Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Logic Level MOSFET mit ESP8266 schalten / IRL1004?


von Michael B. (1024kilobyte)


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Hallo,

Ich bräuchte etwas Unterstützung bei der Integration eines Logic Level 
MOSFETs (z.B. IRL1004) in meine Schaltung. Es handelt sich dabei um 
einen Lightstrip, der über einen ESP8266 per WLAN angesteuert werden 
kann. Das ganze funktioniert auch wunderbar, allerdings ist mir im 
ausgeschalteten Zustand des Lightstrips eine relativ hohe 
Leistungsaufnahme aufgefallen. Nach dem Kappen der Ground-Leitung des 
Lightstrips ist diese Aufnahme deutlich gesunken, was auch logisch ist, 
weil dann die ganzen WS28XX-Chips im Lightstrip nicht mehr versorgt 
werden. Ich würde nun gern über einen weiteren Ausgang am ESP die 
Ground-Leitung des Lightstrips schalten und bin nach etwas Recherche 
(auch hier im Forum) darauf gekommen, dies über einen Logic Level MOSFET 
zu lösen. Der Ausgang am ESP liefert ca. 3,5V (was man wohl am Gate 
anlegt), geschaltet werden soll 12V bei max. 3A (Source / Drain ?). Der 
IRL1004, über den ich in dem Kontext an der ein und anderen Stelle 
gestolpert bin, sieht bzgl. der Kennwerte aus meiner Sicht recht gut 
aus. Hier bin ich aber um jeden Hinweis dankbar. Meine Beurteilung 
basiert auf:

- Die 12V / 3A (Drain-to-Source) sollte er locker bei 3,5V 
Gate-to-Source Spannung erreichen
- Thermisch sollte es keine Probleme geben. Bei 3A und ca. 0,01 Ohm 
Drain-to-Source-Widerstand (so grob geschätzt bei 3,5V Gate-Spannung) 
sollte mit nur 0,1 W „geheizt“ werden, das sollte doch auch ohne 
Kühlkörper gehen, oder?

Die Software-seite habe ich soweit im Griff, ich würde es mir dann so 
vorstellen:

Wenn der ESP das Signal zum Einschalten des Strips bekommt, würde ich 
über den neuen Ausgang mit dem IRL1004 die Ground-Leitung schalten, ein 
noch zu testendes Delay warten bis der Strip bereit ist angesteuert zu 
werden und dann mit dem bisherigen Signalausgang dann den WS28XX-Strip 
ansteuern. Beim Ausschalten dann umgekehrt -> LEDs ausschalten (wie 
bisher) und dann wieder über den IRL1004 die Ground-Leitung 
„ausschalten“.

Hier kommen wir aber vorher noch zu der Frage, wie der IRL genau in die 
Schaltung integriert werden sollte (falls es sich dabei überhaupt um ein 
passendes Model handelt).

Ich habe auch hier schon etwas gespitzelt:

Beitrag "Auswahl MOSFET über Mikrocontroller (3.3V) steuern"

Und wenn ich das richtig verstehe, sollten zwischen ESP-Ausgang und Gate 
ein Widerstand in Reihe und ein größerer Widerstand zwischen Gate und 
Source. Aus dem obigen Post z.B.:
1
22Ω in Reihe zum Gate und 10K vom Gate nach 
2
Source.

Ist das Alles was ich bei der Integration beachten muss? Woher kommen 
diese Werte, oder handelt es sich da um generell sinnvolle Werte?

Ich bin für Alle Tips dankbar!

Viele Grüße,

1024kilobyte

von hinz (Gast)


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Michael B. schrieb:
> - Die 12V / 3A (Drain-to-Source) sollte er locker bei 3,5V
> Gate-to-Source Spannung erreichen
> - Thermisch sollte es keine Probleme geben. Bei 3A und ca. 0,01 Ohm
> Drain-to-Source-Widerstand (so grob geschätzt bei 3,5V Gate-Spannung)
> sollte mit nur 0,1 W „geheizt“ werden, das sollte doch auch ohne
> Kühlkörper gehen, oder?

