TIP 142 STM - Hohe Schaltverluste

[frozenflame]

Hey Leute,

ich bin momentan dabei einen Raspberry Pi gesteuerten LED Strip Dimmer zu realisieren, das funktioniert soweit auch ganz gut, allerdings gibt es bei hohen Frequenzen ( 600 hz? ) extrem hohe Schaltverluste, der Transistor erreicht dabei Temperaturen bis zu 100°C.
Die Softwareseitige Steuerung erfolgt mittels WiringPi, wenn ich die LED-Strips stark dimme gibt es kaum Wärmeentwicklung, nur wenn ich den LED Strip kaum dimme also wie gesagt bei höheren Frequenzen.

Wie bereits im Titel erwähnt handelt es sich bei dem Transistor um einen TIP 142 ( Datenblatt: http://www.produktinfo.conrad.com/da...TIP142_STM.pdf ).
Das Netzteil für die LED-Strips hat eine Spannung von 12V mit einer Stromstärke von 7A.

Hier einmal eine grafische Darstellung:
klick

Statt dem 270 Ohm Widerstand habe ich auch schon testweise einen mit nur 200 Ohm verwendet.

Ich hoffe mir kann jemand von euch helfen, breits im Vorraus vielen Dank für eure Antworten (:

[nikolaus10]

Hallo

Wie viel Input Signal gibst du den dem Transistor.
Der brauch schon min 2V und 5 mA um groessere Stroeme zu schalten.

Wie gross sind den deine Schaltstroeme ?

1A ist auch schon immerhin min. 1W was im Transitor verbraten wird.
Ist nun mal kein Power MOS FET

KR

[frozenflame]

Hey,

danke für Deine schnelle Antwort.
Der GPIO-Pin des Pi's kann 3,3V mit bis zu 20mA liefern, sollte also ausreichen.

Kannst du mir eventuell einen Power MOS FET als Alternative empfehlen?

[Manf]

Der Transistor hat einen Wärmewiderstand von 40°C/W.
Bei 80°C Temperaturerhöhung wären das 2W.
Mit 2V Kollektorspannung wären das 1A.
Das klingt normal, was kann man ändern? Wärmeabfuhr oder Kollektorspannung?
Man könnte einen Kühlkörper einsetzen oder einen Fet nehmen mit geringem Kanalwiderstand.

den vielleicht
HEXFET Power MOSFET IRL520NS
oder
Power MOSFET SUD50N03-11

[frozenflame]

Der Transistor hat einen Wärmewiderstand von 40°C/W.
Bei 80°C Temperaturerhöhung wären das 2W.
Mit 2V Kollektorspannung wären das 1A.
Das klingt normal, was kann man ändern? Wärmeabfuhr oder Kollektorspannung?
Man könnte einen Kühlkörper einsetzen oder einen Fet nehmen mit geringem Kanalwiderstand.

den vielleicht
HEXFET Power MOSFET IRL520NS
oder
Power MOSFET SUD50N03-11

Danke erstmal auch für deine fixe Antwort.
Meine Elektrotechnik-Kenntnisse sind leider noch etwas begrenzt, aber was müsste ich alles an dem Schaltungsaufbau ändern? Die Dimmung erfolgt ja mittels PWM und der ganze Grundaufbau des MOSFETs ist anders als bei dem TIP 142.

[Klebwax]

Meine Elektrotechnik-Kenntnisse sind leider noch etwas begrenzt ...

Wie Manf gerechnet hat, ist eigentlich alles im grünen Bereich. Bei 1A sind diese Werte zu erwarten, die Ansteuerung ist also ok. Diesen Fall hat der Hersteller vorausgesehen und das Gehäuse mit einem Loch versehen. Einfach ein Stück Blech an den Transistor schrauben und schauen, wie warm er (und das Blech) dann wird. Ist einfacher, als den Umgang mit FETs zu lernen.

MfG Klebwax

[Kabelkasper]

Einfach ein Stück Blech an den Transistor schrauben und schauen, wie warm er (und das Blech) dann wird. Ist einfacher, als den Umgang mit FETs zu lernen.

aber beim nächsten Projekt sind es dann nicht nur 1A und das kleine Kühlblech reicht auch nicht mehr oder der Spannungsfall von 2V am (Darlington-)Transistor stört grundsätzlich. Dann führt kein Weg am FET vorbei.
Und die von Manf vorgeschlagenen Typen sind sogar mit 5V anzusteuern.
Daher mein Vorschlag an frozenflame: den IRL520NS bei Pollin (oder anderswo) besorgen und wieder etwas dazulernen !
Für diese Anwendung gilt: das Gate entspricht der Basis, Source entspricht dem Emitter und Drain dem Kollektor. Und weil der FET quasi keinen Strom braucht, um eingeschaltet zu bleiben, noch 100kOhm zwischen Gate und Source löten falls die ansteuernde Schaltung nicht aktiv auf 0V ausschaltet.

