ماسفت را با ساختن دو مدار واقعی یاد بگیریم؛ کنترل بار ۱۲ ولت با NMOS و قطع تغذیه با PMOS

آزمایش اول

مدار NMOS را ببندیم و قبل از هر تئوری، روشن و خاموش شدن بار را ببینیم

قطعات مورد نیاز

• ESP32 یا ESP32-S3
• ماسفت AO3400A روی برد تبدیل SOT-23 یا PCB آزمایش
• نوار LED دوازده ولت یا بار مقاومتی کم‌خطر
• منبع ۱۲ ولت دارای محدودکننده جریان
• مقاومت ۲۲۰ اهم برای مسیر Gate
• مقاومت ۱۰۰ کیلو اهم بین Gate و Source
• مولتی‌متر

اتصالات، قدم‌به‌قدم

1. مثبت منبع ۱۲ ولت را به مثبت بار وصل کنید.
2. منفی بار را به پایه Drain ماسفت وصل کنید.
3. پایه Source ماسفت را به زمین منبع ۱۲ ولت وصل کنید.
4. زمین ESP32 را به همان زمین منبع ۱۲ ولت وصل کنید.
5. GPIO18 را از طریق مقاومت ۲۲۰ اهم به Gate وصل کنید.
6. یک مقاومت ۱۰۰ کیلو اهم بین Gate و Source قرار دهید.
7. محدودکننده جریان منبع را ابتدا روی مقدار پایین تنظیم کنید و سپس تغذیه را وصل کنید.

فرمان ساده برای تست روشن و خاموش

#include "driver/gpio.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"

#define MOSFET_GATE GPIO_NUM_18

void app_main(void)
{
    gpio_reset_pin(MOSFET_GATE);
    gpio_set_direction(MOSFET_GATE, GPIO_MODE_OUTPUT);
    gpio_set_level(MOSFET_GATE, 0);

    while (1) {
        gpio_set_level(MOSFET_GATE, 1);  // بار روشن
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000));

        gpio_set_level(MOSFET_GATE, 0);  // بار خاموش
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000));
    }
}

چه چیزی باید ببینیم؟

حالا مفهوم را از روی مدار استخراج کنیم

Gate، Drain، Source و VGS دقیقاً در همین مدار چه معنی دارند؟

چرا مقاومت ۱۰۰ کیلو اهم گذاشتیم؟

هنگام روشن شدن یا Reset شدن ESP32، پایه GPIO ممکن است برای چند لحظه ورودی و بدون وضعیت مشخص باشد. Gate ماسفت مثل یک خازن کوچک می‌تواند شارژ باقی‌مانده نگه دارد. مقاومت ۱۰۰ کیلو اهم Gate را به Source می‌کشد تا ماسفت به صورت پیش‌فرض خاموش بماند.

چرا مقاومت ۲۲۰ اهم سری Gate گذاشتیم؟

هنگام تغییر وضعیت، GPIO باید ظرفیت Gate را شارژ یا تخلیه کند. مقاومت سری جریان لحظه‌ای را محدود می‌کند و به کاهش نوسان و نویز کمک می‌کند. برای این آزمایش ۲۲۰ اهم مقدار مناسبی است، اما در PWM سریع مقدار دقیق باید با بار Gate، فرکانس و سرعت مورد نیاز بررسی شود.

دیتاشیت را فقط برای تصمیم‌های واقعی بخوانیم

چرا AO3400A برای این مثال انتخاب شده است؟

ما قرار نیست تمام دیتاشیت را حفظ کنیم. فقط سؤال‌هایی را می‌پرسیم که برای مدار ۱۲ ولت و GPIO سه‌ولت‌وسه لازم است.

P = I² × R
P = 1² × 0.048
P = 0.048 W

P = 2² × 0.048 = 0.192 W

مسئله را یک مرحله سخت‌تر کنیم

به‌جای فقط روشن و خاموش کردن، شدت نور را با PWM تغییر دهیم

اکنون همان مدار را نگه می‌داریم و GPIO را با PWM کنترل می‌کنیم. ماسفت بار را با سرعت چند هزار بار در ثانیه روشن و خاموش می‌کند. چشم انسان میانگین نور را می‌بیند؛ بنابراین با تغییر Duty Cycle، روشنایی تغییر می‌کند.

#define PWM_FREQUENCY_HZ 5000
#define PWM_MAX_DUTY     1023

static void pwm_set_percent(uint32_t percent)
{
    if (percent > 100) {
        percent = 100;
    }

    uint32_t duty = (PWM_MAX_DUTY * percent) / 100;
    ledc_set_duty(LEDC_LOW_SPEED_MODE, LEDC_CHANNEL_0, duty);
    ledc_update_duty(LEDC_LOW_SPEED_MODE, LEDC_CHANNEL_0);
}

اینجا کدام پارامتر جدید دیتاشیت مهم می‌شود؟

در روشن و خاموش شدن آهسته، ظرفیت Gate تقریباً مسئله بزرگی نبود. در PWM، پارامتر Qg یا Gate Charge اهمیت پیدا می‌کند. هرچه Qg بیشتر باشد، GPIO یا درایور باید بار بیشتری را در هر سیکل جابه‌جا کند و زمان عبور ماسفت از ناحیه نیمه‌روشن بیشتر می‌شود.

