Hi Leute,
Ich habe folgendes Problem. Ich habe einen 8x8x8 LED Cube gebaut. Dieser
Funktioniert soweit auch ganz gut, mit dem einzigen Manko, dass die
"Treiberstufe" sehr heiß wird. Genauer gesagt, meine P-Kanal Mosfets
(IRLML6401TRPbF)
1 mosfet steuert treibt jeweils 0..64 LEDs mit einem Strom von 35mA pro
LED (-> max.~2,3A) und das jedoch nur mit deinem DutyCycle von 1/8 bei
ca. 100Hz (habe die Schaltfrequenz auch schon variiert von ca 20Hz bis
1kHz, überall gleiches Verhalten)
Problem: Der Spannungsabfall über den mosfet (Vds) ist ca. 1,2V. Das ist
viel zu Hoch!
Dieses Problem tritt ab ca. 2/3 der Last auf (also ca. 40 LEDs
durchgesteuert) wenn weniger Leds angesteuert werden, ist der
Spannungsfall gegen 0, so wie es sein sollte.
Kathodenseitig sind die LEDs an max6968 angeschlossen. Dieser hat einen
Open Drain Ausgang und besitzt eine Konstantstromregelung (35mA pro
Ausgang)
Das Eingangssignal bei den Fets ist ein schönes Rechteck und hat 5V und
0V
Ich weiß leider nichtmehr, woran das ganze liegen kann. Bei bedarf kann
ich auch den gesammten Schaltplan hochladen.
Wer sich für den LEDCube interessiert:
https://www.dropbox.com/sh/80jxciv5q1jpvph/AABoZJlGZd-lh_bkmO2gUUyoa?dl=0
Danke für eure Hilfe!
Ohne das Datenblatt des FET zu betrachten haette ich gesagt, der RDSon
ist zu hoch, die Verlustleistung ist zu hoch.
Dann muss man eben mehrere parallel schalten.
Allenfalls ist der FET auch nicht Logiclevel und steuert nicht ganz
durch.
Sollte passen.
problem ist eventuell der T emperaturübergang des Gehäuses.
0,05 RDS on * 4 ist 0,1 Watt, die Schaltflanken kommen noch dazu.
Schau mal an, wieviel das Gehäuse ohne Kühlkörper abführt.
Ansonsten auf einen grösseren Gehäusetyp ausweichen oder zwei parallel.
Kann auch sein, dass deine Dioden mehr ziehen. Schon mal den realen
Strom gemessen?
den Strom direkt habe ich nicht gemessen, ich werde am Wochenende den
Spannungsfall an den Leds nochmal genau messen und den entsprechenden
strom bestimmen, sollte aber eigentlich passen.
was ich nicht ganz verstehe, die verlustleistung 0,05ohm ×2,3A*2,3A =
ca. 25mW
Laut datenblatt kann ich bis 1,3W gehen. Klar ich hab die Schaltverluste
noch nicht, aber spielen diese eine so große rolle bei dieser niedrigen
frequenz? hinzu kommt dass sie ja auch nur 1/8 T leiten.
Klar parallelschaltung könnte das problem lösen und kann ich sogar noch
auf meiner pcb durch "huckepack" lösen.
aber dennoch würde ich gerne meinen dimensionierungsfehler verstehen, um
selbigen nicht nochmal zu machen.
Danke für die antworten bisher!
T. schrieb:> den Strom direkt habe ich nicht gemessen, ich werde am Wochenende den> Spannungsfall an den Leds nochmal genau messen und den entsprechenden> strom bestimmen, sollte aber eigentlich passen.
Wie soll das gehen? Die Spannung an der LED sagt wenig über den Strom
aus, dazu ist der Streubereich und die Temperaturabhängigkeit zu groß.
Hast Du womöglich kein Widerstände in Reihe mit den LEDs?
Mess doch einfach mal den Gesamtstrom. Vielleicht ist der wirklich viel
größer.
> was ich nicht ganz verstehe, die verlustleistung 0,05ohm ×2,3A*2,3A => ca. 25mW
Nein, 265mW
> bei dieser niedrigen frequenz?
Wie groß ist sie denn?
