LED Matrix Ansteuerung dimensionieren

[Max H. (maxel)]

Hallo zusammen,

ich habe mit einem Freund zusammen ein LED Matrix Projekt angefangen und 
beim ausprobieren verschiedener LEDs haben wir uns entschieden das ganze 
mit 3*1W RGB high power LEDs zu probieren. Die Drei LEDs laufen jeweils 
so ungefähr bei 350mA und 3V. Und es soll eine 5x5 Matrix werden.
Beim durchrechnen ist mir dann bewusst geworden mit was für Strömen wir 
es zu tun bekommen.
Wenn alle LEDs auf voller Leistung laufen wären das dann (mit den 
Bezeichnern wie hier: 
http://www.mikrocontroller.net/articles/LED-Matrix)

I=S*3*I_F*N=5*3*350mA*5=26.25A

Die Frage ist ob die LEDs gepulst überhaupt mit dem 5-fachen Strom 
betrieben werden können. Aber darüber will ich mir erstmal keine 
Gedanken machen :)
Der Pulsstrom sollte wahrscheinlich sowieso ein wenig kleiner gewählt 
werden aber auch wenn nur die hälfte des Strom fließt ist es ne Menge. 
Wir wollen das ganze nun mit einem Atmega8 schalten. Bei den 
Überlegungen zur Transistor und Treiberwahl bin ich nun auf einige 
Probleme gestoßen.

Hier erstmal die Teile die ich bestellt habe (mal wieder ein wenig 
unüberlegt):
- Die LEDs haben wie gesagt 3*350mA bei 3V. Die Anode ist 
kurzgeschlossen.
- Transistoren IRFZ 48N und IRF 4905
- Treiber ICL 7667

Bei den LEDs wäre es sicher sinnvoller gewesen common cathode LEDs zu 
nehmen da nun in den Transistoren, die gegen die Versorgungsspannung 
schalten im Maximalfall der 3-fache Strom fließt und hier ein p-FET 
verwendet wird. Ich würde es aber gerne mit den LEDs machen, die wir 
haben.

Ich möchte die LEDs nun mit 5V betreiben und da stellt sich mir die 
Frage wie genau die high-side Treiberschaltung aussehen muss. Denn der 
IRF 4905 braucht etwa 10V um richtig durchzuschalten.
Prinzipiell würde mich interessieren ob die high-side Schaltung so 
funktionieren würde wie im angehängten Bild in der linken Variante. Dort 
habe ich auch für die LEDs 12V Versorgung angenommen. Am Treiberausgang 
(in der Schaltung IR4427, soll aber der ICL7667 sein) liegen nun 
entweder 12V (der Transistor sperrt) oder 0V der Transistor leitet.
Ich bin durch diesen Satz im Artikel zu den Treibern etwas verwirrt 
worden: "Der Versorgungsspannungskreis muss isoliert zur restlichen 
Beschaltung aufgebaut werden."
Das ist in diesem Fall aber nicht nötig oder?

Da ich aber die LEDs mit 5V betreiben möchte stellt sich die Frage wie 
ich das realisieren könnte. Mir schweben da 2 Varianten vor.

- So wie im angehängten Bild die rechte Schaltung. Ich schließe am 
Treiber auch 5V an die Versorgung an und -5V an den Massepin. Dann 
fallen über Gate-Source vom Transistor -10V ab wenn er durchschaltet. 
Die -5V bekomme ich direkt vom Netzteil. Geht das so?

- Wenn ich Logic-level Fets nehme könnte es auch wie in der linken 
Schaltung aber mit 5V Versorgung gehen. Z.B. mit 2 von diesen 
Transistoren parallel: http://www.mikrocontroller.net/part/IRF7416. Bei 
jedem komme ich mit VGS=-4.5 und VDS=-0.3V auf etwa 9A. Dann würden über 
jedem Transistor 2.7W verbraten was er gepulst aushält.

