Wykorzystanie Mosfet i kanał P- vs N.

25

Próbuję użyć Arduino do włączenia / wyłączenia elektromagnesu 12V. Użyłem mostka H i dobrze działało. Potem postanowiłem uprościć sprawę i zdobyć pojedynczy mosfet zamiast wielokanałowego mostka H i bardzo się zdezorientowałem. Próbuję zrozumieć właściwy sposób używania mosfetu z kanałem P (lub kanałem N) w tym ustawieniu i natrafiłem na ten przykładowy obwód w google:

obwód próbny

Dlaczego w grę wchodzi inny tranzystor (2N3904) i dlaczego na obciążeniu znajduje się dioda?

Rozumiem, że kanał P jest aktywowany, gdy V.solzatmi jest podniesiony wysoko (powyżej + ), stąd podciągnięcie, ale dlaczego dodatkowy tranzystor? Czy MCU (w tym przypadku PIC) nie powinien robić tego samego?V.sourdomiV.rerzajan

Ponadto - w scenariuszu, w którym wszystko, co robię, to włączanie lub wyłączanie obciążenia (jak mój elektromagnes), czy istnieje powód, aby używać kanału N w porównaniu do kanału P.

kolosy
źródło
1
Jestem nowy w tym - jakiego oprogramowania używasz do generowania tych zdjęć?
Andrew Mao,
właśnie
googlował mosfety
1
Użyte oprogramowanie to najprawdopodobniej Proteus.
Rrz0

Odpowiedzi:

29

Porównaj działania MOSFET kanału P i N w twoim obwodzie.

(Zostawiłem tranzystor łączący w celu ułatwienia porównania.)

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Wyjście PIC nie lubi być podłączone do 12V, więc tranzystor działa jak bufor lub przełącznik poziomu. Każde wyjście z PIC większe niż 0,6 V (ish) spowoduje włączenie tranzystora.

P MOSFET KANAŁOWY . (Obciążenie podłączone między odpływem a ziemią)

Gdy wyjście PIC jest NISKIE, tranzystor jest WYŁĄCZONY, a bramka P MOSFET jest WYSOKA (12 V). Oznacza to, że P MOSFET jest WYŁĄCZONY.

Gdy moc wyjściowa PIC jest WYSOKA, tranzystor zostaje WŁĄCZONY i pociąga bramę MOSFET LOW. To włącza MOSFET i prąd przepływa przez obciążenie.

N KANAŁ MOSFET . (Obciążenie podłączone między odpływem a + 12V)

Gdy wyjście PIC jest NISKIE, tranzystor jest WYŁĄCZONY, a bramka P MOSFET jest WYSOKA (12 V). Oznacza to, że N MOSFET jest WŁĄCZONY, a prąd przepływa przez obciążenie.

Gdy moc wyjściowa PIC jest WYSOKA, tranzystor zostaje WŁĄCZONY i pociąga bramę MOSFET LOW. To wyłącza MOSFET.

„Ulepszony” obwód MOSFET .

Możemy wyeliminować tranzystor za pomocą cyfrowego typu N MOSFET - do działania potrzebny jest tylko sygnał 0-5 V z wyjścia PIC i izoluje styk wyjściowy PIC od źródła zasilania 12V.

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Gdy wyjście PIC jest WYSOKA, MOSFET jest WŁĄCZONY, gdy jest NISKI, MOSFET jest WYŁĄCZONY. Jest to dokładnie to samo, co oryginalny obwód P MOSFET. Rezystor szeregowy został zmniejszony, aby ułatwić włączanie, wyłączanie przez szybsze ładowanie lub rozładowywanie pojemności bramki.

Wybór urządzenia zależy zasadniczo od twoich potrzeb projektowych, chociaż w tym przypadku cyfrowy typ N MOSFET wygrywa z prostotą.

JIm Dearden
źródło
Czy w obwodzie „ulepszonym” nie powinno być rezystora między bramą a ziemią, aby upewnić się, że FET ponownie obniży się po tym, jak mikrokontroler przywróci napięcie do zera?
captcha
1
@captcha Pin wyjściowy pic skutecznie uziemia bramkę przez rezystor 100R i wyłącza MOSFET. Dodanie dodatkowego rezystora nie miałoby żadnego efektu.
JIm Dearden
Wow, to świetna wiadomość, ponieważ zawsze dołączałem ten rezystor do moich projektów mcu. Kiedy przestrzeń jest na wagę złota, wszystko pomaga. Dzięki!
captcha
Płetwy kanału P mają wyższą odporność na ON ze względu na niższą mobilność otworów
Autistic
2
@diegoreymendez Nie. Źródło bramki jest faktycznie „kondensatorem”, więc mały rezystor szeregowy (w tym przypadku 100 Ohm) ogranicza początkowy prąd ładowania / rozładowania z / do wyjścia pic. Zapobiega również wszelkim możliwym oscylacjom spowodowanym indukcyjnością toru / przewodu łączącego płytki drukowanej. Ignorując rezystancję we / wy (która zwiększyłaby wartość rezystora), prąd szczytowy jest prostym obliczeniem prawa Ohma. 5/100 = 50mA. Po 5 stałych czasowych jest to praktycznie zero. Jeśli pojemność wejściowa wynosi 2000 pF, stała czasowa = (CR) = 0,2 μS. Podobnie jak większość obliczeń projektowych jest to uproszczenie i kompromis.
JIm Dearden
5

