Hallo,
Ich bräuchte etwas Unterstützung bei der Integration eines Logic Level
MOSFETs (z.B. IRL1004) in meine Schaltung. Es handelt sich dabei um
einen Lightstrip, der über einen ESP8266 per WLAN angesteuert werden
kann. Das ganze funktioniert auch wunderbar, allerdings ist mir im
ausgeschalteten Zustand des Lightstrips eine relativ hohe
Leistungsaufnahme aufgefallen. Nach dem Kappen der Ground-Leitung des
Lightstrips ist diese Aufnahme deutlich gesunken, was auch logisch ist,
weil dann die ganzen WS28XX-Chips im Lightstrip nicht mehr versorgt
werden. Ich würde nun gern über einen weiteren Ausgang am ESP die
Ground-Leitung des Lightstrips schalten und bin nach etwas Recherche
(auch hier im Forum) darauf gekommen, dies über einen Logic Level MOSFET
zu lösen. Der Ausgang am ESP liefert ca. 3,5V (was man wohl am Gate
anlegt), geschaltet werden soll 12V bei max. 3A (Source / Drain ?). Der
IRL1004, über den ich in dem Kontext an der ein und anderen Stelle
gestolpert bin, sieht bzgl. der Kennwerte aus meiner Sicht recht gut
aus. Hier bin ich aber um jeden Hinweis dankbar. Meine Beurteilung
basiert auf:
- Die 12V / 3A (Drain-to-Source) sollte er locker bei 3,5V
Gate-to-Source Spannung erreichen
- Thermisch sollte es keine Probleme geben. Bei 3A und ca. 0,01 Ohm
Drain-to-Source-Widerstand (so grob geschätzt bei 3,5V Gate-Spannung)
sollte mit nur 0,1 W „geheizt“ werden, das sollte doch auch ohne
Kühlkörper gehen, oder?
Die Software-seite habe ich soweit im Griff, ich würde es mir dann so
vorstellen:
Wenn der ESP das Signal zum Einschalten des Strips bekommt, würde ich
über den neuen Ausgang mit dem IRL1004 die Ground-Leitung schalten, ein
noch zu testendes Delay warten bis der Strip bereit ist angesteuert zu
werden und dann mit dem bisherigen Signalausgang dann den WS28XX-Strip
ansteuern. Beim Ausschalten dann umgekehrt -> LEDs ausschalten (wie
bisher) und dann wieder über den IRL1004 die Ground-Leitung
„ausschalten“.
Hier kommen wir aber vorher noch zu der Frage, wie der IRL genau in die
Schaltung integriert werden sollte (falls es sich dabei überhaupt um ein
passendes Model handelt).
Ich habe auch hier schon etwas gespitzelt:
Beitrag "Auswahl MOSFET über Mikrocontroller (3.3V) steuern"
Und wenn ich das richtig verstehe, sollten zwischen ESP-Ausgang und Gate
ein Widerstand in Reihe und ein größerer Widerstand zwischen Gate und
Source. Aus dem obigen Post z.B.:
1
22Ω in Reihe zum Gate und 10K vom Gate nach
2
Source.
Ist das Alles was ich bei der Integration beachten muss? Woher kommen
diese Werte, oder handelt es sich da um generell sinnvolle Werte?
Ich bin für Alle Tips dankbar!
Viele Grüße,
1024kilobyte
Michael B. schrieb:> - Die 12V / 3A (Drain-to-Source) sollte er locker bei 3,5V> Gate-to-Source Spannung erreichen> - Thermisch sollte es keine Probleme geben. Bei 3A und ca. 0,01 Ohm> Drain-to-Source-Widerstand (so grob geschätzt bei 3,5V Gate-Spannung)> sollte mit nur 0,1 W „geheizt“ werden, das sollte doch auch ohne> Kühlkörper gehen, oder?
Das garantiert dir der Hersteller aber nicht. Für 12V/3A gibts welche in
SOT-23, die das locker können und vom Hersteller auch so spezifiziert
sind. Billiger als ein IRL1004 sind sie auch, sogar deutlich.
Danke schon mal für das Feedback.
