استخدام ترانزستور Mosfet كمفتاح إلكتروني

استخدام ترانزستور Mosfet كمفتاح إلكتروني

لقد رأينا سابقاً أنَّ وضع الوصل -أن ترانزستور e-MOSFET ترانزستور الأثر الحقلي نوع معدن-أكسيد نصف ناقل MOSFET الإغنائي ذي القناة N- يعمل باستخدام جهد دَخل موجب، ويملك مقاومةَ دخل عالية (لا نهائية تقريباً)، ما يجعله قادراً على الاتصال بأيِّ بوابة منطقيَّة أو دارة قيادة قادرة على إنتاج جهد موجب.كما رأينا أنه يمكننا بفضل مقاومة الدخل العالية للبوابة أن نصل إلى أكثر من ترانزستور MOSFET على التفرع وصولاً آمناً حتى نحصل على سعة التّيار المطلوبة.

على الرغم من أن وصل ترانزستورات MOSFET على التوازي، يمكننا من التحكم في حمولة التيار العالي وحمولة الجهد العالي، إذ إن ذلك مكلِّفٌ وغيرُ عملي من ناحية مكونات الدارة والمساحة المتاحة على لوح الدارة. وقد طُوِّرت ترانزستوراتُ الأثر الحقليّ ذات الاستطاعة العالية Power FET لحلِّ هذه المشكلة.

نعلم أنَّ هناك اختلافين أساسيين بين نوعي ترانزستورات الأثر الحقلي FET. فترانزستورات JFET تعمل في وضع الإفقاري (depletion-mode) في حينِ تعمل ترانزستورات MOSFET في وضع الإغنائي (enhancement-mode) والإفقاري.

في هذا المقال سنلقي نظرةً على استخدامات ترانزستورات MOSFET بوضعِ الوصل عند تطبيق جهد مرتفع كقواطعَ. تطلب هذه الترانزستورات جهداً موجباً على البوابة لتكون في حالة توصيل ON، وجهداً يساوي الصفرَ على البوابة لتصبح في حالة قطعٍ OFF. ممّا يسهّل فَهم آلية عملها كقواطعَ ويسهّل وصلها إلى البوابات المنطقيّة.

أفضلُ طريقة لوصفِ عمل ترانزستور MOSFET -بوضع التّوصيل عند تطبيق جهد مرتفع (e–MOSFET)- هي باستخدامِ منحني المواصفات (I–V)، جهد – تيار الموضح في الأسفل. عندما تكون قيمة جهد الدخل Vin صفراً على بوابة الترانزستور يكون التيّار المنقول بالترانزستور معدوماً نظريّاً، وتكون قيمة جهد الخرج Vout مساوية لجهد التغذيّة VDD، وبذلك يكون MOSFET في حالة قطع «off». ويعمل في منطقة القطع «Cut-off».

منحنيات خواص ترانزستور Mosfet:

منحني جهد – تيار (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)
منحني جهد – تيار (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

يُحدد أصغرُ قيمة لجهد الدخل المطبق على البوابة للحفاظِ على الترانزستور في حالة وصل عند قيمة تيار المصرِف المختارة من منحني الخصائص في الأعلى.

عندما يكون جهدُ الدخل Vin عالياً أو مساوياً لجهد التغذية «VDD» فإن نقطة العمل Q للترانزستور تتحرَّك باتجاه النقطة «A». على طول خطِّ الحمل.

يزداد تيار التَّصريف ID على قيمته العظمى بسبب نقصان مقاومة القناة. وتصبح للتيار ID قيمةٌ ثابتةٌ مستقلة عن VDD، ومتعلقة بقيمة «VGS» فقط، ولذلك يسلك الترانزستور مسلكاً مشابهاً لقاطع مغلق، ولكن لا تتناقص قيمة مقاومة القناة عند الوصل إلى الصفر، وذلك بسبب قيمة «RDS(ON)»، ولكن تصبح قيمتُها صغيرة جدّاً.