Gruß Dietrich
T. schrieb:> Problem: Der Spannungsabfall über den mosfet (Vds) ist ca. 1,2V. Das ist> viel zu Hoch!> Dieses Problem tritt ab ca. 2/3 der Last auf (also ca. 40 LEDs> durchgesteuert) wenn weniger Leds angesteuert werden, ist der> Spannungsfall gegen 0, so wie es sein sollte.
Das ist nicht ok.
Messe mal ob dann deine 5V einbrechen oder du einen Masseversatz
bekommst, der dann dafür sorgt dass deine Ugs zu klein wird.
Und prüfe ob beim durchschalten auch wirklich 0V am Gate leigen und
nicht vieleicht 1,5V.
Wenn man von den 100K/W aus dem Datenblatt ausgeht (bei 1 Quadratzoll
Kühlfläche auf der Platine), ergibt sich eine Temperaturerhöhung von
50mR*(2,3A)^2*100K/W = 26,5K. Das wäre ja in Ordnung.
Wenn Du allerdings keine Kühlfläche hast, kommst Du vielleicht auf einen
RthJA von 300K/W. Da wird's dann schon heiß, zumal der RdsON dann auch
noch steigt.
Hast Du Vds mit einem Oszilloskop gemessen oder per Multimeter?
Also da ich hier leider kein Multimeter zur Strombestimmung habe, und
auch keinen Messwiderstand, kann ich den Strom nicht eindeutig
bestimmen. Der Spannungsfall über den LEDs liegt bei 3,4V egal ob eine
oder alle LEDs an sind -> die Stromregelung sollte stimmen. Nenndaten
der LEDs sind 3,2V und 20mA vondemher sollte das mit den 35mA auch
passen.
Vorwiderständen zu den LEDs gibt es nicht.
Danke für die Infos Stefanie, auf die Thermischen werte habe ich nicht
geachtet, ich ging davon aus, dass ich den Strom aus dem Datenblatt ohne
besondere Vorkehrungen erreichen kann. Zumal der Fet ja nur 1/8T leitend
ist. (Schaltfrequenz 100Hz)
Kühlfäche auf der PCB ist nicht wirklich vorhanden (siehe anhang).
>Also da ich hier leider kein Multimeter zur Strombestimmung habe, und
Aha, also alles nur ins Blaue hineingeraten.
>bestimmen. Der Spannungsfall über den LEDs liegt bei 3,4V egal ob eine>oder alle LEDs an sind -> die Stromregelung sollte stimmen. Nenndaten>der LEDs sind 3,2V und 20mA vondemher sollte das mit den 35mA auch>passen.
Kaum. Aus der LED-Spannung kann man in der Praxis keinen Strom ableiten,
auch nicht aus den Datenblättern, denn die U/I-Kennlinie kann nun mal
ziemlich stark variieren.
Und was für eine Stromregelung meinst Du denn eigentlich.
Ich frage mich, wie Du bei einer getakteten Spannung ohne Meßgerät den
Spannungsabfahl über den Transistor gemessen haben willst - da reicht
noch nicht mal ein Multimeter dafür ...
>Danke für die Infos Stefanie, auf die Thermischen werte habe ich nicht>geachtet, ich ging davon aus, dass ich den Strom aus dem Datenblatt ohne>besondere Vorkehrungen erreichen kann. Zumal der Fet ja nur 1/8T leitend>ist. (Schaltfrequenz 100Hz)
Das alles erklärt aber nicht, warum 1V Spannungsabfall auftritt.
Der MAX6968 ist eine Stromquelle. Im Datenblatt gibt es die Option mit
den P-Ch-Mosfets nicht. Was also passiert, dürfte sein, dass die
Stromquelle bei ausgeschaltetem Mosfet voll aufmacht und beim nächsten
Einschalten des Mosfets kurz ein schöner Pulsstrom fließt. Gut ist das
erstmal nicht...
Woher hast du die Lösung mit den Mosfets und dem Max6968?
Felix A. schrieb:> Was also passiert, dürfte sein, dass die> Stromquelle bei ausgeschaltetem Mosfet voll aufmacht und beim nächsten> Einschalten des Mosfets kurz ein schöner Pulsstrom fließt.
