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Optoelektronik & Displays Leuchtendes Farbenfest

30.06.2016

Von Displays über Projektoren bis hin zu Bühnen oder Gebäuden: RGB-LEDs sorgen für farbenfrohe Szenarien. Ist auch hohe Helligkeit gefragt, braucht es zusätzlich weiße LEDs. Doch wie steuert man die RGBW-LEDs effizient? Die Lösung liegt in einem Matrix-LED-Dimmer.

Um brauchbare Farben aus einer RGB-LED zu erhalten, muss jede der LEDs (rot, grün und blau) individuell und präzise gedimmt werden. High-End-Systeme nutzen eine optische Rückkopplung und einen Mikrocontroller zur Justierung der einzelnen LEDs zur Farbeinstellung. Durch Hinzufügen einer weißen LED in die RGB-LED entsteht eine RGBW-LED mit erweitertem Farbraum sowie höherer Sättigung und Helligkeit. Jede RGBW-LED erfordert ein präzises Dimmen aller vier LEDs, zwei RGBW-LEDs erfordern so acht Ansteuerkanäle. RGBW-LEDs können bezüglich Farbe und Helligkeit auf verschiedene Weise angesteuert werden, beispielsweise mit vier separaten LED-Treibern, einer für jede Farbe. In diesem System wird der LED-Strom oder das PWM-Dimmen jeder individuellen LED durch separate Treiber und Signale versorgt. Mit dieser Lösung steigt die Anzahl der LED-Treiber schnell mit der Anzahl der RGBW-LEDs. Jedes Lichtsystem mit einer signifikanten Anzahl an RGBW-LEDs erfordert so eine substantielle Zahl an Treibern und die Synchronisation der Steuersignale.

Einfacher mit LED-Matrix-Dimmer

Eine elegantere Lösung ist der Einsatz einer Matrix an parallelen Power-MOSFETs zum PWM-Dimmen der individuellen LEDs zur Helligkeitssteuerung. Der Matrix-Dimmer und die einzelnen LED-Treiber reduzieren den Schaltungsaufwand der Lösung. Zusätzlich vereinfacht ein simpler Kommunikationsbus zur Steuerung des Matrix-LED-Dimmers das RGBW-Farbmischsystem, das die Hochstrom-RGBW-LEDs präzise in Farbe und Helligkeit ansteuert.

Der Matrix-LED-Dimmer LT3965 ermöglicht ein solches Design. Jeder Acht-Kanal-LT3965 arbeitet mit zwei RGBW-LEDs zusammen und ermöglicht so die individuelle Helligkeitsteuerung jeder einzelnen LED (rot, grün, blau und weiß) in PWM-Schritten von 1/256 zwischen null und 100 Prozent. I2C-Befehle übernehmen die Steuerung von Farbe und Helligkeit aller 8 Kanäle. Der serielle I2C-Code zum Matrix-LED-Dimmer-IC bestimmt die Helligkeit jeder der acht LEDs und prüft sie gleichzeitig auf Unterbrechung oder Kurzschluss.

256 RGBW-Farben im Griff

Eine Alternative zum PWM-Dimmen ist die Reduzierung des Treiberstroms für jede LED, was aber sehr ungenau ist. Dabei wird ein Dimmverhältnis von nur 10:1 erreicht, und es gibt Farbdrift in den LEDs selbst. Der Matrix-Dimmer-Ansatz mit PWM-Dimmen ist dagegen bei Farbgenauigkeit und Helligkeit besser als die Stromsteuerung. Bandbreite und Transientverhalten der LED-Treiber beeinflussen die Farbgenauigkeit. Mit einer Übergangsfrequenz über 10 kHz (ohne beziehungsweise mit nur einem kleinen Ausgangskondensator) reagiert der kompakte Boost-Buck-Wandler schnell auf Veränderung, je nachdem wie viele LEDs gerade angesteuert werden, da der Matrix-Dimmer sie zu- und abschaltet.

Um zu illustrieren, wie wichtig das für die Genauigkeit ist, wurden rote, grüne und blaue LEDs separat mit unterschiedlichen PWM-Duty-Cycles angesteuert und das abgegebene Licht über einem RGB-Optosensor gemessen. Die Ergeb-
nisse zeigen den gleichmäßigen Anstieg für jede Farbe zwischen 4/256 und 256/256, mit einer kleinen Abweichung darunter. Natürlich sind rote, grüne und blaue LEDs in der Farbwiedergabe nicht perfekt, so gibt es Abweichungen bei einigen
Mischfarben, wenn nur eine angesteuert wird. Generell ist das System aber sehr präzise.

Dimm-Genauigkeit erhöhen

Die Genauigkeit kann bis herunter zu 1/256-PWM-Dimmen durch Verwendung eines Buck-Wandler-LED-Treibers mit sehr hoher Bandbreite gesteigert werden. Das bedeutet aber einen zusätzlichen Aufwärtswandler zur Erzeugung einer geregelten 30-V-Spannung oder das Vorhandensein einer Eingangsspannungsquelle für mehr als 30 V. Wenn diese sehr hohe Genauigkeit bei extrem niedriger Helligkeit gefordert wird, kann man die Schaltung vergessen, da durch die zusätzlichen Wandler die Vielseitigkeit, Einfachheit und Kleinheit dieser Schaltung nicht mehr zutrifft.

