ماسفت: بخش دوم ـ روش تست با مولتی‌متر به صورت قدم به قدم

مقدمه

در بخش اول این مطلب با ساختار و نحوه‌ی عملکرد ماسفت‌ها آشنا شدیم. در این بخش، به بررسی روش تست قدم به قدم ماسفت‌ها به کمک مولتی‌متر و نحوه تشخیص سلامت یا خرابی آن‌ها می‌پردازیم.

برای ارزیابی سلامت ماسفت‌ها، چند روش رایج وجود دارد که از ساده‌ترینِ آن‌ها (تست سرد با مولتی‌متر) شروع می‌شود و در نهایت می‌تواند به روش‌های دقیق‌تر مانند تست در مدار یا استفاده از تسترهای تخصصی برسد.
در این بخش، تست ماسفت با مولتی‌متر را بررسی می‌کنیم؛ روشی سریع، در دسترس و مناسب برای تشخیص اغلب خرابی‌های رایج ماسفت‌های کانال N و P.

همچنین در بخش سوم، روش تست ماسفت توسط مدار تست اختصاصی ماسفت را بررسی خواهیم کرد.

با این مطلب همراه باشید.

چرا و چه موقع ماسفت را تست کنیم؟

وقتی وقتی شک دارید که ماسفت عامل عملکرد نامطلوب مدار است،‌مانند منبع تغذیه‌ای که سوخته یا درایو موتوری که از کار افتاده، تست ماسفت معیوب بودن یا نبودن آن را تأیید می‌کند. همچنین وقتی در یک مدار برای مثل فیوز می‌سوزد یا بسیار داغ می‌شود، تست ماسفت یکی از مراحل عیب‌یابی مدار است. زمانی که از بردهای قدیمی، قطعاتی استفاده می‌کنید نیز تست ماسفت‌های جداشده بسیار کمک‌کننه است.

وقتی مداری آنطور که باید عمل نمی‌کند، باید مشخص کرد ماسفت‌ها در خطای عملکرد شریکند یا خیر. ماسفت‌ها اغلب موارد اتصال کوتاه می‌شوند. پس تست هدایت آنها توسط مولتی‌متر اکثر مواقع باعث صرفه‌جویی در زمان می‌شود.

اگر ماسفت شرایط سختی مانند اضافه‌جریان یا اضافه ولتاژ (برای مثال اتصال کوتاه در بار یا تخلیه الکترواستاتیکی)، بهتر است که حتی اگر ماسفت‌ها نسوخته‌اند، آنها را چک کنیم تا از عملکرد صحیح آنها و عدم تغییر در مشخصه‌های آنها مطمئن شویم.

در زمان ساخت مدارات نمونه نیز پیش از استفاده از ماسفت‌ها باید از سلامت آنها مطمئن شد. در زمان استفاده از ماسفت‌های موجود در روی بردهای قدیمی این امر اهمیتی دوچندان دارد، تا هم از ترتیب پایه‌ها اطمینان پیدا کرد و هم از سلامت ابتدایی آنها.

در صورتی که به تست منظم ماسفت‌ها و دیگر قطعات عادت کنید، از آسیب به مدارات بسیاری که ناشی از استفاده ناخواسته از قطعات معیوب است، پیشگیری خواهید کرد.

ابزار مورد نیاز و نکات ایمنی پیش از تست

قبل از شروع تست، باید ابزار مورد نیاز را در اختیار داشته باشید و موارد ایمنی را رعایت کنید.

ابزار مورد نیاز

• مولتی‌متر دیجیتال: یک مولتی‌متر با قابلیت تست دیود و هدایت اولین ابزار برای تست ماسفت است. با این ابزار ولتاژ مستقیم دیود و اتصال کوتاه را اندازه‌گیری خواهیم کرد.
• دیتاشیت ماسفت: برای شناسایی ترتیب پایه‌ها و پارامتر‌های مورد انتظار به دیتاشیت ماسفت نیاز دارید. در صورتی که ماسفت بر روی مدار نصب است، شماتیک مدار نیز می‌تواند کمک‌کننده باشد.
• برد بورد یا تستر ماسفت (اختیاری): برای تست عملکردی ماسفت می‌توان از برد بورد یا تستر ماسفت استفاده کرد.
• منبع تغذیه برای تست عملکردی (اختیاری): یک منبع تغذیه رومیزی یا باتری به همراه مقاومت و LED می‌تواند برای تأیید روشن و خاموش شدن ماسفت تحت بارهای ضعیف مفید باشد.

