MOSFET-E-Switch-Modul, Steuerung 3–20 V, Ausgang 5–36 V, mit Optokoppler

Dieses Tutorial verwendet das Arduino Uno R3 Board, um einen 12-V-LED-Streifen per PWM zu steuern, und zwar mit dem E-Switch MOSFET-Modul mit Optokoppler. Das Modul eignet sich für Projekte, in denen ein Entwicklungsboard mit 5-V-Ausgängen eine Gleichstromlast einschalten, ausschalten oder regeln muss, die mehr Strom benötigt, als ein Pin direkt liefern kann, zum Beispiel LED-Streifen, Motoren, Pumpen oder Magnetventile.

So funktioniert es:

Auf der Platine befindet sich ein P-Kanal-MOSFET F5305S, der in der positiven Leitung der Last montiert ist. Das Steuersignal an IN+ und IN- schaltet die LED des Optokopplers PC817 ein, und dessen Ausgangsseite bringt das Gate des MOSFETs in den leitenden Zustand. Solange ein Steuersignal anliegt, wird die Last versorgt, und wenn das Signal verschwindet, sperrt der MOSFET. Der Optokoppler trennt die beiden Stromkreise galvanisch. Deshalb darf die Masse des Arduino nicht mit dem Minuspol der 12-V-Quelle verbunden werden.

Der Steuerstrom beträgt etwa 5 mA, ein Wert, den ein Arduino-Pin problemlos liefern kann. Die 5 V von einem Pin des Uno-Boards liegen im Steuerbereich des Moduls, 3 - 20 VDC.

Bei PWM ist die mittlere an der Last anliegende Spannung gleich der Versorgungsspannung multipliziert mit dem Tastverhältnis. Die Funktion analogWrite erhält einen Wert zwischen 0 und 255, und das Tastverhältnis ist Wert / 255. Bei dem Wert 128 beträgt das Tastverhältnis beispielsweise 128 / 255, also etwa 50 %, und ein 12-V-LED-Streifen erhält im Mittel etwa 6 V. Pin D9 des Uno-Boards erzeugt PWM mit etwa 490 Hz, die Periodendauer beträgt also etwa 2 ms, eine für dieses Modul passende Frequenz.

Anschluss:

Der Aufbau verwendet ein Netzteil mit 12 VDC und mindestens 2 A, einen Hohlstecker-Adapter 5.5 x 2.1 mm mit Schraubklemmen und einen einfarbigen 12-V-LED-Streifen. Verbinden Sie alles bei getrennter Stromversorgung und schalten Sie das Netzteil zuletzt ein. Die beiden Klemmenblöcke sind mit + und - gekennzeichnet. Am Block + wird der Pluspol des Netzteils an die Schraube am Ende des Pfeils auf der Platine angeschlossen, und der Pluspol des Verbrauchers geht von der Schraube an der Spitze des Pfeils ab. Der Block - ist der gemeinsame Minuspol von Netzteil und Verbraucher. Ein Pegelwandler, Pull-up-Widerstände oder eine separate Versorgung für den Steuerteil sind nicht erforderlich.

Platine und Bibliotheken:

Wählen Sie in der Arduino IDE unter Tools > Board das Board Arduino Uno aus dem Paket Arduino AVR Boards, das bereits mit der Arduino IDE installiert wird. Das Programm verwendet nur die Grundfunktionen von Arduino, daher muss keine Bibliothek installiert werden.

Der Code:

Das Programm stellt nacheinander fünf Helligkeitsstufen ein, führt dann ein sanftes Aufdimmen und Abdimmen der Helligkeit durch und zeigt dabei auf dem seriellen Monitor an, was geschieht.

/*
  E-Switch MOSFET module with optoisolator (F5305S + PC817) - PWM brightness demo
  Board: Arduino Uno (Tools > Board > Arduino AVR Boards > Arduino Uno)
  Libraries: none, only the core Arduino functions are used.
  Wiring:
    Module IN+  -> Arduino Uno D9 (PWM, about 490 Hz)
    Module IN-  -> Arduino Uno GND
    Module + (screw 1) -> 12 VDC supply +
    Module - (screw 1) -> 12 VDC supply -
    Module + (screw 2) -> 12 V LED strip +12V
    Module - (screw 2) -> 12 V LED strip -
*/
const int MOSFET_PIN = 9;                          // PWM pin connected to IN+
const int LEVELS[] = {0, 64, 128, 192, 255};       // test brightness levels
const int NUM_LEVELS = sizeof(LEVELS) / sizeof(LEVELS[0]);
// Send a PWM value (0 - 255) to the module and print it
void setBrightness(int value) {
  analogWrite(MOSFET_PIN, value);                  // set the duty cycle
  Serial.print("Brightness level: ");
  Serial.print(value);
  Serial.print(" / 255 (");
  Serial.print(value * 100L / 255);                // convert to percent
  Serial.println(" %)");
}
void setup() {
  Serial.begin(9600);                              // start the serial monitor
  pinMode(MOSFET_PIN, OUTPUT);                     // control pin as output
  analogWrite(MOSFET_PIN, 0);                      // start with the load off
  Serial.println("E-Switch MOSFET module test (Arduino Uno, pin D9)");
}
void loop() {
  // Step through the fixed levels, two seconds each
  for (int i = 0; i < NUM_LEVELS; i++) {
    setBrightness(LEVELS[i]);
    delay(2000);
  }
  // Smooth fade up from 0 to 255
  Serial.println("Fade up...");
  for (int value = 0; value <= 255; value++) {
    analogWrite(MOSFET_PIN, value);
    delay(10);
  }
  // Smooth fade down from 255 to 0
  Serial.println("Fade down...");
  for (int value = 255; value >= 0; value--) {
    analogWrite(MOSFET_PIN, value);
    delay(10);
  }
  analogWrite(MOSFET_PIN, 0);                      // load off before repeating
  delay(1000);
}

