MOSFET N-ch som LED driver, diagram?

[maxijoker]

Har et DIY prosjekt. En Arduino NANO skal forsyne en MOSFET Arry krets (Innekappslet 4 krets MOSFET N-ch driver). MOSFET array fra NEC en uPA1520B får gate spenning 5 volt fra Arduino. Arduino er programert med et spesielt mønster for 4 utganger, som her i denne DIY driver hver 4 stk. 3 watts LED gjennom uPA1502B driver kretsen.

 

Gate spenning for ON kan i uPA1520 variere helt fra omkring 4 volt til 20 volt. Arduino leverer 0 eller +5 volt.Disse små LED skal for grønn ha driftsspenning 3.5 V og for rød 2.2 volt. Så er det store spørsmål, med driftspenning 11.1 volt (LiPo battery case), vil det da legge seg et spenningsfall over Mosfet transistoren som er restspenning som hver diode drives med? Dersom mosfet går ON vil det jo legge seg 0V mellom  Gate og Source, og resten vil vel da legge seg over LED som er koplet opp i mellom positivt og MOSFET utgangen Drain?

Dersom korrekt, hvordan da kople opp slik at spenningen over diode typene blir korrekte? Elektronisk motstand (transistor) mellom katode på LED og utgangen av uPA1520?

 

Noen med MOSFET kunnskaper her?

[Professor Balthazar]

Sjekk om disse skjemaene kan fungere i ditt oppsett: https://arduinodiy.wordpress.com/2012/05/02/using-mosfets-with-ttl-levels/

 

Har du datablad på LED'ene du har skaffet deg?

Endret 7. oktober 2015 av Professor Balthazar

[endrebjo]

MOSFET-driveren du har er ment å brukes som en ren AV/PÅ bryter. Allerede på V_GS = 4.0V har driveren en maksimal mostand på 0.25 ohm. Dette er så godt som null mostand, altså 100% PÅ. Formålet med slike power-transistorer er ikke å la dem regulere mostanden (eller strømmen). De skal ha så liten PÅ-mostand som mulig, og så høy AV-motstand som mulig.

Så det du sitter med er hovedsaklig en kraftig AV/PÅ-bryter. Når du påtrykker 0V på gate har du 3 megaohm mostand i MOSFETen. Når du påtrykker 5V på gate har du maksimalt 0.25 ohm motstand i MOSFETen.

LEDer skal vanligvis forsynes med en spesifikk strøm (f.eks 20 mA), og ikke en spesifikk spenning. Ser du f.eks i forumets tråd om LEDs finner du en fremgangsmåte for å regne ut forspenning til diodene du har. Da bruker du en konstant motstand til å begrense strømmen gjennom dioden din. Så bruker du MOSFETen til å skru denne strømmen av og på.

Forenklet sett vil kretsen da se ut som dette: http://schematics.com/project/diode-ttl-driver-21970/

Mesteparten av spenningen vil bli liggende over motstanden (R1). Gitt f.eks en LED-strøm på 200 mA vil det kun ligge ca. 50 mV spenning over MOSFETen (V = I*R = 200mA * 0,25 ohm). Spenningen over MOSFETen kan du altså se helt bort ifra. Det du trenger er et datablad som viser hvilken strøm LEDen skal ha. Denne strømmen bruker du sammen med forsyningsspenningen (11,1 V) og omtrentlig LED-spenning (3,5 V) til å finne ut hvor stor mostanden (R1) skal være.

[maxijoker]

Ja, det var slikt jeg tenkte meg svare ville forbli. MOSFET blir som nevnes en ren av/på bryter. En resistansekopling er ok ved fulladet driftsspenning, 11,1 volt, men er ikke særlig egnet når spenningen synker. Derfor var jeg inne på en tanken om en transistor kopling for hver av de FIRE diodene som styres av hver digital output fra Arduino utgangene.

 

Dette er dataene for diodene:

RØD: 3W, matespenning 2-2,25V, 700mA. GRØNN: 3W, matespenning 3-3,6V, 700mA. Etter som dette er snakk om effektforbruk 3W, ser jeg for meg en transistor kopling ala BD 139 (GOD FOR 8W MAX).