وبطريقة مماثلة، عندما تكون قيمة Vin منخفضة أو مساوية للصفر، تتحرك نقطةُ العمل«Q» للترانزستور من النقطة«A» إلى النقطة «B» على طول خطّ الحمل، وتكون مقاومة القناة مرتفعة جدّاً، ولذلك يعمل الترانزستور مثل دارة مفتوحة، ولا يمرُّ التيار بالقناة. إذاً بما أن قيمة الجهد لبوابة MOSFET يتراوح بين قيمتين عالية ومنخفضة، فإن مسلك قاطع سيسلك حالة ثابتة بدخل وحيد وخرج وحيد (SPST)، وتُعرف هذه الحالةُ بـ:

 منطقة القطع:


وتكون -في هذه الحالة- مواصفاتُ عملِ الترانزستور هي جهدَ دخل Vin صفريّ وتيار مصرِف ID صفري وجهد خرج VDS=VDD، وبذلك تكون القناة مغلقةً والترانزستور مفصولاً بالنسبة الـMOSFET في وضعية الوصل عند تطبيق جهد مرتفع.

  • البوابة والدخل مؤرضين (0 فولت).
  • قيمة جهد البوابة-منبع أقل من قيمة جهد العتبة VGS<Vth.
  • ترانزستور MOSFET في حالة قطع (يعمل في منطقة القطع).
  • لا يتدفق تيار في المصرف ID=0 أمبير.
  • Vout=VDS=VDD=1.
  • يعمل MOSFET كقاطع مفتوح.
قاطع MOSFET مفتوح(مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)
قاطع MOSFET مفتوح(مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

إذاً نستطيع تعريف منطقة القطع أو وضع القطع عندما نستخدم e–MOSFET كقاطعَ عندما تكون قيمة جهد البوابة VGS<Vth ومِن ثَمَّ ID=0. بالنسبة الــ MOSFET ذي القناة من النوع P في وضعية الوصل عندَ تطبيق جهد مرتفع يجب أن يكون كمون البوابة أعلى من كمون المنبع.

منطقة الإشباع:

سيتم انحياز الترانزستور إلى منطقة الإشباع (أو المنطقة الخطيّة) بتطبيق جهد بوابة أعظمي، وبالنتيجة ستصبح قيمةُ مقاومة القناة RDS(ON) أصغر ما يمكن، وسيمرُّ تيار مصرف أعظمي بقاطع MOSFET. ومن ثمَّ فإن القناة الناقلة مفتوحة والترانزستور موصول في MOSFET بوضعية الوصل عند تطبيق جهد مرتفع.

  • وُصِّلَ الدخلُ والبوابة إلى VDD.
  • جهد البوابة-منبع أعلى من جهد العتبة VGS>Vth.
  • MOSFET موصول (في منطقة الإشباع).
  • تيار المصرِف أعظمي ID=VDD/RL.
  • VDS= 0 V (في حالة الإشباع المثالية).
  • مقاومة القناة أصغرية RDS<0.1Ω.
  • Vout=VDS بسبب RDS(on).
  • يعمل MOSFET كمقاومةٍ منخفضة (قاطع مغلق).
قاطع MOSFET مغلق (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)
قاطع MOSFET مغلق (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

وعليه، يمكننا تعريف منطقة الإشباع أو وضع الوصل عند استخدام e-MOSFET كقاطع عندما يكون جهد البوابة-منبع VGS>Vth، وتكون قيمة تيار المصرف أعظمية ID=Maximum.

بالنسبة إلـMOSFET ذي القناة من النوع P في وضعية الوصل عند تطبيق جهد مرتفع، يجب أن يكون كمونُ البوابة سالباً بالنسبة إلى كمونِ المنبع.

