ماسفت سوئیچینگ

ماسفت سوئیچینگ قطعات‌الکترونیکی بسیار‌خوبی برای کنترل‌بارها در‌مدارهای‌دیجیتال CMOS می‌باشد زیرا آنها بین مناطق قطع و اشباع خود کار می‌کنند.

قبلاً دیدیم که چند کانال ، حالت پیشرفته MOSFET (e-MOSFET) با استفاده از یک ولتاژ ورودی مثبت کار می کند.

دارای مقاومت ورودی بسیار‌بالایی (تقریباً بی نهایت)‌است که امکان رابط تقریباً با هر گیت‌منطقی یا درایور قادر به ‌تولید خروجی‌مثبت.

ما همچنین دیدیم که به دلیل این مقاومت زیاد ورودی (گیت)می‌توانیم به طور ایمن بسیاری از MOSFETS های مختلف را به طور ایمن به هم موازی کنیم تا زمانی که به ظرفیت جابجایی فعلی که نیاز داریم برسیم.

اتصال ماسفت های مختلف به‌طور موازی ممکن است ما را قادر به تغییر جریانهای بالا یا بارهای ولتاژ بالا کند.

اما انجام این کار هم در اجزا و هم در فضای صفحه مدار گران و غیر عملی است.

برای غلبه بر این مشکل ترانزیستورهای Power Field Effect Effect یا Power FET در آن توسعه یافته است.

اکنون می دانیم که دو تفاوت عمده بین ترانزیستورهای اثر میدانی وجود دارد :

• حالت تخلیه فقط برای JFET
• دو حالت افزایش و حالت تخلیه برای MOSFET

در این آموزش ما به استفاده از حالت پیشرفته MOSFET به عنوان یک سوئیچ خواهیم پرداخت.

زیرا این ترانزیستورها برای روشن کردن “ON” و ولتاژ صفر برای خاموش کردن نیاز به ولتاژ دروازه مثبت دارند که باعث می شود آنها به راحتی سوئیچ شوند و همچنین با آنها رابط کاربری آسان است. درگاه های منطقی.

عملکرد MOSFET یا حالت e-MOSFET را می‌توان به بهترین وجه با استفاده از منحنی‌های I-V مشخص شده در زیر توصیف‌کرد.

وقتی ولتاژ‌ ورودی‌،‌(VIN) به دروازه ترانزیستور صفر‌باشد‌،‌MOSFET تقریباً هیچ‌جریانی را انجام نمی‌دهد و ولتاژ خروجی (VOUT) برابر با ولتاژ تغذیه‌VDD‌است.

بنابراین MOSFET در منطقه “قطع” خود “خاموش” است.

منحنی خصوصیات MOSFET

حداقل ولتاژ گیت حالت ON مورد نیاز برای اطمینان از “روشن” ماندن MOSFET هنگام حمل جریان تخلیه انتخاب شده را می توان از منحنی های انتقال V-I بالا تعیین کرد.

هنگامیکه VIN بالا یا برابر با VDD باشد‌، نقطه‌Q MOSFET به سمت نقطه A در امتداد خط بار حرکت می‌کند.

ID جریان تخلیه به دلیل کاهش مقاومت کانال به حداکثر مقدار خود افزایش می یابد.

ID به یک مقدار ثابت مستقل از VDD تبدیل می شود و فقط به VGS وابسته است.

بنابراین ، ترانزیستور مانند یک سوئیچ بسته رفتار می کند.

اما مقاومت ON کانال به دلیل مقدار RDS (روشن) کاملاً به صفر نمی رسد ، اما بسیار کوچک می شود.

به همین ترتیب :

وقتی VIN پایین است یا به صفر می‌رسد‌، نقطه‌Q MOSFET از نقطه A به نقطه B در‌امتداد خط‌بار حرکت می‌کند.

مقاومت کانال بسیار زیاد است بنابراین ترانزیستور مانند یک مدار باز عمل می‌کند و هیچ جریانی از کانال عبور نمی‌کند.

بنابراین اگر ولتاژ گیت MOSFET بین دو مقدار HIGH و LOW تغییر کند ، MOSFET مانند یک سوئیچ حالت جامد “یک قطب تک پرتاب” (SPST) رفتار می کند و این عمل به صورت زیر تعریف می شود:

1. منطقه قطع

در اینجا شرایط کار ترانزیستور ولتاژ‌ورودی صفر ورودی (VIN) ،‌ID جریان تخلیه صفر و ولتاژ خروجی VDS = VDD است.

