Led-Matrix-Multiplexing: Senke/Sourcing-Strom + LED-Helligkeit

Kurze Antwort zuerst

Die kurze Antwort auf Ihre allgemeine Frage lautet, dass Sie auf der Anodenseite aktive Schalter mit aktiven Stromspiegelsenken auf der Kathodenseite bereitstellen, um den Strom zu begrenzen. oder Sie versehen aktive Schalter auf der Kathodenseite mit aktiven Stromspiegelquellen auf der Anodenseite, um den Strom zu begrenzen. Wenn das für Sie alles Sinn macht, dann muss nichts mehr gesagt werden.

Etwas längere Antwort

Es stehen zahlreiche Informationen zur Verfügung, um einen MOSFET oder einen BJT in einen aktiven Schalter zu verwandeln. Sie können beide für den Zweck verwenden. Normalerweise wird die Wahl von einer Vielzahl von Faktoren bestimmt, darunter die beteiligten Spitzenströme, die Verfügbarkeit von Teilen, Funktionen, Herstellerunterstützung, Teilevariationen, die verwaltet werden müssen, Kosten und mehr.

Es gibt auch viele Informationen über aktuelle Spiegel. Und das wird in ausgefallenen ICs verwendet, mit denen einige LED-Displays betrieben werden. Auch hier kann ein Stromspiegel aus MOSFETs oder BJTs bestehen. Und auch hier hängt es davon ab, für welche Sie sich entscheiden. Aber da es ICs gibt, sollten Sie sich wirklich mit dem Thema befassen. Wenn ich diese Art von Projekt durchführen würde, würde ich wahrscheinlich vermeiden, "diskret zu werden" (es sei denn, ich wollte etwas beweisen), weil ein auf einem IC erstellter Stromspiegel so viel besser ist als einer mit diskreten Teilen. Allerdings gibt es Situationen, in denen Sie keine andere Wahl haben, als diskrete Teile zu verwenden. Also, wie alles, gibt es keine hellen Linien.

Sie sollten auf jeden Fall alle IC-Angebote zum Ansteuern von LEDs durchsehen. Beschränken Sie sich nicht auf Seriell-zu-Parallel-Schieberegister! Es gibt wirklich gute ICs, die einstellbare Stromgrenzen für Ihre LED-Ansteueranforderungen bieten und die für Anwendungen wie Ihre sehr gut funktionieren. Wenn Sie dies noch nicht getan haben, werfen Sie einen Blick auf die verschiedenen ICs, die Ihnen helfen können. Sie enthalten oft das Schieberegister sowie viele andere nützliche Funktionen.

Das von Ihnen erwähnte TLV431-Video funktioniert für eine LED. (Sie können diesen Ansatz jedoch auch mit diskreten BJTs oder MOSFETs für eine größere Anzahl von ihnen verwenden, wenn Sie wissen, wie man Ströme mit diskreten Teilen herumspiegelt.) Aber es ist wahrscheinlich nicht annähernd so gut wie die Verwendung von ICs (solange Die ICs unterstützen natürlich den benötigten Strombereich.) Und selbst für den Ein-LED-Ansatz halte ich den TLV431 für übertrieben. (Ich habe Tausende verschiedener Varianten des TLV431 – mehr, als ich wahrscheinlich in meinem verbleibenden Leben verwenden werde. Ich liebe die Geräte und verwende sie. Nur nicht auf diese Weise.)

Ihre LED

Das von Ihnen bereitgestellte Datenblatt enthält nicht viele Daten. Alles, was es sagt, ist, dass, wenn es einen Vorwärtsstrom von gibt$20\:\text{mA}$dann kann die Spannung über der LED so hoch sein wie ungefähr$2.5\:\text{V}$mit einem typischeren Wert von$2.0\:\text{V}$. (Es gibt nichts an der unteren Grenze, aber ich bezweifle, dass es viel niedriger werden kann als$1.8\:\text{V}$.) Das ist also wohl meine Vermutung zu dieser LED im Dauerbetrieb. Und dieser große Spannungsbereich bedeutet, dass die Teile so ziemlich alles sind, was aus dem FAB kommt und einige sehr grundlegende Spezifikationen erfüllt, ohne weiteres Binning verkauft zu werden.