یک خطای واقعی در پروژه‌ها

اگر بار ما پمپ، موتور، رله یا شیر برقی باشد چه چیزی تغییر می‌کند؟

بار القایی هنگام عبور جریان انرژی ذخیره می‌کند. وقتی ماسفت ناگهان خاموش می‌شود، این انرژی تلاش می‌کند جریان را ادامه دهد و می‌تواند ولتاژ Drain را شدیداً بالا ببرد. به همین دلیل یک دیود هرزگرد موازی بار قرار می‌دهیم.

اینجا متوجه می‌شویم که VDS برابر ۳۰ ولت به تنهایی تضمین کافی نیست. برای بار ۱۲ ولت القایی، دیود، TVS، مسیرهای کوتاه و بررسی شکل موج با اسیلوسکوپ اهمیت دارند.

مسئله شماره ۲

گاهی نمی‌خواهیم زمین بار را قطع کنیم؛ باید مثبت تغذیه را قطع کنیم

فرض کنید یک سنسور یا ماژول ۵ ولتی به ESP32 وصل است و خطوط داده آن باید زمین مشترک داشته باشند. اگر تغذیه را از سمت زمین با NMOS قطع کنیم، مسیرهای سیگنال ممکن است ماژول را به شکل ناخواسته از طریق پایه‌های داده تغذیه کنند. راه بهتر این است که مثبت ۵ ولت را قطع کنیم. اینجا PMOS وارد می‌شود.

چرا Gate را مستقیماً به ESP32 وصل نکردیم؟

Source ماسفت روی ۵ ولت است. برای خاموش شدن PMOS، Gate باید تقریباً به همان ۵ ولت برسد؛ اما GPIO ESP32 حداکثر ۳٫۳ ولت خروجی می‌دهد. اگر Gate مستقیم به GPIO وصل شود، در حالت High نیز VGS برابر ۳٫۳ منهای ۵، یعنی حدود منفی ۱٫۷ ولت می‌شود و ممکن است ماسفت کاملاً خاموش نشود. بنابراین یک ترانزیستور NPN کوچک Gate را پایین می‌کشد و مقاومت Pull-up آن را هنگام خاموشی به Source برمی‌گرداند.

اتصالات قدم‌به‌قدم

1. Source ماسفت AO3401A را به مثبت ۵ ولت وصل کنید.
2. Drain را به مثبت بار وصل کنید.
3. منفی بار و زمین ESP32 را مشترک کنید.
4. یک مقاومت ۱۰۰ کیلو اهم بین Gate و Source قرار دهید تا PMOS پیش‌فرض خاموش باشد.
5. Gate را از طریق مقاومت ۱ کیلو اهم به کلکتور NPN وصل کنید.
6. امیتر NPN را به زمین وصل کنید.
7. GPIO19 را از طریق مقاومت ۴٫۷ کیلو اهم به بیس NPN وصل کنید.

static void load_power_set(bool enabled)
{
    // در این مدار GPIO=1 باعث روشن شدن NPN و سپس PMOS می‌شود.
    gpio_set_level(GPIO_NUM_19, enabled ? 1 : 0);
}

دیتاشیت دوم، فقط برای همین مدار

AO3401A را با سؤال‌های عملی بررسی کنیم

محاسبه تلفات برای بار ۸۰۰ میلی‌آمپر

P = I² × R
P = 0.8² × 0.060
P ≈ 0.038 W

جمع‌بندی بر اساس کاربرد

چه زمانی NMOS و چه زمانی PMOS انتخاب کنیم؟

تمرین عملی

این درس زمانی تمام می‌شود که اعداد را اندازه بگیرید

1. در مدار NMOS، VGS را در حالت خاموش و روشن اندازه بگیرید.
2. در حالت روشن، VDS را اندازه بگیرید و با رابطه R≈VDS/I مقاومت تقریبی مسیر را محاسبه کنید.
3. جریان بار را در Dutyهای ۲۵، ۵۰، ۷۵ و ۱۰۰ درصد ثبت کنید.
4. پس از پنج دقیقه کار، دمای ماسفت و دمای مس اطراف آن را بررسی کنید.
5. منبع را خاموش کنید، Drain و Source را عمداً با نقشه پین‌آوت تطبیق دهید و جهت دیود بدنه را در حالت Diode Test بررسی کنید.
6. مدار PMOS را اجرا و VGS را در دو حالت GPIO صفر و یک اندازه بگیرید.
7. سیم مثبت بار را قطع و وصل کنید و بررسی کنید که زمین بار همچنان مشترک باقی می‌ماند.

عیب‌یابی

اگر مدار کار نکرد، از این ترتیب جلو بروید

1. زمین مشترک را بررسی کنید. در مدار NMOS، زمین ESP32 و منبع بار باید مشترک باشد.
2. پین‌آوت واقعی قطعه را با دیتاشیت تطبیق دهید. ترتیب پایه‌های SOT-23 را از روی ظاهر حدس نزنید.
3. VGS را اندازه بگیرید، نه فقط ولتاژ Gate نسبت به زمین.
4. Gate شناور نباشد. Pull-down برای NMOS و Pull-up به Source برای PMOS را بررسی کنید.
5. منبع وارد محدودکننده جریان نشده باشد.
6. VDS حالت روشن را اندازه بگیرید. مقدار زیاد یعنی ماسفت کامل روشن نشده، قطعه نامناسب است یا اتصال اشتباه است.
7. برای بار القایی، دیود هرزگرد و جهت آن را بررسی کنید.
8. در PMOS، منطق مدار را اشتباه نگیرید. پایین رفتن Gate نسبت به Source باعث روشن شدن می‌شود.