بنابراین برای نوع پیشرفته MOSFET کانال رسانا بسته شده و دستگاه “خاموش” می شود.

خصوصیات قطع

ورودی و دروازه زمینی هستند (0 ولت)

• ولتاژ منبع گیت کمتر از ولتاژ آستانه VGS <VTH
• MOSFET “خاموش” است (منطقه قطع)
• بدون جریان تخلیه جریان (ID = 0 آمپر)
• VOUT = VDS = VDD = ”1
• MOSFET به عنوان “سوئیچ باز” عمل می کند

سپس می‌توان هنگام‌استفاده از‌e-MOSFET‌به عنوان یک‌ گسوئیچ‌،‌منطقه قطع یا‌”حالت خاموش” را تعریف کرد‌،‌ولتاژ گیت‌، VGS <VTH بنابراین ID = 0.

برای MOSFET افزایش کانال P ، پتانسیل Gate باید باشد با توجه به منبع مثبت تر است.

2. منطقه اشباع

در منطقه اشباع یا خطی ، ترانزیستور بایاس می شود تا حداکثر ولتاژ گیت روی دستگاه اعمال شود که منجر به مقاومت کانال RDS می شود (در کمترین حد ممکن با حداکثر جریان تخلیه از طریق سوئیچ MOSFET.

بنابراین ، برای نوع پیشرفته MOSFET ، کانال رسانا باز است و دستگاه “روشن” است.

مشخصات اشباع

ورودی و Gate به VDD متصل می شوند

• ولتاژ منبع گیت بسیار بیشتر از ولتاژ آستانه VGS> VTH است
• MOSFET “روشن” است (منطقه اشباع)
• جریان حداکثر تخلیه جریان (ID = VDD / RL)
• VDS = 0V (اشباع ایده آل)
• حداقل مقاومت کانال RDS (روشن) <0.1Ω
• VOUT = VDS ≅ 0.2V به دلیل RDS (روشن)
• MOSFET به عنوان یک “سوئیچ بسته” با مقاومت کم عمل می کند

سپس می‌توان هنگام استفاده از‌e-MOSFET به‌ عنوان سوئیچ به‌عنوان ولتاژ منبع گیت‌، منطقه اشباع یا‌”حالت ON” را تعریف کرد‌،

VGS> VTH

برای یک افزایش کانال P MOSFET ، پتانسیل Gate باید با توجه به منبع منفی باشد.

با اعمال ولتاژ مناسب درایو به دروازه FET‌، مقاومت کانال منبع تخلیه‌، RDS (روشن) می‌تواند از یک “مقاومت خاموش” با صدها کیلو اهم‌، به طور موثر یک مدار باز‌، به‌” مقاومت در برابر “کمتر از 1Ω ، به طور موثر به عنوان یک اتصال کوتاه عمل می کند.

هنگام استفاده از‌MOSFET به‌عنوان یک‌سوئیچ می‌توانیم MOSFET‌را روشن یا سریعتر “روشن” کرده و یا جریانهای کم یا زیاد را عبور‌دهیم.

این قابلیت روشن کردن MOSFET “روشن” و “خاموش” باعث می شود تا دستگاه به عنوان یک سوئیچ بسیار کارآمد با سرعت تعویض بسیار سریعتر از ترانزیستورهای اتصال دو قطبی استاندارد مورد استفاده قرار گیرد.

نمونه ای از استفاده از ماسفت سوئیچینگ

در این آرایش مدار از یک ماسفت  N-channel‌در حالت پیشرفته برای روشن‌کردن یک لامپ ساده “روشن” و “خاموش” استفاده می‌شود.

(همچنین می تواند یک LED باشد)

ولتاژ ورودی گیت VGS به یک ولتاژ مثبت مناسب منتقل می شود تا دستگاه روشن شود.

بنابراین لامپ یا “روشن”‌، (VGS = + ve) یا در یک ولتاژ صفر دستگاه را‌”خاموش” می‌کند‌، (VGS = 0 ولت)

اگر قرار بود بار مقاومتی لامپ با یک بار القایی مانند سیم پیچ جایگزین شود ، برای محافظت از MOSFET در برابر هرگونه تولید مجدد خودکار ، “دیود فلایول” به صورت موازی با بار مورد نیاز است.

در بالا یک مدار بسیار ساده برای تغییر یک بار مقاومت مانند لامپ یا LED نشان داده شده است.

اما هنگام‌استفاده از ماسفت های قدرت برای جابجایی بارهای‌القایی یا خازنی‌، نوعی از‌حفاظت برای‌جلوگیری از آسیب‌دیدن دستگاه MOSFET لازم است.

