803) zurück greifen. Vor allem die Schalter für die gemultiplexte Dimension, hier im Beispiel die Zeilen, müssen sehr große Ströme schalten.

[[bild:LED-Matrix-ULN-UDN.png|thumb|right|250px|Multiplexansteuerung mit integrierten Treibern]]

==== „Gemeinsame“ Katode oder Anode? ====
In einigen Fällen hat man die Wahl, ob man die Katoden oder die Anoden multiplext.
In einem solchen Fall ist grundsätzlich die Seite zu multiplexen (= „Spalte“, die Seite ohne Widerstände), bei der der Bahnwiderstand der Schaltelemente (Mikrocontroller-Ausgänge, Transistoren oder MOSFETs) kleiner ist.

Benutzt man als Spalten- und Zeilentreiber bipolare Transistoren oder MOSFETs (NPN bzw. n-Kanal für die Katoden und PNP bzw. p-Kanal für die Anoden), so sollten „gemeinsame“ Katoden gewählt werden, da NPN-Transistoren bzw. n-Kanal-MOSFETs grundsätzlich, sogar als Pärchen, die kleineren Bahnwiderstände haben.
Die größeren Bahnwiderstände der anderen Seite („Zeilen“) fallen dann nicht ins Gewicht, weil dort ohnehin Vorwiderstände erforderlich sind. In den drei nebenstehenden Schaltplänen ist es auch genau so gemacht.

Die Endlichkeit der Spalten-Bahnwiderstände führen zu Abhängigkeiten der Helligkeit einer LED zu den benachbarten LEDs, und dies ist selbstverständlich zu minimieren.

==== Berechnung ====

Gegeben:

*<math>I_{Nenn}</math>: Nennstrom der LED-Stränge: 15mA
*<math>U_{F}</math>: Flußspannung der LED-Stränge: 7V
*<math>N</math>: Multiplexverhältnis (Zeilen): 1:4
*<math>S</math>: Spalten in der Matrix 8
* <math>U_{IC1}</math>: Sättigungsspannung des Low Side Switch, hier IC1 mit ca. 1V
* <math>U_{IC2}</math>: Sättigungsspannung des High Side Switch, hier IC2 mit ca. 2V

Gesucht:
*<math>I_{Spl}</math>: Dauerstrom der Spaltentreiber = Pulsstrom der LEDs
*<math>I_{Zeil}</math>: Pulsstrom der Zeilentreiber
*<math>R_V</math>: Vorwiderstand für LED-Spalten
*<math>P_V</math>: Verlustleistung der Vorwiderstände

<math>I_{Spl} = I_{Nenn} \cdot N = 15mA \cdot 4 = 60mA</math>

<math>I_{Zeil} = I_{Nenn} \cdot N \cdot S = 15mA \cdot 4 \cdot 8 = 480mA</math>

<math>R_V = \frac{U}{I} = \frac{Vcc - U_{IC1} - U_{IC2}-U_F}{I_{Nenn} \cdot N}</math>

<math>R_V=\frac{12V-1V-2V-7V}{15mA \cdot 4}=33 \Omega</math>

<math>P_V=I_{Spl}^2 \cdot R_V = 60mA^2 \cdot 33 \Omega = 119mW</math>

60mA kann IC2 dauerhaft auf jedem Kanal liefern, 500mA Pulsstrom sind für IC1 schon die absolute Grenze laut Datenblatt. Der Spannungsverlust <math>U_{IC1}</math> und <math>U_{IC2}</math> ist bei diesen relativ alten ICs recht hoch, mit modernen MOSFETs erreicht man hier deutlich kleinere Werte und damit auch kleinere Verlustleistungen bzw. höhere Ströme.

{{Absatz}}

=== MOSFETs ===

Bei Strömen über 1A nimmt man heute meist [[FET|MOSFETs]].

