Греется полевой транзистор

[Zver2011]

Всем привет! 

Дано: Контроллер подсветки рабочей зоны кухни, реализованный на Tiny 13A.  Светодиодная лента длиной 2,3 метра, led 5050, 120 светодиодов/метр. Принципиальная схема устройства ниже:

Код прошивки:

#include <tiny13.h>
#include <delay.h>

int triggered = 0;
int ontimer = 0;

void main(void)
{

// Input/Output Ports initialization
// Port B initialization
// Function: Bit5=In Bit4=In Bit3=In Bit2=In Bit1=In Bit0=Out 
DDRB=(0<<DDB5) | (0<<DDB4) | (0<<DDB3) | (0<<DDB2) | (0<<DDB1) | (1<<DDB0);
// State: Bit5=T Bit4=T Bit3=T Bit2=T Bit1=T Bit0=0 
PORTB=(0<<PORTB5) | (0<<PORTB4) | (0<<PORTB3) | (0<<PORTB2) | (0<<PORTB1) | (0<<PORTB0);

// Timer/Counter 0 initialization
// Clock source: System Clock
// Clock value: 37,500 kHz
// Mode: Fast PWM top=0xFF
// OC0A output: Non-Inverted PWM
// OC0B output: Disconnected
// Timer Period: 6,8267 ms
// Output Pulse(s):
// OC0A Period: 6,8267 ms Width: 0 us
TCCR0A=(1<<COM0A1) | (0<<COM0A0) | (0<<COM0B1) | (0<<COM0B0) | (1<<WGM01) | (1<<WGM00);
TCCR0B=(0<<WGM02) | (1<<CS02) | (0<<CS01) | (0<<CS00);
TCNT0=0x00;
OCR0A=0x00;
OCR0B=0x00;



while (1)
      {
       if (PINB.1==1) {
            triggered = 1;
            ontimer = 60;
        };
        
        if (ontimer > 0) {
            ontimer--;
        } else {
            triggered = 0;
        };
        
        if (triggered) {
            if (OCR0A<255) {
                OCR0A++;
                };
            }
        else {
            if (OCR0A>0) {
                OCR0A--;
                };
            };

        delay_ms(10); 
      }
}

Возникшая проблема:

Греется полевой транзистор при работе. 

Изначально поискав информацию на данную проблему, начал прикидывать. 

Смотрим график зависимости пропускаемого тока стока (I_D )от приложенного напряжения  затвор-сток (V_GS),  при температуре окруж. среды 25 градусов: I_D = 14 А (2,3 метра светодиодной ленты не могут столько кушать, по крайней мере я такую не видел).

Было предположение что частота переключения ШИМ высокая - отсюда транзистор в не определенном состоянии = нагрев. Рассчитал макс. частоту так:

Rg = 100 Ом, Vgs = 5V

Заряд затвора:
Qiss = Ciss * Vgs = 1800pF * 5v = 9nC

Скрость нарастания:
S = Rgate * Qiss = 100Ohm * 9nC = 0.009mV*sec

Время на открытие или закрытие транзистора:
t=S / Vgs = 0.002mV*sec * 3.2v = 4.5uSec

Период  - это открытие + закрытие:
T = t + t = 4.5uSec + 4.5uSec = 9uSec

Максимальная частота переключения:
F < 1 / T = 1 / 9uSec = 111KHz

Ток через затвор (G) и цифровой выход Tiny 13A:
I = Qiss / t = 2mA

Максимальный выходной ток GPIO у Tiny 13A 40.0mA
2mA < 40.0mA

Выставил частоту ШИМ на 37,5 кHz. Вуаля - при подключении 1м светодиодной ленты (тестировал на обрезке), нагрева нет. Но как только подключил все 2,3 метра - транзистор стал снова спустя время греться, аж дотронуться не возможно.  Захотел померить ток, который потребляет 1 метр ленты, проверить продавца. Потребление 1 метра ленты оказалось вместо заявленных 600 мА, все 1,85 А, причем заметил странную вещь - ток начал возрастать спустя время на сотые доли  и дошел до 1,9 А. Дальше ждать не стал. Режим амперметра в мультиметре сломался?

