Chiarimento su MOSFET e Arduino

Buonasera. Scrivo qui da studente liceale che sta imparando l'affascinante elettronica proprio in questo periodo della sua vita. Vado dritto al punto per non perdere tempo: sto tentando di pilotare una striscia led RGB a 12V con arduino e tre MOSFET IRLZ44N. Vorrei capire, con le dovute approssimazioni, quanti metri di striscia posso connettere in serie senza rischiare di fondere i MOSFET. La potenza dell'alimentatore non è un problema, in quanto ne ho uno da 12V 60A, ed il voltage drop nemmeno, poiché ho la possibilità di mandare fili piuttosto spessi e saldarli ogni x metri alla striscia led.

Da quello che ho capito, osservando il datasheet del MOSFET Logic-Level IRLZ44N:

  • ID @ TC = 25°C Continuous Drain Current, VGS @ 5V: 47A
    questo indica gli Ampere massimi che possono passare dal Source al Drain quando al Gate vengono forniti 5V di tensione alla temperatura ambiente. In questo caso, 47A.

  • RDS(on) Static Drain-to-Source On-Resistance: 0.025Ω, VGS = 5V, ID = 25A
    questo indica che, fornendo 5V al Gate, il MOSFET ha una resistenza molto bassa, di 0.025Ω, e possono passare al massimo 25A.

La mia domanda dunque è: a quale dei due dati devo fare riferimento per capire quale sia l'amperaggio massimo?
Il primo mi dice che a 5V il massimo è di 47A, mentre il secondo indica 25A. E' quasi il doppio!

Presumo mi sfugga qualcosa, e ringrazio in anticipo per gli eventuali chiarimenti.
Datasheet di riferimento: http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irlz44n.pdf

Visto che continui a non presentarti, ti ripeto che ... essendo il tuo primo post, nel rispetto del regolamento della sezione Italiana del forum (… punto 13, primo capoverso), ti chiedo cortesemente di presentarti IN QUESTO THREAD (spiegando bene quali conoscenze hai di elettronica e di programmazione ... possibilmente evitando di scrivere solo una riga di saluto) e di leggere con molta attenzione tutto il su citato REGOLAMENTO.

Guglielmo

P.S.: E ti ricordo che, purtroppo, fino a quando non sarà fatta la presentazione nell’apposito thread, nessuno ti potrà rispondere, quindi ti consiglio di farla al più presto.

gpb01:
Visto che continui a non presentarti, ti ripeto che ... essendo il tuo primo post, nel rispetto del regolamento della sezione Italiana del forum (… punto 13, primo capoverso), ti chiedo cortesemente di presentarti IN QUESTO THREAD (spiegando bene quali conoscenze hai di elettronica e di programmazione ... possibilmente evitando di scrivere solo una riga di saluto) e di leggere con molta attenzione tutto il su citato REGOLAMENTO.

Guglielmo

P.S.: E ti ricordo che, purtroppo, fino a quando non sarà fatta la presentazione nell’apposito thread, nessuno ti potrà rispondere, quindi ti consiglio di farla al più presto.

Va bene, mi presento, tuttavia mi sembra una perdita di tempo inutile. La mia era una semplicissima e brevissima domanda su come si legge un datasheet così da poter portare a termine il mio progetto, e mi sembra quasi di star facendo richiesta bollata alle poste. Avrebbe perso molto meno tempo a rispondermi direttamente la prima volta anziché chiudermi il thread e scrivere nuovamente una risposta inutile nel successivo. Nel primo thread non avevo parlato del progetto ed avevo preso il primo MOSFET sotto mano proprio per la brevità della mia richiesta, ma sono stato obbligato a perdere ulteriore tempo per riproporre la stessa identica domanda in modo "adeguato". Ora mi ritrovo a dover parlare di me e di quello che faccio della mia vita per ricevere risposta ad una domanda totalmente sconnessa e, ripeto, basilare - per cui indipendente dalle mie competenze di programmazione. Questo forum mi sa proprio di burocrazia italiana inutile e macchinosa. Avevo già accennato alle mie competenze elettroniche all'inizio del thread, ed essendo una domanda estremamente semplice, indicare che sono un programmatore Java, C# e .NET di alto livello; Lua e Python di medio livello e C++ di basso livello, che frequento il liceo scientifico tradizionale, che ho fatto un breve corso di elettronica e conosco sicuramente bene le basi (dato che sto parlando di un argomento non proprio basilare) mi sembrava superfluo. Detto questo, andrò a presentarmi così da ricevere una risposta, e non mi farò mai più vedere in questo forum.