Das garantiert dir der Hersteller aber nicht. Für 12V/3A gibts welche in 
SOT-23, die das locker können und vom Hersteller auch so spezifiziert 
sind. Billiger als ein IRL1004 sind sie auch, sogar deutlich.

von Michael B. (1024kilobyte)


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Danke schon mal für das Feedback.

Da es sich bisher nur um ein einmaliges Projekt handelt, sind mir Größe 
und Preis des Bauteils aktuell nicht so wichtig. Konkret wäre mir THT 
momentan lieber als SMD und somit würde ich TO-220 dem SOT-23 
bevorzugen. Ich gebe Dir zwar Recht, dass der IRL1004 für meine 
Anwendung etwas überdimensioniert ist, aber den Punkt nicht vom 
Hersteller spezifiziert verstehe ich nicht ganz. Im Datenblatt vom IRL 
steht in Fig. 1 & 2, dass bei VGS = 3,5V und VDS = 12V ein Strom von 
über 40A durchgelassen wird, was hier ja locker reicht.

Ein etwas passenderes Element wäre wohl (wenn es THT sein soll) der 
IRLZ34N. Dieser wäre dann auch ein gutes Stück günstiger.

Ein paar Fragen zur Integration sind da für mich aber noch offen:

- Welche Widerstände benötige ich zusätzlich und wo werden diese 
integriert (und warum) ?
- Ab welcher thermischen Verlustleistung sollte man ein TO-220 
zusätzlich per Kühlkörper kühlen?

von hinz (Gast)


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Michael B. schrieb:
> Im Datenblatt vom IRL
> steht in Fig. 1 & 2, dass bei VGS = 3,5V und VDS = 12V ein Strom von
> über 40A durchgelassen wird,

Das sind keine garantierten Werte.

Schau in die Tabelle unter R_DS(on), dort stehen die garantierten Werte.

Wenns denn unbedingt TO-220 sein muss, dann halt IRF3708.

von hinz (Gast)


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Michael B. schrieb:
> - Welche Widerstände benötige ich zusätzlich und wo werden diese
> integriert (und warum) ?

Kommt auch auf die Schaltfrequenz an. Immer sinnvoll ist ein 100kOhm von 
Gate nach Source, der sperrt den MOSFET solange der Portpin noch nicht 
als Ausgang definiert ist. Ob ein Widerstand zwische Portpin und Gate 
sinnvoll/nötig ist, hängt eben von der Schaltgeschwindigkeit/frequenz 
ab, und vom konkreten µC. Deinen µC kenne ich nicht ausreichend um das 
zu beurteilen.


> - Ab welcher thermischen Verlustleistung sollte man ein TO-220
> zusätzlich per Kühlkörper kühlen?

Pi*Daumen 1W.

von Stefan F. (Gast)


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Was hat dein WS28XX-Strip mit 12V zu tun?
Soweit ich weiß, werden die WS2812 Streifen mit 5V betrieben.

Wenn du deren GND Leitung unterbrichst, musst du unbedingt dafür sorgen, 
dass das Steuersignal vorher auf 5V gelegt wird. Denn:
1
5V o-------+-----------------+ 5V
2
           |                 |
3
         __|__           ____|____
4
        | µC  |---------| WS28xx  |
5
        |_____|         |_________|
6
          |                  |
7
          | GNDa             | GNDb 
8
GND o-----+-------//---------+ 
9
          |                  |
10
          +-----------(V)----+
11
                  ^    ^
12
                  |    |
13
                  |    Voltmeter zeigt 4V an
14
                  |
15
              Unterbrechung
16
              durch MOSFET

Wenn du dem WS28xx die GNDb Leitung abklemmst, wird sie auf irgendeiner 
Spannung > 0V floaten. Die 4V (relativ zu GNDa) habe ich jetzt einfach 
mal geraten (miss es nach).

Aus Sicht des WS28xx darf die Signalspannung nie höher als die 5V 
Stromversorgung sein, und nie niedriger als GNDb. Wenn der 
Mikrocontroller Low ausgibt, dann wären das aus Sicht des WS28xx aber 
-4V. Das ist nicht zulässig. Es wird ein hoher Ableitstrom durch dessen 
ESD Schutzdiode fließen, der diese und womöglich auch den µC zerstört.