[[bild:LED-Matrix-MOSFET.png|thumb|right|250px|Multiplexansteuerung mit MOSFETs]]

==== Berechnung ====

Die Berechnung erfolgt analog zum vorherigen Beispiel, nur mit dem Unterschied, daß die MOSFETs deutlich kleinere Spannungsabfälle zu verzeichnen haben. Damit die MOSFETs schnell schalten werden [[MOSFET-Übersicht| MOSFET-Treiber]] eingesetzt. Zur Not tun es aber auch Mikrocontroller-Ausgänge, die allerdings mit 5 V Speisespannung laufen sollten. Für die P-Kanal MOSFETs nutzt man hier im Beispiel einen echten [[MOSFET-Übersicht##Mosfet-Treiber | MOSFET-Treiber]], die N-Kanal MOSFETS kann man hier mit einem einfachen CMOS-Inverter ansteuern. Das geht bei kleinen Logic Level MOSFETs mit 1-2 nF Gatekapazität noch ausreichend schnell, bei größeren MOSFETs ist auch hier ein echter MOSFET-Treiber nötig. Der berühmt-berüchtigte Gatewiderstand {Serienwiderstand, typisch 22 Ω} kann hier entfallen, die Ausgänge einfacher CMOS-Inverter sind bereits hochohmig genug, um parasitäre Schwingungen zu dämpfen. Nimmt man für den Inverter einen HCT-Typ, so wirkt er gleichzeitig als [[Pegelwandler]] und die Matrix kann mit 3,3-V-Signalen angesteuert werden.

Gegeben:

*<math>I_{Nenn}</math>: Nennstrom der LED-Stränge: 25 mA
*<math>U_{F}</math>: Flußspannung der LED-Stränge: 9 V
*<math>N</math>: Multiplexverhältnis (Zeilen): 1:8
*<math>S</math>: Spalten in der Matrix: 8
*<math>R_{DS-ON, high}</math>: Einschaltwiderstand der High Side MOSFETs : 0,25 Ω
*<math>R_{DS-ON, low}</math>: Einschaltwiderstand der Low Side MOSFETs: 0,13 Ω

Gesucht:
*<math>I_{Spl}</math>: Dauerstrom der Spaltentreiber = Pulsstrom der LEDs
*<math>I_{Zeil}</math>: Pulsstrom der Zeilentreiber
*<math>R_V</math>: Vorwiderstand für LED-Spalten
*<math>P_V</math>: Verlustleistung der Vorwiderstände

<math>I_{Spl} = I_{Nenn} \cdot N = 25mA \cdot 8 = 200mA</math>

<math>I_{Zeil} = I_{Nenn} \cdot N \cdot S = 25mA \cdot 8 \cdot 8 = 1600mA</math>

<math>R_V = \frac{U}{I} = \frac{Vcc - I_{Spl} \cdot R_{DS-ON, high} - I_{Zeil} \cdot R_{DS-ON, low} -U_F}{I_{Spl}}</math>

<math>R_V=\frac{12V - 0,2A \cdot 0,25 \Omega - 1,6A \cdot 0,13 \Omega -9V}{0,2A} \approx 13 \Omega</math>

<math>P_V=I_{Spl}^2 \cdot R_V = 200mA^2 \cdot 13 \Omega = 520mW</math>

In diesem Beispiel wird der gesparte Spannungsabfall über den MOSFETs genutzt, um LEDs mit höherer Flußspannung in Reihe schalten, womit der Wirkungsgrad ansteigt. Liegt die LED-Betriebsspannung über 15V braucht man einen sogenannten [[Treiber | High Side Driver]], weil dann die Gates der P-Kanal MOSFETs nicht mehr direkt angesteuert werden können. Ein einfaches Beispiel findet man [http://www.mikrocontroller.net/attachment/34752/P_FET.png hier].

===Dimmen===

Multiplexen kann auch mit [[PWM]] kombiniert werden. Dabei ist die Multiplexzeit einer Spalte gleich der PWM-Periodendauer. Allerdings kann hier der Rechenaufwand für die CPU schon recht hoch werden, da die meisten Mikrocontroller nicht so viele PWM-Kanäle in Hardware zur Verfügung stellen und die PWM in Software nachgebildet werden muss ([[Soft-PWM]]).

Falls die Multiplexzeit klein genug gewählt wird, kann man in Grenzen auch per gezieltem Ein- und Abschalten in Grenzen eine Dimmfunktion erreichen. Um hier allerdings noch flimmerfreie Ergebnisse zu erzielen, sollte die Multiplexfrequenz mit den geplanten Dimmstufen multipliziert werden (bspw. 16 Dimmstufen bei 100 Hz Multiplexfrequenz = 1600 Hz angepasste Multiplexfrequenz), was die Rechenzeit wiederum schnell in die Höhe treiben kann. Dimmen selbst erreicht man dann mit entsprechend angepassten Schaltzeiten (bspw. 25% Helligkeit = 4x LED an, 12x LED aus bei insgesamt 16 Dimmstufen, dann von vorne).

