Simple_MOSFET_Switching_Circuit

การสร้างวงจรสวิตชิ่ง (ทริกเกอร์) โดยใช้ MOSFET

ในการศึกษานี้ มีความพยายามในการออกแบบวงจรสวิตชิ่ง MOSFET ที่เรียบง่ายแต่มีประสิทธิภาพ ซึ่งสามารถใช้เพื่อกระตุ้นเครื่องยิงแม่เหล็กไฟฟ้าได้ MOSFET เป็นส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์ที่มักใช้สำหรับการสลับพลังงานเนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงและมีลักษณะการสลับที่รวดเร็ว เป้าหมายหลักของการศึกษานี้คือการออกแบบวงจรสวิตชิ่งที่จะใช้เพื่อกระตุ้นเครื่องยิงแม่เหล็กไฟฟ้าในอนาคต อย่างไรก็ตาม การทริกเกอร์ที่สำเร็จจะถูกควบคุมโดย LED ไม่ใช่โดยคอยล์ ดังนั้นเราจึงสามารถเข้าใกล้งานเป็นวงจรทริกเกอร์ทั่วไปด้วย MOSFET ได้

ระเบียบวิธี

MOSFET (ทรานซิสเตอร์สนามผลเซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์) เป็นส่วนประกอบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการสลับเซมิคอนดักเตอร์ประสิทธิภาพสูง ในบทความนี้ เราจะหารือถึงการใช้ MOSFET ในการสวิตช์และข้อดีของมันเหนือองค์ประกอบเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ และจะอธิบายวงจรสวิตชิ่ง MOSFET อย่างง่าย MOSFET เป็นทรานซิสเตอร์ประเภทหนึ่งและใช้ในการใช้งานสวิตช์ความเร็วสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ใช้ในการใช้งานต่างๆ เช่น แหล่งจ่ายไฟ อินเวอร์เตอร์กำลัง ตัวแปลง DC-DC และมอเตอร์ไดรฟ์ MOSFET มีข้อได้เปรียบเนื่องจากมีความจุอินพุตต่ำ ประสิทธิภาพสูง การสลับที่รวดเร็ว และขนาดที่เล็ก ใน MOSFET ชั้นฉนวนบางๆ ที่เกิดขึ้นเหนือเซมิคอนดักเตอร์จะเชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดเกท แรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับอิเล็กโทรดเกตนี้จะเปลี่ยนสนามไฟฟ้าในชั้นฉนวน ดังนั้นการนำไฟฟ้าในบริเวณช่องสัญญาณของ MOSFET จึงถูกควบคุม MOSFET ใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยเนื่องจากมีอิมพีแดนซ์อินพุตสูง

ข้อดีของ MOSFET เหนือองค์ประกอบเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ ในการสลับมีดังนี้:

 •   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.

เนื่องจาก MOSFET มีการใช้งานที่หลากหลาย นักวิจัยจำนวนมากจึงกำลังทำงานเพื่อปรับปรุงการออกแบบและประสิทธิภาพของวงจรสวิตชิ่งที่ใช้ MOSFET ในตัวแปลง DC/DC MOSFET เป็นที่ต้องการมากกว่าสวิตช์เซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ ในการใช้งานที่มีความถี่ในการสลับสูง MOSFET มีข้อดีหลายประการเมื่อเปรียบเทียบกับสวิตช์เซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ ในการใช้งานความถี่สวิตชิ่งสูง ประการแรก เหตุผลที่สำคัญที่สุดในการใช้ MOSFET ในแอปพลิเคชันที่มีความถี่สวิตชิ่งสูงก็คือ มีการกระจายพลังงานที่ความถี่สวิตชิ่งสูงน้อยกว่าที่ความถี่สวิตชิ่งต่ำ ดังนั้น MOSFET จึงโดดเด่นในฐานะตัวเลือกที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในการใช้งานที่มีความถี่สูง นอกจากนี้ MOSFET ยังมีข้อได้เปรียบในด้านความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่าอุปกรณ์สวิตชิ่งเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ ด้วยการทำงานที่ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น MOSFET จึงสามารถสลับที่ระดับกระแสและแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นได้ นอกจากนี้ MOSFET ยังสามารถขับเคลื่อนได้ง่ายกว่าและในระดับที่น้อยกว่าเมื่อเทียบกับสวิตช์เซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ สามารถเปลี่ยน MOSFET ได้อย่างง่ายดายหากสัญญาณในวงจรขับเคลื่อนอยู่ที่ระดับสูงหรือต่ำ ผลที่ได้คือ MOSFET มีประสิทธิภาพมากกว่า มีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า และขับเคลื่อนได้ง่ายกว่าเมื่อเทียบกับสวิตช์เซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ ในการใช้งานความถี่สวิตช์สูง ด้วยเหตุผลเหล่านี้ จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในตัวแปลง DC/DC, การใช้งานอิเล็กทรอนิกส์กำลัง, การสวิตชิ่งความเร็วสูง, เครื่องขยายกำลัง และการใช้งานอื่นๆ อีกมากมาย

