Geeignete MOSFETs für RGB-LED-Strip an Raspberry Pi 3B/Arduino Mega 2560 R3 gesucht
geschrieben von Maaarsl
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Geeignete MOSFETs für RGB-LED-Strip an Raspberry Pi 3B/Arduino Mega 2560 R3 gesucht 05. June 2018 09:09 |
Hallo,
so viel ich auch recherchiere, ich steige nicht hinter die Auswahl von MOSFETs in diversen Tutorials zum Anschluss von RGB-LED-Strips (SMD5050) am Raspberry Pi 3B oder Arduino Mega 2560 R3.
Zum einen möchte ich eine temperaturgeregelte Beleuchtung für meinen Mendel90 bauen (Arduino Mega 2560 R3 mit RAMPS 1.4), zum anderen einen weiteren RGB-LED-Strip über einen Raspberry Pi 3B steuern (das Raspberry-Projekt hat aber nichts mit 3D-Druck zu tun
).
Sofern ich es richtig verstanden habe benötige ich drei Logic-Level N-Channel Enhancement-Mode MOSFETs pro RGB-LED-Strip.
Logic-Level, da nur 3,3 V vom Raspberry (bzw. 5 V vom Arduino) am Gate anliegen.
N-Channel, weil der RGB-LED-Strip nur 1x VDC-IN und 3x GND (R/G/B ) hat und beim N-Channel MOSFET Source mit Ground verbunden ist.
Enhancement-Mode, weil die LEDs leuchten sollen, wenn Spannung am Gate anliegt.
Der RGB-LED-Strip wird mit 12 V betrieben, das heißt 12 V vom Netzteil direkt an den RGB-LED-Strip (12 VDC-IN).
Jeweils eine der R-/G-/B-Leiungen (GND) an die Drain-Pins der drei MOSFETs.
Die Gate-Pins der drei MOSFETs an die gewünschten drei GPIO-Pins (Raspberry) oder Digital Output Pins (Arduino).
Die Source-Pins aller MOSFETs an GND vom Raspberry/Arduino, wobei GND vom Raspberry/Arduino auch mit GND vom Netzteil verbunden ist.
Soweit alles richtig?
In Tutorials wird oft der RLZ34N empfohlen, nur verstehe ich nicht wieso. Im Datenblatt wird eine Gate Threshold Voltage von min. 1 V und max. 2 V angegeben. Sind die 3,3 V vom GPIO-Pin des Raspberrys (und erst recht die 5 V des Arduinos) dann nicht schon zu hoch?
Desweiteren habe ich gelesen, dass man die max. Gate Threshold Voltage nicht voll ausnutzen sollte, sondern nur zu etwa 80 %. Muss ich diese aber nicht voll ausnutzen, wenn die vollen 12 V Spannung durchgelassen werden sollen?
Manchmal wird in den Tutorials ein 220 Ohm Widerstand vor den Gate-Pin des MOSFETs gelötet, jedoch nie erwähnt wieso und es ist komischerweise immer ein 220 Ohm Widerstand. In jedem zweiten Tutorial wird darauf hingewiesen, dass er nicht unbedingt notwendig sei. Wie ist das zu verstehen?
Ich hoffe mir ein wenig auf die Sprünge helfen.
Beste Grüße, Marcel | Thingiverse
Dibond Mendel90 (nophead) | Modified RAMPS 1.4 | TMC2130 | E3D v6 Bowden 12 V 1.75 mm | clever3d PEI-DDP 230 V 200 W | Marlin 1.1.9
so viel ich auch recherchiere, ich steige nicht hinter die Auswahl von MOSFETs in diversen Tutorials zum Anschluss von RGB-LED-Strips (SMD5050) am Raspberry Pi 3B oder Arduino Mega 2560 R3.