In Anbetracht ausgeklügelter Soft-PWM-Algorithmen spielt dieser zweite Lösungsansatz nur eine untergeordnete Rolle, etwa:
* um Code zu sparen
* um Gate-Umladevorgänge bei geringen Helligkeiten zu minimieren

=== Spezielle ICs ===

Neben den typischen Treiberbausteinen für möglichst hohe Ströme, die weiter unten aufgeführt sind, gibt es auch noch integrierte Lösungen für das direkte Betreiben einer LED-Matrix an der [[SPI]] oder [[I2C]]-Schnittstelle. Beispiele sind hier MAXIM 7219 und 7221 oder AS1100-08/15-18 für 8x8 LED-Matrizen oder 8x8-Segmentanzeigen. Zwischen beiden Modi wird per Software gewechselt. Die ICs bieten einige Vorteile, wie automatische Dimmung und großzügiges Freischaufeln von CPU-Kapazität auf dem Mikrocontroller. Außerdem können die ICs dank SPI kaskadiert werden wie normale [[AVR-Tutorial: Schieberegister|Schieberegister]] und somit eine nahezu unbegrenzte Zahl an LEDs ansteuern. Allerdings ist der Strom für die integrierten Stromsenken auf etwa 50 mA begrenzt, was bei einigen Displays zu wenig sein kann. Hier muss man wieder Vor- und Nachteile abwägen. Weitere ICs bei [http://www.maxim-ic.com Maxim] umfassen Standardfälle wie 5x7 Matrizen oder 7-, 10-, 14-Segment LED-Anzeigen mit 4 bis 16 Stellen. Diese ICs gibt es dann allerdings leider nicht bei den [[Elektronikversender|Standardversandhändlern]].

{| class="wikitable"
!Bauteil || Beschreibung || Bezugsquelle
|-
|ULN2803 || 8fach NPN-Transistorarray, 500mA || Conrad
|-
|ULN2003 || 7fach NPN-Transistorarray, 500mA ||
|-
|UDN2981 || 8fach High Side Treiber, 500mA || Unter dem Namen: MIC2981 zu finden
|-
|TLC5921 || 16 Bit-Schieberegister plus Latch mit Konstantstromsenken, max. 80mA pro Ausgang ||
|-
|TLC5922
|| 16 Bit-Schieberegister plus Latch mit Konstantstromsenken, max. 80mA pro Ausgang Dimmung jedes einzelnen Kanals mit 7 Bit möglich, pinkompatibel zum TLC5921 ||
|-
|TLC5940 || 16 Bit-Schieberegister plus Latch mit Konstantstromsenken, max. 120mA pro Ausgang Dimmung jedes einzelnen Kanals mit 6 Bit plus 12 Bit PWM möglich, kompatibel mit AS1112 || mouser.com, [https://hbe-shop.de]
|-
|CAT4016
|| 16 Bit-Schieberegister/Latch mit Konstantstromsenken(max. 100mA), günstig || Farnell
|-
|TPIC6B595
|| 8-Bit Schieberegister + Leistungstreiber, 500mA ||
|-
|IRF7304 || 2fach P-Kanal MOSFET, 3,5A, SO-8 Gehäuse ||
|-
|MAX7219 || Seriell angesteuerter 8x8 Matrizentreiber, kompatibel mit AS110x ||
|-
|MAX7221 || Seriell angesteuerter 8x8 Matrizentreiber, kompatibel mit AS110x ||
|-
|AS1100-08 || Seriell angesteuerter 8x8 Matrizentreiber, kompatibel mit MAX72xx || [http://www.austriamicrosystems.com/AS1106 AS1106]
|-
|AS1115/17 || I²C angesteuerter 8x8 Matrizentreiber mit Diagnose & Tastenerkennung|| [http://www.austriamicrosystems.com/AS1115 AS1115]
|-
|AS1116/18 || Seriell angesteuerter 8x8 Matrizentreiber mit Diagnose|| [http://www.austriamicrosystems.com/AS1116 AS1116]
|-
|AS1119 || I²C angesteuerter 144LEDs Matrizentreiber mit Animationsspeicher, Diagnose und ChargePump||[http://www.austriamicrosystems.com/AS1119 AS1119]
|-
|AS1130 || I²C angesteuerter 132 LEDs Matrizentreiber mit Animationsspeicher, Scroll Funktion & Diagnose||[http://www.austriamicrosystems.com/AS1130 AS1130]
|-
|AS1112 || 15V 16Kanal LED Treiber, max. 100mA pro Ausgang Dimmung jedes einzelnen Kanals mit 6 Bit plus 12 Bit PWM möglich, Diagnosefunktion, kompatibel mit TLC594x ||[http://www.austriamicrosystems.com/AS1112 AS1112]
|-
|AS1121 || 30V 16Kanal LED Treiber, max. 40mA pro Ausgang Dimmung jedes einzelnen Kanals mit 6 Bit plus 12 Bit PWM möglich, Diagnosefunktion ||[http://www.austriamicrosystems.com/AS1121 AS1121]
|-
|AS1123 || 5V 16Kanal LED Treiber, max. 40mA pro Ausgang Low Power, Diagnosefunktion ||[http://www.austriamicrosystems.com/AS1123 AS1123]
|}

