MOSFET de canal P cuando el interruptor del lado alto se calienta

Así que estoy tratando de controlar las luces delanteras de mi automóvil con un Arduino Nano. En total hay 14 luces (incluidas luces antiniebla e intermitentes, etc.). Estoy usando dos registros de desplazamiento 75HC595 para controlar estas luces. En mi coche también tengo 14 LED para poder ver qué luces están encendidas. Para cambiar las luces, quería usar MOSFET, pero como todas las luces tienen una conexión a tierra común, debo usarlas como un interruptor lateral alto -> canal P. Estoy usando el IRF4905. Las luces que estoy cambiando son de 55W. A 12 V, la corriente que fluye es de alrededor de 5 A, lo que no debería ser un problema, ¿verdad? El problema es que el MOSFET se calienta mucho después de un corto período de tiempo.

Este es el circuito que usé para cambiar una luz (todas las luces serían una imagen enorme). El transistor es BC547C. El relé es el estándar en mi coche. No pude encontrar la bombilla en Fritzing, así que usé una resistencia (R6 es una bombilla). El valor de R6 no es correcto

interruptor de lado alto arduino 74hc959 mosfet de canal pCuando la luz está encendida, hay alrededor de 11,52 V en el terminal (+) de la batería y el lado negativo de la luz, pero hay 10,85 V en la luz misma. Entonces, ¿estoy en lo correcto si digo que hay 0.67V en el MOSFET? Medí la corriente y era de unos 2,58 A.

0,67 V ⋅ 2.58 A = 1.7 W en el MOSFET

0,67 V 2.58 A = 0.26 Ω tiempo R d s o norte = 0.02 Ω

Si estoy haciendo algo mal en mis cálculos por favor díganmelo. ¿Hay algún problema con mi circuito o tengo un lote defectuoso de MOSFET (probé 3 diferentes)?

Editar : ya intenté eliminar el 74HC595 en el circuito pero todavía se está calentando.

interruptor de lado alto arduino mosfet de canal p

Ese es un MOSFET de canal N que tienes en tu diagrama.
@brhans buena decisión, lo cambié
Y 0,67/2,58 no es igual a 0,02 ohmios, es más como 0,3. esto sugiere que necesita medir el voltaje de puerta del FET. Debe ser menos de 2 voltios.
@WhatRoughBeast 0.67/2.58 = 0.26 como dije en la pregunta. El voltaje de la puerta es de 150mV.
Odio decirlo, pero te sugiero que pruebes con otro FET. Parece que tiene un controlador de puerta adecuado, pero no se enciende correctamente.
¿Cómo estás midiendo los voltajes y la corriente? ¿Estás midiendo alguno de ellos al mismo tiempo? ¿Hay oscilaciones perceptibles? ¿Intentó un suministro estabilizado, o al menos una batería mucho más cargada?
Bueno, ciertamente algo está mal ya que si R6 es de 3 ohmios y midió 2.58A a través de él, esa corriente a través de él debería caer. mi = yo R = 2.58 A × 3 Ω = 7.74  voltios , no 10,85 voltios. Por el contrario, si hay una caída de 10,85 voltios en R6 y hay 2,58 A a través de él, R6 no puede ser de 3 ohmios. Además, un HC595 tiene límites sobre la cantidad de corriente que puede generar y aún así mantener un voltaje de salida decente, por lo que con ese LED y la resistencia atrapados entre la salida del 595 y la puerta de Q5, vería cómo se ve la unidad de puerta de Q5 y ​​qué necesita ser.
Además, por cierto, ¿sabe que una lámpara fría H1 de 55 W puede drenar, de la memoria, más de 60 A durante los primeros ms? ¿Tienes PWM? cambias a menudo? Durante el encendido, está castigando al mosfet cerca de sus límites, si lo hace con demasiada frecuencia en un tiempo limitado, es posible que haya dañado el canal. (PD: a 1,7 W no me sorprende mucho que se caliente. Rth(JA) = 62 K/W y Rth(JC) = 0,75 K/W, diría que el caso al aire libre bien podría estar al norte de 100 grados C - AKA punto de ebullición del agua (ish))
@Asmyldof No los estoy midiendo al mismo tiempo. Cargaré mi batería durante la noche y lo intentaré de nuevo, pero no estoy seguro de si eso funcionará.
@EMFields Como dije, R6 debería ser la bombilla, pero no pude encontrarla en Fritzing, los 3 ohmios no son el valor correcto. He cambiado eso en mi publicación ahora. También intenté omitir el registro de desplazamiento, pero ese no fue el problema.
No creo que la carga de la batería sea el problema, pero es algo para probar. Es más importante intentar mirar el suministro y el voltaje de la lámpara al mismo tiempo y compararlo con una base de tiempo (como usar un osciloscopio). Una pequeña "fibrilación" en la puerta se promedia con un multímetro normal y se oculta de manera efectiva, mientras que esto explica fácilmente las cosas. También tenga en cuenta la corriente fría> = 60A.
@Asmyldof No estoy usando PWM y la cantidad de tiempo más corta entre el encendido y el apagado no será inferior a 0,5 segundos. Sé que 1,7 W calentará el paquete, pero si entiendo correctamente, el MOSFET no debería recibir 1,7 W si funcionaba correctamente.
¿Cuáles son los valores de R6 y el balasto LED, y cuáles son las especificaciones del LED, por favor? Una hoja de datos o un enlace a uno sería bueno.
R7 es de 220 ohmios. El LED es solo un LED rojo regular de China: 2.8V 20mA. R6 es la bombilla, es una luz H1 de 12V 55W
Lo más obvio en lo que puedo pensar es que de alguna manera estás consumiendo más corriente de lo que crees. Prueba esto. Obtenga 25 pies de cable de calibre 16, que tendrá una resistencia de 0,1 ohmios. Conéctelo entre su batería y el drenaje del FET. Ahora encienda su luz y mida el voltaje a través del cable. Hágalo directamente, no midiendo el voltaje en cada extremo y tomando la diferencia. Si su corriente realmente es de 2,58 amperios, debería obtener alrededor de 0,26 voltios. Si el voltaje es mucho mayor, está consumiendo más corriente de lo esperado y es por eso que el FET se está calentando.

