Pourquoi je cuisine des MOSFET?

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J'ai créé un pilote de LED MOSFET très simple qui utilise le PWM d'un Arduino Nano pour commuter un MOSFET qui contrôle la puissance d'environ 16 mètres de bande LED.

J'utilise STP16NF06 MOSFETs .

Je contrôle les LED RVB, j'utilise donc trois MOSFET, un pour chaque couleur et lorsque les 16 mètres de bande de LED fonctionnent, je dessine environ 9,5 ampères.

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

Le MOSFET a une résistance de 0,8 Ω, donc ma chaleur devrait être ma perte I 2 R de

3.17 amperes^2 * 0.08 ohms = 0.8 watts

La fiche technique indique que j'obtiens 62,5 ° C de chaleur par watt, la température de fonctionnement maximale est de 175 ° C et la température ambiante prévue est inférieure à 50 ° C

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

J'exécute ces MOSFET sans dissipateur de chaleur, et je l'ai laissé fonctionner toute la nuit sur un programme qui ne fait que tourner rouge vert bleu blanc sans arrêt et il n'a pas surchauffé. Je m'attends à ce que ce circuit puisse fonctionner plus de 16 heures par jour.

J'utilise une alimentation 12 V pour les LED et un signal de commande 5 V de l'Arduino, il ne devrait donc pas être possible pour moi de dépasser la tension de grille de drain de 60 V ou la tension de source de grille de 20 V.

Après avoir joué avec à côté de mon bureau dans mon bureau climatisé aujourd'hui, j'ai constaté que je ne pouvais pas éteindre le canal rouge comme je le pouvais plus tôt dans la journée. Et en mesurant la grille pour drainer sans alimentation connectée, j'ai trouvé 400 Ω sur le canal rouge et une résistance incroyablement élevée sur les canaux vert et bleu.

Voici le schéma avec lequel je travaille. C'est la même chose qui vient d'être répétée trois fois et le 5 V est un signal PWM de l'Arduino et la seule LED sans résistance n'est qu'un remplacement pour la bande LED qui a des résistances et une configuration solide dont je ne pensais pas avoir besoin modeler.

Voici le schéma avec lequel je travaille

Je pense qu'il a échoué après avoir branché l'Arduino dans et hors de ses en-têtes de broches environ 50 fois, bien que je ne sois pas sûr de la signification de l'Arduino.

Entrez la description de l'image ici

Donc, étant donné que cela a fonctionné pendant quelques jours, y compris une journée de charge élevée, mes questions :

  1. Le fait de faire entrer et sortir l'Arduino de ce circuit pourrait-il endommager les MOSFET, mais pas l'Arduino?

  2. L'ESD pourrait-il être en quelque sorte le coupable ici? Mon bureau est en bois enduit de résine ou en bois lamellé. Il convient de noter que la source des trois MOSFET est le GND commun.

  3. Je n'ai pas de fer à souder de fantaisie et je ne sais pas s'il dépasse 300 ° C. Cependant, j'ai utilisé de la soudure au plomb et j'ai passé le moins de temps possible sur chaque broche et je soudais la broche un du premier MOSFET, puis la broche un du deuxième MOSFET, etc., ne faisant pas toutes les broches d'une puce consécutivement et si trop la chaleur de soudure était le problème pourquoi cela n'aurait-il pas créé le problème immédiatement? Pourquoi est-il apparu maintenant?

  4. Y a-t-il quelque chose que j'ai manqué ou une erreur dans mes calculs?

hamsolo474
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11
" Pourquoi je cuisine des mosfets? " - Vous détestez probablement les mosfets.
Harry Svensson
20
"Pourquoi je cuisine des mosfets?" - Peut-être que les mosfets sont pour le dîner ...
Voltage Spike
3
Quelle est votre Vgs?
Brian Drummond
8
"Pourquoi je cuisine des mosfets?" - parce que les mosfets bruts donneront au reste du circuit une indigestion.
rackandboneman
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Avez-vous l'intention d'utiliser 0,08 ohms dans votre calcul de dissipation de puissance? C'est un facteur de 10 par rapport à celui donné dans le texte précédent: "Le MOSFET a une résistance à l'état passant de 0,8 Ω".
Paul

Réponses:

46

Votre problème est la tension d'entraînement du portail. Si vous regardez la fiche technique du STP16NF06, vous verrez que le Rdson 0,08 Ω ne s'applique que pour Vgs = 10 V, et vous le conduisez avec seulement (un peu moins de) 5 V, donc la résistance est beaucoup plus élevée.

Plus précisément, nous pouvons regarder la figure 6 (Caractéristiques de transfert), qui montre le comportement lorsque Vgs varie. À Vgs = 4,75 V et Vds = 15 V, Id = 6 A, donc Rds = 15 V / 6 A = 2,5 Ω. (Ce n'est peut-être pas vraiment si mauvais, en raison de certaines non-linéarités, mais c'est toujours plus que ce que vous pouvez tolérer

L'ESD pourrait également être un problème: les portes des MOSFET sont très sensibles, et il n'y a aucune raison que l'Arduino (dont le microcontrôleur a des diodes de protection ESD) soit également nécessairement affecté.

Je suggère d'obtenir un MOSFET avec une tension de seuil suffisamment basse pour être complètement activé à 4,5 V. Vous pouvez même obtenir des MOSFET qui intègrent une protection ESD sur leur grille.

