سوییچ های ماسفت

ماسفت‌ها سوییچ های ایده‌آلی هستند که برای کنترل جریان بار یا در مدارات CMOS به کار می‌روند برای اینکه یک ترانزیستور به مثابه یک کلید عمل کند باید یا در ناحیه اشباع (روشن) و یا در ناحیه قطع (خاموش) باشد.

در گذشته دیدیم که ماسفت افزایشی Nکانال (e-MOSFET) با اعمال ولتاژ مثبت به گیت روشن می‌شود و مقاومت ورودی فوق‌العاده بالایی (تقریباً بی نهایت) دارد که این المان را قادر می‌کند به عنوان رابط در دروازه های منطقی یا مدارات با خروجی مثبت عمل کند.

همچنین مشاهده کردیم که به دلیل مقاومت بالای پایه گیت ، می‌توانیم به راحتی تعداد زیادی ماسفت را با یکدیگر موازی کنیم تا به جریان مورد نیاز برای مداراتی که با جریان بالا کار می‌کنند دست یابیم.

البته در برخی مواقع موازی کردن ماسفت‌ها برای رسیدن به جریان یا ولتاژ خیلی بالا بسیار گران‌قیمت و غیر‌عملی می‌باشد به منظور رفع این مشکل ترانزیستورهای اثر میدان قدرت (Power FETs) به وجود آمده‌اند.

ترانزیستورهای JFET تنها دارای مد تخلیه می‌باشند اما در ترانزیستورهای ماسفت دو گونه افزایشی و تخلیه تعریف شده در این مقاله، به استفاده از ماسفت افزایشی به عنوان سوییچ خواهیم پرداخت ماسفت افزایشی کانال N با اعمال ولتاژ مثبت به گیت روشن می‌شود و اگر ولتاژ گیت به صفر یا کمتر از آن برسد، ترانزیستور خاموش خواهد شد. این ویژگی استفاده از ماسفت به عنوان کلید و رابط گیت‌های منطقی، بسیار ایده‌آل و قابل قبول می‌کند.

 بهترین راه برای توضیح عملکرد ماسفت افزایشی یاeMOSFET رسم منحنی مشخصه I-V آن می‌باشد. هنگامی که ولتاژ ورودی VIN برابر با صفر است ماسفت جریان را هدایت نمی‌کند و ولتاژ خروجی VOUT برابر با ولتاژ تغذیه VDD می‌باشد در این حالت ماسفت در ناحیه قطع قرار دارد.

منحنی مشخصه ماسفت

حداقل ولتاژ گیتی که می‌تواند ماسفت را روشن کند و ضامن روشن باقی ماندن آن شود، از طریق منحنی مشخصه I_V قابل محاسبه است اگر سطح VIN بالا یا برابر با VDD باشد نقطه Q ماسفت همراه با خط بار به سمت نقطه A حرکت می‌کند.

 جریان درین ID به دلیل کاهش مقاومت در کانال به بالاترین حد خود می‌رسد و ID تبدیل به مقدار ثابتی خواهد شد که از مقدار VDD مستقل است و تنها به VGS بستگی دارد. بنابراین ترانزیستور مانند یک کلید مدار بسته عمل می‌کند البته مقاومت کانال درین ــ سورس (RDS) هرگز صفر نخواهد شد، اما مقدار آن در حالت اشباع به کمترین حد ممکن می‌رسد .

اگر سطح VIN پایین باشد یا به صفر میل کند، نقطه Q ماسفت به همراه خط بار از A به B خواهد رفت در این حالت، مقاومت کانال بسیار بالا خواهد بود و ترانزیستور مانند یک کلید مدار باز عمل می‌کند. بنابراین هیچ جریانی از کانال عبور نمی‌کند، حال اگر VIN بین دو سطح بالا و پایین تغییر کند ماسفت همانند یک کلید تک پل (SPST) حالت جامد عمل می‌کند.