Da es sich bisher nur um ein einmaliges Projekt handelt, sind mir Größe
und Preis des Bauteils aktuell nicht so wichtig. Konkret wäre mir THT
momentan lieber als SMD und somit würde ich TO-220 dem SOT-23
bevorzugen. Ich gebe Dir zwar Recht, dass der IRL1004 für meine
Anwendung etwas überdimensioniert ist, aber den Punkt nicht vom
Hersteller spezifiziert verstehe ich nicht ganz. Im Datenblatt vom IRL
steht in Fig. 1 & 2, dass bei VGS = 3,5V und VDS = 12V ein Strom von
über 40A durchgelassen wird, was hier ja locker reicht.
Ein etwas passenderes Element wäre wohl (wenn es THT sein soll) der
IRLZ34N. Dieser wäre dann auch ein gutes Stück günstiger.
Ein paar Fragen zur Integration sind da für mich aber noch offen:
- Welche Widerstände benötige ich zusätzlich und wo werden diese
integriert (und warum) ?
- Ab welcher thermischen Verlustleistung sollte man ein TO-220
zusätzlich per Kühlkörper kühlen?
Michael B. schrieb:> Im Datenblatt vom IRL> steht in Fig. 1 & 2, dass bei VGS = 3,5V und VDS = 12V ein Strom von> über 40A durchgelassen wird,
Das sind keine garantierten Werte.
Schau in die Tabelle unter R_DS(on), dort stehen die garantierten Werte.
Wenns denn unbedingt TO-220 sein muss, dann halt IRF3708.
Michael B. schrieb:> - Welche Widerstände benötige ich zusätzlich und wo werden diese> integriert (und warum) ?
Kommt auch auf die Schaltfrequenz an. Immer sinnvoll ist ein 100kOhm von
Gate nach Source, der sperrt den MOSFET solange der Portpin noch nicht
als Ausgang definiert ist. Ob ein Widerstand zwische Portpin und Gate
sinnvoll/nötig ist, hängt eben von der Schaltgeschwindigkeit/frequenz
ab, und vom konkreten µC. Deinen µC kenne ich nicht ausreichend um das
zu beurteilen.
> - Ab welcher thermischen Verlustleistung sollte man ein TO-220> zusätzlich per Kühlkörper kühlen?
Pi*Daumen 1W.
Was hat dein WS28XX-Strip mit 12V zu tun?
Soweit ich weiß, werden die WS2812 Streifen mit 5V betrieben.
Wenn du deren GND Leitung unterbrichst, musst du unbedingt dafür sorgen,
dass das Steuersignal vorher auf 5V gelegt wird. Denn:
1
5V o-------+-----------------+ 5V
2
| |
3
__|__ ____|____
4
| µC |---------| WS28xx |
5
|_____| |_________|
6
| |
7
| GNDa | GNDb
8
GND o-----+-------//---------+
9
| |
10
+-----------(V)----+
11
^ ^
12
| |
13
| Voltmeter zeigt 4V an
14
|
15
Unterbrechung
16
durch MOSFET
Wenn du dem WS28xx die GNDb Leitung abklemmst, wird sie auf irgendeiner
Spannung > 0V floaten. Die 4V (relativ zu GNDa) habe ich jetzt einfach
mal geraten (miss es nach).
Aus Sicht des WS28xx darf die Signalspannung nie höher als die 5V
Stromversorgung sein, und nie niedriger als GNDb. Wenn der
Mikrocontroller Low ausgibt, dann wären das aus Sicht des WS28xx aber
-4V. Das ist nicht zulässig. Es wird ein hoher Ableitstrom durch dessen
ESD Schutzdiode fließen, der diese und womöglich auch den µC zerstört.
Eigentlich ist es sicherer, die 5V zu unterbrechen, nicht die GND
Leitung. Denn kein normaler Mensch rechnet damit, dass GNDa nicht gleich
GNDb ist. Alle reden immer nur von dem einen GND Potential.
Stefanus F. schrieb:> Was hat dein WS28XX-Strip mit 12V zu tun?> Soweit ich weiß, werden die WS2812 Streifen mit 5V betrieben.
Gut, dass du aufgepasst hast, ich hab das glatt übersehen.
Und ja, man sollte da high-side schalten, also LL-p-MOSFET nehmen. Und
um diesen anzusteuern dann einen kleinen n-MOSFET oder NPN.
