Uso de Mosfet e canal P vs N

Estou tentando usar um Arduino para ativar / desativar um solenóide de 12V. Usei uma ponte H e consegui que funcionasse bem. Decidi simplificar as coisas e obter um único mosfet em vez de uma ponte H multicanal e fiquei muito confuso. Estou tentando entender a maneira correta de usar um mosfet de canal P (ou canal N) nessa configuração e me deparei com este circuito de amostra no google:

Por que há outro transistor envolvido (o 2N3904) e por que existe um diodo na carga?

Eu entendo que um canal P é ativado quando é elevado (acima de + ), daí o pull-up, mas por que o transistor extra? O MCU (nesse caso, o PIC) não deveria estar fazendo a mesma coisa?$V_{gate}$$V_{source}$$V_{drain}$

Além disso - no cenário em que tudo o que estou fazendo é ativar ou desativar uma carga (como meu solenóide), existe um motivo para usar um canal N versus um canal P?

Compare as ações de um MOSFET de canal P e N em seu circuito.

(Deixei o transistor de junção para ajudar na comparação.)

A saída PIC não gosta de ser conectada a 12V, portanto o transistor atua como um buffer ou comutador de nível. Qualquer saída do PIC superior a 0,6V (ish) ligará o transistor.

P CANAL MOSFET . (Carga conectada entre Dreno e Terra)

Quando a saída PIC está BAIXA, o transistor está DESLIGADO e a porta do P MOSFET é ALTA (12V). Isso significa que o P MOSFET está desligado.

Quando a saída do PIC é ALTA, o transistor é LIGADO e puxa a porta do MOSFET LOW. Isso ativa o MOSFET e a corrente flui através da carga.

N CANAL MOSFET . (Carga conectada entre Dreno e + 12V)

Quando a saída PIC está BAIXA, o transistor está DESLIGADO e a porta do P MOSFET é ALTA (12V). Isso significa que o N MOSFET está LIGADO e a corrente fluirá através da carga.

Quando a saída do PIC é ALTA, o transistor é LIGADO e puxa a porta do MOSFET LOW. Isso desliga o MOSFET.

O circuito MOSFET 'aprimorado' .

Poderíamos eliminar o transistor usando um tipo N MOSFET digital - ele precisa apenas do sinal 0-5V da saída PIC para operar e isola o pino de saída PIC da fonte de 12V.

Quando a saída PIC é ALTA, o MOSFET é LIGADO, quando é BAIXO, o MOSFET é DESLIGADO. É exatamente o mesmo que o circuito P MOSFET original. O resistor em série foi reduzido para ajudar na hora de ligar, desligar, carregando ou descarregando a capacitância do portão mais rapidamente.

A escolha do dispositivo se resume basicamente às suas necessidades de design, embora, neste caso, o MOSFET digital do tipo N seja fácil em termos de simplicidade.

O transistor bipolar está presente como um driver para o MOSFET. Embora para DC, os MOSFETS tenham uma resistência muito alta e pareçam circuitos abertos, eles são realmente capacitivos. Para ligar, a carga precisa ser transferida para eles, e fazer isso rápido requer direção atual.

O BJT (e o design geral do circuito) também traz a seguinte vantagem: uma voltagem pequena e previsível da tensão. Você pode substituir BJTs diferentes, e o comportamento será semelhante.

Mais uma vantagem do transistor extra é que o estágio do transistor extra tem ganho de tensão, o que ajuda a criar uma transição mais nítida de desligado para ligado, da perspectiva da entrada observada.

Para usar um sinal pequeno e positivo para ligar o circuito, é necessário usar um transistor NPN. Mas a saída disso é invertida, com uma carga lateral alta e, portanto, um MOSFET de canal P é usado. Isso tem outro recurso interessante: a carga é controlada pelo lado positivo e permanece aterrada quando o transistor é desligado.

O símbolo esquemático do MOSFET parece um dispositivo de esgotamento (já que o canal é desenhado sólido, e não como três seções). Provavelmente isso é apenas um erro. O circuito parece uma configuração do modo de aprimoramento de fábrica.

O MOSFET do canal P é ativado quando o portão é desativado. É desenhado "de cabeça para baixo". Pense nisso como análogo a um PNP BJT.

O diodo "volante" completa o circuito da carga indutiva quando o transistor / chave é aberto. Um indutor tenta manter a mesma corrente fluindo na mesma direção. Normalmente, essa corrente flui através do loop do transistor. Quando isso é cortado abruptamente, ele flui através do loop do diodo, de modo que sua direção através da carga seja a mesma, e isso significa fluir na direção oposta através do diodo. Para que essa continuação de corrente ocorra, o indutor precisa gerar "EMF de volta": uma voltagem cuja direção é oposta à que foi aplicada anteriormente a ela.

Você deve adicionar um 4k7 do portão ao terra para evitar que o seu FET seja conduzido quando o seu pino io estiver com alta impedância ou não estiver conectado. Nesse caso, uma simples carga da sua mão pode ativar o mosfet e existe a chance de ele continuar acionando seu circuito mesmo quando não há energia no pino do portão.

1. Por que há outro transistor envolvido (o 2N3904)? - para que o driver do portão não veja menos que 10k de impedância (resistência). O resistor de 10k e o BJT são realmente opcionais, mas elegantes se adicionados. Edit: Opa, é essencial que o PWM funcione corretamente. inverte um sinal digital, necessário para que um PNP funcione da maneira que você deseja. você ainda pode omitir o BJT se puder inverter o sinal de controle antes da saída.

2. E por que existe um diodo na carga? - porque cargas indutivas (solenóides, motores, etc.) fazem com que as correntes fluam na outra direção, uma vez desligadas. Como você está usando o PWM para controlar algo, ele basicamente liga e desliga rapidamente. Você liga o motor, o rotor começa a girar, você o desliga, o rotor ainda gira e depois atua como um gerador, fazendo com que a corrente flua na outra direção. Essa polaridade reversa pode danificar os componentes, mas é instantaneamente negada quando o diodo é adicionado.

Isso vai diretamente para a teoria dos MOSFETs. O diagrama mostra um MOSFET DE DEPLEÇÃO que funciona com a equação de Shockley: ID = IDSS (1-VGS / VP) ^ 2. É óbvio que o microcontrolador trabalha com saída de 5 volts e, se você o usar diretamente como tensão de porta, não poderá obter a corrente máxima da fonte de alimentação (12 volts acima). O segundo transistor funciona como um buffer e também isolador para essa finalidade. E sobre o diodo: esse diodo é quase sempre usado para cargas que contêm bobinas (como um motor ou um relé). O objetivo é suprimir a corrente reversa produzida pela bobina como indutor. Essa corrente reversa pode danificar seu MOSFET.

Deixe-me explicar a parte do diodo: vamos assumir que temos um interruptor conectado a um resistor e depois a um indutor (SW-RL-> Terra). o problema surge quando a chave é aberta muito rapidamente, o que significa corrente zero repentina no circuito, mas sabemos que os indutores não deixam corrente zero repentina (VL = L di / dt). Isso significa que o indutor procura uma maneira curta de esvaziar sua corrente e a única maneira de fazer uma "faísca" entre as cabeças do comutador. Podemos ver esse fenômeno conectando uma energia CC a um pequeno motor CC. Podemos ver que, embora o motor não esteja funcionando com alta tensão, mas ao tocar seus fios com o cabo de alimentação, "faíscas muito óbvias" são vistas. Ao substituir o comutador por um transistor, o mesmo cenário ocorre e essas faíscas contínuas levam a o dano ao transistor.