يمكن تغييرُ قيمة مقاومة المصرف-منبع RDS(on) في FET من مقاومة قطع من رتبة مئات الكيلو أوم (دارة مفتوحة) إلى مقاومة وصل قيمتُها أقلُّ من 1 أوم (دارة مغلقة) بتطبيق جهد مناسب على البوابة.

يمكن التحكُّم بسرعة وصل مفتاح MOSFET كما يمكن التحكُّم بالتيار الذي يمرره، وهذا ما يجعل MOSFET أكثر فاعلية في الاستخدام كقاطع ذي سرعات وصل وفصل أعلى من الترانزستورات ثنائية القطبية.

مثال على استخدام MOSFET كقاطع:

 استخدام قاطع MOSFET لتشغيل مصباح (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)
استخدام قاطع MOSFET لتشغيل مصباح (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

سنستخدم مِفتاحَ MOSFET بقناة من النوع «N» في وضع الوصل عند تطبيقِ جهدٍ مرتفع لتشغيل مصباح وإطفائها (أو ليد). يُرفع جهدُ الدخل VGS إلى قيمة موجبة مناسبة لوصل الترانزستور وعلى ذلك، فيكون المصباح في الحمولة إما مناراً VGS=+Ve، وإما يكون جهد الدخل صفراً مما يقطع الترانزستور VGS=0V.

إذا استبدِلَ حملُ المقاومة (المصباح) بحمل تحريضيّ مثل ملف أو ريليه فيجب وصل ديود انحياز عكسيّ flywheel على التوازي مع الحمل لحماية الترانزستور من أي قوة دافعة كهربائية عكسيّة مولدة ذاتياً.

عرضنا في الأعلى دارةً لفصل ووصل حمولة مقاومة مثل مصباح أو ليد، ولكن سنحتاج إلى نمط حماية معين عند استخدام MOSFET الاستطاعة العالية للتحكم في حمولة رديّة أو سعوية، لحماية الترانزستور من الضرر. يملك التحكُّم في حمولة سعوية التأثير العكسي للتحكُّم في حمولة رديّة.

على سبيل المثال، تعتبر المكثفة غير المشحونة دارة مقصورة، مما يؤدي إلى تدفق تيار كبير عبرها، وعندما نزيلُ الجهد عن الحمولة التحريضيّة؛ سيتشكل جهد عكسي كبير عليها نتيجة انهيار الحقل المغناطيسي، مما يؤدي إلى تشكل قوة دافعة كهربائية عكسية في لفات الملف.

يمكننا تلخيص مواصفات القطع والوصل لترانزستورات MOSFET ذات القناة من النوع P وN في الجدول التالي.

VGS>>0 VGS=0 VGS<<0 نوع MOSFET المستخدم
On Off off قناة N وصل عند تطبيق جهد مرتفع
On On off قناة N وصل عند تطبيق جهد صفري
Off Off on قناة P وصل عند تطبيق جهد مرتفع
Off On on قناة P وصل عند تطبيق جهد صفري

نلاحظ أن في MOSFET القناة N يجب أن يكون كمون البوابة أعلى (ليجذب الإلكترونات) من جهد المنبع للسماح للتيار بالمرور بالقناة. على حين، في MOSFET القناة P يعتمد نقل التيار على الثقوب، لذا يجب أن يكون كمون البوابة سالباً بالنسبة إلى المنبع ليمر التيار ويتوقف عن النقل عندما يصبح كمون البوابة موجباً بالنسبة إلى المنبع.

إذاً، لكي نستخدمَ MOSFET في وضع الوصل عند تطبيق جهد مرتفع كقاطع تناظري يجب الانتقال بين منطقة القطع حيث: VGS=0V أو VGS=-Ve، ومنطقة الإشباع حيث: VGS=+Ve. تتعلق الاستطاعة المبددةُ PD في MOSFET بالتيار المتدفق خلال القناة ID في حالة الإشباع وبمقاومة القناة عند الوصل ويرمز لها بـ RDS(on).

