p-Kanal-MOSFET-Schalter

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Ich möchte einen MOSFET als Schalter verwenden, der von meinem Mikrocomputer angesteuert wird.

Die ursprüngliche Schaltung mit N-Kanal-MOSFET befindet sich auf der linken Seite. Ehrlich gesagt verstehe ich die Wahl des IRLZ44 nicht. Die Schaltung ist für Arduino ausgelegt, das über eine 5-V-Logik verfügt. Dies bedeutet, dass für GPIO = True = 5 V der MOSFET öffnet und den Strom in die Last einlässt.

Ich habe jedoch zwei Probleme:

Ich benutze Raspberry Pi, der 3.3V Logik hat. Nach den verfügbaren Informationen reichen 3,3 V nicht aus, um den MOSFET vollständig zu öffnen.
Ich möchte, dass meine Last mit Masse verbunden wird (ich musste einige Spannungsmessungen durchführen).

Ich kenne genug Elektronik, um anzunehmen, dass die Verwendung des P-Kanal-MOSFET, wie auf der rechten Seite gezeigt, meine beiden Probleme auf einen Schlag lösen könnte. Für GPIO = False = 0 V ist der MOSFET vollständig geöffnet, während GPIO = True = 3,3 V -1,7 V an das MOSFET-Gate anlegt und es praktisch schließt. Wenn das nicht ausreicht, könnte ich GPIO auch in den Hörmodus versetzen und daher das MOSFET-Gate auf 5V ziehen.

Könnten Sie mir bitte sagen, ob die Idee funktioniert? Und welchen IRLZ44-äquivalenten P-Kanal-MOSFET soll ich verwenden?

mosfet mosfet-driver powermosfet

— Pygmalion
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"MOSFET öffnet und lässt den Strom in die Last" Sie meinen schließt, es ist das Gegenteil von einem Wasserhahn, der Wasser durchlässt.

— Finbarr

Wie viel Strom benötigt Ihre Last? Und wie oft schalten Sie die Last ein oder aus?

— Dirac16

@ dirac16 Der maximale Strom ist sicherlich niedriger als 2 A. Die Ein / Aus-Geschwindigkeit ist irrelevant, sie würde in wenigen Stunden einmal ein- / ausgeschaltet werden.

— Pygmalion

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Zunächst einmal besagen die Regeln der Website, dass keine Empfehlungen für Produkte angefordert werden, daher werde ich dieses Bit überspringen. Lesen Sie einfach die Datenblätter, da dort alles erklärt wird. Wenn ein Datenblatt etwas enthält, das Sie nicht verstehen, stellen Sie bitte eine separate Frage dazu.

Nun zu Ihrem Problem. Nach dem, was ich denke, was Sie versuchen, stellen Sie möglicherweise fest, dass Sie den PMOSFET möglicherweise nicht vollständig umschalten können, oder Sie haben möglicherweise Schwierigkeiten, wenn Sie die Datenblätter nicht richtig verstehen. Was möglicherweise einfacher ist, ist die Verwendung eines MOSFET-Paares, bei dem Sie einen N-Kanal-MOSFET umschalten, um das Gate des P-Kanals wie folgt auf 0 V zu ziehen:

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Ich habe diese Schaltung einige Male ohne Probleme verwendet. Lesen Sie jedoch wie immer die Datenblätter, um sicherzustellen, dass Ihre Komponenten in der Lage sind, das zu tun, was Sie möchten. Sie müssen nicht immer dieselben Komponenten verwenden, wie in Beispielschaltungen gezeigt. Richten Sie Ihre Komponenten nach Ihren eigenen Anforderungen. Beispielschaltungen eignen sich hervorragend, um zu lernen, wie Dinge funktionieren, sind jedoch nicht immer die praktischsten. Wenn Sie Ihre eigene Schaltung anhand eines Beispiels entwerfen möchten, sollten Sie immer Ihre eigenen Anforderungen berücksichtigen und Ihre Komponentenauswahl darauf aufbauen, anstatt nur das zu verwenden, was das Beispiel enthält.

