تستخدم ترانزستورات MOSFET عادة للتحكم بتيار الحمل خاصة ذات الأمبيرات العالية . لما لها من ميزات تجعلها مناسبة للعمل كمفتاح مثالي لقطع ووصل التيار عن الحمل . وذلك لأن هذا النوع من الترانزستورات يسمح بتمرير تيارات عالية قد تصل إلى مئات الأمبيرات . ولها مقاومة داخلية صغيرة جدا عندما تكون في حالة الوصل أقل من نصف أوم . مما يجعل تبديد الطاقة في هذا الترانزستور شبه معدوم . وبذلك تنتقل الطاقة إلى الحمل بدون ضياعات .
لكن للوصول إلى أفضل النتائج العملية. لابد من معرفة كيفية التعامل مع هذا الترانزستور .
استخدام الترانزستور MOSFET كمفتاح
يعمل الترانزستور MOSFET بشكل مشابه لعمل الترانزستور العادي BJT . حيث تتغير المقاومة الداخلية للترانزستور مع تغير الجهد المطبق على البوابة . ونتيجة لذلك يتغير التيار المار بالترانزستور . ويمكن تقسيم مراحل عمل الترانزستور إلى مايلي :
- عندما يكون الجهد على بوابة الترانزستور أقل من جهد العتبة الدنيا VTH . يكون الترانزستور في حالة القطع . وتكون المقاومة الداخلية له عالية جدا . والتيار المار بالحمل قليل جدا وقريب من الصفر.
هنا يمكن حساب الطاقة المتبددة على شكل حرارة في الترانزستور بالعلاقة التالية :
P = R x I2 = R x 02 = ~ 0 - وعندما يكون الجهد على البوابة أعلى من قيمة معينة نسميها VGS.Miller . يكون الترانزستور في حالة الوصل التام . وتكون المقاومة الداخلية قليلة جدا لدرجة معدومة . ويكون التيار المار في الحمل أعظم ما يمكن . ونستطيع حساب الطاقة المتبددة في الترانزستور على شكل حرارة كما يلي:
P = R x I2 = 0 x I2 = ~ 0 - لكن بين حالتي الوصل والفصل تتغير مقاومته الداخلية مع تغير الجهد بين VTH و VGS.Miller . وفي هذه الحالة يكون تبديد الطاقة في الترانزستور على شكل حرارة له قيمة معتبرة لا يمكن إهمالها.
ومن ما سبق نلاحظ أنه ليكون عمل الترانزستور ذو كفائة عالية و أقل ضياع للطاقة . لا بد من أن تكون فترة الانتقال من حالة الوصل إلى حالة القطع أسرع ما يمكن .
وأيضا هذا أمر مهم للحفاظ على الترانزستور من التلف بسبب الحرارة .
السعة الداخلية لترانزستور MOSFET
من خصائص ترانزستورات MOSFET أنها تتمتع بسعة دخل عالية. يظهر تأثير هذه السعة الغير مرغوبة وكأنها مكثف موصول على التفرع مع مدخل الترانزستور . ولا يمكن تجاهل هذه السعة في أغلب التطبيقات . لذلك لابد من التعرف عليها . والشكل التالي يبين Ci سعة الدخل على بوابة ترانزستور MOSFET :
هنا يكون الجهد المطبق على بوابة الترانزستور هو نفسه الجهد بين طرفي السعة الداخلية Ci .
وهذه السعة تجعل استجابة الترانزستور بطيئة نسبيا في بعض التطبيقات التي تتطلب من الترانزستور استجابة سريعة ليتمكن من قطع وتوصيل التيار عن الحمل .
لنفرض أننا نريد التحكم بتيار الحمل باستخدام تقنية PWM . فإذا اعتبرنا أن هذه الاشارة تمر عبر مقاومة كما في الشكل التالي :
في هذه الحالة يمكن القول أن إشارة الدخل PWM تقوم بشحن المكثف Ci وتفريغه عبر المقاومة Ri .
ويكون شكل الجهد بين طرفي المكثف مختلف عن شكل إشارة الدخل الأصلية .
من الشكل السابق نجد الزمن dT والذي هو الفترة التي يكون فيها الجهد بين طرفي مكثف الدخل Ci يتزايد بشكل تدريجي بين القيمة الدنيا والقيمة العظمى لإشارة الدخل .
وكما قلنا سابقا أن تبديد الطاقة على شكل حرارة يظهر خلال فترة انتقال الجهد على البوبة بين القيمة الدنيا والقيمة العظمى . لذلك لابد من تقليص هذه الفترة dT إلى أقل قيمة ممكنة .
ومن المعروف لدينا أن زمن الشحن هذا يتناسب طردا مع قيمة كل من المكثف و المقاومة . ويمكن ان نعبر عن القيمة التقريبية لهذا الزمن كما يلي :
dT ~ Ri . Ci
حيث السعة Ci قيمتها ثابتة ولايمكن أن نتحكم بها .