نکات ایمنی

• قطع کامل تغذیه و جداسازی قطعه: پیش از هر گونه تست، مدار را کاملاً بی‌برق کنید و اگر امکان دارد ماسفت را از مدار خارج کنید. تست در مدار همیشه قابل اعتماد نیست، چون قطعات اطراف (مقاومت‌ها، دیودها، خازن‌ها و…) می‌توانند باعث انحراف نتایج شوند. همچنین وجود یک خازن شارژشده ممکن است ماسفت یا حتی خود شما را دچار مشکل کند. مطمئن‌ترین روش تست معمولاً آزمایش ماسفت در حالت خارج از مدار است.
• تخلیه‌ی بار گیت: پایه‌ی گیت در ماسفت مانند یک خازن کوچک عمل می‌کند و ممکن است بار الکتریکی ذخیره کرده باشد؛ این بار می‌تواند ماسفت را ناآگاهانه در حالت روشن یا خاموش نگه دارد. قبل از هر تست، یک لحظه گیت را به سورس (و برای اطمینان بیشتر به درین هم) اتصال کوتاه کنید تا کاملاً تخلیه شود. این کار ماسفت را در یک وضعیت «خاموش» و قابل پیش‌بینی قرار می‌دهد.
• محافظت الکترواستاتیک (ESD): اکسید گیت بسیار حساس است و با یک تخلیه الکترواستاتیک کوچک می‌تواند آسیب ببیند. حتماً قبل از لمس ماسفت، دست خود را به یک جسم فلزی زمین‌شده بزنید یا حداقل از ایجاد الکتریسیته‌ی ساکن (مثل راه‌رفتن روی فرش) خودداری کنید. بهتر است پایه‌ی گیت را مستقیماً لمس نکنید.
• عدم تماس دست با پایه‌ها در هنگام اندازه‌گیری: در هنگام تست، سعی کنید انگشت‌ها با نوک پراب‌ها یا پایه‌های ماسفت تماس پیدا نکنند. بدن انسان می‌تواند ولتاژ یا ظرفیت خازنی ناخواسته وارد کند و باعث روشن یا خاموش شدن تصادفی گیت شود. ماسفت را روی سطح غیرهادی قرار دهید و اندازه‌گیری را با کمترین تماس مستقیم انجام دهید.

پس از آماده‌سازی و رعایت این نکات، می‌توان تست را آغاز کرد. مراحل زیر بر پایه‌ی ماسفت N کانال نوع افزایشی (رایج‌ترین نوع) توضیح داده می‌شود. در ادامه، تفاوت‌های ماسفت P کانال نیز بیان خواهد شد.

تست ماسفت با استفاده از مولتی‌متر ـ قدم به قدم

تست ماسفت با استفاده از مولتی‌متر شامل یک مجموعه از تست‌هاست. ابتدا تشخیص پایه‌ها، تست اتصال کوتاه، تست دیود بدنه، و در نهایت روشن و خاموش کردن آن با استفاده از مولتی‌متر.

1. شناسایی پایه‌ها و آماده‌سازی اولیه ماسفت

ابتدا باید بفهمید کدام پایه ماسفت، گیت (Gate – G)، درین (Drain – D) و سورس (Source – S) است. اگر قطعه شناخته‌شده است و دیتاشیت آن را در اختیار دارید، به دیتاشیت مراجعه کنید. در غیر این صورت اگر ترتیب پایه‌ها را نمی‌دانید، از حالت «تست دیود» مولتی‌متر استفاده کنید تا دیود داخلی (Body Diode) را پیدا کنید (در مرحله بعدی توضیح داده می‌شود). برای مثال وقتی دو پایه پیدا کردید که فقط در یک جهت حدود ۰.۶ تا ۰.۷ ولت افت ولتاژ دیود نشان می‌دهند، به احتمال خیلی زیاد درین و سورس یک ماسفت کانال N را پیدا کرده‌اید (در این حالت پایه‌ای که پراب مثبت به آن وصل است، سورس است).