Buona serata.

Il perché della presentazione è chiaramente spiegato nel REGOLAMENTO che evidentemente NON hai letto.

Comunque, qui da noi, le "polemiche" portano dirette al BAN ...

Guglielmo

Detto questo, torniamo a noi...
... dove vedi nel datasheet qualche contraddizione? Dove leggi che la massima corrente è 25A?

Nel datasheet viene semplicemente indicato che, con una certa tensione VGS (5V) e facendo scorrere una corrente di 25A (tra Drain e Source), il MOSFET presenta una RDS(ON) di 0.025Ω (che cresce al calare della tensione tra Gate e Source) ... questo valore ti serve per calcolare il comportamento del MOSFET e la dissipazione termica, ma i 25A non sono la massima corrente che può sopportare, bensì il valore con cui è stata fatta la misura (... per tempi piuttosto brevi e con un duty-cycle ≤ 2%, come specificato in nota 4).

La massima corrente, se il datasheet da come "Absolute Maximum Ratings" 47A (a 25°) è da considerare, per stare abbastanza tranquilli, attorno ai 33A (70% del suddetto valore massimo). Occorre però poi considerare appunto la RDS(ON) e la dissipazione termica ... ::slight_smile:

Guglielmo

Ti allego un documento da studiare e che ti chiarirà molte cose sulla lettura del datasheet di un MOSFET ... :wink:

Guglielmo

How to Read a Power MOSFET Datasheet.pdf (517 KB)

Ho letto il regolamento, ed esso dice che la presentazione è necessaria per capire con chi si ha a che fare in modo da poter adattare la domanda al livello di quella persona (se un ragazzino delle medie chiede come funzionano le resistenze di certo non parto spiegandogli l'integrale per il calcolo della restenza elettrica su resistività di un materiale, lunghezza e sezione del filo ma prendo come esempio un semplice resistore e faccio vedere il calcolo della resistenza con la legge di Ohm...). Detto questo, ripeto - essendo la domanda piuttosto semplice - ho erroneamente valutato che un piccolo accenno sarebbe bastato poiché la risposta non avrebbe avuto bisogno di chissà quale spiegazione teorica. Nella mia mente, avremmo risparmiato entrambi tempo e qualche kilobyte sul server del forum di Arduino e saremmo stati felici e contenti. Detto questo, la mia non era una polemica e non vedo per quale motivo dovrebbe minacciare subito il ban - non ho insultato, non ho spammato, non ho richiesto software piratato; sono stato rispettoso e ho solo mostrato frustrazione, e questo non mi sembra un crimine. Come penso abbia già visto ho subito provveduto a presentarmi nonostante la mia idea, inizialmente ingenua ed innocua, che ha portato a tutto questo.

Detto questo, la ringrazio per la risposta. Il mio semplice errore era di presumere che ID=25A non fosse la corrente usata per prendere le misurazioni ma indicasse di fatto la corrente massima sopportata fisicamente (a causa del surriscaldamento) a quella tensione. Un semplice fraintendimento. Avendo da poco iniziato a leggere attentamente datasheet (finché colleghi led, pulsanti e LCD già pronti all'uso i datasheet sembrano superflui ad un neofita), non avevo notato che la colonna era nominata "Conditions".

Grazie e buona continuazione.


Ho solo notato dopo aver scritto questa risposta che mi ha allegato inoltre il PDF sulla lettura dei datasheet dei MOSFET: la ringrazio molto anche per questo. Non avendo punti di riferimento, ogni testo completo e con rigore scientifico consigliato da persone competenti è come oro colato per me.

Tornando dunque all'argomento principale del thread, credo di poter giungere alla conclusione che:

  • con l'alimentatore da 12V 60A che ho
  • saldando i cavi ogni 5 metri per evitare voltage drop
  • contando che ogni led consuma al massimo 60mA
  • contando che ci sono 30 led per metro
  • mantenendomi a distanza di sicurezza da un eventuale surriscaldamento (12V 33A Source-Drain sui MOSFET)

potrei arrivare ad avere circa 18 metri di led in serie.
(60mA x 30 = 1,8A/m -> 1,8x=33 -> x=330/18 -> x=18,3m).
Se è corretto, la ringrazio ancora per i chiarimenti e per il materiale fornito e le auguro una buona serata.
Altrimenti attendo che qualcuno che ne capisca più di me - non per forza lei, in quanto essendo un moderatore presumo sia parecchio impegnato in altro - possa darmi una mano.