Zum einen möchte ich eine temperaturgeregelte Beleuchtung für meinen Mendel90 bauen (Arduino Mega 2560 R3 mit RAMPS 1.4), zum anderen einen weiteren RGB-LED-Strip über einen Raspberry Pi 3B steuern (das Raspberry-Projekt hat aber nichts mit 3D-Druck zu tun
).Sofern ich es richtig verstanden habe benötige ich drei Logic-Level N-Channel Enhancement-Mode MOSFETs pro RGB-LED-Strip.
Logic-Level, da nur 3,3 V vom Raspberry (bzw. 5 V vom Arduino) am Gate anliegen.
N-Channel, weil der RGB-LED-Strip nur 1x VDC-IN und 3x GND (R/G/B ) hat und beim N-Channel MOSFET Source mit Ground verbunden ist.
Enhancement-Mode, weil die LEDs leuchten sollen, wenn Spannung am Gate anliegt.
Der RGB-LED-Strip wird mit 12 V betrieben, das heißt 12 V vom Netzteil direkt an den RGB-LED-Strip (12 VDC-IN).
Jeweils eine der R-/G-/B-Leiungen (GND) an die Drain-Pins der drei MOSFETs.
Die Gate-Pins der drei MOSFETs an die gewünschten drei GPIO-Pins (Raspberry) oder Digital Output Pins (Arduino).
Die Source-Pins aller MOSFETs an GND vom Raspberry/Arduino, wobei GND vom Raspberry/Arduino auch mit GND vom Netzteil verbunden ist.
Soweit alles richtig?
In Tutorials wird oft der RLZ34N empfohlen, nur verstehe ich nicht wieso. Im Datenblatt wird eine Gate Threshold Voltage von min. 1 V und max. 2 V angegeben. Sind die 3,3 V vom GPIO-Pin des Raspberrys (und erst recht die 5 V des Arduinos) dann nicht schon zu hoch?
Desweiteren habe ich gelesen, dass man die max. Gate Threshold Voltage nicht voll ausnutzen sollte, sondern nur zu etwa 80 %. Muss ich diese aber nicht voll ausnutzen, wenn die vollen 12 V Spannung durchgelassen werden sollen?
Manchmal wird in den Tutorials ein 220 Ohm Widerstand vor den Gate-Pin des MOSFETs gelötet, jedoch nie erwähnt wieso und es ist komischerweise immer ein 220 Ohm Widerstand. In jedem zweiten Tutorial wird darauf hingewiesen, dass er nicht unbedingt notwendig sei. Wie ist das zu verstehen?
Ich hoffe mir ein wenig auf die Sprünge helfen.
Beste Grüße, Marcel | Thingiverse
Dibond Mendel90 (nophead) | Modified RAMPS 1.4 | TMC2130 | E3D v6 Bowden 12 V 1.75 mm | clever3d PEI-DDP 230 V 200 W | Marlin 1.1.9
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Re: Geeignete MOSFETs für RGB-LED-Strip an Raspberry Pi 3B/Arduino Mega 2560 R3 gesucht 05. June 2018 15:03 |
Hallo, also der IRLZ34n ist schon recht gut für das ganze, das ist schonmal richtig
Dein "Enhancement-Mode"...keine ahnung wo du das her hast, aber das ist die Aufgabe eines jeden N-Channel Mosfets, dass er leitend wird, wenn das Gate ein Höheres Potential bekommt als Source...also nix besonderes
Vom Anschluss her ist es richtig wie du den Mosfet anschließen willst.
Das mit der Vgs(th) ist wie der Name schon sagt - Threshold - also die Schwellspannung in welchem bereich er anfängt zu leiten. Eben aufgrund der Fertigungstoleranzen sozusagen. Also liegt die Schwellspannung zw. 1 und 2V da fängt er an "brauchbar" Leitend zu werden für kleine Lasten. Bei 3.3V ist er schon fast voll durchgesteuert, also hat dan fast schon seinen geringsten RDSon (also innenwiderstand) - siehe dazu die Tabelle im Datenblatt weiter unten wo man sehen kann, wieviel Strom bei welcher Vgs Spannung geschaltet werden kann bei welcher Temperatur.