تخلیه بار گیت (خیلی مهم!)

قبل از هر آزمایشی حتماً بار باقی‌مانده روی گیت را خالی کنید. کافی است پایه گیت و سورس را لحظه‌ای به هم وصل کنید (برای اطمینان بیشتر می‌توانید درین را هم به این اتصال کوتاه اضافه کنید). این کار خازن گیت را تخلیه می‌کند و ماسفت را در حالت «کاملاً خاموش» قرار می‌دهد.

بررسی سریع سلامت گیت با مولتی‌متر در حالت دیود

مولتی‌متر را روی حالت تست دیود قرار دهید. پراب قرمز (مثبت) را به گیت و پراب سیاه (منفی) را به سورس بزنید. در این حالت مولتی‌متر نباید بوق بزند و باید مدار باز (OL یا عدد خیلی بالا) نشان دهد.

چون گیت عایق است، هیچ جریانی نباید بین گیت و سورس (یا گیت و درین) جریان پیدا کند. اگر بوق شنیدید یا مقاومت خیلی پایین (نزدیک صفر) دیدید یعنی اتصال کوتاه گیت به سورس یا گیت به درین وجود دارد. به این معنی که لایه اکسید گیت سوخته و ماسفت خراب است. در این صورت ادامه تست بی‌فایده است و باید قطعه را تعویض کنید.

در این مرحله پس از تخلیه بار گیت و آماده‌سازی ماسفت، پایه‌های G ،S و D را شناسایی کردیم و مطمئن شدیم اتصال کوتاه فاحشی روی گیت وجود ندارد.

۲. بررسی اتصال کوتاه بین درین و سورس (تست هدایت)

یکی از سریع‌ترین راه‌های تشخیص ماسفت سوخته، همین تست است: آیا بین درین و سورس اتصال کوتاه وجود دارد یا نه؟ وقتی ماسفت هنوز کاملاً «خاموش» است (گیت تخلیه‌شده)، مراحل زیر را انجام دهید:

تست هدایت یا مقاومت خیلی پایین

مولتی‌متر را روی حالت بوق اتصال کوتاه (Continuity) قرار دهید (معمولاً همان حالت تست دیود است یا حالتی جدا که در مقاومت زیر چند اهم بوق می‌زند).

• پراب سیاه را به سورس و پراب قرمز را به درین وصل کنید (برای ماسفت کانال N). نتیجه را ببینید یا گوش کنید که بوق می‌زند یا نه.
• بعد پراب‌ها را جابه‌جا کنید (قرمز به سورس، سیاه به درین) و دوباره تست کنید.

در یک ماسفت سالم و خاموش در هیچ‌کدام از دو جهت نباید بوق بشنوید و باید مدار باز (OL یا عدد خیلی بالا) نشان دهد. در غیر این صورت اگر در یک جهت یا هر دو جهت بوق شنیدید (یعنی مقاومت نزدیک به صفر اهم)، یعنی کانال درین ـ سورس حتی در حالت خاموش هم اتصال کوتاه دارد و ماسفت به‌طور قطع سوخته است. در این حالت تست را همین‌جا متوقف کنید؛ اتصال کوتاه درین ـ سورس تقریباً همیشه نشانه قطعی خرابی ماسفت است.

نکته: گاهی در بعضی موارد نادر (مثلاً باقی ماندن بار روی گیت یا ماسفت‌های نوع Depletion-mode) ممکن است در هر دو جهت بوق بشنوید، اما چون ما قبلاً گیت را کامل تخلیه کردیم، هر گونه بوق غیرمنتظره تقریباً ۱۰۰٪ یعنی ماسفت خراب است.

ماسفت‌های قدرت معمولاً دقیقاً به همین شکل می‌سوزند و داخلشان اتصال کوتاه می‌شود؛ به همین دلیل این تست یکی از پربازده‌ترین مراحل عیب‌یابی است.

۳. تست دیود داخلی (Body Diode)

حالا نوبت بررسی دیود داخلی ماسفت است. این تست هم پایه‌های درین و سورس را با اطمینان کامل مشخص می‌کند، هم نوع ماسفت (N-channel یا P-channel) را نشان می‌دهد و هم یکی از بهترین راه‌ها برای تشخیص خرابی‌های داخلی است.

