Einfache Schaltung will nicht....

[oratus sum]

Guten Abend...

Aus gegebenen Anlass habe ich mir vorgenommen eine schöne LED-Weihnachtsdeko zu basteln.

Die Schaltung ist im Grunde ganz einfach:
3 Rote High-Power LEDs
3 GrüneHigh-Power LEDs
3 Blaue High-Power LEDs
3 Weiße High-Power LEDs

Bis auf die Rote habe alle U=3,85V und I=1,5A sind ca 5W LEDs
Die Roten sind bei U=3,4V und I = 1,5A

Soweit so gut. Die Vorwiderstäne passen, sind überhaupt 11Watt Widerstände. Etwas oversized aber sie dienen auch als "Platinenabstandshalte" zur Steuerplatine.

Die Schaltung ist eigentlich recht simpel:

Alle LEDs sind mit der Kathode auf Masse.
Die Anoden der einzelnen Farben sind getrennt, LEDs von der selben Farbe haben ihre Anode zusammen.

Daraus resultieren 4 "große" Leds, die ihre Kathoden zusammen auf Masse haben.

Als Controller kommt ein Mega16 ins Spiel. Der soll zunächst nichts weiter machen, als die LEDs zum blinken bringen.

Als "Schalter" verwende ich den TTL-POWER-MOSFET IRLZ34N.

Diesen habe ich schon oft erfolgreich verwendet. Bei 5V schaltet der schon fast ganz durch.

Am Gate des IRLZ34N hängt ein Pull-down Widerstand mit 100k und in Serie zum Port des Mega16 ist ein 10k Widerstand.

Am Drain hängen 12V und am Source die Kathode des LED-Arrays der jeweiligen Farbe, sprich jede Farbe hat ihr eigenes FET.

Soweit so gut.

Mein Problem ist jetzt aber, dass die LEDs zwar blinken, aber extrem schwach leuchten. Es macht den Anschein, alsob die FETs nicht durchsteuern würden.

Das interessante aber: Lasse ich die Masse auf der LED Platine, nehme die Masse von der Steuerplatine weg, leuchten die LEDs lichterloh.

Wenn ich die 5V direkt nehme und an das Gate halte, leuchten sie ebenfalls wie sie es sollten.

Wieso leuchten die LEDs so schwach wenn der µC die 5V schaltet?
Der relevante Ausschnitt aus dem Schaltplan:

Zur Erklärung:
LED ist die LED Stromversorgung, die ist getrennt von der µC Versorgung. Aber egal wie viel ich da drauflege, die LEDs leuchten immer schwach.

GR ist der µC Port für die Grünen LEDs, analog dazu WEI, BL und RO

Grün1, Grün2,Grün3 sind die Verbindungen zu den Vorwiderständen der LEDs, diese und die LEDs selber befinden sich auf einer extra Platine.

Die Massen der Platinen sind natürlich verbunden.

Der Schaltplan sagt zwar IRF510 aber es sidn die IRLZ34N verbaut, die sind aber Pinkompatibel. (Die IRLZ4N gibts in der Eagle lib nicht)

Achso, das ganze wird von einem PC Netzteil versorgt, mit genug Power.

[oZe]

Das Problem ist der hohe Gate Widerstand würde ich mal stark vermuten. Der Gatewiderstand bildet mit dem Pulldown einen Spannungsteiler von ca. 1:10. Das heißt es kommen nicht mehr die vollen 5V am Gate an sondern nur noch 4,5V. Ich kenn den verwendeten Mosfet nicht von daher bin ich da nicht sicher.
Dafür sprechen würde aber die beschriebene Tatsache mit der Masse. Wenn du die Masse von der Steuerplatine nimmst, existiert auch der Spannugnsteiler nicht mehr und somit liegen wieder 5V am Gate an.
Ich würde einen wesentlich kleineren Gatewiderstand nutzen. 10k sind schon extrem hoch gegriffen. Der Widerstand dient ja nur dazu den Strom im Einschaltmoment des FETs zu begrenzen. Bei dir fließen hier (den Spannugnsteiler nicht berücksichtigt) 0,5mA. Ich würde 1k Ohm oder noch weniger benutzen damit zumindest 5mA fließen können. Der Spannungsteiler würde davon ebenfalls positiv beieinflusst, sodass die Gatespannung wieder hoch genug sein sollte.
Hoffe ich konnte dir helfen!

