Mosfet irl520 calcolo potenza dissipata

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ciao a tutti,

con degli amici ci stiamo cimentando nel restauro di un presepe, per il quale vorrei sostituire tutti i comandi attualmente elettromeccanici di luci (alba, giorno, tramonto, notte), luci casette, fontane, motori movimento pupazzi e musica con un arduino uno.

Mi stavo approcciando al primo problema: la progettazione delle nuove luci, naturalmente lampade LED 12V

L'illuminazione è pensata cosi divisa:
giorno= 2 lampade da 12W ciascuna
notte= 10 lampade da 12W ciascuna, suddivise su 3 stringhe da 3 lampade+1 lampada per la luna
casette= 50 stringhe di 3 led ciascuna.

per quanto riguarda le lampade del giorno/notte vorrei utilizzare la modulazione PWM per poter eseguire il ciclo alba-giorno-tramonto-notte; mentre per le casette non ho grossi problemi perchè inserirò un relè per ON/OFF.

Approccio modulazione PWM:
per quanto riguarda la modulazione pwm, sul forum viene indicato molto spesso di utilizzare il mosfet IRF540, purtroppo non sono riuscito a trovare la scheda con il IRF540, ma ho individuato alcune schede mosfet IRF520.

Se considero il mosfet IRF520, dal datasheet presenta:
Rds=0,27 ohm a Vgs=10V
Id= 9,2 A

Nel progetto, il prerequisito assoluto è di avere il minor riscaldamento possibile, in modo da evitare qualsiasi problema di surriscaldamento e pericoli di incendio, sarei dell'idea di suddividere il carico delle diverse linee su singoli mosfet dedicati.

Considerando il carico più gravoso di 3 lampade da 12W/ciascuna significa che con il carico di 36W alimentato a 12V circola nel mosfet una corrente di 3A.

Calcolando la Vds=Rds*Id=0,27 * 3=0,81 V
La potenza da dissipare diventa P_diss=(Vds)^2/Rds=0,81^2/0,27 =2,43 W

Nel datasheet parla di massima potenza dissipata a 25 C pari a 60W, ma non capisco se intende sul mosfet con dissipatore oppure nudo.
Per tale valore è necessario inserire un dissipatore di calore?

Volevo un confronto sul ragionamento esposto e se eventualmente vi siano altre soluzioni idonee considerando come prerequisito la necessità di evitare riscaldamento della scheda elettronica, in quando dovrà lavorare in un ambiente non predisiato.

per quanto riguarda il codice, determinato l hw, procederò a descrivere la mia idea per ulteriori spunti di riflessione insieme.

grazie mille a chi vorrà dedicare qualche minuto

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Precisazione, il calcolo della potenza da dissipare è eseguito considerando i 10V. Qualora sia corretto il ragionamento, i calcoli sono da rifare considerando i valori a 5V di pilotaggio

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Ciao, benvenuto! :slightly_smiling_face:
Con 5V di Vgs la situazione sarà ben diversa! Devi usare dei mosfet "logic level", per esempio serie IRL.

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Ciao, si effettivamente le potenze dissipate diventano importanti. Stavo pensando di sostituire il mosfet della schede che comunente si vendono come espansione per Arduino sostituendo il mosfet dal IRF installato a bordo con IRL acquistato al negozio di elettronica…mi date indicazioni sul mosfet IRL con maggiore “corrente” che posso drenare riducendo al minimo la dissipazione termica?

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Questa è la dissipazione statica teorica (e con 10V di Vgs). Se c'è di mezzo una continua commutazione (come nel caso del PWM), la dissipazione è più alta, tanto più alta quanto "peggiore" è il circuito driver del gate (che nel caso di comando diretto con Arduino tramite una semplice resistenza, e con soli 5V, è proprio il peggiore).

Nel datasheet parla di massima potenza dissipata a 25 C pari a 60W, ma non capisco se intende sul mosfet con dissipatore oppure nudo.