Mi raccomando, calcola anche la dissipazione termica del MOSFET ... devi infatti considerare che, in serie la tuo circuito, è come se avessi anche una resistenza da 0.025Ω (la RDS(ON) del MOSFET) ... :wink:

Guglielmo

Calcolando la potenza dissipata dei led, dovrei essere sui 396W (12V x 33A) totali sui tre MOSFET. Dato che ogni colore della striscia (è divisa nei tre led R/G/B) dissipa 20mA per led (sono 60mA tutti insieme), dunque ogni colore richiede 11A e dissipa 132W.

Aggiungendo la resistenza dei MOSFET, ognuno dovrebbe dissipare 129W.

Non sono sicuro che i calcoli siano giusti però:

1. Per calcolare l'energia dissipata dai singoli led rosso/verde/blu ripetuti per tutta la striscia ho semplicemente calcolato i watt dividendo i 33A totali per tre (33A/3=11A....):

P= V x I = 12V x 11A = 132W

2. Poi ho calcolato la resistenza dei singoli colori per l'intera lunghezza della striscia:

I=V/R -> 11A=12V/R -> R=1,0909...Ω

3. Questa resistenza è compatibile con la potenza dissipata ricavata prima:

P= V² / R = 12V² / 1,0909...Ω = 132W

4. Sapendo che i MOSFET hanno una resistenza di circa 0,025Ω, ho aggiunto questa resistenza a quella dei singoli colori dei led per trovare la potenza dissipata da ogni singolo MOSFET:
P = V² / R = 12V² / (1,0909... + 0,025)Ω = 129W.

La parte di cui non sono sicuro è quella messa in corsivo, e chiedo gentilmente a qualcuno di controllarla così da aiutarmi a non far bruciare la casa :confused:

In ogni caso, mi sono accorto che sul datasheet sono indicati come watt massimi dissipabili 110W, dunque dovrò ridurre le dimensioni della striscia.

Provvedo a rifare i calcoli ponendo come potenza massima 100W per colore, dunque 300W in tutto sui 3 mosfet, per trovare la lunghezza massima della striscia. Chiedo gentilmente aiuto nel frattempo per controllare quel calcolino in corsivo :slight_smile:
Grazie mille.


P.S.: un'altro piccolo dubbio che ho riguarda il controllo PWM di arduino: l'idea è quella di spegnere/accendere i tre MOSFET diverse volte al secondo in modo da far risultare all'occhio umano una vasta gamma di colori: con il range PWM 0-255 infatti posso scegliere se far rimanere (ad esempio) il led rosso acceso per tutto il tempo (255) o spegnerlo (0), e posso ottenere varie percentuali con i valori in mezzo. In questo modo si possono ottenere diverse sfumature di colori con la striscia led che non siano solo rosso, verde, blu, viola, ciano e giallo.

Tuttavia non vorrei che accendendo/spegnendo i MOSFET di continuo e più volte al secondo essi dovessero sopportare uno stress troppo elevato e finissero per surriscaldarsi e rompersi in qualche modo.

Qualcuno potrebbe aiutarmi a chiarire?

Devi calcolare la potenza dissipata solo dal MOSFET, non da tutto l'insieme ... legge di Ohm ... corrente che scorre all'interno di una resistenza (RDS(ON)), tensione ai suoi capi, potenza dissipata, ecc. ecc. :wink:

Tranquillo, si usa sempre il PWM per controlare le strisce LED ed i MOSFET puoi accenderli e spegnerli quante volte vuoi senza problemi ... ti allego uno schema classico con degli IRL540 che si usa spesso ...

Guglielmo

scheda_5.pdf (429 KB)

Ok, allora ho provato a calcolare la potenza dissipata dal solo MOSFET ma mi viene un wattaggio esagerato...

Io so che:

R=V/I. Del mosfet so resistenza (0,025Ω) e voltaggio (12V), dunque metto in funzione di I: I=V/R.

Poi uso la formula per calcolare la potenza:

P=VxI. Sostituisco ad I quello che ho appena trovato ed ottengo: P=VxV/R, dunque P= V²/R = 12²/0,025Ω = 5760W!

Sono piuttosto sicuro che ci sia qualcosa che non va. Ovviamente collegando il MOSFET da solo con 12V in Source, GND in Drain e 5V sul Gate esso andrebbe in corto e si fonderebbe in secondi... La resistenza di 0,025Ω è praticamente nulla e di conseguenza l'energia è enorme.

