Ein Punktmatrixmodul existiert in unterschiedlichen internen
Strukturen. Weit verbreitet sind die Module mit einer Matrix von
5 x 7 Punkten. Das bedeutet, dass ein so bezeichnetes Modul insgesamt
35 Einzel-LEDs beinhaltet und diese in 5 Spalten und 7 Zeilen angeordnet
sind. Nun stellt sich oftmals die Frage, wie die Ansteuerung von
Punktmatrixmodulen funktioniert. Das nachfolgende Bild verdeutlicht
zuerst mal den internen Aufbau der LED-Matrix und zeigt auch
die Grundansteuerung eines Punktmatrixmoduls.
Wie im Bild zu erkennen ist, sind pro Spalte 7 LEDs zusammengeschaltet.
In dem gezeigten Beispiel handelt es sich um ein Modul mit einer
Ansteuerung über eine gemeinsame Anode. Im Gegensatz hierzu existieren
auch Module mit einer Ansteuerung über eine gemeinsamen Kathode. Bleiben
wir jedoch bei unserem Beispiel mit der gemeinsamen Anode. Um nun ein
solches Modul anzusteuern ist es notwendig die technischen Daten vom
gewählten Hersteller vorliegen zu haben. Dort sind beispielsweise Daten
über den durchschnittlichen Strom pro LED, den Spitzenstrom pro LED,
die Abfallspannung an der LED in Abhängigkeit der Temperatur und diverse
andere Daten beschrieben. Nehmen wir an, folgende Grunddaten liegen zugrunde:
forward current | 30mA |
forward voltage | 2.0V |
power dissipation | 105mW |
Es ist zu erkennen, dass jede einzelne LED mit maximal 30mA angesteuert
werden darf. Dann hat jede LED eine Abfallspannung von 2.0V (bei 25°C). Die
maximale Verlustleistung darf 105mW nicht übersteigen.
Mit diesen Daten kann eine Ansteuerung, wie sie oben im Bild gezeigt ist,
vorerst einmal grob ausgelegt werden. Im Ansteuerzweig sind 2 Transistoren
und ein Schutzwiderstand zu erkennen. Normalerweise müssen die Datenblätter
der Hersteller der Transistoren Auskunft geben, wie hoch die maximale
Abfallspannung der Kollektor-Emitter-Strecke ist. Gehen wir hier einmal von 0.2V pro
Transistor aus. Demnach ergibt sich als Wert für den Vorwiderstand:
R = (V
CC - (U
F + (2 x U
CE))) / I
f
R = (5.0 - (2.0 + 0.4)) / 0.03 = 87 Ohm (gewählt 91 Ohm)
Mit dieser Vorberechnung kann das Punktmatrixmodul innerhalb seiner definierten
Grenzen betrieben werden. Nun ist im Bild auch zu erkennen, dass als Ansteuerung
(der jeweiligen Transistorbasis) ein Microcontroller und ein MUX-Baustein
vorgesehen ist. Der Microcontroller steuert hierbei die Spalten des Punktmatrixmoduls
an, während der MUX-Baustein die Zeilen des Moduls weiterschaltet. Damit kann
ein relativ kleiner Microcontroller (z.B. ein PIC oder ein AVR) eingesetzt werden.
Um zu gewährleisten, dass ein vollständiges Bild auf dem Punktmatrixmodul
angezeigt wird, hat der Controller gleichzeitig noch die Aufgabe den MUX zu steuern.
Wegen dieser Gegebenheit kann man auch leicht erkennen, dass immer nur eine Zeile
gleichzeitig angesteuert werden kann. Hier kommt nun die Frage nach der
Zeilenwiederholfrequenz. Ab ca. 25Hz erkennt das menschliche Auge eine bewegte
Bildabfolge. Dies sollte dann auch die absolut minimalste Zeilenwiederholfrequenz
sein. Andererseits ist diese Frequenz auch nicht beliebig nach oben zu setzen.
Grenzen bietet hier einerseits der Microcontroller, der neben der Ansteuerung auch
noch andere Programmteile abarbeiten muss, andererseits erhält man ab gewissen
Frequenzen ein sogenanntes Nachleuchten der einzelnen Punkte des Moduls. Dies
geht dann soweit, dass das Auge generell ein Vollbild (natürlich mit
abgeschwächten Bereichen) erkennt, obwohl nur einzelne Punkte angesteuert
werden. Sinnvolle Frequenzen liegen hier im Bereich oberhalb von 70 Hz bis
zu 200 Hz.
Es wird nun eine bestimmte Frequenz
gewählt. Dies hat zur Folge, dass jede Zeile eben nur 1/7 der Zeit eingeschaltet
ist. Würde man nun den oben berechneten Widerstand einsetzen, würde
sich auch der Mittelwert des Stroms pro Punkt auf 1/7 des berechneten Werts einstellen.
In unserem Fall sind dies dann nur noch 30mA / 7 = 4mA. Damit ist die Leuchtkraft
jedoch stark reduziert. Daher muss der Widerstand angepasst werden. Eigentlich
könnte man den Wert um den Faktor 7 reduzieren (91 Ohm / 7 = 13 Ohm). Dies hätte
jedoch dann einen Strom während der Einschaltphase von 2.6V / 13 Ohm = 200mA
zur Folge. Laut Unterlagen des Herstellers liegt jedoch der maximale, gepulste
Strom bei 150mA. Also Widerstand auf 2.6V / 0.15A = 17 (gewählt 18 Ohm).
Hierbei muss man sich jedoch im Klaren sein, dass die MUX-Schaltung zu jeder Zeit
funktionieren muss, da andernfalls das Punktmatrixmodul den Hitzetod stirbt!