Bitte um Prüfung dieser Schaltung für Mosfetansteuerung (IRLZ44N)

[Katzabrack]

Hallo,

habe durch vieles Suchen und auch 2x Fragen im Microcontroller.net-Forum die angehängte Schaltung geplant. Auf meine Nachfrage im MC-Forum kam leider keine Antwort mehr, so dass ich es hier noch einmal versuche. Da ich nicht der große Elektronikbastler bin, stellt sich mir die Frage, ob das so funktionieren kann.

Zwischen den Punkten 1 und 2 sollen verschiedene Lasten geschaltet werden:

• LED-Band, 24 V mit PWM zum dimmen (ca. 1 A)


• Lüftermotor, 12 V mit Vorwiderstand mit PWM zum dimmen (ca. 0,15 A)


• Magnetventil, 24 V (ca. 0,5 A)


• KFZ-Relais, 24 V (7 Parallel, ca. 0,9 A zusammen)

D. h. ich suche nach einem Mosfet, welcher der Einfachheit halber bereits bei ca. 4,5 V voll durchsteuert und max. 3 A im PWM-Betrieb ohne Kühlung aushält. Auch sollte er so ausgelegt sein, dass man nicht nur die oben erwähnten Bauteile schalten kann (also im Moment reicht das so, aber es soll erweiterbar sein und vor allem möchte ich auf alternative Lastbauteile ausweichen können, ohne an der Schaltung herumlöten zu müssen. Daher habe ich jetzt keine Datenblätter angehängt).

Nun weiß ich nicht, ob:

a) die Widerstände richtig dimensioniert sind
b) die Sicherung wichtig ist oder weggelassen werden kann
c) der Mosfet im PWM-Betrieb bei 3 A einen Kühlkörper benötigt
d) die Diode richtig dimensioniert ist
e) die Diode bei rein ohmschen Lasten stört (möchte die Schaltung für alle Ausgänge und wegen Ersatzteilvorhaltung identisch aufbauen)
f) noch ein wichtiges Bauteil (z. B. Kondensator) in der Schaltung fehlt

zu a) R1: Ich habe schon einiges hier im Forum gelesen. Da hat  Moderator Uwe ausgerechnet, wie groß der Widerstand am Gate sein sollte: 5V / 0,04 A = 125 Ohm. Da ich etwas ängstlich bin, habe ich 150 Ohm gewählt. Wie verhält es sich aber, wenn der Mosfet defekt wird und am Gate z. B. 200 mA "zieht"? Nützt dann der Widerstand noch etwas? Kann das überhaupt passieren, da er ja eigentlich Spannungsgesteuert ist?

zu a) R2: Wenn ich es richtig verstanden habe, dann sorgt dieser Widerstand dafür, dass der Mosfet korrekt sperrt, wenn er ausgeschaltet wird, bzw. der Ausgang nicht geschaltet ist. Dieser ist dann von einer Kapazitätsangabe abhängig? Wie finde ich die im Datenblatt und wie berechne ich dazu den Widerstand?

Die 24V-Spannung kommt von einem Akku mit ausreichender Kapazität (200 AH). Der Arduino (Mega 2560 R3) bekommt über Spannungsregler seine 5V direkt an den 5V-Eingang und zusätzlich über einen 2. Akku über die USB-Buchse, damit bei Abschaltung des "Standardakkus" noch eine gewisse Zeit der Betrieb aufrecht erhalten werden kann (Notbetrieb sozusagen).

Wäre für (auch nur teilweise) Hilfe äußerst dankbar, da ich schon Wochen an der Elektroinstallation tüftle und seit Tagen mich mit dieser Verstärkerschaltung auseinandersetze, aber noch nicht soweit bin, dass ich Bauteile bestellen kann.

Viele Grüße
Peter

[michael_x]

zu a) R2: Wenn ich es richtig verstanden habe, dann sorgt dieser Widerstand dafür, dass der Mosfet korrekt sperrt, wenn er ausgeschaltet wird, bzw. der Ausgang nicht geschaltet ist. Dieser ist dann von einer Kapazitätsangabe abhängig? Wie finde ich die im Datenblatt und wie berechne ich dazu den Widerstand?

Die Kapazität des MOSFET wird erst interessant bei schnellem PWM.
PWM schaltet HIGH - LOW und nicht HIGH - OPEN.
R2 wirkt aber nur, wenn der Signal-Eingang offen ist, als Pulldown.
Wert ist ziemlich egal: ( max: 1MOhm,  min: 10 * R1 damit es am Gate ca. 5V bleiben, deine 100k passen also).

