Raspberry Pi + IRFZ44N para controlar una tira de LED RGB 5050: la corriente parece limitada

Introducción y Pregunta General: Escalabilidad

He ensamblado un circuito muy simple para controlar con éxito una tira de LED RGB. También he conseguido mejorar ligeramente su rendimiento. Sin embargo, cuando intento escalar a una instalación más grande con más LED y más luz, fallo. Estos son los pasos que he emprendido y los circuitos que utilicé. Solo soy un aficionado, ¿es hora de que un verdadero ingeniero me enseñe una lección y me explique lo que me falta para escalar esto a más de una sola tira?

Resumen de circuitos

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

  • Tres canales, uno para cada color
  • Cada canal está controlado por un pin GPIO en la Raspberry Pi, conectado directamente a la puerta de un MOSFET
  • El drenaje de cada MOSFET está conectado directamente a un canal de color en la tira de LED
  • la fuente de cada MOSFET está conectada a tierra
  • el terminal +12 en la tira de LED está conectado directamente a la fuente de alimentación de +12V
  • la tierra de la fuente de alimentación está conectada a tierra
  • la tierra de la Raspberry Pi está conectada a la misma tierra

Muy simple. ¿Demasiado bueno para ser verdad? Funciona, puedo atenuar la luz y controlar su color, pero...

Consumo de corriente y luminosidad resultantes

Como referencia, la alimentación de una sola tira mide directamente un consumo de 61,3 W en la pared.

Alimentando dos tiras directamente mide 99.4W . ¿Por qué una pérdida del 18,9% ? ¿Se puede mitigar?

Con la tira única controlada y el controlador en ON, midió 47,7 W. ¿Por qué una pérdida del 22,2% ? ¿Se puede mitigar?

Con dos tiras controladas y el controlador en ON, midió 66,9W . Esa es una pérdida aún mayor del 29,9 % en comparación con la tira única controlada y un asombroso 58,49 % en comparación con la tira única directa.

No he medido la luminosidad resultante y la relación no es lineal, pero la diferencia es lo suficientemente visible como para pensarlo y ver si hay mejoras disponibles.

Preguntas principales

  • ¿Son normales tales pérdidas?
  • ¿Cuáles son las explicaciones?
  • ¿Puedo (al menos parcialmente) mitigar?

Materiales y Preguntas Específicas

Fuente de alimentación

Para este experimento, estoy alimentando la Raspberry Pi de forma independiente y no hay problema con esa verruga de pared de 5v. Eventualmente, querré conectarlo a la fuente de alimentación principal de 5v del proyecto, pero eso no es un problema ahora.

La fuente de alimentación principal del proyecto se extrajo en perfectas condiciones de funcionamiento desde una PC DELL Vostro. En su pegatina leo, entre otras, las siguientes valoraciones:

  • +12VA 16A máx. (es decir, 192W )
  • +12VB 18A máx. (por lo tanto, 216W )

He usado los +12v del conector de la tarjeta de video así como los +12v del conector del disco duro, para obtener exactamente los mismos resultados. El único escenario realmente escalable es cuando enciendo cuatro tiras (que es el objetivo) directamente, dos en el conector de la tarjeta de video y dos en el conector del disco duro. El resultado es, como se esperaba, aproximadamente 2 veces el consumo de corriente de alimentar solo dos tiras directamente desde cualquiera de los conectores.

  • ¿La fuente de alimentación tiene dos rieles (A y B)?
  • ¿Cómo sé qué riel estoy usando?
  • ¿Hace alguna diferencia en este contexto?

Tiras LED 5050RGB

Cosas chinas baratas de eBay. No puedo confiar en sus especificaciones. Una similar ha sido objeto de esta pregunta . Mide 5 m / 16 pies de largo, con un total de 300 LED. Medí el consumo de energía de una tira (no en la fuente de alimentación del proyecto, por lo tanto, estos vatios no se comparan con los demás en esta pregunta):

  • 38.2W al alimentarlo desde un extremo
  • 45.4W al alimentarlo desde ambos extremos
  • 45.5W al alimentarlo desde el medio

Opté por alimentar cada tira desde el medio y soldar 4 cables en consecuencia.

