Использование Mosfet и P-против N-канала

Я пытаюсь использовать Arduino для включения/отключения соленоида 12 В. Я использовал H-мост, и все заработало. Затем я решил упростить ситуацию и использовать одиночный мосфет вместо многоканального H-моста и сильно запутался. Я пытаюсь понять, как правильно использовать P-канальный (или N-канальный) MOSFET в этой настройке, и наткнулся на этот образец схемы в Google:

образец схемы

Почему задействован еще один транзистор (2N3904) и почему на нагрузке стоит диод?

Я понимаю, что P-канал активируется, когда В г а т е поднимается высоко (выше В с о ты р с е + В г р а я н ), отсюда и подтяжка, но зачем лишний транзистор? Разве MCU (в данном случае PIC) не должен делать то же самое?

Кроме того, в сценарии, когда все, что я делаю, это включаю или выключаю нагрузку (например, мой соленоид), есть ли причина использовать N-канал вместо P-канала?

Я новичок в этом - какое программное обеспечение вы используете для создания этих изображений?
просто гуглил про мосфеты
Используемое программное обеспечение, скорее всего, Proteus.

Ответы (5)

Сравните действия P- и N-канального МОП-транзистора в вашей схеме.

(Я оставил соединительный транзистор для облегчения сравнения.)

введите описание изображения здесь

Выход PIC не любит быть подключенным к 12 В, поэтому транзистор действует как буфер или переключатель уровня. Любой выходной сигнал от PIC, превышающий 0,6 В, включит транзистор.

P-КАНАЛЬНЫЙ МОП-транзистор . (Нагрузка подключена между стоком и землей)

Когда на выходе PIC низкий уровень, транзистор закрыт, а на затворе P MOSFET высокий уровень (12 В). Это означает, что P MOSFET выключен.

Когда на выходе ПОС высокий уровень, транзистор включается и переводит затвор МОП-транзистора в низкий уровень. Это включает МОП-транзистор, и ток будет течь через нагрузку.

N-КАНАЛЬНЫЙ МОП-транзистор . (Нагрузка подключена между стоком и +12 В)

Когда на выходе PIC низкий уровень, транзистор закрыт, а на затворе N MOSFET высокий уровень (12 В). Это означает, что N MOSFET включен, и ток будет течь через нагрузку.

Когда на выходе ПОС высокий уровень, транзистор включается и переводит затвор МОП-транзистора в низкий уровень. Это выключает МОП-транзистор.

Схема «улучшенного» МОП-транзистора .

Мы могли бы отказаться от транзистора, используя цифровой МОП-транзистор типа N - для работы ему нужен только сигнал 0-5 В с выхода PIC, и он изолирует выходной контакт PIC от источника питания 12 В.

введите описание изображения здесь

Когда на выходе PIC ВЫСОКИЙ, МОП-транзистор включается, когда он НИЗКИЙ, МОП-транзистор выключается. Это точно так же, как исходная схема P MOSFET. Последовательный резистор был уменьшен, чтобы облегчить время включения и выключения за счет более быстрой зарядки или разрядки емкости затвора.

Выбор устройства в основном зависит от ваших конструктивных потребностей, хотя в этом случае цифровой полевой МОП-транзистор типа N выигрывает в простоте.