[Richard]

Das Problem ist der hohe Gate Widerstand würde ich mal stark vermuten. Der Gatewiderstand bildet mit dem Pulldown einen Spannungsteiler von ca. 1:10. Das heißt es kommen nicht mehr die vollen 5V am Gate an sondern nur noch 4,5V. Ich kenn den verwendeten Mosfet nicht von daher bin ich da nicht sicher.
Dafür sprechen würde aber die beschriebene Tatsache mit der Masse. Wenn du die Masse von der Steuerplatine nimmst, existiert auch der Spannugnsteiler nicht mehr und somit liegen wieder 5V am Gate an.
Ich würde einen wesentlich kleineren Gatewiderstand nutzen. 10k sind schon extrem hoch gegriffen. Der Widerstand dient ja nur dazu den Strom im Einschaltmoment des FETs zu begrenzen. Bei dir fließen hier (den Spannugnsteiler nicht berücksichtigt) 0,5mA. Ich würde 1k Ohm oder noch weniger benutzen damit zumindest 5mA fließen können. Der Spannungsteiler würde davon ebenfalls positiv beieinflusst, sodass die Gatespannung wieder hoch genug sein sollte.
Hoffe ich konnte dir helfen!

Sehe ich auch so, Fets brauchen ziemlich hohe Ströme zum Schalten. Mir fehlen die Vorwiderstände in dem Schaltplan, ich hoffe Du hast für jede einzelne LED einen eingesetzt NICHT für jede Farbe! LED's können nicht ohne Vorwiderstände parallel geschaltet werden, jedenfalls nicht lange und sie sind hin.

Gruß Richard

[oratus sum]

Danke für eure Hilfe!

Natürlich hat jede LED seinen eigenen Vorwiderstand.

Das mit dem Spannungsteiler ist ein sehr guter Ansatz. Daran habe ich garnicht gedacht. Ich war zu dem Moment gestern einfach schon 12h an dem Projekt dran, mit 2 fehlätzungen und ein hafuen gefummel mit Schaltern und Potis und da verliert man mal schnell den Kopf am Ende.

Ich werde jetzt mal die Widerstände auslöten und andere einsetzten.

FETs brauchen hohe Stöme zum Schalten? Die sind doch so weit ich weiß nur Spannungsgesteuert.

Ich werde jetzt mal 220ohm als Schutzwiderstand nehmen. Die 100k Pull down lasse ich zunächst mal ganz weg. Eigentlich sollten die Elektronen schon abfließen können, auch ohne Pull-Down. Wenn nicht sieht man das sowieso :-D

Und mit 220 ohm fließen dann max 0,0227A sprich 23mA max, das ist noch okay denke ich.

Ich teste das mal und nochmal danke!

[EDIT]
Was mir noch eingefallen ist:
Die FET's sind ja im Prinzip wie Transistoren zwei entgegengerichtete Dioden. Das heißt aber auch, dass dort ein Spannungsabfall ist.

Ich werde jetzt mal im Datenblatt schauen ob das steht wie viel bzw was für ein Material das ist. Ich gehe bis dahin vond en üblichen 0,7V aus...

[ManuelB]

Normalerweise haben FETS keinen Spannungsabfall sondern nur den RDSon. Nur die parasitäre Diode in Gegenrichtung weist den üblichen Spannungsabfall einer Diode auf.

MfG
Manu

Edit: Für Ansteuerung direkt über 5V wären Logiclevel FETs besser. Ansonsten halt noch einer Treiberstufe davor mit z.B. 12V. Damit bekommt man die FETs auch ordentlich aufgesteuert. Gibt bei FETs die Gatetreshhold Spannung. Diese sollte man mindestens anlegen, damit der Fet anfängt durchzusteuern.

[BASTIUniversal]

Hallo!



FETs brauchen hohe Stöme zum Schalten? Die sind doch so weit ich weiß nur Spannungsgesteuert.

Das ist auch richtig. Leider haben alle FET's eine mehr oder weniger große Kapazität "im" Gate.
Diese Kapazität muss man erst einmal von 0V auf die entsprechende V_gs aufladen. Und das braucht Strom.
Da der Strom nur sehr kurzzeitig fließt kann man manchmal auch komplett auf den Gatewiderstand verzichten (z.B. wenn sehr selten geschaltet wird).

