¿Necesito un disipador de calor para un MOSFET?

Actualmente estoy trabajando en un proyecto en el que necesito poder cambiar 7 m de tira de LED de 9 W/m (conectada desde ambos lados) usando un Arduino con PWM . Por lo que la potencia de la tira de led es de unos 63W a 12V. Tengo muchos mosfets IRF540N por ahí, pero necesito calcular si necesito un disipador de calor o no. El circuito previsto se ve así:

esquemático

Tenga en cuenta que no quiero que la corriente alta fluya en las pequeñas huellas de PCB, ese es el propósito de la terminal de tornillo.

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

¿Necesito un disipador de calor? Si es así, ¿cómo elegir uno correctamente? ¿Hay algo más de lo que debería preocuparme considerando mi circuito? ¡Gracias de antemano!

¡Bienvenido a EE.SE! ¿Qué dice la hoja de datos sobre RdsON a un voltaje de puerta de 5 V?
¡Gracias! Dice 44mΩ a 10V. No veo nada sobre 5V.
Solo quiero comentar que estás cometiendo un error al seguir con ese FET. Puede encontrar uno que no necesite un disipador de calor. Algo con solo unos pocos mOhms a 5V.
@mkeith ¡Claro! Solo quería enseñarle cómo leer el gráfico Id-Vds para llegar a su propia conclusión de que no es adecuado.
@mkeith Entonces, ¿hay algún FET de uso general con baja resistencia? Encontré el IRL8113, que es extrañamente barato. ¿Sería adecuado? ¿O hay algún FET de canal N de propósito general bien conocido con bajo RdsON?
@winny, eso no estaba dirigido a ti. ;-)
@mkeith ¡Ah! Lo siento. Lo leí fuera de lugar.

Respuestas (3)

El IRF540 puede tener un voltaje de umbral de puerta de hasta 4 V según la hoja de datos, por lo que probablemente no pueda suministrar suficiente corriente para que los LED funcionen cerca de 12 V.

En realidad, al observar más de cerca la hoja de datos del IRF540 , figura 3, parece que sería más que suficiente para conducir una carga de 5A en un controlador de compuerta de 5V. Intentaría esto si fuera tú. ¡Sin embargo, el disipador de calor sigue siendo necesario!

El IRL540, por otro lado, es más adecuado ya que es un MOSFET de nivel lógico. Según la hoja de datos, el RDS (encendido) es de alrededor de 77 mΩ.

63 W a 12 V equivalen a 5,25 A, digamos 5 A, ya que habrá una pequeña caída de voltaje en el MOSFET y eso reducirá la corriente en los LED.

La potencia disipada en el MOSFET será entonces:

PAG d i s s i pag a t mi d = R D S o norte ∗ I 2   = 77 metro Ω ∗ 5 2 = 1.9W

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

Esto significa que la temperatura de los MOSFET aumentará con

1.9 W ∗ 62 ° C / W = 117°C de la temperatura ambiente.

Suponiendo que la temperatura ambiente sea de 25 °C, resultará en 142 °C . Eso todavía está en especificaciones suponiendo una condición ideal... Pero ya sabes, el mundo no es ideal...

EDITAR : Olvidé tener en cuenta que la resistencia de encendido tiene un aumento significativo con la temperatura, ¡así que definitivamente deberías ponerle un disipador de calor!

