Bauteilfrage: RGB LED Streifen über RPi steuern

[Freezedevil]

Hi,

wie im Thema angedeutet, möchte ich einen kürzlich erworbenen LED Streifen von meinem Pi aus steuern. Softwareseitig ist das für mich auch kein Problem, aber von E-Technik hab ich praktisch gar keine Ahnung und daher wollte ich mich, was das angeht, erstmal informieren. Ich hoffe ihr könnt mir helfen.

Mein Pi ist noch einer der ersten Serie und hat dieses 26-Pin-Layout https://elinux.org/images/8/80/Pi-GPIO-header-26-sm.png
Mein LED Streifen ist dieser hier https://www.amazon.de/gp/product/B075NYGQ7N/ref=oh_aui_detailpage_o00_s00?ie=UTF8&psc=1 (operiert mit 5V)
Die Schaltung hab ich mir ungefähr wie im ersten Bild im folgenden Link vorgestellt https://learn.adafruit.com/rgb-led-strips/usage

Der Streifen wird, so wie er aus der Kiste kommt, per USB mit Strom versorgt und die 2m leuchten auch wenn ich sie an den USB-Port meines Pis hänge. Daraus schlussfolgere ich, dass das Netzteil genug Strom für den Pi und die LEDs liefert und ich somit nicht irgendwie noch ein separates für den Strip brauche. Ich gehe desweiteren davon aus, dass der Pi über die beiden 5V Pins (Pin 2 und 4) den gleichen Strom liefern kann wie über USB und ich die Schaltung daher wie im Beispiel bauen kann (nur dass es bei mir eben 5V statt 9V sind).

Falls die Annahmen soweit alle korrekt sind (bis hier hin bin ich eigentlich noch ganz zuversichtlich), stellt sich als nächstes die Frage welche Transistoren ich brauche - sprich auf welche Kennzahlen ich achten muss.

Beispielsweise möchte ich wissen, ob dieser geeignet ist:
https://www.conrad.de/de/mosfet-fai...11-nr4941-1-n-kanal-75-w-to-220-3-151334.html

Achtung! Für Leute mit Ahnung besteht ab jetzt evtl. die Gefahr heftig mit dem Kopf auf der Tischplatte einzuschlagen. Weiterlesen auf eigene Gefahr.

Was ich glaube, was für mich relevant ist hab ich kommentiert bzw. mit Fragezeichen versehen, wenn ich keine Ahnung hab was es ist.
[table="width: 500, class: grid"]
[TR]
[TD]Typ[/TD]
[TD]BUZ11-NR4941 [/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Gehäuse[/TD]
[TD]TO-220-3 [/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Hersteller[/TD]
[TD]Fairchild Semiconductor [/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Herst.-Abk.[/TD]
[TD]FSC [/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Ausführung[/TD]
[TD]N-Kanal [/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]I(d)[/TD]
[TD]30 A[/TD]
[TD]Das ist der maximale Strom, den mein LED Streifen verbrauchen dürfte. Also der Strom von Source->Drain.[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]U[/TD]
[TD]50 V[/TD]
[TD]Max. Spannung über Source und Drain.[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Ptot[/TD]
[TD]75 W[/TD]
[TD]Gesamtleistung aber was genau bedeutet das?[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]R(DS)(on)[/TD]
[TD]40 mΩ[/TD]
[TD]Restwiederstand wenn der Transistor "an" ist.[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]R(DS)(on) Referenz-Strom[/TD]
[TD]15 A[/TD]
[TD]?[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]R(DS)(on) Referenz-Spannung[/TD]
[TD]10 V[/TD]
[TD]?[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]U(GS)(th) max.[/TD]
[TD]4 V[/TD]
[TD]Maximale Spannung am Gate.[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]U(GS)(th) Referenz-Strom max.[/TD]
[TD]1 mA[/TD]
[TD]Maximaler Strom, der über das Gate fließt.[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]C(ISS)[/TD]
[TD]2000 pF[/TD]
[TD]?[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]C(ISS) Referenz-Spannung[/TD]
[TD]25 V[/TD]
[TD]?[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Betriebstemperatur (min.)[/TD]
[TD]-55 °C[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Montageart[/TD]
[TD]Durchführungsloch [/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Betriebstemperatur (max.)[/TD]
[TD]+150 °C[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Transistor-Merkmal[/TD]
[TD]Standard [/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]U(DSS)[/TD]
[TD]50 V[/TD]
[TD]?[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Kategorie[/TD]
[TD]MOSFET [/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Kanäle[/TD]
[TD]1 [/TD]
[TD]?[/TD]
[/TR]
[/table]

