¿Por qué estoy cocinando MOSFET?

Hice un controlador LED MOSFET muy simple que usa el PWM de un Arduino Nano para cambiar un MOSFET que controla la potencia de unos 16 metros de tira LED.

Estoy usando MOSFET STP16NF06 .

Estoy controlando los LED RGB, por lo que uso tres MOSFET, uno para cada color, y cuando los 16 metros de la tira de LED están funcionando, estoy consumiendo alrededor de 9,5 amperios.

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

El MOSFET tiene una resistencia total de 0,8 Ω, por lo que mi calor debería ser mi pérdida de I 2 R 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, la temperatura máxima de funcionamiento es de 175 °C y la temperatura ambiente esperada es inferior a 50 °C

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

Estoy ejecutando estos MOSFET sin un disipador de calor, y lo dejé funcionando toda la noche en un programa que solo alterna rojo, verde, azul, blanco sin parar y no se sobrecalentó. Espero que este circuito pueda funcionar más de 16 horas por día.

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

Después de jugar con él junto a mi escritorio en mi oficina con aire acondicionado hoy, descubrí que no podía apagar el canal rojo como podía hacerlo antes ese día. Y midiendo la puerta para drenar sin energía conectada, encontré 400 Ω 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 lo mismo que se acaba de repetir tres veces y los 5 V son una señal PWM del Arduino y el único LED sin resistencia es solo un sustituto de la tira de LED que tiene resistencias y una configuración sólida que no sentí que necesitaba. modelar.

Este es el esquema con el que estoy trabajando.

Creo que falló después de que conecté y desconecté el Arduino de sus pines unas 50 veces, aunque no estoy seguro de qué importancia tiene, ya que el Arduino todavía funciona.

Ingrese la descripción de la imagen aquí

Entonces, dado que funcionó durante unos días, incluido un día de alta carga, mis preguntas :

  1. ¿Podría el intercambio en caliente del Arduino dentro y fuera de este circuito dañar de alguna manera los MOSFET, pero no el Arduino?

  2. ¿Podría ESD de alguna manera ser el culpable aquí? Mi escritorio es de madera resinada o laminada. Cabe señalar que la fuente de los tres MOSFET es el GND común.

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

  4. ¿Hay algo que me he perdido o un descuido en mis cálculos?

" ¿Por qué estoy cocinando mosfets? " - Probablemente odies los mosfet.
"¿Por qué estoy cocinando mosfets?" - Tal vez los mosfets estén para cenar...
¿Cuál es tu Vgs?
"¿Por qué estoy cocinando mosfets?" - porque los mosfets crudos le darán indigestión al resto del circuito.
¿Tenía la intención de utilizar 0,08 ohmios en su cálculo de disipación de potencia? Eso es un factor de 10 del dado en el texto anterior: "El MOSFET tiene una resistencia total de 0.8 Ω".
@Paul La hoja de datos muestra un Rdson típico de 80 mΩ, por lo que sospecho que el "0.8 Ω" de la pregunta fue solo un error tipográfico.
¿Extraño verdad? Se supone que debes hornearlos, no cocinarlos.

Respuestas (3)

Su problema es el voltaje de accionamiento de la puerta. Si observa la hoja de datos del STP16NF06, verá que el Rdson de 0,08 Ω solo se aplica a Vgs = 10 V, y lo está manejando con solo (un poco menos) 5 V, por lo que la resistencia es mucho mayor.

Específicamente, podemos observar la Figura 6 (Características de transferencia), que muestra el comportamiento a medida que varía Vgs. En 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 aún así es más de lo que puede tolerar

ESD también podría ser un problema: las puertas 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.

Sugeriría obtener un MOSFET con un voltaje de umbral lo suficientemente bajo como para estar completamente encendido a 4.5 V. Incluso puede obtener MOSFET que incorporen protección ESD en su puerta.

Vale la pena comentar que este es un problema extremadamente común con la conducción de mosfets desde microcontroladores: muy pocos de los tipos comunes de mosfet de alta potencia están completamente encendidos a 5 V, y a 3,3 V es casi imposible encontrar uno que lo esté. Encuentro que a menudo es más simple usar un segundo transistor (ya sea bipolar o simplemente un mosfet más pequeño) para conducir la puerta a un voltaje más alto. Compré un lote de BS170 baratos para este propósito; si bien no están completamente encendidos a 5 V, se las arreglan lo suficientemente bien como para conducir una carga de alta impedancia, y eran muy baratos.
@Jules No es tan difícil encontrar FET de nivel lógico para estos voltajes bajos y corrientes moderadas. Como ejemplo aleatorio, el TSM170N06CH tiene un Rdson máximo de 20 mΩ con un controlador de compuerta de 4,5 V, y cuesta 66 centavos en uno en DigiKey.
Quizá deba cambiar de proveedor. Lo mejor que puedo ver en Farnell cuesta casi 4 veces más, y aunque Mouser UK tiene su ejemplo en su catálogo, es un artículo sin inventario. (Las cosas serían diferentes si estuviera dispuesto a trabajar con piezas de montaje en superficie, pero como me gusta probar la mayoría de los proyectos antes de ensamblar una placa para ellos, ese no es realmente el lugar al que quiero ir).
@Jules Incluso Farnell tiene algunas selecciones decentes: considere el IRLB4132PBF (30 V, 4,5 mΩ a 4,5 V) por £ 0,873. Encontré esto simplemente revisando los resultados de DigiKey y verificando cuáles también tenía Farnell, ya que la búsqueda de Farnell no es muy amigable.