Eigentlich ist es sicherer, die 5V zu unterbrechen, nicht die GND 
Leitung. Denn kein normaler Mensch rechnet damit, dass GNDa nicht gleich 
GNDb ist. Alle reden immer nur von dem einen GND Potential.

von hinz (Gast)


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Stefanus F. schrieb:
> Was hat dein WS28XX-Strip mit 12V zu tun?
> Soweit ich weiß, werden die WS2812 Streifen mit 5V betrieben.

Gut, dass du aufgepasst hast, ich hab das glatt übersehen.

Und ja, man sollte da high-side schalten, also LL-p-MOSFET nehmen. Und 
um diesen anzusteuern dann einen kleinen n-MOSFET oder NPN.

von Torsten C. (torsten_c) Benutzerseite


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WS2811 LED Pixel Strips gibt es mit 12V:
Immer drei SMD 5050 RGB LEDs werden gemeinsam angesteuert.

Ansonsten: LL-N-Mosfet oder NPN und irgendein P-MOSFET.
Nicht umgekehrt.

von Jörg R. (solar77)


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Torsten C. schrieb:
> WS2811 LED Pixel Strips gibt es mit 12V:
> Immer drei SMD 5050 RGB LEDs werden gemeinsam angesteuert.

Hast Du mal einen Link dazu?

von Torsten C. (torsten_c) Benutzerseite


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von Stefan F. (Gast)


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Interessant, dass es die auch mit separatem IC gibt hätte ich nicht 
gedacht.

von hinz (Gast)


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Torsten C. schrieb:
> LL-N-Mosfet

Eigentlich sogar LLL-n-MOSFET.

von Jörg R. (solar77)


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Stefanus F. schrieb:
> Interessant, dass es die auch mit separatem IC gibt hätte ich
> nicht gedacht.

Den WS2811 kannte ich zwar, nicht aber in Verbindung mit einem 12V 
Stripe. Die Leds auf dem Strip sind Standard 5050 RGB. Wir sind wohl 
bisher davon ausgegangen das der TO einen Stripe mit WS2812(B) 
verwendet. Diese Leds haben den Controller fest eingebaut. Er schrieb 
aber WS28XX.

@TO
Welchen Typ Leds hat dein Stripe?


Torsten C. schrieb:
> Jörg R. schrieb:
>> Hast Du mal einen Link dazu?
> 
https://www.xmas-land.de/5m-WS2811-LED-Pixel-Strip-12V-IP67-30LEDs-Meter-je-drei-gemeinsam-steuerbar-Schwarz

Danke für den Link.


Den Chip WS2811 gibt es auch in DIL-Bauform.

https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/WS2811.pdf

: Bearbeitet durch User
von Michael B. (1024kilobyte)


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Sorry für die Verwirrung, aber deshalb habe ich ja die Xe verwendet.

Zur Aufklärung: Ja, es ist ein WS2811 Strip mit 12V und zwar weil es 
kleine 12V Steckernetzteile mit mindestens 3A gibt und somit genug 
Leistung um die (in meinem Fall 144 LEDs) zu versorgen. Bei 5V hätte ich 
mindestens ein 5A-Netzteil gebraucht, welches in der Regel nicht so 
einfach, klein und günstig zu bekommen ist.
Ich habe das gleiche Projekt (dann mit WS2812B) auch schon auf 5 Volt 
mit nem USB-Netzteil gemacht. Da diese aber in der Regel bei um die 12 
Watt abregeln, kann ich die LEDs nicht auf maximale Helligkeit 
aufdrehen, da die ca. 2,4 A hierfür nicht ausreichen.

Beim 5V-Strip ist die Verlustleistung im "Standby" auch bei weitem nicht 
so groß, weshalb das MOSFET-Thema erst jetzt aufgekommen ist.

Meine aktuell geplante Schaltung werd ich später / morgen mal noch 
beifügen, dann könnt Ihr mir gerne noch meine Denkfehler vorhalten ;)

: Bearbeitet durch User
von Torsten C. (torsten_c) Benutzerseite


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Michael B. schrieb:
> Ja, es ist ein WS2811 Strip mit 12V und zwar weil es
> kleine 12V Steckernetzteile mit mindestens 3A gibt und somit genug
> Leistung um die (in meinem Fall die 144 LEDs) zu versorgen. Bei 5V hätte
> ich mindestens ein 5A-Netzteil gebraucht.

