MOSFET HEXFET IRLB3034PBF, N-Kanal, 40V, 195A, TO-220AB

IRLB3034PBF ist ein N-Kanal-HEXFET-MOSFET im Gehäuse TO-220AB, ausgelegt für das Schalten großer Ströme bei Spannungen bis 40 V. Da er ein einfacher MOSFET ohne eigenen Controller ist, benötigt er einen Mikrocontroller, der sein Gate ansteuert. In diesem Tutorial verwenden wir den Arduino Uno R3, der über USB vom Computer versorgt wird, denn sein 5-V-Ausgang reicht aus, um den Transistor vollständig zu öffnen.

Wir verwenden ihn, um einen 12-V-LED-Streifen 5050 ein- und auszuschalten und die Helligkeit zu regeln. Der Streifen wird separat von einem 12-VDC-Netzteil über den DC-Hohlstecker-Adapter mit Anschlussklemmen versorgt. Dieselbe Schaltung lässt sich für Motoren, Pumpen, Magnetspulen oder Relais verwenden, wenn Spannung und Strom eingehalten werden.

Wie es funktioniert:

Ein N-Kanal-MOSFET verhält sich wie ein spannungsgesteuerter Schalter. Zwischen Drain (D) und Source (S) fließt der Strom oder nicht, je nach Spannung zwischen Gate (G) und Source (S), bezeichnet als VGS. Das Gate verbraucht im stationären Betrieb keinen Strom, sondern nur während der Schaltvorgänge, wenn seine Eingangskapazität geladen oder entladen wird.

IRLB3034PBF ist für die Ansteuerung mit Logikpegel optimiert. Die Schwellenspannung VGS(th) liegt zwischen 1.0 und 2.5 V, der Durchlasswiderstand RDS(on) beträgt maximal 2 mΩ bei VGS = 4.5 V und typisch 1.4 mΩ (maximal 1.7 mΩ) bei VGS = 10 V. Der 5-V-Ausgang des Arduino Uno öffnet ihn vollständig, daher ist kein Gate-Treiber nötig. Die maximale Gate-Spannung beträgt ±20 V, die maximale Drain-Source-Spannung 40 V.

Der Drainstrom beträgt 343 A, begrenzt durch das Silizium, und 195 A, begrenzt durch das Gehäuse. In der Praxis setzen die Anschlüsse des TO-220, die Drähte und die Kühlung die reale Grenze, daher werden bei großen Strömen Verkabelung und Kühlkörper separat berechnet. Für einen LED-Streifen von 1 m mit etwa 14.4 W bei 12 V beträgt der Strom 14.4 W / 12 V = 1.2 A. Die im Transistor verlorene Leistung ist P = I x I x RDS(on) = 1.2 x 1.2 x 0.002, also etwa 3 mW. Der Transistor bleibt daher kühl und benötigt keinen Kühlkörper. Der Wert von 14.4 W/m ist typisch, prüfen Sie daher die Angabe auf dem Etikett Ihres Streifens.

Die Helligkeitsregelung erfolgt über PWM. Pin D9 des Arduino Uno erzeugt ein Signal mit etwa 490 Hz, also einer Periodendauer von etwa 2 ms. Die Funktion analogWrite(9, Wert), mit Wert zwischen 0 und 255, legt fest, wie viel der Periode das Gate aktiv ist. Bei 128 beträgt das Tastverhältnis etwa 50 %. Der Streifen erhält dann die halbe Zeit Strom und scheint mit halber Helligkeit zu leuchten.

Der Widerstand R1 von 220 Ohm in Reihe mit dem Gate begrenzt den Ladestrom des Gates auf etwa 5 V / 220 Ohm = 23 mA, unter dem Grenzwert von 40 mA eines Arduino-Uno-Pins. Zusammen mit der Eingangskapazität von etwa 10.3 nF bildet R1 eine Zeitkonstante von etwa 2.3 Mikrosekunden, die gegenüber der PWM-Periode von etwa 2 ms vernachlässigbar ist. Der Widerstand R2 von 10 kOhm zwischen Gate und GND hält den Transistor gesperrt, solange die Platine zurückgesetzt wird oder Pin D9 undefiniert ist, damit der Streifen beim Einschalten nicht von selbst leuchtet.