 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

ขณะสร้างวงจรในการศึกษานี้ เอกสารข้อมูลทางเทคนิคของส่วนประกอบทั้งหมดได้รับการตรวจสอบทีละรายการ โดยคำนึงถึงพินการเชื่อมต่อ ค่ากระแส และแรงดันไฟฟ้า และทำการออกแบบตามนั้น ข้อมูลทั่วไปเกี่ยวกับวัสดุจะกล่าวถึงด้านล่างโดยไม่ต้องกล่าวถึงข้อมูลเอกสารข้อมูลหรือรายละเอียดทางเทคนิคในแอปพลิเคชัน ผู้ที่ต้องการดูรายละเอียดสามารถเข้าไปดูเอกสารข้อมูลทางอินเตอร์เน็ตได้ฟรี แต่หากมีข้อสงสัยหรือข้อเสนอแนะใดๆ สามารถติดต่อผมได้ตามช่องทางการสื่อสารที่ผมฝากไว้ตอนท้ายครับ

IRFZ44N เป็นทรานซิสเตอร์ MOSFET กำลังแบบ N-channel ทรานซิสเตอร์นี้เป็นตัวเลือกยอดนิยมที่ใช้ในการสลับความถี่สูงและกระแสต่ำ IRFZ44N มีลักษณะเฉพาะคือมีค่าการนำไฟฟ้าสูง ความต้านทานต่ำ และลักษณะการสลับที่รวดเร็ว IRFZ44N มาในแพ็คเกจ TO-220 และโดยทั่วไปจะมีความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ 55V และ 49A นอกจากนี้ เนื่องจากความจุอินพุตต่ำ ส่วนประกอบนี้จึงสามารถนำไปใช้ในแอปพลิเคชันการสลับอย่างรวดเร็วได้

Arduino Mega คือบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ได้รับการปรับปรุงจากแพลตฟอร์ม Arduino มีพอร์ตอินพุต/เอาท์พุต (I/O) มากขึ้นและความจุหน่วยความจำที่มากขึ้น Mega ประกอบด้วยพินอินพุต/เอาท์พุตดิจิทัล 54 พิน (14 พินสามารถใช้เป็นเอาต์พุต PWM), อินพุตอะนาล็อก 16 พิน, การเชื่อมต่อ UART (การสื่อสารแบบอนุกรม) 4 รายการ, พินขัดจังหวะภายนอก 4 รายการ และอื่นๆ คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ Arduino Mega เหมาะสำหรับโครงการและแอปพลิเคชันที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งต้องการการเชื่อมต่ออินพุต/เอาท์พุตที่มากขึ้น Arduino Mega มีแอพพลิเคชั่นที่หลากหลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งใช้ในการใช้งานต่างๆ เช่น หุ่นยนต์ การควบคุมอัตโนมัติ เครือข่ายเซ็นเซอร์ และเครื่องบันทึกข้อมูล อย่างไรก็ตาม ในโครงการหนึ่ง ใช้สำหรับการทริกเกอร์แบบดิจิทัลเท่านั้น คุณสมบัติและพื้นที่การใช้งานที่กว้างขวางของ Mega ช่วยให้โครงการก้าวหน้าและครอบคลุมยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตาม ในการศึกษานี้ ใช้สำหรับการทริกเกอร์ทางดิจิทัลเท่านั้น PC817 เป็นตัวแยกแสงและใช้เพื่อแยกสัญญาณอินพุต ให้การเชื่อมต่อที่ปลอดภัยระหว่างอุปกรณ์พลังงานต่ำและอุปกรณ์พลังงานสูง และยังสามารถใช้ในแอปพลิเคชันการรับส่งข้อมูลความเร็วสูง