Könnt ihr meine Annahmen ggf. korrigieren und die Fragezeichen erklären?
Außerdem wüsste ich gern was ich jetzt anhand der Specs berechnen muss, um zu entscheiden, ob der Transistor für mich geeignet ist. Außerdem sind manche/viele/alle(?) Specs denke ich temperaturabhängig. Ist das für meine Anwendung relevant oder sind die Werte im angegebenen Temperaturbereich -55° bis +150° praktisch konstant?

Die GPIO Pins am Pi haben nachdem was ich gelesen hab 3,3V und max 50mA.

Ich bedanke mich schonmal für eure Hilfe und glaube, dass das für jemand der in der Materie steckt eigentlich kein Problem ist.

Grüße

 

[desmoule]

Du kannst nicht sicher sein daß über die 5V GPIO Pins 1A laufen darf wie über die USB Schnittstelle!
Warum willst du den Strip nicht via USB mit Spannung versorgen?

Der MOSFET kann maximal 30A und 50V schalten. Aber das Produkt von beiden darf nicht höher als 75 sein: Volt mal Ampere = Watt. Also 30A ja, aber nur bei maximal 2.5V
Der Rest ist imho irrelevant für dein Vorhaben. Da du USB-Limit bedingt nur 5W gesamt für 3 MOSFETs zusammen nutzen kannst, sollte auch keine extra Kühlung notwendig sein.

 

[Freezedevil]

Danke für deine Hilfe.

Du kannst nicht sicher sein daß über die 5V GPIO Pins 1A laufen darf wie über die USB Schnittstelle!

Meinem Verständnis nach sollte das gehen. Die 5V sind ja keine GPIO Pins, sprich nicht steuerbar. Alles was über den Chip fließt und steuerbar ist, hat nur 3,3V bei max. 50mA.

How much current can the 3.3V pin on the expansion header supply
The Pi 3.3V rail is widely assumed to provide 50mA, but this is not officially documented for recent Pi models. The original Pi has an on-board linear regulator which was limited, but the B+ and later have a switch mode regulator which can supply more. The regulator chip (which supplies both 3.3V and 1.8V) is rated at 1A.

Tests by a member indicate up to 800mA can be used - subject to an adequate power supply.

Electrical Specifications of GPIO for best estimates of GPIO limits.

How much current can the 5V pins supply
There is no simple answer to this. You can roughly calculate;
min of polyfuse rating (2.5A for PI3) and power supply rating,
less the current required by the Pi itself (~750mA for Pi3, although this will increase for heavy use),
less USB peripheral current,
less Camera Module (~250mA if fitted),
less HDMI port (~50mA),
less Display (if fitted),
less 3.3V current supplied to external devices (including GPIO).

Für mich ließt sich das als würde da direkt der Strom vom Netzteil (abzüglich sämtlicher sonstiger Verbraucher) zur Verfügung stehen oder?

Warum willst du den Strip nicht via USB mit Spannung versorgen?

Meinst du ein USB Kabel an den Port hängen, aufschneiden und von dort die stromführenden Leitungen nehmen? Daran hab ich ehrlich gesagt gar nicht gedacht. Wenn meine Einschätzung zu den 5V Pins korrekt ist, würde ich trotzdem lieber bei den Pins bleiben. Die Idee ist aber auf jeden Fall auch gut.

Der MOSFET kann maximal 30A und 50V schalten. Aber das Produkt von beiden darf nicht höher als 75 sein: Volt mal Ampere = Watt. Also 30A ja, aber nur bei maximal 2.5V

Ok, das war schon hilfreich. Es muss aber noch andere relevante Kennzahlen geben. Dabei denke ich an:

• die nötige Spannung zum Schalten des MOSFET
• der nötige Strom zum Schalten des MOSFET
• der Widerstand. Klein genug wenn "an" und groß genug wenn "aus".

In der Realität ist das ja auch nicht so schön digital an/aus wie ich es in meiner Informatikerwelt gern hätte. Wenn ich richtig liege ist der Widerstand doch eine vom Strom (übers Gate) abhängige Kurve. Man muss sich also schon sicher sein da genug Saft zu haben.