Wenn alle 144 LEDs voll leuchten, kommen bei 5V sogar über 8,5A zusammen 
und bei einem Meter brennt schon fast die dünne Leiterbahn durch, wenn 
man einseitig einspeist.

Ich hatte deshalb die 12V parallel auf dünnen Leitungen mitgeführt und 
mit kleinen Buck-Wandlern an mehreren Stellen 5V eingespeist. Damit kann 
man dann auch wieder jede LED einzeln steuern.

Nur so nebenbei^^, weil diese Lösung fast beliebig skaliert …

Deine Schaltung ist übrigens u.A. hier diskutiert, im
Beitrag "High Side MOSFET Switch für Sensoren"

Der R_DS,on ist bei dem Leistungs-P-Mosfet wichtig.
Je kleiner, desto weniger Kühlung ist nötig.
Z.B. IRF7410 aus der MOSFET-Übersicht.

PS: Was ich aus diesem Thread gelernt habe?
Mein 12V-Netzteil primärseitig ausschalten, um Ruhestrom zu sparen.

: Bearbeitet durch User
von Michael B. (1024kilobyte)


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Anbei meine aktuelle Schaltung, in dem Oval hab ich die geplante 
Integration des MOSFETs eingezeichnet. Ohne den MOSFET läuft das ganze 
auch schon wunderbar. Für die Widerstände hab ich jetzt mal die 
angegebenen Werte basierend auf den bisherigen Antworten gewählt.

Passt das so, wenn ich als MOSFET nun den IRF3708 nehme?

von Torsten C. (torsten_c) Benutzerseite


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Michael B. schrieb:
> Passt das so, wenn ich als MOSFET nun den IRF3708 nehme?

Ob das so passt, kann nur jemand beantworten, der das schon mal 
ausprobiert hat, behaupte ich, weil das außerhalb der Spezifiikation der 
Bauteile liegt.

Miss mal den Strom hier (links im bild rot).

Es könnte sein, dass die Bauteile dabei nicht kaputt gehen.

Warum übernimmst Du nicht den "High Side MOSFET Switch" (siehe oben und 
blau im Bild)? Bist Du Beratungs-resistent? * grins *

Mit High Side MOSFET ist alles innerhalb der Spezifikationen in den 
Datenblättern und funktioniert nicht nur zufällig sondern immer.

: Bearbeitet durch User
von Ach Du grüne Neune (Gast)


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Den 100R Widerstand vor Q1 würde ich auf jeden Fall auf 1k vergrößern, 
falls man doch mal einen bipolaren Transistor einsetzen möchte.

von Michael B. (1024kilobyte)


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@torsten_c: Irgendwie habe ich Probleme Dein Feedback nachzuvollziehen. 
Dein erstes Schaltbild ist sehr konfus, da du den GND des WS2811 
trennst, so wird er natürlich nie leuchten. Und da es beim WS2811 keine 
interne Verbindung des Signal-Pins mit VCC gibt, fließt da auch kein 
Strom (habe ich auch nachgemessen). Zur Erklärung: Der WS2811-Strip hat 
drei Eingänge VCC, GND und DATA_IN. Der DATA_IN ist der, den ich in der 
Schaltung mit einem GPIO des ESP ansteuere. Da Du Dich nicht ganz 
präzise ausgedrückt hast, hier eine Nachfrage zu:

Torsten C. schrieb:
> Ob das so passt, kann nur jemand beantworten, der das schon mal
> ausprobiert hat, behaupte ich, weil das außerhalb der Spezifiikation der
> Bauteile liegt.

Welcher Teil der Schaltung liegt denn außerhalb der Spezifikation? Wo 
genau liegt das Problem?

