Problem: Heizungsregelung mit Arduino und MOSFET

[Hans G. (therewillbecake)]

Hallo,

ich probiere zur Zeit für ein Projekt eine Heizungsregelung umzusetzen, 
wobei die Regelung von einem Arduino Yun übernommen wird.

Die ganze Schaltung sitzt auf einer Platine und alle Verbraucher sind 
direkt an dieser angeschlossen, siehe Bilder und Schaltplan.

Im Moment ist die Schaltung noch etwas unterdimensioniert, der Mosfet 
(Irliz44N) wird zu heiß bei den 150W der Heizmatte, deswegen der 
provisorische Kühler, in der nächsten Platine sind dann 4-5 Mosfets 
parallel vorgesehen, ich hoffe dass sich damit das Problem in den Griff 
kriegen lässt.

Nun zu meinem eigentlichen Problem:

Prinzipiell sollte die Heizmatte aus sein, es sei denn der 
Mikrocontroller setzt den Pin auf "High".
Bei mir ist es jetzt aber genau andersrum.
Sobald ich den Strom anmache heizt die Matte voll auf, erst wenn ich den 
Pin auf "HIGH" setze hört sie auf. Also andersrum als gedacht und vor 
allem insofern problematisch, als dass die Matte bei einem Ausfall des 
Controllers voll aufheizt.. was sie nicht soll.
Ich bin mir nicht sicher ob der Mosfet defekt ist oder ich irgendwas an 
meinem Code verbockt habe. Allerdings spricht gegen letzteres, dass die 
Heizung angeht sobald Strom da ist, der Mosfet also Standardmäßig 
geschlossen zu sein scheint und erst bei "HIGH" öffnet.

Kann mir da jemand helfen?

Viele Grüße, Hans


Kurz noch die Eckdaten:

Stromversorgung:
24V, 7,5A DC Netzteil
Heizmatte hat 150W bei 24V

Verbaut ist ein DC/DC Wandler für die Stromversorgung des Arduino (24VDC 
-> geregelten 5V DC)

[Bussard (Gast)]

Wie es ausschaut, hast Du den Lastwiderstand (Heizmatte) an Soure des 
FETs anstelle an Drain und Sicherungselement.
Source sollte an Masse geschaltet werden.

Gruß

[Ulrich F. (Gast)]

> Allerdings spricht gegen letzteres, dass die
> Heizung angeht sobald Strom da ist, der Mosfet also Standardmäßig
> geschlossen zu sein scheint und erst bei "HIGH" öffnet.


Wenn ich das richtig sehe, ist der verwendete IRLIZ44N  ein N-Channel 
FET und der ursprüngliche BUZ172 ein P-Channel FET.
Die sind so einfach nicht austauschbar!

Und das dürfte auch der Grund für die Erwärmung sein!

[Hans G. (therewillbecake)]

Der BUZ172 hatte das gleiche Problem und ist noch deutlich schneller 
deutlich heißer geworden. Der hat innerhalb von 20 Sekunden angefangen 
zu qualmen.
Ich hatte vermutet dass 150W für ein TO - 220 Gehäuse einfach ein 
bisschen zu viel sind und das mehrere parallel geschaltete FETs da 
entlasten.

Ich hatte in meiner Schaltung ursprünglich den IRLIZ zwischen Masse und 
Heizmatte vorgesehen, der nette Herr der mir die Platinen geätzt und 
bestückt hat hat dann den BUZ172 verwendet und zwischen Plus und Matte 
gesetzt (aus Platzgründen).

[Udo S. (urschmitt)]

Die universelle Sprache in der Elektrotechnik ist der Schaltplan!
Und zwar nicht irgendeiner nach dem du das ungefähr so gebaut hast, 
sondern der exakte und korrekte mit den richtigen Bauteilnummern und 
Werten.
Siehe dazu auch die Netiquette

[Hans G. (therewillbecake)]

Den finalen Schaltplan hat noch der Bestücker der bis nächste Woche im 
Urlaub ist.

Der angefügte war ein Erstentwurf, da stimmen die Widerstände imo noch 
nicht und es fehlen auch noch Bauteile.

Ich bin jetzt etwas verwirrt. Das das Tauschen des FETs nicht allzu 
sinnvoll war hab ich verstanden, aber warum sich beide so verhalten wie 
sie es tun versteh ich nicht. Spricht das nicht am ehesten für Bussards 
Aussage?

[Benedikt S. (benedikt_s)]

Der Eingang für den optokopler muss an eine andere Spannungs Quelle!
mich wundert das die Shcaltung überhaubt funktioniert da du scheinbar 
das Gate permanent auf GND ziehst.

1. Optokopler an andere Spannungsquelle anschließen am besten 12v oder 
MOSFET suchen der 24V V_gs abkann.
2. Pulldown Widerstand zwischen Gate und GND.
3. R10 Anpassen, sodas der Maximale Storm durch den optokoppler fliest.

[Ulrich F. (Gast)]

Die Widerstände am Gate sind auch falsch positioniert/dimensioniert.

Aber da das sowieso nicht der richtige Plan ist, warte ich mal auf den 
korrigierten.

[Falk B. (falk)]

@ Hans G. (therewillbecake)

>Der BUZ172 hatte das gleiche Problem und ist noch deutlich schneller
>deutlich heißer geworden. Der hat innerhalb von 20 Sekunden angefangen
>zu qualmen.

