Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik LED-Cube: Auslegung der elektrischen Ströme?


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von Marc B. (drakenfly)


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Hallo liebe Leute, ich wünsche euch erstmal einen schönen Sonntag!

Nachdem ich mich vor kurzem mal wieder mit meinem 4x4x4-LED-Cube 
beschäftigt habe, musste ich feststellen, dass dieser eigentlich 
ziemlich ... langweilig war. Deshalb entschloss ich mich, entweder einen 
4^3-RGB-Led-Cube oder einen 8^3-LED-Cube zu bauen. Die Entscheidung fiel 
mir zwar schwer, aber ich zog dann doch die größere Matrix vor.

Soweit so gut, ich will also einen 8x8x8-LED-Cube bauen. Nach einer 
ausreichenden Internet-Recherche musste ich feststellen, dass hier: 
http://tutorial.cytron.com.my/2012/08/29/construct-a-8x8x8-led-cube/ 
eines der wohl besten Tutorials überhaupt (aufgrund ausreichender 
Dokumentation) zu finden war.

Gut, prinzipiell finde ich den Aufbau super - abgesehen davon, dass ich 
das ganze über einen AVR anstatt eines PICs betreiben möchte - das 
heißt, das SK40C-Board fällt weg.

Nun stellen sich mir zwei Fragen für die weitere Konzeptionierung meines 
eigenen Cubes:

1.) Ich möchte für meinen Cube 20mA-LEDs (weiß, 3,2V -> Vorwiderstände 
von 100 Ohm bei Versorgungsspannung von 5V) verwenden. Wenn also alle 
Schieberegister auf 0xFF sind und eine Ebene durchgeschalten wird, 
entspricht das 64 aufleuchtenden LEDs und somit einer Belastung von 
1,28A. Der Schaltvorgang wird ja über den ULN2803 getätigt, der hat aber 
nur (http://www.cytron.com.my/datasheet/IC/linear/ULN2803A.pdf) 500mA 
max. kont. Strom - das heißt, der Chip ist für mein Projekt unbrauchbar, 
liege ich mit dieser Annahme richtig?

Was wäre in diesem Falle denn dann die sinnvollste Ersatzmöglichkeit?

2.) Als Schieberegister wollte ich SN74HC164N-ICs verwenden. Ein Blick 
ins Datenblatt verrät (http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74hc164.pdf): 
Absolute maximum ratings: Continuous output current: 25mA.

Ist das auf den Gesamtstrom bezogen, der durch den Chip fließt? Oder pro 
Port? Ich habe leider keine bisherigen Erfahrungen mit Schieberegistern 
gemacht, somit bin ich hier noch ziemlich wackelig unterwegs... Würden 
an dieser Stelle nochmals insgesamt 64 weitere Transistoren gebraucht 
werden, oder kann ich das direkt durchschalten?

Ich hoffe ihr versteht was ich meine, ich zerbreche mir jedenfalls 
gerade ziemlich den Kopf und wäre über hilfreiche Tipps und Meinungen 
dazu dankbar.

Eine Überlegung hatte ich noch: Würde man zu einer Zeit maximal 8 LEDs 
ansprechen, dass heißt jeweils eine pro Schieberegister und eine ganze 
Ebene aktiv, müsste sich das ausgehen - Last pro Schieberegister 25mA, 
Last für den ULN 200mA... Aber das würde ich ehrlich gesagt gerne 
vermeiden, da durch die höhere Updaterate die LEDs noch kürzer moduliert 
werden, und somit noch mehr Helligkeit verloren geht... :/


Vielen Dank jedenfalls mal an alle braven Leser, die sich bis hierher 
durchgekämpft haben!

Liebe Grüße,
Marc


PS: Eine 3., kleine Frage habe ich noch: Ist für irgendjemanden 
ersichtlich, weshalb in der Schaltung ein Potentiometer eingebaut ist? 
Das einzige was ich mir erklären könnte, wäre dass die Spannung analog 
abgegriffen, und damit die PWM und somit die Hellligkeit gesteuert wird 
- liege ich mit der Annahme richtig?

von Falk B. (falk)


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@ Marc Brexner (drakenfly)

>Nachdem ich mich vor kurzem mal wieder mit meinem 4x4x4-LED-Cube
>beschäftigt habe, musste ich feststellen, dass dieser eigentlich
>ziemlich ... langweilig war. Deshalb entschloss ich mich, entweder einen
>4^3-RGB-Led-Cube oder einen 8^3-LED-Cube zu bauen.