Respuestas (4)

El problema

El pin /OE (habilitación de salida) del 74CH595 alterna los controladores de salida entre dos estados: impulsar las salidas (alta o baja) y alta impedancia (permitir que las líneas de salida floten). Es activo bajo , por lo que conducir /OE bajo hace que el 74CH595 impulse las salidas hacia arriba o hacia abajo según los datos que haya cambiado, mientras que conducir /OE alto hace que las salidas floten sin control.

Ha conectado el pin /OE al suministro de 5 V a través de la resistencia R29 de 10 kΩ, por lo que los controladores de salida siempre están en estado de alta impedancia .

Idealmente, no fluiría corriente en este estado y, en consecuencia, el NPN bjt sin nombre nunca conduciría ninguna corriente, pero en la práctica siempre hay algo de corriente de fuga presente:

No existe tal cosa como un "BC447C", así que asumo que el transistor es un BC447, un BC547C o alguna otra parte similar. Si, por ejemplo, se filtrara +1 μA de la salida del 74CH595 al colector del BJT, la ganancia de corriente de CC de los transistores (probablemente entre 100 y 600) haría que condujera de 100 μA a 600 μA de corriente del colector al emisor Por ejemplo, una corriente de colector de 300 μA conduciría a una caída de voltaje de 3 V sobre la resistencia R7 de 10 kΩ, lo que generaría un Vgs (voltaje de puerta a fuente) de -3 V.

Esta hipótesis es consistente con lo que viste (Ids de 2.58 A y Vds de 0.67V), el voltaje de puerta debe estar muy cerca del voltaje de umbral (Vgsth):

La solución

  • Agregue una resistencia desplegable entre la base del BJT y tierra para evitar que las corrientes parásitas lo enciendan.

  • Retire la resistencia innecesaria de 10 kΩ R29 y conecte el pin /OE directamente a tierra.

  • El LED se iluminaría muy tenuemente en su configuración actual. Póngalo en paralelo con la base del transistor, con una resistencia limitadora de corriente separada.

  • Agregue un capacitor de derivación para el 74HC595, lo más cerca posible del 74HC595.

  • Si esto se va a instalar en un automóvil, agregaría protección transitoria para la puerta MOSFET para protegerla de cualquier pico de voltaje (el óxido de la puerta se destruye fácilmente por sobretensión). Un diodo TVS de 15 V sería ideal, pero un zener también funcionará.

Los componentes que ha elegido están bien para lo que está haciendo.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Excelente respuesta, tal vez mencione que la tapa de desacoplamiento C1 debe estar físicamente lo más cerca posible del registro de desplazamiento para tener el efecto deseado.
Buena explicación, pero como mencioné en los comentarios, ya intenté eliminar el 74HC595 en el circuito y todavía se calienta. He cambiado el nombre del Transistor, error tipográfico. Tuve un error en el dibujo del circuito. También debe haber un cable desde el pin /OE a Arduino D7. De esta manera puedo controlar cuándo deberían estar funcionando las luces. Cuando conecto /OE directamente a GND, todas las luces se encienden cuando se inicia el Arduino, y eso es algo que no quiero.
@fieldhof Aún desea esa resistencia de 10k desde la base del NPN BJT a tierra, incluso sin el registro de desplazamiento. Cuando se inicia el arduino, los pines IO ATmega328/ATmega168 se configuran como entradas, y la corriente de fuga de entrada puede ser tan alta como 1 μA. ¿Podría medir la compuerta MOSFET a la fuente de voltaje con un voltímetro? Sigo sospechando que la compuerta no está bajando lo suficiente, ya que el MOSFET solo debería disipar 133 mW a 2,56 A.
Luz de puerta a fuente apagada = 0 V, luz de puerta a fuente encendida = -11,2 V, la lectura de la batería es de 11,6 V cuando está encendida
Bueno, eso refutaría mi hipótesis de manera bastante concluyente. ¿Has probado a cambiar el MOSFET por si se ha estropeado? ¿Estás seguro de que es un IRF4905?
Ya probé 4 diferentes, pero todos tienen el mismo problema. ¿Qué caída de voltaje en el MOSFET es normal a 5A? 5*0,02 = 0,1 V? Hay IRF4905 en el MOSFET y pedí IRF4905, así que estoy bastante seguro de que son IRF4905, pero con cosas de China nunca lo sabrás con seguridad.
¿Dónde los compraste exactamente? Las piezas falsificadas como causa ni siquiera se me habían pasado por la cabeza, pero tendría sentido...
@jms Los compré en Ebay. 20 piezas por $7,42
Teniendo en cuenta que el TO-220 IRF4905 cuesta 1,32 usd en Digikey, 1,06 usd en Mouser y 2 € en Farnell (todos precios a granel), creo que te han estafado en 0,362 usd la pieza. Probaría MOSFET similares de tiendas de electrónica locales o vendedores en línea de buena reputación antes de continuar.

