ماسفت چیست ؟ انواع و کاربردهای آن

ماسفت چیست و چه کاربردی دارد. یکی از انواع ترانزیستور ها هستند و در اصل قطعات الکتریکی می باشند که وظیفه و عملکرد آنها سوئیچینگ ولتاژ است. ترانزیستور ماسفت دارای یک اثر میدانی نیمه رسانا است و به طوری کلی ترانزیستور ها در دو نوع اتصال قطبی و اثر میدانی وجود دارند. شکل ظاهری ترانزیستور ماسفت به این شکل است که دارای یک بدنه و سه پایه است.

در این مقاله می خواهیم به طور کامل به این سؤال پاسخ دهیم که ماسفت چیست؟ و ماسفت های پرکاربرد کدامند؟ در تعریف کلی باید گفت که ماسفت در واقع ترانزیستور اثر میدانی نیمه رسانای اکسید-فلز Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor است. می توان گفت ماسفت در مدارهای الکترونیک آنالوگ و دیجیتال، ترانزیستور اثر میدان است. این ترانزیستورها دارای قابلیت تطبیق پذیری زیادی هستند، به همین دلیل کاربردهای مختلفی دارند.

ماسفت به زبان ساده

ماسفت یک قطعه با سه پایه است که در اصل کار سوئیچ و تقویت کنندگی را انجام می دهد. به این صورت که اگر ولتاژ کمی را به گیت وارد کنیم پایه های درین و سورس به یکدیگر متصل می شوند و جریان بالایی میان آنها برقرار می شود. این دستگاه در واقع یک کنترل کننده ولتاژ نیز می باشد.

اجزاء ترانزیستور ماسفت (Mosfet Transistor )

این قطعه دارای سه پایه و یک بدنه می باشد که هر کدام عملکرد خاصی دارند :

گیت  (gate ) :

یکی از پایه ها در ماسفت است که وظیفه آن کنترل جریان به وجود آمده بین سورس و درین است. جنس این پایه از اکسید سیلسیوم است.

درین (drain) :

این پایه جریان خروجی از ماسفت را کنترل می کند. در واقع وظیفه خروجی جریان با درین است.

سورس (source):

این پایه در ماسفت ولتاژ ورودی را کنترل می کند. در واقع وظیفه ورودی جریان با سورس است.

انواع ماسفت (MOSFET)

این دستگاه با توجه به کاربرد و طراحی که دارد دارای انواع مختلفی می باشد. در زیر انواع ماسفت ها را بررسی می کنیم.

p-chanel

در این مدل از انواع ماسفت ، سورس به پایه منفی منبع تغذیه وصل می شود. برای روشن کردن باید ولتاژ گیت را افزایش دهیم و هنگام خاموش کردن گیت را باید به پایه منفی منبع تغذیه وصل کنیم.

n-chanel

در این نوع از ماسفت، سورس را باید به پایه مثبت متصل کنیم. در زمان روشن کردن ،ولتاژ گیت باید به صفر برسد به این معنی که ابتدا باید به منبع تغذیه وصل کنیم و برای خاموش کردن گیت را به منبع تغذیه مثبت متصل کنیم.

Depletion

این نوع از ماسفت ها اتصال را قطع نگه میدارند و زمانیکه ولتاژی وارد گیت می شود اتصال بین سورس و درین را بر قرار می کند.

Logic level

کاربرد این نوع از ترانزیستور بر عکس depletion است. به این صورت که اتصال را برقرار می کند تا زمانیکه ولتاژی وارد گیت شود.

انواع ماسفت های قدرت

ماسفت هایی که در توان های بالا می توانند مورد استفاده قرار گیرند، ماسفت های قدرت Power MOSFET نامیده می شوند. این نوع از ماسفت ها در ولتاژهای پایین عملکرد خیلی خوبی دارند و همچنین سوئیچینگ آن ها با سرعت بالایی انجام می شود. ماسفت های قدرتی راه اندازی ساده ای دارند چون گیت آن عایق شده است. علاوه بر ویژگی های ذکر شده، انواع ماسفت های پاور یک سری مزایای منحصر به فرد دیگری نیز دارند که می توان به پهنای باند گسترده، آسان بودن قابلیت پردازش موازی پیشرفته، سهولت تعمیر، راه اندازی ساده و همچنین راحت بودن استفاده از آن در الکترونیک قدرت کاربرد متنوعی دارند. به همین دلایل شاید بتوان با قطعیت گفت که متداول ترین دستگاه های نیمه رسانایی که مورد استفاده قرار می گیرند، MOSFET های قدرت هستند. در اصل در مدارهای الکتریکی از این نوع ماسفت ها برای کنترل توان بالا یا جریان استفاده می شود.

