[問題] 電池輸出控制電路, mosfet 無法完全關閉?

angp

請教各位先進,
   
    以下是我參考網路上許多電路所組成的, 主要想用在風力發電機對12V汽車電池的充電上
目的是希望當電池電壓低於 11V時, 會關掉負載(20W的探照燈)並鎖住, 除非等到電池電壓
高於 12.3V後再開啟負載, 以避免在臨界電壓附近時, 會反覆開關負載, 損壞電池及設備.

    這電路在跑模擬時, 的確有依照原先設計的方式在控制開關, 但等我實際用麵包板去搭
測試電路時, 卻發現當電池電壓低於11V時, 雖然探照燈熄了, 但實際上 mosfet 還有2A的電流
流過, 用電錶去量 mosfet 的 VDS 也還有近6V的電壓,  整個 mosfet 燙到不行, 一直到電池
消秏到剩10V時, 這時 mosfet 才會突然關閉, 完全量不到電流及電壓.

   我有在猜想會不會LM393輸出 6.17V時, 沒法讓 BS170 處於飽和區, 可是看過 Datasheet,
6V應該是足夠的,  

   當電池低於11V 探照燈被關閉, 而mosfet 還在開啟時, 如果用電錶去量 IRF1010E 的 VGS ,
當探針一碰到 mosfet 的pin腳時,  會導致探照燈又重新被開啟,  mosfet 的VDS 又變成0V,
所以無法量到 當下的 VGS 電壓.

原設計LM393 ,
當輸入電壓高於 12.3V後, 輸出為0v,
直到輸入電壓小於 11V 時, 輸出 6.17v,
當輸入電壓再回到 12.3v, 再輸出為 0v

然後利用一個小 n-ch mosfet (BS170) 反相 LM393 的輸出去控制 IRF1010E(n-ch mosfet)
來開關負載.

    我知道跑模擬與實際電路會有不小的差距, 但因小弟是初學者, 只會把人家的範例電路
兜在一起, 若像這樣出問題時, 完全不知道該如何去修正, 還請同好先進能指點一下方向, 謝謝!

ciko.ciko

先改用LM358試試.原LM393輸出為Open collector.

scottwang

你現在要檢測兩個電壓點,但是只有一個輸入檢測點,是否要改為兩個比較器.檢測兩個電壓11V,12.3V,LM393為OC型比較器,把兩個輸出點接在一起.
BS170那一級不要接,直接把比較器的輸出接到R12,R28的共同接點.
原來比較器的輸入之22K改為一K,180K拿掉不要接.
TL431不用接,直接以分壓的方式,定出兩個偵測電壓11V,12.3V,比較器的另兩個輸入端接在一起,再接1K電阻後接到電池端.

fix2010

可能是比较器在临界翻转电压区翻转不干脆，导致MosFET处于半导通状态，导致发热严重。楼主还不如用个555时基电路IC解决你的问题。

ysc

ciko.ciko 發表於 2013-1-4 05:35 PM static/image/common/back.gif
先改用LM358試試.原LM393輸出為Open collector.

沒錯，問題出在這裡，LM393是OC輸出，高電位時只是讓輸出對地斷開，並沒有輸出電壓，先加上一顆PULL UP電阻試試看。

winrar070

1.最主要是LM393是開及級設計,
所以驅動MOS的電壓,是由R1.R2.R3供應
所以電壓足夠,但驅動電流不足
導致Q6無法進入飽和區,Q3就無法進入截止區
2.您要的功能需要用到兩個比較其才能達到
所以你還要修改電路才行

angp

感謝各位回覆, 參考大多人的建議, 先改用 LM358 試試看, 因為手上剛好沒有LM358, 所以拖到昨晚才換上
LM358來試試看,

先從模擬的結果看來, LM358 與 LM393 的輸出有些不一樣, LM393的輸出固定是 0V與 6.17V,  而LM358
則會隨著輸入的電壓, 而跟著改變,  因此正回饋回去後, 也會提高高電壓的比對值, 把比對的電壓範圍拉高,

以實際電路測試時, 的確也發現切換的電壓範圍由原先的 11v ~ 12.3v 提高至 11.6v - 13.8v,
但當電壓低至 11.6v時, 探照燈被關閉, 可是仍然有近 1A的電流流過 MOSFET IRE1010E,
之後電流隨電池電壓逐漸下降, 直到電池消耗至10.8v時, 才完全關閉無電流....