Dann zu Deiner Anmerkung bzgl. eines High Side MOSFET:

Torsten C. schrieb:
> Warum übernimmst Du nicht den "High Side MOSFET Switch" (siehe oben und
> blau im Bild)? Bist Du Beratungs-resistent? * grins *

Es wurde zwar schon erwähnt, dass man auf High Side schalten sollte, 
aber ohne Begründung und konkrete Hinweise zu einem passenden MOSFET und 
den sonstigen benötigten Bauteilen (wie Widerstände). Diese Art von 
"Beratung" hilft mir leider nicht weiter und kann ich deshalb auch nicht 
berücksichtigen. Die Frage nach: "Wie integriere ich einen LL-n-MOSFET" 
mit "nimm doch nen LL-p-MOSFET" zu beantworten ist eben nicht sonderlich 
hilfreich. Außer einem "man sollte" wäre hier (bestimmt auch für Andere) 
interessant, warum man gerade hier besser auf der +12V-Seite schalten 
sollte. Das würde mir auch weiterhelfen und möglicherweise verhindern, 
dass ich die ein oder andere blöde Frage hier im Forum stellen muss.

Gerne verlege ich den MOSFET auf die VCC-Seite, wenn ich eine passende 
Schaltung hinbekomme. Außer dem passenden LL-p-MOSFET (Model?), werde 
ich ja vermutlich auch wieder einen Widerstand in Reihe von GPIO zum 
Gate und einen zwischen Gate und Source brauchen, oder? Funktioniert das 
analog zum LL-n-MOSFET?

von Torsten C. (torsten_c) Benutzerseite


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Michael B. schrieb:
> … da du den GND des WS2811 trennst, so wird er natürlich nie leuchten.

Das Bild beschreibt nur "MOSFET leitet nicht", also "Masse hängt in der 
Luft", siehe unten, also das Gleiche wie "Gate ist auf 0V".

> Und da es beim WS2811 keine
> interne Verbindung des Signal-Pins mit VCC gibt, fließt da auch kein
> Strom (habe ich auch nachgemessen).

War der GPIO auf Low, auf High oder ein Input?
Wenn da nie Strom fließt, dann nimm halt den Low-Side-MOSFET. ;)

Ob es beim WS2811 eine interne Verbindung des Signal-Pins mit VCC gibt, 
steht vielleicht im Datenblatt. Du könntest recht haben, aber die 
indirekten Verbindungen über die Eingangskappdioden und die externen 
LEDs nicht vergessen!

> Welcher Teil der Schaltung liegt denn außerhalb der Spezifikation? Wo
> genau liegt das Problem?

In jedem Datenblatt sind erlaubte Spannungs-Bereiche für Ein- und 
Ausgänge definiert, in Bezug auf VCC und/oder Masse. Wenn die Masse 
quasi in der Luft hängt, hängt auch die Berechenbarkeit der Schaltung in 
der Luft.

> Es wurde zwar schon erwähnt, dass man auf High Side schalten sollte,
> aber ohne Begründung und konkrete Hinweise zu einem passenden MOSFET und
> den sonstigen benötigten Bauteilen (wie Widerstände).

Als P-Mosfet hatte ich den IRF7410 in der MOSFET-Übersicht gefunden, 
begründet und verlinkt. Du kannst auch einen anderen nehmen.
Und im Beitrag "Re: High Side MOSFET Switch für Sensoren" 
steht:
>> Den N-Kanal FET könnte man auch durch einen NPN-Transistor ersetzen
>> (BC847 o.ä.) mit 10..100k Basiswiderstand statt 100 Ohm.

> Die Frage nach: "Wie integriere ich einen LL-n-MOSFET"
> mit "nimm doch nen LL-p-MOSFET" zu beantworten ist eben nicht sonderlich
> hilfreich.

Oh. Warum? Da steht doch: "man sollte da high-side schalten …"

Und zum "high-side schalten" nimmt man einen P-Kanal-Mosfet.
Einen N-Kanal-Mosfet nimmt man zum "low-side schalten".

Einfach fragen, falls was unklar ist. Alles klar, nun?

> Außer einem "man sollte" wäre hier (bestimmt auch für Andere)
> interessant, warum man gerade hier besser auf der +12V-Seite schalten
> sollte.

Solche Details kommen hier oft zu kurz. Ich bitte um Nachsicht. Hier 
posten auch viele Idioten, und dann ist die Mühe "Perlen vor die Säue". 
Du gehörst offenbar nicht dazu.