Cableado y Protoboard

Soy consciente de la caída de voltaje y usé una calculadora. Dos tiras están a unos 8 m de la fuente de alimentación y uso cable AWG 14, excepto los últimos cm de cables soldados que probablemente sean AWG 20. Probablemente sobredimensioné el cable. No hay una diferencia visible entre conectar cerca de la fuente de alimentación o agregar el cable de 8 m, y no hay una acumulación excesiva de calor en los cables más delgados soldados después de unas pocas horas de funcionamiento.

Los MOSFET están actualmente en una placa de pruebas y hay un pequeño problema con el sobrecalentamiento en la conexión del cable de tierra de la fuente de alimentación a la placa de pruebas, debido al hecho de que las conexiones de la placa de pruebas son pines muy delgados. ¿Podría la delgada conexión a tierra de la placa de prueba ser una de las razones de la pérdida observada y se mitigaría una vez que la conexión a tierra sea más gruesa?

MOSFET

IRFZ44N . Los disipadores de calor se calientan, pero aún se pueden tocar después de tres horas de funcionamiento continuo al máximo rendimiento. Los he usado porque los tenía por ahí de un proyecto más antiguo basado en Arduino. Parece que están haciendo el trabajo.

¿Existen MOSFET alternativos que sean más eficientes para impulsar este nivel de potencia? ¿O un circuito diferente y más eficiente? Me disculpo por la pregunta muy amplia y abierta. No soy ingeniero, solo un aficionado abierto y ansioso por aprender de ingenieros reales.

frambuesa pi

Nada especial que informar. A menos que me esté perdiendo algo realmente grande, no puedo creer que tenga alguna influencia en el consumo de energía.

Actualizaciones

Implementé la solución aceptada, usando BC547B en lugar de 2N3904. También alimenté la Raspberry Pi desde los 5v en espera en la fuente de alimentación ATX. La instalación es más luminosa y el dibujo en la pared más cerca de lo esperado:

  • Solo Raspberry Pi (fuente de alimentación en stand-by): 3W
  • Fuente de alimentación encendida por la Raspberry Pi, sin carga (todavía esperando una tira de 5v 1A que se encenderá dentro del gabinete): 13.7w
  • una tira de LED, máxima potencia: 56,0 W
  • dos tiras de LED al 50% de potencia: 48,7W
  • dos tiras de LED al 100% de potencia: 84,0W

Todavía tengo que conectar la tercera y cuarta tira, y hacer una prueba larga para comprobar si hay calor, pero el experimento es concluyente y el sistema de iluminación funciona.

¿Esquemático? Claro que es simple, pero aún así.
Ah, y el Irfz44N no es un mosfet de nivel lógico. Apenas se encenderá con una lógica de 3,3 V, por lo que ese es el 95% del problema.
gracias por la rápida respuesta, @Passerby. ¿Cómo puedo dibujar un esquema? Soy nuevo en electronics.stackexchange.com y no tengo idea de si eso es posible. ¿Qué alternativa a IRFZ44N sugeriría?
Hay una herramienta esquemática en la sección de edición. En cuanto a un reemplazo, no sé, cualquier mosfet de nivel n lógico de 3.3V debería funcionar en sus niveles, o un circuito controlador de mosfet que podría ser un transistor npn simple y algunas resistencias.
@Passerby: no estoy seguro de que mi esquema sea correcto, pero aprendí los primeros pasos de una herramienta de dibujo. Busqué en Google "nivel lógico n mosfet" y aprendí un poco sobre ese tema, pero aún no tengo idea de cómo elegir uno.
Hay libros enteros sobre eso. Pero lo importante es encontrar uno que pueda pasar X amperios en el voltaje de la puerta Y. En este caso 4+ Amperios a 3V. O vincularé a otra pregunta idéntica en la que proporcioné un circuito de controlador de mosfet basado en npn simple para que pueda usar los mosfet existentes, mañana
Y su esquema es correcto, solo faltan algunas etiquetas. Así que mi suposición inicial es correcta. Esos mosfets simplemente no se encienden completamente a 3.3V en su puerta. Solo están ligeramente encendidos, por lo que tienen una mayor resistencia en la fuente de drenaje que las tiras de LED.
Me alegra ver la actualización. Salud.
Probé su circuito para mi anuncio de tira LED de 12v, funciona muy bien, pero no funciona con luces LED cob que parpadean. Estoy usando la fuente de alimentación respectiva cob que es 7v-10v @ 250ma. Su circuito funciona cuando elimino la resistencia de 10k pero el transistor 2n222 se está calentando. ¿Puede sugerir la mejor solución para atenuar mi cob led?