Für LED und Motor brauchst du keine hohe PWM Frequenz, da sollte die thermische Belastung des IRLZ44N also fast eher sinken als höher werden...

Natürlich kannst du den Arduino kaputt machen, wenn du was komplett falsch verdrahtest,
aber eine 32mA Sicherung zusätzlich zum R1 (150 Ohm) habe ich noch nie gesehen ...

[Katzabrack]

Ok, vielen Dank für Deine Antwort! Da muss ich mir um die Kapazität zunächst keine Sorgen machen - prima. Dann versuche ich die Schaltung einfach einmal so, wie sie ist mit meinen Lastbauteilen. Wenn nach einigen Stunden nichts besonders warm wird, dann sollte das funktionieren (hoffe ich).

Solange die 32mA-Sicherung nicht stört, lasse ich sie drin. Die ist zwar relativ teuer (in flink ca. 55 Cent + 25 Cent für die Halter), aber immer noch preiswerter, als ein Arduino Mega. Hatte (glaube ich sogar hier im Forum) kürzlich gelesen, dass einer kaputt gegangen ist.

Danke noch einmal, dass Du Dir die Mühe gemacht hast eine Antwort zu scheiben!

Gruß
Peter

[erni-berni]

Hallo Peter,

am Rande hat mich das stutzig gemacht:

Lüftermotor, 12 V mit Vorwiderstand mit PWM zum dimmen (ca. 0,15 A)

Bedeutet das, du willst den Lüfter an 24V mit Vorwiderstand betreiben? Damit würden 12V*0,15A=1,8 Watt an diesem R abfallen, das kann man so mache, aber: Der Widerstand muss diese Leistung abkönnen und wird heiß und die Wärme musst du abführen. Besser wäre, du setzt in diesem Fall eine Spannungsversorgung von 12V statt 24V ein. Oder wenn es nicht anders geht, erzeuge dir aus den 24V zunächst 12V mit einem Step-Down-Wandler http://www.watterott.com/de/Pololu-Step-Down-D24V6AHV

Gruß
Reinhard

[Katzabrack]

Hallo Reinhard,

danke für den Hinweis. Die Widerstände, die ich habe, halten 5 W aus. Ich wollte das so machen, damit ich auf der Platine, auf der ich die Bauteile unterbringe, nicht so viele unterschiedliche Spannungen habe und dass ich in Notfällen immer alles überall anklemmen kann (Umprogrammierung vorausgesetzt). Die Widerstände würde ich mit auf der Platine unterbringen, die sich auf einer Schalttafel befindet, die bei Bedarf gekühlt wird. Der eine Lüfter ist ca. 11 Meter entfernt. Spielt das eine Rolle, wenn der Widerstand so weit von dem Lüfter weg ist? Die Kabel sind mit 1,5² ausreichend dimensioniert.

Gruß
Peter

[guntherb]

Sehe ich das richtig, du willst einen 12V Lüfter an 24V betreiben, verwendest dazu einen Vorwiderstand, um auf 12V zu kommen.
Das Ganz möchtest du dann mit PWM noch in der Drehzahl steuern?
Mit dem Fet steuerst du nicht den Steuerpin eines intelligenten Lüfters an, sonder direkt den Motor des Lüfters.

Ist das korrekt?
Dann kannst du auch den Widerstand weglassen und einfach die PWM nicht von 0 bis 255 stellen, sondern von 0 bis 127.
Damit halbierst du auch die Betriebsspannung.

[rudirabbit]

Wenn du den Arduino im "worst case" schützen will wäre evtl. noch ein Optokoppler denkbar.

Da auch die Induktiven Lasten evtl. den Arduino stören könnten, wäre die galvanische Trennung auch hier von Vorteil.

Grüße Rudi

[Katzabrack]

Hallo Günther,

Sehe ich das richtig, du willst einen 12V Lüfter an 24V betreiben, verwendest dazu einen Vorwiderstand, um auf 12V zu kommen.
Das Ganz möchtest du dann mit PWM noch in der Drehzahl steuern?
Mit dem Fet steuerst du nicht den Steuerpin eines intelligenten Lüfters an, sonder direkt den Motor des Lüfters.

Ist das korrekt?

Ja, das ist richtig.

