PWM-диммер на MOSFET: управление светодиодной лентой

Полка с рассадой на окне попросила света, и я купил пять метров ленты 12 В по 60 диодов на метр. По шильдику — до 1,2 ампера на метр белым каналом, значит пять метров просят около шести ампер на полной яркости. Первая мысль была наивная до слёз: пинов у Uno десять, втыкну ленту в два-три пина и разделю ток. Не втыкайте никогда: пин Uno отдаёт 20-40 мА, лента просит в сто пятьдесят раз больше — первым умирает порт, а иногда и весь чип вместе с портом. Вторая мысль была взрослее: ключ. На полке лежал модуль с IRF520, оставшийся от урока про мосфет-ключ, — я подключил, и лента горела вполсилы при полном duty, а транзистор грелся так, что палец не держал. IRF520 — не логический мосфет: для полного открытия ему нужно 10 вольт на затворе, а Uno даёт пять. Приоткрытый ключ — не диммер, а нагреватель.

Правильная деталь называется logic-level: IRLZ44N открывается полностью от пяти вольт — datasheet обещает сопротивление открытого канала 0,022 Ом при затворе 5 В. Это и есть главный герой урока: схема low-side, обвязка затвора на два резистора, честный расчёт тепла и код диммера, который по механике не отличается от фейдера из предыдущего урока.

Схема low-side — стандартная и самая безболезненная. Плюс блока 12 вольт идёт в «+» ленты напрямую. Минус ленты — не на землю, а на сток IRLZ44N. Исток — на общий GND. Затвор — на пин 9 через резистор 100 Ом. Ножки TO-220 лицом к этикетке слева направо: затвор G, сток D, исток S — я один раз перепаял сток с истоком и полчаса доказывал схеме, что она должна светить. Ток ленты течёт по большому кругу: блок, лента, сток-исток, земля — и ни миллиампера через пин; пин только заряжает затвор.

Два резистора обвязки — не декорация. Резистор 100-220 Ом между пином и затвором ограничивает бросок заряда: затвор — это конденсатор ёмкостью в районе трёх нанофарад, пин без резистора отдаёт ему пиковый ток, которого лучше не видеть на осциллографе. Резистор 10 кОм от затвора на землю — pull-down: во время прошивки и первые мгновения после подачи питания пины в Hi-Z, затвор висит в воздухе, ловит наводку — и лента подмигивает при каждой заливке скетча. Я ловил эту вспышку месяц, грешил на блок питания, а лечилось одним резистором. И правило, без которого схема не работает: минус блока 12 В соединяется с GND Uno — ток затвора возвращается по общему проводу, без общей земли уровней отсчёта нет, и ключ живёт своей жизнью.

Лента — резистивная нагрузка, выбросы ей не страшны, защитный диод не нужен. Зато мотору, соленоиду или реле в такой же схеме диод обязателен — обмотка бросает выброс обратного хода, и мелкие нагрузки я по старой памяти вешаю на NPN-ключ с 2N2222, когда ток не превышает полампера.

Нагрев считается по закону Джоуля-Ленца, P = I в квадрате на RDS(on), и тут logic-level окупается второй раз. Числа с условиями: шесть ампер на IRLZ44N дают 36 умножить на 0,022 — примерно 0,8 ватта. Голый TO-220 отдаёт около ватта при подъёме корпуса на 50-65 градусов над средой: рука держится, но на грани, и я сразу ставлю небольшой ребристый радиатор с термопроводностью в районе 25-30 градусов на ватт — корпус выходит на плюс 20-25 от комнаты, и можно забыть. Радиатор я сажаю на винт через теплопроводную прокладку: клей держит до первой перевозки, проверено. При двух амперах картина другая: четыре на 0,022 — 0,09 ватта, корпус почти холодный, радиатор не нужен вовсе. Отсюда и граница моего мнения: до полутора-двух ампер я всё ещё готов терпеть модуль с IRF520, для четырёх ампер и выше — только дискретный IRLZ44N или родственный STP55NF06L, и с радиатором.

Сравните то же шесть ампер с IRF520: его открытый канал 0,2-0,3 Ом даже при полном открытии — это девять-десять ватт тепла. Не грейте радиатор такого размера — меняйте ключ. И про питание: блок 12 В берите с запасом в полтора раза от максимального тока ленты, для пяти метров это блок на 8-10 ампер; провода от блока к ленте — от 0,75 квадратного миллиметра, а если лента длиннее трёх метров, подавайте питание с двух концов — дальний край тускнеет от падения напряжения на медных шинах ленты, и никакой код это не починит. Запас по току — не перестраховка: блок на пределе греется, вистит и рано уходит в защиту, обычно в самый дождливый вечер.

Мосфет движок симулятора не рисует — и я не буду выдавать мотор за транзистор. В макетке ниже лента изображена моторчиком с крыльчаткой на ШИМ-пине 11: скорость крыльчатки повторяет duty ровно так, как яркость ленты повторяет его на плате. Откуда берутся 256 ступеней и что такое duty cycle — базовый урок про ШИМ. Потенциометр A0 — ручка яркости, тумблер D2 включает ночной лимит: максимум 70 из 255, около 27 процентов — режим для позднего вечера, когда полная яркость выжигает глаза. На настоящей плате вместо мотора — затвор IRLZ44N на пине 9 через 100 Ом, а код меняется одной константой.

Про частоту: ШИМ на пине 9 идёт на 490 герц, и глаз мерцания не видит — у большинства людей полосы сливаются уже ниже сотни герц. Камера смартфона мерцание ловит честно: если проект попадёт в кадр видео, полосы на экране выдадут ШИМ — лечится подручными средствами или поднятием частоты, но для подсветки полки я считаю 490 герц достаточными всегда. Сама плавность хода — это уже не частота ШИМ, а темп изменения duty: те же цель и шаги из фейдера предыдущего урока, а включать дежурную яркость по расписанию удобнее всего от будильника на DS3231.