تكلمنا في المقال السابق عن ترانزستورات تأثير الحقل الكهربائي ذات البوابة المعزولة أو التي يطلق عليها ترانزستورات تأثير الحقل الكهربائي نوع أكسيد معدن-نصف ناقل، وتعرفنا على أنواعه.
سنكمل اليوم في هذا النوع وسنتحدث عن تطبيقاته ..
متابعة مفيدة وممتعة ..

رأينا في المقال السابق أن ترانزستورات تأثير الحقل الكهربائي من النمط المعزز ذات القناة نوع N تعمل عن جهد دخل موجب وتملك مقاومة دخل عالية جداً فهي بذلك تصلح للعمل في تصميم أي بوابة منطقية تقريباً أو كدارة قيادة قادرة على إنتاج خرج موجب، ونتيجة المقاومة العالية للبوابة فإنه يمكننا ربط عدة ترانزستورات على التفرع حتى نتمكن من الحصول على التيار المطلوب.
إن وصل عدة ترانزستورات على التوازي (التفرع) يمكنها من العمل كمفاتيح تبديل في مجال التيارات والجهود العالية للأحمال، ولكن هذا يعتبر مكلفاً وغير عملي. ولحل هذه المشكلة تم تطوير ترانزستورات الاستطاعة من نوع تأثير الحقل Power Field Effect Transistors أي Power FET’s.
يمكن توصيف خواص ترانزستورات تأثير الحقل من النمط المعزز Enhancement-mode MOSFET من خلال منحني الخواص المبين فيما يلي، فعندما يكون جهد دخل البوابة صفر، لن يمر أي تيار وسيكون جهد الخرج مساوياً لجهد المنبع VDD))، فيكون الترانزستور في حالة توقف عن العمل وموجود ضمن منطقة القطع.

الشكل 1: منحني خواص ترانزستورات MOSFET


Image: electronics-tutorials

يمكن تحديد جهد البوابة الأصغري الذي يُبقي الترانزستور في حالة عمل عند مرور تيار المصرف من خلال منحني الخواص (I-V) السابق، حيث نلاحظ من المنحني:
• عندما يكون جهد الدخل مساوياً أو أكبر من جهد المنبع (VDD): ستتحرك نقطة العمل Q على طول خط الحمل إلى النقطة A.
• يزداد تيار المصرف (ID) إلى القيمة العظمى نتيجة انخفاض مقاومة القناة.
• عندما يصبح تيار المصرف ثابتاً، فإنه لا يتأثر بجهد المصرف (VDD) بل يتأثر فقط بجهد (البوابة-المنبع VGS).
• عنما يكون جهد الدخل صغير جداً أو مساوياً للصفر، ستتحرك نقطة عمل الترانزستور Q من النقطة A إلى B على طول خط الحمل.
• عندما تكون مقاومة القناة عالية جداً لن يمر تيار عبر القناة وسيعمل الترانزستور كدارة مفتوحة.
• إذا تغير جهد البوابة بين قيمتين منخفضة ومرتفعة سيعمل الترانزستور في وضعية مفتاح الكتروني، حيث يقسم عمله إلى مناطق هي:
منطقة القطع:
يكون الترانزستور MOSFET من النمط المعزز في حالة قطع Fully Off في هذه المنطقة ويكون:
• تيار دخل البوابة يساوي الصفر. (VIN=0).
• تيار المصرف يساوي الصفر. (ID=0).
• جهد الخرج يساوي جهد المنبع. (VDS=VDD).

الشكل 2: مميزات منطقة القطع


Image: electronics-tutorials

نلاحظ من الشكل مايلي:
- البوابة والدخل مؤرضين (0 volt).
- جهد (البوابة-المنبع) أقل من جهد العتبة. (VGS- الترانزستور MOSFET متوقف عن العمل.
- تيار المصرف صفر. (ID=0).
- VOUT = VDS = VDD = ”1″.
- يعمل الترانزستور كمفتاح في وضعية الفتح (Open switch).
نشير إلى أنه في ترانزستورات MOSFET ذات النمط المعزز والقناة نوع p يجب أن يكون جهد البوابة أكثر إيجابية من جهد المنبع.
منطقة الإشباع (المنطقة الخطيَّة):
يكون الترانزستور في هذه المنطقة في حالة العمل Fully-ON ويكون:
• ينحاز الترانزستور عند تطبيق الجهد الأعظمي للبوابة على الجهاز.
• مقاومة القناة تكون أصغر ما يمكن.
• تيار المصرف يكون أعظمياً.
الشكل 3: مميزات منطقة الإشباع:


Image: electronics-tutorials

نلاحظ من الشكل مايلي:
- البوابة والدخل موصولان إلى الجهد VDD.
- جهد (البوابة-المنبع) أكبر بكثير من جهد العتبة VGS > VTH.
- الترانزستور في حالة العمل fully-ON.
- تيار المصرف ذو قيمة أعظمية (ID = VDD / RL).
- جهد (المصرف-المنبع) يساوي الصفر (حالة إشباع مثالية) (VDS = 0V).
- مقاومة القناة أصغر ما يمكن (RDS(on) < 0.1Ω).
- نتيجة صغر مقاومة القناة يكون (VOUT = VDS = ≅0.2V ).
- يعمل الترانزستور كمُقاومة صغيرة (Closed Switch).
استخدام ترانزستورات MOSFET كمفتاح تبديل
الشكل 4: مخطط دارة استخدام ترانزستورات MOSFET قناة نوع N كمفتاح تبديل


