مبدأ عمل الموسفيت :

الموسفيت هو “ترانزستور أكسيد المعدن تأثير المجال” MOSFET . الشكل التالى يبين رموز ترانزستورات تأثير المجال FET وترانوستورات الموسفيت :

يتم توصيل الموسفيت عندما يكون الجهد بين البوابة G والمنبع S أكبر من حوالى 2V ( فى المدى 2V to 5V) .

أسهل طريقة لفهم طريقة عمل الموسفيت هى مقارنتها مع الترانزستورات NPN و PNP وعلى دائرة مماثلة.

ميزة الموسفيت هى :

أنه يتطلب تيارا قليلا جدا (تقريبا صفر) فى البوابة gate لتحويله إلى حالة التوصيل (التشغيل) on ويمكن أن يمد الحمل بتيار من 10 إلى 50 أمبير أو أكثر .

يمكن استخدام الموسفيت مكان الترانزستور العادى ( يسمى ترانزستور الوصلة ثنائى القطبية BJT) ، مع الأخذ فى الاعتبار اختلاف واحد طفيف .

الترانزستور NPN العادى سوف يتحول إلى التوصيل on عندما يكون جهد القاعدة Base أعلى من جهد المشع Emitter بحوالى 0.65V ، ولكن الموسفيت يحتاج أن يكون طرف البوابة Gate عند جهد على الأقل من 2V إلى 5V فوق جهد المنبع (المصدر) Source (تبعا لنوع الموسفيت) .

الشكل التالى يبين مقارنة بين ترانزستور NPN وموسفيت N-channel : 

يجب إضافة زينر دايود إلى بوابة الموسفيت إذا كان جهد البوابة يأتى من مصدر فوق 20V .

· الترانزستور العادى جهاز لتكبير التيار .

لتيار حمل قيمته 100mA ، فإت تيار القاعدة للترانزستور BC547 سوف يحتاج أن يكون حوالى 1mA . وهذا يعنى أن لديه كسب تيار حوالى “100” .

· الموسفيت جهاز يتم التحكم فيه عن طريق الجهد ، والتيار الذى يتناوله يعتمد على حجمه المادى (الطبيعى) وطريقة بناؤه ،ولا يمكنك تغيير هذا البارامتر .

من أجل تيار حمل قيمته تصل إلى 35A ، فإن تيار البوابة للموسفيت IRZ40 سوف يكون أقل من 0.25mA . عندما يكون جهد البوابة من 3V إلى 4V أعلى من جهد المنبع (المصدر) ، يتحول الموسفيت إلى التوصيل on وتكون المقاومة بين طرف المنبع وطرف المصب (المصرف) Drain حوالى 0.028 ohm ، وسوف يتناول ما يصل إلى 35 amps .

يحدد الحمل التيار المار خلال الموسفيت (وليس الموسفيت) ، وإذا كان هذا التيار أقل من 35 amps فإن الموسفيت IRZ40 يكون مناسبا للتطبيق .

الشكل التالى يبين مقارنة بين الترانزستور PNP والموسفيت P-channel : 

عندما يكون جهد البوابة أقل بقيمة 4V من جهد التغذية الموجب ، فأن الموسفيت يتحول إلى التوصيل on .

المقاومة 10k المتصلة بقاعدة الترانزستور ضرورية لمنع تيار القاعدة من تجاوز كمية التيار التى يحتاجها الترانزستور لتقديم التيار للحمل . لكن المقاومة 10k المتصلة ببوابة الموسفيت ليست ضرورية ، لأن توفير الجهد (حتى 18V) على البوابة يرتفع ويهبط بسرعة ، ولن يسخن الموسفيت . الفترة الحرجة من الزمن تكون فى القسم من 0V إلى 3V من الشكل الموجى لأنها التى يحدث عندها التحويل للتوصيل on .

