Uso del Mosfet y canal P vs N

Question

Estoy intentando utilizar un Arduino para activar/desactivar un solenoide de 12V. Utilicé un puente H y conseguí que funcionara bien. Luego, decidí simplificar las cosas y conseguir un solo mosfet en lugar de un puente H multicanal y me he confundido mucho. Estoy tratando de entender la forma correcta de utilizar un mosfet de canal P (o de canal N) en esta configuración, y me encontré con este circuito de muestra en Google:

¿Por qué hay otro transistor (el 2N3904) y por qué hay un diodo en la carga?

Entiendo que un canal P se activa cuando \$V_{gate}\$ se lleva a lo alto (por encima de \$V_{source}\$ + \$V_{drain}\$ ), de ahí el pull-up, pero ¿por qué el transistor extra? ¿No debería la MCU (en este caso el PIC) hacer lo mismo?

Además, en el caso de que todo lo que esté haciendo sea encender o apagar una carga (como mi solenoide), ¿hay alguna razón para utilizar un canal N frente a un canal P?

Answer 1

Compare las acciones de un MOSFET de canal P y N en su circuito.

(He dejado el transistor de unión para facilitar la comparación).

A la salida del PIC no le gusta estar conectada a 12V por lo que el transistor actúa como un buffer o interruptor de nivel. Cualquier salida del PIC superior a 0,6V (aproximadamente) encenderá el transistor.

MOSFET DE CANAL P . (Carga conectada entre Drenaje y Tierra)

Cuando la salida del PIC está en LOW, el transistor está en OFF y la puerta del MOSFET P está en HIGH (12V). Esto significa que el MOSFET P está en OFF.

Cuando la salida del PIC es HIGH, el transistor se pone en ON y tira de la puerta del MOSFET LOW. Esto pone el MOSFET en ON y la corriente fluye a través de la carga.

MOSFET DE N CANALES . (Carga conectada entre Drenaje y +12V)

Cuando la salida del PIC está en LOW, el transistor está en OFF y la puerta del MOSFET N está en HIGH (12V). Esto significa que el N MOSFET está en ON y la corriente fluye a través de la carga.

Cuando la salida del PIC es HIGH, el transistor se pone en ON y tira de la puerta del MOSFET LOW. Esto hace que el MOSFET se apague.

El circuito MOSFET "mejorado .

Podríamos eliminar el transistor utilizando un MOSFET digital de tipo N - sólo necesita la señal 0-5V de la salida del PIC para funcionar y aísla el pin de salida del PIC de la alimentación de 12V.

Cuando la salida del PIC es ALTA el MOSFET se enciende, cuando es BAJA el MOSFET se apaga. Esto es exactamente lo mismo que el circuito original del MOSFET P. La resistencia en serie se ha hecho más pequeña para ayudar a los tiempos de encendido y apagado cargando o descargando la capacitancia de la puerta más rápidamente.

La elección del dispositivo depende básicamente de sus necesidades de diseño, aunque en este caso el MOSFET digital de tipo N gana por goleada por su simplicidad.

Answer 2

El transistor bipolar está presente como conductor del MOSFET. Aunque para la corriente continua, los MOSFETS tienen una resistencia muy alta y por eso parecen circuitos abiertos, en realidad son capacitivos. Para que se enciendan, hay que transferirles carga, y para hacerlo rápidamente es necesario conducir la corriente.

El BJT (y el diseño general del circuito) también aporta la siguiente ventaja: un voltaje de encendido pequeño y predecible. Puedes sustituirlo por diferentes BJT y el comportamiento será similar.

Una ventaja más del transistor extra es que la etapa de transistor extra tiene ganancia de voltaje, lo que ayuda a crear una transición más nítida de apagado a encendido, desde la perspectiva de la entrada mirando hacia adentro.