رانندگی با یک بار القایی ، نتیجه ای مخالف از تحریک بار خازنی دارد.

به عنوان مثال ، یک خازن بدون بار الکتریکی یک اتصال کوتاه است.

در‌نتیجه جریان‌”هجوم”‌زیادی دارد.هنگامی که ولتاژ را از یک بار‌القایی خارج می‌کنیم، با فروپاشی میدان مغناطیسی‌، ولتاژ معکوس زیادی ایجاد می‌شود.

در نتیجه یک برگشت EMF در سیم پیچ های سلف.

سپس می توانیم مشخصات سوئیچینگ هر دو نوع N و P کانال MOSFET را در جدول زیر خلاصه کنیم.

MOSFET Type	VGS ≪ 0	VGS = 0	VGS ≫ 0
N-channel Enhancement	OFF	OFF	ON
N-channel Depletion	OFF	ON	ON
P-channel Enhancement	ON	OFF	OFF
P-channel Depletion	ON	ON	OFF

 

توجه داشته باشید:

که برخلاف MOSFET کانال N که باید ترمینال گیت آن نسبت به منبع مثبت تر باشد (باعث جذب الکترون می شود) تا جریان از طریق کانال جریان یابد ، هدایت از طریق کانال P MOSFET به دلیل جریان سوراخ است.

این ترمینال گیت MOSFET کانال P باید منفی تر از منبع باشد.

فقط تا زمانی که دروازه مثبت تر از منبع نباشد ، هدایت (قطع) را متوقف می کند.

بنابراین برای اینکه نوع تقویت کننده MOSFET به عنوان یک دستگاه سوئیچینگ آنالوگ کار کند ، باید آن را بین “منطقه قطع” خود قرار دهد:

VGS = 0V (یا VGS = -ve)

و “Saturation Region” آن:

VGS ( روشن) = + ve توان تلف شده در ماسفت  (PD) بستگی به جریان عبوری از شناسه کانال در حالت اشباع و همچنین “مقاومت در برابر” کانال داده شده به عنوان RDS (روشن) دارد.

مثال شماره 1 ماسفت سوئیچینگ

بیایید فرض‌کنیم که لامپ 6 ولت‌، 24 وات است و کاملاً “روشن” است‌، استاندارد ماسفت دارای مقاومت کانال‌(RDS (روشن))‌0.1ohms است.

توان تلف شده در دستگاه سوئیچینگ MOSFET را محاسبه کنید.

جریان عبوری از لامپ به صورت زیر محاسبه می شود:

سپس توان تلف شده در MOSFET به صورت زیر داده می شود:

ممکن است آنجا نشسته باشید و فکر کنید ، خوب چه!

اما هنگام استفاده از MOSFET به عنوان سوئیچ برای کنترل موتورهای DC یا بارهای الکتریکی با جریان هجوم بالا ، مقاومت کانال “ON” (RDS (روشن)) بین تخلیه و منبع خیلی مهم.

به عنوان مثال ، MOSFET هایی که موتورهای DC را کنترل می کنند ، هنگام شروع موتور برای چرخش ، در معرض جریان زیاد قرار می گیرند.

زیرا جریان شروع موتور فقط با مقاومت بسیار کم سیم پیچ موتورها محدود می شود.

از آنجا که رابطه اصلی برق این است: P = I2R ، پس از آن مقدار مقاومت کانال RDS (روشن) به سادگی منجر به اتلاف و هدر رفتن مقدار زیادی نیرو در داخل MOSFET می شود که منجر به افزایش بیش از حد دما می شود ، که اگر کنترل نشود می تواند منجر شود در MOSFET به دلیل بیش از حد حرارتی بسیار گرم و آسیب دیده است.

مقدار RDS (روشن) پایین برای مقاومت کانال نیز یک پارامتر مطلوب است زیرا به کاهش ولتاژ اشباع موثر کانال ها (VDS (sat) = ID * RDS (روشن)) در MOSFET کمک می کند و بنابراین در دمای سردتر کار خواهد کرد .

نکته مهم در مورد ماسفت سوئیچینگ :

ماسفت های نیروگاه معمولاً دارای مقدار RDS (روشن) کمتر از 0.01Ω هستند.

که به آنها امکان می دهد تا خنک تر شوند و عمر عملیاتی آنها را افزایش دهند.

یکی از محدودیت های اصلی هنگام استفاده از MOSFET به عنوان دستگاه سوئیچینگ حداکثر جریان تخلیه قابل تحمل است.

