چگونه ماسفت مناسب انتخاب کنیم؟

ماسفت، یک کلید دیجیتال

کاور آموزش ماسفت

مقدمه

سلام. حتما اسم ماسفت به گوشتون خورده، اما برای خیلیا هنوز سواله که این قطعه دقیقا به چه کاری میاد؟ آیا فقط تو حوزه برق قدرت کاربرد داره یا مایی که تو حوزه رباتیک و الکترونیک کار میکنیم هم، ممکنه از این قطعه استفاده کنیم؟ قضیه کلید دیجیتال که برای ماسفت میگن چیه؟ تو این آموزش دقیقا قراره راجع به همه این موارد بحث بشه.

آنچه در این آموزش یاد می گیرید:
  • ماسفت چیست و چه کاربردهایی دارد؟
  • سوئیچ دیجیتال چیست؟
  • سوئیچ دیجیتال چیست؟
  • چگونه از ماسفت بعنوان یک سوئیچ دیجیتال استفاده کنیم؟
  • چگونه ماسفت مناسب را برای پروژه خود انتخاب کنیم؟
  • کنترل فن 12 ولت با آردوینو و ماسفت

اگه خیلی حوصله ندارید بصورت اطلاعات مفصلی کسب کنید، اصلا غصه نخورید!

با دیدن فیلم زیر بصورت مختصر و مفید با این پدیده دنیای الکترونیک آشنا می شید.

ماسفت چیست و چه کاربردهایی دارد؟

اما ماسفت، این پدیده شگفت انگیز دنیای الکترونیک. اینجا نمیخوایم راجع به تاریخچه و ساختار ماسفت ها صحبت کنیم چون خیلی مفصله و انشاالله بزودی در یک آموزش جداگانه و تخصصی میریم سراغش.

تعریف علمی که میشه برای ماسفت ارائه داد اینه:”ماسفت یک منبع جریان وابسته به ولتاژ است”

اما شاید درک این تعریف یکم سخت باشه، بذارید یکم از قبل تر شروع کنیم.

ماسفت یک قطعه سه پایه هست، پایه هایی بنام گیت، درین و سورس.

اگه یک ولتاژ حداقلی (بهش میگن ولتاژ آستانه و معمولا چیزی حدود 0.7 ولته) به پایه گیت اعمال کنیم، یجورایی پایه های سورس و درین به هم متصل میشن و جریان زیادی(بیشینه این جریان داخل دیتاشیت ماسفت ذکر شده) از این مسیر عبور میکنه. در واقع با اعمال ولتاژ به گیت مقدار مقاومت بین درین و سورس(RDS) از یک مقدار زیادی به نزدیک صفر میرسه.

اما از مهمترین کاربردهایی که ماسفت ها دارن میشه به تقویت کنندگی و سوئیچ کردن اشاره کرد، همانطور که گفتیم با اعمال ولتاژ به گیت پایه های سورس و درین بهم متصل میشن، پس بدون هیچ کار مکانیکی میتونیم دو قسمت مدار رو بهم وصل کنیم، این دقیقا همون چیزیه که بهش میگیم کلید، اونم نه یک کلید معمولی، کلید دیجیتال.

ماسفت ها دو نوع دارند مدل N-Channel و P-Channel، حالا اینکه اینا چه فرقی با هم دارن توضیح مفصلیه که توی همون آموزشی که قولش رو دادیم بهش میرسیم اما برای چیزی که الان لازم دارید کافیه بدونید که ماسفت های نوع N تغذیه منفی مدار یا همون زمین رو خوب قطع و وصل میکنن و ماسفت های نوع P تغذیه مثبت مدار رو خوب قطع و وصل میکنن. در 90% مواقع ماسفت نوع N برای این کاربرد انتخاب میشه.

سوئیچ دیجیتال چیست؟

دیدید که یکی از اصلی ترین کاربردهای ماسفت برای الکترونیک و رباتیک کارا سوئیچ دیجیتال بودنه. حالا خوبه قبل از اینکه راجع به طرز استفاده از ماسفت بعنوان سوئیچ دیجیتال صحبت کنیم، راجع به خود سودیچ دیجیتال بحث کنیم.

تعریف کلید دیجیتال خیلی خیلی ساده است، کلید دیجیتال دقیقا مثل سوئیچ مکانیکی کارش قطع و وصل کردن قسمتی از مداره فقط با یک تفاوت، سوئیچ مکانیکی این وظیفه رو به کمک یک جسم خارجی مثل دست انسان انجام میده ولی کلید دیجیتال این وظیفه رو به کمک سیگنال های دیجیتال یا بقولی همون 0 و 1 ها انجام میده.

اما کاربردشون چیه؟ خب خیلی جاها هست ما دسترسی به اون قسمت مدار که میخواد قطع و وصل بشه نداریم و نمیتونیم این دسترسی رو ایجاد کنیم یا اینکه میخوایم این قطع و وصل شدن طبق یک زمانبندی خاصی انجام بشه، اینجاست که کلید دیجیتال وارد میدون میشه و همه محدودیت های فیزیکی سوئیچ مکانیکی رو کنار میزنه.

