Penggunaan MOSFET dan saluran P- vs N

25

Saya mencoba menggunakan Arduino untuk mengaktifkan / menonaktifkan solenoida 12V. Saya menggunakan jembatan-H dan bekerja dengan baik. Kemudian, saya memutuskan untuk menyederhanakan hal-hal dan mendapatkan satu MOSFET tunggal daripada multi-channel H-bridge dan membuat saya sendiri sangat bingung. Saya mencoba memahami cara yang tepat untuk menggunakan M-channel (atau N-channel) MOSFET dalam pengaturan ini, dan menemukan rangkaian sampel ini di google:

sirkuit sampel

Mengapa ada transistor lain yang terlibat (2N3904), dan mengapa ada dioda melintasi beban?

Saya mengerti bahwa saluran-P diaktifkan ketika dibawa tinggi (di atas + ), maka pull-up, tetapi mengapa transistor tambahan? Bukankah seharusnya MCU (dalam hal ini PIC) melakukan hal yang sama?VgateVsourceVdrain

Juga - dalam skenario ketika semua yang saya lakukan adalah menyalakan atau mematikan beban (seperti solenoid saya), apakah ada alasan untuk menggunakan saluran-N vs saluran-P?

kolosy
sumber
1
Saya baru dalam hal ini - perangkat lunak apa yang Anda gunakan untuk menghasilkan gambar-gambar ini?
Andrew Mao
baru saja googling MOSFET
kolosy
1
Perangkat lunak yang digunakan kemungkinan besar adalah Proteus.
Rrz0

Jawaban:

29

Bandingkan tindakan MOSFET saluran P dan N di sirkuit Anda.

(Saya telah meninggalkan transistor persimpangan untuk membantu perbandingan.)

masukkan deskripsi gambar di sini

Output PIC tidak suka dihubungkan ke 12V sehingga transistor bertindak sebagai penyangga atau saklar level. Setiap output dari PIC yang lebih besar dari 0,6V (ish) akan menghidupkan transistor.

P CHANNEL MOSFET . (Beban terhubung antara Drain dan Ground)

Ketika output PIC RENDAH, transistor MATI dan gerbang P MOSFET adalah TINGGI (12V). Ini berarti P MOSFET MATI.

Ketika output dari PIC adalah TINGGI, transistor dihidupkan dan menarik gerbang MOSFET RENDAH. Ini mengaktifkan MOSFET AKTIF dan arus akan mengalir melalui beban.

N CHANNEL MOSFET . (Load terhubung antara Drain dan + 12V)

Ketika output PIC RENDAH, transistor MATI dan gerbang P MOSFET adalah TINGGI (12V). Ini berarti N MOSFET AKTIF dan arus akan mengalir melalui beban.

Ketika output dari PIC adalah TINGGI, transistor dihidupkan dan menarik gerbang MOSFET RENDAH. Ini mematikan MOSFET.

Sirkuit MOSFET yang 'ditingkatkan' .

Kita dapat menghilangkan transistor dengan menggunakan tipe N MOSFET digital - hanya membutuhkan sinyal 0-5V dari output PIC untuk beroperasi dan mengisolasi pin output PIC dari pasokan 12V.

masukkan deskripsi gambar di sini

Ketika output PIC TINGGI MOSFET dihidupkan, ketika MURAH MOSFET MATI. Ini persis sama dengan sirkuit P MOSFET asli. Resistor seri telah dibuat lebih kecil untuk membantu menghidupkan, mematikan kali dengan mengisi atau menggunakan kapasitansi gerbang lebih cepat.

Pilihan perangkat pada dasarnya sesuai dengan kebutuhan desain Anda walaupun dalam hal ini tipe digital N MOSFET menang dengan mudah dalam hal kesederhanaan.

JIm Dearden
sumber
Dalam sirkuit yang 'ditingkatkan', bukankah seharusnya ada resistor antara gerbang dan tanah untuk memastikan FET menjadi rendah lagi setelah mikrokontroler membawa tegangan kembali ke 0?
captcha
1
@captcha Pin output dari pic secara efektif membuat gerbang melalui resistor 100R dan mematikan MOSFET. Menambahkan resistor tambahan tidak akan berpengaruh.
JIm Dearden
Wow, ini adalah berita bagus karena saya selalu menyertakan resistor ini dengan desain MCU saya. Ketika ruang di premium setiap bit membantu. Terima kasih!
captcha
F channel channel memiliki resistensi ON yang lebih tinggi karena mobilitas lubang bawah
Autistic
2
@diegoreymendez No. Gerbang-sumber secara efektif merupakan 'kapasitor' sehingga resistor seri kecil (dalam hal ini 100 Ohm) membatasi arus pengisian / pemakaian awal dari / ke output pic. Ini juga mencegah kemungkinan osilasi karena induktansi pada jalur PCB / kabel penghubung. Mengabaikan resistensi I / O (yang akan meningkatkan nilai resistor) arus puncak adalah perhitungan hukum Ohm sederhana. 5/100 = 50mA. Setelah 5 konstanta waktu ini hampir nol. Jika kapasitansi input adalah 2000pF, konstanta waktu = (CR) = 0.2uS. Seperti kebanyakan perhitungan desain, penyederhanaan dan kompromi.
JIm Dearden
5

