Từ nhiều năm nay, chúng ta đã biết đến nhiều thiết bị 3.3V như ESP8266, ESP32, module Bluetooth HC-05, màn hình LCD Nokia 5110, cảm biến áp suất khí quyển BMP180, v.v. Để kết nối SPI hoặc I2C 3.3V với thiết bị 5V như Arduino hỗ trợ giao tiếp hai chiều, giải pháp là sử dụng bộ chuyển đổi mức logic hoặc bộ chuyển đổi mức bên ngoài. Bộ chuyển đổi mức logic sử dụng một MOSFET BSS138 trên mỗi bus để hỗ trợ chuyển đổi mức hai chiều và bảo vệ phía điện áp thấp khỏi phía điện áp cao. Bài viết này sẽ mô tả ngắn gọn về MOSFET kênh N có tên gọi là BSS138.

Các loại MOSFET thay thế cho BSS138 là 2N7000, 2N7002, NTR4003, FDC558, FDC666 và BS170. Các loại tương đương với MOSFET kênh N BSS138 là IRF3205, IRF540N, IRF1010E, 2N7000, BS170N, FDN358P (MOSFET kênh P), BSS84 (MOSFET kênh P).

MOSFET BSS138 là gì?

BSS138 là một MOSFET kênh N mức logic có điện trở thấp (3,5 ohms) và điện dung đầu vào thấp (40 pF) trong gói SMD. MOSFET này cũng có thể chuyển mạch với tốc độ cao 20 ns. Do tốc độ chuyển mạch cao hơn và điện áp ngưỡng thấp, các MOSFET này chủ yếu được sử dụng trong các mạch chuyển đổi mức.

Đây là một MOSFET kênh N nhỏ gọn với điện áp ngưỡng rất thấp là 0,5 Volts, phù hợp cho tất cả các ứng dụng điện áp thấp và chuyển đổi mức điện áp. Các MOSFET này cũng có điện dung đầu vào thấp và điện trở bật thấp, giúp chúng hoạt động hiệu quả trong các mạch chuyển mạch. Do kích thước nhỏ gọn, các MOSFET này thường được sử dụng trong các thiết bị di động như điện thoại di động và các mạch quản lý nguồn khác.

BSS138 có giá hơi cao so với thông số kỹ thuật của nó, vì vậy để có một lựa chọn thay thế rẻ hơn, hãy xem xét 2N7002. Tuy nhiên, cần phải có một số bù trừ cho điện trở bật và điện áp ngưỡng của MOSFET. Các MOSFET này có sẵn trong gói SMD, cho phép chúng được sử dụng trong các ứng dụng nhỏ hơn. Nhược điểm chính của MOSFET là dòng điện thoát thấp. Nó có thể cung cấp dòng điện liên tục 200mA và dòng điện đỉnh lên đến 1A ở điện áp ngưỡng tối đa. Nếu vượt quá, MOSFET sẽ bị hỏng.

Cấu hình chân/Sơ đồ chân của MOSFET BSS138:

BSS138 là một MOSFET kênh N có 3 chân hoặc 3 cực. Sơ đồ cấu hình chân của BSS138 được thể hiện trong hình bên dưới.

• Chân 1: Nguồn: Dòng điện chạy ra qua đầu nối này.
• Chân 2: Cổng: Việc phân cực MOSFET được điều khiển bởi chân này.
• Chân 3: Cực thoát: Dòng điện đi vào qua cực này.

Thông số kỹ thuật BSS138:

Thông số kỹ thuật và đặc điểm của BSS138 được nêu dưới đây.

• Đây là MOSFET kênh N với mức logic và điện trở bật thấp.
• Dòng điện thoát liên tục ID là 200mA.
• Điện áp giữa cực thoát và cực nguồn VDS là 50V.
• Điện áp ngưỡng cổng tối thiểu VGS là 0,5V.
  Điện áp ngưỡng cổng tối đa VGS là 1,5V.
• Điện trở khi bật là 3,5 ôm.
• Thời gian bật và tắt là 20ns mỗi lần.
• Có sẵn dạng gói SMD SOT23.

Các đặc tính điện và nhiệt tuyệt đối ở nhiệt độ T=25°C:

• Điện áp giữa cực thoát và cực nguồn VDSS: 50V.
• Điện áp giữa cực cổng và cực nguồn VGSS: ±20V.
• Dòng điện tiêu thụ liên tục ID: 0,22A.
• Dòng điện thoát xung: 0,88A.
• Công suất tiêu tán tối đa: 300mW.
• Phạm vi nhiệt độ hoạt động và lưu trữ của mối nối: -55°C đến +150°C.
• Nhiệt độ tối đa của chì dùng cho mục đích hàn: 300°C.
• Khả năng chịu nhiệt: 350°C/W.
• Điện dung đầu vào @ VDS=25V, VGS=0V, f=1MHz: 27pF.
• Điện dung đầu ra @ VDS=25V, VGS=0V, f=1MHz: 13pF.
• Điện dung truyền ngược @ VDS=25V, VGS=0V, f=1MHz:6pF.
• Điện trở cổng: 9 ôm.

Sơ đồ mạch điện/Hướng dẫn sử dụng?

