Warum arbeiten die meisten PWM-LED-Anzeigen und -Hintergrundbeleuchtungen mit einer relativ niedrigen Frequenz?

Um mich herum ist ein Haufen Elektronik: Digitaluhren, mein Laptop, ein Kühlschrank, eine dimmbare Taschenlampe und mehr. Was sie alle haben, ist ein wahrnehmbares Flackern ihrer Displays aufgrund von PWM, insbesondere wenn ich schnelle Augenbewegungen mache (dh normales Alltagssehen).

Ich habe schon einmal mit PWM und LEDs herumgespielt; Flackern wird bei etwa 1000 Hz angenehm unmerklich, was für einen Mikrocontroller trivial, vielleicht sogar unbedeutend ist.

Mir ist klar, dass einige Geräte von der Netzfrequenz gesteuert werden können, aber meines Wissens verwendet ein Großteil meiner Elektronik gefilterten Gleichstrom.

Warum kann nicht jede LED-Anzeige so gestaltet werden, dass kein Flackern auftritt?
Mir fallen ein paar Gründe für unsere aktuelle Situation ein:

  • Wir haben einen Haufen fauler Ingenieure
  • Kostengründe - vielleicht verwenden sie einen absolut schlechtesten Mikrocontroller, um ein paar Cent zu sparen
  • Effizienz - Ich weiß, dass PWM effizienter ist als Konstantstrom, und ich denke, je höher die Frequenz ist, desto näher liegt sie am Konstantstrom (kann ich davon ausgehen?), Aber ich wäre überrascht, wenn es einen großen Unterschied zwischen 100 Hz und 100 Hz gäbe 1000Hz.
  • Ich bin buchstäblich die einzige Person, die sich daran stört.

Gedanken, jemand? Ich hoffe, ich bin nicht der Einzige.

EMI – jede Flanke erzeugt EM-Rauschen und je weniger Flanken pro Sekunde, desto geringer die erzeugte EMI.
Was manchmal wie PWM aussieht, ist die Phasenwinkelsteuerung (PA) des Netzes oder des vom Netz heruntergefahrenen Wechselstroms. Dies ist naturgemäß 50 / 60 Hz, je nach Standort.
Ist das nicht Off-Topic, weil es um Meinung bittet? Ich bin skeptisch, dass Sie 1000-Hz-Signale sehen, da ich glaube, dass dies etwa 10-mal schneller ist, als ich bisher für menschliche Augen gehalten hatte. Schließlich sind wir nur elektrochemische Maschinen. Ich glaube, Vögel sind schneller, was Sinn macht, aber AFAIK, sie sind weit unter 1 kHz. Es kann sich jedoch um ein Artefakt von zwei unterschiedlichen Frequenzen handeln. Eine andere Möglichkeit ist, dass es sich um ein Symptom einer Krankheit handelt. Ich würde empfehlen, sich an einen örtlichen Augenarzt oder die medizinische Universitätsklinik zu wenden.
@gbulmer Worauf Sie sich beziehen, ist die Flimmerfusionsschwelle - die Rate, mit der unterschiedliche Bilder "verschmelzen" und als glatte Bewegung wahrgenommen werden. Die Schwelle des Menschen liegt irgendwo um 60 Hz (aber das periphere Sehen kann Flimmern darüber erkennen, weshalb magnetische Vorschaltgeräte Kopfschmerzen und Überanstrengung der Augen verursachen können), während Vögel und Libellen bekanntermaßen mindestens 100 Hz, vielleicht einige hundert Hz, haben. Ref1 , Ref2

Antworten (4)

Es ist nicht wirklich PWM, sondern ein Multiplexing von Displays. Ich werde hier nicht im Detail auf die Vorteile des Multiplexing eingehen, aber es geht nicht um Energieeffizienz, sondern um eine Reduzierung der Kosten und der Komplexität von Antriebskomponenten. Es ist möglich, ein paar billige Teile zu verwenden, um ein 4-stelliges LED-Display (32 Segmente) mit nur 12 Port-Pins anzusteuern (falls erforderlich auf einer einseitigen Leiterplatte).

Die meisten Produkte dieser Art verwenden eher einen 8-Bit-Prozessor als einige. 32-Bit-Ding und normalerweise mit einer relativ niedrigen Taktfrequenz wie 4 oder 8 MHz. Sie sind im Allgemeinen nicht mit einem Hardware-Display-Controller ausgestattet, daher erledigt ein ISR die Arbeit. Wenn es andere Dinge mit hoher Priorität gibt, kann die Helligkeit der Anzeigeziffer aufgrund von Jitter beim Multiplexen sichtbar in der Helligkeit moduliert werden - ein gewisses Maß davon würde als akzeptabel, wenn nicht gar nicht wahrnehmbar angesehen werden. Das Gleiche gilt für Flimmern im Display. Trotzdem verbraucht das Mikro möglicherweise mehr als 20 % seiner Bandbreite, um nur das Display zu steuern. Ein schnellerer Takt würde mehr Stromverbrauch des Mikros, mehr EMI und mehr Kosten bedeuten. Für eine 8-stellige Anzeige, die bei 200 Hz gemultiplext wird, muss etwa alle 600 Sekunden eine neue Ziffer verarbeitet werden. +/- 30 usec (das wäre ein ziemlich hochwertiges Display für eine Anwendung ohne Vibration). Bei starken Vibrationen vielleicht 5x schneller.