不知道有什麼地方是我弄錯了, 還請大家不吝再指教, 謝謝!

TO: scottwang 兄
>你現在要檢測兩個電壓點,但是只有一個輸入檢測點,是否要改為兩個比較器.
>檢測兩個電壓11V,12.3V,LM393為OC型比較器,把兩個輸出點接在一起.

一開始我也是想以兩個比較器來實作, 使用RS觸發器來控制, 但一直設計不出我想要的功能,
我希望電池電壓低於 11V時關閉負載, 但一旦關閉負載後, 就得等到電池電壓回到 12.3V後,
才重新開啟負載, 這期間時只要電池電壓不低於11V仍持續供電, 除非降到11V才關閉負載.
找來找去, 最後發現斯密特電路可以達到我需要的功能, 最後才採用現在這個方案.

>TL431不用接, 直接以分壓的方式,定出兩個偵測電壓11V,12.3V,比較器的另兩個輸入端接在一起
這邊也是我一直有困擾的地方, 因為電池電壓一直在改變, 如果以分壓的方式來定出偵測電壓的話,
事實上這兩個偵測電壓會隨著電池電壓而不斷改變, 無法準確達到我希望的 11V及 12.V,
因此最後才找到 TL431 來輸出固定的電壓.

TO: fix2010 兄
>樓主還不如用個555時基電路IC解決你的問題
其實我也有試過 555 :)  但如同我上面的解釋, 最主要無法達到電遲滯(Hysteresis)的效果--
低於11V後關閉負載, 直到高於12.3V後才開啟負載, 一旦開啟負載後, 除非再次低於11V, 否則就持續供電.

TO: ysc
>沒錯，問題出在這裡，LM393是OC輸出，高電位時只是讓輸出對地斷開，並沒有輸出電壓，先加上一顆PULL UP電 ...

有看到大家建議在LM393輸出接一個上拉電阻, 可是因為現在為了使用反相斯密特電路來達到電遲滯的效果,
所以已經把LM393的輸出正回饋到原來的輸入腳, 所以不知道該如何再加上這個上拉電阻, 有試著直接加上一顆電阻拉VCC,
但不僅原來的高電壓值被改變, 而且似乎沒能原先這個解決問題.

TO: winrar070
>1.最主要是LM393是開及級設計,所以驅動MOS的電壓,是由R1.R2.R3供應所以電壓足夠,
>但驅動電流不足,導致Q6無法進入飽和區,Q3就無法進入截止區

驅動電流不足? 我一直以為 mos 跟電晶體的不同, 只要電壓夠就可以驅動 ...Orz
R1,R2,R3 之所以選現在這些阻值, 就是想把耗電電流降到最低, 因為當電池降至11V關閉負載後,
表示電池已降至低點,  短時間內可能無法充電, 如果這個電路耗電太多, 時間一長, 就可能損壞電
池.
嗯, 我會試著調整阻值, 拉高驅動電流試試看, 若者 winrar070 兄有更好的建議?

>2.您要的功能需要用到兩個比較其才能達到, 所以你還要修改電路才行
我也覺得使用2個比較器會使電路比較單純.. :)  但不知道該怎麼合併這兩個比較器的輸出來達到電遲滯的效果,
感覺應該可以配合RS正反器來用, 但有面臨到啟動電壓於 Vin<11V,  12.3v>Vin>11v,  Vin>12.3v  等3種狀況時,
一直無法獲得正確的結果, 所以最後才放棄改用 斯密特觸發器.
我有看到 winrar070 兄你的私訊, 只是檔案無權限下載, 我已回覆, 再麻煩你看一下, 謝謝!


  以上, 謝謝大家的回覆, 只是問題還沒能解決, 希望大家能繼續給予建議, 感謝!  ^_^

skyboat0520

網路搜來的電路，分析一下適用否？
Low Battery Voltage Cutout Circuits
(CIRCUIT - B -)

如果想以 MOSFET 取代 Relay，以下連結文章內找看看，或利用 Goolge 再試手氣！

Fairchild AN1030 - Design with MOSFET Load Switch
NE555 Low Voltage Battery Disconnect Circuit

e88885

版大，這是用哪一種模擬軟體?n_079|

ysc

angp 發表於 2013-1-6 03:44 PM static/image/common/back.gif
感謝各位回覆, 參考大多人的建議, 先改用 LM358 試試看, 因為手上剛好沒有LM358, 所以拖到昨晚才換上
LM358 ...

