Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik High Current High Refreshrate LED Matrix


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von Andi L. (andili)


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Hallo liebe Leser,

ich bin schon lange hier Forum unterwegs und konnte fast immer eine
Lösung zu meinem Problem finden. Aber diesmal habe ich vielleicht
etwas spezielles:

Für eine Zeilenkamera-Anwendung versuche ich für ein gewisses Verfahren
eine geeignete Beleuchtung zu fertigen. Die Kameragurus werden es 
wissen:
Zeilenkameras benötigen saumäßig viel Licht, da man ja flott arbeiten 
will.
So viel dazu. Eigentlich ist das für mein Projekt ein Zukaufteil, aber 
so
etwas finde ich nicht am Markt. Deswegen versuche ich mich am Selbstbau.

Ich möchte eine LED Matrix/Array mit Power LEDs (zB Nichia NVSLE21AT
SMD-LED 270 lumen 700mA 2x2mm) aufbauen. So 10x20 LEDs oder später
vielleicht mal 20x40 LEDs oder noch mehr :)
Pixelabstand soll Mitte Mitte 4mm
werden (Wärmeproblem?).
Um das Ganze möglichst schnell angesteuert zu bekommen müsste ich das
über die schmale Seite (10) multiplexen. Damit ist die Lichtausbeite
leider nur noch 1/10, zum Glück aber auch die Wärmeleistung und 
Stromaufnahme.

Da die Kamera nur sehr kurz belichtet (50µs = 20kHz sind angestrebt) 
müssen
die LED Treiber schnell schalten können. Faktor 10 für die Zeilen, 
Faktor
100 für die PWM. Damit wäre jede LED 100 mal innerhalb der 50µs 
schaltbar.

Die Kühlung/Wärmeabfuhr plane ich über eine Aluminium Platine mit dickem
Kühlkörper. Auf einen Lüfter möchte ich aus Vibrationsgründen 
verzichten.
Das sollte problemlos klappen oder?

Also, fassen wir zusammen:
10 x 20 = 200 LEDs
200 LEDs x 2W x 1/10 = 40W
20kHz x 10 x 100 = 20MHz
1 x 700mA pro Spalte
20x 700mA = 14A pro Zeile
Jede LED soll einzeln in der Helligkeit einstellbar sein (max. 8 Bit).
Ganze Muster sollen im 20kHz ohne Nachleuchteeffeckte umgeschaltet 
werden.

Ansteuern würde ich die Matrix mit einem Arty 7 FPGA Eval Board o.ä.
Damit kann ich alle möglichen LED Treiber Varianten schnell genug 
ansprechen.

Aber welche Treiber nehme ich da?
Zuerst dachte ich an uln2803, aber die können "nur" 500mA bei ca 4MHz.
Dann bin ich auf Automotive LED Driver gestoßen wie zB der TPS92661-Q1
(1A, f_CLK_max = 16MHz, Duty Cycle 40..60%). Wie schnell kann ich damit
nun effektiv meine Matrix updaten? Wie viel Licht bekomme ich in den 
50µs?
Davon gibt es noch Abwandlungen deren Eckdaten ich auch nicht alle
interpretieren kann.

Also vielleicht hat jemand von Euch eine Idee wie ich das geschickt
aufbauen kann. Meinetwegen auch mit ganz neuen Ansätzen.

Wenn Infos fehlen bitte fragen, bei Fehlern bitte melden ;)

Vielen Dank im Voraus,
Euer anli

von Klaus R. (klaus2)


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...ich halte das für SEHR anspruchsvoll, vor Allem wenn da noch eine 
Stromregelung rein muss. Frage: Wieso muss man die LEDs überhaupt 
takten?

Klaus.

von Anja (Gast)


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Andi L. schrieb:
> Dann bin ich auf Automotive LED Driver gestoßen wie zB der TPS92661-Q1
> (1A, f_CLK_max = 16MHz, Duty Cycle 40..60%).

Hallo,

du hast aber schon gesehen daß das der maximale Takt für die interne 
Logik ist? Am Ausgang sind es dann (mit PWM) nur wenige 100 Hz und 2 us 
rise und fall time.

Es soll ja Leute geben die im Auto auch noch Radio hören wollen. Deshalb 
sind die meisten Bauteile im automotive Bereich auf EMV (langsame 
Flanken) optimiert.

Gruß Anja

von foobar (Gast)


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Hat die ganze Multiplexerei irgendeinen bestimmten Sinn?

von Martin S. (led_martin)


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Hallo,

ich, als jemand der viel mit LED-Multiplexing macht, halte das so für 
sehr anspruchsvoll, mit "Bastler-Mitteln" vermutlich nicht machbar.

Die 100 PWM-Zyklen pro Belichtung sind recht viel, wenn LEDs und Kamera 
synchronisiert werden können reicht 1 PWM-Zyklus pro Belichtung, wenn 
nicht synchronisiert werden kann vielleicht 30, das wäre dann nur ca. 
1/3 der 100.

