Uso de Mosfet y canal P vs N

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Estoy tratando de usar un Arduino para habilitar / deshabilitar un solenoide de 12V. Utilicé un puente H y conseguí que funcionara bien. Entonces, decidí simplificar las cosas y obtener un solo mosfet en lugar de un puente H multicanal y me confundí mucho. Estoy tratando de entender la forma correcta de usar un mosfet de canal P (o canal N) en esta configuración, y encontré este circuito de muestra en google:

circuito de muestra

¿Por qué hay otro transistor involucrado (el 2N3904) y por qué hay un diodo a través de la carga?

Entiendo que un canal P se activa cuando Vgate se eleva (por encima de Vsource + Vdrain ), de ahí el pull-up, pero ¿por qué el transistor adicional? ¿No debería la MCU (en este caso, el PIC) estar haciendo lo mismo?

Además, en el escenario en que todo lo que estoy haciendo es encender o apagar una carga (como mi solenoide), ¿hay alguna razón para usar un canal N frente a un canal P?

kolosy
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Soy nuevo en esto: ¿cuál es el software que está utilizando para generar estas imágenes?
Andrew Mao
solo estaba buscando en Google mosfets
kolosy
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El software utilizado es muy probablemente Proteus.
Rrz0

Respuestas:

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

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

ingrese la descripción de la imagen aquí

A la salida 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 mayor que 0.6V (ish) encenderá el transistor.

P MOSFET DE CANAL . (Carga conectada entre drenaje y tierra)

Cuando la salida PIC es BAJA, el transistor está APAGADO y la puerta del P MOSFET es ALTA (12V). Esto significa que el P MOSFET está apagado.

Cuando la salida del PIC es ALTA, el transistor se ENCIENDE y tira de la puerta del MOSFET BAJO. Esto activa el MOSFET y la corriente fluirá a través de la carga.

N MOSFET DE CANAL . (Carga conectada entre drenaje y + 12V)

Cuando la salida PIC es BAJA, el transistor está APAGADO y la puerta del P MOSFET es ALTA (12V). Esto significa que el N MOSFET está ENCENDIDO y la corriente fluirá a través de la carga.

Cuando la salida del PIC es ALTA, el transistor se ENCIENDE y tira de la puerta del MOSFET BAJO. Esto apaga el MOSFET.

El circuito MOSFET 'mejorado' .

Podríamos eliminar el transistor usando un tipo de MOSFET N digital: solo necesita la señal de 0-5 V de la salida PIC para operar y aísla el pin de salida PIC del suministro de 12V.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Cuando la salida PIC es ALTA, el MOSFET se ENCIENDE, cuando está BAJO, el MOSFET se APAGA. Esto es exactamente lo mismo que el circuito P MOSFET original. La resistencia en serie se ha hecho más pequeña para facilitar el encendido, los tiempos de 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 tipo N gana sin dudas en términos de simplicidad.

JIM Dearden
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En el circuito 'mejorado', ¿no debería haber una resistencia entre la compuerta y la tierra para asegurarse de que el FET vuelva a bajar después de que el microcontrolador devuelva el voltaje a 0?
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@captcha El pin de salida de la imagen conecta la puerta a través de la resistencia 100R y apaga el MOSFET. Agregar una resistencia adicional no tendría ningún efecto.
Jim Dearden
Wow, esta es una gran noticia, ya que siempre he incluido esta resistencia con mis diseños mcu. Cuando el espacio es escaso, todo ayuda. ¡Gracias!
captcha
Los canales del canal P tienen una mayor resistencia de encendido debido a la movilidad del orificio inferior
Autistic
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@diegoreymendez No. La fuente de la puerta es efectivamente un 'condensador', por lo que una pequeña resistencia en serie (en este caso, 100 ohmios) limita la corriente de carga / descarga inicial desde / hacia la salida de imagen. También evita cualquier posible oscilación debido a la inductancia en la pista de pcb / cable de conexión. Ignorando la resistencia de E / S (que aumentaría el valor de la resistencia), la corriente máxima es un simple cálculo de la ley de Ohm. 5/100 = 50mA. Después de 5 constantes de tiempo, esto es prácticamente cero. Si la capacitancia de entrada es 2000pF, constante de tiempo = (CR) = 0.2uS. Como la mayoría de los cálculos de diseño, es una simplificación y un compromiso.
Jim Dearden
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El transistor bipolar está presente como un controlador para el MOSFET. Aunque para DC, los MOSFETS tienen una resistencia muy alta y, por lo tanto, parecen circuitos abiertos, en realidad son capacitivos. Para encender, la carga debe transferirse a ellos, y hacerlo rápido requiere una conducción actual.

El BJT (y el diseño general del circuito) también ofrece la siguiente ventaja: un voltaje de encendido pequeño y predecible. Puede sustituir diferentes BJT allí, y el comportamiento será similar.

Una ventaja más del transistor adicional es que la etapa de transistor adicional 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 usar una pequeña señal positiva para encender el circuito, se debe usar un transistor NPN. Pero la salida de esto es invertida, con una carga lateral alta, por lo que se utiliza un MOSFET de canal P. Esto tiene otra característica interesante, que es que la carga se controla desde el lado positivo y, por lo tanto, permanece conectada a tierra cuando se apaga el transistor.