(۱) ناحیه قطع

برای اینکه ترانزیستور به ناحیه قطع برود ولتاژ گیت و جریان درین باید برابر با صفر باشد و ولتاژ خروجی برابر با VDS=VDD باشد در چنین شرایطی برای یک ماسفت افزایشی کانال هدایت بسته خواهد شد و در نتیجه ترانزیستور به حالت قطع یا خاموش می‌رود .

مشخصات ناحیه قطع

• ورودی ( گیت ) به زمین اتصال پیدا کرده ‌است.
•  ولتاژ گیت – سورس کمتر از ولتاژ آستانه می‌باشد. (VGS<VTH)
•  هیچ جریانی از درین عبور نمی‌کند (ID=۰)
•  ‘’VOUT=VDS=VDD=’’۱
•  ماسفت به منزله یک کلید مدار باز عمل می‌کند.

بر این اساس ناحیه قطع (خاموش) ترانزیستور در یکeMOSFET به صورت زیر تعریف می‌شود :

ID=0 , VGS<VTH

 برای ماسفت افزایشی کانال P ، ولتاژ‌گیت باید مثبت تر از ولتاژ سورس باشد .

(۲) ناحیه اشباع

در ناحیه اشباع یا خطی، ترانزیستور به گونه‌ای بایاس می‌شود که بیشترین مقدار ولتاژ به گیت اعمال شود که در نتیجه مقاومت کانال درین ــ سورس (RDS) به پایین‌ترین حد خود می‌رسد و حداکثر جریان از کانال هدایتی عبور می‌کند (ID=max) در این حالت، ماسفت افزایشی در حالت روشن قرار دارد.

مشخصات ناحیه اشباع

• ولتاژ گیت – سورس خیلی بیشتر از ولتاژ آستانه ماسفت می‌باشد (VGS>VTH)
• ماسفت روشن است (ناحیه اشباع)
• حداقل مقاومت کانال برابر با ۰/۱ اهم می‌باشد (RD=۰.۱Ω)
•  به دلیل مقاومت کم کانال درین – سورس VOUT=VDS≈ 0.2v
• مقاومت ماسفت بسیار کم خواهد بود بنابراین مانند یک کلید مدار بسته عمل می‌کند.

براساس اطلاعات بالا ، ناحیه اشباع برای یک ماسفت افزایشی به صورت زیر قابل تعریف خواهد بود :

 VGS>VTH  , ID=max

برای یک ماسفت کانال P ، ولتاژ گیت باید منفی تر از ولتاژ سورس باشد. به وسیله اعمال ولتاژ راه انداز مناسب به گیت FET ، مقاومت کانال درین – سورس (RDS) می‌تواند از چندین مگا اهم (حالت مدار باز) تا کمتر از یک اهم (حالت مدار بسته) تغییر کند.

گفتنی است سرعت خاموش و روشن شدن ماسفت‌ها فوق‌العاده بیشتر از ترانزیستورهای دو‌قطبی پیوندی معمولی است و همین امر استفاده از آن‌ها به عنوان سوییچ را در اولویت قرار می‌دهد.

مثالی از کاربرد ماسفت به عنوان سوییچ

در این مدار ار یک ماسفت افزایشی کانال N برای روشن و خاموش کردن یک لامپ ساده استفاده می‌شود.

ولتاژ ورودی گیت VGS برای روشن کردن ترانزیستور و متعاقباً لامپ باید به سطح مطلوبی برسد (VGS=+ve) همچنین در VGS=۰ ترانزیستور و لامپ خاموش می‌شوند.

اگر قصد داشته باشیم لامپ را ( که یک بار مقاومتی است) با یک بار القایی همانند سوییچ یا رله جایگزین کنیم باید یک دیود هرزگرد را با بار موازی کنیم تا از ماسفت در بربر نیروی محرکه ای که توسط بار القایی تولید می‌شود محافظت کنیم.

در بالا یک مدار ساده برای روشن و خاموش کردن یک بار مقاومتی مانند لامپ یا LED نشان داده شده است. اما هنگام استفاده از ماسفت های قدرت برای سوییچینگ، بارهای القایی یا خازنی ، نیاز به راهی برای حفاظت از ترانزیستور خواهیم داشت. بارهای القایی اثری مخالف بارهای خازنی دارند.