Tranzystor bipolarny jest obecny jako sterownik dla MOSFET. Chociaż dla prądu stałego MOSFET mają bardzo wysoką rezystancję, a więc wyglądają jak obwody otwarte, w rzeczywistości są pojemnościowe. Aby włączyć, należy przenieść na nie opłatę, a szybkie wykonanie tej czynności wymaga bieżącej jazdy.

BJT (i ogólna konstrukcja obwodu) ma również następującą zaletę: mały i przewidywalny włącznik napięcia. Możesz zastąpić różne BJT, a zachowanie będzie podobne.

Kolejną zaletą dodatkowego tranzystora jest to, że dodatkowy stopień tranzystora ma wzmocnienie napięcia, które pomaga uzyskać ostrzejsze przejście od wyłączenia do włączenia z perspektywy wejścia.

Aby użyć małego, dodatniego sygnału do włączenia obwodu, należy użyć tranzystora NPN. Ale wyjście tego jest odwrócone, z dużym obciążeniem bocznym, dlatego stosuje się MOSFET z kanałem P. Ma to jeszcze jedną fajną cechę, polegającą na tym, że obciążenie jest kontrolowane od strony dodatniej, a więc pozostaje uziemione, gdy tranzystor jest wyłączany.

Symbol schematu MOSFET-a wygląda jak urządzenie zubożające (ponieważ kanał jest rysowany jako ciągły, a nie jako trzy sekcje). To prawdopodobnie tylko pomyłka. Obwód wygląda jak konfiguracja trybu ulepszenia młyna.

MOSFET z kanałem P aktywuje się, gdy brama zostanie opuszczona. Jest rysowany „do góry nogami”. Potraktuj to jako analogiczne do PNP BJT.

Dioda „koła zamachowego” zamyka obwód obciążenia indukcyjnego, gdy tranzystor / przełącznik się otworzy. Cewka indukcyjna próbuje utrzymać ten sam prąd płynący w tym samym kierunku. Zwykle prąd ten przepływa przez pętlę tranzystorową. Gdy zostaje to nagle odcięte, przepływa przez pętlę diody, tak że jej kierunek przez obciążenie jest taki sam, co oznacza przepływ w przeciwną stronę przez diodę. Aby ta kontynuacja prądu mogła się zdarzyć, cewka indukcyjna musi wytwarzać „tylne pole elektromagnetyczne”: napięcie, którego kierunek jest przeciwny do tego, który był wcześniej do niego przyłożony.

Kaz
źródło
2

Powinieneś dodać 4k7 od bramki do ziemi, aby uniknąć przewodzenia FET, gdy twój styk io-impedancji jest wysoki lub nie jest podłączony. W takim przypadku proste ładowanie z ręki może aktywować mosfet i istnieje szansa, że ​​będzie on nadal napędzał obwód, nawet gdy nie ma zasilania na bolcu bramki.

znak
źródło
2
Kiedy mówisz „ty”, kogo masz na myśli: Kolosy (OP) czy Jim? Zauważ, że schemat w OP ma MOSFET z kanałem P (w przeciwieństwie do kanału N) i podciągnięcie 10k na bramce. To podciągnięcie robi dokładnie to, co opisujesz.
Nick Alexeev
2
  1. Dlaczego w grę wchodzi inny tranzystor (2N3904)? - aby sterownik bramki nie widział impedancji mniejszej niż 10k (rezystancja). Rezystor 10k i BJT są w rzeczywistości opcjonalne, ale eleganckie, jeśli zostaną dodane. Edycja: Ups, ważne jest, aby PWM działał poprawnie. odwraca sygnał cyfrowy, który jest wymagany, aby PNP działał tak, jak chcesz. nadal można pominąć BJT, jeśli można odwrócić sygnał sterujący przed wyjściem.

