Warum koche ich MOSFETs?

Ich habe einen sehr einfachen MOSFET-LED-Treiber erstellt, der die PWM eines Arduino Nano verwendet , um einen MOSFET zu schalten, der die Leistung für etwa 16 Meter LED-Streifen steuert.

Ich verwende STP16NF06 MOSFETs .

Ich steuere RGB-LEDs, also verwende ich drei MOSFETs, einen für jede Farbe, und wenn alle 16 Meter LED-Streifen laufen, ziehe ich ungefähr 9,5 Ampere.

9.5 A/ 3 channels = 3.17 A maximum load each.

Der MOSFET hat einen vollen Einschaltwiderstand von 0,8 Ω, also sollte meine Wärme mein I 2 R-Verlust betragen

3.17 amperes^2 * 0.08 ohms = 0.8 watts

Laut Datenblatt bekomme ich 62,5 °C Wärme pro Watt, die maximale Betriebstemperatur beträgt 175 °C und die erwartete Umgebungstemperatur beträgt weniger als 50 °C

175 °C - (0.8 W * 62.5 °C/W) + 50 °C = 75 °C for margin of error

Ich betreibe diese MOSFETs ohne Kühlkörper und habe sie die ganze Nacht in einem Programm laufen lassen, das nur rot grün blau weiß ohne Unterbrechung durchläuft und nicht überhitzt. Ich gehe davon aus, dass diese Schaltung mehr als 16 Stunden pro Tag laufen kann.

Ich verwende ein 12-V-Netzteil für die LEDs und ein 5-V-Steuersignal vom Arduino, daher sollte es mir nicht möglich sein, die Drain-Gate-Spannung von 60 V oder die Gate-Source-Spannung von 20 V zu überschreiten.

Nachdem ich heute an meinem Schreibtisch in meinem klimatisierten Büro damit gespielt habe, stellte ich fest, dass ich den Rotkanal nicht wie früher am Tag ausschalten konnte. Und beim Messen von Gate zu Drain ohne angeschlossene Stromversorgung fand ich 400 Ω auf dem roten Kanal und einen unmessbar hohen Widerstand auf den grünen und blauen Kanälen.

Dies ist der Schaltplan, mit dem ich arbeite. Es ist dasselbe, nur dreimal wiederholt, und die 5 V sind ein PWM-Signal vom Arduino, und die einzelne LED ohne Widerstand ist nur ein Ersatz für den LED-Streifen, der Widerstände und eine solide Einrichtung hat, die ich nicht für nötig hielt zu modellieren.

Dies ist der Schaltplan, mit dem ich arbeite

Ich denke, es ist fehlgeschlagen, nachdem ich den Arduino etwa 50 Mal ein- und ausgesteckt habe, obwohl ich mir nicht sicher bin, welche Bedeutung das hat, da der Arduino immer noch funktioniert.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Angesichts der Tatsache, dass es einige Tage funktioniert hat, einschließlich eines Tages mit hoher Belastung, meine Fragen :

  1. Könnte das Hotswapping des Arduino in und aus dieser Schaltung die MOSFETs irgendwie beschädigen, aber nicht das Arduino?

  2. Könnte ESD hier irgendwie der Übeltäter sein? Mein Schreibtisch ist ein mit Harz beschichtetes Holz oder laminiertes Holz. Es ist zu beachten, dass die Source aller drei MOSFETs der gemeinsame GND ist.

  3. Ich habe keinen ausgefallenen Lötkolben und ich habe keine Ahnung, ob er über 300 ° C geht. Ich habe jedoch Bleilot verwendet und so wenig Zeit wie möglich für jeden Pin aufgewendet, und ich habe Pin eines des ersten MOSFET und dann Pin eines des zweiten MOSFET usw. gelötet, wobei ich nicht alle Pins von einem Chip nacheinander gemacht habe und wenn zu viel Lötwärme war das Problem, warum hätte das das Problem nicht sofort verursacht? Warum ist es jetzt aufgetaucht?

  4. Gibt es etwas, das ich übersehen habe oder ein Versehen in meinen Berechnungen?

" Warum koche ich Mosfets? " - Sie hassen wahrscheinlich Mosfets.
"Warum koche ich Mosfets?" - Vielleicht sind Mosfets zum Abendessen...
Was ist dein Vgs?
"Warum koche ich Mosfets?" - weil rohe Mosfets den Rest der Schaltung verdauen lassen.
Wollten Sie 0,08 Ohm in Ihrer Verlustleistungsberechnung verwenden? Das ist ein Faktor von 10 gegenüber dem im vorhergehenden Text angegebenen: "Der MOSFET hat einen Widerstand von 0,8 Ω bei vollem Betrieb".
@Paul Das Datenblatt zeigt einen typischen Rdson von 80 mΩ, daher vermute ich, dass die "0,8 Ω" der Frage nur ein Tippfehler waren.
Verrückt oder? Sie sollen sie backen, nicht kochen.