Da die LEDs mit nur etwa 100Hz gepulst werden dürfte es bei der 
Treiberleistung kein Problem geben. Ich komme auf
P_treiber=5*C_iss*U_G^2*f_schalt=5*3.4nF*(10V)^2*100Hz=170µW

Ergibt das alles irgendwie Sinn? :)
Könnte man das auf eine dieser Arten realisieren? Geht es anders 
einfacher/besser?

Ich würde mich freuen wenn ihr mir ein paar Tipps geben könntet!
Tut mir Leid, dass ich so viel geschwafelt hab :D

Max

[MaWin (Gast)]

> Aber darüber will ich mir erstmal keine Gedanken machen :)

Solltest du aber.

> - Transistoren IRFZ 48N und IRF 4905

Ein IRF4905 kann nicht an 5V geschaltet mit 0V am Gate voll 
durchschalten. Du brauchst LogicLevel P-Kanal MOSFETs, die es in TO220 
eher selten gibt (SUB85N10-10 etc.)

Ebenso ist der IRFZ48 Unsinn, er braucht 10V Ansteuerspannung, das steht 
ja wohl auch deutlich im Datenblatt (Continuous Drain Currente VGS at 10 
V)

> - Treiber ICL 7667

Eigentlich überflüssig, so schnell muss eine Maxtrix nicht geschaltet 
werden. Zwar kann man ihn verwenden, um die 10V Ansteuerspannung der 
IRFZ48 zu gewinnen, aber nicht, um die Ansteuerspannung für die IRF4905 
zu gewinnen.

Ihr habt groben Schwachsinn zusammengekauft.

Erst mal MUSST du dir Gedanken machen, was die LEDs als Pulsstrom 
aushalten. Meist ist bei Hochleistungs-LEDs ein Pulsstrom nur bis 1A 
erlaubt, erlauben also nur 3-faches Multiplex, manche erlauben sogar nur 
den 1.2-fachen Strom und sind daher für Multiplex gar nicht geeignet.

Wenn man das Datenblatt ignorieren will, kann man ja mal probebalber 
eine LED an Vorwiderstand und einem NE555 mit MOSFET im PWM 1:5 laufen 
lassen, und gucken, wie lange die das aushält.

Wir haben das damals als wir Videowände bauten gemacht, weil die damals 
handelsüblichen (nur rot/grün) LEDs nicht tageslichthell genug waren, 
aber erstens alterten die LEDs deutlich schneller mit Farbverschiebung 
und Helligkeitsverlust, und zweiten gingen viele früh kaputt, was zu 
viel mehr Reklamation führte, als uns lieb war. Nach 1/2 Jahr waren die 
Wände eigentlich unbrauchbar. Natürlich steht es dir frei, dieselbe 
Erfahrung heute noch ma zu machen, du könntest aber auch einfach von der 
Erfahrung von anderne lernen.

[Falk B. (falk)]

@  Max Ha (maxel)

>mit 3*1W RGB high power LEDs zu probieren. Die Drei LEDs laufen jeweils
>so ungefähr bei 350mA und 3V.

> Und es soll eine 5x5 Matrix werden.

Macht 75 Einzel-LEDs. Nicht wirklich viel, aber auch nicht wirklich 
wenig.

>Die Frage ist ob die LEDs gepulst überhaupt mit dem 5-fachen Strom
>betrieben werden können. Aber darüber will ich mir erstmal keine
>Gedanken machen :)

Probleme ignorieren ist immer ein guter Ansatz . . .

>- Die LEDs haben wie gesagt 3*350mA bei 3V. Die Anode ist
>kurzgeschlossen.

Eher nicht. Das nennt man gemeinsame Anode, neudeutsch common anode.