Na so dramatisch ist die Welt jetzt auch wieder nicht. Der MAX6968 hat
ja nicht einen Regler pro Ausgang, der "voll aufmachen" könnte und dann
beim Einschalten der nächsten LED-Zeile erst wieder einschwingen müsste.
Der MAX6968 regelt lediglich den Spannungsabfall an R_SET (und R_SET ist
ja ständig verbunden, der Regler ist also zufrieden).
Daraus bestimmt sich dann die Ansteuerung der eigentlichen
Ausgangstransistoren. Und das ist eine Steuerung (die sich nicht darum
kümmert wenn der Ausgangsstrom Null ist) und keine Regelung (die bei zu
kleinen Ausgangsströmen nachregeln würde). Der MAX6968 limitiert mit der
Ausgangskennlinie nur den Maximalstrom, aber wenn weniger Strom fließt
regelt er nicht nach. Ist also nix mit riesigen Pulsströmen beim
nächsten Einschalten des p-Fet.
Jens G. schrieb:> Das alles erklärt aber nicht, warum 1V Spannungsabfall auftritt.
Stimmt: wenn wirklich stabile 5V zur Ansteuerung zur Verfügung stehen,
dann ist das zuviel Spannungsabfall. Deshalb schuldet T. uns noch ein
paar Einzelheiten seiner Messung ;-)
@T:
- Wie genau hast du gemessen (Multimeter im DC-Bereich oder Oszi oder
...)?
- Hast du während der Messung die Multiplexerei angehalten oder ist dein
Messwert vielleicht ein Mittelwert aus p-FET an und p-FET aus?
- Wie hoch ist die Gate-Source Spannung (nachgemessen), wenn die
Drain-Source -1,2V beträgt?
Da ich ein oszilloskop zur Verfügung habe. Der Strom wird durch den
Baustein max6968 eingestellt. Dieser bietet open drain Ausgänge, an
welche die LEDs kathodenseitig angeschlossen werden. anodenseitig an den
mosfets? Siehe Schaltplan 1. Post.
der max6968 bietet open drain Ausgänge für welche mit einem externen
Widerstand ein sollstrom vorgegeben werden kann. Sprich im Endeffekt ein
LED Treiber mit einstellbarem Strom (stromquelle).
@Felix Adam:
Stimmt, das wäre denkbar.
Die Schaltung mit den Mosfets kommt daher, da ich die Ausgänge
multiplexe. Ich habe 8 max6968 mit jeweils 8 ausgängen ->64 Stromquellen
für die LEDs und ich habe ins gesammt 8 Ebenen mit je 64 Leds (ges. 512
LEDs)
also multiplexe ich die Anoden der 8 Ebenen mit 8 Mosfets (Anoden der
LEDs).
normales Schieberegister SN74HC595D
Gate vorwiderstand: 270Ohm.
Gatesignal habe ich mir mit dem Oszi angeschaut und sieht eigentlich gut
aus, Sauber zwischen 5V und Masse.
https://www.dropbox.com/s/f3vp6xrx8dlklmq/Dokumentation_LED_CUBE_8x8x8.pdf?dl=0
Auf den Letzten Seiten im Anhang ist auch ein Schaltplan zu finden.
Nochmals Vielen Dank für die ganze Hilfe!
T. schrieb:> Gatesignal habe ich mir mit dem Oszi angeschaut und sieht eigentlich gut> aus, Sauber zwischen 5V und Masse.
Das ist aber nicht entscheidend. Entscheiden ist: wie sie die
Gate-Source Spannung aus?
Wenn das Gate auf 5V liegt fließt kein Strom und U_GS ist 0.
Wenn das Gate auf 0V liegt fließt ein Strom, und niemand weiß, ob die
Source noch auf 5V liegt (weil die Versorgung durch den Strom belastet
wird).
Falls die Versorgung einbricht, dann ist bei 0V am Gate die
Gate-Source-Spannung eben nicht mehr 5V groß. Und die Drain-Source
Spannung ist ggf. auch nicht so groß, wie du glaubst (weil die Source
dann eben nicht mehr auf 5V liegt).
