การใช้งาน Mosfet และ P- vs N-channel

ฉันพยายามใช้ Arduino เพื่อเปิด / ปิดโซลินอยด์ 12V ฉันใช้สะพาน H และทำงานได้ดี จากนั้นฉันตัดสินใจที่จะลดความซับซ้อนของสิ่งต่าง ๆ และรับ mosfet เดียวแทนที่จะเป็น H-bridge หลายช่องทางและทำให้ฉันสับสนมาก ฉันพยายามที่จะเข้าใจวิธีที่เหมาะสมในการใช้ Mosfet P-channel (หรือ N-channel) ในการตั้งค่านี้และเจอวงจรตัวอย่างนี้บน google:

เหตุใดจึงมีทรานซิสเตอร์อีกตัวที่เกี่ยวข้อง (2N3904) และทำไมจึงมีไดโอดข้ามโหลด

ฉันเข้าใจว่า P-channel เปิดใช้งานเมื่อถูกนำมาสูง (เหนือ + ) ดังนั้นการดึงขึ้น แต่ทำไมทรานซิสเตอร์พิเศษ? MCU ไม่ควร (ในกรณีนี้คือ PIC) จะทำสิ่งเดียวกันหรือไม่?$V_{gate}$$V_{source}$$V_{drain}$

นอกจากนี้ - ในสถานการณ์ที่สิ่งที่ฉันทำคือการเปิดหรือปิดโหลด (เช่นโซลินอยด์ของฉัน) มีเหตุผลที่จะใช้ N-channel กับ P-channel หรือไม่?

เปรียบเทียบการทำงานของ P และ N channel MOSFET ในวงจรของคุณ

(ฉันได้ทิ้งทรานซิสเตอร์ทางแยกไว้เพื่อช่วยในการเปรียบเทียบ)

เอาท์พุท PIC ไม่ชอบการเชื่อมต่อกับ 12V ดังนั้นทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์หรือสวิตช์ระดับ เอาต์พุตใด ๆ จาก PIC ที่มากกว่า 0.6V (ish) จะเปิดทรานซิสเตอร์

P CHANNEL MOSFET (โหลดการเชื่อมต่อระหว่าง Drain และ Ground)

เมื่อเอาต์พุต PIC ต่ำ, ทรานซิสเตอร์จะปิดและประตูของ P MOSFET จะสูง (12V) นี่หมายความว่า P MOSFET ปิดอยู่

เมื่อเอาต์พุตของ PIC สูง, ทรานซิสเตอร์จะเปิดและดึงเกตของ MOSFET LOW สิ่งนี้จะเปิด MOSFET และกระแสจะไหลผ่านโหลด

N CHANNEL MOSFET (โหลดการเชื่อมต่อระหว่าง Drain และ + 12V)

เมื่อเอาต์พุต PIC ต่ำ, ทรานซิสเตอร์จะปิดและประตูของ P MOSFET จะสูง (12V) ซึ่งหมายความว่า N MOSFET เปิดและกระแสจะไหลผ่านโหลด

เมื่อเอาต์พุตของ PIC สูง, ทรานซิสเตอร์จะเปิดและดึงเกตของ MOSFET LOW สิ่งนี้จะปิด MOSFET

'การปรับปรุงให้ดีขึ้น' วงจร

เราสามารถกำจัดทรานซิสเตอร์โดยใช้ประเภท N MOSFET ดิจิตอล - มันต้องการเพียงสัญญาณ 0-5V จากเอาต์พุต PIC เพื่อใช้งานและแยกพินเอาต์พุต PIC จากแหล่งจ่ายไฟ 12V

เมื่อเอาต์พุต PIC มีค่าสูง MOSFET จะเปิดใช้งานเมื่อมีค่าต่ำ MOSFET จะถูกปิด นี่เป็นสิ่งเดียวกับวงจร P MOSFET ดั้งเดิม ตัวต้านทานซีรีย์มีขนาดเล็กลงเพื่อช่วยในการเปิดปิดเวลาโดยการชาร์จหรือปล่อยประจุของประตูได้เร็วขึ้น

