Warum steigt die Spannung von der Quelle eines Leistungs-MOSFET allmählich an?

Also, um einen anderen Ansatz für Ihre Schaltung zu nehmen: Sie verwenden die falsche Komponente. Um das Gate eines MOSFET anzusteuern, benötigen Sie normalerweise einen MOSFET-Treiber. Ein IR2301 oder IR2181 oder ähnliches wäre eine gute Wahl. Diese Art von Treiber kann einen Logikpegeleingang zum Ein- und Ausschalten nehmen und viel Strom bei hoher Spannung in das MOSFET-Gate leiten, um sicherzustellen, dass es vollständig ein- oder vollständig ausgeschaltet wird.

Wenn Ihr PWM-Tastverhältnis weniger als 100 % beträgt, können Sie die Treiber der IR2x-Serie auch verwenden, um die Gate-Spannung für einen High-Side-N-Kanal-Umschalter zu erhöhen, wenn Sie dies der Low-Seite vorziehen.

Ich vermute, dass sich das Verhalten Ihres MOSFET beim Aufheizen ändert.

Siehe diese Kennlinien aus dem IRF1404-Datenblatt:

Ich schätze als Beispiel, dass Ihr Motorbetriebsstrom etwa 10 A beträgt. Wenn Sie ihn zum ersten Mal einschalten, fungiert Q3 als Source-Follower und der Spannungsabfall beträgt etwa 4,5 V. Nach einer Weile der FET erwärmt sich, und die Vgs, die erforderlich sind, um 10 A durch den Motor aufrechtzuerhalten, sinken etwas ... Wenn die FET-Sperrschichttemperatur auf 175 ° C steigen würde, wären wir jetzt von der veröffentlichten Kurve entfernt, aber wir können uns vorstellen, dass die Vgs auf fallen würden 4,0 V oder noch niedriger. Die Spannung am Motor wäre also um etwa 0,5 V gestiegen.

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Ein paar andere Dinge, auf die Sie achten sollten:

• Ihr FET scheint für den Betrieb um 100 A ausgelegt zu sein (basierend auf den typischen Kurven im Datenblatt). Sie verwenden es irgendwo unter 5 A (da dies die Nennleistung Ihres Netzteils ist). Die Eigenschaften dieses Operationsverstärkers können bei diesem "sehr niedrigen" Strompegel möglicherweise nicht sehr gut kontrolliert werden.

• Ihr FET brennt irgendwo in der Nähe von V _ds * I _d = 3,5 * 5 = 15 W Leistung. In einem TO-220-Gehäuse ohne Kühlkörper erwärmt sich der FET wahrscheinlich erheblich . Der FET ist für einen Betrieb mit 100 A ausgelegt, soll aber wahrscheinlich mit Impulsen mit niedrigem Arbeitszyklus verwendet werden.

• Der uA741 ist kein Rail-to-Rail-Operationsverstärker. Der Grund, warum Sie am Gate des FET 9,5 V anstelle von 10 V sehen, liegt wahrscheinlich darin, dass Sie den Operationsverstärker in die Sättigung getrieben haben. Wenn sich der Operationsverstärker während des Betriebs aufheizt, könnte sich die Sättigungsspannung ändern, und dies würde auch zu einer Drift der Source-Spannung des FET beitragen.

BEARBEITEN Ich habe die Schaltung falsch verstanden (ich sehe einen Gewinn an Einheit), also werde ich jetzt, da mein Sehvermögen / mein Gehirn geklärt ist (D'oh), nur die Empfehlung abgeben, dass die Rückkopplungsschleife geändert wird: -

Eine bessere Schaltung, um 5 V am Motor aufrechtzuerhalten, besteht darin, den Rückkopplungsknoten für den Operationsverstärker direkt an der Quelle des FET anstelle des Ausgangs des Operationsverstärkers zu nehmen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Quelle 5 V erhält und Vgs (Schwelle) dann durch den Anstieg des Operationsverstärkerausgangs entgegengewirkt wird, um ihn zu überwinden. R3 muss nicht vorhanden sein und R4 kann kurzgeschlossen werden. Dadurch werden 5 V an der Source des FET aufrechterhalten.

Danke an @ThePhoton und das OP für den Hinweis auf meine visuelle/zerebrale Unfähigkeit. Wenn Sie weitere Kommentare lesen, ist es wahrscheinlich, dass zur Reduzierung der Verlustleistung möglicherweise eine Art PWM erforderlich ist.