 

Transistoren sin oppgave er å sørge for en konstant  spenning ut på collector, hhv 2,5V og 3,5V, uavhengig av tilført spenning. PIC vil ikke fungere med spenning under 5V, derfor er det idielle for transistor kopling til å fungere mellom 11.1 volt og ned til min. batterispenning 5V. Dette er det ideelle, teoretiske området, men i praksis tenker jeg at en batterispenning under 8V vil være vanskelig å kunne komponere med et fåtall av komponenter, der vekten av det hele også spiller en rolle.

 

En spenningsregulator (LM317) vil også kunne benyttes, men det må vel finnes en mulighet med en transistor i hver utgang? En spenningsregulator IC vil rett nok være enklere å kunne regulere, tror jeg. 

 

Jeg sjekket Prpff.balt. sin url, uten å finne noe spes. av interesse.      

[endrebjo]

Jeg ville helt klart regulert batterispenningen ned til ca. 5V vha en spenningsregulator. Deretter implementert konstant forspenning av LEDene (vha en konstant mostand) basert på en konstant 5V forsyningsspenning.

Selv med en enkel switched step-down regulator trenger du kun 4-5 komponenter rundt regulatoren (vanligvis to kondiser, en spole og en diode). Og da får du samtidig et system som IKKE brenner av 80% av tilført effekt fra batteriet. Med spenningsregulator kan du også enkelt implementere batteribeskyttelse.

Du nevner LM317 som spenningsregulator. Men også denne vil brenne av mye verdifull effekt siden det er en lineær-regulator. Til LED-power hadde jeg aldri nølt med å bruke en switched regulator.

 

Hvis du likevel vil bruke transistorer som variable motstander ville jeg sett på muligheten for å lage strømspeil ( https://en.wikipedia.org/wiki/Current_mirror).

[Professor Balthazar]

Ca. 11V driftspenning og bare 2V over lasten tilsier at ca. 9V havner over strømbegrensningsmotstanden (eller transistoren). 9V*0,7A= 6,3Watt over strømbegrensningskretsen. Det er ingen god løsning på noen måter.

 

Hva med å heller gå for en elektronisk LED-driver? Tenker da noe alà denne: http://www.dx.com/p/mr16-1-3w-650-700ma-constant-current-regulated-led-driver-8-40v-input-13557#.VhYuMCuuwVA

[maxijoker]

Det er en god ide med et LiPo 6V 1500mA. Så ser jeg et en Buck Converter (3A) er tilgjengelig her, for en 50 lapp, 5 pack. Dersom converteren har stor indre inngangsmotstand ville kanskje Arduino klare å drifte slike alene? Da er det bare å ta 5 volt som er utgangen på PIC, kople denne til inngangen til BC for så å justere denne inngangsspenning ned til hhv. 2,5 og 3,5V? Klarer PIC utgangen å drive BC direkte (?) slipper jeg unne uPD1502 kretsen. 

 

Denne er her:

http://www.ebay.co.uk/itm/5pcs-LM2596s-3A-DC-to-DC-Buck-Converter-Adjustable-Power-Step-Down-Module-/251415296930?&_trksid=p2056016.l4276

Effekttapet omkring 8%

 

Mens denne har bare 4 % effekttap:

http://www.ebay.co.uk/itm/New-best-Mini-3A-DC-DC-Converter-Adjustable-down-Power-Module-LM2596s-/252108678439?tfrom=251415296930&tpos=left&ttype=price&talgo=undefined

[endrebjo]

Som nevnt tidligere, så skal LEDs ha en gitt strøm for å kjøre optimalt. Spenningen over dem vil variere pga. f.eks spredning i produksjonen og driftstemperatur. Så den eneste måten å sørge for at LEDene kjøres riktig er med en strømbegrenser. Dette kan f.eks være en forspenningsmotstand. Hvis du regulerer batterispenningen ned til 5V har du et mer fornuftig tap i denne forspenningen. Du kan også gå ned til 3-4V fra regulatoren for å bli kvitt enda mer tap, men strømmen i LEDene vil da kunne variere mer. En forspenningsmotstand bør du ha uansett.

En Arduino klarer IKKE å drive spenningsregulatoren med en av utgangspinnene sine. Men du kan f.eks bruke uPD1502 til å slå av/på tilførselen til en eller flere regulatorer. Du kobler altså uPD1502 mellom batteri og spenningsregulator. uPD1502 kan drives av Arduino-pinner.

 

Edit: Og så lenge du bruker en switched regulator spiller det ingen rolle om batteriet ditt er 6 eller 11 V. Bruk det som har størst kapasitet (U*I*t, [V]*[Ah]).

