Led Strip mit Arduino und Bluetooth steuern

[Konstantin S. (konstantin_s)]

Hallo Allerseits,

ich erkläre vielleicht erstmal was ich vorhabe - Ziel ist einen Led 
Strip mit Hilfe eines Arduinos zu steuern. Dabei soll dieser per 
Smartphone und Bluetooth gesteuert werden (wenn ich mal fertig bin v.a. 
als Licht Wecker). Zudem sollen Elementare Funktionen wie "Ein Aus", 
"Farbe Wechseln" und "Modus wechseln" mit Hilfe eines Klatschsensors 
realisiert werden. Wenn ich mit der Programmierung fertig bin soll der 
Atmega ohne das Arduino Board betrieben werden. (ich habe einen 
Schaltplan angefügt wie ich mir das ganze vorstelle)

Meine erstes Problem ist die Dimensionierung der Mosfets. Pro 
Kanal/Farbe sollen maximal 5A mit 12V also 60 Watt abgerufen werden. Ich 
hätte mich jetzt für den IRLR024 (

$$R_{DS}=0,065 \Omega , C_{iss}=480 pF , Q_{g}=18 nC$$

) entschieden.

Der Strom für die Aufladung des Gates berechnet sich ja durch den 
Vorwiederstand:

$$I=\frac{U}{R}=\frac{5V}{125 \Omega}=40 mA$$

Die Zeit für die Aufladung des Gates berechnet sich ja durch

$$t = \frac{Q}{I} = \frac{18 nC}{0,04A} = 450 ns$$

Bei einer PMW Frequenz von 500 Hz also 0,2 ms Periodendauer ist diese 
Zeit kleiner als 1 Promil also für meine Zwecke akzeptabel.

Problem 1 besteht jetzt darin ob ich alles richtig gemacht habe.

Problem 2 besteht darin ob ich die Mosfets kühlen muss. Im Dauerbetrieb 
ensteht eine maximale Verlustleistung von

$$P = I^2 \cdot R = (5A)^2 \cdot 0,065 \Omega = 0,1625 W$$

Somit müsste sich bei den Temperaturkoeffizienten (Junction to Case = 
3,3 K/W + Junction to Ambient = 110 K/W) das Gehäuse um ca. 18°C 
erwärmen. Selbst bei einem um den Faktor 5 größeren Wärmeverlusten 
aufgrund der PMW Auf- und Entladungen kommt man auf einen Wert von ca. 
100 °C. Bei einer Maximalen Umgebungstemperatur von 40°C bin ich bei 
140°C und somit noch im Arbeitsbereich.

PS: Vielen Dank schon einmal im Voraus

[Roland .. (rowland)]

Die Berechnung der Ladezeit würde so nur stimmen, wenn der Ladestrom 
konstant wäre (MOSFET wird per KSQ geladen). Da das Gate aber über einen 
Widerstand mit konstanter Spannung geladen wird, muss hier der 
Schaltvorgang einer RC-Schaltung berechnet werden (beliebte 
Differenzialgleichungsübung) wodurch man den Spannungsverlauf am Gate 
über der Zeit erhält.

uc(t) = U * (1 - e^(-t/(R*C)))

Nun kann man sich ausrechnen, wie lange es dauert, bis die Gatespannung 
einen bestimmten Wert erreicht hat (z.B. 90%). Alternativ kann man auch 
einfach die Faustregel anwenden, dass nach 5 Zeitstonstanten (Tau = R*C) 
der Kondensator, also das Gate, voll ist.

Was Du bei der Berechnung der Verlustleistung vergessen hast sind die 
Schaltverluste, die eine nicht zu vernachlässigende Rolle spielen.

[Konstantin S. (konstantin_s)]

Hallo rowland,

erstmal danke für deine schnelle Antwort - das mit dem tau hab ich mir 
auch schon gedacht aber in anderen posts wars eben über die Total Gate 
Charge berechnet. Für den Mosfet wäre

$$5 \cdot \tau=5,63\cdot10^{-7} s$$

 also in der selben größenordnung.

Die Schaltverluste habe ich über den Faktor 5 versucht zu approximieren.

Wenn ich die korrekten Ladungsverluste über Zitat:
"
Pv = Pvd + Pvü + Pvg + Pva

Durchlassverluste: Pvd = Id^2 x Rds(on) x D

Übergangsverluste (An->Aus, Aus->An):
Pvü = 1/2 x Uds x Id x fs x (tr + tf)

Gateladeverluste: Pvg = Qg x Ugs x fs

Ladeverluste im Ausgangskreis (Millerkapazität...):
Pva = 1/2 Coss x Uds^2 x fs

Id: Drainstrom
Uds: Drain-Source-Spannung
fs: Schaltfrequenz
tr: Risetime
tf: Falltime
Qg: Komplette Gateladung nicht zu verwechseln mit Qgs!
Ugs: Gate-Source-Spannung
Coss: Ausgangskapazität
"

berechne komme ich auf 0,165 W was mir doch etwas zu wenig erscheint.

[Roland .. (rowland)]

Die Schaltverluste werden sich in dieser Größenordnung bewegen. Was mir 
noch bei der Berechnung auffällt ist die Berücksichtigung der Verluste 
die durch das Umladen der Gatekapazität entstehen. Es ist zwar richtig, 
dass diese ebenfalls den Schaltverlusten zugeschrieben werden, jedoch 
nicht dem Transistor selbst, sondern dem Gatewiderstand.


Was so auch nicht ganz stimmt ist die Berechnung der Verluste im 
Schaltvorgang. Da der Verbraucher eher ohmscher Natur ist, und sich der 
Strom - neben der Spannung am MOSFET, somit im Schaltzeitpunkt ändert, 
ergibt sich die Verlustleistung zu:

Pon_off = ((U * Ion) / 6) * (ton + toff) * f

Was noch auffällt, C3 ist sehr sinnbefreit ;-).

[Konstantin S. (konstantin_s)]

Ok aber dann sind ja die on-off Verluste ja noch geringer. Ich habe auch 
bei der Frequenz immer eine Größenordnung mehr genommen um auf nummer 
sicher zu gehen.

Das der C3 relativ sinnbefreit ist dachte ich mir auch aber ich bin hier 
nach dieser Anleitung http://arduino.cc/en/Main/Standalone vorgegangen 
und da ist er ja auch drinnen.

Trotzdem nochmal danke für alles.

[Roland .. (rowland)]

C3 macht schon Sinn, direkt mit den Regelereingängen IN und GND 
verbunden. Nur eben nicht so, wie er im Schaltplan eingezeichnet ist - 
kurzgeschlossen.

[Konstantin S. (konstantin_s)]

Oh danke - da hab ich mich wohl verzeichnet.