مثال1: استخدام MOSFET كقاطع:

بفرض أن المواصفات الاسميَّة للمصباح هي 24W و6V، وأن المصباحَ منارٌ تماماً، ومقاومة وصل MOSFET هي RDS(on) = 0,1ohms. احسبِ الاستطاعةَ المبددة في قاطع MOSFET.

يحسب التيار المارّ ع بالمصباح باتباع ما يلي:

وتكون الاستطاعةُ المبددة:

P=I2*R

PD=I2D*RDS

PD=42*0.1=1.6Watt

قد تسأل عن أهمية هذه الحسابات، تعدُّ قيمة مقاومة قناة الوصل RDS(on) بين المصرِف والمنبع مهمّة جدًا عند استخدام MOSFET كقاطع للتحكُّم في محركات التيار المستمر أو الأحمال الكهربائيّة ذات تيار إقلاع كبير. فعلى سبيل المثال، يتعرض MOSFET الذي يتحكم في محرك التيار المستمر إلى تيار إقلاع كبير عند بداية دوران المحرك، لأن تيار إقلاع المحرك محدودٌ بمقاومة ملفاته المنخفضة جدّاً فقط.

بالاعتماد على العلاقة الأساسيّة للاستطاعة: P=I2*R، إذا كانت مقاومة القناة RDS(ON) كبيرة، فهذا سيؤدي إلى تبديد كمية كبيرة من الاستطاعة في MOSFET مما يؤدي إلى ارتفاع كبيرٍ في درجة الحرارة، وإذا لم يُتحكُّم في الحرارة فذلك سيؤدي إلى تسخين MOSFET تسخيناً شديداً وتلفه نتيجة الحمل الحراريّ الزائد.

تعدُّ قيمة المقاومة RDs(on) المنخفضة عاملاً مرغوباً به، إذ تساعد في تقليل جهد الإشباع الفعّال للقناة VDS(sat)=ID*RDs(ON) على طرفي MOSFET وبذلك، فسيعمل الترانزستور عند درجة حرارة أقل انخفاضاً. تملك ترانزستورات MOSFET ذات الاستطاعة العالية قيمَ مقاومة RDs(on) أقلَّ من 0,01Ω مما يمكنها من العمل عند درجات حرارة منخفضة نسبياً ويعطيها عُمُرَ عملٍ أطولَ.

يعدُّ تيارُ المصرِف الأعظميّ -الذي يُمكن للترانزستور تحملُه- أحدَ المعوقات الرئيسة في استخدام MOSFET. لذلك تكون قيمة RDS(on) معياراً مهماً لتحديد كفاءة الترانزستور كقاطع ويمكن حسابُها بسهولة من النسبة VDS/ID حين يكون الترانزستور في حالة وصلٍ.

ينصح دائماً -عند استخدام MOSFET أو أي ترانزستور أثر حقلي- باختيارِ الترانزستورات بمقاومة RDS(on) منخفضة أو تركيب الترانزستورات على مبددّ حرارة؛ لتقليل الأضرار الناتجة عن الحرارة. غالباً ما تحوي ترانزستورات MOSFET الاستطاعة العالية دارةَ حمايةٍ من قفزات التيار ضمنَ تصميمِها، ولكن يُفضل استخدامُ ترانزستورات ثنائية القطبية BJT في تطبيقات التيار المرتفع.

استخدام MOSFET الاستطاعة العالية للتحكم في المحركات:

تعدُّ ترانزستورات MOSFET مثاليةً للوصل بمضخمات العمليات والبوابات المنطقية المعياريَّة، وذلك بسبب مقاومة دخلها (البوابة) المرتفعة وسرعة الفصل والوصل العالية وسهولة التحكُّم فيها. ولكن يجبُ الانتباهُ للاختيار الصحيح لجهد الدخل (بوابة-منبع)، لأن مقاومة القناة RDS(on) ستكون منخفضة بالنسبة إلى جهد دخل البوابة عند استخدام MOSFET كمِفتاح إلكترونيّ.

