Raspberry Pi + IRFZ44N zur Steuerung eines 5050-RGB-LED-Streifens: Strom scheint begrenzt zu sein

Einführung und allgemeine Frage: Skalierbarkeit

Ich habe eine sehr einfache Schaltung zusammengestellt, um einen RGB-LED-Streifen erfolgreich zu steuern. Ich habe es auch geschafft, den Ertrag leicht zu verbessern. Wenn ich jedoch versuche, auf eine größere Installation mit mehr LEDs und mehr Licht zu skalieren, scheitere ich. Dies sind die Schritte, die ich unternommen habe, und die Schaltung, die ich verwendet habe. Ich bin nur ein Bastler, Zeit für einen echten Ingenieur, mir eine Lektion zu erteilen und zu erklären, was mir fehlt, um dies auf mehr als einen einzelnen Streifen zu skalieren?

Schaltungsübersicht

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

  • Drei Kanäle, einer für jede Farbe
  • Jeder Kanal wird von einem GPIO-Pin auf dem Raspberry Pi gesteuert, der direkt mit dem Gate eines MOSFET verbunden ist
  • Der Drain jedes MOSFET ist direkt mit einem Farbkanal auf dem LED-Streifen verbunden
  • die Source jedes MOSFET ist mit Masse verbunden
  • Der +12-Anschluss des LED-Streifens ist direkt mit der +12-V-Stromversorgung verbunden
  • Die Masse der Stromversorgung ist mit Masse verbunden
  • Die Masse des Raspberry Pi ist mit der gleichen Masse verbunden

Sehr einfach. Zu schön um wahr zu sein? Es funktioniert, ich kann das Licht dimmen und seine Farbe steuern, aber...

Resultierende Stromaufnahme und Leuchtkraft

Als Referenz wurde beim Einschalten eines einzelnen Streifens direkt an der Wand ein Verbrauch von 61,3 W gemessen .

Die Stromversorgung von zwei Streifen direkt gemessen 99,4 W. Warum ein Verlust von 18,9 % und kann er gemildert werden?

Mit der Einzelstreifensteuerung und dem auf ON eingestellten Controller wurden 47,7 W gemessen . Warum ein Verlust von 22,2 % und kann er gemildert werden?

Mit zwei angesteuerten Strips und eingeschaltetem Controller gemessen 66,9 W . Das ist ein noch größerer Verlust von 29,9 % im Vergleich zum Single-Strip-Controlled und erstaunliche 58,49 % im Vergleich zum Single-Strip-Direct.

Ich habe die resultierende Leuchtkraft nicht gemessen und die Beziehung ist nicht linear, aber der Unterschied ist sichtbar genug, um darüber nachzudenken und zu sehen, ob es Verbesserungen gibt.

Hauptfragen

  • Sind solche Verluste normal?
  • Was sind die Erklärungen?
  • Kann ich (zumindest teilweise) mildern?

Materialien und spezifische Fragen

Stromversorgung

Für dieses Experiment versorge ich den Raspberry Pi unabhängig mit Strom und es gibt kein Problem mit dieser 5-V-Wandwarze. Irgendwann möchte ich es an die 5-V-Hauptstromversorgung des Projekts anschließen, aber das steht jetzt nicht zur Debatte.

Die Hauptstromversorgung des Projekts wurde unter perfekten Arbeitsbedingungen von einem DELL Vostro-PC gezogen. Auf seinem Aufkleber lese ich unter anderem folgende Bewertungen:

  • +12VA 16A max (also 192W )
  • +12 VB 18 A max (also 216 W )

Ich habe die +12 V vom Grafikkartenanschluss sowie die +12 V vom Festplattenanschluss verwendet, um genau die gleichen Ergebnisse zu erzielen. Das einzige wirklich skalierbare Szenario ist, wenn ich vier Streifen (was das Ziel ist) direkt mit Strom versorgen, zwei am Grafikkartenanschluss und zwei am Festplattenanschluss. Das Ergebnis ist, wie erwartet, ungefähr das Doppelte der Stromaufnahme, wenn nur zwei Streifen direkt von einem der Anschlüsse mit Strom versorgt werden.

