N-Channel FET, genau berechnen, PWM, LED-Cube

[Dex (Gast)]

Guten Tag :)

Ich arbeite gerade an einem LED-Cube(8x8x8 einfarbig). Es macht gute 
fortschritte. Ich steuere das ganze mit einem STM32F411RE und dem 
TLC5940(Low-Side Switch).

Gerne möchte ich den FET, der den High-Side Switch darstellt, genau 
berechnen. Sprich die Leistungen die er können muss, bei einer gewissen 
Frequenz. Der TLC wird mit 30MHz angesteuert.
Die genaue Frequenz mit der die Ebenen(LED-Cube) schalten, würde ich 
später noch ausrechnen müssen. Würde mich freuen wenn wir einfach mal 
mit 10kHz rechnen werden.

Eine Ebene besteht aus 8x8 LEDs = 8x8x30mA = 1,92A max. pro FET.
LED Spannung = 2,1V.
(Siehe bitte Zeichnung)

Ich habe einen LL FET, den ich mit GS Voltage +3,3V(GPIO-Voltage,uC 
Datenblatt) steuern möchte. Zur Ermittlung von Rdson habe ich die 
Kennlinie dafür eingezeichnet.
(Siehe bitte Bild)

Datenblatt des FETs -> 
http://www.bg-electronics.de/datenblaetter/Transistoren/FDN359AN.pdf

Wie kann ich jetzt herausfinden mit welcher Frequenz ich maximal 
schalten darf? Bzw. auch generelle Leistungen die ich brauche. (Desto 
höher Freq. -> Desto höher Strom durch Kapazitäten -> Desto höher P)


Ich habe schon einiges versucht, so sagen meine Ausbilder das ich es 
einfach Ausprobieren soll, was ja irgendwie ziemlich fragwürdig ist. Da 
ich mir auch gerne unnötige Löt arbeiten erspare(neu machen wenns dann 
abraucht). Und ich WILL das können.
Auch die Formeln im Wiki hier z.B. die für PWM Ansteuerung habe ich 
durchgerechnet, aber bin zu keinem Ergebnis gekommen. Zumal darin nur 
das Tastverhältnis und nicht die Freq. berücksichtig wird.

Ich hoffe jemand ist so lieb und hilft mir.
MfG. Dex

[Achim S. (Gast)]

Dex schrieb:
> ch habe einen LL FET, den ich mit GS Voltage +3,3V(GPIO-Voltage,uC
> Datenblatt) steuern möchte.

Haben dein µC und der TLC5940 unterschiedliche Massepotentiale? Falls 
ja, wird die Kommunikation zwischen µC und TLC5940 schwierig. Falls 
nicht, wird deine Schaltung nicht funktionieren (der FET wird nur sehr 
wenig Strom durchlassen).

Vielleicht wollte dein Ausbilder einfach, dass dir das beim 
"Ausprobieren" auffällt. Wenn du dann die GS-Spannung nachmisst, kommst 
du auch darauf, was an der Schaltung faul ist.

[Dex (Gast)]

Hallo,
könnten sie mir dazu vll. etwas mehr sagen? Die Schaltbedienung bei
einem n-Channel FET fordert das die GS-Spannung höher ist als die
S-Spannung(nach Masse?). Das würde Bedeuten das ich hier statt mit den
erwarteten 3,3V nur mit 1,2V(3,3 - 2,1) "auf steuern" würde? Was dann zu
ihrer Aussage führt.

Dieses Problem könnte ich simpel lösen indem ich die Dioden statt an
Source an Drain anschließe oder?

MfG. Dex

[Achim S. (Gast)]

Dex schrieb:
> Das würde Bedeuten das ich hier statt mit den
> erwarteten 3,3V nur mit 1,2V(3,3 - 2,1) "auf steuern" würde? Was dann zu
> ihrer Aussage führt.

Richtig. Nur dass die Source nicht mal auf 2,1V liegt, weil der TLC5940 
auch noch etwas Spannungsabfall braucht, um den Strom richtig einstellen 
zu können. Für die Gate-Source Spannung bleibt dann weniger als 1V übrig 
- eindeutig zu wenig.

Dex schrieb:
> Dieses Problem könnte ich simpel lösen indem ich die Dioden statt an
> Source an Drain anschließe oder?

Dann bräuchte man aber für jede LED einen eigenen Transistor (denn die 
LEDs hängen nur an der Anode parallel, an der Kathode sind sie einzeln). 
Und dieser LED-individuelle Transistor nützt nichts, denn den hat man 
ohnehin schon im TLC5940 verbaut.

Du brauchst also schon weiter einen FET auf der "Highside". Entweder 
einen p-Kanal FET in Sourceschaltung. Die Source liegt dann fest an 
3,3V, und man kann mit 0V am Gate eine GS-Spannung von -3,3V einstellen 
(dann musst du halt wieder rechnen, ob das für den gewünschten Strom 
reicht).

Oder du schaltest zwischen µC und FET einen High Side MOSFET Treiber, 
der das Gate des n-Kanal FET mit ausreichend hoher Spannung ansteuert. 
Es hängt auch ein bisschen davon ab, ob dir neben den 3,3V noch eine 
höhere Versorgungsspannung zur Verfügung steht.

[Achim S. (Gast)]

Achim S. schrieb:
> Entweder
> einen p-Kanal FET in Sourceschaltung.

Ups: falls du das damit gemeint hast, dass man die LED ans Drain 
anschließen soll, dann war der Gedanke natürlich richtig. Mit dem n-FET 
funktioniert das Anschließen ans Drain allerdings - wie schon 
beschrieben - nicht.

[Dex (Gast)]

Oh man, vielen lieben Dank. Dank ihnen geht der Fehler schonmal nicht in 
die Hardware-Version.

Also das Glück scheint auf meiner Seite. Ich habe sogar FET Treiber-ICs 
da also habe ich bei der GS-Spannung ein neues maximum von 20V statt der 
3,3V :)

Ich bin stolz auf die Schaltung. Jetzt steht allerdings noch das rechnen 
auf dem Plan :( Also wie oben beschrieben die Leistungsdaten des FETs 
bei z.B. 10kHz.

Kann mir da jemand helfen? Kann man das überhaupt ohne weiteres 
berechnen?

MfG. Dex

[Falk B. (falk)]

@ Dex (Gast)

>Datenblatt) steuern möchte. Zur Ermittlung von Rdson habe ich die
>Kennlinie dafür eingezeichnet.
>(Siehe bitte Bild)

>Datenblatt des FETs ->
>http://www.bg-electronics.de/datenblaetter/Transis...

Du brauchsr, wie bereits gesagt einen P-Kanal MOSFET und einen passenden 
MOSFET-Treiber bzw. Pegelwandler. Siehe LED-Matrix.

>Wie kann ich jetzt herausfinden mit welcher Frequenz ich maximal
>schalten darf?

Man kann es so sagen. Ein vernünftiger MOSFET-Treiber schaltet einen 
MOSFET in 100ns und weniger. Damit sind 10kHz kein Problem

> Bzw. auch generelle Leistungen die ich brauche. (Desto
>höher Freq. -> Desto höher Strom durch Kapazitäten -> Desto höher P)

https://www.mikrocontroller.net/articles/Treiber#Treiberleistung

>Ich habe schon einiges versucht, so sagen meine Ausbilder das ich es
>einfach Ausprobieren soll, was ja irgendwie ziemlich fragwürdig ist.

Kommt drauf an. Man sollte schon eine grobe Vorstellung habe, wie die 
Schaltung funktioniert.