В «улучшенной» схеме не должен ли быть резистор между затвором и землей, чтобы гарантировать, что полевой транзистор снова станет низким после того, как микроконтроллер вернет напряжение к 0?
@captcha Выходной контакт изображения эффективно заземляет затвор через резистор 100 Ом и отключает полевой МОП-транзистор. Добавление дополнительного резистора не дало бы никакого эффекта.
Вау, это отличная новость, так как я всегда включал этот резистор в свои разработки микроконтроллеров. Когда пространство в большом почете, каждый бит помогает. Спасибо!
Полевые транзисторы с каналом P имеют более высокое сопротивление в открытом состоянии из-за меньшей подвижности отверстий.
@JImDearden - (Пожалуйста, имейте в виду, что я новичок и пытаюсь извлечь из этого уроки) Резистор на 100 Ом устраняет то, что называется «утечкой» тока и напряжения? Как вы выбрали значение?
@diegoreymendez Нет. Затвор-исток фактически представляет собой «конденсатор», поэтому небольшой последовательный резистор (в данном случае 100 Ом) ограничивает начальный ток зарядки / разрядки от / до выхода pic. Это также предотвращает любые возможные колебания из-за индуктивности в печатной дорожке/соединительном проводе. Игнорируя сопротивление ввода-вывода (которое может увеличить значение резистора), пиковый ток — это простой расчет по закону Ома. 5/100 = 50 мА. После 5 постоянных времени это значение практически равно нулю. Если входная емкость составляет 2000 пФ, постоянная времени = (CR) = 0,2 мкСм. Как и большинство проектных расчетов, это упрощение и компромисс.
Также учтите: (1) порог Vgs MOSFET. Хотите, чтобы он был постоянно включен или выключен. Если он находится в линейной области в течение значительного времени, он будет рассеивать значительное количество энергии и, возможно, поджарится. (2) когда управляющий MCU еще не инициализирован, не запущен и т. д. вывод, управляющий MOSFET, может быть по умолчанию сконфигурирован как вход или иметь три состояния. В этом состоянии вы хотите, чтобы MOSFET был включен или выключен?

Биполярный транзистор присутствует в качестве драйвера для MOSFET. Хотя для постоянного тока МОП-транзисторы имеют очень высокое сопротивление и поэтому выглядят как разомкнутые цепи, на самом деле они емкостные. Чтобы включиться, в них должен быть передан заряд, а для этого требуется быстрый ток.

BJT (и общая конструкция схемы) также дает следующее преимущество: небольшое и предсказуемое напряжение включения. Вы можете заменить туда разные BJT, и поведение будет аналогичным.

Еще одним преимуществом дополнительного транзистора является то, что дополнительный транзисторный каскад имеет усиление по напряжению, что помогает создать более резкий переход от выключения к включению с точки зрения входного сигнала.

Чтобы использовать небольшой положительный сигнал для включения схемы, необходимо использовать NPN-транзистор. Но его выход инвертирован, с нагрузкой на стороне высокого напряжения, поэтому используется полевой МОП-транзистор с каналом P. У этого есть еще одна приятная особенность: нагрузка управляется с положительной стороны и поэтому остается заземленной, когда транзистор закрыт.

Схематическое обозначение МОП-транзистора выглядит как устройство истощения (поскольку канал нарисован сплошным, а не тремя секциями). Вероятно, это просто ошибка. Схема выглядит как заурядная настройка режима улучшения.

P-канальный МОП-транзистор активируется, когда на затворе установлен низкий уровень. Рисуется «вверх ногами». Думайте об этом как об аналоге PNP BJT.

Диод «маховик» замыкает цепь индуктивной нагрузки, когда транзистор/переключатель открывается. Катушка индуктивности пытается удерживать один и тот же ток в одном и том же направлении. Обычно этот ток протекает через петлю транзистора. Когда он резко прерывается, он течет через диодную петлю, так что его направление через нагрузку такое же, и это означает, что он течет через диод в противоположном направлении. Чтобы это продолжение тока произошло, индуктор должен генерировать «обратную ЭДС»: напряжение, направление которого противоположно тому, которое было приложено к нему ранее.

Вы должны добавить 4k7 от ворот к земле, чтобы ваш полевой транзистор не проводил, когда ваш io-pin имеет высокое сопротивление или не подключен. В этом случае простая зарядка от вашей руки может активировать MOSFET, и есть вероятность, что он будет продолжать управлять вашей схемой, даже когда на контакте затвора нет питания.

Когда вы говорите «вы», кого вы имеете в виду: Колосы (ОП) или Джима? Обратите внимание, что схема в OP имеет P-канальный полевой МОП-транзистор (в отличие от N-канального) и подтяжку 10 кОм на затворе. Это подтягивание делает именно то, что вы описываете.

  1. Почему задействован еще один транзистор (2N3904)? - чтобы драйвер затвора не видел импеданс (сопротивление) менее 10кОм. Резистор 10k и BJT на самом деле необязательны, но элегантны, если их добавить. Редактировать: Упс, для правильной работы ШИМ необходимо. он инвертирует цифровой сигнал, необходимый для того, чтобы PNP работал так, как вы хотите. вы все равно можете опустить BJT, если вы можете инвертировать управляющий сигнал перед выходом.