— MCG
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Dieser Ansatz hat auch den Vorteil, dass er unempfindlich gegenüber Versorgungs- und Komponentenschwankungen ist.

— RoyC

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Sie benötigen einen Gate-Widerstand auf M1 ....

— Trevor_G

Danke für die Antwort. Wie ich in meiner Frage erwähnt habe, besteht die Möglichkeit, GPIO in den Hörmodus zu versetzen (sehr hoher Innenwiderstand). Würde das nicht auch ohne die Verwendung eines M1-MOSFET die Gate-Spannung auf 5 V ziehen? Ein weiteres Problem ist die Gate-Source-Schwellenspannung des M2-MOSFET. Laut Datenblatt liegt dieser Wert zwischen -2V und -4V (gefährlich nahe bei -5V). Die AFAIK für IRLZ44-Schwellenspannung beträgt 1 V bis 2 V, und 3,3 V öffnen sie immer noch nicht richtig.

— Pygmalion

@ Trevor_G, gibt es einen Gate-Widerstand an M1?

— MCG

Ich meinte einen Vorwiderstand, ich hätte genauer sein sollen.

— Trevor_G

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Das Problem bei der Verwendung eines High-Side-P-Kanal-MOSFET, der von einem Signal angesteuert wird, das der High-Side-Spannung nicht nahe kommt (weniger als 0,5 Volt), besteht darin, dass die Wahrscheinlichkeit groß ist, dass er noch aktiv zu sein scheint, wenn Sie glauben habe es ausgeschaltet.

Mit einiger Sorgfalt können Sie jedoch eine Zenerdiode in Reihe mit Ihrer 3,3-Volt-GPIO-Ansteuerspannung schalten, damit dies besser funktioniert: -

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Jetzt wird das Gate ausgeschaltet und kann auch auf 2,7 Volt über dem Boden heruntergezogen werden, was bedeutet, dass zwischen Gate und Source 3,3 Volt liegen, und Sie werden hoffentlich sorgfältig einen MOSFET auswählen, der funktioniert. Ich denke, Sie könnten einen Zener von 2,4 Volt wählen, aber Sie beginnen, den Punkt zu erreichen, an dem Leckströme durch den Zener den MOSFET möglicherweise noch aktivieren. Halten Sie R2 niedrig (1 k ish), um dies zu vermeiden.

Alternativ können Sie diese Zwei-Transistor-Schaltung verwenden: -

Wenn die High-Side-Versorgung 15 Volt überschreitet, ist besondere Sorgfalt erforderlich, um Durchbruchspannungen der Gate-Quelle zu vermeiden.

— Andy aka
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Danke für die Antwort. Das Problem ist, dass die Quellenspannung nur 5V beträgt. Der vorgeschlagene MOSFET hat auch eine Schwellenspannung von -2 V bis -4 V, die gefährlich nahe am Maximum von -5 V liegt.

— Pygmalion

@ Pygmalion Die 2. Schaltung, die ich mit der zusätzlichen Schaltung gezeigt habe, funktioniert einwandfrei von unter 5 Volt bis über 15 Volt (mit dem entsprechenden MOSFET). Ich schlage den MOSFET im zweiten Bild nicht vor - es ist ein Beispiel für die Verwendung des BJT, um einen P-Kanal-MOSFET (unter diesen Umständen) richtig einzuschalten.

— Andy aka

Ich mag Ihr Zener-Dioden-Setup sehr, weil es einfach ist, was sehr wichtig ist, wenn Sie nur einfache Haushaltsgeräte auf der Prototyp-Platine ausführen. Bei einem umgekehrten Leckstrom von 50 uA (laut Datenblatt) bedeutet dies, dass die Gate-Spannung (nach meinen Berechnungen) ungefähr 4,95 V betragen sollte, was vernünftig erscheint. Ich habe bereits einen MOSFET NDP6020P bestellt und wenn ich alles zusammen habe, werde ich über das Ergebnis berichten.