Wo ist der Unterschied zwischen einem 4x4x4 und 4^3 LED-Cube?

> Die Entscheidung fiel
>mir zwar schwer, aber ich zog dann doch die größere Matrix vor.

Why did'nt I take the blue pill?

>max. kont. Strom - das heißt, der Chip ist für mein Projekt unbrauchbar,
>liege ich mit dieser Annahme richtig?

Ja.

>Was wäre in diesem Falle denn dann die sinnvollste Ersatzmöglichkeit?

MOSFETs. Siehe LED-Matrix.

>2.) Als Schieberegister wollte ich SN74HC164N-ICs verwenden.

Ungünstig, die haben kein Ausgangsregister. Nimm 74HC595.

>Absolute maximum ratings: Continuous output current: 25mA.

Sieht so aus.

>Ist das auf den Gesamtstrom bezogen, der durch den Chip fließt? Oder pro
>Port?

Pro Pin. Gesammt ist es aber auch nicht allzuviel, vielleicht 100mA, 
eher weniger.

> Ich habe leider keine bisherigen Erfahrungen mit Schieberegistern
>gemacht, somit bin ich hier noch ziemlich wackelig unterwegs... Würden
>an dieser Stelle nochmals insgesamt 64 weitere Transistoren gebraucht

Ja. Oder passenen ICs ala TPIC6595, die haben 250mA Ausgänge. Die 
brauchst du so oder so, wenn du 8:1 Multiplexen willst. 20x8=160mA.
160mA x 64 = 10,2A für deine Ebenentransistoren. Steht alles im Artikel 
LED-Matrix.

von Alex C. (almic)


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Also bei deinem Poti-Problem kann ich dir weiterhelfen, wie man im Video 
sieht, wird es verwendet um die Geschwindigkeit der "Effekte" zu 
beeinflussen.

almic

von Max T. (charmquark)


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Hey Marc,

ich schalte bei meinem 8^3 Würfel mit den 74HC595ern 2N7000 MOSFETs, so 
dass ich nicht auf den maximalen Strom der Schieberegister festgelegt 
bin. Die Ebenen schalte ich mit IRLM6402 MOSFETS. Ich lege allerdings 
auch die Anoden auf den Ebenen zusammen. Da habe ich allerdings noch das 
Problem, dass diese wegen der hohen Ladung noch zu langsam abschalten. 
Ich hoffe das aber mit einer kleinen Änderung der Pull Up Widerstände 
lösen zu können, so dass ich problemlos 6 Bit Bit Angle Modulation 
betreiben kann. Wenn du deine LEDs unabhängig voneinander dimmen willst, 
solltest du die timing Werte beachten.

Als Mikrocontroller würde ich dir z.B. das Stellaris Launchpad LM4F120XL 
mit einem ARM mit 80MHz empfehlen, oder etwas vergleichbares. Kostet 
glaube ich inzwischen 13$. Die höhere Geschwindigkeit macht fürs dimmen 
echt was aus.

Des weiteren habe ich die Kathoden Beinchen (die zur nächsten Ebene 
gehen) nicht an den Enden gebogen. Ich finde der Würfel im Link sieht 
deswegen ziemlich schlecht und schief aus. Da bei mir die Kathoden zur 
nächsten Ebene gehen habe ich den Vorteil gehabt, dass es die Seite der 
LED ist die flach ist. So kann ich ohne zu biegen die beinchen direkt an 
die Beinchen der nächsten Ebene löten. Dadurch sieht mein Würfel um 
einiges schöner und gerader aus. Ausserdem solltest du dir einen 
solideren Abstandshalter suchen als diese Pappe. Bei mir haben 
zufälligerweise diese kleinen Duftöl Fläschen von DM gepasst. Eine 9V 
Batterie, habe ich mal bei einer Anleitung gesehen, hat auch gut 
gepasst.