>- Transistoren IRFZ 48N und IRF 4905
>- Treiber ICL 7667

>Bei den LEDs wäre es sicher sinnvoller gewesen common cathode LEDs zu
>nehmen

Nö, noch sinvoller wären RGB-LEDs mit kompett getrennten Anschlüssen, 
also sechs Stück. Damit kann man für jede Einzel-LED eine 
Konstantstromquelle fuer Power LED nutzen.

Beitrag "Re: [Sammelbestellung] 6 Pin 3W Power RGB LED"

> da nun in den Transistoren, die gegen die Versorgungsspannung
>schalten im Maximalfall der 3-fache Strom fließt und hier ein p-FET
>verwendet wird.

Ist egal, 25A kann man mit P oder N schalten, so man die richtigen 
MOSFETs wählt.

> Ich würde es aber gerne mit den LEDs machen, die wir
>haben.

Dann müsst du euer Konzept ändern.

>Ich möchte die LEDs nun mit 5V betreiben

Womit pro Einzel-LED ~2V bei 350mA über einem Vorwiderstand verbraten 
werden, macht 750mW/Einzel-LED, 2,2W pro RGB-LED und ca. 56W für alle 
zusammen.

>Frage wie genau die high-side Treiberschaltung aussehen muss. Denn der
>IRF 4905 braucht etwa 10V um richtig durchzuschalten.

Steht alles im Artikel LED-Matrix.

>Prinzipiell würde mich interessieren ob die high-side Schaltung so
>funktionieren würde wie im angehängten Bild in der linken Variante.

Ja.

> Dort
>habe ich auch für die LEDs 12V Versorgung angenommen.

Was die Sache vollkommen absurd macht.

>worden: "Der Versorgungsspannungskreis muss isoliert zur restlichen
>Beschaltung aufgebaut werden."

Wo steht das?

>Da ich aber die LEDs mit 5V betreiben möchte stellt sich die Frage wie
>ich das realisieren könnte. Mir schweben da 2 Varianten vor.

>- So wie im angehängten Bild die rechte Schaltung. Ich schließe am
>Treiber auch 5V an die Versorgung an und -5V an den Massepin.

Ist Unsinn.

>Ergibt das alles irgendwie Sinn? :)

Wenig bis gar nicht.

>Könnte man das auf eine dieser Arten realisieren? Geht es anders
>einfacher/besser?

Sicher.

Vergiss die Matrix, ist bei solchen High Power LEDs nicht mehr machbar, 
die Pulsströme verkraften die Dinger nicht. Muss man old school mit 
Einzelansteuerung machen. Ist aber kein Thema.

Je nach gewünschter Funktionalität kann man Soft-PWM machen, indem 
man an einen Controller mit typisch 32 IOs vielleicht 30 LEDs dranhängt. 
Dahinter 30 kleine MOSFETs, sagen wir IRF7103. Die schalten die LEDs 
direkt, jede mit Vorwiderstand. Ist zwar nicht sonderlich effizient, 
rettet aber eure LEDs vor dem Wegwerfen.
30 Einzel-LEDs = 10 RGB LEDs. Ihr braucht also drei Controller. Die 
werden dann per RS232 oder I2C von einem vierten Master 
gefüttert. Fertig.

Alternativ kann man das auch alles mit einem Controller machen, 
Porterweiterung per Schieberegister ist ja nun auch nicht neu.

AVR-Tutorial: Schieberegister

Mit etwas Knoff Hoff geht dort auch Soft-PWM.

MFG
Falk

[Max H. (maxel)]

Wow.. immer wieder schön wie freundlich man in Foren aufgenommen wird.

> Probleme ignorieren ist immer ein guter Ansatz . . .

Ich musste das Problem ignorieren weil ich kein Datenblatt hab. 
Derjenige mit dem ich die Matrix baue hat erstmal ein paar sehr günstige 
LEDs bestellt von denen wir aber nicht wissen was für welche es sind. 
Können also erst ins Datenblatt schauen oder testen wenn sie da sind. 
Wenn es mit denen funktioniert wollten wir mehr bestellen.

