Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik 8x8 LED-Matrix Treiberwahl


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von Felix L. (flexi)


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Hallo zusammen,

mein Projekt ist eine 8x8 LED-Matrix. Und als Anfänger in Sachen 
praktischer Elektronik bräuchte ich mal eure Hilfe...

Die LEDs sollen Infrarot-LEDs sein (je nach Modell Dauerstrom ca. 50-100 
mA).
Damit sind die IR LEDs stromhungriger als die üblichen 20-40mA.
Ich komme also auf einen Pulsstrom von etwa 50x8=400mA.

(Bei der folgenden Betrachtung nehme ich an, dass alle LEDs leuchten...)

Es wird ein High- und ein Lowside Treiber ("HS"/"LS") benötigt und wenn 
ich das richtig verstehe, schaltet der HS 8 x Pulsstrom aber nur 1/8 der 
Zeit, während der LS nur 1 x Pulsstrom schalten muss aber zu jeder Zeit.
Das heißt im zeitlichen Mittel fließt ein Strom von 400mA pro Treiber.
Ist das soweit korrekt?

Ich dachte Ursprünglich darüber nach, auf einer der Seiten ein 
ULN2803/UDN2981 Darlington-Array zu nehmen. Im Datenblatt steht, die 
können bis 500mA verkraften. Allerdings beträgt V(SAT) ca. 2V.
So wie ich das verstehe verbrät ein 8er Array also 8*2V*400mA=6,4W.
Zählt V(SAT) etwa nicht zur verbratenen Leistung? Anders kann ich mir 
nicht erklären wie ein DIP 6,4W abführen kann.

Falls nun ULN2803/UDN2981 keine Option sind, was ist dann vorzuziehen? 
Diskrete BJTs oder (Logic Level) MOSFETs? Bedingung ist dabei, das sie 
ohne Kühlkörper auskommen sollen, wenn das überhaupt geht.
Gibt es dabei sonst noch Fallen, in die ein Neuling tappen könnte?

Danke im Voraus für Eure Hilfe!

von Roland .. (rowland)


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Felix L. schrieb:
> Bedingung ist dabei, das sie
> ohne Kühlkörper auskommen sollen, wenn das überhaupt geht.

Ja, mit MOSFETs erreichst Du das am leichtesten.

Frage: Was bringt eine IR-Matrix? Ein Effekt nur für Videokameras oder 
wie?

von Max H. (hartl192)


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Du konntest 8 kleine N-CH und 8 kleine P-CH FETs nehmen.
Z.B.: IRLML2244TRP IRLML6244TRP
Die gehen bis -3.4/5.1A du kannst sie direkt mit deinem µC anschließen. 
Die Verlustleistung hält sich auch in Grenzen. Der IRLML6244TRP hat 
RDS(on)max 21mΩ @ V(gs)=4.5V. Du hattest also z.B. bei 1A 21mW 
Verlustleistung.

Felix L. schrieb:
> 8*2V*400mA=6,4W
Beim Multiplexing ist immer nur ein Transistor aktiv, du hast also 
2V*400mA=1.6W Verlustleistung.

Felix L. schrieb:
> Es wird ein High- und ein Lowside Treiber ("HS"/"LS") benötigt und wenn
> ich das richtig verstehe, schaltet der HS 8 x Pulsstrom aber nur 1/8 der
> Zeit, während der LS nur 1 x Pulsstrom schalten muss aber zu jeder Zeit.
Ich würde den 8-fachen Strom lowsied schalten, da P-Ch FETs einen 
höheren RDS(on) haben.

Felix L. schrieb:
> Das heißt im zeitlichen Mittel fließt ein Strom von 400mA pro Treiber.
> Ist das soweit korrekt?
Nur wenn alle LEDs ein sind.

Felix L. schrieb:
> Zählt V(SAT) etwa nicht zur verbratenen Leistung? Anders kann ich mir
> nicht erklären wie ein DIP 6,4W abführen kann.
Ja es zählt, es sagt aber niemand das alle Kanäle mit 500mA zusammen 
eingeschalten werden könnte.

: Bearbeitet durch User
von Felix L. (flexi)


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Roland ... schrieb:
> Frage: Was bringt eine IR-Matrix? Ein Effekt nur für Videokameras oder
> wie?