Das hier beschriebene Matrix gedimmte RGBW-LED-Farbmischsystem bietet einen breiten Farbraum. Durch zusätzliche Farben, wie beispielsweise Bernstein (Amber), kann der Farbraum erweitert werden. RGBWA-LEDs (mit einer Bernstein-LED) können ein tiefes Gelb oder Orange abgeben, wie es RGBW-LEDs nicht können. Solche RGBWA-LEDs können auch von einem Matrix-Dimmer angesteuert werden, wobei die acht Kanäle des Matrix-Dimmers aber am besten zu zwei RGBW-LEDs passen. Das 256-stufige Dimmschema des LT3965 passt genau zu den typischen RGB-Malprogrammen und den üblichen Farbmischalgorithmen. Öffnet man zum Beispiel ein Standard-PC-Malprogramm, sieht man, dass die Farben aus dem 256-wertigen RGB-System gemischt sind.

LED-Dimmer mit Boost-Buck-Wandler

Der Matrix-Dimmer erfordert einen passenden LED-Treiber zur Ansteuerung von Strings mit acht LEDs aus den verschiedensten Quellen: Standard 12 V ±10 %, 9 V…16 V (Auto) oder 6 V…8,4 V (Li-Ionen). Eine Lösung hierfür ist der Boost-Buck-LED-Treiber LT3952, welcher die Spannung für die LED herauf- oder heruntersetzt, bei gleichzeitig geringem Eingangs- und Ausgangsripplestrom. Mit seinem kleinen oder ganz wegfallenden Ausgangskondensator in seiner potenzialfreien Ausgangstopologie, kann er sehr schnell auf Änderungen der LED-Spannung reagieren, wenn die individuellen LEDs PWM-gedimmt sind und zur Steuerung von Farbe und Helligkeit ein- und ausgeschaltet werden.

Der LT3952 500 mA passt gut zum 8-Schalter-Matrix-LED-Dimmer LT3965 und zwei RGBW-500-mA-LEDs. Die neue Boost-Buck-Topologie arbeitet sehr gut über den gesamten Bereich von bis zu acht LEDs in Serie, bei Spannungen von 0 bis 25 V. Die momentane Spannung der in Serie geschalteten LEDs wird davon bestimmt, wie viele LEDs durch den Matrix-Dimmer zugeschaltet sind oder nicht. Der Matrix-Dimmer steuert die LED-Helligkeit durch die Parallelschaltung der LEDs mit Leistungs-MOSFETs. Die LEDs müssen nicht mit Masse verbunden sein, egal ob mit dem schwebenden Ausgang des Boost-Buck-LED-Treibers betrieben oder mit dem Matrix-LED-Dimmer. Solange der VIN Pin des LT3965 mit Skyhook-Potential (Himmelshaken) verbunden ist, welches mindestens 7,1 V über LED+ sein soll, arbeiten alle parallel geschalteten MOSFETs korrekt.

Das Skyhook-Potential kann mit einer Ladungspumpe aus einem Schaltregler realisiert werden oder aus einer geregelten Quelle, die mindestens 7,1 V über der höchsten LED+-Spannung liegen soll. Für die Synchronisation des Systems bei 350 kHz wird ein externer Takt verwendet – so gibt es keine Probleme beim AM-Radioempfang im Auto. Der LT8330 reguliert ohne Impulse-Skipping, wenn alle LEDs durch den Matrixdimmer kurzgeschlossen sind und die LED-Strangspannung herunter geht auf 1,3 V. Die 350 kHz unterstützen auch hohe Dimmverhältnisse ohne sichtbaren LED-Flicker.

Start-up-Sequenz der LEDs regeln

Das Matrix-LED-Dimmer-System lässt sich für den Start entweder mit allen LEDs ein oder aus einstellen. Start mit allen LEDs aus ermöglicht sanftes Einschalten oder mit programmierter Farbe sowie Helligkeit, wie beispielsweise grünblau mit 10 Prozent Helligkeit. Starten alle LEDs mit vollen 500 mA bevor die serielle Kommunikation dem Dimmer sagt, was zu tun ist, erscheint volles helles Weiß.

Matrix-LED-Dimmer wie der LT3965 können zusammen mit einem Boost-Buck-LED-Treiber betrieben werden und bilden so ein RGBW-LED-Farbmischsystem mit präzisen Farben. Mit dem LT3952 kann es verwendet werden, um zwei RGBW-LEDs mit 500 mA und 350 kHz Schaltfrequenz aus einer Quelle zwischen 6 bis 20 V zu betreiben.

Bildergalerie

  • Ein Boost-Buck-LED-Treiber zusammen mit einem Matrix-LED-Dimmer mit serieller Kommunikation sorgt für eine effiziente Lösung bei der Ansteuerung von RGBW-LEDs.

    Bild: Linear Technology

  • Der Lichtdesigner verwendet den PC um die Dimmwerte einzustellen und sieht die Ergebnisse in Echtzeit.

    Bild: Linear Technology

  • Acht separate LED-Treiber und PWM-Signale können verwendet werden, um zwei RGBW-LEDs in einer leistungsfähigen Farbmischapplikation zu betreiben.

    Bild: Linear Technology

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