Tutorial: P-Channel step-up

P-Channel FET step-up

In het volgende plaatje zit een probleem. Wat als we vanuit een standaard controller (die een output heeft van 3,5 tot 5 Volt) een 12 Volts motor aan willen sturen? In de vorige entry is duidelijk gesteld, dat voor een P-Channel FET de V_GS negatief moet zijn om te geleiden.

Als de Gate niet op het zelfde niveau als de Source kan worden getrokken, dan blijft de FET dus in geleiding. En aangezien de gate spanning niet hoger kan worden dan 5 Volt; het maximale dat een microcontroller kan afgeven, is de Gate dus nooit op het niveau van de Source te krijgen. De FET blijft dus altijd geleiden!

Dit geldt niet voor een N-Channel FET: daar moet immers V_GS positief zijn om te geleiden, en Source ligt hier aan massa (0 Volt).

De oplossing

De oplossing voor dit probleem is het inzetten van een niveau verschuiver in de vorm van een NPN transistor:

Op het moment, dat de Basis van Q1(het 5 Volt PWM-signaal) 0,7 volt hoger wordt dat de Emitter (pijltje), gaat de transistor Q1 geleiden, de spanning op de gate van de FET daalt en de FET gaat geleiden.
Daalt de PWM spanning naar 0 Volt, dan gaat Q1 sperren, de Gate spanning stijgt (naar V_DD) en de FET zal weer sperren.

Dus bij een ingangsspanning van +5 tot 0 Volt is het toch mogelijk een Gate spanning te sturen tussen +12 (=V_DD) en 0 Volt.

Let op!

De negatieve zijde van alle accu's of voedingen moeten aan elkaar verknoopt worden. De positieve niet!!!

Dit verklaart, waarom Q5 en Q6 in het H-brug ontwerp zitten; IC2 wordt gevoed met 5 Volt, en kan dus geen uitgangsspanning van 12 Volt leveren. IC1 kan wel een voldoende spanning leveren; 5 volt is voldoende on Q1 en Q2 open te sturen en 0 Volt voldoende om die weer te laten sperren.

Achtergrond: N-Channel en P-Channel FET

N-Channel FETs en P-Channel FETs als schakelaar

Wanneer geleiden FET's nu eigenlijk, en wat is het verschil?

N-Channel FET

Een N-Channel FET (die met het pijltje naar de Gate plaat toe) geleidt op het moment, dat de spanning tussen Gate en Source positief is. Of te wel: de Gate moet hoger in spanning zijn dan de Source.

In dit plaatje ligt Source aan de negatieve kant van de batterij en de Gate wordt laag gehouden via de weerstand R2 naar de negatieve kant van de batterij. Er is dus geen spanningsverschil tussen Gate en Source (dus: U_GS is 0V) De FET zal dus sperren, en de LED is uit.
Als de schakelaar gesloten wordt, dan gaat de Gate spanning omhoog; deze wordt gelijk aan de batterijspanning; de FET zal geleiden, en de LED zal gaan branden. R1 zorgt voor een stroombegrenzing voor de LED; de stroom door een LED mag namelijk niet te groot worden (plm 20mA continue).

Hierboven de schakeling op het prototype deel van de AXE091.
De schakelaar S1 is, via de gele draad, SW3 op het AXE091 bord.

Hier zie je het resultaat als de schakelaar wordt ingedrukt, de gate krijgt spanning, de FET gaat geleiden en de LED brandt (zwak... het is een Monsanto "Special Product" uit 1980 - individueel(!) verpakt; tegenwoordige LEDs zijn efficiënter)

P-Channel FET

Een P-Channel FET (die met het pijltje van de Gate plaat af) geleidt op het moment, dat de spanning tussen Gate en Source negatief is. Of te wel: de Gate moet lager in spanning zijn dan de Source.

In dit plaatje ligt Source aan de positieve kant van de batterij en de Gate wordt hoog gehouden via de weerstand R2 naar de positieve kant van de batterij. Er is dus geen spanningsverschil tussen Gate en Source (dus: U_GS is 0V) De FET zal dus sperren, en de LED is uit.
Als de schakelaar gesloten wordt, dan gaat de Gate spanning omlaag naar 0V; de Source blijft op batterijspanning, en dus is de Gate lager in spanning dan de Source: de FET zal geleiden, en de LED zal gaan branden.

Samenvattend

Een N-Channel FET wordt open gestuurd door "positieve" spanning (V_G > V_S, of te wel: V_GS is positief). Een P-Channel FET wordt open gestuurd door een "negatieve" spanning (V_G < V_S, of te wel: V_GS is negatief)