¿Por qué el voltaje aumenta gradualmente desde la fuente de un MOSFET de potencia?

Entonces, para tomar otro rumbo a su circuito: está usando el componente incorrecto. Para controlar la puerta de un MOSFET, normalmente desea un controlador MOSFET. Un IR2301 o IR2181 o similar sería una buena elección. Este tipo de controlador puede tomar entrada de nivel lógico para encendido/apagado, y puede descargar una gran cantidad de corriente a alto voltaje en la compuerta MOSFET, para asegurarse de encenderlo o apagarlo por completo.

Con la serie de controladores IR2x, si su ciclo de trabajo PWM es inferior al 100 %, también puede usarlos para aumentar el voltaje de puerta para un conmutador de canal N de lado alto, si lo prefiere al lado bajo.

Sospecho que lo que sucede es que el comportamiento de su MOSFET está cambiando a medida que se calienta.

Vea estas curvas características de la hoja de datos IRF1404:

Solo supondré, como ejemplo, que la corriente de operación de su motor es de aproximadamente 10 A. Cuando lo enciende por primera vez, Q3 actúa como un seguidor de fuente, y la caída de Vgs es de aproximadamente 4.5 V. Después de un tiempo, el FET se calienta, y el Vgs requerido para mantener 10 A a través del motor cae un poco... Si la temperatura de la unión FET aumentara a 175 C, ahora estaríamos fuera de la curva publicada, pero podemos imaginar que el Vgs caería a 4,0 V o incluso menos. Entonces, el voltaje en el motor habría aumentado en 0.5 V más o menos.

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Un par de otras cosas a tener en cuenta:

• Su FET parece estar diseñado para operar alrededor de 100 A (según lo que dan las curvas típicas en la hoja de datos). Lo está utilizando en algún lugar por debajo de 5 A (ya que esa es la clasificación de su fuente de alimentación). Es posible que las características de este amplificador operacional no estén muy bien controladas en este nivel de corriente "muy bajo".

• Su FET está ardiendo en algún lugar cercano a V _ds * I _d = 3.5 * 5 = 15 W de potencia. En un paquete TO-220 sin disipador de calor, el FET probablemente se esté calentando considerablemente . El FET está clasificado para una operación de 100 A, pero probablemente esté diseñado para usarse con pulsos de ciclo de trabajo bajo.

• El uA741 no es un amplificador operacional de riel a riel. La razón por la que está viendo 9.5 V en la puerta del FET en lugar de 10 V es probablemente porque ha llevado el amplificador operacional a la saturación. Si el amplificador operacional se está calentando durante la operación, el voltaje de saturación podría estar cambiando y esto también contribuiría a la deriva en el voltaje de la fuente del FET.

EDITAR Leí mal el circuito (veo una ganancia de unidad), así que ahora que mi vista/cerebro está despejado (D'oh), solo haré la recomendación sobre el cambio del circuito de retroalimentación: -

Un mejor circuito para mantener 5 V en el motor es tomar el nodo de retroalimentación para el amplificador operacional directamente en la fuente del FET en lugar de la salida del amplificador operacional. Esto asegurará que la fuente obtenga 5 V y que Vgs (umbral) sea contrarrestado por la salida del amplificador operacional aumentando para superarlo. No es necesario tener R3, y R4 puede cortocircuitarse. Esto mantendrá 5V en la fuente del FET.

Gracias a @ThePhoton y al OP por señalar mi ineptitud visual/cerebral. Al leer más comentarios, es probable que para reducir la disipación de energía, se requiera algún tipo de PWM.

¿Cómo estás midiendo el voltaje? ¿Con un medidor de voltaje? Recuerde que los motores son sumideros de corriente intermitentes y, por lo tanto, el voltaje promedio que ve un multímetro es diferente del voltaje instantáneo real. Si observa el voltaje en un osciloscopio, puede ver lo que realmente está sucediendo.

Supongo que está viendo un aumento de voltaje porque el período de conducción del motor cambia a medida que el motor se acelera.

Finalmente, no es el voltaje lo que mata un motor, sino la corriente. Si puede mantener la corriente limitada, puede inyectar muchos voltios en un motor sin sobrecalentarlo y obtener una respuesta algo más rápida/una mejor curva de par, aunque el par máximo seguirá siendo el mismo, porque eso está determinado por la resistencia de conducción constante.

También es posible que desee reducir la fuerza contraelectromagnética añadiendo un diodo y un pequeño condensador en el motor.

Si tiene un microcontrolador, debe controlar el motor con PWM, lo que le permite controlar la corriente según el ciclo de trabajo del PWM. Si absolutamente no puede hacer esto con el microcontrolador, entonces quizás controle la puerta del MOSFET con un temporizador 555 en lugar de un opamp. Los MOSFET no están destinados a proporcionar una regulación de voltaje lineal; se sobrecalentarán fácilmente y morirán si no tiene mucho cuidado cuando los usa en la región lineal. Los MOSFET generalmente están diseñados para encenderse y apagarse completamente, estilo PWM.

Finalmente, parece que está usando un MOSFET de canal N como interruptor lateral alto. Para que esto funcione bien (para encender el MOSFET por completo), debe proporcionar un voltaje más alto en la puerta que el que ve el MOSFET en la fuente. Cuando la carga está por debajo de la fuente, la carga aumentará el voltaje de la fuente y, por lo tanto, aumentará el voltaje de puerta requerido. Esto crea un bucle de retroalimentación en el que el MOSFET permanecerá en la zona de conducción lineal en lugar de activarse o desactivarse. En su lugar, pondría el motor sobre el MOSFET.

Respondiendo únicamente a la pregunta del regulador de voltaje agregada en la " EDICIÓN POSTERIOR " de la pregunta:

Si bien un regulador de voltaje lineal 78xx es quizás el más simple de implementar además de 6 diodos de silicio, por ejemplo, 1n4007, en serie, en cualquier enfoque de caída de voltaje lineal, el exceso de voltaje multiplicado por la corriente a través del mecanismo de regulación se traduce en calor en Watts.

En su lugar, considere un regulador de conmutación CC-CC (regulador reductor) para regular el voltaje a 7,5 u 8 voltios, y el problema del calor desaparece. La eficiencia típica del regulador reductor oscila entre el 80 % y el 95 %.

Traducción : el calor máximo generado es mucho más bajo que cualquier enfoque de regulación lineal.

• Para esta aplicación, un módulo regulador ajustable DC-DC de bajo costo de eBay como este ( $ 1.32, incluido el envío internacional gratuito ) serviría para este propósito. No necesita disipador de calor.

• Si el espacio de la placa o el diseño de la PCB es un problema, una opción sería un reemplazo directo del regulador de conmutación para el regulador lineal 78xx. Este regulador de conmutación de voltaje fijo de 6,5 voltios y 1,5 amperios ( $10,73 + gastos de envío ) aparece en una búsqueda superficial. Habría otros más cerca del voltaje objetivo. Una vez más, no se necesita disipador de calor.

• Otra opción es el regulador reductor PTN78000W de Texas Instruments , quizás más eficiente que cualquiera de las otras opciones anteriores, por lo tanto, con un problema de calor aún menor. Puede intentar solicitar una muestra gratis para ver si sirve para su propósito.