¿Necesito un disipador para un MOSFET?

Question

Actualmente estoy trabajando en un proyecto en el que necesito poder conmutar 7m de tira de LEDs de 9W/m (conectados por ambos lados) utilizando un Arduino con PWM . Así que la potencia de la tira de leds es de aproximadamente 63W a 12V. Tengo un montón de IRF540N mosfets por ahí pero tengo que calcular si necesito un disipador o no. El circuito previsto se parece a esto:

Ten en cuenta que no quiero que la alta corriente fluya por las pequeñas trazas de la PCB, ese es el propósito del terminal de tornillo.

Sé que un MOSFET de nivel lógico sería mejor, pero si entiendo correctamente la hoja de datos, el IRF540N debería ser capaz de conmutar incluso corrientes mucho más altas con 5V en la puerta de lo que necesito. ¿O es que usar, por ejemplo, el IRL540N supondría alguna diferencia?

¿Necesito un disipador? Si es así, ¿cómo elegir uno adecuadamente? ¿Hay algo más de lo que deba preocuparme teniendo en cuenta mi circuito? Gracias de antemano.

Answer 1

La respuesta sencilla es que realmente necesitas un disipador de calor.

Vea las figuras 1 y 2 de la hoja de datos . A una tensión de puerta de 4,5 voltios, un típico Vds a 5 amperios es de unos 0,6 voltios para una temperatura de la carcasa de 25 C. 0,6 voltios por 5 amperios son 3 vatios. Como señaló Linkyyy, la resistencia térmica máxima nominal es de 63 grados/vatio, por lo que esto sugiere un aumento de 190 grados, para una temperatura nominal de 215 grados C. Si ahora compruebas la figura 2, verás que a 175 grados, para la misma Vgs, Vds es ahora de unos 0,8 voltios, y la potencia es ahora de 4 vatios. Esta no es una buena tendencia. Por otra parte, la figura 9 establece que la temperatura máxima absoluta de la unión es de 175 C, así que ya sabes que tienes problemas.

Y todo esto se basa en el uso de valores típicos. Créeme, si hay algo que debes aprender es que nunca, jamás, debes diseñar un circuito utilizando valores típicos para funciones críticas. Siempre, siempre, siempre usa el peor caso. La Ley de Murphy reina aquí.

Por supuesto, dado que este circuito no está fallando por un orden de magnitud, o algo así, probablemente no necesitas un disipador de calor para estar seguro. Pero sí necesitas uno.

Answer 2

El IRF540 puede tener una tensión de umbral de puerta de hasta 4V según la hoja de datos, por lo que probablemente no sería capaz de suministrar suficiente corriente para que los LEDs funcionen cerca de 12V.

En realidad, si miramos más de cerca el Hoja de datos del IRF540 En la figura 3, parece que sería más que suficiente para conducir una carga de 5A a 5V en la puerta. Yo probaría esto si fuera usted. Sin embargo, el disipador de calor sigue siendo necesario.

Por otro lado, el IRL540 es más adecuado ya que es un MOSFET de nivel lógico. Según la hoja de datos, el RDS(on) es de unos 77m.

63W a 12V es igual a 5.25A, digamos 5A ya que habrá una pequeña caída de voltaje a través del MOSFET, y eso bajará la corriente en los LEDs.

La potencia disipada en el MOSFET será entonces:

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

Según la hoja de datos, la resistencia térmica de la unión al ambiente es 62 °C/W

Esto significa que la temperatura de los MOSFETs aumentará con

\$1.9W * 62 °C/W = \textbf{117°C} \$ de la temperatura ambiente.

Suponiendo una temperatura ambiente de 25°C, esto resultará en 142°C . Eso es todavía en la especificación asumiendo la condición ideal .. Pero usted sabe, el mundo no es ideal

EDITAR : Me olvidé de tener en cuenta que la resistencia de encendido tiene un aumento significativo con la temperatura, por lo que debe definitivamente ¡ponle un disipador!

Answer 3

El IRF540 se enciende bien cuando la fuente de la puerta es de 10V. Algunos conmutan con menos voltaje, pero otros simplemente se calientan mucho y hacen que los LEDs se oscurezcan. Un Mosfet tiene una alta capacitancia de la puerta y un Arduino no puede cargar y descargar rápidamente lo que causa el calor en el Mosfet si usted tiene la conmutación a una alta frecuencia.

El datasheet de un IRL540 muestra que se calienta con un máximo de 2,2W cuando conduce sus LEDs lentamente así que un pequeño disipador estará bien.