這是LM393的內部電路，輸出只有一顆對地的NPN電晶體而已，
輸出HI時只有電晶體OFF並無法輸出電壓。

而您那疏密特正回授，必須建立在OP輸出有電壓才有意義，
模擬時MOS G極得到的電壓(6點多V)其實是從TL431穩壓再經
R1,R2提供的。

LM393輸出加個2.2K電阻到電源(PIN 8)，或是換成OP比較好，
先將已知有問題的地方排除，再抓其他問題比較容易。

scottwang

把我前面所說的再看一次,若改為控制電源,不要控制負載.MOSFET改為P型的,你先想想可以怎麼做.

angp

謝謝各位寶貴的意見,  因小弟是上班族, 工作不是這領域的東西,
多只能利用回家後的時間才能測試及實驗,  所以回信時間晚了, 還請見諒...

skyboat0520 發表於 2013-1-6 10:00 PM
網路搜來的電路，分析一下適用否？
Low Battery Voltage Cutout Circuits
(CIRCUIT - B -)

謝謝 飛船老師提供的指點
看起來跟我的需求是一樣的 , 因為繼電器不好擺到麵包板上測試,
所以我先用模擬器跑了一下(如下),  原文章是以可變電阻R2來調整低電壓, R5來調整Hysteresis,
但我調整了老半天, 卻調不出我要的 11V~12.3V
不知道是不是我誤會了 R5 的接法??  
等週末我用萬用板接一個繼電器再實際搭電路來測試看看.

e88885 發表於 2013-1-6 10:32 PM
版大，這是用哪一種模擬軟體?

這是使用 Proteus 7.0 裡的電路模擬軟體, 個人覺得還不錯用, 尤其對類似我這種初學者來說,
可以任意去搭人家的電路來學習, 可以節省很多時間, 而且最重要的是, 它裡面的零件很豐富,
你可以找很多替代零件來用, 至少先試過了, 電路能跑了 , 再去找真正的零件來接上.
不過, 使用這種模擬軟體, 自已要很清楚, 模擬跑得是理論值, 很多時候模擬可以跑, 不代表
真的電路就不會有錯, 像我這個案例就是如此...

ysc 發表於 2013-1-6 10:51 PM
這是LM393的內部電路，輸出只有一顆對地的NPN電晶體而已，
輸出HI時只有電晶體OFF並無法輸出電壓。

謝謝 ysc 兄提供的內部電路圖, 其實我之前也有看過這張圖,
只是我一直以為R1, R2 已經有上拉電阻的效果,  再加上這兩個電阻是作為 施密特正回授電壓的設定值,
所以就不知道怎麼去改原始的設計了.

而您那疏密特正回授，必須建立在OP輸出有電壓才有意義，
模擬時MOS G極得到的電壓(6點多V)其實是從TL431穩壓再經
R1,R2提供的。

我都一直以為 LM393 輸出的6.17v 是從 +輸入來的... Orz
我先在 LM393 輸出拉一個 2.2K 電阻到VCC 看看, 看有什麼變化再回報,

scottwang 發表於 2013-1-7 12:03 AM
把我前面所說的再看一次,若改為控制電源,不要控制負載.MOSFET改為P型的,你先想想可以怎麼做. ...

謝謝版主的建議, 不過, 我不太清楚所謂控制電源要如何作? 控制負載不就是控制負載的電源嗎??
一開始我也有找到 P型 mos 的電路圖，也嘗試使用P型mos 來設計電路, 但我的問題在於我不知道怎麼
去實作出自鎖的電路, 可以在同一個控制電路裡達到電壓反轉後Hysteresis的效果,  從找到的資料看起來,
RS觸發器或施密特電路應該都可以達到這功能, 但實作時就總是差了那麼一點, 而無法順利完成..

再次謝謝大家的指導,  我會再繼續努力的...

angp

承蒙 winrar070 兄這幾天的熱心幫忙, 利用原來的零件幫忙修改設計新的電路圖,
在徵得他的同意下, 我把這幾天與他討論這電路圖的修改過程及測試結果整理後貼出來,  
雖然電路尚未全部完成, 且對一般稍有基礎的同好可能不覺得有什麼特別的地方,
但我想對像類似我這種的初學者應該有可以學習的地方.

在此要再次謝謝 winrar070 兄的幫忙, 也謝謝這論壇的存在, 讓我們這些非本科系出身
的人, 都有機會踏入這有趣的世界...

