Brauche ich einen Kühlkörper für einen MOSFET?

Der IRF540 kann laut Datenblatt eine Gate-Schwellenspannung von bis zu 4 V haben, sodass er wahrscheinlich nicht in der Lage wäre, genügend Strom zu liefern, damit die LEDs nahe bei 12 V laufen.

Wenn man sich das Datenblatt für den IRF540 , Abbildung 3, genauer ansieht , scheint es tatsächlich, dass es mehr als ausreichend wäre, eine 5-A-Last bei einer 5-V-Gate-Ansteuerung zu treiben. Ich würde das versuchen, wenn ich du wäre. Der Kühlkörper ist trotzdem notwendig!

Der IRL540 hingegen ist besser geeignet, da es sich um einen MOSFET mit Logikpegel handelt. Laut Datenblatt liegt der RDS(on) bei etwa 77mΩ.

63 W bei 12 V entsprechen 5,25 A, sagen wir einfach 5 A, da am MOSFET ein kleiner Spannungsabfall auftritt, der den Strom in den LEDs verringert.

Die Verlustleistung im MOSFET ist dann:

$P_{dissipated} =RDS_{on} *I^2\ = 77mΩ * 5^2 = \textbf{1.9W}$

Laut Datenblatt beträgt der Übergang zum Umgebungswärmewiderstand 62 °C/W

Dies bedeutet, dass die Temperatur der MOSFETs mit ansteigt

$1.9W * 62 °C/W = \textbf{117°C}$von Umgebungstemperatur.

Unter der Annahme von 25 °C Umgebungstemperatur ergibt das 142 °C . Das ist immer noch in der Spezifikation unter der Annahme idealer Bedingungen. Aber wissen Sie, die Welt ist nicht ideal.

EDIT : Ich habe vergessen zu berücksichtigen, dass der Einschaltwiderstand mit der Temperatur deutlich ansteigt, also sollten Sie unbedingt einen Kühlkörper darauf setzen!

Die einfache Antwort ist, dass Sie wirklich einen Kühlkörper brauchen.

Schauen Sie sich die Abbildungen 1 und 2 des Datenblatts an . Bei einer Gate-Spannung von 4,5 Volt beträgt eine typische Vds bei 5 Ampere etwa 0,6 Volt für eine Gehäusetemperatur von 25 °C. 0,6 Volt mal 5 Ampere sind 3 Watt. Wie Linkyyy betonte, beträgt der nominelle maximale Wärmewiderstand 63 Grad/Watt, was auf einen Anstieg von 190 Grad bei einer Nominaltemperatur von 215 Grad C hindeutet. Wenn Sie sich jetzt Abbildung 2 ansehen, sehen Sie das bei 175 Grad, z die gleichen Vgs, Vds beträgt jetzt etwa 0,8 Volt und die Leistung beträgt jetzt 4 Watt. Das ist kein guter Trend. Aus Abbildung 9 geht übrigens hervor, dass die absolute maximale Sperrschichttemperatur 175 °C beträgt, sodass Sie wissen, dass Sie Probleme haben.

Und all dies setzt voraus, dass typische Werte verwendet werden. Vertrauen Sie mir, wenn Sie eines lernen sollten, dann ist es niemals, eine Schaltung mit typischen Werten für kritische Funktionen zu entwerfen. Immer, immer, immer Worst-Case verwenden. Hier gilt Murphy's Law.

Zugegeben, da diese Schaltung nicht um eine Größenordnung oder ähnliches ausfällt, benötigen Sie wahrscheinlich keinen allzu großen Kühlkörper, um sicher zu bleiben. Aber du brauchst einen.

Der IRF540 schaltet gut ein, wenn die Gate-Source 10 V beträgt. Einige von ihnen schalten mit weniger Spannung, andere werden einfach sehr heiß und verursachen schwache LEDs. Ein Mosfet hat eine hohe Gate-Kapazität und ein Arduino kann es nicht schnell laden und entladen, was zu Wärme im Mosfet führt, wenn Sie es mit hoher Frequenz schalten lassen.

Das Datenblatt eines IRL540 zeigt eine Erwärmung mit maximal 2,2 W, wenn Sie Ihre LEDs langsam ansteuern, sodass ein kleiner Kühlkörper in Ordnung ist.