Arduino schaltet Last - oder auch nicht.

Hallo,

ich habe mich hier angemeldet, weil ich ein Problem mit einer eigentlich einfachen Schaltung habe. Ich wollte eine Last mit dem Arduino schalten bzw. per PWM ansteuern. Obwohl ich keine große Ahnung von Elektronik habe…

Deswegen bitte ich hier um Hilfe.

Im Internet habe ich gelesen, dass ein Mosfet dafür der richtige Bauteil ist. Also habe ich eine Schaltung - in Anlehnung an ähnliche im Internet - gemacht, den Arduino ein paar Zeilen geschrieben und das ausgeführt. Die Last ist eine Glühlampe mit 12V, 10 Watt und der Mosfet wird so richtig heiß. Beängstigend heiß! Deswegen meine Frage, habe ich einen Schaltungsfehler, oder den falschen Mosfet - mit diesen Dingern kenne ich mich gar nicht aus. Verbaut ist ein IRF510. Die Ampereaufnahme gemessen: 0 bis 0,67 Ampere, 12 Volt gleichbleibend. Diode nicht verbaut.

Schaltung:

Programm:
/*

Mosfet

Die Schaltung:

  • Pin 10 = Mosfet gate +

*/

// Konstanten verändern sich nicht und legen hier die
// Pin Nummern fest.
const int gate_pin = 10; // Pin 10 steuert gate positiv an

// Variablen ändern sich:
int i = 0; // Helligkeit

void setup()
{
pinMode(gate_pin, OUTPUT); // gate_pin wird als Ausgang festgelegt:
delay (3000); // wartet Delayzeit, Zeit für Netzgerät einschalten, etc…
}

void loop()
{
delay (100); // Wartet Fadezeit
for (i = 0; i<255; i++) // Initialisierung Dimm +
{
analogWrite(gate_pin, i); // gibt dem Gate die richtige Spannung
delay (100); // wartet Fadezeit, weil sonst zu schnell…
}
delay(100); // wartet Fadezeit
i=255;
for (i = 255; i>0; i–) // Initialisierung Dimm -
{
analogWrite(gate_pin, i); // gibt dem gate die richtige Spannung
delay (100); // wartet Fadezeit, weil sonst zu schnell…
}
}

Und bitte, wenn ihr mir helft, dann in einer Art die auch Nichtelektroniker verstehen. Vielen Dank!

Hallo get_you

Die Schaltung ist richtig. Der Transistor hat einen Widerstand im eingeschaltenen Zustand von 0,6 Ohm; bei 0,67 A (Durchschnittswert gemessen) müßten am Transistor ca 0,3W anfallen. Das müßte den Transistor nicht alzuviel erwärmen.

Hast Du die schaltung richtig aufgebaut?

Welche Spannung mißt Du zwischen Drain und Source? Müßten ca 0,4V sein.

Grüße Uwe

Der IRF ist ein ausgezeichneter Transistor... Die Widerstände sind nicht wirklich wichtig, schaden aber auch nicht... Hast Du möglicherweise die Anschlüsse verwechselt?

1 (links) Gate 2(mitte) Drain 3 (rechts) Source ??

könnte eng werden mit dem IRF510 - ist bei 5V GS Spannung noch nicht ganz durchgeschaltet!

nimm einen Typ der mit weniger Gate Source Spannung auskommt es gibt auch spezielle Typen für Schaltaufgaben in der Digitalwelt

IRFZ46 z.b. hatte ich für eine ähnliche Aufgabe verwendet - von den Logic Level Typen habe ich grad keinen parat - evtl weis ja jemand da gängige Typen...

Viele Grüsse, Michi

Hey, Danke für eure schnellen Kommentare. Schaltung habe ich kontrolliert, die stimmt. Habe ich richtig aufgebaut. Zwischen Drain und Source messe ich je nach Dimmung zwischen ca. 6 Volt (Lampe hell) und ca. 11 Volt (Lampe dunkel). Ich habe zwei andere IRF510 in das Brett gesteckt (habe 3 gekauft) und ca. die gleichen Werte gemessen. Dann habe ich den 100kOhm Widerstand entfernt, das hat auch keine Änderung gebracht.

Hat noch irgendwer eine Idee?

Anmerkung: GND ist GND? Beim Arduino habe ich das GND neben Pin 13 verwendet.

Logic level mosfet.

z.b. irliz44n gibts bei reichelt fuer 0.65? das stueck.