Die Vgs Spannung selber darf maximal 16V sein, darf diesen nicht überschreiten. Es ist richtig dass man möglist unter dieser Maximalspannung bleiben sollte eben auch aus Fertigungstolereanz gründen und einfach weil man den nicht voll am Limit betreiben sollte. Kann man einfach mit einer Parallel geschalteten Z-Diode realisieren.
Der 220Ohm Widerstand ist einfach nur eine Gate-Strombegrenzung, weil so ein Gate ja auch eine Kapazität ist, und wenn das gate Ungeladen ist (also ebenfalls 0V Hat) ist der Innenwiderstand recht gering - bei einem schlagartigen Einschalten der 3.3 oder 5V die das Gate "Füttern" können für wenige Nanosekunden ströme im A bereich fließen...und nicht jede Logik-schaltung verkraftet das. 220Ohm muss nicht unbedingt sein, kann auch 1K Ohm sein, oder 100Ohm bei der geringen Schaltspannung. Das könnte man ausrechnen, weil je höher ohmiger der Gate-Widerstand wird, desto langsamer wird das Gate auch umgeladen, und umso mehr verluste entstehen im FET weil er eben für ein paar milisekunden nur im Halbleitendem Zustand ist - was nicht gut ist...Exakt berechnen sollte man dass, wenn man weiß was der Gate-Treiber (Raspi oder Arduino) an maximal strom an den IO Ausgängen bereit stellen kann, und wenn man die Schaltfrequenzen weiß...wird aber eben erst relevant wenn man den im Khz bereich takten will...
Ich würde immer einen Widerstand davor machen, weil auch ein Mosfet kann man kaputt gehen und damit er nicht den Treiber mit in den Tod reist ist eben auch so ein Widerstand ganz gut
Dein "Enhancement-Mode"...keine ahnung wo du das her hast, aber das ist die Aufgabe eines jeden N-Channel Mosfets, dass er leitend wird, wenn das Gate ein Höheres Potential bekommt als Source...also nix besonderes
Vom Anschluss her ist es richtig wie du den Mosfet anschließen willst.
Das mit der Vgs(th) ist wie der Name schon sagt - Threshold - also die Schwellspannung in welchem bereich er anfängt zu leiten. Eben aufgrund der Fertigungstoleranzen sozusagen. Also liegt die Schwellspannung zw. 1 und 2V da fängt er an "brauchbar" Leitend zu werden für kleine Lasten. Bei 3.3V ist er schon fast voll durchgesteuert, also hat dan fast schon seinen geringsten RDSon (also innenwiderstand) - siehe dazu die Tabelle im Datenblatt weiter unten wo man sehen kann, wieviel Strom bei welcher Vgs Spannung geschaltet werden kann bei welcher Temperatur.
Die Vgs Spannung selber darf maximal 16V sein, darf diesen nicht überschreiten. Es ist richtig dass man möglist unter dieser Maximalspannung bleiben sollte eben auch aus Fertigungstolereanz gründen und einfach weil man den nicht voll am Limit betreiben sollte. Kann man einfach mit einer Parallel geschalteten Z-Diode realisieren.
Der 220Ohm Widerstand ist einfach nur eine Gate-Strombegrenzung, weil so ein Gate ja auch eine Kapazität ist, und wenn das gate Ungeladen ist (also ebenfalls 0V Hat) ist der Innenwiderstand recht gering - bei einem schlagartigen Einschalten der 3.3 oder 5V die das Gate "Füttern" können für wenige Nanosekunden ströme im A bereich fließen...und nicht jede Logik-schaltung verkraftet das. 220Ohm muss nicht unbedingt sein, kann auch 1K Ohm sein, oder 100Ohm bei der geringen Schaltspannung. Das könnte man ausrechnen, weil je höher ohmiger der Gate-Widerstand wird, desto langsamer wird das Gate auch umgeladen, und umso mehr verluste entstehen im FET weil er eben für ein paar milisekunden nur im Halbleitendem Zustand ist - was nicht gut ist...Exakt berechnen sollte man dass, wenn man weiß was der Gate-Treiber (Raspi oder Arduino) an maximal strom an den IO Ausgängen bereit stellen kann, und wenn man die Schaltfrequenzen weiß...wird aber eben erst relevant wenn man den im Khz bereich takten will...