Es kann auch interessant sein zu lesen, was ich hier über die LED-Stromregelung mit einem Widerstand geschrieben habe. Angesichts der prozentualen Spannungsschwankungen, die zwischen LEDs möglich sind, Ihres Wunsches, sie ernsthaft zu übersteuern, und der Tatsache, dass Ihre IC-Auswahl darauf hindeutet, dass a$5\:\text{V}$Stromschienenspannung, ich denke nicht, dass Sie sich nur auf einen Widerstand für den Strombegrenzungszweck verlassen sollten.

Allgemeiner Ansatz

Im Allgemeinen sieht der Multiplexing-Ansatz folgendermaßen aus:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

(Das obige Schema zeigt High-Side-Schalter mit Low-Side-Stromsenken. Es könnten genauso gut Low-Side-Schalter mit High-Side-Stromquellen gewesen sein.)

Der$X_i$Leitungen sind Switch-Enable-Leitungen. Es sollte nicht mehr als eine davon gleichzeitig aktiviert werden. Diese Schalter müssen in der Lage sein, die gesamte Summe der gemultiplexten, übersteuerten LED-Ströme in ihrer Gruppe zu führen , da Sie null, einen oder alle aktivieren können$Y_j$Stromsenkenleitungen, wenn eine bestimmte$X$-Schalter ist eingeschaltet.

Diese$X$-Schalter müssen diese maximale Stromsumme unterstützen und dies tun, ohne viel Spannung abfallen zu lassen. Dafür gibt es zwei Hauptgründe.

1. Wenn Sie den Schalterspannungsabfall so gering wie möglich halten, können Sie eine niedrigere Spannungsschienengröße verwenden. Dies bedeutet eine niedrigere unterstützte Wattzahl für das Netzteil. Das bedeutet billiger, einfacher, besser usw.
2. Den Spannungsabfall des Schalters so gering wie möglich zu halten, bedeutet weniger Verlustleistung in den Schaltern (was kleinere Kühlkörper, weniger Luftstrom erforderlich, billigere Teile usw. bedeutet) und in den Abschnitten der Stromsenke (was wiederum billiger, einfacher, besser bedeutet).

(Der$Y_i$Leitungen sind natürlich stromsenkende Leitungen.)

Das erste, worüber Sie entscheiden müssen, ist, wie viel Stromübersteuerung Sie in den LEDs tolerieren können. Wenn eine LED für das Multiplexen vorgesehen ist (oder zumindest der Hersteller seinen Markt für sie erweitern möchte), enthält das Datenblatt normalerweise mindestens einige Informationen mit einem Beispielfall mit höheren Strömen, die er in Betracht ziehen sollte.

Ihre LED, überarbeitet

In Ihrem LED-Gehäuse steht beim Hersteller "GEEIGNET FÜR LEVEL INDICATOR" und bei den "ABSOLUTE MAXIMAL RATINGS" (bei$25^\circ\,\text{C}$) Das$I_\text{F}\le 30\:\text{mA}$. (Das ist kontinuierlich.)

Sie fügen das in den "ABSOLUTE MAXIMAL RATINGS" hinzu$I_\text{F}\le 160\:\text{mA}$. Und ja, sie haben eine Fußnote darüber, wie sie diese absolute Höchstleistung erreicht haben. Aber ich interpretiere das nicht so, dass Sie das Gerät tatsächlich irgendwo in der Nähe dieser absoluten Maximalspezifikation betreiben sollten. Immerhin ist es im Bereich der absoluten Höchstwerte aufgeführt. Vielleicht die Hälfte? Aber ich vermute. Wenn Sie dies herausfinden möchten, sollten Sie sich an den Hersteller wenden (direkt oder über eine Vertretung) und eine Antwort erhalten. Fragen Sie dort auch nach detaillierten Informationen zum Spannungsbereich der LEDs beim Betrieb mit überhöhten Pulsströmen.