يمكن ألّا ينتقل MOSFET الاستطاعةَ العاليةَ ذا العتبة المرتفعة إلى حالة وصل حتى وصول جهد البوابة إلى القيمة 3 أو 4 فولت، وبالتالي قد تكون البوابات المنطقية ذات جهد العمل +5 فولت غير كافية لإيصال MOSFET إلى منطقة الإشباع إيصالاً كاملاً. لذلك تتوافر ترانزستورات MOSFET ذات عتبة تشغيل أقل بين 1.5 – 2.0 فولت لتتمكن من وصلها بالبوابات المنطقية نوع CMOS وTTL.

يمكن استخدامُ MOSFET الاستطاعة العالية للتحكُّم في حركة محركات التيار المستمر ومحركات الخطوة بغير مسفرات باستخدام الخرج المنطقي من الحاسوب مباشرة أو باستخدام متحكمات تحوي مخارجَ تعديل عرض النبضة (PWM). يتميز محرك التيار المستمر بعزم إقلاع كبير يتناسب وتيارَ ملفات الدائر، فيمكن استخدام MOSFET مع مخرج PWM للتحكم في سرعة المحرك وليعمل عملاً هادئاً وسلساً.

مثال بسيط على استخدام MOSFET الاستطاعة العالية للتحكم بمحرك:

 استخدام MOSFET استطاعة عالية للتحكم في محرك تيَّار مستمر (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)
استخدام MOSFET استطاعة عالية للتحكم في محرك تيَّار مستمر (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

بما أن حمولة المحرك حثيةٌ، فإنه يُوصل ديود Flywheel على التفرع بالمحرك؛ للحماية من القوة المحركة الكهربائية العكسية عن إطفاء المحرك باستخدام MOSFET. تشُكل دارةُ إزاحة جهد Clamper باستخدام ديود زينر موصول على التسلسل بديود مما يسمح بالفصل والوصل السريعين والتحكُّم في الجهد العكسي الأعظم وزمن تلاشي التيار في الملفات.

وُصِّل ديود سيليكونيّ أو ديود زينر D1 على التفرع بقناة مِفتاح MOSFET للمزيد من الأمان عندَ استخدام الحمولة الحثية، مثلُ: المحركات والريليهات والملفات وغيرها، مما يحمي MOSFET من الحالات العابرة والضجيج. تستخدم المقاومة RGS لجعل قيمة جهد خرج دارة TTL المنطقية مساويًا للصفر عندما يكون MOSFET مغلقًا.

استخدام MOSFET بقناة من النوع P كمفتاح إلكتروني:

استخدام MOSFET بقناة من النوع P كمفتاح إلكتروني (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)
استخدام MOSFET بقناة من النوع P كمفتاح إلكتروني (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

تكلمنا إلى حد الآن عن استخدام MOSFET بقناة من النوع N كمفتاح، بحيث يُوصل بين الحمولة والأرض. مما يمكّن البوابة أو الإشارة التي تتحكم في ترانزستور MOSFET من استخدام الأرضي كمرجع (الوصل من الأسفل).

ولكن تتطلب بعض التطبيقات استخدام MOSFET بقناة من النوع P في وضع الوصل عند تطبيق جهد مرتفع، إذ يُوصل الحملُ مباشرة بالأرضي. في هذه الحال، نضعُ المِفتاح بين منبع الجهد الموجب والحمولة (الوصل من الأعلى) كما نفعل عند استخدام ترانزستورات PNP.

يكون تدفق تيار المصرف الطبيعي في ترانزستور من النوع P بالاتجاه السالب؛ لذلك علينا تطبيقُ جهدٍ سالب لوصل المِفتاح ON.