Abe Karplus
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Il convient de noter qu'il s'agit d'un problème extrêmement courant avec la commande de mosfets à partir de microcontrôleurs - très peu de types de mosfets haute puissance courants sont entièrement activés à 5 V, et à 3,3 V, il est presque impossible d'en trouver ceux qui le sont. Je trouve qu'il est souvent plus simple d'utiliser un deuxième transistor (qu'il soit bipolaire ou simplement un mosfet plus petit) pour piloter la grille à une tension plus élevée. J'ai acheté un lot de BS170 bon marché à cet effet; Bien qu'ils ne soient pas complètement allumés à 5 V, ils se débrouillent assez bien pour piloter une charge à haute impédance, et ils étaient très bon marché.
Jules
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@Jules Il n'est pas si difficile de trouver des FET de niveau logique pour ces basses tensions et ces courants modérés. À titre d'exemple aléatoire, le TSM170N06CH a un Rdson maximum de 20 mΩ à un entraînement de grille de 4,5 V, et c'est 66 cents en un à DigiKey.
Abe Karplus
J'ai peut-être besoin de changer de fournisseur. Le meilleur que je puisse voir à Farnell coûte près de 4 fois plus, et bien que Mouser UK ait votre exemple dans son catalogue, c'est un article non stocké. (Les choses seraient différentes si j'étais prêt à travailler avec des pièces montées en surface, mais comme j'aime mettre en place la plupart des projets avant d'assembler une carte pour eux, ce n'est pas vraiment un endroit où je veux aller).
Jules
5
@Jules Même Farnell a quelques sélections décentes: considérez l'IRBB4132PBF (30 V, 4,5 mΩ à 4,5 V) pour 0,873 £. J'ai trouvé cela en parcourant simplement les résultats DigiKey et en vérifiant ceux que Farnell avait également en stock, car la recherche Farnell n'est pas très conviviale.
Abe Karplus
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Le point sur la tension de grille est valide, mais si le MOSFET ne chauffe pas, je ne suis pas sûr que ce soit le véritable coupable ici.

16 mètres de bande LED 12 V pilotés à plusieurs ampères vont avoir une inductance importante aux fréquences PWM typiques. Cela provoque des pointes de tension au drain chaque fois que le MOSFET s'éteint. Ces pointes sont de courte durée, mais la tension peut être plusieurs fois supérieure à la tension d'alimentation.

La solution à ce problème particulier consiste à ajouter une diode à induction libre (Schottky) en antiparallèle avec les LED, entre + 12V et drain, comme vous le feriez avec un moteur électrique ou une autre charge inductive.

Dampmaskin
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Ou utilisez une diode à avalanche plus robuste que celle du MOSFET.
Ignacio Vazquez-Abrams
3
Bien que l'ajout d'une diode de serrage ne soit certainement pas une mauvaise idée, je ne pense pas que ce soit le problème dans ce cas. La fiche technique du MOSFET affirme que l'énergie maximale dissipable par sa diode à avalanche interne est de 130 mJ en une impulsion. Même si nous supposons que la bande LED a une inductance ridicule de 1 mH, cela ne représente que 0,5 * 1 mH * (3,2 A) ^ 2 = 5 mJ, avec lesquels la diode interne ne devrait avoir aucun problème.
Abe Karplus du
Je ne pense pas que ce soit le cas. Un capuchon bleu de classe Y serait une meilleure solution car le pic, même s'il est présent, serait plus rapide que la diode réagissant.
Zdenek
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@AbeKarplus: Elle peut ne pas dépasser la limite d'énergie à une impulsion, mais même 5mJ, si elle est multipliée par un taux de cycle PWM de plusieurs kHz, représente des ordres de grandeur de puissance (et de chauffage) supérieurs à la puissance statique calculée dans la question.
Ben Voigt
1
N'est-ce pas? J'ai à peine osé dire un mot. : o
Dampmaskin
3

Une dernière chose à vérifier.

Cela ressemble à une configuration expérimentale connectée à un ou plusieurs PC et / ou blocs d'alimentation.

Cela donne souvent un environnement qui n'est nulle part directement référencé à la terre, ou qui y est référencé à un certain point du circuit de manière incontrôlée, en particulier lorsqu'un ordinateur portable avec une alimentation à deux broches est utilisé.

Les alimentations à découpage «légères» communes ont tendance à vous fournir des rails de sortie qui ont en fait un potentiel AC à haute impédance par rapport à la terre, à la moitié de la tension secteur, superposé aux deux pôles. Cela passe généralement inaperçu car la charge est soit complètement flottante (un accessoire dans un boîtier en plastique), soit sa terre est fermement attachée à la terre (un ordinateur de bureau), et l'impédance est suffisamment élevée pour ne pas vous blesser (sauf si vous tenez un fil à votre langue, près d'une veine ... ne le faites pas, même si elle doit être en sécurité.).

Cependant, dans une configuration de test comme celle-ci, cela peut signifier que la moitié de la tension secteur apparaît au mauvais endroit - et 60V ou même 120V (en fait, une tension de crête d'environ 170V dans le pire des cas ...) peut être suffisante pour endommager la porte d'un MOSFET non protégé si une autre électrode est référencée à la terre de quelque manière que ce soit (par exemple par une personne bien mise à la terre touchant le drain ou le circuit source).

rackandboneman
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Voilà un excellent point. Une fois, j'ai frit mon compteur lorsque j'ai touché le blindage de l'antenne du routeur. Le truc, c'était la fuite de tension en direct à travers l'adaptateur! Je l'ai ensuite mis à la terre et c'était à nouveau bien. Ils ne devraient pas vendre d'adaptateurs merdiques à double isolation avec des appareils de marque.
Zdenek