Auch bei einer Antwort des Herstellers sollte man „vertrauen, aber prüfen“. Das bedeutet, einige zu kaufen und sich an eine Bank zu setzen, um Tests durchzuführen. Wenn Sie nur ein Voltmeter/Amperemeter haben, können Sie alle erforderlichen Tests durchführen. Führen Sie in diesem Fall kurze Tests durch, damit Sie die LED nicht in unsichere Betriebstemperaturen bringen. Lassen Sie die LED also nur lange genug aktiv, um "einen Messwert zu erhalten", und schalten Sie sie dann sofort aus und lassen Sie sie abkühlen, bevor Sie einen weiteren Test versuchen.

Sie brauchen Informationen. Und das Datenblatt bietet es nicht wirklich für Ihre Verwendung.

Aber entwerfen Sie nicht für die "absolute Höchstleistung" eines Geräts. Das ist keine gute Praxis.

An dieser Stelle muss ich mit weiteren Gedanken aufhören. Ich kann hier keinen Ansatz empfehlen, da ich keine Zahlen habe, mit denen ich arbeiten kann.

Notiz:

Sie haben 16 LEDringe / 16 Encoders Control Surface PCB als ein ähnliches Projekt wie Ihres erwähnt. Ich finde das wunderbar. Es ist sehr attraktiv, aber auch nützlich und wurde unter Berücksichtigung menschlicher Faktoren entwickelt. Ich mag es. Aber ist Ihnen auf dieser Seite auch ein Kommentar aufgefallen:

"Da Tk ein Helligkeitsproblem bei einigen rechteckigen 5x2x7mm LEDs entdeckte, fanden wir es sinnvoll, eine Liste von LEDs zu erstellen, die erfolgreich oder nicht erfolgreich getestet wurden."

Die Helligkeitswahrnehmung ist ein weiteres komplexes Thema. Meine Erfahrung ist, dass verschiedene LEDs, selbst aus derselben Charge, in einer abgedunkelten (oder auch aufgehellten) Umgebung so unterschiedliche Helligkeitswahrnehmungen haben können, dass sie nicht erfolgreich mit genau demselben Strom betrieben werden können, wenn Sie sie in einem einzigen Display verwenden. LED-Hersteller, die 7-Segment-Anzeigen oder andere Geräte wie diese herstellen, werden einige Anstrengungen unternehmen, um ihre LEDs vorab zu klassifizieren, bevor sie eine einzelne Anzeige zusammenbauen. Und wo diese Displays in Kombination verwendet werden können, werfen sie die gesamten Displaysysteme weg, so dass ihre Kunden sicher sein können, dass, wenn sie Display 1 neben Display 2 in, sagen wir, einer Instrumententafel eines Flugzeugs platzieren, alle LEDs "aussehen". gleiche Helligkeit" im Betrieb. Es stellt sich heraus (oder zumindest für die Jahre, an denen ich vor etwa einem Jahrzehnt beteiligt war), dass FABs einfach nicht gut genug sind, um identische LEDs selbst auf demselben Wafer herzustellen. Die menschliche Wahrnehmung ist sehr, sehr gut und kann feine Unterschiede erkennen.

Wenn Sie es wirklich ernst meinten, schöne LED-Anzeigesysteme wie dieses herzustellen, haben Sie einige Möglichkeiten.

Sie können vorsortierte LED-Geräte kaufen (es gibt sie), bei denen der Hersteller die ganze Arbeit für Sie erledigt hat und Sie nur die gleichen Impulsströme in Ihr Multiplex-System einspeisen müssen, und alle LEDs sehen sehr ähnlich und sehr ähnlich aus Fachmann. Dies ist in Ordnung, wenn Sie nur ein Anzeigesystem bauen. Aber angenommen, Sie müssen in einem Jahr noch einen bauen? Wird der Hersteller Ihnen bei der nächsten Bestellung genau die gleiche gebündelte LED geben können? Vielleicht. Vielleicht nicht. Einige Hersteller werden beim Binning sehr vorsichtig sein und codierte Werte bereitstellen, was bedeutet, dass Sie ähnliche Geräte wirklich nachbestellen können. Aber nicht alle tun das für Sie. Nur eine andere Sache zu beachten.

