Simple_MOSFET_Switching_Circuit

إنشاء دائرة تبديل (تشغيل) باستخدام MOSFET

في هذه الدراسة، تم إجراء محاولة لتصميم دائرة تبديل MOSFET بسيطة ولكنها فعالة يمكن استخدامها لتشغيل قاذفات كهرومغناطيسية. MOSFET هو أحد مكونات أشباه الموصلات التي تستخدم غالبًا لتبديل الطاقة نظرًا لكفاءتها العالية وخصائص التبديل السريعة. الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو تصميم دائرة تبديل سيتم استخدامها لتشغيل قاذفة كهرومغناطيسية في المستقبل. ومع ذلك، سيتم التحكم في التشغيل الناجح بواسطة LED وليس عن طريق الملفات. لذلك يمكننا في الواقع التعامل مع العمل كدائرة تحفيز عامة باستخدام الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFETs).

المنهجية

MOSFET (ترانزستور التأثير الميداني لأشباه الموصلات بأكسيد المعدن) هو مكون يستخدم على نطاق واسع في تبديل أشباه الموصلات عالي الأداء. في هذا البحث سيتم مناقشة استخدام MOSFET في التبديل ومزاياه مقارنة بعناصر أشباه الموصلات الأخرى وسيتم شرح دائرة تبديل MOSFET بسيطة. MOSFET هو نوع من الترانزستور ويستخدم في تطبيقات التبديل عالية السرعة. على وجه الخصوص، يتم استخدامه في تطبيقات مثل إمدادات الطاقة، ومحولات الطاقة، ومحولات DC-DC ومحركات المحركات. يعتبر MOSFET مفيدًا بسبب سعة الإدخال المنخفضة والكفاءة العالية والتبديل السريع والحجم الصغير. في MOSFET، يتم توصيل طبقة عازلة رقيقة مكونة فوق أشباه الموصلات بقطب البوابة. يغير الجهد المطبق على قطب البوابة هذا المجال الكهربائي في الطبقة العازلة. وبالتالي، يتم التحكم في التوصيل الكهربائي في منطقة قناة MOSFET. يستهلك MOSFET كمية صغيرة جدًا من الطاقة نظرًا لمقاومة الإدخال العالية الخاصة به.

مزايا MOSFET على عناصر أشباه الموصلات الأخرى في التبديل هي كما يلي:

 •   Low Input Capacitance  : The input capacitance of the MOSFET is lower than that of other semiconductor switchers. This allows the MOSFET to switch quickly and enables higher switching frequencies.
•   High Efficiency        : The internal resistance of the MOSFET is low, which reduces energy loss. Therefore, MOSFET-based switching circuits have higher efficiency.
•   High Switching Speed   : MOSFET can be switched faster compared to other semiconductor switchers. Therefore, MOSFET-based switching circuits can operate at higher switching frequencies.
•   Small Size             : MOSFET is smaller in size compared to other semiconductor switchers. This allows for denser circuit designs.

نظرًا لأن MOSFET لديها مجموعة واسعة من التطبيقات، فإن العديد من الباحثين يعملون على تحسين تصميم وأداء دوائر التبديل المعتمدة على MOSFET. في محولات التيار المستمر/التيار المستمر، تُفضل الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) على مفاتيح أشباه الموصلات الأخرى في تطبيقات تردد التبديل العالي. تقدم الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) العديد من المزايا مقارنة بمفاتيح أشباه الموصلات الأخرى في تطبيقات ترددات التبديل العالية. بادئ ذي بدء، السبب الأكثر أهمية لاستخدام الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) في تطبيقات ترددات التحويل العالية هو أن لديها تبديدًا أقل للطاقة عند ترددات التحويل العالية مقارنةً بترددات التحويل المنخفضة. ولذلك، تبرز الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) كخيار أكثر كفاءة في التطبيقات عالية التردد. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) بميزة كثافة الطاقة الأعلى مقارنة بأجهزة تبديل أشباه الموصلات الأخرى. من خلال العمل بكثافة طاقة أعلى، يمكن للدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) التبديل عند مستويات تيار وجهد أعلى. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تشغيل الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) بسهولة أكبر وبدرجة أقل مقارنة بمفاتيح أشباه الموصلات الأخرى. يمكن تبديل الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) بسهولة إذا كانت الإشارات في دائرة القيادة عند مستويات عالية أو منخفضة. ونتيجة لذلك، تعتبر الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) أكثر كفاءة، ولها كثافة طاقة أعلى، كما أنها أسهل في القيادة مقارنة بمفاتيح أشباه الموصلات الأخرى في تطبيقات ترددات التبديل العالية. لهذه الأسباب، يتم استخدامها على نطاق واسع في محولات DC/DC، وتطبيقات إلكترونيات الطاقة، والتبديل عالي السرعة، ومضخمات الطاقة والعديد من التطبيقات الأخرى.

