Mosfetの使用とP対Nチャネル

Arduinoを使用して12Vソレノイドを有効/無効にしようとしています。私はHブリッジを使用し、それがうまく動作するようになりました。それから、私は物事を単純化し、マルチチャンネルHブリッジの代わりに単一のMOSFETを入手することに決め、非常に混乱しました。私はこの設定でPチャンネル（またはNチャンネル）MOSFETを使用する適切な方法を理解しようとしていますが、Googleでこのサンプル回路に出会いました：

なぜ別のトランジスタ（2N3904）が関係しているのか、また負荷にダイオードがあるのはなぜですか？

が高くなると（ +超えると）Pチャネルがアクティブになるため、プルアップが行われることを理解しています。MCU（この場合はPIC）は同じことをすべきではありませんか？$V_{gate}$$V_{source}$$V_{drain}$

また、（ソレノイドのように）負荷をオンまたはオフにするだけのシナリオでは、NチャネルとPチャネルを使用する理由はありますか？

回路内のPおよびNチャネルMOSFETの動作を比較します。

（比較を容易にするために、接合トランジスタを残しました。）

PIC出力は12Vに接続されることを好まないため、トランジスタはバッファまたはレベルスイッチとして機能します。PICからの出力が0.6V（ish）を超えると、トランジスタがオンになります。

PチャネルMOSFET。（ドレインとグランドの間に接続された負荷）

PIC出力がLOWの場合、トランジスタはオフで、P MOSFETのゲートはHIGH（12V）です。これは、P MOSFETがオフであることを意味します。

PICの出力がHIGHになると、トランジスタがオンになり、MOSFETのゲートがLOWになります。これにより、MOSFETがオンになり、電流が負荷に流れます。

NチャネルMOSFET。（ドレインと+ 12Vの間に接続された負荷）

PIC出力がLOWの場合、トランジスタはオフで、P MOSFETのゲートはHIGH（12V）です。これは、N MOSFETがオンになり、電流が負荷に流れることを意味します。

PICの出力がHIGHになると、トランジスタがオンになり、MOSFETのゲートがLOWになります。これにより、MOSFETがオフになります。

「改善された」MOSFET回路。

デジタルN MOSFETタイプを使用することでトランジスタを排除できます。PIC出力からの0〜5V信号のみが動作し、PIC出力ピンを12V電源から分離します。

PIC出力がHIGHの場合、MOSFETはオンになり、LOWの場合、MOSFETはオフになります。これは、元のP MOSFET回路とまったく同じです。直列抵抗は、ゲート容量をより迅速に充電または放電することにより、ターンオン、ターンオフ時間を支援するために小さくなりました。

デバイスの選択は基本的に設計のニーズに依存しますが、この場合、デジタルタイプN MOSFETは単純さの点で勝ちます。

バイポーラトランジスタは、MOSFETのドライバとして存在します。DCに対しては、MOSFETの抵抗は非常に高いため、開回路のように見えますが、実際には容量性です。電源を入れるには、電荷を転送する必要があり、そのためには電流駆動が必要です。

BJT（および全体的な回路設計）には、次の利点もあります：小さく予測可能なターンオン電圧。そこで異なるBJTを置き換えることができ、動作は同様になります。

追加のトランジスタのもう1つの利点は、追加のトランジスタステージに電圧ゲインがあることです。これにより、入力を見る入力から見て、オフからオンへの急激な移行が可能になります。

小さな正の信号を使用して回路をオンにするには、NPNトランジスタを使用する必要があります。ただし、この出力はハイサイド負荷で反転されるため、PチャネルMOSFETが使用されます。これには、もう1つの優れた機能があります。負荷がプラス側から制御されるため、トランジスタがオフになったときに接地されたままになります。

MOSFETの回路図記号は、空乏デバイスのように見えます（チャネルが3つのセクションとしてではなく、実線で描かれているため）。これはおそらく単なる間違いです。この回路は、すぐに使用できる強化モードのセットアップのように見えます。

ゲートがローになると、PチャネルMOSFETがアクティブになります。「逆さま」に描かれています。PNP BJTに類似していると考えてください。

「フライホイール」ダイオードは、トランジスタ/スイッチが開くと誘導性負荷の回路を完成させます。インダクタは、同じ方向に流れる同じ電流を維持しようとします。通常、その電流はトランジスタループを流れます。それが突然切断されると、負荷を通る方向が同じになるように、ダイオードループを流れます。つまり、ダイオードを逆方向に流れます。電流がこのように連続するためには、インダクタは「逆起電力」、つまり、以前に印加された方向と逆方向の電圧を生成する必要があります。

ioピンが高インピーダンスであるか、接続されていないときにFETが導通しないように、ゲートからグランドに4k7を追加する必要があります。この場合、手からの簡単な充電でMOSFETを作動させることができ、ゲートピンに電力が供給されていなくても回路を駆動し続ける可能性があります。

1. なぜ別のトランジスタが関係しているのですか（2N3904）？-ゲートドライバーが10kインピーダンス（抵抗）を下回らないようにするため。10k抵抗とBJTは実際にはオプションですが、追加すればエレガントです。編集：おっと、PWMが正しく動作するために不可欠です。PNPが希望どおりに動作するために必要なデジタル信号を反転します。出力前に制御信号を反転できる場合は、BJTを省略できます。

2. そして、なぜ負荷にダイオードがあるのですか？-誘導性負荷（ソレノイド、モーターなど）がオフになると、電流が反対方向に流れるためです。PWMを使用して何かを制御している場合、基本的にすばやくオンとオフに切り替わります。モーターをオンにすると、ローターが回転し始め、オフにすると、ローターはまだ回転し、発電機として機能して、電流を他の方向に流します。この逆極性はコンポーネントに損傷を与える可能性がありますが、ダイオードが追加されるとすぐに無効になります。

これは、MOSFETの理論に直接つながります。この図は、Shockleyの式：ID = IDSS（1-VGS / VP）^ 2で動作するDEPLETION MOSFETを示しています。マイクロコントローラーが5ボルトの出力で動作することは明らかであり、それをゲート電圧として直接使用すると、電源から最大電流を得ることができません（上記の12ボルト）。2番目のトランジスタは、この目的のためにバッファおよびアイソレータとして機能します。そして、ダイオードについて：このダイオードは、ほとんどの場合、コイルを含む負荷に使用されます（モーターまたはリレーとして）。目的は、コイルがインダクタとして作る逆電流の抑制です。この逆電流はMOSFETを損傷する可能性があります。

ダイオードの部分について説明しましょう：抵抗器とインダクタに接続されたスイッチがあると仮定しましょう（SW-RL-> Ground）。スイッチが非常に速く開いたときに問題が発生します。これは、回路内の突然のゼロ電流を意味しますが、インダクタは突然のゼロ電流（VL = L di / dt）を許容しません。これは、インダクタが電流を空にするための短い方法を探し、唯一の方法がスイッチのヘッド間に「火花」を作ることであることを意味します。この現象は、DC電源を小さなDCモーターに接続することで確認できます。モーターは高電圧では動作していませんが、電源コードでワイヤに触れると「非常に明らかな火花」が見られます。スイッチをトランジスタに置き換えると、同じシナリオが発生し、これらの連続火花が発生しますトランジスタの損傷。