Schöne Grüße,
Max

von Marc B. (drakenfly)


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Falk Brunner schrieb:
> @ Marc Brexner (drakenfly)
>
> Wo ist der Unterschied zwischen einem 4x4x4 und 4^3 LED-Cube?
>

Wollte nur die Schreibweise kürzen ;)

> Pro Pin. Gesammt ist es aber auch nicht allzuviel, vielleicht 100mA,
> eher weniger.
>

Okay, dann wären sie wirklich ungeeignet...

> Ja. Oder passenen ICs ala TPIC6595, die haben 250mA Ausgänge. Die
> brauchst du so oder so, wenn du 8:1 Multiplexen willst. 20x8=160mA.
> 160mA x 64 = 10,2A für deine Ebenentransistoren. Steht alles im Artikel
> LED-Matrix.

Das stimmt allerdings... Um nochmal zusammenzufassen:

Entweder ich betreibe die LEDs dünkler als sie bei konstantem Strom 
wären, also mit einem Verhältnis von 1:1, dann brauche ich:
-) 8 "Einfache Schieberegister" + 8 Schalttransistoren für 1,5A ODER

Oder ich betreibe sie 8:1 mit 160mA:
-) 8 "Einfache Schieberegister" + 64 Transistoren 0,2A + 8 
Schalttransistoren mind. 12A (welche auch immer sich da anbieten / die 
nächsten in der Reihe sind)
-) 8 Power-Schieberegister mit 250mA pro Kanal + 8 Schalttransistoren 
12A

Jetzt gilt es abzuwägen, was am sinnvollsten wäre - ich nehme mal an die 
Power-Schieberegister...

Alex C. schrieb:
> Also bei deinem Poti-Problem kann ich dir weiterhelfen, wie man im Video
> sieht, wird es verwendet um die Geschwindigkeit der "Effekte" zu
> beeinflussen.
>
> almic

Ah, okay - das dürfte ich wohl übersehen haben... Danke für die 
Aufklärung! :)

Max TBA schrieb:
> ich schalte bei meinem 8^3 Würfel mit den 74HC595ern 2N7000 MOSFETs, so
> dass ich nicht auf den maximalen Strom der Schieberegister festgelegt
> bin. Die Ebenen schalte ich mit IRLM6402 MOSFETS.

Was verwendest du für LEDs? 3,7A reichen aus?

> Als Mikrocontroller würde ich dir z.B. das Stellaris Launchpad LM4F120XL
> mit einem ARM mit 80MHz empfehlen, oder etwas vergleichbares. Kostet
> glaube ich inzwischen 13$. Die höhere Geschwindigkeit macht fürs dimmen
> echt was aus.

Da das ganze eher ein Low-Budget-Projekt sein sollte, wollte ich das 
mit einem atMega umsetzen. Mal schauen, wie es nachher geht - ich werde 
den Schaltkreis jedenfalls physikalisch von der "Steuerzentrale" 
abkoppeln, sodass diese bei Bedarf auch abgesteckt werden kann! ;)

> Des weiteren habe ich die Kathoden Beinchen (die zur nächsten Ebene
> gehen) nicht an den Enden gebogen. Ich finde der Würfel im Link sieht
> deswegen ziemlich schlecht und schief aus. Da bei mir die Kathoden zur
> nächsten Ebene gehen habe ich den Vorteil gehabt, dass es die Seite der
> LED ist die flach ist. So kann ich ohne zu biegen die beinchen direkt an
> die Beinchen der nächsten Ebene löten. Dadurch sieht mein Würfel um
> einiges schöner und gerader aus. Ausserdem solltest du dir einen
> solideren Abstandshalter suchen als diese Pappe. Bei mir haben
> zufälligerweise diese kleinen Duftöl Fläschen von DM gepasst. Eine 9V
> Batterie, habe ich mal bei einer Anleitung gesehen, hat auch gut
> gepasst.
>
> Schöne Grüße,
> Max

Danke für den netten Tipp, wie ich das ganze zusammenlöte werde ich mir 
eh nochmal genau überdenken, bevor ich beginne... Aber dazu komme ich eh 
frühestens in zwei Wochen, bis dahin werde ich schon eine gute Lösung 
finden - so wie du es beschrieben hast, klingt es jedenfalls echt gut, 
eventuell werde ich das so in der Art lösen ;)

Liebe Grüße,
Marc

von Falk B. (falk)


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@ Marc Brexner (drakenfly)

>Entweder ich betreibe die LEDs dünkler als sie bei konstantem Strom
>wären, also mit einem Verhältnis von 1:1, dann brauche ich:
>-) 8 "Einfache Schieberegister" + 8 Schalttransistoren für 1,5A ODER

Ja, macht dann aber nur 20/8 = 2,5mA für die LEDs. Hmm.