بنابراین پارامتر RDS (روشن) یک راهنمای مهم برای بهره وری ماسفت سوئیچینگ است

و به سادگی به عنوان نسبت VDS / ID هنگام روشن شدن ترانزیستور “روشن” داده می شود.

هنگام استفاده از MOSFET یا هر نوع ترانزیستور اثر میدانی برای آن ماده به عنوان یک دستگاه سوئیچینگ حالت جامد ، همیشه توصیه می شود مواردی را انتخاب کنید که مقدار RDS (روشن) بسیار کمی دارند یا حداقل آنها را روی یک بخاری مناسب سوار کنید تا به کاهش هرگونه فرار حرارتی و آسیب. MOSFET های نیروگاهی که به عنوان یک سوئیچ مورد استفاده قرار می گیرند ، به طور کلی در طراحی آنها محافظت از جریان موج دار تعبیه شده است ، اما برای کاربردهای با جریان بالا ترانزیستور اتصال دو قطبی گزینه بهتری است.

کنترل موتور MOSFET قدرت

به دلیل مقاومت ورودی یا گیت فوق العاده زیاد که MOSFET دارد ، سرعت سوئیچینگ بسیار سریع و سهولت هدایت آنها ، آنها را برای اتصال با op-amp یا گیت استاندارد منطقی ایده آل می کند. با این حال ، باید اطمینان حاصل شود که ولتاژ ورودی منبع گیت به درستی انتخاب شده است زیرا هنگام استفاده از ماسفت سوئیچینگ ، دستگاه باید متناسب با این ولتاژ گیت ورودی ، دارای مقاومت کانال RDS کم (روشن) باشد.

ماسفت های قدرت نوع آستانه پایین ممکن است “ON” را روشن نکنند تا حداقل 3 ولت یا 4 ولت بر روی گیت آن اعمال شود و اگر خروجی از گیت منطقی فقط + 5 ولت منطقی باشد برای هدایت کامل MOSFET به اشباع کافی نیست. با استفاده از آستانه پایین تر MOSFET هایی که برای ارتباط با دروازه های منطقی TTL و CMOS طراحی شده اند و دارای آستانه های پایین 1.5 تا 2.0 ولت هستند ، در دسترس هستند.

ماسفت های قدرت نوع آستانه پایین ممکن است “ON” را روشن نکنند تا حداقل 3 ولت یا 4 ولت بر روی گیت آن اعمال شود و اگر خروجی از گیت منطقی فقط + 5 ولت منطقی باشد برای هدایت کامل MOSFET به اشباع کافی نیست. با استفاده از آستانه پایین تر MOSFET هایی که برای ارتباط با دروازه های منطقی TTL و CMOS طراحی شده اند و دارای آستانه های پایین 1.5 تا 2.0 ولت هستند ، در دسترس هستند.

کاربرد ماسفت قدرت

از Power MOSFET می توان برای کنترل حرکت موتورهای DC یا موتورهای استپ بدون برس به طور مستقیم از منطق رایانه یا با استفاده از کنترل کننده های نوع پالس (Modulation عرض عرض) (PWM) استفاده کرد. از آنجا که یک موتور DC گشتاور راه اندازی بالایی را ارائه می دهد و همچنین متناسب با جریان آرماتور است ، از کلیدهای MOSFET همراه با PWM می توان به عنوان یک کنترل کننده سرعت بسیار خوب استفاده کرد که عملکرد صاف و آرام موتور را فراهم می کند.

کنترل کننده موتور ساده ماسفت قدرت

از آنجا که بار موتور القایی است ، یک دیود چرخ لنگر ساده از طریق بار القایی متصل می شود تا هرگونه تولید خاموش موتور تولید شده توسط موتور هنگام خاموش کردن MOSFET ، از بین برود. همچنین می توان از یک شبکه گیرنده تشکیل شده توسط یک دیود زنر به صورت سری با دیود استفاده کرد تا امکان سوئیچینگ سریعتر و کنترل بهتر اوج ولتاژ معکوس و زمان ترک آن فراهم شود.

برای امنیت بیشتر می توان دیود سیلیکون یا زنر اضافی D1 را هنگام استفاده از بارهای القایی مانند موتورها ، رله ها ، سلونوئیدها و غیره برای سرکوب ولتاژهای سوئیچ ولتاژ و سر و صدا که از MOSFET محافظت می کند ، از طریق کانال سوئیچ MOSFET قرار داد در صورت لزوم سوئیچ کنید. مقاومت RGS به عنوان یک مقاومت کششی برای کمک به پایین آوردن ولتاژ خروجی TTL تا 0 ولت در هنگام خاموش شدن MOSFET استفاده می شود.

