دستگاه جوش ماسفت بخریم یا IGBT؟

ترانزیستور پیوندی یا دو قطبی Bipolar Junction Transistor که به اختصار با نام بی جی تی BJT شناخته می‌شود یک وسیله کوچک الکترونیکی و المان نیمه هادی است و در مدارات الکترونیکی به عنوان سوییچ کننده یا تقویت کننده جریان به کار برده می‌شود. این قطعه سه پایه فلزی با نام‌های امیتر E، پایه یا بیس B و کلکتور C دارد که این 3 پایه در واقع 2 دیود یکطرفه کننده جریان را داخل ترانزیستور می‌سازند و پایه Base یا همان B آن بین E و C مشترک است. حال با توجه به اینکه این پایه مشترک منفی است یا مثبت، نوع ترانزیستور فرق می‌کند؛ در واقع اگر پایه بیس مثبت P باشد، دو شاخه فلزی دیگر منفی و N خواهند بود و به این ترتیب ترانزیستور «ساندویچی» NPN ساخته می‌شود؛ و برعکس این حالت اگر پایه منفی N باشد، ترانزیستور ساندویچی دو قطبی نوع PNP تولید خواهد شد. به عبارت بهتر، منظور از تیپ ترانزیستور ساندویچی، همان حالت پایه مشترک و بیس با قطب مخالف بین دو پایه با قطب های موافق دیگر است.

ترانزیستورهای دو قطبی نخستین و ابتدایی، سیستم کاری قدیمی دارند و با جریان کنترل می‌شوند. به عنوان تقویت کردن جریان در کیت الکترونیک، خود به مدار محرک و جریان اولیه زیادی نیاز دارند و به دلیل امپدانس ورودی کم و قدرت سوییچینگ پایین و زمان تاخیر خاموش/روشن کردن زیاد، قطعه مناسبی برای سوییچ کردن مدارات الکترونیکی قوی با ولتاژ و جریان بالا نیستند. ضمن اینکه این ترانزیستورها داری ضریب دمایی منفی و پایداری حرارتی کم هستند و به اصطلاح خیلی زود داغ می‎‌کنند؛ چرا که تنها ولتاژ کاری آنها، ولتاژ اشباع ترانزیستور است.

حال که با ترازیستور BJT آشنا شدیم بهتر است به نوع های پیشرفته تر برسیم. اولین ترانزیستوری که برای دستگاه های جوش ساخته شد، فناوری ماسفت یا Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor به «معنای ترانزیستور اثر میدان نیمه رسانا اکسید فلز» بود که به اختصار MOSFET نامیده شد. این ترانزیستور به جای سه عدد پایه، دارای 4 پایه و ترمینال به نام های منبع Source با حرف S، پایه تخلیه Drain با حرف D، پایه دروازه Gate با حرف G و در نهایت یک بدنه یا سابستریت Substrate است. تقریبا در تمام ماسفت های دستگاه های جوشکاری، بدنه با منبع یکی شده و با همان حرف S شناخته می‌شود که به این ترتیب این ترانزیستور هم 3 پایه خواهد شد. بزرگترین تفاوت ماسفت با ترانزیستور دو قطبی اولیه این است که ماسفت ها به جای نیاز به جریان، با تغذیه و کنترل ولتاژ کار می‌کنند که این فناوری هم ایمنی آنها را بالاتر خواهد برد، هم سرعت کار را بیشتر می‌کند و هم ترانزیستور عمر مفید طولانی تری خواهد داشت.

نحوه کار ترانزیستور ماسفت به طور خلاصه به این صورت است:

ابتدا در نظر داشته باشید که سطح بدنه و پایه منبع این ترانزیستور با یک لایه دی اکسید سلیکونی پوشیده شده و به عنوان عایق عمل خواهد کرد. سپس یک صفحه فلزی نازک در بالای لایه دی اکسید سیلیکون قرار می‌گیرد و عملکردی مثل یک خازن خواهد داشت. با اعمال ولتاژ به ترمینال دروازه یا پایه G، عمل برقراری و سوییچینگ جریان با توجه به نوع و فرمان کیت الکترونیکی دستگاه، بین دو ترمینال منبع S و تخلیه D صورت می‌گیرد.

مثل ترانزیستور دو قطبی، ماسفت ها هم به صورت پایه مشترک مثبت و منفی تیپ ساندویچی، یعنی در دو حالت PNP و NPN ساخته می‌شوند؛ اما هر کدام از این مدل‌ها هم به طور جداگانه دو مدل «ماسفت کاهشی» و «ماسفت افزایشی» دارند. در نوع افزایشی یا ماسفت «سوییچ باز» با دادن ولتاژ به گیت، جریان بین دو پایه تخلیه و سورس برقرار می‌شود و با بیشتر کردن ولتاژ، این جریان بیشتر می‌شود. در نوع کاهشی یا «سوییچ بسته»، مسیر بین منبع و تخلیه در ابتدا کاملا رسانا و باز است؛ و با دادن ولتاژ به گیت، این مسیر بسته تر می‌شود و جریان کاهش پیدا می‌کند.