Genau! Man sieht mit bloßem Auge nichts aber eine Digitalkamera macht es 
sichtbar... ;-)

(leider filtern einige Kameras IR heraus)

von Roland .. (rowland)


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Felix L. schrieb:
> Genau! Man sieht mit bloßem Auge nichts aber eine Digitalkamera macht es
> sichtbar... ;-)

Je nach dem wie kurz die Auslösezeit der Kamera ist, könnte zu langsames 
Multiplexing zum Problem werden. Vielleicht solltest Du deshalb deutlich 
schneller multiplexen alsc es für gewöhnlich der Fall ist.

von Felix L. (flexi)


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Max H. schrieb:
> Du konntest 8 kleine N-CH und 8 kleine P-CH FETs nehmen.
> Z.B.: IRLML2244TRP IRLML6244TRP
> Die gehen bis -3.4/5.1A du kannst sie direkt mit deinem µC anschließen.
> Die Verlustleistung hält sich auch in Grenzen. Der IRLML6244TRP hat
> RDS(on)max 21mΩ @ V(gs)=4.5V. Du hattest also z.B. bei 1A 21mW
> Verlustleistung.
Das wäre natürlich super effizient und einfach zu realisieren.

> Beim Multiplexing ist immer nur ein Transistor aktiv, du hast also
> 2V*400mA=1.6W Verlustleistung.
Bei HS nur einer, weil immer nur eine Zeile aktiv ist, aber bei LS sind 
es schlimmstenfalls alle 8 (ganze Zeile leuchtet).

> Ich würde den 8-fachen Strom lowsied schalten, da P-Ch FETs einen
> höheren RDS(on) haben.
Okay gut zu wissen. Ich vermute mal das der chemische Aufbau des 
Transistors für die unterschiedlichen RDS(on) sorgt?!

> Nur wenn alle LEDs ein sind.
Genau.

> Ja es zählt, es sagt aber niemand das alle Kanäle mit 500mA zusammen
> eingeschalten werden könnte.
Es steht aber auch kein "Gesamtstrom" da. Trap for the young players ;-)

von Max H. (hartl192)


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Felix L. schrieb:
> Okay gut zu wissen. Ich vermute mal das der chemische Aufbau des
> Transistors für die unterschiedlichen RDS(on) sorgt?!
Chemisch ist der falsche Begriff, aber es ist so, weil die Löcher im 
Halbleiter weniger mobil als die Elektronen sind.

Felix L. schrieb:
>> Beim Multiplexing ist immer nur ein Transistor aktiv, du hast also
>> 2V*400mA=1.6W Verlustleistung.
> Bei HS nur einer, weil immer nur eine Zeile aktiv ist, aber bei LS sind
> es schlimmstenfalls alle 8 (ganze Zeile leuchtet).
LS hast du dann pro FET 8*40mA Pulsstrom, jeder leitet aber nur 1/8 der 
Zeit. HS hast du 40mA Strom pro FET, eventuell auch die ganze Zeit lang.

: Bearbeitet durch User
von Felix L. (flexi)


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Roland ... schrieb:
> Je nach dem wie kurz die Auslösezeit der Kamera ist, könnte zu langsames
> Multiplexing zum Problem werden. Vielleicht solltest Du deshalb deutlich
> schneller multiplexen alsc es für gewöhnlich der Fall ist.
Danke für den Hinweis... ich werde das wohl testen müssen.
Die Verlustleistung an den MOSFETs ist doch proportional zur 
Schaltfrequenz, nicht wahr? Aber ich schätze mal die 
IRLML2244TRP/IRLML6244TRP, die Max H. vorgeschlagen hat, halten das auch 
noch locker aus.

Max H. schrieb:
> Chemisch ist der falsche Begriff, aber es ist so, weil die Löcher im
> Halbleiter weniger mobil als die Elektronen sind.
Interessant, aber ich nehme das vorerst mal als "Gottgegeben" hin :-)

Jedenfalls danke bis hierhin für eure Hilfe!

von Max H. (hartl192)


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Felix L. schrieb:
> Interessant, aber ich nehme das vorerst mal als "Gottgegeben" hin :-)
Wenn man an Gott glaubt ist das so, wenn ich Halbleiterphysik.

von Roland .. (rowland)


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Felix L. schrieb:
> Die Verlustleistung an den MOSFETs ist doch proportional zur
> Schaltfrequenz, nicht wahr?

Ja. Aber die Verlustleistung korreliert auch sehr stark mit der 
Ansteuerung. Wird das Gate mangels Treiberstromes langsam aufgeladen, 
ist der MOSFET lange im halbleitenden Bereich und setzt viel Wärme um.

von Felix L. (flexi)


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Hallo zusammen,

nach einer kurzen Pause möchte ich das Projekt nun (etwas abgeändert) 
angehen. Die Änderung ist lediglich das Format, nun 8x16, also 16 
Spalten.
Die angefügte Skizze soll die Anordnung vereinfacht repräsentieren.
Das ganze soll möglichst von 3,3V gespeist werden (möglichst wenig 
Verluste an den Vorwiderständen, PC-Netzteil liefert 3,3V)

Nun wird der höhere Strom - wie von Max H. vorgeschlagen - lowside über 
NMOS geschaltet. Der geringere pro-Spalte-Strom wird highside über PMOS 
geschaltet.