Antworten (3)

Ihr Problem ist die Gate-Ansteuerspannung. Wenn Sie sich das Datenblatt für den STP16NF06 ansehen, werden Sie sehen, dass der Rdson von 0,08 Ω nur für Vgs = 10 V gilt und Sie ihn mit nur (etwas unter) 5 V fahren, sodass der Widerstand viel höher ist.

Insbesondere können wir uns Abbildung 6 (Übertragungseigenschaften) ansehen, die das Verhalten zeigt, wenn Vgs variiert. Bei Vgs = 4,75 V und Vds = 15 V, Id = 6 A, also Rds = 15 V / 6 A = 2,5 Ω. (Aufgrund einiger Nichtlinearitäten ist es vielleicht nicht ganz so schlimm, aber es ist immer noch mehr, als Sie tolerieren können

ESD könnte auch ein Problem sein: Die Gates von MOSFETs sind sehr empfindlich, und es gibt keinen Grund, dass der Arduino (dessen Mikrocontroller über ESD-Schutzdioden verfügt) unbedingt auch betroffen sein müsste.

Ich würde vorschlagen, einen MOSFET mit einer ausreichend niedrigen Schwellenspannung zu kaufen, um bei 4,5 V vollständig eingeschaltet zu sein. Sie können sogar MOSFETs erhalten, die einen ESD-Schutz an ihrem Gate enthalten.

Es ist erwähnenswert, dass dies ein äußerst häufiges Problem bei der Ansteuerung von Mosfets von Mikrocontrollern ist - nur sehr wenige der gängigen Hochleistungs-Mosfet-Typen sind bei 5 V voll eingeschaltet, und bei 3,3 V ist es fast unmöglich, solche zu finden, die es sind. Ich finde es oft am einfachsten, einen zweiten Transistor (ob bipolar oder nur einen kleineren Mosfet) zu verwenden, um das Gate mit einer höheren Spannung anzusteuern. Ich habe zu diesem Zweck eine Reihe billiger BS170 gekauft; Obwohl sie bei 5 V nicht vollständig eingeschaltet sind, schaffen sie es gut genug, um eine Last mit hoher Impedanz zu treiben, und sie waren sehr billig.
@Jules Es ist nicht so schwer, FETs auf Logikebene für diese niedrigen Spannungen und moderaten Ströme zu finden. Als zufälliges Beispiel hat der TSM170N06CH einen maximalen Rdson von 20 mΩ bei 4,5 V Gate-Ansteuerung, und bei DigiKey sind es 66 Cent in Einsen.
Vielleicht muss ich meinen Anbieter wechseln. Das Beste, was ich bei Farnell sehen kann, kostet fast viermal so viel, und obwohl Mouser UK Ihr Beispiel in seinem Katalog hat, ist es ein nicht auf Lager befindlicher Artikel. (Die Dinge wären anders, wenn ich bereit wäre, mit oberflächenmontierten Teilen zu arbeiten, aber da ich die meisten Projekte gerne auf Steckbretter stecke, bevor ich ein Brett für sie zusammenbaue, ist das nicht wirklich ein Ort, an den ich gehen möchte).
@Jules Even Farnell hat einige anständige Auswahlmöglichkeiten: Betrachten Sie den IRLB4132PBF (30 V, 4,5 mΩ bei 4,5 V) für 0,873 £. Ich habe dies gefunden, indem ich einfach die DigiKey-Ergebnisse durchgesehen und überprüft habe, welche Farnell auch auf Lager hat, da die Farnell-Suche nicht sehr freundlich ist.

Der Punkt über die Gate-Spannung ist gültig, aber wenn sich der MOSFET nicht aufheizt, bin ich mir nicht sicher, ob dies hier der eigentliche Schuldige ist.

16 Meter 12-V-LED-Streifen, der mit mehreren Ampere betrieben wird, weisen bei typischen PWM-Frequenzen eine erhebliche Induktivität auf. Dies verursacht jedes Mal, wenn der MOSFET abschaltet, Spannungsspitzen am Drain. Diese Spitzen sind von kurzer Dauer, aber die Spannung kann ein Vielfaches der Versorgungsspannung betragen.