Deshalb kam schon mehrfach die Frage, ob die 5V stabil sind bzw. wie
groß die Spannung zwischen Gate und Source bei angeschaltetem pFET ist.
Also: miss Drain, Gate und Source und schau dir an, wie die jeweiligen
Differenzspannungen sind (bzw. zeig uns hier die Messungen).
Wenn die Spannungen an den Gates sauber rechteckförmig zwischen 5V und
0V schalten, dürfte die Baustelle nicht hier liegen.
Was mich wundert ist die Aussage, dass ab ca. 40 betriebenen LEDs die
Spannung von nahezu 0V auf etwa 1,2V ansteigt. Ist das wirklich
sprunghaft?
Dann schalte mal jede LED einzeln durch und schaue mal, ob irgendwann
bei nur einer betriebenen LED der Spannungsabfall über dem Mosfet größer
wird als sonst.
Normalerweise müsste dieser Spannungsabfall linear mit jeder LED
zunehmen.
Wie bereits erwähnt, die versurgungsspannung bricht so gut wie garnicht
ein (50-100mV maximal)
während mein gate auf 0V geht, bleibt Vs definitiv deutlich über 4,5V
also: alles an:
Vgs <-4,5V
Vds ca. -1,2V
nur wenige leds an (bis ca. 8):
Vgs <-4,5V
Vds ca. 0V
@Felix, du hast recht!
sobald mehr als 8Leds an sind, Steigt der spannungsabfall über Vds
ungefähr linear an, bis er bei ca. 40Leds (von 64) mit 1,2Vsein maximum
erreicht.
beim messen jedoch geht Vd des mosfets nicht auf 0V zurück, es bleibt
irgendwie wellig/dreieckförmig zwischen 1V und 2V.
Dies liegt aber wohl an der Kapazität des Mosfets. Wenn ich für die
Messung einen pulldown Widerstand an drain anschließe, habe ich ein
sauberes Rechteck.
kann diese nicht entladene Kapazität Probleme bereiten?
Natuerlich kann sie, denn sie verringert die Gate source Spannung. Ein
Gate Widerstand von 270 Ohm ist sowieso viel zu hoch. Falls die Spannung
an der LED gepulst waere, wuerde man bei 1/8 Einschatzeit auch nur 1/8
der Spannung messen. Ich hab das Gefuehl der FET und die LED laeuft im
linearen Betrieb.
@Oder Doch
nein, da Vd an der Seite der LEDs sitzt (P-Ch-Mosfet).
@T.
Wenn du von Vs schreibst, wo hast du diese Spannung gemessen? Hast du
auch mal direkt am Sourcepin gemessen? Mir fielen nämlich die kleinen
Vias auf.
Wenn darüber ein größerer Strom fließt, wird Vgs kleiner, da sich Vgs
auf die Pins des Mosfets bezieht. Dann kann der Mosfet auch wieder
höherohmig werden, wodurch der sich erhöhende Spannungsabfall über dem
Mosfet erklären könnte.
Dass die Spannung dann ab ca. 1,2V konstant bleibt, könnte daran liegen,
dass dann durch die LEDs von der Stromquelle nicht mehr der volle Strom
getrieben werden kann.
Nachtrag:
270 Ohm ist völlig okay bei einigen 100Hz
Das ist eine "normalisierte" Kurve. Die zeigt nicht den Widerstandswert
selbst, sondern die Veränderung in Bezug auf den Rdson bei VGS=-4,5V.
Sonst stünde die Einheit Ohm an der vertikalen Achse.
Ich habe Vs an der Unterseite der PCB (gleiche Seite wie pFet aufgelötet
ist) am Via gemessen und Vg direkt am Gate. Vd habe ich an den
Steckerpinns (Oberseite) gemessen.
Kingt eigentlich plausibel mit dem Spannungsfall über dem Via, aber da
ich auf der Unterseite die 4,9.. V gemessen habe, sollte das ja
eigentlich auch meiner Spannung am Source Pin entsprechen. das Kurze
Leiterbahnstück sollte ja keinen all zu großen Spannungsabfall
verursachen.