  • Hat das Netzteil zwei Schienen (A und B)?
  • Woher weiß ich, welche Schiene ich benutze?
  • Macht es in diesem Zusammenhang einen Unterschied?

5050RGB-LED-Streifen

Billiges chinesisches Zeug von eBay. Kann seinen Spezifikationen nicht vertrauen. Ein ähnliches war Gegenstand dieser Frage . Es ist 5m / 16ft lang, mit insgesamt 300 LEDs. Ich habe die Leistungsaufnahme eines Streifens gemessen (nicht am Netzteil des Projekts, daher sind diese Wattzahlen nicht mit den anderen in dieser Frage vergleichbar):

  • 38,2 W bei Speisung von einem Ende
  • 45,4 W bei Speisung von beiden Enden
  • 45,5 W bei Speisung aus der Mitte

Ich entschied mich dafür, jeden Streifen von der Mitte aus zuzuführen und 4 Drähte entsprechend zu löten.

Verkabelung und Steckbrett

Ich bin mir des Spannungsabfalls bewusst und habe einen Taschenrechner verwendet. Zwei Streifen sind etwa 8 m von der Stromversorgung entfernt und ich verwende AWG 14-Draht, mit Ausnahme der letzten paar cm gelöteter Drähte, die wahrscheinlich AWG 20 sind. Ich habe den Draht wahrscheinlich überdimensioniert. Es gibt keinen sichtbaren Unterschied zwischen dem Anschluss in der Nähe der Stromversorgung oder dem Hinzufügen des 8-m-Kabels, und es gibt keine übermäßige Erwärmung an gelöteten, dünneren Drähten nach einigen Betriebsstunden.

Die MOSFETs befinden sich derzeit auf einem Steckbrett und es gibt ein kleines Problem mit Überhitzung am Anschluss des Erdungskabels des Netzteils an das Steckbrett, da die Steckbrettanschlüsse sehr dünne Stifte sind. Könnte die dünne Masseverbindung des Steckbretts ein Grund für den beobachteten Verlust sein, und würde er gemildert, wenn die Masseverbindung dicker ist?

MOSFETs

IRFZ44N . Die Kühlkörper werden warm, sind aber nach drei Stunden Dauerbetrieb bei maximaler Leistung noch anfassbar. Ich habe diese verwendet, weil ich sie von einem älteren, Arduino-basierten Projekt herumliegen hatte. Sie scheinen den Job zu machen.

Gibt es alternative MOSFETs, die für die Ansteuerung dieses Leistungsniveaus effizienter sind? Oder eine andere, effizientere Schaltung? Ich entschuldige mich für die sehr breite und offene Frage. Ich bin kein Ingenieur, nur ein Bastler, der offen und begierig darauf ist, von echten Ingenieuren zu lernen.

Himbeer-Pi

Nichts Besonderes zu berichten. Wenn ich nicht etwas wirklich Großes übersehe, kann ich nicht glauben, dass es einen Einfluss auf die Leistungsaufnahme hat?

Aktualisierung

Ich habe die akzeptierte Lösung implementiert und BC547B anstelle von 2N3904 verwendet. Ich habe den Raspberry Pi auch über die Standby-5-V-Spannung des ATX-Netzteils mit Strom versorgt. Die Installation ist heller und der Zug an der Wand kommt den Erwartungen näher:

  • Nur Raspberry Pi (Stromversorgung im Stand-by): 3W
  • Stromversorgung durch den Raspberry Pi eingeschaltet, keine Last (immer noch auf einen 5-V-1-A-Streifen warten, der im Schrank aufleuchtet): 13,7 W
  • ein LED-Streifen, volle Leistung: 56,0 W
  • zwei LED-Streifen bei 50 % Leistung: 48,7 W
  • zwei LED-Streifen bei 100 % Leistung: 84,0 W

Ich muss noch den dritten und vierten Streifen anschließen und einen Langzeittest durchführen, um auf Hitze zu prüfen, aber das Experiment ist schlüssig und das Beleuchtungssystem funktioniert.

