MOSFET كوحدة تحكم سرعة لمحركات التيار الثابت المصغّرة

إستخدام الترانزستور MOSFET كوحدة تحكم سرعة (ESC) لمحركات التيار المستمر الصغيرة

تُستخدم محركات التيار المستمر (Brushed DC) المصغّرة على نطاق واسع في السيارات اللاسلكية الصغيرة، وطائرات الدرون، والروبوتات، ومشاريع الإلكترونيات للهواة. وللتحكم في سرعتها، نحتاج غالبًا إلى وحدة تحكم سرعة إلكترونية (ESC). ورغم توفّر وحدات ESC تجارية، إلا أنها قد تكون ضخمة أو باهظة الثمن للتطبيقات الصغيرة.

في هذا المقال، سنشرح كيفية بناء وحدة تحكم سرعة بسيطة في اتجاه واحد فقط باستخدام ترانزستور MOSFET واحد وإشارة PWM من متحكم مثل Arduino. هذه الطريقة مثالية في الحالات التي لا يحتاج فيها المحرك للدوران في كلا الاتجاهين — مثل تشغيل مروحة، أو عجلة، أو مروحة دفع. إنها حل منخفض التكلفة وفعّال لإضافة تحكم سلس في السرعة إلى مشروعك.

1. لماذا نستخدم MOSFET؟

يُعد ترانزستور MOSFET (ترانزستور التأثير الحقلي المعدني-أكسيد-شبه الموصل) من أفضل الخيارات كمفتاح إلكتروني يتحكم في تيارات عالية بكفاءة. عند استخدامه مع محركات التيار المستمر، فهو يتيح:

• تبديل سريع يدعم التحكم عبر PWM
• تبديد حرارة منخفض بسبب المقاومة المنخفضة عند التشغيل
• حل مدمج واقتصادي مقارنةً بدوائر تحكم المحركات المتكاملة

2. أساسيات التحكم في محركات التيار المستمر

تزداد سرعة محرك التيار المستمر كلما زاد الجهد المطبق عليه. ولتحقيق تحكم سلس في السرعة، لا نقوم بتغيير الجهد بشكل مباشر، بل نستخدم تقنية PWM (تعديل عرض النبضة) التي تُشغّل وتُوقف الطاقة بسرعة.

لكن المتحكمات مثل Arduino لا تستطيع توفير التيار الكافي لتشغيل المحرك مباشرة. لذلك نستخدم MOSFET كمفتاح إلكتروني يتم التحكم به بواسطة خرج PWM للمتحكم، مما يسمح له بالتعامل مع تيارات أكبر بأمان.

3. اختيار MOSFET المناسب

لبناء وحدة تحكم موثوقة، اختر MOSFET من النوع N ويدعم الجهد المنطقي (Logic-Level). أهم المواصفات:

• مقاومة منخفضة R_DS(on) لتقليل الحرارة وفقد الطاقة
• جهد بوابة منخفض (≤ 2.5V) ليتوافق مع خرج 3.3V أو 5V
• تحمّل تيار أكبر (مرتين على الأقل) من تيار المحرك الأقصى (تيار التعطيل)

أمثلة شائعة:

IRLZ44N: ~1.0V (جهد تشغيل البوابة), 47A (التيار الأقصى المستمر)

IRL540N: ~2.0V (جهد تشغيل البوابة), 28A (التيار الأقصى المستمر)

AO3400: ~1.5V (جهد تشغيل البوابة), 5.8A (التيار الأقصى المستمر)

4. ما هو تيار التعطيل (Stall Current) للمحرك؟

تيار التعطيل هو أقصى تيار يسحبه المحرك عند بدء التشغيل أو إذا توقف عن الدوران. من المهم حسابه لاختيار MOSFET يتحمّله دون تلف.

يمكن تقديره عبر المعادلة:

قم بقياس المقاومة بين طرفي المحرك عندما لا يكون في حالة دوران.

5. دائرة تحكم سرعة أحادية الاتجاه باستخدام MOSFET

المكونات:

• MOSFET من النوع N ويدعم التشغيل بالجهد المنطقي
• دايود حماية عكسي (مثل 1N5819 أو دايود Schottky)
• متحكم مثل Arduino
• محرك DC صغير
• مصدر تغذية (بطارية أو محول DC)

التوصيل:

• الطرف الموجب للمحرك → إلى +V (البطارية أو مصدر الطاقة)
• الطرف السالب للمحرك → إلى Drain في MOSFET
• Source في MOSFET → إلى GND
• Gate → إلى خرج PWM من المتحكم (يمكن وضع مقاومة 100Ω في السلسلة)
• الدايود على طرفي المحرك (الكاثود إلى +V، الأنود إلى الطرف السالب)

6. مثال على كود Arduino

يقوم هذا البرنامج بزيادة سرعة المحرك تدريجيًا ثم تقليلها باستخدام PWM.

Copy
1const int motorPin = 9;  // PWM-capable pin
2
3void setup() {
4  pinMode(motorPin, OUTPUT);
5}
6
7void loop() {
8  // Ramp motor speed up
9  for (int speed = 0; speed <= 255; speed++) {
10    analogWrite(motorPin, speed);
11    delay(10);
12  }
13
14  // Ramp motor speed down
15  for (int speed = 255; speed >= 0; speed--) {
16    analogWrite(motorPin, speed);
17    delay(10);
18  }
19}
20

7. نصائح لدوائر أكثر موثوقية

• استخدم دائمًا دايود حماية لمنع الجهد العكسي من تلف MOSFET.
• أضف مكثف صغير (100nF – 1µF) على طرفي المحرك لتقليل الضجيج الكهربائي.
• استخدم مقاومة عند بوابة MOSFET (مثل 100Ω) لتقليل التذبذب.
• في حالة التيارات العالية، استخدم مشتت حراري (Heatsink) للـ MOSFET.

8. متى تحتاج إلى ESC كامل أو جسر H؟

هذه الدائرة مناسبة في الحالات التالية:

• دوران باتجاه واحد فقط
• محركات صغيرة ومتوسطة التيار
• مشاريع مدمجة وبسيطة

لكن إذا كنت تحتاج إلى ميزات مثل:

• تغيير الاتجاه
• الفرملة الإلكترونية
• التحكم اللاسلكي أو الذكي

فمن الأفضل استخدام وحدة ESC تجارية أو دائرة جسر H مثل L298N أو DRV8871.

الخلاصة

يمكنك باستخدام MOSFET بناء وحدة تحكم سرعة بسيطة وفعّالة لمحركات DC الصغيرة. مع بضع مكونات وكود بسيط، ستحصل على دائرة خفيفة وموثوقة تناسب الكثير من مشاريع الروبوتات والإلكترونيات. إنها خطوة ممتازة لفهم أساسيات التحكم في المحركات والإلكترونيات القوّية.

أو بإمكانك إستكشاف تصنيفات أخرى

عالم الإلكترونيات

الفيزياء وميكانيكا الطيران

استكشف العالم الخفي تحت المجهر