Sie können auch einfach Grab-Bag-LEDs kaufen (kein Pre-Binning) und stattdessen planen, Software zu schreiben, die einen "Kalibrierungs" -Wert enthält, der für jede LED, die Sie multiplexen, einzigartig ist. Sie verwenden immer noch genau die gleichen Ströme in allen LEDs (unter Verwendung von ICs, die dies leicht für Sie tun), aber jetzt "stellen" Sie die Impulsbreite für jede LED unterschiedlich ein.

Nehmen wir in diesem letzteren Fall an, Sie haben ein Multiplexsystem mit diesen Schaltern und Stromsenken, die ich im obigen allgemeinen Ansatz erwähnt habe . Die aktuellen Senken sind bereit für, sagen wir,$80\:\text{mA}$(und Ihre Switches können ihre maximale Last gut bewältigen), weil Sie a verwenden werden$\times 4$Multiplexing-Ansatz (25 % für jede Zeitscheibe). Nehmen wir an, Sie verwenden a$1\:\text{kHz}$Rate, so dass jede Zeitscheibe ist$250\:\mu\text{s}$. Dies bedeutet, dass Sie ohne Kalibrierung eine LED (falls eingeschaltet ) bei betreiben würden$80\:\text{mA}$für$250\:\mu\text{s}$, mit einer Totzeit von$750\:\mu\text{s}$bevor Sie im Multiplexing-Prozess zu dieser LED zurückkehren.

Wenn Sie jetzt eine LED-Kalibrierungsfunktion hinzufügen, besteht eine Möglichkeit darin, das gesamte System mit zufälligen LEDs aufzubauen und dann zu ermitteln, welche davon am wenigsten hell war . Dass man die volle Einschaltzeit bekommt$250\:\mu\text{s}$. Sie würden jetzt alle nahegelegenen LEDs durchgehen und ihr Timing von dort aus nach unten anpassen, bis sie die gleiche Helligkeit hatten. Auf diese Weise können Sie mit einzigartigen Zeiträumen pro LED alle gleich aussehen lassen.

Wenn Sie verschiedene Panels ähnlich angepasst machen müssen, die alle gleich aussehen, dann würden Sie das eingestellte Stromlimit festlegen (was ich vorgeschlagen hatte, könnte sein$80\:\text{mA}$früher) auf einen anderen Wert. Indem Sie die Einstellbarkeit „Set Current“ bereitstellen, ermöglichen Sie sich, alle Displays gleich aussehen zu lassen, wenn sie in demselben größeren System platziert werden.

Wie Sie sehen können, kann keines der oben genannten Dinge vernünftigerweise "mit Widerständen" durchgeführt werden.

KAUFEN SIE DIESES BUCH

Während es viele Bücher zu diesem Thema gibt, gibt es nur ein wegweisendes öffentliches Lehrbuch zu diesem Thema:

    Optoelectronics/
    Fiber-Optics Applications
    Manual    Second Edition
    
    Prepared by The Applications Engineering Staff of the
    HEWLETT-PACKARD OPTOELECTRONICS DIVISION

    Stan Gage, Applications Engineering Manager       Hans Sorensen, Applications Engineer
    Dave Evans, Applications Engineer                 Dick Jamison, Applications Engineer
    Mark Hodapp, Applications Engineer                Bob Krause, Applications Engineer

    McGraw-Hill Book Company
    1981 (and 1977 for the first edition)

Ihre Frage suggeriert mir, dass Sie sich auf eine Reise begeben, von der Sie, vielleicht aus Rücksicht auf unsere Zeit, hier nicht alle Einzelheiten mitteilen. In Anbetracht dessen benötigen Sie zusätzliche Ressourcen, die Ihnen beim Navigieren helfen. Und ich kann mir kein besseres Buch vorstellen, das ich zur Hand haben könnte. Es steht allein in der Branche.

Dieses Buch ist umfangreich und detailliert bis ins kleinste Detail. Wenn Sie eine Frage zu LEDs haben, egal welche Frage, dann stehen die Chancen sehr gut, dass es in diesem einzigen Lehrbuch einen Abschnitt zu diesem Thema geben wird.