Schaltplan? Sicher ist es einfach, aber trotzdem.
Oh, und der Irfz44N ist kein logischer Mosfet. Es schaltet sich kaum bei 3,3-V-Logik ein, das sind also 95% des Problems.
Danke für die schnelle Antwort, @Passerby. Wie kann ich einen Schaltplan zeichnen? Ich bin neu bei electronic.stackexchange.com und habe keine Ahnung, ob das möglich ist. Welche Alternative zu IRFZ44N würden Sie vorschlagen?
Es gibt ein schematisches Werkzeug im Bearbeitungsbereich. Was einen Ersatz betrifft, weiß ich nicht, dass jeder 3,3-V-Mosfet mit Logikpegel n auf Ihren Pegeln funktionieren sollte, oder eine Mosfet-Treiberschaltung, die ein einfacher npn-Transistor und ein paar Widerstände sein könnte.
@Passerby: Ich bin mir nicht sicher, ob mein Schaltplan korrekt ist, aber ich habe die ersten Schritte eines Zeichenwerkzeugs gelernt. Ich habe nach "Logic Level n Mosfet" gegoogelt und ein wenig über dieses Thema gelernt, aber ich habe noch keine Ahnung, wie ich eines auswählen soll?
Darüber gibt es ganze Bücher. Aber das Wichtigste ist, einen zu finden, der X Ampere bei Y-Gate-Spannung passieren kann. In diesem Fall 4+ Ampere bei 3 V. Oder ich verlinke auf eine andere identische Frage, in der ich eine einfache npn-basierte Mosfet-Treiberschaltung bereitgestellt habe, damit Sie morgen die vorhandenen Mosfets verwenden können
Und Ihr Schaltplan ist korrekt, es fehlen nur ein paar Beschriftungen. Meine erste Vermutung ist also richtig. Diese Mosfets schalten sich bei 3,3 V an ihrem Gate einfach nicht vollständig ein. Sie sind nur leicht eingeschaltet, haben also einen höheren Widerstand an der Drain Source als Ihre LED-Streifen mögen.
Freue mich über das Update. Beifall.
Ich habe Ihre Schaltung für meine 12-V-LED-Streifenanzeige ausprobiert. Sie funktioniert hervorragend, aber sie funktioniert nicht mit Cob-LED-Leuchten, die flackern. Ich verwende ein Cob-Netzteil mit 7 V-10 V bei 250 mA. Ihre Schaltung funktioniert, wenn ich den 10k-Widerstand entferne, aber der Transistor 2n222 heiß wird. Können Sie die beste Lösung vorschlagen, um meine Cob-LED zu dimmen?

Antworten (2)

Sie können sehen, dass sich der Mosfet nicht vollständig einschalten lässt. Das Datenblatt zeigt, dass der Spannungs-Gate-Source-Schwellenwert (V GS (TH) ) typisch 3 V und maximal 4 V beträgt. Das bedeutet, dass es auf dem 3,3-V-Pegel des RPI möglicherweise kaum funktioniert. Dieser Mosfet ist nicht gut für Anwendungen mit 3,3-V-Logikpegel geeignet. Bei 3,3 V wird der FET nicht einmal Bruchteile eines Ampere passieren.

Die 3,3-V-Logik des RPI schaltet den Mosfet nicht vollständig ein.