Image: electronics-tutorials

تحوي الدارة السابقة على ترانزستور MOSFET من النمط المعزز وقناته نوع N، يستخدم كمفتاح الكتروني للتحكم بمصباح الإنارة (أو الليد LED) بين حالتي العمل والتوقف.
سنلاحظ حالتين:
• حالة العمل: يضيء المصباح عندما يكون جهد دخل البوابة موجباً(VGS = +ve) .
• حالة التوقف: يتوقف المصباح عن الإضاءة عندما يكون جهد البوابة صفر VGS = 0)).
وعند تبديل الحمل الأومي بحمل تحريضي مثل (ملف أو ريليه) فيجب أن نربط "ثنائي للحماية flywheel diode" على التوازي مع الحمل (وبوضعية انحياز عكسي بالنسبة للتغذية vDD) لحماية الترانزستور من الحالات العابرة للتيار والناتجة عن التحريض الذاتي للموجات الكهرطيسية.
يمكن تلخيص مميزات مفاتيح التبديل نوعي قناة P وN كما في الجدول التالي:


Image: Syrian researchers

تعتمد الطاقة الضائعة ( PD ) للترانزستور على التيارID المار عبر القناة عند حالة الإشباع وتعتمد أيضاً على مقاومة العمل التي تسمى RDS(on).

تطبيق: استخدام ترانزستوراتMOSFET كمفاتيح تبديل:
بفرض لدينا مصباح (لمبة) تعمل وفق المواصفات التالية: 6v، 24W.
يتم التحكم بإضاءتها بترانزستور ذو مقاومة عمل RDS(on)= 0.1Ω.
نريد حساب الطاقة الضائعة للترانزستور:
الحل:


Image: Syrian researchers

تعد ترانزستورات MOSFET مثالية للاستخدام في دارات البوابات المنطقية، وذلك بسبب مقاومة الدخل العالية التي تعطيها سرعة في التبديل، ولكن يجب أن يتم اختيار جهد (البوابة-المنبع) بشكل صحيح، لأنه عند استخدام ترانزستورات البوابة المعزولة كمفتاح تبديل يجب أن تكون مقاومة العمل منخفضة بما يتناسب مع جهد البوابة. (وسيتم تناول استخدام هذه الترانزستورات في تصميم البوابات المنطقية في مقال منفصل)

استخدام ترانزستورات MOSFET في دارات التحكم بالمحرك:
يمكن أن تستخدم هذه الترانزستورات في التحكم بمحركات التيار المستمر والمحركات الخطوية مباشرة ًمن خلال الحاسوب أو من خلال المتحكمات من خلال استخدام تعديل عرض النبضة pulse-width modulation PWM.
يؤمن استخدام ترانزستورات MOSFET مع تعديل عرض النبضة تحكماً جيداً بالسرعة وسهولة وسلاسة في عمل المحرك.
الشكل 5: الدارة البسيطة التحكم بالمحرك:


Image: electronics-tutorials

ويمكن تشكيل شبكة التثبيت والحماية من خلال ثنائي زينر موصول على التسلسل مع ثنائي، وذلك من أجل السماح بتبديل سريع وتحكم أفضل بذروة الجهد العكسي وبزمن التسريب.
ولأجل أمان إضافي عند استخدام أحمال تحريضية كالريليهات والمحركات او الملفات اللولبية، يمكن وضع ثنائي سيليكوني أو ثنائي زينر(D1) على التوازي مع ترانزستور التبديل (كما في الشكل السابق)، لمنع حالات ارتفاع الجهد العابرة (الشوكة الكمونية) لمفاتيح التبديل أو حالات الضجيج.
يتم إضافة المقاومة R2 pull-down resistor لتخفيض جهد خرج البوابة المنطقية TTL إلى الصفر عندما يتم وضع الترانزستور في حالة التوقف عن العمل.

مفاتيح التبديل من ترانزستورات MOSFET ذات القناة P:
رأينا فيما سبق استخدام ترانزستورات MOSFET القناة N كمفاتيح تبديل، حيث كان الترانزستور يُربَط بين الحمل والأرض. ولكن في بعض التطبيقات يكون الحمل موصولاً مباشرة إلى الأرض، عندها نستعمل ترانزستورات MOSFET ذات النمط المعزز والقناة نوع P، حيث يكون الترانزستور مربوطاً بين الحمل والطرف الموجب للمنبع كما في ترانزستورات PNP.
الشكل 6: مخطط دارة استخدام ترانزستورات MOSFET قناة نوع P كمفتاح تبديل


Image: electronics-tutorials

يكون تدفق تيار المصرف المعروف في الاتجاه السالب وذلك بسبب تطبيق جهد (البوابة-المنبع) سالب من أجل نقل الترانزستور لحالة العمل، فكلما أصبح المبدل منخفض الجهد يعمل الترانزستور وكلما ارتفع جهد المبدل يتوقف الترانزستور.

لمزيد من المعلومات عن الترانزستورات تابعوا مقالاتها
هنا

المرجع:
هنا