MOSFET ที่ได้รับคะแนน 1.5V ไม่ตอบสนองต่ออินพุตของประตู 1.8V

ฉันไม่ได้เป็นผู้เชี่ยวชาญด้านอิเล็กทรอนิกส์ แต่เป็นวิศวกรซอฟต์แวร์ (ขอโทษถ้าฉันถามคำถามงี่เง่า)

ฉันกำลังพยายามใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ GPIO output ที่ระดับ 1.8V เมื่อพินนี้สูงฉันต้องการเปิดใช้งานรีเลย์ 12V ฉันกำลังใช้MOSFET แบบ N-channel จาก freetronics

รายละเอียดสำหรับ MOSFET สามารถพบได้ที่นี่

ด้วยเหตุผลบางอย่าง 1.8V ดูเหมือนจะไม่เพียงพอที่จะขับ MOSFET แม้ว่ามันจะถูกระบุไว้เป็นเวลา 1.5V นาที ฉันได้ลองตั้งค่าแบบสแตนด์อโลนโดยใช้แบตเตอรี่ 1.5V AA และไม่ได้ผล แต่ถ้าฉันใช้ 3.3V ด้วยการตั้งค่าเดียวกันมันใช้งานได้ (แค่คุณรู้ว่าการเดินสายของฉันก็โอเค)

น่าเสียดายที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ของฉัน (Intel Edison) มีเพียง 1.8V GPIO เท่านั้น

ฉันพลาดอะไรไปรึเปล่า? ฉันจะทำงานนี้ได้อย่างไร ฉันควรใช้ MOSFET อื่นหรือไม่ และถ้าเป็นเช่นนั้นอันไหน

ความช่วยเหลือของคุณได้รับการชื่นชมมาก

น่าเศร้าที่การตั้งค่านี้ไม่ทำงาน หากคุณตรวจสอบแผ่นข้อมูลอย่างรอบคอบจะระบุว่า MOSFET มีแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ที่รับประกันว่าจะอยู่ระหว่าง 1.5V ถึง 2.5V โดยทั่วไปจะมี 1.8V

แม้สมมติว่าคุณโชคดีและคุณมีชิ้นงานที่มีค่าเท่ากับ 1.5V (กรณีที่ดีที่สุดสำหรับคุณ) นั่นไม่ได้หมายความว่า MOSFET จะเปิดขึ้นอย่างน่าอัศจรรย์เมื่อแรงดันไฟฟ้า Vgs ถึงค่านั้น นั่นคือแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำที่จำเป็นในการสร้าง MOSFET ที่แทบจะไม่ทำงาน: ในบรรทัดของแผ่นข้อมูลนั้นคุณสามารถสังเกตได้ว่าแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์นั้นถูกระบุที่ระดับ250μAของ Id ระดับกระแสไฟฟ้านั้นไม่เพียงพอต่อการใช้งานรีเลย์ทั่วไปที่เชื่อถือได้

หมายเหตุ: (ตามที่ระบุโดย @SpehroPefhany ในความคิดเห็น) ค่าเหล่านี้คือ 25 ° C หากอุณหภูมิโดยรอบต่ำกว่า (เช่นฤดูหนาวภูมิอากาศเย็นวงจรที่วางในห้องเย็น) กระแสไฟฟ้าที่ระดับ Vgs นั้นจะมีขนาดเล็กลงจนกระทั่ง MOSFET อุ่นขึ้น!

หากต้องการใช้ MOSFET เป็นสวิตช์ปิดคุณจะต้องขับรถไปที่ ON และโดยเฉพาะในภูมิภาคohmicนั่นคือส่วนหนึ่งของคุณสมบัติเอาต์พุตที่มันทำงานเป็นความต้านทาน (ค่าเล็ก):

อย่างที่คุณเห็นเส้นโค้งที่แสดงนั้นสอดคล้องกับค่า Vgs ที่สูงขึ้น (~ 2.8V หรือสูงกว่า) คุณสามารถชื่นชมกับปัญหาในการดูกราฟ Rds (on) เช่น "ความต้านทานของสวิตช์":

จากกราฟทางด้านขวาคุณอาจเห็นว่า Rds (on) ไม่ได้แตกต่างกันมากนักในปัจจุบัน แต่กราฟทางด้านซ้ายจะบอกเล่าเรื่องราวอื่น: หากคุณลด Vgs ภายใต้ ~ 4V คุณจะได้รับความต้านทานเพิ่มขึ้น

เพื่อสรุป: MOSFET นี้ไม่สามารถเปิดได้ด้วย 1.8V เท่านั้น อย่างน้อยคุณควรให้ Vgs เพียงพอที่จะดำเนินการในกรณีที่เลวร้ายที่สุดเช่น Vgs (TH) = 2.5V และนี่เป็นการยืนยันจากการทดลองของคุณที่ 3.3V

@ Lorenzo ได้อธิบายว่าทำไมสิ่งนี้ถึงไม่ได้ผลสำหรับเขาและถ้ามันใช้งานได้มันก็จะกลายเป็นส่วนเพิ่มซึ่งอาจถือว่าแย่กว่านั้น

นี่คือข้อมูลจำเพาะสำหรับ MOSFET ที่เหมาะสม (AO3416) ดูเหมือนว่า:

Rds (on) รับประกันที่ 1.8V Vgs และที่ 34mแม้ว่าจะสูงขึ้นเล็กน้อยเนื่องจากความทนทานต่อการจ่ายหรืออุณหภูมิ 1.8V ยังคงมีแรงขับมากมายสำหรับรีเลย์ 12V$\Omega$

