Tensión de umbral del MOSFET IRF3205 superior a la esperada

Question

He estado tratando de conducir un conjunto de LEDs de 12 V con un IRF3205 MOSFET. Quería hacer esto:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Sin embargo, cuando lo probé, el LED sólo recibía 6 V y el MOSFET dejaba caer 10 V a través del drenaje y la fuente. Revisando las cosas que podían estar mal, encontré que dando a la puerta 5 V se resuelve el problema, y el LED recibe todo el voltaje de la fuente de alimentación de 12 V. Los LEDs consumen alrededor de 100 mA cuando son manejados correctamente de esta manera.

Miré hacia arriba la hoja de datos y vi que el voltaje de umbral de la puerta es de 2-4 V, lo que significa que debería funcionar bien con los 3,3 V Raspberry Pi GPIO .

¿Qué está pasando, y hay una manera que podría conducir este chip con un 3,3 V Raspberry Pi GPIO pin?

Answer 1

Un error fundamental que muchos tienen con los MOSFETs es que el umbral de puerta es donde ocurre la "magia". El umbral de puerta es realmente un umbral - es el umbral absoluto de conducción: donde el dispositivo pasa de totalmente de a jusssssssssssst un poco de encendido.

Un diagrama significativo puede encontrarse unas páginas más abajo:

Esto muestra varias relaciones entre \$V_{GS}\$ , \$I_D\$ y \$V_{DS}\$ .

Con una unidad de 12V \$V_{DS}\$ se puede ver que incluso con 4,5V en la puerta, el MOSFET conducirá sólo una pequeña fracción de los 110A para los que está clasificado el dispositivo.

Sí, estas curvas se caracterizan por el comportamiento de los impulsos, pero se entiende la idea: se necesita mucho más que la tensión de umbral de puerta para que el MOSFET esté realmente "encendido" y funcione bien.

Si quieres conducir un MOSFET desde la línea GPIO directamente, necesitarás encontrar uno que pueda hundir suficiente corriente a ese nivel de conducción de 3,3V.

Considere la Fairchild FQP30N06L dispositivo:

Puedes ver que incluso con 3V, el dispositivo conducirá mucha corriente.

Answer 2

Si quieres deshacerte de los problemas de umbral y voltaje de encendido del MOSFET, completamente, te sugiero que pruebes esto:

R1 disipará alrededor de un vatio mientras el LED está encendido, por lo que la prudencia dictaría el uso de una resistencia de alrededor de 2 vatios. Me gustan estos.

y aquí está la lista de circuitos LTspice por si quieres jugar con el circuito:

Version 4
SHEET 1 1140 708
WIRE 128 0 -16 0
WIRE 304 0 208 0
WIRE 304 32 304 0
WIRE 304 112 304 96
WIRE 128 160 80 160
WIRE 240 160 208 160
WIRE -16 224 -16 0
WIRE 80 224 80 160
WIRE -16 336 -16 304
WIRE 80 336 80 304
WIRE 80 336 -16 336
WIRE 304 336 304 208
WIRE 304 336 80 336
WIRE -16 384 -16 336
FLAG -16 384 0
SYMBOL res 224 -16 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 91
SYMBOL LED 288 32 R0
WINDOW 3 28 68 Left 2
SYMATTR InstName D1
SYMATTR Value QTLP690C
SYMATTR Description Diode
SYMATTR Type diode
SYMBOL voltage 80 208 R0
WINDOW 3 24 96 Invisible 2
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName GPIO
SYMATTR Value PULSE(0 3.3 0 100n 100n 10m 20m)
SYMBOL voltage -16 208 R0
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName V2
SYMATTR Value 12
SYMBOL npn 240 112 R0
SYMATTR InstName Q1
SYMATTR Value 2N2222
SYMBOL res 224 144 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 240
TEXT -8 360 Left 2 !.tran .5

Answer 3

Busqué la hoja de datos, y vi que el voltaje de umbral de la puerta es de 2-4v, lo que significa que esto debería funcionar bien con el 3,3v Raspberry Pi GPIO.

Eso significa que 3,3 V podría estar por debajo de la tensión de umbral de la puerta.

Aunque estuviera por encima, sigue sin tener sentido. Hay que leer la hoja de datos en lugar de hojear lo más destacado y luego hacer suposiciones (erróneas).

En la página 2, V _GSth está claramente definida cuando el FET conduce 250 µA. Es difícil incluso imaginar cómo piensas que eso es relevante cuando quieres 100 mA.

Justo una línea más arriba, la hoja de datos especifica R _DS(on) a 10 V, que es a lo que este FET está destinado a funcionar. Nada dice sobre lo que ocurre con sólo 3,3 V en la puerta, aparte de que a veces puede conducir 250 µA.

De nuevo, todo esto está claramente explicado. A veces se obtienen hojas de datos ambiguas o mal redactadas, pero ésta no es una de ellas. Este FET es simplemente inapropiado para su aplicación.

Answer 4

Ahora he completado el proyecto utilizando un transistor estándar 2N3904 NPN, que puede manejar la totalidad de los 100mA a 12v.

Gracias por los consejos de todos.

Answer 5

No debería ser necesario quemar 2W en la resistencia. Para conducir 100mA en el diodo que necesita para quemar en una resistencia : P = VI ; V = IR; P = I^2*R = .01*R W

Suponiendo que el LED necesita unos 3-4V para estar encendido, eso deja 8V de sobra para quemar a través de esta resistencia. V = IR; V = 8V, I = .1A; R = 80 Ohms

Volviendo a la potencia quemada en la resistencia, I^2*R = .1^2 * 80 = .01*80 = .8W También estarías quemando 4V*.1A = .4W en el LED. Esto me parece un poco derrochador, y una mejor manera podría ser reducir los 12V a algo más como 5V.

Necesitas un FET más sensible (menor Vt). También podrías convertir tu salida (0-4V) en (0-12V) usando inversores BJT espalda con espalda, y usar el FET de corriente que tienes, junto con una resistencia de 80Ohm.