Aber wenn ihr sagt, dass high power LEDs allgemein solche Pulsströme 
nicht verkraften dann können wir das wohl gleich vergessen. Allerdings 
habe ich die Teile, die ich für eine Spalte brauche, gekauft und würde 
gerne damit rumspielen und schauen wie viel sie aushalten.

Dafür wäre es schön eine Schaltung zu haben, die die Ansteuerspannung 
für den IRF4905 bereitstellt oder gleich Logic-Level FETs zu nehmen. Die 
rechte Schaltung im Anhang geht wohl nicht weil ich dann auch den 
Eingang des ICL7667 mit 0V und -5V schalten müsste? Wäre eine Schaltung, 
die die -10V Eingangsspannung für den Transistor bereitstellt sehr 
kompliziert?
Würde das ganze mit 2 parallelen Logic-Level Fets wie vorgeschlagen 
funktionieren?

> Du brauchst LogicLevel P-Kanal MOSFETs, die es in TO220
> eher selten gibt (SUB85N10-10 etc.)

Ja.. das hatte ich doch auch schon gesagt. Das was du da vorschlägst ist 
aber auch ein n-Kanal Transistor..

> Ebenso ist der IRFZ48 Unsinn, er braucht 10V Ansteuerspannung, das steht
> ja wohl auch deutlich im Datenblatt (Continuous Drain Currente VGS at 10
> V)

Ja.. das steht im Datenblatt.. allerdings kann ich doch mit dem ICL7667 
die Steuerspannung für ihn bereitstellen.


75 LEDs einzeln ansteuern hört sich schon ziemlich aufwändig an finde 
ich... Dann würde ich lieber auf andere LEDs zurückgreifen und von denen 
für jedes Element mehrere nehmen. Dann könnte ich auch wieder mit 12V 
arbeiten.


> Womit pro Einzel-LED ~2V bei 350mA über einem Vorwiderstand verbraten
> werden, macht 750mW/Einzel-LED, 2,2W pro RGB-LED und ca. 56W für alle
> zusammen.

Das ist richtig. Aber auch nur im Maximalfall. Ich denke nicht, dass 
häufig alle LEDs weiß leuchten sollen. Ich habe aber nun mal 5V am 
Netzteil. Wie könnte ich es sonst machen wenn ich bei der Matrix mit den 
LEDs bleiben will?

> Eher nicht. Das nennt man gemeinsame Anode, neudeutsch common anode.

Was soll dieser Kommentar?

> Ist egal, 25A kann man mit P oder N schalten, so man die richtigen
> MOSFETs wählt.

P MOSFETs sind aber schlechter und teurer..

[MaWin (Gast)]

> Das was du da vorschlägst ist aber auch ein n-Kanal Transistor..

Wie ärgerlich.

SUP53P06-20 etc.

> allerdings kann ich doch mit dem ICL7667
> die Steuerspannung für ihn bereitstellen.

Viel zu viel Bauteilaufwand,
da es auch mit einem IRLZ44 o.ä. ginge,
direkt am 5V Ausgang, ganz ohne Treiber.

Eure Bauteilauswahl ist halt maximal ungeschickt.
Es beginnt mit den LEDs. Dazu wurde alles gesagt.

Mit passenden LEDs (z.B. 3-fach Multiplex),
LogicLevel P-Kanal MOSFETs für die 3 Spalten,
und für die dann nur noch 1.05A pro Reihe
vielleicht 14 IRF7313 direkt an uC-Ausgängen,
käme man mit einem uC wie ATmega16, 5V,
3 PMOSFETs, 14 SO8 und 27 Widerständen aus
(trennt man RGB ungeschickt, braucht man
75 Widerstände und spart nur 1 SO8).

[Max H. (maxel)]

Auch wenn meine direkten Fragen nie beantwortet wurden war das doch noch 
ganz aufschlussreich.. Vielen Dank!