Wenn Sie bei diesem Mosfet bleiben möchten, können Sie einen einfachen NPN-Transistor als Treiber verwenden. Ein 2n3904 oder 2n2222 oder ähnliches. Es ist nicht kritisch, es ist nur ein Schalter. Die Logik wird umgekehrt, so dass auf dem RPi ein logisches High/3,3 V die LEDs ausschaltet.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Die Masse des RPI und die Masse der 12-V-Versorgung müssen ebenfalls miteinander verbunden werden. Wenn überhaupt, stellen Sie sicher, dass dies jetzt geschieht, da dies ein häufiger Fehler ist. Es könnte so einfach sein, es nicht richtig angeschlossen zu haben.

Andernfalls möchten Sie einen "Logic Level Mosfet" , einen mit einer V GS- Spannung von 3,3 V für 80% Ihrer Zielstromstärke.

Je nachdem, wie lang Ihre LED-Streifen sind, müssen Sie jedoch möglicherweise Ihre Stromversorgung anpassen. Stellen Sie sicher, dass der Strom vollständig auf Weiß (alle 3 Kanäle) um 10 bis 20 % unter der maximalen Amperezahl der Versorgung liegt.

Und wie Bruce fachmännisch erwähnt hat, ist ein Steckbrett bei hohen Strömen ein schlechter Leiter. Verwenden Sie richtig dimensionierte Kabel. Wahrscheinlich 18 AWG bei 5 Ampere.

Wie stelle ich ein PC-Netzteil ein? Die Wiederverwendung des P/S des PCs ist wirtschaftlich und ökologisch, da die meisten P/S die Nutzungsdauer eines PCs überdauern. Ich werde auf jeden Fall die MOSFETs tauschen. Ich habe auch ein bisschen mehr Zeichnen von dir gelernt, danke!
@yuv Das größte Problem bei einer ATX-Versorgung besteht darin, dass normalerweise eine angemessene Last auf der 5-V-Schiene erforderlich ist, um bei 5 V und 12 V stabil zu sein. Ein anständiger Leistungswiderstand auf der 5-V-Schiene wird benötigt, das ist alles. Sobald dies erledigt ist, ist die 12-V-Schiene von 0 Ampere bis fast 20+ stabil. Verwenden Sie einfach Kabel der richtigen Größe, um den Spannungsabfall zu reduzieren. Unterdimensionierte Kabel, oder wie die Steckbrettschiene, sind zu hochohmig für hohe Strombelastungen
Eine bessere Alternative für mosfet irfz44n ist IRLZ44N, ein MOSFET mit Logikpegel. Hoffe, dies trägt zu Ihrer Hilfe bei.

Beim Einschalten eines einzelnen Streifens wurden direkt an der Wand 61,3 W gemessen.

Die Stromversorgung von zwei Streifen direkt gemessen 99,4 W. Warum ein Verlust von 18,9 % und kann er gemildert werden?

PC-Netzteile sind in der Regel nicht gut darin, ihre Hilfsspannungen zu regeln. Messen Sie die 12V am Netzteil ohne Last, dann mit 1 und 2 angeschlossenen LED-Streifen. Wenn Sie sehen, dass der Spannungsabfall bei einer größeren Last erheblich abfällt, ist dies Teil Ihres Problems. Die Regulierung kann oft verbessert werden, indem 1~2A vom +5V- oder +3,3V-Ausgang gezogen werden.

Wenn Sie die Leistung „an der Wand“ mit einem AC-Wattmeter messen, beachten Sie, dass der Verbrauch des Netzteils höher ist als die Leistung, die es an die Last liefert, und das Verhältnis nicht genau linear ist. Für eine bessere Genauigkeit sollten Sie die DC-Volt und -Ampere messen, die aus dem Netzteil kommen.