— Pygmalion

Persönlich mag ich es nicht, Vgs zu niedrig zu halten. Die Zener-Lösung ist also nicht das, was ich verwenden würde. Wenn es Platz ist, finden Sie NPNs mit integrierten Widerständen (hier werden sie "digitale NPNs" genannt). Im Fall von SOT23 sind sie gleich oder kleiner als Zenerdioden, und der pMOS wird Ihnen dafür danken, dass Sie ihn nicht "ersticken"

— frarugi87

@ frarugi87 Aber wenn ich einen 5-V-Logik-Mikrocontroller (z. B. Arduino) verwenden würde, würde ich GPIO direkt an das Gate anschließen und den MOSFET noch mehr drosseln. Jeder scheint es zu tun. (zB Antwort auf electronic.stackexchange.com/questions/306243/… )

— Pygmalion

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Hier ist ein anderer Ansatz, der einen N-MOSFET in einer Pegelumsetzerkonfiguration verwendet, die die Polarität des Steuersignals nicht invertiert.

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Sie müssen MOSFETs mit Gate-Schwellenwerten unter 1 V auswählen, M1 muss niedrig Rds-ON sein. M2 kann ein kleines Signalgerät sein.

— Trevor_G
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Ich sah R3 als 10 kOhm, aber es ist Alter, das Sie kennen +1

— Andy aka

Könnten Sie mir raten, wo ich suchen soll? Außer einer niedrigen Gate-Schwelle und niedrigen Rds benötige ich auch einen hohen Strom (mindestens 2A). Das Googeln gab keine nützlichen Informationen. Übrigens, was ist Rds und was sollte der beste Wert dafür sein?

— Pygmalion

@ Pygmalion Besuchen Sie eine allgemeine Vertriebswebsite wie Digikey usw. Sie haben parametrisierte Suchlisten, die Sie verwenden können.

— Trevor_G

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@Pygmalion R_DS (ein) ist der Widerstand von Drain zu Source, während sich der MOSFET im "Ein" -Zustand befindet, normalerweise mit einer angegebenen Gate-Spannung (z. B. V_GS = 10 V wäre eine "herkömmliche" Spannung, 4,5 V werden in "Logik" MOSFET ")"). Dieser Wert in Kombination mit dem Strom, den Sie voraussichtlich durchlassen werden, gibt an, wie viel Strom verbraucht wird und welche Art von Kühlung Sie möglicherweise benötigen.

— Nick T

1

Zunächst wollte dies eher ein Kommentar sein, da es sich nur um einen der Aspekte handelt. Für die Lösung ist die Lösung von Andy aka mit NPN meine bevorzugte (nMOS muss sorgfältig ausgewählt werden, um eine Vgs-th von weniger als 1,5 V zu haben, während alle NPNs funktionieren).

Beachten Sie bei Ihrer Frage zum "Eingangsmodus", dass die rPI-Pins NICHT 5V-tolerant sind. Dies liegt daran, dass sich zwischen dem Eingang und der Stromversorgung eine Parasitendiode befindet. Sie könnten dies theoretisch ignorieren, wenn Sie einen sehr kleinen Strom wie z

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Auf diese Weise erzwingen Sie durch die Parasitendiode einen Strom von (5 V - 3,3 V - 0,3 V) / 100 kOhm = 14 uA, was für den rPI in Ordnung sein sollte. Bitte beachten Sie jedoch, dass die Spannung am Gate in diesem Fall etwas mehr als 3,3 V beträgt (sagen wir 3,6 V).

Folglich ist es besser, wenn Sie einen anderen Transistor verwenden (ich schlage einen NPN vor, wie ihn Andy vorgeschlagen hat), um ihn anzusteuern.