Wie misst du die Spannung? Mit Spannungsmesser? Denken Sie daran, dass Motoren intermittierende Stromsenken sind und sich daher die durchschnittliche Spannung, die ein Multimeter sieht, von der tatsächlichen Momentanspannung unterscheidet. Wenn Sie sich die Spannung auf einem Oszilloskop ansehen, können Sie sehen, was wirklich vor sich geht.

Ich vermute, dass Sie den Spannungsanstieg sehen, weil sich die Motorleitungsperiode ändert, wenn der Motor schneller wird.

Schließlich ist es nicht die Spannung, die einen Motor tötet, sondern der Strom. Wenn Sie den Strom begrenzt halten können, können Sie viele Volt in einen Motor stecken, ohne ihn zu überhitzen, und eine etwas schnellere Reaktion / bessere Drehmomentkurve erhalten, obwohl das maximale Drehmoment immer noch dasselbe ist, da dies durch den konstanten Leitungswiderstand bestimmt wird.

Sie können auch die Gegen-EMK reduzieren, indem Sie eine Diode und einen kleinen Kondensator über den Motor schalten.

Wenn Sie einen Mikrocontroller haben, sollten Sie den Motor mit PWM ansteuern, wodurch Sie den Strom basierend auf dem Arbeitszyklus der PWM steuern können. Wenn Sie dies mit dem Mikrocontroller absolut nicht tun können, treiben Sie das Gate des MOSFET möglicherweise mit einem 555-Timer anstelle eines Operationsverstärkers an. MOSFETs sind nicht dazu gedacht, eine lineare Spannungsregelung bereitzustellen; Sie werden leicht überhitzen und sterben, wenn Sie nicht sehr vorsichtig sind, wenn Sie sie im linearen Bereich verwenden. MOSFETs sind im Allgemeinen so konzipiert, dass sie im PWM-Stil vollständig ein- und vollständig ausschalten.

Schließlich sieht es so aus, als würden Sie einen N-Kanal-MOSFET als High-Side-Schalter verwenden. Damit dies gut funktioniert (um den MOSFET vollständig einzuschalten), müssen Sie am Gate eine höhere Spannung bereitstellen, als der MOSFET an der Source sieht. Wenn die Last unter der Source liegt, erhöht die Last die Source und erhöht somit die erforderliche Gate-Spannung. Dadurch entsteht eine Rückkopplungsschleife, in der der MOSFET in der linearen Leitungszone bleibt, anstatt ein- und ausgeschaltet zu werden. Ich würde stattdessen den Motor über den MOSFET stellen.

Beantwortung ausschließlich der Frage zum Spannungsregler, die in der " LATER EDIT " der Frage hinzugefügt wurde:

Während ein linearer 78xx-Spannungsregler vielleicht am einfachsten zu implementieren ist, außer beispielsweise 6 Siliziumdioden, beispielsweise 1n4007, in Reihe, wird bei einem solchen Ansatz mit linearem Spannungsabfall die Überschussspannung mal dem Strom durch den Regulierungsmechanismus in Wärme in Watt umgewandelt.

Ziehen Sie stattdessen einen DC-DC-Schaltregler (Buck-Regler) in Betracht, um die Spannung auf 7,5 oder 8 Volt herunterzuregeln, und das Hitzeproblem verschwindet so gut wie. Der typische Wirkungsgrad des Buck-Reglers liegt zwischen 80 % und 95 %.

Übersetzung : Die maximal erzeugte Wärme ist viel geringer als bei jedem linearen Regelungsansatz.

• Für diese Anwendung würde ein kostengünstiges einstellbares DC-DC-Reglermodul von eBay wie dieses ( 1,32 USD einschließlich kostenloser internationaler Versand ) den Zweck erfüllen. Kein Kühlkörper erforderlich.

• Wenn der Platinenplatz oder das PCB-Layout ein Problem darstellen, wäre ein direkter Drop-in-Schaltregler als Ersatz für den 78xx-Linearregler eine Option. Dieser 6,5 Volt 1,5 Ampere Festspannungs- Schaltregler ( 10,73 $ + Versand ) taucht bei einer flüchtigen Suche auf. Es gäbe andere, die näher an der Zielspannung liegen. Auch hier wird kein Kühlkörper benötigt.

• Eine weitere Option ist der Buck-Regler PTN78000W von Texas Instruments – vielleicht effizienter als alle anderen oben genannten Optionen, daher mit noch weniger Hitzeproblemen. Sie können versuchen, ein kostenloses Muster anzufordern, um zu sehen, ob es Ihren Zweck erfüllt.