أسباب تلف الموسفيت :

هناك عدد غير قليل من الأسباب المحتملة لتلف الموسفيت ، فيما يلى عدد من الأسباب الأكثر أهمية :

1- الجهد الزائد Over-voltage :

الموسفيت له “تسامح” tolerance قليل للجهد الزائد . فقد يلحق الضرر بالموسفيت نتيجة حتى إذا تجاوز الجهد المقنن ولو لفترة زمنية صغيرة قد تصل إلى بضع من النانو ثانية . لذلك يجب الاهتمام بمستويات الجهد المقنن مع إعطاء اهتمام كبير لإخماد إى جهود مسمارية (إبرية) أو رنين .

2- تيار الحمل الزائد Over load-current لمدة طويلة :

يسبب ارتفاع التيار المتوسط تبديد حرارى كبير بالموسفيت حتى لو كانت مقاومة التوصيل منخفضة نسبيا . فإذا كان التيار مرتفع جدا والتبريد أو التشتيت الحرارى ضعيف ، فإن الموسفيت يمكن أن يتعرض للتدمير نتيجة ارتفاع درجة الحرارة المفرطة . يمكن توصيل الموسفين على التوازى مباشرة لتقاسم تيارات الحمل المرتفع .

3- تزايد تيار الحمل العابر Transient :

الزيادة الضخمة فى تيار الحمل ، حتى لمدة قصيرة ، يمكن أن تسبب تلفا مرحليا للموسفيت مع ارتفاع قليل فى درجة الحرارة قبل الانهيار .

4- الإنطلاق عبر التوصيل :

إذا حدث تراكب (تداخل) لإشارتى تحكم فى اثنين من الموسفيتات المعكوسة ، يمكن أن تحدث حالة حيث يتم توصيل كلا الموسفيتين معا . التأثير الفعلى لهذه الحالة كدوائر القصر على المنبع وتعرف “بالإنطلاق عبر التوصيل” . إذا حدث هذا ، فإن مكثف فك الربط للمنبع يتم تفريغه بسرعة خلال كلا الجهازين فى كل مرة يحدث فيها الانتقال للتحويل . وهذا يتسبب ، لفترة قصيرة ولكن بشكل لا يصدق ، فى نبضات تيار كثيف خلال كلا الجهازين الموصلين .

يتم الحد من فرص حدوث الانطلاق من خلال السماح “بزمن ميت” dead time بين انتقالات التحويل ، وخلاله لا يتم تشغيل أى من الجهازين . وهذا يسمح بزمن من أجل فصل أحد الأجهزة قبل توصيل الجهاز العكسى .

5- عدم وجود مسار تيار “الدوران الحر” Free-wheel :

عند تبديل التيار من خلال أى حمل حثى ( مثل الملف) يتم إنتاج “قوة دافعة كهربية” EMF عكسية عندما يتم فصل التيار . ومن الضرورى توفير مسار لهذا التيار “ليدور بحرية” free-wheel فى الوقت عندما لا يكون الجهاز موصل لتيار الحمل .

عادة ما يتم توجيه هذا التيار من خلال دايود “الدوران الحر” المتصل “بالتوازى-المضاد” مع الموسفيت . عندما يوظف الموسفيت كجهاز تبديل ، فإن المصمم يحصل على دايود “الدوران الحر” مجانا فى شكل موسفيت وبداخل جسمه الدايود . وهذا يحل مشكلة واحدة ، ولكنه ينشىء مشكلة جديدة .

6- الاسترداد العكسى البطىء للدايود الموجود بجسم الموسفيت :

بعض الملفات لها القدرة على تخزين طاقة كبيرة . تحت بعض ظروف التوليف ، فإن هذا يتسبب فى “الدوران الحر” للتيار خلال الدايود الموجود بجسم الموسفيت . هذا السلوك ليس مشكلة فى حد ذاته ، ولكن تنشأ مشكلة بسبب بطء التحول للفصل ( أو الاستراد العكسى ) للدايود الموجود بجسم الموسفيت .

الدايودات الموجودة بجسم الموسفيت عماما يكون لها زمن استرجاع عكسى طويل بالمقارنة بأداء الموسفيت نفسه .

