موسوعة الإلكترونيات الحرة وتعليم البرمجيات.

مواضيع جديدة

السبت، 15 يونيو 2019

الموسفت MOSFET

شرح الموسفت MOSFET

ما هو الموسفت MOSFET؟

يتم تعريف الموسفت أو ما يسمى بالترانزستور ذات الشبكة المعزولة، هو عبارة عن نوع من أنواع الترانزستور الحقلي (Field effect transistor) ذات قناة نقل تعتمد في بنيتها الداخلية على المواد شبه موصلة. حيث يتكون الموسفت من ثلاثة أطراف هي المصدر Source، المصب Drain، والبوابة Gate.
يعتمد الموسفت في عمله على فرق الجهد بين البوابة Gate والمصدر Source ليسمح للتيار الكهربائي بالمرور من المصدر إلى المصب بعكس الترانزستور العادي والذي يعتمد على التيار الكهربائي لتشغيله. والشكل في الأسفل يوضح أجزاء الموسفت MOSFET:

ما هو اختصار الكلمة MOSFET؟

ترمز الكلمة أو الاختصار موسفت MOSFET الى Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor

ما هي تطبيقات الموسفت وما الهدف من وجوده؟

هنالك سببان لاختراع الموسفت وهما للعمل كقاطع كهربائي الكتروني Automatic Switch في الدارات الرقمية Digital Circuits كما هو الحال في الترانزستور العادي BJT مع وجود بعض الفروق التي سيتم شرحها في الأسفل. أو يعمل كمضخم للإشارة الكهربائية Amplification Techniques كما في الدارات التماثلية Analog Circuits.

ما هي أنواع وأقسام الموسفت من حيث التوصيل في الدارات الكهربائية؟

هنالك ثلاثة أنواع للموسفت (فئات)، ويتم مراعاة طريقة توصيل الأقطاب في هذه الأنواع سواء مع القطب الموجب أو القطب السالب، وهي على النحو التالي:
1- mosN وهي الفئة السالبة من الموسفت وتسمى أيضا بالاسم N-Channel MOSFET حيث يتم توصيل الطرف Source مع القطب السالب، ويتم ربط الحمل (الجهاز المطلوب تشغيله) على وصلة الـ Drain من جهة وبالقطب الموجب من الجهة الأخرى. وأخيرا يوصل البوابة Gate بالقطب الموجب لتشغيل هذا النوع من الموسفت ON وبالقطب السالب عند تعطيله OFF. ومن الأمثلة على هذا النوع، الموسفت IRF520 كما في الشكل التالي:

2- mosP وهي الفئة الموجبة من الموسفت وتسمى أيضا بالاسم P-Channel MOSFET حيث يتم توصيل الطرف Source مع القطب الموجب، ويتم ربط الحمل (الجهاز المطلوب تشغيله) على وصلة الـ Drain من جهة وبالقطب السالب من الجهة الأخرى. وأخيرا يوصل البوابة Gate بالقطب السالب لتشغيل هذا النوع من الموسفت ON وبالقطب الموجب عند تعطيله OFF. ومن الأمثلة على هذا النوع، الموسفت F540N كما في الشكل التالي:

3- mosC وهي فئة هجينة أي خليط من الصفات المتوفرة من الفئتين السابقتين أي فئة الـ Pmos والـ Nmos وغالبا ما تستخدم هذه الفئة في الدارات المتكاملة والدوائر المنطقية، وذلك بسبب أن الـ Cmos يمتاز بازدواجية التصرف الموجودة في الفئة Nmos و Pmos بحيث يوفر اتجاها للمخرج إما للأرضي GND أو لمصدر التغذية بالطاقة الكهربائية Vcc.

 ما هي الوضعيات أو الطرق الممكن توصيل الموسفت بها في الدارات الكهربائية بحسب تركيبه؟

1- وضع الاستنزاف Depletion Mode: عندما يكون الجهد الكهربائي على الطرف Gate منخفضاً، يكون التوصيل بين الطرف Drain (D) والطرف Source (S) في أعلى قدر من التوصيل. لذلك إذا تعرض الطرف Gate الى كل من الجهد الموجب أو السالب، ففي كلا الحالتين سوف تنخفض توصيلية القناة بين D و S. وباختصار يمكننا أن نقول أن هذا النوع من الموسفت يمثل عمل ريلي أو مرحل كهربائي في وضع الإغلاق الطبيعي Normally Closed والشكل التالي يوضح رمز الموسفت من النوع P-Channel و N-Channel في وضع الاستنزاف Depletion Mode:

2- وضع التحسين (التعزيز) Enhancement Mode: عندما يكون الجهد الكهربائي على الطرف Gate منخفضاً، يكون التوصيل بين الطرف Drain (D) والطرف Source (S) معدوماً أي في وضع القطع. لذلك إذا تعرض الطرف Gate إلى زيادة في الجهد الكهربائي الموجب أو السالب فسوف تتحسن توصيلية القناة بين D و S ويحدث التوصيل الكهربائي. وباختصار يمكننا أن نقول أن هذا النوع من الموسفت يمثل عمل ريلي أو مرحل كهربائي في وضع الفتح الطبيعي Normally Open والشكل التالي يوضح رمز الموسفت من النوع P-Channel و N-Channel في وضع التعزيز Enhancement Mode:

استخدام الموسفت N-Channel في تضخيم الإشارة الكهربائية في وضع التعزيز

يمتلك الموسفت من النوع أو الفئة السالبة N-Channel القدرة على تضخيم الإشارة الكهربائية أي نقصد تضخيم الجهد الكهربائي باستخدام ومساعدة دارة تقسيم الجهد Voltage Divider Circuit كما في الشكل التالي:

وظيفة الموسفت من حيث فتح وإغلاق الدائرة الكهربائية

سيتم اعتماد وضع الموسفت ذات ميزة التعزيز Emhancement Mode من الفئة السالبة N-Channel MOSFET لتشغيل وتعطيل مصباح كهربائي أو ممكن استبداله بمحرك أو أي قطعة كهربائية أخرى كما في الدارة التالية:

في الدارة الكهربائية التي في الأعلى يتم إعطاء البوابة Gate فولتية موجبة +ve مناسبة لتشغيل الموسفت وجعله في وضع التشغيل ON. أي = +ve GS V ليعمل المصباح ويضيء. أما في حال تعطيل المصباح وجعل الموسفت في وضع القطع OFF، فكل ما يجب فعله هو أن يربط طرف البوابة Gate مع الأرضي أو القطب السالب أي 0 = GS V

والجدول التالي يوضح الحالات التي يضيء فيه المصباح بوجود الفولتية الموجبة والسالبة وحتى الصفرية منها في الحالات الأربعة التالية:

نوع الموسفت ووضعه
 VGS= >> 0
VGS=  0
VGS= << 0
N-Channel Depletion
ON
ON
OFF
N-Channel Enhancement
ON
OFF
OFF
P-Channel Depletion
OFF
ON
ON
P-Channel Enhancement
OFF
OFF
ON

لماذا يوجد ثنائي أو دايود بوضع الانحياز العكسي في دارة الموسفت MOSFET السابقة؟

يطلق على هذا الثنائي الاسم Flywheel Diode وهو يوضع مع الأحمال الحثية Inductive Loads مثل المحركات الكهربائية والملفات السلكية كالمحث Coil والمحولات الفرعية Transformers وذلك لحماية القطع الالكترونية مثل الموسفت وغيره من التلف بفعل التيار العكسي Back EMF التي تولده تلك الأحمال الحثية.

استهلاك الموسفت للطاقة الكهربائية Power Consumption in MOSFET

لنفرض أن المصباح في الدارة التي في الأعلى يعمل على فرق جهد 6 فولت ويستهلك كما من الطاقة الكهربائية بمقدار 24 واط، والمقاومة الداخلية للموسفت RDSon بحدود 0.1 أوم. فما مقدار الطاقة الكهربائية التي يستهلكها ذلك الموسفت؟
إن مقدار التيار الكهربائي I المار عبر المصباح هو
 = P / VI
حيث P: مقدار الطاقة التي يستهلكها المصباح الكهربائي.
V: فرق الجهد الذي يعمل عليه المصباح.
وعليه تكون كمية التيار الكهربائي I المار عبر المصباح هي 24 / 6  أي 4 أمبير.
والآن لحساب مقدار الطاقة الكهربائية المستنزفة من قبل الموسفت MOSFET:
Pm = I X I X R
حيث Pm: مقدار الطاقة التي يستهلكها الموسفت.
R: مقدار المقاومة الداخلية للموسفت ويرمز لها أيضا بالكلمة RDSon.
وعليه تكون كمية الطاقة الكهربائية المستنزفة والمستهلكة في الموسفت MOSFET هي
4 X 4 X 0.1  أي 1.6 واط.

كمية الطاقة المستهلكة والحرارة المنبعثة من الموسفت ترانزستور

لحساب كمية الحرارة المنبعثة من الموسفت MOSFET يجب النظر الى معامل الحرارة الموجود في الداتاشيت Datasheet الخاص بالموسفت. فمثلا، الموسفت IRF540, IRF540S لديه معامل تبديد حراري  0.5 C/W. وإذا قمنا بضرب هذا العدد في كمية الطاقة التي يستهلكها هذا الموسفت سنحصل على كمية الحرارة المنبعثة من هذا الموسفت بوحدة السلسيوس.