Далее подумал что слишком большая мощность рассеивается на транзисторе. Если учесть то, что при открытом транзисторе, его переход можно представить в виде линейного резистора с маленькой величиной сопротивления,  можно рассчитать рассеиваемую мощность на транзисторе:

Смотрим сопротивление транзистора в открытом состоянии при V_GS = 5В : R_DS(on) = 0.18 Ом

P₁ = 1,9*1,9*0,18 = 0,65 Вт. (1 метр св.ленты).

Раз мы взяли потребление 1 метра ленты  1, 9 А, тогда 2,3 метра потребляют  = 4,4 А. (Теперь не уверен в своем мультиметре).

P₂=4.4*4.4*0.18 = 3.5 Ватт - довольно таки многовато я думаю.

В общем: Правильно ли я делаю расчеты? Что упустил?  Как снизить нагрев транзистора, без применения вентиляторов и здоровенных радиаторов? Есть вариант замены светодиодной ленты на что нибудь поменьше жрущее (60 светодиодов/ метр например), но в будущем еще много раз придется сталкиваться с полевиками, хотелось бы разобраться .

[Реклама]

Реклама: ООО ТД Промэлектроника, ИНН: 6659197470, Тел: 8 (800) 1000-321

[I_I_Iok]

Транзистор с радиатором? Если нет, то почему он НЕ должен греться? Да и эта серия не рассчитана на большие токи. Их больше ставят в качестве ключей в повышающих или понижающих преобразователях. Для Ваших целей стоит воспользоваться irfz44, или чем-то из этой серии, у него сопротивление 0,017 Ом в открытом состоянии, греться будет в разы меньше. По поводу переживаний насчёт его времени переключения, то можно добавить транзистор pnp в цепь затвора, тем самым садить затвор на землю во время паузы, но это если нет осциллографа, но очень хочеться убедиться.

 

 

 

 

И ещё на заметку. Есть такая штука, как воздействие тепла на характеристики светодиода. Чем больше нагрев - тем больше ток через светодиод и больше нагрев. Также желательно выставить максимальное напряжение в пределах, когда лента светит достаточно хорошо, при этом нагрев не значительный. Моя лента из китая при повышении на доли вольта больше 12 уже греется намного больше. Стабилизация тока в этом деле очень важна, если нужна длительная работа без выгорания

такой вариант лучше

Изменено 27 декабря, 2018 пользователем I_I_Iok

[Реклама]

20% скидка на весь каталог электронных компонентов в ТМ Электроникс!

Акция "Лето ближе - цены ниже", успей сделать выгодные покупки!

Плюс весь апрель действует скидка 10% по промокоду APREL24 + 15% кэшбэк и бесплатная доставка!

Перейти на страницу акции

Реклама: ООО ТМ ЭЛЕКТРОНИКС, ИНН: 7806548420, info@tmelectronics.ru, +7(812)4094849

[Zver2011]

11 минуту назад, I_I_Iok сказал:

Транзистор с радиатором? Если нет, то почему он НЕ должен греться? Да и эта серия не рассчитана на большие токи. Их больше ставят в качестве ключей в повышающих или понижающих преобразователях. Для Ваших целей стоит воспользоваться irfz44, или чем-то из этой серии, у него сопротивление 0,017 Ом в открытом состоянии, греться будет в разы меньше.

Радиатор есть. Не большой. Спасибо за совет, сейчас посмотрим, что за транзюк такой.