Gruß
Basti

[Richard]

Diese Kapazität muss man erst einmal von 0V auf die entsprechende V_gs aufladen. Und das braucht Strom.


Genau das habe ich gemeint, hätte mich sauberer ausdrücken sollen. Fet's in Verstärker Schaltungen oder im Fet-Voltmeter sind natürlich extrem hochohmig, steuern aber dort auch nie voll durch.

Gruß Richard

[oratus sum]

Dadurch, dass das ein kleiens Troboskop sein sollte, brauche ich wohl den Gatewiderstand.

Laut Datenblatt
http://www.datasheetcatalog.net/de/datasheets_pdf/I/R/L/Z/IRLZ34N.shtml
Hat der IRLZ34N ein VGS(TH) von Min 1,0V und max 2,0V

RDS(ON) ist bei VGS 5V 0,046ohm

Ich denke beim FET habe ich mich nicht vergriffen. Und wie gesagt, hat sich schon oft bewährt. Beim Roboter steuere ich damit meine LED-Scheinwerfer an. Mit dem kleinen Unterschied, dass dort nach GND geschaltet wird, sprich die LEDs sind zwischen VCC und Drain und nicht wie hier zwischen Source und GND.

So der Lötkolben ist jetzt heiß genug, ich geh jetzt ans löten.

Danke für eure Hilfe!

[Searcher]

Hallo,


Am Drain hängen 12V und am Source die Kathode des LED-Arrays der jeweiligen Farbe, sprich jede Farbe hat ihr eigenes FET

Verstehe ich hier jetzt irgendwas nicht richtig? Ich denke Du meinst Anoden liegen an Source und die Kathoden an Masse, damit die LEDs in Durchlaßrichtung gepolt sind.

Wenn der FET schaltet wird das Potential an Source höher und macht den Potentialunterschied zum Gate kleiner. Damit schaltet der FET nicht mehr richtig.

Normalerweise wird doch die Last an den Drain angeschlossen. Wenn die Kathoden aller LEDs nicht getrennt werden können, müßtest Du eventuell einen P-FET einsetzen?

Hoffe ich liege hier jetzt nicht komplett falsch.

Gruß
Searcher

[oratus sum]

Also ich ahb jetzt die Pull-down widerstände entfernt, die LEDs leuchten schonmal viel heller, aber noch immer nicht so hell wie sie sollten.

Stimmt, die Anoden liegen an Source, verschrieben sry.

Das die FETs nicht durchschalten liegt aber nicht daran. Wenn ci ein Stücjk draht nehme und die 5v mit der auch mein µC versogt wird dorthin halte wo der Port vom µC ist schaltet er perfekt durch und alles leuchtet wie es leuchten sollte.

Nur mit µC habe ich probleme. Überbrücke ich jetzt den gatewiderstand mit einem Stück draht, macht es keinen Unterschied mit dem µC.

Ich bin am Verzweifeln....

[TobiKa]

Hi

Vielleicht bringt der µC einfach nicht den nötigen Strom! EInfach mal mit nem Transistor verstärken.

[oratus sum]

Das einfach mal mit dem Transistor verstärken ist leichter gesagt als getan. Die Leiterplatte ist schließlich geätzt.

Aber es liegt ziemlich sicher nicht daran.

Die Plaine in meiner Signatur benutzt 1:1 die gleiche Schaltung. Links oben sieht man die IRLZ34N, den Mega16 und die Widerstände habend ie selben Werte.

Ich lade jetzt einfach beide Schaltpläne hoch.

Beid er Controller-Platine sieht man den Top-Layer nicht. Dort sind die 3 LEDs einer Farbe immer zusammengelegt.

Die Schalter sind nach VCC geschalten, das passt so.

[Searcher]

Hallo,

bin immer noch der Meinung, daß es am falsch beschalteten N-Fet liegt.


