Uso de Mosfet y canal P vs N

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:

¿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 $V_{gate}$ se eleva (por encima de $V_{source}$ + $V_{drain}$ ), 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?

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

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.