El MOSFET con clasificación de 1.5V no reacciona a una entrada de puerta de 1.8V

No soy realmente un especialista en electrónica, sino un ingeniero de software (así que excusas si estoy haciendo preguntas estúpidas).

Estoy tratando de usar una salida GPIO de microcontrolador de 1.8V. Cuando este pin se vuelve alto, quiero habilitar un relé de 12V. Estoy usando un MOSFET de canal N de freetronics

Las especificaciones para el MOSFET se pueden encontrar aquí .

Por alguna razón, el 1.8V parece insuficiente para manejar el MOSFET aunque está especificado para 1.5V min. He intentado una configuración independiente con una batería AA de 1.5V y eso tampoco funciona. Pero si aplico 3.3V con la misma configuración, funciona (solo para que sepa que mi cableado está bien).

Lamentablemente, mi microcontrolador (Intel Edison) solo tiene GPIO de 1.8V.

¿Me estoy perdiendo de algo? ¿Cómo puedo hacer que esto funcione? ¿Debo usar un MOSFET diferente? Y si es así, ¿cuál?

Su ayuda es muy apreciada.

Lamentablemente, esta configuración no funcionará. Si examina la hoja de datos cuidadosamente, indica que el MOSFET tiene un voltaje de umbral que se garantiza que está entre 1.5V y 2.5V, con 1.8V típico.

Incluso suponiendo que tenga suerte y que tenga un espécimen cuyo umbral es de 1.5V (el mejor caso para usted), eso no significa que el MOSFET se encienda mágicamente cuando su voltaje Vgs alcance ese valor. Ese es el voltaje mínimo necesario para que el MOSFET apenas conduzca: en esa línea de la hoja de datos, puede observar que el voltaje umbral se especifica a escasos 250 μA de Id. Ese nivel de corriente es insuficiente para operar un relé común de manera confiable.

Nota: (como señaló @SpehroPefhany en un comentario) estos son los valores a 25 ° C. Si la temperatura ambiente es más baja (por ejemplo, invierno, clima frío, circuito colocado en cuartos fríos), la corriente a ese nivel de Vgs será aún menor hasta que el MOSFET se caliente.

Para usar un MOSFET como un interruptor cerrado, debe conducirlo a la región ON, y específicamente a la región óhmica , es decir, esa parte de las características de salida donde se comporta como una resistencia (valor pequeño):

Como puede ver, las curvas que se muestran corresponden a valores más altos de Vgs (~ 2.8V o más). Puede apreciar mejor el problema mirando el gráfico Rds (encendido), es decir, "la resistencia del interruptor":

En el gráfico de la derecha, puede ver que Rds (encendido) no varía mucho con la corriente, pero el gráfico de la izquierda cuenta otra historia: si baja Vgs por debajo de ~ 4V, obtendrá un fuerte aumento de la resistencia.

Para resumir: este MOSFET no se puede encender con solo 1.8V. Al menos debe proporcionar suficientes Vgs para que se realice en el peor de los casos , es decir, Vgs (TH) = 2.5V. Y esto es confirmado por su experimento a 3.3V.

@Lorenzo ha explicado por qué esto no funciona para él, y si funcionara, sería marginal, lo que podría considerarse peor.

Así es como se ve una especificación para un MOSFET adecuado (AO3416):

El Rds (encendido) está garantizado a 1.8V Vgs, y a 34m incluso si es un poco más alto debido a la tolerancia en el suministro o la temperatura de 1.8V, todavía hay suficiente unidad para un relé de 12V.$\Omega$

En general, debe usar Vgs (th) para determinar cuándo el MOSFET está mayormente apagado y el voltaje (s) en el que se especifica Rds (on) para determinar cuándo está mayormente encendido.

Las figuras 2 y 3 de la hoja de datos se muestran a continuación.

Tenga en cuenta, en la figura 2, que para un Vgs de menos de aproximadamente 2 voltios, la corriente de drenaje estará cerca de cero, mientras que con un Vgs de 3 voltios el canal está muy bien mejorado.

Eso está de acuerdo con su experimento y muestra que necesita más voltaje en la puerta para que su circuito funcione,

La Figura 3 muestra cómo el Rds (activado) aumenta muy rápidamente a un valor alto a medida que cae Vgs, y aunque se da para un Id de 20 amperios, la pendiente de la curva será similar en su circuito, con el efecto final de que cuando Vgs baja lo suficiente, Rds (encendido), que está en serie con la bobina del relé y el suministro de CC, se elevará a un valor lo suficientemente alto como para limitar la corriente a través de la bobina del relé hasta el punto donde será imposible accionar .

Dado que no tiene la unidad de compuerta necesaria para garantizar que Rds (activado) sea lo suficientemente bajo como para permitir que el relé funcione, podría decirse que la salida más fácil sería sustituir un transistor bipolar Jellybean por el MOSFET y conducir la base del transistor a través de una resistencia con su señal de 1.8 voltios.

Otras respuestas han explicado finamente por qué el FET en la pregunta no funciona. Me enfocaré en soluciones.

Una es usar un FET diseñado para ese propósito; por ejemplo, FDN327N .

Otra solución económica, fácil de obtener y confiable es usar un transistor de unión bipolar NPN simple.

Para determinar la resistencia apropiada, encuentre la resistencia mínima Rlmin del relé y el máximo de la alimentación de 12V (digamos V12max = 13.6V), dándole la corriente máxima en el colector Ic = V12max / Rlmin (manteniendo el voltaje de saturación como margen de ingeniería) . Encuentre la ganancia mínima del transistor NPN en la saturación para esta corriente (sea razonablemente conservador en lugar de ser demasiado conservador en esa; estrictamente hablando la hoja de datos BC848Csolo garantiza una ganancia mínima Gmin de 20 en la saturación, pero los 420 minutos para Vce de 5V para el grado C podrían darnos suficiente confianza para usar G = 50). La corriente mínima que deberíamos apuntar en la base es Ib = Ic / Gmin. Luego, debemos tener en cuenta la tensión de alimentación mínima V1_8min del dispositivo que conduce el puerto DATA, restar la caída nominal máxima Vdrop en el FET del lado alto de ese puerto DATA bajo carga Ib, otros 0,75 V más o menos para V _{BE (ON)} en saturación en Ic, y la resistencia máxima sale como Rmax = (V1_8min-Vdrop-V _{BE (ON)} ) / Ib.

Si V1_8min-Vdrop-V _{BE (ON) se} vuelve negativo, necesitamos estimaciones menos conservadoras de los tres valores en la suma, lo que podría ser ayudado por un Gmin menos conservador (aumentado), que disminuye Ib.

También debemos asegurarnos de que la corriente en el puerto DATA no exceda su clasificación máxima (para esto debemos considerar el V1_8 máximo, la caída mínima del lado alto y V _BE ). Si se excede, debemos aumentar la resistencia y justificar estimaciones menos conservadoras (de Gmin en particular).