انواع ماسفت های قدرت را می توان به ۶ دسته تقسیم بندی کرد:

• حالت تخلیه ای یا کاهشی: معمولاً روشن است و در زمان استفاده از ماسفت ولتاژ آستانه Vgs، خاموش می شود.
• حالت افزایشی یا تقویت کننده: به طور معمول خاموش است و در زمانی که از Vgs استفاده می شود، خاموش خواهد شد.
• ماسفت های کانال N: ولتاژ و جریان این ماسفت ها مثبت است.
• ماسفت های کانال P: یکی دیگر از انواع ماسفت های پاور، ماسفت های کانال P هستند که ولتاژ و جریان منفی می باشند.
• ماسفت های ولتاژ پایین: ولتاژ شکست در ماسفت های ولتاژ پایین از ۰ تا ۲۰۰ ولت است.
• ماسفت های ولتاژ بالا: ولتاژ شکست در این نوع ولتاژها بیشتر از ۲۰۰ ولت می باشد.

کاربرد ترازیستور ماسفت

از این ترانزیستور در مدار های الکتریکی استفاده می شود. نحوه استفاده از آن به این صورت است که از این دستگاه به عنوان سوئیچ کننده و تقویت کننده استفاده می شود. در زیر به موارد کاربردی این دستگاه اشاره می کنیم:

• منابع تغذیه سوئیچینگ ها
• اینورترها
• کنترل کننده های موتور های نوع DC
• دستگاه های ups
• امپلی فایر

ماسفت قدرت چیست؟

در واقع نوعی خاص از ترانزیستور است که از آن می توان در توان های بالا استفاده کرد و در اصل برای این کار طراحی شده است. ماسفت قدرت سرعت سوئیچینگ بالایی دارد و علاوه بر آن در ولتاژهای پایین هم کارایی دارد. در این نوع خاص از ترانزیستور ها از گیت های عایق کاری استفاده شده است که در راه اندازی آسان ترانزیستور موثر است. از این نوع در بهره های کم نیز استفاده می شود و گاهی لازم است ولتاژ گیت از ولتاژ تحت کنترل باشد.

کاربرد ترانزیستور قدرت

ماسفت قدرت از پر کاربرد ترین کلید هایی است که از آنها در ولتاژ های کمتر از ۲۰۰ ولت استفاده می شود و از مهم ترین کاربرد های آن می توان به موارد زیر اشاره کرد.

• مدارهای منابع تغذیه
• مبدل های DC به AC
• کنترل کننده های موتور

تست ماسفت

روش تست به این صورت است که مولتی متر را روی تست دیود قرار می دهیم و سپس ترانزیستور ماسفت را روی یک سطح عایق و بدون بار الکتریکی قرار می دهیم. قبل از شروع تست به وسیله یک قطعه فلزی بدون بار الکتریکی پایه ها را اتصال کوتاه می دهیم تا شارژ خازن تخلیه شود. با توجه به انواع ماسفت ها تست آنها نیز متفاوت است.

تست سلامت ماسفت n-Chanel

تست سلامت ترانزیستور n-Chanel به این صورت است که ابتدا پراب سیاه را به روی گیت و پراب قرمز را روی سورس می گذاریم. به صورتی که مولتی متر صدا ندهد که در غیر این صورت مدار باز است. در مرحله بعد پراب قرمز را به سورس و پراب سیاه را به درین وصل می کنیم. در این حالت باید مولتی متر یک عدد نشان دهد. با تغییر حالت در هر دو حالت مولتی متر نباید صدا دهد.