Bây giờ, chúng ta hãy tìm hiểu sơ đồ mạch/cách sử dụng MOSFET kênh N BSS138 làm bộ chuyển đổi mức điện áp hai chiều. Hãy xem xét sơ đồ mạch bên dưới bao gồm một MOSFET kênh N BSS138 với một diode nối đất-chất nền bên trong (phải có một diode). Chia mạch thành hai phần: bên trái, hay phía điện áp thấp, và bên phải, hay phía điện áp cao.

Cả hai phía đều có điện áp nguồn và mức logic khác nhau. Kéo đường dẫn ở phía điện áp thấp lên mức CAO là 3.3 Volts và nguồn cấp cho thiết bị ở phía này là 3.3 Volts. Kéo đường dẫn ở phía bên phải lên mức CAO là 5V và nguồn cấp cho thiết bị là 5V. Cực cổng của MOSFET phải được nối với nguồn điện áp thấp 3.3 V. Cực nguồn và cực máng của MOSFET được nối lần lượt với đường dẫn điện áp thấp và đường dẫn điện áp cao. Mạch đơn giản này hoạt động như một bộ chuyển đổi mức logic hai chiều.

Bây giờ chúng ta hãy xem mạch trên hoạt động như một bộ chuyển đổi mức logic hai chiều như thế nào. Để hiểu rõ hơn về nhiệm vụ này, chúng ta hãy chia hoạt động của nó thành 3 trạng thái.

Trạng thái chờ

Thứ nhất, khi không có tín hiệu từ cả hai phía, nó sẽ tạo ra tín hiệu đầu ra mức cao hoặc nhận tín hiệu đó làm đầu vào. Trên thực tế, điều này có nghĩa là không có gì để hạ thấp mức tín hiệu, vì vậy chúng ta cần kéo tín hiệu đầu ra lên mức logic cao (ví dụ: 3.3V cho Raspberry Pi, 5V cho Arduino) ở cả hai đầu.

Điện áp giữa cực cổng và cực nguồn VGS (chân 1 và chân 2) là 0V (cả hai đều là 3,3V), do đó MOSFET đang ở trạng thái TẮT. Vì vậy, đầu ra ở phía LV1 dựa trên điện trở R1 (10kΩ) có thể kéo lên 3,3V, và đầu ra ở phía HV1 dựa trên R2 có thể kéo lên 5V. Như vậy, cả hai đầu đều ở mức logic cao hơn.

Điện áp phía 3.3V được kéo xuống mức thấp.

Nếu bạn muốn nhận được điện áp thấp từ phía điện áp thấp, hãy kết nối đầu ra với 0V thông qua một cực thoát hở. Điều này kéo cực nguồn của Q1 lên 0V và điện áp ở cực cổng là 3.3V, làm cho MOSFET bật. Sau đó, tín hiệu đầu ra cao (ở cực cổng) từ Q1 sẽ chuyển xuống mức thấp. Do đó, điều này dẫn đến tín hiệu logic mức thấp ở phía điện áp cao.

Mạch 5V được kéo xuống mức thấp.

Bây giờ chúng ta hãy tìm hiểu cách kéo điện áp trên bus xuống thấp để xử lý quá trình chuyển đổi từ mức cao ở cả hai phía xuống phía 5V. Phía có điện áp cao hơn giờ đây có điện áp đầu ra thấp hơn bằng cách kéo đầu cuối xuống thông qua cực thoát hở. Điện trở giữa cực thoát và chất nền của MOSFET được kéo xuống (như trong sơ đồ MOSFET) để dòng điện có thể chảy từ cực nguồn đến cực thoát (ngược chiều với dòng điện dẫn khi nó hoạt động như một công tắc).

Sau đó, khi điện áp của nguồn giảm xuống dưới điện áp của cực cổng, MOSFET sẽ bật. Khi MOSFET ở trạng thái bật, cả hai phía LV và HV đều ở mức 0V, tạo ra mức logic thấp ở mỗi phía.
Khi kết hợp 3 trạng thái này, mức logic có thể được dịch chuyển theo cả hai hướng, do đó nó hoạt động như một bộ dịch chuyển mức logic hai chiều.

Ứng dụng của BSS138/Sử dụng ở đâu?

Sau đây là các ứng dụng của BSS138.

• Được sử dụng trong các ứng dụng điện áp thấp và dòng điện thấp.
• Được sử dụng trong các mạch chuyển đổi mức logic hai chiều.
• Được sử dụng trong các bộ chuyển đổi DC-DC.
• Được sử dụng trong các ứng dụng cần điện trở bật thấp.
• Được sử dụng trong các ứng dụng xe điện.
• Được sử dụng trong các ứng dụng quản lý năng lượng.

Vui lòng tham khảo liên kết này để biết thêm thông tin về bảng dữ liệu MOSFET BSS138.

Tóm lại, đây là tổng quan về MOSFET kênh N BSS138. Chúng được thiết kế để giảm thiểu điện trở khi bật và cung cấp hiệu suất chuyển mạch nhanh. Đây là loại MOSFET đáng tin cậy và bền bỉ hơn, được sử dụng trong các ứng dụng dòng điện thấp và điện áp thấp như điều khiển động cơ servo, mạch truyền động nguồn và các ứng dụng chuyển mạch khác.