— frarugi87
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In Ihrem Setup würde die Spannung am Gate etwa 3,3 V betragen, was nicht hoch genug ist, um den MOSFET zu schließen. Wäre die Zenerdiodenlösung von Andy Post nicht sicher genug? Der typische Sperrstrom der Zenerdiode beträgt weniger als 50 uA. Aus meiner Sicht einer nicht professionellen Lösung, die besser als Transistoren ist, wird einfach ein Pegelwandler mit 3,3 V zu 5 V verwendet. Ich kenne die Elektronik hinter dem Pegelwandler nicht, muss aber zumindest die mir bekannten Transistoren und Widerstände nicht optimieren fast nichts darüber.

— Pygmalion

Nur zur Verdeutlichung sagen Sie normalerweise, dass ein Stromkreis "geschlossen" ist, wenn der Strom fließt, und "offen", wenn der Strom blockiert ist. Ich gehe davon aus, dass Sie mit "MOS schließen" den Stromfluss unterbinden. Ja, Sie haben Recht, 3,3 V (also 1,6 V Vgs) reichen nicht aus, um den MOS auszuschalten. Aus diesem Grund habe ich gesagt, dass dies nur ein Kommentar zu Ihrer Frage ist, aber vielleicht war nicht klar, dass diese Schaltung KEINE Lösung für Ihr Problem ist. Vielleicht ändere ich den Text, damit dies klarer wird. Auf jeden Fall ist ein 3,3-zu-5-V-Pegelwandler die beste Lösung, aber er ist teurer und größer. Und mit dem NPN [...]

— frarugi87

[...] Lösung, die Sie nicht optimieren müssen (so gut wie alle NPNs arbeiten mit 3,3 V, Sie müssen nur die richtigen Werte für die Widerstände auswählen, aber diese sind nicht kritisch). Ich gehe davon aus, dass Sie den 3,3-V-5-V-Wandler verwenden möchten, um den pMOS mit Strom zu versorgen, und nicht, um die Last anzutreiben (normalerweise können Spannungspegelübersetzer nur sehr wenig Strom

— liefern

Nochmals vielen Dank für die Antwort. Sie denken also, dass die gleiche Wahl von NPN-Transistor und zwei Widerständen, wie in Andy aka Antwort, ausreicht? (Natürlich würde ich den MOSFET auf NDP6020P ändern).

— Pygmalion

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@ Pygmalion Ich denke, Sie können den Wert am pMOS-Gatter auf 10-50 kOhm erhöhen, und das Gleiche gilt für den Wert auf der Basis des NPN. Der Wert ist nicht sehr wichtig (der Wert am Gate dient nur als Pull-up, der Wert an der Basis dient zur Begrenzung des Stroms, solange der Strom größer als 1/10 des Stroms am Kollektor ist ist in Ordnung).

— frarugi87

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Wenn Sie für ein Gerät keine Stromversorgung betreiben, aber versuchen, Daten an ein 5-V-Gerät zu senden, können Sie dies etwas vereinfachen.

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Dies bedeutet natürlich, dass der Pegel "0" 0,6 V und der Pegel "1" 3,3 + 0,6 = 3,9 V beträgt, was für viele Anwendungen ausreicht.

Darüber hinaus wird auf Stufe "1" ein Teil des Stroms von der 5-V-Quelle über eine Parasitendiode auf 3,3 V abgeleitet, wie durch "frarugi87" beschrieben, aber dies ist nur (5-3,3-0,6) / 1000 = 1,1 mA und da rPi verbraucht viel mehr als 1,1 mA werden Sie nie bemerken. Wenn Sie einige Tiefschlafmodi verwenden und der rPI weniger als 1,1 mA verbraucht, sollten Sie R1 möglicherweise auf 10.000 oder 100.000 erhöhen.

— Anton
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