تست سلامت ماسفت p-Chanel

روش تست در ترانزیستور p-Chanel در حالت مثبت به این شکل است که پراب قرمز را روی گیت می گذاریم و پراب سیاه را روی سورس می گذاریم و نباید مولتی متر صدا بدهد. در مرحله بعد پراب سیاه را روی سورس و پراب قرمز را روی درین وصل می کنیم که در این مرحله مولتی متر یک عدد نشان می دهد و نیاید صدایی مانند بوق بدهد.

تست ماسفت با لامپ

یکی از مراحلی که می توان ماسفت را تست کرد به کمک لامپ است. برای بررسی عملکرد ماسفت با لامپ، مراحل زیر را انجام دهید:

1. اتصال لامپ به مدار:  یک لامپ سری با درین ماسفت قرار دهید. منبع تغذیه را به مدار وصل کنید.
2. تحریک گیت:  ولتاژ مناسب را به پایه گیت اعمال کنید. اگر ماسفت سالم باشد، لامپ روشن و خاموش خواهد شد.
3. بررسی نشت جریان:  بدون اعمال ولتاژ به گیت، لامپ نباید روشن شود. در غیر این صورت، ماسفت احتمالاً معیوب است.
4. بررسی افزایش دما:  اگر ماسفت بیش از حد داغ شود، نشانه‌ مشکل در عملکرد آن است.

تست ماسفت با مولتی ‌متر

برای تست ماسفت با مولتی‌ متر در حالت خاموش و بدون اعمال ولتاژ به گیت، مراحل زیر را انجام دهید:

تشخیص پایه ‌ها

• با تنظیم مولتی‌ متر روی تست دیود، پراب قرمز را به پایه سورس (S) و پراب مشکی را به درین (D) متصل کنید. اگر مقدار ولتاژ کمی نشان دهد، پایه ‌ها را درست شناسایی کرده‌ اید.

بررسی سالم بودن ماسفت

• ماسفت N-Channel:
  • پراب قرمز را به سورس و پراب مشکی را به درین بزنید؛ نباید عبور جریان داشته باشد.
  • سپس پراب قرمز را لحظه‌ ای به گیت (G) بزنید، حالا اگر پراب‌ ها را به سورس و درین بزنید، باید جریان عبور کند.
  • برای خاموش کردن، پراب مشکی را لحظه ‌ای به گیت بزنید.
• ماسفت P-Channel:
  • روند مشابه ولی معکوس است؛ پراب مشکی به سورس و پراب قرمز به درین متصل شود.
  • پس از تحریک گیت با پراب مشکی، باید عبور جریان را مشاهده کنید.

اگر ماسفت به درستی روشن و خاموش نشود، احتمالاً معیوب است.

ماسفت افزایشی

در ماسفت های افزایش و در حالت مثبت هنگامی که گیت نسبت به سورس مثبت باشد، جریان از درین به سورس منتقل می شود. ماسفت های افزایشی حساس هستند به گونه ای که با الکتریسته ساکن بدن نیز تحریک می شوند.

ماسفت کاهشی

مکانیزم و ساختار ماسفت کاهشی شبیه به افزایشی است و تنها یک فرق دارد و آن هم مربوط به استفاده از یک پوشش نواری سیلسیم میان سورس و درین در هنگام ساخت و تولید می باشد. اگر اختلاف پتانسیل میان درین و سورس شکل بگیرد جریانی از سورس به درین خواهیم داشت حتی اگر ولتاژ وارد شده به گیت صفر باشد.

ماسفت اینورتر

از این دستگاه در اینورتر ها نیز استفاده می شود و در اصل قطعه ای است که ولتاژ و جریان را کنترل می کند. ماسفت در اینورتر جوشکاری در فرکانس های بالا عملکرد بهتری دارد اما با جریان بالا ارتباط خوبی ندارد. از کارایی ها و کاربرد های مهم آن می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• قابلیت شارژ باتری
• منبع تغذیه سوییچینگ با سوئیچ ZVS با توان کمتر از ۱۰۰۰ وات
• منبع تغذیه سوییچینگ، با سوئیچ سخت با فرکانس بیشتر از ۲۰۰ کیلو هرتز
• کنترل پذیری توسط ولتاژ
• امپدانس ورودی زیاد
• سطح نویز پایین
• پایداری دمایی بهتر