WS2811 LED Pixel Strips gibt es mit 12V:
Immer drei SMD 5050 RGB LEDs werden gemeinsam angesteuert.
Ansonsten: LL-N-Mosfet oder NPN und irgendein P-MOSFET.
Nicht umgekehrt.
Sorry für die Verwirrung, aber deshalb habe ich ja die Xe verwendet.
Zur Aufklärung: Ja, es ist ein WS2811 Strip mit 12V und zwar weil es
kleine 12V Steckernetzteile mit mindestens 3A gibt und somit genug
Leistung um die (in meinem Fall 144 LEDs) zu versorgen. Bei 5V hätte ich
mindestens ein 5A-Netzteil gebraucht, welches in der Regel nicht so
einfach, klein und günstig zu bekommen ist.
Ich habe das gleiche Projekt (dann mit WS2812B) auch schon auf 5 Volt
mit nem USB-Netzteil gemacht. Da diese aber in der Regel bei um die 12
Watt abregeln, kann ich die LEDs nicht auf maximale Helligkeit
aufdrehen, da die ca. 2,4 A hierfür nicht ausreichen.
Beim 5V-Strip ist die Verlustleistung im "Standby" auch bei weitem nicht
so groß, weshalb das MOSFET-Thema erst jetzt aufgekommen ist.
Meine aktuell geplante Schaltung werd ich später / morgen mal noch
beifügen, dann könnt Ihr mir gerne noch meine Denkfehler vorhalten ;)
Michael B. schrieb:> Ja, es ist ein WS2811 Strip mit 12V und zwar weil es> kleine 12V Steckernetzteile mit mindestens 3A gibt und somit genug> Leistung um die (in meinem Fall die 144 LEDs) zu versorgen. Bei 5V hätte> ich mindestens ein 5A-Netzteil gebraucht.
Wenn alle 144 LEDs voll leuchten, kommen bei 5V sogar über 8,5A zusammen
und bei einem Meter brennt schon fast die dünne Leiterbahn durch, wenn
man einseitig einspeist.
Ich hatte deshalb die 12V parallel auf dünnen Leitungen mitgeführt und
mit kleinen Buck-Wandlern an mehreren Stellen 5V eingespeist. Damit kann
man dann auch wieder jede LED einzeln steuern.
Nur so nebenbei^^, weil diese Lösung fast beliebig skaliert …
Deine Schaltung ist übrigens u.A. hier diskutiert, im
Beitrag "High Side MOSFET Switch für Sensoren"
Der R_DS,on ist bei dem Leistungs-P-Mosfet wichtig.
Je kleiner, desto weniger Kühlung ist nötig.
Z.B. IRF7410 aus der MOSFET-Übersicht.
PS: Was ich aus diesem Thread gelernt habe?
Mein 12V-Netzteil primärseitig ausschalten, um Ruhestrom zu sparen.
Anbei meine aktuelle Schaltung, in dem Oval hab ich die geplante
Integration des MOSFETs eingezeichnet. Ohne den MOSFET läuft das ganze
auch schon wunderbar. Für die Widerstände hab ich jetzt mal die
angegebenen Werte basierend auf den bisherigen Antworten gewählt.
Passt das so, wenn ich als MOSFET nun den IRF3708 nehme?
Michael B. schrieb:> Passt das so, wenn ich als MOSFET nun den IRF3708 nehme?
Ob das so passt, kann nur jemand beantworten, der das schon mal
ausprobiert hat, behaupte ich, weil das außerhalb der Spezifiikation der
Bauteile liegt.
Miss mal den Strom hier (links im bild rot).
Es könnte sein, dass die Bauteile dabei nicht kaputt gehen.
Warum übernimmst Du nicht den "High Side MOSFET Switch" (siehe oben und
blau im Bild)? Bist Du Beratungs-resistent? * grins *
Mit High Side MOSFET ist alles innerhalb der Spezifikationen in den
Datenblättern und funktioniert nicht nur zufällig sondern immer.
@torsten_c: Irgendwie habe ich Probleme Dein Feedback nachzuvollziehen.