در دستگاه جوش ماسفت، وجود این ترانزیستور باعث سوییچینگ بسیار سریع می‌شود. زمان قطع و وصل ماسفت بسیار بالاست و برای کار در فرکانس های در حد مگاهرتز بسیار مناسب است؛ اما در ولتاژ و جریان های بسیار بالا راندمان و دقت کار ایده آلی ندارد.

نوع دوم و جدیدتر ترانزیستورهای دو قطبی نام IGBT دارد که مخفف شده عنوان Insulated Gate Bipolar Transistor و به معنای «ترانزیستور دو قطبی گیت عایق شده» معروف است. می‌توان حدس زد که این قطعه ورژن هوشمند نوع دو قطبی معمولی یعنی BJT بوده و در واقع ترانزیستور آی جی بی تی نسل جدیدی از این وسیله الکترونیکی را به دنیای صنعت آورده است. ترانزیستور IGBT به عبارت ساده، ترکیبی از ترانزیستور ماسفت و دو قطبی معمولی است و در آن سعی شده نواقص هر 2 ترانزیستور قبلی رفع شود.

این ترانزیستور هم دارای 3 پایه امیتر E، کلکتور C و دروازه یا گیت G است و دیگر نه به صورت مدل های PNP و NPN، که تنها در یک حالت کلی ساخته می‌شود؛ چرا که با توجه به تکنولوژی کاری آن، امکان تعویض جریان بین پایه های داخلی وجود دارد و نیاز به ساخت ورژن های دیگر نیست. اما ترانزیستور IGBT به عنوان یک نیمه هادی پر قدرت و با توجه به نیاز و عملکرد، در دو تیپ «متقارن» و «نامتقارن» ساخته می‌شود. این قطعه عملکرد سرعت سوییچینگ نسبتا بالا (البته پایین تر از ماسفت) داشته و مثل Mosfet با کنترل ولتاژ کار می‌کند. در واقع IGBT در زاویه دید ورودی در مدار به شکل یک ماسفت، و در زاویه دید خروجی همان مدار مثل یک ترانزیستور دو قطبی BJT دیده می‌شود.

از این قطعه امروزه برای سوییچینگ ماشین های برقی، موتور یخچال و تمامی انجین های با ولتاژ و جریان بالا اما با فرکانس پایین استفاده می‌گردد. برای همین اکثر اینورترهای جوشکاری خانگی و نیمه صنعتی که نیاز به تنظیم جریان ولتاژ در فرکانس پایین و سرعت عادی دارند اما پایداری بیشتر و افت ولتاژ کمتری را در زمان سوییچینگ می‌طلبند، با ترانزیستور IGBT ساخته می‌شوند. ضمن اینکه در هر دو دستگاه جوش Mosfet و IGBT، تعداد ترانزیستور، کیفیت و ظرفیت آنها بسیار تعیین کننده خواهد بود.

بعد از آشنایی با هر 3 ترانزیستور موجود و قابلیت‌هایشان و اینکه چه مدلی در دستگاه های جوشکاری استفاده می‌گردد، حالا برای دریافت بهتر این موضوع که تفاوت دستگاه جوش ماسفت و igbt در کجاست؟ می‌توان به بیان مزایا و معایب هر کدام پرداخت.

مزایای اینورتر جوشکاری ماسفت:

- به دلیل قیمت ارزانتر، دستگاه های جوشکاری هم رده ساخته شده با این ترانزیستور قیمت کمتری دارند.

- سرعت سوییچینگ بالاتر، آنها را برای کاربری های با جریان پیوسته و یکنواخت در فرکانس بالا در حد مگا هرتز مناسب می‌کند.

- به دلیل عملکرد بهتر در دیوتی سایکل های بالاتر از 60 درصد در ولتاژ و جریان پایین، این ترانزیستور بیشتر برای دستگاه جوش میگ و تیگ و اینورترهای دارای سیم و وایر فیدر مناسب تر هستند.

- دستگاه جوش های با ولتاژ پایین و دارای نوسان گیر شبکه برق، با ترانزیستور ماسفت راندمان بهتری دارند.

معایب اینورتر جوشکاری ماسفت:

- حین سوییچ کردن میزان افت ولتاژ و تغییرات انرژی عبوری زیادتری دارند.