به عنوان مثال، یک خازن در حالت تخلیه اتصال کوتاه خواهد بود و متعاقباً جریان زیادی از آن عبور می‌کند اما اگر ولتاژی در دو‌سر بار القایی وجود نداشته‌باشد، ولتاژ معکوس بزرگی با افت میدان مغناطیسی به وجود خواهد آمد که باعث تولید نیرو محرکه در سیم‌‌پیچ‌های بار القایی خواهد شد.

 در جدول زیر مشخصات سوییچینگ ۴ نوع ماسفت آورده شده‌است :

فراموش نکنید که بر خلاف ماسفت کانال N که ترمینال گیت آن باید مثبت‌تر از سورس باشد تا هدایت را آغاز کند، هدایت در ماسفت کانال P بر اساس حرکت حفره‌ها انجام می‌گیرد. بنابراین ترمینال گیت یک ماسفت کانال P باید منفی‌تر از سورس باشد و زمانی به حالت قطع می‌رود که ولتاژ گیت از سورس مثبت‌تر باشد.

 بنابراین برای اینکه بتوانیم از ماسفت افزایشی قدرت به عنوان یک سوییچ استفاده کنیم، باید آن را یا در حالت قطع (VGS<0) یا در حالت اشباع (VGS>0) قرار دهیم توان تلفاتی در ماسفت (PD)، وابسته به میزان جریان و مقاومت کانال است و به صورت زیر محاسبه می‌شود:

ID۲=RDS*PD

مثال (۱) سوییچ های ماسفت

فرض کنید لامپی ۶ ولت با توان ۲۴ وات در اختیار داریم این لامپ روشن است و مقاومت کانال ماسفت RDS برابر با ۰/۱ اهم است حال میزان توان تلفاتی در ماسفت را محاسبه کنید .

جریانی که از لامپ می‌گذرد به صورت زیر محاسبه می‌شود :

توان تلفاتی MOSFET نیز به صورت زیر محاسبه می‌شود :

هنگامی که از ماسفت به عنوان سوییچ برای کنترل موتورهای DC یا بارهای الکتریکی جریان بالا استفاده می‌شود، مقاومت کانال هدایت (RDS) اهمیت ویژه ای پیدا می‌کند. به عنوان مثال ماسفت‌هایی که موتور DC را کنترل می‌کنند، در زمان روشن شدن موتور در معرض عبور جریان فوق‌العاده بالایی قرار می‌گیرند، چرا که جریان اولیه موتور تنها توسط مقاومت کم سیم‌پیچ آن محدود می‌شود.

از آن جایی که توان توسط فرمول  P=RI۲ محاسبه می‌شود، مقاومت بالای کانال هدایت (RDS) باعث تلفات شدید توان خواهد شد که متعاقباً داغ شدن و آسیب دیدن ترانزیستور را به همراه دارد.

بنابراین مقاومت پایین کانال علاوه بر کاهش ولتاژ مورد نیاز برای بردن ماسفت به حالت اشباع میزان توان تلفاتی ترانزیستور را نیز کاهش خواهد داد و از داغ شدن شدید ترانزیستور جلوگیری می‌کند. معمولاً مقدار RDS برای ترانزیستورهای قدرت کمتر از  ۰/۱Ω می‌باشد که علاوه بر خنک نگه داشتن آن‌ها باعث افزایش طول عمرشان نیز خواهد شد.

یکی از محدودیت‌ها در استفاده از ماسفت به عنوان کلید، ماکزیمم جریان درینی است که می‌تواند از آن عبور کند. بنابراین RDS متغیری است که میزان بازده و کارامدی ماسفت در حالت سوییچ را برای ما تعیین می‌کند و از طریق فرمول VDS/IDS  در حالتی که ترانزیستور روشن است) قابل محاسبه می‌باشد.