Dein erstes Schaltbild ist sehr konfus, da du den GND des WS2811
trennst, so wird er natürlich nie leuchten. Und da es beim WS2811 keine
interne Verbindung des Signal-Pins mit VCC gibt, fließt da auch kein
Strom (habe ich auch nachgemessen). Zur Erklärung: Der WS2811-Strip hat
drei Eingänge VCC, GND und DATA_IN. Der DATA_IN ist der, den ich in der
Schaltung mit einem GPIO des ESP ansteuere. Da Du Dich nicht ganz
präzise ausgedrückt hast, hier eine Nachfrage zu:
Torsten C. schrieb:> Ob das so passt, kann nur jemand beantworten, der das schon mal> ausprobiert hat, behaupte ich, weil das außerhalb der Spezifiikation der> Bauteile liegt.
Welcher Teil der Schaltung liegt denn außerhalb der Spezifikation? Wo
genau liegt das Problem?
Dann zu Deiner Anmerkung bzgl. eines High Side MOSFET:
Torsten C. schrieb:> Warum übernimmst Du nicht den "High Side MOSFET Switch" (siehe oben und> blau im Bild)? Bist Du Beratungs-resistent? * grins *
Es wurde zwar schon erwähnt, dass man auf High Side schalten sollte,
aber ohne Begründung und konkrete Hinweise zu einem passenden MOSFET und
den sonstigen benötigten Bauteilen (wie Widerstände). Diese Art von
"Beratung" hilft mir leider nicht weiter und kann ich deshalb auch nicht
berücksichtigen. Die Frage nach: "Wie integriere ich einen LL-n-MOSFET"
mit "nimm doch nen LL-p-MOSFET" zu beantworten ist eben nicht sonderlich
hilfreich. Außer einem "man sollte" wäre hier (bestimmt auch für Andere)
interessant, warum man gerade hier besser auf der +12V-Seite schalten
sollte. Das würde mir auch weiterhelfen und möglicherweise verhindern,
dass ich die ein oder andere blöde Frage hier im Forum stellen muss.
Gerne verlege ich den MOSFET auf die VCC-Seite, wenn ich eine passende
Schaltung hinbekomme. Außer dem passenden LL-p-MOSFET (Model?), werde
ich ja vermutlich auch wieder einen Widerstand in Reihe von GPIO zum
Gate und einen zwischen Gate und Source brauchen, oder? Funktioniert das
analog zum LL-n-MOSFET?
Michael B. schrieb:> … da du den GND des WS2811 trennst, so wird er natürlich nie leuchten.
Das Bild beschreibt nur "MOSFET leitet nicht", also "Masse hängt in der
Luft", siehe unten, also das Gleiche wie "Gate ist auf 0V".
> Und da es beim WS2811 keine> interne Verbindung des Signal-Pins mit VCC gibt, fließt da auch kein> Strom (habe ich auch nachgemessen).
War der GPIO auf Low, auf High oder ein Input?
Wenn da nie Strom fließt, dann nimm halt den Low-Side-MOSFET. ;)
Ob es beim WS2811 eine interne Verbindung des Signal-Pins mit VCC gibt,
steht vielleicht im Datenblatt. Du könntest recht haben, aber die
indirekten Verbindungen über die Eingangskappdioden und die externen
LEDs nicht vergessen!
> Welcher Teil der Schaltung liegt denn außerhalb der Spezifikation? Wo> genau liegt das Problem?
In jedem Datenblatt sind erlaubte Spannungs-Bereiche für Ein- und
Ausgänge definiert, in Bezug auf VCC und/oder Masse. Wenn die Masse
quasi in der Luft hängt, hängt auch die Berechenbarkeit der Schaltung in
der Luft.
> Es wurde zwar schon erwähnt, dass man auf High Side schalten sollte,> aber ohne Begründung und konkrete Hinweise zu einem passenden MOSFET und> den sonstigen benötigten Bauteilen (wie Widerstände).
Als P-Mosfet hatte ich den IRF7410 in der MOSFET-Übersicht gefunden,
begründet und verlinkt. Du kannst auch einen anderen nehmen.
Und im Beitrag "Re: High Side MOSFET Switch für Sensoren"
steht:
>> Den N-Kanal FET könnte man auch durch einen NPN-Transistor ersetzen>> (BC847 o.ä.) mit 10..100k Basiswiderstand statt 100 Ohm.> Die Frage nach: "Wie integriere ich einen LL-n-MOSFET"> mit "nimm doch nen LL-p-MOSFET" zu beantworten ist eben nicht sonderlich> hilfreich.