Ahora podemos decir que el p chan tiene una resistencia lo suficientemente baja y que los voltios de accionamiento de la fuente de la puerta son adecuados. No hay protección para su puerta, por lo que podría estar dañando sus pies debido a los picos de suministro de energía. Coloque un zener de 18 V entre la fuente de la puerta y inténtalo de nuevo. Otra posibilidad son las oscilaciones parásitas que un osciloscopio probaría o desaprobaría. Creo que deberías colocar una resistencia de compuerta en serie con la compuerta de, digamos, 1K ohm para eliminar la posibilidad de parásitos. Su riel de 12V también debe tener algunas tapas de desacoplamiento.

¿Puede la batería de un automóvil proporcionar picos cuando no está conectada a nada excepto a este circuito? No se está cargando ni nada, solo este circuito está conectado a la batería. La resistencia de la puerta se puede colocar entre el Colector y la Puerta si entiendo correctamente.
Si coloca la resistencia de compuerta de 1K propuesta en el colector, la unidad de compuerta se reduce a la mitad, lo que la calentará más. Si debe colocarla en el colector, haga R7 10K ohm.
Entonces, ¿qué quiere decir con poner una resistencia de puerta en serie con la puerta? Ya cambié R7 por una resistencia de 10K ohm
Bien. Haz el zener y pasa por alto los rieles porque quieres que esto sobreviva en un automóvil. ¿Cómo van las cosas en el alcance?

Creo que la respuesta correcta sería que el MOSFET se está calentando porque debería estarlo.

Hagamos algunos cálculos: según la hoja de datos de IRF4905, tiene resistencia térmica de unión a ambiente R j a =62°C. Supongamos temperatura ambiente T a de 25°C y potencia disipada de 1,7W. Ahora, de acuerdo con este sitio: http://www.rohm.com/web/eu/tr_what7 para calcular la temperatura de la unión, tiene la siguiente ecuación:

T j = T a + R j a ∗ PAG
Cuando realiza los cálculos para su caso, obtiene una temperatura de unión de 130 ° C: bastante caliente, pero aún no lo suficientemente caliente como para causar daños al transistor. Aún así, si desea colocarlo en algún compartimento, sugeriría agregar un disipador de calor. Seguir los consejos de diseño de circuitos dados por jms también es una buena idea.

Si bien sus matemáticas son sólidas, la premisa no lo es. A una temperatura de unión de 130 °C, Rdson se convertiría (según la hoja de datos fig. 4) en 1,55 veces los 20 mΩ anunciados (que supone una temperatura de unión de 20 °C), 31 mΩ. Para obtener los 1,7 W de disipación asumidos en 31 mΩ, se necesitaría una corriente de 54,8 A. Creo que es seguro decir que la lámpara de 55 W no consume 670 W de potencia. O el MOSFET está dañado o el voltaje de la puerta es inadecuado.
@jms Tiene razón, y creo que yo también (al menos parcialmente) :) Con la caída de voltaje y la corriente proporcionada por fieldhof, se disiparían 1,7 W en el transistor y mis cálculos de temperatura son correctos. Pero estoy de acuerdo en que no debería haber tal caída de voltaje allí, probablemente no esté completamente abierto.

Mi idea es que el punto de conexión a tierra del pin de fuente MOSFET es inductivo tanto como aumentar el voltaje de la fuente y dejar caer el voltaje de la compuerta por debajo del vendido después del flanco ascendente, lo que provoca una nueva patada inductiva después del aumento de Vgs, preparando las condiciones casi igual que el primera patada, suficiente para hacer una oscilación estable. Entonces, la receta es reducir la velocidad creciente del voltaje de encendido O mejorar las conexiones a tierra.

Si primero enciende las luces por el relé, luego enciende el MOSFET y luego apaga el relé, y si el MOSFET funciona bien, entonces esto es una buena pista que respalda mi idea.

MOSFET de canal P cuando el interruptor del lado alto se calienta
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