(Ich habe noch fünf Exemplare des Buches hier zu Hause, obwohl ich ursprünglich ungefähr 20 davon vor etwa 20 Jahren gekauft habe. Der Grund ist, dass ich sie billig kaufen konnte und ich sicherstellen wollte, dass meine Kunden ein Exemplar bekommen , falls sie nicht schon einen hatten. Sozusagen ein Teil der von mir angebotenen Dienstleistung.)

Dieses Buch ist auch von der alten Schule , daher kommt Ihre Frage. Moderne LED-Anzeigesysteme verwenden spezielle ICs für diesen Zweck – und ich meine kundenspezifische ICs, die nicht auf dem freien Markt erhältlich sind und für einen ganz bestimmten Zweck entwickelt wurden. Ich habe an diesen hinteren RGB-LED-Anzeigemodulen gearbeitet (ca. 2002, für Siemens-OSRAM):

Das ist meine Unterschrift (jk) auf der Rückseite, da. In jedem Modul befinden sich (6) benutzerdefinierte ICs, die für die Außenwelt einfach unerreichbar sind: speziell für dieses Produkt entwickelt. Diese wurden in die aktiven LED-Anzeigen im Außenbereich eingelassen, die Sie möglicherweise entlang einer Autobahn sehen, um beispielsweise Ihre Aufmerksamkeit von Ihrem Fahren abzulenken. Jedes Modul wurde mit ca. bewertet$80-100\:\text{W}$der Verlustleistung und sie verwendeten drei separate Spannungsschienen, eine für jede Farbe, um die Verlustleistung des Moduls im normalen Betrieb zu minimieren.

Diese Geräte verwenden Schalter und Stromsenken, ähnlich wie oben beschrieben. Die Stromsenken waren "pro Farbe" einstellbar und dies wurde als "100%" Strom für die LEDs behandelt. (Rot hätte einen Wert, Grün einen anderen und Blau noch einen anderen.) Innerhalb dieser Einstellung wurde PWM verwendet, um innerhalb des gemultiplexten Zeitschlitzes zu dimmen . Also wenn der volle Zeitschlitz zeitraum war$100\:\mu\text{s}$B. für die Stromsenke einer bestimmten LED, dann würde der PWM-Wert auch für diese LED verwendet werden, um den Zeitraum zu ändern, für den diese Stromsenke aktiviert war. Ein PWM-Wert von 25 % für die LED würde bedeuten, dass nur die Stromsenke aktiviert wurde$25\:\mu\text{s}$. Dies hat jedoch keinen Einfluss auf die Schaltzeit . Das wäre noch vollumfänglich aktiviert$100\:\mu\text{s}$, weil noch andere LEDs geschaltet werden; von denen jeder unterschiedliche PWM-Werte haben kann. Der Schalter würde also für eine feste Zeit aktiviert bleiben. Aber die Stromsenken würden für unterschiedliche Zeiten aktiviert, aber wo ein PWM-Wert von 100 % bedeutete, dass sie für das gesamte Zeitfenster aktiviert waren.

In die oben genannten Einheiten haben wir sogar Funktionen wie eine "Säulenstaffelung" aufgenommen, die eingestellt werden kann$0\:\text{ns}$Zu$15\:\text{ns}$. Dies verzögerte das Einschalten der Spaltenstromquellen und trug dazu bei, die erzeugte EMI zu reduzieren.

Der Punkt, den ich hier zu machen versuche, ist, dass LEDs nicht einfach zu fahren sind. Sie scheinen wirklich einfach zu sein, wenn es nur einer ist; oder nur ein paar blinkende Lichter. Aber in dem Moment, in dem Sie anfangen, über eine ernsthafte Anzahl von ihnen zu sprechen? Und ernsthafte Multiplexing-Ebenen? Dies ist der Moment, in dem die ernsthafte Bedenkzeit im Sitzen stattfindet, während Sie verschiedene Ansätze in Richtung Ihres Ziels ausbalancieren und einen sehr detaillierten, sehr genauen Angriffsplan ausarbeiten.