¿Mi locomotora de nivel bidireccional basada en MOSFET es una locura?

En un momento de bajo costo, decidí no ordenar una palanca de cambios de nivel de 5v a 3.3v de Sparkfun, sino armarla yo mismo. El esquema original utilizaba un MOSFET BSS138 , pero dado que disfruto tanto de la soldadura de montaje en superficie como del tratamiento del conducto radicular, decidí usar un MOSFET aparentemente similar que está montado en un orificio pasante y que es fácilmente disponible de mi proveedor preferido.

Los resultados de esto fueron subóptimos. Al tirar de la línea de 5v al suelo, todo estaba bien: el lado de 3.3v fue a 0.07v. Pero al tirar de 3.3v al suelo, la línea de 5v mostró alrededor de 4.14v (de lo contrario, fue un toque por encima de 5.1v). En una lectura más detallada de las hojas de datos involucradas, así como la nota de aplicación original de Philips sobre el tema, comencé a llegar a la conclusión de que el voltaje de umbral de la puerta era el problema.

Al alterar el esquema y vincular la puerta del MOSFET a 5v en lugar de 3.3v, ambos lados parecen funcionar bien. Tirar de ambos lados hacia abajo hace que el otro lado baje. Sin embargo, no estoy del todo seguro de que esto sea realmente una cosa sensata. Mi comprensión del esquema original no es lo suficientemente profunda como para formar una opinión sensata.

¿Funcionará este esquema esquemático modificado, o son los buenos resultados actuales que estoy viendo mera casualidad o un precursor de algo que libera humo mágico?

Respuesta corta

• En este circuito, Vth (la puerta a la fuente de voltaje a la que se acaba de encender el MOSFET) es crucial. Vth debe ser sustancialmente más bajo que Vh-Vl = 5V - 3.3V = 1.7V.

  El BSS138 tiene un Vth de 0.8 / 1.3 / 1.5 min / típico / max.
  Entonces, aunque en teoría sería "suficientemente bueno" aquí como 1.7> 1.5, ese margen es incómodamente pequeño.

  Desafortunadamente, la alternativa que eligió es aún peor que la BSS138.
  El FQN1N60C tiene un Vth de 2 / - / 4 V. es decir, en su mejor caso Vth de 2V es más alto que el requerido 1.7V y puede tener un Vth de hasta 4V, que es mucho más de 1.7V en esta aplicación .

  Un aceptable (solo) TO92 MOSFET en stock en Digikey es el Zetex / Diodes Inc ZVNL110a .
  Esto tiene Vth de 0,75 / - / 1,5 voltios. Esto es casi lo mismo que el BSS138.

Más:

• El BSS138 es, relativamente, un pedazo de basura. Tiene su lugar, pero se extiende más allá de sus capacidades seguras en este circuito. Desafortunadamente, la alternativa que eligió, un FQN1N60C, es aún peor.

• Su voltaje de elevación LV a un voltaje equivalente a HV supera el alto valor de Vth del FQN1N60C.

La razón por la que su circuito original funciona mal es porque el FQN1N60C es una muestra muy lamentable del arte MOSFET, y la razón por la que su circuito revisado funciona bien es también porque el FQN1N60C es una muestra muy lamentable del arte MOSFET. Un VOS MOSFET bajo funcionaría correctamente en el circuito original y fallaría en el revisado.

Esto se debe a que en el circuito original, el FQN1N60C Vth es demasiado alto para el Vth disponible y no se enciende correctamente. Un MOSFET con Vth lo suficientemente bajo se encendería correctamente con el voltaje disponible. En el circuito revisado, ha proporcionado al FQN1N60C suficiente voltaje de compuerta en el estado operado, pero no tanto como para que se opere involuntariamente. Si usó un MOSFET de Vth bajo, se encendería por el voltaje de destino disponible cuando estaba destinado a estar apagado y el circuito fallaría.

El circuito es extremadamente inteligente, PERO su inteligencia depende de que el MOSFET tenga suficiente voltaje de compuerta para conducirlo cuando TX_LV es bajo, pero no suficiente voltaje para conducirlo cuando TC_LV es alto. Por lo general, LV = T_LV cuando TX_LV es alto, por lo que el MOSFET no ve voltaje de puerta. Al aumentar LV a HV, usted proporciona un voltaje de puerta de (HV-LV) cuando TX_LV es alto. Como HV-LV = 5-3.3 = 1.7V, el FQN1N60C no dispara falsamente, ya que es práctico Vth es> 1.7V.

A continuación se muestra el diagrama del circuito de cambio de nivel original.

El BSS138 es un MOSFET de canal N, por lo que conduce cuando su puerta es positiva en relación con la fuente, es habitual que su drenaje sea más alto que su fuente, y el diodo interno del cuerpo se bloquea cuando Vds es + ve y conduce cuando Vds es negativo .

Operación normal
Con TXLV y TXHV alto, la puerta está en LV (originalmente 3V3, la fuente está en TX_LV = 3.3, entonces Vgs = 0, así que FET está apagado. La
fuente está en TX_LV tirada allí por R3.

Enviar lógica 0 de izquierda a derecha.
Tire TX_LV bajo. Fuente = 0V, puerta = 3V3. Entonces Vgs = 3V3. Como esto es> Vth BSS138 está encendido. Como source = 0V y FET está activado, TX_HV también se reducirá a bajo. Eso fue fácil :-).

Enviar lógica 0 de derecha a izquierda.
Tire TX_HV bajo. Drenaje = 0. La compuerta es 3V3 a través de una conexión física
Fuente = 3V3 (pero ver más abajo) Entonces: Vgs = 0. FET está apagado. Vds = - 3V3.
PERO el BSS138 tiene un diodo interno S a D. Este diodo ahora conducirá, tirando de TX_LV a una caída de diodo por encima de TX_HV.
También fácil

AHORA reemplace BSS138 con FQN1N60C.
El Vth del MOSFET es> a >> 1.7V de margen entre 5V y 3V3.
Ahora, al enviar la lógica 0 DE IZQUIERDA A DERECHA, la fuente de conexión a tierra da Vgs = 3V3 = <4V en el peor de los casos. Si el Vth verdadero está en algún lugar alrededor de 1.7V, el circuito funcionará.

Elevar LV a 5V funciona como ahora Vgs = 5V.
PERO cuando TX_LV es alto, todavía hay 5-3.3 = 1.7V de unidad a MOSFET, a pesar de que debería ser 0V, y era antes.

Si ahora reemplaza el MOSFET que tiene un Vth <1,7V, siempre estará encendido. es decir, un MOSFET de mejor calidad funciona peor (o no funciona). La "cura" es usar un MOSFET inicialmente con Vth <a << 1.7V.