  2. I dlaczego dioda znajduje się w poprzek ładunku? - ponieważ obciążenia indukcyjne (elektrozawory, silniki itp.) powodują wyłączenie prądów w przeciwnym kierunku. Gdy używasz PWM do kontrolowania czegoś, w zasadzie szybko się włącza i wyłącza. Włączasz silnik, wirnik zaczyna się obracać, wyłączasz go, wirnik wciąż się kręci, a następnie działa jak generator, powodując przepływ prądu w przeciwnym kierunku. Ta odwrotna polaryzacja może uszkodzić komponenty, ale jest natychmiast negowana po dodaniu diody.

cr4qsh0t
źródło
W jaki sposób przekaźnik lub elektromagnes wytwarza wówczas napięcie wsteczne? Jest to dioda „flyback” i ma ona na celu ograniczenie indukcyjnego „KICK”, który tranzystor (BJT lub FET) zobaczyłby po odcięciu zasilania. Proste odwrócenie nic nie zrobiłoby, jednak gdy prąd zostanie odcięty, cewka indukcyjna (której silniki, przekaźniki i elektromagnesy są rodzajem) będzie wytwarzać znacznie większe napięcie ujemne, gdy zrzuca prąd. Kopnięcie może być DUŻO większe niż napięcie źródłowe, i to jest szkodliwe. Zobacz en.wikipedia.org/wiki/Flyback_diode
GB - AE7OO
1

Odnosi się to bezpośrednio do teorii tranzystorów MOSFET. Diagram pokazuje DEPLETION MOSFET, który działa z równaniem Shockleya: ID = IDSS (1-VGS / VP) ^ 2. Oczywistym jest, że mikrokontroler działa z wyjściem 5 woltów i jeśli użyjesz go bezpośrednio jako napięcia bramki, nie możesz uzyskać maksymalnego prądu ze źródła zasilania (12 woltów powyżej). Drugi tranzystor działa w tym celu jako bufor, a także izolator. I o diodzie: ta dioda jest prawie zawsze używana do obciążeń zawierających cewki (jako silnik lub przekaźnik). Celem jest tłumienie prądu wstecznego wytwarzanego przez cewkę jako cewkę indukcyjną. Ten prąd wsteczny może uszkodzić MOSFET.

Pozwól, że wyjaśnię część diodową: załóżmy, że mamy przełącznik podłączony do rezystora, a następnie cewki indukcyjnej (SW-RL-> masa). problem pojawia się, gdy przełącznik otwiera się bardzo szybko, co oznacza nagły prąd zerowy w obwodzie, ale wiemy, że cewki indukcyjne nie pozwalają na nagły prąd zerowy (VL = L di / dt). Oznacza to, że induktor szuka krótkiego sposobu na opróżnienie swojego prądu, a jedynym sposobem jest wytworzenie „iskry” między głowami przełącznika. Zjawisko to możemy zobaczyć podłączając prąd stały do ​​małego silnika prądu stałego. Widzimy, chociaż silnik nie pracuje z wysokim napięciem, ale dotykając jego przewodów kablem zasilającym, widać „bardzo oczywiste iskry”. Po zastąpieniu przełącznika tranzystorem dzieje się to samo i ciągłe iskry prowadzą do uszkodzenie tranzystora.

Sierpnia
źródło
Cewki indukcyjne nie wytwarzają „prądu wstecznego”. Wręcz przeciwnie: starają się utrzymać ten sam prąd płynący w tym samym kierunku.
Kaz.
1
Symbol wyczerpania jest prawie na pewno tylko błędem wyboru symbolu. Obwód nie jest tendencyjny do działania w trybie zubożenia.
Kaz.
czy możesz rozwinąć temat „drugiego tranzystora działa jako bufor, a także izolator?” dokładniej - dlaczego nie mogę po prostu użyć tego tranzystora jako mojego „przełącznika”, dlaczego potrzebuję sekwencji dwóch z nich?
kolosy
-1: Nie sądzę, żebym kiedykolwiek widział odpowiedź, która byłaby tak szczegółowa, ale błędna w prawie każdym ważnym szczególe.
Dave Tweed
2
@Kaz: Załóżmy, że chcesz użyć tylko jednego tranzystora (co oznacza, że ​​musi to być N-Mosfet). Zróbmy przykład z rzeczywistego świata z ulepszeniem N-Channel IRFxxx. Korzystam z tego przykładu, ponieważ takie Mosfety mogą zwiększyć obciążenie do 15 amperów. weźmy jeden z VGS-Threshold = 4 wolty i ID (on) = 14A przy 10 woltach. przez ID = k (VGS-VGSth) ^ 2, Jeśli chcesz napędzać go na 5 woltów z mikro, będziesz miał tylko ID = 1,2 A prądu, ale używając drugiego tranzystora, jedziesz przy napięciu 0-12 V z pełnym zakresem prądu.
sierpień