Respuestas (2)

Es posible que vea que el mosfet no se enciende por completo. La hoja de datos muestra que su puerta de voltaje - Umbral de fuente (V GS (TH) ) es de 3 V típico, 4 V máx. Lo que significa que apenas puede funcionar en el nivel de 3.3V del RPI. Ese Mosfet no es adecuado para aplicaciones de nivel lógico de 3.3V. A 3,3 V, el FET ni siquiera pasará fracciones de un amperio.

La lógica de 3,3 V del RPI no enciende el Mosfet por completo.

Si desea apegarse a ese mosfet, podría usar un transistor NPN simple como controlador. Un 2n3904 o 2n2222 o similar. No es crítico, es solo un interruptor. La lógica se invertirá, por lo que en el RPi, una lógica alta/3,3 V apagará los LED.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

La tierra del RPI y la tierra del suministro de 12 V también deben estar unidas. En todo caso, asegúrese de que eso suceda ahora mismo, ya que es un error común. Puede ser tan simple como no haberlo conectado bien.

De lo contrario, desea un "Mosfet de nivel lógico" , uno que tenga un voltaje V GS de 3.3V para el 80% de su amperaje objetivo.

Dicho esto, dependiendo de la longitud de sus tiras de LED, es posible que deba ajustar su fuente de alimentación. Asegúrese de que la corriente completamente en blanco (los 3 canales) esté por debajo del amperaje máximo del suministro en un 10 ~ 20%.

Y como Bruce ha mencionado de manera experta, una placa de prueba es un mal conductor en corrientes altas. Utilice cables del tamaño adecuado. Probablemente 18 AWG a 5 amperios.

¿Cómo ajusto la fuente de alimentación de una PC? La reutilización de los P/S de la PC es económica y ecológica ya que la mayoría de los P/S superan la vida útil de una PC. Definitivamente reemplazaré los MOSFET. También aprendí un poco más de dibujo de ti, ¡gracias!
@yuv, el mayor problema con un suministro ATX es que normalmente necesita una carga decente en el riel de 5V para ser estable a 5V y 12V. Se necesita una resistencia de potencia decente en el riel de 5V, eso es todo. Una vez hecho esto, el riel de 12 V será estable desde 0 amperios hasta cerca de su máximo de 20+. Simplemente use cables del tamaño correcto para reducir la caída de voltaje. Los cables de tamaño insuficiente, o como el riel de la placa de prueba, tienen una resistencia demasiado alta para cargas de alta corriente
Una mejor alternativa para mosfet irfz44n es IRLZ44N, que es un MOSFET de nivel lógico. Espero que esto se sume a tu ayuda.

alimentar una sola tira mide directamente 61,3 W de consumo en la pared.

Alimentando dos tiras directamente mide 99.4W. ¿Por qué una pérdida del 18,9%? ¿Se puede mitigar?