Obwohl ein Designer beispielsweise vorschlagen könnte, ein kleines FPGA zu verwenden, um alle Zeitbeschränkungen vollständig zu eliminieren, und eine 6-Lagen-Platine, um mit der EMI umzugehen, wäre dies wahrscheinlich sein letzter Akt bei einem Unternehmen für Konsumgüter. Die Einstellung ist, dass eine Kostensenkung von 5 Cent ausreichen würde, um einen anderen Ingenieur einzustellen.

Digitale netzbetriebene LED-Uhren sind ein Sonderfall, und einige verwenden ein cleveres Biplexing-Schema, das das Display von einer ungeregelten Transformatorsekundärseite mit Mittelabgriff versorgt, sodass die Mux-Frequenz an die Netzfrequenz gebunden ist.

Es sind faule Ingenieure, Punkt. Besonders ärgerlich finde ich es bei Auto-Rücklichtern bei Nacht. Wenn ich meinen Blick über den Verkehr schweife, macht mich der „Stroboskop“-Effekt wahnsinnig.

Ich habe Multiplex-Displays entworfen und kann Ihnen sagen, dass es nicht mehr kostet, ein Display bei 1000 Hz zu multiplexen/PWM zu schalten als bei 50/60 Hz.

Meine Erfahrung beim Entwerfen von PWM-Displays war, dass Sie eine relativ hohe Aktualisierungsfrequenz haben können, wenn Sie nur wenige LEDs in einem Multiplex steuern. Aber mit mehr LEDs zum Auffrischen (bei gleichem Mikrocontroller und Taktgeber) kann es merklich schlimmer werden.
Stimme dem Strobe-Effekt nachts voll und ganz zu, er ist zumindest für einige Menschen mit hoher Flimmerempfindlichkeit, mich eingeschlossen, immens ablenkend.

Vermutlich (da ich noch nie ein PWM-Display entworfen habe):

  • Kosten: schnellere Prozessoren/ICs kosten mehr
  • Kosten: Schaltungen mit höheren Frequenzen (Platinen, Komponenten) kosten mehr
  • Kosten: Das Beseitigen von Funkstörungen kostet Geld, höhere Frequenz = wirkt eher wie ein Sender und hat unerwünschte Nebenwirkungen
  • Kosten: Die Entwicklung von Hochfrequenzschaltkreisen, die sich richtig verhalten und keine RFI erzeugen, erfordert mehr Aufwand
  • Kosten: Nur sehr wenige Menschen bemerken oder kümmern sich darum, dass Ihr Wecker-Display weniger flackert, und zahlen sicherlich nicht mehr für diesen Wecker.

Kosten auch. ;)

Außerdem ist das Ein-/Ausschalten zeitlich nicht exakt. Bei längeren Impulsen bleibt der absolute Fehler gleich, sodass der relative Fehler, der sich in einem Unterschied in der wahrgenommenen Helligkeit niederschlägt, reduziert wird.
  1. Wir haben ein paar faule Mikrocontroller :)
  2. Kosten (alles, was John U sagt, ist wahr)
  3. Ich habe keinen visuellen Unterschied bei 100 Hz und höheren Frequenzen festgestellt (außer dass Stroboskopeffekte beteiligt sind: Vibration, Rotation usw.)
  4. In vielen Fällen verwenden eingebettete Anwendungen einen sich wiederholenden Timer mit 50, 64, 100, 1000 Hz oder so, der als Hauptbasis für die Steuerung von Zeitintervallen verwendet wird. Oftmals ist auch die LCD-Auffrischung an diesen Timer gebunden.
  5. Manchmal wird das Gerät von einem Quarzoszillator mit 32768 Hz getaktet (und das reicht).
  6. Das Umschalten bei Audiofrequenzen kann einen unerwünschten Dauerton an Lautsprechern oder einigen elektronischen Teilen wie Induktoren verursachen.
  7. Manchmal werden LEDs durch Schaltspannungswandler angesteuert und die Helligkeit wird durch Ein- und Ausschalten gesteuert. Da der Anlauf einige Zeit in Anspruch nimmt, kann nicht zu oft geschaltet werden.

Es gibt einen großen Unterschied, ob LED-Variablen-Dauerstrom oder PWM angesteuert werden. Wechselnde Momentanströme bewirken nicht nur die Helligkeit, sondern können auch das Emissionsspektrum (insbesondere bei weißen LEDs) und den Wirkungsgrad verändern. Auch die Steuerung der Helligkeit durch das PWM-Tastverhältnis ist streng linear.

Warum arbeiten die meisten PWM-LED-Anzeigen und -Hintergrundbeleuchtungen mit einer relativ niedrigen Frequenz?
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