Si intende con il corpo del mosfet mantenuto a non più di 25 gradi tramite un raffreddamento forzato (è una condizione difficile, non basterebbe neppure un enorme dissipatore passivo).

Per tale valore è necessario inserire un dissipatore di calore?

Assolutamente si. Il Mosfet nudo con quella forma sale oltre la temperatura ambiente di circa 62 gradi ogni watt.

Con >>questo<< ad esempio salirebbe di soli 6*2,5=15 gradi, a patto di pilotare correttamente il gate ad esempio con >>questo driver<<.

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Di questi argomenti capisco poco... ma qui parlano di pwm con assorbimenti alti e sugeriscono alcuni modelli di mosfet adatti.

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Stavo guardando anche il mosfet LR7843, con Vgs=4,5V la Rds=3,2 * 10^(-3) ohm.

Con Id=10A

significherebbe una potenza dissipata di 0,32W.

I conti vi tornano?

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Sembra buono...
@Etemenanki?...

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Anche per me è buono, con 3A salirà di due gradi senza bisogno di dissipatori. Ma... il gate come viene pilotato? Perché se sono >>questi moduli<< anche se li danno per PWM per me non vanno bene... il gate viene caricato e scaricato con 4700 Ω   :open_mouth:

Come interruttori invece :+1:

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IRLR7843 ... Considera sempre il valore massimo, per prudenza (che comunque in quelle condizioni sono solo 4 milliohm) ... a 10A su 4 milliohm avresti una caduta di 10*0.004=0.04V, he ti darebbe una potenza dissipata in calore di 0.4W, con un po di rame su cui saldare il tab (e' in case DPAK, quindi SMD), sarebbe sufficente a tenerlo abbastanza freddo, dovrebbe andare.

Questo per la fase di ON, la maggior dissipazione la avresti nelle fasi di transizione, che quindi vanno ridotte al minimo possibile, va ricordato pero' che il gate e' elettricamente equivalente ad un condensatore, ed ha una sua capacita', piu e' alta, piu il tempo di commutazione sara' alto a parita' di corrente di pilotaggio disponibile, e viceversa.

Di solito, se il PWM sono i classici 500Hz circa di Arduino, probabilmente la corrente di 20mA che puo dare il pin e' sufficente, ma se inizi ad andare su di frequenza, conviene usare un gate driver, la maggior parte puo dare tipo 800mA ma alcuni anche fino ad 1.2A, ed ovviamente la resistenza di gate dovra' essere calcolata per la corrente disponibile, per i pin dell'arduino sui 270 ohm (sarebbero 250, meglio un po di prudenza) dovrebbero bastare a farlo funzionare con una frequenza di PWM bassa, se si usano i gate driver andranno ridotte di molto, va anche considerato che i gate driver non funzionano molto bene a 5V, salvo pochissimi modelli per il lato driver serve una tensione maggiore, anche se l'ingresso puo funzionare a 5V

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Grazie @Etemenanki , ho trovato in amazzonia delle schede già pronte con il mosfet suddetto, mi serviranno per eseguire le transizioni di alba/giorno/tramonto/notte, la transizione dura forse un 30 secondi…(inserirò in input, per regolare la durata della transizione, dei potenziometri in modo da non dover agire sul codice per variare le durate delle transizioni) si tratta di alcune serie di lampade led, una linea per ciascuna schedina per una potenza di circa 5A, quindi dovrei riuscire … che ne pensate?

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Praticamente la totalità delle schede di potenza per Arduino vendute sui vari ali/mazon non sono adeguate. Non rispettano alcun criterio di sicurezza (riguardo isolamento, sovraccarico, e sono spesso sottodimensionate rispetto a quanto dichiarato), di immunità ai disturbi EMI (irradiati e condotti, e Arduino stesso non lo è), e nessuna dispone di adeguato driver mosfet per essere usata in PWM. Si tratta di compromessi, che entro certi limiti possono anche essere usati. In sostanza, visto che si parla di bassa tensione di sicurezza, correnti di pochi ampere, e fading di poche decine di secondi: ne prendi una e la provi col carico reale. Oppure prendi un buon mosfet da almeno 50 A e lo piloti con il giusto driver (già indicato in precedenza), e non hai problemi di nessun tipo.

