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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Infrarot Flash für 336 LEDs mit 455Khz Modulation


Autor: Ramon Hofer (ramhofer)
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Hallo zusammen

Ich hoffe, ich kann mein Problem hier gut darstellen. Es geht um 
folgendes:

Ich möchte möglichst mit einem Standard-Schaltnetzteil 336 IR-LEDs mit 
455KHz Modulierten Pulsen (Länge 92us) jede ms flashen lassen. Ich 
verwende TSOP7000 IR ReceiverDemodulatoren.
Ich werde 336 SFH4258 LEDs benutzen und möchte diese mit 100mA 
betreiben. Nun geht es darum, eine sinnvolle und stabile Ansteuerung zu 
finden, die möglichst wenig Verlustleistung produziert.
Zusätzlich habe ich noch geometrische Einschränkungen:
Die LEDs werden auf 42 Boards (8 LEDs je Board) und ich möchte das 
Layout aller Boards gleich halten.

Reiner Energieverbrauch aller LEDs wird (180mW pro LED) ca. 60W 
betragen.

Konstante LED Ströme kann ich ja wie folgt erreichen:

1. Vorwiderstand (bei nicht allzu schwankender Betriebsspannung)
2. Konstantstromquelle mit J-FET
3. Konstantstromquelle mit Linearreglern
4. Konstantstromquelle mit Schaltregler

- Vorwiderstände haben eine hohe Verlustleistung
- J-FET gibt es fast nicht für Ströme >30mA
- Linearregler haben eine hohe Verlustleistung und sind teurer als 
Widerstände
- Schaltregler sind träge (455Khz)

Vorwiderstand ist aus meiner Sicht der Favorit, da billig und einfach zu 
realisieren.

Meine erste Idee wäre nun je 8 LEDs in Serie pro Board. Das Ganze an 
15V. (z.B. ein Netzteil wie LS100-15 bei conrad) Somit 30 Ohm 
Vorwiderstand und 0.3W Verlustleistung pro Strang! Das heisst 12.4W 
Verlust für das ganze System. Natürlich habe ich nur einen mittlere 
ONtime von 2.4% wegen der Modulation und der Pulsfrequenz. Und somit 
einen Verlust von nur 0.3W. Aber auslegen sollte ich es für eine ONtime 
von 100%, falls mal ein codefehler alle einschaltet. ;)

Schalten würde ich das ganze über einen Logic Level FET z.B. den IRL530, 
der am Mikrokontroller hängt. Schalten muss er nämlich bis zu 4.2A und 
das mit fast 0.5Mhz. Nach Datenblatt hat er eine Risetime von 53ns, was 
genug ist für die Flanke der Modulation.


Was meint ihr dazu? Kann das funktionieren oder alles Blödsinn? 
Verbesserungsvorschläge?


Vielen Dank für Hilfe und Kritik

Ramon

Autor: Gerd Vg (gerald)
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Hallo Ramon,

warum nimmst Du nicht einfach richtige LED-Treiber für den 
Konstantstrom?
Da brauchst Dich um nichts kümmern, keine Widerstände oder sonstiges 
Hühnerfutter.
Meine Schaltung hat 1200 LED's und keinen Widerstand im Stromkreis.

Gruss

Gerd

Autor: Ramon Hofer (ramhofer)
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Hallo Gerd

Was für Bausteine verwendest du denn? Musst du auch so hoch takten?

Ich hatte auch mal ein bisschen gesurft bezüglich 
Konstantstrom-LED-Treiber und bis jetzt noch nichts Passendes gefunden. 
Soweit ich das verstanden habe, funkionieren diese Treiber meist mit 
fixer PWM Regelung. Und die will ich selber machen, da ich eine Frequenz 
von 455Khz einhalten muss.

Grüsse

Ramon

Autor: Ramon Hofer (ramhofer)
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Hab grad so was in der Art gefunden:
Allegro A6260. Jedoch ist dieser sehr langsam und kann nur PWM bis ca. 
8.3 Khz.

Oder der A6282. Den muss ich dann aber mit einem seriellen Bus 
ansprechen. das will ich nicht.

hmm ich suche weiter, wäre froh um Input ...

danke allen

Ramon

Autor: Ich (Gast)
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Eine einfache diskrete Konstantstromquelle, die über die Modulation 
gesteuert wird, tut es doch eigentlich auch. Das alles immer so 
kompliziert realisiert werden muß^^

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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455KHz ist HF, da wird es schon kritisch mit deinen Leitungen zu den 
LED´s.
Alles andere als einfach würde ich mal so behaupten.
Wie wäre es mit eine HF-Sendeverstärker aus den Amateurfunk?