  2. А зачем диод на нагрузке? - потому что индуктивные нагрузки (соленоиды, двигатели и т. д.) вызывают протекание тока в другом направлении после выключения. Поскольку вы используете ШИМ для управления чем-то, он быстро включается и выключается. Вы включаете двигатель, ротор начинает вращаться, выключаете его, ротор продолжает вращаться, а затем действует как генератор, заставляя ток течь в другом направлении. Эта обратная полярность может привести к повреждению компонентов, но сразу же устраняется после добавления диода.

Как тогда реле или соленоид создают это обратное напряжение? Это диод обратного хода, и он предназначен для ограничения индуктивного «удара», который транзистор (BJT или FET) увидит при отключении питания. Простое реверсирование ничего не даст, однако, когда ток отключается, индуктор (типом которого являются двигатели, реле и соленоиды) будет создавать гораздо большее отрицательное напряжение, поскольку он сбрасывает ток. Этот толчок может быть НАМНОГО больше, чем напряжение источника, и это то, что повреждает. См. en.wikipedia.org/wiki/Flyback_diode

Это напрямую связано с теорией МОП-транзисторов. На диаграмме показан МОП-транзистор с истощением, работающий по уравнению Шокли: ID=IDSS(1-VGS/VP)^2. Очевидно, что микроконтроллер работает с выходным напряжением 5 вольт и если использовать его напрямую в качестве напряжения затвора, то нельзя получить максимальный ток от источника питания (12 вольт и выше). Второй транзистор работает как буфер, а также изолятор для этой цели. А по поводу диода: этот диод почти всегда используется для нагрузок, содержащих катушки (как двигатель или реле). Целью является подавление обратного тока, создаваемого катушкой как индуктором. Этот обратный ток может повредить ваш МОП-транзистор.

Позвольте мне объяснить диодную часть: предположим, у нас есть переключатель, подключенный к резистору, а затем к катушке индуктивности (SW-RL->Ground). проблема возникает, когда переключатель размыкается очень быстро, что означает внезапный нулевой ток в цепи, но мы знаем, что катушки индуктивности не допускают внезапного нулевого тока (VL=L di/dt). Это означает, что катушка индуктивности ищет короткий путь для сброса тока, и единственный способ - создать «искру» между головками переключателя. Мы можем увидеть это явление, подключив источник постоянного тока к небольшому двигателю постоянного тока. Мы можем видеть, хотя двигатель не работает с высоким напряжением, но при касании его проводов шнуром питания видны «очень очевидные искры». повреждение транзистора.

Катушки индуктивности не создают «обратный ток». Как раз наоборот: они пытаются удерживать один и тот же ток в одном и том же направлении.
Символ истощения почти наверняка является ошибкой выбора символа. Схема не смещена для работы в режиме обеднения.
Можете ли вы уточнить, что «второй транзистор работает как буфер, а также как изолятор?» более конкретно - почему я не могу просто использовать этот транзистор в качестве «переключателя», зачем мне нужна последовательность из двух из них?
-1: Я не думаю, что когда-либо видел ответ, который был бы настолько подробным, но неправильным почти во всех важных деталях.
@Kaz: Предположим, вы хотите использовать только один транзистор (что означает, что он должен быть N-Mosfet). Давайте рассмотрим реальный пример с IRFxxx N-Channel Enhancement. Я использую этот пример, поскольку такие МОП-транзисторы могут выдавать до 15 ампер для нагрузки. давайте возьмем один с VGS-Threshold = 4 вольта и ID(on)= 14A при 10 вольт. by ID=k(VGS-VGSth)^2 ,Если вы хотите управлять им на 5 вольтах от микро у вас будет только ID = 1,2 А, но при использовании второго транзистора вы управляете напряжением 0-12 вольт с полным диапазоном тока.
@Kaz: подробное объяснение диода добавлено в отредактированную версию этого ответа.
К вашему сведению, я не минусовал ваш ответ.
Использование Mosfet и P-против N-канала
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 2v