以下為第一版的電路圖


先用模擬器畫進去跑跑看, 底下是測試的結果
(P1->6, .輸入電壓 11V->14V->8V)
依照模擬結果
1. 一開始 TL431  輸出固定在 5V, LM393B的 + 輸入從 5.8v 緩慢上升, 輸出則從6.5v緩慢上升,
2. 當輸入電壓升至 12.3v後, TL431 輸出變為2.7v, LM393B +輸入及輸出皆降為 0v  , 負載開啟
3. 輸入電壓持續升高至14V, TL431 輸出從 2.7v 逐漸上升3.0v, LM393B +輸入及輸出仍為 0v,
4. 輸入電壓從14V降至8V, TL431 輸出從 3.0v 降至 1.72v, LM393B +輸入及輸出仍為 0v, 負載仍持續開啟.

p1_初始電壓11.4v_未開啟負載

p2_電壓升至12.3v後ˍ開啟負載

p3_電壓升至13.9vˍ負載持續開啟

p4_電壓降至11.2vˍ負載持續開啟

p5_電壓降至9.9vˍ負載未關閉

p6_電壓降至8.0vˍ負載仍未關閉


在以上的電路中, 發現 TL431  的輸出電壓會改變, 問過  winrar070 兄, 這好像不太對,  理論上應該不會變才對.
後來在電路裡加了電流表去監看，發現TL431的電流原本還有 2ma 左右, 可是等輸入電壓大於 12.3V後,
TL431的電流就降至0了,

記得之前在看 TL431 的 datasheet 時, 裡面有說明, TL431 的驅動電流需要大於 1ma, 小於 500ma

試著把TL431前面那顆R3電阻由 3K3 降為1K, 加大電流, 就發現TL431 的輸出電壓可以固定在 5V了...
整個模擬動作就可以順利在  12.3V與11V之間開關負載了...

不過實際搭了第一版的電路來測試, 先用可調式電源供應器供電, 但發現一樣有 mos 無法完全關閉的問題,
殘念.....   革命尚未成功, 繼續努力.....

angp

winrar070 兄針對第一版的問題, 很快地又更新了第二版電路圖, 主要修改了 1n4148 的位置(如下圖)


在收到電路圖後, 我重新建了新電路圖的模擬電路,
測試結果請看下(P1~P3, 輸入電壓: 11V->14V->8V)

第一次執行時, 負載立刻被開啟, 之後不管電壓如何變化, 都維持負載開啟的狀況,
但有了上次的經驗, 猜想可能也是 TL431 驅動電流不足的關係, 於是同樣將R3的阻值由 3k3 改為 1k,
果然就恢復正常, 能順利在輸入電壓12.3V與 11V之間開關負載,

P1_初始電壓11V_未開啟負載

P2_電壓升至12.3V後, 開啟負載

P3_電壓降至11v後_關閉負載


重新搭了第二版的電路, 先用電源供應器供電, 讚, 成功地完全關閉 mos,  
但可能是因為電阻阻值精度的問題,  負載開關的電壓 range 變為 11.8v~12.7v
(這個是小事, 之後可以再找精度高的電阻來替換 :)

接著改接電池並串上充電器(充電電流約600ma)來實測,
啟始電壓為 13.3v, 探照燈開啟,
等到電壓降到11.8v後,探照燈順利被關閉, mos 的電流也降至0, 表示完全關閉,
用手觸摸, mos 是冰冷的, 此時電池沒有輸出只由充電器在充電,

等過了好一陣子, 終於充至12.7v, 探照燈再度被開啟, 初步測試很OK, 該電路運作正常.

後來就擺著想說讓它跑幾次來回試試看,
過了一段時間再去觀察時, 當時負載是關閉的, mos 電流也是0,
但不經意卻發現 mos 有些微燙, 不知道在什麼狀況下, 又讓 mos 發熱了, 因為當時有點晚了, 沒法繼續測下去,
所以還不確定什麼問題.

真的很謝謝 winrar070 兄提供的電路圖, 讓我有機會學習到雙比較器的用法... ^_^
感覺應該快要成功了, 好像就只差一點了, 繼續加油... :)

winrar070

這麼快就上傳拉
目前測試還沒看到關不掉情況
倒是電池容量大,放電一輪要很久.......
小弟目前用IRF840+IRFZ44
IRFZ44導通時VDS=0.2-0.4V
電流約2-3安培(4毆姆20W水泥電阻)

測試到目前,MOS驅動線路有稍微變動一下,應該不會出現關不掉情況

發現到LM393    V+與V-壓差要達到0.5V以上才會改變狀態
在0.5V以內,輸出會慢慢轉變,可能是這個原因導致MOS發熱

angp

謝謝 winrar070 兄仍持續幫忙修改電路圖

我繼續把這段時間有閞這電路圖的測試及修改貼出來, 留個註記, 讓大家可以參考看看.