ماسفت سوئیچینگ p_channel

تا کنون ما به ماسفت چند کانال به عنوان یک سوئیچ در جایی که MOSFET بین بار و زمین قرار داده شده است ، نگاه کرده ایم. این کار همچنین باعث می شود تا درایو گیت یا سیگنال ماسفت سوئیچینگ به زمین ارجاع شود (سوئیچینگ سمت پایین).

اما در بعضی از برنامه ها ، اگر بار مستقیم به زمین وصل شود ، ما به حالت MOSFET تقویت کننده کانال P نیاز داریم. در این مثال سوئیچ MOSFET بین بار و ریل تغذیه مثبت (سوئیچینگ سمت بالا) متصل است همانطور که با ترانزیستورهای PNP انجام می دهیم.

در یک دستگاه p-channel جریان معمولی جریان تخلیه در جهت منفی است بنابراین ولتاژ منبع گیت منفی برای روشن و روشن کردن ترانزیستور اعمال می شود.

این به این دلیل حاصل می شود که ماسفت P-channel “وارونه” است و ترمینال منبع آن به منبع مثبت + VDD گره خورده است. سپس وقتی سوئیچ پایین می آید ، MOSFET “روشن” می شود و هنگامی که سوئیچ بالا می رود ، MOSFET “خاموش” می شود.

این اتصال وارونه سوئیچ MOSFET حالت تقویت p-channel به ما امکان می دهد تا آن را به صورت سری با حالت تقویت ماسفت N-channel متصل کنیم تا یک دستگاه تعویض مکمل یا CMOS تولید کند همانطور که در منبع تغذیه دوگانه نشان داده شده است.

کنترل کننده موتور MOSFET مکمل

دو MOSFET برای تولید یک سوئیچ دو جهته از منبع تغذیه دوگانه با موتور متصل بین اتصال مشترک تخلیه و مرجع زمین پیکربندی شده اند. هنگامی که ورودی کم است ، P-channel MOSFET روشن می شود زیرا اتصال منبع گیت آن دارای جهت گیری منفی است ، بنابراین موتور در یک جهت می چرخد. برای راه اندازی موتور فقط از ریل تغذیه مثبت + VDD استفاده می شود.

وقتی ورودی زیاد است ، دستگاه P کانال خاموش و دستگاه N کانال روشن می شود زیرا اتصال دروازه منبع آن مغرضانه است. اکنون موتور در جهت مخالف می چرخد زیرا ولتاژ ترمینال موتورها معکوس شده است زیرا اکنون از طریق ریل منبع منفی -VDD تأمین می شود.

سپس از کانال P MOSFET برای تغییر منبع تغذیه مثبت به موتور جهت جهت جلو (سوئیچینگ سمت بالا) استفاده می شود در حالی که از کانال N MOSFET برای تغییر منبع منفی موتور جهت جهت معکوس (سوئیچینگ سمت پایین) .

تنظیمات متنوعی برای رانندگی دو MOSFET با کاربردهای مختلف وجود دارد. همانطور که نشان داده شده است ، هر دو دستگاه P-channel و N-channel می توانند توسط یک IC درایو تک دروازه هدایت شوند.

با این حال ، برای جلوگیری از هدایت متقابل هر دو MOSFETS که همزمان در دو قطب منبع تغذیه دوگانه هدایت می شوند ، ماسفت سوئیچینگ سریع نیاز به ایجاد اختلاف زمانی بین “خاموش” و دیگری روشن “روشن” دارند. یک راه برای غلبه بر این مشکل رانندگی هر دو دروازه MOSFETS به طور جداگانه است. در صورت خاموش بودن هر دو MOSF ، این گزینه سومین گزینه “STOP” را برای موتور ایجاد می کند.

جدول کنترل موتور MOSFET مکمل

MOSFET 1	MOSFET 2	Motor Function
OFF	OFF	Motor Stopped (OFF)
ON	OFF	Motor Rotates Forward
OFF	ON	Motor Rotates Reverse
ON	ON	NOT ALLOWED

لطفاً توجه داشته باشید که مهم است که هیچ ترکیب دیگری از ورودیها به طور همزمان مجاز نباشد زیرا این ممکن است باعث کوتاه شدن منبع تغذیه شود ، زیرا هر دو MOSFETS ، FET1 و FET2 می توانند “ON” را با هم روشن کنند در نتیجه: (فیوز = بنگ!) ، هشدار داده شود.

مقاله بعدی خلاصه آموزش ترانزیستور ها میباشد. با دنیای الکترونیک همراه باشید.