Ich würde immer einen Widerstand davor machen, weil auch ein Mosfet kann man kaputt gehen und damit er nicht den Treiber mit in den Tod reist ist eben auch so ein Widerstand ganz gut
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Re: Geeignete MOSFETs für RGB-LED-Strip an Raspberry Pi 3B/Arduino Mega 2560 R3 gesucht 06. June 2018 11:15 |
Vielen Dank, das hat etwas Licht ins Dunkel gebracht.
Ich habe es immer so vertanden, dass es N-Ch und P-Ch MOSFETs sowohl in selbstleitend (Depletion-Mode/Type) als auch in selbstsperrend (Enhancement-Mode/Type) gibt.
Okay, das klingt logisch. Demnach könnte ich den RLZ34N sowohl mit dem Raspberry (3,3 V) als auch mit dem Arduino (5 V) nutzen, korrekt?
Fig 3. Typical Transfer Characteristics aus dem Datenblatt entnehme ich dann, dass ich den MOSFET bei 3,3 Vgs und 25°C mit etwas mehr als 10 A Drain-to-Source Current betreiben kann? Das würde für den RGB-LED-Strip ja locker reichen.
Die Z-Diode bräuchte ich also nur, wenn ich mir nicht sicher sein kann, dass Vgs unter 16 V bleibt oder sollte man die generell mit einplanen?
Wie errechne ich denn den Gate-Vorwiderstand? Bei einem zu groß gewählten Widerstand würde Vgs doch zu sehr abfallen, oder nicht?
Auf die Schnelle gefunden:
Arduino Digital Pin Output: 5 V, max. 40 mA
Raspberry GPIO Output: 3.3V, max. 50 mA
Danke, schaue ich mir heute Abend zu Hause nochmal in Ruhe im Detail an, beim Überfliegen sah es etwas komplexer aus.
Beste Grüße, Marcel | Thingiverse
Dibond Mendel90 (nophead) | Modified RAMPS 1.4 | TMC2130 | E3D v6 Bowden 12 V 1.75 mm | clever3d PEI-DDP 230 V 200 W | Marlin 1.1.9
Quote
AssassinWarlord
Dein "Enhancement-Mode"...keine ahnung wo du das her hast, aber das ist die Aufgabe eines jeden N-Channel Mosfets, dass er leitend wird, wenn das Gate ein Höheres Potential bekommt als Source...also nix besonderes
Ich habe es immer so vertanden, dass es N-Ch und P-Ch MOSFETs sowohl in selbstleitend (Depletion-Mode/Type) als auch in selbstsperrend (Enhancement-Mode/Type) gibt.
Quote
Wikipedia
Verarmungstyp (engl.: depletion) – auch selbstleitend, normal-an, normal leitend
Anreicherungstyp (engl.: enhancement) – auch selbstsperrend, normal-aus, normal sperrend
Quote
AssassinWarlord
Das mit der Vgs(th) ist wie der Name schon sagt - Threshold - also die Schwellspannung in welchem bereich er anfängt zu leiten. Eben aufgrund der Fertigungstoleranzen sozusagen. Also liegt die Schwellspannung zw. 1 und 2V da fängt er an "brauchbar" Leitend zu werden für kleine Lasten. Bei 3.3V ist er schon fast voll durchgesteuert, also hat dan fast schon seinen geringsten RDSon (also innenwiderstand) - siehe dazu die Tabelle im Datenblatt weiter unten wo man sehen kann, wieviel Strom bei welcher Vgs Spannung geschaltet werden kann bei welcher Temperatur.