[Реклама]

Выбираем схему BMS для заряда литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

Обязательным условием долгой и стабильной работы Li-FePO4-аккумуляторов, в том числе и производства EVE Energy, является применение специализированных BMS-микросхем. Литий-железофосфатные АКБ отличаются такими характеристиками, как высокая многократность циклов заряда-разряда, безопасность, возможность быстрой зарядки, устойчивость к буферному режиму работы и приемлемая стоимость. Но для этих АКБ очень важен контроль процесса заряда и разряда для избегания воздействия внешнего зарядного напряжения после достижения 100% заряда. Инженеры КОМПЭЛ подготовили список таких решений от разных производителей. Подробнее>>

Реклама: АО КОМПЭЛ, ИНН: 7713005406, ОГРН: 1027700032161

[Zver2011]

32 минуты назад, I_I_Iok сказал:

И ещё на заметку. Есть такая штука, как воздействие тепла на характеристики светодиода. Чем больше нагрев - тем больше ток через светодиод и больше нагрев. Также желательно выставить максимальное напряжение в пределах, когда лента светит достаточно хорошо, при этом нагрев не значительный. Моя лента из китая при повышении на доли вольта больше 12 уже греется намного больше. Стабилизация тока в этом деле очень важна, если нужна длительная работа без выгорания

такой вариант лучше

Видел подобные решения для МОП транзисторов. Драйвера еще советуют ставить. Но в тех решениях коллектор биполярного транзистора был подключен к питанию от 10В и выше. Так как полевики открываются напряжением от 10 В. Почему в Вашей схеме коллектор подкл. к 5В? IRF540 не с логическим уровнем открытия ведь.

P.S Конечно же, как всегда хочется получить маленькое компактное устройство с минимум деталей. А как начнешь проектировать, так сразу начинается поиск баланса между компактностью, количеством деталей и правильными решениями.

По поводу ленты, блок питания не регулируемый, выдает 12,85 В. Ставить стабилизатор напряжения на 12 Вольт? Если откалибровать напряжение питания ленты, то тогда нужный ток ограничат резисторы на самой ленте, которые рассчитаны именно на 12 вольт?

Изменено 27 декабря, 2018 пользователем Zver2011

[I_I_Iok]

23 минуты назад, Zver2011 сказал:

Видел подобные решения для МОП транзисторов. Драйвера еще советуют ставить. Но в тех решениях коллектор биполярного транзистора был подключен к питанию от 10В и выше. Так как полевики открываются напряжением от 10 В. Почему в Вашей схеме коллектор подкл. к 5В? 

P.S Конечно же, как всегда хочется получить маленькое компактное устройство с минимум деталей. А как начнешь проектировать, так сразу начинается поиск баланса между компактностью, количеством деталей и правильными решениями.

По поводу ленты, блок питания не регулируемый, выдает 12,85 В. Ставить стабилизатор напряжения на 12 Вольт? Если откалибровать напряжение питания ленты, то тогда нужный ток ограничат резисторы на самой ленте, которые рассчитаны именно на 12 вольт?

Драйвер штука хорошая, но дорогая. Самое дешёвое решение - это стабилизатор тока на lm317t. Самая средина между компактностью и эффективнстью(если считать таковую в линейных стабилизаторах). Если БП импульсный, то отрегулировать можно всегда (цепь обратной связи). Для понижения напряжения можно воспользоваться простым решением - поставить последовательно выпрямительный диод (ток подбирать с запасом). Например я при переделке фонариков с кадмиевых на литиевые аккумы ставлю пару диодов последовательно. На них падает напряжение примерно 0,4 - 0,7В в зависимости от маркировки. По стоимости - десяток 1n4007 стоит копейки. когда-то заказал сотню за смешные деньги из китая. При этом они практически не греются. На деле проще чем подбирать резистор.

Ну а если вообще компактно и дёшево - реле в помощь. Никаких проблем и схемотехнических мучений

Коллектор подключается к 5 вольтам, так как запас по напряжению для открытия затвора транзистора остаётся. Они открываются полностью при 4х вольтах примерно. Если учитывать падение на переходе коллетор-эммитер транзистора, то остаётся ещё доли вольта в запасе. Конечно лучше брать напругу повыше, но при этом нужно думать о гальванической развязке с МК, так как такой вариант будет менее безопасным.