[[bild:LED-Matrix-TLC5921.png|thumb|right|250px|Multiplexansteuerung mit Special-ICs]]

==== Berechnung ====

Der TLC5921 und seine zahlreichen [http://focus.ti.com/paramsearch/docs/parametricsearch.tsp?family=analog&familyId=480&uiTemplateId=NODE_STRY_PGE_T Kollegen] von [http://www.ti.com Texas Instruments] bieten eine komfortable Möglichkeit zur Ansteuerung von LED-Matrizen. Der TLC5921 besitzt 16 Ausgänge, welche als [[Konstantstromquelle]] arbeiten. Der Konstantstrom wird dabei über einen Widerstand eingestellt. Es entfallen somit die Vorwiderstände. Der Vorteil ist, dass Schwankungen der LED-Flußspannung oder Versorgungsspannung ausgeglichen werden, ohne dass die Helligkeit der LEDs sich dabei ändert. Außerdem erlauben die besseren Typen der Baureihe wie z.B. der TLC5922 eine Dimmung der einzelnen Kanäle. Doch Vorsicht! Die zulässige Verlustleistung des ICs ist groß, ca. 4W mit ausreichender [[Kühlkörper#Die_Platine_als_Kühlkörper |Kühlung]], aber nicht endlos. Denn die Restspannung aus Betriebsspannung minus LED-Flußspannung fällt über dem IC ab! Als Minimum gilt je nach Strom 0,5-1V, welches über dem TLC5921 abfallen muss, damit er korrekt arbeitet. Nach oben wird die Grenze durch die Verlustleistung und max. Spannung von 17V gesetzt. Weiterhin ist zu beachten, dass hier das Multiplexing der Zeilen und Spalten vertauscht wurde.

Gegeben
*<math>I_{Nenn}</math>: Nennstrom der LED-Stränge: 10mA
*<math>U_{F}</math>: Flußspannung der LED-Stränge: 9V
*<math>N</math>: Multiplexverhältnis (Zeilen): 1:8
*<math>S</math>: Spalten in der Matrix: 8
*<math>R_{DS-ON, high}</math>: Einschaltwiderstand der High Side MOSFETs : <math>0,25\Omega</math>

Gesucht:
*<math>I_{Spl}</math>: Dauerstrom der Spaltentreiber = Pulsstrom der LEDs
*<math>I_{Zeil}</math>: Pulsstrom der Zeilentreiber
*<math>P_V</math>: Verlustleistung des TLC5921

<math>I_{Spl} = I_{Nenn} \cdot N = 10mA \cdot 8 = 80mA</math>

<math>I_{Zeil} = I_{Nenn} \cdot N \cdot S = 10mA \cdot 8 \cdot 8 = 640mA</math>

<math>P_V=I_{Spl} \cdot S \cdot U_{Rest} = I_{Spl} \cdot S \cdot (Vcc - U_F - I_{Zeil} \cdot R_{DS-ON, high})</math>

<math>P_V= 80mA \cdot 8 \cdot (12V - 9V - 640mA \cdot 0,25 \Omega) = 1{,}82W</math>

== Erweiterung zur Aktivmatrix ==
Für Matrizen mit großen und stark leuchtenden LEDs können die LEDs mit einem aktiven Vorschaltglied versehen werden, welches die Stromproblematik entschärft. Es wird für jede LED ein Transistor benötigt, dessen Basis / Gate von der LED-Ansteuermatrix gesteuert wird. Der kurze Impuls wird mithilfe eines Kondensators verlängert und die LED mit Strom versorgt. Statt der m+n Transistoren werden dann m*n Stück benötigt.