استفاده از ماسفت بعنوان یک کلید دیجیتال

بعد از اینکه مقدمات رو یادگرفتید حالا وقته طرز استفاده هست. اگه یادتون باشه گفتیم با اعمال ولتاژ به گیت، پایه های سورس و درین بهم متصل میشن، پس مسیر مداری که کلیدمون اونجا قرار داره بین سورس و درین هست

عملکرد مداری ماسفت

برای استفاده از ماسفت به این نکته دقت کنید که اگه از ماسفت نوع N استفاده می کنید برای وصل شدن سوئیچ باید به گیت 1 منطقی بدید و برای قطع شدن سوئیچ باید به گیت 0 منطقی بدید و اگه از ماسفت نوع P استفاده می کنید برای وصل شدن 0 منطقی و برای قطع شدن 1 منطقی لازمه.

از اونجایی که میکروکنترلرهای که معمولا استفاده می کنیم ولتاژ خروجیشون 5 ولته یک چیز خیلی مهم اینه که ماسفتی که انتخاب می کنید باید حنما حتما پارامتر VGS(th) کمتر از 5 ولت باشه، به اینا میگن ماسفت های Logic Level، اگر میکروکنترلر 3/3 ولت هست این قضیه رو باید برای 3/3 ولت چک کنیم.

همه ماسفت ها Logic Level نیستند پس دقت کنید که تو دردسر نندازتتون.

چگونه ماسفت مناسب انتخاب کنیم؟

کافیه یک نگاهی به فروشگاه های اینترنتی و بخش ماسفت هاشون بندازید تا متوجه بشید که ماسفت ها تنوع عجیب و غریبی دارند، انواع پکیج ها، انواع اسم گذاری ها، انواع سایز ها و … اگه عالمانه سمت این تنوع نریم نه تنها این تنوع یک مزیت برای ماسفت ها حساب میشه بلکه نتیجه ای جز گیجی و سردرگمی برای کسی که میخواد از ماسفت استفاده کنه نداره. اما اصلا نگران نشید، با متدی که اینجا یاد میگرید خیلی راحت میتونید ماسفت مناسب برای پروژه تون رو انتخاب کنید.

راه انتخاب ماسفت اینه با توجه به جریانی که بارتون مصرف میکنه یک ماسفت با جریان درین – سورس بیشتر انتخاب کنید و با مراحل زیر ماسفت پیشنهادی تون صحت سنجی کنید، اگه نمره قبولی آورد که هیچ و گرنه برید سراغ پیشنهاد بعدی.

گام اول) مشخص کردن پایه های گیت، درین و سورس و بررسی ولتاژ آستانه گیت – سورس(VGS(th))، این ولتاژ باید کمتر از 5 باشه که بتونیم با میکروکنترلرمون کنترلش کنیم.

محاسبات انتخاب ماسفت 6
محاسبات انتخاب ماسفت 5

اگه پایه های گیت، درین و سورس رو درست مشخص نکنید ممکنه کلی دردسر تو مدارتون بوجود بیاد.

گام دوم) بررسی مقاومت درین – سورس(RDSon)، مقدار این مقاومت رو در نظر داشته باشید.

محاسبات انتخاب ماسفت 4

گام سوم) بررسی جریان محاسبه توانی که ماسفت نیاز داره، توان رو از رابطه زیر حساب کنید:

P = I^2*RDS

مقاومت RDSon رو که از گام قبل دارید و I هم جریانی هست که بارتون(مثلا LED، موتور، فن و …) مصرف می کنه. این مقدار حتما باید از مقدار بیشنه توان ماسفت کمتر باشه.

محاسبات انتخاب ماسفت 3

گام چهارم) یک سوال همیشگی اینه که آیا ماسفتی که استفاده کردیم هیت سینک هم لازم داره؟ برای این کار اول باید سه تا پارامتر RtetaJA ، Max(Tj) و TA رو از دیتاشیت دربیارید، البته TA همون 25 درجه محیط هست.

محاسبات انتخاب ماسفت 2
محاسبات انتخاب ماسفت 1

حالا مقادیر رو در فرمول زیر بگذارید:

 PD = (MAX(Tj)-TA) / R tetajA

اگه مقدار PD از مقدار توان که تو گام قبل محاسبه کردید بیشتر بود ماسفت هیت سینک لازم نداره وگرنه باید براش هیت سینک هم تعبیه کنید.

برای این که راحت باشید و خیلی شسته رفته برید سراغ پروژتون، ما در آریو الکترونیک یک فایل تر و تمیز آماده کردیم که خیلی واضح مراحل انتخاب ماسفت رو همراهش طی میکنید و بهترین انتخاب رو خواهید کرد. فایل رو دانلود کنید و لذت ببرید.

