P-Kanal-MOSFET als High-Side-Schalter wird heiß

Also versuche ich, meine Frontlichter meines Autos mit einem Arduino Nano zu steuern. Insgesamt gibt es 14 Lichter (einschließlich Nebelscheinwerfer und Blinker usw.). Ich verwende zwei 75HC595-Schieberegister, um diese Lichter zu steuern. In meinem Auto habe ich auch 14 LEDs, damit ich sehen kann, welche Lichter an sind. Zum Schalten der Lichter wollte ich MOSFETs verwenden, aber da alle Lichter eine gemeinsame Masse haben, muss ich sie als High-Side-Schalter -> P-Kanal verwenden. Ich verwende den IRF4905. Die Lichter, die ich schalte, sind 55W. Bei 12 V fließt ein Strom von etwa 5 A, was kein Problem sein sollte, oder? Das Problem ist, dass der MOSFET nach kurzer Zeit sehr heiß wird.

Dies ist die Schaltung, die ich verwendet habe, um ein Licht zu schalten (alle Lichter wären ein riesiges Bild). Transistor ist BC547C. Relais ist das Standardrelais in meinem Auto. Konnte keine Glühbirne in Fritzing finden, also habe ich einen Widerstand verwendet (R6 ist Glühbirne). Der Wert von R6 ist nicht korrekt

P-Kanal Mosfet Arduino 74HC959 High-Side-SchalterWenn das Licht eingeschaltet ist, liegen etwa 11,52 V zwischen dem (+) Anschluss der Batterie und der negativen Seite des Lichts an, aber am Licht selbst liegen 10,85 V an. Habe ich also Recht, wenn ich sage, dass am MOSFET 0,67 V anliegen? Ich habe den Strom gemessen und er war ungefähr 2,58 A.

0,67 v ⋅ 2.58 A = 1.7 W am MOSFET

0,67 v 2.58 A = 0,26 Ω während R D S Ö N = 0,02 Ω

Wenn ich in meinen Berechnungen etwas falsch mache, sagen Sie es mir bitte. Stimmt etwas mit meiner Schaltung nicht oder habe ich eine fehlerhafte Charge von MOSFETs (3 verschiedene ausprobiert)?

Bearbeiten : Ich habe bereits versucht, den 74HC595 im Stromkreis zu entfernen, aber er läuft immer noch heiß.

P-Kanal-Mosfet-Arduino-High-Side-Schalter

Das ist ein N-Kanal-MOSFET, den Sie in Ihrem Diagramm haben.
@brhans guter Anruf, geändert
Und 0,67 / 2,58 sind nicht gleich 0,02 Ohm, sondern eher 0,3. Dies legt nahe, dass Sie die Gate-Spannung des FET messen müssen. Es sollte weniger als 2 Volt betragen.
@WhatRoughBeast 0,67/2,58 = 0,26, wie ich in der Frage gesagt habe. Die Gatespannung beträgt 150mV
Ich sage es nur ungern, aber ich schlage vor, Sie versuchen es mit einem anderen FET. Sie scheinen ausreichend Gate-Antrieb zu haben, aber es schaltet sich nicht richtig ein.
Wie misst du Spannung und Strom? Messen Sie beide gleichzeitig? Gibt es wahrnehmbare Schwingungen? Haben Sie eine stabilisierte Versorgung oder zumindest eine viel stärker geladene Batterie ausprobiert?
Nun, etwas stimmt sicherlich nicht, denn wenn R6 3 Ohm beträgt und Sie 2,58 A durch ihn gemessen haben, sollte dieser Strom durch ihn abfallen E = ICH R = 2.58 A × 3 Ω = 7.74  Volt , nicht 10,85 Volt. Umgekehrt, wenn an R6 ein Spannungsabfall von 10,85 Volt auftritt und 2,58 A durchfließen, kann R6 nicht 3 Ohm betragen. Außerdem hat ein HC595 Grenzen, wie viel Strom er liefern und dennoch eine anständige Ausgangsspannung aufrechterhalten kann. Wenn also diese LED und der Widerstand zwischen dem Ausgang des 595 und dem Gate von Q5 stecken, würde ich untersuchen, wie der Gate-Antrieb von Q5 aussieht und was es ist muss sein.
Übrigens, ist Ihnen auch bewusst, dass eine kalte H1-55-W-Lampe in den ersten ms aus dem Speicher mehr als 60 A entladen kann? Machst du PWM? wechselst du oft? Beim Einschalten bestrafen Sie den Mosfet bis an seine Grenzen, wenn Sie das zu oft in begrenzter Zeit tun, könnte es möglicherweise den Kanal beschädigt haben. (PS, bei 1,7 W bin ich nicht sehr überrascht, dass es heiß wird. Rth (JA) = 62 K / W und Rth (JC) = 0,75 K / W, ich würde sagen, der Fall in freier Luft könnte durchaus nördlich davon liegen 100 Grad C - AKA Siedepunkt von Wasser (ish))
@Asmyldof Ich messe sie nicht gleichzeitig. Ich werde meinen Akku über Nacht aufladen und es erneut versuchen, aber ich bin mir nicht sicher, ob das ausreichen wird.
@EMFields Wie gesagt, R6 sollte die Glühbirne sein, aber ich konnte es in Fritzing nicht finden, die 3 Ohm sind nicht der richtige Wert. Das habe ich in meinem Beitrag jetzt geändert. Ich habe auch versucht, das Schieberegister zu überspringen, aber das war nicht das Problem.
Ich glaube nicht, dass die Akkuladung das Problem ist, aber es ist etwas zu versuchen. Wichtiger ist es, die Versorgungs- und Lampenspannung gleichzeitig und gegen eine Zeitbasis zu betrachten (z. B. mit einem Oszilloskop). Ein kleines "Flimmern" am Tor wird von einem normalen Multimeter gemittelt und effektiv ausgeblendet, während dies die Dinge leicht erklärt. Denken Sie auch an den Kaltstrom von >= 60 A.
@Asmyldof Ich bin kein PWM und die kürzeste Zeit zwischen dem Ein- und Ausschalten beträgt nicht weniger als 0,5 Sekunden. Ich weiß, dass 1,7 W das Paket heiß machen, aber wenn ich das richtig verstehe, sollte der MOSFET keine 1,7 W bekommen, wenn er richtig funktioniert
Was sind die Werte von R6 und dem LED-Vorschaltgerät und was sind die Spezifikationen der LED, bitte. Ein Datenblatt oder ein Link zu einem wäre schön.
R7 hat 220 Ohm. Die LED ist nur eine normale rote LED aus China: 2,8 V 20 mA. R6 ist die Glühbirne, es ist ein 12V 55W H1-Licht
Das Offensichtlichste, was mir einfällt, ist, dass Sie irgendwie mehr Strom ziehen, als Sie denken. Versuche dies. Holen Sie sich 25 Fuß 16-ga-Draht, der einen Widerstand von 0,1 Ohm haben wird. Verbinden Sie es zwischen Ihrer Batterie und dem Drain des FET. Schalten Sie nun Ihr Licht ein und messen Sie die Spannung über dem Kabel. Tun Sie es direkt, nicht indem Sie die Spannung an jedem Ende messen und die Differenz nehmen. Wenn Ihr Strom wirklich 2,58 Ampere beträgt, sollten Sie ungefähr 0,26 Volt erhalten. Wenn die Spannung viel größer ist, ziehen Sie mehr Strom als erwartet, und deshalb erwärmt sich der FET.

Antworten (4)

Das Problem

Der /OE-Pin (Ausgangsaktivierung) des 74CH595 schaltet die Ausgangstreiber zwischen zwei Zuständen um: Ansteuern der Ausgänge (hoch oder niedrig) und hohe Impedanz (Lassen der Ausgangsleitungen floaten). Es ist aktiv niedrig , so dass das Fahren von /OE niedrig dazu führt, dass der 74CH595 die Ausgänge abhängig von den Daten, die Sie verschoben haben, hoch oder niedrig treibt, während das Fahren von /OE hoch dazu führt, dass die Ausgänge ungesteuert schweben.

Sie haben den /OE-Pin über den 10-kΩ-Widerstand R29 mit der 5-V-Versorgung verbunden, sodass die Ausgangstreiber immer im hochohmigen Zustand sind .

Idealerweise würde in diesem Zustand kein Strom fließen, und folglich würde der unbenannte NPN-BJT niemals Strom leiten, aber in der Praxis ist immer ein gewisser Leckstrom vorhanden:

Es gibt keinen "BC447C", daher gehe ich davon aus, dass der Transistor entweder ein BC447, ein BC547C oder ein ähnliches Teil ist. Wenn beispielsweise +1 μA vom 74CH595-Ausgang zum Kollektor des BJT lecken würde, würde die Gleichstromverstärkung des Transistors (wahrscheinlich irgendwo zwischen 100 und 600) dazu führen, dass er 100 μA bis 600 μA Strom vom Kollektor zum leitet Emitter. Beispielsweise würde ein Kollektorstrom von 300 μA zu einem Spannungsabfall von 3 V über dem 10-kΩ-Widerstand R7 führen, was zu einer Vgs (Gate-zu-Source-Spannung) von -3 V führen würde.

Diese Hypothese stimmt mit dem überein, was Sie gesehen haben (Ids von 2,58 A und Vds von 0,67 V), die Gate-Spannung muss sehr nahe an der Schwellenspannung (Vgsth) liegen:

Die Reparatur

  • Fügen Sie einen Pulldown-Widerstand zwischen der Basis des BJT und Masse hinzu, um zu verhindern, dass Streuströme ihn einschalten.

  • Entfernen Sie den unnötigen 10-kΩ-Widerstand R29 und verbinden Sie den /OE-Pin direkt mit Masse.

  • Die LED würde in ihrer jetzigen Konfiguration extrem schwach leuchten. Legen Sie es mit einem separaten Strombegrenzungswiderstand parallel zur Transistorbasis.

  • Fügen Sie einen Bypass-Kondensator für den 74HC595 hinzu, so nah wie möglich am 74HC595.

  • Wenn dies in einem Auto installiert werden soll, würde ich einen Überspannungsschutz für das MOSFET-Gate hinzufügen, um es vor Spannungsspitzen zu schützen (das Gate-Oxid wird leicht durch Überspannung zerstört). Eine 15-V-TVS-Diode wäre ideal, aber ein Zener funktioniert auch.

Die von Ihnen gewählten Komponenten sind genau richtig für das, was Sie tun.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Hervorragende Antwort, vielleicht erwähnen Sie, dass die Entkopplungskappe C1 physisch so nah wie möglich am Schieberegister sein muss, um die beabsichtigte Wirkung zu erzielen.
Schöne Erklärung, aber wie ich in den Kommentaren erwähnt habe, habe ich bereits versucht, den 74HC595 im Stromkreis zu entfernen, und er läuft immer noch heiß. Ich habe den Namen des Transistors geändert, Tippfehler. Ich hatte einen Fehler in der Zeichnung der Schaltung. Es sollte auch ein Draht vom /OE-Pin zum Arduino D7 vorhanden sein. Auf diese Weise kann ich steuern, wann die Lichter funktionieren sollen. Wenn ich /OE direkt mit GND verbinde, gehen alle Lichter an, wenn der Arduino gestartet wird, und das möchte ich nicht.
@fieldhof Sie möchten immer noch diesen 10k-Widerstand von der Basis des NPN-BJT nach Masse, auch ohne das Schieberegister. Wenn das Arduino hochfährt, werden die ATmega328/ATmega168 IO-Pins als Eingänge eingestellt, und der Eingangsleckstrom kann bis zu 1 μA betragen. Könnten Sie bitte die Gate-Source-Spannung des MOSFET mit einem Voltmeter messen? Ich vermute immer noch, dass das Gate nicht niedrig genug angesteuert wird, da der MOSFET bei 2,56 A nur 133 mW verbrauchen sollte.
Gate-to-Source-Licht aus = 0 V, Gate-to-Source-Licht an = -11,2 V, Batterie zeigt 11,6 V an, wenn sie eingeschaltet ist
Nun, das würde meine Hypothese ziemlich schlüssig widerlegen. Haben Sie versucht, den MOSFET auszutauschen, falls er beschädigt wurde? Sind Sie sicher, dass es sich tatsächlich um einen IRF4905 handelt?
Ich habe schon 4 verschiedene ausprobiert, aber alle haben das gleiche Problem. Welcher Spannungsabfall über dem MOSFET ist bei 5A normal? 5 * 0,02 = 0,1 V? Auf dem MOSFET selbst befindet sich IRF4905, und ich habe IRF4905 bestellt, daher bin ich mir ziemlich sicher, dass es sich um IRF4905 handelt, aber bei Sachen aus China werden Sie es nie genau wissen
Wo genau hast du sie gekauft? Plagiate als Ursache sind mir bisher gar nicht in den Sinn gekommen, aber es würde Sinn machen...
@jms Ich habe sie bei Ebay gekauft. 20 Stück für 7,42 $
Wenn man bedenkt, dass der TO-220 IRF4905 bei Digikey 1,32 USD, bei Mouser 1,06 USD und bei Farnell 2 € kostet (alle Preise für Großmengen), glaube ich, dass man bei 0,362 USD das Stück abgezockt wurde. Ich würde ähnliche MOSFETs entweder in örtlichen Elektronikgeschäften oder bei seriösen Online-Verkäufern ausprobieren, bevor ich fortfahre.