Gruß Anselm

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Anselm 68 (anselm68)

>455KHz ist HF, da wird es schon kritisch mit deinen Leitungen zu den
>LED´s.

Ach Kindchen, sei nicht albern. Das ist bestenfalls zappliger 
Gleichstrom.

>Alles andere als einfach würde ich mal so behaupten.

Jaja, nobelpreisverdächtig. ;-)

>Wie wäre es mit eine HF-Sendeverstärker aus den Amateurfunk?

Oder noch besser, ne Mikrowelle!

@OP

>Die LEDs werden auf 42 Boards (8 LEDs je Board) und ich möchte das
>Layout aller Boards gleich halten.

Ok, IR-LEDs haben so um die 1,2V Flußspannung, drei in Reihe also ~3,6V. 
Das Ganze drei Mal parallel ist leicht per Transistor schaltbar. Ein 
MOSFET wäre günstig, aber bei ~300mA nicht wingen. Strombegrenzung per 
einfachem Widerstand. Dasmit das Odulkonzept was wid noch einen 
einfachen Treiber vor den MOSFET, ein 74HC04 reicht, ggf. ein paar Gates 
parallel schalten, um den MOSFET schnell schalten zu können. Und pro 
Board einen kleinen Elko(47..220uF) und einen Keramik C (100nF). Das 
alles läuft dan sinnvoll mit 5V.

Die Boards werden dann mit Strom und dem Odulationssignal versorgt, 
wobei der Treiber für das odulationssignal schon bissel Dam pf haben 
muss, um 42 Eingänge zu treiben.

>Reiner Energieverbrauch aller LEDs wird (180mW pro LED) ca. 60W
>betragen.

Und was soll der Spass dann machen?

MFG
Falk

Autor: Sachich Nich (dude) Benutzerseite
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Falk for president!

Autor: Gerd Vg (gerald)
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Hallo Ramon,

ich verwende den Baustein AS1110/SSOP, davon brauche ich genau 4 Stück.
Die Daten werden seriell geladen, was anderes wirst in der heutigen Zeit 
auch nicht mehr so leicht finden. Dieser Baustein kann zwar pro Kanal 
nur max. 80mA, was mir aber locker reicht.
Per PWM lässt sich der Baustein auch betreiben.
Strom wird über einen Widerstand eingestellt, mach ich aber etwas 
anders.

Wenn Dein Baustein für die PWM-Frequenz zu langsam ist, lass doch die 
PWM über den Spannungspfad laufen.

Meine gesamte Schaltung besteht aus genau 12 Bausteinen und 16 Fet's 
...fertig.
Rest macht die Software im ATmega162.

Gruss

Gerd

Autor: Matthias (Gast)
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@ Anselm 68 (anselm68)

>>455KHz ist HF, da wird es schon kritisch mit deinen Leitungen zu den
>>LED´s.

>Ach Kindchen, sei nicht albern. Das ist bestenfalls zappliger
>Gleichstrom.

Wie geil ist das denn !!! :-)

>>Alles andere als einfach würde ich mal so behaupten.

>Jaja, nobelpreisverdächtig. ;-)

loooooooooooool

>>Wie wäre es mit eine HF-Sendeverstärker aus den Amateurfunk?

>Oder noch besser, ne Mikrowelle!

Mega Looooool

Autor: Sachich Nich (dude) Benutzerseite
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:D

Autor: Ramon Hofer (ramhofer)
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Hallo an alle

Vielen Dank für die Antworten.

Ich freu mich schon auf den Nobelpreis für die Infrarot Mikrowelle mit 
Hochfrequenz Wireless Link.

Ich denke, der Vorschlag von Falk könnte Zukunft haben. Hab mir auch mal 
überlegt pro Board zu schalten, das aber wieder Verworfen, da ich mehr 
Bauteile benötigen würde und mehr löten müsste. Ich denke aber, dass 
sich der "Aufwand" lohnt, da ich so das Schalten von 4.5A über 42 Boards 
mit 455Khz spare.

@ Falk:
Elko und C ist klar. Mir ist aber nicht ganz klar warum du mir einen HEX 
Inverter 74HC04 als Treiber empfiehlst. Welche Daten im Datenblatt 
sprechen für ihn? Und was meinst du wieviel "Dampf" braucht man denn für 
das Ansprechen von 42 Eingängen? Ich benutze einen ATMEGA644.