مولتی‌متر را روی حالت «تست دیود» قرار دهید.

برای ماسفت N-channel:

1. پراب سیاه را به درین و پراب قرمز را به سورس وصل کنید: در این حالت باید مدار باز (OL یا عدد خیلی بالا) مشاهده کنید. چون دیود داخلی معکوس بایاس شده و ماسفت خاموش است.
2. پراب‌ها را عوض کنید. پراب قرمز به درین، پراب سیاه به سورس: در این حالت باید افت ولتاژ دیود نمایش داده شود. معمولاً بین ۰.۴ تا ۰.۷ ولت (در بعضی ماسفت‌های قدرت ممکن است ۰.۲ ـ ۰.۳ ولت هم ببینید، ولی به هر حال یک عدد مشخص و منطقی دیود نشان می‌دهد).

فقط همین یک جهت باید هدایت کند. اگر در جهت اول هم هدایت دیدید یعنی اتصال کوتاه درین ـ‌ سورس دارید (که در مرحله قبل باید گرفته باشید).

برای ماسفت P-channel:

جهت دیود داخلی کاملاً برعکس است. به این معنی که با اتصال پراب قرمز به سورس و پراب سیاه به درین دیود داخلی را نشان می‌دهد و با اتصال پراب قرمز به درین و پراب سیاه به سورس مدار باز مشاهده خواهد شد.

نکات خیلی مهم تفسیر نتیجه:

• در یک ماسفت سالم فقط و فقط یک ترکیب از شش ترکیب ممکن پایه‌ها باید افت ولتاژ دیود بدهد (همان درین ـ سورس در جهت صحیح). پس اگر بین گیت و سورس یا گیت و درین هم افت ولتاژ دیود دیدید معمولاً یعنی ماسفت سوخته یا اصلاً ماسفت نیست (مثلاً با IGBT یا JFET طرف هستید).
• اگر هیچ‌کدام از ترکیب‌ها دیود نشان نداد (همه جهت‌ها مدار باز بود) دو احتمال وجود دارد:
  1. دیود داخلی آسیب دیده یا ماسفت فاقد دیود داخلی است (که البته مورد دوم بسیار نادر است و تقریباً همه‌ی ماسفت‌ها آن را دارند)
  2. پایه‌ها را اشتباه شناسایی کردید. پس دوباره چک کنید و کیفیت تماس پراب‌ها را در نظر بگیرید.
• اگر در هر دو جهت بین درین و سورس دیود دیدید نتیجه همان اتصال کوتاه درین ـ سورس است که در مرحله قبل باید تشخیص داده شده باشد.

تا اینجای کار، ما این سه مورد مهم را تأیید کردیم:

• گیت اتصال کوتاه یا نشتی ندارد
• بین درین و سورس در حالت خاموش اتصال کوتاه وجود ندارد
• دیود داخلی دقیقاً همان‌طور که باید، یک‌طرفه و سالم کار می‌کند

اگر هر سه مورد بالا درست بود، ماسفت از نظر خرابی‌های رایج، تقریباً سالم است. حالا فقط می‌ماند ببینیم آیا واقعاً با ولتاژ گیت روشن و خاموش می‌شود یا نه ـ که مرحله آخر و نهایی تست است.

۴. تست شارژ گیت ـ روشن کردن ماسفت با مولتی‌متر

حالا سعی می‌کنیم ماسفت را با مولتی‌متر روشن کنیم. در حالت نرمال این کار با اعمال ولتاژ‌ کافی بین گیت و سورس (V_gs) انجام می‌شود. با استفاده از حالت تست دیود در مولتی‌متر هم می‌توانیم ولتاژ‌ کافی به گیت اعمال کنیم. بیشتر مولتی‌مترهای دیجیتال در این حالت می‌توانند ولتاژی در حدود 2.5 تا 3 ولت تأمین کنند. این ولتاژ‌ برای شارژ‌ گیت اکثر ماسفت‌ها کافیست. حتی گاهی بیش از ولتاژ‌ آستانه (threshold voltage) آنهاست.