يتم ذلك بتركيب MOSFET القناة P تركيباً مقلوباً، بحيث يكون دخل المنبع موصولًا بجهد التغذية +VDD. وعلى ذلك، عند وصل المفتاح مع الجهد المنخفض توصل MOSFET الدارةَ، وعندما تُوصل بالجهد المرتفع؛ تفصل الدارة.

يُمكِّننا الوصلُ وصلاً مقلوباً لـMOSFET القناة P في وضع الوصل عند تطبيق جهد مرتفع من وصله على التسلسل بـMOSFET قناة N في وضع الوصل عند تطبيق جهد مرتفع لتشكيل مِفتاح «CMOS» متكامل بوحدة تغذية مزدوجة.

مفتاح MOSFET للتحكم المتكامل في المحرك:

 مفتاح MOSFET للتحكم المتكامل بالمحرك (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)
مفتاح MOSFET للتحكم المتكامل بالمحرك (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

وُصِّلَ ترانزستوري MOSFET لتشكيل مِفتاح ثنائيّ الاتجاه بمساعدة وحدة تغذية مزدوجة (تعطي جهداً موجباً وسالباً يكافئه بالقيمة ويعاكسه بالاتجاه والأرضي)، ووصِّل المحركُ بين المصرف المشترك للترانزستورين والأرض. عندما يكون جهد الدخل منخفضاً، سيكون MOSFET القناة P في وضع توصيل، إذ إن وصلة البوابة-منبع منحازة بشكل سالب، مما يؤدي إلى دوران المحرك باتجاه معين. يُغذَّى المحركُ في هذه الحالة من مدخل الجهد الموجب VDD+.

عندما يصبح جهد الدخل موجباً، يغلق MOSFET القناة P ويقوم MOSFET القناة N بالوصل، إذ تكون وصلة البوابة منبع منحازة بشكل موجب. سيدور المحرك في هذه الحالة بالاتجاه المعاكس لأن الجهد قد انعكس على نهايتيه، وتُغذَّى من مدخل الجهد الموجب VDD- .

إذاً استخدمنا MOSFET القناةَ P لوصل المنبع الموجب لتدوير المحرك إلى الأمام (الوصل من الأعلى) وMOSFET القناة N لوصل المنبع السالب بالمحرك ليدور بالاتجاه المعاكس (الوصل من الأسفل).

ثَمَّ عددٌ من الطرائق للتحكُّم في مِفتاحي MOSFET ويمكن استخدامُهما في تطبيقات عدّة.  يمكن التحكُّم في كلا الترانزستورين بقناة N وP باستخدام دارة متكاملة بخَرْج واحدٍ كما هو مبيّنٌ في الصورة.

ولكن لكي نتجنبَ الوصل المزدوج، أيْ: وصلَ مِفتاحي MOSFET في نفس الوقت، ووصل قطبي التغذية بالمحرك، يجب على أجهزة التحكُّم توفيرُ فاصلٍ زمنيٍّ بين فصل أحد القاطعين ووصل الآخر. أحد الحلول هو التحكُّم في كل قاطع ببوابة منفصلة، وهذا يوفر لدينا خياراً ثالثاً بالتحكَّم في المحرك «التوقف عن الدوران». وذلك عندما يكون كلا القاطعان مفصولين.

يرجى الانتباهُ لعدم وصل القاطعين في نفس الوقت؛ لأن ذلك يؤدي إلى قصر وحدة التغذية.

جدول التحكم المتكامل في المحرك باستخدام قاطعي MOSFET:

وضع المحرك MOSFET1 MOSFET2
المحرِّك يتحرك بالاتجاه المباشر موصول مفصول
المحرِّك يتحرك بالاتجاه العكسي مفصول موصول
المحرِّك متوقف مفصول مفصول
غير مسموح موصول موصول

المصدر: هنا

ترجمة: يوسف حسن، مراجعة: عدي ناصر، تدقيق لغوي: محمد بابكر، تصميم: علي العلي، تحرير: علي العلي.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.