کنترل یک فن 12 ولت با آردوینو به کمک ماسفت

حالا که با ماسفت کاملا آشنا شدید، وقتشه وارد میدون عمل بشیم.

میدونیم که خروجی پایه های دیجیتال آردوینو 5 ولت هست و این پایه ها نهایتا 40 میلی آمپر رو بتونن تامین کنن، پس نمیتونیم یک فن 12 ولتی که احتمالا کلی مصرف جریان داره رو باهاش راه اندازی کنیم.

اگر به سرتون زد که فن 12 ولتتون رو مستقیم به آردوینو متصل کنید، بعدش باید با بردتون خداحافظی کنید.

پس برای راه اندازی فن 12 ولت با آردوینو یه یک واسط نیاز داریم، دقیقا مثل راه اندازی خیلی از موتورها. اینجا قراره از ماسفت بعنوان درایور استفاده بشه، درسته اینجا ماسفت نقش درایور رو داره اما راه اندازی و نحوه عملکردش دقیقا مثل همون توضیحاتیه که برای سوئیچ دیجیتال داده شده هست پس مفهوم جدیدی رو شامل نمیشه و به بیان ساده سر راه تغذیه و فن یک سوئیچ دیجیتال قرار میدیم.

قطعات و لوازمی که برای این پروژه نیاز دارید:
بورد Ardui UNO 1 عدد
فن 12 ولت 1 عدد
ماسفت IRF530 1 عدد
مقاومت 4.7K 1 عدد
مقاومت 100 1 عدد
سیم جامپر به میزان لازم

اولین کاری که باید انجام بدید، انتخاب ماسفت هست که این کار رو کامل بلدید ولی برای مرور مجددا باهم جدول انتخاب ماسفت رو پر میکنیم.

چون فنی که داخل این پروژه استفاده شده یکم بزرگه و حدود 2.5 آمپر جریان میکشه انتخاب اول ما IRF530 هست که جریان نامی 17 آمپری داره.

پایه های گیت، سورس و درین رو از دیتاشیت درآوردیم و متوجه شدیم ولتاژ آستانه گیت – سورس هم نهایت 4 ولته پس از این نظر خوبه.

مقاومت درین – سورس داخل دیتاشیت 0.11 اهم ذکر شده، حالا با فرمول توان رو حساب کردیم که 68/0 وات بدست اومد که این هم مناسبه.

در آخر با فرمول هیت سینک محسابه کردیم توان ماکزیمم بدون هیت سینک 4/2 وات هست که خیلی بیشتر از توان مصرفی ماست پس هیت سینک هم لازم نیست.

انتخاب ماسفت خیلی هم سخت نیست، نه؟

سعی کنید همیشه مشخصات جریان مصرفی رو دست بالا بگیرید.

سیم بندی:

مدار رو طبق عکس زیر ببندید:

سیم بندی آموزش ماسفت

هیچ وقت پایه گیت رو رها نگذارید چون جریان نشتی DS میتونه براتون مشکل ساز بشه، مقاومت 4.7k هم برای همین گذاشته شده که درمواقعی که کاری با ماسفت نداریم خود به خود پایه گیت pull down بشه و 0 منقطی بهش برسه که یعنی کلید قطع باشه.

مقاومت 100 اهم هم برای کم کردن جریان نشتی گیت گذاشته شده، اگر ماسفت ایده آل بود گیت جریانی نمی کشید ولی خب میدونیم که تو دنیای الکترونیک ایده آلی وجود نداره، حداقل فعلا.

کد:

کد زیر رو روی آردوینو آپلود کنید و نتیجش رو مشاهده کنید. اگر هم با نرم افزار Arduino IDE آشنا نیستید بهتره آموزش 0 تا 100 نرم افزار Arduino IDE مارو بخونید.

همانطور که دیدید کد چیز خاصی نداره، فقط در زمان لازم برای وصل شدن سوئیچ، به پایه گیت 1 منطقی میدیم.

1 منطقی برای برد Arduino UNO معادل 5 ولت هست، اگه از میکروکنترلری استفاده می کنید که 1 منطقی برای اون 3/3 ولت هست(مثل میکروهای STM32 یا ...) حتما داخل دیتاشیت قضیه Logic Level ماسفت رو چک کنید.

نتیجه گیری

حالا که به آخر آموزش رسیدید، میدونید ماسفت چیه و  به چه دردهایی میخوره و متوجه شدید برای الکترونیک کارا خیلی وقتا بعنوان کلید دیجیتال کاربرد داره و طرز استفاده از اونو بعنوان کلید دیجیتال هم یاد گرفتید. بعد یک سوال پیش اومد که با این تنوع گسترده ماسفتا چجوری گزینه مناسب رو انتخاب کنیم که راجع بهش بحث شد، آخر سر هم با راه اندازی یک فن 12 ولت با آردوینو  بصورت عملی کارکرد ماسفت رو دیدید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *