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LED-Display-Ansteuerung mit Embedded PWM Konstanter Farbwert bei wechselnder Helligkeit

Autor / Redakteur: Hanno Reimann* / Andreas Mühlbauer

Leuchtdioden anzusteuern ist alles andere als trivial. Zumindest, wenn es darauf ankommt, ihre Helligkeit präzise einzustellen und dabei den Farbwert zu erhalten. Ein Treiber mit Pulsweitenmodulation löst dieses Problem. So lassen sich mit dem MBI5030 auch große Arrays oder Displays ansteuern.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Jede LED benötigt einen Treiber, eine elektronische Schaltung, die die Betriebswerte der LED bereitstellt. Hierbei geht es grundsätzlich um einen konstanten Strom, den die LED benötigt, um eine definierte Helligkeit und einen definierten Farbwert anzunehmen. Schaltet man nun viele LEDs zu einer Matrix zusammen, um beispielsweise eine Videoanzeige mit LEDs zu realisieren, so gestalten sich die Verhältnisse noch etwas komplexer.

Außer dem Farbwert soll auch pro LED eine bestimmte Helligkeit einstellbar sein, um die wechselnden Inhalte des Videobildes darstellen zu können. Der Farbwert soll natürlich auch bei unterschiedlichen Helligkeitswerten konstant bleiben – im Normalfall ändert sich außer der Helligkeit auch noch der Farbwert in Abhängigkeit vom LED-Strom. Doch hier hilft ein kleiner Trick weiter: Die mit einem konstanten Strom betriebene LED wird in sehr kurzen Zeitabständen ein- und ausgeschaltet – mit unterschiedlichen Puls-/Pause-Verhältnissen.

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Der Effekt: Das Auge integriert den Mittelwert dieser Lichtblitze, und im Gehirn entsteht ein gleichmäßiger Helligkeitseindruck, stärker oder schwächer, je nach Länge der Einschaltzeit der LED. Natürlich ist eine entsprechende Mindestfrequenz erforderlich, damit das Auge die Lichtblitze nicht als Flimmern wahrnimmt. Diese Art der Ansteuerung nennt man Pulsweitenmodulation, kurz PWM.

Da die Darstellung eines farbigen Bildes pro Bildpunkt mindestens drei Farben (R,G,B) erfordert, wächst der Ansteueraufwand schnell, wenn keine geeigneten Schaltkreise zur Verfügung stehen. Die Idee, zusätzlich zu der Konstantstromquelle noch einen PWM-Generator zu integrieren, hält den Ansteueraufwand in Grenzen. Es muss nur noch eine Änderungsinformation für die entsprechenden Bildpunkte über die Steuerleitung generiert werden. Alle sich nicht ändernden Bildpunkte benötigen kein Steuersignal. Ein weiterer Pluspunkt bei dieser Art der Ansteuerung besteht darin, dass das Steuersignal – die Bilddaten – nicht mehr direkt die Konstantstromquellen steuert und sich somit eine bedeutend höhere Bildqualität erreichen lässt.

Pulsweitenmodulation in der Praxis

Ein konventioneller LED-Display-Treiber steuert den LED-Strom (Iout) und damit die Helligkeit der LED über eine Pulsbreitenvariation am /OE-Anschluss (Bild 1). Durch die Leiterführung über größere Distanzen treten Verzerrungen dieses Signals auf. Dieses bekannte Phänomen bewirkt ein Verschleifen der Helligkeitsinformationen, da eine klare Zuordnung zu den Vorgabewerten nicht mehr gewährleistet ist. Eine feste Leitungsimpedanz mit Abschlusswiderstand würde dieses Problem mindern, scheitert aber in der praktischen Ausführung an qualifizierten Layouts und an den notwendigen Pegelaufholverstärkern. Der Anwender ist kaum bereit, für diesen Qualitätszuwachs einen höheren Preis zu bezahlen.

Der LED-Treiber MBI5030 von Marcoblock hat eine implementierte PWM-Erzeugung für jeden seiner 16 Ausgangskanäle. Die LEDs lassen sich damit präziser steuern als bei Controllern mit extern zugeführtem PWM-Signal. Damit ist der MBI5030 mit seiner 16- bzw. 12-Bit-Auflösung für eine mehrfarbige LED-Anzeige hoher Qualität prädestiniert.

Bild 2 zeigt dessen Funktionsschema. Der interne PWM-Generator wird über die General-Clock (GCLK) nur getriggert, seine Funktion zur Helligkeitssteuerung des Kanals bleibt unangetastet. Signalverzerrungen durch fehlangepasste Leitungen können nun innerhalb eines großen Toleranzbereiches keinen Einfluss mehr ausüben. Die Bildqualität bleibt damit konstant hoch. Das Blockdiagramm der Hardware-Architektur ist in Bild 3 dargestellt.