ما الفرق بين الموسفت MOSFET والترانزستور العادي BJT؟

1. الترانزستور العادي يعد ترانزستور من الفئة BJT أي مفصلي ثنائي القطب والتي تعتمد أساسا على التيار الكهربائي المار في القاعدة Base في عمله، في حين أن الموسفت MOSFET هو ترانزستور من النوع FET أي يتأثر ويعمل فقط على أساس فرق الجهد بين البوابة Gate والمصدر Source.
2. الترانزستور العادي لديه باعث Emitter، جامع Collector وقاعدة Base، في حين أن الموسفت MOSFET لديه بوابة Gate، مصدر Source والمصب Drain.
3. يتم استخدام الترانزستور العادي في التطبيقات التي تعمل على تيار كهربائي قليل نسبياً أي أقل من 1 أمبير وفرق جهد كهربائي بحدود 10 فولت، في حين أن الموسفت MOSFETs يتم استخدامه في التطبيقات العملية التي تحتاج الى قدرة عالية.
4. في أيامنا هذه، تعتبر الموسفت MOSFETs أكثر استخدامًا من الترانزستور العادي BJTs خاصة في الدوائر الالكترونية الرقمية والتناظرية.
5. يعتمد تشغيل MOSFET على الجهد الكهربائي المسلط على البوابة المعزولة oxide-insulated Gate ، في حين أن الترانزستور العادي BJT يعتمد على التيار المار في القاعدة Base.
6. يعد الترانزستور العادي BJT أسرع في العمل من الموسفت MOSFET.
7. في درجات الحرارة العالية، يعمل الموسفت MOSFET بكفاءة أعلى من الترانزستور العادي BJT، اذ أن لديه القدرة التي تمكنه من العمل بكفاءة حتى لو ارتفعت درجة حرارته.

متى استخدم الترانزستور BJT ومتى استخدم الموسفت MOSFET؟

يجب مراعاة العوامل التالية قبل اختيار واستخدام أي من الموسفت MOSFET أو الترانزستور العادي BJT، وهذه العوامل هي على النحو التالي:
1- قدرة التشغيل: أي المكان الذي سيتم استخدام الموسفت أو الترانزستور العادي في الدارات الكهربائية، فمنها ما يحتاج كما كبيرا من الطاقة الكهربائية لتشغيلها، مما يستدعي وجود الموسفت، أما الدوائر الكهربائية قليلة الطاقة ذات البطاريات الجافة والمحولات التي تعمل على تيار أقل من واحد أمبير فتستدعي وجود الترانزستور العادي في داخلها.
2- مقدار فرق الجهد: يعتمد الموسفت أساساً في عمله على فرق الجهد الكهربائي أما الترانزستور فيتم تشغيله وتعطيله بفعل التيار الكهربائي المؤثر عليه.
3- سرعة الفتح والإغلاق: عندما تتعلق الأمور بالسرعة نلجأ فورا الى الترانزستور في عملنا، كما هو الحال في معالج الحاسوب CPU أو بعض أنواع الذواكر أو الذاكرات الالكترونية E-Memories.
4- كفاءة العمل: نقصد هنا بكفاءة العمل قدرة الجهاز أو القطعة الالكترونية سواء الموسفت أو الترانزستور على العمل لفترات طويلة دون التلف أو التقصير بفعل التيار الكهربائي أو الفولت العالي أو بفعل ارتفاع درجة الحرارة، ففي حالتنا هذه يفضل استخدام الموسفت. أما بالنسبة الى مدى استهلاك كلاهما للطاقة الكهربائية فالترانزستور العادي BJT يوفر كما هائلا من الطاقة الكهربائية إذ أنه لا يحتاج الى تيار كهربائي عالي لتشغيله.
5- التكلفة (ثمن الشراء): بشكل عام، القيمة الشرائية للموسفت MOSFET أعلى منها في حال الترانزستور BJT أي سعر الترانزستور أرخص من الموسفت.

الترانزستور والموسفت في الأردوينو MOSFET And Transistor in Arduino

عندما يتعلق الأمر بفرق الجهد المنخفض نسبياً أو فرق الجهد الرقمي +5 فولت فنلجأ الى استخدام الموسفت من النوع المنطقي أي Logic Level MOSFET، والتي بدورها لا تمتلك العديد من الصفات والخصائص التي تمتاز بها الموسفتات الأخرى العادية. لذلك يتم توظيف واستخدام الترانزستور العادي وربطه مباشرة مع مخرج الأردوينو من جهة وتشغيل الموسفت من جهة أخرى.