> Gerne verlege ich den MOSFET auf die VCC-Seite, wenn ich eine passende
> Schaltung hinbekomme. Außer dem passenden LL-p-MOSFET (Model?), werde
> ich ja vermutlich auch wieder einen Widerstand in Reihe von GPIO zum
> Gate und einen zwischen Gate und Source brauchen, oder? Funktioniert das
> analog zum LL-n-MOSFET?

Die Schaltung im rechten Bild mit Q2 = IRF7410.

Beim BC847 (oder einem anderen biporaren NPN) als Q1 wurde als 
Basis-Widerstand oben 1k..100k genannt. Die Schalt-Geschwindigkeit 
dürfte ja ziemlich egal sein. Ich würde 10kOhm nehmen.

Bei einem MOSFET als Q1 würde ich jetzt noch weiter ausholen.

: Bearbeitet durch User
von hinz (Gast)


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Torsten C. schrieb:
> IRF7410
> BC847

Und wers bedrahtet haben will nimmt IRF4905 und BC547.

von Stefan F. (Gast)


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Michael B. schrieb:
> Welcher Teil der Schaltung liegt denn außerhalb der Spezifikation? Wo
> genau liegt das Problem?

Die Signal-Spannung des WS2811 muss aus seiner Sicht zwischen GND und 
VCC liegen. Da GND in der Luft hängt, ist diese Bedingung nicht 
eindeutig erfüllt. Niemand weiß, welche Spannung an GND anliegt, wenn 
der Transistor ausgeschaltet ist.

Es kann mit Glück funktionieren. Es besteht dann aber immer noch das 
Risiko, dass es bei einer späteren Reparatur mit eine neueren 
Chip-Version plötzlich nicht mehr geht.

von Simon B. (nomis)


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Pardon dass ich den alten Thread ausgrabe, aber ich habe nochmal eine 
Frage.

Oben wurde der IRF7410 empfohlen um 12V auf der High-Side zu schalten.

Jetzt lese ich im Datenblatt, dass -12V das "absolute maximum rating" 
für Vds ist und die "Drain-to-Source Breakdown Voltage" ebenfalls bei 
-12V liegt.

Ist dann der IRF7410 wirklich eine sinnvolle Wahl wenn man da so hart am 
Limit entlangschrappt?

Oder lese ich das Datenblatt falsch?

Danke!
         Simon

von Stefan F. (Gast)


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Simon B. schrieb:
> Ist dann der IRF7410 wirklich eine sinnvolle Wahl

Ich würde sagen: nein.

von Michael B. (1024kilobyte)


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da ich immer noch nicht die Muse gefunden habe mir die konkret 
benötigten Teile rauszusuchen (die Empfehlungen hier sind ja anscheinend 
nur begrenzt sinnvoll) ist das Thema für mich noch aktuell.

Bei der erneuten Recherche bin ich auf Bauteile gestoßen, die alles was 
ich brauche in einem vereinen. Also High-Side Switch mit 12V Load bis 3A 
Dauerlast und µC-Eingang, der bei High durchschaltet. Konkret habe ich 
hier den BTS426L1 als TO220-Gehäuse ins Auge gefasst.

Gibt es außer Preis / Verfügbarkeit einen Grund nicht einfach diesen 
einzusetzen?

von Simon B. (nomis)


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Beim schnellen Durchstöbern des Datenblatts ist mir gerade nur 
aufgefallen, dass die maximale "Input turn-on threshold voltage" bei 
3.5V liegt. Im worst case reichen also die 3.3V eines ESP8266 nicht aus, 
um den Strom einzuschalten.

Ansonsten - wenn einem 3A reichen - sieht das IMHO nicht schlecht aus.

Viele Grüße,
         Simon

von Manfred (Gast)


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Michael B. schrieb:
> Also High-Side Switch mit 12V Load bis 3A
> Dauerlast und µC-Eingang, der bei High durchschaltet.

Also einen fast beliebigen P-FET, dessen Gate mit einem BC_irgendwas / 
2N2222 auf GND gezogen wird.

Ich hätte gern' ein Problem?

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