¿Por qué cocino MOSFETs?

Question

He hecho un muy simple MOSFET LED driver que utiliza el PWM de un Arduino Nano para conmutar un MOSFET que controla la alimentación de unos 16 metros de tira de LED.

Estoy utilizando MOSFET STP16NF06 .

Estoy controlando LEDs RGB, así que uso tres MOSFETs uno para cada color y cuando los 16 metros de tira LED están funcionando estoy consumiendo unos 9,5 amperios.

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

El MOSFET tiene una resistencia a plena carga de 0,8 , por lo que mi calor debe ser mi I 2 R pérdida de

3.17 amperes^2 * 0.08 ohms = 0.8 watts

La hoja de datos dice que obtengo 62,5 °C de calor por vatio, que la temperatura máxima de funcionamiento es de 175 °C y que la temperatura ambiente prevista es inferior a 50 °C.

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

Estoy corriendo estos MOSFETs sin un disipador de calor, y lo he dejado funcionando toda la noche en un programa que sólo los ciclos rojo verde azul blanco sin parar y no se sobrecaliente. Espero que este circuito pueda funcionar más de 16 horas al día.

Estoy utilizando una fuente de alimentación de 12 V para los LEDs y una señal de control de 5 V desde el Arduino, por lo que no debería ser posible para mí superar el voltaje de drenaje de la puerta de 60 V o el voltaje de la fuente de la puerta de 20 V.

Hoy he estado jugando con él junto a mi escritorio en mi oficina con aire acondicionado y me he dado cuenta de que no podía apagar el canal rojo como antes. Y midiendo de puerta a drenaje sin alimentación conectada encontré 400 en el canal rojo y una resistencia inconmensurablemente alta en los canales verde y azul.

Este es el esquema con el que estoy trabajando. Es la misma cosa sólo se repite tres veces y los 5 V es una señal PWM desde el Arduino y el único LED sin una resistencia es sólo un stand in para la tira de LED que tiene resistencias y una configuración sólida que yo no sentía que necesitaba para modelar.

Creo que falló después de enchufar y desenchufar el Arduino unas 50 veces, aunque no estoy seguro de la importancia que tiene, ya que el Arduino sigue funcionando.

Así que dado que funcionó durante unos días incluyendo un día de alta carga, mis preguntas :

1. ¿Es posible que al conectar y desconectar el Arduino de este circuito se dañen los MOSFET, pero no el Arduino?

2. ¿Podría ser la ESD la culpable? Mi escritorio es de madera recubierta de resina o madera laminada. Cabe señalar que la fuente de los tres MOSFET es la GND común.

3. No tengo un soldador de lujo, y no tengo ni idea de si supera los 300 °C. Sin embargo, usé soldadura de plomo y pasé el menor tiempo posible en cada pin y soldaría el pin uno del primer MOSFET y luego el pin uno del segundo MOSFET, etc, no haciendo todos los pines de un chip consecutivamente y si demasiado calor de soldadura era el problema ¿por qué no habría creado el problema inmediatamente? ¿Por qué ha aparecido ahora?

4. ¿Hay algo que se me haya pasado por alto o un descuido en mis cálculos?

Answer 1

Tu problema es el voltaje de la puerta. Si nos fijamos en la hoja de datos para el STP16NF06, verá que el 0,08 Ω Rdson sólo se aplica para Vgs = 10 V, y que está impulsando con sólo (un poco menos) 5 V, por lo que la resistencia es mucho mayor.

Concretamente, podemos fijarnos en la Figura 6 (Características de transferencia), que muestra el comportamiento al variar Vgs. A Vgs = 4,75 V y Vds = 15 V, Id = 6 A, por lo que Rds = 15 V / 6 A = 2,5 Ω. (Puede que en realidad no sea tan malo, debido a algunas no linealidades, pero sigue siendo más de lo que puede tolerar

La ESD también podría ser un problema: las compuertas de los MOSFET son muy sensibles, y no hay razón para que el Arduino (cuyo microcontrolador tiene diodos de protección ESD) también se vea necesariamente afectado.

Yo sugeriría conseguir un MOSFET con un voltaje umbral lo suficientemente bajo como para estar completamente encendido a 4,5 V. Incluso puedes conseguir MOSFETs que incorporen protección ESD en su puerta.

Answer 2

El punto sobre el voltaje de puerta es válido, pero si el MOSFET no se calienta, no estoy seguro de que sea el verdadero culpable aquí.

16 metros de tira LED de 12 V accionada a varios amperios va a tener una inductancia significativa a frecuencias PWM típicas. Esto provoca picos de tensión en el drenaje cada vez que el MOSFET se apaga. Estos picos son de corta duración, pero la tensión puede ser muchas veces superior a la tensión de alimentación.

La solución a este problema en particular es añadir un diodo freewheling (Schottky) en antiparalelo con los LEDs, entre +12V y el drenaje, tal como se haría con un motor eléctrico u otra carga inductiva.

Answer 3

Otra cosa que hay que comprobar.

Parece una configuración experimental conectada a uno o más PC y/o fuentes de alimentación enchufables.

Esto a menudo produce un entorno que no está en ninguna parte directamente referenciado a tierra, o referenciado a ella en algún punto del circuito de forma incontrolada, especialmente cuando se utiliza un ordenador portátil con una fuente de alimentación conectada a dos clavijas.

Las fuentes de alimentación conmutadas "ligeras" suelen ofrecer carriles de salida con un potencial de CA de alta impedancia respecto a tierra, a la mitad de la tensión de red, superpuesto en ambos polos. Esto suele pasar desapercibido porque la carga está completamente flotando (un accesorio con carcasa de plástico), o tiene su tierra firmemente conectada a tierra (un PC de sobremesa), y la impedancia es lo suficientemente alta como para no hacerte daño (a menos que te lleves un cable a la lengua, cerca de una vena... no lo hagas, aunque debería ser seguro).

Sin embargo, en una configuración de prueba como esta, puede significar que media tensión de red aparezca en el lugar equivocado - y 60V o incluso 120V (en realidad, un pico de tensión de alrededor de 170V en el peor de los casos...) puede ser suficiente para dañar la puerta de un MOSFET sin protección si algún otro electrodo está referenciado a tierra de alguna manera (por ejemplo, por una persona bien conectada a tierra tocando el circuito de drenaje o fuente)....