Wenn die Matrix mechanisch als 20 x 10 aufgebaut ist, muß man sie nicht 
zwangsläufig auch elektrisch so betreiben, elektrisch könnten das auch 
40 x 5 oder 100 x 2 sein, bei den Spalten-Leitungen wird's dann 
natürlich eng. Eventuell könnte man aufs Multiplexing auch ganz 
verzichten, je 20 LEDs auf die Kante einer Leiterplatte mit der 
Ansteuerung setzen, und 10 solche Platinen stapeln, die 4 mm 
Mittenabstand sollten da reichen, wenn man auf hohe Bauteile verzichten 
kann.

Wirklich schnelle Stromquellen sind schwierig, hier sollte man 
vielleicht die schlechtere Energiebilanz von Vorwiderständen in Kauf 
nehmen, dabei die Betriebsspannung so wählen, daß sich ein guter 
Kompromis aus Stabilität, und Verlustleistung ergibt.

Bei 30 PWM-Zyklen pro Belichtung, ohne Multiplex, und 8 Bit Auflösung 
komme ich auf 20 kHz x 30 x 255 = 153 MHz mit denen die Zähler der 
PWM-Einheit getaktet werden müssten, das ist schon 'ne Menge, bei 
Multiplexing entsprechend mehr. Könnte man mit der Kamera 
synchronisieren, würde der Faktor 30 wegfallen, und man kommt in einen 
Bereich, in dem ein, mit 20 MHz getakteter, ATmega, mit etwas 
Software-Trickserei, mindestens 8, vielleicht auch mehr, LEDs bedienen 
könnte.

Gegen die Multiplexerei spricht auch, daß Power LEDs keine hohen 
Impuslsströme vertragen, da ist meistens beim doppelten des Nennstroms 
Schluß, Low Power LEDs (z.B. bedrahtete 5mm LEDs) vertragen oft das 
zehnfache des Nennstroms.

Mit freundlichen Grüßen - Martin

: Bearbeitet durch User
von foobar (Gast)


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Mir stellt sich nur die Frage, warum ich bei ner Beleuchtung überhaupt 
irgendwas multiplexe. Selbst die PWM finde ich etwas fragwürdig, wenn 
sie Synchronisationsprobleme erzeugt - entweder ich regel dann den Strom 
oder, falls das wegen Änderung des Farbspektrums nicht erwünscht ist, 
schalte ich einzelne Module aus.

von Chris K. (deadeye5589)


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Schau dir mal den CAT4101 Treiber von On-Semi an.
Strom kann über einen Widerstand eingestellt werden, max 1A.
Hat einen PWM Eingang womit du die Ansteuerung machen kannst.
Wenn ich das gerade richtig blicke, kann man den mit bis zu 200kHz 
ansteuern. Entsprechend sind die Rise und Fall Zeiten für den LED Strom 
unter 1µs.
Auch verträgt der IC bis zu 25V am LED Strang. Da die Nichia 3V bei 
700mA benötigt, könntest du also 7 Stück in Reihe mit einem Treiber 
ansteuern.
Würde sich also Anbieten deine Matrix in 5+5x20 zu splitten.
40 Treiber a 2€ = 80€ für die Ansteuerung

von Andi L. (andili)


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Hallo Zusammen,

Wow, danke für die ganzen Anorten!
Ich versuche mal auf alle einzugehen,
sich überschneidende Antworten fasse ich zusammen:

@ Anja:
Danke fürs teilen deiner Erfahrung.
Es macht Sinn, dass automotive Treiber nicht allzu schnell
Arbeiten müssen. Ich habe noch eine Alternative gefunden und
zwar den TPS92515-Q1, welcher mit 2A und 2MHz (max switching
frequency) angegeben ist. Ist das nun meine effektive
Schaltgeschwindigkeit?

@ Klaus R.
@ foobar
@ Martin S.
Ich möchte eine Art LED Bildschirm bauen, bei dem ich jedes Pixel
einzeln in der Helligkeit steuern kann. Somit möchte ich zB zwei
Helligkeitsmuster abwechselnd schalten, dass ich in einem Zug zwei
"gleiche" (um 1 Foto-Pixelzeile interleaved oder wie man sagt)
Bilder mit zwei unterschiedlichen Beleuchtungen erhalte. Die Muster
sollen dabei beliebig gewählt werden können. Deswegen die
Multiplexerei.

Zu den PWM Zyklen: Hier war ich mir nicht ganz sicher, ob ich den
Faktor überhaupt berücksichtigen soll. Logisch, innerhalb der 50µs
ist jede LED Zeile nur 1/10 an. Von diesen 5µs ausgehend sind die
LEDs je nach PWM dann nur einmal geschaltet (also ein PWM Puls mit
jeweiliger länge). Syncronisieren muss ich das schon und denke,
dass das mit dem FPGA (einigermaßen) einfach zu realisieren ist.
Aber klar, durch die 8 Bit muss man noch schneller werden...

Das mit den LEDs auf der Platinenkante ist ein guter Ansatz, den
ich im Hinterkopf behalte, genauso die Möglichkeiten der Matrix
Adressierung.

Wie genau ich das nun ohne Multiplexen machen soll verstehe ich nicht 
ganz,
Wäre schön wenn das nochmal einer beschreiben könnte.
Meine Vorstellung war dabei jetzt so: 200x1 Matrix

Das Limit bei den Pulsströmen hatte ich vergessen zu erwähnen, richtig.