Der Strom ist damit länger verfügbar und bewirkt ein aktives Nachleuchten der LEDs. Damit müssen diese kaum noch mit Impulsbetrieb belastet werden.

Dieses Verfahren verringert Funkstörungen auf ein Minimum, kann jedoch nicht realistisch zum Dimmen verwendet werden.

== Siehe auch ==

* [[LED]]
* [[LED cube]]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/209988#new Forenbeitrag]: Nachleuchten beim Multiplexen vermeiden

== Weblinks ==

* [http://www.mikrocontroller.net/search?query=%2Bled+%2Bmatrix&forums%5B%5D=1&forums%5B%5D=2&forums%5B%5D=4&forums%5B%5D=6 Beiträge zum Thema LED-Matrix im Forum]
* [http://members.ziggo.nl/electro1/avr/dotmatrix.htm Dotmatrix mit ATtiny2313 ansteuern, engl.]
* [http://www.braindrum.de/tools/leddotmatrix/leddotmatrix.htm LED-Dotmatrix mit ATmega16 ansteuern]
* Open Project [http://www.tiletoy.org/ TileToy] is a modular, electronic game prototype for tangible LED game tiles (PIC). [http://www.youtube.com/watch?v=XVmhlLvJNHc Youtube-Video]
* [http://www.kalanda.com/scroller-de-7x5-leds-basado-en-micro-attiny2313.html Eine 5x7 Matrix mit ATtiny2313 angesteuert, spanisch]
* [http://www.saccade.com/writing/projects/Puzzlemation/Puzzlemation.html Modulare Dotmatrixanzeige, engl.]
* [http://spritesmods.com/?art=ledmatrix Dotmatrix, engl.]
* [http://www.harbaum.org/till/ledmatrix/ Große LED-Matrix mit RS232 Ansteuerung, engl.]
* [https://www.das-labor.org/wiki/Blinken_Borgs Blinken_Borgs] Diverse Projekte von ''Das Labor''
* [http://www.werkzeugh.at/intern/deflatable-led-matrix/ Eine aufblasbare LED-Matrix!]
* [http://metalab.at/wiki/MetaLEDs 8x48 LED-Matrix]
* [http://www.das-labor.org/wiki/Blinken_Borgs LED-Würfel mit 5^3 RGB-LEDs]
* [http://www.ulrichradig.de/home/index.php/avr/avr-mega-dis LED-Matrix bei Ulrich Radig]
* [http://www.elo-web.de/elo/entwicklung-und-projekte/ping-pong/laufschrift Eine kleine Laufschrift auf der Ping-Pong-Platine] von Sascha Bader (C, Atmega8)
* [http://www.sparkfun.com/tutorials/47 12 Fuß (3,6m) Wanduhr auf Sparkfun.com]
* [http://www.decadecounter.com/vta/articleview.php?item=879 Gigantic 5x7 LED Matrix] by AnubisTTP
* [http://klautesblog.blogspot.com/search/label/LED%20Matrix Mikes LED Matrix (21 x 21 LEDs)] by klaute
* [http://blinkenlights.net/ Blinkenlights] keine LEDs, aber groß (CCC)!
* Die riesige LED Tafel am [http://money.howstuffworks.com/nasdaq-marketsite-tower.htm Time Square] in New York, 105m hoch und 1 MW Spitzenverbrauch!
* Nochmal ein Artikel zur [http://bits.blogs.nytimes.com/2008/11/20/towering-led-sign-will-light-times-square/ Time Square LED-Wand]
* [http://wiki.niftylight.de niftylight] open-source Software um LED Matrix Ansteuerung zu erleichtern
* [http://www.dsw-elektronik.de/Dot-mat1.html DSW-Elektronik], Hersteller elektromechanischer Matrixelemente
* [http://www.crafted.de/photonenbanner.php LULI Photonenbanner 96x24]
* [http://www.ehajo.de/themes/kategorie/detail.php?artikelid=80 Blinkenlights-Bausatz von eHaJo, Atmega8u2 mit 8x8 LEDs]
* [https://sites.google.com/site/artcfox/demystifying-the-tlc5940 demystifying-the-tlc5940] Umfassende Erklärung zur Ansteuerung eines TLC5940, engl.

[[Category:Displays und Anzeigen]]