ما هو الـ Rdson والـ Vsat؟ وما الفرق بينهما؟

تعرف الـ Rdson على أنها المقاومة الداخلية للموسفت أي MOSFET on Resistance، وهي تقل بارتفاع فرق الجهد بين البوابة Gate والمصدر Source، كما وتزداد تلك المقاومة بارتفاع درجة حرارة ذلك الموسفت.
أما بالنسبة للـ Vsat فهي خاصية تتبع للترانزستور BJT وهي عبارة عن State Voltage Drops  أي تعتمد كمية التيار المارة في الترانزستور بين الجامع Collector والباعث Emitter على كمية التيار المارة في القاعدة Base فكلما ازدادت كمية التيار زادت قدرة التوصيل في الترانزستور الى حد معين بما يتناسب مع كمية ذلك التيار.

الموسفت والبطاريات MOSFET & Batteries 

عند التخطيط لاستخدام الموسفت في الدارات الكهربائية التي تعمل على مصدر كهربائي مثل البطاريات سواء الجافة منها أو السائلة، يجب مراعاة استهلاك ذلك الموسفت للطاقة الكهربائية. إذ أن الموسفت بشكل عام يستهلك قدرا كبيرا نسبيا من الطاقة الكهربائية لأنه يعتمد على الزيادة في فرق الجهد لتشغيله، بعكس الترانزستور الذي يستهلك مقداراً ضئيلاً جدا من الطاقة الكهربائية. لذلك، لا يفضل استخدام الموسفت في الأجهزة الكهربائية والدوائر الالكترونية التي تعمل على البطاريات.

كيف يتم التمييز بين الترانزستور العادي BJT والموسفت MOSFET؟

يتم الفحص بواسطة جهاز الملتيميتر Multimeter Device وضبط المؤشر على خاصية الصافرة وتطبيق آلية وطريقة فحص الترانزستور على كلاهما. لنفرض أن لدينا ترانزستورين الأول من الفئة ترانزستور عادي BJT والآخر موسفت MOSFET ولا نعلم ماهية أي منهما موسفت وأي منهما ترانزستور عادي؟ إذا كان العنصر المفحوص ترانزستور سيتم ظهور قراءات على جهاز الملتيميتر يوضح القاعدة والباعث والجامع، أما غير ذلك، فذلك يعني أنه موسفت.

لماذا يوضع مقاومة بين الـ Gate والـ Source في دائرة الموسفت الكهربائية؟ وما مقدار تلك المقاومة الكهربائية؟

يجب وضع مقومة بحدود 10 كيلو أوم بين الGate والSource للتخلص من الإشارة السكنة التي قد تؤثر على عمل الموسفت خاصة من النوع N-Channel، فعند لمس البوابة Gate قد يبقى الموسفت يعمل عتى لو تم إزالة المصدر الكهربائي عن البوابة Gate.

جدول تلخيصي لآلية عمل الموسفت بنوعيه الموجب والسالب في كلا الوضعيتين الاستنزاف والتعزيز

نوع الموسفت ووضعيته
= +ve GS V 
= 0 GS V 
= -ve GS V 
N-Channel Depletion
ON
ON
OFF
N-Channel Enhancement
ON
OFF
OFF
P-Channel Depletion
OFF
ON
ON
P-Channel Enhancement
OFF
OFF
ON

التحكم باتجاه دوران المحرك الكهربائي باستخدام الموسفت MOSFET

في الشكل التالي مخططا يوضح آلية التحكم باتجاه دوران المحرك الكهربائي مع أو عكس عقارب الساعة باستخدام نوعين من الموسفت الأول هو من الفئة السالبة N-Channel Enhancement MOSFET والآخر من النوع أو الفئة الموجبة P-Channel Enhancement MOSFET. يطلق على هذه التقنية العبارة Complementary MOSFET Motor Controller حيث يتم ربط كلا الموسفتان لتوليد اتجاهين للتيار الكهربائي بشكل منظم وعلى أنهما مفتاحين كهربائيين يتحكمان باتجاه ذلك التيار. والجدول التالي يوضع الحالة التي يكون فيها الموسفت الأول والثاني وأثرهما على اتجاه دوران المحرك:
الموسفت الأول MOSFET 1
الموسفت الثاني MOSFET 2
التجاه دوران المحرك
OFF
OFF
توقف دوران المحرك
ON
OFF
دوران للأمام
OFF
ON
دوران عكسي
ON
ON
غير مسموح

ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق

???????