- امکان استفاده از این ترانزیستورها تنها در دستگاه های با دیوتی سایکل و چرخه کاری بالا و بیشتر در ولتاژ و ماکزیمم جریان نه چندان زیاد جایز است.

- وزن این محصولات در دستگاه های هم رده، کمی بالاتر و سنگین تر است.

- ابعاد نهایی دستگاه جوشکاری Mosfet در مقایسه با اینورتر IGBT همرده بزرگتر دیده می‌شود.

- در مقابل ولتاژ اضافه شبکه و نوسان های زیاد آسیب پذیر هستند و مقاومت کمتری دارند.

بعد از بررسی نقاط قوت و ضعف دستگاه جوش ماسفت حالا به نکات مهم در راندمان و کارکرد اینورتر جوشکاری IGBT بپردازیم.

مزایای اینورتر جوش IGBT:

- توانایی کار در ولتاژها و جریان بالا را دارند.

- جمع آوری مزایای هر دو ترانزیستور BJT و ماسفت تا حد ممکن باعث شده تا اینورتر جوش IGBT افت ولتاژ و تلفات انرژی کمی داشته باشد.

- فناوری این قطعه باعث می‌شود تا وزن و ابعاد نهایی دستگاه جوش IGBT پایین تر و کمتر از ماسفت باشد.

- کیفیت جوش در چرخه کاری پایین تر و خصوصا در دیوتی سایکل استاندارد 60 درصد در اکثر اینورترها، با این ترانزیستورها بالاتر است.

- این دستگاه های جوشکاری مصرف برق کمتری دارند و در برخی مدل‌ها با نوسان کمتر جریان ورودی، امکان نصب به موتور برق و ژنراتور را خواهند داشت.

معایب دستگاه جوش IGBT:

- به دلیل تکنولوژی گرانتر، این دستگاه ها از قیمت نهایی بیشتری برخوردار هستند.

- سرعت سوییچینگ پایین تر از ماسفت باعث می‌شود تا امکان استفاده برای ساخت دستگاه جوش فرکانس بالا با این ترانزیستور فراهم نباشد.

- فرکانس کاری و سرعت سوییچ پایین تر از ماسفت، راندمان این دستگاه جوشکاری را در جریان های یکنواخت بدون نوسان و ولتاژ پایین در مقایسه با اینورتر ماسفت کمتر می‌کند.

برای فهم بهتر فرق مکانیزم کاری این سه ترانزیستور، در جدول زیر مقایسه‌ای بین این سه قطعه پر کاربرد انجام داده‌ایم. تفاوت بین سیستم ماسفت و IGBT در دستگاه های جوشکاری به چند فاکتور مهم و اصلی مثل توان تحمل ماکزیمم ولتاژ و جریان، میزان ایجاد حرارت و گرما، کیفیت و سرعت هندلینگ، تنظیم و قطع/وصل یک جریان و... ربط دارد.

هر دو قشری که طرفدار هر کدام از این مدل ها هستند، اعتقاد دارند دستگاه جوشکاری مورد علاقه‌شان و مدلی که با آن تجربه کاری داشته‌اند از دسته مقابل بهتر است. اما واقعیت اینست که در نهایت و بعد از تمام این مقایسه‌ها، به طور ثابت و کلی نمی‌توان گفت که دستگاه جوش ماسفت بهتره یا igbt؟... چرا که هر کدام از دستگاه های جوشکاری بنا به شیوه ساخت مدارهای داخلی، کارکرد و راندمان خود را خواهند داشت. نوع ترانزیستور Mosfet یا IGBT تنها یکی از موارد مهم ساخت دستگاه جوشکاری است؛ در کنار این موضوع، توجه به کیفیت قطعات، تعداد ترانزیستور و خازن، نوع کیت تک برد یا چند برد، اتصال قطعات مدار به کیت الکترونیکی دستگاه جوش به صورت SMD یا کیت الکترونیکی DIP همگی از موارد با اهمیت دیگری در ساخت این ابزارهاست. برای اینکه بفهمیم یک اینورتر جوش با ترانزیستور ماسفت راندمان بهتری دارد یا ترانزیستور IGBT، بهتر است به دیگر مشخصات فنی، حداکثر جریان خروجی، تیپ و کلاس کاری و سایر امکانات و آپشن های آن توجه کرد.

 شما می‌توانید برای خرید اینورتر جوشکاری IGBT و Mosfet در انواع قدرت های مختلف و برای جوشکاری الکترود، جوشکاری تیگ TIG و میگ/مگ، ساخته شده توسط بهترین برندهای ایرانی و خارجی با ضمانت اصالت کالا و گارانتی رسمی به همراه مشاوره تخصصی رایگان و سفارش آنلاین، به فروشگاه ابزار مارکت مراجعه کنید.