عادة ما يتم تخفيف هذه المشكلة عن طريق إضافة دايود سرعة عالية ( استرجاع سريع) . وهذا يضمن أن الدايود الموجود بجسم الموسفيت لن يتم دفعه أبدا إلى التوصيل . يتم التعامل مع تيار “الدوران الحر” عن طريق دايود الاسترجاع السريع والذى يقدم مشكلة “الانطلاق” بشكل أقل .

7- تجاوز قيادة (دفع) drive البوابة :

إذا تم قيادة بوابة الموسفيت بجهد مرتفع جدا ، عندئذ عزل البوابة يمكن أن يثقب مما يجعل الموسفيت عديم الفائدة . جهود “البوابة-المنبع” Gate-Source الزائدة عن +/- 15 volts من المحتمل أن تسبب ضرر بعزل البوابة وتؤدى إلى التلف . ينبغى توخى الحذز لضمان أن إشارة قيادة البوابة خالية من أى جهود مسمارية ضيقة والتى قد تتجاوز الحد الأقصى المسموح به لجهد البوابة .

8- قيادة بوابة غير كافية – تحول للتوصيل غير مكتمل :

أجهزة الموسفيت هى الوحيدة القادرة على تبديل كميات كبيرة من القدرة لأنها مصممة لتبديد الحد الأدنى من القدرة عندما يتم تحويلها إلى التوصيل on . وتكون مسؤولية المصمم ضمان أن جهاز الموسفيت يتم تشغيله بكل قوته لتقليل التبديد أثناء التوصيل . إذا لم يتم تشغيل الجهاز بشكل كامل ، فإن الجهاز سوف يكون له مقاومة عالية أثناء التوصيل ، وسوف يبدد قدرة كبيرة فى شكل حرارة . جهد البوابة بين10 V و 15 V يضمن التحول الكامل للتوصيل مع معظم أجهزة الموسفيت . 

9- بطء تحول التبديل :

يتم تبديد طاقة صغيرة أثناء الحالة الثابتة (المستقرة) لكل من التوصيل on والفصل off ، ولكن يتم تبديد طاقة كبيرة أثناء فترات التحول .

ولذلك فمن المستحسن أن يتم التبديل بين الحالات فى أسرع وقت ممكن للحد من تبديد القدرة أثناء التبديل . وحيث أن بوابة الموسفيت تبدو كسعة ، فإنه يتطلب نبضات تيار كبير من أجل شحن وتفريغ البوابة فى بضع عشرات من النانو ثانية . تيار الذروة للبوابة يمكن أن مرتفعة ، مثل 1 amp .

10- التذبذب الزائف (الكاذب) :

الموسفيت قادر على تبديل كميات كبيرة من التيار فى أزمنة قصيرة بشكل لا يصدق . ومداخلها تكون أيضا ذات معاوقة عالية نسبيا ، والتى يمكن أن تؤدى إلى مشاكل فى الاستقرار . فى ظل ظروف معينة يمكن لأجهزة الموسفيت ذات الجهد المرتفع أن تتذبذب بترددات عالية جدا بسبب الحث والسعة الضالة أو الشاردة stray فى الدائرة المحيطة . هذا السلوك غير مرغوب فيه للغاية لأنه يحدث نتيجة لعملية خطية ، ويمثل حالة تبديد عالية .

يمكن منع التذبذب الزائف عن طريق تقليل الحث والسعة الشاردة حول الموسفيت . وينبغى أيضا استخدام دائرة قيادة بوابة منخفضة المعاوقة لمنع الإشارات الشاردة من الاقتران ببوابة الجهاز .

11- تأثير “ميلر” : 

أجهزة الموسفيت لها “سعة ميلر” كبيرة بين طرفى بوابتها ومصرفها . فى التطبيقات ذات الجهد المنخفض أو التبديل البطىء ، هذه السعة نادرا ما تسبب قلق ، ولكنها يمكن أن تسبب مشاكل عندما يتم تبديل جهود عالية أو تبديل سريع .