لذلك لجعل قيمة dT أقل ما يمكن , يجب أن تكون المقاومة Ri صغيرة . وهذا يقودنا لموضوع اختيار قيمة المقاومة Ri وعلاقتها بمرحلة القيادة .
قيادة ترانزستور MOSFET
يحتاج الترانزستور لنبضات تتحكم به مثل إشارة PWM أو غيرها . وهذه النبضات يتم توليدها عادة من دارة التحكم أو معالج تحكمي . ولكن في أغلب الحالات لا يتم وصل المعالج التحكمي مباشرة مع الترانزستور.
وهذا ما سنتعرف عليه هنا .
حيث وجدنا سابقا أن المطلوب لقيادة الترانزستور أن تكون قيمة الزمن dT أصغر ما يمكن .
ويجب الملاحظة أنه كلما كانت إشارة الدخل ذات تردد عالي . كلما كان الزمن dT ذو تأثير أكبر. مما يجعل الحاجة لتصغير قيمة المقاومة Ri مسألة ضرورية .
وهذا يعني أن تيار الشحن لمكثف الدخل وكذلك تيار التفريغ سيكون ذو قيمة عالية نسبيا .
ويمكن أن تصل قيمة تيار الدخل للترانزستور في كثير من الحالات إلى أكثر من واحد أمبير .
لذلك لا يمكن وصل أطراف المعالج مباشرة مع بوابة الترانزستور في مثل هذه الحالات . لأن أطراف المعالج مصممة لتمرير تيار صغير لا يتجاوز 30 ميلي أمبير في أحسن حالاته .
هنا نستخدم دارة قيادة للترانزستور . والتي وظيفتها نقل إشارة التحكم من المعالج إلى ترانزستور MOSFET . وكذلك تقوم بعزل تيار خرج المعالج أو دارة التحكم عن تيار دخل الترانزستور.
دارة قيادة ترانزستور MOSFET باستخدام ترانزستور
هذه دارة نموذجية بسيطة تتكون من ترانزستورين . الأول Q1 وهو ترانزستور من نوع NPN . يقوم بنقل الاشارة القادمة من المعالج إلى الترانزستور الثاني Q2 والذي هو من نوع PNP .
في هذه المرحلة يتم تضخيم التيار بشكل كافي لقيادة ترانزستور الخرج . والحصول على استجابة سريعة لنبضات الدخل.
هنا أيضا اعتبرنا أن الحمل له جهد تغذية VCC منفصل وقد يكون أكبر من جهد دارة القيادة أو المعالج.
وكذلك اعتبرنا أن الجهد 5 فولت كافي لتشغيل ترانزستور الخرج .
في حين قد تكون بوابة الترانزستور بحاجة لجهد أكبر من ذلك . وهذا الأمر يختلف من ترانزستور لآخر.
ولمعرفة القيمة المناسبة لتشغيل الترانزستور يجب قرائة المواصفات الفنية التابعة للترانزستور.
ولكن بشكل عام يجب أن لا يتجاوز جهد الدخل للترانزستور MOSFET عن 20 فولت .
لنأخذ مثالا الترانزستور AO3404 وهو من نوع N-MOSFET . وذو حجم صغير كما في الشكل :
وبالنظر لمواصفاته الفنية نجد التالي :
حيث يستطيع تحمل تيار يصل إلى 5 أمبير . وهذا مناسب جدا لكثير من التطبيقات .
وكذلك نلاحظ أن مقاومته الداخلية صغيرة لدرجة أقل من واحد أوم عند جهد الدخل 4.5 فولت .
ويمكن قيادة هذا الترانزستور مباشرة من المعالج عندما تكون اشارة التحكم ذات سرعة قليلة .
ولنأخذ أيضا مثالاً آخر وهو الترانزستور IRFB7537
وهو ترانزستور يستخدم في تطبيقات الاستطاعة العالية . وبالعودة لمواصفاته الفنية نجد ما يلي .
أي أنه يستطيع تمرير تيار يصل إلى 173 أمبير. ومقاومته الداخلية في حالة الوصل التام بحدود 3 ميلي إوم.
وأيضا من المواصفات الفنية نجد أن الجهد المطلوب ليكون الترانزستور في حالة التوصيل التام هو 5 فولت. ويجب أن لا يتجاوز قيمة الجهد المطبق على البوابة عن 20 فولت .
غالبا في التطبيقات التي تستخدم ترانزستورات MOSFET لتشغيل حمل ذو تيار عالي أكثر من 10 أمبير . لا نستخدم المخطط السابق الذي يعتمد على الترانزستورات لقيادة ترانزستور الخرج.
وإنما نستخدم دارات متكاملة مصممة لهذا الغرض . مثل الدارة TC4427 , MC33151 وغيرها .
هذه كانت لمحة عامة عن التعامل مع ترانزستورات MOSFET في مرحلة الخرج .