Transistor bipolar hadir sebagai driver untuk MOSFET. Meskipun untuk DC, MOSFET memiliki resistansi yang sangat tinggi sehingga terlihat seperti sirkuit terbuka, sebenarnya kapasitif. Untuk menghidupkan, biaya harus ditransfer ke dalamnya, dan melakukan itu dengan cepat memerlukan mengemudi saat ini.

BJT (dan desain sirkuit keseluruhan) juga membawa keuntungan sebagai berikut: voltase yang kecil dan dapat diprediksi. Anda dapat mengganti berbagai BJT di sana, dan perilakunya akan serupa.

Satu lagi kelebihan dari transistor tambahan adalah bahwa tahap transistor tambahan memiliki penguatan voltase, yang membantu menciptakan transisi yang lebih tajam dari mati ke hidup, dari perspektif input yang dicari.

Untuk menggunakan sinyal positif kecil untuk menghidupkan sirkuit, transistor NPN harus digunakan. Tetapi output dari ini terbalik, dengan beban sisi tinggi, dan MOSFET saluran-P digunakan. Ini memiliki fitur bagus lainnya, yaitu beban dikendalikan dari sisi positif, dan tetap terhubung ke tanah saat transistor dimatikan.

Simbol skematis untuk MOSFET terlihat seperti perangkat penipisan (karena saluran ditarik padat, bukan sebagai tiga bagian). Ini mungkin hanya kesalahan. Sirkuit ini terlihat seperti pengaturan mode peningkatan pabrik yang berjalan.

MOSFET P-channel diaktifkan ketika gerbang diturunkan. Ini ditarik "terbalik". Anggap saja analog dengan PNP BJT.

Dioda "roda gila" melengkapi sirkuit untuk beban induktif ketika transistor / saklar terbuka. Induktor mencoba untuk menjaga arus yang sama mengalir ke arah yang sama. Biasanya, arus mengalir melalui loop transistor. Ketika itu tiba-tiba terputus, ia mengalir melalui loop dioda, sehingga arahnya melalui beban adalah sama, dan itu berarti mengalir sebaliknya melalui dioda. Agar kelanjutan arus ini terjadi, induktor harus menghasilkan "EMF kembali": tegangan yang arahnya berlawanan dengan yang sebelumnya diterapkan padanya.

Kaz
sumber
2

Anda harus menambahkan 4k7 dari gate to ground untuk menghindari FET Anda ketika io-pin Anda memiliki impedansi tinggi atau tidak terhubung. Dalam hal ini muatan sederhana dari tangan Anda dapat mengaktifkan MOSFET dan ada kemungkinan bahwa itu terus menerus untuk mendorong sirkuit Anda bahkan ketika tidak ada daya pada pin gerbang.

Menandai
sumber
2
Ketika Anda mengatakan "Anda", siapa yang Anda maksud: Kolosy (OP) atau Jim? Perhatikan bahwa skema dalam OP memiliki MOSFET P-channel (lawan dari N-channel) dan 10k pull-up di gerbang. Penarikan itu melakukan persis seperti yang Anda gambarkan.
Nick Alexeev
2
  1. Mengapa ada transistor lain yang terlibat (2N3904)? - sehingga pengemudi gerbang tidak melihat impedansi kurang dari 10rb (resistansi). 10k resistor dan BJT sebenarnya opsional, tetapi elegan jika ditambahkan. Sunting: Whoops, penting bagi PWM untuk bekerja dengan baik. itu membalikkan sinyal digital, yang diperlukan untuk PNP untuk bekerja seperti yang Anda inginkan. Anda masih dapat menghilangkan BJT jika Anda dapat membalikkan sinyal kontrol sebelum output.