Okay, das klingt logisch. Demnach könnte ich den RLZ34N sowohl mit dem Raspberry (3,3 V) als auch mit dem Arduino (5 V) nutzen, korrekt?
Fig 3. Typical Transfer Characteristics aus dem Datenblatt entnehme ich dann, dass ich den MOSFET bei 3,3 Vgs und 25°C mit etwas mehr als 10 A Drain-to-Source Current betreiben kann? Das würde für den RGB-LED-Strip ja locker reichen.
Quote
AssassinWarlord
Es ist richtig dass man möglist unter dieser Maximalspannung bleiben sollte eben auch aus Fertigungstolereanz gründen und einfach weil man den nicht voll am Limit betreiben sollte. Kann man einfach mit einer Parallel geschalteten Z-Diode realisieren.
Der 220Ohm Widerstand ist einfach nur eine Gate-Strombegrenzung, weil so ein Gate ja auch eine Kapazität ist, und wenn das gate Ungeladen ist (also ebenfalls 0V Hat) ist der Innenwiderstand recht gering - bei einem schlagartigen Einschalten der 3.3 oder 5V die das Gate "Füttern" können für wenige Nanosekunden ströme im A bereich fließen...und nicht jede Logik-schaltung verkraftet das. 220Ohm muss nicht unbedingt sein, kann auch 1K Ohm sein, oder 100Ohm bei der geringen Schaltspannung. Das könnte man ausrechnen, weil je höher ohmiger der Gate-Widerstand wird, desto langsamer wird das Gate auch umgeladen, und umso mehr verluste entstehen im FET weil er eben für ein paar milisekunden nur im Halbleitendem Zustand ist - was nicht gut ist...Exakt berechnen sollte man dass, wenn man weiß was der Gate-Treiber (Raspi oder Arduino) an maximal strom an den IO Ausgängen bereit stellen kann, und wenn man die Schaltfrequenzen weiß...wird aber eben erst relevant wenn man den im Khz bereich takten will...
Ich würde immer einen Widerstand davor machen, weil auch ein Mosfet kann man kaputt gehen und damit er nicht den Treiber mit in den Tod reist ist eben auch so ein Widerstand ganz gut
Die Z-Diode bräuchte ich also nur, wenn ich mir nicht sicher sein kann, dass Vgs unter 16 V bleibt oder sollte man die generell mit einplanen?
Wie errechne ich denn den Gate-Vorwiderstand? Bei einem zu groß gewählten Widerstand würde Vgs doch zu sehr abfallen, oder nicht?
Auf die Schnelle gefunden:
Arduino Digital Pin Output: 5 V, max. 40 mA
Raspberry GPIO Output: 3.3V, max. 50 mA
Danke, schaue ich mir heute Abend zu Hause nochmal in Ruhe im Detail an, beim Überfliegen sah es etwas komplexer aus.
Beste Grüße, Marcel | Thingiverse
Dibond Mendel90 (nophead) | Modified RAMPS 1.4 | TMC2130 | E3D v6 Bowden 12 V 1.75 mm | clever3d PEI-DDP 230 V 200 W | Marlin 1.1.9
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Re: Geeignete MOSFETs für RGB-LED-Strip an Raspberry Pi 3B/Arduino Mega 2560 R3 gesucht 08. June 2018 00:14 |
Jetzt weiß ich was du mit "Enhancement Mode" meinst
ja gibt diese Anreicherungstypen und die Verarmungstypen...die mit denen ich so arbeite sind eigentlich immer Verarmungstypen. Die anderen selbstleitenden nutzt man doch nur wen man das Gate mit einer Negativen spannung runterziehen kann um das ding zu Sperren...