Eine zusätzliche Fehlererkennung auf Kurzschluss und Leerlauf für jeden Kanal ermöglicht ein LED-genaues Auslesen einer Fehlfunktion am betreffenden Ausgang, was Voraussetzung in sicherheitskritischen Anwendungen ist.

Ein einziger Widerstand stellt den maximalen LED-Strom des gesamten Treibers ein. Die Abweichung der einzelnen Kanäle im MBI5030 beträgt maximal 1,5%, die der ICs untereinander maximal 3%. Mit diesem Widerstand lässt sich auch die Helligkeit beim Austausch gealterter Module anpassen. Das Schieberegistersignal kann durch einfaches Verbinden des SDO mit dem SDI der Folgestufe weitergereicht werden (daisy-chain).

Höhere Leistungen treiben

Soll der MBI5030 stärkere LEDs ansteuern, beispielsweise 3 x 1 W RGB, dann ist jeder Kanal durch einen Booster erweiterbar. Als Booster für 1-W-LEDs mit 350 mA Stromaufnahme dient der MBI1802. Er enthält jeweils zwei 350-mA-Treiber. Mit acht dieser Bauteile ist der MBI5030 voll auf 350 mA umstellbar. Für 700 mA lassen sich die zwei Ausgänge des MBI1802 parallel verwenden. Allerdings sind dann für einen MBI5030 16 Booster nötig. Auch noch stärkere Leistungen sind möglich. Dazu findet der MBI8001 Verwendung, der im TO-263/5-Gehäuse bis zu 1,2 A ansteuern kann.

Bild 4 zeigt das Blockdiagramm des MBI1802. Die Ausgangskanäle des MBI5030 werden mit einem 1-kΩ-Widerstand gegen +5V beschaltet, um einen Ausgangsspannungshub zu erzeugen, der zur Ansteuerung des /OE vom folgenden MBI1802 dient. Jede dieser Doppel-Boosterstufen besitzt einen gemeinsamen Justierwiderstand für den maximalen Ausgangsstrom (Bild 5). Damit ist mit dieser Zusammenstellung eine einfache Einzel-Ansteuerung von 16 LEDs möglich. Eine Sammelleitung, bei der alle /ERR-Ausgänge miteinander verbunden sind (wired OR), erzeugt ein Übertemperatursignal zur weiteren Auswertung.

Eine thermische Überwachung der LEDs lässt sich mittels einer kleinen Zusatzbeschaltung realisieren: Ein Spannungsteiler mit Thermistor beeinflusst in geeigneter Weise den Justiereingang für den LED-Strom. Damit wird der LED-Strom bei Überschreiten einer festgelegten Temperatur abgesenkt. Bild 6 zeigt einen Schaltungsvorschlag hierzu. In Bild 7 ist der Temperaturgang auf dem LED-Board ohne und mit einer gut angepassten thermischen Überwachung dargestellt. Eine Temperaturdifferenz von knapp 10°C nach etwa einer Stunde ist ein guter Grund für den Einsatz dieser kleinen Zusatzschaltung.

Pulsweitenmodulation und Farbtreue

Bei der Ansteuerung von LED-Displays, ist es wichtig, dass die Lichtfarbe bei unterschiedlicher Helligkeit konstant bleibt. Wird die LED-Helligkeit über den Strom geregelt, ändert sich normalerweise auch deren Farbe. Um dies zu verhindern, erfolgt die Helligkeitsregelung über die Versorgung der LEDS mit Spannungspulsen gleicher Stromstärke. Die Helligkeit ändert sich abhängig von der Länge der Pulse und ihrer zeitlichen Abstände. Die Pulse müssen dabei zeitlich kurz aufeinander folgen, damit das LED-Licht nicht als Flimmern empfunden wird. Dieses Verfahren nennt man Pulsweitenmodulation (PWM).

Der Regelaufwand für große LED-Arrays bzw. Displays ist damit sehr groß, da jede einzelne LED angesteuert werden muss. Der Treiberbaustein MBI von Marcoblock hat eine integrierte PWM-Erzeugung. Dadurch entfallen Verzerrungen, die bei externen PWM-Generatoren duch unterschiedliche Leitungsimpedanzen etc. auftreten. Somit verringert sich der Steueraufwand bei gleich bleibender Bildqualität.

*Hanno Reimann ist Marketing-Ingenieur bei First Components

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