پاور ماسفت چیست؟

قطعه ای است که از آن برای کنترل کردن توان بالا استفاده می شود و از آن در شرایط خاموش و روشن کردن استفاده می شود. این کاربرد سبب شده است تا این قطعه بیشترین مصرف در سوئیچ ولتاژ پایین داشته باشد. پاور ماسفت سرعت ارتباطی خوب و کاربرد بهتری در ولتاژ های پایین دارد. این قطعه می تواند جریان بیشتری را نیز در خود نگه دارد.

ماسفت های پرکاربرد

پرکاربردترین ماسفت ها را می توان در بسیاری از منابع تغذیه، کنترل کننده های موتور ولتاژ پایین، مبدل های DC به DC و … هستند. علاوه بر این موارد، کلید ولتاژ پایین که کمتر از ۲۰۰ ولت است، بیشترین کاربرد را در بسیاری از صنایع دارد.

از پرکاربردترین ماسفت ها BS170، BS250، BSS138، IRF540، IRF9540، IRFZ44NPbF، IRLZ44N، SSM6N7002KFU, LF، RQ3E130BNTB، DMP210DUFB4-7، IRFP150NPBF، SiHG47N60E، STB55NF06FP و IPB035N08N3 G می باشند.

نحوه استفاده از ماسفت

ماسفت ها اکثراً به عنوان سوئیچ و همچنین تقویت سیگنال های بسیار کوچک از جمله تقویت کننده های فرکانس استفاده می شوند. برای سوئیچینگ و روشن و خاموش شدن، از ماسفت کانال N استفاده می شود. زمانی که ولتاژ مثبت در گیت ماسفت اعمال شود (VGS=+v)، لامپ روشن خواهد شد؛ همچنین در زمانی که ولتاژ در گیت صفر شود (VGS=0)، دستگاه الکترونیکی خاموش می شود. از ویژگی سوئیچینگ سریع ماسفت ها برای مدارهای چاپر استفاده می شود.

ماسفت های قدرتی را به منظور تنظیم توان در موتورهای DC به کار می برند.

در مبدل های باک و تقویت کننده نیز از ماسفت ها استفاده خواهد شد.

ماسفت ها با توجه به اینکه برق بسیار کمی استفاده می کنند و راندمان بالایی دارند، برای سرعت سوئیچینگ در آی سی های دیجیتال یا همان مدارهای مجتمع از جمله ریزپردازنده و میکروکنترلر مورد استفاده قرار می گیرند.

یکی دیگر از موارد استفاده از ماسفت ها، به عنوان منبع تغذیه حالت سوئیچ می باشد.

در مدار CMOS لایه های P-MOS و N-MOS ماسفت ها را به صورت ترکیب شده استفاده می کنند تا فضا و مصرف انرژی کاهش یابد.

از ماسفت ها در مدارهای H-bridge که در رباتیک کاربرد دارد، نیز استفاده می شود.

علت داغ شدن ماسفت

داغ شدن ماسفت (MOSFET) یکی از مواردی است که در هنگام کار رخ می دهد. این مشکل می ‌تواند به دلایل متعددی رخ دهد، از جمله:

1. جریان بیش از حد: عبور جریان بالاتر از مقدار مجاز باعث افزایش دما و احتمالاً سوختن ماسفت می‌شود.
2. ولتاژ گیت نامناسب: تحریک ناکافی یا بیش از حد گیت (Gate) باعث عملکرد نامناسب و افزایش مقاومت درین-سورس (R_DS(on)) می‌ شود.
3. نقص در خنک‌کاری:  نبود هیت‌ سینک مناسب یا تهویه ناکافی منجر به افزایش دما می‌ شود.
4. تلفات سوئیچینگ بالا:  سرعت بالا یا فرکانس نامناسب در سوئیچینگ می ‌تواند موجب افزایش تلفات و حرارت شود.
5. نشت حرارتی:  برخی ماسفت ‌ها در دماهای بالا دچار نشت جریان شده و گرم ‌تر می ‌شوند.
6. مشکلات طراحی مدار :عدم استفاده از مقاومت ‌های مناسب در مسیر گیت یا درین، ایجاد نوسانات نامطلوب و در نتیجه داغ شدن ماسفت را در پی دارد.

