Mosfet-Nutzung und P- gegen N-Kanal

Ich versuche, mit einem Arduino einen 12-V-Magneten zu aktivieren / deaktivieren. Ich habe eine H-Brücke benutzt und es funktioniert. Dann habe ich beschlossen, die Dinge zu vereinfachen und statt einer mehrkanaligen H-Brücke ein einziges Mosfet zu kaufen, und mich sehr verwirrt. Ich versuche zu verstehen, wie ein P-Kanal-Mosfet (oder N-Kanal-Mosfet) in dieser Einstellung richtig verwendet wird, und bin auf folgende Beispielschaltung bei Google gestoßen:

Warum handelt es sich um einen anderen Transistor (den 2N3904) und warum befindet sich eine Diode über der Last?

Ich verstehe , dass ein P-Kanal aktiviert wird , wenn $V_{gate}$ hoch gebracht (über $V_{source}$ + $V_{drain}$ ), also das Pull-up, aber warum der zusätzliche Transistor? Sollte die MCU (in diesem Fall der PIC) nicht dasselbe tun?

Gibt es in dem Szenario, in dem ich lediglich eine Last ein- oder ausschalte (wie bei meinem Solenoid), einen Grund, einen N-Kanal gegenüber einem P-Kanal zu verwenden?

Vergleichen Sie die Funktionen eines P- und N-Kanal-MOSFET in Ihrer Schaltung.

(Ich habe den Sperrschichttransistor zur Unterstützung des Vergleichs eingelassen.)

Der PIC-Ausgang mag es nicht, mit 12 V verbunden zu sein, so dass der Transistor als Puffer oder Pegelschalter fungiert. Jeder Ausgang vom PIC, der größer als 0,6 V (ish) ist, schaltet den Transistor EIN.

P-Kanal-MOSFET . (Last zwischen Drain und Masse angeschlossen)

Wenn der PIC-Ausgang LOW ist, ist der Transistor AUS und das Gate des P MOSFET ist HIGH (12 V). Dies bedeutet, dass der P-MOSFET ausgeschaltet ist.

Wenn der Ausgang des PIC HIGH ist, wird der Transistor eingeschaltet und zieht das Gate des MOSFET LOW. Dadurch wird der MOSFET eingeschaltet und der Strom fließt durch die Last.

N-Kanal-MOSFET . (Last zwischen Drain und + 12V angeschlossen)

Wenn der PIC-Ausgang LOW ist, ist der Transistor AUS und das Gate des P MOSFET ist HIGH (12 V). Dies bedeutet, dass der N-MOSFET eingeschaltet ist und Strom durch die Last fließt.

Wenn der Ausgang des PIC HIGH ist, wird der Transistor eingeschaltet und zieht das Gate des MOSFET LOW. Dies schaltet den MOSFET aus.

Die 'verbesserte' MOSFET-Schaltung .

Wir könnten den Transistor durch Verwendung eines digitalen N-MOSFET-Typs eliminieren - er benötigt nur das 0-5-V-Signal vom PIC-Ausgang, um zu funktionieren, und isoliert den PIC-Ausgangspin von der 12-V-Versorgung.

Wenn der PIC-Ausgang HIGH ist, wird der MOSFET eingeschaltet, wenn er LOW ist, wird der MOSFET ausgeschaltet. Dies ist genau das gleiche wie bei der ursprünglichen P-MOSFET-Schaltung. Der Vorwiderstand wurde verkleinert, um das Ein- und Ausschalten zu erleichtern, indem die Gatekapazität schneller geladen oder entladen wird.

Die Wahl des Geräts hängt im Wesentlichen von Ihren Designanforderungen ab, obwohl in diesem Fall der digitale MOSFET vom Typ N hinsichtlich der Einfachheit zweifellos überzeugt.

Der Bipolartransistor ist als Treiber für den MOSFET vorhanden. Obwohl MOSFETs für Gleichstrom einen sehr hohen Widerstand haben und daher wie offene Schaltkreise aussehen, sind sie tatsächlich kapazitiv. Zum Einschalten muss eine Ladung in sie übertragen werden, und dies erfordert schnelles Fahren.

Der BJT (und das gesamte Schaltungsdesign) bietet außerdem den folgenden Vorteil: eine kleine und vorhersehbare Einschaltspannung. Sie können verschiedene BJTs dort ersetzen, und das Verhalten wird ähnlich sein.

Ein weiterer Vorteil des zusätzlichen Transistors besteht darin, dass die zusätzliche Transistorstufe eine Spannungsverstärkung aufweist, die dazu beiträgt, einen schärferen Übergang von Aus nach Ein aus der Perspektive des Eingangs zu erzielen, in den man schaut.

Um ein kleines positives Signal zum Einschalten der Schaltung zu verwenden, muss ein NPN-Transistor verwendet werden. Der Ausgang davon wird jedoch mit einer High-Side-Last invertiert, und so wird ein P-Kanal-MOSFET verwendet. Dies hat ein weiteres nettes Merkmal, nämlich dass die Last von der positiven Seite gesteuert wird und so geerdet bleibt, wenn der Transistor ausgeschaltet wird.

