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

Sehen Sie sich diese Kennlinien aus dem IRF1404-Datenblatt an:

Ich vermute nur als Beispiel, dass Ihr Motorbetriebsstrom ungefähr 10 A beträgt. Wenn Sie ihn zum ersten Mal einschalten, fungiert Q3 als Quellenfolger, und der Abfall Vgs beträgt ungefähr 4,5 V. Nach a während sich der FET erwärmt und die Vgs, die erforderlich sind, um 10 A durch den Motor aufrechtzuerhalten, etwas abfallen ... Wenn die FET-Sperrschichttemperatur auf 175 ° C ansteigen würde, wären wir jetzt von der veröffentlichten Kurve entfernt, aber wir können uns vorstellen, dass die Vgs würde auf 4,0 V oder noch niedriger fallen. Die Spannung am Motor hätte sich also um etwa 0,5 V erhöht.

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Einige andere Dinge, auf die Sie achten sollten:

• Ihr FET scheint für einen Betrieb um 100 A ausgelegt zu sein (basierend auf den typischen Daten 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 gesteuert werden.

• Ihr FET brennt irgendwo in der Nähe von V ds sub> * I _{d sub> = 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, ist jedoch wahrscheinlich für die Verwendung mit Impulsen mit niedrigem Tastverhältnis vorgesehen.}

• Der uA741 ist kein Rail-to-Rail-Operationsverstärker. Der Grund, warum Sie 9,5 V am Gate des FET anstelle von 10 V sehen, ist wahrscheinlich, dass Sie den Operationsverstärker auf Sättigung gebracht haben. Wenn sich der Operationsverstärker während des Betriebs aufheizt, kann sich die Sättigungsspannung ändern, und dies würde auch zur Drift der Quellenspannung des FET beitragen.

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 verwenden. Dies stellt dann sicher, dass die Quelle 5 V erhält und Vgs (Schwelle) dann durch den ansteigenden Operationsverstärkerausgang entgegengewirkt wird, um ihn zu überwinden. R3 muss nicht vorhanden sein, und R4 kann kurzgeschlossen werden. Dadurch bleiben 5 V an der Quelle des FET erhalten.

Vielen Dank 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 PWM erforderlich ist.

Wie messen Sie die Spannung? Mit einem 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 an einem Oszilloskop ansehen, können Sie sehen, was wirklich vor sich geht.

Ich vermute, dass die Spannung ansteigt, weil sich die Motorleitungsdauer 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 drücken, ohne ihn zu überhitzen, und eine etwas schnellere Reaktion / bessere Drehmomentkurve erhalten, obwohl das obere Drehmoment immer noch das gleiche ist, da dies durch den konstanten Leitungswiderstand bestimmt wird.

Möglicherweise möchten Sie auch die Gegen-EMK reduzieren, indem Sie eine Diode und einen kleinen Kondensator über den Motor legen.

Wenn Sie einen Mikrocontroller haben, sollten Sie den Motor mit PWM betreiben, was dies ermöglicht Sie steuern den Strom basierend auf dem Arbeitszyklus der PWM. 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 sollen keine lineare Spannungsregelung bereitstellen; Sie werden leicht überhitzt und sterben ab, 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 ausgeschaltet werden.

Schließlich scheint es, 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 Quelle sieht. Wenn sich die Last unter der Quelle befindet, erhöht die Last die Spannung der Quelle und erhöht somit die erforderliche Gate-Spannung. Dies erzeugt eine Rückkopplungsschleife, in der der MOSFET in der linearen Leitungszone bleibt, anstatt ein- / ausgeschaltet zu werden. Ich würde stattdessen den Motor über dem MOSFET platzieren.

Um Ihre Schaltung noch einmal zu verbessern: 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 verwenden und viel Strom bei hoher Spannung in das MOSFET-Gatter leiten, um sicherzustellen, dass er vollständig ein- oder ausgeschaltet ist.

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

Nur auf die Frage nach dem Spannungsregler antworten, die in der " LATER EDIT " der Frage hinzugefügt wurde:

Während ein linearer 78xx-Spannungsregler möglicherweise am einfachsten zu implementieren ist, außer etwa 6 Siliziumdioden, 1n4007, zum Beispiel in Reihe, bei einem solchen linearen Spannungsabfallansatz wird die überschüssige Spannung mal dem Strom durch den Regelungsmechanismus in Wärme in Watt umgewandelt.

Betrachten Sie stattdessen eine DC-DC-Schaltung Regler (Buck-Regler) zum Regulieren der Spannung auf 7,5 oder 8 Volt, und das Wärmeproblem verschwindet so gut wie. Der typische Wirkungsgrad des Buck-Reglers liegt zwischen 80% und 95%.

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