Hallo get_you Ja, wo GND draufsteht ist GND drinn ;) Alle Massen (GND) sind zusammengeschlossen. Wenn Du 100% PWM gibst und dann noch 6V am Transistor abfallen dann steuert er nicht ganz durch. Das erklährt auch, daß er heiß wird. Die Erklährung hat Michi aufgezeigt. Du mußt einen anderen MOSFET nehmen. Grüße Uwe

Ok, ich werde den irliz44n besorgen (allerdings bei C - ich bin ja Österreich und da gibt es keinen Reichelt). Ich werde dann das Ergebnis hier posten.

Ich habe mir beide Datenblätter angesehen und werde nicht schlau daraus. Welcher Eintrag gibt an wann er voll durchsteuert? Wisst ihr wo ich die Funktionsweise von so einem Mosfet nachlesen kann (für Nichtelektroniker vorzugsweise); ich möchte verstehen warum der heiß wird wenn er nicht voll durchsteuert. Danke.

Hier ist eine Übersicht von Mosfets:
http://www.mikrocontroller.net/articles/MOSFET-Übersicht
Wichtig ist eigentlich nur UGS(th)/V (<5Volt) und
RDS,on/mOhm, so um die 20m[ch937] ist völlig ausreichend für 1A Strom.

Bei Reichelt kann man wg. der Typen nach “LOGL” suchen, da springen 24 Stück raus. Strom und Spannung und Gehäuse sind die wichtigen Parameter. Im TO220 gibt es 4:
irliz34n 55v 22a -,64
irl640 200v 17a -,94
irli540n 100v 23a 1,15
irliz44n 55v 30a 0,80

Hier was zur Theorie:

The chief physical structural difference between Logic Level and other MOSFETs, and the electrical reason for its difference in performance, is its gate insulation thickness, which has been reduced from 100nm industry standard to 50nm (500 angstroms), yet which retains the dynamic strength to handle the high voltage applied to power transistors. Since the surface inversion of the MOS channel is determined by the gate-insulator voltage field, the halving of the gate-oxide thickness should be expected to have a major effect on the gate voltage required. In fact, this reduction is the reason for voltage reduction from 10 volts (standard MOSFETs) to 5 volts (Logic Level MOSFETs).

Tight control of the temperature vs. time and oxygen vs. time profiles applied to the silicon substrate during oxide growth assures consistant preformance through the development of good transition regions between the oxide, the silicon below it, and thew polysilicon above it. The reduction in gate insulator thickness makes possible easy ON/OFF control of the Logic Level MOSFETs by CMOS logic alone, and by microprocessors.

Although it might be expected that halving the gate-oxide thickness would double the gate capacitance and halve the switching speed, measurements demonstrate a 2:1 increase in switching speed over the 10 volt MOSFET when gate drive power is the same for both devices. For example, the rise time of a 10 volt MOSFET is typically 120ns, that of a Logic Level MOSFET, 60ns, even though drain-to-gate feedback capacitance is higher than in the 10 volt type.

Über MOSFETs gibt es SEHR VIEL zu lesen - in erster Linie gibt es soetwas wie einen FET überhaupt nicht, sondern ca. 20 recht verschiedene Sorten, die alle recht verschiedenes Verhalten zeigen :slight_smile: Am besten fängst Du mal mit Wikipedia an…

Ein nicht voll durchgesteuerter Transistor, egal ob Bipolar oder FET hat einen Widerstand; muss er ja, zwischen 0 und unendlich ist ja irgendwie noch eine Lücke… Wenn jetzt ein Strom I fließt, dann fällt da eine Spannung U=RI ab, die Leistung UI wird - wie bei ohmschen Widerständen auch- in Wärme umgesetzt.

Das ist übrigens der einzige Grund, warum Leistungstransitoren so D-I-C-K sind. Ein idealer Schalttransistor muss theoretisch überhaupt nicht heiß werden :slight_smile: Das Problem ist immer nur die Schaltzeit, die möglichst kurz sein sollte. Hier haben die logic level Typen schon vom Prinzip her einen Vorteil! Denn das Gate eines FETs ist ein Kondensator, und nicht ein kleiner! Um den schnell aufzuladen müssen nicht unbeträchtliche Ströme fließen, wenn auch nur kurz. Hier stellen die Ausgänge der Logikgatter oder Microcontroller die Begrenzung dar.