Non capisco dunque per quale motivo dovrei calcolare questi 5760W dato che non è mia intenzione creare un corto circuito, ed essa è proprio l'energia che verrebbe dissipata nel caso ce ne fosse uno. Sono piuttosto sicuro di aver capito male cosa intende.


Grazie per il chiarimento sul PWM e per lo schema, ora sono molto più tranquillo :slight_smile:

LEGGE DI OHM ... se R = 0.025Ω e I = 33A ... quale è la tensione hai capi della resistenza? Non sono certo i 12V con cui alimenti il tutto ... ::slight_smile:

Guglielmo

P=VxI. Sostituisco ad I quello che ho appena trovato ed ottengo: P=VxV/R, dunque P= V²/R = 12²/0,025Ω = 5760W!

La formula è corretta, non lo è V che deve essere ricavato con V=RxI=0.025 x 33A = 0,825, questa è la tensione misurabile tra Drain e Source quando scorre in essa (nella giunzione) la corrente di 33A. Quindi nella formula P=V^2/R, V=0.825, per cui il mosfet dovrà dissipare circa 27W. Poi visto che ogni colore al massimo necessità di 11A P~3W.

Qui c'è un articolo (che mi sembra corretto) da cui prendere spunto anche per ricavare il dissipatore da impiegare:Heatsink Calculations – Renewable Energy Innovation

Non capisco dunque per quale motivo dovrei calcolare questi 5760W dato che non è mia intenzione creare un corto circuito, ed essa è proprio l'energia che verrebbe dissipata nel caso ce ne fosse uno. Sono piuttosto sicuro di aver capito male cosa intende.

Già è proprio così, in questo caso l'alimentatore dovrebbe fornire ~480A e il mosfet passerebbe rapidamente a miglior vita (ammesso che i cavi reggano).

Ciao.

>lol7344: ... ancora più semplicemente, basta ricordare che W = V x I e che V = R x I da cui, sostituendo la seconda nella prima si ha semplicemente W = R x I x I = R x I2 ... quindi, nel tuo caso, considerando appunto una RDS(ON) di circa 0.025Ω ed una corrente, per singolo MOSFET (ogni colore ha il suo MOSFET come è stato giustamente ricordato da Maurotec) di circa 11A ... W = 0.025Ω x 112 A ≈ 3W ... quindi dovrai calcolare un dissipatore per tale potenza :grin:

Guglielmo

Grazie ancora a entrambi per le delucidazioni. Quando >gpb01 mi ha detto di calcolare la potenza del MOSFET da solo ho frainteso, pensando di dover calcolare la potenza come se effettivamente avessi connesso solo il mosfet (e appunto senza capirne il senso...) Ho completamente dimenticato la parte in cui diceva di calcolarla con il voltage drop tra Source e Drain.

Ringrazio anche >Maurotec per aver esplicato i calcoli così da farmi capire che effettivamente sono 3W e non sto montando un corto circuito :confused: .

Detto questo, immagino che i 27W calcolati fossero come se stessi usando un singolo MOSFET, e che appunto, tenendo in conto che il carico è diviso su tre di essi, dovessi calcolare la potenza dissipata con 11A ciascuno e non 33A, di conseguenza 3W.

Insomma, credo che i 27W fossero semplicemente per farmi capire come funzionano i calcoli, e che alla fine non siano mai effettivamente dissipati dai MOSFET (al massimo dalla striscia led stessa, che è progettata per sopportare tali potenze), ma chiedo conferma prima di fondere il tutto.


Chiedo gentilmente inoltre un'altro chiarimento: dato che il datasheet indica come Power Dissipation 110W, e presumendo che essi siano i watt massimi da mai superare per non danneggiare il MOSFET, perché dovrei prendere tre heatsink per dissipare soli 3W? Non dubito che sia buona norma e sicuramente lo farò per rendere più sicuro il circuito: la mia domanda è genuina poiché vorrei comprendere il criterio con la quale decidere se è necessario un heatsink oppure no.