Las fuentes de alimentación de PC no suelen ser buenas para regular sus voltajes auxiliares. Mida los 12 V en la fuente de alimentación sin carga, luego con 1 y 2 tiras de LED conectadas. Si ve que el voltaje cae significativamente cuando se aplica una carga más grande, eso es parte de su problema. La regulación a menudo se puede mejorar extrayendo 1~2A de la salida de +5V o +3.3V.

Si está midiendo la potencia 'en la pared' con un vatímetro de CA, tenga en cuenta que el consumo de la fuente de alimentación será mayor que la potencia que entrega a la carga, y la relación no será exactamente lineal. Para una mayor precisión, debe medir los voltios y amperios de CC que salen de la fuente de alimentación.

IRFZ44N. Los disipadores de calor se calientan pero aún se pueden tocar

Calentar hasta el punto de ser 'todavía tocable' cuando está en un disipador de calor sugiere que los MOSFET no se encienden por completo. Su tira de LED consume menos de 5A. El IRFZ44 tiene un R dson típico de 0,02 Ω cuando se maneja correctamente, lo que solo debería generar alrededor de 0,5 W de calor. Pero eso es con la unidad de puerta de 10V. El Pi solo emite 3,3 V, que es apenas suficiente para encender el FET, por lo que su resistencia será mucho mayor.

Para resolver el problema del controlador Gate, necesita un controlador que convierta la señal de 3,3 V a 10 V o más.

¿Podría la delgada conexión a tierra de la placa de prueba ser una de las razones de la pérdida observada y se mitigaría una vez que la conexión a tierra sea más gruesa?

¡Sí! Nunca confíes en una placa de prueba con alta corriente (incluso 1A es demasiado para algunos de ellos).

Para averiguar exactamente dónde está perdiendo energía, mida el voltaje en cada componente del circuito LED, incluidos los cables, los conectores (placa de pruebas) y el FET. Comience en un extremo (p. ej., PSU +) y recorra el circuito hasta que regrese, registrando cada voltaje a medida que avanza. Todos estos voltajes deben sumar cero, es decir. la suma de todas las caídas de voltaje de los componentes debe ser igual al voltaje de la fuente de alimentación. Esto le dirá qué áreas necesitan atención.

Buena captura sobre el protoboard. Ignoré eso centrándome en el FET bajo.
Me sorprende que no se esté derritiendo...
¿Cómo extraigo 1~2A de la salida de +5V o +3.3V? Sí, todas mis medidas son con un vatímetro de CA. Estoy limitado tanto en equipo como en presupuesto. Si bien esta respuesta es muy útil y detallada en términos de proceso, presupone un nivel de experiencia del que carezco, por lo tanto, acepté la respuesta de @ Passerby.
2A * 5V = 10 vatios. 5V / 2A = 2,5 ohmios. Entonces, una resistencia de potencia de 2.5 ohmios y 10 vatios. Probablemente de cerámica. Querrá montarlo contra el metal de la fuente de alimentación y/o a través de un ventilador.
@Yuv Todo lo que necesita es un multímetro digital económico. Aprenda electrónica básica aquí: - electronics-tutorials.ws/dccircuits/dcp_1.html
Perspectiva de no ingeniero: "dibujar" = tomar. Pero donde lo pongo? Me imaginé algo así como tomar esos 1~2A y agregarlos a las luces. Ahora entiendo que solo es "dibujar" y disipar . Si ya tengo que desperdiciar 10 W, ¿no sería mejor agregar una pequeña luz LED siempre encendida de 10 W/5 V en el gabinete? algo como amazon.com/Qooltek-Portable-Reading-Eye-care-Orchestra/dp/… ?
Sí, eso también debería funcionar.
En lugar de quemar 2-3W de potencia solo para mantener estable la fuente de alimentación ATX, le recomiendo que compre un SMPS diseñado para tiras de LED de 12V. Será más eficiente. También será silencioso (estos suministros suelen ser sin ventilador por debajo de 400W).
Raspberry Pi + IRFZ44N para controlar una tira de LED RGB 5050: la corriente parece limitada
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