Anschluss:

Versorgen Sie den Arduino Uno über das USB-Kabel vom Computer. Den LED-Streifen versorgen Sie separat von einem 12-VDC-Netzteil (mindestens 2 A für 1 m Streifen) über den DC-Hohlstecker-Adapter 5.5 x 2.1 mm mit Anschlussklemmen. Der Transistor schaltet den Minuspol des Streifens (Schalten auf der Masseseite, Low Side). Die Masse des Arduino und der Minuspol des 12-V-Netzteils müssen miteinander verbunden werden, sonst hat das Signal am Gate keine Bezugsmasse. Das Signal an D9 hat einen Logikpegel von 5 V, daher ist kein Pegelwandler nötig. Halten Sie den Transistor mit der beschrifteten Seite zu sich und den Anschlüssen nach unten, dann ist die Reihenfolge von links nach rechts G, D, S. Die Metallfläche ist mit dem Drain verbunden, lassen Sie sie daher nicht andere Metallteile oder Masse berühren.

Wenn Sie anstelle des LED-Streifens einen Motor, ein Relais oder eine Magnetspule ansteuern, setzen Sie eine Schutzdiode (zum Beispiel 1N5819 oder 1N4007) parallel zur Last, mit der Kathode zu +12 V. Ohne sie können die beim Abschalten entstehenden Spannungsspitzen 40 V überschreiten und den Transistor beschädigen.

Platine und Bibliotheken:

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

Der Code:

Das Programm durchläuft fünf feste Helligkeitsstufen. Danach erhöht und verringert es die Helligkeit des Streifens sanft und gibt jede Stufe im seriellen Monitor aus.

/*
  IRLB3034PBF MOSFET driving a 12 V LED strip with PWM
  Board: Arduino Uno (Tools > Board > Arduino AVR Boards > Arduino Uno)
  Libraries: none, the program uses only the core Arduino functions
  Wiring (TO-220AB, marked face toward you, leads down: G, D, S from left to right):
    Arduino D9  -> R1 220 ohm -> IRLB3034 G (Gate)
    IRLB3034 G  -> R2 10 kohm -> Arduino GND (pull-down)
    IRLB3034 D  -> LED strip minus (-)
    IRLB3034 S  -> DC jack adapter minus (-)
    Arduino GND -> DC jack adapter minus (-) (common ground)
    DC jack adapter plus (+) -> LED strip +12 V
    12 VDC power supply (minimum 2 A) -> DC jack adapter
*/
const uint8_t GATE_PIN = 9;                                       // PWM pin connected to the gate through R1
const uint8_t LEVELS[] = {0, 64, 128, 192, 255};                  // Brightness steps (0 - 255)
const uint8_t LEVEL_COUNT = sizeof(LEVELS) / sizeof(LEVELS[0]);   // Number of steps
// Apply a brightness value to the gate and print it as a percentage
void setBrightness(uint8_t value) {
  analogWrite(GATE_PIN, value);                                   // Set the PWM duty cycle
  uint8_t percent = (uint8_t)(((uint16_t)value * 100) / 255);     // Convert 0 - 255 to 0 - 100 %
  Serial.print(F("Brightness step: "));
  Serial.print(value);
  Serial.print(F(" ("));
  Serial.print(percent);
  Serial.println(F(" %)"));
}
void setup() {
  pinMode(GATE_PIN, OUTPUT);                                      // Gate pin is an output
  analogWrite(GATE_PIN, 0);                                       // Start with the strip off
  Serial.begin(9600);                                             // Start the serial monitor at 9600 baud
  Serial.println(F("IRLB3034 PWM test started on pin D9"));
}
void loop() {
  // Part 1: go through the fixed brightness steps
  for (uint8_t i = 0; i < LEVEL_COUNT; i++) {
    setBrightness(LEVELS[i]);                                     // Apply the current step
    delay(1500);                                                  // Keep it for 1.5 seconds
  }
  // Part 2: fade up smoothly
  Serial.println(F("Fade up"));
  for (int value = 0; value <= 255; value += 5) {
    analogWrite(GATE_PIN, value);                                 // Increase the duty cycle
    delay(20);                                                    // Short pause between steps
  }
  // Part 3: fade down smoothly
  Serial.println(F("Fade down"));
  for (int value = 255; value >= 0; value -= 5) {
    analogWrite(GATE_PIN, value);                                 // Decrease the duty cycle
    delay(20);                                                    // Short pause between steps
  }
}

Wie der Code funktioniert:

Die Konstante GATE_PIN legt den Pin D9 fest, der das Gate über R1 ansteuert. Das Array LEVELS enthält die fünf Helligkeitsstufen (0, 64, 128, 192 und 255), und LEVEL_COUNT ist deren Anzahl, die automatisch aus der Größe des Arrays berechnet wird.

In setup() wird GATE_PIN mit pinMode() als Ausgang konfiguriert und mit analogWrite(GATE_PIN, 0) gestartet, sodass der Streifen aus ist. Danach wird die serielle Schnittstelle mit 9600 Baud geöffnet und eine Startmeldung ausgegeben.

