TIP 142 STM - Hohe Schaltverluste

[frozenflame]

Das DPak Gehäuse ist nunmal nicht besonders groß. Da reichen so frei auf dem Steckbrett schon 100-200 mW um eine unangenehm hohe Temperatur zu erreichen. Auf eine richtigen Platine wird über die Lötanschlüsse schon einiges mehr an Wärme abgegeben - vor allem wenn die Platine eine genügend große Kupferfläche als "Kühlkörper" bereitstellt. Ganz ohne zusätzliche Kühlung wird es ab etwa 1 A nicht gehen.

Wie hoch ist den die PWM Frequenz und der Strom ? Die Verluste setzen sich zusammen aus den Verlusten durch R_On und Umschaltverlusten. Je höher die PWM Frequenz, desto wichtiger werden die Umschaltverluste. Da könnte man ggf. noch etwas weniger erreichen, wenn man die 270 Ohm verkleinert. Für ein kleineres R_On müsste man ggf. einen "größeren" MOSFET nutzen. Der IRL520 ist nicht gerade die beste Wahl für mehr als 1-2 A, wegen recht hohen Spannung ist R_on halt auch relativ groß.

Die Frequenz von dem PWM Eingang habe ich testweise auf 880 gestellt ( 1023 ist das Maximun, ab da hat der LED Strip die komplette Helligkeit ) und der Strom liegt bei 3,3 V.

Naja, die 7A von dem Netzteil liegen ja weit über den von dir erwähnten 1-2 A.
ich werde die 270 Ohm dann nochmal auf 100 reduzieren

[Besserwessi]

Irgendwie geht da was durcheinander:
Mit den 880 und 1023 als Maximum ist offensichtlich das PWM Verhältnis gemeint, nicht die Frequenz. Die hätte als Einheit noch Hz oder kHz dazu.
Für die Schaltverluste ist die Frequenz, der Strom und die Spannung wichtig - als 1. Näherung für die Schaltverluste gibt es halt Frequenz * Spannung * Strom * Schaltzeit.

Der Strom wird nicht in V gemessen - das wäre dann eine Spannung. Beim Strom kommt es auch den Strom an, der tatsächlich während der an Phase fließt, nicht was das Netzteil theoretisch liefern kann.

Bei der Wahl des MOSFETs ist auch noch wichtig zu wissen wie hoch die Spannung vom PWM Signal ist. Mit nur 3,3 V ist man da schon deutlich eingeschränkt bzw. müsste noch einen Treiber für mehr Spannung vorsehen. Bei der Wahl des MOSFETs geht es vor allem darum das er mit der kleinen Gate Spannung arbeitet und einen genügend kleine Anwiderstand hat. Ein möglicher Kanditat wäre etwa ein ILF7401 - allerdings nur im SO8 SMD Gehäuse und auch nur für 20 V.

[frozenflame]

Irgendwie geht da was durcheinander:
Mit den 880 und 1023 als Maximum ist offensichtlich das PWM Verhältnis gemeint, nicht die Frequenz. Die hätte als Einheit noch Hz oder kHz dazu.
Für die Schaltverluste ist die Frequenz, der Strom und die Spannung wichtig - als 1. Näherung für die Schaltverluste gibt es halt Frequenz * Spannung * Strom * Schaltzeit.

Der Strom wird nicht in V gemessen - das wäre dann eine Spannung. Beim Strom kommt es auch den Strom an, der tatsächlich während der an Phase fließt, nicht was das Netzteil theoretisch liefern kann.

Bei der Wahl des MOSFETs ist auch noch wichtig zu wissen wie hoch die Spannung vom PWM Signal ist. Mit nur 3,3 V ist man da schon deutlich eingeschränkt bzw. müsste noch einen Treiber für mehr Spannung vorsehen. Bei der Wahl des MOSFETs geht es vor allem darum das er mit der kleinen Gate Spannung arbeitet und einen genügend kleine Anwiderstand hat. Ein möglicher Kanditat wäre etwa ein ILF7401 - allerdings nur im SO8 SMD Gehäuse und auch nur für 20 V.

War vielleicht alles etwas schwammig und verwirrend von mir formuliert.
Hier nochmal alle Details:

Der LED-Strip ist ca. 16m lang, die Stromversorgung erfolgt über ein 12V Netzteil mit einer Stromstärke von 7A.

Das Raspberry Pi liefert über den PWM Ausgang eine Spannung von 3,3V.
Über Wiring Pi kann ein Wert von 0 - 1023 zugewiesen werden, wieviel Hz das entspricht müsste ich später mal nachgucken.

