يستخدم MOSFET كمفتاح يتحكم في تدفق التيار عن طريق تغيير جهد البوابة. يستخدم لأنه يتحول بسرعة، ويحتاج إلى تيار إدخال قليل جدا، ويمكنه العمل بكفاءة في العديد من الدوائر.
تشغيل تبديل MOSFET
يستخدم MOSFET كمفتاح هو جهاز شبه موصل يتحكم في تدفق التيار بين المصرف والمصدر عن طريق تطبيق جهد البوابة. تحدد البوابة ما إذا كان المسار بين المصرف والمدخل سيبقى مغلقا أو يعمل. نظرا لأن البوابة لها مقاومة إدخال عالية جدا، فهي تتطلب تيار إدخال قليل جدا للتحكم في التبديل. وهذا يجعل MOSFET مفيدا في الدوائر التي تتطلب تبديل سريع وفعال.
عملية تبديل MOSFET
يعتمد عمل التبديل في MOSFET على جهد البوابة إلى المصدر، أو VGS. عندما يبقى جهد البوابة أقل من الحد المطلوب لتكوين قناة موصلة، يبقى MOSFET مغلقا، ولا يتدفق التيار عبر مسار مصدر التصريف. عندما يصل جهد البوابة إلى المستوى المطلوب، تتشكل القناة ويعمل MOSFET، مما يسمح بتدفق التيار.
حالات تشغيل وإيقاف MOSFET
مفتاح MOSFET له حالتان تشغيليتان رئيسيتان: إيقاف التشغيل وتشغيل.
• في حالة OFF، يكون جهد البوابة إلى المصدر منخفضا جدا لتشكيل قناة، لذا لا يمكن للتيار أن يتدفق بين المصرف والمصدر. في هذه الحالة، يمنع MOSFET تدفق التيار.
• في حالة ON، يكون جهد البوابة إلى المصدر مرتفعا بما يكفي لتشكيل قناة موصلة (ON). يمكن أن يتدفق التيار بين المصرف والمصدر، ويكون مقاومة MOSFET منخفضة للاستخدام.
أنواع وتكوينات مفاتيح MOSFET
موسفيت N-Channel
يعد MOSFET على قناة N شائعا في دوائر التبديل لأنه يتميز بمقاومة تشغيل أقل. يعمل عندما يتجاوز جهد البوابة جهد المصدر.
موسفيت قناة P
يعمل MOSFET على قناة P عندما يكون جهد البوابة أقل من جهد المصدر. غالبا ما يستخدم عندما يوضع المفتاح على جانب الإمداد من الدائرة.
التبديل في الجانب المنخفض
في التبديل المنخفض الجانب المنخفض، يتم وضع MOSFET بين الحمل والأرضي. يستخدم هذا الإعداد مع MOSFETs ذات قناة N.
التبديل العالي
في التبديل العالي على الجانب المرتفع، يتم وضع MOSFET بين مزود الطاقة والحمل. يستخدم هذا الإعداد عندما يبقى الحمل متصلا بالأرض.
معلمات مفتاح MOSFET الرئيسية
• تصنيف جهد مصدر التصريف هو الحد الأقصى للجهد الذي يمكن لجهاز MOSFET التعامل معه بين المصرف والمصدر.
• تقييم التيار يوضح مقدار التيار الذي يمكن أن يحمله MOSFET تحت الظروف المحددة.
• RDS(on) هو مقاومة مصدر التصريف عندما يكون MOSFET مفعلا. يؤثر على انخفاض الجهد وفقدان التوصيل.
• جهد عتبة البوابة هو جهد البوابة إلى المصدر الذي يبدأ عنده MOSFET في التوصيل (MOSFET). يظهر بداية تكوين القناة، وليس أداء التبديل الكامل.
• شحنة البوابة هي مقدار الشحنة المطلوبة لتغيير جهد البوابة أثناء التبديل. يؤثر على سلوك التبديل.
فقدان الطاقة والحماية من MOSFET
يستخدم MOSFET كمفتاح يسبب بعض فقدان الطاقة. عندما يكون الجهاز مفعلا، يحدث فقدان التوصيل لأن الجهاز لا يزال يحتفظ بمقاومة تشغيلية صغيرة. أثناء التشغيل والإيقاف، يحدث فقدان التبديل أيضا لأن الجهد والتيار يتداخلان لفترة وجيزة مع تغير حالة MOSFET.
