جرّب CircuitLens

كل المقالات

ترانزستور BJT مقابل MOSFET كمفتاح: اختيار الأنسب على طاولة العمل

لماذا يهم الاختيار على طاولة عمل حقيقية

تحتاج معظم المشاريع الهواية في النهاية إلى متحكم دقيق لتشغيل شيء أكبر مما يستطيع الطرف تحمله، مثل ملف مرحل أو محرك أو شريط LED أو عنصر تسخين. يستطيع ترانزستور الوصلة الثنائية القطب BJT أو MOSFET أداء هذه المهمة، وكلاهما سيعمل غالبًا من المحاولة الأولى. يظهر الفرق عندما تسخن الدائرة، أو عندما يكون جهد المنطق منخفضًا، أو عندما يكون الحمل أكبر مما خططت له.

نادرًا ما يؤدي اختيار النوع الخاطئ إلى عطل فوري. الأغلب أن تحصل على مفتاح يكاد لا يعمل، أو طرف يسخن أكثر من اللازم، أو ترانزستور يبدد طاقة أكبر من المتوقع ويحتاج إلى مشتت حرارة لم يكن ضروريًا. معرفة طريقة قيادة كل جهاز توفر عليك هذا التصحيح.

كيفية قيادة كل جهاز

يوصل BJT التيار عندما يتدفق تيار إلى قاعدته. يتناسب تيار المجمع الذي يمكنه تمريره تقريبًا مع تيار القاعدة مضروبًا في كسب التيار، والذي يُحدد غالبًا باسم hFE. يختلف هذا الكسب كثيرًا بين القطع وحسب التيار ودرجة الحرارة، لذلك لا يعتمد التصميم المعقول على قيمة كسب واحدة. بدلًا من ذلك، تُفرط في تشغيل القاعدة بحيث يدخل الترانزستور حالة التشبع ويصبح الكسب أقل أهمية.

يتحكم في MOSFET الجهد على بوابته، وهي معزولة عن القناة بطبقة أكسيد رقيقة. بمجرد شحن البوابة يمر تيار ضئيل جدًا، باستثناء نبضات شحن قصيرة عند التبديل. لذلك يستطيع طرف المتحكم الدقيق تشغيل MOSFET وإيقافه مباشرة. والمشكلة أن البوابة يجب أن تُقاد بجهد أعلى بكثير من عتبة الجهاز، ولهذا تُحدد أجزاء مستوى المنطق للجهود التي يمكن أن يولدها خرج منطقي 3.3 V أو 5 V فعلًا.

مثال تطبيقي: حمل 100 mA من طرف 3.3 V

لنفترض أنك تريد تبديل حمل 12 V يسحب 100 mA من طرف GPIO جهده 3.3 V. بالنسبة إلى BJT، نفترض أن الجهاز يدخل التشبع بكسب قسري حوالي 10، وهو اختيار تصميم متحفظ. تيار القاعدة المطلوب هو 100 mA مقسومًا على 10، أي 10 mA. يكون هبوط الجهد بين القاعدة والباعث عادةً حوالي 0.7 V إلى 0.8 V، لذا يرى مقاوم القاعدة نحو 3.3 V ناقص 0.75 V، أي 2.55 V. وبقسمة ذلك على 10 mA نحصل تقريبًا على 255 أوم، لذلك يكون مقاوم 220 أوم اختيارًا معقولًا، ويعطي نحو 11.6 mA من تشغيل القاعدة. تحقق من أن طرفك يستطيع توريد هذا القدر من التيار، إذ إن لدى كثير من أطراف المتحكمات الدقيقة حدودًا تقع في المدى من 10 mA إلى 25 mA.

مع BJT عند 100 mA، يكون جهد التشبع عادةً في المدى من 0.1 V إلى 0.3 V. القدرة المبددة في الترانزستور نحو 0.2 V مضروبًا في 0.1 A، أي 20 mW. أما تشغيل القاعدة نفسه فيبدد تقريبًا 0.75 V مضروبًا في 11.6 mA، أي نحو 9 mW، وهذه الطاقة تأتي من طرف المنطق وليس من مصدر تغذية الحمل.

بالنسبة إلى MOSFET بمستوى المنطق، لا تسحب البوابة تقريبًا أي تيار في الحالة المستقرة، لذلك يكفي مقاوم بوابة متسلسل بقيمة نحو 100 أوم ومقاوم سحب لأسفل بقيمة نحو 10 k أوم إلى الأرضي لجعل المفتاح يعمل كما ينبغي. تقع مقاومة التوصيل لكثير من أجزاء مستوى المنطق عند هذا التيار في عشرات الملي أوم. حتى عند 0.05 أوم، يكون فقد التوصيل 0.1 A تربيع مضروبًا في 0.05 أوم، أي 0.5 mW. تحقق من مقاومة التوصيل عند جهد البوابة الذي تطبقه فعلًا، لأن أوراق البيانات كثيرًا ما تذكرها عند 4.5 V أو 10 V.

متى تختار كلًا منهما

اختر MOSFET عندما يكون الحمل متوسطًا إلى كبير، أو عندما تريد حرارة قليلة في المفتاح، أو عندما يكون طرف القيادة محدود التيار. تُعد MOSFETs قناة N بمستوى المنطق مع ربط المصدر بالأرضي وتوصيل الحمل على جانب المصرف العالي نقطة البداية المعتادة للتبديل على الجانب المنخفض. أجزاء قناة P مناسبة للتبديل على الجانب العالي مع سحب البوابة إلى الأسفل، رغم أنها غالبًا أغلى لكل أمبير من القدرة.

اختر BJT للتبديل الصغير منخفض المخاطر حيث تكون بساطته ميزة، أو عندما يتوفر في الدائرة تيار قاعدة زائد. وBJT خيار جيد أيضًا عندما تحتاج إلى جهد تشبع قابل للتنبؤ بدلًا من قيمة تعتمد على قيادة البوابة. وفي كل الأحوال، تحقق من المفتاح باستخدام جهاز قياس متعدد: قس الجهد عبر المفتاح عندما يكون في حالة التشغيل وتأكد من أنه قريب من هبوط التشبع أو مقاومة التوصيل المتوقعة.