Oh. Warum? Da steht doch: "man sollte da high-side schalten …"
Und zum "high-side schalten" nimmt man einen P-Kanal-Mosfet.
Einen N-Kanal-Mosfet nimmt man zum "low-side schalten".
Einfach fragen, falls was unklar ist. Alles klar, nun?
> Außer einem "man sollte" wäre hier (bestimmt auch für Andere)> interessant, warum man gerade hier besser auf der +12V-Seite schalten> sollte.
Solche Details kommen hier oft zu kurz. Ich bitte um Nachsicht. Hier
posten auch viele Idioten, und dann ist die Mühe "Perlen vor die Säue".
Du gehörst offenbar nicht dazu.
> Gerne verlege ich den MOSFET auf die VCC-Seite, wenn ich eine passende> Schaltung hinbekomme. Außer dem passenden LL-p-MOSFET (Model?), werde> ich ja vermutlich auch wieder einen Widerstand in Reihe von GPIO zum> Gate und einen zwischen Gate und Source brauchen, oder? Funktioniert das> analog zum LL-n-MOSFET?
Die Schaltung im rechten Bild mit Q2 = IRF7410.
Beim BC847 (oder einem anderen biporaren NPN) als Q1 wurde als
Basis-Widerstand oben 1k..100k genannt. Die Schalt-Geschwindigkeit
dürfte ja ziemlich egal sein. Ich würde 10kOhm nehmen.
Bei einem MOSFET als Q1 würde ich jetzt noch weiter ausholen.
Michael B. schrieb:> Welcher Teil der Schaltung liegt denn außerhalb der Spezifikation? Wo> genau liegt das Problem?
Die Signal-Spannung des WS2811 muss aus seiner Sicht zwischen GND und
VCC liegen. Da GND in der Luft hängt, ist diese Bedingung nicht
eindeutig erfüllt. Niemand weiß, welche Spannung an GND anliegt, wenn
der Transistor ausgeschaltet ist.
Es kann mit Glück funktionieren. Es besteht dann aber immer noch das
Risiko, dass es bei einer späteren Reparatur mit eine neueren
Chip-Version plötzlich nicht mehr geht.
Pardon dass ich den alten Thread ausgrabe, aber ich habe nochmal eine
Frage.
Oben wurde der IRF7410 empfohlen um 12V auf der High-Side zu schalten.
Jetzt lese ich im Datenblatt, dass -12V das "absolute maximum rating"
für Vds ist und die "Drain-to-Source Breakdown Voltage" ebenfalls bei
-12V liegt.
Ist dann der IRF7410 wirklich eine sinnvolle Wahl wenn man da so hart am
Limit entlangschrappt?
Oder lese ich das Datenblatt falsch?
Danke!
Simon
da ich immer noch nicht die Muse gefunden habe mir die konkret
benötigten Teile rauszusuchen (die Empfehlungen hier sind ja anscheinend
nur begrenzt sinnvoll) ist das Thema für mich noch aktuell.
Bei der erneuten Recherche bin ich auf Bauteile gestoßen, die alles was
ich brauche in einem vereinen. Also High-Side Switch mit 12V Load bis 3A
Dauerlast und µC-Eingang, der bei High durchschaltet. Konkret habe ich
hier den BTS426L1 als TO220-Gehäuse ins Auge gefasst.
Gibt es außer Preis / Verfügbarkeit einen Grund nicht einfach diesen
einzusetzen?
Beim schnellen Durchstöbern des Datenblatts ist mir gerade nur
aufgefallen, dass die maximale "Input turn-on threshold voltage" bei
3.5V liegt. Im worst case reichen also die 3.3V eines ESP8266 nicht aus,
um den Strom einzuschalten.
Ansonsten - wenn einem 3A reichen - sieht das IMHO nicht schlecht aus.
Viele Grüße,
Simon
Michael B. schrieb:> Also High-Side Switch mit 12V Load bis 3A> Dauerlast und µC-Eingang, der bei High durchschaltet.
Also einen fast beliebigen P-FET, dessen Gate mit einem BC_irgendwas /
2N2222 auf GND gezogen wird.
Ich hätte gern' ein Problem?