Dann kannst du auch den Widerstand weglassen und einfach die PWM nicht von 0 bis 255 stellen, sondern von 0 bis 127.
Damit halbierst du auch die Betriebsspannung.

Herzlichen Dank für diesen Tipp! Bauteile (und in diesem Fall auch Strom) sparen ist immer gut.

Gruß
Peter

[Katzabrack]

Hallo Rudi,

Wenn du den Arduino im "worst case" schützen will wäre evtl. noch ein Optokoppler denkbar.

Da auch die Induktiven Lasten evtl. den Arduino stören könnten, wäre die galvanische Trennung auch hier von Vorteil.

Optokoppler hatte ich bisher nichts mit zu tun. Wäre vermutlich sicherer und schneller als eine Sicherung, oder? Auf der anderen Seite ein Drumm mehr, das kaputt gehen kann. Dann könnte ich mir aber auch die Dioden sparen, oder? Die sollten eigentlich den Arduino vor Spannungsspitzen schützen. Sicherungen habe ich noch nicht gekauft. Vermutlich kostet so ein Optokoppler auch nicht viel mehr. Welchen sollte ich da nehmen und wie wird er dann angesteuert?

Gruß
Peter

[rudirabbit]

Hallo Peter.  Die Freilaufdioden wirst du immer brauchen.   
Optos kosten nicht viel.
Zu den Fragen bei der Bauteilauswahl bzw. ob hier Optos wirklich Sinn machen  werfe ich den "Ball" gerne an  Gunther.

[Katzabrack]

Ok, danke. Dann warten wir, bis sich Günther meldet.

[guntherb]

ich wurde gerufen?  


Die Freilaufdiode brauchst du. Die hält wärend der "Aus"phase der PWM die Energie im Motor und schütz ausserdem vor hohen Spannungsspitzen. (Die der Fet aber aushalten würde)

Die Sicherung halte ich für völlig überflüssig. Im Falle eines Falles geht die filigrane Endstufe im Arduino so schnell kaputt, das es die Sicherung noch nicht mal gemerkt hat.

Ein Optokoppler kann nicht schaden, ist aber in diesem Falle nicht zwingend nötig. Mit einem Optokoppler hast du halt eine 100%ige galvanische Trennung der beiden Systeme. Aber bei 24V ist das normalerweise nicht nötig. Vor allem müssten dann deine beiden Kreise 24V und 5v auch komplett getrennt sein, sonst machen die gar keinen Sinn.

zu deinen Fragen:

a) die Widerstände richtig dimensioniert sind
b) die Sicherung wichtig ist oder weggelassen werden kann
c) der Mosfet im PWM-Betrieb bei 3 A einen Kühlkörper benötigt
d) die Diode richtig dimensioniert ist
e) die Diode bei rein ohmschen Lasten stört (möchte die Schaltung für alle Ausgänge und wegen Ersatzteilvorhaltung identisch aufbauen)
f) noch ein wichtiges Bauteil (z. B. Kondensator) in der Schaltung fehlt

a) passt
b) weglassen, siehe oben
c) braucht er nicht (bei normaler Arduino PWM-Frequenz; Wenn du auf "unhörbare" Fequnzen 16khz oder 32khz gehen willst, dann wahrscheinlich ja)
d) Ja. Ich hätte eine schnellere genommen, z.B. die BY500, aber die BY550 ist auch ok.
e) Nein, stört nicht.
f) Wenn du PWM fährst solltest du möglichst nahe an den Fets zwischen 24V und GND noch jeweils einen 100nF Kondensator schalten, der die Schaltflanken puffert.

Die 24V-Spannung kommt von einem Akku mit ausreichender Kapazität (200 AH). Der Arduino (Mega 2560 R3) bekommt über Spannungsregler seine 5V direkt an den 5V-Eingang und zusätzlich über einen 2. Akku über die USB-Buchse, damit bei Abschaltung des "Standardakkus" noch eine gewisse Zeit der Betrieb aufrecht erhalten werden kann (Notbetrieb sozusagen).

Also:  24V-HauptAkku => 5V Regler => Arduino 5V
und, gleichzeitig:
Zweit-Akku => 5V Regler USB
Das würde ich nicht machen. Wenn die beiden 5V-Regler nicht exakt die gleiche Spannung haben versucht der Eine den Anderen zu rückwärts zu speisen.
Warum machst du nicht sowas:
Vom 24V-Hauptakku    =>  Diode      =>  7V Regler => Vin des Arduino
Zweit-Akku                => Diode       /^
(Also beide Akkus über eine Diode auf den gleichen Regler legen. So wird der Regler immer aus dem Akku mit der höheren Spannung gespeist. Und für die 5V nimmt du den Regler der auf dem Arduino-Board drauf ist.)