Wir können jetzt sagen, dass der P-Kanal einen ausreichend niedrigen Widerstand hat und die Gate-Source-Antriebsspannung ausreichend ist. Es gibt keinen Schutz für Ihr Gate, sodass Sie Ihre Fets durch Spannungsspitzen beschädigen könnten. Platzieren Sie beispielsweise einen 18-V-Zener zwischen Gate-Source und Versuchen Sie es erneut. Eine andere Möglichkeit sind parasitäre Schwingungen, die ein Oszilloskop beweisen oder widerlegen würde. Ich denke, Sie sollten einen Gate-Widerstand in Reihe mit dem Gate von beispielsweise 1 kOhm schalten, um die Möglichkeit von Parasiten auszuschließen. Ihre 12-V-Schiene sollte auch einige Entkopplungskappen haben.

Kann eine Autobatterie Spitzen liefern, wenn sie an nichts anderes als diesen Stromkreis angeschlossen ist? Es wird nicht aufgeladen oder so, nur dieser Stromkreis ist an die Batterie angeschlossen. Der Gate-Widerstand kann zwischen Collector und Gate platziert werden, wenn ich das richtig verstehe?
Wenn Sie den vorgeschlagenen 1K-Gate-Widerstand in den Kollektor stecken, wird der Gate-Antrieb halbiert, wodurch er heißer wird. Wenn Sie ihn in den Kollektor stecken müssen, machen Sie R7 10K Ohm.
Was meinst du damit, einen Gate-Widerstand in Reihe mit dem Gate zu schalten? Ich habe R7 bereits gegen einen 10K-Ohm-Widerstand ausgetauscht
Gut. Machen Sie den Zener und umgehen Sie die Schienen, weil Sie möchten, dass dies in einem Auto überlebt. Wie stehen die Dinge auf dem Zielfernrohr?

Ich denke, die richtige Antwort wäre, dass der MOSFET heiß wird, weil er es sein sollte.

Lassen Sie uns einige Berechnungen anstellen: Laut Datenblatt von IRF4905 hat es eine Verbindung zum thermischen Widerstand der Umgebung R J A =62°C. Nehmen wir Umgebungstemperatur an T A von 25°C und Verlustleistung von 1,7W. Laut dieser Seite: http://www.rohm.com/web/eu/tr_what7 haben Sie zur Berechnung der Übergangstemperatur die folgende Gleichung:

T J = T A + R J A ∗ P
Wenn Sie die Berechnungen für Ihren Fall durchführen, erhalten Sie eine Sperrschichttemperatur von 130 ° C - ziemlich heiß, aber immer noch nicht heiß genug, um den Transistor zu beschädigen. Wenn Sie es dennoch in ein Fach stecken möchten, würde ich vorschlagen, einen Kühlkörper hinzuzufügen. Es ist auch eine gute Idee, die Ratschläge von jms zum Schaltungsdesign zu befolgen.

Während Ihre Mathematik solide ist, ist die Prämisse nicht. Bei einer Sperrschichttemperatur von 130 °C würde Rdson (gemäß Datenblatt , Abb. 4) das 1,55-fache der angegebenen 20 mΩ (was eine Sperrschichttemperatur von 20 °C annimmt), 31 mΩ werden. Um die angenommenen 1,7 W Verlustleistung über 31 mΩ zu erhalten, wäre ein Strom von 54,8 A erforderlich. Ich denke, man kann mit Sicherheit sagen, dass die 55-W-Lampe keine 670 W Leistung verbraucht. Entweder ist der MOSFET beschädigt oder die Gate-Spannung ist unzureichend.
@jms Sie haben Recht, und ich denke, ich bin (zumindest teilweise) auch :) Bei dem von fieldhof angegebenen Spannungsabfall und Strom würden 1,7 W am Transistor verbraucht werden, und meine Temperaturberechnungen sind korrekt. Aber ich stimme zu, dass es dort keinen solchen Spannungsabfall geben sollte - wahrscheinlich ist es nicht vollständig geöffnet.

Meine Idee ist, dass der Erdungspunkt des MOSFET-Source-Pins so stark induktiv ist, dass die Source-Spannung nach oben tritt und die Gate-Spannung nach der ansteigenden Flanke unter den Sollwert fällt, was nach dem Anstieg von Vgs einen neuen induktiven Kick verursacht und die Bedingungen nahezu gleich bereitet mit dem erster Tritt, genug, um eine stabile Schwingung zu erzeugen. Das Rezept besteht also darin, die Anstiegsgeschwindigkeit der Einschaltspannung zu reduzieren ODER die Masseverbindungen zu verbessern.

Wenn Sie zuerst das Licht mit dem Relais einschalten, dann den MOSFET einschalten und dann das Relais ausschalten, und wenn der MOSFET gut funktioniert, ist dies ein schöner Hinweis, der meine Idee unterstützt.

P-Kanal-MOSFET als High-Side-Schalter wird heiß
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