我對這電路的測試流程:
1.先將 12V7AH的電池充飽電池至13V, 再接上測試電路, 讓電池消耗至11V以下,
2.等確定電路將負載關閉後, 接上充電器(充電電流600ma), 以測試電路在電池電壓升至12.3V時, 會不會將負載打開,
因為探照燈為20W, 耗電電電流達2.5A, 所以即使接著充電器, 因為充電電流只有600ma,
所以沒多久後電池又會消耗到11V以下.

對第二版電路圖多測試幾次後發現, 當負載關閉後, 若沒有完全關閉時,
此時散熱片不止微溫, 而是有點燙了, 我去測試電流時, 發現 mos IRF1010E 的電流大概1A~0.5A左右,
而它的 VDS的電壓大概10V~6V左右, 而VGS則有近4V,  
另一顆BS170的VGS則有1V左右?? ( 這真的很奇怪, 輸出應該為0V才對, 為什麼這時候會量到電壓了?)

來回測試了好多次發現, 剛開始的時候都能順利完全的開關負載,
但都是在幾次以後才會發生這種MOS不完全關閉的狀況.

自己隨便亂猜是不是可能因為電池的電壓特性所造成的.
因為當電池電壓降至11V時, 電路將負載關閉的那一瞬間, 因為負載突然消失, 會使得電池電壓
上升至11.6V左右, 如果此時有接上充電器的話, 甚至可能被拉回到11.8V,
這時雖然還不到12.3V的門檻, 但MOS就因此導通了一點點??

針對這個現象有繼續去測試, 發現如果電池初始電壓是11.3V~11.8V時, 就容易會造成
這種mos不完全關閉的狀況, 但如果以電源供應器提供相同的初始電壓來測試的話, 則完全
沒有任何問題...   不過倒是發現, 如果以電源供應器來供電時, 啟始電壓在11.8V時, 一接上
電源就會打開負載, 不會等輸入電壓升至12.3V.

如果在正常開啟 mos 時, 量到的VDS幾乎是0V, 除非是那種mos不完全關上時,  VDS才會量到電壓
對這兩顆 mos 的VGS 與VDS的電壓關係,  雖然 datasheet 裡有曲線圖, 不過, 我覺得還是實際作個
小電路來量一下看是不是跟 datasheet 吻合.

我搭了一個小電路, 使用電源供應該提供 0~12V ,
輸入電壓由一顆10K電阻及一顆10K可變電阻分壓而來,
可變電阻在下方接地, 電源供應器輸出0V~12V, 分壓可輸出 0V~6V, 接至 mos 的 G 腳.
mos 在 D 腳之前接一顆LED 並串一顆220R電阻到 VCC, mos 的  S 腳直接接地.

測試結果如下:
BS170  
VGS  VDS
--------------------------------------------------------
1.8V   10.5V    MOS未導通 , LED 完全暗
1.9V   10V    MOS開始導通, LED 微微弱亮
2.6V    5V
2.7V    3V
2.77v  1.5V
2.79v  1V
-----------------------
2.8v     650mv   飽和, LED 電流 340ma
2.85v   450mv
2.9v     270mv
3.0v     190mv
3.2v     150mv
3.7v      100mv
6.2v       60mv   LED 電流依然是 340ma

================================
IRF1010E
VGS     VDS
0v       10.44v   未導通, LED完全暗
2v       10.39V
3V       10.32v
3.2v     10.28v
---------------------------------
3.3v     10.22v  開始導通, LED微微亮
3.5v     10v
3.6v     9.8v
3.7v     9.3v
3.8v     8.3v
3.9v     5.8v
4.0v     2.5v
4.02v   1.1v
--------------------------------
4.05v    400mv  飽和, LED 電流 340ma
4.08v    200mv
4.1v      130mv
4.2v       30mv
4.3v       15mv
4.4v        9mv
4.5v        6mv
4.6v        4mv
4.7v        3mv
4.8v        2mv
4.9v       1.6mv
5.0v        1.3mv    LED 電流依然為 340ma

試著與 datasheet 比較, 嗯,  不太肯定到底有沒有問題... Orz  

待續.......