Por que estou cozinhando MOSFETs?

Criei um driver de LED MOSFET muito simples que usa o PWM de um Arduino Nano para alternar um MOSFET que controla a energia de cerca de 16 metros de faixa de LED.

Estou usando MOSFETs STP16NF06 .

Como controle os LEDs RGB, uso três MOSFETs um para cada cor e, quando todos os 16 metros de faixa de LED estiverem em execução, estou consumindo cerca de 9,5 amperes.

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

O MOSFET tem uma resistência totalmente de 0,8 Ω, então meu calor deve ser minha perda de I ² R de

3.17 amperes^2 * 0.08 ohms = 0.8 watts

A folha de dados diz que eu recebo 62,5 ° C de calor por watt, a temperatura operacional máxima é de 175 ° C e a temperatura ambiente esperada é inferior a 50 ° C

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

Estou executando esses MOSFETs sem um dissipador de calor e o deixei funcionando a noite toda em um programa que apenas executa um ciclo de vermelho verde azul branco branco sem parar e não superaqueceu. Espero que este circuito seja capaz de rodar 16+ horas por dia.

Eu estou usando uma fonte de alimentação de 12 V para os LEDs e um sinal de controle de 5 V do Arduino, portanto, não deve ser possível exceder a tensão do gate de dreno de 60 V ou a tensão da fonte do gate de 20 V.

Depois de brincar com ele na minha mesa no meu escritório com ar-condicionado hoje, descobri que não conseguia desligar o canal vermelho como antes. E o portão de medição para drenar sem energia conectada, encontrei 400 Ω no canal vermelho e resistência incomensuravelmente alta nos canais verde e azul.

Este é o esquema com o qual estou trabalhando. É a mesma coisa que foi repetida três vezes e o 5 V é um sinal PWM do Arduino e o único LED sem resistor é apenas um substituto para a faixa de LEDs que possui resistores e uma configuração sólida que eu não achava que precisava. modelar.

Eu acho que falhou depois que eu conectei o Arduino dentro e fora de seus cabeçalhos de pinos cerca de 50 vezes, embora eu não tenha certeza de qual significado isso tem como o Arduino ainda funciona.

Portanto, dado que funcionou por alguns dias, incluindo um dia de alta carga, minhas perguntas :

1. Poderia fazer com que o Arduino entrasse e saísse desse circuito de algum modo danificar os MOSFETs, mas não o Arduino?

2. ESD poderia de alguma forma ser o culpado aqui? Minha mesa é de madeira revestida com resina ou madeira laminada. Note-se que a fonte dos três MOSFETs é o GND comum.

3. Não tenho um ferro de soldar sofisticado e não faço ideia se está acima de 300 ° C. No entanto, usei solda de chumbo e gastei o mínimo de tempo possível em cada pino e soldaria em um dos primeiros MOSFET e depois em um dos outros MOSFET, etc, sem fazer todos os pinos de um chip consecutivamente e se for demais O calor da solda foi o problema. Por que isso não o criou imediatamente? Por que apareceu agora?

4. Há algo que eu perdi ou uma supervisão nos meus cálculos?

Seu problema é a tensão de acionamento do portão. Se você olhar a folha de dados do STP16NF06, verá que o Rdson de 0,08 applies se aplica apenas a Vgs = 10 V e você o está dirigindo com apenas (um pouco menos) 5 V, portanto a resistência é muito maior.

Especificamente, podemos observar a Figura 6 (Características de transferência), que mostra o comportamento conforme Vgs varia. Em Vgs = 4,75 V e Vds = 15 V, Id = 6 A, então Rds = 15 V / 6 A = 2,5 Ω. (Na verdade, pode não ser tão ruim assim, devido a algumas não linearidades, mas ainda é mais do que você pode tolerar

A ESD também pode ser um problema: os portões dos MOSFETs são muito sensíveis e não há razão para que o Arduino (cujo microcontrolador tenha diodos de proteção contra ESD) também seja necessariamente afetado.

Eu sugiro que você obtenha um MOSFET com uma tensão limite baixa o suficiente para estar totalmente em 4,5 V. Você pode até obter MOSFETs que incorporam proteção ESD em seus gateways.

O ponto sobre a tensão do portão é válido, mas se o MOSFET não estiver aquecendo, não tenho certeza de que é o verdadeiro culpado aqui.

16 metros de faixa de LED de 12 V acionados em vários amplificadores terão uma indutância significativa nas frequências PWM típicas. Isso causa picos de tensão no dreno toda vez que o MOSFET é desligado. Esses picos têm duração curta, mas a tensão pode ser muitas vezes maior que a tensão de alimentação.

A solução para esse problema específico é adicionar um diodo de roda livre (Schottky) antiparalelo aos LEDs, entre + 12V e dreno, como faria com um motor elétrico ou outra carga indutiva.

Mais uma coisa a verificar.

Parece uma configuração experimental conectada a um ou mais PCs e / ou fontes de alimentação plugpack.

Isso geralmente gera um ambiente que não é diretamente referenciado a terra, ou que é referenciado a ele em algum momento do circuito de maneira descontrolada, especialmente quando é usado um laptop com uma fonte de alimentação conectada por duas pontas.

As fontes de alimentação chaveadas comuns "leves" tendem a fornecer trilhos de saída que realmente têm um potencial CA de alta impedância em relação à terra, na metade da tensão da rede, sobreposta nos dois pólos. Isso geralmente passa despercebido, porque a carga é totalmente flutuante (um acessório revestido de plástico) ou tem seu aterramento firmemente preso ao terra (um PC de mesa), e a impedância é alta o suficiente para não machucá-lo (a menos que você segure um fio para sua língua, perto de uma veia ... não, mesmo que seja seguro.).

No entanto, em uma configuração de teste como essa, pode significar meia tensão da rede elétrica aparecendo no lugar errado - e 60V ou até 120V (na verdade, uma tensão de pico de cerca de 170V no pior caso ...) pode ser suficiente para danificar o portão de um MOSFET desprotegido se algum outro eletrodo for referenciado à terra de alguma maneira (por exemplo, por uma pessoa bem aterrada tocando o dreno ou o circuito de fonte) ..