Endret 8. oktober 2015 av endrebjo

[maxijoker]

Da blir det sånn:

11.1 V, (1500 mAh) driftspenning, 0 og 5V fra Arduino sine 4 dig utganger slår av/på hver av de  fire Array MOSFET kanalene i uPD1520, hver utgang av uPDA1520 koples til step down converter medjustert ned spenning 2,5V og 3,5V.

 

Når det gjelder konstan strømgiver, med fast spenning, så finnes også de på eBay. Der kan man stille inn ønsket sutt utg. penning og hvor stor strømstyrken skal være-konstrant.

 

Imidlertid ser jeg ikke hensikten med denen funsjon i tilleggg. Jeg kopler opp et ampermeter i serie med utgangene av Step Down converteren. Så får jeg se hvor langt på vidda man er med I-forbruket, kontra eksakt tilført matespenning til converteren.

 

Om det trekkes 700mA eller 600mA, det får stå sin prøve..  

[Professor Balthazar]

Dette vil sikkert fungere fint, men det anbefales dog strømbegrenser i tillegg, omså bare en liten effektmotstand. Det er ikke BARE spenningen som styrer strømmen gjennom LED'ene. Også temperaturen spiller en rolle, samt det at dem kan endre seg over tid.

[endrebjo]

Men du kan f.eks bruke uPD1502 til å slå av/på tilførselen til en eller flere regulatorer. Du kobler altså uPD1502 mellom batteri og spenningsregulator. uPD1502 kan drives av Arduino-pinner.

Jeg var litt vel kjapp på avtrekkeren her. Hvis du setter power MOSFET mellom batteri og spenningsregulator vil ikke spenningen fra Arduino være høy nok til å slå på MOSFETen. Den trenger minst 4V mellom gate og source (V_GS). Hvis du setter drain på batteri og source på regulator, vil du måtte trenge 11+4 V fra Arduino for å slå på transistoren.

Så jeg mener fremdeles at det beste vil være å bruke power MOSFET til å slå av og på LEDene.

Endret 12. oktober 2015 av endrebjo

[maxijoker]

Bruker 7,4V LiPo som Vdd. Denne drifter Arduino, bruker Buck step down converter, siden mini 3W led tåler hhv. 2,5 og 3,5V. Moosfet array uPD 1520 legger 7,4V inn på Buck'en som matespenning, ut kommer 2,5/3,5 V. Tror dette vil funke. Må  ha 4 stk. Buck'er. = Økt vekt.

[endrebjo]

Spenningen på inngangen av spenningsregulatoren vil være 7.4 V. Det samme vil source-spenningen på MOSFETen du kobler der være. For at denne MOSFETen skal være PÅ må det være en spenning på minimum +4V mellom gate og source. Siden source er 7.4 V må gate være 7.4+4.0 = 11.4 V. Arduino gir ut max 5 V, så V_GS vil faktisk være -2.4 V. Negativ V_GS spenning betyr at den vil være enda mer AV enn ved 0V. Derfor vil MOSFETen aldri slå seg på, og regulatoren vil ikke kunne dra noe strøm.

Hvorfor lar du ikke spenningsregulatorene være på hele tiden, og heller skru av og på strømmen gjennom diodene med MOSFETen? Da slipper du i tillegg unna med færre regulatorer.

Endret 12. oktober 2015 av endrebjo

[maxijoker]

1. Er ikke ut signalet (digitalt ON) fra Arduinoen lik driftspenning (dersom 5 Volt inngang benyttes)? Det finnes to driftspenninger til denne PIC, en som skal være fast 5V og en som kan variere fra min 5V og oppover (Denne inngang er nok styrt med en spenningsregulator, til 5V fast). Linjære spenningsregulatorer LM 3XX 78XX hater jeg for min del. Her brennes mye effekt opp i spenning over spenningsregulatoren, mens en Buck DC-DC down converter har en effektiv effekttap fra 94 til 97 %, det er så lite at LiPo batteriet vil holde lengre.