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Ok chiaro… per il pilotaggio del mosfet eseguito tramite il pilotaggio del gate, dove lo posso approfondire? Il funzionamento mi è chiaro, ma vorrei capire meglio il circuito di pilotaggio da realizzare.. per ora inizio con una scheda di espansione già pronta, ma nel frattempo vorrei capire se posso auto costruirmela acquistando i componenti al negozio di elettronica..prima di farlo vorrei capire bene come pilotare il mosfet ed il discorso dei valori di resistenza citato da @Etemenanki

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Vuoi realizzare uno stampato ed usare componenti SMD, oppure preferisci i componenti classici a foro passante e montare il tutto su una millefori o simile ?

Fra gli SMD ci sono componenti migliori, ma ormai si trova qualcosa di buono anche fra i passanti in TO220.

Ad esempio, TK4R3E06PL (o la sua versione isolata TK4R3A06PL, regge meno corrente ma ha comunque 3.3 milliohm dichiarati di RdsON), entrambi in case TO220, se si usano quelli isolati si possono montare tutti quanti sullo stesso dissipatore senza miche e rondelle isolanti, e costano leggermente di meno (poco piu di un'euro e mezzo l'uno da Mouser, qualche centesimo in meno da Farnell, ad esempio), se si usa il PWM intorno ai 500Hz di Arduino e le transizioni durano cosi poco, si possono pilotare anche direttamente dai pin senza driver, con una resistenza da 270 ohm in serie fra gate e pin ed una da 47K fra gate e massa.

Come dissipatore dovrebbe bastare una striscia, angolare o profilo ad U di alluminio tipo quelle che si trovano in colorificio, come profilati da 20mm di altezza, e con le versioni isolate basta mettere un po di pasta termica da CPU fra componenti e alluminio ed usare normali viti M3 con i relativi dadini e rondelle ... la striscia si puo tagliare lunga abbastanza da stare nel contenitore e che supporti tutti i mosfet a distanza di circa 2cm uno dall'altro, ma dipende da che contenitore hai, se ci sta piu lunga e' ancora meglio, ma per quelle dissipazioni non e' critica, serve in pratica solo per aumentare la capacita' di dissipazione dei contenitori in TO220 (che senza nessun dissipatore possono dissipare al massimo mezzo W in sicurezza, e circa 1W diventando molto caldi)

Si possono usare anche dissipatorini singoli, se li hai e se risulta piu comodo a causa di dimensioni o disposizione dei componenti (tipo il non poterli mettere tutti in fila, ad esempio)

I carichi (led, lampade, eccetera) sono a 5V oppure a 12V ? ... se fossero a 12V, potrei cercarti in archivio un vecchio stampato che avevo fatto molti anni fa (sperando di averlo ancora, era fatto per finali in TO220, tutto passante) per un presepio, e modificarlo per usare i mosfet al posto dei vecchi darlington (ci vorrebbero pochi minuti), cosi potresti farlo fare da un service tipo JLCPCB ed avere degli stampati a livello professionale (ogni stampato portava tre canali, con circa 5 Euro te ne fanno 5 pezzi, servono circa due settimane perche' ti arrivino, quindi dovresti fare in tempo)

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Ciao, grazie di tutte le info, sono preziosissime!