يمكن تقليل تأثير ميللر باستخدام دائرة منخفضة المعاوقة لقيادة البوابة والتى تثبت جهد البوابة عند الصفر عند حالة الفصل . وهذا يقلل من تأثير أى جهود مسمارية تقترن من المصرف . يمكن الحصول على مزيد من الحماية عن طريق تطبيق جهد سالب على البوابة أثناء حالة الفصل ، على سبيل المثال تطبيق “-10 V” على البوابة يتطلب أكثر من 12 V من الضوضاء من أجل مخاطرة توصيل الموسفيت الذى من المفترض أن يكون مفصول .

12- التداخل بالتوصيل مع المتحكم :

التبديل السريع للتيارات الكبيرة يمكن أن يسبب إنخفاضات جهد وجهود مسمارية عابرة على قضبان إمدادات القدرة . فإذا كان واحد أو أكثر من قضبان الإمداد بالقدرة مشتركة لكل من مرحلة القدرة وال، عندئذ يمكن أن يحدث توصيل تداخل إلى دائرة التحكم .

الفصل الجيد ، وتأريض نقطة النجمة هى التقنيات التى يجب استخدامها للحد من آثار التداخل بالتوصيل . كما أن استخدام محول اقتران (ربط) لقيادة الموسفيت يعتبر فعال جدا فى منع الضوضاء الكهربائية من أن يتم توصيلها مرة أخرى إلى المتحكم .

13- الضررنتيجة الكهرباء الساكنة :

ينبغى اتخاذ الاحتياطات لمنع الضرر للبوابة عند تركيب الموسفيت أو ترانزستور البوابة المعزولة IGBT . ولكن يكون موثوق به جدا بمجرد لحامه فى مكانه .

اختبار الموسفيت :

هذا الاختبار يستخدم المقياس المتعدد الرقمى على وضع قياس الدايود مع وجود جهد بحد أدنى 3.3 volt بين طرفى القياس .

يتم توصيل طرف “المصدر” Source (S) للموسفيت بالطرف السالب ( – ) للمقياس :

1- يتم مسك الموسفيت من الغلاف المعزول مع عدم لمس الأجزاء المعدنية لمجسات القياس مع أى من أطراف الموسفيت الأخرى لحين الحاجة لذلك .

2- أولا يتم لمس المجس الموجب للمقياس مع “بوابة” Gate (G) الموسفيت .

3- الآن حرك المجس الموجب إلى “مصرف” Drain (D) الموسفيت . يجب أن تحصل على “قراءة منخفضة” .

السبب :

لقد تم شحن المكثف الداخلى على بوابة الموسفيت عن طريق المقياس ، وتحول الموسفيت إلى حالة التوصيل .

4- مع بقاء اتصال المجس الموجب للمقياس بالمصرف ، يتم لمس الإصبع بين المصدر S والبوابة G . سوف يتم تفريغ البوابة G من خلال الإصبع ويجب أن تتحول قراءة المقياس إلى الارتفاع ، مما يدل على عدم توصيل (قطع) الموسفيت .

هذا الاختبار البسيط لا يعتبر الأمثل 100% ، ولكنه مفيد وعادة يكون كافيا .

عندما يتلف الموسفيت فإنه غالبا ما يكون دائرة قصر بين المصرف والبوابة D – G . وهذا قد يتسبب فى وصول جهد المصرف D عائدا إلى البوابة ، وبطبيعة الحال ، وعن طريق طريق مقاومة البوابة ، إلى دائرة تشغيل (قيادة) الموسفيت ، وربما يتلف هذه الدائرة . كما أنه أيضا قد يصل التأثير (التلف) إلى أى موسفيت أخر متوازى مع هذا الموسفيت (وهذا يفسر تلف أكثر من موسفيت فى آن واحد ) .  لذلك ، إذا تلف موسفيت ، يجب اختبار دائرة التشغيل أيضا . هذه الحقيقة هى ، على الأرجح ، السبب فى إضافة زينر دايود إلى مصدر البوابة . يمكنك أيضا إضافة مقاومة من النوع الذى يعمل كمصهر عند زيادة التيار فتفصل بوابة الموسفيت . 

المراجع ::

1- المرجع الاول

2- المرجع الثاني