Vortrag zum Thema Light Emitting Diodes

20.06.2013 © Urs H. 1

Referierender: Urs H.

Betreuer: Stephan Bauroth

Gliederung

1. Einleitung • Motivation • Aufbau • Bautypen

2. Verhalten und Ansteuerung

• Kennlinie • Vorwiderstand • Konstantstromquellen

3. LED –Matrizen

• Problemstellung • Charlieplexing • Multiplexing

4. Schluss

• Zusammenfassung • Fazit

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EINLEITUNG

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Motivation des Referierenden

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Motivation des Publikums

HLB Dieser Vortrag

Reale Anwendung

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Von der Glühlampe zur LED

0

50

100

150

200

250

Lichtstrom in Abhängigkeit von der Leistung

lm/W

Quellen: Gückstock, O[2009]; CREE*

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Meilensteine der LED

1876: Gleichrichtender Effekt durch Sulfidkristalle (Ferdinand Braun)

1907: Lichtemission Anorganischer Stoffe (Henry Joseph Round)

1921: Round- Effekt wird widerentdeckt (Oleg Lossev)

1951: Erfindung des Transistors

1962: Erfindung der LED (Nick Holonyak)

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Quelle: Wikipedia [1]

Aufbau

Quelle: HLB [2]

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Quelle: Wikpedia [3]

Aufbau

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Bonddraht Reflektor

Halbleiter Leuchtstoff

Bautypen

• Leuchten oder Beleuchten

Unterschiedliche Anforderungen erfordern unterschiedliche Bautypen

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Bautypen I – 3 und 5mm

• Klassische Bauweise

• Polung:

– Langes Bein: Anode

– Delle: Kathode

• Beschränkte Leistungsfähigkeit

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Quelle: elektronik-kompendium.de [4]

Bautypen II - SMD

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• Surface Mounted Device

• Zustandsanzeige

• Bauform: Gehäusemaße

Quelle: Wikipedia [5]

Bautypen III – HP und COB

• High Power

– Erfordern besondere Kühlmaßnahmen

• Chip on Board

– Mehrere LED auf Platine vergossen

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Quelle: led-tech.de [6]

Quelle: ebay.de [7]

VERHALTEN UND ANSTEUERUNG

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Glühbirne als Verbraucher

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Diode als Verbraucher

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Was lernen wir aus der Kennlinie?

Quelle: cree.com [15]

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Rekombination

Valenzband

Leitungsband

Bandlücke

x

W(x)

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Merke:

• Wir stellen den Strom ein

• Die Spannung regelt sich von selbst

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Stromsteuerung I - Vorwiderstand

• Blaue LED:

– 20mA, ~3V

• Spannungsabfall über R

=2V

• R= 2V/0,02A = 100Ω

• UDD±0,5V -> I ±0,005A

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R

UDD=5V

Stromsteuerung II - KSQ

• Verschiedene Möglichkeiten

– Step Down

– Linear

• Zum Teil dimmbar

– Phasenabschnitt

– PWM Input

– 0-10V

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Quelle: led-tech.de [12]

LED- MATRIZEN

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Problemstellung

• 4 Port a 8 Pins

32 Pins frei

Maximal 32 LEDs?

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Quelle: wiki.ctbot.de [8]

Charlieplexing I

• Tri State Logic:

– High

– Low

– Input

20.06.2013 © Urs Hecht 24 Quelle: Wikipedia [9]

• P1 High; P2 Low

– LED1 Leuchtet

• P1 Low; P2 High

– LED2 Leuchtet

Charlieplexing II

• #LED = n²-n

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Quelle: Wikipedia [10]

Multiplexing

• Aufteilung in Zeilen und Spalten

• Immer nur eine Spalte Low, rest In

• Z.B.:

– C1 Low

– Spaltenmuster an R1- R7

– Nächste Spalte

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Quelle: mikrocontoroller.net [11]

Multiplexing – RGB

20.06.2013 © Urs Hecht 27 Quelle: noodlehead.com [14]

Pros und Cons

• PRO:

– 𝑛 Vorwiderstände und Transistoren

– Wenig Pins benötigt

– RGB fähig

– Dimmbar über PWM

• CON:

– Für gleiche Helligkeit benötigt es Hohe Pulsströme:

= Betriebsstrom*#Spalten

Anhalten führt zu Überlastung

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Ansteuerung

• Direkt an die I/Os

• Bipolare Transistoren oder MOSFET

– Spannungsabfall in Widerstands Berechnung einbeziehen!

• Spezielle Treiber wie der UDN2981

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Quelle: allegromicro.com [13]

SCHLUSS

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Zusammenfassung

• Wähle die Art der LED nach den Anforderungen

• Auf den Strom kommt es an

• Nutze die schlauste Strategie um Matrizen zu betreiben

• Aufpassen bei der Dimensionierung

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Danke für eure Aufmerksamkeit!

Bildquellen

[1] https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SiC_LED_historic.jpg [2] UE_HLB_A13_Solarzelle_Photodiode-20110105.pdf [3] https://commons.wikimedia.org/wiki/File:LED_Querschnitt_bestromt.jpg [4] http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/fotos/02011111.jpg [5] https://en.wikipedia.org/wiki/File:Arduino_led-4.jpg [6] http://www.led-tech.de/images/products/resized/LT-1628-1265289243.jpg [7] http://i.bosity.com/wt/22000001/14002607/image_50733.jpg [8] http://wiki.ctbot.de/images/Atmega32.jpg [9] https://en.wikipedia.org/wiki/File:Complementary_Drive.png [10] https://en.wikipedia.org/wiki/File:3_Pin_Charlieplexing.png [11] https://www.mikrocontroller.net/articles/Datei:LEDmatrix_5x7.png [12] http://www.led-tech.de/images/products/resized/LT-889-1178278952.jpg [13] http://www.allegromicro.com/en/Products/Part_Numbers/2981/2981.pdf [14] http://www.noodlehed.com/ebay/datasheets/GTM2088ARGB-21.pdf [15] http://www.cree.com/led-components-and-modules/products/xlamp/discrete-directional/~/media/Files/Cree/LED%20Components%20and%20Modules/XLamp/Data%20and%20Binning/XLampXPG.pdf

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Credits

1) https://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode 2) https://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode 3) https://www.mikrocontroller.net/articles/LED-Matrix 4) https://en.wikipedia.org/wiki/Charlieplexing 5) http://www.noodlehed.com/ebay/datasheets/GTM2088ARGB-21.pdf 6) https://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-Tutorial:_Schieberegister 7) http://led-treiber.de/html/leds_grundlagen.html#LED-Kennlinie 8) http://www.cree.com/led-components-and-

modules/products/xlamp/discrete-directional/~/media/Files/Cree/LED%20Components%20and%20Modules/XLamp/Data%20and%20Binning/XLampXPG.pdf

9) http://www.led-tech.de/downloads/smd_housings.pdf 10) https://de.wikipedia.org/wiki/Konstantstromquelle 11) https://www.mikrocontroller.net/part/UDN2981

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