في الدوائر الحقيقية، يمكن أن يعرض التبديل أيضا MOSFET لإجهاد كهربائي. يمكن أن تخلق الأحمال الحثية ارتفاعات في الجهد عند انقطاع التيار فجأة. يمكن أن تؤثر هذه التأثيرات على تشغيل الجهاز واحتياجات الحماية.
تطبيقات MOSFET كمفتاح
• يستخدم في دوائر تزويد الطاقة للتبديل أثناء تحويل الجهد
• يطبق في دوائر التحكم في المحرك لتبديل القدرة للتحكم في السرعة والاتجاه
• يستخدم في دوائر LED لتبديل أحمال الإضاءة
• شائع في الأجهزة التي تعمل بالبطارية للتحكم الفعال في الطاقة
• يطبق في الدوائر الرقمية والتحكم كمفاتيح إلكترونية
المقارنة: MOSFET كمفتاح مقابل BJT كمفتاح
| الجانب | MOSFET كمفتاح | BJT كجهاز سويتش |
|---|---|---|
| طريقة التحكم | يتم التحكم فيه بواسطة جهد البوابة | يتم التحكم فيه بواسطة التيار الأساسي |
| متطلب الإدخال | يتطلب تيار إدخال قليل جدا | يتطلب تيارا أساسيا مستمرا |
| مقاومة الإدخال | مرتفع جدا | أقل من MOSFET |
| سرعة التبديل | تبديل أسرع | التبديل البطيء |
| فقدان الطاقة | انخفاض فقدان ON-state في كثير من الحالات | خسارة أعلى بسبب انخفاض الجهد |
| دائرة القيادة | محرك الجهد البسيط | يحتاج إلى محرك كهربائي حاليا |
| الكفاءة | عادة أعلى | عادة أقل |
| توليد الحرارة | أقل في العديد من تطبيقات التحويل | أعلى في العديد من تطبيقات التحويل |
| الملاءمة للتبديل عالي التردد | أكثر ملاءمة | أقل ملاءمة |
| الحساسية | أكثر حساسية للكهرباء الساكنة | أقل حساسية للكهرباء الساكنة |
| سلوك التحكم الحالي | أفضل للتبديل الإلكتروني الفعال | أفضل للتشغيل الذي يتحكم به التيار |
| الاستخدام النموذجي للتبديل | شائع في دوائر التبديل السريعة والفعالة | شائع في دوائر التبديل البسيطة منخفضة التكلفة |
الخاتمة
يعمل MOSFET كمفتاح عن طريق التحكم في المسار بين المصرف والمصدر باستخدام جهد البوابة. يعتمد أدائه على نظام تشغيل البوابة المناسب، وتصنيفات الأجهزة الصحيحة، والتحكم في الحرارة والخسائر وإجهاد الجهد. يعرض المقال أنواعه الرئيسية، وسلوك التبديل، والمعايير، والتطبيقات، ومقارنته مع تبديل BJT. فهم هذه النقاط يساعد في تفسير كيفية عمل الجهاز بأمان في الدوائر الحقيقية.
الأسئلة الشائعة [الأسئلة الشائعة]
ماذا يفعل مقاومة البوابة في دائرة MOSFET؟
يساعد مقاومة البوابة في التحكم في سرعة التبديل وتقليل الضوضاء.
هل يعني جهد عتبة البوابة أن MOSFET مفعل بالكامل؟
لا. هذا يعني فقط أن MOSFET يبدأ في التوصيل بنفسه.
لماذا تستخدم MOSFET على مستوى المنطق؟
يمكن تشغيله بشكل صحيح مع جهد بوابة منخفض.
لماذا تعتبر الأحمال الحثية محفوفة بالمخاطر بالنسبة ل MOSFET؟
يمكن أن تخلق ارتفاعات في الجهد قد تضر ب MOSFET.
هل تؤثر درجة الحرارة على أداء MOSFET؟
نعم. درجات الحرارة الأعلى يمكن أن تزيد من المقاومة والحرارة.
هل يمكن اختبار MOSFET قبل الاستخدام؟
نعم. يمكن للجهاز المتعدد أن يفحص الأعطال الأساسية.