In loop() durchläuft der erste Teil die Stufen aus LEVELS. Für jede Stufe wird setBrightness() aufgerufen, das den Wert mit analogWrite() anwendet, den Prozentwert berechnet und ausgibt. Danach wird 1.5 Sekunden gewartet.

Der zweite Teil erhöht die Helligkeit von 0 auf 255 und verringert sie in Schritten von 5 wieder auf 0, mit 20 ms Pause zwischen den Schritten. Das ergibt einen sanften Auf- und Abblendeffekt. Bei dem Wert 0 bleibt das Gate auf 0 V, bei 255 liegt es dauerhaft auf 5 V.

Ergebnis:

Öffnen Sie den seriellen Monitor mit 9600 Baud. Bei jeder Stufe ändert der Streifen seine Helligkeit, und die Meldungen unten erscheinen in der Reihenfolge, gefolgt vom sanften Auf- und Abblenden des Streifens. Im Monitor werden nur die festen Stufen angezeigt.

IRLB3034 PWM test started on pin D9
Brightness step: 0 (0 %)
Brightness step: 64 (25 %)
Brightness step: 128 (50 %)
Brightness step: 192 (75 %)
Brightness step: 255 (100 %)
Fade up
Fade down
Brightness step: 0 (0 %)
Brightness step: 64 (25 %)
Brightness step: 128 (50 %)

Häufige Probleme:

Der Streifen bleibt bei jedem Wert aus. Die häufigste Ursache ist eine fehlende gemeinsame Masse oder eine falsche Pinbelegung. Prüfen Sie, ob GND des Arduino mit dem Minuspol des DC-Hohlstecker-Adapters verbunden ist und ob die Anschlüsse von links nach rechts G, D, S lauten, wenn die beschriftete Seite zu Ihnen zeigt.

Der Streifen leuchtet dauerhaft, auch bei dem Wert 0. Das Gate kann undefiniert sein, wenn R2 fehlt oder nicht an GND angeschlossen ist. Ebenso kann der Transistor mit vertauschtem Drain und Source montiert sein, sodass die interne Diode den Strom leitet. Prüfen Sie R2 und die Pinbelegung.

Auf dem seriellen Monitor erscheint nichts. Prüfen Sie, ob die Geschwindigkeit des seriellen Monitors auf 9600 Baud eingestellt ist und ob der Arduino Uno unter Tools > Board und Tools > Port korrekt ausgewählt ist.

Der Transistor wird warm. Bei einem Streifen mit 1.2 A sollte er nicht warm werden. Wenn er warm wird, verbraucht die Last weit mehr als berechnet, oder das Gate erhält nicht 5 V, etwa wegen eines schwachen Kabels. Messen Sie die Spannung zwischen G und S im leitenden Zustand.

Die Arduino-Platine startet neu oder verhält sich bei der Ansteuerung eines Motors oder Relais seltsam. Die Spannungsspitzen beim Abschalten der induktiven Last stören die Schaltung. Montieren Sie die Schutzdiode parallel zur Last, mit der Kathode zu +12 V.

Der Streifen flackert bei kleinen PWM-Werten. Bei kleinen Tastverhältnissen ist der mittlere Strom sehr klein, und jedes Rauschen wird sichtbar. Prüfen Sie die Verbindungen und verwenden Sie kurze Kabel für das Steuersignal.

Einschränkungen und Tipps:

Die maximale Drain-Source-Spannung beträgt 40 V, daher wird der Transistor nicht direkt an Netzspannung oder an Spannungen über 40 V verwendet. Am Gate dürfen ±20 V nicht überschritten werden. Der Strom von 195 A ist ein Katalogwert des Gehäuses. In realen Anwendungen bestimmen die Anschlüsse des TO-220, die Drahtstärke und die Kühlung die Grenze. Für Ströme in der Größenordnung von zehn Ampere verwenden Sie daher dicke Kabel, gute Lötstellen und einen Kühlkörper.

Die Schaltung in diesem Tutorial schaltet den Minuspol der Last. Zum Schalten des Pluspols benötigen Sie einen P-Kanal-MOSFET oder einen dedizierten Treiber. Der Arduino Uno steuert das Gate mit 5 V, bei denen der RDS(on) maximal 2 mΩ beträgt. Bei einer Ansteuerung mit 3.3 V ist der Durchlasswiderstand nicht garantiert und muss an der realen Schaltung geprüft werden.

Außerdem können Sie mit derselben Schaltung eine Pumpe, einen Lüfter, einen kleinen Motor mit Schutzdiode oder mehrere LED-Streifen parallel steuern, jeweils mit einem eigenen Transistor für jeden Farbkanal.