Warum koche ich MOSFETs?

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

Ich benutze STP16NF06 MOSFETs .

Ich steuere RGB-LEDs, also verwende ich drei MOSFETs 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 Einschaltwiderstand von 0,8 Ω, daher sollte meine Wärme mein I 2 R-Verlust sein

3.17 amperes^2 * 0.08 ohms = 0.8 watts

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

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 ununterbrochen rot-grün-blau-weiß durchläuft und nicht überhitzt. Ich erwarte, dass diese Strecke 16+ Stunden pro Tag fahren 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 in meinem klimatisierten Büro an meinem Schreibtisch damit gespielt hatte, stellte ich fest, dass ich den roten Kanal nicht so ausschalten konnte wie früher am Tag. Und die Messung von Gate zu Drain ohne angeschlossene Stromversorgung ergab 400 Ω am roten Kanal und einen unermesslich hohen Widerstand am grünen und blauen Kanal.

Dies ist der Schaltplan, mit dem ich arbeite. Es ist das gleiche, was nur dreimal wiederholt wurde 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 Konfiguration 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 in seine Stiftleisten gesteckt und wieder herausgezogen habe, obwohl ich nicht sicher bin, welche Bedeutung dies hat, da der Arduino immer noch funktioniert.

Geben Sie hier eine Bildbeschreibung ein

Angesichts der Tatsache, dass es einige Tage lang funktionierte, einschließlich eines Tages mit hoher Last, meine Fragen :

  1. Könnte ein Hot-Swap des Arduino in und aus dieser Schaltung die MOSFETs beschädigen, nicht jedoch den Arduino?

  2. Könnte ESD hier der Schuldige sein? Mein Schreibtisch ist aus kunstharzbeschichtetem Holz oder Schichtholz. Es ist zu beachten, dass die Source aller drei MOSFETs die gemeinsame Masse ist.

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

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

hamsolo474
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" Warum koche ich Mosfets? " - Sie hassen wahrscheinlich Mosfets.
Harry Svensson
20
"Warum koche ich Mosfets?" - Vielleicht sind Mosfets zum Abendessen ...
Voltage Spike
3
Was ist dein Vgs?
Brian Drummond
8
"Warum koche ich Mosfets?" - weil rohe Mosfets den Rest des Kreislaufs verstopfen.
Rackandboneman
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Wollten Sie in Ihrer Verlustleistungsberechnung 0,08 Ohm verwenden? Dies ist ein Faktor von 10 gegenüber dem im vorhergehenden Text angegebenen Wert: "Der MOSFET hat einen Einschaltwiderstand von 0,8 Ω".
Paul

Antworten:

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Ihr Problem ist die Gate-Treiberspannung. Wenn Sie sich das Datenblatt für den STP16NF06 ansehen, werden Sie feststellen, dass der 0,08 Ω-Rdson nur für Vgs = 10 V gilt und Sie ihn nur mit (etwas unter) 5 V betreiben, 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 ist 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, warum der Arduino (dessen Mikrocontroller über ESD-Schutzdioden verfügt) ebenfalls unbedingt betroffen sein muss.

Ich würde vorschlagen, einen MOSFET mit einer Schwellenspannung zu verwenden, die niedrig genug ist, um bei 4,5 V vollständig eingeschaltet zu sein. Sie können sogar MOSFETs mit ESD-Schutz an ihrem Gate erhalten.

Abe Karplus
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Es ist erwähnenswert, dass dies ein äußerst häufiges Problem beim Antreiben 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. Ich finde, es ist oft am einfachsten, einen zweiten Transistor (ob bipolar oder nur ein kleinerer MOSFET) zu verwenden, um das Gate mit einer höheren Spannung anzusteuern. Zu diesem Zweck habe ich eine Menge billiger BS170 gekauft. Während sie bei 5 V nicht voll eingeschaltet sind, schaffen sie es gut genug, eine hochohmige Last anzutreiben, und sie waren sehr billig.
Jules
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@Jules Es ist nicht so schwer, FETs mit Logikpegel für diese niedrigen Spannungen und moderaten Ströme zu finden. Als zufälliges Beispiel hat der TSM170N06CH eine maximale Rdson von 20 mΩ bei einem 4,5-V-Gate-Laufwerk und 66 Cent in Einsen bei DigiKey.
Abe Karplus
Vielleicht muss ich meinen Lieferanten wechseln. Das Beste, was ich bei Farnell sehen kann, kostet fast das Vierfache, und während 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 brettete, bevor ich ein Board für sie zusammenbaute, ist das nicht wirklich der Ort, an den ich gehen möchte.)
Jules
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@Jules Auch Farnell hat eine gute Auswahl: Betrachten Sie den IRLB4132PBF (30 V, 4,5 mΩ bei 4,5 V) für £ 0,873. Ich fand dies, indem ich einfach die DigiKey-Ergebnisse durchging und überprüfte, welche Farnell auch vorrätig hatte, da die Farnell-Suche nicht sehr freundlich war.
Abe Karplus
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Der Punkt über die Gate-Spannung ist gültig, aber wenn sich der MOSFET nicht aufheizt, bin ich mir nicht sicher, ob dies der eigentliche Schuldige ist.

