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Thema: 4x4x4 LED Cube Schaltplan

  1. #1
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    4x4x4 LED Cube Schaltplan

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    Hallo alle zusammen ^^

    Ich habe vor einen 4x4x4 LED Cube zu bauen. Um diesen zu steuern habe ich mich für den "Arduino Uno R3" entschieden. Ich habe schon im arduinoforum.de gefragt aber dort kamen wir alle an unsere Grenzen und ich hoffe das ich hier eine Antwort finde.

    Ich möchte den Würfel Multiplexen. Wenn ich ihn zusammen gelötet habe, sind am unteren Ende des Würfels noch 16 Kathoden übrig. An jede Schicht geht noch ein Silberdraht um die Anoden zu versorgen. Um alles richtig zu bauen und dem Board/LEDs nicht zu schaden, wollte ich hier mal nachfragen wie ich die richtigen Resistor und Transistor aussuche.

    Daten der LED:

    • Gruppenstrom = 35 mA
    • Betriebsspannung = 2,8 ... 4,0 V


    Daten des Boards:

    • Operating Voltage = 5V
    • Input Voltage (recommended) = 7-12V
    • Input Voltage (limits) = 6-20V
    • Digital I/O Pins = 14 (of which 6 provide PWM output)
    • Analog Input Pins = 6
    • DC Current per I/O Pin = 40 mA
    • DC Current for 3.3V Pin = 50 mA


    Meine Rechnung um auf den Widerstand zu kommen ist so:

    R = (5V - 2,8V) / 0,035A
    R = 62 Ohm

    Also könnte man 80 Ohm Resistor für je eine Kathode nehmen.

    Meine erste Frage ist:
    Was ist wenn es statt 2,8 V mal 4 sind, dann wird doch die LED dunkler als vorher. Wie kann ich das Problem lösen?

    Dann noch eine Frage zu den Transistoren:
    Woher weiß ich welche ich für mein Projekt nehmen muss? Den "BC547C"? Wie bekommt man das raus? ^^

    Das wären so meine Fragen. Wenn jemand so nett von euch wäre und mir ein Schaltplan entwickeln könnte, so das ich nichts kaputt machen kann, wäre das echt nett

    Danke Schonmal an alle fleißigen Helfer.

    Grüße
    Peter

  2. #2
    hey Peter,

    Mal grundsätzlich, wenn der LED-Würfel nicht wieder abgebaut wird, sondern bis in alle Ewigkeit bestehen soll, wäre es mir zu schade einen ganzen Arduino zu verbraten. Ich würde an deiner Stelle eine Lochrasterplatine nehmen und einen ATmega328 mit Minimalbeschaltung (16MHz Quarz mit 2x22pF, 1x100nF Kondensatoren, 10k Wiederstand) auflöten. Zum Programmieren nimmst du dann nen ISP (Dein Arduino kann auch als ISP fungieren). Deine ArduinoIDE kannst du wie gewohnt verwenden. Das würde soweit Sinn machen, da du ja sowieso zum Multiplexen noch extra Schaltung brauchst. ... Aber das ist wohl Geschmackssache. (Zum Testen am Anfang macht der Arduino aber daraus Sinn)

    Zur Ersten Frage:
    Du möchtest den Cube ja Multiplexen, damit werden pro Ebene jeweils nur eine LED geschaltet. Bei Mehreren LEDs schaltest du diese mit hoher Frequenz der Reihe nach An und Aus. ... Damit sollte sich diese Frage eigentlich erledigt haben.

    Zur Zweiten Frage:
    Nunja...dafür gibts Nachschlagetabellen. Grundsätzlich würde ich für diese Aufgabe aber MOSFETS empfehlen...haben einige Vorteile gegenüber von Transistoren.


    Vielleicht macht es für den Anfang Sinn, sich den Würfel als 2-dimensionale Matrix vorzustellen. Somit erhältst du eine 4x16 Matrix. An der einen Seite hast du dann die 4 Anoden und an der anderen Seite stehen die ersten 4 Kathoden für Ebene 1, die nächsten 4 Kathoden für Ebene 2 usw.
    Geändert von Greensiver (27.07.2015 um 23:14 Uhr)

  3. #3
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    Hallo Peter.