Cerco di rispondere per punti, parto dal basso:

Alimentazione a 12V
Carichi da alimentare sono delle lampade LED e le transizioni devono simulare alba/giorno/tramonto/notte

Se hai ancora lo stampato, contatto il service che mi hai indicato e mi attivo per farli produrre, non ho fretta perché il progetto di ammodernamento del presepe l ho iniziato ora e voglio concluderlo per Natale 2025, quindi due settimane non sono un problema..nel mentre compro i componenti :slight_smile:

Viceversa mi devo arrangiare su basetta millefori

Per lo spazio non ho problemi, perché essendo che sto costruendo da zero la corcuiteria, posso impiegare anche contenitori più grandi, credo che fino a 50cm di lunghezza dovrei avere anche le scatole in plastica per installare il tutto, magari inserisco in fila i componenti in modo da usare in unica barra lunga di alluminio come dissipatore

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Ovviamente L appetito vien mangiato, qualora riesco a costruire con il tuo stampato, magari ne utilizzerei uno per variare il carico di alcune pompe dell’acqua per fontanine in modo da creare anche dei giochi d’acqua, ma mi ci dedico in un passo successivo, per ora mi dedico alla gestione delle luci

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Te lo cerco, devo far passare un po di dischi di backup, appena lo ritrovo ti allego qui sia i files Eagle che i gerber per il service.

Con due stampati occupi tutti e sei i canali con PWM di Arduino, se te ne servissero di piu sarebbe necessario usare degli expander tipo ad esempio il PCA9685, che dovresti pilotare via I2C con la sua libreria ... ma se i banchi led sono solo 4, ti avanzano comunque due altri canali per le pompette, potrebbero bastarti ? (poi se hai altre luci tipo quelle all'interno delle case o nelle strade o roba simile che non richiede fading, puoi comunque usare le stesse schede con uscite digitali per fare on/off)

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Ok fantastico!
Ci sono diverse cose che dovrò comandare con degli on/off, ad esempio le luci nelle casette, sulla strada, dei motorini per far camminare i pupi in un binario nascosto, ma tutta questa roba la gestisco con dei relè on/off senza troppe finezze e via…quando hai il circuito, mi potresti inviare la lista dei componenti da acquistare?

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Trovato e modificato per usarlo con i mosfet al posto degli originali darlington, e' optoisolato lato arduino, e funziona sia per i PWM che come ON-OFF (se vuoi usare questi ed evitare il "click-clack" dei rele' , che in un presepio potrebbero dare fastidio) ... era tutto con componenti standard a fori passanti, quindi ho lasciato quelli, i mosfet sono in linea su un bordo per cui se hai un profilato di alluminio singolo li puoi fissare tutti su quello (usando ovviamente quelli isolati oppure i kit di isolamento per ogni mosfet), i carichi hanno tutti i positivi in comune ed i mosfet interrompono verso massa (come tutte queste schede del resto), per gli opto puoi usare qualsiasi modello a 4 pin in case DIP, non sono critici.

Dall'arduino esci con tre dei canali PWM e vai su J1 , piu ovviamente il GND di arduino, che NON e' da collegare con il GND del 12V, a meno che non lo sia gia con l'alimentazione (non dici se hai un'alimentazione separata per il 5V di arduino, comunque funziona in entrambi i modi) ... sul disegno ho dimenticato di mettere i valori di C1 (100uF 25V) e C2 (100nF), che comunque non sono critici, e le sigle dei mosfet che sono quelle dei post piu sopra.

Ti allego sia i files Eagle di schema e stampato, sia lo zip con dentro i gerber da caricare sul sito del service se vorrai farli fare, ed anche lo schema elettrico formato immagine, se non hai Eagle per aprire il .sch

3can-pwm-mod
3can-pwm-mod974×578 8.17 KB

3can-pwm-mod-gerber.zip (36,5 KB)

3can-pwm-mod.zip (76,8 KB)

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Dimenticavo, per i canali che eventualmente volessi usare solo come ON/OFF e non in PWM, puoi sostituire le tre resistenze R10, R11 ed R12 da 180 ohm 1W con delle resistenze da un paio di k ed 1/4 di W, il valore basso serve solo per velocizzare la commutazione in PWM e non e' necessario cosi basso in ON/OFF.