โดยทั่วไปคุณควรใช้ Vgs (th) เพื่อกำหนดว่า MOSFET ส่วนใหญ่จะปิดเมื่อใดและแรงดันไฟฟ้าที่ Rds (เปิด) ระบุไว้เพื่อกำหนดว่าเมื่อใดที่ส่วนใหญ่เปิดอยู่

รูปที่ 2 และ 3 จากแผ่นข้อมูลดังแสดงด้านล่าง

หมายเหตุในรูปที่ 2 สำหรับ Vgs ที่น้อยกว่าประมาณ 2 โวลต์กระแสไฟในท่อระบายน้ำจะใกล้เคียงกับศูนย์ในขณะที่ด้วย Vgs 3 โวลต์ช่องจะถูกปรับปรุงอย่างดี

นั่นเป็นข้อตกลงกับการทดลองของคุณและแสดงให้เห็นว่าคุณต้องการแรงดันไฟฟ้าเพิ่มที่เกตเพื่อให้วงจรทำงาน

รูปที่ 3 แสดงให้เห็นว่า Rds (on) เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเป็นมูลค่าสูงได้อย่างไรเมื่อ Vgs ตกและแม้ว่าจะได้รับ ID 20 แอมแปร์ แต่ความชันของเส้นโค้งจะคล้ายกันในวงจรของคุณ เมื่อ Vgs มีค่าต่ำพอ Rds (on) - ซึ่งอยู่ในอนุกรมกับรีเลย์คอยล์และแหล่งจ่ายไฟ DC - จะเพิ่มขึ้นเป็นค่าที่สูงพอที่จะ จำกัด กระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดรีเลย์ไปยังจุดที่ไม่สามารถทำงานได้ .

เนื่องจากคุณไม่ต้องใช้เกตขับเพื่อให้มั่นใจว่า Rds (เปิด) จะต่ำพอที่จะให้รีเลย์ทำงานได้วิธีที่ง่ายที่สุดคือการเปลี่ยนทรานซิสเตอร์ไบโพล่าไบโพลาร์สำหรับมอสเฟตและขับฐานของ ทรานซิสเตอร์ผ่านตัวต้านทานด้วยสัญญาณ 1.8 โวลต์ของคุณ

คำตอบอื่น ๆ อธิบายอย่างละเอียดว่าเหตุใด FET ในคำถามจึงไม่ทำงาน ฉันจะมุ่งเน้นการแก้ปัญหา

หนึ่งคือการใช้ FET ที่ออกแบบมาเพื่อวัตถุประสงค์; เช่นFDN327N

โซลูชันราคาถูกที่มาจากแหล่งอื่นได้อย่างง่ายดายและเชื่อถือได้คือการใช้ทรานซิสเตอร์ NPN แบบสองขั้วทางแยก NPN ธรรมดา

ในการกำหนดตัวต้านทานที่เหมาะสมให้หาค่าความต้านทานขั้นต่ำ Rlmin ของรีเลย์และค่าสูงสุดของแหล่งจ่ายไฟ 12V (พูด V12max = 13.6V) เพื่อให้กระแสสูงสุดในตัวสะสม IC = V12max / Rlmin (รักษาแรงดันอิ่มตัวตามวิศวกรรม) . ค้นหาการได้รับขั้นต่ำของทรานซิสเตอร์ NPN ที่ความอิ่มตัวของกระแสนี้ (มีเหตุผลมากกว่าที่จะอนุรักษ์ไว้มากเกินไปโดยใช้แผ่นข้อมูล BC848Cอย่างเคร่งครัดเพียงรับประกัน Gmin ขั้นต่ำที่ 20 ที่ความอิ่มตัว แต่ 420 นาทีสำหรับ Vce ของ 5V สำหรับเกรด C อาจทำให้เรามั่นใจพอที่จะใช้ G = 50) กระแสต่ำสุดที่เราควรตั้งเป้าหมายในฐานคือ Ib = Ic / Gmin จากนั้นเราจะต้องคำนึงถึงแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำ V1_8 นาทีของอุปกรณ์ที่ขับพอร์ต DATA ลบ Vout drop ที่ได้คะแนนสูงสุดบน FET ด้านสูงของพอร์ต DATA นั้นภายใต้โหลด Ib อีก 0.75V หรือประมาณ V _{BE (ON)}ที่ ความอิ่มตัวที่ Ic และตัวต้านทานสูงสุดจะออกมาเป็น Rmax = (V1_8min-Vdrop-V _{BE (ON)} ) / Ib

หาก V1_8min-Vdrop-V _{BE (ON)}ได้รับผลลบเราจำเป็นต้องประเมินค่านิยมแบบสามค่าน้อยกว่าแบบอนุรักษ์นิยมซึ่งอาจได้รับความช่วยเหลือจาก Gmin ที่อนุรักษ์นิยมน้อยลง (เพิ่มขึ้น) ซึ่งลดค่า Ib

นอกจากนี้เรายังต้องประกันด้วยว่าปัจจุบันในพอร์ต DATA จะไม่เกินอันดับสูงสุด (สำหรับสิ่งนี้เราต้องพิจารณาสูงสุด V1_8, การออกกลางคันขั้นต่ำสุดและ V _BE ) หากเกินนั้นเราจะต้องเพิ่มตัวต้านทานและปรับการประมาณการแบบอนุรักษ์นิยมให้น้อยลง (โดยเฉพาะ Gmin)