16 Meter 12-V-LED-Streifen, die mit mehreren Ampere betrieben werden, weisen bei typischen PWM-Frequenzen eine erhebliche Induktivität auf. Dies führt bei jedem Ausschalten des MOSFET zu Spannungsspitzen am Drain. Diese Spitzen haben eine kurze 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.

Dampmaskin
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Oder verwenden Sie eine kräftigere Lawinendiode als die im MOSFET.
Ignacio Vazquez-Abrams
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Das Hinzufügen einer Klemmdiode ist sicherlich keine schlechte Idee, aber ich denke nicht, dass dies das Problem in diesem Fall ist. Das MOSFET-Datenblatt gibt an, dass die maximale Energie, die durch seine interne Lawinendiode abgeführt werden kann, bei einem Impuls 130 mJ beträgt. Selbst wenn wir annehmen, dass der LED-Streifen eine lächerliche 1-mH-Induktivität hat, sind das nur 0,5 * 1 mH * (3,2 A) ^ 2 = 5 mJ, mit denen die interne Diode kein Problem haben sollte.
Abe Karplus
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 reagiert als die Diode.
Zdenek
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@AbeKarplus: Sie darf die Ein-Puls-Energiebegrenzung nicht überschreiten, aber selbst 5mJ, multipliziert mit einer PWM-Taktrate von mehreren kHz, sind um Größenordnungen leistungsstärker (und heizbarer) als die in der Frage berechnete statische Leistung.
Ben Voigt
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Ich weiß es schon gut? Ich wagte kaum ein Wort zu sagen. : o
Dampmaskin
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Eine weitere Sache zu überprüfen.

Dies sieht aus wie ein Versuchsaufbau, der an einen oder mehrere PCs und / oder Plugpack-Netzteile angeschlossen ist.

Dies führt häufig zu einer Umgebung, die nirgendwo direkt auf die Erdung oder irgendwo in der Schaltung auf unkontrollierte Weise bezogen ist, insbesondere wenn ein Laptop mit einem zweipoligen Netzteil verwendet wird.

Gängige "leichte" Plugpack-Schaltnetzteile liefern in der Regel Ausgangsschienen mit einem hochohmigen Wechselstrompotential gegenüber Erde bei der halben Netzspannung, die auf beiden Polen überlagert ist. Dies bleibt in der Regel unbemerkt, da die Last entweder vollständig schwebt (Zubehör mit Kunststoffgehäuse) oder fest mit der Erdung verbunden ist (Desktop-PC) und die Impedanz hoch genug ist, um Sie nicht zu verletzen (es sei denn, Sie halten ein Kabel daran fest) Ihre Zunge, in der Nähe einer Vene ... nicht, auch wenn es sicher sein sollte.).

In einem solchen Testaufbau kann es jedoch bedeuten, dass die halbe Netzspannung an der falschen Stelle auftritt - und 60 V oder sogar 120 V (im schlimmsten Fall sogar eine Spitzenspannung von 170 V ...) können ausreichen, um das Gate zu beschädigen eines ungeschützten MOSFET, wenn eine andere Elektrode auf irgendeine Weise geerdet ist (z. B. durch eine gut geerdete Person, die den Drain- oder Source-Stromkreis berührt).

Rackandboneman
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Das ist ein ausgezeichneter Punkt. Ich habe mein Messgerät einmal gebraten, als ich die Abschirmung der Router-Antenne berührte. Das Ding bekam Spannung durch den Adapter! Ich habe es dann geerdet und es war wieder in Ordnung. Sie sollten keine beschissenen Doppelisolationsadapter mit Markengeräten verkaufen.
Zdenek