 Circuit Elements: 

    - ARDUINO MEGA ( Microcontroller)

    - IRFZ44N (MOSFET)

    - PC817 (Optocoupler)

    - LM7812 & LM7805 (Linear Voltage Regulator)

    - 330R & 10kR (Resistance)

    - 0.1uF & 0.22uF &10uF & 100uF (Capacitor)

    - LED

أثناء إنشاء الدائرة في هذه الدراسة، تم فحص أوراق البيانات لجميع المكونات واحدا تلو الآخر. تم أخذ دبابيس التوصيل وقيم التيار والجهد بعين الاعتبار وتم تصميم التصميم وفقًا لذلك. دون ذكر معلومات ورقة البيانات أو التفاصيل الفنية في الطلب، تم ذكر معلومات عامة عن المواد أدناه. أولئك الذين يريدون الاطلاع على التفاصيل يمكنهم الوصول إلى أوراق البيانات مجانًا من الإنترنت، ولكن إذا كان لديك أي أسئلة أو اقتراحات، يمكنك الاتصال بي من خلال قنوات الاتصال التي تركتها في النهاية.

IRFZ44N عبارة عن ترانزستور MOSFET ذو قناة N. يعد هذا الترانزستور خيارًا شائعًا يستخدم في تبديل التردد العالي والمنخفض. يتميز IRFZ44N بالموصلية العالية والمقاومة المنخفضة وخصائص التبديل السريع. يأتي IRFZ44N في حزمة TO-220 وعادةً ما يتمتع بقدرة حمل تيار قصوى تبلغ 55 فولت و49 أمبير. علاوة على ذلك، وبفضل سعة الإدخال المنخفضة، يمكن أيضًا استخدام هذا المكون في تطبيقات التبديل السريع.

Arduino Mega عبارة عن لوحة تحكم دقيقة محسنة لمنصة Arduino. يوفر المزيد من منافذ الإدخال/الإخراج (I/O) وسعة ذاكرة أكبر. يتضمن Mega 54 منفذ إدخال/إخراج رقمي (14 منها يمكن استخدامها كمخرجات PWM)، و16 مدخل تناظري، و4 وصلات UART (اتصال تسلسلي)، و4 دبابيس مقاطعة خارجية والمزيد. هذه الميزات تجعل Arduino Mega مثاليًا للمشاريع والتطبيقات الأكثر تعقيدًا التي تتطلب المزيد من اتصالات الإدخال / الإخراج. لدى Arduino Mega مجموعة واسعة من التطبيقات. يتم استخدامه بشكل خاص في تطبيقات مثل الروبوتات والتحكم الآلي وشبكات الاستشعار ومسجلات البيانات. ومع ذلك، في أحد المشاريع تم استخدامه فقط للتشغيل الرقمي. تسمح ميزات Mega ومنطقة الاستخدام الواسعة بجعل المشاريع أكثر تقدمًا وشمولاً. ومع ذلك، في هذه الدراسة، تم استخدامه فقط للتشغيل الرقمي. PC817 عبارة عن عازل بصري ويستخدم لعزل إشارة الإدخال. يوفر اتصالاً آمنًا بين الأجهزة منخفضة الطاقة والأجهزة عالية الطاقة ويمكن استخدامه أيضًا في تطبيقات نقل البيانات عالية السرعة.

