Utilizzo di Mosfet e canale P- vs N

Sto cercando di utilizzare un Arduino per abilitare / disabilitare un solenoide da 12V. Ho usato un ponte H e ho funzionato bene. Quindi, ho deciso di semplificare le cose e ottenere un singolo mosfet invece di un ponte H multicanale e mi sono confuso molto. Sto cercando di capire il modo corretto di utilizzare un mosfet P-channel (o N-channel) in questa impostazione e mi sono imbattuto in questo circuito di esempio su google:

Perché è coinvolto un altro transistor (il 2N3904) e perché è presente un diodo sul carico?

Capisco che un canale P viene attivato quando $V_{gate}$ viene portato in alto (sopra $V_{source}$ + $V_{drain}$ ), quindi il pull-up, ma perché il transistor extra? L'MCU (in questo caso il PIC) non dovrebbe fare la stessa cosa?

Inoltre, nello scenario in cui tutto ciò che sto facendo è accendere o spegnere un carico (come il mio solenoide), c'è un motivo per usare un canale N contro un canale P?

Confronta le azioni di un MOSFET a canale P e N nel tuo circuito.

(Ho lasciato il transistor di giunzione per facilitare il confronto.)

All'uscita PIC non piace essere collegato a 12V, quindi il transistor funge da buffer o interruttore di livello. Qualsiasi uscita dal PIC maggiore di 0,6 V (ish) accenderà il transistor.

P CHANNEL MOSFET . (Carico collegato tra Scarico e Terra)

Quando l'uscita PIC è BASSA, il transistor è OFF e il gate del MOSFET P è ALTO (12V). Ciò significa che il MOSFET P è spento.

Quando l'uscita del PIC è ALTA, il transistor viene acceso e tira il gate del MOSFET BASSO. Ciò attiva il MOSFET e la corrente scorrerà attraverso il carico.

N MOSFET a canale . (Carico collegato tra Drain e + 12V)

Quando l'uscita PIC è BASSA, il transistor è OFF e il gate del MOSFET P è ALTO (12V). Ciò significa che il MOSFET N è ON e la corrente scorrerà attraverso il carico.

Quando l'uscita del PIC è ALTA, il transistor viene acceso e tira il gate del MOSFET BASSO. Questo disattiva il MOSFET.

Il circuito MOSFET "migliorato" .

Potremmo eliminare il transistor utilizzando un tipo MOSFET digitale N - ha solo bisogno del segnale 0-5 V dall'uscita PIC per funzionare e isola il pin di uscita PIC dall'alimentazione 12V.

Quando l'uscita PIC è ALTA, il MOSFET è acceso, quando è BASSO il MOSFET è spento. Questo è esattamente lo stesso del circuito MOSFET P originale. Il resistore serie è stato ridotto per facilitare l'accensione, lo spegnimento dei tempi caricando o scaricando più rapidamente la capacità del gate.

La scelta del dispositivo dipende essenzialmente dalle esigenze di progettazione, anche se in questo caso il MOSFET digitale di tipo N vince in termini di semplicità.

Il transistor bipolare è presente come driver per il MOSFET. Sebbene a DC, i MOSFET hanno una resistenza molto elevata e quindi sembrano circuiti aperti, in realtà sono capacitivi. Per accendersi, la carica deve essere trasferita al loro interno e farlo velocemente richiede la guida corrente.

Il BJT (e il design complessivo del circuito) porta anche il seguente vantaggio: una piccola e prevedibile accensione della tensione. Puoi sostituire diversi BJT e il comportamento sarà simile.

Un altro vantaggio del transistor extra è che lo stadio transistor extra ha un guadagno di tensione, che aiuta a creare una transizione più nitida da off a on, dalla prospettiva dell'ingresso che guarda dentro.

Per utilizzare un piccolo segnale positivo per accendere il circuito, è necessario utilizzare un transistor NPN. Ma l'output di questo è invertito, con un carico high-side, e quindi viene utilizzato un MOSFET a canale P. Questa ha un'altra bella caratteristica, che è che il carico è controllato dal lato positivo e quindi rimane collegato a terra quando il transistor è spento.