برای روش روشن کردن ماسفت N-channel با مولتی‌متر:

1. پراب سیاه (منفی) را محکم به سورس نگه دارید. پراب قرمز را لحظه‌ای به گیت بزنید (۱–۲ ثانیه کافیست). مولتی‌متر باید مدار باز (OL) نشان دهد. این مرحله سلامت عایق گیت را برای بار دوم نیز تأیید می‌کند. در این مرحله 2 تا 3 ولت بین گیت و سورس اعمال می‌شود.
2. پراب قرمز را از گیت بردارید (با انگشت به گیت نزنید. این کار شارژ گیت را خالی می‌کند). حالا گیت شارژ شده و ماسفت باید روشن یا حداقل نیمه‌روشن شده باشد. در این مرحله در ماسفت N-channel گیت نسبت به سورس بار مثبت دارد.
3. حال به سرعت (تا گیت شارژ دارد) اندازه‌گیری بعدی را انجام دهید. تا تخلیه گیت چند دقیقه وقت دارید.

افت ولتاژ درین و سورس را اندازه بگیرید: در ماسفت N-channel در حالی که ماسفت روشن است و پراب سیاه هنوز روی سورس است، پراب قرمز را به درین بزنید. اگر ماسفت روشن شده باشد، عدد خیلی پایین می‌بینید (چند میلی‌ولت یا حتی بوق اتصال کوتاه) این یعنی کانال درین به سورس در حال هدایت است. پراب‌ها را جابه‌جا کنید. باز هم عدد پایین می‌بینید (ماسفت روشن در هر دو جهت مثل یک مقاومت خیلی کوچک رفتار می‌کند). همین که قبلاً مدار باز بود و حالا نزدیک صفر اهم یا چند میلی‌ولت نشان می‌دهد، یعنی کانال ماسفت کاملاً سالم و فعال است.

در نهایت برای اتمام مراحل تست، برای خاموش کردن دوباره گیت و سورس را لحظه‌ای به هم وصل کنید تا شارژ گیت کامل تخلیه و ماسفت خاموش شود. حال دوباره درین ـ‌ سورس را چک کنید. در این حالت باید دوباره به حالت مدار باز برگشته باشد. در صورت تمایل می‌توانید دوباره با شارژ گیت،‌ماسفت را روشن کنید و مراحل را برای بار دوم چک کنید.

بعضی ماسفت‌های قدرت برای روشن شدن به ولتاژ‌ بالاتری نیاز دارند. در این حالت باید ماسفت به کمک یک تغذیه‌ی خارجی، سری با یک مقاومت (برای محدودسازی جریان)، روشن شود.

ماسفت سالم N-channel باید تست‌های زیر را با موفقیت از سر بگذراند:

• هیچ اتصال کوتاهی بین گیت ـ سورس یا درین ـ سورس در حالت خاموش ندارد
• دیود داخلی درست و فقط در یک جهت دیده می‌شود
• با شارژ گیت، مقاومت درین ـ‌ سورس از «مدار باز» به «تقریباً صفر» تغییر می‌کند
• با تخلیه گیت دوباره به مدار باز برمی‌گردد

اگر ماسفت همیشه و در همه حالت مدار باز یا اتصال کوتاه باشد، یعنی خراب است.

جمع‌بندی

در این مطلب که به عنوان بخش دوم تهیه شد، روش تست ماسفت با مولتی‌متر توضیح داده شد. در این روش که به کمک مولتی‌متر دیجیتال قابل انجام است، مواردی مانند اتصال کوتاه بین پایه‌ها، دیود داخلی و سلامت روشن و خاموش شدن ماسفت بررسی شد.

در ۹۵٪ تعمیرات روزمره و پروژه‌های معمولی، همین روش مرحله‌به‌مرحله با مولتی‌متر کاملاً کافی و قابل اعتماد است. اما در کاربردهای خیلی حساس یا مدارهای پرقدرت (مثل اینورترهای بزرگ، درایو موتورهای سنگین یا منابع تغذیه خیلی دقیق) بهتر است تست عملکردی واقعی داخل مدار یا استفاده از مدار تست اختصاصی جهت تأیید پارامترهای ماسفت هم انجام شود.

در بخش سوم، روش تست ماسفت توسط مدار تست اختصاصی ماسفت را بررسی خواهیم کرد.