هنگام استفاده از ماسفت یا استفاده از هر ترانزیستور اثر میدان دیگری به عنوان سوییچ، بهتر است که اولویت با انتخاب ماسفت هایی با RDS پایین باشد در ضمن در برخی مواقع استفاده از هیت سینک (Heat Sink) برای کاهش دما و در نتیجه جلوگیری از آسیب دیدن ترانزیستور ضروری به نظر می‌رسد. ماسفت‌های قدرتی که به عنوان سوییچ استفاده می‌شوند معمولاً مجهز به سیستم محافظت در برابر موج شدید جریان هستند، با وجود این برای مصارف جریان بالا، ترانزیستورهای پیوندی دو‌قطبی انتخاب بهتری به نظر می‌رسند.

ماسفت های قدرت در کنترل موتور

به دلیل مقاومت فوق‌العاده بالای ورودی (گیت)، ماسفت سرعت سوییچینگ فوق‌العاده بالایی دارد و سهولت در راه‌اندازی، آن‌ها را برای استفاده به عنوان رابط آپ‌امپ‌ها یا گیت‌های منطقی دیجیتال ایده‌آل می‌کند. به هر حال انتخاب درست ولتاژ گیت ــ سورس ضروری می‌باشد چرا که ماسفت در حالت سوییچینگ باید دارای مقاومت کانال بسیار پایینی نسبت به ولتاژ ورودی باشد.

 برخی از انواع ماسفت های قدرت دارای ولتاژ آستانه پایینی (بین ۳ تا ۴ ولت) هستند. با وجود این در شرایطی که خروجی یک دروازه منطقی 5v+ است، ترانزیستور نمی‌تواند به خوبی در ناحیه اشباع قرار بگیرد برای رفع این مشکل، ماسفت‌های دیگری با ولتاژ آستانه فوق‌العاده پایین طراحی شده‌اند که ولتاژ آستانه آن‌ها بین ۱/۵ تا ۲ ولت است.

از ماسفت‌های قدرت می‌توان برای کنترل موتورهای DC یا استپ موتورهای بدون براش از طریق اتصال مستقیم آن‌ها به منطق پردازنده یا استفاده از PWM استفاده کرد. از آن جایی که یک موتور dc گشتاور آغازین فوق‌العاده بالایی دارد و مقدار گشتاور وابسته به جریان آرماتور می‌باشد استفاده از سوییچ‌های ماسفت و متد PWM در کنار یکدیگر گزینه‌ی خوبی برای کنترل سرعت می‌باشد که حرکت نرم و بی‌صدای موتور را فراهم می‌کند.

مدار ساده کنترل موتور با استفاده از ماسفت قدرت

از آن جایی که موتور بار القایی محسوب می‌شود، یک دیود هرزگرد با موتور موازی شده تا با از بین بردن نیرومحرکه‌ای که توسط موتور در زمان خاموش بودن ماسفت ایجاد می‌شود، از آسیب به ماسفت جلوگیری کند. همچنین یک مدار برشگر که متشکل از یک دیود زنر که با چند دیود دیگر سری شده می‌باشد، جایگزین مناسبی برای دیود هرزگرد است و امکان سوییچ سریع‌تر و کنترل بهتر ولتاژ حداکثری را فراهم می‌کند.

برای حفاظت بیشتر از ترانزیستور در برابر جریان القایی معکوس، دیود زنر دیگری D۱ می‌تواند در مسیر کانال ماسفت قرار بگیرد. این دیود می‌تواند به خوبی جلوی نویز و نوسانات جریان و ولتاژ را بگیرد در ضمن مقاومت RGS به عنوان مقامت Pull-Down عمل می‌کند و به رساندن ولتاژ خروجی TTL به سطح پایین یا صفر ولت (در حالتی که ماسفت خاموش می‌شود) کمک می‌کند.

