MOSFET STP55NF06 P55NF06, N-Kanal, 60V, 50A, TO-220

Der MOSFET-Transistor STP55NF06 (Markierung P55NF06) ist ein Leistungstransistor mit N-Kanal im Gehäuse TO-220, für Spannungen bis 60 V und Dauerstrom bis 50 A. In Projekten verwenden wir ihn als elektronischen Schalter, der von einem Logiksignal gesteuert wird. Er kann LED-Streifen, kleine Motoren, Magnetventile, Lampen oder 12-V-Relais ein- und ausschalten, und wenn das Steuersignal PWM ist, kann er auch die Helligkeit oder die Drehzahl regeln.

In diesem Tutorial verwenden wir das Arduino Uno R3 Board, das das PWM-Signal am Pin D9 liefert, und steuern einen LED-Streifen von 12 V. Der Transistor sitzt auf der Masseseite der Last (Low-Side-Schalter), und die 12-V-Versorgung kommt von einem separaten Netzteil.

So funktioniert es:

Der MOSFET hat drei Anschlüsse: Gate (Gate), Drain (Drain) und Source (Source). Zwischen Drain und Source fließt der Laststrom nur dann, wenn die Spannung zwischen Gate und Source (VGS) die Schwellenspannung zum Öffnen überschreitet. Das Gate nimmt keinen Dauerstrom auf, sondern wird nur wie ein kleiner Kondensator geladen und entladen, deshalb reicht ein Arduino-Pin aus, um wesentlich größere Lasten zu steuern.

Die Schwelle VGS(th) des STP55NF06 liegt zwischen 2 V und 4 V, typisch bei 3 V. Der Durchlasswiderstand RDS(on) beträgt typisch 0.015 Ohm und maximal 0.018 Ohm, ist jedoch nur für VGS = 10 V garantiert. Der Arduino Uno liefert am Ausgang 5 V, daher öffnet der Transistor zwar, aber nicht vollständig. Aus diesem Grund verwenden wir im Tutorial eine bescheidene Last von etwa 1.5 A, bei der die Erwärmung vernachlässigbar bleibt. Für größere Ströme steuert man das Gate mit 10 - 12 V über eine Treiberschaltung an oder wählt eine Logic-Level-Variante, zum Beispiel den STP55NF06L.

Die im Transistor umgesetzte Verlustleistung schätzt man mit der Formel P = I x I x RDS(on). Für 1.5 A und 0.018 Ohm ergibt sich P = 1.5 x 1.5 x 0.018, also etwa 0.04 W. Das ist ein Richtwert, berechnet für 10 V am Gate, bei 5 V ist der reale Widerstand größer. Übersteigt die Verlustleistung etwa 1 W, sollten Sie einen Kühlkörper anbringen.

Der Widerstand von 220 Ohm in Serie zum Gate begrenzt den Ladestrom der Eingangskapazität von etwa 1.3 nF (Ciss typisch 1300 pF), wenn der Pin D9 plötzlich auf HIGH wechselt. Der Spitzenstrom beträgt höchstens 5 V / 220 Ohm, also etwa 23 mA, und liegt damit innerhalb der Grenzen des Pins. Die Zeitkonstante ist 220 Ohm x 1.3 nF, also etwa 0.29 Mikrosekunden, deutlich kleiner als die PWM-Periode von etwa 2 ms (die Standardfrequenz des Pins D9 beträgt etwa 490 Hz). Der Widerstand von 10 kOhm zwischen Gate und GND hält den Transistor gesperrt, während der Arduino zurückgesetzt wird oder startet und der Pin noch in einem undefinierten Zustand ist.

Die Funktion analogWrite(pin, wert) akzeptiert Werte zwischen 0 und 255. Das Tastverhältnis ist wert / 255, zum Beispiel bedeutet 128 etwa 50 %. Der Streifen erhält im Mittel denselben Anteil der 12-V-Spannung und leuchtet dadurch proportional schwächer oder stärker.

Anschluss:

Die Pins zählt man, wenn man den Transistor mit der beschrifteten Seite zu sich und den Anschlüssen nach unten betrachtet, von links nach rechts: 1 = Gate, 2 = Drain, 3 = Source. Die metallische Rückseite ist elektrisch mit Drain verbunden, hat also die Spannung der Last, wenn diese ausgeschaltet ist. Lassen Sie sie nicht andere metallische Teile berühren. Der Arduino Uno wird über USB vom Computer versorgt, und der LED-Streifen wird vom 12-VDC-Netzteil mit mindestens 2 A gespeist, das an einen Hohlstecker-Adapter 5.5 x 2.1 mm mit Schraubklemmen angeschlossen ist. Die Massen der beiden Versorgungen müssen miteinander verbunden werden.