El símbolo esquemático para el MOSFET parece un dispositivo de agotamiento (ya que el canal se dibuja sólido, en lugar de tres secciones). Esto es probablemente solo un error. El circuito se ve como una configuración de modo de mejora de rutina.

El MOSFET del canal P se activa cuando la puerta se baja. Se dibuja "al revés". Piense en ello como análogo a un PNP BJT.

El diodo "volante" completa el circuito para la carga inductiva cuando se abre el transistor / interruptor. Un inductor intenta mantener la misma corriente fluyendo en la misma dirección. Normalmente, esa corriente fluye a través del bucle del transistor. Cuando eso se corta abruptamente, fluye a través del bucle del diodo, de modo que su dirección a través de la carga es la misma, y ​​eso significa que fluye en sentido opuesto a través del diodo. Para que ocurra esta continuación de corriente, el inductor tiene que generar "EMF de retorno": un voltaje cuya dirección es opuesta a la que se le aplicó anteriormente.

Kaz
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Debe agregar un 4k7 de puerta a tierra para evitar que su FET se conduzca cuando su io-pin sea de alta impedancia o no esté conectado. En este caso, una simple carga de su mano puede activar el mosfet y existe la posibilidad de que continúe manejando su circuito incluso cuando no hay energía en el pin de la puerta.

marca
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Cuando dices "tú", ¿a quién te refieres: Kolosy (OP) o Jim? Observe que el esquema en el OP tiene un MOSFET de canal P (opuesto al canal N) y un pull-up de 10k en la puerta. Ese pull-up hace exactamente lo que estás describiendo.
Nick Alexeev
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  1. ¿Por qué hay otro transistor involucrado (el 2N3904)? - para que el controlador de puerta no vea menos de 10k de impedancia (resistencia). La resistencia de 10k y BJT son realmente opcionales, pero elegantes si se agregan. Editar: Vaya, es esencial que el PWM funcione correctamente. invierte una señal digital, que se requiere para que un PNP funcione de la manera que usted desea. aún puede omitir el BJT si puede 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. Enciende el motor, el rotor comienza a girar, lo apaga, el rotor sigue girando y luego actúa como un generador que hace que la corriente fluya en la otra dirección. Esta polaridad inversa puede dañar los componentes, pero se niega instantáneamente una vez que se agrega el diodo.

cr4qsh0t
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¿Cómo un relé o solenoide produce ese voltaje inverso entonces? Es un diodo "flyback" y está ahí para limitar el "KICK" inductivo que un transistor (BJT o FET) vería cuando se corta la energía. Sin embargo, una simple inversión no haría mucho de nada, cuando se corta la corriente, un inductor (del que son motores, relés y solenoides) producirá un voltaje negativo mucho mayor a medida que descarga la corriente. Esa patada puede ser MUCHO más grande que el voltaje de la fuente, y eso es lo que es perjudicial. Ver en.wikipedia.org/wiki/Flyback_diode
GB - AE7OO
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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 funciona con una salida de 5 voltios y si lo usa directamente como voltaje de puerta, no puede obtener la corriente máxima de la fuente de alimentación (12 voltios arriba). El segundo transistor funciona como un buffer y también un aislador para este propósito. Y sobre el diodo: este diodo casi siempre se usa para cargas que contienen bobinas (como un motor o un relé). El propósito es la supresión de la corriente hacia atrás realizada por la bobina como inductor. Esta corriente hacia atrás puede dañar su MOSFET.

Permítanme explicar la parte del diodo: supongamos que tenemos un interruptor conectado a una resistencia y luego a un inductor (SW-RL-> Tierra). 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 corriente cero repentina (VL = L di / dt). Esto significa que el inductor busca una forma corta de vaciar su corriente y la única forma es hacer una "chispa" entre las cabezas del interruptor. Podemos ver este fenómeno conectando una corriente continua a un pequeño motor de corriente continua. Podemos ver aunque el motor no funciona con un alto voltaje, pero al tocar sus cables con el cable de alimentación, se ven "chispas muy obvias". Al reemplazar el interruptor con un transistor, ocurre el mismo escenario y estas chispas continuas conducen a El daño al transistor.

ago
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Los inductores no hacen una "corriente hacia atrás". Todo lo contrario: intentan mantener la misma corriente fluyendo en la misma dirección.
Kaz
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El símbolo de agotamiento es casi seguramente un error de elección de símbolo. El circuito no está sesgado para la operación en modo de agotamiento.
Kaz
¿Puedes dar más detalles sobre "el segundo transistor funciona como un amortiguador y también como aislador?" más específicamente: ¿por qué no puedo usar ese transistor como mi "interruptor", por qué necesito una secuencia de dos?
kolosy
-1: No creo haber visto una respuesta tan detallada, pero incorrecta en casi todos los detalles importantes.
Dave Tweed
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@Kaz: Supongamos que quiere usar solo un transistor (lo que significa que debe ser N-Mosfet). Hagamos un ejemplo del mundo real con IRFxxx N-Channel Enhancement. Utilizo este ejemplo como tal Mosfets puede traer hasta 15 Amperios para la carga. tomemos uno con VGS-Threshold = 4 voltios e ID (encendido) = 14A a 10 voltios. por ID = k (VGS-VGSth) ^ 2, si desea conducirlo a 5 voltios desde el micro, solo tendrá ID = 1.2 A de corriente, pero al usar el segundo transistor, está conduciendo a 0-12 voltios con un rango de corriente de escala completa.
Ago