Hintergrundwissen Punktmatrixmodul

Wie wird ein Punktmatrixmodul überhaupt angesteuert?

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.
Bild 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 current30mA
forward voltage2.0V
power dissipation105mW

Es ist zu erkennen, dass jede einzelne LED mit maximal 30mA angesteuert werden darf. Dann hat jede LED eine Abfallspannung von 2.0V (bei 25C). 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 = (VCC - (UF + (2 x UCE))) / If
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!