  2. Dan mengapa ada dioda melintasi beban? - karena beban induktif (solenoida, motor, dll.) menyebabkan arus mengalir ke arah lain setelah dimatikan. Ketika Anda menggunakan PWM untuk mengontrol sesuatu, pada dasarnya dengan cepat dihidupkan dan dimatikan. Anda menghidupkan motor, rotor mulai berputar, Anda mematikannya, rotor masih berputar dan kemudian bertindak sebagai generator yang menyebabkan arus mengalir ke arah lain. Polaritas terbalik ini dapat merusak komponen, tetapi langsung dinegasikan begitu dioda ditambahkan.

cr4qsh0t
sumber
Bagaimana relay atau solenoida menghasilkan tegangan balik itu? Itu adalah dioda "flyback" dan itu ada untuk membatasi induktif "KICK" bahwa transistor (BJT atau FET) akan melihat ketika daya terputus. Pembalikan sederhana tidak akan melakukan banyak hal, namun, ketika arus terputus, induktor (yang merupakan motor, relay, dan solenoida adalah sejenisnya) akan menghasilkan tegangan negatif yang jauh lebih besar karena ia membuang arus. Tendangan itu bisa JAUH lebih besar dari tegangan sumber, dan itulah yang merusak. Lihat en.wikipedia.org/wiki/Flyback_diode
GB - AE7OO
1

Ini langsung ke teori MOSFET. Diagram tersebut menunjukkan DEPLETION MOSFET yang bekerja dengan persamaan Shockley: ID = IDSS (1-VGS / VP) ^ 2. Jelas bahwa pengontrol mikro bekerja dengan output 5 volt dan jika Anda menggunakannya secara langsung sebagai tegangan gerbang, Anda tidak dapat memperoleh arus maksimum dari sumber listrik (12 volt di atas). Transistor kedua berfungsi sebagai penyangga dan juga isolator untuk tujuan ini. Dan tentang dioda: dioda ini hampir selalu digunakan untuk muatan yang mengandung koil (sebagai motor atau relai). Tujuannya adalah penindasan arus mundur yang dibuat oleh kumparan sebagai induktor. Arus mundur ini dapat merusak MOSFET Anda.

Mari saya jelaskan bagian dioda: mari kita asumsikan kita memiliki saklar yang terhubung ke resistor dan kemudian induktor. (SW-RL-> Ground). masalah muncul ketika saklar dibuka sangat cepat yang berarti arus nol tiba-tiba di rangkaian tetapi kita tahu bahwa induktor tidak membiarkan arus nol tiba-tiba (VL = L di / dt). Ini berarti bahwa induktor mencari cara singkat untuk mengosongkan arusnya dan satu-satunya cara adalah membuat "percikan" di antara kepala sakelar. Kita dapat melihat fenomena ini dengan menghubungkan daya DC ke motor DC kecil. Kita dapat melihat meskipun motor tidak bekerja dengan tegangan tinggi, tetapi dengan menyentuh kabelnya dengan kabel listrik, "percikan yang sangat jelas" terlihat. Dengan mengganti sakelar dengan transistor, skenario yang sama terjadi dan percikan yang terus menerus menyebabkan kerusakan pada transistor.

Agustus
sumber
Induktor tidak membuat "arus mundur". Justru sebaliknya: mereka mencoba untuk menjaga arus yang sama mengalir ke arah yang sama.
Kaz
1
Simbol penipisan hampir pasti hanya kesalahan pilihan simbol. Sirkuit tidak bias untuk operasi mode deplesi.
Kaz
dapatkah Anda menguraikan "transistor kedua berfungsi sebagai buffer dan juga isolator?" lebih khusus - mengapa saya tidak bisa hanya menggunakan transistor itu sebagai "saklar" saya, mengapa ai memerlukan urutan dua dari mereka?
kolosy
-1: Saya rasa saya belum pernah melihat jawaban yang begitu detail, namun salah pada hampir setiap detail penting.
Dave Tweed
2
@ Ka: Anggap saja Anda hanya ingin menggunakan satu transistor (artinya N-Mosfet). Mari kita membuat contoh dunia nyata dengan IRFxxx N-Channel Enhancement. Saya menggunakan contoh ini karena MOSFET dapat membawa hingga 15 Ampere untuk beban. mari kita ambil satu dengan VGS-Threshold = 4 volt dan ID (on) = 14A pada 10 volts.by ID = k (VGS-VGSth) ^ 2, Jika Anda ingin mengendarainya pada 5 volt dari mikro, Anda hanya akan memiliki ID = 1.2 Arus tetapi dengan menggunakan transistor kedua, Anda mengemudi pada 0-12 volt dengan kisaran skala arus penuh.
Agustus