Il simbolo schematico del MOSFET sembra un dispositivo di svuotamento (poiché il canale è disegnato solido, piuttosto che come tre sezioni). Questo è probabilmente solo un errore. Il circuito si presenta come un'impostazione della modalità di miglioramento ordinaria.

Il MOSFET a canale P si attiva quando il gate viene abbassato. È disegnato "sottosopra". Pensalo analogo a un PNP BJT.

Il diodo "volano" completa il circuito per il carico induttivo quando si apre il transistor / interruttore. Un induttore cerca di mantenere la stessa corrente che scorre nella stessa direzione. Normalmente, quella corrente scorre attraverso il circuito del transistor. Quando questo viene bruscamente interrotto, scorre attraverso il circuito del diodo, in modo tale che la sua direzione attraverso il carico sia la stessa e ciò significhi che fluisce nella direzione opposta attraverso il diodo. Perché questa continuazione della corrente avvenga, l'induttore deve generare "back EMF": una tensione la cui direzione è opposta a quella che era stata precedentemente applicata ad essa.

Dovresti aggiungere un 4k7 da gate a terra per evitare che il tuo FET si conduca quando il tuo io-pin è ad alta impedenza o non collegato. In questo caso una semplice carica dalla tua mano può attivare il mosfet e c'è la possibilità che continui a guidare il tuo circuito anche quando non c'è corrente sul perno del cancello.

1. Perché è coinvolto un altro transistor (il 2N3904)? - in modo che il driver del gate non veda un'impedenza inferiore a 10k (resistenza). Il resistore da 10k e il BJT sono in realtà opzionali, ma eleganti se aggiunti. Modifica: Whoops, è essenziale che il PWM funzioni correttamente. inverte un segnale digitale, necessario per far funzionare un PNP nel modo desiderato. è ancora possibile omettere BJT se è possibile invertire il segnale di controllo prima dell'uscita.

2. E perché c'è un diodo attraverso il carico? - poiché carichi induttivi (solenoidi, motori, ecc.) fanno sì che le correnti scorrano nell'altra direzione una volta disattivate. Mentre stai usando PWM per controllare qualcosa, sostanzialmente si accendeva e si spegneva rapidamente. Accendi il motore, il rotore inizia a girare, lo spegni, il rotore continua a girare e quindi agisce come un generatore che fa fluire la corrente nell'altra direzione. Questa polarità inversa può danneggiare i componenti, ma viene immediatamente annullata una volta aggiunto il diodo.

Questo va direttamente alla teoria dei MOSFET. Il diagramma mostra un MOSFET DI DEPLETION che funziona con l'equazione di Shockley: ID = IDSS (1-VGS / VP) ^ 2. È ovvio che il microcontrollore funziona con un'uscita di 5 volt e se lo si utilizza direttamente come tensione di gate, non è possibile ottenere la massima corrente dalla fonte di alimentazione (12 volt sopra). Il secondo transistor funziona come un buffer e anche isolatore per questo scopo. E riguardo al diodo: questo diodo è quasi sempre usato per carichi che contengono bobine (come un motore o un relè). Lo scopo è la soppressione della corrente arretrata prodotta dalla bobina come induttore. Questa corrente arretrata può danneggiare il MOSFET.

Lasciami spiegare la parte del diodo: supponiamo che abbiamo un interruttore collegato a un resistore e quindi a un induttore. (SW-RL-> Terra). il problema sorge quando l'interruttore si è aperto molto velocemente, il che significa una corrente zero improvvisa nel circuito, ma sappiamo che gli induttori non consentono una corrente zero improvvisa (VL = L di / dt). Ciò significa che l'induttore cerca un modo breve per svuotare la sua corrente e l'unico modo è fare una "scintilla" tra le teste dell'interruttore. Possiamo vedere questo fenomeno collegando un'alimentazione CC a un piccolo motore CC. Possiamo vedere anche se il motore non funziona ad alta tensione, ma toccando i suoi fili con il cavo di alimentazione, si vedono "scintille molto evidenti". Sostituendo l'interruttore con un transistor, si verifica lo stesso scenario e queste scintille continue portano a il danno al transistor.