Das interessante aber: Lasse ich die Masse auf der LED Platine, nehme die Masse von der Steuerplatine weg, leuchten die LEDs lichterloh

Ist auch ein Indiz dafür. Wenn die Masseverbindung zwischen Controllerplatine und LED-Platine unterbrochen wird, wirkt sich der Spannungsabfall an den LEDs nicht mehr zwischen Gate und Source aus, da das gemeinsame Bezugspotential fehlt. Wenn Du mit einem Multimeter die Spannung zwischen Gate und Source in dem Fall mißt, solltest Du auch die 5V vom µC haben. Bei verbundener Masse nicht mehr. Soweit meine laienhafte Erklärung.

EDIT: Keine Ahnung ob und was da gemessen werden kann, da ja auch der Bezug für die Messung fehlt. Vielleicht kann jemand berufener die Effekte erklären...


Leider habe ich keine Erklärung dafür, warum bei direkter Verbindung von 5V zum Gate die LEDs leuchten.


Beim Roboter steuere ich damit meine LED-Scheinwerfer an. Mit dem kleinen Unterschied, dass dort nach GND geschaltet wird, sprich die LEDs sind zwischen VCC und Drain und nicht wie hier zwischen Source und GND.

So wäre es auch für diese LEDs richtig.

Gruß
Searcher

[BASTIUniversal]

Ja, jetzt wo ich mir die Schaltung nochmal genau angeschaut habe ist der Fehler klar:
Du nimmst einen N-FET und schaltest damit "High-Side".

Im Detail:
Damit der Transistor richtig durchschaltet braucht es eine Spannung V_gs von ca. 5V. V_gs steht dabei für Spannung zwischen Gate und Source.
Da aber nach der "Source" der Vorwiderstand und die LED kommen, liegt diese nicht auf Masse sondern viel höher.

https://www.roboternetz.de/phpBB2/files/clipboard02_163.jpg

Das Bild zeigt eine Simulation deiner Schaltung. Die grüne Linie stellt die Gatespannung gegen Masse dar.
Die Sourcespannung liegt hier wie im Fenster angezeigt bei rund 3V (rote bzw. weiß gestrichelte Linie). Daraus folgt eine V_gs von etwa 2V.
Das erklärt auch den geringen Strom, der bei dir fließt. Der Transistor pendelt sich irgendwo knapp über V_gs(th) ein, kann aber nicht komplett durchschalten denn Source würde dann genau 5V betragen (und damit V_gs = 0V).

Es gibt jetzt drei Lösungen für dein Problem:
1.: Du ersetzt den N-FET durch einen P-FET. Das wäre eine saubere und schnelle Lösung (wenn du denn einen da hast).
2.: Du steuerst das Gate nicht mit 5V sondern mit >10V an. Das wird auch in professionellen Schaltungen gemacht, wenn ein N-FET High-Side schalten soll.
3.: Du erstellst ein neues Design in der der FET Low-Side schaltet. Die LED und Widerstand hängt in diesem Fall "vor" dem FET an Drain.

Gruß
Basti

[oratus sum]

Wow danke für die 1a Erklärung.

Ich frage mich, wieso es aber nur mit dem µC nicht funktioniert aber direkt mittels Kabel schon?

Ich werde jetzt mal auf die Schnelle die 1. Lösung nehmen. Ich müsste sonst wieder in Platinenmaterial investieren, Ätzmittel, dann überhaupt das Ätzen und alles...

Kennst du vllt ein Logik-level P-FET, das meinen Ansprüchen genügt?

Ich hab bisher immer nur diesen N-Fet benutzt und kenne mich mit den Typen generell nicht so aus...

Ansonsten hört sich die Lösung mit dem Transistor davor ziemlich gut an.

Vielen Dank für den Aufwand! Ihr habt mir echt geholfen und ich hab was gelernt!

[BASTIUniversal]

Tja, einen passenden P-FET in TO220 und dann noch LogicLevel? Schwer zu finden!
Ich hab schon ein bisschen bei Reichelt, CSD und Segor geschaut aber nichts passendes von International Rectifier gefunden. Da musst du vielleicht selber noch ein wenig schauen.
Spätestens bei Farnell wird man dann fündig, aber die sind recht teuer. Privat bekommst du die Teile auch, da gibt es einen eigenen Shop dafür (der Name ist mir leider entfallen).

Was du noch tun könntest: Miss einfach mal die Gate-Source Spannung. Einmal mit Controller und einmal überbrückt.