Ich habe den Eindruck, du hast dir schon viele Gedanken gemacht und recherchiert.
Das wird!
Weiter so!

Grüße
Gunther

[uwefed]

ich wurde gerufen?   

Die Freilaufdiode brauchst du. Die hält wärend der "Aus"phase der PWM die Energie im Motor und schütz ausserdem vor hohen Spannungsspitzen. (Die der Fet aber aushalten würde)

Ja die Freilaufdiode brauchst Du unbedingt bei induktiven Lasten. Bei ohmschen und kapazitiven Lasten ist sie unnütz, schadet aber auch nicht.
Mit der Energieerhaltung bin ich nicht so einverstanden. Eine Induktivität produziert eine negative Spannungsimpuls beim Unterbrechen des Stromes weil sie den Stromfluß aufrecht erhalten will (ist das gleiche wie die Spannungserhaltung beim Kondensator) Eine Diode schließt den Spannungsimpuls kurz und deshalb fließt ein Strom über die Diode. Dadurch wird das Magnetfeld abgebaut und die gespeicherte Energie in der Diode, dem Spulenwiderstand (Ohmschen Teil der Spulenimpedanz) und Leitungswiderständen als Wärme vernichtet. 

Die Sicherung halte ich für völlig überflüssig. Im Falle eines Falles geht die filigrane Endstufe im Arduino so schnell kaputt, das es die Sicherung noch nicht mal gemerkt hat.

Voll einverstanden.
Beispiele zweier Sicherungen (schnell mal bei einem Shop gesucht 5x20mm 32mA):
Eine Träge Sicherung spricht beim 2,1-fachen-Nennstrom nach max 2 Minuten, bei 2,75 fachen Nennstrom nach mindestens 200mS und max 10 S. http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/550000-574999/551074-da-01-ml-SICHERUNG_32MA_TRAEGE_de_en_fr.pdf
zB eine flinke Sicherung bei 2,1 fachen Nennstrom nach max 30 Min, bei 2,75 Fachen Nennstrom zwischen 10mS und 500mS.
Da ist jeder Halbleiter schneller.
Es gibt superschnelle Sicherungen um teure Halbleiter abzusichern aber die kosten gleich viel mehr als ein ATmega328.

Außerdem ist der Widerstand der Sicherung zu bedenken. Der liegt bei einer 32mA Sicherung sehr hoch (wenn ich das Datenblatt richtig lese sind das  315 Ohm für die flinke und 150 Ohm für die Träge 32mA Sicherung).

Der 150 Ohm Widerstand den Du zwischen Ausgang und Transistor geschaltet hast begrenzt bereits den Strom auf max 33mA.

Grüße Uwe

[Katzabrack]

ich wurde gerufen?   

Ja, danke fürs Kommen!

Die Freilaufdiode brauchst du. Die hält wärend der "Aus"phase der PWM die Energie im Motor und schütz ausserdem vor hohen Spannungsspitzen. (Die der Fet aber aushalten würde)

Ok, Diode muss bleiben...

Die Sicherung halte ich für völlig überflüssig. Im Falle eines Falles geht die filigrane Endstufe im Arduino so schnell kaputt, das es die Sicherung noch nicht mal gemerkt hat.

...Sicherung wird gestrichen.

Ein Optokoppler kann nicht schaden, ist aber in diesem Falle nicht zwingend nötig. Mit einem Optokoppler hast du halt eine 100%ige galvanische Trennung der beiden Systeme. Aber bei 24V ist das normalerweise nicht nötig. Vor allem müssten dann deine beiden Kreise 24V und 5v auch komplett getrennt sein, sonst machen die gar keinen Sinn.

Auch gut, bleibt die Schaltung einfach.

