Использование Mosfet и P-V N-канал

Я пытаюсь использовать Arduino для включения / отключения 12V соленоида. Я использовал H-мост и получил, что работает нормально. Затем я решил упростить вещи и получить один Mosfet вместо многоканального H-моста и очень запутался. Я пытаюсь понять, как правильно использовать Mosfet с P-каналом (или N-каналом) в этой настройке, и наткнулся на этот пример схемы в Google:

Почему задействован другой транзистор (2N3904) и почему на нагрузке имеется диод?

Я понимаю , что Р-канал активируется , когда $V_{gate}$ доводятся высокими (выше $V_{source}$ + $V_{drain}$ ), следовательно, подтягиванием, но почему дополнительный транзистор? Разве MCU (в данном случае PIC) не должен делать то же самое?

Кроме того - в сценарии, когда все, что я делаю, включает или выключает нагрузку (как мой соленоид), есть ли причина использовать N-канал против P-канала?

Сравните действия P и N канала MOSFET в вашей цепи.

(Я оставил переходный транзистор, чтобы облегчить сравнение.)

Выход PIC не любит подключения к 12 В, поэтому транзистор действует как буфер или переключатель уровня. Любой выходной сигнал от PIC более 0,6 В (выход) включит транзистор.

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

Когда выход PIC НИЗКИЙ, транзистор ВЫКЛ, а затвор МОП-транзистора P ВЫСОКИЙ (12 В). Это означает, что P MOSFET выключен.

Когда выходной сигнал ПИК ВЫСОКИЙ, транзистор включается и тянет затвор полевого МОП-транзистора. Это включает МОП-транзистор и ток протекает через нагрузку.

КАНАЛЬНЫЙ МОСФЕТ . (Нагрузка подключена между стоком и + 12В)

Когда выход PIC НИЗКИЙ, транзистор ВЫКЛ, а затвор МОП-транзистора P ВЫСОКИЙ (12 В). Это означает, что N MOSFET включен, и ток будет течь через нагрузку.

Когда выходной сигнал ПИК ВЫСОКИЙ, транзистор включается и тянет затвор полевого МОП-транзистора. Это выключает МОП-транзистор.

«Улучшенная» схема MOSFET .

Мы могли бы исключить транзистор, используя цифровой тип N-МОП-транзистора - для его работы требуется только сигнал 0-5 В с выхода PIC, и он изолирует выходной контакт PIC от источника питания 12 В.

Когда выход PIC ВЫСОКИЙ, МОП-транзистор включается, а когда он НИЗКИЙ, МОП-транзистор выключается. Это точно так же, как оригинальная схема P MOSFET. Последовательный резистор был уменьшен для облегчения включения, выключения за счет более быстрой зарядки или разрядки емкости затвора.

Выбор устройства в основном зависит от ваших требований к дизайну, хотя в этом случае цифровой MOSFET типа N выигрывает с точки зрения простоты.

Биполярный транзистор присутствует в качестве драйвера для MOSFET. Несмотря на то, что для постоянного тока, полевые транзисторы имеют очень высокое сопротивление и поэтому выглядят как открытые цепи, они на самом деле емкостные. Для того, чтобы включить, заряд должен быть передан в них, и для этого требуется текущее вождение.

BJT (и общая схема) также имеет следующие преимущества: небольшое и предсказуемое напряжение при включении. Вы можете заменить различные BJT там, 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 выключенного к включенному с точки зрения входа.

Чтобы использовать небольшой положительный сигнал для включения цепи, необходимо использовать NPN-транзистор. Но выход этого инвертирован, с нагрузкой высокой стороны, и поэтому используется МОП-транзистор с P-каналом. Это имеет еще одну приятную особенность, которая заключается в том, что нагрузка контролируется с положительной стороны, и поэтому остается заземленной, когда транзистор отключен.

Схематический символ для MOSFET выглядит как устройство истощения (так как канал отображается сплошным, а не как три секции). Это, вероятно, просто ошибка. Схема выглядит как обычная установка режима улучшения.

P-канал MOSFET активируется, когда затвор понижается. Он нарисован "с ног на голову". Думайте об этом как аналог PNP BJT.

Диод «маховик» замыкает цепь индуктивной нагрузки, когда транзистор / переключатель размыкается. Индуктор пытается поддерживать постоянный ток в одном и том же направлении. Обычно этот ток протекает через петлю транзистора. Когда он внезапно отключается, он протекает через петлю диода, так что его направление через нагрузку одинаково, и это означает, что он течет в противоположном направлении через диод. Для этого продолжения тока индуктор должен генерировать «обратную ЭДС»: напряжение, направление которого противоположно тому, которое было ранее приложено к нему.

Вы должны добавить 4k7 от затвора к земле, чтобы избежать того, чтобы ваш FET проводил, когда ваш io-pin высокоимпедансный или не подключен. В этом случае простой заряд от вашей руки может активировать mosfet, и есть вероятность, что он будет непрерывно управлять вашей цепью, даже если на выводе затвора нет питания.

1. Почему задействован другой транзистор (2N3904)? - чтобы драйвер затвора не видел сопротивление менее 10 кОм (сопротивление). Резистор 10 кОм и BJT на самом деле не являются обязательными, но элегантно, если их добавить. Редактировать: Ой, важно, чтобы ШИМ работал правильно. он инвертирует цифровой сигнал, который необходим для работы PNP так, как вы хотите. вы все равно можете опустить BJT, если вы можете инвертировать управляющий сигнал до выхода.

2. И почему через нагрузку диод? - потому что индуктивные нагрузки (соленоиды, двигатели и т. д.) заставляют токи течь в другом направлении после выключения. Поскольку вы используете ШИМ для управления чем-либо, оно в основном быстро включается и выключается. Вы включаете двигатель, ротор начинает вращаться, вы выключаете его, ротор все еще вращается, а затем действует как генератор, заставляя ток течь в другом направлении. Эта обратная полярность может повредить компоненты, но сразу же после того, как диод будет добавлен, он будет отменен.

Это непосредственно относится к теории полевых МОП-транзисторов. Диаграмма показывает полевой МОП-транзистор, который работает с уравнением Шокли: ID = IDSS (1-VGS / VP) ^ 2. Очевидно, что микроконтроллер работает с выходом 5 Вольт, и если вы используете его непосредственно в качестве напряжения затвора, вы не сможете получить максимальный ток от источника питания (12 В выше). Второй транзистор работает как буфер, а также изолятор для этой цели. И о диоде: этот диод почти всегда используется для нагрузок, которые содержат катушки (как двигатель или реле). Целью является подавление обратного тока, создаваемого катушкой в ​​качестве индуктора. Этот обратный ток может повредить ваш MOSFET.

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 пропускают внезапный нулевой ток (VL = L di / dt). Это означает, что катушка индуктивности ищет короткий путь для сброса тока, и единственный способ - создать «искру» между головками выключателя. Мы можем увидеть это явление, подключив питание постоянного тока к небольшому двигателю постоянного тока. Мы можем видеть, что хотя двигатель не работает с высоким напряжением, но при касании его проводов шнуром питания наблюдаются «очень очевидные искры». При замене переключателя на транзистор происходит тот же сценарий, и эти непрерывные искры приводят к повреждение транзистора.