@Gerd:
Das sind coole Bausteine, jedoch fehlt bei mir schlicht und einfach eine 
freie serielle Datenleitung. Und ich möchte auch nicht noch ein lustiges 
neues Protokoll implementieren um LEDs an- und aus zuschalten, obwohl 
dies natürlich coole Möglichkeiten bietet


Was soll das ganze?

Ich habe eine Fläche Infrarot LEDs, die von hinten durch eine LC Matrix 
hindurch nach vorne pulsen. Damit synchronisiere ich Interaktionsgeräte 
vor dem Display oder "bescheine" Objekte, um sie zu tracken. Die LC 
Matrix absorbiert aber ne Menge IR Licht. Darum die vielen und "starken" 
LEDs.


Vielen Dank, ich bin froh um jede hilfreiche Antwort.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Ramon Hofer (ramhofer)

>Elko und C ist klar. Mir ist aber nicht ganz klar warum du mir einen HEX
>Inverter 74HC04 als Treiber empfiehlst.

Weil es den überall für wenig Geld gibt.

>sprechen für ihn? Und was meinst du wieviel "Dampf" braucht man denn für
>das Ansprechen von 42 Eingängen?

Pi Mal Daumen hat ein Eingang 10pF, macht schon mal 420 pF für die 
Boards. Rechen wir mal noch das Gleiche für die Verkabelung und Reserve 
sind wir bei knapp 1nF. Das ist schon ordentlich. Mit 20mA 
Treiberleistung (AVR und normale CMOS Gatter) dauert das Laden von 1nF 
auf 5V ca. 250ns. Das ist schon recht lange. Ich würde auch dort einen 
74HC04 einsetzen und alle Gatter parallel schalten. Erhöht die 
Treiberleistung und kann im Fehlerfall leicht ersetzt werden.

>Ich habe eine Fläche Infrarot LEDs, die von hinten durch eine LC Matrix

LC Matrix?

MFG
Falk

Autor: Ramon Hofer (ramhofer)
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Danke Falk

Ok ja für wenig Geld, dafür muss ich auf jedes der 42 Boards einen 14 
Pin Baustein mehr löten. Geht schon. Oder hast du grad Ideen für einen 
kleineren Baustein?

LC Matrix. Sorry. Liquid Crystal Matrix - Das ist die Scheibe, die das 
Bild in deinem Flachbildmonitor darstellt. Durch die 
Hintergrundbeleuchtung dahinter wird es erst sichtbar. Meine Matrix hat 
40" Diagonale und braucht darum so viele Boards...

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Ramon Hofer (ramhofer)

>Ok ja für wenig Geld, dafür muss ich auf jedes der 42 Boards einen 14
>Pin Baustein mehr löten.

Das brungt Löterfahrung ;-)

>Geht schon. Oder hast du grad Ideen für einen
>kleineren Baustein?

Naja, da gibt es Dutzende Möglichkeiten. Ein Single Gate vom selben Typ 
in SOT 23, sind nur noch 5 Pins an einem kleinen Gehäuse.

http://www.nxp.com/acrobat/datasheets/74HC_HCT1G04_4.pdf

Dann noch einen passenden MOSFET suchen, siehe Mosfet-Übersicht. 
IRF7103 ist recht klein und preiswert.

MFG
Falk

Autor: Norbert (Gast)
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Hi,

Zitat:
Schalten würde ich das ganze über einen Logic Level FET z.B. den IRL530,
der am Mikrokontroller hängt. Schalten muss er nämlich bis zu 4.2A und
das mit fast 0.5Mhz. Nach Datenblatt hat er eine Risetime von 53ns, was
genug ist für die Flanke der Modulation.

Daß die 53ns die theoretische Grenze sind und direkt am µC nicht 
ansatzweise erreicht werden können sollte vielleicht auch erwähnt 
werden.
Für anständige Flanken bei 455kHz und 4,3A brauchst Du da schon einen 
sehr potenten Treiber für das Gate. Z.B. IR2118.

Gruß,
Norbert

Autor: Ramon Hofer (ramhofer)
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Guten Morgen Zusammen

Vielen Dank für eure schnelle Hilfe. Ich bin sehr erfreut über euer 
promptes Engagement. Freut mich sehr.

@ Norbert
Danke für den Tipp. Hätte ich wahrscheinlich auch vergessen... Aber ich 
werde wohl Falks Idee verwirklichen.


