¿Por qué estoy cocinando MOSFET?

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

Estoy usando STP16NF06 MOSFETs .

Estoy controlando los LED RGB, por lo que utilizo tres MOSFET, uno para cada color, y cuando los 16 metros de tira de LED se están ejecutando, dibujo unos 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 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 operación 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 disipador de calor, y lo dejé funcionando toda la noche en un programa que solo realiza ciclos rojo verde azul blanco sin parar y no se sobrecalienta. Espero que este circuito pueda correr 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 compuerta de drenaje de 60 V o el voltaje de la fuente de la puerta de 20 V.

Después de que estaba jugando con él en mi escritorio en mi oficina con aire acondicionado hoy, descubrí que no podía apagar el canal rojo como pude al principio del día. Y midiendo la compuerta para drenar sin poder conectado, 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 repitió tres veces y los 5 V son una señal PWM del Arduino y el LED único sin resistencia es solo un sustituto de la tira de LED que tiene resistencias y una configuración sólida que no sentí que necesitaba modelar.

Creo que falló después de enchufar el Arduino dentro y fuera de sus encabezados de clavija unas 50 veces, aunque no estoy seguro de qué importancia tiene, ya que el Arduino todavía funciona.

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

1. ¿Podría el intercambio de 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 revestida de resina o madera 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 soldaría el pin del primer MOSFET y luego el pin del segundo MOSFET, etc., sin hacer todos los pines de un chip de forma consecutiva y si es demasiado el problema fue el calor de la soldadura, ¿por qué eso no habría creado el problema de inmediato? ¿Por qué ha aparecido ahora?

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

Su problema es el voltaje de accionamiento de la puerta. Si mira 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 ver 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, entonces Rds = 15 V / 6 A = 2.5 Ω. (Puede que en realidad no sea tan malo, debido a algunas no linealidades, pero aún es más de lo que puedes tolerar

La 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 umbral lo suficientemente bajo como para estar completamente encendido a 4.5 V. Incluso puede obtener MOSFET que incorporan protección ESD en su puerta.

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

16 metros de tira de LED de 12 V con varios amperios tendrán una inductancia significativa a las frecuencias PWM típicas. 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 particular es agregar un diodo de marcha libre (Schottky) en antiparalelo con los LED, entre + 12V y drenaje, tal como lo haría con un motor eléctrico u otra carga inductiva.

Una cosa más para comprobar.

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

Esto a menudo produce un entorno que en ninguna parte se refiere directamente a tierra física, o se hace referencia a él en algún punto del circuito de manera incontrolada, especialmente cuando se usa una computadora portátil con una fuente de alimentación conectada a dos terminales.

Las fuentes de alimentación de conmutación de paquetes "ligeros" comunes tienden a proporcionar rieles de salida que en realidad tienen un potencial de CA de alta impedancia en relación con la tierra, a la mitad de la tensión de red, superpuesta en ambos polos. Esto generalmente pasa desapercibido porque la carga está completamente flotando (un accesorio con 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 sujete un cable a su lengua, cerca de una vena ... no lo haga, incluso si fuera seguro).

Sin embargo, en una configuración de prueba como esta, puede significar que la mitad de la tensión de red aparezca en el lugar equivocado, y 60V o incluso 120V (en realidad, una tensión máxima de alrededor de 170V en el peor de los casos ...) puede ser suficiente para dañar la puerta de un MOSFET sin protección si algún otro electrodo está conectado a tierra de alguna manera (p. ej., por una persona bien conectada a tierra tocando el drenaje o el circuito fuente).