Perché sto cucinando i MOSFET?

Ho realizzato un driver LED MOSFET molto semplice che utilizza il PWM di un Arduino Nano per cambiare un MOSFET che controlla la potenza per circa 16 metri di striscia LED.

Sto usando i MOSFET STP16NF06 .

Sto controllando i LED RGB, quindi uso tre MOSFET uno per ogni colore e quando tutti i 16 metri di striscia LED sono in funzione sto disegnando circa 9,5 ampere.

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

Il MOSFET ha una resistenza completamente a 0,8 Ω, quindi il mio calore dovrebbe essere la mia perdita di I ² R di

3.17 amperes^2 * 0.08 ohms = 0.8 watts

La scheda tecnica dice che ricevo 62,5 ° C di calore per watt, la temperatura massima di funzionamento è 175 ° C e la temperatura ambiente prevista è inferiore a 50 ° C

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

Sto facendo funzionare questi MOSFET senza un dissipatore di calore, e l'ho lasciato in esecuzione tutta la notte su un programma che cicla ininterrottamente in modo continuo rosso verde blu bianco e non si è surriscaldato. Mi aspetto che questo circuito sia in grado di funzionare per più di 16 ore al giorno.

Sto usando un alimentatore da 12 V per i LED e un segnale di controllo da 5 V dall'Arduino, quindi non dovrei essere in grado di superare la tensione del gate di drain di 60 V o la tensione della sorgente del gate di 20 V.

Oggi, dopo averci giocato con la mia scrivania nel mio ufficio climatizzato, ho scoperto che non potevo disattivare il canale rosso come prima. E misurando cancello per drenare senza alimentazione collegata ho trovato 400 Ω sul canale rosso e una resistenza incommensurabilmente alta sui canali verde e blu.

Questo è lo schema con cui sto lavorando. È la stessa cosa appena ripetuta tre volte e il 5 V è un segnale PWM dall'Arduino e il singolo LED senza resistenza è solo un supporto per la striscia LED che ha resistori e una configurazione solida di cui non sentivo il bisogno modellare.

Penso che sia fallito dopo aver collegato Arduino dentro e fuori le sue intestazioni dei pin circa 50 volte, anche se non sono sicuro del significato che ha come Arduino funziona ancora.

Quindi, dato che ha funzionato per alcuni giorni incluso un giorno di carico elevato, le mie domande :

1. Il hotwapping dell'Arduino in entrata e in uscita da questo circuito potrebbe in qualche modo danneggiare i MOSFET, ma non l'Arduino?

2. ESD potrebbe in qualche modo essere il colpevole qui? La mia scrivania è in legno rivestito in resina o laminato. Va notato che la fonte di tutti e tre i MOSFET è il GND comune.

3. Non ho un elegante saldatore e non ho idea se superi i 300 ° C. Tuttavia, ho usato la saldatura al piombo e ho trascorso il minor tempo possibile su ciascun pin e avrei saldato il pin di uno dei primi MOSFET e quindi uno dei secondi MOSFET, ecc., Non facendo tutti i pin di un chip consecutivamente e se troppo problema di saldatura era il problema perché questo non avrebbe creato immediatamente il problema? Perché è spuntato ora?

4. C'è qualcosa che ho perso o una svista nei miei calcoli?

Il tuo problema è la tensione del gate drive. Se guardi il foglio dati per STP16NF06, vedrai che il Rdson da 0,08 Ω si applica solo per Vgs = 10 V e lo stai guidando con solo (un po 'sotto) 5 V, quindi la resistenza è molto più alta.

In particolare, possiamo vedere la Figura 6 (Caratteristiche di trasferimento), che mostra il comportamento al variare di Vgs. A Vgs = 4,75 V e Vds = 15 V, Id = 6 A, quindi Rds = 15 V / 6 A = 2,5 Ω. (Potrebbe non essere poi così male, a causa di alcune non linearità, ma è ancora più di quanto tu possa tollerare

Anche l'ESD potrebbe essere un problema: le porte dei MOSFET sono molto sensibili e non c'è ragione per cui anche l'Arduino (il cui microcontrollore ha diodi di protezione ESD) ne risentirebbe necessariamente.

Suggerirei di ottenere un MOSFET con una tensione di soglia sufficientemente bassa da essere completamente acceso a 4,5 V. Puoi persino ottenere MOSFET che incorporano la protezione ESD sul loro gate.

Il punto sulla tensione del gate è valido, ma se il MOSFET non si sta riscaldando, non sono sicuro che sia il vero colpevole qui.

16 metri di striscia LED da 12 V pilotata a diversi amplificatori avranno un'induttanza significativa alle frequenze PWM tipiche. Ciò provoca picchi di tensione allo scarico ogni volta che il MOSFET si spegne. Questi picchi sono di breve durata, ma la tensione può essere molte volte quella della tensione di alimentazione.

La soluzione a questo particolare problema è quella di aggiungere un diodo a sbattimento libero (Schottky) in antiparallelo con i LED, tra + 12V e drain, proprio come si farebbe con un motore elettrico o altro carico induttivo.

Un'altra cosa da verificare.

Sembra una configurazione sperimentale collegata a uno o più PC e / o alimentatori plugpack.

Questo spesso produce un ambiente che non è direttamente referenziato a terra, o riferito ad esso in qualche punto del circuito in modo incontrollato, specialmente quando viene utilizzato un computer portatile con un alimentatore a due poli.

I comuni alimentatori di commutazione plugpack "leggeri" tendono a fornire binari di uscita che presentano effettivamente un potenziale CA ad alta impedenza rispetto alla terra, a metà della tensione di rete, sovrapposti su entrambi i poli. Questo di solito passa inosservato perché il carico fluttua completamente (un accessorio con involucro di plastica) o ha il terreno collegato saldamente alla terra (un PC desktop) e l'impedenza è abbastanza elevata da non farti male (a meno che non si tenga un cavo per la tua lingua, vicino a una vena ... non farlo, anche se dovrebbe essere sicuro.).

Tuttavia, in una configurazione di prova come questa, può significare che la metà della tensione di rete appare nel posto sbagliato - e 60 V o anche 120 V (in realtà, una tensione di picco di circa 170 V nel peggiore dei casi ...) può essere sufficiente per danneggiare il gate di un MOSFET non protetto se un altro elettrodo è collegato a terra in qualche modo (ad es. da una persona ben messa a terra che tocca il circuito di drenaggio o sorgente).