Почему напряжение на источнике силового полевого МОП-транзистора постепенно увеличивается?

Итак, еще один подход к вашей схеме: вы используете неправильный компонент. Для управления затвором MOSFET обычно требуется драйвер MOSFET. IR2301 или IR2181 или подобные были бы хорошим выбором. Этот тип драйвера может принимать вход логического уровня для включения / выключения и может сбрасывать большой ток при высоком напряжении на затвор MOSFET, чтобы убедиться, что он полностью открыт или полностью выключен.

С драйверами серии IR2x, если ваш рабочий цикл ШИМ меньше 100%, вы также можете использовать их для повышения напряжения затвора для N-канального коммутатора на стороне высокого напряжения, если вы предпочитаете это низкому уровню.

Я подозреваю, что происходит то, что поведение вашего полевого МОП-транзистора меняется по мере его нагрева.

См. эти характеристические кривые из таблицы данных IRF1404:

Я просто предположу, например, что рабочий ток вашего двигателя составляет около 10 А. Когда вы впервые включаете его, Q3 действует как истоковый повторитель, а падение Vgs составляет около 4,5 В. Через некоторое время полевой транзистор нагревается, и напряжение Vgs, необходимое для поддержания 10 А через двигатель, немного падает... Если бы температура перехода полевого транзистора увеличилась до 175 °C, мы бы отклонились от опубликованной кривой, но мы можем представить, что напряжение Vgs упадет до 4,0 В или даже ниже. Таким образом, напряжение на двигателе увеличилось бы примерно на 0,5 В.

Редактировать

Еще пара вещей, на которые стоит обратить внимание:

• Похоже, ваш полевой транзистор рассчитан на работу около 100 А (исходя из того, что они дают типичные кривые в таблице данных). Вы используете его где-то ниже 5 А (поскольку это рейтинг вашего источника питания). Характеристики этого операционного усилителя могут не очень хорошо контролироваться при таком «очень низком» уровне тока.

• Ваш полевой транзистор горит где-то в районе V _ds * I _d = 3,5 * 5 = 15 Вт мощности. В корпусе TO-220 без радиатора полевой транзистор, вероятно, сильно нагревается . Полевой транзистор рассчитан на работу с током 100 А, но, вероятно, предназначен для использования с импульсами с низким коэффициентом заполнения.

• uA741 не является операционным усилителем rail-to-rail. Причина, по которой вы видите 9,5 В на затворе полевого транзистора вместо 10 В, вероятно, заключается в том, что вы довели операционный усилитель до насыщения. Если операционный усилитель нагревается во время работы, напряжение насыщения может изменяться, и это также будет способствовать дрейфу напряжения источника питания полевого транзистора.

РЕДАКТИРОВАТЬ Я неправильно прочитал схему (увидел усиление единства), поэтому теперь, когда мое зрение / мозг прояснилось (D'oh), я просто дам рекомендацию об изменении петли обратной связи: -

Лучшей схемой для поддержания 5 В на двигателе является подключение узла обратной связи для операционного усилителя прямо к источнику полевого транзистора, а не к выходу операционного усилителя. Затем это гарантирует, что источник получает 5 В, а Vgs (порог) затем противодействует повышению выходного сигнала операционного усилителя, чтобы преодолеть его. Нет необходимости иметь R3, а R4 можно замкнуть накоротко. Это будет поддерживать 5 В в источнике полевого транзистора.

Спасибо @ThePhoton и ОП за указание на мою визуальную/мозговую несостоятельность. Читая дальнейшие комментарии, вполне вероятно, что для уменьшения рассеиваемой мощности может потребоваться какая-то ШИМ.

Как измеряете напряжение? С вольтметром? Помните, что двигатели потребляют прерывистый ток, и поэтому среднее напряжение, которое видит мультиметр, отличается от фактического мгновенного напряжения. Если вы посмотрите на напряжение на осциллографе, вы можете увидеть, что происходит на самом деле.

Я предполагаю, что вы видите рост напряжения, потому что период проводимости двигателя изменяется по мере увеличения скорости двигателя.

Наконец, двигатель убивает не напряжение, а ток. Если вы можете ограничить ток, вы можете подать много вольт в двигатель, не перегревая его, и получить несколько более быструю реакцию / лучшую кривую крутящего момента, хотя максимальный крутящий момент останется тем же, потому что это определяется постоянным сопротивлением проводимости.

Вы также можете уменьшить обратную ЭДС, добавив диод и небольшой конденсатор параллельно двигателю.

Если у вас есть микроконтроллер, вы должны управлять двигателем с помощью ШИМ, что позволяет вам контролировать ток на основе рабочего цикла ШИМ. Если вы абсолютно не можете сделать это с помощью микроконтроллера, то, возможно, управляйте затвором MOSFET с помощью таймера 555 вместо операционного усилителя. МОП-транзисторы не предназначены для линейного регулирования напряжения; они легко перегреются и умрут, если вы не будете очень осторожны при использовании их в линейной области. МОП-транзисторы обычно предназначены для полного включения и полного выключения в стиле ШИМ.

Наконец, похоже, что вы используете N-канальный МОП-транзистор в качестве переключателя высокого уровня. Чтобы это работало хорошо (чтобы полностью включить MOSFET), вам необходимо обеспечить более высокое напряжение на затворе, чем MOSFET видит на истоке. Когда нагрузка ниже истока, нагрузка будет повышать напряжение только на истоке и, таким образом, повышать требуемое напряжение затвора. Это создает петлю обратной связи, в которой МОП-транзистор остается в зоне линейной проводимости, а не включается/выключается. Вместо этого я бы поставил двигатель над полевым МОП-транзистором.

Отвечая исключительно на вопрос о регуляторе напряжения, добавленный в « ПОСЛЕДНЕЕ РЕДАКТИРОВАНИЕ » вопроса:

В то время как линейный стабилизатор напряжения 78xx, возможно, является самым простым в реализации, за исключением, скажем, 6 кремниевых диодов, например, 1n4007, последовательно соединенных, при любом таком подходе с линейным падением напряжения избыточное напряжение, умноженное на ток через механизм регулирования, преобразуется в тепло в ваттах.

Вместо этого рассмотрите импульсный стабилизатор постоянного тока (понижающий регулятор), чтобы снизить напряжение до 7,5 или 8 вольт, и проблема с нагревом в значительной степени исчезнет. Типичная эффективность понижающего регулятора составляет от 80% до 95%.

Перевод : максимальное выделение тепла намного ниже, чем при любом подходе линейного регулирования.

• Для этого приложения подойдет недорогой регулируемый модуль регулятора постоянного тока с eBay, такой как этот ( 1,32 доллара США, включая бесплатную международную доставку ). Теплоотвод не нужен.

• Если пространство на плате или компоновка печатной платы являются проблемой, альтернативой линейному стабилизатору 78xx может быть прямая замена импульсного стабилизатора. Этот 6,5-вольтовый 1,5-амперный импульсный стабилизатор постоянного напряжения ( 10,73 долл. США + доставка ) обнаруживается при беглом поиске. Были бы и другие, ближе к целевому напряжению. Опять же, радиатор не нужен.

• Другим вариантом является понижающий регулятор Texas Instruments PTN78000W, который, возможно, более эффективен, чем любой из вышеперечисленных вариантов, и, следовательно, с еще меньшей проблемой нагрева. Вы можете попробовать запросить бесплатный образец, чтобы увидеть, подходит ли он для вашей цели.