IRFZ44N. Die Kühlkörper werden warm, sind aber noch anfassbar

Wenn Sie sich auf einem Kühlkörper bis zu dem Punkt erwärmen, an dem Sie „noch berührbar“ sind, deutet dies darauf hin, dass die MOSFETs nicht vollständig eingeschaltet werden. Ihr LED-Streifen zieht weniger als 5A. Der IRFZ44 hat einen typischen R dson von 0,02 Ω, wenn er richtig betrieben wird, was nur etwa 0,5 W Wärme erzeugen sollte. Aber das ist mit 10V Gate-Antrieb. Der Pi gibt nur 3,3 V aus, was kaum ausreicht, um den FET überhaupt einzuschalten, sodass sein Widerstand viel höher sein wird.

Um das Gate-Treiberproblem zu lösen, benötigen Sie einen Treiber, der das 3,3-V-Signal in 10 V oder höher umwandelt.

Könnte die dünne Masseverbindung des Steckbretts ein Grund für den beobachteten Verlust sein, und würde er gemildert, wenn die Masseverbindung dicker ist?

Ja! Vertrauen Sie niemals einem Steckbrett mit hohem Strom (sogar 1A ist für einige von ihnen zu viel).

Um genau herauszufinden, wo Sie Strom verlieren, messen Sie die Spannung an jeder Komponente im LED-Schaltkreis – einschließlich Drähten, Anschlüssen (Steckbrett) und FET. Beginnen Sie an einem Ende (z. B. Netzteil +) und arbeiten Sie sich um den Stromkreis herum, bis Sie zu ihm zurückkehren, und zeichnen Sie dabei jede Spannung auf. Alle diese Spannungen sollten sich zu Null addieren, dh. die Summe aller Spannungsabfälle der Komponenten sollte gleich der Versorgungsspannung sein. Dies wird Ihnen sagen, welche Bereiche Aufmerksamkeit benötigen.

Schöner Fang mit dem Steckbrett. Ich habe die Konzentration auf den untergetriebenen FET ignoriert.
Ich bin überrascht, dass es nicht schmilzt ...
Wie entnehme ich 1~2A aus dem +5V- oder +3,3V-Ausgang? Ja, meine Messungen sind alle mit einem AC-Wattmeter. Ich bin sowohl in der Ausstattung als auch im Budget begrenzt. Obwohl diese Antwort in Bezug auf den Prozess sehr hilfreich und detailliert ist, setzt sie ein Maß an Fachwissen voraus, das mir fehlt, daher habe ich die Antwort von @ Passerby akzeptiert.
2A * 5V = 10 Watt. 5V / 2A = 2,5 Ohm. Also ein 2,5 Ohm 10 Watt Leistungswiderstand. Wahrscheinlich Keramik. Sie sollten es gegen das Metall des Netzteils und/oder über einen Lüfter montieren.
@Yuv Ein billiges Digitalmultimeter ist alles, was Sie brauchen. Lernen Sie grundlegende Elektronik hier:- electronics-tutorials.ws/dccircuits/dcp_1.html
Nicht-Ingenieur-Perspektive: „draw“ = nehmen. Aber wo lege ich es hin? Ich stellte mir so etwas vor, wie diese 1~2A zu nehmen und sie den Lichtern hinzuzufügen. Jetzt verstehe ich, dass es nur "ziehen" und zerstreuen ist . Wenn ich bereits 10 W verschwenden muss, ist es dann nicht besser, eine kleine 10 W/5 V-LED-Leuchte im Gehäuse hinzuzufügen? etwas wie amazon.com/Qooltek-Portable-Reading-Eye-care-Orchestra/dp/… ?
Ja, das sollte auch funktionieren.
Anstatt 2-3 W Leistung zu verbrauchen, nur um das ATX-Netzteil stabil zu halten, empfehle ich Ihnen, ein SMPS zu kaufen, das für 12-V-LED-Streifen ausgelegt ist. Es wird effizienter sein. Es ist auch leise (diese Netzteile sind normalerweise lüfterlos unter 400 W).
Raspberry Pi + IRFZ44N zur Steuerung eines 5050-RGB-LED-Streifens: Strom scheint begrenzt zu sein
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