LM7812 และ LM7805 เป็นตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นที่มีเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าต่างกันที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ LM7812 ให้เอาต์พุต 12 โวลต์และใช้ในการใช้งานที่ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟ 12 โวลต์ เช่น เครื่องส่งวิทยุ เครื่องขยายเสียง ฯลฯ ในขณะที่ LM7805 ให้เอาต์พุต 5 โวลต์และเป็นที่ต้องการสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการแหล่งจ่ายไฟ 5 โวลต์ เช่น ดิจิทัล วงจรไฟ LED อุปกรณ์สมาร์ทโฮม ฯลฯ ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าทั้งสองใช้เพื่อลดแรงดันไฟฟ้าขาเข้าให้เป็นแรงดันเอาต์พุตคงที่และมีความสำคัญสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานอย่างถูกต้องและปลอดภัย ด้วยการใช้งานที่หลากหลาย LM7812 และ LM7805 จึงเป็นส่วนประกอบที่ใช้บ่อยในโครงการอิเล็กทรอนิกส์

ในวงจรสวิตชิ่งนั้น LED จะใช้เพื่อดูว่าสวิตช์เปิดหรือปิดเมื่อใด ไฟ LED จะสว่างขึ้นเมื่อสวิตช์เปิดอยู่ และจะดับลงเมื่อสวิตช์ปิดอยู่ ทำให้สามารถตรวจสอบสถานะของวงจรด้วยสายตาได้ เพื่อป้องกันการดึงกระแสสูง ตัวต้านทานจะถูกใช้เพื่อจำกัดกระแสที่ไหลผ่านทรานซิสเตอร์ (เช่น MOSFET) ที่ใช้ในการสวิตชิ่ง เพื่อป้องกันความร้อนสูงเกินไปและความเสียหายต่อทรานซิสเตอร์ นอกจากนี้ยังป้องกันกระแสไฟสูงไม่ให้ส่วนประกอบอื่นๆ เสียหายอีกด้วย ค่าของตัวต้านทานจะถูกเลือกขึ้นอยู่กับความต้องการของวงจรและลักษณะของทรานซิสเตอร์ที่ใช้ ในการศึกษานี้ ไฟ LED ที่แตกต่างกัน 2 ดวงถูกกระตุ้นตามลำดับด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ตัวเดียวกัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง วงจรในการใช้งานจริงที่กำหนดนั้นถูกสร้างขึ้นโดยการสร้างวงจรที่ 2 ซึ่งมีการศึกษาทางทฤษฎี เครื่องยิงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่น่าตื่นเต้นมากและแสดงให้เห็นว่าเป็นเทคโนโลยีแห่งอนาคต อุปกรณ์เหล่านี้ใช้สนามแม่เหล็กเพื่อยิงวัตถุด้วยความเร็วสูง หากคุณต้องการสร้างเครื่องยิงแม่เหล็กไฟฟ้าของคุณเอง คุณสามารถสร้างอุปกรณ์นี้โดยใช้วงจรสวิตชิ่ง MOSFET นี่คือองค์ประกอบหลักของงานที่ทำ ฉันวางแผนที่จะพัฒนาและใช้วงจรนี้ที่ฉันแชร์เป็นวงจรปล่อยแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับโครงการ TÜBİTAK 2209-A ของฉันในอนาคต

การติดต่อและข้อเสนอแนะ

• หากคุณมีข้อเสนอแนะใด ๆ โปรดติดต่อฉันได้ที่ที่อยู่อีเมล [email protected]

อ้างอิง

 [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.