Die Steuerspannung beträgt 5 V (Logik des Arduino Uno), daher ist kein Pegelwandler nötig. Legen Sie nicht mehr als 20 V an das Gate an, das ist der absolute Maximalwert des Transistors. Steuern Sie statt des LED-Streifens eine induktive Last (Motor, Magnetventil, Relais) an, dann montieren Sie parallel zur Last eine Schutzdiode 1N4007 oder 1N5819, mit der Kathode an +12 V.

Board und Bibliotheken:

Wählen Sie in der Arduino IDE das Board Arduino Uno über das Menü Werkzeuge > Board > Arduino AVR Boards aus. Das Paket Arduino AVR Boards ist bereits in der Arduino IDE enthalten, muss also nicht separat installiert werden. Das Programm verwendet nur die Grundfunktionen des Arduino, daher muss keine Bibliothek installiert werden.

Der Code:

Das Programm erhöht das PWM-Tastverhältnis am Pin D9 schrittweise von 0 auf 255, hält den Streifen vollständig eingeschaltet, schaltet ihn dann schrittweise aus und wiederholt den Zyklus, wobei es die Stufe im seriellen Monitor anzeigt.

/*
  STP55NF06 (P55NF06) PWM low-side switch test
  Board: Arduino Uno (Tools > Board > Arduino AVR Boards, package "Arduino AVR Boards")
  Libraries: none, the program uses only the core Arduino functions.
  Wiring:
    Arduino D9  -> R1 220 ohm -> MOSFET Gate (pin 1)
    MOSFET Gate (pin 1) -> R2 10 kohm -> Arduino GND (pull-down)
    MOSFET Drain (pin 2) -> LED strip GND (minus)
    MOSFET Source (pin 3) -> minus of the DC jack adapter
    Arduino GND -> minus of the DC jack adapter (common ground)
    Plus of the DC jack adapter (12 VDC, min. 2 A) -> LED strip +12V
  The Arduino is powered from the PC through USB.
*/
const uint8_t GATE_PIN = 9;                  // PWM pin that drives the MOSFET gate through R1
const unsigned long STEP_DELAY_MS = 20;      // Delay between two brightness steps
const unsigned long HOLD_DELAY_MS = 1500;    // Time spent fully on and fully off
// Set the PWM level (0 - 255) and print it every 25 steps
void setLevel(int level) {
  analogWrite(GATE_PIN, level);              // Output the PWM signal to the gate
  if (level % 25 == 0) {
    int percent = (level * 100L) / 255;      // Duty cycle in percent
    Serial.print("Gate level: ");
    Serial.print(level);
    Serial.print(" / 255 (duty ");
    Serial.print(percent);
    Serial.println(" %)");
  }
}
void setup() {
  Serial.begin(9600);                        // Start the serial monitor at 9600 baud
  pinMode(GATE_PIN, OUTPUT);                 // Gate pin is an output
  analogWrite(GATE_PIN, 0);                  // Start with the MOSFET off
  Serial.println("STP55NF06 PWM test started");
}
void loop() {
  Serial.println("Fading up");
  for (int level = 0; level <= 255; level += 5) {   // Ramp up from off to full on
    setLevel(level);
    delay(STEP_DELAY_MS);
  }
  delay(HOLD_DELAY_MS);                      // Stay fully on
  Serial.println("Fading down");
  for (int level = 255; level >= 0; level -= 5) {   // Ramp down from full on to off
    setLevel(level);
    delay(STEP_DELAY_MS);
  }
  delay(HOLD_DELAY_MS);                      // Stay fully off
}

So funktioniert der Code:

Zu Beginn definieren wir die Konstante GATE_PIN mit dem Wert 9, dem PWM-Pin, der das Gate über R1 steuert. Die Konstanten STEP_DELAY_MS (20 ms) und HOLD_DELAY_MS (1500 ms) legen fest, wie schnell sich die Helligkeit ändert und wie lange der Streifen vollständig eingeschaltet oder vollständig ausgeschaltet bleibt.