Ein Gatewiderstand - in Deiner Skizze 1k - reduziert die Anstiegszeit weiter, da er den Tiefpass verstärkt. Wenn ich in meiner mail oben gesagt habe “er schadet auch nicht” dann war das falsch. Er sorgt dafür, dass sich der FET erwärmt :slight_smile: Eine Strombegrenzung für den Controllerausgang ist aber auf jeden Fall gut gemeint. Ich habe in den wenigen Fällen, wo ich sowas verschaltet habe, einen 220 Ohm genommen.

Wenn Du PWM benutzt musst Du immer ganz klar verstehen, wo der “finale Tiefpass” sitzt. Solange wie möglich sollte man “steile Flanken” haben.

Da die PWM im Arduino nur mit 500 Hz arbeitet, kannst Du ev. auch ein ganz klassisches Reed - Relais nehmen. Das ist zwar grenzwertig, aber ich habe da gute Erfahrung mit Meder SIL7271 D - 5V gemacht (ca 1,50) Sind aber nur für 1A ausgelegt… Und Kontakte prellen natürlich…

Reed Relais sind u.U. mit Vorsicht zu genießen. Bei den 'kleinen' verschweissen ganz gerne mal die Kontakte, wenn der Strom etwas zu hoch ist. Bei Glühbirnen oder Motoren ist der Startstrom gerne mal etwas höher. Das kann schon zu viel sein und bringt nur Frust.

Leicht OT: Ich hatte das Reedrelais wegen einer absoluten Entkopplung von der Steuerlogik sowie wegen einer möglichst genauen Weiterleitung der geschalteten (sich ändernden) Spannung gewählt.

Die Lösung Optokoppler + MOSFET war etwas größer (Reedrelais sind einfach süß!) und etwas teurer und mir damals auch etwas suspekt. Ich wollte mir auch keine Gedanken um die Speisung des Fotoelements im Optokoppler machen..

Es ging in dem Fall gar nicht um PWM; das war dann eine Spielerei, als ich noch ein Relais übrig hatte...

Hallo!

Hat ein wenig gedauert, aber heute habe ich Zeit gefunden den IRLIZ44N statt dem IRF510 zu verwenden. Schaltung ist sonst gleich geblieben. Und, er wird nicht heiß! Juhuuu!

Allerdings wird die Glühlampe warm und auch die Kabel erscheinen mir recht dünn, weswegen der Test eher kurz war. Aber doch so lange, dass ich mir sicher sein kann..

Die Lampe leuchtet definitiv heller, was ja auch ein gutes Zeichen ist.

http://www.vimeo.com/14339650

Vielen Dank für eure schnelle Hilfe, den theoretischen Hintergrund muss ich mir noch erarbeiten, hatte dafür leider keine Zeit.

Der Glaskolben einer Halogenlampe muß heißer als 250 Grad werden damit das verdampfte Wolfram der Glühwendel sich nicht niederschlägt und das Glas schwarz wird. Also ist normal daß die Lamper sehr heiß wird.

http://de.wikipedia.org/wiki/Halogenlampe#Halogengl.C3.BChlampen_.28Wolfram-Halogen-Kreisprozess.29

Grüße Uwe

Ok, ich bin nun ein wenig schlauer. Da habe ich gleich die technischen Daten von IRLIZ44N mit dem IRF510 (bei Reichelt) verglichen. Irgendwie schauen mir die beiden Werte UGS(th) bei beiden sehr gut aus. Immerhin komme ich ja mit fast 5Volt am Gate an. Kann mir bitte wer meinen gedanklichen Fehler aufzeigen. Ich komme nicht allein darauf.

IRLIZ44N: Elektrische Werte UDS 55 V UGS(th) 1 V Ic25 30 A RDS(on) 0,022 Ohm td(on) 11 ns td(off) 11 ns

IRF510: Elektrische Werte UDS 100 V UGS(th) 2 V Ic25 5,6 A RDS(on) 0,54 Ohm td(on) 6,9 ns td(off) 6,9 ns

Hallo get_you

laut Definition ist die “gate threshold voltage” die Gate-Spannung bei der der FET anfängt durchzusteuern. Damit der FET voll durchsteuert ( der Drain -Source Widerstand geht auf Rds(on) ) braucht es eine größere Spannung. Rds(on) von max 0,52 Ohm bei Vgs von 10V ubd Id = 3,4V
Die “gate threshold voltage” für den IRF510 ist nicht max 2V sondern von 2V bis 4V http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/irf/irf510.pdf . Fig3 zeigt die Kennlinie Ugs zu Id.

Der IRLIZ44N hat werte von 1 bis 2V. Und ein Rds(on) von max 0,025Ohm bei Vgs von 5V und Id von 17A

Grüße Uwe