Und die 270 ohm habe ich so dimensioniert, dass der Maximale
Ausgangsstrom des schieberegisters im Einschaltmoment (gate kapazität)
nicht überschritten wird. und Bei dieser niedrigen Schaltfrequenz war
mehr als genug zeit um die Gatekapazität aufzuladen. Sehe ich ja auch an
meinem Oszi bild(sauberes Rechteck in entsprechender Zeitauflösung) oder
nicht ?
Ja, das sehe ich auch so. Aber noch eine Nachfrage:
hast du auch auf dieser Platine die Masse des Oszilloskops angeklemmt?
Nicht dass auf der Rückleitung der Spannungsabfall im GND-Pfad auftritt
und du den nicht "siehst", weil das Oszilloskop an der Netzteilmasse
angeschlossen ist...
Jain, mein Aufbau besteht aus 2 Platinen, Einer Samv71 von atmel, und
meiner designeden Platine. Von der SamV71 kommen die Signale Per SPI an
die Schieberegister. Ich habe das GND Signal von meiner gerouteten PCB
mit einer steckleitung an das GND Signal vom SamV71 angeklemmt und habe
mein Oszi ebenfalls am GND signal vom SamV71 hängen.
ABER: Ich habe die GND Fläche auf meiner gerouteten Platine mit dem Oszi
gemessen und keinen Signalversatz feststellen können. Ich hoffe du
verstehst was ich meine. Also im Endeffekt konnte ich keinen
Spannungsfall über den GND Strang feststellen.
Ich habe mir mal noch ne Ladung von den Mosfets bestellt und werde sie
parallel auflöten und hoffe dass dann alles ohne Probleme funktioniert.
Aber ich würde schon gerne meinen Fehler finden, da ich es mir absolut
nicht erklären kann...
Ich denke schon. Du hast das Oszi an GND vom SAM-Board und dann mit dem
Tastkopf auf der anderen Seite der GND-Leitung (an deiner
Mosfet-Platine) gemessen und da keinen Spannungsabfall über der Leitung
messen können.
Auch wenn es sinnlos klingt, aber mache doch nochmal eine Messung, bei
der du das Oszilloskop auf die Masse deiner gerouteten Platine klemmst
und miss dann bitte nochmal Vs am Via. Manchmal haben diese
Steckleitungen keinen guten Kontakt. Es reicht eine Messung mit 40 (oder
mehr) angeschalteten LEDs.
Und, falls möglich, nimm mal einen Mosfet und löte an den direkt kleine
Kabel. Dann wie im Anhang zu sehen einmal testen (falls du die
Ausrüstung hast).
Genau richtig verstanden. Okay, wie gesagt, messen kann ich erst am
Wochenende wieder, aber die Schaltung aus deinem Anhang kann ich morgen
wohl aufbauen und testen.
Danke nochmals die Hilfe!!
T. schrieb:> beim messen jedoch geht Vd des mosfets nicht auf 0V zurück, es bleibt> irgendwie wellig/dreieckförmig zwischen 1V und 2V.
Na, da steht's doch schon: das Problem ist nicht der RDSon im
eingeschalteten zustand, sondern der im Ausgeschalteten.
Danke an Alle! das Problem ist gelöst. Als ich einen Mosfet mit einem
lastwiderstand messen wollte, ohne das gate zu pulsen, ist er mir sofort
abgeraucht.
Am selben Abend bin ich bei Conrad vorbei gefahren um meine Bestellung
Mosfets abzuholen, um sie Parallel zu löten (ich hatte nurnoch 2 da).
Hierbei ist mir aufgefallen, dass der Aufdruck auf den Mosfets
abweichend ist.
Also im Datenblatt geschaut, und die erste Ladung mosfets (Auf der
Packung als IRLML6401TRPbF ausgewiesen) stellte als IRLML5103 herraus
(http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irlml5103.pdf)
Also hat mir Conrad die falschen Bauteile geliefert. Nun die richtigen
Mosfets drauf, und mein Cube läuft wunderbar.
Hätte ich wohl auch schon früher mal überprüfen können -.-
Naja danke nochmal an alle!
Treiber.JPG
(84 KB)