 

2. Jeg ser ikke at MOSFETEN ikke kan oppnå en spenning fra Ardoin på ca 5V, mellom gate og source? Dersom 7.4 V er for lavt, kan jeg kjøre på 11,1 volt og kanskje "overleve"? MOSFET gate spenning er min 4 voltDiodene og Mosfet Arry modulen. MOSFET er jo bare av og på for driftsspeningen, og en spenning på 11.1 V over diodene er ikke særlig pent (brenner opp). Da vil jeg heller bruke Buck converteren. Denne kan med fin pot. justeres ned fra 11.1 V (dersom dette blir driftsspenningen) og er speningen ut av MOSFETEN, ned til diodenes sine spenninger på hhv. 2,5V og 3,5V. OG en ting til, jeg gir diodene konstant strømtilførsel! 650mA for ene diodetype og 700mA for den andre. Også dette justeres inn i buck converteren. Under drift vil diodene bli noe varme (bruker ikke LED kjøle plate/ribbe, besparer noen gram. Varmegangen vil endre dioden sin karakteristikk, med lavere indre resistans og økte strømverdier. Inntreffer dette, vil buck converteren sørge for konstant spenning og strøm som går gjennom dioden. Den er også overlastet sikring=en sikring.  

 

3. Dersom samtlige dioder lyser konstant er dette 700 mA X2 + 650mA X2 =2,7A. Svært høyt for et 11.1V 1500mAh LiPo. Derfor har PIC et program med totalt område i tid -gjennom ett minutt, konstant full effekt = 28 sekunder. 28 mS fordi rød LED blinker samtidig hvert 4 sek., med blink varighet 400 mS. Grønn LED blinker 1-2-1 hvert 3 sek. med blinkvarighet/pause/blinkvarighet= 290mS/333mS/290mS.

 

http://www.ebay.co.uk/itm/like/LM2596-Step-Down-Power-Module-LED-Driver-Constant-Voltage-Current-CV-CC-F43/221773433080?hlpht=true&ops=true&viphx=1&_trksid=p5197.c100068.m2280&_trkparms=aid%3D222007%26algo%3DSIC.MBE%26ao%3D1%26asc%3D20140211130857%26meid%3D0c0e738970ef4e49a2a90b87f18945b9%26pid%3D100068%26rk%3D2%26rkt%3D6%26sd%3D221814905908%26clkid%3D425104390775505486&_qi=RTM2063756

 

Var dette noe svar til sp.?

[endrebjo]

Mikrokontrolleren opererer kun på +5V. Ikke mer og ikke mindre. Det finnes riktignok tre forskjellige måter å forsyne kortet (USB, 6-20V og +5V), men alle disse ender opp med en spenning på +5V til slutt. Inngangen som takler 6-20V blir regulert ned til +5V vha en lineær spenningsregulator (UA78M05). Så mikrokontrolleren kan ikke gi ut mer enn maksimalt +5V heller.

 

Det ville ikke ha hjulpet med en spenning på 7.4V ut fra mikrokontrolleren heller. Hvis source på transistoren har 7.4V, så trenger du 11.4V på gate for å oppnå +4V V_GS (spenning mellom gate og source). Men siden mikrokontrolleren uansett ikke vil gi ut mer enn +5V er ikke dette noe prøve å tweake videre på. Det hjelper heller ikke å øke alle forsyningsspenningene til 11,1 V. Da ender du opp med en spenning på 11,1 V på source, og du må dermed ha 15,1 V på gate for å ha tilstrekkelig gate-source spenning.

 

Det finnes ikke noe minimum gate spenning på power MOSFETen din. Det finnes en minimum gate-source spenning (V_GS). Altså en spenning mellom gate og source. Dette gjør at spenningen på gate må tilpasses nivået på source. Hvis source kobles til jord (0V) går det fint med +4V på gate. Men hvis source kobles til 7.4V må gate ligge +4V høyere enn denne source spenningen, altså 7.4 + 4V = 11.4 V. Du må altså tenke på hvor du kobler source på MOSFET. Du kan ikke ha høyere spenning enn +1V på source siden mikrokontroller kun kan gi ut +5V.

Kan du tegne et skjema for hvordan du har tenkt til å koble batteri, regulator, MOSFET og dioder? Jeg begynner å bli usikker på om du planlegger å skru av og på tilførsel til regulatoren (dum idé), eller om du planlegger å skru av og på fra regulatoren (god idé).

 

Angående strømtrekk. Med en switched regulator kan du ikke direkte summere strømmene du trekker på sekundærsiden, slik som på en lineær regulator. Hvis du regulerer 7.4 V ned til 2.5 V uten tap og trekker 700 mA på 2.5 V-siden, så vil det kun trekkes 2.5/7.4 * 700 mA = 237 mA fra batterisiden. Så jeg tipper at du vil trekke ca. 1,1 A fra batteriet, ikke 2,7 V.

