SENSOREN/AKTOREN

ESP32 S3 - MOSFET-Modul

Mit einem kleinen MOSFET-Modul kann Ihr ESP32 S3 eine 12V-DC-Last steuern und bestimmen, wie viel Leistung sie erhält. Jedes der drei DIYables-Module (AOD4184, LR7843 oder FR120N) passt zu diesen Schritten. Nehmen Sie also das Modul, das Sie haben, und bauen Sie Ihr erstes Leistungsprojekt.

Was Sie in diesem Tutorial bauen:

Was ein MOSFET-Modul ist und was darin passiert
Wie Sie das Modul, ein 12V-Netzteil und einen LED-Streifen an den ESP32 S3 anschließen
Wie Sie einen Sketch hochladen, der den Streifen ein- und ausschaltet und dann auf- und abblendet
Wie Sie die Leistungsstufe im Serial Monitor prüfen

ESP32 S3 und MOSFET-Modul mit AOD4184, LR7843 oder FR120N

Erforderliche Hardware

1	×	ESP32 S3 WROOM N16R8
1	×	(Alternativ) ESP32 S3 SuperMini Dev Module
1	×	(Alternativ) ESP32 S3 Uno-form Board
1	×	(Alternativ) ESP32 S3 Camera Board
1	×	USB-Kabel Typ-A zu Typ-C (für USB-A PC)
1	×	USB-Kabel Typ-C zu Typ-C (für USB-C PC)
1	×	(Optional) DC-Stromanschluss
1	×	MOSFET Module (AOD4184, LR7843 or FR120N)
1	×	12V LED-Streifen
1	×	(Alternativ) 12V DC Kühlventilator
1	×	12V Netzteil
1	×	DC Power Jack (for the 12V load)
1	×	Verbindungskabel
1	×	(Empfohlen) Screw Terminal Expansion Board for ESP32 S3
1	×	(Empfohlen) Breakout Expansion Board for ESP32 S3
1	×	(Empfohlen) Power Splitter for ESP32 S3

Oder Sie können die folgenden Kits kaufen:

1	×	DIYables ESP32 S3 Starter-Kit (ESP32 S3 enthalten)
1	×	DIYables Sensor-Kit (18 Sensoren/Displays)

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Überblick über MOSFET Module

Jeder Ausgangspin des ESP32 S3 liefert nur 3,3V und wenige Milliampere. Für eine LED reicht das. Für einen 12V-Streifen, einen Lüfter, eine Pumpe oder eine Heizung reicht es nicht. Das MOSFET-Modul ist der Helfer dazwischen: Der GPIO-Pin sagt ihm nur, was es tun soll, und das Modul leitet den hohen 12V-Strom an die Last weiter.

Sie fragen sich vielleicht, warum wir kein Relais verwenden. Ein Relais klickt, nutzt sich ab und kann nur ganz ein oder ganz aus sein. Der MOSFET ist lautlos, hat keine beweglichen Teile, reagiert blitzschnell und hält viele Jahre. Er folgt außerdem PWM, und so dimmen Sie Licht und ändern die Lüfterdrehzahl. Merken Sie sich eine Regel: nur DC-Lasten. Netzspannung (AC) darf niemals an dieses Modul angeschlossen werden.

Wie das Modul funktioniert

Direkt hinter dem PWM-Pin sitzen ein kleiner Widerstand und ein PC817-Optokoppler. Im PC817 befindet sich eine winzige LED, die einem Fototransistor gegenübersteht, und der Fototransistor speist das Gate des MOSFET. Ein zweiter Widerstand zieht das Gate auf 0V, solange der Fototransistor aus ist. Weil nur Licht die Lücke überquert, gibt es keine Leitung zwischen der ESP32-S3-Schaltung und der 12V-Schaltung, und sogar die beiden Massen bleiben auf dem Modul getrennt. Der MOSFET selbst ist ein N-Kanal-Typ und sitzt auf der Low-Side zwischen den Schraubklemmen LOAD und −, während der Streifen zwischen + und LOAD hängt. Was dann passiert, hängt davon ab, was GPIO47 sendet.

GPIO47 auf 0V (LOW). Es fließt kein Strom in den PC817, daher bleibt seine LED dunkel und der Fototransistor bleibt aus. Der Pull-down-Widerstand hält das MOSFET-Gate auf 0V, und der MOSFET wirkt wie ein offener Schalter zwischen LOAD und −. Die Minusleitung des Streifens hat nun keinen Weg zurück zum Netzteil, es fließt kein Strom, und der Streifen liegt auf 0V und ist ganz aus. Im Sketch erzeugt analogWrite(MOSFET_PIN, 0) oder digitalWrite(MOSFET_PIN, LOW) diesen Zustand.

GPIO47 auf 3,3V (HIGH). Die 3,3V reichen völlig aus, denn die LED im PC817 braucht nur wenige Milliampere. Diese versteckte LED leuchtet, der Fototransistor leitet, und das MOSFET-Gate steigt auf etwa die Hälfte der Netzteilspannung, also etwa 6V bei einem 12V-Netzteil. Der MOSFET schaltet dann voll durch und verhält sich wie ein geschlossener Schalter, mit nur wenigen Milliohm Widerstand beim AOD4184 und LR7843 oder etwa 0,2Ω beim FR120N. Der Strom fließt nun vom Netzteil + in die +-Klemme, durch den Streifen, in LOAD, durch den MOSFET, aus der −-Klemme und zurück zum Netzteil −. Der Streifen erhält fast die ganzen 12V und arbeitet mit voller Leistung. analogWrite(MOSFET_PIN, 255) oder digitalWrite(MOSFET_PIN, HIGH) ergibt dieses Ergebnis.