تفاوت ماسفت و ترانزیستور

می توان گفت که بزرگ ترین تفاوتی که بین ماسفت و ترانزیستور وجود دارد این است که پایه گیت و کانال ماسفت با یک لایه اکسید سیلیسیوم از یکدیگر جدا می شوند. همین امر موجب شده است تا ماسفت ها را فِت با گیت مجزا Insulated Gate FET نیز نامیده شوند. در یک مطلب به صورت اختصاصی به بررسی تفاوت ماسفت و igbt در اینورتر های جوشکاری پرداخته ایم.

ماسفت بهتر است یا IGBT؟

MOSFET و IGBT از انواع ترانزیستور ها هستند که وظیفه و کاربرد اصلی آنها سوئیچ کردن جریان و ولتاژ است. ماسفت نسبت به IGBT از تکنولوژی قدیمی تری برخوردار است اما همچنان از آن به عنوان سوئیچینگ و تقویت کنندگی استفاده می شود. امروزه با رشد تکنولوژی و گسترش صنایع ،به ویژه در اینورتر های جوشکاری از تکنولوژی IGBT استفاده می شود. اگر بخواهیم بگوییم کدام یک بهتر است این جواب منوط به کارایی و کاربرد هر کدام از آنها دارد. اما در برخی موارد مانند اینورتر ها استفاده از تکنولوژی IGBT بهتر و مناسب تر است.

---

جهت آشنایی بهتر با تکنولوژی IGBT و مقایسه آن با ماسفت، مقاله IGBT چیست را مطالعه بفرمایید.

---

با توجه به اینکه هر کدام از این ترانزیستور ها کاربرد، ساختار و مزیت های زیادی دارند در ادامه به برخی از مهم ترین آنها در قالب یک جدول اشاره می کنیم.

ترانزیستور ماسفت	ترانزیستور igbt
کنترل پذیری توسط ولتاژ	افت ولتاژ و تلفات کم
امپدانس ورودی زیاد	امپدانس ورودی بالا
سطح نویز پایین	ولتاژ حالت روشن کم
سرعت بالا	سرعت بسیار بالا

مشخصات	ماسفت	IGBT
فرکانس	زیاد، بیشتر از ۲۰۰ Khz	زیاد، بیشتر از ۲۰ Khz
ولتاژ	کم، کمتر از ۲۵۰ولت	زیاد، بیشتر از ۱۰۰۰ولت

کلام آروا:

در این مطلب سعی کردیم به زبانی ساده انواع ماسفت ها را به همراه کاربردشان و تفاوتشان با IGBT ها به طور جامع بررسی کنیم .چنانچه به اطلاعات بیشتری در این زمینه نیاز داشتید می توانید با مشاوران ما در شرکت آروا تماس حاصل فرمایید و یا سوالات خود را در قسمت نظرات در زیر همین مطلب مطرح کنید.

---

پاسخ سوالات پرتکرار شما:

ماسفت چیست و چگونه کار می کند؟

ماسفت یک ترانزیستور نیمه رساناست. کاربرد ماسفت در دستگاه های الکترونیکی برای موارد مختلفی مانند سوئیچینگ و یا تقویت سیگنال های الکترونیکی می باشد. عملکرد ماسفت متناسب با تغییرات الکتریکی که در عرض کانال با جریان حامل ها ایجاد می شود، تغییر می کند. حامل های شارژ در منبع وارد کانال و از طریق درین خارج می شوند. عرض این کانال با ولتاژ الکترودی گیت که بین منبع و تخلیه قرار گرفته است، کنترل می شود.

تفاوت ماسفت و ترانزیستور چیست؟

در ماسفت ها پایه گیت و کانال از هم جدا هستند و به آن فِت با گیت مجزا می گویند، در صورتی که در ترانزیستورها این قسمت ها جدا نیستند.