Warum koche ich MOSFETs?

Ich habe einen sehr einfachen MOSFET-LED-Treiber entwickelt, der die PWM eines Arduino Nano verwendet , um einen MOSFET zu schalten, der die Leistung für etwa 16 Meter LED-Streifen steuert.

Ich benutze STP16NF06 MOSFETs .

Ich steuere RGB-LEDs, also verwende ich drei MOSFETs für jede Farbe, und wenn alle 16 Meter LED-Streifen laufen, ziehe ich ungefähr 9,5 Ampere.

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

Der MOSFET hat einen Einschaltwiderstand von 0,8 Ω, daher sollte meine Wärme mein I ² R-Verlust sein

3.17 amperes^2 * 0.08 ohms = 0.8 watts

Das Datenblatt besagt, dass ich 62,5 ° C Wärme pro Watt bekomme, die maximale Betriebstemperatur 175 ° C und die erwartete Umgebungstemperatur weniger als 50 ° C beträgt

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

Ich betreibe diese MOSFETs ohne Kühlkörper und habe sie die ganze Nacht in einem Programm laufen lassen, das nur ununterbrochen rot-grün-blau-weiß durchläuft und nicht überhitzt. Ich erwarte, dass diese Strecke 16+ Stunden pro Tag fahren kann.

Ich verwende ein 12-V-Netzteil für die LEDs und ein 5-V-Steuersignal vom Arduino, daher sollte es mir nicht möglich sein, die Drain-Gate-Spannung von 60 V oder die Gate-Source-Spannung von 20 V zu überschreiten.

Nachdem ich heute in meinem klimatisierten Büro an meinem Schreibtisch damit gespielt hatte, stellte ich fest, dass ich den roten Kanal nicht so ausschalten konnte wie früher am Tag. Und die Messung von Gate zu Drain ohne angeschlossene Stromversorgung ergab 400 Ω am roten Kanal und einen unermesslich hohen Widerstand am grünen und blauen Kanal.

Dies ist der Schaltplan, mit dem ich arbeite. Es ist das gleiche, was nur dreimal wiederholt wurde und die 5 V sind ein PWM-Signal vom Arduino und die einzelne LED ohne Widerstand ist nur ein Ersatz für den LED-Streifen, der Widerstände und eine solide Konfiguration hat, die ich nicht für nötig hielt zu modellieren.

Ich denke, es ist fehlgeschlagen, nachdem ich den Arduino etwa 50 Mal in seine Stiftleisten gesteckt und wieder herausgezogen habe, obwohl ich nicht sicher bin, welche Bedeutung dies hat, da der Arduino immer noch funktioniert.

Angesichts der Tatsache, dass es einige Tage lang funktionierte, einschließlich eines Tages mit hoher Last, meine Fragen :

1. Könnte ein Hot-Swap des Arduino in und aus dieser Schaltung die MOSFETs beschädigen, nicht jedoch den Arduino?

2. Könnte ESD hier der Schuldige sein? Mein Schreibtisch ist aus kunstharzbeschichtetem Holz oder Schichtholz. Es ist zu beachten, dass die Source aller drei MOSFETs die gemeinsame Masse ist.

3. Ich habe keinen schicken Lötkolben und weiß nicht, ob er über 300 ° C liegt. Ich habe jedoch Bleilot verwendet und so wenig Zeit wie möglich für jeden Pin aufgewendet. Dann habe ich einen Pin des ersten MOSFET und dann einen Pin des zweiten MOSFET usw. gelötet und nicht alle Pins nacheinander und wenn zu viel von einem Chip ausgeführt Lötwärme war das Problem, warum hätte das das Problem nicht sofort verursacht? Warum ist es jetzt aufgetaucht?

4. Gibt es etwas, das ich verpasst habe oder ein Versehen in meinen Berechnungen?

Ihr Problem ist die Gate-Treiberspannung. Wenn Sie sich das Datenblatt für den STP16NF06 ansehen, werden Sie feststellen, dass der 0,08 Ω-Rdson nur für Vgs = 10 V gilt und Sie ihn nur mit (etwas unter) 5 V betreiben, sodass der Widerstand viel höher ist.

Insbesondere können wir uns Abbildung 6 (Übertragungseigenschaften) ansehen, die das Verhalten zeigt, wenn Vgs variiert. Bei Vgs = 4,75 V und Vds = 15 V ist Id = 6 A, also Rds = 15 V / 6 A = 2,5 Ω. (Aufgrund einiger Nichtlinearitäten ist es vielleicht nicht ganz so schlimm, aber es ist immer noch mehr, als Sie tolerieren können

ESD könnte auch ein Problem sein: Die Gates von MOSFETs sind sehr empfindlich, und es gibt keinen Grund, warum der Arduino (dessen Mikrocontroller über ESD-Schutzdioden verfügt) ebenfalls unbedingt betroffen sein muss.

Ich würde vorschlagen, einen MOSFET mit einer Schwellenspannung zu verwenden, die niedrig genug ist, um bei 4,5 V vollständig eingeschaltet zu sein. Sie können sogar MOSFETs mit ESD-Schutz an ihrem Gate erhalten.

Der Punkt über die Gate-Spannung ist gültig, aber wenn sich der MOSFET nicht aufheizt, bin ich mir nicht sicher, ob dies der eigentliche Schuldige ist.

16 Meter 12-V-LED-Streifen, die mit mehreren Ampere betrieben werden, weisen bei typischen PWM-Frequenzen eine erhebliche Induktivität auf. Dies führt bei jedem Ausschalten des MOSFET zu Spannungsspitzen am Drain. Diese Spitzen haben eine kurze Dauer, aber die Spannung kann ein Vielfaches der Versorgungsspannung betragen.

Die Lösung für dieses spezielle Problem besteht darin, eine Freilaufdiode (Schottky) antiparallel zu den LEDs zwischen +12 V und Drain hinzuzufügen, genau wie bei einem Elektromotor oder einer anderen induktiven Last.

Eine weitere Sache zu überprüfen.

Dies sieht aus wie ein Versuchsaufbau, der an einen oder mehrere PCs und / oder Plugpack-Netzteile angeschlossen ist.

Dies führt häufig zu einer Umgebung, die nirgendwo direkt auf die Erdung oder irgendwo in der Schaltung auf unkontrollierte Weise bezogen ist, insbesondere wenn ein Laptop mit einem zweipoligen Netzteil verwendet wird.

Gängige "leichte" Plugpack-Schaltnetzteile liefern in der Regel Ausgangsschienen mit einem hochohmigen Wechselstrompotential gegenüber Erde bei der halben Netzspannung, die auf beiden Polen überlagert ist. Dies bleibt in der Regel unbemerkt, da die Last entweder vollständig schwebt (Zubehör mit Kunststoffgehäuse) oder fest mit der Erdung verbunden ist (Desktop-PC) und die Impedanz hoch genug ist, um Sie nicht zu verletzen (es sei denn, Sie halten ein Kabel daran fest) Ihre Zunge, in der Nähe einer Vene ... nicht, auch wenn es sicher sein sollte.).

In einem solchen Testaufbau kann es jedoch bedeuten, dass die halbe Netzspannung an der falschen Stelle auftritt - und 60 V oder sogar 120 V (im schlimmsten Fall sogar eine Spitzenspannung von 170 V ...) können ausreichen, um das Gate zu beschädigen eines ungeschützten MOSFET, wenn eine andere Elektrode auf irgendeine Weise geerdet ist (z. B. durch eine gut geerdete Person, die den Drain- oder Source-Stromkreis berührt).