Un'altra cosa di cui mi sono accorto è che, collegando su breadbord il circuito (con una striscia di un solo metro, giusto per provare), ho notato che all'inizio della striscia arrivano solamente 10V (che vanno a calare fino a 9,5V alla fine): questo causa ovviamente un aumento di corrente, da 60mA a ben 80mA, e di conseguenza sballa tutti i calcoli sulla potenza dissipata dai MOSFET:

La striscia a 10V consuma 80mA per ogni LED. in un metro ci sono 30 led, dunque consuma 2,4A per metro. Se i calcoli iniziali portavano a pensare che avrei potuto usare 18 metri di striscia, in questo caso arriverei a prendere ben 43A anziché i 33A massimi dei MOSFET. Dunque la mia striscia dovrebbe essere lunga al massimo 13 metri.
Ho allegato uno screenshot dei collegamenti sulla breadboard: non mi sembra una connessione parecchio complessa. Arduino usa 24mA misurati col multimetro, e non c'è nient'altro connesso.

Grazie e buona giornata.

lol7344:
... Chiedo gentilmente inoltre un'altro chiarimento: dato che il datasheet indica come Power Dissipation 110W, e presumendo che essi siano i watt massimi da mai superare per non danneggiare il MOSFET, perché dovrei prendere tre heatsink per dissipare soli 3W? ...

... devi mettere un aletta di raffreddamento e le dimensioni le puoi calcolare con il link che ti ha dato Maurotec. Certo che i 110W sono il massimo assoluto, ma se guardi tutti i paramenti, la resisteza termica, le dimensioni del case, ecc. ecc. ti accorgi che probabilmente, già con 3W il MOSFET raggiungerebbe una temperatura che potrebbe distruggerlo.

lol7344:
... Un'altra cosa di cui mi sono accorto è che, collegando su breadbord il circuito (con una striscia di un solo metro, giusto per provare), ho notato che all'inizio della striscia arrivano solamente 10V (che vanno a calare fino a 9,5V alla fine) ...

Le breadboard NON sono il massimo e spesso non sono in grado di condurre le correnti richieste (specie se economiche e di bassa qualità). Devi provare con cose saldate e cavi della giusta dimensione.

Guglielmo

Prova anche a studiarti il documento allegato ...

Guglielmo

application_note_en_20180726.pdf (789 KB)

Grazie di nuovo per i chiarimenti. Ho fatto un veloce calcolo con la formula Tj = Pd (Rjc +Rcs + Rsa) +Ta per trovare Rsa, rendendo i valori più "sicuri" per essere usati quotidianamente, ovvero:

Tj (Temperature Junction) = 150°C, io ho usato 80°C
Ta (Ambient Temperature) = 25°C, io ho usato 30°C
Pd (Power Dissipation) = 3W
Rjc (Junction-to-Case) = 1,4°C/W
Rcs (Case-to-Sink) = 0,5°C/W
Rsa = incognita.

80°C = 3W (1,4°C/W + 0,5 °C/W + Rsa) + 30 -> Rsa = 15°C/W.

Dunque la resistenza termica del dissipatore dovrebbe essere di 15°C/W, che non sembra nemmeno troppo bassa, perciò non dovrebbe richiedere chissà quale particolare costoso dissipatore.
L'unica cosa che non mi è chiara è come trovare la dimensione necessaria: va bene della stessa area di base delle dimensioni della superficie del mosfet?

lol7344:
... L'unica cosa che non mi è chiara è come trovare la dimensione necessaria: va bene della stessa area di base delle dimensioni della superficie del mosfet?

La parte che ti manca era descritta nella parte finale di quanto ti ha linkato Maurotec ...
... è chiaramente funzione del materiale che si usa, della sua forma, del suo colore, del suo spessore, ecc. ecc. e NO, non è delle stesse dimensioni del MOSFET :wink:

Guglielmo

La striscia a 10V consuma 80mA per ogni LED. in un metro ci sono 30 led, dunque consuma 2,4A per metro.

Considerazione errata, da rivalutare dicendo che semmai la striscia consuma meno potenza quando alimentata a 10V, poiché VF di ogni singolo led diminuisce e allora diminuisce anche IF (rispettivamente Voltage Forward e Current Forward).

Comunque qui va sullo specifico funzionamento dei led, per cui se vuoi documentarti frequenta (e scarica) doc da cree, lumileds ecc. Ad esempio cree JE-2835.

La parte che ti manca era descritta nella parte finale di quanto ti ha linkato Maurotec ...
... è chiaramente funzione del materiale che si usa, della sua forma, del suo colore, del suo spessore, ecc. ecc. e NO, non è delle stesse dimensioni del MOSFET :wink:

Metto un link ad un fornitore, dovresti vedere una selezione di dissipatori per case TO220 tra 12C/W e 15C/W, ovviamente puoi effettuare una tua selezione di prodotti da qualunque altro fornitore online.

Ciao.