GPIO47 sendet PWM. Jetzt wechselt der Pin etwa 1000 Mal pro Sekunde zwischen LOW und HIGH, und der MOSFET folgt jedem Wechsel: an bei jedem High-Teil, aus bei jedem Low-Teil. Der Streifen wird mit schnellen 12V-Impulsen versorgt, und das Tastverhältnis, also der Anteil jeder Periode auf HIGH, bestimmt den Mittelwert. Bei 10% Tastverhältnis ist die Last ein Zehntel der Zeit an und hat im Mittel etwa 1,2V. Bei 50% ist sie die Hälfte der Zeit an, etwa 6V und halbe Leistung. Bei 90% sind es im Mittel etwa 10,8V, fast voll. Ein LED-Streifen sieht einfach dunkler aus, da das Flackern viel zu schnell für Ihre Augen ist. Ein Lüfter, Motor oder eine Pumpe dreht langsamer, weil die drehende Masse die Impulse glättet. Im Code ist das analogWrite(MOSFET_PIN, value) mit einem Wert von 0 bis 255, das Tastverhältnis ist also value / 255. Der Sketch auf dieser Seite geht von 10% bis 100%. Erhöhen Sie die Frequenz nicht deutlich über den Standardwert von 1 kHz: Der langsame PC817 kommt nicht mehr mit, der MOSFET schaltet nicht mehr sauber, die Last erhält unregelmäßige Impulse, und der Chip wird heiß.

Wichtige Spezifikationen

Größe, Pins, Verdrahtung und Sketch sind bei allen drei Modulen gleich. Nur der Chip oben ist anders, und er bestimmt, wie viele Volt und Ampere Sie schalten können.

	AOD4184	LR7843	FR120N
MOSFET-Chip	AOD4184A (N-Kanal)	IRLR7843 (N-Kanal)	IRFR120N (N-Kanal)
Max. Lastspannung (MOSFET-Nennwert)	40V DC	30V DC	100V DC
Max. Strom (MOSFET-Nennwert)	50A	161A	9,4A
Durchlasswiderstand RDS(on)	etwa 7 mΩ	etwa 3,3 mΩ	etwa 210 mΩ
Praktischer Strom, ohne Kühlkörper	etwa 10–15A	etwa 15A	etwa 2A
Steuersignal	3,3V / 5V Logik, aktiv HIGH	3,3V / 5V Logik, aktiv HIGH	3,3V / 5V Logik, aktiv HIGH
Isolation	PC817-Optokoppler	PC817-Optokoppler	PC817-Optokoppler
PWM	ja, ≤ ~1 kHz halten	ja, ≤ ~1 kHz halten	ja, ≤ ~1 kHz halten
Lasttyp	nur DC	nur DC	nur DC

Verstehen Sie 50A oder 161A nicht als Nennwert der Platine. Diese Werte gelten nur für den Chip allein, und die kleine Platine wird viel früher warm. Lassen Sie Ihre Last eine Weile laufen und prüfen Sie den Chip dann kurz mit dem Finger. Wenn er schmerzhaft heiß ist, verwenden Sie eine kleinere Last oder bringen Sie einen Kühlkörper an.

Sie wissen nicht, welches Modul Sie nehmen sollen? Für hohe Ströme bei 12V oder 24V, zum Beispiel lange helle Streifen oder große Motoren, wählen Sie den LR7843. Er hat den niedrigsten Widerstand und bleibt am kühlsten, aber bei 30V ist Schluss. Der AOD4184 (manchmal mit D4184 beschriftet) liegt in der Mitte und schafft Aufgaben mit 12V, 24V und 36V bis zu 40V. Der FR120N ist die Wahl für höhere Spannung bis 100V, doch sein höherer Widerstand begrenzt ihn auf leichte 24V- oder 48V-Lasten von etwa 2A.

MOSFET-Modul Pinbelegung

Pinbelegung des MOSFET-Moduls AOD4184, LR7843 und FR120N

Zwei Stiftleisten-Pins zeigen zum ESP32 S3, und drei Schraubklemmen zeigen zur 12V-Seite.

PWM — Signaleingang vom ESP32 S3 GPIO47 (2,54mm Raster, passt also in ein Breadboard)
GND — Masse des Signals; verbinden Sie sie mit GND des ESP32 S3
+ — Pluskabel des 12V-Netzteils (oder einer anderen Spannung) UND Pluskabel des Streifens oder Motors; beide Kabel teilen sich diese eine Klemme
LOAD — Minuskabel des Streifens oder Motors; der Drain des MOSFET schaltet diese Klemme
− — Minuskabel des Netzteils

Die Bezeichnungen auf der Platine können sich zwischen Produktionschargen leicht unterscheiden. Richten Sie sich immer nach dem, was auf Ihrem Modul aufgedruckt ist.

Verdrahtungsdiagramm

Nur zwei Jumper-Kabel verbinden den ESP32 S3 mit dem Modul: GPIO47 mit PWM und eine gemeinsame Masse. Alles andere liegt auf der 12V-Seite, wo eine DC-Buchse das Netzteil anschließt und der Streifen an die Klemmen + und LOAD kommt. GPIO47 liegt auf derselben Stiftleiste wie TX und RX, und auf dem N16R8-Board gibt er wie die anderen Pins 3,3V aus. Bei Modulen mit einem „V" im Namen (wie R8V oder R16V) arbeitet GPIO47 mit 1,8V, was zu schwach sein kann, um den Optokoppler zum Leuchten zu bringen. Wählen Sie bei diesen Boards einen anderen freien GPIO, zum Beispiel GPIO1.