ตัวเลือกของอุปกรณ์นั้นขึ้นอยู่กับความต้องการในการออกแบบของคุณแม้ว่าในกรณีนี้ประเภท N MOSFET แบบดิจิตอลจะชนะได้โดยง่าย

ทรานซิสเตอร์สองขั้วนั้นมีอยู่เป็นตัวขับเคลื่อนสำหรับ MOSFET แม้ว่ากระแสตรงมอสเฟตจะมีความต้านทานสูงมากและดูเหมือนวงจรเปิด ในการเปิดใช้งานการชาร์จจะต้องถูกถ่ายโอนไปยังอุปกรณ์เหล่านั้นและการดำเนินการอย่างรวดเร็วนั้นจำเป็นต้องมีการขับขี่ในปัจจุบัน

BJT (และการออกแบบวงจรโดยรวม) ยังให้ประโยชน์ดังต่อไปนี้: แรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กและสามารถคาดเดาได้ คุณสามารถทดแทน BJT ที่แตกต่างกันในนั้นและพฤติกรรมจะคล้ายกัน

ข้อดีอีกอย่างของทรานซิสเตอร์เสริมคือขั้นตอนทรานซิสเตอร์พิเศษมีแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นซึ่งจะช่วยสร้างการเปลี่ยนแปลงที่คมชัดขึ้นจากปิดเป็นเปิดจากมุมมองของอินพุตที่มองเข้าไป

ในการใช้สัญญาณขนาดเล็กเป็นบวกเพื่อเปิดวงจรจำเป็นต้องใช้ทรานซิสเตอร์ NPN แต่ผลลัพธ์ของสิ่งนี้กลับด้านด้วยการโหลดด้านสูงและดังนั้นจึงใช้ P-channel MOSFET นี่เป็นคุณสมบัติที่ดีอีกอย่างหนึ่งซึ่งก็คือโหลดจะถูกควบคุมจากด้านบวกและจะยังคงสายดินเมื่อทรานซิสเตอร์ปิด

สัญลักษณ์แผนผังสำหรับ MOSFET ดูเหมือนว่าอุปกรณ์พร่อง (เนื่องจากช่องสัญญาณถูกดึงแข็งแทนที่จะเป็นสามส่วน) นี่อาจเป็นเพียงความผิดพลาด วงจรดูเหมือนการตั้งค่าโหมดเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของโรงงาน

MOSFET แบบ P-channel จะทำงานเมื่อเกตต่ำ มันถูกดึง "กลับหัว" คิดว่ามันคล้ายกับ PNP BJT

ไดรฟ์ "มู่เล่" เสร็จสิ้นวงจรสำหรับโหลดอุปนัยเมื่อทรานซิสเตอร์ / สวิตช์เปิดขึ้น ตัวเหนี่ยวนำพยายามที่จะให้กระแสไฟฟ้าไหลในทิศทางเดียวกัน โดยปกติกระแสนั้นจะไหลผ่านลูปทรานซิสเตอร์ เมื่อสิ่งนั้นถูกตัดออกอย่างกะทันหันมันจะไหลผ่านไดโอดลูปเช่นนั้นทิศทางของมันผ่านโหลดจะเท่ากันและนั่นหมายถึงการไหลในทิศทางตรงกันข้ามผ่านไดโอด สำหรับความต่อเนื่องของกระแสนี้ที่จะเกิดขึ้นตัวเหนี่ยวนำจะต้องสร้าง "back EMF": แรงดันไฟฟ้าที่มีทิศทางตรงกันข้ามกับที่เคยใช้กับมัน

คุณควรเพิ่ม 4k7 จากประตูสู่พื้นเพื่อหลีกเลี่ยง FET ของคุณที่จะดำเนินการเมื่อ io-pin ของคุณมีความต้านทานสูงหรือไม่ได้เชื่อมต่อ ในกรณีนี้การชาร์จอย่างง่ายจากมือของคุณสามารถเปิดใช้งาน mosfet และมีโอกาสที่มันจะขับวงจรของคุณอย่างต่อเนื่องแม้ว่าจะไม่มีพลังที่ pin gate