Das RPi hat auch noch 5V Stromversorgungen, könnte ich nicht theoretisch noch einen MOSFET dazwischen schalten?
Ich hab mir überlegt, dass ich über den 3,3V PWM ausgang mit Hilfe des MOSFETS die 5V schalte, welche den MOSFET, an dem die 12V anliegen schaltet.

Die 5V müssten dann ja theoretisch ausreichen, um den MOSFET voll durchzuschalten, oder? Und da beim schalten der 5V nicht viel abfällt sollte der erste MOSFET ja auch nicht sonderlich warm werden.

[Besserwessi]

Ein 3,3 V PWM Signal ist relativ wenig und schränkt die Wahl des MOSFETs deutlich ein, wenn man direkt damit steuern will. Es gibt aber gerade für niedrige Spannungen auch passende MOSFETs - allerdings sind das halt SMD Typen, die ggf. die Platine zur Kühlung brauchen. Der IRL520 ist da eine Möglichkeit, aber halt gut nur für eher wenig Strom bis etwa 1 A. Wenn man da keinen passenden Typ findet, gäbe es die Möglichkeit das PWM Signal auf 5 V oder auch 12 V zu bringen. Allerdings wird man dazu wohl keinen MOSFET, sondern eher ein IC nehmen, etwa ein 74 HCT... um auf 5 V zu kommen, oder einen extra Gate Treiber wie etwa icl7667 (5 oder 12 V). 5V reicht nicht für alle MOSFETS, sonder nur die Logic Level Typen, aber da hat man dann schon reichlich Auswahl.

Die Angabe beim Netzteil dürfte die Maximale Stromstärke sein, das reicht nicht aus um den tatsächlichen Strom zu bestimmen. Das es weniger als 7 A sind wissen wir auch so, sonst wäre der kleine IRL520 schon zu heiß geworden. Der tatsächliche Strom hängt vom LED Strip ab - sollte sich da irgendwo in der Anleitung finden, und sei es auch nur als Leistung. Alternativ könnte man den Strom mit dem Multimeter nachmessen.

Der PWM Wert hat erst einmal nichts mit der PWM Frequenz zu tun. Die kann in weiten Grenzen unabhängig eingestellt werden. Bei der recht leistungsfähigen Hardware sind vermutlich auch bei den 10 Bit Auflösung noch störend hohe Frequenzen möglich. Da hilft nur nachmessen oder nachlesen in der Beschreibung zum Programm. Für LEDs sollten es etwa 200-10000 Hz sein.

Die Umschaltverluste hängen von der PWM Frequenz, aber nicht vom PWM Wert ab - darüber kann man auch Prüfen wieso der MOSFET ggf. warm wird.

[frozenflame]

Ich hätte noch einen ULN2003A da, kann ich den auch verwenden? Ansonsten bestelle ich gleich die Sachen, muss heute sowierso noch was bei Reichelt ordern. Der LED Strip verbraucht 71W, also benötigt er einen Strom von ca. 5,91A.
Wieviel Hertz sind denn bei LEDs am optimalsten zum dimmen? Also sprich, dass die Schaltverluste so gering wie möglich sind und kein Flackern zu sehen ist?

Danke nochmal für deine ganze Mühe mir bei der Lösung zu helfen (:

[Klebwax]

@frozenflame

Nachdem dir mein Vorschlag einfach einen Kühlkörper an den TIP zu schrauben nicht gefallen hat, wird dir auch der jetzige nicht gefallen. Nim einen integrierten MOSFET Driver, der mit 12V arbeitet und mit 3,3V angesteuert werden kann. Dahinter kann dann eigentlich jeder FET eingesetzt werden.

MfG Klebwax

[Besserwessi]

Der ULN2003 hilft nur relativ wenig.

Für fast 6 A ist der IRL520 definitiv zu klein selbst mit Kühlung. Ganz ohne etwas Kühlung wird aber auch dann schwer, bzw. der MOSFET recht groß. Wenn man dem MOSFET etwa 1 W an Verlustleistung zubilligt, dürfte der Spannungsabfall etwa 150 mV betragen bzw. der Widerstand noch etwa 20 mOhm. Das braucht auch schon einen recht großen MOSFET - mit 3,3 V Gatespannung wird es schon nicht so einfach und man müsste ggf. 2 oder 3 parallel nehmen.