Damit es mit dem Zitieren jetzt nicht unübersichtlich wird, habe ich nur Deine Antworten zitiert, nicht meine zitierten Fragen:

a) passt

Ja, hat michael_x schon geschrieben, aber danke für die Bestätigung.

b) weglassen, siehe oben

Lasse ich weg.

c) braucht er nicht (bei normaler Arduino PWM-Frequenz; Wenn du auf "unhörbare" Fequnzen 16khz oder 32khz gehen willst, dann wahrscheinlich ja)

Mit PWM habe ich noch nichts gemacht. Wenn Du sagst, dass kleine Frequenzen für LED- und Lüftersteuerung reichen, dann brauche ich mir darum zunächst keine Gedanken zu machen.

d) Ja. Ich hätte eine schnellere genommen, z.B. die BY500, aber die BY550 ist auch ok.

Kann die BY500 auch noch nehmen (habe noch keine bestellt).

e) Nein, stört nicht.

Prima.

f) Wenn du PWM fährst solltest du möglichst nahe an den Fets zwischen 24V und GND noch jeweils einen 100nF Kondensator schalten, der die Schaltflanken puffert.

Habe überarbeitete Schaltung angehängt. Hoffe, das stimmt so. Danke für den Tipp!

Also:  24V-HauptAkku => 5V Regler => Arduino 5V
und, gleichzeitig:
Zweit-Akku => 5V Regler USB

Ja, genau.

Das würde ich nicht machen. Wenn die beiden 5V-Regler nicht exakt die gleiche Spannung haben versucht der Eine den Anderen zu rückwärts zu speisen.

Ich dachte, dass es hier eine interne Umschaltung der Spannungsversorgung gibt. D. h., wenn externe Spannung angelegt wird, ist die USB-Buchse tot (zumindest die Spannungsversorgung wird nicht durch geschaltet). Oder gilt das Szenario nur für die Netzanschlussbuchse und USB-Buchse, nicht für Vin und USB-Buchse?

Warum machst du nicht sowas:
Vom 24V-Hauptakku    =>  Diode      =>  7V Regler => Vin des Arduino
Zweit-Akku                => Diode       /^
(Also beide Akkus über eine Diode auf den gleichen Regler legen. So wird der Regler immer aus dem Akku mit der höheren Spannung gespeist. Und für die 5V nimmt du den Regler der auf dem Arduino-Board drauf ist.)

Mir ist es lieber, ich weiß, dass, wenn auf Notbetrieb umgeschaltet wurde, dass ich etwas tun muss (Strom aufteiben). Ansonsten kann ich mir vorstellen, stehe ich irgendwann mit 2 leeren Akkus da.

Ich habe den Eindruck, du hast dir schon viele Gedanken gemacht und recherchiert.

Ja, und langsam kommt Licht ins Dunkel - danke!

Das wird!
Weiter so!

Wenn man so gute Unterstützung bekommt bestimmt.

Danke und Gruß
Peter

PS: Mache für heute Schluss und wünsche schon einmal eine gute Nacht.

[Katzabrack]

Guten Morgen Uwe,

Die Sicherung halte ich für völlig überflüssig. Im Falle eines Falles geht die filigrane Endstufe im Arduino so schnell kaputt, das es die Sicherung noch nicht mal gemerkt hat.

Voll einverstanden.
Beispiele zweier Sicherungen (schnell mal bei einem Shop gesucht 5x20mm 32mA):
Eine Träge Sicherung spricht beim 2,1-fachen-Nennstrom nach max 2 Minuten, bei 2,75 fachen Nennstrom nach mindestens 200mS und max 10 S. http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/550000-574999/551074-da-01-ml-SICHERUNG_32MA_TRAEGE_de_en_fr.pdf
zB eine flinke Sicherung bei 2,1 fachen Nennstrom nach max 30 Min, bei 2,75 Fachen Nennstrom zwischen 10mS und 500mS.
Da ist jeder Halbleiter schneller.
Es gibt superschnelle Sicherungen um teure Halbleiter abzusichern aber die kosten gleich viel mehr als ein ATmega328.

Außerdem ist der Widerstand der Sicherung zu bedenken. Der liegt bei einer 32mA Sicherung sehr hoch (wenn ich das Datenblatt richtig lese sind das  315 Ohm für die flinke und 150 Ohm für die Träge 32mA Sicherung).

Der 150 Ohm Widerstand den Du zwischen Ausgang und Transistor geschaltet hast begrenzt bereits den Strom auf max 33mA.

Grüße Uwe

Danke für die Erklärungen. Unter diesen Umständen macht die Sicherung wirklich keinen Sinn - könnte sich eher negativ auswirken durch den Widerstand bzw. man hätte sich dann den Widerstand sparen können.

Gruß
Peter