    4x4x4 sind 64 LEDs.

    Zuersteinmal musst du festlegen wie du die Ports belegst und was du als externen Decoderaufwand treiben willst?
    8x8 = 64, dies würde 2 8-Bit Ports belegen aber keinen Decoder benötigen.
    Die Auswahl der richtigen LED macht man dann per Software, die elektrische Matrix muss also nicht mit der optischen Anordnung übereinstimmen.

    Bei einer 8x8 Anordnung brennt nun die LED aber nur 1/8 der Zeit. Man muss also die LED mit etwa dem 8-fachen Impulsstrom ansteuern, damit sie gleich hell erscheint wie wenn sie mit Gleichstrom betrieben wird. Im Datenblatt findet man deshalb auch den maximalen Impulsstrom und das Tastverhältnis bei welchem dieser zulässig ist.

    Erst jetzt kannst du die Widerstände wirklich berechnen.
    Bei 8x8 läge dann der Strom bei etwa 8x35mA, also 280mA.
    Schaltungstechnisch muss du aber noch aufpassen, dass z.B. bei einem Reset nicht irgendwelche LEDs länger mit diesem Strom betrieben werden.

    Die FET/Transistoren musst du dann nach diesem Strom auswählen,

    Der BC546 ist für maximal 100mA ausgelegt, kommt also nicht hin.
    Da wäre dann der BC337 angesagt, welcher für 800mA ausgelegt ist.

    FET habe ich jetzt gerade keinen parat. Da schaut man auch auf den Preis, wenn man einen 5A-Typen billiger bekommt als einen 1A-Typen, kann man den günstigeren nehmen. Da ein FET über die Spannung gesteuert wird, hat dies bei deiner Anwendung keinen wirklichen Einfluss auf die Schaltung.

    NfG Peter(TOO)
    Manchmal frage ich mich, wieso meine Generation Geräte ohne Simulation entwickeln konnte?

  4. #4
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    Hallo Peter,

    wenn du bezüglich der verwendeten LEDs flexibel bist, gibt es noch eine nette Alternative zum Multiplexen, bei der du nicht einmal einen externen Transistor benötigst:

    Meine Wahl wären RGB-LEDs, mit eingebautem Controller wie z.B. die WS2812b. Mit ihnen kannst du bis zu einigen Tausend LEDs an einem Bus mit 3 Leitungen (GND,5V,Data) betreiben und von einem einzigen I/O Pin am Arduino in der gewünschten Farbe ansteuern.

    Meist werden diese LEDs als Stripe geliefert, man kriegt sie aber auch in der üblichen LED-Bauform, die für einen Würfel wohl geeigneter ist.

    Mir ist klar, dass ich damit nicht direkt deine Fragen beantworte, aber vielleicht ist es ja eine Anregung für eine ganz andere Lösung.

    Grüsse
    Thomas

  5. #5
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    Hallo,

    danke auf jedenfall erstmal für eure Anworten.

    Also ich habe es versucht aber ich habe eben nicht so direkt ein Plan was ich brauche und was wo verbaut werden soll.

    Ich weiß nicht ob meine Rechnung für die Widerstände stimmt.
    Ich weiß nicht wie man die Transistoren anklemmt.
    Ich weiß nicht wie groß der Resistor an der "Base" des Transistors sein muss.
    Und ich weiß nicht ob ich ein Vorwiderstand für die Transistoren brauche, wenn ja wie hoch.

    Deswegen wäre es nett wenn mir jemand meine Fragen konkret beantworten könnte und wenn es geht noch ein Schaltplan machen könnte ^^
    Geändert von nawiat (28.07.2015 um 09:28 Uhr)

  6. #6
    Zitat Zitat von nawiat Beitrag anzeigen
    Deswegen wäre es nett wenn mir jemand meine Fragen konkret beantworten könnte und wenn es geht noch ein Schaltplan machen könnte ^^
    Dafür wären noch ein paar genauere Angaben nicht schlecht. Welche LEDs benutzt du denn? Welche Teile hast du schon da?