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

16 metros de tira de LED de 12 V con varios amperios tendrán una inductancia significativa en las frecuencias típicas de PWM. Esto provoca picos de voltaje en el drenaje cada vez que se apaga el MOSFET. Estos picos son de corta duración, pero el voltaje puede ser muchas veces mayor que el voltaje de suministro.

La solución a este problema en particular es agregar un diodo de rueda libre (Schottky) en antiparalelo con los LED, entre +12V y drenaje, tal como lo haría con un motor eléctrico u otra carga inductiva.

O use un diodo de avalancha más robusto que el del MOSFET.
Si bien agregar un diodo de sujeción no es una mala idea, no creo que ese sea el problema en este caso. La hoja de datos MOSFET afirma que la energía máxima disipable por su diodo de avalancha interno es de 130 mJ en un pulso. Incluso si asumimos que la tira de LED tiene una inductancia ridícula de 1 mH, eso es solo 0.5 * 1 mH * (3.2 A) ^ 2 = 5 mJ, con lo que el diodo interno no debería tener problemas.
No creo que ese sea el caso. Una tapa azul de clase Y sería una mejor solución porque el pico, incluso si estuviera presente, reaccionaría más rápido que el diodo.
Bueno, mi propia experiencia es que un Schottky en esta configuración limita los picos de voltaje de manera bastante significativa. Pero es cierto que usé un MOSFET diferente, un circuito controlador diferente, una tira de LED diferente, etc.
@AbeKarplus: Es posible que no exceda el límite de energía de un pulso, pero incluso 5 mJ, si se multiplica por una frecuencia de ciclo PWM de varios kHz, es una potencia (y calentamiento) de órdenes de magnitud más alta que la potencia estática calculada en la pregunta.
@BenVoigt Buen punto. Sin embargo, la frecuencia PWM predeterminada de Arduino es de solo 490 Hz, por lo que para que la disipación de energía del diodo del cuerpo sea un problema, la inductancia debería estar por encima de los 200 μH, lo que parece un poco alto. (Mi 1 mH fue un ejemplo deliberadamente extremo).
@Dampmaskin Argh, tuviste 1337 puntos durante tanto tiempo.
¿Yo se, verdad? Apenas me atrevía a decir una palabra. :u

Una cosa más para comprobar.

Esto parece una configuración experimental conectada a una o más PC y/o fuentes de alimentación plugpack.

Esto a menudo produce un entorno que no tiene referencia directa a tierra en ninguna parte, o que hace referencia a ella en algún punto del circuito de manera descontrolada, especialmente cuando se usa una computadora portátil con una fuente de alimentación conectada de dos clavijas.

Las fuentes de alimentación de conmutación "ligeras" comunes tienden a brindarle rieles de salida que en realidad tienen un potencial de CA de alta impedancia en relación con la tierra, a la mitad del voltaje de la red, superpuesto en ambos polos. Por lo general, esto pasa desapercibido porque la carga está completamente flotando (un accesorio con una carcasa de plástico) o tiene su conexión a tierra firmemente conectada a tierra (una PC de escritorio), y la impedancia es lo suficientemente alta como para no lastimarlo (a menos que sostenga un cable para tu lengua, cerca de una vena... no lo hagas, incluso si debería ser seguro).

Sin embargo, en una configuración de prueba como esta, puede significar que la mitad del voltaje de la red aparece en el lugar equivocado, y 60 V o incluso 120 V (en realidad, un voltaje máximo de alrededor de 170 V en el peor de los casos...) puede ser suficiente para dañar la puerta. de un MOSFET desprotegido si algún otro electrodo está conectado a tierra de alguna manera (por ejemplo, por una persona bien conectada a tierra que toca el drenaje o el circuito fuente).

Ese es un punto excelente. Una vez frié mi medidor cuando toqué el blindaje de la antena del enrutador. ¡La cosa era que el voltaje vivo se filtraba a través del adaptador! Luego lo puse a tierra y estaba bien de nuevo. No deberían vender adaptadores de doble aislamiento de mala calidad con dispositivos de marca.
¿Por qué estoy cocinando MOSFET?
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