И почему собственно МК для таких целей? Есть варианты на паре элементов , ведь в сенсоре уже есть выход под ТТЛ уровень

Изменено 27 декабря, 2018 пользователем I_I_Iok

[IMXO]

2 часа назад, Zver2011 сказал:

Что упустил? 

наличие у мосфетов плато Миллера , заряд на затворе имеет совсем другое значение(ошиблись не много, всего раз в пять)   , проще всего  найти его значение  по графику из ДШ,

1 час назад, Zver2011 сказал:

Так как полевики открываются напряжением от 10 В. Почему в Вашей схеме коллектор подкл. к 5В? IRF540 не с логическим уровнем открытия ведь.

потому что слышал звон, да не понял где он.  это схемо даже если переключить на 10в с обычным мосфетом работать не будет.

[I_I_Iok]

В 27.12.2018 в 23:21, IMXO сказал:

наличие у мосфетов плато Миллера , заряд на затворе имеет совсем другое значение(ошиблись не много, всего раз в пять)   , проще всего  найти его значение  по графику из ДШ,

потому что слышал звон, да не понял где он.  это схемо даже если переключить на 10в с обычным мосфетом работать не будет.

А даташит говорит обратное.Смотрим на Threshold Voltage. Мне лень проверить, а вот Вы, будьте добры, предоставте доказательства со своей стороны.

Изменено 30 декабря, 2018 пользователем I_I_Iok

[IMXO]

Threshold Voltage всего лишь значение падения напряжения между затвором и стоком мосфета по  схеме ОИ

2 часа назад, I_I_Iok сказал:

будьте добры, предоставте доказательства со своей стороны.

 да ни вопрос, конкретно по платто Миллера рис.6 даташита.  мосфет полностью открывается после 5,5в на затворе.

так же смотрим передаточные характеристики  рис.1 и рис.2

а попутно еще рекомендую сходить в гугл и изучить шо це таке эмиттерный повторитель , чему равно напряжение на его выходе , и включив думалку  найти значение  на затворе твоей схемы при управлении от дурины

 

Скрытый текст

ЗЫ какой-то ламер  выдрал усилитель выходов TL494 из преобразователя прилепив его к дурине нихрена не понимая как он работает и сотня других как бараны постят ее где не попадя.

 

[I_I_Iok]

В 30.12.2018 в 20:37, IMXO сказал:

 

 

  Скрыть содержимое

ЗЫ какой-то ламер  выдрал усилитель выходов TL494 из преобразователя прилепив его к дурине нихрена не понимая как он работает и сотня других как бараны постят ее где не попадя.

 

 

Ну и хрен с ним. Опытным путём определить питающее напряжения усилителя на затвор. Всё-равно девайс слишком заумный для своих целей. Ставить мк в качестве генератора по срабатыванию датчика.... Обычный 555 справиться не хуже.

[artos5]

В 27.12.2018 в 21:20, I_I_Iok сказал:

такой вариант лучше

Схема в целом хорошая , только для irf540 5в управляющее маловато ! На холоде может не открываться полностью! Лучше 10в

Почитал тут сообщения , меня опередили спецы )))

Тоже ругаются на 5в управляющее )

[IMXO]

4 минуты назад, artos5 сказал:

только для irf540 5в управляющее маловато !

в лучшем случае там будет 4,35в...

[artos5]

Да , я в курсе )) падение на переходе npn транзистора минимум 0.6В. там в схеме пару транзисторов добавить и от 10в запитать драйвер , и все будет ок )

Или поставить в эту схему:

IRLI540 or IRL2505 or IRLI2910

В 30.12.2018 в 20:37, IMXO сказал:

 

  Показать содержимое

ЗЫ какой-то ламер  выдрал усилитель выходов TL494 из преобразователя прилепив его к дурине нихрена не понимая как он работает и сотня других как бараны постят ее где не попадя.

 

))))