  7. #7
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    Zitat Zitat von Greensiver Beitrag anzeigen
    Dafür wären noch ein paar genauere Angaben nicht schlecht. Welche LEDs benutzt du denn? Welche Teile hast du schon da?
    Ich habe noch keine Teile, ich wollte mir erstmal ein Plan machen und danach bestelle ich alles bei reichelt.de.
    Angaben zur LED und alles steht ganz oben in meiner ersten Frage ^^

    - - - Aktualisiert - - -

    Zitat Zitat von Greensiver Beitrag anzeigen
    Mal grundsätzlich, wenn der LED-Würfel nicht wieder abgebaut wird, sondern bis in alle Ewigkeit bestehen soll, wäre es mir zu schade einen ganzen Arduino zu verbraten. Ich würde an deiner Stelle eine Lochrasterplatine nehmen und einen ATmega328 mit Minimalbeschaltung (16MHz Quarz mit 2x22pF, 1x100nF Kondensatoren, 10k Wiederstand) auflöten.
    Ich würde ihn gerne ohne den Arduino bauen, da ich aber nicht so viel Wissen in Elektrotechnik habe wird das leider nichts. Ich bin froh das ich mit Transistoren/Resistoren und allem umgehen kann .

  8. #8
    Mit genaueren Angaben meinte ich so etwas, wie ein Datenblatt oder die Typenbezeichnung der LEDs

  9. #9
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    Okay hier die Daten der LED(http://www.reichelt.de/LEDs-5-mm/LED...LED+5-12000+BL):

    Ausführung
    Lichtstärke = 12000 mcd
    Abstrahlwinkel = 18 °
    Gehäuseausführung = klar, farblos

    Allgemeines
    Wellenlänge = 466 nm
    Farbe = blau
    Bauform = T1 3/4
    Modellbezeichnung = LL-504BC2E-B4-2CC
    Typ = LED 5 mm
    Ausführung = ultrahell

    Elektrische Werte
    Gruppenstrom = 35 mA
    Betriebsspannung = 2,8 ... 4,0 V

    Besonderheiten
    Betriebstemperatur = -40 ... +80 °C

    Maße
    Höhe = 8,6 mm

    Anschlüsse / Schnittstellen
    Anschluss = radial bedrahtet

    Der Arduino Uno R3 hat diese Daten(http://www.reichelt.de/ARDUINO-UNO/3...CH=Arduino+uno):

    Allgemeines
    Aufbau = Board
    Ausführung = für Grundlagen-Kenntnisse
    Modellbezeichnung = Arduino UNO
    Sockel = SMD (Rev.3)
    Typ = Evaluation Kit

    Anschlüsse / Schnittstellen
    I/O = 14
    Schnittstelle/n = 14 Digital-Pins, 6 Analog-Pins
    SPI = ja
    UART = ja
    USB = ja

    Besonderheiten
    Protokoll = ICSP, TWI

    Maße
    Länge = 68.58 mm

  10. #10
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    Hallo,

    Datenblätter lesen musst du noch lernen

    Sie 35mA sind der maximale kontinuierliche Strom bei 25°C.
    Bei 36mA garantiert der Hersteller nicht, dass die LED nicht schneller kaputt geht, besonders wenn auch noch wärmer als 25°C ist!
    Der typische Strom liegt bei 20mA!

    Unter "Absolute Maximum Ratings" sind immer die Grenzwerte angegeben, bei deren Überschreitung das Bauteil Schaden nimmt.
    Diese Werte darf man also nicht zur Dimensionierung verwenden, bzw. nur dazu, um zu sehen, dass diese Werte auch im schlechtesten Fall nicht überschritten werden.

    Diese LED ist aber nicht so Ideal zum Multiplexen.
    Bei 10% ED darf der Spitzenstrom maximal 100mA betragen, das ergibt dann einen mittleren Strom von 10mA.

    MfG Peter(TOO)
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