إن LM7812 وLM7805 عبارة عن منظمات جهد خطية ذات مخرجات جهد مختلفة تستخدم في الأجهزة الإلكترونية. يوفر LM7812 خرج 12 فولت ويستخدم في التطبيقات التي تتطلب مصدر طاقة 12 فولت مثل أجهزة إرسال الراديو ومكبرات الصوت وما إلى ذلك، بينما يوفر LM7805 خرج 5 فولت ويفضل للتطبيقات التي تتطلب مصدر طاقة 5 فولت مثل الأجهزة الرقمية الدوائر، وإضاءة LED، والأجهزة المنزلية الذكية، وما إلى ذلك. يتم استخدام كلا منظمي الجهد لتقليل جهد الإدخال إلى جهد خرج ثابت وهما مهمان للأجهزة الإلكترونية التي تعمل بشكل صحيح وآمن. مع مجموعة واسعة من التطبيقات، يتم استخدام LM7812 وLM7805 بشكل متكرر في المشاريع الإلكترونية.

في دائرة التبديل، يتم استخدام مؤشر LED لمعرفة متى يكون المفتاح قيد التشغيل أو الإيقاف. يضيء مصباح LED عند تشغيل المفتاح ويظل مطفأ عند إيقاف تشغيل المفتاح. هذا يجعل من الممكن مراقبة حالة الدائرة بصريًا. لمنع سحب التيار العالي، يتم استخدام مقاومات للحد من تدفق التيار عبر الترانزستور (مثل MOSFET) المستخدم في التبديل. هذا يمنع ارتفاع درجة الحرارة وتلف الترانزستور. كما أنه يمنع التيار العالي من إتلاف المكونات الأخرى. يتم اختيار قيم المقاومات حسب متطلبات الدائرة وخصائص الترانزستور المستخدم. في الدراسة، تم تشغيل مصباحين LED مختلفين بالتتابع باستخدام نفس المعالج الدقيق. بمعنى آخر، يتم تشكيل الدائرة في التطبيق الحقيقي المعطى من خلال بناء 2 من الدائرة التي تم دراستها نظريا. تعد أجهزة الإطلاق الكهرومغناطيسية أجهزة مثيرة للغاية وتظهر على أنها تكنولوجيا المستقبل. تستخدم هذه الأجهزة المجال المغناطيسي لإطلاق الأجسام بسرعات عالية. إذا كنت ترغب في صنع قاذفة كهرومغناطيسية خاصة بك، فيمكنك صنع هذا الجهاز باستخدام دائرة تبديل MOSFET. هذا هو العنصر الرئيسي في العمل المنجز. أخطط لتطوير وتنفيذ هذه الدائرة التي شاركتها كدائرة إطلاق كهرومغناطيسية لمشروعي TÜBİTAK 2209-A في المستقبل.

الاتصال وردود الفعل

• إذا كان لديك أي ملاحظات، يرجى الاتصال بي على عنوان البريد الإلكتروني [email protected].

مراجع

 [1] 	Chen, Y., & Liu, Q. (2017). Design and implementation of high frequency full-bridge DC/DC converter based on MOSFET. Journal of Physics: Conference Series, 927(1), 012074.

[2] 	Hua, M., Wang, Z., Shen, Z., & Zhang, Y. (2017). Zero-current-switching full-bridge PWM converter with MOSFET synchronous rectifier. IEEE Transactions on Power Electronics, 33(5), 4145-4155.

[3] 	Liu, J., & Wang, L. (2019). A new three-phase soft-switching DC/DC converter using MOSFET and synchronous rectifier. Journal of Power Electronics, 19(4), 1064-1074.

[4] 	Mazumder, S. K., & Pal, A. K. (2018). Dynamic model and control of a single phase MOSFET inverter for renewable energy application. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 98, 437-449.

[5] 	Razavi, B. (2016). Fundamentals of microelectronics. Wiley.

[6] 	Sedra, A. S., & Smith, K. C. (2016). Microelectronic circuits: theory and applications. Oxford University Press.

[7]     Streetman, B. G., & Banerjee, S. K. (2015). Solid state electronic devices. Pearson.

[8] 	Zhang, C., Zou, L., Jiao, L., & Zhang, X. (2021). A MOSFET-based DC-DC converter with an ultra-low input voltage. Journal of Power Electronics, 21(1), 198-206.