Die Funktion setLevel(level) schreibt den PWM-Wert mit analogWrite auf den Pin und berechnet bei jedem Vielfachen von 25 das Tastverhältnis in Prozent (level * 100L) / 255 und zeigt es im seriellen Monitor an.

In setup() starten wir die serielle Kommunikation mit 9600 Baud, konfigurieren GATE_PIN als Ausgang und setzen ihn auf 0, damit der Transistor gesperrt startet. In loop() erhöht eine for-Schleife level von 0 bis 255 mit der Schrittweite 5, wartet HOLD_DELAY_MS, danach verringert eine zweite for-Schleife den Wert von 255 auf 0 und wartet erneut HOLD_DELAY_MS.

Ergebnis:

Öffnen Sie den seriellen Monitor mit 9600 Baud. Der LED-Streifen soll sich allmählich einschalten, 1.5 Sekunden lang vollständig leuchten und sich dann allmählich ausschalten, und im Monitor erscheinen die Meldungen unten.

STP55NF06 PWM test started
Fading up
Gate level: 0 / 255 (duty 0 %)
Gate level: 25 / 255 (duty 9 %)
Gate level: 50 / 255 (duty 19 %)
Gate level: 75 / 255 (duty 29 %)
Gate level: 100 / 255 (duty 39 %)
Gate level: 125 / 255 (duty 49 %)
Gate level: 150 / 255 (duty 58 %)
Gate level: 175 / 255 (duty 68 %)
Gate level: 200 / 255 (duty 78 %)
Gate level: 225 / 255 (duty 88 %)

Häufige Probleme:

Der Streifen leuchtet überhaupt nicht. Die übliche Ursache ist eine falsche Pinreihenfolge. Prüfen Sie, ob Gate Pin 1, Drain Pin 2 und Source Pin 3 ist, wenn Sie den Transistor mit der beschrifteten Seite zu sich und den Anschlüssen nach unten betrachten, und ob das 12-V-Netzteil angeschlossen ist.

Der Streifen leuchtet schwach, selbst bei dem Wert 255. Bei 5 V am Gate ist der Transistor nicht vollständig geöffnet, und sein Widerstand ist größer als der für 10 V angegebene Wert von 0.018 Ohm. Prüfen Sie, dass die Last etwa 1.5 A nicht überschreitet, und verwenden Sie für große Lasten einen Gate-Treiber mit 10 - 12 V oder eine Logic-Level-Variante.

Der Streifen bleibt beim Start eingeschaltet oder flackert beim Zurücksetzen der Platine. Der Widerstand R2 von 10 kOhm zwischen Gate und GND fehlt oder hat einen schlechten Kontakt. Prüfen Sie ihn.

Nichts funktioniert, obwohl die Verbindungen korrekt aussehen. Die Masse des Arduino-Boards ist nicht mit dem Minus des 12-V-Netzteils verbunden. Ohne gemeinsame Masse hat das Signal am Gate keine Referenz zu Source.

Der Transistor wird heiß. Die Last ist zu groß für die Steuerung mit 5 V, oder es fehlt ein Kühlkörper. Verringern Sie den Strom oder montieren Sie einen Kühlkörper auf der metallischen Rückseite.

Im seriellen Monitor erscheint nichts. Prüfen Sie die Geschwindigkeit von 9600 Baud und den ausgewählten Port unter Werkzeuge > Port.

Einschränkungen und Tipps:

Der STP55NF06 ist kein Logic-Level-MOSFET. Die Werte von 60 V und 50 A sind Maximalgrenzen, und bei der Steuerung mit 5 V arbeitet man in der Praxis mit deutlich kleineren Lasten. Die maximale Spannung zwischen Gate und Source beträgt 20 V, und der tatsächlich zulässige Strom hängt auch von der Kühlung ab, denn der Wärmewiderstand Sperrschicht-Umgebung beträgt ohne Kühlkörper 62.5 °C/W.

Die Standard-PWM-Frequenz des Pins D9 beträgt etwa 490 Hz und ist für LED-Streifen und kleine Motoren geeignet. Für eine leistungsstärkere Schaltung verwenden Sie einen mit 10 - 12 V versorgten Gate-Treiber, und bei induktiven Lasten bauen Sie immer eine Schutzdiode ein. In derselben Schaltung können Sie einen Gleichstrommotor, ein Magnetventil oder eine 12-V-Lampe steuern.