O MOSFET com classificação de 1,5V não reage a uma entrada de porta de 1,8V

Eu não sou realmente um especialista em eletrônica, mas um engenheiro de software (desculpas se estou fazendo perguntas estúpidas).

Estou tentando usar uma saída GPIO de microcontrolador classificada em 1,8V. Quando esse pino estiver alto, desejo ativar um relé de 12V. Estou usando um MOSFET de canal N da freetronics

As especificações para o MOSFET podem ser encontradas aqui .

Por alguma razão, os 1,8 V parecem insuficientes para acionar o MOSFET, embora seja especificado para 1,5 V min. Eu tentei uma configuração autônoma usando uma bateria AA de 1,5V e isso também não funciona. Mas se eu aplicar 3.3V com a mesma configuração, ele funcionará (só para você saber que minha fiação está correta).

Infelizmente, meu microcontrolador (Intel Edison) possui apenas GPIOs de 1,8V.

Estou esquecendo de algo? Como posso fazer isso funcionar? Devo usar um MOSFET diferente? E se sim, qual?

Sua ajuda é muito apreciada.

Infelizmente essa configuração não funcionará. Se você examinar cuidadosamente a folha de dados, afirma que o MOSFET possui uma tensão limite que é garantida entre 1,5V e 2,5V, com 1,8V típico.

Mesmo supondo que você tenha sorte e tenha uma amostra cujo limite é de 1,5V (melhor caso para você), isso não significa que o MOSFET LIGA magicamente quando a tensão Vgs atinge esse valor. Essa é a tensão mínima necessária para que o MOSFET mal conduza: nessa linha da folha de dados, você pode notar que a tensão limite é especificada em escassos 250μA de Id. Esse nível de corrente é insuficiente para operar um relé comum de maneira confiável.

Nota: (como apontado por @SpehroPefhany em um comentário), esses são os valores a 25 ° C. Se a temperatura ambiente for mais baixa (por exemplo, inverno, clima frio, circuito colocado em câmaras frias), a corrente nesse nível de Vgs será ainda menor até o MOSFET aquecer!

Para usar um MOSFET como um interruptor fechado, você deve conduzi-lo para a região ON e, especificamente, para a região ôhmica , ou seja, aquela parte das características de saída em que ele se comporta como resistência (pequeno valor):

Como você pode ver, as curvas mostradas correspondem a valores mais altos de Vgs (~ 2,8V ou mais). Você pode apreciar melhor o problema observando o gráfico Rds (on), ou seja, "a resistência do comutador":

No gráfico à direita, você pode ver que Rds (ativado) não varia muito com a corrente, mas o gráfico à esquerda conta outra história: se você abaixa Vgs abaixo de ~ 4V, obtém um aumento acentuado na resistência.

Resumindo: este MOSFET não pode ser ligado com apenas 1,8V. Pelo menos você deve fornecer Vgs suficientes para fazê-lo conduzir no pior caso , ou seja, Vgs (TH) = 2,5V. E isso é confirmado pelo seu experimento em 3.3V.

@ Lorenzo explicou por que isso não está funcionando para ele e, se funcionasse, seria marginal, o que poderia ser considerado pior.

Aqui está a aparência de uma especificação para um MOSFET adequado (AO3416):

$\Omega$

Em geral, você deve usar Vgs (th) para determinar quando o MOSFET está quase totalmente desligado e a (s) tensão (s) em que Rds (ativado) é especificado para determinar quando está ligado.

As figuras 2 e 3 da folha de dados são mostradas abaixo.

Observe, na figura 2, que para um Vgs menor que cerca de 2 volts, a corrente de dreno será próxima de zero, enquanto que com um Vgs de 3 volts, o canal é aprimorado.

Isso está de acordo com o seu experimento e mostra que você precisa de mais voltagem no portão para fazer seu circuito funcionar,

A Figura 3 mostra como o Rds (on) sobe muito rapidamente para um valor alto quando Vgs cai, e mesmo sendo dado para um ID de 20 amperes, a inclinação da curva será semelhante em seu circuito, com o efeito final sendo que quando Vgs fica baixo o suficiente, Rds (ligado) - que está em série com a bobina do relé e a alimentação CC - aumentará para um valor alto o suficiente para limitar a corrente através da bobina do relé até o ponto em que será impossível acionar .

Como você não possui a unidade de portão necessária para garantir que o Rds (ativado) seja baixo o suficiente para permitir que o relé funcione, sem dúvida a saída mais fácil seria substituir um transistor bipolar de geléia pelo MOSFET e acionar a base do transistor através de um resistor com seu sinal de 1,8 volts.

Outras respostas explicaram minuciosamente por que o FET na pergunta não funciona. Vou me concentrar em soluções.

Uma é usar um FET projetado para esse fim; por exemplo, FDN327N .

Outra solução barata, fácil de obter e confiável está usando um transistor de junção bipolar simples NPN.

Para determinar o resistor apropriado, encontre a resistência mínima Rlmin do relé e a máxima da fonte de 12V (digamos V12max = 13,6V), fornecendo a corrente máxima no coletor Ic = V12max / Rlmin (mantendo a tensão de saturação como margem de engenharia) . Encontre o ganho mínimo do transistor NPN na saturação para esta corrente (seja razoavelmente mais conservador do que o demais; estritamente falando, a folha de dados BC848Cgarante apenas um ganho mínimo de Gmin de 20 na saturação, mas os 420 min para Vce de 5V para a classe C podem nos dar confiança suficiente para usar G = 50). A corrente mínima que devemos atingir na base é Ib = Ic / Gmin. Em seguida, devemos considerar a tensão de alimentação mínima V1_8min do dispositivo que aciona a porta DATA, subtrair o Vdrop de queda nominal máxima no FET do lado superior dessa porta DATA sob carga Ib, outros 0,75V ou mais para V _{BE (ON)} em saturação em Ic, e o resistor máximo sai como Rmax = (V1_8min-Vdrop-V _{BE (ON)} ) / Ib.

Se V1_8min-Vdrop-V _{BE (ON)} ficar negativo, precisamos de estimativas menos conservadoras dos três valores na soma, que podem ser ajudadas por um Gmin menos conservador (aumentado), que diminui Ib.

Também devemos garantir que a corrente na porta DATA não exceda sua classificação máxima (para isso, devemos considerar o V1_8 máximo, a queda mínima do lado alto e o V _BE ). Se isso for excedido, devemos aumentar o resistor e justificar estimativas menos conservadoras (de Gmin em particular).