>Oder ich betreibe sie 8:1 mit 160mA:
>-) 8 "Einfache Schieberegister" + 64 Transistoren 0,2A + 8
>Schalttransistoren mind. 12A (welche auch immer sich da anbieten / die
>nächsten in der Reihe sind)
>-) 8 Power-Schieberegister mit 250mA pro Kanal + 8 Schalttransistoren
>12A

Jo.

>Jetzt gilt es abzuwägen, was am sinnvollsten wäre - ich nehme mal an die
>Power-Schieberegister...

Sicher.

>Da das ganze eher ein Low-Budget-Projekt sein sollte, wollte ich das
>mit einem atMega umsetzen.

Der reicht auch dicke aus, wenn man keine Dimmung per Software machen 
will.
Und wenn man dimmen will, nimmt man TLC5940 & Co.

von Max T. (charmquark)


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> Was verwendest du für LEDs? 3,7A reichen aus?

Ich habe billige weiße super bright diffused LEDs aus China für ca. 30€ 
für 1000 Stück. Bin sehr zufrieden. Von 512 LEDs waren nur zwei kaputt, 
was bei dem Preis vollkommen über meinen Erwartungen lag.
Ich habe bei 5V einen Vorwiderstand von 100 Ohm, wonach es < 3.2A sind. 
Die LEDs sind allerdings bei voller Leistung bei Tageslicht schon so 
hell, dass ich lieber 150 Ohm oder gar 200 Ohm genommen hätte. Diese 
"super bright" LEDs sind schon bei kleinen Strömen wahnsinnig hell.
Ich nehme jedenfalls ein normales, altes PC Netzteil zur Versorgung des 
Würfels.

Marc Brexner schrieb:
> Da das ganze eher ein Low-Budget-Projekt sein sollte, wollte ich das
> mit einem atMega umsetzen. Mal schauen, wie es nachher geht - ich werde
> den Schaltkreis jedenfalls physikalisch von der "Steuerzentrale"
> abkoppeln, sodass diese bei Bedarf auch abgesteckt werden kann! ;)

Der Vorteil bei so einem Board ist auf jeden Fall, dass du kein weiteres 
Equipment brauchst. USB Verbindung und Debugger sind ja schon dabei. Ich 
hatte mir anfangs jedenfalls selber ein Controllerboard mit einem 
ATMega32U2 zusammengelötet was letztendlich teurer war als das komplette 
Stellaris Launchpad für damals 5$. Aber wenn du den Kram lieber selber 
zusammenlöten willst, oder schon ein Board hast, ist es natürlich auch 
gut ;)

Ich habe für meinen Würfel insgesamt etwa 60€ ausgegeben, incl. 
Launchpad, 1.000 LEDs und allem was man für die Steuerplatine braucht.

von Marc B. (drakenfly)


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Falk Brunner schrieb:
> @ Marc Brexner (drakenfly)

>
> Ja, macht dann aber nur 20/8 = 2,5mA für die LEDs. Hmm.

Ich werde die LEDs, sobald sie da sind, mal per PWM betreiben (mit 
Intervallen, die auf den fertigen Cube hochgerechnet sind) - dann sehe 
ich eh, ob ich kurzzeitig auf einen höheren Strom hoch muss um eine 
ausreichende Leuchtkraft zu erreichen, oder ob ich sie auch für diese 
kurze Zeit bei 20mA betreiben kann... :)

Max TBA schrieb:
>> Was verwendest du für LEDs? 3,7A reichen aus?
>
> Ich habe billige weiße super bright diffused LEDs aus China für ca. 30€
> für 1000 Stück. Bin sehr zufrieden. Von 512 LEDs waren nur zwei kaputt,
> was bei dem Preis vollkommen über meinen Erwartungen lag.