Jetzt möchte ich die wesentlichen Parameter bestimmen und bitte euch, 
mir dabei ein wenig "über die Schulter zu schauen":

Nachfolgende Betrachtungen für worst case (alle LEDs dauerhaft an)
1
- Dauerstrom durch IR-LED: 50mA -> equivalenter I_Pulsed = 8*50mA = 400mA
2
- der Strom I1 = I_Pulsed = 0,4A
3
- der Strom I2 = I_Pulsed*16 = 6,4A (pessimistisch)

Nun muss ich passende MOSFETs finden. Vorgeschlagen wurden die 
LL-MOSFETs IRLML2244TRP/IRLML6244TRP. Laut Datenblatt gilt für den PMOS 
IRLML2244:
1
1. Vgs(th)=12V typ.
2
2. Rds(ON)@-3V=80mOhm (aus dem Graph, pessimistisch)

In meiner Anordnung ist Vgs ca. 3V und damit viel kleiner als Vgs(th). 
Ist das ein Problem?
Denn sonst sieht es doch gut aus: (0,4A)^2 * 0,08 Ohm = 13 mW an 
ON-Verlusten.
Um die Schaltverluste zu berechnen nutze ich die Formel von Wikipedia, 
und nehme an, die Schaltfrequenz wird nicht größer als 100 kHz:
1
P = 3,3V * 0,4A / 6 * (34 * 10^-9s) * (10^5 Hz) = 0,000748 W < 1mW

Ich vernachlässige also die Schaltverluste und folgere, dass der MOSFET 
ganz gut geeignet ist. Korrekt?

Die Suche nach dem NMOS gestaltet sich jedoch schwierig. Leistungsstarke 
NMOS arbeiten eher mit einem Vgs von 4,5V aufwärts. So auch der 
vorgeschlagene IRLML6244TRP. Gibt es da einen Trick oder sind 3,3V 
Betriebsspannung einfach zu niedrig für starke MOSFETs?

: Bearbeitet durch User
von MaWin (Gast)


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> 1. Vgs(th)=12V typ.

Nö, das ist VGS max.

VGS(th) liegt zwischen -0.4 ... -1.1 V

Bei VGS = -2.5V, schafft er ID = -3.4A

> 2. Rds(ON)@-3V=80mOhm (aus dem Graph, pessimistisch)

Vergiss den Graph, der kann um 1:2 schwanken.

Kurz drüber steht aber 95mOhm bei VGS -2.5V

> Die Suche nach dem NMOS gestaltet sich jedoch schwierig. Leistungsstarke
> NMOS arbeiten eher mit einem Vgs von 4,5V aufwärts. So auch der
> vorgeschlagene IRLML6244TRP. Gibt es da einen Trick oder sind 3,3V
> Betriebsspannung einfach zu niedrig für starke MOSFETs?

6.4A, ich würde IRL6372 empfehlen, der hat gleich 2 drin.

von Felix L. (flexi)


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MaWin schrieb:
>> 1. Vgs(th)=12V typ.
>
> Nö, das ist VGS max.
>
> VGS(th) liegt zwischen -0.4 ... -1.1 V

Ahhh. Habe wohl bei absolute maximum ratings geschaut...

> Vergiss den Graph, der kann um 1:2 schwanken.

Geht das aus langjähriger Erfahrung hervor oder steht das irgendwo 
kleingedruckt?

> 6.4A, ich würde IRL6372 empfehlen, der hat gleich 2 drin.

Top! Der hat ca. Rds(ON)=20mOhm -> 1/4 von dem was ich oben für den PMOS 
ausgerechnet habe. Gleichzeitig 16-Facher Strom... Also 4-facher 
Verlust, aber noch immer im niedrigen mW-Bereich.
Sollte ohne Probleme hinkommen oder? Auch wenn beide Transistoren 
gleichzeitig "heizen".

Herzlichen Dank! Würde mich noch interessieren ob meine sonstigen 
Überlegungen Sinn machen...

von MaWin (Gast)


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Felix L. schrieb:
> Geht das aus langjähriger Erfahrung hervor oder steht das irgendwo
> kleingedruckt?

Siehe min max von UGS(th) im Datenblatt.

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