Das schematische Symbol für den MOSFET sieht aus wie eine Verarmungsvorrichtung (da der Kanal nicht in drei Abschnitten, sondern durchgehend gezeichnet ist). Dies ist wahrscheinlich nur ein Fehler. Die Schaltung sieht aus wie ein gewöhnliches Setup für den Verbesserungsmodus.

Der P-Kanal-MOSFET wird aktiviert, wenn das Gate auf niedrig gebracht wird. Es ist "verkehrt herum" gezeichnet. Stellen Sie es sich analog zu einem PNP-BJT vor.

Die "Schwungrad" -Diode vervollständigt den Stromkreis für die induktive Last, wenn der Transistor / Schalter öffnet. Eine Induktivität versucht, den gleichen Strom in die gleiche Richtung zu leiten. Normalerweise fließt dieser Strom durch die Transistorschleife. Wenn dies abrupt unterbrochen wird, fließt es durch die Diodenschleife, so dass seine Richtung durch die Last gleich ist, und das bedeutet, dass es in entgegengesetzter Richtung durch die Diode fließt. Damit dieser Strom anhält, muss der Induktor eine "Gegen-EMK" erzeugen: eine Spannung, deren Richtung der zuvor angelegten entgegengesetzt ist.

Sie sollten ein 4k7 vom Gate zur Erde hinzufügen, um zu vermeiden, dass Ihr FET leitet, wenn Ihr Io-Pin hochohmig oder nicht angeschlossen ist. In diesem Fall kann eine einfache Ladung von Ihrer Hand den Mosfet aktivieren, und es besteht die Möglichkeit, dass er Ihren Schaltkreis kontinuierlich antreibt, auch wenn der Gate-Pin nicht mit Strom versorgt wird.

1. Warum handelt es sich um einen anderen Transistor (den 2N3904)? - damit der Gate-Treiber nicht weniger als 10k Impedanz (Widerstand) sieht. Der 10k-Widerstand und der BJT sind eigentlich optional, aber elegant, wenn sie hinzugefügt werden. Edit: Whoops, es ist wichtig, dass das PWM richtig funktioniert. Es invertiert ein digitales Signal, das erforderlich ist, damit ein PNP so funktioniert, wie Sie es möchten. Sie können den BJT dennoch weglassen, wenn Sie das Steuersignal vor der Ausgabe invertieren können.

2. Und warum gibt es eine Diode über der Last? - weil induktive Lasten (Magnete, Motoren usw.) dazu führen, dass Ströme nach dem Abschalten in die andere Richtung fließen. Da Sie PWM verwenden, um etwas zu steuern, wurde es im Grunde genommen schnell ein- und ausgeschaltet. Sie schalten den Motor ein, der Rotor beginnt sich zu drehen, Sie schalten ihn aus, der Rotor dreht sich immer noch und wirkt dann als Generator, wodurch der Strom in die andere Richtung fließt. Diese Verpolung kann Komponenten beschädigen, wird jedoch sofort negiert, sobald die Diode hinzugefügt wird.

Dies geht direkt zur Theorie der MOSFETs über. Das Diagramm zeigt einen DEPLETION MOSFET, der mit der Shockley-Gleichung arbeitet: ID = IDSS (1-VGS / VP) ^ 2. Es ist offensichtlich, dass der Mikrocontroller mit 5 Volt Ausgang arbeitet und wenn Sie ihn direkt als Gate-Spannung verwenden, können Sie nicht den maximalen Strom von der Stromquelle erhalten (12 Volt oben). Der zweite Transistor arbeitet zu diesem Zweck als Puffer und auch als Isolator. Und zur Diode: Diese Diode wird fast immer für Lasten verwendet, die Spulen enthalten (als Motor oder Relais). Der Zweck ist die Unterdrückung des Rückstroms, der von der Spule als Induktor erzeugt wird. Dieser Rückstrom kann Ihren MOSFET beschädigen.

Lassen Sie mich den Diodenteil erklären: Nehmen wir an, wir haben einen Schalter an einen Widerstand angeschlossen und dann eine Induktivität (SW-RL-> Masse). Das Problem tritt auf, wenn der Schalter sehr schnell öffnet, was einen plötzlichen Nullstrom im Stromkreis bedeutet. Wir wissen jedoch, dass Induktivitäten keinen plötzlichen Nullstrom zulassen (VL = L di / dt). Dies bedeutet, dass der Induktor nach einem kurzen Weg sucht, um seinen Strom zu entleeren, und der einzige Weg besteht darin, einen "Funken" zwischen den Köpfen des Schalters zu erzeugen. Wir können dieses Phänomen sehen, indem wir einen Gleichstrom an einen kleinen Gleichstrommotor anschließen. Wir können sehen, dass der Motor zwar nicht mit einer hohen Spannung arbeitet, aber durch Berühren seiner Drähte mit dem Netzkabel "sehr offensichtliche Funken" zu sehen sind. Wenn der Schalter durch einen Transistor ersetzt wird, passiert dasselbe Szenario und diese kontinuierlichen Funken führen zu die Beschädigung des Transistors.