Die Lösung für dieses spezielle Problem besteht darin, eine Freilaufdiode (Schottky) antiparallel zu den LEDs zwischen +12 V und Drain hinzuzufügen, genau wie bei einem Elektromotor oder einer anderen induktiven Last.

Oder verwenden Sie eine kräftigere Avalanche-Diode als die im MOSFET.
Das Hinzufügen einer Klemmdiode ist sicherlich keine schlechte Idee, aber ich denke nicht, dass dies in diesem Fall das Problem ist. Das MOSFET-Datenblatt behauptet, dass die maximale Energie, die von seiner internen Avalanche-Diode abgeführt werden kann, 130 mJ in einem Impuls beträgt. Selbst wenn wir davon ausgehen, dass der LED-Streifen eine lächerliche Induktivität von 1 mH hat, sind das nur 0,5 * 1 mH * (3,2 A) ^ 2 = 5 mJ, womit die interne Diode kein Problem haben sollte.
Ich glaube nicht, dass das der Fall ist. Eine blaue Kappe der Y-Klasse wäre eine bessere Lösung, da die Spitze, selbst wenn vorhanden, schneller wäre als die Diode, die reagiert.
Nun, meine eigene Erfahrung ist, dass ein Schottky in dieser Konfiguration die Spannungsspitzen ziemlich stark begrenzt. Aber zugegebenermaßen habe ich einen anderen MOSFET, eine andere Treiberschaltung, einen anderen LED-Streifen usw. verwendet.
@AbeKarplus: Es überschreitet möglicherweise nicht die Ein-Impuls-Energiegrenze, aber selbst 5 mJ, wenn sie mit einer PWM-Zyklusrate von mehreren kHz multipliziert werden, sind eine um Größenordnungen höhere Leistung (und Erwärmung) als die in der Frage berechnete statische Leistung.
@BenVoigt Guter Punkt. Die standardmäßige Arduino-PWM-Frequenz beträgt jedoch nur 490 Hz. Damit die Verlustleistung der Body-Diode ein Problem darstellt, müsste die Induktivität über etwa 200 μH liegen, was ziemlich hoch erscheint. (Mein 1 mH war ein absichtlich extremes Beispiel.)
@Dampmaskin Argh, du hattest so lange 1337 Punkte.
Ich weiß es schon gut? Ich wagte kaum ein Wort zu sagen. :Ö

Eine weitere Sache zu überprüfen.

Dies sieht aus wie ein Versuchsaufbau, der mit einem oder mehreren PCs und/oder Plugpack-Netzteilen verbunden ist.

Dies führt häufig zu einer Umgebung, die nirgendwo direkt auf Masse bezogen ist oder an irgendeinem Punkt in der Schaltung auf unkontrollierte Weise darauf bezogen ist, insbesondere wenn ein Laptop-Computer mit einer zweipolig angeschlossenen Stromversorgung verwendet wird.

Herkömmliche "leichte" Plugpack-Schaltnetzteile liefern in der Regel Ausgangsschienen, die tatsächlich ein hochohmiges Wechselspannungspotential relativ zur Erde haben, bei der halben Netzspannung, das beiden Polen überlagert ist. Dies bleibt normalerweise unbemerkt, da die Last entweder vollständig erdfrei ist (ein Zubehörteil mit Kunststoffgehäuse) oder fest mit der Erdung verbunden ist (ein Desktop-PC) und die Impedanz hoch genug ist, um Sie nicht zu verletzen (es sei denn, Sie halten einen Draht daran Ihre Zunge, in der Nähe einer Vene ... tun Sie es nicht, auch wenn es sicher sein sollte.).

Allerdings kann es bei einem solchen Testaufbau dazu führen, dass die halbe Netzspannung an der falschen Stelle erscheint - und 60V oder sogar 120V (eigentlich im schlimmsten Fall eine Spitzenspannung von etwa 170V...) können ausreichen, um das Gate zu beschädigen eines ungeschützten MOSFET, wenn eine andere Elektrode in irgendeiner Weise geerdet ist (z. B. durch eine gut geerdete Person, die den Drain- oder Source-Schaltkreis berührt).

Das ist ein ausgezeichneter Punkt. Ich habe einmal mein Messgerät gebraten, als ich die Antennenabschirmung des Routers berührt habe. Das Ding bekam Spannung, die durch den Adapter leckte! Ich habe es dann geerdet und es war wieder in Ordnung. Sie sollten keine beschissenen doppelt isolierten Adapter mit Markengeräten verkaufen.
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