Zusammenfassung:
Im Anhang habe ich die Schaltung mal skizziert.

Pro Board:
Ich habe also 4x2 Leds in Serie mit je einem 16 Ohm Widerstand. das 
Ganze über einen LogicLevel Fet (IRLML2402: 
http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir...) 
geschaltet. Als Treiber für den FET: Single Gate HEX Inverter 
(74HC1G04). C und ELKO als Puffer.

Gesteuert werden alle Boards mit einem weiteren HEX Interverter (74HC04) 
nach dem uP mit parallelgeschalteten Gates.


Habt ihr noch Verbesserungsvorschläge?

Vielen Dank für die konstruktive Hilfe.

Autor: Karl-heinz Strunk (cletus)
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Ramon Hofer wrote:

> LC Matrix. Sorry. Liquid Crystal Matrix - Das ist die Scheibe, die das
> Bild in deinem Flachbildmonitor darstellt. Durch die
> Hintergrundbeleuchtung dahinter wird es erst sichtbar. Meine Matrix hat
> 40" Diagonale und braucht darum so viele Boards...

Aber mit Infrarot?

Habe ich was verpennt?

Die Hintergrundbeleuchtung bei meinem TFT kommt von oben und unten, ist 
also alles andere als flächig.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Ramon Hofer (ramhofer)

>Habt ihr noch Verbesserungsvorschläge?

Dein N-Kanal MOSFET muss nach GND als Low Side Schalter. So wie sie ist 
funktioniert deine Schaltung nämlich nicht ;-)
Source an GND und Drain an die Kathoden der LEDs. Die Anoden über den 
Widerstand an +5V
Und wozu 12V?
5V reichen.
Bauteilwerte fehlen.

MFG
Falk

Autor: Hagen Re (hagen)
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So wie du das vorhast halte ich es ebenfalls für am einfachsten und 
unkompliziertesten.

Alllerdings stimmt deine nachfolgende Aussage nicht:

>Natürlich habe ich nur einen mittlere
>ONtime von 2.4% wegen der Modulation und der Pulsfrequenz. Und somit
>einen Verlust von nur 0.3W. Aber auslegen sollte ich es für eine ONtime
>von 100%, falls mal ein codefehler alle einschaltet. ;)

Deine Verlustleistung musst du in Relation zu Gesamtleistung setzen, 
also Prozentual. Wenn du nun noch eine Modulation ergo PWM mit 
einrechnest dann reduziert sich deine Gesamtleistung mit dem 
Tastverhältnis. Somit reduziert sich proportional deine 
Gesamtverlsutleistung, allerdings bezogen auf die Gesamtleistung 
reduziert sich diese Verlsutleistng eben nicht. Wenn bei 100% Dutycycle 
deine PWM also 60W Gesamtleistung und 12.5W Verlustleistung auftreten so 
bleibt dieses Ratio auch bei 50% Duty erhalten. Die Effizienz deiner 
Schaltung ändert sich also nicht.

Gruß Hagen

Autor: Ramon Hofer (ramhofer)
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UIUIUI.

@Falk
Da hab ich mich ja voll vertan mit dem Anschliessen der Komponenten. 
Danke fürs Richtigstellen. Sollte jetzt passen. 12V war noch von einer 
anderen Skizze... ;) Mann Mann...

@Hagen
Ja, klar. Die Effizienz ändert sich nicht, das sehe ich auch. Ich 
verbrate einfach insgesamt weniger Energie, da ich ja nicht die ganze 
Zeit einschalte, sondern nur 2.4% der Zeit im Mittel. Ich wollte damit 
wohl sagen, dass ich mit weniger Einschaltzeit auch weniger Energie in 
die Verluste stecke, obwohl diese natürlich prozentual immer gleich 
bleiben ...

@Karl-heinz
Ich glaube ich muss euch allen da mal ein bisschen mehr 
Hintergrund-Infos geben:
Hier ein Link zum Aufbau:
http://www.icvr.ethz.ch/research/projects/active/m...

Ich mache nun eine Erweiterung und zwar werden die Interaktionsgeräte 
nicht mehr durch einen Rahmen auf dem Display synchronisiert, sondern 
durch eben diese IR-LEDs die auf den ADCBoards/Sensorboards sitzen und 
durch die ganze Matrix hindurch pusten. Das ganze hat nichts zu tun mit 
der Hintergrundbeleuchtung.


Vielen Dank und Gruss an alle.

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