Was soll diese Raterei? Entweder ist deine Schaltung auf einen P-Kanal 
MOSFET oder N-Kanal MOSFET ausgelegt. Das kann man nicht einfach mal so 
ändern!

>Ich hatte vermutet dass 150W für ein TO - 220 Gehäuse einfach ein
>bisschen zu viel sind

Das sind sie auch. Aber die 150W solen ja in der LAST umgesetzt werden, 
nicht im MOSFET!

150 bei 24V macht ~6A. Die schaltet ein Irliz44N locker, denn der hat 
bei 5V am Gate ~25mOhm R_DS_ON

P = I^2 * R = 6A^2 * 25mOhm = 900mW

Das schafft ein TO220 Gehäuse gerade noch ohne Kühlkörper, wird 
dabei aber schon so heiß, dass man es nicht mehr anfassen sollte/kann.

>und das mehrere parallel geschaltete FETs da
>entlasten.

Theroertisch ja, praktisch hier aber überflüssig. Wie bereits bemerkt, 
hast du einen Schaltungsfehler. Dein Heizelement muss zwischen +24V und 
Drain, Source auf GND.

[Hans G. (therewillbecake)]

Ich hab jetzt gerade nochmal einen neuen gemacht, würde der so passen? 
Mal unabhängig von der Anazahl der FETs..

Danke schonmal für die ganze Hilfe hier :)

[Ulrich F. (Gast)]

Mit geschätzten 2mA willst du 5 Gates auf 12V ziehen?
Da wird den FETs ganz schön warm werden.

[Benedik-s (Gast)]

Warum brauchst du eine Galvanische Trennung ? Nimm doch einen Mosfet 
treiber und einen irfz44n.

[Udo S. (urschmitt)]

Das Gate wird in dem letzten Schaltplan über den Optokopplertransistor 
auf das Drain durchgeschaltet.
Was soll der Blödsinn, dadurch regeln die Mosfets so aus das eine 
Spannung an ihnen abfällt, die der Ugs für den Mosfet entspricht (Plus 
der durchlassspannung der Diode und des Transistors).
Das Gate muss zum Durchschalten auf eine Spannung zwischen 4 und 10V 
geschaltet werden je nach verwendetem Mosfet aber doch nicht auf Drain 
Potential.

[bender (Gast)]

Ich gehe meist so vor:
Ich lese den Wikipediaartikel zu MOSFET.
Dann weiß ich, dass es zwei Haupt-Typen gibt. N- und P-kanal.
Das Datenblatt zu meinem BUZ172 hat mir auch verraten, dass er ein 
P-Kanal war, der für 5,5A ausgelegt war.
Ohmsches Gesetz sollte wirklich jeder hier kennen und so weiß ich, dass 
ich meine 6,25A für die Heizmatte damit nicht schalten sollte, der Rauch 
ist meist auch ein gutes Indiz dafür.
Entweder suche ich mir einen anderen P-Kanal-MOSFET mit gleichen 
Anschlüssen und Bauform, der mehr Strom verträgt oder ich überlege mir 
eine ganz neue Schaltung.
Schon in der Funktionsbeschreibung im Wikipediaartikel ist eine 
Beispielschaltung für N-Kanal-Dinger zu finden, die ich einfach 
nachbauen kann. Da ich mittlerweile gemerkt habe, dass es deutlich mehr 
Angebote für N-Kanal-MOSFETs gibt, die auch höhere Ströme schalten 
können und zudem Billiger sind, nehme ich einfach einen Total 
überdimensionierten N-Kanal und baue eine Beispielschaltung auf. Der 
Finger oder ein Termometer, sagt mir dann wie warm mein MOSFET wird.
5V vom Arduinoausgang über einen Optokoppler und einen Spannungsteiler 
zu 10V / 0V für das Gate zu machen sollte auch kein größeres Hinderniss 
darstellen. (LED und Transistoren müsste man von der funktionsweise 
schon kennen, und so verhält sich auch ein Optokoppler)

Ein kleiner Testaufbau hilft um sich zu kontrollieren, ob alles so 
funktioniert wie man denkt. Multimeter und regelbares Netzteil sind 
leider nicht zu ersetzen.

[Falk B. (falk)]

@ Hans G. (therewillbecake)

>    Schaltung_V3_Schaltplan.png

>Ich hab jetzt gerade nochmal einen neuen gemacht, würde der so passen?
>Mal unabhängig von der Anazahl der FETs..

Es reicht EIN MOSFET.
Der Optokoppler ist sinnlos, du has soweiso nur eine Spannungsquelle, 
nämlich das 24V Netzteil. Klemm den MOSFET mit dem Gate DIREKT an deinen 
Arduino. OK, 10K Pull Down Widerstand am Gate wäre noch sinnvoll (damit 
der MOSFET sperrt, wenn der der Arduino programmiert wird oder im Reset 
hängt).

Also R4 weg, R1 weg, Optokoppler, weg, die überflüssigen 4 MOSFETs weg.

[Hans G. (therewillbecake)]

Vielen Dank schonmal,
im Anhang jetzt die Schaltung ohne R4, R1 und den Optokoppler, passt das 
so?
Wäre es eventuell möglich zur Sicherheit einen zweiten Mosfet ebenfalls 
direkt an den Arduino Output zu hängen oder wäre das Quark?

Viele Grüße,
Hans