سوییچ ماسفت کانال P

استفاده از ماسفت کانالN به عنوان سوییچ مورد بررسی واقع شد. در این حالت ماسفت بین بار و زمین قرار می‌گیرد. این نوع پیکربندی ماسفت را تبدیل به سوییچ سطح پایین می‌کند ( یک سر سوییچ‌های سطح پایین به زمین متصل است )

اما در برخی مواقع مانند زمانی که بار مستقیماً به زمین متصل است، استفاده از ماسفت افزایشی کانال P ضروری به نظر می‌رسد. در مثال بالا سوییچ ماسفت بین بار و سر مثبت منبع تغذیه (سوییچ سطح بالا) واقع شده و شکل مدار تا حدی به پیکربندی سوییچ PNP شباهت دارد.

در ماسفت کانال P جهت قراردادی جریان درین منفی است بنابراین با اعمال ولتاژ گیت ــ سورس منفی ترانزیستور روشن خواهد شد.

در پیکربندی کانال P ترانزیستور به صورت معکوس در مدار قرار می‌گیرد و ترمینال سورس به ولتاژ تغذیه VDD+ متصل می‌شود. این حالت ماسفت را روشن می‌کند و هنگامی که مدار به حالت سطح بالا می‌رود ماسفت خاموش می‌شود.

اتصال معکوس ماسفت کانال P به ما اجازه می‌دهد تا این نوع ماسفت را به صورت سری با یک ماسفت کانال N افزایشی به منظور ساخت یک مدار سوییچینگ CMOS به کار ببریم.

مدار ماسفت مکمل برای کنترل موتور

در این مدار از ۲ ماسفت برای طراحی یک کلید دو‌جهته که به دو منبع تغذیه متصل‌شده استفاده می‌شود. در این حالت موتور بین اتصال مشترک درین و زمین قرار دارد. هنگامی که سطح خروجی پایین است ماسفت کانال P روشن می‌شود، در این حالت پیوند گیت ــ سورس به صورت منفی بایاس می‌شود و موتور شروع به چرخش در یک جهت می‌کند. در این مدار تنها از ولتاژ VDD+ به عنوان پیشران مدار استفاده می‌شود.

 هنگامی که سطح خروجی بالاست ماسفت کانال P خاموش است و ماسفت کانال N روشن می‌شود. در این حالت پیوند گیت ــ سورس ماسفت نوع N به صورت مثبت بایاس می‌شود و موتور شروع به چرخیدن در جهت مخالف می‌کند (چرا که پلاریته ولتاژی که به دو سر موتور اعمال شده تغییر کرده است و حال موتور با ولتاز VDD– تغذیه می‌شود).

در این پیکربندی ماسفت کانال P ( سوییچ سطح بالا) است و موتور در جهت مستقیم حرکت می‌کند و ماسفت کانال N سوییچ سطح پایین است که باعث می‌شود موتور در جهت معکوس حرکت کند.

پیکربندی های متفاوتی برای ماسفت‌های مکمل وجود دارد که از هر کدام برای مقاصد مختلفی استفاده می‌شود. هر دو ماسفت کانال P و کانال N می‌توانند از طریق ترمینال IC روشن و خاموش شوند.

به هر حال به منظور جلوگیری از تداخل هدایت (حالتی که هر دو ماسفت به طور همزمان شروع به هدایت جریان می‌کنند) در مدارات سوییچینگ فوق سریع، ایجاد وقفه بین خاموش کردن یک ماسفت و روشن کردن دیگری ضروری به نظر می‌رسد. برای نیل به این منظور گاهی اوقات ولتاژ فرمان گیت ماسفت‌ها را به صورت جداگانه در نظر می‌گیرند. این شیوه پیکربندی ما را قادر می‌کند حالت خاموش (حالتی که هیچ یک از ترانزیستورها هدایت نمی‌کنند) را نیز برای موتورها تعریف کنیم.

جدول مدار ماسفت مکمل برای کنترل موتور

فراموش نکنید هیچ نوع ترکیب ورودی دیگری به صورت همزمان قابل استفاده نیست چرا که خطر اتصال کوتاه منبع تغذیه و متعاقباً منفجر شدن مدار را به همراه خواهد داشت.