Моя электромагнитная цепь, управляемая MOSFET, разрушает мои входы Arduino

Я сделал серию печатных плат для питания некоторых электромагнитных клапанов, которые используют внешний источник питания. Я переключаю их с помощью BS170 MOSFET, используя Arduino в качестве сигнала затвора. Я на основе его решение Джейсон S .

Это иллюстрация того, как выглядит моя схема:

При тестировании печатных плат я заметил, что большинство из них работают нормально, а некоторые нет. Нет проблем, вероятно, пайка.

Тем не менее, этим неисправным удалось уничтожить два цифровых вывода Arduino! На одном я получаю постоянное напряжение 5 В, а на другом - 0,2 В, когда я посылаю на него сигнал HIGH, и 0,5 В, когда я посылаю сигнал LOW. Странные вещи.

Таким образом, я предполагаю, что неисправные схемы каким-то образом вызвали (некоторые из) 16 В через Arduino, разрушив их.

Как мне защитить Arduino в этом сценарии от слишком высокого тока?

Я знаю о стабилитронах , но не знаю, как их разместить для защиты входов.

Техническая информация:

• Электромагнитный клапан 1/4 "NPT, 12 В постоянного тока, 12 В постоянного тока, н / к, RO, воздух, вода BBTF
• Техническое описание BS170 (MOSFET)

Схема хорошо в теории.
Улучшение на практике не требуется.

Добавление стабилитрона затвора-источника, скажем, 12 В (> Vgate_drive) действительно очень хорошая идея во всех цепях с индуктивной нагрузкой. Это предотвращает разрушение затвора, вызванное соединением «емкости Миллера» со стоком во время неожиданных или экстремальных изменений напряжения стока.

Установите стабилитрон рядом с полевым транзистором.
Подключите анод к источнику и катод к воротам, чтобы стабилитрон обычно не проводил.

Резистор привода затвора 10 кОм (как показано на рисунке) большой и приведет к медленному выключению и включению и большему рассеянию мощности в MOSFET. Это, вероятно, не проблема здесь.

Выбранный MOSFET очень маргинален в этом приложении.
Куда лучше, чем MOSFET, имеющиеся на складе Digikey:

Для 26c / 10 Digikey IRLML6346 SOT23 pkg, 30 В, 3,4 А, 0,06 Ом, Vgsth = 1,1 В = пороговое напряжение затвора ..

NDT3055 48c / 10 TO251 этилированный 60 В, 12 А, 0,1 Ом, Vgsth = 2 В

RFD14N05 71c / 10 TO220 50 В, 14 А, 0,1 Ом, 2 В Vgsth.

ADDED

ПОДХОДЯЩИЕ МОП-транзисторы для 3V GATE DRIVE:

Система только что отменила мой более длинный ответ :-(. Итак, MOSFET ДОЛЖЕН иметь Vth (пороговое напряжение) не более 2V для правильной работы с контроллерами питания 3V3.
Ни один из предложенных FETS не отвечает этому требованию.
Они могут работать после того, как текущая нагрузка, но с недостаточной нагрузкой и чрезмерными потерями, и решение не распространяется хорошо на большие нагрузки.
Кажется, что IRF FETS в соответствующем диапазоне размеров имеют Vth (из Vgsth) <= 2 вольт ВСЕ имеют 4-значные цифровые коды, начинающиеся с 7, за исключением IRF3708 ,

OK FET включают IRFxxxx, где xxxx = 3708 6607 7201 6321 7326 7342 7353 7403 7406 7416 7455 7463 7468 7470

Будут и другие, но все предложенные, кажется, имеют Vth = 4 В или 5 В и в этом приложении незначительны или хуже.

Значение Vgsth или Vth должно быть как минимум на один Вольт меньше, а в идеале на несколько Вольт меньше, чем фактическое напряжение привода затвора.

Ваш клапан рассчитан на 500 мА при 12 В. Если вы подаете напряжение 16 В, оно потребляет более 500 мА. Предполагая, что это сопротивление, оно привлечет 667 мА.

Абсолютный максимальный ток для используемого MOSFET составляет 500 мА непрерывно. Все, что превышает абсолютные максимальные значения, может разрушить устройство. Вероятно, поэтому вы видите проблемы с надежностью.

Для MOSFET не существует гарантированного режима отказа, поэтому я не удивлен, что он не сможет таким образом повредить выходы Arduino.

Как упоминал Джейсон в связанном ответе, BS170 - плохой выбор MOSFET. Тебе нужен лучший. Выберите один в корпусе TO-220, рассчитанный на несколько ампер. Вы также должны убедиться, что Vgs рассчитаны на 5 В логического уровня привода.

Какой диод вы используете?

Ваш клапан рассчитан на ~ 500 мА. BS170 также рассчитан на 500 мА, но это показатель продаж. Я бы использовал (намного) более высокий рейтинг FET здесь, 500 мА через TO92 заставляет меня нервничать. И у вас есть резистор на 1 кОм, что является хорошей идеей в большинстве случаев, но это может привести к слишком медленному переключению полевого транзистора, чтобы выдержать 0,5А.

Какой диод вы используете? Он должен быть рассчитан на 0,5 А, поэтому 1n4148 не подойдет. Я не уверен, но на самом деле он может получить больше 0,5, потому что движущаяся часть значения может вызвать еще больший всплеск, чем обычная катушка.

На вашей картинке вы видите значение обратного тока, протекающего через заземление Arduino. Я мог бы сделать это со звездой: подключить землю Arduino непосредственно к источнику питания. Или намного лучше: используйте оптопару, чтобы изолировать сильноточную цепь от Arduino (и используйте два отдельных источника питания).

У вас на МОП-транзисторе должен быть резистор затвор-исток, чтобы затвор не мог всплывать, если на выходе Arduino высокий импеданс. Так как источник питания соленоида и источник питания Arduino разделены, этот сценарий может произойти (если вы заранее не гарантируете, что Arduino всегда включен первым).

МОП-транзистор на самом деле так далеко от соленоида? Если так, это должно быть перемещено намного ближе. Переместите его так, чтобы сток непосредственно подключался к полосе прототипа, где красный провод идет к соленоиду и диоду. Затем выполните короткое подключение источника к полосе заземления. Лучше иметь более длинную петлю стробирующего сигнала (при низкой мощности) по сравнению с длинной петлей, которая несет мощность. Вы можете переместить Arduino ближе к соленоиду, сохраняя все эти петли короткими.

Схема, показанная на рисунке, выглядит нормально, при условии, что единственным заземляющим соединением между платой Arduino и отрицательной клеммой источника +16 является короткий синий провод. С другой стороны, вполне возможно, что случайные шорты могут привести к плохим вещам. Трудно догадаться, что именно могло произойти, не видя, как были расставлены настоящие проблемные доски.

Если вы выдвигаете спецификации вашего MOSFET, он может легко выйти из строя таким образом, что отправит +16 к воротам, но если резисторы будут такими, как показано на рисунке, я ожидаю, что Arduino должен быть довольно хорошо защищен.

Прежде всего, вам нужны сверхбыстрые переключающие диоды, а не эти дешевые 2n4001-4 диоды, при использовании двигателей или катушек. Чем быстрее переключение, тем больше BEMF. Также используйте переключающий диод 914 для входа Mosfet от Arduino и резистор 10 кОм от затвора до земли.