Ja, der IRLZ34n kann für beides genutzt werden, und der mögliche Strom was das ding Leiten kann bei 3.3V sollte auch locker ausreichen für deine LEDs.
Das mit der Z-Diode...genau. Brauchst du nicht zwingend wenn du eben sicher stellen kannst dass die 16V in dem falle nicht überschritten werden.
Die Formel zur Gate Widerstandsberechnung habe ich jetzt nicht parat, nutze ich so auch nicht...ich hau da irgendwas davor je nach Anwendung. Je Höherfrequenter das wird, desto niederohmiger wird der logischerweise, um eben das Gate noch schnellgenug umzuladen. Ich prüfe das immer mit einem Oszi wie die Flanken sind beim Ein und Ausschalten....z.B. so 27Ohm bei 25Khz
Die Spannung bei Vgs senkt man damit nicht direkt, viel eher den Strom...weil wie gesagt, das Gate musst du dir vorstellen wie ein Kondensator - der ist sehr niederohmig solang der leer ist - also im Einschaltmoment. Diesen strom musst du regeln/Begrenzen damit eben der Treiber ( = Raspberry oder eben der Arduino) nicht durchgefeuert wird weill es für die wie ein kurtzschluss ist beim einschalten. manche Treiber halten die paar ns auch aus...manche aber eben nicht
Ist das gate geladen, ist die Spannung am Gate genauso hoch wie wenn du gar kein gate Widerstand hast, oder einen Widerstand mit 100k Ohm Es geht eben um dem strom und damit die Zeit die vergeht bis das Gate geladen ist.
Man versucht eben, das gate Schnell genug umzuladen damit es möglichst schnell durchschaltet um die FET Internen verluste gering zu halten...weil solange das ding nur im Halb-Leitendem Zustand ist wirds sehr warm...das können BJTs besser.
ja gibt diese Anreicherungstypen und die Verarmungstypen...die mit denen ich so arbeite sind eigentlich immer Verarmungstypen. Die anderen selbstleitenden nutzt man doch nur wen man das Gate mit einer Negativen spannung runterziehen kann um das ding zu Sperren...
Ja, der IRLZ34n kann für beides genutzt werden, und der mögliche Strom was das ding Leiten kann bei 3.3V sollte auch locker ausreichen für deine LEDs.
Das mit der Z-Diode...genau. Brauchst du nicht zwingend wenn du eben sicher stellen kannst dass die 16V in dem falle nicht überschritten werden.
Die Formel zur Gate Widerstandsberechnung habe ich jetzt nicht parat, nutze ich so auch nicht...ich hau da irgendwas davor je nach Anwendung. Je Höherfrequenter das wird, desto niederohmiger wird der logischerweise, um eben das Gate noch schnellgenug umzuladen. Ich prüfe das immer mit einem Oszi wie die Flanken sind beim Ein und Ausschalten....z.B. so 27Ohm bei 25Khz
Die Spannung bei Vgs senkt man damit nicht direkt, viel eher den Strom...weil wie gesagt, das Gate musst du dir vorstellen wie ein Kondensator - der ist sehr niederohmig solang der leer ist - also im Einschaltmoment. Diesen strom musst du regeln/Begrenzen damit eben der Treiber ( = Raspberry oder eben der Arduino) nicht durchgefeuert wird weill es für die wie ein kurtzschluss ist beim einschalten. manche Treiber halten die paar ns auch aus...manche aber eben nicht
Ist das gate geladen, ist die Spannung am Gate genauso hoch wie wenn du gar kein gate Widerstand hast, oder einen Widerstand mit 100k Ohm
Es geht eben um dem strom und damit die Zeit die vergeht bis das Gate geladen ist.Man versucht eben, das gate Schnell genug umzuladen damit es möglichst schnell durchschaltet um die FET Internen verluste gering zu halten...weil solange das ding nur im Halb-Leitendem Zustand ist wirds sehr warm...das können BJTs besser.
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