La respuesta es vaga pero implica que OP debería obtener un disipador térmico. Todavía no ha respondido negro sobre blanco, claro como el cristal, si OP debe adquirir uno y, de ser así, cómo debe elegir uno.
@HarrySvensson: he agregado una nota rápida
Gracias por una respuesta clara, probablemente me quede con los FET de nivel lógico. Sin embargo, no entiendo el primer párrafo. Estoy usando lógica de 5V, que está claramente por encima del umbral. ¿Por qué no puede suministrar suficiente corriente entonces?
@MatyášSkalický. Debe usar el IRL540 que está clasificado para 100 V y se enciende por completo a 5 voltios. También incluye un pequeño disipador de calor. Consulte Mouser, Digi-key, Newark, Allied. Si hace demasiado calor para tocar, duplique el tamaño del disipador de calor y/o agregue un ventilador de enfriamiento.
@MatyášSkalický: Conducir el FET cerca de su voltaje de umbral significa que es posible que no se encienda por completo y resulte en una gran pérdida (alta resistencia de encendido). Puede que no sea un problema cuando tiene 'solo' 5 A de corriente, pero necesita crear un prototipo y realizar algunas mediciones (voltaje a través de él y corriente). Si solo desea que funcione la primera vez, use el FET de nivel lógico que tiene datos conocidos disponibles (y especificados) en la hoja de datos a 5V :)
@MatyášSkalický: En realidad lo retiro. Mirando la hoja de datos del IRF540 figura 3, debería poder proporcionar más que una cantidad adecuada de corriente a un voltaje de puerta de 5V. Lo intentaría si fuera tú. Sin embargo, todavía se necesita un disipador de calor.
@Linkyyy Sí, ese es el gráfico a partir del cual he considerado que el IRF funcionaría. Pero, sinceramente, tengo muy poca habilidad para leer hojas de datos, así que no estaba muy seguro. Lo intentaré, seguro, solo que no tengo ninguna fuente de 12V a mano con suficiente potencia. :)

La respuesta simple es que realmente necesita un disipador de calor.

Eche un vistazo a las figuras 1 y 2 de la hoja de datos . A un voltaje de compuerta de 4,5 voltios, un Vds típico a 5 amperios es de aproximadamente 0,6 voltios para una temperatura de caja 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 revisa la figura 2, verá que a 175 grados, para el mismo Vgs, Vds ahora es de aproximadamente 0,8 voltios y la potencia ahora es de 4 vatios. Esta no es una buena tendencia. Para el caso, la figura 9 establece que la temperatura de unión máxima absoluta es de 175 C, por lo que sabe que está buscando problemas.

Y todo esto se basa en el uso de valores típicos. Confía en mí, si hay algo que deberías aprender es nunca, nunca, diseñar un circuito usando valores típicos para funciones críticas. Siempre, siempre, siempre usa el peor de los casos. La Ley de Murphy reina aquí.

De acuerdo, dado que este circuito no está fallando en un orden de magnitud, ni nada por el estilo, probablemente no necesite tanto disipador de calor para mantenerse a salvo. Pero necesitas uno.

En lugar de un disipador térmico, OP debe obtener un MOSFET de nivel lógico o un controlador de puerta adecuado para su IRF540. Incluso con un disipador de calor, el diseño actual es marginal, ya que la salida de Arduino será algo inferior a 5,0 V y la resistencia de encendido del IRF540 no está garantizada con voltajes de compuerta tan bajos (solo se trazan valores típicos, no máx./mín. sobre parte a parte). variación de piezas y sobretemperatura). La fuga térmica o "punto caliente" es una posibilidad cuando se opera tan cerca de la región lineal. Tampoco se han considerado las pérdidas por conmutación.
O use dos en paralelo. La mitad de la corriente mejoraría las cosas.
@pericynthion - a) Estoy contigo en el voltaje de la puerta, por lo que usé las curvas de 4,5 voltios en lugar de las curvas de 5 voltios, yb) ¿te perdiste mi insistencia en que lo típico es malo en este caso?
@whatroughbeast No me perdí eso: estoy de acuerdo y reforzando la mayor parte de lo que ha escrito, pero no estoy de acuerdo con la conclusión de que un disipador de calor es apropiado. Un disipador de calor (incluso uno grande) puede no ser suficiente para evitar fallas en las piezas.

El IRF540 se enciende bien cuando la fuente de la puerta es de 10V. Algunos de ellos cambian con menos voltaje, pero otros simplemente se calientan mucho y hacen que los LED se atenúen. Un Mosfet tiene una capacitancia de compuerta alta y un Arduino no puede cargarlo y descargarlo rápidamente, lo que provoca calor en el Mosfet si lo tiene cambiando a una frecuencia alta.

La hoja de datos de un IRL540 lo muestra calentándose con un máximo de 2.2 W cuando enciende sus LED lentamente, por lo que un poco de disipador de calor estará bien.

Has identificado nuevos problemas para OP (Poster original = Matyáš Skalický). Esta respuesta estaría completa si también las respondieras. - Solo dando algunos comentarios.
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