[endrebjo]

Bare for å illustrere hva jeg mener med dum og god idé. Her er skjemategning for den gode idéen: http://schematics.com/project/diode-ttl-driver-with-regulator-22156/

Her er skjemategning for den dumme idéen: http://schematics.com/project/dumb-diode-ttl-driver-with-regulator-22159/

[maxijoker]

Noe har sjedd 

Som man ser er jeg ikke helt ferdig utdanning med diagram tegning, her http://1drv.ms/1OEOfIR

 

Jeg prøvde meg i schematics.com tegneprogram, men kom litt til kort i hvordan enkelte funksjoner skal utføres. Kopierte derfor med screendump så langt jeg kom fremover, og la til det resterende i et annet program.

 

Løsningen min: Jeg lar Arduinoen få 11.1 volt driftspenning. uPA1520 MOSFET array har samme spenning. Buck Converterene (=BC)  U1 til U4 har fast forspenning + 11.1 volt, mens 0 inngangen er koplet til MOSFET  drain utgang. Når pin 1-4 på Arduino utgangene er lave, er MOSFETEN lukket og BC utgangene er lik 0, fordi spenning på Drain=lik Li-Po 11.1 volt.  

 

Dersom gate på MOSFET settes til +5 volt i pulsering fra Arduino, vil MOSFETEN åpne og legge BC sin minus input til 0 (minus). BC gir dermed ut spenning til lysdiodene (D1 til D4). BC gir her forhåndsinnstilt med korrekt spenning og gjennomgående strøm (konstant strømgiver).

 

Er dette ikke en oppkopling som vil fungere? er mitt neste spørsmål?  

 

(Et mer komplett diagram (forenklet) fikk jeg til her: http://schematics.com/project/flash-light-arduino-buck-per-161015-22271/ )

Endret 16. oktober 2015 av maxijoker

[endrebjo]

Når du kutter jordtilkobling med MOSFETene er det ikke alltid like godt å si hva som vil skje. Du vil da få en flytende jord, og oppførselen vil være helt avhengig av hvilken spenningsregulator (IC) du bruker og hvordan denne er koblet på regulatorkortet. Så det er umulig for meg å si om det vil fungere eller ikke uten å kikke på spenningsregulatoren.

[maxijoker]

Når du kutter jordtilkobling med MOSFETene er det ikke alltid like godt å si hva som vil skje. Du vil da få en flytende jord, og oppførselen vil være helt avhengig av hvilken spenningsregulator (IC) du bruker og hvordan denne er koblet på regulatorkortet. Så det er umulig for meg å si om det vil fungere eller ikke uten å kikke på spenningsregulatoren.

 

Som du sr, eneste modifisering er en 10k mellom Gate og Source. Denne sin funsjon er å sikre at MOSFETEN virkelig slår serg av. For meg, en driver krets med svevende pol er for meg en krets som det ikke går noen strøm gjennom. Jeg kan være enig i uttalelsen med vanskelig å kunne konstantere utfallet av oppkoplimgen. Bare en test av dettte gjenstår. En 11.1 volt, for såvidt 7.4 volt drivspenning, vil også kunne fungere.  

[maxijoker]

Så var Step Down Convertere (Buck) fra Kina mottatt. Synes det var råflott med LED disp. for inng./utg. spenninger, samt current. Imidlertid, det jeg ikke tenkte på, var vekten. Hver Buck veier 25g stk., og hver gram teller med drone kjøretiden. Med svevende negativt spennijngspunkt på Buck inngang, funka så det brakte løs.

 

Jeg kan få tak på Buck som måler 17mm X 20 mm. Rett nok, uten konstant strøm innstilling. Så, frem til da prøvde jeg meg med nytt diagram uten Buck, men med direkte drevne 12V LED. Da legger jeg bare til (K) på dioden til MOSFET utgang og kopler til konstant positiv spenning. Med P=U x I, vil hver LED treke omkring 4A! Da likte jeg bedre 3W's dioder med hhv. 650mA og 700mA. Konkludere med ny Buck med vekt ca 4g, ten k. strømstyring.

 

Diagram: http://schematics.com/project/flash-light-arduino-271015-2-22631/