1. ทำไมจึงมีทรานซิสเตอร์อื่นเกี่ยวข้อง (2N3904) - เพื่อให้ผู้ขับขี่เกตไม่เห็นความต้านทาน (ต้านทาน) น้อยกว่า 10k ตัวต้านทาน 10k และ BJT เป็นตัวเลือกจริง ๆ แต่สวยงามถ้าเพิ่ม แก้ไข:อ๊ะมันเป็นสิ่งสำคัญสำหรับ PWM ในการทำงานอย่างถูกต้อง มันสลับสัญญาณดิจิตอลซึ่งจำเป็นสำหรับ PNP ในการทำงานตามที่คุณต้องการ คุณยังคงสามารถละเว้น BJT ได้หากคุณสามารถสลับสัญญาณควบคุมก่อนส่งออกได้

2. และทำไมจึงมีไดโอดในโหลด - เนื่องจากโหลดอุปนัย (โซเลนอยด์มอเตอร์ ฯลฯ ) ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลในทิศทางอื่นเมื่อถูกปิด ขณะที่คุณใช้ PWM เพื่อควบคุมบางสิ่งมันจะเปิดและปิดอย่างรวดเร็ว คุณเปิดมอเตอร์ใบพัดเริ่มหมุนคุณปิดใบพัดยังหมุนและทำหน้าที่เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำให้กระแสไหลไปในทิศทางอื่น ขั้วย้อนกลับนี้สามารถสร้างความเสียหายให้กับส่วนประกอบได้

สิ่งนี้จะตรงไปที่ทฤษฎีของ MOSFET แผนภาพแสดง DEPLETION MOSFET ซึ่งทำงานกับสมการ Shockley: ID = IDSS (1-VGS / VP) ^ 2 เห็นได้ชัดว่าตัวควบคุมขนาดเล็กทำงานกับ 5 โวลต์เอาท์พุทและถ้าคุณใช้มันโดยตรงเป็นแรงดันเกตคุณจะไม่สามารถรับกระแสสูงสุดจากแหล่งพลังงาน (12 โวลต์ด้านบน) ทรานซิสเตอร์ตัวที่สองทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์และตัวแยกสำหรับจุดประสงค์นี้ และเกี่ยวกับไดโอด: ไดโอดนี้มักใช้สำหรับโหลดที่มีคอยส์อยู่เสมอ (เช่นมอเตอร์หรือรีเลย์) จุดประสงค์คือการปราบปรามกระแสย้อนกลับที่ทำโดยขดลวดเป็นตัวเหนี่ยวนำ กระแสย้อนหลังนี้สามารถทำลาย MOSFET ของคุณได้

ผมขออธิบายส่วนไดโอด: สมมุติว่าเรามีสวิตช์เชื่อมต่อกับตัวต้านทานแล้วก็ตัวเหนี่ยวนำ (SW-RL-> กราวน์) ปัญหาเกิดขึ้นเมื่อสวิตช์เปิดเร็วมากซึ่งหมายความว่ากระแสศูนย์เป็นศูนย์อย่างฉับพลัน แต่เรารู้ว่าตัวเหนี่ยวนำไม่ปล่อยกระแสไฟฟ้าที่ฉับพลันเป็นศูนย์ (VL = L di / dt) ซึ่งหมายความว่าตัวเหนี่ยวนำค้นหาวิธีสั้น ๆ เพื่อทำให้ว่างเปล่าเป็นปัจจุบันและวิธีเดียวคือการทำให้เกิด "ประกายไฟ" ระหว่างหัวของสวิตช์ เราสามารถเห็นปรากฏการณ์นี้ได้โดยการเชื่อมต่อไฟ DC เข้ากับมอเตอร์ DC ขนาดเล็ก เราสามารถเห็นได้แม้ว่ามอเตอร์จะไม่ทำงานด้วยไฟฟ้าแรงสูง แต่โดยการสัมผัสกับสายไฟด้วยสายไฟจะเห็น "ประกายไฟที่ชัดเจนมาก" โดยการเปลี่ยนสวิตช์ด้วยทรานซิสเตอร์สถานการณ์เดียวกันจะเกิดขึ้นและประกายไฟต่อเนื่องเหล่านี้จะ ความเสียหายต่อทรานซิสเตอร์