Ich hatte auch schonmal was gelesen wo es irgendwie um C, Strom und Schaltzeit ging. Da war ich aber ziemlich verloren .

Wenn es zu dieser Thematik noch Erläuterungen gibt, wäre ich sehr froh.

 

[desmoule]

min of polyfuse rating (2.5A for PI3)

Das hört sich für mich an wie "2.5A max abzüglich der anderen Verbraucher". Wegen "polyfuse" die bei 2.5A greift. Du hast ja keinen Pi3, ein Pi1 könnte/dürfte weniger haben.
Löten musst du sowieso, wieso lötest du dir nicht einen Stecker der die LED Leiste direkt vom 5V Netzteil betreibt. Das kannst du als 2A oder mehr Version billig kaufen.

Maximale Spannung an Gate, Maximaler Strom an Gate. Das wären wohl die Kennzahlen für das Schalten. Ich würde es einfach ausprobieren, mit Vorwiderstand am Gate damit nix durchbrennt, einer normalen LED als richtig oldschool Last, mit einem Multimeter.
Selbst wenn du was kaputt machst, es sind Pfennigbeträge dann.

Der MOSFET ist so schnell im schalten, das merkst du nicht Was ist die Frequenz deines PWM Signals? So ein MOSFET geht locker in den Kilohertz Bereich.

 

[Freezedevil]

Wenn man den Strom vom USB, oder wie zuletzt vorgeschlagen direkt vom Netzteil, nimmt, hat man ja gewissermaßen zwei Kabelstränge - für den Strom und die Steuerung. Mir gefällt es besser wenn man alles an einer Stelle abziehen könnte. Falls die Pins zu wenig Strom liefern ist das schlimmste doch, dass die LEDs nicht leuchten und nicht dass mir irgendwas durchbrennt wenn, wie in dem Fall, ein zu starker Verbraucher dranhängt oder?

Mit dem Ausprobieren ist das so eine Sache wenn man keine Ahnung hat. Wenn ich irgendwas zusammenlöte und dann feststelle, dass es nicht geht bin ich nicht wirklich schlauer, da ich dann höchstwahrscheinlich keinen Schimmer hab woran es liegt. Daher würde ich das gern vorher theoretisch soweit klären, dass ich davon überzeugt bin, dass es geht.

Zur PWM Frequenz kann ich jetzt aus dem Stegreif nichts sagen. Das hab ich erstmal in die Softwareecke geschoben und mich nicht zu sehr mit beschäftigt, da ich mir um diesen Bereich keinerlei Sorgen mache. Alles was ich bisher dazu weiß ist, dass der Pi wohl nur ein Hardware-PWM-Pin hat und man deshalb per Software PWM simulieren muss. Dafür gibts Libs und nachdem was ich gelesen hab reicht die SW-Genauigkeit aus, um die Helligkeit von LEDs zu steuern.

 

[foxio]

Für 3.3V ist der Mosfet eher nicht geeignet. Schau bitte die Kennlinien an. Es gibt nicht einmal eine Kennlinie für 3.3V V_GS (siehe Figure 5).
U(GS)(th) max. 4 V Maximale Spannung am Gate.
-> Nein, das ist die Threshold Voltage, ab der der Mosfet leitend wird. Eine Threshold Voltage von 4V ist eigentlich nicht das, was du möchtest.

 

[Freezedevil]

Ok, das ist gut zu wissen. Den MOSFET im Beispiel hab ich ziemlich wahllos ausgesucht um die Specs mal durchzusprechen.

 

[Kanibal]

Für deine Anwendung ist evtl. der IRLZ34N interessant - der ist billig und hat ein Logic-Level-Gate. Du musst aber etwas mit dem Gate-Widerstand aufpassen, sonst schießt Du dir wahlweise den Raspi (Widerstand zu klein) oder den MOSFET (Widerstand zu groß).

 

[Freezedevil]

Kannst du das bitte nochmal etwas ausführlicher erklären? Vor allem wie ich feststellen kann was zu klein und was zu groß ist.

 

[Kanibal]

Siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Gate-Treiber#Motivation, insbesondere der letzte Absatz des Kapitels.
Ich würde mal gucken, ob nicht der normale Leitungswiderstand schon reicht, insbesondere wenn deine Schaltfrequenz gering ist (im Bereich von wenigen kHz). Ansonsten halt nen 5-10 Ohm Widerstand dazupacken.

 

[Freezedevil]

Danke, der Link war sehr hilfreich!