Para utilizar una pequeña señal positiva para encender el circuito, hay que utilizar un transistor NPN. Pero la salida de éste está invertida, con una carga de lado alto, por lo que se utiliza un MOSFET de canal P. Esto tiene otra buena característica, que es que la carga se controla desde el lado positivo, y así permanece conectado a tierra cuando el transistor se apaga.

El símbolo esquemático del MOSFET parece un dispositivo de agotamiento (ya que el canal se dibuja sólido, en lugar de en tres secciones). Probablemente se trate de un error. El circuito parece una configuración de modo de mejora corriente.

El MOSFET de canal P se activa cuando la puerta se pone en posición baja. Se dibuja "al revés". Piense que es análogo a un BJT PNP.

El diodo "volante" completa el circuito para la carga inductiva cuando el transistor/interruptor se abre. Un inductor trata de mantener la misma corriente fluyendo en la misma dirección. Normalmente, esa corriente fluye a través del bucle del transistor. Cuando se corta bruscamente, fluye a través del bucle del diodo, de manera que su dirección a través de la carga es la misma, y eso significa fluir en sentido contrario a través del diodo. Para que se produzca esta continuación de la corriente, el inductor tiene que generar un "back EMF": una tensión cuyo sentido es opuesto al que se le aplicó anteriormente.

Answer 3

Deberías añadir un 4k7 desde la puerta a tierra para evitar que tu FET esté conduciendo cuando tu io-pin esté altamente impedido o no conectado. En este caso, una simple carga de su mano puede activar el mosfet y existe la posibilidad de que continúe conduciendo su circuito incluso cuando no hay energía en el pin de la puerta.

Answer 4

1. ¿Por qué hay otro transistor implicado (el 2N3904)? - para que el driver de la puerta no vea menos de 10k de impedancia (resistencia). La resistencia de 10k y el BJT son en realidad opcionales, pero elegantes si se añaden. Editar: Ups, es esencial para que el PWM funcione correctamente. invierte una señal digital, que es necesaria para que un PNP funcione de la manera que quieres. todavía puedes omitir el BJT si puedes invertir la señal de control antes de la salida.

2. ¿Y por qué hay un diodo a través de la carga? - Porque las cargas inductivas (solenoides, motores, etc.) hacen que las corrientes fluyan en la otra dirección una vez apagadas. Como estás usando PWM para controlar algo, básicamente se enciende y apaga rápidamente. Enciendes el motor, el rotor comienza a girar, lo apagas, el rotor sigue girando y entonces actúa como un generador causando que la corriente fluya en la otra dirección. Esta polaridad inversa puede dañar los componentes, pero se anula instantáneamente una vez que se añade el diodo.

Answer 5

Esto va directamente a la teoría de los MOSFET. El diagrama muestra un MOSFET de DEPLECIÓN que funciona con la ecuación de Shockley:ID=IDSS(1-VGS/VP)^2. Es obvio que el microcontrolador trabaja con una salida de 5 voltios y si se utiliza directamente como tensión de puerta, no se puede obtener la corriente máxima de la fuente de alimentación (12 voltios por encima ). El segundo transistor funciona como buffer y también como aislante para este propósito. Y sobre el diodo: este diodo se utiliza casi siempre para las cargas que contienen bobinas (como un motor o un relé). El propósito es la supresión de la corriente de retroceso hecha por la bobina como un inductor. Esta corriente de retroceso puede dañar su MOSFET.

El problema surge cuando el interruptor se abre muy rápido, lo que significa una corriente cero repentina en el circuito, pero sabemos que los inductores no permiten una corriente cero repentina (VL=L di/dt). Esto significa que el inductor busca un camino corto para vaciar su corriente y la única manera es haciendo una "chispa" entre las cabezas del interruptor. Podemos ver este fenómeno conectando una corriente continua a un pequeño motor de corriente continua. Podemos ver que aunque el motor no está trabajando con un alto voltaje, pero al tocar sus cables con el cable de alimentación, se ven "chispas muy evidentes".Al reemplazar el interruptor por un transistor , ocurre el mismo escenario y estas chispas continuas llevan a dañar el transistor.