KK

[frozenflame]

aber beim nächsten Projekt sind es dann nicht nur 1A und das kleine Kühlblech reicht auch nicht mehr oder der Spannungsfall von 2V am (Darlington-)Transistor stört grundsätzlich. Dann führt kein Weg am FET vorbei.
Und die von Manf vorgeschlagenen Typen sind sogar mit 5V anzusteuern.
Daher mein Vorschlag an frozenflame: den IRL520NS bei Pollin (oder anderswo) besorgen und wieder etwas dazulernen !
Für diese Anwendung gilt: das Gate entspricht der Basis, Source entspricht dem Emitter und Drain dem Kollektor. Und weil der FET quasi keinen Strom braucht, um eingeschaltet zu bleiben, noch 100kOhm zwischen Gate und Source löten falls die ansteuernde Schaltung nicht aktiv auf 0V ausschaltet.

KK

Perfekt, auf so eine Antwort habe ich gewartet (:
Der IRL520NS ist bestellt und wird hoffentlich die Tage ankommen.. bin auch der Meinung, dass etwas neues dazu lernen einfach besser ist, als einfach einen Kühlkörper dran zu schrauben.
Echt ein super Forum, noch mal vielen Dank an euch alle.

Ich hoffe es ist nun Ordnung, wenn ich mich nochmal melde, falls ich noch irgendwelche Probleme haben sollte :b

[frozenflame]

Das DPak Gehäuse ist nunmal nicht besonders groß. Da reichen so frei auf dem Steckbrett schon 100-200 mW um eine unangenehm hohe Temperatur zu erreichen. Auf eine richtigen Platine wird über die Lötanschlüsse schon einiges mehr an Wärme abgegeben - vor allem wenn die Platine eine genügend große Kupferfläche als "Kühlkörper" bereitstellt. Ganz ohne zusätzliche Kühlung wird es ab etwa 1 A nicht gehen.

Wie hoch ist den die PWM Frequenz und der Strom ? Die Verluste setzen sich zusammen aus den Verlusten durch R_On und Umschaltverlusten. Je höher die PWM Frequenz, desto wichtiger werden die Umschaltverluste. Da könnte man ggf. noch etwas weniger erreichen, wenn man die 270 Ohm verkleinert. Für ein kleineres R_On müsste man ggf. einen "größeren" MOSFET nutzen. Der IRL520 ist nicht gerade die beste Wahl für mehr als 1-2 A, wegen recht hohen Spannung ist R_on halt auch relativ groß.

Die Frequenz von dem PWM Eingang habe ich testweise auf 880 gestellt ( 1023 ist das Maximun, ab da hat der LED Strip die komplette Helligkeit ) und der Strom liegt bei 3,3 V.

Naja, die 7A von dem Netzteil liegen ja weit über den von dir erwähnten 1-2 A.
ich werde die 270 Ohm dann nochmal auf 100 reduzieren

[Besserwessi]

Irgendwie geht da was durcheinander:
Mit den 880 und 1023 als Maximum ist offensichtlich das PWM Verhältnis gemeint, nicht die Frequenz. Die hätte als Einheit noch Hz oder kHz dazu.
Für die Schaltverluste ist die Frequenz, der Strom und die Spannung wichtig - als 1. Näherung für die Schaltverluste gibt es halt Frequenz * Spannung * Strom * Schaltzeit.

Der Strom wird nicht in V gemessen - das wäre dann eine Spannung. Beim Strom kommt es auch den Strom an, der tatsächlich während der an Phase fließt, nicht was das Netzteil theoretisch liefern kann.

Bei der Wahl des MOSFETs ist auch noch wichtig zu wissen wie hoch die Spannung vom PWM Signal ist. Mit nur 3,3 V ist man da schon deutlich eingeschränkt bzw. müsste noch einen Treiber für mehr Spannung vorsehen. Bei der Wahl des MOSFETs geht es vor allem darum das er mit der kleinen Gate Spannung arbeitet und einen genügend kleine Anwiderstand hat. Ein möglicher Kanditat wäre etwa ein ILF7401 - allerdings nur im SO8 SMD Gehäuse und auch nur für 20 V.