Gruß
Basti

[oratus sum]

Muss nicht unbedingt T0220 sein. Zur Not kann ich auch die FETs mittels Drähte verbinden...

Ich werde das mal messen.

Danke für deine Hilfe!

[PICture]

Hallo!

Mich wundert nur aus welchem Grund sind die LED's, nicht wie üblich (siehe Code) zwischen Source und GND (Masse) geschaltet ?

MfG

VCC
+
|
.-.
| |
| |
'-'
|
V ->
-
|
||-+
||<-
-----||-+
|
===
GND



(created by AACircuit v1.28.6 beta 04/19/05 www.tech-chat.de)

[oratus sum]

Da hast du vollkommen recht.
So hatte ich das auch vor, allerdings ist bei den LEDs der "Bauch" sprich die unterseite mittel Kupferfläche mit Masse verbunden. Da ich durch das Wärmemanagement möglichst viel Kupferfläche haben wollte war ich gewissermaßen gezwungen alle Massen zu verbinden.

Jetzt sehe ich allerdings ein, das ich einfach "eigene" Massefläche für die LEDs hätte machen sollen...

Sowas entsteht wenn man vom eigenen Wissen und Erfahrung ablässt und sich durch fremde Tatsachen auf den falschen Weg führen lässt...

Allerdings habe ich danke euch was dazugelerent und bin das nächste mal gewappnet ;D

[PICture]

Das stimmt, das man die einfachste Lösungen nicht in der Schule erlernen kann und musste weiter lernen und oft sinnlose Sachen machen.

Bei mir hat es auch einige Zeit gedauert, bis ich auf das gekommen bin, dass wenn man ein Kühlkörper wegen Isolation voneinander mehreren Bauteilen durchschschneidet, die Wärmeabfuhr sich praktisch nicht ändert ... :)

Übrigens, eine Masse ist erst eine "echte" Masse, wenn sie mit Nullpotenzial (GND) verbunden ist. :)

MfG

[oratus sum]

Demnach wäre es nicht die Masse der LEDs sondern einfach nur die Kathode...

Ich hätte ansonsten gleich eine Struktur reingemacht um die Oberfläche zu vergrößern....

[oratus sum]

Tja, einen passenden P-FET in TO220 und dann noch LogicLevel? Schwer zu finden!
Ich hab schon ein bisschen bei Reichelt, CSD und Segor geschaut aber nichts passendes von International Rectifier gefunden. Da musst du vielleicht selber noch ein wenig schauen.
Spätestens bei Farnell wird man dann fündig, aber die sind recht teuer. Privat bekommst du die Teile auch, da gibt es einen eigenen Shop dafür (der Name ist mir leider entfallen).

Was du noch tun könntest: Miss einfach mal die Gate-Source Spannung. Einmal mit Controller und einmal überbrückt.

Gruß
Basti

So heute hatte ich Zeit das Projekt wieder auszupacken.

Vgs ist überbrückt mit
12V -> 7,63V
5V -> 1,85 (5V von µC)
5V -> 2,16 (5V von VCC)

Die Methode mit dem BC547 in Kollector-Emitter Schaltung habe ich versucht, es kommt aber das Gleiche raus.

Der BC547 wir vom µC gesteuert, der BC547 stuert widerum den IRLZ34N, mit dem selben Ergebnis, die LEDs leuchten nur sehr schwach.

Außerdem verhält es sich komisch mit dem Pull-down Widerstand.

Gebe ich den Pull-Down zwischen Gate und GND, blinken die LEDs aber nur schwach.

Gebe ich den Pull-Down zwischen Basis vom BC547 und Gate schalten sie überhaupt nicht.

Lasse ich den Pull-Down weg, schaltet es einmal ganz durch und bleibt so.

Wenn ich am Gate des IRLZ34N ein Labornetzteil anschließe und langsam die Spannung steigen lasse, dann ist der FET bei ca 6.5V voll durchgesteuert, also die LEDs leuchten zum. danach immer gleich hell.

verrückt....

[EDIT]
OSZI:
µC Port: BLAU
LED-Vorwiderstand: ROT

[oratus sum]

Ich habe das Problem gelöst, indem ich einfach die LEDs umgedreht habe und den IRLZ34N so eingelötet, dass er Low-Side schaltet.

Funktioniert übrigens wirklich super!