Hier ein paar Möglichkeiten:
1) 2 bis 4 Stück IRLML6344 parallel. Das ist eine kleine SMD Bauform, und braucht eine Platine als Kühlung.
2) 2 mal IRF7401 (SO8 Gehäuse) - auch hier wird man wohl eine Platine brauchen.
3) ein Gate Treiber ICL7667 und dann ein richtig großer MOSFET wie IRL1004 oder IRF3708 oder IRLU8721(da reichen auch 5 V) oder IRF1404 (bräuchte 12 V)
Für 5 V würde wohl auch ein billiges Logic IC wie 74HCT04 als "Treiber" reichen. Bei mehr MOSFETS parallel muss jeder einen eigenen Widerstand am Gate (z.B. 50 Ohm) haben.

[frozenflame]

@frozenflame

Nachdem dir mein Vorschlag einfach einen Kühlkörper an den TIP zu schrauben nicht gefallen hat, wird dir auch der jetzige nicht gefallen. Nim einen integrierten MOSFET Driver, der mit 12V arbeitet und mit 3,3V angesteuert werden kann. Dahinter kann dann eigentlich jeder FET eingesetzt werden.

MfG Klebwax

Danke für den Vorschlag (: Einfach einen Kühlkörper draufpacken minimiert die Schaltverluste ja nicht und löst daher nicht das eigentlich Problem, deshalb fand ich die Lösung mit dem MOSFET besser. Habe jetzt aber auch einen MOSFET Driver bestellt, mal hoffen, dass das hilft...

Der ULN2003 hilft nur relativ wenig.

Für fast 6 A ist der IRL520 definitiv zu klein selbst mit Kühlung. Ganz ohne etwas Kühlung wird aber auch dann schwer, bzw. der MOSFET recht groß. Wenn man dem MOSFET etwa 1 W an Verlustleistung zubilligt, dürfte der Spannungsabfall etwa 150 mV betragen bzw. der Widerstand noch etwa 20 mOhm. Das braucht auch schon einen recht großen MOSFET - mit 3,3 V Gatespannung wird es schon nicht so einfach und man müsste ggf. 2 oder 3 parallel nehmen.

Hier ein paar Möglichkeiten:
1) 2 bis 4 Stück IRLML6344 parallel. Das ist eine kleine SMD Bauform, und braucht eine Platine als Kühlung.
2) 2 mal IRF7401 (SO8 Gehäuse) - auch hier wird man wohl eine Platine brauchen.
3) ein Gate Treiber ICL7667 und dann ein richtig großer MOSFET wie IRL1004 oder IRF3708 oder IRLU8721(da reichen auch 5 V) oder IRF1404 (bräuchte 12 V)
Für 5 V würde wohl auch ein billiges Logic IC wie 74HCT04 als "Treiber" reichen. Bei mehr MOSFETS parallel muss jeder einen eigenen Widerstand am Gate (z.B. 50 Ohm) haben.

Welche Methode hälst du für am effektivsten? Wie ich das Problem letztendlich in den Griff bekomme ist relativ egal
Ich habe jetzt mal alle von dir aufgelisteten Komponenten bei Reichelt mitbestellt.

[Besserwessi]

So groß ist der Unterschied zwischen den beiden Wegen nicht. Für das Steckbrett oder Lochraster ist definitiv der Weg mit Gate-Treiber und einem großen MOSFET besser. Da ist man auch von den Details des PWM Ausgangs unabhängiger - es klappt halt auch noch mit 2,5 V oder wenn der nur 0,1 mA liefern kann. Auch kann die PWM Frequenz höher liegen weil schneller geschaltet werden kann. Für LEDs sollten aber 200 Hz ausreichen.

Wenn es darum geht das ganze sehr klein und günstig für große Stückzahlen zu kriegen wäre es wohl mit den speziellen MOSFETs effektiver - das braucht nur halt eine Platine und wird auf dem Lochraster sehr schwer. Bei den Verlusten kommt man in beiden Fällen so in den Bereich 0,5-1 W. Bei den FETs mit 3,3 V Gatespannung haben auch Exemplarstreuungen einen merklichen Einfluss - zwischen guten und schlechten Exemplaren ist der Unterschied deutlich. D.h. dann aber auch das man von einem Prototypen nicht unbedingt auf den 2. und 3 Schließen kann.

[Peter(TOO)]

Hallo,

Wieviel Hertz sind denn bei LEDs am optimalsten zum dimmen? Also sprich, dass die Schaltverluste so gering wie möglich sind und kein Flackern zu sehen ist?

Möglichst niedrig
Die Umschaltverluste entstehen bei jedem Schaltvorgang.

Fürs Auge sollten eigentlich so 100-200Hz ausreichen.

MfG Peter(TOO)