So funktioniert der Code:

Die Konstante MOSFET_PIN hat den Wert 9 und gibt den PWM-Pin an, an dem IN+ angeschlossen ist. Das Feld LEVELS enthält die fünf Testwerte 0, 64, 128, 192 und 255, und NUM_LEVELS ist deren Anzahl.

In der Funktion setup wird die serielle Kommunikation mit 9600 Baud gestartet, der Pin MOSFET_PIN als Ausgang konfiguriert und der Wert 0 angelegt, damit die Last ausgeschaltet startet.

Die Funktion setBrightness erhält einen Wert zwischen 0 und 255, sendet ihn mit analogWrite an das Modul und gibt den Wert sowie den entsprechenden Prozentsatz aus.

In der Funktion loop durchläuft eine for-Schleife das Feld LEVELS und hält jede Stufe zwei Sekunden. Danach erhöhen zwei for-Schleifen den Wert von 0 auf 255 und verringern ihn wieder auf 0, mit 10 ms Pause zwischen den Schritten, was einen sanften Ein- und Ausschalteffekt ergibt. Nach einer Pause von einer Sekunde beginnt die Sequenz von vorn.

Ergebnis:

Öffnen Sie den seriellen Monitor mit 9600 Baud. Der LED-Streifen durchläuft die fünf Helligkeitsstufen, wird dann sanft eingeschaltet und wieder ausgeschaltet, und im Monitor erscheint ein Text ähnlich dem folgenden.

E-Switch MOSFET module test (Arduino Uno, pin D9)
Brightness level: 0 / 255 (0 %)
Brightness level: 64 / 255 (25 %)
Brightness level: 128 / 255 (50 %)
Brightness level: 192 / 255 (75 %)
Brightness level: 255 / 255 (100 %)
Fade up...
Fade down...
Brightness level: 0 / 255 (0 %)
Brightness level: 64 / 255 (25 %)
Brightness level: 128 / 255 (50 %)

Häufige Probleme:

Die Last bleibt ständig eingeschaltet. Die häufigste Ursache ist, dass Netzteil und Verbraucher entgegengesetzt zum Pfeil auf der Platine angeschlossen sind, sodass der Strom am MOSFET vorbeifließt. Schließen Sie das Netzteil an die Schraube am Ende des Pfeils und den Verbraucher an die Schraube an dessen Spitze an.

Die Last schaltet überhaupt nicht ein. Prüfen Sie, ob IN+ mit D9 und IN- mit GND verbunden ist, ob das 12-V-Netzteil eingeschaltet ist und ob der Minuspol des Netzteils und des Verbrauchers an der Klemme - liegt. Prüfen Sie außerdem, ob die Steuerspannung mindestens 3 V beträgt.

Die Helligkeit ändert sich nicht, der Streifen leuchtet nur voll. Prüfen Sie, ob das Signal an einem PWM-Pin liegt, der auf dem Uno-Board mit ~ gekennzeichnet ist, und ob im Code analogWrite und nicht digitalWrite verwendet wird.

Das Modul wird sehr heiß. Der Laststrom übersteigt 5 A ohne Kühlung. Verringern Sie die Last oder montieren Sie einen Kühlkörper und einen Lüfter.

Bei Motoren oder Pumpen treten Resets des Arduino-Boards oder instabiles Verhalten auf. Ein Motor erzeugt beim Abschalten Spannungsspitzen. Montieren Sie eine Schutzdiode parallel zur Last, mit der Kathode zum Pluspol, und verwenden Sie Leitungen mit passendem Querschnitt.

Einschränkungen und Tipps:

Das Modul schaltet nur Gleichstromlasten von 5 - 36 VDC und ist nicht für Wechselspannung geeignet. Die empfohlene Steuerspannung beträgt 3 - 20 VDC, und der Steuerstrom liegt bei etwa 5 mA. Bis 5 A ist keine Kühlung nötig. Mit Kühlkörper und Lüfter sind bis 22 A möglich, wobei die Temperatur des MOSFETs überwacht werden sollte.

Der Optokoppler begrenzt die nutzbare PWM-Frequenz. Die etwa 490 Hz an D9 sind daher passend, aber sehr schnelles PWM wird nicht empfohlen. Mit demselben Aufbau können Sie einen Dimmer für den LED-Streifen mit einem Potentiometer, einen Drehzahlregler für einen Gleichstrommotor oder einen von Sensoren gesteuerten Schalter für Pumpen und Magnetventile bauen.