Habe auch ein super Angebot bekommen - 10000mcd, weiß, diffus, für 550 
Stück 25€ mit Versand - mal sehen, ob die Qualität nachher auch so gut 
ist, wie bei dir^^

> Ich habe bei 5V einen Vorwiderstand von 100 Ohm, wonach es < 3.2A sind.
> Die LEDs sind allerdings bei voller Leistung bei Tageslicht schon so
> hell, dass ich lieber 150 Ohm oder gar 200 Ohm genommen hätte. Diese
> "super bright" LEDs sind schon bei kleinen Strömen wahnsinnig hell.

Okay, so gerechnet geht sich das natürlich aus - das heißt, du betreibst 
du LEDs ja trotz Multiplexung nur bei vorgesehenem Strom - so wäre auch 
ich auf einen Höchstverbauch 1.28A gekommen.

> Ich nehme jedenfalls ein normales, altes PC Netzteil zur Versorgung des
> Würfels.

So hätte ich es auch gemacht. Werde den ATX-Adapter aber selbst 
auflöten, also ohne Connector-Board, wie es ja in dem How-To gezeigt 
wird ;)

> Der Vorteil bei so einem Board ist auf jeden Fall, dass du kein weiteres
> Equipment brauchst. USB Verbindung und Debugger sind ja schon dabei. Ich
> hatte mir anfangs jedenfalls selber ein Controllerboard mit einem
> ATMega32U2 zusammengelötet was letztendlich teurer war als das komplette
> Stellaris Launchpad für damals 5$. Aber wenn du den Kram lieber selber
> zusammenlöten willst, oder schon ein Board hast, ist es natürlich auch
> gut ;)

Ich bin am Überlegen, ob ich das ganze mit meinem Arduino-Leonardo 
umsetze - deshalb die Trennung. Sollte das nicht ganz klappen, kann ich 
ja nachher immer noch ein Upgrade wagen, oder mir auch eine eigene 
Platine zusammenbasteln :)



So, vielen Dank erstmal für die ersten paar Idee-Einwürfe! Ich werde, 
sobald die ersten Bauteile endlich per Post kommen, mal ein wenig 
experimentieren und berichten, wie ich nun verblieben bin! :)

Lg Marc

von Marc B. (drakenfly)


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Ich habe mir die letzten Tage noch ziemlich den Kopf zerbrochen und habe 
mir nun nochmal eine grundlegende Frage gestellt:

Hat es elektronisch gesehen irgendeinen Vor-/Nachteil, ob man Kathoden 
oder Anoden zusammenlegt? In vielen Tutorials wird es mal so, mal so 
gemacht, aber nie erwähnt weshalb - und was bedeutet die jeweilige 
Flussrichtung des Stroms dann für meine Schieberegister (ich bin jetzt 
zu dem Schluss gekommen, TPIC6C595 zu verwenden) oder MOSFETs?

Bzw. ist es sinnvoll, egal wie das ganze jetzt geschalten wird, 
Pull-Up-Widerstände auf der einen UND Pull-Down-Widerstände auf der 
anderen Seite der LED zu führen (um das Ghosting zu reduzieren), oder 
ist das absolut sinnlos?

Vielen Dank und liebe Grüße,
Marc

von Falk B. (falk)


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@ Marc Brexner (drakenfly)

>Hat es elektronisch gesehen irgendeinen Vor-/Nachteil, ob man Kathoden
>oder Anoden zusammenlegt?

Nein. Aber viele ICs ala TLC5940 können nur Common Anode Typen 
ansteuern.

>gemacht, aber nie erwähnt weshalb - und was bedeutet die jeweilige
>Flussrichtung des Stroms dann für meine Schieberegister (ich bin jetzt
>zu dem Schluss gekommen, TPIC6C595 zu verwenden)

Kann man machen.

> oder MOSFETs?

Geht auch.

>Bzw. ist es sinnvoll, egal wie das ganze jetzt geschalten wird,
>Pull-Up-Widerstände auf der einen UND Pull-Down-Widerstände auf der
>anderen Seite der LED zu führen (um das Ghosting zu reduzieren), oder
>ist das absolut sinnlos?

sinnlos.

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