@Chris K.
Ich schau mir den CAT4101 mal an.
So etwas suche ich ja eigentlich ;)

Viele Grüße,
Andi

von Klaus R. (klaus2)


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Kapiert habe ich es immer noch nicht, irgend ein spezielles Foto Zeugs 
(hat die Technik einen Namen, mit dem man Googeln kann?) - aber ich 
wünsche viel Erfolg dabei! Wenn man eine FPGA im Griff hat, ist der Rest 
nicht so schwierig.

Klaus.

von Andi L. (andili)


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@ Klaus R.
Ich möchte das Verfahren nur ungern genau beim Namen nennen, sorry.
Es fällt in die Kategorie der Deflektometrie. Hier hat man meist
einen Projektor und eine Matrix Kamera. Der Projektor macht n 
Projektionen
und die Kamera n Bilder.
Bei der Zeilenkamera kann ich die Bilder nicht nacheinander machen, 
sondern
muss diese "gleichzeitig/interleaved" schießen. Deswegen muss ich die 
Muster so schnell schalten:

LED Matrix -- Kamera

Muster 1 -- Bild 1, Zeile 1
Muster 2 -- Bild 2, Zeile 1
Muster 3 -- Bild 3, Zeile 1
Muster 1 -- Bild 1, Zeile 2
Muster 2 -- Bild 2, Zeile 2
Muster 3 -- Bild 3, Zeile 2
Muster 1 -- Bild 1, Zeile 3
...

Viele Grüße,
Andi

von Klaus R. (klaus2)


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...ok, nun ahne ich es. Danke!

Bei High Power uns us hört der Spaß aber auf - wenn du nicht schon mal 
"richtig was entwickelt" hast wird das schwierig, da hilft auch google 
oder Tips aus dem Forum kaum, denke ich. Lies dir auch mal den LED 
Wellen Strobo Thread hier durch...

Klaus.

von Andi L. (andili)


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Hallo zusammen,

Kurze Rückmeldung zum Thema:
Ich habe alles Sacken lassen, habe alle möglichen Varianten, die mir
(mit eurer Hilfe) in den Sinn kamen, durchgespielt und dokumentiert.

Als nächstes werde ich nun die Varianten bewerten und den besten
Kompromiss auswählen:
- Anzahl der Pins
- Summenströme pro Strang
- Schaltgeschwindigkeit
  - Wärme/Leistung
- (was noch sinn macht)

Klaus R. schrieb:
> Lies dir auch mal den LED
> Wellen Strobo Thread hier durch...

Könntest du mir den genauen Titel oder Link nennen, bitte?
Habe glaube ich nicht das gefunden was du meinst. Danke.

Viele Grüße,
Andi

von Klaus R. (klaus2)


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von Falk B. (falk)


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@ Andi L. (andili)

>Zeilenkameras benötigen saumäßig viel Licht, da man ja flott arbeiten
>will.


>Ich möchte eine LED Matrix/Array mit Power LEDs (zB Nichia NVSLE21AT
>SMD-LED 270 lumen 700mA 2x2mm) aufbauen. So 10x20 LEDs oder später
>vielleicht mal 20x40 LEDs oder noch mehr :)
>Pixelabstand soll Mitte Mitte 4mm

Hmm.

>werden (Wärmeproblem?).

Nö, weil

>Um das Ganze möglichst schnell angesteuert zu bekommen müsste ich das
>über die schmale Seite (10) multiplexen. Damit ist die Lichtausbeite
>leider nur noch 1/10,

Eben darum nimmt man KEIN Multiplexing.

>Da die Kamera nur sehr kurz belichtet (50µs = 20kHz sind angestrebt)
>müssen
>die LED Treiber schnell schalten können. Faktor 10 für die Zeilen,
>Faktor

Dann ist aber auch die Aufnahmezeit eher gering. Ich nehme an, daß das 
Ding NICHT im Dauerbetrieb läuft sondern nur ein paar hundert 
Millisekunden.

Ich würde eine direkte Ansteuerung mit passenden LED-Treibern von TI 
machen, TLC5940 & Co. Da gibt es welche mit 100mA und mehr pro Ausgang, 
die mittels DAC die LED-Helligkeit einstellen können, ohne PWM.

>Die Kühlung/Wärmeabfuhr plane ich über eine Aluminium Platine mit dickem
>Kühlkörper.

Da mußt du die Wärme aber erstmal von deiner LED auf die Alu-Platte 
kriegen. Denn die LED sitzt auf der FR4-Leiterplatte. Und bei der Dichte 
brauchst du mehr als 1 Kupferlage. Normale Alu-Kern Platinen haben aber 
nur eine Kupferlage. Hmmm.

>Das sollte problemlos klappen oder?

Das Wort "problemlos" würde ich bei DEM Vorhaben in der Schublade 
verschwinden lassen.

>Zuerst dachte ich an uln2803, aber die können "nur" 500mA bei ca 4MHz.

Oller Kram. Nimm was aktuelles von TI.

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